Bài 38: Phản ứng phân hạch

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Cơ chế của phản ứng phân hạch

a. Phản ứng phân hạch là gì?

  • Phân hạch là sự vỡ của một hạt nhân nặng thành hai hạt nhân trung bình (kèm theo một vài nơron phát ra).

b. Phản ứng phân hạch kích thích

  • Để có phản ứng phân hạch xảy ra phải cho một nơron bắn vào hạt nhân X, đưa hạt nhân X lên trạng thái kích thích X* từ đó X* bị vở thành hai hạt nhỏ trung bình kèm theo một vài nơron phát ra:

n + X → X* → Y + Z + kn

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

2.2. Năng lượng phân hạch

  • Xét các phản ứng phân hạch:

\(_{0}^{1}\textrm{n}+_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{92}^{236}\textrm{U*}\rightarrow _{39}^{95}\textrm{Y}+_{53}^{138}\textrm{I}+3_{0}^{1}\textrm{n}\)

\(_{0}^{1}\textrm{n}+_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{92}^{236}\textrm{U*}\rightarrow _{38}^{95}\textrm{Xe}+_{39}^{95}\textrm{Sr}+2_{0}^{1}\textrm{n}\)

a. Phản ứng phân hạch toả năng lượng

  • Phản ứng phân hạch \(_{92}^{235}\textrm{U}\) là phản ứng toả năng lượng, năng lượng đó gọi là năng lượng phân hạch.
  • Mỗi phân hạch \(_{92}^{235}\textrm{U}\) tỏa năng lượng xấp xĩ 210 MeV.

b. Phản ứng phân hạch dây chuyền

  • Phản ứng phân hạch dây chuyền
    • Sự phân hạch của \(_{92}^{235}\textrm{U}\) có kèm theo sự giải phóng 2,5 nơtron (tính trung bình) với năng lượng lớn. Các nơtron này kích thích hạt nhân khác của chất phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mới.
    • Kết quả là các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo thành một phản ứng dây chuyền.
  • Điều kiện phản ứng dây chuyền xảy ra
    • Giả sử sau một lần phân hạch, có k nơtron được giải phóng đến kích thích các hạt nhân \(_{92}^{235}\textrm{U}\) khác tạo nên những 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 nên bùng nổ.
    • Để k ≥ 1 khối lượng của chất phân hạch phải đạt đến một giá trị tối thiểu nào đó gọi là khối lượng tới hạn. Khối lượng tới hạn của \(_{92}^{235}\textrm{U}\) vào cỡ 15kg, của \(_{94}^{239}\textrm{U}\) vào cỡ 5kg.

c. Phản ứng phân hạch có điều khiển

  • Được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân, tương ứng trường hợp k = 1.
  • Dùng các thanh điều khiển có chứa bo hay cađimi hấp thụ các nơron thừa để đảm bảo k = 1.
  • Nhiên liệu phân hạch trong các lò phản ứng thường là \(_{94}^{239}\textrm{U}\) hay \(_{92}^{235}\textrm{U}\).
  • Năng lượng toả ra từ lò phản ứng không đổi theo thời gian.

Bài tập minh họa



Bài 1:

\(_{0}^{1}\textrm{n}+_{92}^{235}\textrm{U}\rightarrow _{42}^{95}\textrm{Mo}+ _{57}^{139}\textrm{La}+_{39}^{95}\textrm{Sr}+2_{0}^{1}\textrm{n}+7e^{-}\) là một phản ứng phân hạch của Urani 235.

Biết khối lượng hạt nhân : \(m_U\) = 234,99 u ; \(m_{Mo}\) = 94,88 u ; \(m_{La}\) = 138,87 u ; \(m_n\) = 1,0087 u.Cho năng suất toả nhiệt của xăng là 46.106 J/kg .

Năng lượng khi 1 gam U phản ứng phân hạch là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

  • Số hạt nhân nguyên tử \(_{}^{235}\textrm{U}\) trong 1 gam vật chất U là :

\(N=\frac{m}{A}.N_A=\frac{1}{235}.6,02^{23}=2,5617.10^{21}\) hạt.

  • Năng lượng toả ra khi giải phóng hoàn toàn 1 hạt nhân \(_{}^{235}\textrm{U}\): \(m_n\) = 1,0087 u

\(\Delta E=(M_0-M).c^2=(m_U+m_n-m_{Mo}-m_{La}-2m_n).c^2=215,3403.MeV\)

  • Năng lượng khi 1 gam U phản ứng phân hạch :

\(E=\Delta E.N =5,5164.10^{23}.MeV=5,5164.10^{23}.1,6.10^{-3}J=8,8262J\)