TABLE OF CONTENTS

  1   Câu 1. 3   

 1.1      Nhu cầu con người tăng ngày một lớn: 3   

 1.2      Hậu quả. 3   

 1.3      Giải pháp cho vấn đề này?. 4

2   CÂU 2. 5

3   CÂU 3. 7

3.1      Mẫu hành tinh nguyên tử. 7

3.2      Tương tác giữa các proton và nơtron. 8

4   CÂU 4. 9

5   CÂU 5. 10

5.1      Năng lượng liên kết 10

5.2      Nhận xét đồ thị năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân. 11

6   CÂU 6. 12

6.1      Phản ứng “Phân rã hạt nhân” 12

6.1.1   Phản ứng “Tổng hợp nhiệt hạch”. 13

7   CÂU 7. 15

7.1      Sự phóng xạ tự nhiên. 15

7.2      Các loại phân rã thường gặp. 15

8   CÂU 8. 16

8.1      Phản ứng dây chuyền. 16

8.2      Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền. 16

9   CÂU 9. 18

9.1      Tính chất của các loại tia phóng xạ. 18

9.2      Ứng dụng trong đời sống. 19

10 CÂU 10. 21

11 CÂU 11. 23

12 CÂU 12. 25

12.1   Cấu tạo của lò: 25

12.2   Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân. 25

13 CÂU 13. 26

14 CÂU 14. 27

14.1   Chu trình hở: 27

14.2   Chu trình kín: 27

1       Câu 1

Tại sao nói điện nguyên tử là giải pháp tốt nhất để giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng cho loài người trong tương lai?

1.1  Nhu cầu con người tăng ngày một lớn:

Từ giữa thế kỷ 20, nhu cầu sử dụng tăng lên một cách nhanh chóng. Dân số thế giới tăng từ 6 tỷ lên đến khoảng 8 tỷ trong 25 năm tới và có thể khoảng 10 tỷ trong thế kỷ tới, tạo sức ép rất lớn lên việc cung cấp năng lượng sử dụng. Theo dự báo, tiêu thụ năng lượng thế giới tăng 60% trong 21 năm tính từ 2000 đến 2020. Đặc biệt, nhu cầu năng lượng của các nước đang phát triển ở Châu Á và Trung Nam Mỹ, dự báo sẽ tăng gấp bốn lần từ 1999 đến 2020, chiếm khoảng một nửa tổng dự báo gia tăng tiêu thụ năng lượng của thế giới và khoảng 83% tổng gia tăng năng lượng của riêng thế giới đang phát triển.

Nhu cầu tăng mạnh khiến các chính phủ phải nhanh chóng xây thêm các nhà máy sản xuất điện: Hàng loạt các nhà máy nhiệt điện tiêu thụ dầu, khí tự nhiên, than, thủy điện, điện hạt nhân, nhà máy điện sử dụng năng lượng Mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt ra đời.

1.2  Hậu quả

1.      Cạn kiệt tài nguyên, nhiên liệu:

§       Dầu: còn có thể khai thác trong khoảng 40 năm nữa, lượng khai thác vẫn tăng nhanh và sẽ khiến con người phụ thuộc vào dầu khiến giá dầu tăng cao. Hơn nữa, 2/3 trữ lượng dầu tập trung chủ yếu ở Trung Đông nơi không ổn định về chính trị.

§       Khí thiên nhiên: số năm còn có thể khai thác khoảng 60 năm

§       Than: với tốc độ khai thác như hiện nay thì con người còn có thể khai thác than khoảng 230 năm nữa. Tuy nhiên hiểm họ gây ra do bụi và các chất khí độc hại mà quá trình đốt cháy than đã thải ra với một số lượng lớn sẽ hạn chế sự phát triển của ngành than trong tương lai.

2.      Ô nhiễm môi trường: 80% CO2 do con người thải ra là do đốt các nhiên liệu hóa thạch, gây ra hiện tượng ấm lên của Trái đất (hiệu ứng nhà kính), khí hậu thay đổi, thực vật bị ảnh hưởng, nông nghiệp bị tác động tiêu cực, băng tan nước biển dâng nhấn chìm dần các dải đất, các vùng đất khô cằn ngày bị sa mạc hóa.

1.3  Giải pháp cho vấn đề này?

1.      Năng lượng sạch: thủy điện, địa nhiệt, năng lượng mặt trời, năng lượng gió

§       Phương thức tạo ra điện sạch từ các nguồn NL mới cần được ủng hộ. Nhưng tới 20 năm nữa, những nguồn năng lượng mới này cũng chỉ cung cấp được dưới 3% điện năng của thế giới.

§       Tuy những thay đổi lớn về khí hậu là một hiểm họa thực tế trước mắt nhưng vẫn cần các giải pháp cho tình trạng hiện nay. Ngay cả khi đặt thật nhiều hệ thống thu năng lượng Mặt Trời và cối xay gió thì con người vẫn cần những nguồn điện với quy mô lớn, cung cấp 24 giờ một ngày để phục vụ các nhu cầu năng lượng.

2.      Điện nguyên tử: Đáp ứng được cả đòi hỏi về nhiên liệu và vấn đề môi trường.

§       NLNT có thể tạo ra điện năng mà không thải CO2 hay các loại khí gây ra hiệu ứng nhà kính khác như SOx, NOx, có khả năng cung cấp một lượng điện sạch khổng lồ trên phạm vi toàn cầu.

§       Các nước cung cấp urani, nhiên liệu chủ yếu cho điện hạt nhân là Canada, Australia đều là những nước có tình hình chính trị ổn định và có thể cung cấp ổn định.

