Phương pháp giải bài tập phân hạch - nhiệt hạch

1.Định nghĩa

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân rất nặng hấp thụ một nơtron và vỡ thành hai hạt nhân trung bình.

${}_{92}^{235}U + {}_0^1n\;\; \to \;\;{}_{92}^{236}U\;\; \to \;\;{}_{{Z_1}}^{{A_{\;1}}}X + \;{}_{{Z_2}}^{{A_{\;2}}}X\; + \;\;k{}_0^1n\;\; + \;\;200MeV$

2. Phản ứng phân hạch dây chuyền.

Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền: xét số nơtrôn trung bình k sinh ra sau mỗi phản ứng phân hạch ($k$ là hệ số nhân nơtron).

• Nếu $k < 1$: thì phản ứng dây chuyền không thể xảy ra.
• Nếu $k = 1$: thì phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra và điều khiển được.
• Nếu $k > 1$: thì phản ứng dây chuyền xảy ra không điều khiển được.

Ngoài ra khối lượng ${}_{92}^{235}U$ phải đạt tới giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn ${m_{th}}$.

Chú ý: Than chì đóng vai trò chất làm chậm tốt nhất đối với notron

II - PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

1. Định nghĩa

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

 VD:    ${}_1^2H + {}_1^2H \to {}_2^3H + {}_0^1n\; + \;3,25\;MeV$

2. Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch

• Nhiệt độ cao khoảng từ 50 triệu độ tới 100 triệu độ.
• Hỗn hợp nhiên liệu phải “giam hãm” trong một khoảng không gian rất nhỏ.

3. Năng lượng nhiệt hạch

• Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết các sao.
• Nhiên liệu nhiệt hạch là vô tận trong thiên nhiên: đó là đơteri, triti rất nhiều trong nước sông và biển.
• Về mặt sinh thái, phản ứng nhiệt hạch sạch hơn so với phản ứng phân hạch vì không có bức xạ hay cặn bã phóng xạ làm ô nhiễm môi trường.
• Tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng ít hơn một phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa ra năng lượng lớn hơn.

1. Năng lượng phân hạch

• Năng lượng toàn phần do 1 phân hạch:

$\Delta E = \left( {\sum {{m_{tr}} - \sum {{m_{sau}}} } } \right){c^2} > 0$

• Năng lượng toàn phần do N phân hạch: Q = N.∆E
• Đối với trường hợp phân hạch $^{235}U$ , số phân hạch bằng số hạt $^{235}U$

$N = \frac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A} \to Q = \frac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A}\Delta E$

• Nếu hiệu suất của quá trình sử dụng năng lượng là H thì năng lượng có ích và công suất có ích lần lượt là:

$\begin{array}{l}A = HQ = H\frac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A}\Delta E\\P = \frac{A}{t} = \frac{1}{t}H\frac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A}\Delta E\end{array}$

2. Năng lượng phản ứng nhiệt hạch

• Năng lượng toàn phần do 1 nhiệt hạch:

$\Delta E = \left( {\sum {{m_{tr}} - \sum {{m_{sau}}} } } \right){c^2} > 0$

• Năng lượng toàn phần do N phân hạch: Q = N.∆E
• Nếu cứ 1 phản ứng có k hạt X thì số phản ứng: $N = \frac{{{N_X}}}{k} = \frac{1}{k}\frac{{{m_X}}}{{{A_X}}}{N_A}$

3. Bức xạ năng lượng của Mặt Trời, các sao

Nếu trong thời gian t, khối lượng Mặt Trời giảm do bức xạ là m thì năng lượng bức xạ toàn phần và công suất bức xạ toàn phần lần lượt là: $E = m{c^2};P = \frac{E}{t} = \frac{{m{c^2}}}{t} \Rightarrow m = \frac{{P.t}}{{{c^2}}}$

Phần trăm khối lượng bị giảm sau thời gian t là: $h = \frac{m}{M}$ với M: khối lượng của mặt trời