Đề tài Tìm hiểu và tính toán các thông số cơ bản của lò phản ứng hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GVHD: ThS. Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hà Kim Loan Niên khóa: 2006 – 2011 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4, 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN GVHD: ThS. Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hà Kim Loan Ngành: Sư phạm Vật lý Mã số: 102 Niên khóa: 2006 – 2011 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 4, 2011 LỜI MỞ ĐẦU Từ khi lò phản ứng đầu tiên trên thế giới đạt trạng thái tới hạn tại Chicago vào ngày 2 tháng 12 năm 1942, một số lượng lớn các lò phản ứng hạt nhân đã được thiết kế và xây dựng vì nhiều mục đích khác nhau như: sản xuất điện, chiếu xạ y học, nghiên cứu, sản xuất nhiên liệu phân hạch, tạo sức đẩy trong tàu thuyền, máy bay, tên lửa, vệ tinh, Như vậy, việc sử dụng và đưa vào hoạt động các lò phản ứng hạt nhân nói chung hay các nhà máy điện hạt nhân nói riêng rất quan trọng đối với cuộc sống. Ở các nước trên thế giới, sự phát triển lò phản ứng hạt nhân cũng như nhà máy điện hạt nhân đã đạt đến trình độ kỹ thuật tiên tiến. Riêng ở Việt Nam, ngoài lò phản ứng hạt nhân ở Đà Lạt, chúng ta chỉ mới bắt đầu phát triển, nghiên cứu và sắp tới sẽ tiến hành xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận. Để tính toán, thiết kế lò phản ứng hạt nhân, ta cần phải biết các thông số đặc trưng của lò. Sau khi thiết kế và lắp ráp lò, cần phải xác định bằng thực nghiệm các thông số vật lý lò. Với đề tài “TÌM HIỂU VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN”, em mong rằng luận văn này sẽ mang lại cho mọi người những kiến thức cơ bản về vật lý lò. Và có thể trong tương lai, khi lò phản ứng hạt nhân và nhà máy điện hạt nhân trở nên rất phổ biến, những kiến thức này sẽ được dạy ở trường phổ thông. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Gẫm đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường và khoa vật lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp kiến thức trong thời gian học tập tại trường và tạo điều kiện cho em được làm luận văn. Cảm ơn các bạn bè đã ủng hộ, động viên trong thời gian làm luận văn. Con xin cảm ơn ba mẹ đã nuôi dạy để con có được kết quả ngày hôm nay. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng vì kiến thức còn hạn hẹp và đề tài được thực hiện trong một thời gian ngắn, nên em không thể trình bày một cách sâu sắc những vấn đề liên quan đến lò phản ứng hạt nhân. Kính mong nhận được ý kiến góp ý, phê bình và xây dựng của các thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn. MỤC LỤC 0TLỜI MỞ ĐẦU0T ........................................................................................................... 3 0TMỤC LỤC0T ................................................................................................................ 4 0TPHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN0T .................................. 7 0TCHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG TỪ PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH0T ............................ 7 0T1.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân0T ................................................................................ 7 0T1.1.1. Thế nào là phản ứng phân hạch hạt nhân0T ............................................................. 7 0T1.1.2. Phản ứng dây chuyền0T........................................................................................... 7 0T1.2. Khối lượng tới hạn0T ................................................................................................... 8 0T1.3. Năng lượng phân hạch hạt nhân0T ............................................................................. 9 0T1.3.1 Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân0T ............................. 9 0T1.3.2 Sự phân hạch0T ...................................................................................................... 10 0T1.3.3 Động năng của các mảnh vỡ phân hạch0T .............................................................. 11 0T1.3.4 Năng lượng phát ra sau sự kiện phân hạch0T .......................................................... 12 0T1.3.5 Năng lượng tỏa ra từ phản ứng phân hạch 0T 235U ................................................. 12 0T1.4. Sự tương đương năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu hạt nhân0T ..... 13 0TCHƯƠNG 2: LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN0T......................................................... 14 0T2.1. Lò phản ứng hạt nhân0T ........................................................................................... 14 0T2.2. Cấu tạo chung0T ........................................................................................................ 14 0T2.3. Nguyên tắc hoạt động0T ............................................................................................ 