Tìm Hiểu Về Lực Hạt Nhân và Cấu Trúc Hạt Nhân

Khóa luận tốt nghiệp vật lý khám phá lò phản ứng hạt nhân nguyên tử, ứng dụng và tiềm năng trong nghiên cứu khoa học và công nghệ.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Minh
• Người hướng dẫn: TS. Thái Khắc Định
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Tìm Hiểu Về Lực Hạt Nhân và Cấu Trúc Hạt Nhân
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2004
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LY THUYẾT CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
• 1.1. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA HẠT NHÂN
• 1.2. LỰC HẠT NHÂN
• 1.3. PHÂN LOẠI NƠTRÔN VÀ VAI TRÒ CỦA NƠTRÔN
• 1.4. SỰ VỠ HẠT NHÂN
• 1.5. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Về Lực Hạt Nhân và Cấu Trúc Hạt Nhân

Lực hạt nhân và cấu trúc hạt nhân là hai khái niệm quan trọng trong vật lý hạt nhân. Chúng không chỉ giúp giải thích sự ổn định của hạt nhân mà còn ảnh hưởng đến nhiều hiện tượng vật lý khác. Hạt nhân được cấu tạo từ các nuclôn, bao gồm proton và neutron, và lực hạt nhân là lực giữ chúng lại với nhau. Hiểu rõ về lực hạt nhân sẽ giúp nắm bắt được các ứng dụng trong công nghệ hạt nhân và y học.

1.1. Ảnh Hưởng Của Lực Hạt Nhân Đến Cấu Trúc Hạt Nhân

Lực hạt nhân có cường độ rất lớn và tác dụng trong khoảng cách ngắn. Điều này giúp các nuclôn trong hạt nhân tương tác mạnh mẽ với nhau, tạo ra sự ổn định cho hạt nhân. Sự tương tác này không chỉ là lực hút mà còn có cả lực đẩy khi các nuclôn quá gần nhau.

1.2. Cấu Trúc Cơ Bản Của Hạt Nhân

Hạt nhân được cấu tạo từ proton và neutron, với số lượng proton xác định điện tích hạt nhân. Số lượng nuclôn trong hạt nhân được ký hiệu là A, cho phép tính toán khối lượng hạt nhân. Cấu trúc này quyết định tính chất hóa học của nguyên tố.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Lực Hạt Nhân

Nghiên cứu lực hạt nhân gặp nhiều thách thức, từ việc xác định chính xác các lực tương tác đến việc mô hình hóa cấu trúc hạt nhân. Các thí nghiệm cần thiết để kiểm tra lý thuyết thường tốn kém và phức tạp. Hơn nữa, sự không ổn định của một số hạt nhân cũng gây khó khăn trong việc nghiên cứu.

2.1. Thách Thức Trong Việc Mô Hình Hóa Hạt Nhân

Mô hình hóa hạt nhân yêu cầu các phương pháp toán học phức tạp. Các mô hình hiện tại vẫn chưa hoàn toàn chính xác trong việc dự đoán các tính chất của hạt nhân nặng. Điều này đòi hỏi sự phát triển của các lý thuyết mới.

2.2. Khó Khăn Trong Thí Nghiệm Lực Hạt Nhân

Thí nghiệm lực hạt nhân thường yêu cầu thiết bị phức tạp và điều kiện kiểm soát chặt chẽ. Sự không ổn định của các hạt nhân cũng làm cho việc thu thập dữ liệu trở nên khó khăn hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Lực Hạt Nhân Hiện Nay

Có nhiều phương pháp nghiên cứu lực hạt nhân, từ thí nghiệm tán xạ đến mô hình lý thuyết. Các phương pháp này giúp hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của lực hạt nhân và cấu trúc hạt nhân. Việc áp dụng công nghệ hiện đại cũng góp phần nâng cao độ chính xác của các kết quả nghiên cứu.

3.1. Thí Nghiệm Tán Xạ Để Nghiên Cứu Lực Hạt Nhân

Thí nghiệm tán xạ sử dụng các hạt như neutron để nghiên cứu cấu trúc hạt nhân. Qua đó, các nhà khoa học có thể xác định được các thông số quan trọng như bán kính hạt nhân và năng lượng liên kết.

