Phản Ứng Phân Hạch Là Gì? Cơ Chế, Đặc Điểm, Điều Kiện

1. Phản ứng phân hạch là gì?

Theo kiến thức trong chương trình Vật Lý 12, phản ứng phân hạch là phản ứng mà khi đó hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân trung bình. Năng lượng của mỗi phản ứng phân hạch tỏa ra ~200 MeV, trong đó phần lớn chính là động năng của các mảnh vỡ. Phản ứng phân hạch tạo ra một số nơtron và các phôtôn.

2. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

Là phản ứng tổng hợp hạt nhân nặng từ 2 hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch và nhiệt hạch khác nhau vì phản ứng nhiệt hạch thường sản sinh ra nhiệt lượng lớn hơn phản ứng phân hạch, tuy nhiên chúng vẫn cần phải có các điều kiện cần thiết thì mới có thể xảy ra được.

Phương trình phản ứng nhiệt hạch được viết như sau:

3. Cơ chế của phản ứng phân hạch

Muốn xảy ra phản ứng phân hạch thì cần phải truyền cho hạt nhân mẹ XX năng lượng đủ lớn (giá trị tối thiểu của loại năng lượng này chính là năng lượng kích hoạt).

Để có thể truyền năng lượng kích hoạt đến hạt nhân mẹ XX thì đó phải là một nơtron bắn vào XX để XX hấp thụ nơtron rồi chuyển sang trạng thái kích thích. Trạng thái này thường không bền và cho kết quả theo sơ đồ n + X → X∗ → Y + Z + kn

Vậy nên quá trình phân hạch hạt nhân XX không xảy ra trực tiếp mà cần phải qua trạng thái kích thích.

4. Đặc điểm của phản ứng phân hạch

4.1. Phản ứng phân hạch kích thích

Để có phản ứng phân hạch thì cần cho 1 nơron bắn vào hạt nhân X, đưa hạt nhân X thành trạng thái kích thích X* từ đó X* vỡ thành 2 hạt nhỏ trung bình có kèm theo vài nơron phát ra:

n + X → X* → Y + Z + kn

Vậy nên quá trình phân hạch của X không diễn ra trực tiếp mà phải trải qua trạng thái kích thích X*.

4.2. Phản ứng phân hạch tỏa năng lượng

Phản ứng phân hạch Urani chính là phản ứng phân hạch tỏa năng lượng và năng lượng đó được gọi là năng lượng phân hạch. Mỗi phân hạch tỏa năng lượng ~210 MeV.

4.3. Phản ứng phân hạch dây chuyền

Giả thiết mỗi phân hạch có k nơtron sẽ được giải phóng và đến kích thích các hạt nhân khác tạo ra phân hạch mới. Sau n lần phân hạch số lượng nơtron được giải phóng sẽ kích thích tạo phân hạch mới.

• Khi k < 1: Phản ứng phân hạch dây chuyền sẽ tắt nhanh.

• Khi k = 1: Phản ứng phân hạch dây chuyền sẽ tự duy trì, năng lượng phát ra không thay đổi.

• Khi k > 1: Phản ứng phân hạch dây chuyền sẽ tự duy trì, năng lượng phát ra tăng nhanh và có thể gây bùng nổ.

Khi khối lượng chất phân hạch đạt đến một một giá trị tối thiểu nào đó ta gọi nó là khối lượng tới hạn.

Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình ôn thi tốt nghiệp THPT môn Vật lý hiệu quả 

4.4. Phản ứng phân hạch có điều khiển

Phản ứng phân hạch có điều kiện được thực hiện trong các lò phản ứng hạt nhân (trong trường hợp k = 1).

Sử dụng các thanh điều khiển chứa bo hay cadimi hấp thụ các nơron thừa sao cho k = 1. Nhiên liệu phân hạch tại các lò phản ứng thường đạt 235U (uranium 235) hoặc 239Pu (plutonium 239).

5. Phản ứng dây chuyền

Khi các nơtron tạo thành sau phân hạch có động năng lớn khi đó U238 sẽ hấp thụ hết hoặc sẽ thoát ra Urani. Tuy nhiên nếu chúng chậm lại có thể gây ra sự phân hạch các hạt U235 khác khiến cho sự phân hạch biến thành phản ứng dây truyền.

Nhưng trên thực tế không phải tất cả nơtron đều gây ra hiện tượng phân hạch. Vì vậy nếu muốn có phản ứng dây chuyền thì phải xét đến các nơtron trung bình k còn lại sau các lần phân hạch.

• Nếu k > 1: Số phân hạch sẽ tăng rất nhanh theo tốc độ k¹,k²,k³,... Đây cũng chính là cơ chế để nổ của bom nguyên tử.

• Nếu k < 1: Phản ứng dây chuyền sẽ không xảy ra.

• Nếu k = 1: Phản ứng dây chuyền hoàn toàn có thể khống chế.

6. Lò phản ứng hạt nhân

• Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị được sử dụng tạo phản ứng hạch dây chuyền tự điều khiển và duy trì.

• Về nhiên liệu phân hạch sử dụng ở các lò phản ứng hạt nhân thường là U235 và Pu239.

• Để k = 1 thì sử dụng các thanh điều khiển chứa Cd, Bo là các chất có tác dụng để hấp thụ các nơtron.

• Năng lượng tỏa ra từ lò phản ứng luôn không đổi theo thời gian.

7. Một số bài tập về phản ứng phân hạch (có lời giải)

Để nắm chắc kiến thức về phản ứng phân hạch vật lý 12 hãy cùng tham khảo một số bài tập dưới đây nhé!

Câu 1: Loại năng lượng được tỏa ra trong phản ứng phân hạch chúng chủ yếu ở dạng nào?

