Hai con đường đi tới hạt nhân bền vững hơn
Đồ thị năng lượng liên kết riêng cho thấy các hạt nhân có số khối trung bình thường bền vững hơn hạt nhân rất nặng hoặc rất nhẹ. Vì thế, một hạt nhân nặng có thể tỏa năng lượng khi vỡ ra, còn các hạt nhân rất nhẹ có thể tỏa năng lượng khi kết hợp với nhau.
Phân hạch và tổng hợp hạt nhân
| Quá trình | Biến đổi chính | Đặc điểm cần nhớ |
|---|---|---|
| Phân hạch | Một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân có số khối trung bình | Thường giải phóng thêm neutron và khoảng 200 MeV trong một phân hạch uranium điển hình |
| Tổng hợp hạt nhân | Hai hạt nhân nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng hơn | Phải cung cấp năng lượng ban đầu đủ lớn để các hạt nhân tiến lại gần nhau, thường cần nhiệt độ rất cao |
Cả hai quá trình đều có thể tỏa năng lượng khi sản phẩm có năng lượng liên kết riêng lớn hơn, tức là bền vững hơn các hạt ban đầu. Năng lượng tỏa ra không phải do mất nucleon mà do tổng khối lượng nghỉ của hệ giảm.
Tính năng lượng của phản ứng
Gọi $m_{\text{trước}}$ là tổng khối lượng nghỉ của mọi hạt trước phản ứng và $m_{\text{sau}}$ là tổng khối lượng nghỉ của mọi hạt sau phản ứng. Năng lượng của phản ứng được tính bằng
$$Q=(m_{\text{trước}}-m_{\text{sau}})c^2.$$
- Nếu $Q>0$, phản ứng tỏa năng lượng.
- Nếu $Q<0$, phản ứng chỉ xảy ra khi được cung cấp năng lượng thích hợp.
Phải cộng đủ khối lượng của mọi hạt ở từng vế. Khi đề hỏi điện năng thu được, năng lượng phản ứng còn phải nhân với hiệu suất chuyển hóa vì không thể biến toàn bộ năng lượng tỏa ra thành điện năng.
Khi nào phân hạch tạo thành phản ứng dây chuyền?
Các neutron sinh ra từ một phân hạch có thể tiếp tục gây phân hạch ở những hạt nhân khác. Nếu trung bình mỗi phân hạch chỉ dẫn tới ít hơn một phân hạch mới, chuỗi phản ứng tắt dần; nếu đúng một, phản ứng được duy trì ổn định; nếu lớn hơn một, số phản ứng tăng nhanh. Trong lò phản ứng, vật liệu hấp thụ neutron được dùng để giữ chuỗi phản ứng ở trạng thái có kiểm soát.
Ví dụ: từ năng lượng mỗi phân hạch đến điện năng
Giả sử mỗi phản ứng tỏa 200 MeV và có $10^{18}$ phản ứng. Đổi năng lượng của một phản ứng sang joule:
$$200\times1{,}602\times10^{-13}=3{,}204\times10^{-11}\ \mathrm{J}.$$
Tổng năng lượng tỏa ra là
$$E=3{,}204\times10^{-11}\times10^{18}=3{,}204\times10^7\ \mathrm{J}.$$
Với hiệu suất phát điện 30%, điện năng thu được là
$$E_{\text{điện}}=0{,}30E=9{,}612\times10^6\ \mathrm{J}.$$
Áp dụng
Một phản ứng có tổng khối lượng nghỉ sản phẩm nhỏ hơn ban đầu. Phản ứng này
Đúng theo Q = (m trước − m sau)c².
Nếu tổng khối lượng nghỉ sau phản ứng giảm, phần chênh lệch chuyển thành năng lượng khác của hệ.
Tổng hợp hạt nhân cũng có thể tỏa năng lượng khi tổng khối lượng nghỉ giảm.
Năng lượng tỏa ra ứng với phần chênh lệch khối lượng nghỉ trước và sau phản ứng, không phải toàn bộ năng lượng nghỉ của sản phẩm.
Lời giải
Tổng khối lượng nghỉ giảm nên phần chênh lệch chuyển thành năng lượng khác của hệ: $Q=(m_{\mathrm{trước}}-m_{\mathrm{sau}})c^2>0$. Chọn A.
Áp dụng
Nhà máy nhận $1000$ MJ nhiệt từ phản ứng hạt nhân; hiệu suất chuyển nhiệt thành điện là $35\%$. Điện năng thu được là
Đúng. $E_{điện}=0{,}35E_{nhiệt}$.
Không thể lấy điện năng bằng toàn bộ nhiệt năng khi hiệu suất chỉ $35\%$.
Đây là phần năng lượng không chuyển thành điện nếu chỉ xét hiệu suất đã cho.
Đó là kết quả chia cho hiệu suất; ở đây cần nhân vì điện năng nhỏ hơn nhiệt năng.
Lời giải
$E_{điện}=\eta E_{nhiệt}=0{,}35\times1000=350$ MJ. Phần còn lại không biến thành điện năng hữu ích; tổng năng lượng vẫn được bảo toàn. Chọn A.
Những điều cần nhớ
Phân hạch làm hạt nhân nặng vỡ ra; tổng hợp làm các hạt nhân nhẹ kết hợp. Phản ứng tỏa năng lượng khi tổng khối lượng nghỉ giảm. Phản ứng dây chuyền chỉ ổn định khi số phân hạch mới được kiểm soát.
Đang học