§       Lượng chất thải phóng xạ phát sinh trong NMĐNT rất ít so với lượng chất thải công nghiệp thông thường, được quản lý chặt chẽ, cất giữ và bảo quản an toàn.

§       Urani có thể phát điện chỉ với một lượng rất nhỏ so với than và dầu, dễ vận chuyển và bảo quản. Trữ lượng Urani là 4,36 triệu tấn và có thể dùng để cung cấp năng lượng trong khoảng 70 năm tới, đặc biệt ứng dụng công nghệ lò tái sinh thì có thể còn kéo dài ra hàng trăm, hàng nghìn năm.

2       CÂU 2

Tình hình sản xuất điện nguyên tử hiện nay trên thế giới

1.      Nước Mỹ

§           Mỹ hiện có 104 lò phản ứng hạt nhân

§           Tổng công suất thiết bị là 100.322 MW chiếm vị trí thứ nhất trên thế giới.

§           Cơ cấu nguồn điện năm 2000 là: than chiếm 52%, nguyên tử chiếm 20%, khí là 16% và thuỷ điện 7%.

2.      Nước Pháp

§           Pháp hiện có 59 lò phản ứng PWR phát điện với tổng công suất thiết bị là 63.260 MW chiếm vị trí thứ hai trên thế giới sau Mỹ.

§           Điện nguyên tử chiếm 78% trong tổng điện năng của cả nước và đây là tỷ lệ cao nhất trên thế giới.

3.      Nhật Bản

§           Hiện nay Nhật Bản có 56 lò phản ứng phát điện đang vận hành, công suất thiết bị là 47.833 MW, trở thành nước sử dụng điện nguyên tử thứ ba trên thế giới sau Mỹ và Pháp. Trong số 56 lò phản ứng, 32 lò theo công nghệ BWR và 24 lò theo công nghệ PWR.   

4.      Nước Nga

§           Hiện nay, Cộng hoà Liên bang Nga có 31 tổ máy điện nguyên tử đang vận hành với tổng công suất thiết bị là 21.743 MW đứng vị trí thứ tư trên thế giới. Nga đang xây dựng 7 tổ máy với tổng công suất 4585 MW.

5.      Nước Đức

§           Tổng công suất thiết bị khoảng 21.558 MW của 17 lò phản ứng phát điện đang vận hành, cơ cấu nguồn điện của Đức là: 33% điện nguyên tử, 24% điện than, 27% điện than nâu, 7% điện khí và 2% điện năng lượng gió.

6.      Hàn Quốc

§           Lò phản ứng đầu tiên của hàn Quốc bắt đầu vận hành vào năm1977. Tại thời điểm 2005 Hàn Quốc phải nhập khẩu 97% NL theo nhu cầu. Hàn Quốc có 20 lò phản ứng với công suất đặt là 19.374 MW chiếm 45% nhu cầu phụ tải. Hiện nay, ở Hàn Quốc NL hạt nhân được xem là ưu tiên chiến lược của quốc gia.

7.      Nước Anh

§           Hiện nay, Anh có 19 lò phản ứng nguyên tử với tổng công suất 10.742 MW. Tỷ lệ phát điện bằng năng lượng nguyên tử là 20%.

§           Anh là nước bắt đầu việc phát triển các nhà máy điện nguyên tử thương mại sớm nhất trên thế giới bằng loại lò khí.    

8.      Trung Quốc

§           Hiện tại Trung Quốc có 11 lò phản ứng phát điện với tổng công suất 8.572 MW.

§           Hiện đang phát triển cả loại PWR nội địa bằng công nghệ trong nước.

3       CÂU 3

Mẫu hành tinh nguyên tử. Sự tương tác của các proton và nơtron

3.1  Mẫu hành tinh nguyên tử

Năm 1909 Rutherford tìm ra proton và năm 1911 ông đã đưa ra mẫu hành tinh nguyên tử mới. Khi quan sát sự tán xạ của các hạt α qua lá vàng mỏng, ông đã khám phá được rằng: toàn bộ điện tích dương của nguyên tố và hầu như toàn bộ khối lượng nguyên tử tập trung trong một vùng nhỏ tại tâm nguyên tử gọi là hạt nhân nguyên tử, còn các điện tử thì quay xung quanh theo các quỹ đạo xác định.

Sau khi Chadwick khám phá ra nơtron năm 1932, Ivanenko dựa trên hệ thức bất định Heisenberg, vào năm 1934 xác định mẫu hạt nhân gồm hai loại hạt proton và notron, có tên gọi chung là nuclon.

§           Proton là hạt mang điện tích dương, về trị số bằng điện tích của  electron e = 1,6.10-19C, có khối lượng là mp = 1,6724.10-27 kg.

§           Nơtron là một hạt trung hoà  về điện, có khối lượng lớn hơn khối lượng proton một chút, cụ thể là mn=1,6748.10-27 kg.

Thể tích của hạt nhân nguyên tử chỉ vào khoảng 10-14 thể tích nguyên tử, nhưng do khối lượng của electron rất nhỏ: me = 9,1095.10-31 kg nên khối lượng của nguyên tử lại chủ yếu tập trung ở hạt nhân nguyên tử.

Số proton trong hạt nhân bằng số thứ tự Z của nguyên tử trong hệ thống tuần hoàn Menđeleev.

Z được gọi là số điện tích hay nguyên tử số. A là tổng số các nuclon trong hạt nhân gọi là số khối lượng. Như vậy: A = Z + N, trong đó N là số nơtron. Hạt nhân nguyên tử được ký hiệu bằng ZXA, trong đó X là ký hiệu tên nguyên tử tương ứng. Ví dụ hạt nhân liti: 3Li7 có 3 proton và 4 nơtron. Mẫu cấu tạo nguyên tử như vậy gọi là mẫu hành tinh nguyên tử.

