Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 1: Sơ lược về vật lý hạt nhân và vật lý nơtron - Nguyễn Nhị Điền

Nội dung text: Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 1: Sơ lược về vật lý hạt nhân và vật lý nơtron - Nguyễn Nhị Điền

1. Chương 1 SƠ LƯỢC VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ NƠTRON PGS TS Nguyễn Nhị Điền Đà Lạt, 2014 1
2. Phần 1 NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ VẬT LÝ HẠT NHÂN 2
3. 1. Một số sự kiện tiền đề gĩp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân: Phát hiện ra tia X: + Năm 1895, Wilhelm Roentgen phát hiện ra tia X-rays mà ngày nay đi vào lịch sử ứng dụng của ngành y học. Phát hiện ra tia bức xạ: + Năm 1896, Henri Becquerel phát hiện ra tia bức xạ đặc biệt (tia phĩng xạ) của Uranium làm đen kính ảnh. Phát hiện ra electron e-: + Năm 1897, J. Thomson tìm ra hạt sơ cấp đầu tiên, là hạt electron trong thành phần tia cathode. 3
4. 1. Một số sự kiện tiền đề gĩp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân: Tìm ra nguyên tố phĩng xạ: + Năm 1898, Marie và Pierre Curie tìm ra nguyên tố phĩng xạ Radium và Polonium. + Năm 1902, Ernest Rutherford giải thích hiện tượng phân rã phĩng xạ. 4
5. 1. Một số sự kiện tiền đề gĩp phần vào sự ra đời của ngành Vật lý hạt nhân: + Năm 1905, thuyết tương đối của Albert Einstein ra đời, ơng đã tìm ra mối liên hệ giữa năng lượng E và khối lượng m của vất chất. E = mc2 với c = 3.108 m/s + Một hạt cĩ khối lượng rất bé cĩ thể chuyển thành một năng lượng cực kỳ lớn Ngành Năng lượng hạt nhân ra đời. + Vật lý hạt nhân đã sử dụng triệt để 2 tư tưởng của vật lý hiện đại là tính lượng tử và tính tương đối. 5
6. 2. Bức xạ ion hố và tương tác của bức xạ với vật chất: • Bức xạ ion hố: •Là loại bức xạ cĩ khả năng tạo ra sự ion hố mơi trường vật chất mà nĩ đi qua. •Tia X, tia gamma: bức xạ điện từ cĩ bước sĩng ngắn •Tia alpha, beta: hạt mang điện •Nơtron: là hạt trung hịa, khơng mang điện •Tia X phát ra từ cấu trúc điện tử của nguyên tử •Tia gamma, beta, alpha phát ra do các quá trình biến đổi của hạt nhân •Nơtron: là hạt khơng mang điện, cùng với proton tạo thành hạt nhân của nguyên tử. 6
7. 2. Bức xạ ion hố và tương tác của bức xạ với vật chất: • Tia alpha là hạt mang điện tích dương nên lệch về phía cực âm của điện trường. Điện tích hạt α gấp 2 lần điện tích của hạt proton, cĩ khối lượng bằng khối lượng của nguyên tử heli. Vận tốc khoảng 20.000 km/s. • Tia beta mang điện tích âm nên lệch về phía cực dương của điện trường, đĩ là các hạt electron. Vận tốc khoảng 100.000 km/s • Tia gamma là bức xạ điện từ, khơng lệch về cực nào của điện trường, cĩ bản chất như tia sáng. Tốc độ ánh sáng. 7
8. Tương tác của hạt alpha và bêta với vật chất: • là các hạt mang điện nên gây ion hố mạnh • nhanh chĩng mất năng lượng khi tương tác nên khả năng xuyên sâu kém. Một tờ giấy đủ ngăn chùm hạt alpha năng lượng 1.5 MeV Tương tác của nơtron với vật chất: - tán xạ, mất năng lượng dần, đặc biệt đối với nguyên tố nhẹ. - kích hoạt nơtron: bị hấp thụ bởi hạt nhân tạo thành đồng vị phĩng xạ và phát các bức xạ gamma, bêta, alpha. - kích hoạt nơtron là cách để tạo ra đồng vị phĩng xạ trong Lị phản ứng hạt nhân. 59Co(n, γ)60Co 8
9. Tương tác của tia X và tia gamma với vật chất: • hấp thụ quang điện: hấp thụ tồn bộ năng lượng và phát ra điện tử. • tán xạ compton: tán xạ với điện tử, truyền một phần năng lượng cho điện tử. • tạo cặp: tương tác với trường điện từ của hạt nhân, tạo cặp electron- positron. I = B Io exp(-µ.d.x) • Khả năng xuyên sâu lớn. Cần che chắn bằng vật liệu nặng. 9
10. 3. Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân: - Năm 1911, mẫu nguyên tử cĩ hạt nhân của E. Rutherford ra đời, đánh dấu thời điểm khởi đầu của Vật lý HN (dùng hạt alpha bắn phá nguyên tử, phát hiện sự tồn tại hạt nhân kích thước cỡ 10-12cm). - Nguyên tử gồm: Hạt nhân & các điện tử (J. Thomson đã tìm ra hạt e- từ năm 1897). - Hạt nhân gồm: Các proton (p) và các nơtron (n), hay cịn gọi chung là các hạt nucleon (giả thuyết của Ivanenko & Heisenberg năm 1932). - Proton cĩ điện tích dương (Rutherford tìm ra năm 1914). Nơrton là hạt trung hịa khơng mang điện (James Chadwick tìm ra năm 1932). 10