A. Dạng quang năng

B. Dạng năng lượng nghỉ

C. Dạng động năng

D. Dạng hóa năng

Đáp án: C

Vì năng lượng tỏa ra trong phản ứng phân hạch thường chủ yếu ở dạng động năng của các hạt nhân con.

Câu 2: Vật liệu nào sau đây có thể đóng vào trò “chất làm chậm” tốt nhất đối với nơtron?

A. Vật liệu là kim loại nặng

B. Vật liệu than chì

C. Vật liệu khí kém

D. Vật liệu bê tông

Đáp án: B

Vì than chì chính là vật liệu có thể làm “chất làm chậm” tốt nhất nơtron.

Câu 3: Sự phân hạch chính là sự vỡ một hạt nhân nặng:

A. Hay xảy ra tự phát thành nhiều hạt nhân nặng hơn.

B. Thành 2 hạt nhân nhẹ hơn.

C. Thành một vài nơtron và 2 hạt nhân nhẹ hơn sau khi hấp thụ một nơtron chậm.

D. Thành 2 hạt nhân nhẹ hơn và thường xảy ra tự phát.

Đáp án: C

Vì phản ứng phân hạch là hiện tượng một hạt nhân nặng sau khi hấp thụ một nơtron chậm sẽ vỡ thành vài nơtron và 2 hạt nhân trung bình.

Câu 4: Số nơtron trung bình còn lại sau mỗi phân hạch được gọi là k vậy cần điều kiện gì để phản ứng dây chuyền xảy ra?

A. k < 1.                        

B. k = 1.                        

C. k > 1.                        

D. k ≥ 1.

Đáp án: D

Giải thích:

+ k < 1: phản ứng phân hạch dây chuyền và tắt nhanh.

+ k = 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, theo thời gian, công suất phát ra không đổi.

+ k > 1: phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì, công suất phát ra tăng nhanh và có thể gây nên bùng nổ.

Câu 5: Để tạo nên phản ứng hạt nhân dây chuyền cần có những điều kiện gì? Chọn đáp án sai?

A. Số nơtron trung bình được giải phóng ≥ 1 sau mỗi lần phân hạch.

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

C. Phải có nguồn để tạo nơtron.                   

D. Nhiệt độ thường được tăng cao.

Đáp án: D

Vì nhiệt độ thường không ảnh hưởng đến việc xảy ra phản ứng phân hạch.

Đăng ký ngay để nhận bộ tài liệu tổng hợp trọn kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập Vật Lý độc quyền của VUIHOC ngay

Câu 6: Phát biểu nào SAI khi nói về phản ứng phân hạch?

A. Là phản ứng tỏa năng lượng.

B. Là hiện tượng 1 hạt nhân nặng hấp thụ 1 nơtron chậm sau đó vỡ thành 2 hạt nhân trung bình.

C. Với phản ứng phân hạch thì con người chưa thể kiểm soát được.

D. Với phản ứng phân hạch thì con người có thể kiểm soát được.

Đáp án: C

Con người kiểm soát được phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân với k = 1.

Câu 7: Năng lượng giải phóng trong phản ứng phân hạch là gì?

A. Động năng của nơtron.

B. Động năng của các mảnh.

C. Năng lượng tỏa từ phóng xạ của các mảnh.

D. Năng lượng các photon.

Đáp án: B

Vì năng lượng được giải phóng trong phản ứng phân hạch thường sẽ là động năng của các mảnh.

Câu 8: Cho phản ứng phân hạch ²³⁵U cùng các thanh nhiên liệu và các thanh điều khiển Cd, B trong lò phản ứng. Vậy mục đích của các thanh điều khiển là gì?

A. giảm số nơtron của lò phản ứng bằng hấp thụ.   

B. làm các nơtron trong lò chạy chậm lại.

C. ngăn cản phản ứng giải phóng nơtron.         

D. A và C đúng.

Đáp án: A

Trong lò phản ứng phân hạch ²³⁵U cùng các thanh nhiên liệu và các thanh điều khiển Cd, B. Vậy mục đích của các thanh điều khiển là  hấp thụ nơtron khi số nơtron tăng quá nhiều, để luôn giữ k = 1.

Câu 9: Cho phản ứng phân hạch ²³⁵U xảy ra ở lò phản ứng hạt nhân và trong bom nguyên tử. Vậy sự khác nhau của bom nguyên tử và lò phản ứng là gì? 

A. Lượng nơtron giải phóng trong phản ứng phân hạch trong bom nguyên tử nhiều hơn trong lò phản ứng.

B. Năng lượng trung bình ở nguyên tử urani khi đó giải phóng bom nguyên tử nhiều hơn lò phản ứng.

C. Trong lò phản ứng số nơtron có khả năng gây ra phản ứng phân hạch.

D. Lượng nơtron trong lò phản ứng cần để gây phản ứng phân hạch nhỏ hơn ở bom nguyên tử.

Đáp án: C

Trên đây là toàn bộ kiến thức về phản ứng phân hạch và bài tập vận dụng có hướng dẫn giải các em có thể tham khảo. Hy vọng với bài viết trên sẽ giúp các em có những kiến thức cần thiết phục vụ cho quá trình ôn thi học kì cũng như ôn thi tốt nghiệp THPT Quốc Gia môn Vật Lý. Nếu muốn luyện tập thêm em có thể truy cập địa chỉ Vuihoc.vn nhé!

     Tham khảo thêm:

⭐Bộ Sách Thần Tốc Luyện Đề Toán - Lý - Hóa THPT Có Giải Chi Tiết

Bài viết tham khảo thêm:

Lý thuyết về phóng xạ