Bài 24. Công nghiệp hạt nhân – Tóm tắt Vật lí 12

1. Phản ứng phân hạch dây chuyền

Trong phản ứng phân hạch, một neutron chậm bắn vào hạt nhân nặng, thường là uranium-235. Hạt nhân bị tách thành hai hạt nhân nhẹ hơn và giải phóng một số neutron mới. Những neutron này có thể tiếp tục gây ra phân hạch khác.

Định nghĩa

Phản ứng phân hạch dây chuyền (phản ứng dây chuyền) là quá trình trong đó neutron sinh ra từ các phân hạch lại kích thích các phân hạch tiếp theo, tạo thành chuỗi phản ứng tự duy trì.
Khối lượng tới hạn là khối lượng nhỏ nhất của chất phân hạch cần thiết để phản ứng dây chuyền tự duy trì được.

Không đơn thuần cứ nhiều chất phân hạch là đủ. Khi khối lượng còn nhỏ, bề mặt lớn so với thể tích, phần lớn neutron sinh ra sẽ thoát ra ngoài trước khi gặp hạt nhân uranium khác nên mật độ neutron giảm và phản ứng dừng lại. Muốn duy trì, cần giữ neutron lại, ví dụ bằng cách tăng khối lượng đến khối lượng tới hạn hoặc bố trí vật liệu phản xạ xung quanh.

Lưu ý

Nếu mỗi phân hạch sinh ra trung bình ít nhất một neutron “hữu dụng” gây nên phân hạch tiếp theo thì quá trình duy trì. Nếu trung bình có hơn một neutron, số phản ứng tăng rất nhanh theo cấp số nhân.

2. Lò phản ứng hạt nhân

Để dùng năng lượng phân hạch một cách có lợi và an toàn, người ta xây dựng lò phản ứng hạt nhân – nơi phản ứng dây chuyền được duy trì ổn định và được điều khiển theo ý muốn.

Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân

Lõi lò: chứa nhiên liệu phân hạch, thường là uranium đã được làm giàu hàm lượng U-235. Đây là nơi diễn ra phản ứng dây chuyền.
Chất làm chậm neutron (nước, nước nặng hoặc than chì): làm giảm tốc độ các neutron nhanh sinh ra từ phân hạch thành neutron chậm, dễ bị hạt nhân U-235 hấp thụ.
Thanh điều khiển: làm bằng cadmium, boron hoặc hợp kim hấp thụ neutron mạnh. Đưa thanh vào sâu hơn thì hấp thụ nhiều neutron hơn, phản ứng chậm lại; rút ra để phản ứng nhanh hơn.
Chất phản xạ neutron: bao quanh lõi, phản xạ trở lại lõi một phần neutron đang thoát ra ngoài.
Chất làm nguội: lưu thông trong lõi để thu nhiệt từ phản ứng phân hạch rồi mang đi.
Vỏ bảo vệ: thùng lò bằng thép dày và lớp bê tông rất dày bao quanh, ngăn neutron và tia gamma thoát ra, bảo vệ con người và môi trường.

Nguyên lí hoạt động: phản ứng phân hạch toả nhiệt; nhiệt được chất làm nguội chuyển ra ngoài, đun sôi nước thành hơi ở bộ trao đổi nhiệt; hơi nước làm quay tua-bin, tua-bin làm quay rôto của máy phát điện.

Mức độ hoạt động được mô tả qua hệ số nhân neutron.

Định nghĩa

Hệ số nhân neutron, kí hiệu $k$ , là tỉ số giữa số neutron trong thế hệ sau và số neutron trong thế hệ trước trong lò phản ứng.

Ba trạng thái của lò phản ứng

$k<1$ : dưới tới hạn. Mỗi neutron gây ra ít hơn một phân hạch mới, số phản ứng giảm dần, lò tắt.
$k=1$ : tới hạn. Số neutron mỗi thế hệ được duy trì không đổi. Đây là trạng thái làm việc ổn định, được giữ khi lò hoạt động bình thường.
$k>1$ : trên tới hạn. Số neutron tăng theo thế hệ, phản ứng tăng tốc. Lò chỉ đạt trạng thái này lúc khởi động hoặc tăng công suất, rồi được điều chỉnh về $k=1$ .

Thanh điều khiển dùng để giữ lò xung quanh $k=1$ . Khi cần dừng khẩn cấp, các thanh điều khiển được đưa hết vào lõi để dập tắt phản ứng dây chuyền.

3. Ứng dụng của công nghiệp hạt nhân

Sản xuất điện: nhiều quốc gia dùng nhà máy điện hạt nhân để tạo điện công suất lớn, ổn định, san sẻ trong hệ thống năng lượng quốc gia.
Sản xuất đồng vị phóng xạ: phục vụ y học (chẩn đoán, điều trị), nông nghiệp và công nghiệp.
Nguồn neutron: dùng trong nghiên cứu cấu trúc vật liệu, phân tích thành phần nguyên tố.
Công nghiệp, nông nghiệp: dùng tia gamma kiểm tra khuyết tật bên trong vật liệu (không phá huỷ mẫu), chiếu xạ diệt khuẩn để bảo quản thực phẩm, chiếu xạ gây đột biến tạo giống cây trồng.

