Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch ( Phần 1 )

I, Lí thuyết về phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch

1, Phản ứng phân hạch

-Khái niệm: Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảng nhẹ hơn.

-Đặc điểm :

+) Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng lớn, cỡ 200 MeV

+) Trong phản ứng có sự hấp thụ notron, các notron có động năng nhỏ gọi là notron chậm.

+) Mỗi phản ứng phân hạch sinh ra từ 2 đến 3 notron và các notron này có thể thực hiện được các phân hạch tiếp theo.

+) Các hạt nhân trung bình trong phản ứng có số khối từ 80 đến 160

a,Phản ứng phân hạch dây chuyền

Giả sử một lần phân hạch có k notron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân khác tạo nên những phân hạch mới. Sau n lần phân hạch liên tiếp, số notron giải phóng là \[{{k}^{n}}\] và kích thích \[{{k}^{n}}\] phân hạch mới.

-Khi k < 1 thì phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh

-Khi k = 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra không đổi theo thời gian

-Khi k > 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ.

Muốn \[k\ge 1\]thì khối lượng của chất phân hạch phải đủ lớn để số notron bị “ bắt” nhỏ hơn nhiều so với số notron bị giải phóng.

Khối lượng tới hạn là khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì được trong đó

b,Phản ứng phân hạch có điều kiện

- Phản ứng phân hạch có điều kiện này được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng với trường hợp k = 1.

-Để đảm bảo cho k = 1 thì người ta dùng những thanh điều khiển có chứa Bo hay Cadimi.

-Năng lượng tỏa ra từ lò phản ứng không đổi theo thời gian.

2,Phản ứng nhiệt hạch

-Khái niệm: Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn

Ví dụ: \[{}_{1}^{2}H+{}_{1}^{3}H\to {}_{2}^{4}He+{}_{0}^{1}n+4MeV\]

-Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra:

+) Ban đầu phải biến đổi hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma tạo bởi các hạt nhân và electron tự do. Sau đó phải tăng nhiệt độ của hỗn hợp plasma lên cỡ 100 triệu độ để phản ứng xảy ra.

+) Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.

+) Thời gian duy trì trạng thái plasma \[\tau \] ở nhiệt độ cao 100 triệu đô phải đủ lớn. Kết hợp các điều kiện này, Lawson đã chứng minh hệ thức nêu lên điều kiện cơ bản để xảy ra phản ứng nhiệt hạch là:

-Năng lượng nhiệt hạch

+) Tuy năng lượng tỏa ra của một phản ứng nhiệt hạch ít hơn nhiều so với một phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn sự phân hạch nhiều lần.

+) Năng lượng nhiệt hạch là năng lượng của hầu hết các sao.

+) Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu việt không gây ô nhiễm ( sạch ) và nguyên liệu dồi dào sẽ là nguồn năng lượng của thế kỉ XXI.

II, Một số ví dụ minh họa

Câu 1. Hạt nhân nào sau đây không thể phân hạch ?

A. \[{}_{92}^{239}U\] B.\[{}_{92}^{238}U\] C. \[_{6}^{12}C\] D. \[{}_{94}^{239}U\]

Hướng dẫn

Hạt nhân \[_{6}^{12}C\] không thể phân hạch, vì sự phân hạch thường xảy ra với các hạt nhân nặng.

Chọn đáp án C

Câu 2 : Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về phản ứng phân hạch?

A.Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn.

B.Phản ứng phân hạch kích thích là phản ứng trong đó hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron rồi chuyển sang trạng thái kích thích, sau đó vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn và kèm một vài nơtron.

C.Phản ứng phân hạch xảy ra khi hạt nhân nặng được truyền một năng lượng kích hoạt cỡ vài MeV

D.Giống như phóng xạ, các sản phẩm sau phân hạch là hoàn toàn xác định.

Hướng dẫn

Phản ứng hạt nhân là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron chậm vỡt hành hai hạt nhân trung bình đồng thời phóng ra một số notron và tỏa ra một năng lượng rất lớn (khoảng 200 MeV).

Chọn đáp án C

Câu 3 : Hãy chọn câu sai. Những điều kiện cần phải có để tạo nên phản ứng hạt nhân dây chuyền là gì ?

A.Sau mỗi lần phân hạch, số nơtron trung bình được giải phóng phải lớn hơn hoặc bằng 1 .

B.Lượng nhiên liệu (urani, plutôni) phải đủ lớn (lớn hơn hoặc bằng khối lượng tới hạn) để tạo nên phản ứng dây chuyền.

C.Phải có nguồn tạo ra nơ tron.

D.Nhiệt độ phải được đưa lên cao.

Hướng dẫn

Để xảy ra phản ứng hạt nhân dây chuyền chỉ cần có nguồn tạo ra nơ tron sao cho số nơ tron trung bình được giải phóng phải ≥1 mà không cần ở nhiệt độ cao.

