Phản ứng phân hạch - nhiệt hạch

Ta có:

+ Phóng xạ là hiện tượng hạt nhân không bền vững tự phân rã, phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành các hạt nhân kháC. Hạt nhân tự phân hủy gọi là hạt nhân mẹ, hạt nhân được tạo thành sau khi phân hủy được gọi là hạt nhân con.

+ 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.

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

Theo đầu bài: Hạt nhân \(_{92}^{235}U\) hấp thụ một hạt nơtron vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn

=> Quá trình đó là phản ứng phân hạch

Phản ứng nhiệt hạch: là phản ứng trong đó 2 hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn và vài nơtron.

Ta có: Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân rất nặng hấp thụ một notron và vỡ thành hai hạt nhân trung bình

Trong các hạt nhân \({}_{92}^{235}{\rm{U}}\); \({}_{92}^{238}{\rm{U}}\); \({}_2^4{\rm{He}}\) và \({}_{94}^{239}{\rm{Pu}}\)

Có \({}_2^4{\rm{He}}\) là hạt nhân nhẹ => \({}_2^4{\rm{He}}\) không thể phân hạch

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn

Điều kiện xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền là , nếu  thì phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và có thể gây nên bùng nổ.

Nhiên liệu của phản ứng phân hạch là \({}_{92}^{235}U;{}_{94}^{239}Pu\)

Phản ứng phân hạch là phản ứng toả năng lượng => m_t > m_s

Phản ứng \(n + {}_{92}^{235}U \to {}_{39}^{95}Y + {}_{53}^{138}I + 3{}_o^1n\) là phản ứng phân hạch

A: Phản ứng nhiệt hạch

B: Phóng xạ

D: Phản ứng phân hạch

Lại có: Phóng xạ, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch là 3 loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

=> Các phản ứng A, B, D tỏa năng lượng

A: Phản ứng nhiệt hạch

C: Phóng xạ

D: Phản ứng phân hạch

Lại có: Phóng xạ, phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch là 3 loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

=> Các phản ứng A, C, D tỏa năng lượng

Năng lượng toả ra của phản ứng:

\(\Delta E = {{\rm{W}}_{lk}}_\alpha  - 2{{\rm{W}}_{lk}}_D \Rightarrow {{\rm{W}}_{lk}}_\alpha  = \Delta E + 2{{\rm{W}}_{lk}}_D = 23,7 + 2.0,0025.931,5 = 28,3575MeV\)

\(_{92}^{235}U + _0^1n \to _{42}^{95}Mo + _{57}^{139}La + 2_0^1 + 7_{ - 1}^0e\)

Ta có, năng lượng một phân hạch tỏa ra là:

\(\begin{array}{l}\Delta E = \left[ {\left( {{m_U} + {m_n}} \right) - \left( {{m_{Mo}} + {m_{La}} + {m_n} + {m_e}} \right)} \right]{c^2}\\ = \left[ {\left( {234,99u + 1,01u} \right) - \left( {94,88u + 138,87u + 2.1,01u + 7.0} \right)} \right]{c^2}\\ = 0,23u{c^2} = 0,23.931MeV = 214,13MeV\end{array}\)

\(D + D \to T + p + 5,{8.10^{ - 13}}\left( J \right)\)

Từ phương trình phản ứng, ta có 2 hạt nhân D tạo thành một phương trình phản ứng

=> Số phản ứng bằng một nửa số hạt D trong 1kg nước nặng

Số hạt D trong 1kg nước nặng là:

\(\begin{array}{l}{N_D} = 2{N_{{D_2}O}} = 2\dfrac{{{m_{{D_2}O}}}}{{20}}.{N_A}\\ = 2.\dfrac{{\dfrac{{0,015}}{{100}}.1000}}{{20}}.6,{02.10^{23}}\\ = 9,{03.10^{21}}\end{array}\)

=> Số phản ứng: \(N = \dfrac{1}{2}{N_D} = \dfrac{1}{2}9,{03.10^{20}} = 4,{515.10^{21}}\)

