Phản ứng phân hạch, phản ứng nhiệt hạch và ứng dụng SVIP

1. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Khái niệm và phân loại phản ứng hạt nhân

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

Phản ứng hạt nhân thường được chia làm hai loại:

• Phản ứng hạt nhân kích thích: là quá trình các hạt nhân tương tác với các hạt khác (hạt nhân, neutron,...) tạo ra các hạt nhân mới. Ví dụ: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp hạt nhân.
• Phản ứng hạt nhân tự phát: là quá trình tự phân rã của một hạt nhân không bền vững thành các hạt nhân mới. Ví dụ: hiện tượng phân rã hạt nhân \(_{92}^{238}U\) được công bố lần đầu tiên trên thế giới bởi Henri Becquerel.

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

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

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 đó hệ các hạt tương tác được xem là hệ kín, do đó phản ứng hạt nhân tuân theo nhiều định luật bảo toàn.

✔ Định luật bảo toàn số nucleon (bảo toàn số khối A): Trong phản ứng hạt nhân, tổng số nucleon của các hạt trước phản ứng bằng tổng số nucleon của các hạt tạo thành sau phản ứng. Bảo toàn số nucleon cũng là bảo toàn số khối A.

✔ Định luật bảo toàn điện tích: Tổng đại số các điện tích của các hạt trước phản ứng bằng tổng đại số các điện tích của các hạt tạo thành sau phản ứng.

2. PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH VÀ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH

Phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn. Hai hạt nhân này, hay còn gọi là sản phẩm phân hạch, có số khối trung bình và bền vững hơn so với hạt nhân ban đầu.

Ví dụ: Sự phân hạch của Uranium:

Phương trình phản ứng là

\(_0^1n+_{92}^{235}U\rightarrow_{39}^{95}Y+_{53}^{138}I+3_0^1n\)

Phản ứng tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt nhân sản phẩm.

Quan sát hình ảnh tiến trình phân hạch của Uranium \(\left(_{92}^{235}U\right)\):

• GĐ 1: \(_{92}^{235}U\) hấp thụ neutron thành \(_{92}^{236}U\)* ở trạng thái kích thích.
• GĐ 2: \(_{92}^{236}U\)* bị biến dạng.
• GĐ 3: Sau khoảng 10^-14 s, \(_{92}^{236}U\)* bị biến dạng đến mức không thể phục hồi.
• GĐ 4: \(_{92}^{236}U\)* phân hạch thành \(_{39}^{95}Y\), \(_{53}^{138}I\) và giải phóng 3 neutron.

Phương trình khái quát của phản ứng phân hạch:

\(_0^1n+_Z^AX\rightarrow_Z^{A+1}X\)*\(\rightarrow_{Z_1}^{A_1}X_1+_{Z_2}^{A_2}X_2+k_0^1n\)

Trong đó X₁ và X₂ là các hạt nhân có số khối trung bình và hầu hết là các hạt nhân phóng xạ; k = 1, 2, 3 là số hạt neutron được sinh ra. Quá trình phân hạch của \(_Z^AX\) là không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích \(_Z^{A+1}X\)* không bền vững.

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

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Sự tổng hợp hạt nhân chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao nên phản ứng này còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Vào năm 1927, Olophant đã dùng máy gia tốc để các hạt nhân \(_1^2H\) tương tác với nhau, kết quả tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân đầu tiên trên thế giới:

\(_1^2H+_1^2H\rightarrow_2^3He+_0^1n\)

Phản ứng này tỏa năng lượng khoảng 4 MeV.

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

3. MỘT SỐ NGÀNH CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN TRONG ĐỜI SỐNG

Phản ứng phân hạch có nhiều ứng dụng trong nghành công nghiệp năng lượng, đó là các nhà máy phát điện sử dụng năng lượng hạt nhân.

Trong các lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân có nhiều thanh nhiên liệu đóng vai trò cung cấp năng lượng, tạo ra hơi nước để làm quay tuabin của các máy phát, từ đó tạo ra điện năng như sơ đồ sau:

Trong khi đó, việc kiểm soát phản ứng nhiệt hạch đang được các nhà khoa học nghiên cứu và kì vọng có thể sớm được triển khai trong thời gian tới.

Công nghệ hạt nhân còn có một số ứng dụng  thực tiễn khác như:

• Trong y học: những kiến thức về vật lí hạt nhân đang được ứng dụng rộng rãi trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư.
• Trong nông nghiệp: cải tạo giống cây trồng có các đặc tính mới như: năng suất cao, chất lượng dinh dưỡng tốt, hình dáng đẹp,...
• Trong công nghiệp: kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo mật độ vật liệu mà không phá hủy mẫu vật, kiểm tra chất lượng mối hàn,...
• Trong khảo cổ: xác định tuổi và thành phần cấu tạo chất của các mẫu vật.
• Trong thực phẩm: diệt vi sinh vật để khử trùng thực phẩm; làm chậm quá trình chín giúp trái cây được bảo quản lâu hơn ở điều kiện bình thường.

Hiện nay, công nghệ hạt nhân tại Việt Nam đang ngày càng được quan tâm. 

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

2. 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.

3. 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.

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

5. 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.