80 bài tập về phản ứng phân hạch. phản ứng nhiệt hạch (có đáp án năm 2023) - Vật lí 12

Kiến thức cần nhớ

I. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH

1. Cơ chế của phản ứng phân hạch

a. Phản ứng phân hạch là gì?

− Là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành 2 hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơtrôn phát ra).

b. Phản ứng phân hạch kích thích

−Chỉ xét các phản ứng phân hạch của các hạt nhân:  ${}_{92}^{235}U;{}_{92}^{238}U;{}_{94}^{239}Pu.$

 $n+X\underset{}{\overset{}{\to }}{X}^{*}\underset{}{\overset{}{\to }}Y+Z+kn\left(k=1,2,3\right)$

− Quá trình phân hạch của X là không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích X*.

2. Năng lượng phân hạch

− Xét các phản ứng phân hạch:

 ${}_0^{1}n{+}_{92}^{235}U{\to }_{92}^{236}U*{\to }_{39}^{95}Y{+}_{53}^{138}I+3_0^{1}n;{}_0^{1}n{+}_{92}^{235}U{\to }_{92}^{236}U*{\to }_{54}^{130}Xe{+}_{38}^{95}Sr+2_0^{1}n$

a. Phản ứng phân hạch toả năng lượng

− Phản ứng phân hạch ${}_{92}^{235}U$ là phản ứng phân hạch toả năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch.

− Mỗi phân hạch ${}_{92}^{235}U$  tỏa năng lượng 200 MeV.

b. Phản ứng phân hạch dây chuyền

− Giả sử sau mỗi phân hạch có k nơtrôn được giải phóng đến kích thích các hạt nhân ${}_{92}^{235}U$  tạo nên những phân hạch mới.

− Sau n lần phân hạch, số nơtrôn 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, năng lượng phát ra không đổi.

+ Khi k > 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, năng lượng phát ra tăng nhanh, có thể gây bùng nổ.

− Khối lượng tới hạn của ${}_{92}^{235}U$   vào cỡ 15kg, ${}_{94}^{239}Pu$  vào cỡ 5 kg.

c. Phản ứng phân hạch có điều khiển

− Được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng hường hợp k = 1.

− Để đảm bào cho k = 1, người ta dùng thanh điều khiển có chứa Bo hay cadimi.

− Năng lượng toả ra không đối theo thời gian.

II. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

1. Cơ chế của phản ứng tổng hợp hạt nhân

a. Phản ứng tổng hợp hạt nhân là gì?

− Là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ ( $A\le 10$ ) hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.${}_1^{2}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n$ . Phản ứng trên toả năng lượng: Q_tỏa = 17,6MeV

b. Điều kiện thực hiện

− Nhiệt độ từ 50 đến trăm triệu độ.

− Mật độ hạt nhân trong plasma (n) phải đủ lớn.

− Thời gian duy trì trạng thái plasma ( $\tau$) phải đủ lớn $n\tau \ge \left({10}^{14}÷{10}^{16}\right)\frac{s}{c{m}^3}$

2. Năng lượng tổng hợp hạt nhân

− Năng lượng toả ra bởi các phản ứng tổng hợp hạt nhân được gọi là năng lượng tổng hợp hạt nhân.

− Thực tế chi quan tâm đến phản ứng tổng hợp tạo nên hêli

 $$\begin{gathered} {}_1^{1}H{+}_1^{2}H{\to }_2^{3}He;{}_1^{1}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}He;{}_1^{2}H{+}_1^{2}He{\to }_2^{4}He{ \\ }_1^{2}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}HE{+}_0^{1}n;{}_1^{2}H{+}_3^{6}Li\to 2\left({}_2^{4}He\right) \end{gathered}$$

+ Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 (g) heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 (g) urani.

3. Phản ứng tổng hợp hạt nhân trên các sao trong vũ trụ

− Năng lượng phát ra từ Mặt Trời và từ hầu hết các sao trong vũ trụ đều có nguồn gốc là năng lượng tổng hợp hạt nhân.

− Quá trình tổng hợp Heli từ hiđrô:  $4_1^{1}H{\to }_2^{4}He+2_1^{0}e+2_0^{0}v+2\gamma$

Phản ứng trên xảy ra ở 30 triệu độ, năng lượng toả ra là 26,8 MeV.

4. Phản ứng tổng hợp hạt nhân trên Trái Đất

a. Phản ứng tổng hợp hạt nhân không điều khiển

Con người đã tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân khi thử bom H.

b. Phản ứng tổng hợp hạt nhân có điều khiển

− Hiện nay đã sử dụng đến phan ứng: ${}_1^{2}H{+}_1^{2}He{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n+17,6\left(MeV\right)$

− Cần tiến hành 2 việc:

+ Đưa vận tốc các hạt lên rất lớn (bằng nhiệt độ cao, hoặc dùng máy gia tốc, hoặc dùng chùm laze cực mạnh).

+ “Giam hãm” các hạt nhân đó trong một phạm vi nhỏ hẹp để chúng có thể gặp nhau.

c. Ưu việt của năng lượng tổng hợp hạt nhân

− So với năng lượng phân hạch, năng lượng tổng hợp hạt nhân ưu việt hơn:

+ Nhiên liệu dồi dào.

+ Không gây ô nhiễm môi trường.

* Lưu ý: Phóng xạ, phân hạch và nhiệt hạch là các phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng.

Các dạng bài tập về phản ứng phân hạch. phản ứng nhiệt hạch 

Dạng 1: Bài toán liên quan đến năng lượng phản ứng phân hạch

Năng lượng toàn phần do 1 phân hạch:  $\Delta E=\left(\sum m_t-\sum m_s\right)c^2>0$

Năng lượng toàn phần do N phân hạch:  $Q=N.\Delta E.$

$N=\frac{m\left(kg\right)}{0,235\left(kg\right)}{N}_A$ nên  $Q=\frac{m\left(kg\right)}{0,235\left(kg\right)}{N}_A\Delta E$

Nếu hiệu suất của quá trình sử dụng năng lượng là H thì năng lượng có ích và công suất có ích lần lượt là:  $\left\{\begin{array}{l}{A}_i=HQ=H\frac{m\left(kg\right)}{0,235\left(kg\right)}{N}_A\Delta E\\ P_i=\frac{A_i}{t}\end{array}\right.$

Dạng 2: Bài toán liên quan đến năng lượng phản ứng nhiệt hạch

1. Năng lượng phản ứng nhiệt hạch

2. Bức xạ năng lượng của mặt trời, các sao

Bài tập tự luyện có hướng dẫn