Mặt khác, 1 phản ứng tỏa ra \(5,{8.10^{ - 13}}\left( J \right)\)

=> Năng lượng thu được khi dùng 1kg nước để làm nhiên liệu cho phản ứng là:

\(Q = N.\Delta E = 4,{515.10^{21}}.5,{8.10^{ - 13}} = 2,{619.10^9}\left( J \right)\)

+ Năng lượng nhà máy sử dụng trong một ngày: \({\rm{W}} = P.t = {1920.10^6}.86400 = 1,{6588.10^{14}}J\)

+ Do hiệu suất của phản ứng là 30% nên năng lượng của mỗi phân hạch cung cấp là:

\(\Delta {\rm{W}} = 3,{2.10^{ - 11}}.30\%  = 9,{6.10^{ - 12}}J\)

+ Số phân hạch cần xảy ra để có năng lượng W là: \(N = \dfrac{{\rm{W}}}{{\Delta {\rm{W}}}} = \dfrac{{1,{{6588.10}^{14}}}}{{9,{{6.10}^{ - 12}}}} = 1,{73.10^{25}}\)                                                          

+ Cứ một phân hạch cần 1 hạt U235

=> số hạt U235 dùng trong 1 ngày là: \({N_U} = {\rm{ }}N{\rm{ }} = {\rm{ }}1,{73.10^{25}}\) hạt

+ Khối lượng U cần dùng trong 1 ngày: \({N_U} = \dfrac{{{m_U}}}{A}.{N_A} \Rightarrow {m_U} = \dfrac{{{N_U}.A}}{{{N_A}}} = \dfrac{{1,{{73.10}^{25}}.235}}{{6,{{02.10}^{23}}}} = 6745,19g\).

+ Nhiên liệu dùng trong lò là U làm giàu đến \(36\% \)

Khối lượng nhiên liệu cần dùng trong  1 ngày: \({m_{nl}} = \dfrac{{{m_U}}}{{36\% }} = \dfrac{{6745,19}}{{0,36}} = 18736,6g = 18,737kg\)

+ Khối lượng nhiên liệu cần dùng trong 365 ngày  là:

\(18,737.365 = 6839,005kg = 6,839\) tấn

+ Số hạt nhân Urani trong 1kg: \(N = \dfrac{m}{M}{N_A} = \dfrac{{1000}}{{235}}.6,{023.10^{23}} = 25,{63.10^{24}}.\)

+ Năng lượng tỏa ra khi phân hạch hết \(1kg\) \({}_{92}^{235}U\)là:

\(E = N.200 \approx 5,{13.10^{26}}(MeV)\)

+ Năng lượng hạt nhân của lò phản ứng cung cấp cho tàu ngầm vận hành trong một ngày:

\(W = P.t = {400.10^6}.86400 = 3,{456.10^{13}}J\)

+ Do hiệu suất của lò đạt 25% nên năng lượng của mỗi phân hạch cung cấp là:

\(\Delta {\rm{W}} = 200.0,25 = 50MeV = {8.10^{ - 12}}J\) 

+ Số phân hạch cần xảy ra để có năng lượng \(W\) là:

\(N = \dfrac{{\rm{W}}}{{\Delta {\rm{W}}}} = 4,{32.10^{24}}\)

+ Cứ một phân hạch cần 1 hạt \({U^{235}} \Rightarrow \) số hạt \({U^{235}}\) dùng trong 1 ngày là:

\(N = 4,{32.10^{24}}\) hạt

+ Lại có: \(N = \dfrac{m}{A}.{N_A}\)

\( \Rightarrow m = \dfrac{{N.A}}{{{N_A}}} = \dfrac{{4,{{23.10}^{24}}.235}}{{6,{{02.10}^{23}}}} \approx 1686,4g = 1,69kg\)

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.

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.

\(_0^1n + _{92}^{235}U \to _{39}^{94}Y + _{53}^{140}I + 2(_0^1n)\)

Ta có:

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

=> A - sai