3.2. Mô Hình Lý Thuyết Trong Nghiên Cứu Hạt Nhân

Mô hình lý thuyết giúp dự đoán các tính chất của hạt nhân dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản. Các mô hình này thường được kiểm tra và điều chỉnh dựa trên kết quả thí nghiệm thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Lực Hạt Nhân

Lực hạt nhân có nhiều ứng dụng trong công nghệ hạt nhân, y học và năng lượng. Việc hiểu rõ về lực hạt nhân giúp phát triển các công nghệ mới, từ lò phản ứng hạt nhân đến các phương pháp điều trị ung thư. Những ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn cải thiện chất lượng cuộc sống.

4.1. Ứng Dụng Trong Năng Lượng Hạt Nhân

Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng sạch và hiệu quả. Việc khai thác năng lượng từ phản ứng phân hạch giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng.

4.2. Ứng Dụng Trong Y Học

Lực hạt nhân được ứng dụng trong y học để điều trị ung thư thông qua xạ trị. Các hạt nhân phóng xạ được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư, mang lại hy vọng cho nhiều bệnh nhân.

V. Kết Luận Về Lực Hạt Nhân và Cấu Trúc Hạt Nhân

Lực hạt nhân và cấu trúc hạt nhân là những khái niệm cơ bản trong vật lý hạt nhân. Việc nghiên cứu chúng không chỉ giúp hiểu rõ hơn về thế giới vi mô mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu lực hạt nhân hứa hẹn sẽ mang lại nhiều phát hiện mới và ứng dụng hữu ích.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Lực Hạt Nhân

Nghiên cứu lực hạt nhân sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại. Các thí nghiệm mới và lý thuyết tiên tiến sẽ giúp giải quyết những vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực này.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Lực Hạt Nhân Trong Khoa Học

Lực hạt nhân không chỉ quan trọng trong vật lý mà còn có ảnh hưởng lớn đến nhiều lĩnh vực khác như hóa học, sinh học và công nghệ. Sự hiểu biết về lực hạt nhân sẽ giúp phát triển các công nghệ mới và cải thiện chất lượng cuộc sống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu và tiến trình công nghiệp hóa đặt ra thách thức cấp thiết về việc tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, bền vững với mật độ công suất cao. Quá trình phân hạch hoàn toàn 1 kg Uranium-235 có khả năng giải phóng năng lượng tương đương với việc đốt cháy 2.000 tấn xăng thương phẩm hoặc kích nổ 25.000 tấn thuốc nổ TNT. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng lượng khổng lồ này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc và chính xác về cơ chế vật lý hạt nhân nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho con người và môi trường sinh thái.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Làm sáng tỏ nguyên lý vận hành của lò phản ứng hạt nhân nhiệt, cơ chế động học nơtrôn, công thức bốn hệ số kiểm soát trạng thái tới hạn và hệ thống bảo vệ đa tầng chống rò rỉ phóng xạ. Mục tiêu cụ thể là phân tích toàn diện các thông số vật lý của phản ứng phân hạch dây chuyền, khảo sát cấu trúc kỹ thuật của các dòng lò nước áp lực thương mại công suất 900 MW đến 1.300 MW, đồng thời đánh giá định lượng rủi ro bức xạ nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy.

Phạm vi nghiên cứu bao quát các nguyên lý vật lý lý thuyết, mô hình lò phản ứng nước nhẹ điển hình trên thế giới và kinh nghiệm vận hành lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt tại Việt Nam trong giai đoạn 2000 - 2004. Ý nghĩa của công trình thể hiện qua việc cung cấp luận cứ khoa học vững chắc, chứng minh rằng khi vận hành đúng quy chuẩn, liều hấp thụ bức xạ của dân cư xung quanh nhà máy chỉ ở mức 2,5 mrem/năm, mở ra định hướng phát triển điện hạt nhân an toàn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của vật lý hạt nhân hiện đại và kỹ thuật lò phản ứng với các lý thuyết trụ cột:

