SGK Vật Lí 12 - Bài 39. Phản ứng nhiệt hạch

Phản úng nhiệt hạch
Trong bài trước đã xét một dạng phản ứng hạt nhân toả năng lượng quan trọng - phản ứng vỡ hạt nhân (phân hạch).
Trong bài này xét dạng phản ứng hạt nhân theo một quá trình ngược lại - quá trình tổng hợp hạt nhân.
I - cơ CHÊ CỦA PHẢN ÚNG NHIỆT HẠCH
Phản ứng nhiệt hạch là gì ?
Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Thường chi xét các hạt nhân có số A < 10. Ta lấy một ví dụ điển hình :
^H+ ?H -> ịHe+
Dễ dàng tính ra được phản ứng trên đây toả năng lượng-:
wtoả = 17,6 MeV/lhạt nhân.
... ....
RI Hãy tìm ra kết quả này dựa vào các
số liệu cho trong 2. Điều kiện thực hiện
bảng ở cuối sách.	,	,	...
a) Đẽ thực hiện được phản ứng nhiệt hạch trước hết phải biến đối hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma tạo bới các hạt nhân và các electron tự do (đưa nhiệt độ lên khoảng 104 độ). Sau đó cần phải tạo điều kiện để các hạt nhân ban đầu lại gần nhau, tiếp xúc nhau. Muốn vậy phải tăng tốc các hạt nhân đó đê chúng có động năng đủ lớn, thắng được lực đẩy Cu-lông (giữa hai hạt nhân tích điện dương). Khi khoảng cách hai hạt nhân ban đầu nhỏ đến cỡ 1 o-1-’’ m thì lực hạt nhàn phát huy tác dụng, vượt trội lực đẩy Cu-lông và xáy ra phản ứng nhiệt hạch. Người ta tính được rằng, để thực hiện được phản ứng nhiệt hạch phải cung cấp cho các hạt nhân ban đầu động năng vào cỡ 105 eV. Muốn vậy người ta đã dùng giải pháp tăng nhiệt độ của hỗn hợp plasma. Phép tính cho kết quả là nhiệt độ phải tàng lên đến cỡ 100 triệu độ.
b) Ngoài điều kiện nhiệt độ cao còn hai điều kiện nữa để cho phản ứng nhiệt hạch có thế xáy ra :
Mật độ hạt nhân trong plasma («) phải đủ lớn.
Thời gian duy trì trạng thái plasma (r) ở nhiệt độ cao (100 triệu độ) phải đủ lớn.
II - NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH
Năng lượng toả ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch.
Người ta chủ yếu quan tâm đến các phản ứng trong đó các hạt nhân hiđrô tổng hợp thành hạt nhân heli.
Ịh + Jh -> 2He
ỈH + ?H-> ^He
ỈH + ỈH-> ợHe .+ ịn
Các phép tính cho thấy rằng, năng lượng toả ra khi tổng hợp 1 g heli gấp 10 lần năng lượng toả ra khi phân hạch 1 g urani, gấp 85 lần năng lượng toả ra khi đốt 1 tấn than.
Ill	- PHẢN ÚNG NHIỆT HẠCH TRÊN TRÁI ĐẤT
Trên Trái Đất, loài người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H và đang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.
Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển
Hiện nay, trong các trung tâm nghiên cứu đều sử dụng đến phản ứng :
fH + ?H -> 2He + òn + 17-6 MeV
Phản ứng này dễ thực hiện một cách đơn lẻ như sau : cho triti ở thể khí bay bám vào một tấm đồng ; các hạt nhân đơteri được gia tốc đến 2 MeV đập vào tấm bia ấy. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt nơtron năng lượng xác định 14,1 MeV.
Nhưng muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch cho các hạt nhân và thì phải tiến hành hai việc :
Đưa tốc độ các hạt lên rất lớn. Việc này hiện nay có thế tiến hành theo ba cách :
Đưa nhiệt độ lên cao ;
Dùng các máy gia tốc ;
Dùng chùm laze cực mạnh.
“Giam hãm” các hạt nhân đó trong một phạm vi không gian nhỏ hẹp để chúng có thể gặp nhau (trong khoảng thời gian đủ lớn theo tiêu chuẩn Lo-xơn) và gây ra phản ứng nhiệt hạch. Việc “giam hãm” hỗn hợp (D, T/0 có thể tiến hành theo nhiều cách :
Hỗn hợp (D, T) đựng trong một hòn bi thuỷ tinh đường kính 100 pm. Rọi vào đó chùm tia laze cực mạnh có thể “châm ngòi” cho phản ứng nhiệt hạch.
“Giam hãm” bằng “bẫy từ” : Các hạt nhân D, T được đưa lên nhiệt độ cao (50-ỉ- 100 triệu độ) có động năng rất lớn. Người ta cho các hạt nhân D, T này (đều tích điện dương) chuyển động trong lòng một ống dây điện hình xuyến. Dưới tác dụng của từ trường ống dây, các hạt nhân D và T chỉ chuyển động ở khoảng giữa trong lòng ống dây, nghĩa là đã bị “giam hãm” trong một khoảng không gian nhỏ. Tại đó dưới tác dụng của những chùm tia laze cực mạnh có thế tạo ra các phản ứng nhiệt hạch. Thiết bị đó có tên là TOKAMAK.
Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
Thực tê chỉ quan tâm đến phàn ứng nhiệt hạch tạo nên heli:
]h +	I'—> ^He
+ *H -» jHe
-> 2He+o Thực ra đây là hỗn hợp các hạt nhân ^D, |T và các electron - thường gọi là plasma.
"
Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch :
- Nhiệt độ cao (50 -ỉ-100 triệu độ);
Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng cùa hầu hết các sao.
Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu việt không gây ô nhiễm (sạch) và nguyên liệu dổi dào sẽ là nguồn năng lượng cùa thê kỉ XXI.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
163C + ?-44N
ị4N + ?->g5O
g5O->ị5N + ?
ị5N +->g2C +?
Xét phản ứng
2H + 2H ->2*"*e + 0n
Xác định năng lượng toà ra bởi phản ứng đó (tính ra MeV và ra J).
Tính khối lượng đơteri cẩn thiết để có thể thu được năng lượng nhiệt hạch tương đương với năng lượng toả ra khi đốt 1 kg than.
Cho biết:	2H = 2,0135u
^He = 3,0149u 1on = 1,OO87u
Năng lượng toả ra khi đỗt 1 kg than là 30 000 kJ.
Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra.
So sánh (định tính) phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch về các đặc điểm:
nhiên liệu phản ứng ;
điểu kiện thực hiện;
năng lượng toả ra ứng với cùng một khối lượng nhiên liệu ;
ô nhiễm môi trường.
▼ '
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 trình CNO). Hãy hoàn chỉnh các phản ứng đó.
02C + ?-»ị3N
ị3N-»03C + ?