3.2  Tương tác giữa các proton và nơtron

Sự tương tác giữa các proton và nơtron tuân theo sự trao đổi hạt mezon. Có ba loại hạt mezon  là:

§           π+ có điện tích bằng điện tích proton,

§           π- có điện tích bằng điện tích electron 

§           π0 là hạt không mang điện.

Khối lượng của ba hạt trên bằng cỡ 200 - 300 lần khối lượng electron tức là khoảng 0,25.10-27kg.

Tương tác giữa các proton và nơtron thực hiện bằng sự trao đổi các mezon  như được mô tả dưới đây:

§           Proton nhả π+ thành nơtron:                     p → π+ + n

§           Proton hấp thu π- thành nơtron:                        p + π-→ n         

§           Proton có thể cho ra π0 và proton khác:      p → π0 + p

§           Nơtron nhả π- thành proton:                    n → π- + p

§           Nơtron hấp thụ π- thành proton:              n + π-→ p

§           Nơtron có thể cho ra π0 và nơtron khác:    n → π0 + n

MEZON-loại hạt sơ cấp không bền. Có 3 loại mezon: mezon muy, mezon pi và mezon k. Các mezon tạo thành từ một cặp quark và phản quark. Mezon π được Powell tìm thấy vào năm 1947.

Theo hệ thức bất định về năng lượng ta có:

trong đó:   h là hằng số Planck

t là thời gian sống của hạt mezon.

Trong thời gian sống đó hạt mezon đi được một đoạn:

L = 0,466.10-23(s)3.108(m/s) = 1,399.10-15m.

Giá trị này cũng gần bằng bán kính của hạt nhân, cho nên L đôi khi còn được gọi là bán kính điện bởi nó xác định miền bị chắn bởi các hạt điện tích trong hạt nhân.

4       CÂU 4

Lực hạt nhân. Những tính chất của lực hạt nhân

Hạt nhân tồn tại được là do lực hạt nhân liên kết các nuclon trong một miền nhỏ không gian. Các nuclon tác dụng với nhau bằng hai lực chính. Một là lực đẩy tĩnh điện Culong giữa các proton với nhau. Loại lực thứ hai là một lực hút rất mạnh giữa các nuclon. Đó là một loại lực cho đến nay ta chưa gặp. Lực  này tồn tại cả giữa notron và prton nên không thể là lực tĩnh điện hoặc lực từ vì nếu là lực từ thì nó sẽ chỉ là lực hút đối với một số hướng tương đối nào đó của các hạt mà không phải với mọi điều kiện như thí nghiệm đã chứng tỏ. Lực này lại rất mạnh nên không thể là lực hấp dẫn. Người ta gọi lực này là lực hạt nhân.

Ta có thể định ra một số tính chất của lực hạt nhân:

1.      Không xét đến hai loại lực điện và hấp dẫn: Lực hạt nhân rất lớn. Cần hàng triệu eV mới có thể tách một nuclon ra.

2.      Lực hạt nhân không phụ thuộc điện tích: Lực hạt nhân tác dụng giữa hai nuclon bất kì là như nhau.

3.      Lực hạt nhân có tác dụng tầm ngắn: Tầm tác dụng của các lực hạt nhân vào khoảng 10-14m . 

4.      Lực hạt nhân có tính chất bão hoà: Một nuclon chỉ tương tác với một số hữu hạn các nuclon khác nằm sát nó.

5.      Lực hạt nhân phụ thuộc spin của các nuclon: Lực hạt nhân phụ thuộc sự định hướng của các spin nuclon.

6.      Lực hạt nhân không phải là lực xuyên tâm: Người ta nói lực hạt nhân có đặc tính tenxơ.

7.      Lực hạt nhân là lực trao đổi: Sự trao đổi liên tục hạt mezon tạo nên tương tác giữa các nuclon.

5       CÂU 5

Năng lượng liên kết. Nhận xét đồ thị năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân.

5.1  Năng lượng liên kết

Vì khối lượng có liên hệ với năng lượng theo công thức:

∆E = ∆m.c2

nên đôi khi người ta biểu diễn đơn vị của khối lượng là đơn vị của năng lượng là eV.

Ví dụ: khối lượng của electron là:

Khối lượng của một đơn vị khối lượng nguyên tử:

Mol (số Avogadro) là tổng số nguyên tử trong 12g Cacbon 6C12 có giá trị không đổi là NA = 6,022.1023.

Ta có thể dùng số mol để tính đơn vị khối lượng nguyên tử cho một chất:

Khối lượng và năng lượng tương ứng của vài hạt nhân:

Hạt

Khối lượng tính theo u

Khối lượng

(10-27 kg)

Năng lượng (MeV)

Proton

1,007276

1,6724

933,23

Nơtron

1,008665

1,6743

939,53

Đơteri

2,01355

3,3325

1875,5

Alpha

4,00047

6,6444

3726,2

Khi tạo thành hạt nhân, người ta thấy rằng khối lượng của một hạt nhân được hình thành thì luôn luôn nhỏ hơn khối lượng của tổng các nuclon riêng lẻ tạo nên hạt  nhân đó. Sự sai lệch về khối lượng đó gọi là độ hụt khối lượng Dm:

trong đó M là khối lượng của hạt nhân mới hình thành.

năng lượng liên kết cụ thể tính như sau :

Ví dụ năng lượng liên kết của 8O16 là:

            ∆E = [ 8Mp + 8Mn - M(8O16)].c2

Ngược lại, từ một hạt nhân muốn phân nó ra thành các nuclon thành phần, ta phải cung cấp một năng lượng E đúng bằng năng lượng liên kết.