1. Lý thuyết cấu trúc hạt nhân và năng lượng liên kết: Mô hình hạt nhân gồm Z proton có điện tích dương 1,6x10^-19 C, khối lượng 1,007276 u và N nơtrôn không mang điện, khối lượng 1,008665 u. Độ hụt khối xác định năng lượng liên kết hạt nhân theo hệ thức tương đối tính, trong đó năng lượng liên kết riêng đạt giá trị cực đại 7,8 đến 8,6 MeV/nuclôn ở các hạt nhân trung bình có số khối từ 40 đến 120.
2. Lý thuyết phản ứng phân hạch dây chuyền: Quá trình hạt nhân Uranium-235 hấp thụ một nơtrôn nhiệt có năng lượng khoảng 0,025 eV, phân tách thành hai mảnh phân hạch và giải phóng trung bình 2,5 nơtrôn thứ cấp cùng nhiệt lượng 200 MeV.
3. Công thức bốn hệ số nhân nơtrôn vô hạn: Mô hình định lượng hệ số nhân vô hạn thông qua tích của bốn đại lượng vật lý đặc trưng gồm số nơtrôn sinh ra trên một nơtrôn nhiệt bị hấp thụ, hệ số phân hạch nhanh, xác suất thoát cộng hưởng và hệ số sử dụng nhiệt.
4. Lý thuyết động học nơtrôn trễ và nguyên lý bảo vệ theo chiều sâu: Phân loại 6 nhóm nơtrôn trễ sinh ra sau quá trình phân rã phóng xạ beta của các mảnh phân hạch và mô hình an toàn 5 mức theo tiêu chuẩn của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp và trích xuất từ các tài liệu học thuật quốc tế, thông số vận hành thực tế của lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt, cùng dữ liệu kỹ thuật chi tiết của các nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới tại Pháp và Nhật Bản. Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình hóa giải tích kết hợp phương pháp tính toán khuếch tán nơtrôn một nhóm và nhiều nhóm năng lượng.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 157 bó nhiên liệu tiêu chuẩn trong cấu trúc lõi lò nước áp lực và 6 nhóm nơtrôn trễ đặc trưng trong chu trình phân hạch Uranium-235. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu kỹ thuật điển hình theo cụm, tập trung vào công nghệ lò phản ứng nước áp lực công suất 900 MW làm đại diện tiêu chuẩn cho ngành công nghiệp điện hạt nhân.

Lý do lựa chọn phương pháp này là vì mô hình giải tích khuếch tán nơtrôn kết hợp khảo sát cân bằng nhiệt động học cho phép tính toán chính xác kích thước tới hạn, chu kỳ lò và hệ số phản ứng nhiệt độ âm, từ đó đưa ra kết luận chuẩn xác về độ an toàn tự thân của hệ thống mà không cần thử nghiệm phá hủy tốn kém.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mật độ giải phóng năng lượng siêu cao từ phản ứng phân hạch: Mỗi phản ứng phân hạch Uranium-235 giải phóng khoảng 200 MeV, bao gồm 170 MeV động năng mảnh vỡ phân hạch, 5 MeV động năng nơtrôn thứ cấp, 15 MeV từ bức xạ beta/gamma và 10 MeV phát xạ phản nơtrinô. Mức năng lượng này vượt trội hàng triệu lần so với năng lượng tỏa ra từ các phản ứng oxy hóa hóa học truyền thống.
2. Vai trò sống còn của 0,7% nơtrôn trễ trong điều khiển lò: Mặc dù nơtrôn tức thời chiếm tới 99,3% tổng số nơtrôn sinh ra nhưng có thời gian sống quá ngắn chỉ khoảng 0,0001 giây, khiến chu kỳ lò tăng công suất theo cấp số nhân chỉ trong 0,025 giây nếu không kiểm soát. Sự hiện diện của 6 nhóm nơtrôn trễ với tỷ lệ 0,7% đã nâng thời gian sống trung bình của thế hệ nơtrôn lên 8,5 giây. Khi độ phản ứng đạt mức 0,004, chu kỳ lò được kéo dài an toàn lên mức 2.000 giây, tạo điều kiện thuận lợi cho các thanh điều khiển hấp thụ nơtrôn can thiệp kịp thời.
3. Ưu thế vượt trội của cấu trúc lò dị thể: Trong cấu trúc đồng nhất của Uranium tự nhiên chứa 0,72% Uranium-235 và chất làm chậm Graphit, hệ số nhân vô hạn luôn nhỏ hơn 1 do hiện tượng bắt cộng hưởng mạnh. Tuy nhiên, khi chuyển sang cấu trúc dị thể phân bố nhiên liệu thành các thanh hình trụ đường kính 2,5 cm đến 5 cm, hệ số nhân vô hạn có thể đạt giá trị tối ưu 1,07 nhờ hiệu ứng tự chắn bề mặt làm giảm hấp thụ nơtrôn cộng hưởng.
4. Mức độ an toàn bức xạ môi trường thực tế: Đo lường định lượng cho thấy liều bức xạ phát tán đến cộng đồng dân cư sinh sống xung quanh lò phản ứng nước áp lực chỉ đạt khoảng 2,5 mrem/năm, và quanh lò nước sôi là 6,5 mrem/năm. Mức liều này chỉ chiếm từ 1% đến 2% tổng phông phóng xạ tự nhiên từ vỏ Trái Đất và vũ trụ.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện trên khẳng định tính khả thi và độ tin cậy cao của công nghệ hạt nhân nhiệt thương mại. Sự phân bố mảnh vỡ phân hạch được trình bày trực quan qua biểu đồ đường cong xác suất hình lưng lạc đà với hai đỉnh cực đại tại số khối A = 95 và A = 140, minh chứng rằng phản ứng phân hạch rất hiếm khi chia đôi hạt nhân thành hai mảnh đồng đều tại A = 118. Dữ liệu này giải thích nguyên nhân xuất hiện các đồng vị phóng xạ điển hình như Xenon-137, Strontium-90, Iod-131 và Caesium-137 trong xỉ lò.

