Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Phản ứng phân hạch”
Nội dung được xóa Nội dung được thêm vào
Không có tóm lược sửa đổi |
|||
Dòng 72:
=== Nguồn gốc của năng lượng hoạt động và đường cong của năng lượng liên kết ===
[[Tập tin:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg|phải|nhỏ|300x300px|"Đường cong năng lượng liên kết": Biểu đồ năng lượng liên kết trên mỗi hạt nhân của các đồng vị chung.]]
Sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng tạo ra năng lượng có thể khai thác được vì năng lượng [[ Năng lượng kết dính|liên kết]] riêng ( [[ Năng lượng kết dính|năng lượng]] liên kết trên khối lượng) của hạt nhân có khối lượng trung gian với [[Số nguyên tử|số]] [[Nguyên tử khối|nguyên tử]] và [[Nguyên tử khối|khối lượng nguyên tử]] gần bằng [[ Niken-62|<sup>62</sup>Ni]] và [[ Sắt-56|<sup>56</sup>Fe]] lớn hơn năng lượng liên kết riêng của hạt nhân của hạt nhân rất nặng, do đó năng lượng được giải phóng khi các hạt nhân nặng bị phá vỡ. Tổng khối lượng nghỉ của các sản phẩm phân hạch ('''Mp''') từ một phản ứng đơn lẻ nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân nhiên liệu ban đầu ('''M'''). Khối lượng dư '''Δm'''
Sự thay đổi năng lượng liên kết cụ thể với [[số nguyên tử]] là do sự tương tác của hai [[lực]] cơ bản tác động lên các [[Nucleon|hạt nhân]] thành phần ( [[proton]] và [[neutron]] ) tạo nên hạt nhân. Các hạt nhân bị ràng buộc bởi một [[lực hạt nhân]] hấp dẫn giữa các hạt nhân, vượt qua lực [[Tĩnh điện học|đẩy tĩnh điện]] giữa các proton. Tuy nhiên, lực hạt nhân chỉ hoạt động trong phạm vi tương đối ngắn (một vài đường kính [[nucleon]] ), vì nó đi theo [[ Tiềm năng Yukawa|tiềm năng Yukawa]] phân rã theo cấp số nhân, khiến nó không đáng kể ở khoảng cách xa hơn. Lực đẩy tĩnh điện có phạm vi dài hơn, vì nó phân rã theo quy tắc nghịch đảo bình phương, do đó hạt nhân lớn hơn khoảng 12 các hạt nhân có đường kính đạt đến điểm mà tổng lực đẩy tĩnh điện vượt qua lực hạt nhân và khiến chúng không ổn định một cách tự nhiên. Vì lý do tương tự, các hạt nhân lớn hơn (đường kính hơn tám hạt nhân) ít bị ràng buộc chặt chẽ hơn trên mỗi đơn vị khối lượng so với các hạt nhân nhỏ hơn; phá vỡ một hạt nhân lớn thành hai hoặc nhiều hạt nhân có kích thước trung gian sẽ giải phóng năng lượng.
Dòng 80:
Xu hướng hạt nhân sản phẩm phân hạch này trải qua quá trình phân rã beta là nguyên nhân cơ bản của vấn đề [[Phóng xạ|chất thải phóng xạ]] [[ Chất thải cấp cao|ở mức độ cao]] từ các lò phản ứng hạt nhân. Các sản phẩm phân hạch có xu hướng [[Hạt beta|phát xạ beta]], [[Phân rã beta|phát ra]] các [[electron]] chuyển động nhanh để tiết kiệm [[điện tích]], vì các neutron dư chuyển đổi thành các proton trong các nguyên tử sản phẩm phân hạch. Xem [[ Sản phẩm phân hạch (theo yếu tố)|các sản phẩm phân hạch (theo yếu tố)]] để biết mô tả về các sản phẩm phân hạch được sắp xếp theo yếu tố.
=== Phản ứng dây chuyền ===
[[Tập tin:Fission_chain_reaction.svg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:Fission_chain_reaction.svg|nhỏ|462x462px|Một phản ứng chuỗi phân hạch hạt nhân. 1. Một nguyên tử [[Urani-235|uranium-235]] hấp thụ [[neutron]] và phân hạch thành hai nguyên tử mới (các mảnh phân hạch), giải phóng ba neutron mới và một số năng lượng liên kết. 2. Một trong những neutron đó được hấp thụ bởi một nguyên tử [[Urani 238|uranium-238]] và không tiếp tục phản ứng. Một neutron khác đơn giản là bị mất và không va chạm với bất cứ thứ gì, cũng không tiếp tục phản ứng. Tuy nhiên, một neutron không va chạm với một nguyên tử uranium-235, sau đó phân hạch và giải phóng hai neutron và một số năng lượng liên kết. 3. Cả hai neutron đó va chạm với các nguyên tử uranium-235, mỗi nguyên tử phân hạch và giải phóng giữa một và ba neutron, sau đó có thể tiếp tục phản ứng.]]
