Phản ứng nhiệt hạch là gì

Câu hỏi : Phản ứng nhiệt hạch là gì

Trả lời : 

Phản ứng nhiệt hạch, hay phản ứng hợp hạch, phản ứng tổng hợp hạt nhân trong vật lý học, là quá trình 2 hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn. Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia.

Cùng THPT Trịnh Hoài Đức đi tìm hiểu chi tiết về phản ứng nhiệt hạch nhé.

1. Định nghĩa 

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành một hạt nhân nặng hơn. Thí dụ:

D  +   D    →  ₂ He³  +  ₀ n ¹  +  3,25 MeV

D  +   T    →  ₂ He⁴  +  ₀ n ¹  +   17,6 MeV

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tỏa năng lượng.

2. Đặc điểm của phản ứng nhiệt hạch

Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ tạo ra sự phát sáng của các ngôi sao và làm cho bom hydro nổ. Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nhân nặng thì xảy ra trong điều kiện các vụ nổ sao (siêu tân tinh). Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các sao và các chòm sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.

Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydrogen. Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử hydrogen.

Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn. Việc cần nhiều năng lượng để khởi động thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra.

Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn nhiều so với phản ứng hóa học, bởi vì năng lượng kết dính giữ cho các nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng để giữ các electron với nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1 electron vào nhân thì bằng 13.6 eV, nhỏ hơn một phần triệu của 17 MeV giải phóng từ phản ứng D-T (deuterium-tritium, các đồng vị của hidro).

3. Năng lượng của phản ứng nhiệt hạch

– Năng lượng tỏa ra bởi các phản ứng nhiệt hạch được gọi là năng lượng nhiệt hạch.

– Thực tế chỉ quan tâm đến phản ứng nhiệt hạch tạo nên heli:

– Các phép tính cho thấy rằng, năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1 g heli gấp 10 lần năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 g urani, gấp 85 lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1 tấn than.

4. Điều kiện xảy ra phản ứng nhiệt hạch:

– Phản ứng kết hợp xảy ra ở nhiệt độ cao (vài trăm triệu độ ) để có thể thắng lực Coulomb.

– Phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong tự nhiên: Nguồn gốc năng lượng mặt trời và các vì sao là các phản ứng nhiệt hạch.

Thí dụ: Phản ứng chu trình carbon – nitơ :

    4 H    →  ₂ He⁴  + 2 e⁺  +  26,8 MeV

– Con người đã thực hiện được phản ứng nhiệt hạch khi cho nổ bom khinh khí ( bom H : chứa hỗn hợp D và T và được mồi bằng bom nguyên tử để tạo nhiệt độ trăm triệu độ )

Các nhà khoa học đang tìm cách  kiểm soát, điều khiển phản ứng nhiệt hạch tốt hơn để cung cấp cho con người nguồn năng lượng vô tận và sạch hơn nhiều so với năng lượng nguyên tử. 

5. Phản ứng nhiệt hạch trên Trái Đất

– Trên Trái Đất, loài người đã tạo ra phản ứng nhiệt hạch khi thử quả bom H và đang nghiên cứu tạo ra phản ứng nhiệt hạch có điều khiển.

– Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển

Hiện nay, các trung tâm nghiên cứu đều sử dụng đến phản ứng:

Phản ứng này dễ thực hiện một cách đơn lẻ như sau: cho triti ở thể khí bay bám vào một tấm đồng; các hạt nhân đơteri được gia tốc đến 2 MeV đập vào tấm bia ấy. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt nơtron năng lượng xác định 14,1 MeV.

a) Đưa tốc độ các hạt lên rất lớn bằng 3 cách sau:

– Đưa nhiệt độ lên cao;

– Dùng các máy gia tốc;

– Dùng chùm laze cực mạnh.

b) “Giam hãm” các hạt nhân đó trong một phạm vi không gian nhỏ hẹp để chúng có thể gặp nhau (trong khoảng thời gian đủ lớn theo tiêu chuẩn Lo-xơn) và gây ra phản ứng nhiệt hạch.

Đăng bởi: THPT Trịnh Hoài Đức

Chuyên mục: Lớp 12, Vật Lý 12