Bài: Sự phân hạch. Nhà máy điện nguyên tử

GIÁO ÁN ĐIỆN TỬ
Bài:


SỰ PHÂN HẠCH.
NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
KIỂM TRA BÀI CŨ:
Cho phản ứng hạt nhân:
A + B  C + D
Cho biết điều kiện để 1 phản ứng hạt nhân toả năng lượng ?
Những loại phản ứng hạt nhân nào có thể tỏa năng lượng ?
Tiết 89:
SỰ PHÂN HẠCH

NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
Ottô Han (Otto Hahn) 1879-1968
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
Sự phân hạch là hiện tượng một hạt nhân (loại rất nặng) hấp thụ một nơtrôn rồi vỡ thành 2 hạt nhân trung bình.
Nơtrôn chậm, có động năng < 0,1eV dễ bị hấp thụ hơn nơtrôn nhanh.
Phản ứng phân hạch của U 235:

Với X, X’: các hạt nhân trung bình (số khối từ 80 đến 160) và k=2 hoặc 3 : số nơtrôn sinh ra.
n
n
n
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
n
U
n
n
n
U
n
n
n
U
U
U
U
U
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
s = 2
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
Một phần số nơtrôn sinh ra bị mất mát vì nhiều nguyên nhân, nhưng nếu sau mỗi phân hạch, vẫn còn lại trung bình s nơtrôn, mà s>1, thì s nơtrôn này đập vào các hạt nhân U 235 khác, lại gây ra s phân hạch, sinh ra s2 nơtrôn rồi s3, s4… nơtrôn.
Số phân hạch tăng rất nhanh trong một thời gian ngắn: ta có phản ứng dây chuyền.
s: gọi là hệ số nhân nơtrôn.
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
Mỗi phân hạch chỉ toả ra năng lượng 200MeV = 3,2.1011J nhưng 1 gam U 235 chứa tới 2,5.1021 hạt nhân nên khi phân hạch sẽ cho năng lượng rất lớn, bằng 8.1010J tương đương 22.000kWh.
Khi s>1, hệ thống gọi là vượt hạn: ta không khống chế được phản ứng dây chuyền, năng lượng toả ra có sức tàn phá dữ dội (trường hợp bom nguyên tử).
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
Khi s=1, hệ thống gọi là tới hạn: phản ứng dây chuyền tiếp diễn nhưng không tăng vọt, năng lượng tỏa ra không đổi (chế độ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân).
Khi s<1, hệ thống gọi là dưới hạn: phản ứng dây chuyền không xảy ra.
Để s1 khối lượng U 235 phải đạt tới một giá trị tới hạn mh.
BOM NGUYÊN TỬ
Julius Robert Oppenheimer
(1904–1967)
Julius Robert Oppenheimer
(1904–1967)
SỰ NỔ CỦA BOM NGUYÊN TỬ
I. PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN
Trong các đồng vị có thể phân hạch khi hấp thụ nơtrôn chậm, đáng chú ý nhất là đồng vị U 235 và plutôni Pu 239.
Urani thiên nhiên là hỗn hợp của 3 đồng vị: U 238 chiếm 99,27%, U 235 chiếm 0,72% và U 234 chiếm 0,01%. Đồng vị U 235 dễ bị phân hạch nhất.
Việc tách riêng U 235 rất công phu, tốn kém, nên các lò phản ứng hạt nhân thường dùng Urani thiên nhiên đã làm giàu, tức là qua chế biến, đã tăng lên vài hoặc vài chục phần trăm. Khối lượng tới hạn từ vài tấn đến vài chục tấn.
II. NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
II. NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
Bơm
Nước
Hơi đi tới tuabin
II. NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
A : những thanh nhiên liệu hạt nhân làm bằng hợp kim chứa urani đã làm giàu.
B : chất làm chậm (nước nặng D2O).
C : các thanh điều chỉnh (hấp thụ nơtrôn mà không phân hạch).
Khi lò hoạt động thì các thanh điều chỉnh tự động giữ độ cao sao cho s=1.
Phản ứng phân hạch tỏa ra năng lượng dưới dạng động năng của các mảnh hạt nhân và các hạt khác, động năng này chuyển thành nhiệt, nhờ chất tải nhiệt cung cấp nhiệt cho lò sinh hơi, hơi nước làm chạy tua bin phát điện.
II. NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ
Nhiều nhà máy điện nguyên tử đã được xây dựng ở các nước công nghiệp.
Trên 35% tổng điện năng sản xuất hàng năm ở Pháp, Thụy Điển, Phần Lan…
Trên 30% ở Nhật.
Trên 12% ở Mỹ.
Nước ta có một lò phản ứng hạt nhân nhỏ ở Đà Lạt, dùng để nghiên cứu khoa học và sản xuất đồng vị phóng xạ (công suất 500kW, có 89 thanh nhiên liệu là hợp kim chứa Urani đã làm giàu tới 36% U 235).
CỦNG CỐ
U 235 có thể phân hạch theo nhiều cách khác nhau, một phản ứng phân hạch của U 235:


Cho NA = 6,02.1023 mol-1.
Hỏi 1g U235 phân hạch hoàn toàn toả ra bao nhiêu năng lượng? Tính khối lượng xăng tương đương, biết năng suất toả nhiệt của xăng là 46.106 J/Kg.