Ðể so sánh độ bền vững của từng hạt nhân ta cần tính năng lượng liên kết riêng đối với một nuclon và ta gọi nó là năng lượng liên kết riêng:

5.2  Nhận xét đồ thị năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân.

1.      Với những hạt nhân nhẹ (A = 110) năng lượng liên kết riêng e tăng nhanh từ 1,1 MeV(1H2)7 MeV (2He4).

2.      Với hạt nhân nặng (A = 140-240) năng lượng liên kết riêng giảm dần, nhưng giảm rất chậm từ 87 MeV.

3.      Hạt nhân trung bình (A = 40-120) năng lượng liên kết có giá trị trung bình vào khoảng từ 78,6 MeV giá trị này tương đối lớn cho nên hạt nhân trung bình lại là hạt nhân bền vững.

Giá trị từ 78 MeV được xem là giá trị bão hoà, khi đó mỗi nuclon chỉ tương tác với một nuclon lân cận.

Trong các hạt nhân nặng thì năng lượng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số proton trong hạt  nhân tăng lên nên lực đẩy Culong giữa các proton mang điện cũng tăng lên làm cho năng lượng liên kết bị giảm xuống. 

Năng lượng liên kết là một khái niệm hữu ích giúp ta hiểu được các quá trình phóng xạ (sự vỡ tự phát của các hạt  nhân) cũng như các quá trình phản ứng hạt nhân. Năng lượng và khối lượng bảo toàn nên khi  một hạt nhân trải qua một biến đổi giảm khối lượng thì năng lượng được giải phóng.

6          CÂU 6

Phân biệt các loại phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lý, trong đấy xảy ra tương tác mạnh của hạt nhân với một hạt nhân khác hoặc với một nucleon ở khoảng cách nhỏ khoảng fm, qua quá trình này hạt nhân nguyên tử thay đổi trạng thái ban đầu (thành phần, năng lượng...) hoặc tạo ra hạt nhân mới hay các hạt mới và giải phóng ra năng lượng. Chính nhờ các phản ứng hạt nhân mà con người ngày càng hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc vi mô của thế giới vật chất muôn hình muôn vẻ.

Có 2 loại phản ứng hạt nhân:

1.    Phản ứng Phân rã hạt nhân:

2.    Phản ứng Tổng hợp nhiệt hạch:

6.1  Phản ứng “Phân rã hạt nhân”

Phản ứng của hiện tượng phân hạch hạt nhân: Làm cho hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn thì sẽ thu được một năng lượng tổng cộng cỡ 240 MeV. Nguồn năng lượng sinh ra trong phản ứng phân rã hạt nhân là nguồn năng lượng không lồ mà ta có thể thu được trong các lò phản ứng hạt nhân và các vụ nổ hạt nhân.

v       Wikipedia: Nuclear fission is the splitting of the nucleus of an atom into parts (lighter nuclei) often producing photons (in the form of gamma rays), free neutrons and other subatomic particles as by-products. Fission of heavy elements is an exothermic reaction which can release large amounts of energy both as electromagnetic radiation and as kinetic energy of the fragments (heating the bulk material where fission takes place). Fission is a form of elemental transmutation because the resulting fragments are not the same element as the original atom.

v       wapedia.mobi: Phản ứng phân hạch hạt nhân - còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử - là một quá trình vật lý hạt nhân và hoá học hạt nhân mà trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác. Vì thế, sự phân hạch là một dạng của sự chuyển hoá căn bản. Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt nơtron, photon tồn tại dưới dạng các tia gama, tia beta và tia alpha. Sự phân hạch của các nguyên tố nặng là một phản ứng toả nhiệt và có thể giải phóng một lượng năng lượng đáng kể dưới dạng tia gama và động năng của các hạt được giải phóng (đốt nóng vật chất tại nơi xảy ra phản ứng phân hạch).

Năng lượng do phản ứng phân hạch hạt nhân sản sinh ra dùng làm điện nguyên tử và vũ khí hạt nhân. Sư phân hạch được xem là nguồn năng lượng hữu dụng vì một số vật chất được gọi là nhiên liệu hạt nhân, vừa sản sinh ra các nơtron tự do vừa kích hoạt phản ứng phân hạch bởi tác động của các nơtron tự do này. Nhiên liệu hạt nhân còn là một phần của phản ứng dây chuyền tự duy trì mà nó giải phóng ra năng lượng ở mức có thể kiểm soát được như trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc ở mức không thể kiểm soát được dùng chế tạo các loại vũ khí hạt nhân.

6.1.1        Phản ứng “Tổng hợp nhiệt hạch”

wapedia.mobi: Phản ứng tổng hợp hạt nhân hay phản ứng hợp hạch, trong vật lý học, là quá trình 2 hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn. Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia. Nhân sắt và nickel có năng lượng kết nối nhân lớn hơn tất cả các nhân khác nên bền vững hơn các nhân khác. Sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nặng hơn thì hấp thụ năng lượng.

Phản ứng hợp hạch là một trong hai loại phản ứng hạt nhân. Loại kia là phản ứng phân hạch.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôi sao và làm cho bom hydro nổ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nhân nặng thì xảy ra trong điều kiện các vụ nổ sao (siêu tân tinh). Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các sao và các chòm sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.

Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Nhưng sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng 1 neutron tự do, sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân. Điều này dẫn đến một quá trình phóng thích năng lượng có thể tạo ra phản ứng tự duy trì. Việc cần nhiều năng lượng để khởi động thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra. Chính vì lý do này mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn nhiều so với phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1 electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nhỏ hơn 1 phần triệu của 17 MeV giải phóng từ phản ứng D-T (deuterium-tritium, các đồng vị của  Hiđrô).

