Phản ứng phân hạch - nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình tổng hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn

Ta có: 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.

Nhiệt hạch và phân hạch hạt nhân đều là phản ứng hạt nhân toả năng lượng

Chỉ có sự phóng xạ xảy ra do tự phát

D -sai vì: Hiện nay, con người vẫn chưa điều khiển được phản ứng nhiệt hạch

\(_1^2D + _1^2D \to _2^3He + n + 3,25MeV\)là phản ứng nhiệt hạch

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

A, B, C - đúng

D - sai vì: Khối lượng \({}_{92}^{235}U\) phải đạt tới giá trị tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn \({m_{th}}\).

A, B, D - đúng

C- sai vì 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

Để thực hiện phản ứng nhiệt hạch, cần có điều kiện mật độ hạt nhân đủ lớn để giảm khoảng cách hạt nhân tới bán kính tác dụng

Năng lượng ánh sáng Mặt Trời chiếu xuống Trái Đất có nguồn gốc từ phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng \({}_1^2H + {}_1^2H \to {}_2^3He + {}_0^1n\)là phản ứng nhiệt hạch

Đây là phản ứng toả năng lượng nên: K₂ + K₃ > 2K₁

Số hạt He tạo thành trong 1 ngày \(N = \dfrac{{{m_{He}}{N_A}}}{4} = \dfrac{{5,{{33.10}^{16}}{{.10}^3}}}{4}.6,{02.10^{23}} = 8,{02.10^{42}}\) (hạt)

Năng lượng bức xạ toàn phần của Mặt Trời trong 1 ngày: W_1ngày = P.t = 3,9.10²⁶.86400 = 3,3696.10³¹J

Năng lượng tỏa ra khi một hạt hêli được tạo thành là:  \({W_{1hat}} = \dfrac{{3,{{3696.10}^{31}}J}}{{8,{{02.10}^{42}}.1,{{6.10}^{ - 19}}}} = 26,25MeV\)

Mỗi phản ứng phân hạch của U²³⁵ toả ra trung bình 200 MeV

1g U²³⁵ có: N = m.N_A/A = 1.6,02.10²³/235 = 2,562.10²¹ nguyên tử

Khi đó năng lượng do 1g U²³⁵ toả ra, nếu phân hạch hết tất cả là: 200.N = 82.10³ MJ

1kmol He chứa: N = n.N_A = 10³.6,02.10²³ = 6,02.10²⁶ nguyên tử He

Theo bài cho, 1 hạt nhân He tạo thành toả năng lượng 18MeV

 1kmol He tạo thành thì năng lượng tỏa ra là : Q = 18.6,02.10²⁶  = 1,0836.10²⁸ MeV = 17,34.10¹⁴ J

+ Năng lượng hạt nhân của lò phản ứng cung cấp cho tàu ngầm vận hành trong một ngày: W = P.t = 400.10⁶.86400 = 3,456.10¹³J

+ 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: \(N = \frac{{\rm{W}}}{{\Delta {\rm{W}}}} = 4,{32.10^{24}}\)

+ Cứ một phân hạch cần 1 hạt U²³⁵ số hạt U²³⁵ dùng trong 1 ngày là: N = 4,32.10²⁴ hạt

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

Năng lượng toả ra khi 1 hạt U phân hạch  là:

\(\Delta E = \left[ {\left( {{m_U} + {m_n}} \right) - \left( {{m_{Mo}} + {m_{La}} + 2{m_n}} \right)} \right]{c^2} = \left( {234,99 - 94,88 - 138,87 - 1,0087} \right)u{c^2} = 0,2313.931,5 = 215,5\,MeV\) 

1 (g) U²³⁵ chứa: \(N = \frac{m}{A}{N_A} = \frac{1}{{235}}.6,{02.10^{23}} = 2,{56.10^{21}}\)hạt

 1 gam U phân hạch hết toả năng lượng: \(E = N.\Delta E = 5,{52.10^{23}}MeV = 8,{832.10^{10}}J\)

Lượng xăng cần sử dụng là: \(m = \frac{{8,{{832.10}^{10}}}}{{{{46.10}^6}}} = 1920kg\)

+ Năng lượng tàu sử dụng trong 1 ngày: \({\rm{W}} = P.t = {16.10^6}.86400 = 1,{3824.10^{12}}J\)

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

\(\Delta {\rm{W}} = 200.0,3 = 60MeV = 9,{6.10^{ - 12}}J\)

+ Số phân hạch cần xảy ra để có năng lượng W là: \(N = \frac{{\rm{W}}}{{\Delta {\rm{W}}}} = 1,{44.10^{23}}\)

+ Cứ một phân hạch cần 1 hạt U235 số hạt U235 dùng trong 1 ngày là: N_U = N = 1,44.10²³ hạt

+ Khối lượng U cần dùng trong 1 ngày: \({N_U} = \frac{{{m_U}}}{A}.{N_A} \Rightarrow {m_U} = \frac{{{N_U}.A}}{{{N_A}}} = \frac{{1,{{44.10}^{23}}.235}}{{6,{{02.10}^{23}}}} = 56,2126g\).

+ Nhiên liệu dùng trong lò là U làm giàu đến 12,5% (tính theo khối lượng)  Khối lượng nhiên liệu cần dùng trong  1 ngày: \({m_{nl}} = \frac{{{m_U}}}{{12,5\% }} = 449,7g\)

+ Khối lượng nhiên liệu cần dùng trong 3 tháng là: 449,7.90 = 40,47kg

Năng lượng tỏa ra sau mỗi phân hạch:

            ΔE = (m_U + m_n – m_I – m_Y – 3m_n)c² = 0,18878uc² = 175,85MeV

Khi 1 phân hạch kích thích ban đầu sau 5 phân hạch dây chuyền, số phân hạch xảy ra là:

1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31

Số phân hạch sau 5 phân hạch dây chuyền từ 10¹⁰ phân hạch ban đầu là N = 31.10¹⁰

Năng lượng tỏa ra là: E = 31.10¹⁰ΔE = 5,45.10¹³MeV

- Hiệu suất: \(H = \frac{A}{Q}.100\% \)

- Năng lượng của nhà máy tạo ra trong một ngày: \(A = Pt = {1920.10^6}.86400 = 1,{659.10^{14} }\ {J}= 1,{0368.10^{27}}\left( {MeV} \right)\)

- Năng lượng tổng cộng của U²³⁵ phân hạch toả ra trong một ngày:

\(Q = \dfrac{{A.100}}{H} = \dfrac{{1,{{0368.10}^{27}}.100}}{{30}} = 3,{456.10^{27}}\left( {MeV} \right)\)

- Số phân hạch = số hạt nhân U²³⁵: \(N = \dfrac{Q}{{200}} = \dfrac{{3,{{456.10}^{27}}}}{{200}} = 1,{728.10^{25}}\)

=> Khối lượng U²³⁵ cần dùng trong 1 ngày:  \(m = \dfrac{{1,{{728.10}^{25}}.235}}{{6,{{02.10}^{23}}}} = 6745,5g = 6,7455kg\)