So sánh với các dòng lò nơtrôn nhanh làm mát bằng kim loại lỏng Natri, lò nước áp lực sở hữu hệ số nhiệt độ âm ổn định hơn, giúp hệ thống tự động dập lò khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép. Bảng phân tích 4 rào cản vật lý độc lập (gồm viên nhiên liệu gốm UO2, vỏ bọc hợp kim Zirconium, thùng lò thép dày 20 cm và nhà lò bê tông dày 1,5 m) chứng minh khả năng giam giữ kín chất phóng xạ ngay cả khi xảy ra sự cố tăng áp suất tới 150 atm trong vòng tuần hoàn sơ cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích lý thuyết và thực tiễn kỹ thuật, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp mang tính hành động cụ thể:

1. Tối ưu hóa thiết kế lõi lò và chu trình nạp nhiên liệu: Chuẩn hóa việc sử dụng 157 bó nhiên liệu oxit Uranium làm giàu 3% Uranium-235, kết hợp vật liệu hấp thụ nơtrôn hợp kim Bạc - Cadimi - Indium cho hệ thống 24 thanh điều khiển. Mục tiêu là duy trì hệ số nhân hiệu dụng dao động nghiêm ngặt trong khoảng từ 1,000 đến 1,004, triệt tiêu độ phản ứng dư vượt mức 100 pcm.
2. Hiện đại hóa hệ thống an toàn đa tầng: Nâng cấp tòa nhà bảo vệ lò bằng bê tông nặng chứa quặng sắt có độ dày tối thiểu 1,5 m và thiết kế hệ thống phun xịt làm mát khẩn cấp tự động bằng thủy lực nhằm duy trì áp suất an toàn dưới 61,5 kg/cm² trong bộ sinh hơi khi có sự cố.
3. Nghiên cứu công nghệ lò nơtrôn nhanh và chu trình nhiên liệu kín: Viện Năng lượng Nguyên tử và các trung tâm nghiên cứu cần xây dựng đề án dài hạn trong giai đoạn 10 đến 15 năm tới để làm chủ công nghệ lò tái sinh nhiên liệu từ Thorium-232 và tái chế hơn 200 tấn Plutonium tồn dư toàn cầu, nâng hiệu suất sử dụng Uranium tự nhiên lên gấp 50 đến 60 lần.
4. Hoàn thiện quy chuẩn kiểm tra an toàn và đào tạo nhân sự: Cục An toàn Bức xạ và Hạt nhân thiết lập quy trình thanh tra định kỳ 6 tháng một lần đối với 100% thiết bị chu trình sơ cấp, đồng thời tổ chức diễn tập ứng phó sự cố cấp độ 5 cho đội ngũ kỹ sư vận hành theo đúng khuyến cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy điện: Cung cấp đầy đủ công thức tính toán thủy nhiệt, sơ đồ cấu tạo thùng lò chịu áp lực 150 atm, thông số bộ sinh hơi công suất 886 MW và hệ thống tua-bin máy phát điện 1.500 đến 1.800 vòng/phút nhằm phục vụ công tác thiết kế, tích hợp lưới điện.
2. Nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học về kinh tế nhiên liệu, phương pháp lưu giữ chất thải phóng xạ vĩnh cửu và kiểm soát bức xạ dưới mức 2,5 mrem/năm để xây dựng quy hoạch phát triển năng lượng quốc gia.
3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Vật lý hạt nhân: Sử dụng như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp tính toán kích thước tới hạn, công thức bốn yếu tố và động học phân rã nơtrôn trễ.
4. Chuyên viên đánh giá tác động môi trường: Tham khảo các phương pháp định lượng phát thải khí Argon-41, Krypton-85, Triti và quy trình thủy tinh hóa chất thải lỏng chứa 100.000 Ci phóng xạ để xây dựng báo cáo đánh giá an toàn môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Lò phản ứng hạt nhân có thể phát nổ như một quả bom nguyên tử hay không? Không thể xảy ra nổ hạt nhân trong lò phản ứng. Bom nguyên tử đòi hỏi Uranium làm giàu trên 90% và phản ứng dây chuyền xảy ra thuần túy bằng nơtrôn nhanh trong khoảng thời gian 0,00000001 giây. Ngược lại, lò phản ứng chỉ dùng Uranium làm giàu khoảng 3%, hoạt động nhờ nơtrôn nhiệt bị làm chậm, được kiểm soát bởi nơtrôn trễ và có hệ số nhiệt độ âm tự dập tắt khi quá nhiệt.

