01Kiến thức cần nhớ
1. Phản ứng hạt nhân và các định luật bảo toàn
Phản ứng viết dạng . Trong mọi phản ứng hạt nhân bảo toàn:
- Số nucleon (tổng số khối hai vế bằng nhau);
- Điện tích (tổng hai vế bằng nhau);
- Động lượng;
- Năng lượng toàn phần (gồm cả năng lượng nghỉ ).
Khối lượng không bảo toàn: tổng khối lượng nghỉ hai vế thường khác nhau, phần chênh lệch ứng với năng lượng toả ra hay thu vào.
Dùng bảo toàn và để tìm hạt chưa biết. Kí hiệu hay gặp: (neutron), hay (proton), hay , (), (), .
2. Năng lượng của phản ứng
Gọi và là tổng khối lượng nghỉ các hạt trước và sau phản ứng.
Có thể thay bằng năng lượng liên kết: . Phản ứng toả năng lượng khi các hạt sản phẩm bền hơn (liên kết chặt hơn).
3. Phản ứng phân hạch
Ví dụ: . Mỗi phân hạch toả trung bình cỡ MeV, tức cỡ MeV trên mỗi nucleon.
Phản ứng dây chuyền: các neutron sinh ra lại bị hạt nhân khác hấp thụ và gây phân hạch tiếp. Gọi là số neutron trung bình của mỗi phân hạch gây ra phân hạch mới:
- : phản ứng tắt dần (dưới tới hạn);
- : phản ứng duy trì ổn định (tới hạn), như trong lò phản ứng hạt nhân dùng thanh điều khiển hấp thụ bớt neutron;
- : phản ứng tăng nhanh không kiểm soát (vượt tới hạn), như trong bom nguyên tử. Muốn cần khối lượng nhiên liệu đủ lớn (khối lượng tới hạn) và neutron có tốc độ vừa phải (neutron chậm gây phân hạch hiệu quả hơn).
Trong nhà máy điện hạt nhân, năng lượng phân hạch làm nóng chất tải nhiệt, tạo hơi nước chạy tuabin phát điện.
Bấm Bắn neutron: neutron bay vào lưới, mỗi hạt nhân urani trúng thì vỡ và nhả 2 hoặc 3 neutron mới. Kéo thanh điều khiển (ô lục) cắm sâu dần: neutron bị nuốt, số phân hạch mỗi thế hệ giảm, k tụt xuống dưới 1 và phản ứng tắt. Về cuối đồ thị đi xuống vì nhiên liệu cạn. Bấm Đặt lại để nạp lại nhiên liệu.
4. Phản ứng nhiệt hạch
Ví dụ: , toả MeV, tức cỡ MeV trên mỗi nucleon, lớn hơn nhiều phân hạch tính trên mỗi nucleon (và trên mỗi đơn vị khối lượng nhiên liệu).
Phản ứng chỉ xảy ra khi các hạt nhân lại gần nhau cỡ m, thắng lực đẩy Coulomb, nên cần nhiệt độ cỡ hàng chục đến hàng trăm triệu độ. Mặt Trời và các ngôi sao tự duy trì nhờ nhiệt hạch ở lõi. Trên Trái Đất, nhiệt hạch có kiểm soát đang nghiên cứu (tokamak, laser); nhiên liệu deuterium có sẵn trong nước biển, ít chất thải phóng xạ hơn phân hạch.
Dùng khối lượng hạt nhân.
Chọn một phản ứng. Hai cột là tổng khối lượng trước và sau (chênh lệch được phóng to): cột trước cao hơn thì toả năng lượng, thấp hơn thì thu. ΔE = (M₀ − M)·931,5 MeV; thử đổi sang jun.
02Tóm tắt
- Bảo toàn: số nucleon , điện tích , động lượng, năng lượng toàn phần; khối lượng không bảo toàn.
- MeV: toả, thu.
- Phân hạch: MeV mỗi lần; dây chuyền khi . Nhiệt hạch D–T: MeV mỗi lần, cần nhiệt độ cực cao.
- Năng lượng của gam nhiên liệu: .
03Mở rộng
Neutron chậm. hấp thụ neutron chậm (nhiệt) dễ hơn nhiều neutron nhanh, vì vậy lò phản ứng dùng chất làm chậm (nước, graphite). Neutron phân hạch sinh ra là neutron nhanh.
Chất thải phóng xạ. Các mảnh phân hạch hầu hết là chất phóng xạ có chu kì bán rã từ giây đến hàng chục năm, cần xử lí và lưu giữ an toàn. Nhiệt hạch tạo ra rất ít chất thải tồn tại lâu.
