Bài 16: Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

- Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

- Phản ứng hạt nhân tự phát là hạt nhân kém bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác bền vững hơn.

- Phản ứng hạt nhân kích thích là phản ứng trong đó các hạt nhân tương tác với nhau chủ yếu thông qua quá trình va chạm và biến đổi tạo thành các hạt nhân mới.

- Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.

- Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao.

Phương án tạo ra hạt nhân vàng từ hạt nhân chì: Năm 1980, các nhà khoa học đã thành công trong việc biến chì thành vàng tuy nhiên lượng vàng tạo ra là rất nhỏ. Họ sử dụng một máy gia tốc hạt với năng lượng cực lớn để bắn các chùm hạt nhân với vận tốc ánh sáng kéo 3 proton ra khỏi hạt nhân của nguyên tử chì. Khi mất đi 3 proton thì đương nhiên chì sẽ biến thành vàng.

Phương trình: \({ }_{7}^{14} N+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} \rightarrow{ }_{8}^{16} \mathrm{O}+{ }_{1}^{1} \mathrm{H}\)

Trong phương trình trên điện tích và số khối được bảo toàn.

a) \({ }_{7}^{14} \mathrm{~N}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{6}^{14} \mathrm{C}+{ }_{1}^{1} \mathrm{H}\)

b) \({ }_{92}^{238} \mathrm{U} \rightarrow{ }_{90}^{234} \mathrm{Th}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He}\)

c) \({ }_{12}^{25} \mathrm{Mg}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} \rightarrow{ }_{13}^{28} \mathrm{Al}+{ }_{1}^{1} \mathrm{H}\)

d) \({ }_{84}^{210} \mathrm{Po} \rightarrow{ }_{82}^{206} \mathrm{~Pb}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He}\)

e) \({ }_{4}^{9} \mathrm{Be}+{ }_{2}^{4} \mathrm{He} \rightarrow{ }_{6}^{12} \mathrm{C}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n}\)

f) \({ }_{8}^{16} \mathrm{O}+{ }_{0}^{1} \mathrm{n} \rightarrow{ }_{8}^{17} \mathrm{O}\)

Phương trình: \({ }_{92}^{235} U+{ }_{0}^{1} n \rightarrow{ }_{54}^{140} \mathrm{Xe}+{ }_{38}^{94} S r+2{ }_{0}^{1} n\) 

có 2 neutron được tạo ra.

- Ứng dụng quan trọng nhất của loại phản ứng này có thể được tìm thấy trong các lò phản ứng hạt nhân. Động năng của quá trình sẽ được chuyển hóa thành nhiệt năng, làm nóng các khối nhiên liệu. Năng lượng nhiệt này làm ấm dòng nước, khiến hơi nước được tạo ra và sử dụng để làm quay tua-bin máy phát điện. Nhiệt phân hạch của một gam nhiên liệu Uranium có thể so sánh với sức nóng đốt cháy hàng chục đến hàng trăm tấn than.

- Bom phân hạch, thường được gọi là bom nguyên tử, là một lò phản ứng phân hạch được thiết kế để giải phóng càng nhiều năng lượng càng tốt và nhanh nhất có thể.

\({ }_{1}^{2} H+{ }_{1}^{2} H \rightarrow{ }_{1}^{3} X+{ }_{1}^{1} p\) hạt nhân X là đồng vị \({ }_{1}^{3} H\).

Ở tâm Mặt trời dưới điều kiện nhiệt độ cao (15 triệu°C), áp suất cao, các hạt nhân nguyên tử hydrogen kết hợp với nhau tạo thành helium đồng thời giải phóng năng lượng rất lớn.

Tác hại tiềm ẩn của công nghệ hạt nhân đối với nhân loại:

- Chế tạo quả bom nguyên tử có sức công phá lớn, vũ khí hạt nhân, … sử dụng trong chiến tranh.

- Nguy cơ khủng bố phát tán chất phóng xạ; sự cố do các nhà máy điện hạt nhân, phương tiện sử dụng năng lượng hạt nhân, … gây ô nhiễm phóng xạ trên diện rộng, kéo theo những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế, môi trường và sức khỏe con người, v.v.

Đáp án đúng là D.

A – sai vì phản ứng hạt nhân không có định luật bảo toàn khối lượng

B – sai vì phản ứng phân hạch là phản ứng toả năng lượng, tổng khối lượng hạt nhân trước phản ứng lớn hơn tổng khối lượng hạt nhân sau phản ứng.

C – sai vì không có định luật bảo toàn số proton.

\({ }_{1}^{1} p+{ }_{1}^{1} p \rightarrow{ }_{1}^{2} H+{ }_{1}^{0} e+v_{e}\)

Số hạt nhân \({ }_{2}^{3} H e\) được tạo thành: \(N=\frac{m}{A} N_{A}=\frac{100}{3} .6,02.10^{23}=2.10^{25}\)

Mỗi hạt nhân \({ }_{2}^{3} \mathrm{He}\) được tạo thành tương ứng với 1 phản ứng nhiệt hạch.

Năng lượng toả ra khi 100 g \({ }_{2}^{3} \mathrm{He}\) được tạo thành: \(W=2.10^{25} .3,27=6,54.10^{25} \mathrm{MeV}\)

Số hạt nhân \({ }_{92}^{235} U\) phân hạch: \(N=\frac{m}{A} N_{A}=\frac{100}{235} \cdot 6,02.10^{23}=2,6.10^{23}\)

Năng lượng toả ra khi phân hạch hoàn toàn \(100 \mathrm{~g}_{92}^{235} U\) :

Trong bài này, năng lượng toả ra trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn trong phản ứng phân hạch.