2. Nơtrôn trễ đóng vai trò then chốt như thế nào trong việc kiểm soát lò phản ứng? Nơtrôn trễ chiếm tỷ lệ khoảng 0,7% nhưng kéo dài thời gian sống trung bình của thế hệ nơtrôn từ 0,0001 giây lên 8,5 giây. Điều này làm tăng chu kỳ phản ứng của lò lên mức 2.000 giây, giúp hệ thống điều khiển cơ khí bằng các thanh Cadimi kịp thời di chuyển để điều chỉnh công suất lò an toàn.

3. Tại sao cấu trúc không đồng nhất lại ưu việt hơn cấu trúc đồng nhất trong lò dùng Uranium tự nhiên? Trong hệ đồng nhất, nơtrôn bị Uranium-238 bắt cộng hưởng mạnh khiến hệ số nhân vô hạn luôn nhỏ hơn 1. Khi tách nhiên liệu thành từng thanh riêng biệt đặt trong Graphit, nơtrôn nhanh thoát ra ngoài làm chậm rồi mới quay lại, tận dụng hiệu ứng tự chắn bề mặt để giảm bắt cộng hưởng, đưa hệ số nhân vô hạn lên mức 1,07.

4. Mức độ phơi nhiễm phóng xạ đối với người dân sống gần nhà máy điện hạt nhân là bao nhiêu? Theo tính toán kỹ thuật, tổng liều lượng bức xạ tương đương mà cư dân xung quanh nhà máy tiếp nhận chỉ khoảng 2,5 mrem/năm đối với lò nước áp lực và 6,5 mrem/năm đối với lò nước sôi. Con số này chiếm chưa đầy 2% mức phông phóng xạ tự nhiên mà con người vẫn hấp thụ hàng ngày.

5. Hệ thống rào cản vật lý ngăn chặn phóng xạ trong lò nước áp lực gồm những gì? Hệ thống gồm 4 rào cản độc lập: rào thứ nhất là viên nhiên liệu gốm UO2 giữ lại mảnh phân hạch; rào thứ hai là ống bọc hợp kim Zirconium chịu nhiệt; rào thứ ba là thùng lò bằng thép dày 20 cm cùng vòng sơ cấp kín; rào thứ tư là nhà lò bê tông dày 1,5 m ngăn cách hoàn toàn với môi trường.

Kết luận

• Luận văn hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết vật lý hạt nhân, tính chất nơtrôn và năng lượng liên kết riêng đạt đỉnh 8,6 MeV/nuclôn ở hạt nhân trung bình.
• Làm rõ cơ chế động học phân hạch Uranium-235 giải phóng 200 MeV và vai trò kiểm soát tới hạn của 6 nhóm nơtrôn trễ giúp nâng thời gian sống nơtrôn lên 8,5 giây.
• Phân tích chi tiết nguyên lý vận hành của nhà máy điện hạt nhân dùng lò nước áp lực với 3 chu trình làm mát độc lập và hệ thống 4 rào cản vật lý kiên cố.
• Chứng minh tính an toàn môi trường vượt trội với liều bức xạ phát tán đến cộng đồng dân cư xung quanh chỉ ở mức 2,5 mrem/năm, thấp hơn 50 lần so với phông tự nhiên.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lộ trình đào tạo nguồn nhân lực và chuẩn bị kỹ thuật cho ngành điện hạt nhân trong giai đoạn 2005 - 2020.