16 0T2.4. Phân loại lò phản ứng0T ............................................................................................ 17 0T2.4.1 Phân loại các lò phản ứng theo mục đích sử dụng: gồm 2 nhóm0T ......................... 17 0T2.4.2 Phân loại các loại lò phản ứng theo đặc trưng vật lý0T ........................................... 18 0T2.4.3 Phân loại lò theo đặc trưng kỹ thuật0T.................................................................... 19 0TCHƯƠNG 3: CHU TRÌNH SỐNG CỦA NEUTRON0T .......................................... 20 0T3.1. Các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch0T ........................................................ 20 0T3.2. Chu trình sống của neutron0T................................................................................... 21 0T3.2.1. Thừa số phân hạch nhanh0T .................................................................................. 21 0T3.2.2. Xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng0T .................................................................... 21 0T3.2.3. Xác suất tránh rò đối với neutron nhanh0T ............................................................ 22 0T3.2.4. Xác xuất tránh rò đối với neutron nhiệt0T ............................................................. 22 0T3.2.5. Hệ số sử dụng neutron nhiệt f0T ........................................................................... 22 0T3.2.6. Hệ số sinh neutron0T ............................................................................................. 22 0TCHƯƠNG 4: LÒ PHẢN ỨNG TÁI SINH0T ............................................................ 25 0T4.1 Quá trình hình thành P239P u0T .................................................................................... 25 0T4.2 Quá trình hình thành P233PU0T ...................................................................................... 25 0T4.3 Hệ số tái sinh0T ........................................................................................................... 25 0T4.4 Hệ số chuyển đổi0T ..................................................................................................... 26 0T4.5 Thời gian nhân đôi TRdR0T............................................................................................. 27 0TPHẦN 2: CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN0T ....... 28 0TCHƯƠNG 5: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN0T........................................................... 28 0T5.1 Tiết diện hiệu dụng0T ................................................................................................. 28 0T5.1.1 Tiết diện hiệu dụng vi mô (tiết diện vi mô)0T ......................................................... 28 0T5.1.2 Tiết diện hiệu dụng vĩ mô0T ................................................................................... 29 0T5.1.3 Tiết diện hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng hay vận tốc của neutron0T ............... 30 0T5.2 Tỉ lệ tương tác trong bia0T ......................................................................................... 32 0T5.3 Thông lượng neutron0T .............................................................................................. 33 0T5.3.1 Thông lượng neutron từ một chiều0T ..................................................................... 33 0T5.3.2 Thông lượng neutron từ nhiều chiều0T ................................................................... 33 0T5.4 Sự làm chậm neutron0T.............................................................................................. 34 0T5.4.1 Cơ chế làm chậm0T ................................................................................................ 34 0T5.4.2 Tham số va chạm 0Tξ ........................................................................................... 35 0T5.4.3 Lethargy0T ............................................................................................................. 35 0T5.4.4 Số va chạm S0T ...................................................................................................... 36 0T5.5 Chu kì lò phản ứng0T ................................................................................................. 37 0T5.6 Chu kỳ nhiên liệu trung bình0T ................................................................................. 39 0TCHƯƠNG 6: LÝ THUYẾT KHUẾCH TÁN NEUTRON0T ................................... 40 0T6.1 Khuếch tán neutron0T ................................................................................................ 40 0T6.1.1 Độ dài dịch chuyển0T ............................................................................................. 40 0T6.1.2 Mật độ dòng neutron0T .......................................................................................... 41 0T6.1.3 Định luật Fick0T .................................................................................................... 