Lý thuyết và bài tập phản ứng phân hạch, nhiệt hạch ( hay, chi tiết) - HocVienKhoiNghiep.Edu.Vn
Rate this post
Cập nhật lúc : 19 : 51 04-08-2015 Mục tin : Vật lý lớp 12

Bài viết trình bày chi tiết định nghĩa và ứng dụng của các phản ứng phân hạch và nhiệt hạch cũng như những ví dụ minh họa để bạn đọc áp dụng giải nhanh các bài tập.

LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH, NHIỆT HẠCH

I. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH

Bạn đang đọc: Lý thuyết và bài tập phản ứng phân hạch, nhiệt hạch ( hay, chi tiết)

1. Khái niệm    

+ ) Là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron chậm vỡ thành hai hạt nhân trung bình đồng thời phóng ra 1 số ít nơtron và tỏa ra một nguồn năng lượng rất lớn ( khoảng chừng 200 MeV ) .+ ) Năng lượng tỏa ra dưới dạng động năng của những hạt .+ ) Các nguyên vật liệu hầu hết triển khai phản ứng nhiệt hạch là ( _ { 92 } ^ { 235 } textrm { U } ) và ( _ { 94 } ^ { 239 } textrm { Pu } )

2. Cơ chế của phản ứng phân hạch

Để phản ứng hoàn toàn có thể xảy ra được thì phải truyền cho hạt nhân mẹ X một nguồn năng lượng đủ lớn ( giá trị tối thiểu của nguồn năng lượng này gọi là nguồn năng lượng kích hoạt ) .Cách đơn thuần nhất để truyền nguồn năng lượng kích hoạt cho hạt nhân mẹ X là cho một nơtron bắn vào X để X bắt ( hoặc hấp thụ ) nơtron đó và chuyển sang trạng thái kích thích. Trạng thái này không bền và tác dụng xảy ra phân hạch theo sơ đồ ( n + X rightarrow X ^ { * } rightarrow Y + Z + kn )Như vậy quy trình phân hạch của hạt nhân X không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích .

Ví dụ: (_{0}^{1}textrm{n} +_{92}^{235}textrm{U} rightarrow _{92}^{236}textrm{U}rightarrow _{39}^{95}textrm{Y3} +_{5}^{138}textrm{I} +3_{0}^{1}textrm{n})

3. Đặc điểm

+ ) Sau mỗi phản ứng phân hạch đều có hơn 2 notron chậm được sinh ra .+ ) Phản ứng phân hạch tỏa nguồn năng lượng lớn, khoảng chừng 200 MeV .

4. Phản ứng dây chuyền

Các nơtron tạo thành sau phân hạch có động năng lớn ( nơtron nhanh ) thường bị U238 hấp thụ hết hoặc thoát ra ngoài khối Urani. Nếu chúng được làm chậm lại thì hoàn toàn có thể gây ra sự phân hạch tiếp theo cho những hạt U235 khác khiến cho sự phân hạch trở thành phản ứng dây chuyền sản xuất .Trên trong thực tiễn không phải mọi nơtron sinh ra đều hoàn toàn có thể gây ra sự phân hạch ( vì có nhiều nơ tron bị mất mát do bị hấp thụ bởi những tạp chất trong nguyên vật liệu, bị U238 hấp thụ mà không gây nên phân hạch, hoặc bay ra ngoài khối nguyên vật liệu … ). Vì vậy muốn có phản ứng dây chuyền sản xuất ta phải xét đến số nơtron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch .

Gọi k là số nơtron còn lại sau phân hạch liên tục được U235 hấp thụ .+ Nếu k > 1 : số phân hạch tăng lên rất nhanh với vận tốc k1, k2, k3 … Phản ứng dây chuyền sản xuất trở thành thác lũ không hề không chế. Hệ thống gọi là vượt hạn. Đây chính là chính sách nổ của bom nguyên tử .

+ Nếu k Hệ thống gọi là dưới hạn.

+ Nếu k = 1 : Phản ứng dây chuyền sản xuất hoàn toàn có thể khống chế. Hệ thống gọi là tới hạn. Đây chính là chính sách hoạt động giải trí của xí nghiệp sản xuất điện nguyên tử .Muốn k 1 thì khối lượng Urani hoặc Plutoni phải đạt đến một trị số tối thiểu gọi là khối lượng tới hạn mtHĐiều kiện để phản ứng dây chuyền sản xuất xảy ra là k 1 và m > mth .