Phản ứng phân hạch

Phản ứng nhiệt hạch

Bản chất

Quá trình hạt nhân bị phân chia thành 2 hoặc nhiều hạt nhân nhỏ cùng một vài thành phần phụ khác

Quá trình 2 hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một hạt nhân mới nặng hơn

Thành phần phụ

Tia alpha, beta, gamma

Năng lượng

Giải phóng năng lượng (bắn neutron vào U235 giải phóng 240 MeV)

Giải phóng / Hấp thụ năng lượng

Điều kiện

Nhiệt độ cao (hàng chục triệu độ)

Ví dụ điển hình

neutro + U235 →

H2 + H2 → H3 + p + 4,3 MeV

H2 + H3 → He4 + p + 18,3 MeV

Ứng dụng

·        Lò phản ứng hạt nhân

·        Các vụ nổ hạt nhân (bom A)

·        Bom khinh khí (bom H)

·        Nguồn tạo ra nhiệt độ trong lòng Mặt Trời và các vì sao

7       CÂU 7

Sự phóng xạ tự nhiên. Các phân rã anpha, bêta, gamma.

7.1  Sự phóng xạ tự nhiên

Như ta đã nói ở trên đây, các nuclon trong hạt nhân bị bó chặt với nhau nhưng không  ngừng tương tác với  nhau. Do vậy một số hạt nhân có khả năng tự phóng ra một nhóm nuclon hay một vài hạt cơ bản  khác. Đó là hiện tượng phân rã hạt nhân. Hiện tượng này hoàn toàn không phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài (nhiệt độ, áp suất...) mà chỉ phụ thuộc vào bản chất của hạt nhân đó.

7.2  Các loại phân rã thường gặp

1.      Phân rã alpha: đó là hiện tượng hạt nhân tự tách ra một hạt alpha. Đó là hạt nhân hêli gồm 2 nơtron và hai proton. Một số hạt nhân nặng (thuộc nhóm siêu urani) có tính phóng xạ alpha.

2.      Phân rã bêta: phân rã bêta có hai loại β- và β+.

§       Phân rã β-  là hiện tượng hạt nhân tự phóng ra một hạt (còn gọi là 1 tia) electron e- có điện tích âm. Đó là một biến đổi hạt nhân trong lòng hạt nhân nguyên tử ở đó 1 nơtron biến thành 1 proton theo phản ứng:

0n1→ +1p1 + -1e0 + 0ν0  

§       Phân rã β+ là hiện tượng hạt nhân tự phóng ra một hạt (1 tia) positron e+ có điện tích dương. Đó là một biến đổi hạt nhân trong lòng hạt nhân nguyên tử ở đó 1 proton biến thành một nơtron theo phản ứng.

+1p1→ 0n1 + -1e0 + 0ν0                                   

Dĩ nhiên sau hai  loại phân rã này hạt nhân biến thành hạt nhân khác.

3.      Phân rã gamma: đó là hiện tượng hạt nhân tự phát ra 1 tia gama (một chùm photon) có năng lượng xác định (tần số xác định) do hạt nhân chuyển mức năng lượng khi chịu một tác nhân ngoài nào đó.

Các sự phân rã hạt nhân kể trên chính là sự phóng xạ tự nhiên.

8       CÂU 8

Phản ứng dây chuyền. Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền

8.1  Phản ứng dây chuyền

Phản ứng dây chuyền là một phản ứng xảy ra trong một hệ mà trong đó các hạt sau khi gây ra phản ứng, lại xuất hiện trong kết quả của phản ứng, do đó hạt mới vừa xuất hiện sau một thời gian nào đó lại có thể gây ra phản ứng khác giống  như phản ứng trước và vì vậy phản ứng do các hạt ban đầu gây ra sẽ được tiếp diễn mãi. Ví dụ xét tương tác của nơtron với hạt nhân berili Be9:

n + Be9→ 2α  + 2n

Sau phản ứng xuất hiện hai hạt  và hai nơtron. Hai hạt nơtron mới xuất hiện này sau đó lại có thể gây ra các phản ứng tương tự trên Be9. Như vậy, ở đây ta có phản ứng dây chuyền loại (n, 2n) với Be. Phản ứng này đã được phát hiện năm 1939. Tuy nhiên, điều kiện để phản ứng này xảy ra là phải tốn một số năng lượng cho  nên không có lợi về mặt năng lượng:

năng lượng + n + 4Be9→ 2α + 2n                          

Sau đây ta sẽ chỉ quan tâm tới các phản ứng dây chuyền sinh nhiệt. Những phản ứng dây chuyền khi xảy ra có toả ra một năng lượng đủ lớn và do đó không cần phải có nguồn năng lượng ngoài được gọi là phản ứng tự duy trì.

8.2  Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền

Ta đã biết rằng nếu lò phản ứng chạy bằng urani 235 thì phản ứng hạt nhân chính xảy ra trong lò là:

0n1 + 92U235→ A + B + vn'                            

Trong đó A và B là hai hạt nhân nhẹ hơn U235 (bằng nửa U235) gọi là các mảnh phân hạch, n' là số nơtron phát ra trong một phân hạch hạt nhân,  phụ thuộc ít vào năng lượng của nơtron đến mà phụ thuộc mạnh vào nhiên liệu phân hạch. Đối với U235 và nơtron là nơtron nhiệt thì   2,5. Ngoài ra, một phản ứng khá quan trọng cạnh tranh mạnh với phản ứng trên là phản ứng bắt nơtron để bức xạ.