11. 3. Cấu trúc của nguyên tử và hạt nhân: Điện tử: e- = 1,602x10-19 culơng, -28 me- = 9,11x10 g Hạt nhân: mp = 1836 me-, mn = 1838 me-. Hạt nhân cĩ số khối A, số proton bằng số nguyên tử Z (thứ tự trong bảng tuần hồn), và số nơtron là N Nguyên tử (A = Z + N). 11
12. Nguyên tử (atom) bao gồm hạt nhân ở giữa, là hạt cĩ kích thước nhỏ, khối lượng lớn, mang điện tích dương, được bao quanh bởi đám mây của các electron tích điện âm chuyển động trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân. Trong hạt nhân gồm cĩ các proton và các neutron, gọi chung là các nucleon. Tổng số các proton trong hạt nhân gọi là nguyên tử số (atomic number) của nguyên tử và ký hiệu là Z. Số neutron trong hạt nhân ký hiệu là N. Tổng cộng số nucleon trong hạt nhân là A = Z + N, gọi là số khối của nguyên tử (atomic mass number). 12
13. Các nguyên tử mà hạt nhân của nĩ cĩ cùng số proton nhưng khác số neutron gọi là các đồng vị (isotopes). Ví dụ: Oxygen cĩ 3 đồng vị bền (stable isotopes) là 16O, 17O, 18O và 5 đồng vị khơng bền hay gọi là đồng vị phĩng xạ (radioactive isotopes) 13O, 14O, 15O, 19O và 20O. Đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit), viết tắt là amu, bằng 1 phần 12 khối lượng của nguyên tử 12C trung hịa, tức là: 1 amu = (1/12) x m (12C) = 1.66053.10-27 kg (1.1) 13
14. 4. Bán kính của hạt nhân và nguyên tử: Bán kính trung bình của nguyên tử, trừ một vài nguyên tử nhẹ nhất, khoảng 2.10-8 cm. Hạt nhân được xem như hình cầu cĩ bán kính theo cơng thức: 1/3 R = r0. A (1.2) -13 r0 = (1.2 – 1.5).10 cm Từ cơng thức (1.2) cho thấy, thể tích V của hạt nhân tỷ lệ thuận với A. Tỷ số A/V, số nucleon trên mỗi đơn vị thể tích là bằng hằng số. Mật độ của vật liệu hạt nhân là: (xem mp ≈ mn) m Amp m p ρ = = = ≈ 1014 kg/m3 4 4 V πr 3A πr 3 3 0 3 0 14
15. 5. Khối lượng và năng lượng: Theo cơng thức của A. Einstein’s: W = mc2 (1.3) với c = 3.108 m/s là vận tốc ánh sáng. Đơn vị của năng lượng trong hệ SI là Joule (J). Một loại đơn vị khác hay sử dụng trong cơng nghệ hạt nhân là electron-volt, ký hiệu là eV. 1 eV = 1.60219.10-19 J (1.4) Mối quan hệ giữa đơn vị khối lượng nguyên tử (atomic mass unit) và eV: 1 amu = 1.66053.10-27 kg = 931.481 MeV (1.5) với 1 MeV = 106 eV. 15
16. Khi vật thể chuyển động, khối lượng của nĩ tăng tương đối so với người quan sát theo cơng thức sau: m m = 0 (1.6) 1− v 2 /c 2 ở đĩ m0 là khối lượng nghỉ (rest mass) và v là vận tốc của nĩ. Động năng E là sự khác biệt giữa năng lượng tồn phần W và năng lượng của khối lượng nghỉ (rest-mass energy): m 2 2 0 2 2 E = mc – m0c = c - m0c (1.7) 1− v 2 /c 2 Trong trường hợp khơng tương đối, tức là khi v << c, thì động 2 2 2 2 năng sẽ là: E = m0 (1+1/2(v /c )) c – m0c E = ½.mv2 (1.8) 16
17. 6. Năng lượng liên kết: Độ hụt khối (mass defect): ∆M = Zmp + Nmn – M(Z,A) (1.9) với mp và mn là khối lượng của proton và neutron tương ứng, và M(Z, A) là khối lượng của hạt nhân đĩ. Sự tương đương năng lượng của độ hụt khối được gọi là năng lượng liên kết (binding energy) EB của hạt nhân: 2 EB = [Zmp + Nmn – M(Z, A)] c (1.10) Năng lượng liên kết trung bình ε của mỗi nucleon đối với A chỉ ra trong Hình 1.1: E ε = B (1.11) A 17
18. E ε = B (MeV) A 9,0 8,5 8,0 8 6 (MeV) 4 ε 2 0 7,5 0 10 20 30 A 0 50 100 150 200 250 A Hình 1.1. Năng lượng liên kết của mỗi nucleon là hàm của số khối nguyên tử A. 18
19. Từ Hình 1.1 cho thấy rằng, đường cong của ε tăng theo A từ 1 đến khoảng 50 và sau đĩ là biến thiên theo hàm giảm khi A tăng. Tính chất này của đồ thị năng lượng liên kết là rất quan trọng trong việc xác định các nguồn cĩ thể của năng lượng hạt nhân. Các hạt nhân mà cĩ năng lượng liên kết của mỗi nucleon lớn là những hạt nhân đặc biệt bền hoặc được bao rất chặt. Hình 1.1 cũng chỉ ra rằng hạt nhân trung bình là bền vững nhất, trong khi đĩ hạt nhân nhẹ và hạt nhân nặng lại kém bền hơn. Như vậy, năng lượng liên kết cĩ thể được giải phĩng hoặc là từ hạt nhân nhẹ do tổng hợp nhiệt hạch (fusion) hoặc từ hạt nhân nặng do phân hạch hạt nhân (fission). 19
20. Ta hãy xem xét một ví dụ về sự phân hạch của hạt nhân 238U. Năng lượng liên kết của mỗi nucleon của 238U là khoảng 7.5 MeV, trong khi nĩ vào khoảng 8.4 MeV đối với hạt nhân cĩ số khối A = 119 (tức là 238/2). Như vậy, nếu hạt nhân Uranium tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với khối lượng mỗi hạt bằng một nửa khối lượng của Uranium, thì cĩ sự tăng năng lượng liên kết của hệ. Năng lượng liên kết trước phản ứng là 7.5 MeV. Năng lượng liên kết sau phản ứng là 8.4 MeV. Độ hụt khối là 0.9 MeV cho mỗi nucleon. Độ hụt khối tồn phần là 238 × 0.9 MeV = 214 MeV. Cho bức tranh gần như giá trị 200 MeV giải phĩng khi cĩ một phân hạch 235U. Năng lượng liên kết khác nhau trước và sau khi phân hạch ~ 0.9 MeV / nucleon 238 nucleons giải phĩng ~200 MeV. 20
21. 7. Phân rã phĩng xạ và các loại phĩng xạ cĩ trong mơi trường sống: – Năm 1902, Ernest Rutherford giải thích hiện tượng phân rã phĩng xạ. – Các biến đổi hạt nhân kèm theo phát bức xạ gamma, alpha, beta. – Chu kỳ bán hủy T1/2 là khoảng thời gian hoạt độ nguồn giảm cịn một nửa. – Đơn vị năng lượng bức xạ là T1/2 = 30,17 năm T1/2 = 5,27 năm eV, keV, MeV. 21
22. Phĩng xạ cĩ trong mơi trường sống của con người cĩ nguồn gốc từ: 1. Phĩng xạ tự nhiên 2. Phĩng xạ nhân tạo Các Đồng vị phĩng xạ (ĐVPX) tự nhiên: Chiếm khoảng 82% trong mơi trường, gồm: - 40K, U, Th - Be-7 cĩ nguồn gốc từ tia vũ trụ. Phân rã của 40K: 22
23. Mạch phân rã phĩng xạ của 238U, 235U và 232Th. 23
24. Phĩng xạ tự nhiên gia tăng do các ngành Cơng nghiệp phi hạt nhân: + Thăm dị và khai thác dầu khí: ♦ Hàm lượng các ĐVPX 226Ra, 228Ra ở mức cao trong nước thành tạo địa chất ♦ Khi khoan thăm dị và khai thác, quá trình đồng kết tủa sunfat kép Ba - Ra gia tăng → tăng mức phĩng xạ trong nước, đặc biệt là trong trầm tích biển: 226,228 BaSO4 (trong dung dịch khoan, trong nước biển) + Ra → Ba(Ra)SO4 ↓ → Trầm tích, hải sản. + Sản xuất và sử dụng phân bĩn phốt phát + Sản xuất nhiệt điện dùng than + Vận chuyển của các ĐVPX tự nhiên do sơng chảy qua vùng mỏ Uran. 24 5
25. Phĩng xạ nhân tạo – Năm 1934, các đồng vị phĩng xạ nhân tạo của phosphor và nitơ đã được tạo ra khi chiếu nhơm và Bo bằng hạt alpha của nguồn polonium bởi Frederic Joliot và Iren Curie. – Phát minh này đã mở ra kỷ nguyên của phĩng xạ nhân tạo. – Đơn vị đo hoạt độ phĩng xạ là Ci, 1 Ci = 37 GBq – Bq là số phân rã trong 1 giây. Các bội số của Bq: kBq (Kilo, E+3), MBq (Mega, E+6), GBq (Giga, E+9), TBq (Tera, E+12), PBq (Peta, E+15), Ebq (Exa, E+18) 25
26. Nguồn gốc tạo thành các ĐVPX nhân tạo: 1. Do các vụ thử hạt nhân Đặc trưng các vụ thử hạt nhân trên thế giới (UNSCEAR, 2000) Số vụ thử Công suất (Mt) Nước Khí Dưới Tổng Khí quyển Dưới đất Tổng quyển đất Trung Quốc 22 22 44 20.7 1 22 Pháp 50 160 210 10.2 3 13 Aán Độ - 6 6 Pakistan - 6 6 Anh 33 24 57 8.1 2 10 Mỹ 219 908 1127 154 46 200 Liên Xô cũ 219 750 969 247 38 285 Tổng 543 1876 2419 440 90 530 26
27. Đặc trưng các vụ thử hạt nhân trong khí quyển (UNSCEAR, 2000) Cơng suất (Mt) Cơng suất phân hạch (Mt) Vị trí thử Số vụ Phân Tổng Tổng Gây rơi Gây rơi Gây rơi thử hạch hợp cộng lắng cục lắng đối lắng bình bộ lưu lưu Trung Quốc 22 12.2 8.5 20.72 0.15 0.66 11.40 Pháp 50 6.17 4.02 10.20 0.23 0.57 5.37 Anh 33 4.22 3.83 8.05 0.07 1.76 2.39 Mỹ 219 81.5 72.2 153.8 28.2 8.27 44.9 Liên Xơ cũ 219 85.3 162.0 247.3 0.13 4.28 80.8 Tổng 543 189 251 440 29 16 145 27 7
28. Số và cơng suất các vụ thử hạt nhân trên thế giới (UNSCEAR, 2000) 28
29. Một số ĐVPX được sinh ra và phân tán tồn cầu do thử hạt nhân trong khí quyển: Đồng vị Chu kỳ bán Suất phân Năng suất Lượng phĩng thích rã hạch (%) chuẩn tồn cầu (PBq) (PBq/Mt) 90Sr 28.78 a 3.50 3.88 622 137Cs 30.07 a 5.57 5.90 948 239Pu 24110 a 6.52 240Pu 6563 a 4.35 Tính đến năm 2000, tổng của các vụ thử phân hạch trong khí quyển là 189 Mt. → tổng độ 90Sr phĩng thích vào khí quyển là 733 PBq: ≈ 29 Mt bị lắng đọng cục bộ, 160 Mt (tương đương 622 PBq 90Sr) gây rơi lắng tồn cầu. 29
30. 2. Do các sự cố hạt nhân Hoạt độ các ĐVPX chủ yếu phĩng thích từ các sự cố hạt nhân (UNSCEAR 2008) Hoạt độ phĩng thích (PBq) Sự cố 90Sr 131I 137Cs 238Pu 239,240Pu Kyshtym (1957) 0.04 Windscale (1957) 0.7 0.02 SNAP 9A (1964) 0.6 Three Miles Island 0,001 (1979) Chernobyl (1986) 8.1 270 70 Komsomolets (1989) 0.0028 0.2 0.003 0.016 Fukushima (2011) 130 6 Sự cố Chernobyl dẫn đến phĩng thích vào mơi trường 1900 PBq đồng vị phĩng xạ các loại. 30
31. Con người sống trên mặt đất luơn luơn chịu Phĩng xạ cĩ trong mơi trường: Phĩng xạ tự nhiên 40K, U, Th, Be-7, chiếm khoảng 82% -Phơng khí quyển: 1.27 mSv/năm -Phĩng xạ vũ trụ: 0.40 mSv/năm -Thức ăn và nước uống: 0.30 mSv/năm -Từ trái đất: 0.45 mSv/năm +Tổng cộng: 2.42 mSv/năm Phĩng xạ nhân tạo, chiếm khoảng 18%, 0.54 mSv/năm Tổng cộng trung bình: 2.96 mSv/năm 32
32. Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: Quy định về An tồn bức xạ của Việt Namwww.foxitsoftware.com/shopping Giới hạn liều nghề nghiệp: - Liều hiệu dụng to•n thân khơng vượt quá 20 mSv/năm - trung bình trên 5 năm liên tục. - Liều hiệu dụng to•n thân khơng vượt quá 50 mSv/năm - l•y trong 1 n•m riêng r•. N•u ng••i cĩ tu•i 16-18 c•n l•m vi•c v•i ch•t phĩng x• thì gi•i h•n li•u n•m l•: 6 mSv/n•m. Giới hạn liều dân chúng: - Li•u hi•u d•ng to•n thân khơng v••t quá 1 mSv/n•m. - Trong tình hu•ng ••c bi•t, li•u hi•u d•ng • 5 mSv/n•m, nh•ng li•u trung bình trong 5 n•m liên ti•p khơng v••t quá 1 mSv/n•m. Li•u hi•u d•ng to•n thân 1 mSv/n•m < 2,96 mSv/n•m m• con ng••i luơn b• chi•u do phĩng x• cĩ trong mơi tr••ng. 1 lần chụp vùng ngực bằng X-quang: 0,15 mSv, bằng CT: 1,5 mSv. Tháng 3/2014 33
33. Phần 2 TƯƠNG TÁC CỦA NƠTRON VỚI VẬT CHẤT 34
34. 1. Các quá trình tương tác của nơtron với hạt nhân Do nơtron là hạt trung hịa về điện (electrically neutral), nên nĩ khơng bị ảnh hưởng bởi các electron trong nguyên tử hoặc bởi điện tích dương trong hạt nhân. Do vậy, nơtron đi qua đám mây electron của nguyên tử và tương tác trực tiếp với hạt nhân. Nghĩa là, nơtron va chạm với hạt nhân chứ khơng va chạm với nguyên tử. Nơtron tương tác với hạt nhân bằng 1 trong 6 quá trình chính sau đây: 35
35. 1.1. Tán xạ đàn hồi (Elastic scattering): Neutron va chạm vào hạt nhân, nơtron xuất hiện lại và hạt nhân trở lại trạng thái ban đầu. Trong quá trình này nơtron truyền một phần động năng của mình cho hạt nhân, hạt nhân khơng bị thay đổi cấu trúc hoặc trạng thái, chỉ cĩ sự phân bố lại động năng giữa nơtron và hạt nhân, tổng động năng cũng như xung lượng tồn phần của hệ được bảo tồn. Ký hiệu là X(n, n)X. Tán xạ đàn hồi là cơ chế chính trong quá trình làm chậm neutron trong các lị phản ứng hạt nhân với nơtron nhiệt. 36
36. 1.2. Tán xạ khơng đàn hồi (Inelastic scattering): Tương tự như quá trình tán xạ đàn hồi nhưng ở đây hạt nhân trở thành trạng thái kích thích. Hạt nhân kích thích phân rã bằng việc phát các tia γ. Trong quá trình này hạt nhân bia hấp thụ nơtron và ở trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn (10-17s) sau đĩ nĩ lại phát xạ nơtron rồi trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra một hoặc vài photon γ. Ký hiệu là X(n, n’)X*. Trong quá trình này khơng cĩ sự bảo tồn động năng vì một phần động năng của nơtron tới đã chuyển thành năng lượng kích thích hạt nhân, nhưng vẫn đảm bảo sự bảo tồn năng lượng tồn phần và momen xung lượng. 37
37. 1.3. Chiếm hay bắt bức xạ (Radiative capture): Trong quá trình này neutron bị bắt bởi hạt nhân, và phát ra một hoặc nhiều tia γ. Do neutron ban đầu bị hấp thụ, nên quá trình này là một ví dụ của loại phản ứng hấp thụ. Trong quá trình này hạt nhân bia bắt nơtron để trở thành một hạt nhân hợp phần. Hạt nhân hợp phần cĩ năng lượng kích thích cao (bằng tổng động năng của nơtron và năng lượng liên kết của nĩ trong hạt nhân hợp phần). Sau đĩ hạt nhân hợp phần sẽ ra khỏi trạng thái kích thích bằng cách phát ra các photon γ: Ký hiệu bắt bức xạ là X(n, γ)Y. 38
38. 1.4. Các phản ứng tạo hạt mang điện (Charged-particle reactions): Neutron cĩ thể biến mất do các phản ứng hấp thụ (n, α) và (n, p). Dễ xảy ra đối với các hạt nhân nhẹ (cĩ hàng rào Coulomb thấp, ít ngăn cản sự phát xạ các hạt mang điện p, α) Thơng thường phản ứng cĩ ngưỡng khá cao ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt như 10B(n, α)7Li, 6Li(n, α)3He, 3He(n, p). Các phản ứng này dùng để chế tạo các ống đếm nơtron. 39
39. 1.5. Các phản ứng tạo nơtron (Neutron-producing reactions): Các phản ứng (n, 2n) và (n, 3n) xẩy ra với hạt nhân kích thích cĩ năng lượng đủ cao. Ngưỡng của phản ứng thường cao trên 10 MeV. Phản ứng (n, 2n) là quan trọng trong các lị phản ứng nước nặng hoặc beryllium vì 2H và 9Be cĩ các nơtron bao lỏng lẻo mà dễ dàng bị bứt ra. Phản ứng phân hạch hạt nhân 40
40. 1.6. Phân hạch hạt nhân (Fission): Neutron va chạm với hạt nhân làm cho hạt nhân bị phân tách ra 2 hạt nhân mới. Phản ứng này là nguồn cơ bản của năng lượng hạt nhân. Trong những điều kiện nhất định khi nơtron bị chiếm bởi một vài loại hạt nhân nặng (chẳng hạn Th-232, U- 235, U-238, Pu-239, ) cĩ thể làm cho các hạt nhân này vỡ làm hai mảnh, đồng thời kèm theo sự phát ra tiếp 2 hoặc 3 nơtron. Đĩ là hiện tượng phân hạch. 235 147 87 n + 92 U 57 La + 35 Br + 2n 235 142 91 n + 92 U 56 Ba + 36 Kr + 3n 41
41. 2. Tán xạ đàn hồi của nơtron và làm chậm nơtron Một nơtron nào đĩ cĩ vận tốc v và động năng E va chạm với hạt nhân bia A đứng yên. Sau khi va chạm, nơtron bay ra với vận tốc thấp hơn là v’ và động năng là E’, hạt nhân A cĩ vận tốc V nào đĩ. Tương quan giữa E’ và E như sau: ε E ≤ E’ ≤ E (2.1) 2 ở đây A −1 (2.2) ε =   A +1 A càng nhỏ, tức là hạt nhân càng nhẹ, thì ε càng nhỏ so với 1. A =1 thì ε = 0. 42
42. Từ các cơng thức (2.1) và (2.2), hạt nhân bia nhẹ hơn thì sẽ mất năng lượng tỷ lệ lớn hơn khi nơtron va chạm với hạt nhân. Vì hạt nhân bia là tương đối đối với nơtron, nên khi A = 1 và ε = 0, thì nĩ cĩ thể mất tồn bộ năng lượng trong một va chạm đơn đối đầu. Ta thử tìm các nguyên tố nhẹ mà nơtron cĩ thể bị đưa đến các mức năng lượng nhiệt với số lần va chạm ít nhất cĩ thể. Số lần va chạm đàn hồi ST để làm chậm nơtron từ 2 MeV đến 0.025 eV được xác định bằng biểu thức sau: 18,2 6 ST = vì UT = 18,2 = ln (2.10 /0,025) (2.3) ξ ở đây ξ (Zeta) là tham số va chạm, hay độ mất năng lượng logarit trung bình: E ξ = ln E′ (2.4) 43
43. Bảng 2.1. Các thơng số ξ và ST đối với một số chất làm chậm. Chất làm Mật độ γ N ξ (độ mất ST (sồ lần chậm (g/cm3) 1024/cm3 năng va chạm lượng) đàn hồi) H20 1 0,0335 0,948 ∼18,2 D20 1,1 0,0331 0,570 31,8 Be 1,85 0,1236 0,209 86 C 1,6 0,0803 0,158 114 Các hạt nhân nhẹ cĩ tác dụng làm chậm tốt hơn hạt nhân nặng. 44
44. 3. Phản ứng phân hạch hạt nhân Trong phản ứng phân hạch, một hạt nhân nặng, ví dụ uranium, bị bắn phá bởi nơtron và bị vỡ thành các mảnh, chẳng hạn như 139Ba và 97Kr, và giải phĩng năng lượng gần 200 MeV. Quá trình này cũng kèm theo giải phĩng ra các nơtron mới. Cĩ 2 loại phân hạch: tự nhiên và do tương tác đem lại. 3.1. Phân hạch tự nhiên (Spontaneous fission): Thỉnh thoảng, các hạt nhân nặng phân hạch tự nhiên mà khơng cĩ sự kích thích bên ngồi. Ví dụ như 235U và 238U, chu kỳ bán rã của chúng đối với phân hạch tương ứng là 1.2×1017 và 5.5×1015 năm. Sự phân hạch tạo ra trong các trường hợp này là khơng đáng kể. Tuy nhiên về bản chất của hiện tượng là quan trọng do cĩ mặt một nguồn nơtron khơng được điều khiển trong lị phản ứng và do đĩ tiếp đến cĩ thể sử dụng nĩ trong trạng thái khởi động. Ví dụ của loại phân hạch tự nhiên là nguồn nơtron 252Cf. 45
45. 3.2. Phân hạch do tác động (Induced fission): Một hạt nhân nặng nào đĩ cĩ thể bị phân hạch do bắt một nơtron. Vì vậy, một vài nơtron năng lượng cao được tạo ra mà làm cho quá trình phản ứng dây chuyền được duy trì. Các hạt nhân 235U, 233U, 239Pu và 241Pu cĩ khả năng phân hạch với các nơtron nhiệt năng lượng thấp và chúng được gọi là vật liệu phân hạch (fissile materials). Trong khi đĩ các hạt nhân 238U và 232Th phân hạch với các nơtron nhanh. Sự bắt bức xạ của các nơtron bởi 238U và 232Th dẫn đến hình thành vật liệu cĩ khả năng phân hạch 239Pu và 233U, nên chúng được gọi là các vật liệu tiềm năng (fertile materials). 235U được tìm thấy trong uranium với tỷ lệ thấp 0.72%, trong khi đĩ 99.28% là 238U. Hạt nhân 233U khơng cĩ mặt trong uranium thiên nhiên và cĩ các đặc tính mong muốn nhất của tất cả các hạt nhân phân hạch. Trong quá trình vận hành lị phản ứng, 239Pu, 241Pu và 233U được hình thành từ sự bắt bức xạ của các nơtron bởi 238U và 232Th. 46
46. 3.3. Mảnh vỡ phân hạch (Fission fragments): Việc nghiên cứu sự phân hạch của 235U với các nơtron nhiệt chỉ ra rằng các hạt nhân hợp phần phân hạch với hơn 40 cách khác nhau và tạo ra khoảng 80 mảnh vỡ phân hạch. Hình 2.1 mơ tả tần số tương đối mà với nĩ các mảnh vỡ hạt nhân được tạo ra đối với các đồng vị cĩ số khối đặc biệt. Trên đường cong sản lượng phân hạch, 2 mảnh vỡ được tạo ra trong mỗi phân hạch. Cĩ thể cĩ các số khối 80 và 160, trong khi đĩ giá trị cĩ thể nhiều nhất là 95 và 140. Các sản phẩm phân hạch đối xứng là rất hiếm cĩ. 47
47. 10 5 2 1 5 2 -1 10 5 2 -2 10 5 2 -3 10 5 Fission yields (%) yields Fission 2 -4 10 5 2 -5 10 70 80 90 100 110 120 130 140 150 A Hình 2.1. Sự phụ thuộc của số mảnh vỡ phân hạch đối với phân hạch 235U bởi nơtron nhiệt. 48
48. 3.4. Sản phẩm phân hạch (Fission products): Hai sản phẩm quan trọng của các phản ứng phân hạch là các đồng vị và các hạt tạo ra và năng lượng được giải phĩng. * Các hạt nhân tạo ra trong phản ứng được gọi là các mảnh vỡ phân hạch. Do tỷ lệ nơtron/proton cao của các mảnh vỡ phân hạch so với hạt nhân bền, nên chúng thường là các chất phĩng xạ. Chúng sẽ tiến tới giảm tỷ số n/p bằng cách phân rã liên tiếp (β−, γ), cho tới khi nĩ đạt ổn định. Do sự phân hạch, cĩ khoảng 300 các đồng vị lạ. Thời gian bán rã của các mảnh vỡ phân hạch cĩ thể thay đổi từ một phần của giây đến hàng ngàn năm. Một lượng lớn nơtron, gamma và hạt beta cũng được tạo ra trong các phản ứng phân hạch. * Năng lượng khoảng 200 MeV được giải phĩng khi phân hạch hạt nhân. Giá trị này phụ thuộc vào hạt nhân phân hạch và các mảnh vỡ phân hạch. Với 235U, sự phân bố gần đúng của năng lượng chỉ ra trong Bảng 2.2. 49
49. Bảng 2.2. Phân bố năng lượng của các sản phẩm phân hạch do phân hạch 235U bởi nơtron nhiệt. Các thành phần Năng lượng (MeV) Động năng của các mảnh vỡ phân hạch 169 Năng lượng của các nơtron tức thời 5 Năng lượng của các gamma tức thời 5 Các hạt beta của các mảnh vỡ phân hạch 7 Các gamma của các mảnh vỡ phân hạch 6 Các hạt nơtrino 11 Tổng cộng 203 MeV 50
50. Bên cạnh đĩ, đĩng gĩp năng lượng của tia gamma khoảng 8 MeV trong phản ứng phát xạ (n, γ) làm cho tổng năg lượng là 211 MeV. Từ quan điểm về lị phản ứng, chúng ta quan tâm đến năng lượng cĩ thể lấy lại được (recoverable energy), và như vậy thì năng lượng giải phĩng do hạt neutrino xem như sẽ mất. Như vậy, năng lượng giải phĩng xấp xỉ bằng 200 MeV. 3.5. Phản ứng dây chuyền (Chain reaction): Hai yêu cầu cơ bản cần phải đáp ứng để tạo ra cơng suất (năng lượng) trong một lị phản ứng là tốc độ phân hạch phải đủ lớn và phải được duy trì liên tục. Quá trình phân hạch cĩ thể được lặp lại do sự kiện là mỗi phân hạch lại phát ra các nơtron mới. Điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền là nơtron được sinh ra trong phân hạch cĩ khả năng tạo ra được sự phân hạch khác. 51
51. Để đơn giản, cho rằng cĩ 3 nơtron được sinh ra trong mỗi phân hạch (thực tế là 2.43 nơtron được sinh ra khi phân hạch nhiệt 235U). Do sự phân hạch của 3 nơtron này ta sẽ cĩ 32 = 9 nơtron trong thế hệ thứ 2. Quá trình dây chuyền này sẽ tiếp tục và được mơ tả trong Hình 2.2. Number of Generation neutrons 0 1 1 3 2 32 = 9 3 33 = 27 Hình 2.2. Quá trình phân hạch dây chuyền 52
52. 4. Các loại nơtron của phản ứng phân hạch Cĩ 2 loại nơtron chính do các phản ứng phân hạch: Nơtron tức thời (prompt neutron) và nơtron trễ (delayed neutron). 4.1. Nơtron tức thời (Prompt neutron): Thời gian từ khi cĩ sự hấp thụ một nơtron đến khi sinh ra các nơtron phân hạch là 10-14 giây. Hay cĩ thể nĩi, thực tế thời gian này gần bằng Zero. Vì vậy, các nơtron này gọi là nơtron tức thời (prompt neutron). Số nơtron sinh ra trong phân hạch nhiệt của 235U thay đổi từ 0 đến 5 và số trung bình là ν = 2.43. Với 239Pu và 241Pu số nơtron trung bình sinh ra là ν = 2.89 và ν = 2.93 tương ứng. 53
53. 4.2. Nơtron trễ (Delayed neutron): Khi sự phân hạch dừng, sự phát nơtron tức thời cũng tự động dừng theo, nhưng một vài mảnh vỡ phân hạch tiếp tục phát nơtron qua sự phân rã phĩng xạ. Các mảnh vỡ này được gọi là các tiền thân (precursors) và các nơtron phát ra bởi chúng gọi là các nơtron trễ (delayed neutron). Các tiền thân này được chia thành 6 nhĩm tương ứng với thời gian bán rã T1/2 của chúng. Bảng 2.3 chỉ ra các đặc trưng của các nơtron trễ trong phản ứng phân hạch. Từ Bảng 2.3 cho thấy rằng suất ra β của các nơtron trễ là rất nhỏ. Với 235U là 0.65%, trong khi đĩ đĩng gĩp của các nơtron tức thời là 99.35%. Tuy phần đĩng gĩp của các nơtron trễ là rất nhỏ nhưng chúng cĩ hiệu ứng rất quan trọng trong điều khiển lị phản ứng Chỉ cĩ nơtron trễ được ghi nhận và sử dụng trong điều khiển lị phản ứng. 54
54. Bảng 2.3. Các đặc trưng của các nơtron trễ trong phân hạch với nơtron nhiệt -2 No T1/2 βix10 En (s) 233U 235U 239Pu 232Th 238 U (MeV) 1 54-56 0,06 0,05 0,02 0,17 0,05 0,25 2 21-23 0,20 0,35 0,18 0,74 0,56 0,56 3 5-6 0,17 0,31 0,13 0,77 0,67 0,43 4 1,9-2,3 0,18 0,62 0,20 2,2 1,60 0,62 5 0,5-0,6 0,03 0,18 0,05 0,85 0,93 0,42 6 0,17-0,27 0,02 0,07 0,03 0,21 0,31 − 6 βν = 0,66 1,58 0,61 4,95 4,12 ∑βiν I=1 6 β = 0,264 0,65 0,21 0,20 1,57 ∑βi i=1 55
55. TIẾT DIỆN VI MƠ (Microscopic Cross Section) •Xác suất tương tác giữa hạt tới (n) và hạt nhân bia •Ký hiệu : σ Thứ nguyên : barn (1 b = 10-24 cm2) (Bán kính hạt nhân ~ 10-12cm Tiết diện của hạt nhân ~ 10-24 cm2 ) •Tiết diện tồn phần: σt = σa+σs σa: Hấp thụ (absorption) σs : Tán xạ (scattering) 56
56. TIẾT DIỆN TỒN PHẦN CỦA NƠTRON Tiết diện tồn phần Tán xạ Hấp thụ Khơng Đàn hồi Phân Bắt (n,2n) (n,p) đàn hồi hạch nơtron (n,3n) (n,α) •Tiết diện tồn phần: σt = σa+σs; σa = σf + σγ + σα To ta l e la s tic fis s ion capture 57
57. TIẾT DIỆN VĨ MƠ (Macroscopic Cross Section) I = n v I (cm-2s-1): Cường độ chùm n tới n (cm-3) : Mật độ neutron v (cm/s): Vận tốc n Rd = I (N d) σ = (N σ) I d =Σ I d -2 -1 Rd (cm s ) : Tốc độ tương tác (phản ứng) N (cm-3) : Mật độ số của hạt nhân bia d (cm) : Độ dày bia σ(cm2) : Tiết diện vi mơ Σ(cm-1) : Tiết diện vĩ mơ (macroscopic) 58
58. 4.3. Tiết diện của nơtron (Neutron cross section): Mức độ tương tác của nơtron với vật chất được mơ tả bằng lượng (con số) gọi là tiết diện tương tác (cross section). Chúng được định nghĩa là tốc độ tương tác của mỗi nguyên tử trong bia với mỗi đơn vị cường độ của chùm nơtron. Tiết diện tương tác cĩ thứ nguyên là diện tích và đo bằng đơn vị barn (b), 1 b = 10-24 cm2. Bảng 2.4. Các tiết diện tương tác của nơtron với các đồng vị 9Be, 12C, 10B và 235U. σ σ σ σ Nuclei t s a σγ f σα 9Be 7,01 7 0,01 0,01 - - 12C 4,8034 4,8 0,0034 0,0034 - - 10B 4014 4,0 4010 0,5 - 4009,5 235U 704 10 694 112 582 - 59
59. Trong đĩ: σt= σa+σs là tiết diện tồn phần; σs là tiết diện tán xạ; σa là tiết diện hấp thụ nơtron; σa=σγ+σα+σf+ Neutron energy (eV) Cross section (barns) section Cross Neutron energy (eV) Neutron energy (MeV) Hình 2.3. Tiết diện tồn phần của tương tác nơtron với 238U là hàm 60 của năng lượng.
60. 5. Khuếch tán nơtron 5.1. Phương trình khuếch tán (Diffusion equation): Là mơ tả sự khuếch tán của nơtron trong mơi trường. Nĩ thu được từ phương trình cân bằng giữa sản phẩm tạo ra, hấp thụ và sự rị nơtron trong một thể tích đã cho: 1 ∂Φ = D∆Φ −∑ Φ + S (2.5) v ∂t a ở đây Φ là thơng lượng nơtron, D là hệ số khuếch tán, ∆ là tốn tử Laplace, Σa là tiết diện hấp thụ vĩ mơ, v là vận tốc nơtron và S là nguồn nơtron. Trong trường hợp dừng, tốc độ thay đổi nơtron là bằng 0, thì phương trình (2.5) trở thành: D∆Φ −∑aΦ + S = 0 (2.6) 61
61. 5.2. Các điều kiện biên: Trong nhiều bài tốn, các nơtron khuếch tán trong mơi trường cĩ bề mặt ngồi là bề mặt giữa mơi trường và khơng khí. Các điều kiện biên trong trường hợp này là thơng lượng triệt tiêu tại một khoảng cách nhỏ d sau bề mặt giữa mơi trường và khơng khí. Thơng số d được gọi là độ dài ngoại suy (extrapolation), Hình 2.4: d = 0.71 λtr (2.7) λtr=3D là độ dài dịch chuyển tự do trung bình trong mơi trường. Các điều kiện biên khác là tại bề mặt giữa hai mơi trường khác nhau, như giữa vùng hoạt lị và vành phản xạ. Các điều kiện là cả thơng lượng và dịng nơtron tới bề mặt vẫn phải tiếp tục đi qua biên (Hình 2.5). Tức là: Φ1 (x-0) = Φ2 (x+0) (2.8) (2.9) ∂Φ1  ∂Φ2  D1 (x − 0) = D2 (x + 0)     62 ∂x x−0 ∂x x+0 ↑
62. Medium 1 Medium 2 Φ 0 x x-0 x+0 Φ0 Φ Φ Diffusion Vacuum 1 2 medium or air ∂ Φ  ∂ Φ  D (x− 0) 1 D (x+ 0) 2 1  ∂  2    x  x−0  ∂ x  x+0 0 d x Hình 2.4. Khoảng cách Hình 2.5. Các điều kiên biên ngoại suy từ bề mặt. giữa 2 mơi trường. 63
63. 5.3. Nghiệm của phương trình khuếch tán một nhĩm: Để đơn giản bài tốn, chúng ta xem rằng sự sinh ra, khuếch tán và hấp thụ của nơtron xẩy ra tại năng lượng nhiệt (khơng xem xét đến việc làm chậm nơtron). Với nguồn nơtron nhiệt là S thì: S = k∑aΦ (2.10) Phương trình khuếch tán (2.6) trở thành phương trình một nhĩm nơtron (one-group diffusion equation): ∆Φ + B2Φ = 0 (2.11) ở đây k−1 B2 = ; B2 là Laplacien hay Buckling (2.13) L2 D L2 = ; L là độ dài khuếch tán nơtron nhiệt (2.14) Σ a 64
64. Đại lượng B2 gọi là Buckling, L2 là diện tích khuếch tán (diffusion area), L là độ dài khuếch tán (diffusion length) và k là hệ số nhân (multiplication coefficient) của mơi trường. Nghiệm của phương trình (2.11) đối với lị cĩ các hình học khác nhau là thu được với các điều kiện biên của bề mặt giữa mơi trường và khơng khí. z z (r, θ, ϕ) R0 (x,y,z) r z z (r, ϕ, z) r ϕ x θ ϕ H0 c R0 0 x y y a 0 b0 a/. b/. c/. Hình 2.6. Lị trần (khơng cĩ vành phản xạ) với các hình học khác nhau: a. Hình cầu; b. Hình trụ; c. Hình hộp. 65
65. * Với lị hình cầu (Hình 2.6a): 2 ∂ Φ 2 ∂Φ 2 Phương trình: + + BgΦ = 0 (2.14) ∂r 2 r ∂r sin(B r) Nghiệm: Φ(r) = A g (2.15) r π Ở đây B = (2.16) g R R = R0 + d (2.17) Bg được gọi là Buckling hình học (geometrical Buckling) của lị phản ứng. 66
66. * Với lị hình trụ (Hình 2.6b): ∂2Φ 2 ∂Φ ∂2Φ Ph/trình: + + + B2Φ = 0 (2.18) ∂r 2 r ∂r ∂z2 g Nghiệm: Φ(r,z) = A cos (Bgz z) J0 (Bgr r) (2.19) π 2,405 Với B = và B = (2.20) gz H gr R  π 2 2,4052 B2 = B2 + B2 =   +  (2.21) g gz gr  H   R  H = H0 + 2d và R = R0 + d (2.22) 67
67. * Với lị hình hộp (parallelepiped reactor) (Hình 2.6c): 2 2 2 ∂ Φ ∂ Φ ∂ Φ 2 Ph/trình: + + + BgΦ = 0 (2.23) ∂x 2 ∂y2 ∂z2 Nghiệm: Φ(x,y,z) = Acos(Bgxx) cos(Bgyy) cos(Bgzz) (2.24) π π π Bgx = ; Bgy = ; Bgz = (2.25) a b c 2 2 2 2 2 2 2  π   π   π  (2.26) B = B gx + B + B =   +   +   g gy gz  a   b   c  a = a0 + 2d ; b = b0 + 2d ; c = c0 + 2d (2.27) 68
68. 6. Các thơng số của chất làm chậm 6.1. Cơng suất làm chậm (Moderating power ξΣs)” Khả năng làm chậm nơtron của vật liệu chất làm chậm được đo bằng một đại lượng số là ξΣs, với Σs = Nσs là tiết diện tán xạ vĩ mơ. Khả năng làm chậm cĩ tính đến tần suất của các va chạm tán xạ (scattering collisions) và sự mất năng lượng trong mỗi va chạm. ξΣ s 6.2. Moderating ratio Σ : Khả năng làm chậm khơng cho chúng ta thơng tin về khảa năng hấp thụ nơtron của vật liệu. Cĩ những vật liệu cĩ khả năng làm chậm cao nhưng cũng hấp thụ nơtron cao và như vậy khơng thể dùng làm chất làm chậm trong lị. Bởi vậy, một chỉ số hợp lý của chất lượng chất làm chậm là hệ số chất làm chậm của nĩ (moderating ratio) ξΣ s , Σ với Σa = Nσa là tiết diện hấp thụ vĩ mơ nơtron, a N là mật độ các hạt nhân của chất làm chậm. 69
69. 6.3. Độ dài làm chậm L : Nơtron phân hạch sinh ra tại A được 18,2 s nhiệt hĩa trong va chạm để tới điểm B (Hình 2.7). Cĩ thể biểu ξ diễn bằng giá trị tồn phương (quadratic mean) của đường đi đối với quảng đường AB cho bởi cơng thức sau: 2 2 6 Ls = (AB) (2.28) Ls là độ dài làm chậm. 6.4. Độ dài khuếch tán (Diffusion length) L: Khi nơtron được nhiệt hĩa tại điểm B, nĩ sẽ tiếp tục di chuyển trong chất làm chậm cho đến khi nĩ bị hấp thụ tại điểm C (Hình 2.7). Sự tương quan tương tự như (2.28) cĩ thể được viết như sau: 6L2 = (BC) 2 (2.29) L là độ dài khuếch tán, được biểu thị theo cơng thức (2.13) D L2 = Σ a 70 ↑
70. 6.5. Thời gian làm chậm (Moderation time) tm: Thời gian làm chậm tm bắt đầu từ thời điểm khi nơtron phân hạch sinh ra cho tới thời điểm nĩ trở thành nơtron nhiệt. 6.6. Thời gian khuếch tán (Diffusion time) td: Thời gian khuếch tán td bắt đầu từ thời điểm khi nơtron trở thành nhiệt cho đến thời điểm nĩ bị hấp thụ. 6.7. Thời gian sống của nơtron (Life time of neutron)  : Là tổng của thời gian làm chậm và thời gian khuếch tán:  = tm + td (2.30) 71
71. B A E0 = 2 MeV Làm chậm Khuếch tán C (Moderation) (Diffusion) ET = 0.025 eV tm td Hình 2.7. Làm chậm và khuếch tán của nơtron. 72 ↑
72. ξΣ s Bảng 2.5. Các thơng số Ls, L, D, ξΣs, , tm và td của một số chất làm chậm. Σ a ξΣ Modera Ls L D ξΣs s tm td -1 tors (cm) (cm) (cm ) Σ a (s) (s) -5 -4 H20 5.75 2.88 0.16 1.350 61 1.10 2.1.10 -5 D20 11 171 0.87 0.188 5700 4.6.10 0.15 Be 9.9 24 0.50 0.155 125 6.7.10-5 4.3.10-3 C 17.3 50 0.84 0.061 205 1.5.10-4 1.2.10-2 73