Nghiên cứu mở ra hướng đi cần thiết trong việc tiếp tục khảo sát mô hình lò nơtrôn nhanh tái sinh nhiên liệu và các công nghệ lò phản ứng tiên tiến được điều khiển bằng máy gia tốc. Đây là tài liệu học thuật giá trị cao, khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư năng lượng và sinh viên chuyên ngành khai thác sâu hơn để phục vụ sự nghiệp phát triển khoa học và công nghệ hạt nhân hòa bình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ca $4 c3 3 GVHD: TS. Thai Khắc Dinh SVTH : Nguyễn Thanh Minh Niên khóa: 2000 - 2004 TP Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2004 LOI NÓI ĐẦU O mate ta, oới he plrdn ing tat nÁên Da Lut, cÁáng ta kt ứng đụng điện hut olde vio ehibu ngiah khoa hoe va dia ving, dite hiét ki vide dng dang wto y @ Tuy nhién, ching te vdn chita dng dung ning hing hat ndxin vie ciệc sản und! đhên Ub sẵn BR vây ding nhd chảy dién hat nhân ở mabe ta, có rấ? nhieuý hidn kinie nhau có người thi déng tink, có ngputy củn e ngựa, cá egal thi plain Kes Lai mục dich lim hidu vb Áb pÁkẩn ting bal nhẫn wi abst indy didn nguy: Ad, em dd cổ ying trinh bay những nội dung cơ kin nÂnấ! nbut nguyện: tie bout déng, edu teo chung, phong wt hat nhde, an đản phong vụ, Déng thea, nÁkÌn hep edn si dl ÁwtPng phat triển rnớï cia Jat nướt, dé tai côn đề cập din các wdn cổ wt Áù pha ứng hal nhân Da Gal cũng như tiah hink didn hal absin nước ba bite =-.4 Cm hy song cảng đề tai “TIM HIỂU LO PHAN UNG HAT NHÂN NGUYEN TU" se gop péda ndo ute vite dinh giá. vb vai /rỏ, đắc tung vd ebitng khé kbdin cần phải ÁÁdc plac của aha mdy di¢n hat nãn cÑ/ «đi con người, vở trfé ud edd Árường xống Cm vin chin thanh cẩn on thay TS, Thái Khấc Định ¿2 Wn tinh lưỡng dn, 641 fing khich ÍỆ 0d giáp 8 cho em hon thanh đề tai nay. Dény thet em cửng xin chdén thank edm on PGS.

Mai Văn Nhơn trung Á4 mda Udt ly hal ahdn, trường DHAAH Ty nhiên cùng bil od các thay có da guấp dbem trong uiệc fin: Áiếnnhat tee Thre di da cổ gdng nbibu, nbluing vti vbr kitr tne có hun, cho nên Áháng thé trink bay mpl cúcÁ sâu ude abstng oấn đề lên quan dtr fe pln dng hat nhdn Cm rất mong nhận caw ý hide ding góp củu các thdy cô od các độc yd Lagu van tốt! aghi¢g GORD: “1S. Thai Khide Dink Chuong 1: CƠ Sở LY THUYET CUA LO PHAN UNG HAT NHAN I. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CUA HAT NHÂN: 1. í cơ bản của hạt nhân: Năm 1923, Heisenberg đưa ra giả thuyết về cấu trúc hạt nhân như sau: Hạt nhân được cấu tạo từ hai loại hạt cơ bản có tên chung là nuclôn bao gồm hạt proton và hạt nơtrôn.

Hạt proton ( ký hiệu p) là hạt mang điện dương và có gía trị là 1,6. Khối lượng của proton là m, = 1,007276u ( u là khối lượng một đơn vị nguyên tử, u = 1,66. Hạt ndtrôn không mang điện và có khối lượng m, = |,008665u. Một hat nhân của mỗi nguyên tử sé có Z proton và N ngdưôn tức là có A=Z4+N nuclôn.

Ở điều kiện bình thường. số lượng của Z proton cũng bằng số lượng của Z các electron ở lớp vỏ của nguyên tử, thế nên nguyên tử trung hòa về điện và số Z được gọi là điện tích hạt nhân. Số A cho phép ta tính gắn đúng khối lượng của hạt nhân nguyên tử nên được gọi là số khốt (khối lượng hạt nhân tính gần đúng bằng số khối A nhân cho khối lượng một đơn vị nguyên tử ). Hạt nhân của một nguyên tố X được ký hiệu như sau: }X.

