Lý thuyết về phản ứng phân hạch và nhiệt hạch

LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

1. Phản ứng phân hạch.

- Định nghĩa:

Là phản ứng trong đó có một hạt nhân nặng hấp thụ một nơtrôn chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình đồng thời phóng ra một số nơtrôn và tỏa ra một năng lượng rất lớn (khoảng $200\text{ MeV}$).

- Cơ chế phản ứng phân hạch:

Để phản ứng có thể xảy ra được thì phải truyền cho hạt nhận mẹ X một năng lượng đủ lớn (giá trị tối thiểu của năng lượng này gọi là năng lượng kích hoạt).

Cách đơn giản nhất để truyền năng lượng kích hoạt cho hạt nhân mẹ X là cho một nơtrôn bắn vào X để X bắt (hoặc hấp thụ) nơtrôn đó và chuyển sang trạng thái kích thích. Trạng thái này không bền và kết quả xảy ra phân hạch như sơ đồ:

$_{Z}^{A}X+\text{ }_{0}^{1}\text{ }n\to {{X}^{*}}\to \text{ }_{{{Z}_{1}}}^{{{A}_{1}}}\ {{X}_{1}}+\text{ }_{{{Z}_{2}}}^{{{A}_{2}}}\text{ }{{\text{X}}_{2}}+k\text{ }_{0}^{1}\text{ }n$ 

+) Như vậy quá trình phân hạch của hạt nhân X không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích.

+) Các hạt nhận ${{X}_{1}},{{X}_{2}}$ trong phản ứng có số khối ${{A}_{1}},{{A}_{2}}$ trung bình từ 80 đến 160.

Ví dụ: $_{92}^{235}\text{ U + }_{0}^{1}\text{ n}\to \text{ }_{92}^{236}\text{ U}\to _{39}^{95}\ Y+\ _{53}^{138}\ I\ +3\ _{0}^{1}\ n.$ 

- Đặc điểm

+) Là phản ứng tỏa năng lượng, với một phản ứng năng lượng tỏa ra $\Delta E\approx 200\ MeV.$ 

+) Năng lượng tỏa ra dưới dạng động năng của các hạt.

+) Sau mỗi phản ứng có từ 2 – 3 nơtrôn chậm được sinh ra và  các nơtrôn này có thể thực hiện được các phân hạch tiếp theo.

+) Nguyên liệu thường dùng cho phản ứng phân hạch là $_{92}^{235}U$ và $_{94}^{239}P\text{u}.$ 

- Phản ứng dây chuyền:

Các nơtrôn tạo thành  sau phân hạch có động năng lớn (nơtrôn nhanh) thường bị $^{238}U$ hấp thụ hết hoặc thoát ra ngoài khối Urani. Nếu chúng được làm chậm lại thì có thể gây ra sự phân hạch tiếp theo cho các hạt $^{235}U$ khác khiến cho sự phân hạch trở thành phản ứng dây chuyền.

Trên thực tế không phải mọi nơtrôn sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch (vì có nhiều nơtrôn bị mất mát do bị hấp thụ bởi các tạp chất trong nhiên liệu, bị $^{238}U$ hấp thụ mà không gây nên phân hạch, hoặc bay ra ngoài khối nhiên liệu…). Vì vậy muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét đến số nơtrôn trung kình k còn lại sau mỗi phân hạch.

Gọi k là số nơtrôn trung bình còn lại sau mỗi phân hạch tiếp tục được $^{235}U$ hấp thụ.

+) Nếu $k<1$ : Phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Hệ thống gọi là dưới hạn.

+) Nếu $k=1$: Phản ứng dây chuyền xảy ra kiểm soát được. Hệ thống gọi là tới hạn. Đây chính là cơ chế hoạt động của nhà máy điện nguyên tử.