n + U235 → U236 + γ

Phản ứng dây chuyền trong lò phản ứng sẽ xảy ra nếu một nơtron nào đó trong số  nơtron phát ra trong phân hạch lại bị hấp thụ bởi một hạt nhân phân hạch khác và gây ra phản ứng phân hạch mới. Để lò đạt được trạng thái tới hạn  tức là trạng thái mà ở đó phản ứng dây chuyền tự duy trì, phải có một sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và số nơtron xuất hiện trong phân hạch. Trong số các nơtron bị mất đi phải kể đến chẳng những các nơtron gây ra phản ứng phân hạch mới hoặc bị bắt để gây ra phản ứng bức xạ mà còn phải kể đến cả các nơtron bị hấp thụ trong các hạt nhân của các nguyên tố khác có mặt trong lò (các vật  liệu xây dựng, chất tải nhiệt, chất làm chậm...) và các nơtron rò ra khỏi lò. Cho nên một trong những nhiệm vụ của người thiết kế lò là phải xác định kích thước và thành phần của hệ lò để đảm bảo các điều kiện tới hạn cho lò.

Các nơtron phát ra trong các phản ứng phân hạch lại có năng lượng cao hơn nhiều(cỡ MeV) cho nên để cho các nơtron này có thể phản ứng được với hạt nhân U235 gây ra phân hạch ta phải đưa thêm vào thành phần lò các chất làm chậm. Sau khi được sinh ra, các nơtron bị mất năng lượng chủ yếu nhờ các va chạm đàn hồi với các nguyên tử của chất làm chậm. Người ta thường chọn các nguyên tố nhẹ như hydro, đơteri, berili và graphit làm chất làm chậm vì khi va chạm đàn hồi phần năng lượng mà nơtron truyền cho các hạt nhân nhẹ nhiều hơn phần năng lượng mà nó truyền cho các hạt nhân nặng nên tốc độ các nơtron sẽ bị chậm đi nhiều hơn.

9       CÂU 9

Tính chất của các loại tia phóng xạ và ứng dụng trong đời sống

9.1  Tính chất của các loại tia phóng xạ

Các chất phóng xạ là các chất có khả năng tự phát ra các tia phóng xạ là một loại bức xạ có gây ra sự ion hoá.

Các tia phóng xạ là các tia có những tính chất cơ bản sau:

- Có khả năng tác dụng sinh lý và hoá học như phá huỷ tế bào, kích thích một số phản ứng hoá học...

- Có khả năng ion hoá các chất khí.

- Có khả năng làm cho một số vật rắn và lỏng phát huỳnh quang

- Có khả năng xuyên qua một số chất như gỗ, vải, giấy, miếng kim loại mỏng...

- Toả nhiệt, làm cho khối lượng chất phóng xạ giảm dần và làm cho chất đó biến thành chất khác.

1.      Bức xạ α: là dòng các hạt nhân hêli 2He4 tích điện dương, chuyển động với vận tốc cỡ 109cm/s và bị một lớp nhôm dầy vài micrôn hấp thụ (1micron=10-6 m), dễ dàng bị chặn lại bởi một tờ giấy hoặc điện áp người. Tính phóng xạ  là tính chất của các hạt nhân nặng có số khối lượng A >200 và số điện tích Z> 82. Do lực hạt nhân có tính bão hoà, nên trong các hạt nhân nặng có xuất hiện sự tạo thành các hạt  biệt lập, mỗi hạt gồm hai proton  và hai nơtron. Nếu hấp thụ vào cơ thể qua đường hô hấp hay đường tiêu hoá, tia alpha sẽ gây tác hại cho cơ thể.

2.      Bức xạ β: đó là dòng các electron tích điện âm, chuyển động với vận tốc gần bằng tốc độ ánh sáng và bị một lớp nhôm dầy trung bình 1mm hấp thụ. Còn một loại bức xạ  nữa ở đó các hạt phát ra là hạt positron (e+). Tia beta có sức xuyên thấu mạnh hơn so với tia alpha nhưng có thể bị chặn lại bằng tấm kính mỏng hoặc tấm kim loại. Sẽ nguy hiểm nếu hấp thụ vào cơ thể những chất phát ra tia beta.

3.      Bức xạ γ: Các quan sát thực nghiệm đã chứng tỏ rằng bức xạ γ luôn đi kèm theo các bức xạ α và β. Bức xạ γ có khả năng xuyên thấu mạnh và không bị lệch đường đi trong điện trường và từ trường. Bản chất của bức xạ γ là bức xạ điện từ có bước sóng ngắn không vượt quá   10-11m (bức xạ có bước sóng càng ngắn thì năng lượng của nó càng cao). Người ta xác nhận được rằng nguồn gốc của cả ba loại bức xạ này đều là từ hạt nhân nguyên tử. Tia  và tia X tương tự sóng radio và tia sáng, nhưng là sóng điện từ có bước sóng ngắn. Vì sức xuyên thấu của nó rất lớn nên chỉ có thể chặn lại bằng vật liệu có nguyên tử lượng lớn như chì, bêtông hoặc nước.

9.2  Ứng dụng trong đời sống

1.      Trong y tế

Chụp X quang vùng ngực, dạ dày, xương,... Chụp X quang bằng máy tính,... Chụp X quang cắt lớp bằng máy tính là việc chuẩn đoán bệnh bằng chụp cắt lớp. Đầu tiên, chiếu tia X từ nhiều hướng vào cơ thể sau đó đo đạc cường độ của tia X vào cơ thể bằng máy đo kiểm nghiệm, sử dụng các dữ liệu đó cùng với máy tính để tái hiện qua màn hình theo 3 chiều. Chụp X quang bằng máy tính được sử dụng trong việc chuẩn đoán tổn thương mạch máu não, các khối u não.

