Lý 12 Bài 38: 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*.

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.

Xét phản ứng phân hạch:

\(_{0}^{1}\textrm{n}\) +  →  +  + 3 + ɣ

Tính năng lượng toả ra khi phân hạch một hạt nhân \({}^{235}\textrm{U}\)

Cho biết \({}^{235}\textrm{U} = 234,99332 u\)

\({}^{139}\textrm{I} =138,89700 u\)     

\({}^{94}\textrm{Y} = 93,89014 u\)

Hướng dẫn giải

Ta có phản ứng phân hạch:

 +  →  +  + 3 + ɣ

Dựa vào công thức tính năng lượng toả ra khi phân hạch một hạt nhân:

\({\rm{W}} = {\rm{[}}{m_{truoc}} - {m_{sau}}{\rm{]}}{c^2} = {\rm{[(}}{m_n} + {m_U}) - ({m_I} + {m_Y} + 3{m_n}){\rm{]}}{c^2}\)

⇔ [(1,00866 u + 234,99332u) – (138,897u + 93,89014u + 3.1,00866u)]c² = 0,18886uc²= 0,18886.931,5 = 175,923 MeV

Vậy, năng lượng toả ra khi phân hạch một hạt nhân \({}^{235}\textrm{U}\) là 175,923 MeV

Hoàn chỉnh các phản ứng:

\(_{0}^{1}\textrm{n}\) + \(_{92}^{235}\textrm{U}\) → \(_{39}^{94}\textrm{Y}\) + \(_{?}^{140}\textrm{I}\) + \(x({}_0^1n)\)

\({}_0^1n\) + \({}_{92}^{235}U\) → \({}_{?}^{95}Zn\) + \({}_{52}^{138}Te\) + \(x({}_0^1n)\)

Hướng dẫn giải

Xét phản ứng:

\({}_0^1n\) + \({}_{92}^{235}U\) → \({}_{?}^{95}Zn\) + \({}_{52}^{138}Te\) + \(x({}_0^1n)\)

• Theo định luật bảo toàn điện tích: 0 + 92 = Z + 52 → Z = 40
• Theo định luật bảo toàn số nuclon: 1 + 235 = 95 + 138 + x ⇒ x = 3

⇒ Phản ứng hoàn thành là:

\({}_0^1n\) + \({}_{92}^{235}U\) → \({}_{40}^{95}Zn\) + \({}_{52}^{138}Te\) + \(3({}_0^1n)\)

Xét phản ứng:

\(_{0}^{1}\textrm{n}\) + \(_{92}^{235}\textrm{U}\) → \(_{39}^{94}\textrm{Y}\) + \(_{?}^{140}\textrm{I}\) + \(x({}_0^1n)\)

• Theo định luật bảo toàn điện tích: 0 + 92 = 39 + Z → Z = 53
• Theo định luật bảo toàn số nuclon: 1 + 235 = 94 + 140 + 1X → X = 2

⇒ Phản ứng hoàn thành là:

\(_{0}^{1}\textrm{n}\) + \(_{92}^{235}\textrm{U}\) → \(_{39}^{94}\textrm{Y}\) + \(_{53}^{140}\textrm{I}\) + \(2({}_0^1n)\)

Câu 1: Trong phản ứng vỡ hạt nhân urani \(_{92}^{235}U\) , năng lượng trung bình tỏa ra trong mỗi phân hạch là E = 200 MeV. Biết số Avôgađrô NA = 6,022.10²³ mol^-1. Một nhà máy điện nguyên tử có công suất 5000 MW, hiệu suất 25%, lượng nhiên liệu urani nhà máy tiêu thụ hàng năm là:

Câu 2: Một phản ứng phân hạch:

\(_{92}^{235}U + _0^1n \to _{41}^{93}Nb + _{58}^{140}Ce + 3_0^1n + 7_{ - 1}^0e \)

- Biết năng lượng liên kết riêng của \(_{92}^{235}U\), \(_{41}^{93}Nb \), \(_{58}^{140}Ce \) lần lượt là 7,7 MeV ; 8,7 MeV ; 8,45 MeV. Năng lượng tỏa ra trong phản ứng l

Câu 3: Biết U235 có thể bị phân hạch theo phản ứng sau:

\(_{92}^{235}U + _0^1n \to _{53}^{139}I + _{39}^{94}Y + 3_0^1n \)

- Khối lượng của các hạt tham gia phản ứng:

   m_U = 234,99332u; m_n = 1,0087u; m_I = 138,8970u; m_Y = 93,89014u; 1uc² = 931,5MeV.

- Nếu có một lượng hạt nhân U235 đủ nhiều, giả sử ban đầu ta kích thích cho 1010 hạt U235 phân hạch theo phương trình trên và sau đó phản ứng dây chuyền xảy ra trong khối hạt nhân đó với hệ số nhân nơtrôn là k = 2. Coi phản ứng không phóng xạ gamma. Năng lượng toả ra sau 5 phân hạch dây chuyền đầu tiên (kể cả phân hạch kích thích ban đầu):

Câu 4: Trong phản ứng dây chuyền của hạt nhân U235, phản ứng thứ nhất có 100 hạt nhân U235 bị phân rã và hệ số nhân notron là k = 1,6. Tính tổng số hạt nhân bị phân rã đến phản ứng thứ 101.

Câu 1:Trong phản ứng phân hạch urani \(_{92}^{235}U\) , năng lượng trung bình tỏa ra khi một hạt nhân bị phân hạch là 200 MeV. Khi 1 kg \(_{92}^{235}U\) phân hạch hoàn toàn thì tỏa ra năng lượng là:

A. 8,21.10¹³ J      B. 4,11.10¹³ J

C. 5,25.10¹³ J      D. 6,23.10²¹ J

Câu 2: Phản ứng phân hạch \(_{92}^{235}U\) không có đặc điểm

A. số nơtron tạo ra sau phản ứng nhiều hơn nơtron bị hấp thụ

B. phản ứng tỏa năng lượng

C. có thể xảy ra theo kiểu phản ứng dây truyền

D. có 2 đến 3 proton sinh ra sau mỗi phản ứng

Câu 3: Vật liệu có thể đóng vào trò “chất làm chậm” tốt nhất đối với nơtron là:

A. kim loại nặng

B. than chì

C. khí kém

D. bê tông

Câu 4: Tìm phát biểu sai. Phản ứng phân hạch \(_{92}^{235}U\) có đặc điểm:

A. số nơtron tạo ra sau phản ứng nhiều hơn nơtron bị hấp thụ

B. phản ứng tỏa năng lượng

C. xảy ra theo phản ứng dây chuyền nếu có một lượng \(_{92}^{235}U\) đủ lớn

D. quá trình phân hạch là do proton bắn phá hạt nhân urani

Qua bài này, các em sẽ được làm quen với các kiến thức liên quan đến Phản ứng phân hạch cùng với các bài tập liên quan theo nhiều cấp độ từ dễ đến khó…, các em cần phải nắm được : 

• Nêu được phản ứng phân hạch là gì.

• Giải thích được (một cách định tính) phản ứng phân hạch là phản ứng hạt nhân toả năng lượng.

• Lí giải được sự tạo thành phản ứng dây chuyền và nêu điều kiện để có phản ứng dây chuyền.

• Vận dụng được phản ứng để giải một số bài tập