+) Nếu $k>1$: số phân hạch tăng lên rất nhanh với tốc độ ${{k}^{1}},{{k}^{2}},{{k}^{3}},...$Phản ứng dây chuyền trở thành thác lũ không kiểm soát được. Hệ thống gọi là vượt hạn. Đây chính là cơ chế nổ của bom nguyên tử.

Số nơtrôn bị mất tỉ lệ diện tích mặt ngoài, số nơtrôn sinh ra tỉ lệ với thể tích. Vì vậy phải có 1 thể tích đủ lớn (tức khối lượng m đủ lớn). Muốn $k\ge 1$ thì khối lượng Urani hoặc Plutoni phải đạt đến một giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn ${{m}_{th}}$. Ví dụ $^{235}U$ đã làm giàu thì ${{m}_{th}}=15\ kg.$

Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra là $k\ge 1$ và $m\ge {{m}_{th}}$ .

- Lò phản ứng hạt nhân:

+) Là nơi để tạo ra các phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì và kiểm soát được $\left( k=1 \right)$ 

+) Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng hạt nhân thường là $_{92}^{235}\ U$ và $_{94}^{239}P\text{u}\text{.}$ 

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

+) Để đảm bảo cho $k=1$ người ta dùng các thanh điều khiển chứa Bo hay Cd, là các chất có tác dụng hấp thụ nơtrôn (khi số nơtrôn trong lò tăng lên quá nhiều thì người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu để hấp thụ số nơtrôn thừa)

2. Phản ứng nhiệt hạch

- Khái niệm:

Là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành hạt nhân nặng hơn.

Ví dụ: $_{1}^{2}\text{ H + }_{1}^{2}\text{ H}\to \text{ }_{2}^{4}\text{ He + }_{0}^{1}\text{ n + 4 MeV}$ 

$_{1}^{2}\text{ H + }_{1}^{3}\text{ H}\to \text{ }_{2}^{4}\text{ He + }_{0}^{1}\text{ n + 17,5 MeV}$

- Đặc điểm

+) Một phản ứng nhiệt hạch tỏa ra một năng lượng nhỏ một phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn phản ứng phân hạch.

+) Các phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 50 đến 100 triệu độ vì chỉ ở nhiệt độ cao các hạt nhân nhẹ mới thu được động năng đủ lớn thắng được lực đẩy Culông tiến lại gần nhau đến mức lực hạt nhân tác dụng kết hợp chúng lại $\Rightarrow $ điều kiện để xảy ra phản ứng nhiệt hạch là  nhiệt độ phải rất lớn (lên đến hàng triệu độ).

+) Năng lượng mặt trời và các sao có nguồn gốc từ các phản ứng nhiệt hạch.

+) Con người đã tạo ra được phản ứng nhiệt hạch dạng không kiểm soát được (sự nổ của bom khinh khí).

+) So với năng lượng phân hạch, năng lượng nhiệt hạch ưu việt hơn do nguồn nhiên liệu dồi dào, không gây ô nhiễm môi trường.

- Chú ý:

+) Nếu lượng nhiên liệu là $m\left( kg \right)\Rightarrow $ Số hạt X: $N=\frac{m}{A}.{{N}_{A}}$ 

Năng lượng tỏa ra của 1 phản ứng: $\Delta {{E}_{1}}.$ Ví dụ: Phân hạch $\Delta {{E}_{1}}\approx 200\text{ MeV}\approx \text{200}\text{.1,6}\text{.1}{{\text{0}}^{-13}}J$ 

$\Rightarrow $ Năng lượng tỏa ra:$\Delta E=N.\Delta {{E}_{1}}.$ 

+) Năng lượng tỏa ra trong các lò phản ứng: $\Delta E=P.\Delta t$ 

Trong đó $P$ là công suất hoạt động của lò, $\Delta t$ là thời gian hoạt động của lò.

+) Năng lượng bức xạ Mặt trời $\left\{ \begin{matrix}E=m{{c}^{2}}  \\P=\frac{E}{\Delta t}  \\\end{matrix} \right.$  ($m$là khối lượng mặt trời bị giảm do bức xạ).