Vật lý 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

a. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

• Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.

\(_{1}^{2}H + \ _{1}^{3}H \rightarrow \ _{2}^{4}He + \ _{0}^{1}n\)

• Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng này vào khoảng 17,6 MeV.

b. Điều kiện thực hiện

• Phải biến đổi hỗn hợp nhiên liệu chuyển sang trạng thái plasma tạo bởi các hạt nhân và các electron tự do.

• Phải đưa nhiệt độ của trạng thái plasma lên rất cao (nhiệt độ cao khoảng 100 triệu độ).

• Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.

• Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao 100 triệu độ phải đủ lớn.

- 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 hêli.

\(_{1}^{1}H + \ _{1}^{3}H \rightarrow \ _{2}^{4}He\)

\(_{1}^{2}H + \ _{1}^{2}H \rightarrow \ _{2}^{4}He\)

\(_{1}^{2}H + \ _{1}^{3}H \rightarrow \ _{2}^{4}He+_{0}^{1}\textrm{n}\)

- Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của Mặt Trời và hầu hết các sao.

- Những ưu việt của năng lượng nhiệt hạch:

• Năng lượng toả ra trong phản ứng nhiệt hạch rất lớn. 

• Nguồn nhiên liệu nhiệt hạch có trong thiên nhiên dồi dào gần như là vô tận.

• Chất thải từ phản ứng nhiệt hạch không làm 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 chi trình CNO). Hãy hoàn chỉnh các phản ứng đó.

\({}_6^{12}C\) + ? → \({}_7^{13}N\)

Hướng dẫn giải

Xét phản ứng 6:

\({}_7^{15}N\) + \({}_1^{1}H\) → \({}_6^{12}C\) + G

• Theo định luật bảo toàn điện tích: 7 + 1 = 6 + Z → Z = 2.
• Theo định luật bảo toàn số nuclon: 15 + 1 = 12 + A → A = 4.

⇒ G là \({}_2^{4}He\)

Vậy, phương trình phản ứng là:

\({}_7^{15}N\) + \({}_1^{1}H\) → \({}_6^{12}C\) + \({}_2^{4}He\)

Xét phản ứng.

\(_{1}^{2}\textrm{H}\) +  →  + 

Xác định năng lượng tỏa ra bởi phản ứng đó (tính ra MeV và ra J)

Hướng dẫn giải

Áp dụng công thức tính W_toả = \(({m_H} + {m_H} - {m_e} - {m_n})\)

\( Wtỏa = (2,0135u + 2,0135u - 3,0149u - 1,0087u).{c^2}\\ = 0,0034.u.{c^2} = 3,1671MeV = 3,1671.1,{6.10^{ - 13}} = 5,{07.10^{ - 13}}(J)\)

Câu 1: Cho phản ứng hạt nhân: \(_1^2D + _1^2D \to _2^3He + _0^1n \)

- Biết độ hụt khối của \(_1^2D \) là Δm_D = 0,0024u, Δm_He = 0,0505u và 1u = 931,5Mev/c², N_A = 6,022.10²³ mol^-1.

- Nước trong tự nhiên có chứa 0,015% H₂O, nếu toàn bộ \(_1^2D \) được tách ra từ 1kg nước làm nhiên liệu dùng cho phản ứng trên thì toả ra năng lượng là:

Câu 2: Tính năng lượng tỏa ra khi hai hạt nhân \(_1^2D \) tổng hợp thành hạt nhân \(_2^4He \) Biết năng lượng liên kết riêng của hạt nhân \(_1^2D \) là 1,1 MeV/nuclôn và của \(_2^4He \) là 7 MeV/nuclôn.

Câu 3: Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra.

Câu 4: So sánh (định tính) phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch về các đặc điểm:

a) nhiên liệu phản ứng

b) điều kiện thực hiện

c) năng lượng tỏa ra ứng với cùng một khối lượng nhiên liệu

d) ô nhiễm môi trường

Câu 1: Gọi Q₁ nhiệt độ tỏa ra khi thực hiện phản ứng nhiệt hạch của m kg nhiên liệu nhiệt hạch, Q₂ là nhiệt lượng tỏa ra khi thực hiện phản ứng phân hạch của m kg nhiên liệu phân hạch . Kết luận nào sau đây là đúng khi so sánh Q₁ và Q₂.

A. Q₁ = Q2      B. Q₁ > Q₂

C. Q₁ < Q2      D. Q₁ = ½ Q₂

Câu 2: Để thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân, cần điều kiện nhiệt độ cao hàng chục triệu độ để:

A. các hạt nhân có động năng lớn, thắng lực đẩy Cu– lông giữa chúng.

B. các hạt nhân có động năng lơn, thắng lực hấp dẫn giữa chúng.

C. các êlectron bứt khỏi nguyên tử

D. phá vỡ hạt nhân của các nguyên tử để chúng thực hiện phản ứng.

Câu 3: Tìm phát biểu sai khi nói về phản ứng nhiệt hạch:

A. Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng hạt nhân do sự kết hợp của hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn

B. Phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng nhỏ hơn nhiều so với phản ứng phân hạch.

C. Phản ứng nhiệt hạch là nguồn năng lượng chính của Mặt Trời.

D. Sự nổ của bôm khinh khí là phản ứng nhiệt hạch kiểm soát được.

Câu 4: Tìm phát biểu sai. Điều kiện để thực hiện phản ứng tổng hợp hạt nhân là:

A. nhiệt độ cao tới hàng chục triệu độ

B. thời gian duy trì nhiệt độ cao phải đủ lớn

C. mật độ hạt nhân phải đủ lớn

D. khối lượng các hạt nhân phải đạt khối lượng tới hạn

Câu 5: So với phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp hạt nhân có ưu điểm là:

A. tạo ra năng lượng lớn hơn nhiều lần với cùng một khối lượng tham gia phản ứng

B. nguồn nhiên liệu có nhiều trong tự nhiên

C. ít gây ô nhiễm môi trường

D. cả A, B và C

Qua bài giảng Phản ứng nhiệt hạch này, các em cần hoàn thành 1 số mục tiêu mà bài đưa ra như : 

• Nêu được phản ứng nhiệt hạch là gì và giải thích được (một cách định tính) phản ứng nhiệt hạch là phản ứng toả năng lượng.

• Nêu được các điều kiện để tạo ra phản ứng nhiệt hạch.

• Nêu được những ưu việt của năng lượng nhiệt hạch.