43 0T6.1.4 Sự rò neutron0T ...................................................................................................... 44 0T6.2 Phương trình khuếch tán neutron0T ......................................................................... 44 0T6.2.1 Phương trình khuếch tán0T ..................................................................................... 44 0T6.2.2 Các điều kiện biên0T .............................................................................................. 45 0T6.3 Độ dài khuếch tán0T ................................................................................................... 47 0T6.4 Tổng hợp quá trình khuếch tán và làm chậm neutron0T ......................................... 48 0T6.4.1 Quá trình khuếch tán (ứng với thời gian khuếch tán tRktR)0T ...................................... 48 0T6.4.2 Quá trình làm chậm (ứng với thời gian làm chậm tRchR)0T ......................................... 48 0T6.5 Sự phản xạ neutron0T................................................................................................. 49 0T6.6 Phương trình khuếch tán đối với một nhóm neutron0T ........................................... 50 0T6.6.1 Phương trình và nghiệm của nó0T .......................................................................... 50 0T6.6.2 Xác định hằng số A trong biểu thức thông lượng neutron0T ................................... 56 0T6.6.3 Buckling vật liệu và Buckling hình học0T .............................................................. 58 0T6.7 Buckling vật liệu trong trường hợp tính đến sự làm chậm neutron0T .................... 58 0TCHƯƠNG 7: TRẠNG THÁI TỚI HẠN CỦA LÒ PHẢN ỨNG0T ......................... 60 0T7.1 Hệ số nhân khi không tính đến sự rò rỉ neutron (đối với lò phản ứng có kích thước vô hạn)0T ................................................................................................................ 60 0T7.1.1 Hệ số phân hạch nhanh 0Tε ................................................................................... 60 0T7.1.2 Xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng p0T .................................................................. 61 0T7.1.3 Hệ số sử dụng neutron nhiệt0T ............................................................................... 63 0T7.1.4 Hệ số sinh neutron0T .............................................................................................. 64 0T7.1.5 Hệ số nhân đối với một số môi trường0T ................................................................ 65 0T7.2 Hệ số nhân khi tính đến sự rò rỉ neutron (đối với lò phản ứng có kích thước hữu hạn)0T ................................................................................................................................ 69 0T7.2.1 Xác suất tránh rò đối với neutron nhanh0T ............................................................. 69 0T7.2.2 Xác suất tránh rò đối với neutron nhiệt0T ............................................................... 69 0T7.3 Kích thước tới hạn của vùng hoạt lò phản ứng0T ..................................................... 69 0T7.3.1 Vùng hoạt có dạng hình cầu0T ............................................................................... 70 0T7.3.2 Vùng hoạt có dạng hình trụ0T ................................................................................ 70 0T7.3.3. Vùng hoạt có dạng hình hộp0T .............................................................................. 71 0T7.4 Công suất của lò phản ứng – Tốc độ phân hạch – Tốc độ tiêu hủy0T ...................... 72 0T7.4.1 Công suất của lò phản ứng0T.................................................................................. 72 0T7.4.2 Tốc độ phân hạch – Tốc độ tiêu hủy0T ................................................................... 74 0T7.5 Hệ số không đồng đều0T ............................................................................................. 75 0T7.5.1 Đối với vùng hoạt có dạng hình cầu bán kính RR0 R0T ................................................ 75 0T7.5.2 Đối với vùng hoạt có dạng hình trụ bán kính RR0R, chiều cao HR0R0T ........................... 76 0T7.5.3 Đối với vùng hoạt có dạng hình lập phương0T ....................................................... 76 0TPHẦN 3: MỘT VÀI BÀI TOÁN ÁP DỤNG TÍNH CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN0T ...................................................................... 77 0TKẾT LUẬN0T ............................................................................................................. 99 0T ÀI LIỆU THAM KHẢO0T ................................................................................... 100 PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN CHƯƠNG 1: NĂNG LƯỢNG TỪ PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH 1.