Chọn đáp án D

Câu 4 : Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, những phần tửnào sau đây có đóng góp năng lượng lớn nhất khi xảy ra phản ứng ?

A. Động năng của các nơtron. B. Động năng của các proton.

C. Động năng của các hạt. D. Động năng của các electron.

Hướng dẫn

\[\vartriangle E={{K}_{s}}-{{K}_{t}}\], động năng các hạt có đóng góp năng lượng lớn nhất khi xảy ra phản ứng.

Chọn đáp án C

Câu 5 : Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về phản ứng phân hạch?

A.Urani phân hạch có thể tạo ra 3 nơtron.

B.Urani phân hạch khi hấp thụ nơtron chuyển động nhanh.

C.Urani phân hạch toả ra năng lượng rất lớn.

D.Urani phân hạch vỡ ra thành hai hạt nhân có số khối từ 80 đến 160.

Hướng dẫn

Urani phân hạch khi hấp thụ nơtron chậm và vỡ ra thành hai hạt nhân có số khối trung bình từ 80 – 160, có thể tạo ra vài nơtron thứ cấp, đồng thời tỏa ra một năng lượng lớn cỡ 200 MeV.

Chọn đáp án B

Câu 6 : Chọn câu saikhi nói về phản ứng phân hạch, nhiệt hạch ?

A.Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn.

B.Phản ứng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao (hàng trăm triệu độ) nên gọi là phản ứng nhiệt hạch.

C.Xét năng lượng toả ra trên một đơn vị khối lượng thì phản ứng nhiệt hạch toả ra năng lượng lớn hơn nhiều phản ứng phân hạch.

D.Một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhiều hơn một phản ứng phân hạch.

Hướng dẫn

Một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch. Còn xét trên một đơn vị khối lượng thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn phản ứng phân hạch. Do nguồn nhiên liệu của phản ứng nhiệt hạch là các hạt nhân rất nhẹ.

Chọn đáp án D

Câu 7 : Trong lò phản ứng phân hạch U235, bên cạnh các thanh nhiên liệu còn có các thanh điều khiển B, Cd. Mục đích chính của các thanh điều khiển là:

A.Làm giảm số nơtron trong lò phản ứng bằng hấp thụ

B.Làm cho các nơtron có trong lò chạy chậm lại

C.Ngăn cản các phản ứng giải phóng thêm nơtron

D.A và C đúng

Hướng dẫn

Trong lò phản ứng phân hạch U235, bên cạnh các thanh nhiên liệu còn có các thanh điều khiển B, Cd. Mục đích chính của các thanh điều khiển là hấp thụ notron.

Chọn đáp án A

Câu 8 : Hạt nhân \[{}_{92}^{235}U\] hấp thụ một hạt notron sinh ra x hạt \[\alpha ,\gamma \]hạt \[{{\beta }^{-}}\] và một hạt \[{}_{82}^{208}Pb\] và 4 hạt notron. Hỏi x, y có giá trịnào?

A.x = 6 , y = 1. B.x = 7, y = 2.

C.x = 6, y = 2. D.x = 2, y = 6.

Hướng dẫn

Phương trình phản ứng hạt nhân: \[{}_{92}^{235}U+{}_{0}^{1}n\to x{}_{2}^{4}\alpha +y{}_{-1}^{0}{{\beta }^{-}}+{}_{82}^{208}Pb+4{}_{0}^{1}n\]

Bảo toàn số khối: 235 + 1 = 4x + 0.y + 208 +4 x 6 ⇒ x=6

Bảo toàn điện tích: 92 + 0 = 2x – 1.y + 82 +4.0 ⇒ 2x- y= 10 ⇒y =2.6 -10= 2

Chọn đáp án C

Câu 9 : Sự phân hạch của hạt nhân urani \[{}_{92}^{235}U\] khi hấp thụ một nơtron chậm xảy ra theo nhiều cách. Một trong các cách đó được cho bởi phương trình \[{}_{92}^{235}U+{}_{0}^{1}n\to {}_{54}^{140}Xe+{}_{38}^{94}Sr+k{}_{0}^{1}n\]. Số nơtron được tạo ra trong phản ứng này là

A.k = 3. B.k = 6. C.k = 4. D.k = 2

Hướng dẫn

Bảo toàn số khối: 235 + 1 = 140 + 94 + k.1 ⇒ k= 2.

Chọn đáp án D

Câu 10: Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân trái ngược nhau vì

A.một phản ứng toả, một phản ứng thu năng lượng.

B.một phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp, phản ứng kia xảy ra ở nhiệt độ cao.

C.một phản ứng là tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, phản ứng kia là sự phá vỡ một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹhơn.

D.một phản ứng diễn biến chậm, phản kia rất nhanh

Hướng dẫn

Phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch là hai phản ứng hạt nhân trái ngược nhau vì một phản ứng là tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, phản ứng kia là sự phá vỡ một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Cả hai phản ứng đều tỏa nhiệt.

Chọn đáp án C