Việc chuẩn đoán bệnh bằng cách cho vào cơ thể người bệnh một nguyên tố đồng vị phóng xạ như một dạng thuốc y tế, sau đó đo đạc tia phóng xạ phát ra rồi phân tích trên máy tính và đưa ra hình ảnh về cơ năng  của cơ quan nội tạng.

Việc chữa bệnh ung thư bằng chiếu xạ tia X, tia gamma, tia nơtron, tia proton hiện nay đang được triển khai và mở rộng.

Ngoài ra người ta còn kiểm tra các chức năng sinh lý bằng máy chụp PET (Positron Emission Tomography) để từ đó hiểu được tình trạng của ổ bệnh.

2.      Trong công nghiệp

Người ta sử dụng các tia gamma, tia proton để đo đạc chính xác độ dày của vật liệu, mật độ, hàm lượng nước.

Kiểm tra không phá huỷ cũng đã được sử dụng rộng rãi khi kiểm tra sự nứt vỡ của các bộ phận quan trọng mà không làm phá hỏng đối tượng kiểm tra.

Phương pháp chiếu xạ vật liệu nhằm nâng cao cường độ, tính chịu nhiệt, khả năng chịu mài mòn của vật liệu cũng đang được sử dụng rộng rãi.

Sát trùng, diệt khuẩn dụng cụ y tế bằng tia  cho phép tẩy sạch và khử trùng các dụng cụ y tế.

3.      Trong nông nghiệp

Cải thiện giống nông sản bằng chiếu xạ tia gamma từ nguồn coban 60 và xezi 137 sẽ tạo ra được những giống mới như giống có khả năng chịu gió, chống sâu bệnh tốt hơn,... đồng thời, khi xử lý chiếu xạ các giống hoa sẽ gây ra đột biến để có những loại hoa nhiều màu sắc đẹp và hình dáng độc đáo.

Đối với việc diệt trừ sâu phá hoại mùa màng, người ta chiếu xạ vào sâu hại làm chúng mất khả năng sinh sản.

Chiếu xạ thực phẩm giúp ngăn chặn mọc mầm, bảo quản hoa quả, diệt khuẩn và sát trùng.

4.      Trong bảo vệ môi trường

Việc xử lý khói thải từ các lò đốt than và xử lý rác thải bằng tia electron sẽ loại trừ được các loại khí gây ô nhiễm môi trường như khí SOx, NOx. Các phương pháp chế biến thành phân bón như amonium sulphat, amonium nitrat cũng đang được triển khai.

Ngoài ra, việc phát triển kỹ thuật chiếu tia electron vào bùn thải sinh ra từ nơi xử lý nước thải để diệt khuẩn và làm thành phân bón cũng đang tiến triển. Còn trong ngành khảo cổ học, người ta chiếu xạ vào cổ vật để có thể chụp được rõ ràng những hoa văn và biết được sự phân bố của vết rạn nứt.

10         CÂU 10

Định luật phóng xạ

Khi có sự phóng xạ thì mật độ hạt nhân ban đầu sẽ giảm dần theo thời gian. Giả sử ở thời điểm t, số hạt nhân chưa bị phân rã của chất phóng xạ là N. Sau thời gian dt, số các hạt nhân của chất phóng xạ giảm đi một lượng -dN. Rõ ràng rằng độ giảm   

-dN tỷ lệ với N và với thời gian dt:

-dN = λN dt

trong đó  là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào chất phóng xạ và được gọi là hằng số phân rã.

Như vậy:                            dN/N= -λdt

Sau khi lấy tích phân ta có:

ln N =  -λt + ln C     

hay:                                  ln (N/C) = -λt

Từ đó:                               N = Ce-λt                                                                       

Gọi N0 = C là số hạt nhân chưa phân rã ở thời điểm t = 0.

Thay vào ta có:                   N = N0e-λt

Nếu gọi:                                    

là độ phóng xạ (tức là số phân rã trong một giây) thì ta có:      

H= λN0e-λt= H0e-λt

trong đó H0= λN0 là độ phóng xạ tại t=0

Hằng số  có ý nghĩa là xác suất chuyển trạng thái của hạt nhân để cho ra hạt nhân mới.

Nếu ta lấy nghịch đảo của  thì đó là thời gian sống của hạt nhân ở mức năng lượng cao hay còn được gọi là thời gian sống trung bình của hạt nhân phóng xạ :

τ= 1/λ

Để phân biệt tốc độ phóng xạ nhanh hay chậm người ta đưa ra một đại lượng gọi là chu kỳ bán rã là khoảng thời gian T1/2 mà cứ sau một khoảng thời gian đó mật độ hạt nhân ban đầu chỉ còn lại một nửa.

Theo định nghĩa chu kỳ bán rã:

NT1/2/N0 = 1/2 = e-λT1/2

Vậy ta tính được:                        T1/2= ln2/λ =0,693/λ

Nói chung các chất phóng xạ có chu kỳ bán rã rất khác nhau, chẳng hạn urani có chu kỳ bán rã là 4,5.109. Radi có chu kì bán rã là 10-6s nên vừa sinh ra lập tức biến thành chất khác ngay. Poloni có chu kỳ bán rã là 138 ngày.

Ví dụ : Chất phóng xạ iot (Z=53, A= 131) dùng trong y tế có chu kỳ bán rã T1/2 là 8 ngày đêm.  Nếu lúc đầu ta có 200g chất này, thì sau hai tuần lễ ta còn lại là bao nhiêu gam?

