4. Các phương pháp và phương tiện thực hiện đề tài
5.2 Phản ứng dây chuyền của sự vỡ nhân uran
Muốn phản ứng dây chuyền xảy ra thì điều kiện cần thiết là mọi hạt nhân khi vỡ trung bình phải phát ra nhiều nơtron. Những nơtron này lại có thể bắn phá các nhân uran khác ở gần đó và cứ thế phản ứng tiếp diễn thành một dây chuyền.
Thực tế không phải mọi nơtron sinh ra đều gây ra phản ứng vỡ hạt nhân, trái lại có nhiều nơtron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: thí dụ nơtron có thể bị các tạp chất trong tự nhiên hấp thụ, hoặc bị U238
hấp thụ mà không xảy ra phản ứng vỡ, hoặc bay ra ngoài thể tích khối uran,… thành thử muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới hệ số nhân nơtron k của hệ. Nó phụ thuộc tỉ số giữa số nơtron sinh ra và số nơtron mất đi do các nguyên nhân khác nhau. Nếu k nhỏ hơn đơn vị (k < 1) phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Nếu k đúng bằng đơn vị (k = 1) thì phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra với mật độ nơtron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điểu khiển được trong lò phản ứng. Nếu k lớn hơn đơn vị (k > 1) thì dòng nơtron sẽ tăng liên tục theo thời gian và dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.
Uran thiên nhiên chứa 99,3% đồng vị U238 và 0,7% đồng vị U235. Hạt nhân U238 chỉ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh, năng lượng lớn hơn 1 MeV, còn khi hấp thụ nơtron năng lượng dưới 1 MeV thì U238
sẽ biến đổi thành Pu239.
Trái lại hạt nhân U235 sẽ vỡ khi hấp thụ cả nơtron chậm và nơtron nhanh. Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm của U235
lớn hơn nhiều so với khi hấp thụ nơtron nhanh.
Thành thử trong một môi trường đồng nhất, nồng độ U238 lớn thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Trái lại với một khối lượng U235 đủ lớn thì phản ứng dây chuyền tự phát
có thể xảy ra và chỉ sau một thời gian ngắn đã tỏa ra một nhiệt lượng lớn và gây ra vụ nổ nguyên tử. Ta gọi khối lượng tối thiểu của uran để xảy ra phản ứng dây chuyền tự phát là
khối lượng tới hạn (đối với U235
nguyên chất là 1 kg, đối với plutoni nguyên chất là 1,235kg. Nhiệt lượng tỏa ra ứng với khối lượng tới hạn này tương đương với nhiệt lượng
tỏa ra khi đốt 2000 tấn xăng, hay tương đương với năng lượng khi làm nổ 25.000 tấn thuốc nổ trinitrotoluen). Đó là nguyên tắc bom hạt nhân. Người ta dùng hai mảnh U235
khối lượng nhỏ hơn 1 kg đặt cách xa nhau. Dùng thuốc nổ phụ đẩy hai mảnh đó đính liền nhau, khối lượng bây giờ lớn hơn mức tới hạn. Kết quả sẽ xảy ra vụ nổ nguyên tử. Trong
thực tế vì khó có được U235
Chương 6: THÍ NGHIỆM NHIỆT HẠCH HẠT NHÂN
Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng theo đó hai nuclon hay hạt nhân tương đối nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng.
Thí dụ, từ phản ứng tổng hợp hạt nhân đơtêri và triti để tạo thành heli, năng lượng được giải phóng ra sẽ là 17,6 MeV.
1H3 + 1H2 2He4 + 0n1 + 17,6 MeV (6.1)
Phản ứng nhiệt hạch điển hình là phản ứng kết hợp một proton với nơtron để tạo thành một đơton:
1H1 + 0n1 1H2 Q = 2,23 MeV (6.2)
Tương tự, ta có phản ứng tạo thành một hạt alpha bằng cách tổng hợp hai đơton và được thực hiện như hình 6.1.
1H2 + 1H2 2He4 Q = 23,8 MeV. (6.3)
Hình 6.1: Thí nghiệm nhiệt hạch hạt nhân