Ví dụ: $He, ;Li, Ar Khối lượng hạt nhân: Trong nguyên tử, hau như toàn bộ khổi lượng đều tập trung ở hạt nhân, vì khối lượng của electron là rất nhỏ ( và tổng khối lượng của các electron trong nguyên tố nang nhất cũng nhỏ hơn phan trăm khối lượng của nguyên tử, nên khi không đòi hỏi chính xác lắm ta có thể coi mạ„ = mụ,. Hạt nhân đồng vị: Đó là những hạt nhân bằng nhau về số Z nhưng khác nhau về số N ( tức là khác nhau về số khối A) Vi dụ: Hiđrô có ba đồng vị là: 'H, 3Ð, OT — SOTH: Aguytn Thank Mink Trang f Lagu van tốt nghi¢p GOD: TS. Thai Khde Dink —— EO Hạt nhân cùng khối lượng: Đó là những hạt nhân có cùng số khối A nhưng khác nhau về điện tích hạt nhân Z: Vídụ: '}Sb và '3Te. Hạt nhân gương: Đó là những hạt nhân có cùng số khối A nhưng số Z của hạt nhân dau bằng số N của hạt nhân sau.

Vídụ: }H và \He hoặc là ')B và 'C. Kích thước hạt nhân: Qua nhiều phương pháp đo bán kính của hạt nhân như: - Khảo sát tán xạ của ndưôn (hat không mang điện) với hạt nhân. - Ding cách bắn phá hạt nhân bằng chùm hạt ơ. - So sánh năng lượng liên kết của các hạt nhân gương.

người ta thấy là hạt nhân càng có nhiều proton càng có năng lượng liên kết lớn. Ngoài ra, độ chênh lệch về nang lượng liên kết cho ta biết bán kính hạt nhân. Các phép đo trên cho ta kết luân là bán kính hạt nhân R tăng theo số lượng nuclôn trong hạt nhân, nghĩa là R tăng khi A tăng.1) ta đi đến một kết luận quan trọng là: Thể tích hạt nhân tỷ lệ với số hạt trong hạt nhân. Nói cách khác mật độ khối lượng hạt nhân là không đổi đối với moi hạt nhân.

Nếu ký hiệu mật độ khối lượng hạt nhân là p, ta có: M„ mA _ 1,67252.5109 I0'°tấn/mÌ Ta thấy mật đô khối lượng hạt nhân cực kỳ lớn. Thực nghiệm đã chứng minh ring khối lượng hạt nhân không phân bố đều mà tập trung ở giữa tạo thành lõi, còn ở lớp ngoài mật độ khối lượng gidm nhanh nhưng không đột ngột. SOTH: HAguyen Thanh Minh Trang 2 Luin van tél aghi¢g 02/1): FS. Thai Khde Dinh ——————— 2.

Lực hạt nhân: Hạt nhân có cấu trúc khá bén vững vì lý do các nuclôn trong hạt nhân luôn hút nhau bằng những lực rất mạnh. Các lực này gọi là lực hạt nhãn. Đặc điểm của các lực hat nhân là: - Luc hạt nhân có cường độ rất lớn. Tương tác hat nhân là tương tác mạnh.

- Lực hạt nhân là những lực tác dụng ngắn trong khoảng vai Fermi và lực này giảm rất nhanh khi bán kính tiến về không. - Lực hat nhân không phụ thuộc vào điện tích tác dụng của các hạt nuclôn. - Lye hạt nhân không đơn thuần là lực hút, khi hai hạt quá gắn nhau thì xuất hiện tương tác đẩy. - Luc này có tính bảo hòa: nghĩa là mỗi nuclôn chỉ tương tác với một số hữu hạn nuclôn kế cận ma không tương tác với nhiều nuclôn đồng thời.

