Bài giảng Vật lý A3 - Chương 7: Phản ứng hạt nhân - Lê Công Hảo

Chương 7 Phản ứng hạt nhân PGS.TS. Lê CôngHảo 7.1. CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ➢ Ta có thể làm thay đổi cấu trúc hạt nhân bằng cách bắn phá chúng bằng những hạt nhân mang năng lượng khác. ➢ Các va chạm dẫn tới làm thay đổi tính chất hạt nhân bia được gọi là phản ứng hạt nhân. ➢ Rutherford là người đầu tiên quan sát được phản ứng hạt nhân vào năm 1919 ➢ Sau đó người ta đã thực hiện hàng ngàn phản ứng hạt nhân khác, nổi bật nhất là sau khi máy gia tốc hạt được phát triển vào năm 1930. bYXa +→+ X được bắn phá bởi hạt a và kết quả tạo ra hạt nhân Y và hạt b ( )Yb,aX ( ) HepLi 47 , +→+ HeLip 47 Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân là: ➢ Bảo toàn số khối A: Tổng số nucleon trước và sau phản ứng phải bằng nhau. ➢ Bảo toàn điện tích Z: Tổng số điện tích của các hạt nhân trước và sau phản ứng phải bằng nhau. 7.2. CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ➢ Bảo toàn năng lượng và động lượng: các đại lượng này được bảo toàn vì phản ứng hạt nhân chỉ có lực tương tác bên trong giữa nhân bia và hạt nhân bắn phá, và không có ngoại lực để phá vỡ các nguyên lí bảo toàn này. Giả sử hạt nhân bia X ban đầu đứng yên, hạt tới có động năng Ka, và phản ứng tạo ra hạt nhân Y và b có động năng KY và Kb. Theo định luật bảo toàn năng lượng, b 2 bY 2 Y 2 aa 2 X KcMKcMcMKcM +++=++ Năng lượng phản ứng Q: ( ) 2cMMMMQ KKKQ bYaX abY −−+= −+=Nếu Q > 0 thì phản ứng tỏa năng lượng (tỏa nhiệt): khối lượng hạt nhân chuyển thành động năng của các hạt Y và b. Nếu Q < 0 thì phản ứng thu năng lượng (thu nhiệt) Hạt tới phải có một năng lượng ngưỡng Kng       +−= X a ng M M 1QK 7.2. CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN 7.3. PHÂN HẠCH HẠT NHÂN Phân hạch hạt nhân xãy ra khi một hạt nhân nặng, chẳng hạn như 235U, tách ra thành hai hạt nhân có khối lượng gần bằng nhau mà ta gọi là sản phẩm phân hạch. Sự phân hạch của 235U khi hấp thụ neutron nhiệt ( ) neutronvàiYXUUn *236922359210 ++→→+ n3KrBaUn 10 92 36 141 56 235 92 1 0 ++→+ Khi hạt nhân nặng bắt một neutron nhiệt thì xãy ra phản ứng phân hạch hạt nhân và giải phóng một năng lượng 200 MeV Trước khi phân hạch Sau khi phân hạch H iệ u su ấ t p h ân h ạ ch (% ) Số khốiA Sự kiện phân hạch lớn nhất ứng với các mãnh phân hạch có số khối A  140 và A  95. Các mãnh phân hạch mà có số neutron dư lớn hầu hết giải phóng tức thời hai hoặc ba neutron. Các mãnh phân hạch còn lại vẫn giàu neutron và dẫn đến phân rã thành hạt Trong quá trình phân rã này các tia gamma cũng được phát ra vì hạt nhân ở trạng thái kích thích. 7.3. PHÂN HẠCH HẠT NHÂN nhân bền vững hơn qua một loạt phân rã  7.4. LÒ PHẢN ỨNG Lò phản ứng là một hệ thống được thiết kế để kiểm soát phản ứng phân hạch mà ta gọi là phản ứng dây chuyền tự duy trì. Lò phản ứng đầu tiên được thiết kế vào năm 1942 bởi Fermi tại Trường Đại học Chicago (Mỹ) với uranium tự nhiên làm nhiên liệu U-235 Fission products (Sản phẩm phân hạch) Neutron Proton Năng lượng Neutrons Uranium tự nhiên chứa 0,7% đồng vị 235U, còn lại là 238U chiếm 99,3%. 238U hầu như không phân hạch bởi neutron nhiệt mà chỉ hấp thụ neutron để tạo ra Neptunium và Plutonium. 7.4. LÒ PHẢN ỨNG Để lò phản ứng hoạt động được thì nhiên liệu uranium phải được làm giàu để chứa ít nhất vài phần trăm đồng vị 235U. 7.4. LÒ PHẢN ỨNG 7.4. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH ➢ Quá trình hợp hạch xãy ra khi hai hạt nhân nhẹ kết hợp lại với nhau để hình thành một hạt nhân nặng hơn. ➢ Để đưa các hạt nhân lại gần nhau nên cần có nhiệt độ cao, vì vậy phản ứng hợp hạch còn gọi là phản ứng nhiệt hạch. ➢ Các phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng có thể xãy ra trên Mặt Trời như sau: +→+ ++→+ + HeHH eHHH 3 2 2 1 1 1 0 1 2 1 1 1 1 1 HHHeHeHe eHeHeH 1 1 1 1 4 2 3 2 3 2 0 1 4 2 3 2 1 1 ++→+ ++→+ + Chu trình proton-proton Hầu hết năng lượng tạo ra đều tập trung ở lớp trong của Mặt Trời và nhiệt độ tại đây lên tới 1,5.107K. 7.4. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Phản ứng nhiệt hạch hứa hẹn nhất cho lò phản ứng nhiệt hạch mà có thể thực hiện trên mặt đất là MeV59,17QnHeHH MeV03,4QHHHH MeV27,3QnHeHH 1 0 4 2 3 1 2 1 1 1 3 1 2 1 2 1 1 0 3 2 2 1 2 1 =+→+ =+→+ =+→+ Trong phản ứng nhiệt hạch D-T, MeVQnHeHH 6,1710 4 2 3 1 2 1 =+→+ Neutron 14 MeV xuyên qua plasma và bị hấp thụ trong những vật liệu xung quanh Lithium nóng chảy làm vật liệu hấp thụ neutron và để lưu chuyển lithium trong một vòng trao đổi nhiệt khép kín HeHLin 42 3 1 6 3 1 0 +→+ 7.4. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH Cấu trúc của lò phản ứng nhiệt hạch ➢So với nhà máy điện phân hạch hạt nhân: (1) giá thành nguồn nhiên liệu thấp và dồi dào (deuterium), (2) khống chế được các tai nạn xãy ra, (3) sự nguy hiểm về bức xạ ít hơn so với phân hạch. ➢Một số khó khăn thấy trước bao gồm: (1) tính khả thi không thiết lập được lò phản ứng nhiệt hạch, (2) giá thành nhà máy điện nhiệt hạch hạt nhân rất cao, (3) sự khan hiếm về lithium, (4) hạn chế về helium cần để làm lạnh nam châm siêu dẫn, (5) hư hổng cấu trúc và gây ra phóng xạ do neutron bắn phá, (6) độ ô nhiễm nhiệt cao. ➢Nếu các khó khăn cơ bản này và các hệ số thiết kế kỹ thuật giải quyết được thì nhiệt hạch hạt nhân có thể trở thành nguồn năng lượng khổng lồ trong thế kỷ 21 này. 7.4. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH