Kiến thức cơ sở vật lý hạt nhân

Một số kiến thức cơ sở Điểm lại một số kiến thức về Vật Lý hạt Nhân Sách tham khảo: Chương 3,4 “Introduction to Nuclear Engineering”, của J. Lamarsh Nội dung Các tương tác của neutron Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng Sự suy giảm dòng neutron Phản ứng phân hạch dây chuyền Các hệ thống nhà máy điện hạt nhân Các tương tác của neutron (1) Neutron trung hòa về điện chúng không bị ảnh hưởng bởi các điện tử cũng như điện tích dương của hạt nhân. Vì thế neutron có thể đi qua đám mây điện tử của nguyên tử và tương tác trực tiếp với hạt nhân. Neutron interactions Phân loại tương tác của neutron với vật chất (2) Neutron interaction Scattering Absorption Elastic Inelastic Fission Capture (n,) Neutron Multipl (n,2n) (n,3n)… (n,p) (n,) (Đàn hồi) (Không Đàn hồi) Các tương tác của neutron (3) Tán xạ đàn hồi Động năng được bảo toàn Neutron tới bị làm chậm bởi tán xạ đàn hồi. Một phần động năng của chúng truyền cho hạt nhân bia. Các tương tác của neutron (4) Giảm năng lượng trong các va chạm tán xạ đàn hồi – Sự làm chậm Tán xạ lên hạt nhân nặng (235U) Giảm năng lượng rất ít Tán xạ lên hạt nhân nhẹ (1H) Mất năng lượng lớn: chất làm chậm tốt Các tương tác của neutron (5) Trong nhiều trường hợp tính toán lò phản ứng, đặc biệt là liên quan đến làm chậm neutron, sẽ rất tiện lợi khi mô tả các va chạm neutron dưới dạng lethargy (u) u = ln(EM/E), Trong đó EM là năng lượng cao nhất của neutron trong hệ. Ở năng lượng cao lethargy của một neutron là thấp; khi nó bị làm chậm và E giảm thì lethargy của nó tăng. Các tương tác của neutron (6) Thay đổi lethargy trung bình trong một va chạm đàn hồi Ngoại trừ khi A nhỏ ta có xấp xỉ sau độc lập với năng lượng neutron tới, kí hiệu là Các tương tác neutron (7) Tán xạ không đàn hồi Động năng không bảo toàn Neutron tới bị làm chậm bởi tán xạ không đàn hồi Các tương tác của neutron (8) Bắt bức xạ Neutron tới bị hấp thụ (biến mất) do hiện tượng bắt bức xạ Các tương tác của neutron (9) Phân hạch Các tương tác của neutron (10) Ví dụ về một số phản ứng phân hạch Phân bố các mảnh phân hạch Các tương tác của neutron (11) Các neutron phân hạch Hầu hết các neutron sinh ra trong phân hạch phát ra ngay khi phân hạch gọi là neutron tức thời (prompt neutrons). Các neutron trễ (delayed neutrons) phát ra tương đối dài sau sự kiện phân hạch từ một số mảnh vỡ phân hạch ( gọi là tiền tố neutron trễ - delayed neutron precursors). Các tương tác của neutron (12) Các neutron trễ Các tương tác của neutron (13) Năng lượng phóng thích từ phân hạch Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng (1) Xác suất của một dạng phản ứng nào đó Tốc độ phản ứng Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng (2) Mức độ mà một neutron tương tác với các hạt nhân được mô tả bởi tiết diện (cross sections). Giả sử có một chùm các neutron đơn năng va chạm vào một bia mỏng có độ dày X và diện tích A. Nếu có n neutrons trên mỗi cm3 và v là tốc độ của neutron thì cường độ (intensity) của chùm là I = nv Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng (3) Tổng các tiết diện vi mô riêng rẽ là tiết diện toàn phần (total cross section). Trong trường hợp đơn giản: Trong trường hợp tổng quát Để ý một hạt nhân riêng rẽ Tiết diện vi mô Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng (4) Theo ý nghĩa xác suất ta có thể viết Tiết diện vi mô do đó có thể được hiểu là xác suất tương tác trên mỗi đơn vị thông lượng neutron tới. Đơn vị: barns; 1barn = 10-24cm2 Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng (5) Tiết diện vi mô phụ thuộc vào năng lượng neutron tới Tốc độ phản ứng trên mỗi hạt nhân ,E là động năng của neutron Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào năng lượng (vận vốc) của các neutron tới Tiết diện vi mô và tốc độ phản ứng (6) Tiết diện phân hạch và tiết diện bắt neutron của 235U and 238U Tiết diện vĩ mô và tốc độ phản ứng theo thể tích (1) Để ý một mảnh vật chất nhỏ đặt trên một chùm các neutron đơn năng. Gọi F là mật độ va chạm (tốc độ phản ứng trên đơn vị thể tích bia) trong đó N là mật độ hạt nhân với  =  × N là tiết diện vĩ mô (Macroscopic Cross Section (unit: cm-1), phụ thuộc vào năng lượng các neutron tới Tiết diện vĩ mô và tốc độ phản ứng theo thể tích (2) Để ý một hỗn hợp các nhân có mật độ Ni. Tốc độ phản ứng trong đơn vị thể tích đối với mỗi hạt nhân loại i là: Tốc độ phản ứng tổng (của các hạt nhân) trong đơn vị thể tích là: Thay cường độ bằng thông lượng Sự suy giảm dòng neutron (1) Giả sử có một bia dày có độ dày X đặt trên một chùm neutron đến từ một hướng và một detector neutron đặt sau bia một khoảng như trong hình vẽ Sự suy giảm dòng neutron (2) Gọi I(x) là cường độ dòng neutron không va chạm sau khi xuyên qua một khoảng cách x vào trong bia và sau đó đi tiếp thêm một khoảng dx nữa. Sự giảm cường độ neutron do các neutron va chạm trong một tấm mỏng của bia có diện tích 1cm2 và độ dày dx  dI(x) = Nt I(x) dx = tI(x)dx Lấy tích phân phương trình này ta có I(x) = I0e-tx Cường độ đo được tại detector I(X) = I0e-tX Sự suy giảm dòng neutron (3)  dI(x) = Nt I(x) dx = tI(x)dx x/s neutron chịu tương tác trong khoảng dx x/s trên mỗi đ/v độ dài đường đi neutron sẽ va chạm khi di chuyển trong m/ trường x/s một neutron đi qua x mà không chịu va chạm nào Khoảng cách trung bình mà một neutron di chuyển giữa các va chạm gọi là quảng đường tự do trung bình (mean free path) Phản ứng phân hạch dây chuyền (1) Phản ứng phân hạch dây chuyền (2) Hệ số nhân (multiplicaton factor) k 1 trên tới hạn (supercritical) Có một định nghĩa khác Phản ứng phân hạch dây chuyền (3) Thời gian sống của neutron Nghiệm: Phản ứng phân hạch dây chuyền (4) Công thức 4 thừa số Phản ứng phân hạch dây chuyền (5) Công thức 4 thừa số trong mối quan hệ với thời gian sống của neutron fuel (1-f/a) (=f/a) Phản ứng phân hạch dây chuyền (6) Chuyển hóa nhiên liệu và tái sinh: Uran thiên nhiên chứa đến 99,3%U-238. Hầu hết các LPƯ nghiên cứu dùng loại nhiên liệu độ giàu <20% (80%U-238) hiện được duy trì bởi các thỏa thuận quốc tế nhằm chống phổ biến vũ khí hạt nhân, còn trong các lò năng lượng nhiên liệu thường chứa hơn 95%U-238. U-238 có cộng hưởng lớn nên hấp thụ neutron mạnh nhưng nó không hoàn toàn lãng phí mà có thể chuyển hóa thành một chất phân hạch mới. Nếu nhiên liệu sinh ra từ quá trình này lớn hơn lượng nhiên liệu sử dụng trong quá trình thì quá trình gọi là tái sinh (breeding). Phản ứng phân hạch dây chuyền (7) Chuỗi U: Chuỗi Th: Điều khiển p/ứng phân hạch dây chuyền (1) Động học lò (reactor kinetics): Động học lò liên quan đến việc điều khiển các tham số ảnh hưởng đến hệ số nhân và các đáp ứng trực tiếp của hệ thống lò: Chuyển động thanh hấp thụ để bù quá trình cháy nhiên liệu Dập nhanh các thanh an toàn để dập tắt pưdc Điều khiển để giữ k=1 hay nâng hạ công suất,… Điều khiển p/ứng phân hạch dây chuyền (2) Động lực học lò (reactor dynamics): Động lực học lò liên quan đến các cơ chế phản hồi không trực tiếp do hiệu ứng của mức công suất hay hiệu ứng khác của hệ: Phản hồi do nhiệt độ Phản hồi do độ rỗng Kiểm soát tốc độ bơm,… Điều khiển p/ứng phân hạch dây chuyền (3) Thiết kế vùng hoạt lò (core design): Đáp ứng của lò phản ứng đối với sự thay đổi các thông số động học và động lực học phụ thuộc vào thiết kế chi tiết vùng hoạt. Ví dụ: Đặt thanh điều khiển ở đâu để có hiệu quả nhất Sông suất thay đổi ra sao khi nhiệt độ/mật độ thay đổi Phải tái nạp nhiên liệu ra sao,… Các hệ thống nhà máy điện hạt nhân (1) Hầu hết điện năng của thế giới sinh ra từ các nhà máy phát điện dùng nhiên liệu hóa thạch với một chu trình hơi theo các bước sau: 1. Đốt nhiên liệu hóa thạch sinh nhiệt. 2. Đun nóng nước để tạo hơi. 3. Hơi làm quay turbine. 4. Turbine quay máy phát sinh ra điện năng. Sự khác nhau cơ bản giữa nhà máy dùng nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân là ở bước 1: Một bên đốt nhiên liệu một bên điều khiển phản ứng phân hạch dây chuyền. Các hệ thống nhà máy điện hạt nhân (2) Các hệ thống nhà máy điện hạt nhân (3) Boiling Water Reactors (BWR) •chu trình hơi giống nhà máy nhiệt điện. Pressurized Water Reactor (PWR) •sử dụng các vòng nước tách biệt. •vòng thứ nhất tuần hoàn qua lò phản ứng. •vòng thứ hai sinh hơi khi đi qua bình trao đổi nhiệt. Các hệ thống nhà máy điện hạt nhân (4) High Temperature Gas-cooled Reactor (HTGR) •helium mang nhiệt từ lò đến thiết bị sinh hơi. •hơi sinh ra được dẫn đến turbine. Liquid Metal Fast Breeder Reactor (LMFBR) •sử dụng hai vòng natri lỏng kín. •vòng 1 tải nhiệt từ lò. •vòng 2 lấy nhiệt từ bình trao đổi nhiệt đến bộ sinh hơi. •hơi sinh ra được dẫn đến turbine.