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 + ?
PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH
1. Phản ứng nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn.
2. Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch gọi là năng lượng nhiệt hạch. Năng lượng nhiệt hạch lớn hơn nhiều năng lượng phân hạch.
Người ta chủ yếu quan tâm đến các phản ứng nhiệt hạch tạo nên heli.
\[ _{1}^{1}\textrm{H}\] + \[ _{1}^{2}\textrm{H}\] → \[ _{2}^{3}\textrm{He}\]
\[ _{1}^{2}\textrm{H}\] + \[ _{1}^{2}\textrm{H}\] → \[ _{2}^{4}\textrm{He}\]
\[ _{1}^{2}\textrm{H}\] + \[ _{1}^{3}\textrm{H}\] → \[ _{2}^{4}\textrm{He}\] + \[ _{0}^{1}\textrm{n}\]
3. Điều kiện để thực hiện phản ứng nhiệt hạch :
- Nhiệt độ cao [50 triệu đến 100 triệu độ].
- Mật độ hạt nhân trong plasma phải đủ lớn.
- Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ cao phải đủ lớn.
4. Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của hầu hết vì sao.
5. Năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất, với những ưu việt không gây ô nhiễm [sạch] và nguyên liệu dồi dào, sẽ là nguồn năng lương của thế kỉ XXI.
Loigiaihay.com
09:38:5706/08/2020
Vậy phản ứng nhiệt hạch là gì? cơ chế của phản ứng nhiệt hạch ra sao? điều kiện để thực hiện phản ứng nhiệt hạch như thế nào? Đặc trưng của phản ứng nhiệt hạch là gì và phản ứng nhiệt hạch có ứng dụng gì? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.
I. Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch
1. 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.
* Ví dụ điển hình:
- Năng lượng tỏa ra trong mỗi phản ứng trên là: Wtỏa = 17,6 MeV/1hạt nhân.
2. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch
- 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 [n] phải đủ lớn
- Thời gian duy trì trạng thái plasma [
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 hêli.
- Các phép tính cho thấy rằng: Năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 g heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 g urani, gấp 85 lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1 tấn than.
III. Phản ứng nhiệt hạch trên trái đất
1. 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.
2. Phản ứng nhiện hạch có điều khiển
• Hiện nay, các trung tâm nghiên cứu đều sử dụng đến phản ứng:
• 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.
• Muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch cho các hạt nhân
a] Đưa tốc độ các hạt lên rất lớn bằng 3 cách sau:
- Đưa nhiệt độ lên cao;
- Dùng các máy gia tốc;
- Dùng chùm laze cực mạnh.
b] "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.
• Năng lượng nhiệt hạch là nguồn gốc năng lượng của 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.
IV. Bài tập về phản ứng nhiệt hạch
* Bài 1 trang 203 SGK Vật Lý 12: Hãy nêu lên các điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra.
° Lời giải:
• Điều kiện để phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra là:
- 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.
* Bài 2 trang 203 SGK Vật Lý 12: 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.
° Lời giải:
• So sánh [định tính] phản ứng nhiệt hạch và phản ứng phân hạch
* Với phản ứng nhiệt hạch ta thấy:
a] Nhiên liệu cho phản ứng dồi dào, Deteri có sẵn trong thiên nhiên, tức dễ dàng điều chế.
b] Điều kiện thực hiện khó khăn hơn: nhiệt độ rất cao.
c] Năng lượng tỏa ra với cùng một khối lượng nhiên liệu thì lớn hơn: năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1g heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1g Urani.
d] Ô nhiễm môi trường tái sản phẩm cuối cùng của phản ứng nhiệt hạch không có tính phóng xạ nên không gây ô nhiễm mỗi trường.
* Bài 3 trang 203 SGK Vật Lý 12: 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.
° Lời giải:
• Các loại phản ứng tổng hợp:
* Bài 4 trang 203 SGK Vật Lý 12: Xét phản ứng:
a] Xác định năng lượng tỏa ra bởi phản ứng đó [tính ra MeV và ra J]
b] Tính khối lượng đơteri cần thiết để có thể thu được năng lượng nhiệt hạch tương đương với năng lượng tỏa ra khi đốt 1 kg than.
Cho biết:
Năng lượng tỏa ra khi đốt 1 kg than là 30000kJ.
° Lời giải:
a] Năng lượng tỏa ra:
Wtỏa = [mH + mH - mHe – mn].c2 = [2,0135u + 2,0135u - 3,0149u - 1,0087u].c2
Wtỏa = 3,4.10-3.u.c2 = 3,4.10-3.931,5MeV = 3,1671 MeV
Wtỏa = 3,1671.1,6.10-13 J = 5,07.10-13 [J]
b] Mỗi phản ứng cần 2 hạt
- Đốt 1 kg than cho năng lượng là: E = 3.107J tương đương với năng lượng tỏa ra bởi N hạt
- Mỗi phản ứng cần 2 hạt nhân
NH = 2N = 2.5,917.1019 = 1,1834.1020.
⇒ Khối lượng hạt nhân
[*Lưu ý: Công thức liên hệ giữa khối lượng và số hạt:
→ Với nội dung về phản ứng nhiệt hạch, cơ chế của phản ứng nhiệt hạch các em cần nhớ được điều kiện của phản ứng nhiệt hạch, đặc trưng của phản ứng nhiệt hạch là cần điều kiện nhiệt độ rất lớn [100 triệu độ].
Hy vọng với bài viết Phản ứng nhiệt hạch là gì? Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch ở trên giúp ích cho các em. Mọi góp ý và thắc mắc các em vui lòng để lại bình luận dưới bài viết để HayHocHoi.Vn ghi nhận và hỗ trợ, chúc các em học tập tốt
¤ Xem thêm các bài viết khác tại:
» Muc lục SGK Hóa học 12 Lý thuyết và Bài tập
» Mục lục SGK Vật lý 12 Lý thuyết và Bài tập