5. Lò phản ứng hạt nhân

+ ) Là thiết bị để tạo ra những phản ứng phân hạch dây chuyền sản xuất tự duy trì và tinh chỉnh và điều khiển được .+ ) Nhiên liệu phân hạch trong những lò phản ứng hạt nhân thường là U235 hoặc Pu239 .+ ) Để bảo vệ cho k = 1 người ta dùng những thanh tinh chỉnh và điều khiển chứa Bo hay Cd, là những chất có công dụng hấp thụ nơtron ( khi số nơtron trong lò tăng lên quá nhiều thì người ta cho những thanh tinh chỉnh và điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nguyên vật liệu để hấp thụ số nơtron thừa ) .

+ ) Năng lượng tỏa ra từ lò phản ứng không đổi theo thời hạn .

Ví dụ 1: Nhà máy điện nguyên tử dùng U235 có công suất 600 MW hoạt động liên tục trong 1 năm. Cho biết 1 hạt nhân bị phân hạch toả ra năng lượng trung bình là 200 MeV, hiệu suất nhà máy là 20%

a) Tính lượng nhiên liệu cần cung cấp cho nhà máy trong 1 năm ?

b) Tính lượng dầu cần cung cấp cho nhà máy công suất như trên và có hiệu suất là 75%. Biết năng suất toả nhiệt của dầu là 3.107 J/kg. So sánh lượng dầu đó với urani ?

Hướng dẫn giải :

a) Vì H = 20% nên công suất urani cần cung cấp cho nhà máy là Pn = 100.P/20 = 5P

Năng lượng do nguyên vật liệu phân phối cho nhà máy sản xuất trong 1 năm là W = Pn. t = 365.6.108.24.3600 = 9,64. 1015J Số hạt nhân phân dã được nguồn năng lượng đó là N = W / 200.1,3. 10 — 13 = 2,96. 1026 hạt .Khối lượng U235 cung ứng cho nhà máy sản xuất là m = N.A / NA = 1153,7 kg .

b) Vì hiệu suất nhà máy là 75% nên có công suất 600 MW dầu có công suất P / = P/H = 4P/3.

Năng lượng dầu phân phối cho 1 năm là W / = Pn / t = ( 4.6.108 / 3 ). 24.3600.356 = 2,53. 1015 J .

Lượng dầu cần phân phối là m / = W / / 3.107 = 8,4. 107 kg = 84 000 tấn .Ta có ( frac { m ‘ } { m } = 7,2010 ^ { 5 } )

Ví dụ 2: Nhà máy điện nguyên tử dùng U235 có công suất 180 MW. Cho biết 1 hạt nhân bị phân hạch toả ra năng lượng trung bình là 200 MeV, hiệu suất nhà máy là 25% .

a ) Tính lượng nguyên vật liệu cần cung ứng cho nhà máy sản xuất trong 2 tháng ( 60 ngày ) ?b ) Tính lượng dầu cần cung ứng cho nhà máy sản xuất hiệu suất như trên và có hiệu suất là 40 %. Biết hiệu suất toả nhiệt của dầu là 3.107 J / kg. So sánh lượng dầu đó với urani ?

Đ/s: a) 4,55 kg.             b) 7776 tấn.

Ví dụ 3: Trong phản ứng vỡ hạt nhân urani U235 năng lượng trung bình toả ra khi phân chia một hạt nhân là 200 MeV. Một nhà máy điện nguyên tử dùng nguyên liệu urani, có công suất 500000 kW, hiệu suất là 20%. Lượng tiêu thụ hàng năm nhiên liệu urani là bao nhiêu?

Đ/s: 961 kg.

Ví dụ 4: Trong phản ứng vỡ hạt nhân urani U235 năng lượng trung bình toả ra khi phân chia một hạt nhân là 200 MeV. Một nhà máy điện nguyên tử dùng nguyên liệu urani, có công suất P, hiệu suất là 30%. Lượng tiêu thụ hàng năm nhiên liệu urani là 2500 kg. Tính P?