Cần phân biệt lò phản ứng với vụ nổ hạt nhân: lò phản ứng được điều khiển, không để phản ứng dây chuyền tự tăng nhanh thành vụ nổ.

4. Phương pháp giải bài tập

Quy tắc bảo toàn trong phản ứng hạt nhân.

Trong một phản ứng hạt nhân, tổng số nucleon $A$ và tổng điện tích $Z$ được bảo toàn.

Các bước giải thường dùng

1.
Viết phản ứng đầy đủ các hạt đã biết; đặt hạt chưa biết dạng ${}^{A}_{Z}X$ .
2.
Bảo toàn $A$ : $A_{\text{trước}}=A_{\text{sau}}$ ; bảo toàn $Z$ : $Z_{\text{trước}}=Z_{\text{sau}}$ .
3.
Tìm được $A,Z$ suy ra nguyên tố hóa học trên bảng tuần hoàn.
4.
Nếu tính năng lượng: xác định khối lượng nghỉ $m$ của các hạt, tìm độ giảm khối lượng $\Delta m=m_{\text{trước}}-m_{\text{sau}}$ .
5.
Dùng $E=\Delta m\,c^2$ , hoặc $\Delta E=\Delta m\times 931{,}5\,\mathrm{MeV}$ khi $\Delta m$ tính bằng $\mathrm{u}$ .
6.
Nếu tính năng lượng từ $m$ gam U-235: đổi sang số nguyên tử bằng $N=\dfrac{m}{235}N_A$ , rồi nhân với năng lượng mỗi phân hạch.

Hằng số hay dùng: $N_A=6{,}022\times10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}$ ; $1\,\mathrm{u}\leftrightarrow 931{,}5\,\mathrm{MeV}/c^2$ ; $1\,\mathrm{MeV}=1{,}6\times10^{-13}\,\mathrm{J}$ .

5. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho phản ứng phân hạch:

{}^{1}_{0}n+{}^{235}_{92}\mathrm{U}\longrightarrow{}^{144}_{56}\mathrm{Ba}+X+3{}^{1}_{0}n.

Xác định hạt nhân $X$ .

Lời giải · 3 bước

Gọi $X={}^{A}_{Z}X$ . Theo quy tắc bảo toàn số nucleon:

1+235=144+A+3 \Rightarrow A=89.

Bước 2

Theo quy tắc bảo toàn điện tích:

0+92=56+Z \Rightarrow Z=36.

Bước 3

Vậy $X$ là hạt nhân krypton: ${}^{89}_{36}\mathrm{Kr}$ .

Ví dụ 2

Biết mỗi phân hạch của uranium-235 giải phóng trung bình khoảng $200\,\mathrm{MeV}$ . Tính năng lượng thu được khi phân hạch hoàn toàn $1\,\mathrm{g}$ uranium-235.

Lời giải · 4 bước

Khối lượng mol của uranium-235 xấp xỉ $235\,\mathrm{g/mol}$ . Số nguyên tử trong $1\,\mathrm{g}$ :

N=\frac{6{,}022\times10^{23}}{235}\approx2{,}56\times10^{21}\ \text{nguyên tử}.

Bước 2

Năng lượng của mỗi phân hạch:

E_0=200\,\mathrm{MeV}=200\times10^6\times1{,}6\times10^{-19}\,\mathrm{J}=3{,}2\times10^{-11}\,\mathrm{J}.

Bước 3

Năng lượng toàn phần:

E=N E_0\approx2{,}56\times10^{21}\times3{,}2\times10^{-11}\,\mathrm{J}\approx8{,}2\times10^{10}\,\mathrm{J}.

Bước 4

Vậy phân hạch $1\,\mathrm{g}$ uranium-235 toả ra khoảng $8{,}2\times10^{10}$ joule.

Câu hỏi 1

Lò phản ứng đã có đủ khối lượng nhiên liệu để phản ứng dây chuyền tự duy trì, tại sao vẫn phải có thanh điều khiển?

Gợi ý trả lời

Khối lượng tới hạn giúp duy trì được phản ứng; còn thanh điều khiển giúp điều chỉnh giữ ở $k=1$ , không để phản ứng tăng quá nhanh.

6. Liên hệ thực tế

Nhà máy điện hạt nhân không được vận hành nếu không có cơ chế an toàn nhiều lớp: thùng lò chịu áp lực, tường bao bê tông, hệ thống làm mát khẩn cấp, hệ thống đo neutron và bức xạ. Một vấn đề lớn khác là chất thải phóng xạ, vốn tồn lưu lâu và phải được xử lí riêng, lưu trữ sâu, kiểm soát chặt chẽ. Nguồn neutron và đồng vị phóng xạ từ lò phản ứng hoặc máy gia tốc dùng rộng rãi trong y học, như điều trị ung thư và kiểm tra vật liệu. Với Việt Nam, điện hạt nhân được xem là một lựa chọn năng lượng được nghiên cứu để đa dạng hóa nguồn điện; Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được dùng cho nghiên cứu và sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y học, nông nghiệp và công nghiệp.