- Luc hạt nhân xảy ra do sự trao đổi mêzôn theo những khả nang sau: Proton nhả và hút mêzôn : N,+P; -> (Pạ+x)+P;¿ạ >Pi+(P2+2 )—> P.+N: Notron nha và hút mêzôn: N,+P, > N,+(N;+ 2°) (N,+ 2°)+N, > P, +N; Proton nha và hút mêzôn: P, +P, > (P, + x)+P; > P, +(P2+ 2") > P, +P, - Thi nghiệm tin xạ của notrén nhiệt có năng lượng cỡ 3 đến 10 eV với nguyên tử Hiđrô có 2 proton mà Spin là song song và đối song cho thấy: Tỷ số xác suất tán xa với nguyên tử Hiđrô có 2 proton có Spin song song lớn gấp 30 lin xác suất tán xạ với nguyên tử Hiđrô với 2 proton có Spin đối song. Điều này dẫn đến kết luận là tương tác hạt nhân là một loại tương tác mạnh phụ thuộc nhiều vào sự định hướng tương hổ của mômen Spin của các hạt tương tác: tương tác này khác với tương tác hấp dẫn va cũng khác với tương tác điện từ. Các phép đo chính xác, chứng tỏ rằng khối lượng M của hạt nhân bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nuclôn tạo thành hạt nhân đó một lượng AM bing: AM =Zm, + (A - Z)m, -M — SOTH: Hguyén Thank Mink Trang 3 Lugn van tố? “gi GOWD: TS. Thai Khde Dink EE AM được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, trong đó M là khối lượng hat nhân ?X.

còn m, và m, là khối lượng của proton và nơtrôn. Độ hụt khối tương ứng với một nang lượng: AE=AMc Trong một hat nhãn bền, các proton và ndưôn di nhiên có liên kết chặt ché với nhau, Do đó khi muốn phá vỡ hạt nhân để tách thành các nuclôn riêng rẽ, ta cần phải tốn một năng lượng cung cấp từ bên ngoài cho hạt nhân, năng lượng này có giá trị ít nhất phải đúng bằng và ngược dấu với năng lượng liên kết giữa các nuclôn, mà ta gọi là nang lượng liên kết hạt nhân. Như vậy năng lượng kiên kết hạt nhân là năng lượng có trị số bằng công can thiết để tách hạt nhân thành các nuclôn riêng biệt. Năng lượng liên kết được ký hiệu là AW và được tính theo công thức: AW =-AE=-AMc hay AW =-931,48 AM(đdvkln) Dựa vào giá trị năng lượng liên kết hạt nhân, ta có thể đánh giá được mức độ bền vững của một hạt nhân, giá trị tuyệt đối của năng lượng liên kết càng lớn thì hạt nhân càng bền.

Tuy nhiên, giá trị năng lượng liên kết phụ thuộc vào tổng số nuclôn có trong hat nhân, thể hiện qua độ hụt khối AM, do đó để so sánh độ bén vững giữa các hạt nhân, ta cắn so sánh giá trị năng lượng liên kết trung bình cho một nuclôn mà ta gọi là năng lượng liên kết riêng của hạt nhân. ta kí hiệu là £, về giá trị tuyệt đối bằng tỷ số giữa giá trị tuyệt đối của năng lượng liên kết và tổng số nuclôn của hạt nhân: AW c=—— A Năng lượng liên kết riêng có giá trị tuyệt đối càng lớn thi hạt nhân càng bền vững. Đồ thị biểu diễn nang lượng liên kết theo số khối A của các nguyên tử được vẽ theo thực nghiệm như hình vẽ: — SOTH: Hguyéu Thank Mink Trang 4 Luan van tốt nghi¢g GOD: TS. Thai Khde Dink ————— Mev £ 9 8 ———== vf ne @ 5 4 3 2 1 + a> ~~ + - 0 SƠ 100 150 200 Từ đường cong cho ta thấy: - Với những hạt nhân nhẹ (A=! -> 10) nang lượng lên kết riêng ting từ I> 10 Mev.

- Với hat nhân nang (A=40 => 240)năng lượng liên kết riêng giảm dan, nhưng giảm rất châm từ 8 => 7 MeV. - Hạt nhân trung bình (A=40 => 120) nang lượng liên kết có giá trị trung bình vào khoảng từ 7 > 8,6 MeV giá trị này tương đối khá lớn (cực dai) cho nên hạt nhân trung bình là hạt nhân bền vững. Giá trị từ 7-> 8 MeV được xem là giá trị bảo hòa, khi đó mỗi nuclôn chỉ tương tác với một nuclôn lân cận. Trong các hạt nhân nặng thì nang lượng liên kết lại giảm bởi vì lúc này số proton trong hạt nhân tăng lên nên lực đẩy Coulomb giữa các proton mang điện cũng tăng lên làm cho năng lượng liên kết bị giảm xuống.