Lời giải:

Nếu như ta nhân khối lượng từng hạt nhân vào hai vế của phương trình: N=N0e-λt thì ta có:

m = m0e-λt = m0e-0,693.t/T1/2 =200g.e-(0,693.14)/8=59,47g

11         CÂU 11

Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân

Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron nhanh bắn ra. Nếu dùng chất làm chậm nơtron để năng lượng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1 - 0,01eV) thì có thể dùng urani thiên nhiên làm giàu U235 để thực hiện phản ứng dây chuyền. Tính chất này được dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U235, Pu239, U233).

Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh urani thiên nhiên hay plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền.

Nguyên lý lò phản ứng

Như vậy, nơtron nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch, sẽ bị giảm tốc đên vận tốc nhiệt trong chất làm chậm. Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh cadimi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những thanh cadimi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtron luôn luôn bằng đơn vị (k = 1).

Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đường ống vào trong lò để bảo đảm giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm. Nếu lò dùng để cung cấp năng lượng thì chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtron.

Một dòng nước thường sẽ nhận nhiệt nóng trong buồn trao đổi nhiệt và biến thành hơi. Hơi nước sẽ kéo turbine của MFĐ rồi về buồng ngưng hơi và trở về buồng trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lò đến buồng trao đổi nhiệt về lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt. Ngoài ra lò phản ứng còn có hệ thống điều khiển và bảo vệ. Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi công suất lò phản ứng. Hệ bảo vệ bảo đảm sự an toàn phóng xạ.

Hiện nay, người ta làm nhiều loại lò phản ứng khác nhau với nhiên liệu, chất tải nhiệt, chất làm chậm khác nhau tùy theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp năng lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân.

Tùy theo năng lượng nơtron gây ra phản ứng phân hạch người ta còn phân loại lò phnr ứng nơtron nhiệt, lờ nơtron trung giản, lò nơtron nhanh. Nơtron nhiệt có năng lượng ở lân cận 0,025eV. Nơtron trung gian có năng lượng trong khoảng 1keV-1000keV. Nơtron nhanh có năng lượng lớn hơn 100keV.

Nhiên liệu urani giàu U235, Pu239, U233 đối với lò nơtron chậm, U233, th232 đối với lò nơtron nhanh. Chất làm chậm thường dùng là graphit, nước nặng. Chất tải nhiệt có thể là nước nặng, kim loại lỏng natri, kali, bismut, chì, thủy ngân ...

12         CÂU 12

Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra.

12.1                        Cấu tạo của lò:

Gồm các bộ phận chủ yếu sau:

1.      Bộ phận cấp nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch và sinh nhiệt.

2.      Bộ phận cung cấp chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch để tạo điều kiện cho phản ứng dây chuyền xảy ra.

3.      Bộ phận tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận bên ngoài.

4.      Bộ phận điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân.

Về cơ bản NMĐNT chỉ khác NMNĐ ở bộ phận lò. Lò của NMNĐ là nơi đốt chát các nhiên liệu hóa thạch để thu lấy nhiệt còn trong NMĐNT thì lò phản ứng làm nhiệm vụ tạo ra phản ứng phân hạch có điều khiểnđ ể có được một nhiệt lượng rất lớn.

12.2                        Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân

13         CÂU 13

Các tiêu chuẩn để lựa chọn địa điểm xây dựng nhà máy điện hạt nhân

Nguyên tắc lớn nhất của NMĐHN là dù gặp bất kỳ tai nạn ở mức độ nào chăng nữa cũng không gây ra tác hại do tia phóng xạ cho dân cư xung quanh nhà máy. Trong giai đoạn đầu phát triển điện hạt nhân người ta cho rằng nhà máy nên được xây dựng ở những khu vực xa khu dân cư. Hiện nay công tác thiết kế an toàn đã phát triển đầy đủ nên dù có xây dựng nhà máy gần khu tham quan nghỉ mát, nếu diện tích mặt bằng của nhà máy đủ rộng thì vẫn đảm bảo an toàn.

Tiêu chuẩn lựa chọn địa điểm xây dựng NMĐHN:

1.      Không có thiên tai như động đất, núi lửa, lũ lụt, sóng thần

2.      Đảm bảo được đường lánh nạn khi khẩn cấp.

3.      Có thể lấy nước biển làm chất tải nhiệt một cách dễ dàng, thuận lợi cho công tác xây dựng và vận chuyển.

4.      Nền móng đảm bảo.

5.      Đảm bảo nguồn nước ngọt.

6.      Giao thông thuận lợi.

7.      Gần đường tải điện.

8.      Góp phần phát triển địa phương.

14         CÂU 14

Trình bày chu trình nhiên liệu hở và chu trình nhiên liệu kín

Có hai loại chu trình:

·        Chu trình kín

·        Chu trình hở

14.1                        Chu trình hở:

Là chu trình sử dụng và đào thải nhiên liệu hạt nhân. Nhiên liệu sau khi dùng xong được cất giữ lâu dài mà không qua tái xử lý

Làm giàu (enrichement): Là quá trình làm tăng lượng U235 trong quặng.

14.2                        Chu trình kín:

Chu trìn kín là chu trình tái chế nhiên liệu hạt nhân sau khi sử dụng. Chu trình kín cho phép lấy lại cả U và Pu.

Hai chu trình quan trọng trong chu trình kín là:

U238 + n → U239→ Np239→ Pu239→ Phân hạch được

Th232 + n → Th232→ Pa232→ U232→ Phân hạch được

Quặng urani có chứa nhiều U238 và ít U235 nên phải làm giàu U234 để dùng cho các lò phản ứng hạt nhân

Quá trình lấy lại Pu239 có được là do khi đưa U vào lò có cả U235 và U238. Khi đưa nhiên liệu vào lò, nhiên liệu cháy một thời gian và thu được một lượng Pu. Đây là nguyên tố nhân tạo, không có trong tự nhiên.