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân 1.1.1. Thế nào là phản ứng phân hạch hạt nhân Khi một hạt nhân nguyên tử hấp thụ một neutron, trở thành hạt nhân hợp phần có năng lượng cao. Hạt nhân hợp phần có thể vỡ thành hai mảnh gọi là sản phẩm phân hạch kèm theo một số neutron và giải phóng một lượng lớn năng lượng. Quá trình này được gọi là phản ứng phân hạch. Năng lượng được giải phóng ở trên chính là năng lượng dùng để liên kết các nucleon trong hạt nhân. Ví dụ: Khi hạt nhân 235U hấp thụ một neutron trở thành hạt nhân hợp phần P236PU. Năng lượng vừa được hấp thụ từ neutron làm hạt nhân hợp phần không bền, vỡ thành hai mảnh có số khối trung bình và phát ra vài neutron, đồng thời giải phóng một năng lượng lớn. Hình 1.1 Phân hạch hạt nhân bằng neutron P[5] 1.1.2. Phản ứng dây chuyền Sau một phân hạch, hạt nhân phát ra ν neutron. Khi đó, một neutron ban đầu được hấp thụ và gây ra phân hạch, sinh ra ν neutron khác, ta gọi đó là thế hệ neutron thứ nhất. ν neutron này gây ra phân hạch và tạo thêm 2ν neutron của thế hệ thứ 2. Trong thế hệ thứ 3 có 3ν neutron, Như vậy số neutron tăng rất nhanh qua các thế hệ neutron. Đó là sự phát triển của phản ứng dây chuyền. Hình 1.2 Phản ứng dây chuyền của uranium 235P[5] 1.2. Khối lượng tới hạn Không phải tất cả neutron sinh ra do sự phân hạch đều tham gia phản ứng dây chuyền. Một số neutron mất đi do các phản ứng không phân hạch (thường là phản ứng bắt-bức xạ) với nhiều vật liệu có mặt trong lò phản ứng và ngay cả hạt nhân nhiên liệu. Một số neutron khác lại hoàn toàn thoát ra bên ngoài vùng hoạt lò phản ứng. Có thể làm giảm số lượng neutron mất đi do thoát ra khỏi bề mặt biên hình học bằng cách làm gia tăng kích thước (hay khối lượng) nhiên liệu phân hạch và dùng lớp phản xạ. Khối lượng tối thiểu của nhiên liệu phân hạch để có thể duy trì phản ứng dây chuyền gọi là khối lượng tới hạn. Khối lượng tới hạn của nhiên liệu trong một lò phản ứng phụ thuộc vào rất nhiều điều kiện nhưng luôn luôn có một giá trị xác định. Ví dụ: khối lượng tới hạn của P235PU có thể nằm trong khoảng nhỏ hơn 1 kg đối với nhiên liệu lò gồm muối uranium chứa khoảng 90% đồng vị phân hạch hoà tan trong nước cho tới hơn 200 kg trong hơn 30000 kg uranium thiên nhiên nhúng chìm trong một khối graphic. Nếu chỉ sử dụng uranium thiên nhiên (chứa khoảng 0,7 % P235PU) thì không thể đạt trạng thái tới hạn được. 1.3. Năng lượng phân hạch hạt nhân 1.3.1 Năng lượng liên kết và năng lượng liên kết riêng của hạt nhân Xét hạt nhân AZ X có khối lượng M. Độ hụt khối: ∆m = [ZmRpR + (A-Z)mRnR] – M = ZmRH R + (A-Z)mRnR – M (1.1) Với mRpR = mRH R= 1,007825 u; mRn R= 1,008665 u Năng lượng liên kết: 2BE m c= ∆ × (J) nếu ∆m tính bằng kg (1.2) Hay BE m 931= ∆ × (MeV) nếu ∆m tính bằng u (1.3) Năng lượng liên kết riêng: 931[1,007825 1,008665( ) ]BE Z A Z M A A = + − − (1.4) Ví dụ: 120Sn có M = 119,9022 u và 235U có M = 235,0439 u. Đối với P120PSn: [ ]931 1,007825 50 1,008665 70 119,9022 8,5 120 BE MeV A nuclon = × + × − = Đối với P235PU: [ ]931 1,007825 92 1,008665 143 235,0439 7,6 235 BE MeV A nuclon = × + × − = Hình 1.3 Đồ thị biến thiên của năng lượng liên kết riêng theo số khối P[4] Số nucleon trong hạt nhân Dựa vào đồ thị, ta thấy rằng năng lượng liên kết riêng tăng nhanh đến giá trị cực đại 8,7 MeV đối với hạt nhân có số khối A = 56 (sắt). Sau đó giảm dần đến 7,6 MeV đối với 235U . Những hạt nhân ở giữa bảng tuần hoàn (số khối A từ 40 đến 100 có năng lượng liên kết riêng lớn khoảng 8,5 MeV) là những hạt nhân bền vững. 1.3.2 Sự phân hạch Hình 1.4 trình bày số mảnh vỡ phân hạch trên một phân hạch P235PU bởi neutron nhiệt. Các mảnh vỡ phân hạch có số khối A từ 72 đến 161. Trong đó có 2 nhóm có số khối từ 80 đến 110 và 125 đến 155 có suất ra lớn nhất, chiếm cỡ 99%. Các hạt nhân có số khối từ 110 đến 125 chỉ chiếm cỡ 1%. Như vậy, hạt nhân P235PU bị phân hạch cho ra 2 mảnh vỡ có số khối hay khối lượng không bằng nhau. Hình 1.4 Sự phụ thuộc của số mảnh vỡ phân hạch trên một phân hạch P235PU bởi neutron nhiệtP[2] Năng lượng cần thiết và nhỏ nhất để làm hạt nhân phân hạch được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nucleon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng theo mẫu giọt chất lỏng và làm hạt nhân vỡ thành các mảnh nhỏ. Năng lượng kích hoạt đối với từng hạt nhân phụ thuộc tỉ số ZP 2 P/A của hạt nhân đó theo hệ thức: 2 2 30,18 5,2 0,117k ZE A MeV A   ≈ × × − ×    (1.5) Trong đó Z là số hiệu nguyên tử và A là số khối của hạt nhân bị phân hạch. Khi ZP 2 P/A khá lớn (nhưng vẫn thỏa 2 5, 2 0,117 Z A > ) thì năng lượng kích hoạt rất nhỏ. Do đó các hạt nhân nặng có thể phân hạch không những do hấp thụ năng lượng neutron mà còn có thể phân rã một cách tự phát. Khi hấp thụ neutron, hạt nhân AZ X biến thành hạt nhân 1A Z X + ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức cơ bản. Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân mới. Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì sự phân hạch xảy ra, ngược lại hạt nhân chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra tia bức xạ.