Giải Vật Lý 12 Bài 39. Phản ứng nhiệt hạch
Bài 39. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH KIẾN THỨC CẨN NẮM VỮNG Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân rất lớn. Ví dụ: Các phẳn ứng kết hợp các đồng vị nặng của hidrô là đêtơri 2 H và nitri ỉ H: ỈH + ỈH ỈHe + (ịn + 3,25MeV ỈH+ -]H-» 2Ỉỉe + ỏn + 17,6MeV Tuy một phản ứng kết hợp tỏa năng lượng bé hơn một phản ứng phân hạch, nhưng tính theo khôi lượng nhiên liệu thì phản ứng kết hợp tỏa năng lượng nhiều hơn. Điều kiện phản ứng nhiệt hạch xảy ra Các phản ứng kết hợp rất khó xảy ra vì các hạt nhân tích điện dương và đẩy nhau. Người ta phải tính ra rằng phải nâng nhiệt độ lên tới hàng trăm triệu độ thì các hạt nhân mới có động năng đủ lớn để thắng lực đẩy Culông và tiến gần nhau tới mức mà lực hạt nhân tác dụng kết hợp chúng lại. Chính vì vậy phản ứng kết hợp xảy ra ở nhiệt độ rất cao (nên mới gọi phản ứng nhiệt hạch). Những lí do cơ bản khiến con người quan tâm đến phản ứng nhiệt hạch + Năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng vô tận, vì năng lượng của phản ứng nhiệt hạch là đơnêri, triti có rất nhiều trên trái đất: trong nước thường của sông ngòi, đại dương... bao giờ cũng có lẫn 0,015% nước nặng (D2O) từ đó có thể lấy ra đơtêri, triti thì có thể thu được từ chất liti (3L1). + Về mặt sinh thái thì phản ứng nhiệt hạch cũng sạch hơn phản ứng phân hạch, vì ít có bức xạ làm ô nhiễm môi trường. HƯỚNG DẪN TRẢ LỜI CÂU HỎI VÀ GIẢI BÀI TẬP Bài 1. Hãy nêu các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra. Trả lời Để thực hiện được phản ứng nhiệt hạch thì cần phải tạo được nhiệt độ rất cao, vào cỡ 100 triệu độ; mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn và thời gian duy trì trạng thái plasma (T ) ở nhiệt độ 100 triệu độ phải đủ lớn. Bài 2. So sánh (định tính) phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch về các đặc điểm: Nhiên liệu phản ứng. Điều kiện thực hiện. Năng lượng tỏa ra ứng với cùng một lượng khối lượng nhiên liệu. Ô nhiễm môi trường. Trả lời Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng phân hạch Nhiên liệu phản ứng Nhiên liệu dồi dào, Đơtêri có sẵn trong tự nhiên, Triti dễ điều chế. Chủ yếu dùng 237U, 2,2 u, 23’Pu: ít có, không phổ biến. Điều kiện thực hiện Khó thực hiện vì cần nhiệt độ rất cao. Dùng nơtrôn kích thích, dễ thực hiện và kiểm soát được. Năng lượng tỏa ra Rất lớn. Nhỏ hơn. 0 nhiễm môi trường Không gây ô nhễm môi trường vì sản phẩm cuối cùng không có tính phóng xạ. Có thể gây ô nhiễm môi trường nếu không có những biện pháp chông rò rỉ phóng xạ. trình CNO). Hãy hoàn chỉnh các phản ứng đó: 1. l2C + ?-> 13 N 3. ,3C + ?-> '7N 5. 13C-> l3N + ? Bài 3. Trên một số’ sao, người ta tìm thấy các hạt nhân cacbon có vai trò xuất phát điểm của một chuỗi phản ứng tổng hợp (được gọi là chu '7N-> 13c + ? '7N + ?—> '*0 '75N + jH^ 12c + ? Trả lời Xét phản ứng: 12c + *x -> '73N Theo định luật bảo toàn số’ khối: 12 + A = 13 => A = 1. Theo định luật bảo toàn điện tích: 6 + Z = 7 => z = 1. Vậy Phản ứng đầy đủ: 'gC+jH—>'7N Xét phản ứng: '7N -> 13c + ịx Theo định luật bảo toàn sô’ khôi: 13 = A + 13 => A = 0. Theo định luật bảo toàn điện tích: 7 = 6 + Z=>Z=l. Vậy zXs°e. Phản ứng đầy đủ: '7N —> '^c + °e Xét phản ứng: 'gC+ zX —> '7N Theo định luật bảo toàn số khối: 13 = A + 14 => A = 1. Theo định luật bảo toàn điện tích: 6 = z + 7=>z=l. Vậy *XsjH. Phản ứng đầy đủ: '^c+ jH —> '7N Xét phản ứng: ',N + zX —> ’gO Theo định luật bảo toàn sô' khối: 14 + A = 15 => A = 1. Theo định luật bảo toàn điện tích: 7 + Z = 8 => z = 1. Vậy Phản ứng đầy đủ: ',N+ JH —> '|o Xét phản ứng: 'gC —> ',N + zX Theo định luật bảo toàn số’ khôi: 15 + A = 15 => A = 0. Theo định luật bảo toàn điện tích: 8 = 7 + Z=>Z = l. Vậy >’e'. Phản ứng đầy đủ: 'gC —> ',N + °e Xét phản ứng: '75N+ JH -> l2C+ *x Theo định luật bảo toàn số’ khối: 15 + 1 = 12 + A => A = 4. Theo định luật bảo toàn điện tích: 7 + l = 6 + Z=>Z = 2. Vậy *X=jH. Phản ứng đầy đủ: '7N + JH —>'gC+jHe Bài 4. Xét phản ứng: 2H+ 7H -» ọHe+ (Jn Xác định năng lượng tỏa ra bởi phản ứng đó (tính ra MeV và J). Tính khôi lượng đơteri cần thiết để có thể thu được năng lượng tổng hợp hạt nhân tương đương với năng lượng tỏa ra khi đốt Ikg than. Cho biết: |H = 2,0135u; Ịh = 3,0149u; (Jn = l,0087u. Năng lượng tỏa ra khi đốt Ikg than là 30000kJ. Trả lời Xác định năng lượng tỏa ra bởi phản ứng Khối lượng các hạt trước phản ứng: 2m( 2H) = 4,027u Khối lượng các hạt sau phản ứng: m(jH) + mn = 4,0236u. Năng lượng tỏa ra: E = (mt - ms)c2 = (4,027 - 4,0236).9,315 = 3,1671MeV. Tính theo đơn vị J: E = 3,1671.106.l,6.10“19 = 5,06736.10“13J. Số’ phản ứng cần thiết: = 5,92.1019 3.107 n = „ , 5,06736.10’3 Mỗi phản ứng cần 2 hạt nhân đơtêri nên khối lượng hạt nhân đơtêri cần dùng là: m = 2n.m(2H) (u) = 2n.m(2H).l,66055.10-27 (kg). m = 2.5,92.1019.2,0135.1,66055.10-27 = 3,956.10-7.