Bài 16. Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng

1. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Khái niệm và phân loại phản ứng hạt nhân

Vào đầu thế kỉ XX, các nhà vật lí đã chỉ ra rằng hạt nhân của nguyên tử có khả năng tương tác với nhau và biến đổi thành hạt nhân của nguyên tử khác. Điều này dẫn đến việc biến đổi các nguyên tố hoá học. Tiêu biểu, vào năm 1909, Rutherford đã tiến hành thí nghiệm tạo ra hạt nhân \(_8^{17}O\) và \(_1^1H\) khi dùng chùm hạt \(_2^4He\) (hạt \(\alpha\)) chiếu vào \(_7^{14}N\). 

Phản ứng hạt nhân là mọi quá trình dẫn đến sự biến đổi hạt nhân.

Phản ứng hạt nhân được phân thành hai loại:

- Phản ứng hạt nhân tự phát: hạt nhân kém bền vững tự phân rã thành các hạt nhân khác bền vững hơn.

- Phản ứng hạt nhân kích thích: trong đó các hạt nhân tương tác với nhau chủ yếu thông qua quá trình va chạm và biến đổi tạo thành các hạt nhân mới.

Các phản ứng hạt nhân phổ biến có thể được biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

\(_{Z_1}^{A_1}X+_{Z_2}^{A_2}Y\rightarrow_{Z_3}^{A_3}C+_{Z_4}^{A_4}D\)   (16.1)

trong đó X và Y là các hạt nhân tương tác, C và D là các hạt sản phẩm. Một số phản ứng hạt nhân có thể tạo ra nhiều hơn hai hạt sản phẩm.

Định luật bảo toàn điện tích và bảo toàn số khối trong phản ứng hạt nhân

Phản ứng hạt nhân là một quá trình vật lí, trong phản ứng hạt nhân, điện tích và số khối được bảo toàn:

1. Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt tương tác bằng tổng đại số các điện tích của các hạt sản phẩm.

2. Định luật bảo toàn số nucleon: Tổng số nucleon (số khối) của các hạt tương tác bằng tổng số nucleon (số khối) của các hạt sản phẩm.

2. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VÀ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn. Phản ứng phân hạch của hạt nhân có thể được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân nặng bằng neutron (Hình 16.1). Điều này được khám phá bởi nhà vật lí người Ý Enrico Fermi (En-ri-cô Phơ-mi).

Phản ứng phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch)

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn.

Ví dụ: \(_1^2H+_1^3H\rightarrow_2^4He+_0^1n\)

Một phản ứng nhiệt hạch như trong ví dụ trên toả ra một lượng năng lượng khoảng 17,59 MeV.

Để xảy ra sự tổng hợp hạt nhân, động năng của hai hạt nhân nhẹ phải đủ lớn để chúng có thể thắng được lực đấy tĩnh điện và tiến lại gần nhau đến khi lực hút hạt nhân đủ lớn để hình thành nên sự liên kết giữa các nucleon. Điều kiện để tạo ra động năng lớn cho các hạt nhân nhẹ là ta cần tạo ra nhiệt độ môi trường xung quanh đủ lớn, tối thiểu khoảng 10⁸ K. Bên cạnh nhiệt độ cao, phản ứng tổng hợp hạt nhân còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như mật độ hạt nhân phải đủ lớn và thời gian duy trì nhiệt độ cao đủ dài. Do đó, phản ứng tổng hợp hạt nhân còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch) là quá trình trong đó hai hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao.

Hằng ngày, các phản ứng nhiệt hạch đang diễn ra liên tục không chỉ trong lõi của Mặt Trời mà còn trong lõi của các ngôi sao trong vũ trụ.

Do yêu cầu nhiệt độ rất cao, các công nghệ ở thời điểm hiện tại chưa cho phép con người kiểm soát hoàn toàn phản ứng nhiệt hạch để ứng dụng vào thực tế như phản ứng phân hạch.