Một số nguyên tố nặng, chẳng hạn như [[Urani|uranium]], [[Thori|thorium]] và [[Plutoni|plutonium]], trải qua cả quá trình [[phân hạch tự phát]], một dạng [[Phóng xạ|phân rã phóng xạ]] và ''phân hạch cảm ứng'', một dạng [[phản ứng hạt nhân]] . Các đồng vị nguyên tố trải qua quá trình phân hạch cảm ứng khi bị [[neutron]] tự do tấn công được gọi là [[ Phân hạch|phân hạch]] ; Các đồng vị trải qua quá trình phân hạch khi bị [[ Neutron nhiệt|neutron nhiệt]] chuyển động chậm cũng được gọi là [[ Vết nứt|phân hạch]] . Một số đồng vị đặc biệt dễ phân hủy và có thể thu được (đáng chú ý là <sup>233</sup>U, <sup>235</sup>U và <sup>239</sup>Pu) được gọi là [[nhiên liệu hạt nhân]] vì chúng có thể duy trì phản ứng dây chuyền và có thể thu được với số lượng đủ lớn để có ích.
Tất cả các đồng vị có thể phân hạch và phân hạch đều trải qua một lượng nhỏ phân hạch tự phát, giải phóng một vài neutron tự do vào bất kỳ mẫu nhiên liệu hạt nhân nào. Các neutron như vậy sẽ thoát ra khỏi nhiên liệu nhanh chóng và trở thành một [[Neutron|neutron tự do]], với [[Phân rã theo cấp số mũ|tuổi thọ trung bình]] khoảng 15 phút trước khi phân rã thành [[Hạt beta|các hạt]] [[proton]] và [[Hạt beta|beta]]. Tuy nhiên, neutron tác động gần như bất biến và được hấp thụ bởi các hạt nhân khác trong vùng lân cận từ lâu trước khi điều này xảy ra (neutron phân hạch mới được tạo ra di chuyển với tốc độ khoảng 7% tốc độ ánh sáng, và thậm chí cả neutron được điều tiết di chuyển ở khoảng 8 lần tốc độ của âm thanh). Một số neutron sẽ tác động đến hạt nhân nhiên liệu và gây ra sự phân hạch hơn nữa, giải phóng thêm neutron. Nếu đủ nhiên liệu hạt nhân được lắp ráp ở một nơi, hoặc nếu các neutron thoát ra được chứa đủ, thì những neutron mới phát ra này sẽ vượt trội hơn các neutron thoát ra khỏi tổ hợp và sẽ xảy ra ''phản ứng chuỗi hạt nhân bền vững'' .
Một tổ hợp hỗ trợ cho phản ứng dây chuyền hạt nhân bền vững được gọi là tổ hợp tới hạn hoặc, nếu lắp ráp gần như hoàn toàn làm từ nhiên liệu hạt nhân, một [[khối lượng tới hạn]] . Từ "tới hạn" đề cập đến một mức đỉnh trong hành vi của các [[phương trình vi phân]] cho biết số lượng neutron tự do trình bày trong nhiên liệu: nếu có ít hơn một khối lượng tới hạn thì số lượng của neutron được xác định bởi [[Phóng xạ|sự phân rã phóng xạ]], nhưng nếu có từ một khối lượng tới hạn trở lên, thì lượng neutron được điều khiển thay vào đó bằng yếu tố vật lý của phản ứng dây chuyền. [[Khối lượng]] thực tế của một ''khối nhiên liệu hạt nhân tới hạn'' phụ thuộc mạnh mẽ vào cấu trúc hình học và các vật liệu xung quanh.
Không phải tất cả các đồng vị phân hạch có thể duy trì phản ứng dây chuyền. Ví dụ, <sup>238</sup>U, dạng uranium dồi dào nhất, có thể phân hạch nhưng không phân hạch: nó trải qua quá trình phân hạch cảm ứng khi bị tác động bởi một neutron năng lượng với hơn 1 MeV của động năng. Tuy nhiên, quá ít neutron được tạo ra bởi quá trình phân hạch <sup>238</sup>U đủ năng lượng để tạo ra các phân hạch tiếp theo trong <sup>238</sup>U, do đó không có phản ứng dây chuyền nào có thể xảy ra với đồng vị này. Thay vào đó, bắn phá <sup>238</sup>U bằng neutron chậm khiến nó hấp thụ chúng (trở thành <sup>239</sup>U) và phân rã bằng [[Phân rã beta|phát xạ beta]] thành <sup>239</sup>Np, sau đó phân rã lại theo quy trình tương tự thành <sup>239</sup>Pu; quá trình đó được sử dụng để sản xuất <sup>239</sup>Pu trong các [[ Lò phản ứng giống|lò phản ứng của nhà tạo giống]] . Sản xuất plutonium tại chỗ cũng góp phần vào phản ứng chuỗi neutron trong các loại lò phản ứng khác sau khi đã sản xuất đủ plutoni-239, vì plutonium-239 cũng là một nguyên tố phân hạch dùng làm nhiên liệu. Người ta ước tính rằng có tới một nửa công suất được tạo ra bởi một lò phản ứng "không tạo giống" tiêu chuẩn được tạo ra bởi sự phân hạch của plutoni-239 được sản xuất tại chỗ, trong toàn bộ vòng đời của một lần truyền tải nhiên liệu.