Ví dụ 5: Một nhà máy điện hạt nhân có công suất 200 kW, dùng năng lượng phân hạch U235, hiệu suất H = 20%. Mỗi hạt U235 phân hạch tỏa năng lượng là 200 MeV. Với 1 kg U235 thì nhà máy hoạt động được trong bao lâu?

Ví dụ 6: (_{92}^{235}textrm{U} +_{0}^{1}textrm{n} rightarrow _{42}^{95}textrm{Mo} +_{57}^{139}textrm{La} +2_{0}^{1}textrm{n}+7e^{-}) là một phản ứng phân hạch của Urani 235. Biết khối lượng hạt

nhân : mU = 234,99 u ; mM0 = 94,88 u ; mLa = 138,87 u ; mN = 1,0087 u. Cho hiệu suất toả nhiệt của xăng là 46.106 J / kg. Khối lượng xăng cần dùng để hoàn toàn có thể toả nguồn năng lượng tương tự với 1 gam U phân hạch ?

    A. 1616 kg                       B. 1717 kg                     C.1818 kg                       D.1919 kg

Tóm tắt                                                                                                     

mU = 234,99 umM0 = 94,88 umLa = 138,87 u235U mn = 1,0087 uq = 46.106 J / kg

Khối lượng xăng m ?Q. = E =>

Giải

Số hạt nhân nguyên tử 235U trong 1 gam vật chất U là : ( N = frac { m } { A }. N_ { A } = frac { 1 } { 235 }. 6,02. 10 ^ { 23 } = 2,5617. 10 ^ { 21 } ) hạtNăng lượng toả ra khi giải phóng trọn vẹn 1 hạt nhân phân hạch là :

ΔE = ( M0 – M ).c2 = ( mU + mn – mM0– mLa – 2mn ).c2 = 215,3403 MeV

Xem thêm: Công thức tính thể tích khối nón chuẩn kèm ví dụ dễ hiểu

Năng lượng khi 1 gam U phản ứng phân hạch :E = ΔE. N = 5,5164. 1023 MeV = 5,5164. 1023. 1,6. 10 – 3 J = 8,8262 JKhối lượng xăng cần dùng để có nguồn năng lượng tương tự ( m = frac { Q } { 46.10 ^ { 6 } } approx 1919 kg )

  Chọn đáp án D

Ví dụ 7: Biết U235 có thể bị phân hạch theo phản ứng sau :(_{0}^{1}textrm{n} +_{92}^{235}textrm{U}rightarrow _{53}^{139}textrm{I} +_{39}^{94}textrm{Y} +3_{0}^{1}textrm{n}). Khối lượng của các hạt tham gia phản ứng: mU = 234,99332u; mn = 1,0087u; mI = 138,8970u; mY = 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):

    A. 175,85MeV                                                B. 11,08.1012MeV            

    C. 5,45.1013MeV                                            D. 8,79.1012MeV

Hướng dẫn giải :Năng lượng tỏa ra sau mỗi phân hạch :ΔE = ( mU + mn – mI – mY – 3 mn ) c2 = 0,18878 uc2 = 175,84857 MeV = 175,85 MeVKhi 1 phân hạch kích thích bắt đầu sau 5 phân hach dây chuyền sản xuất số phân hạch xảy ra là1 + 2 + 4 + 8 + 16 = 31Do đó số phân hạch sau 5 phân hạch dây chuyền sản xuất từ 1010 phân hạch khởi đầu N = 31.1010Năng lượng tỏa ra E = N ΔE = 31.1010 x175, 85 = 5,45. 1013 MeV

Chọn đáp án C

III. PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

1) Khái niệm

Là phản ứng phối hợp hai hạt nhân rất nhẹ thành hạt nhân nặng hơn .

2) Đặc điểm

Tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa ra một năng lượng nhỏ hơn một phản ứng phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng lớn hơn phản ứng phân hạch.

Các phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng chừng 50 đến 100 triệu độ vì chỉ ở nhiệt độ cao những hạt nhân nhẹ mới thu được động năng đủ lớn thắng được lực đẩy Culông tiến lại gần nhau đến mức lực hạt nhân tính năng phối hợp chúng lại

→ điều kiện kèm theo để xảy ra phản ứng nhiệt hạch là nhiệt độ phải rất lớn ( lên đến hàng triệu độ ). Nguồn gốc nguồn năng lượng mặt trời và những sao là do phản ứng nhiệt hạch .Con người dã thực thi được hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng sự nổ của bom khinh khí .

