Giải bài tập SGK Vật lý 12 Bài 39: Phản ứng nhiệt hạch

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

Phương pháp 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 đô phải đủ lớn.

Hướng dẫn giải

- Phản ứng kết hợp xảy ra ở nhiệt độ cao (vài trăm triệu độ ) để có thể thắng lực Coulomb

- Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong tự nhiên

- Nguồn gốc năng lượng mặt trời và các vì sao là các phản ứng nhiệt hạch

- Ví dụ: Phản ứng chu trình carbon – nitơ:

    4 H    →  2 He⁴  + 2 e⁺  +  26,8 MeV

- Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch khi cho nổ bom khinh khí ( bom H : chứa hỗn hợp D và T và được mồi bằng bom nguyên tử để tạo nhiệt độ trăm triệu độ )
- Các nhà khoa học đang tìm cách  kiểm soát, điều khiển phản ứng nhiệt hạch tốt hơn để cung cấp cho con người nguồn năng lượng vô tận và sạch hơn nhiều so với năng lượng nguyên tử. 

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.

Phương pháp giải

- Phản ứng nhiệt hạch:

+ Nhiên liệu có sẵn trong tự nhiên

+ Nhiệt độ rất cao

+ Năng lượng tỏa ra lớn

+ Không gây ô nhiễm môi trường

- Phản ứng phân hạch:

+ Nhiên liệu là các hạt nhân có số khối lớn hơn hoặc bằng 200

+ Nhiệt độ thực hiện ở mức trung bình

+ Năng lượng tỏa ra ỏ mức trung bình

+ Có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường

Hướng dẫn giải

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.

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.

\(\begin{array}{l} 1.\,{}_6^{12}C + ? \to {}_7^{13}N\\ 2.\,{}_7^{13}N \to {}_6^{13}C + ?\\ 3.\,{}_6^{13}C + ? \to {}_7^{14}N\\ 4.\,{}_7^{14}N + ? \to {}_8^{15}O\\ 5.\,{}_8^{15}O \to {}_7^{15}N + ?\\ 6.\,{}_7^{15}N + {}_1^1H \to {}_6^{12}C + ? \end{array}\)

Phương pháp giải

- Áp dụng định luật bảo toàn điện tích:

 \(\sum {{Z_{truoc\,pu}} = \sum {{Z_{sau\,pu}}} } \)

- Áp dụng định luật bảo toàn số nuclon:

 \(\sum {{A_{truoc\,pu\,}} = \sum {{A_{sau\,pu}}} } \)

Hướng dẫn giải

Các phản ứng tổng hợp:

\(\begin{array}{l} 1.\,{}_6^{12}C + {}_1^1H \to {}_7^{13}N\\ 2.\,{}_7^{13}N \to {}_6^{13}C + {}_1^0e\\ 3.\,{}_6^{13}C + {}_1^1H \to {}_7^{14}N\\ 4.\,{}_7^{14}N + {}_1^1H \to {}_8^{15}O\\ 5.\,{}_8^{15}O \to {}_7^{15}N + {}_1^0e\\ 6.\,{}_7^{15}N + {}_1^1H \to {}_6^{12}C + {}_2^4He \end{array}\)

Xét phản ứng:  \({}_1^2H + {}_1^2H \to {}_2^3He + {}_0^1n\)

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: \({}_1^2H = 2,0135u;{}_2^3He = 3,0149u;{}_0^1n = 1,0087u\)

Năng lượng tỏa ra khi đốt 1 kg than là 30000kJ.

Phương pháp giải

- Áp dụng công thức:

W = (m_H + m_H - m_He – m_n).c² để tính năng lượng tỏa ra.

- Áp dụng công thức: N = E/W để tính số hạt.

- Áp dụng công thức:

m = 2.N.A/N_A để tính khối lượng đơteri cần dùng.

Hướng dẫn giải

a) Năng lượng tỏa ra:

W = (m_H + m_H - m_He – m_n).c² 

    = (2,0135u + 2,0135u - 3,0149u - 1,0087u).c²

    = 3,4.10 - 3.u.c² = 3,4.10 - 3.931,5MeV = 3,1671 MeV

    = 3,1671.1,6.10^-13 J = 5,07.10^-13 (J)

b) Mỗi phản ứng cần 2 hạt \({}_1^2H\) và cho ra 1 hạt  \({}_2^3He\)

- Đốt 1 kg than cho năng lượng là:

E = 3.107J tương đương với năng lượng tỏa ra bởi N phản ứng

- Cần hết 2N hạt \({}_1^2H\) 

- Số hạt cần thiết là:

\( \Rightarrow N = \frac{{{{3.10}^7}}}{{{{5,07.10}^{ - 13}}}} = {5,917.10^{19}}\) (hạt)

- Khối lượng đơteri tổng cộng phải cần đến là:

\(m = \frac{{2.N.A}}{{{N_A}}} \)

⇒ \(m = \frac{{{{2.5,917.10}^{19}}.2}}{{{{6,02.10}^{23}}}} = {3,93.10^{ - 4}}g = {39,3.10^{ - 8}}\)( kg đơteri)