Các đồng vị có thể phân hạch, không phân hạch có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng phân hạch ngay cả khi không có phản ứng dây chuyền. Bắn phá <sup>238</sup>U bằng neutron nhanh gây ra sự phân hạch, giải phóng năng lượng miễn là có nguồn neutron bên ngoài. Đây là một hiệu ứng quan trọng trong tất cả các lò phản ứng trong đó neutron nhanh từ đồng vị phân hạch có thể gây ra sự phân hạch của hạt nhân <sup>238</sup>U gần đó, điều đó có nghĩa là một phần nhỏ của <sup>238</sup>U bị "đốt cháy" trong tất cả các nhiên liệu hạt nhân, đặc biệt là trong máy tạo giống nhanh lò phản ứng hoạt động với neutron năng lượng cao hơn. Hiệu ứng phân hạch nhanh tương tự được sử dụng để tăng năng lượng được giải phóng bởi [[vũ khí nhiệt hạch]] hiện đại, bằng cách bọc vũ khí với <sup>238</sup>U để phản ứng với neutron được giải phóng bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân ở trung tâm của thiết bị. Nhưng tác động bùng nổ của các phản ứng chuỗi phân hạch hạt nhân có thể giảm đi bằng cách sử dụng các chất như chất điều tiết làm chậm tốc độ của neutron thứ cấp.
=== Lò phản ứng phân hạch ===
[[Tập tin:Philippsburg2.jpg|liên_kết=https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp%20tin:Philippsburg2.jpg|phải|nhỏ|Các [[ Tháp làm mát|tháp làm mát]] của [[ Nhà máy điện hạt nhân Philippsburg|Nhà máy điện hạt nhân Philippsburg]], ở [[Đức]] .]]
Lò phản ứng phân hạch tới hạn là loại [[lò phản ứng hạt nhân]] phổ biến nhất. Trong một lò phản ứng phân hạch quan trọng, neutron được tạo ra bởi sự phân hạch của các nguyên tử nhiên liệu được sử dụng để tạo ra nhiều phân hạch hơn, để duy trì lượng giải phóng năng lượng có thể kiểm soát được. Các thiết bị tạo ra các phản ứng phân hạch được thiết kế nhưng không tự duy trì là [[ Lò phản ứng phân hạch cận lâm sàng|các lò phản ứng phân hạch cận lâm sàng]] . Các thiết bị như vậy sử dụng [[Phóng xạ|phân rã phóng xạ]] hoặc [[máy gia tốc hạt]] để kích hoạt phân hạch.
Lò phản ứng phân hạch quan trọng được xây dựng cho ba mục đích chính, thường bao gồm các sự đánh đổi kỹ thuật khác nhau để tận dụng nhiệt hoặc neutron được tạo ra bởi phản ứng chuỗi phân hạch:
* ''[[Nhà máy điện hạt nhân|các lò phản ứng điện]]'' được dự định để tạo ra nhiệt cho năng lượng hạt nhân, là một phần của [[Sản xuất điện năng|trạm phát điện]] hoặc hệ thống điện địa phương như [[tàu ngầm hạt nhân]] .
* ''[[ Lò phản ứng nghiên cứu|lò phản ứng nghiên cứu]]'' nhằm tạo ra neutron và/hoặc kích hoạt các nguồn phóng xạ cho các mục đích khoa học, y tế, kỹ thuật hoặc các mục đích nghiên cứu khác.
* ''[[ Lò phản ứng giống|lò phản ứng của giống]]'' dự định sản xuất nhiên liệu hạt nhân với số lượng lớn từ các [[đồng vị]] phong phú hơn. [[ Lò phản ứng nhanh nhân giống|Lò phản ứng sinh]] sản [[ Lò phản ứng nhanh nhân giống|nhanh]] được biết đến nhiều hơn [[ Lò phản ứng nhanh nhân giống|tạo]] ra <sup>239</sup> Pu (nhiên liệu hạt nhân) từ <sup>238</sup> U tự nhiên rất dồi dào (không phải nhiên liệu hạt nhân). [[ Lò phản ứng giống|Các lò phản ứng của nhà tạo nhiệt]] đã được thử nghiệm trước đây bằng cách sử dụng <sup>232</sup> Th để tạo ra đồng vị phân hạch <sup>233</sup> U ( [[ Chu trình nhiên liệu Thorium|chu trình nhiên liệu thorium]] ) tiếp tục được nghiên cứu và phát triển.
== Xem thêm ==
| |||