Phản ứng phân hạch là một trong những dạng bài thường gặp trong các bài thi THPT Quốc Gia. Những tổng hợp đầy đủ lý thuyết về phản ứng phân hạch là gì, cũng như những điều cần biết về phản ứng này để hỗ trợ củng cố kiến thức cho các em học sinh ở phần nội dung này.
Phản ứng phân hạch là gì?
Phản ứng phân hạch là phản ứng mà khi đó hạt nhân nặng và vỡ thành hai hạt nhân trung bình. Năng lượng mỗi phản ứng phân hạch sẽ làm tỏa ra ~200 MeV, phần lớn là động năng của các mảnh vỡ. Phản ứng phân hạch giúp tạo ra một số nơtron và các phôtôn.
Cơ chế của phản ứng phân hạch
Sự phân rã phóng xạ
Sự phân hạch hạt nhân có thể xảy ra mà không cần đến sự bắn phá nơtron, tương tự như một loại phân rã phóng xạ. Tuy nhiên, loại phân hạch này khá hiếm gặp, trừ một vài đồng vị nặng. Chúng còn được gọi với cái tên là sự phân hạch tự phát triển.
Phản ứng phân hạch hạt nhân
Cơ chế của phản ứng phân hạch là hạt nhân mẹ XX được truyền năng lượng đủ lớn (năng lượng kích hoạt). Để được truyền năng lượng kích hoạt đến hạt nhân mẹ thì phải có một nơtron bắn vào. Kết quả sẽ tạo ra hai hoặc nhiều hơn hạt nhân nhỏ hơn, đồng thời tạo ra vài notron.
Quá trình phân hạch hạt nhân XX không xảy ra trực tiếp, thay vào đó cần phải trải qua trạng thái kích thích.
Phản ứng phân hạch dây chuyền là gì?
Khái niệm
Phản ứng phân hạch dây chuyền là chuỗi những phản ứng mà trong đó sản phẩm hay sản phẩm phụ tạo ra là những tác nhân gây ra các phản ứng tiếp theo. Tùy theo khối lượng, trạng thái của vật liệu, cũng như trạng thái của môi trường mà phản ứng dây chuyền sẽ có thể duy trì ở các mức độ khác nhau.
Phân loại phản ứng phân hạch dây chuyền
Ta có thể lấy với sự phân hạch Uranium 235U dưới tác động của nơtron. Notron kết hợp với hạt nhân Uranium khiến cho nó bị vỡ tạo thành các hạt nhân con, cùng với đó là 2-3 notron mới.
Các notron thứ cấp này sẽ kết hợp tiếp với hạt nhân 235U mới và tạo ra các phản ứng phân hạch tiếp theo. Tùy vào mức độ thất thoát của các nơtron tạo ra mà phản ứng sẽ có mức độ khác nhau.
Trên thực tế, người ta sử dụng giá trị định lượng bởi số đặc trưng cho số nơtron trung bình gây ra phản ứng kế tiếp.
Giá trị này gọi là k, chính là hệ số nhân nơtron hiệu dụng.
- Với k>1: Sẽ khiến cho phản ứng dây chuyền bùng nổ, rất dễ mất kiểm soát. Đây là phản ứng được ứng dụng ở trong bom hạt nhân.
- Với k=1: Đây là phản ứng dây chuyền tự duy trì, được ứng dụng ở trong lò phản ứng hạt nhân.
- Với k<1: đây là phản ứng dây chuyền tự tắt
Ở phản ứng dây chuyền của 235U, xác suất norton gặp được hạt nhân 235U để gây ra phản ứng sẽ được phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: nhiệt độ, hình dạng, mật độ, khối lượng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết, môi trường xung quanh. Trong số đó thì khối lượng là yếu tố đóng vai trò quan trọng nhất, khối lượng tối thiểu để giúp duy trì phản ứng được gọi là khối lượng tới hạn.
Phản ứng phân hạch có điều khiển
Phản ứng dây chuyền với k = 1 được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân bởi vì đây là phản ứng phân hạch có điều khiển. Nhiên liệu phân hạch thông thường là 235U (Uranium) và 239Pu (Plutonium).
Để có thể kiểm soát k = 1, thường thì các nhà máy sẽ sử dụng thanh điều khiển có chứa Bo hay Cadimi để nhằm thực hiện hấp thụ bớt các notron thừa. Năng lượng phân hạch theo thời gian sẽ không đổi.
Xem thêm: Phản ứng nhiệt hạch là gì? Ứng dụng, ví dụ phản ứng nhiệt hạch
Ứng dụng phản ứng phân hạch và tác hại
Phản ứng phân hạch chính là những thành tựu khoa học quan trọng, mang ý nghĩa lớn đối với ngành công nghệ hạt nhân. Phản ứng này có lợi về mặt năng lượng, bởi chúng tạo ra nguồn năng lượng lớn mà hầu như không cần tốn năng lượng cung cấp cho notron ban đầu.
Ứng dụng của phản ứng phân hạch trong nhà máy điện hạt nhân
Đây được xem là ứng dụng quan trọng nhất của loại phản ứng phân hạch. Động năng của quá trình biến thành nhiệt năng, giúp thực hiện nung nóng các khối nhiên liệu.
Nhiệt năng giúp làm nóng dòng nước, tạo hơi nước quay tuabin máy phát điện. Nhiệt lượng khi phân hạch 1g nhiên liệu Uranium sẽ tương đương với nhiệt lượng đốt cháy 10 – 100 tấn than đá.
Với hơn 440 lò phản ứng hạt nhân ở 30 nước trên thế giới và vẫn đang tiếp tục xây thêm các lò phản ứng mới, giúp đóng góp 17% tổng điện năng toàn cầu thì ứng dụng của phản ứng hạt nhân là đặc biệt lớn đối với nhân loại.
Xem thêm: Phản ứng este hóa là gì? Đặc điểm, cách tính hiệu suất phản ứng este hóa
Tuy nhiên, nếu như mất kiểm soát khi sử dụng nguồn năng lượng này sẽ gây ra những hậu quả vô cùng thảm khốc. Đây chính là nguyên nhân của các thảm họa ở các nhà máy điện hạt nhân như: Three mile Irland (USA), Chernobyl (Ukraine) và Phu-ku-shi-ma (Nhật).
Như vậy, qua đây chúng ta đã trả lời được cho câu hỏi phản ứng phân hạch là gì, cũng như những điều cơ bản về phản ứng này. Hy vọng chúng sẽ hữu ích và giúp bạn hiểu rõ hơn về phản ứng này.
