Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 7: Phản ứng hạt nhân

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