2) Lí do để con người quan tâm nhiều đến phản ứng nhiệt hạch:

+ ) Có nguồn nguyên vật liệu vô tận, nước biển chứa 0,015 % là D2O hoàn toàn có thể điện phân lấy D .+ ) Phản ứng nhiệt hạch sạch hơn phản ứng phân hạch do không có những cặn bã phóng xạ .

Chú ý:

+ ) Năng lượng bức xạ mặt trời E = mc2, với m là khối lượng mặt trời giảm do bức xạ .+ ) Công suất bức xạ ( P = frac { E } { t } = frac { mc ^ { 2 } } { t } Rightarrow ) % m ( = frac { m } { M }. 100 ) %

III. BÀI TẬP TỰ LUYỆN

Câu 1. Hạt nhân nào sau đây không thể phân hạch ?

    A. (_{92}^{239}textrm{U})                       B.  (_{92}^{238}textrm{U})                      C.(_{6}^{12}textrm{C})                         D.(_{92}^{239}textrm{U})

Câu 2. Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về phản ứng phân hạch?

    A. Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó hạt nhân nặng vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn.

    B. Phản ứng phân hạch kích thích là phản ứng trong đó hạt nhân nặng hấp thụ một nơtron rồi chuyển sang trạng thái kích thích, sau đó vỡ thành hai mảnh nhẹ hơn và kèm một vài nơtron.

    C. Phản ứng phân hạch xảy ra khi hạt nhân nặng được truyền một năng lượng kích hoạt cỡ vài MeV

    D. Giống như phóng xạ, các sản phẩm sau phân hạch là hoàn toàn xác định.

Câu 3. Gọi k là số nơtron trung bình còn lại sau mỗi phân hạch, thì điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra là

    A. k B. k = 1.                    C. k > 1.                    D. k ≥ 1.

Câu 4. Hãy chọn câu sai. Những điều kiện cần phải có để tạo nên phản ứng hạt nhân dây chuyền là gì ?

    A. Sau mỗi lần phân hạch, số nơtron trung bình được giải phóng phải lớn hơn hoặc bằng 1 .

    B. Lượng nhiên liệu (urani, plutôni) phải đủ lớn (lớn hơn hoặc bằng khối lượng tới hạn) để tạo nên phản ứng dây chuyền.

    C. Phải có nguồn tạo ra nơtron.

    D. Nhiệt độ phải được đưa lên cao.

Câu 5. Chọn câu sai khi nói về phản ứng phân hạch ?

    A. Phản ứng phân hạch là phản ứng toả năng lượng.

    B. Phản ứng phân hạch là hiện tượng một hạt nhân nặng hấp thụ một notron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình

    C. Phản ứng phân hạch con người chưa thể kiểm soát được.

    D. Phản ứng phân hạch con người có thể kiểm soát được.

Câu 6. Hạt nhân hấp thụ một hạt notron sinh ra x hạt α, y hạt β– và một hạt và 4 hạt notron. Hỏi x, y có giá trị nào?

    A. x = 6, y = 1.           B. x = 7, y = 2.             C. x = 6, y = 2.          D. x = 2, y = 6.

Câu 7. Chọn câu sai. Phản ứng phân hạch dây chuyền

    A. là phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp do các hạt nhân nặng hập thụ các nơtron sinh ra từ các phân hạch trước đó.

    B. luôn kiểm soát được.

    C. xảy ra khi số nơtron trung bình nhận được sau mỗi phân hạch lớn hơn 1.

    D. xảy ra khi số nơtron trung bình nhận được sau mối phân hạch bằng 1.

Câu 8. Trong phản ứng phân hạch hạt nhân, những phần tử nào sau đây có đóng góp năng lượng lớn nhất khi xảy ra phản ứng ?

    A. Động năng của các nơtron.                     B. Động năng của các proton.

    C. Động năng của các hạt.                           D. Động năng của các electron.


Xem thêm: ✅ Công thức nguyên hàm ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

Tất cả nội dung bài viết. Các em hãy xem thêm và tải file chi tiết dưới đây:

Luyện Bài tập trắc nghiệm môn Vật lý lớp 12 – Xem ngay

Source: https://thcsbevandan.edu.vn
Category : Phương pháp học tập

Bình luận