Lý thuyết về phản ứng phân hạch hạt nhân, vật lí 12 Hạt nhân nguyên tử
Hình minh họa phản ứng phân hạch, hạt nhân nặng $^{235}$U vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn là $^{92}$Kr và $^{114}$Ba
Phản ứng phân hạch hạt nhân
Phản ứng phân hạch hạt nhân: là phản ứng hạt nhân trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn.
Uranium nguyên liệu của phản ứng phân hạch:
Các đồng vị của Urani: \[_{92}^{235}\textrm{U}\]; \[_{92}^{238}\textrm{U}\]; \[_{94}^{239}\textrm{U}\]
Urani hay uranium là nguyên tố hóa học kim loại màu trắng thuộc nhóm Actini, có số nguyên tử là 92 trong bảng tuần hoàn, được kí hiệu là U. Trong một thời gian dài, urani là nguyên tố cuối cùng của bảng tuần hoàn. Các đồng vị phóng xạ của urani có số notron từ 144 đến 146 nhưng phổ biến nhất là các đồng vị urani-238, urani-235 và urani-239. Tất cả đồng vị của urani đều không bền và có tính phóng xạ yếu.
Trong tự nhiên, urani được tìm thấy ở dạng urani 238 (99,284%), urani 235 (0,711%), và một lượng rất nhỏ urani 234 (0,0058%). Urani phân rã rất chậm phát ra hạt anpha. Chu kỳ bán rã của urani 238 là khoảng 4,47 tỉ năm và của urani 235 là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.
Chỉ có Urani 235 là được sử dụng để sản xuất năng lượng hạt nhân (điện hạt nhân hoặc vũ khí hạt nhân), để tách được đồng vị Urani 235 trong tự nhiện người ta phải sử dụng máy li tâm; quá trình tách Urani 235 trong các máy li tâm người ta gọi là quá trình làm giàu Urani (làm giàu Uranium).
Phản ứng phân hạch kích thích:
Để xảy ra phản ứng phân hạch kích thích của hạt nhân X, người ta phải truyền cho hạt nhân X một năng lượng đủ lớn (gọi là năng lượng kích hoạt) để hạt nhân chuyển lên trạng thái kích thích X* không bền vững và phản ứng phân hạch sẽ xảy ra.
Để truyền năng lượng cho hạt nhân X, người ta sử dụng 1 nơtron bắn vào hạt nhân X, hạt nhân X sẽ “bắt” notron đó và chuyển sang trạng thái kích thích X* không bền vững => phản ứng phân hạch.
Năng lượng của phản ứng phân hạch
Phương trình phản ứng phân hạch của hạt nhân Urani 235
\[_{0}^{1}\textrm{n}+_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{92}^{236}U^{*}\rightarrow _{39}^{95}\textrm{Y}+_{52}^{138}\textrm{I}+3_{0}^{1}\textrm{n}\]
\[_{0}^{1}\textrm{n}+_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{92}^{236}U^{*}\rightarrow _{54}^{139}\textrm{Xe}+_{38}^{95}\textrm{Sr}+2_{0}^{1}\textrm{n}\]
Các phép tính toán cho biết phản ứng phân hạch là phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch. Năng lượng đó vào khoảng 210MeV = 336.10$^{-13}$(J) đối với 1 hạt nhân urani phân hạch.
Với 1g urani 235 phân hạch sẽ giải phóng một năng lượng là 8,5.1010J tương đương với năng lượng của 8,5 tấn than hoặc 2 tấn dầu hỏa tỏa ra khi cháy hết.
Phản ứng phân hạch dây chuyền:
Sự phân hạch của Urani 235 có kèm theo sự giải phóng các hạt notron (tính trung bình 2,5 ->3 hạt ). Các notron này kích thích các hạt nhân Urani 235 khác phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mới. Kết quả là các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo thành một phản ứng dây chuyền.
Giả sử sau một lần phân hạch có k notron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân U 235 khác tạo nên những phân hạch mới. Sau n lần liên tiếp số notron giải phóng là k$^{n}$ và sẽ kích thích k$^{n}$ phân hạch mới
- k<1 phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh
- k = 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và năng lượng phát ra không đổi theo thời gian
- k > 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra nhanh và có thể gây nên bùng nổ.
Trong các nhà máy năng lượng điện hạt nhân người ta tạo ra các lò phản ứng hạt nhân tương với trường hợp k = 1. Để đảm bảo cho k = 1 người ta dung nhưng thanh điều khiển cho Bo hay Cadimi để hấp thụ các notron thừa.
BÀI TẬP PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN
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 \(^{235}U\)
\(N = \dfrac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A} \to Q = \dfrac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A}\Delta E\)
- 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:
\(\begin{array}{l}A = HQ = H\dfrac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A}\Delta E\\P = \dfrac{A}{t} = \dfrac{1}{t}H\dfrac{{m(kg)}}{{0,235(kg)}}{N_A}\Delta E\end{array}\)