lý thuyết về phản ứng nhiệt hạch hạt nhân, vật lí 12 Hạt nhân nguyên tử
Tại bề mặt của mặt trời đang xảy ra phản ứng nhiệt-hạch tự nhiên. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở bề mặt của các ngôi sao trong vũ trụ.
Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân
Phản ứng nhiệt hạch là gì?
Là phản ứng tổng hợp hạt nhân nặng từ hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng nhiệt hạch sản sinh ra nhiệt lượng khổng lồ lớn hơn cả phản ứng phân hạch tuy nhiên phản ứng nhiệt hạch cần phải có các điều kiện cụ thể mới có thể xảy ra được.
Trong thực tế ta chỉ nghiên cứu các phản ứng nhiệt hạch trong đó các hạt nhân Hidro tự tổng hợp thành hạt nhân He do nguồn nguyên liệu vô tận của Hidro trong tự nhiên.
Phương trình phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên
\[_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{3}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{o}^{1}\textrm{n}\] + 17,6MeV
\[_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{2}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}\] + 3,25MeV
Các phép tính toán cho thấy năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1g He lớn gấp 10 lần năng lượng tỏa ra của phản ứng phân hạch 1g Urani, lớn gấp 100 triệu lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1g Cácbon.
Điều kiện để xảy ra phản ứng nhiệt hạch
- Trước hết hỗn hợp nhiên liệu phải được chuyển sang trạng thái plasma (cần nhiệt độ khoảng 104 độ).
- Cung cấp động năng ban đầu vào khoảng 105 eV để các hạt nhân tiếp xúc với nhau tạo nên phản ứng phân hạch (cần nhiệt độ khoảng 100 triệu độ)
- Mật độ hạt nhân trong trạng thái plasma phải đủ lớn
- Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ phải đủ lớn
Vì những lý do trên mà hiện tại những kỹ thuật tiên tiến nhất vẫn chưa thể ứng dụng để tạo ra các lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch phục vụ cho nhu cầu cung cấp năng lượng sạch vô hạn cho con người.
Phản ứng nhiệt hạch trên trái đất
Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển
\[_{1}^{2}\textrm{H}+_{1}^{3}\textrm{H}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{o}^{1}\textrm{n}\]
Phản ứng này thực hiện một cách đơn lẻ như sau: cho triti (\[_{1}^{3}\textrm{H}\]) ở thể khí bám vào một tấm đồng, các hạt nhân đơteri (\[_{1}^{2}\textrm{H}\]) được gia tốc đập vào tấm bia đó. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt notron năng lượng xác định 14,1MeV.
Để thực hiện được phản ứng trên cần điều kiện sau:
- Đưa tốc độ của các hạt nhân Hidro lên rất lớn (bằng cách sử dụng nhiệt độ cao hoặc dùng các máy ra tốc hoặc sử dụng các chùm tia Laze cực mạnh)
- “Giam hãm” các hạt nhân đó trong một phạm vi không gian nhỏ hẹp để chúng có thể gặp nhau trong khoảng thời gian đủ lớn để xảy ra phản ứng hạt nhân.
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: \(N = \dfrac{{{N_X}}}{k} = \dfrac{1}{k}\dfrac{{{m_X}}}{{{A_X}}}{N_A}\)
Xem thêm: tìm hiểu về Bom nhiệt hạch
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:
\(E = m{c^2};P = \dfrac{E}{t} = \dfrac{{m{c^2}}}{t} \Rightarrow m = \dfrac{{P.t}}{{{c^2}}}\)
Phần trăm khối lượng bị giảm sau thời gian t là: \(h = \dfrac{m}{M}\) với M: khối lượng của mặt trời