SGK Vật Lí 12 - Bài 38. Phản ứng phân hạch

  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 1
  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 2
  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 3
  • Bài 38. Phản ứng phân hạch trang 4
Phản úng phân hạch
Như trên đã nói, năng lượng của các phản ứng hạt nhân đã tạo nên một nguồn năng lượng mới cho nhân loại. Những phàn ứng hạt nhân nào đã được sử dụng ? Cách khai thác các nguồn năng lượng ấy ra sao ?
I - Cơ CHÊ CỦA PHẢN ÚNG PHÂN HẠCH
Phản ứng phân hạch là gì ?
Phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn. Hai mảnh này gọi là sản phẩm phân hạch hay “mảnh vỡ” của phân hạch. Phản ứng phân hạch tự phát cũng có thể xảy ra nhưng với xác suất rất nhỏ. Vì vậy ở đây ta chỉ quan tâm đến các phản ứng phân hạch kích thích.
RI	ra Quá trình phóng xạ a có phải
là phân hạch hay không ?
Phản ứng phân hạch kích thích
Chúng ta xét các phản ứng phân hạch của các hạt nhân :
235 n . 238tt . 239p 92 u	ỉ 92 u ỉ 94 ru
VÌ đó là những nhiên liệu cơ bản của công nghiệp năng lượng hạt nhân.
RE Tại sao không dùng prôtôn thay cho nơtron ?
Các nhà vật lí đã tính toán rằng để tạo nện phản ứng phân hạch của hạt nhân X phải truyền cho X một năng lượng đủ lớn - giá trị tối thiểu của năng lượng này được gọi là năng lượng kích hoạt, vào cỡ vài MeV. Phương pháp dễ nhất để truyền năng lượng kích hoạt cho hạt nhân X là cho một nơtron bắn vào X để X “bắt” nơtron đó. Khi “bắt” nơtron, hạt nhân X chuyển sang một trạng thái kích thích, kí hiệu X*. Trạng thái này không bền vững và kết quả xảy ra phân hạch.
Năng lượng giải phóng ngay khi phân hạch'
(trong 10-14 s)
. Động năng của các mảnh : 167 MeV
. Động năng của các nơtron : 5 MeV
. Động năng cùa các phôtôn : 6 MeV
Năng lượng toả ra do phóng xạ của các mảnh
. Động năng của các electron : 8 MeV
. Động năng của các Y: 6 MeV
. Động năng của các nơtrinô:12MeV
Tổng năng lượng toả ra
204 MeV
Hình 38.1
Sơ đồ phản ứng phân hạch
Bảng 38.1
/2 + X -> X* -» Y + z +.£/7	(£=1,2, 3)
Ta thấy khi phân hạch, hạt nhân X* vỡ thành hai mảnh kèm theo một vài nơtron phát ra.
Như vậy quá trình phân hạch của X là không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích X*.
II - NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH
Ta xét các phản ứng phân hạch j|5U sau đây làm một ví dụ điển hình :
1 □. ?35tt	236tt*	95v , 138t , ,1
q/2 + 92 u. -» 92 u -» 39Y + 53 I + 3q/2
Phản ứng phân hạch toả năng iượng
Các phép tính toán chứng tỏ rằng phản ứng phân hạch trên đây là phản ứng toả năng lượng, năng lượng đó được gọi là năng lượng phân hạch.
Cụ thể trong phản ứng vỡ urani trên đây, năng lượng toả ra xấp xỉ bằng 200 MeV đối với một hạt nhân urani phân hạch.
Tính toán cụ thể cho thấy, sự phân hạch của lg
235Ư
giải phóng một năng lượng bằng 8,5.IO10 J, tương đương với năng lượng của 8,5 tấn than hoặc 2 tấn dầu toả ra khi cháy hết.
Kềt quả nghiên cứu cho ta bảng phân bố của năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch của một hạt nhân urani tương ứng với các sản phẩm của phản ứng (Bảng 38.1).
Phản ứng phân hạch dây chuyền
Sự phân hạch của một hạt nhân 235u có kèm theo sự giải phóng 2,5 nơtron (tính trung bình) với năng lượng lớn ; đối với hạt nhân 239Pu, con số đó là 3.
Các nơtron này có thể kích thích các hạt nhân khác của chất phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mói. 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 nơtron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân Phân hạch là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân trung bình (kèm theo
u khác tạo nên những phân hạch mới. Sau n lần phân hạch liên tiếp, số nơtron giải phóng là kn và kích thích kn phân hạch mới.
Khi k < 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tắt nhanh.
Khi k ~ 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì và cồng suất phát ra không đổi theo thời gian.
Khi k > 1 phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, công suất phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ.
Muốn cho k > 1, khối lượng của chất phân hạch phải đủ lớn để số nơtron bị “bắt” nhỏ hơn nhiều so với số nơtron được giải phóng.
Khối lượng tối thiểu của chất phân hạch để phản ứng phân hạch dây chuyền duy trì được trong đó gọi là khối lượng tới hạn.
Với một vài nơtron phát ra).
 Phân hạch của 235u dưới tác dụng của một nơtron toả ra năng lượng vào cỡ 200 MeV và được duy trì theo quá trình dây chuyền (trong điều kiện khối lượng 235u đù lớn). Các
 sản phẩm của phân hạch là những hạt nhân chứa nhiều nơtron và phóng xạ p~.
u khối lượng tới hạn vào cỡ 15 kg, với Phản ứng phân hạch dây chuyền có điều khiển đưực tạo ra trong lò phản ứng.
Pu vào cỡ 5 kg.
Phản ứng phân hạch có điều khiển
Phản ứng phân hạch này được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng với trường hợp k= ì.
Để đảm bảo cho k= l, người ta dùng những thanh điều khiển có chứa bo hay cađimi.
Vì bo hay cađimi có tác dụng hấp thụ nơtron nên khi số nơtron tăng quá nhiều người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào trong lò để hấp thụ số nơtron thừa. Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng thường là 235u hay 239Pu.
Năng lượng toả ra từ lò phản ứng không đổi theo thời gian.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
gs
So sánh quá trình phóng xạ a và quá trình phân hạch.
'	, Wn, 1 ,	, t
Căn cứ vào độ lớn của chứng tỏ rằng, quá
trình phân hạch thường chỉ xảy ra đối với các hạt nhân có số nuclôn lớn hơn hay bằng 200.
▼
Chọn câu đúng.
Phẩn lớn năng lượng giải phóng trong phân hạch là
động năng các nơtron phát ra.
động năng các mảnh.
c. năng lượng toả ra do phóng xạ của các mảnh. D. năng lượng các phôtôn của tia Ỵ.
Hoàn chỉnh các phản ứng :
10n+^5U->|ỆY + ị40I+x(10n)
on + 925u ->?5Zn + 1528Te + x(10n)
Xét phản ứng phân hạch :
1 n ?351 I K 139 T , 94 V 0/1 n\
0 n + 92 u 53 1 + 39 Y + 3(ô rí) + Ỵ
Tính năng lượng toả ra khi phân hạch một hạt nhân 235u.
Cho biết: 235u = 234,99332 u 139I = 138,89700 u 94Y = 93,89014 u
Tính năng lượng toả ra khi phân hạch 1 kg 235u.
Cho rằng mỗi phân hạch toả ra năng lượng 200 MeV?