Phản ứng phân hạch là gì? Lý thuyết, Ví dụ minh họa và Trắc nghiệm

Phản ứng phân hạch là một trong những phản ứng hạt nhân quan trọng nhất, có nhiều ứng dụng trong đời sống cũng như tiềm ẩn những nguy cơ nhất định. Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về phản ứng phân hạch, cơ chế, đặc điểm, ứng dụng cũng như so sánh với phản ứng nhiệt hạch.

1. Khái niệm phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng (thường là uranium hoặc plutonium) vỡ thành hai hạt nhân trung bình nhẹ hơn, đồng thời giải phóng một vài neutron và một lượng lớn năng lượng. Ví dụ phản ứng phân hạch của U-235 được biểu diễn như sau:

$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n  &-> ^{236}{92}U^*  \\&-> ^{140}{56}Ba + ^{94}{36}Kr + 2^1_0n + Q}
\end{aligned}$

Trong đó Q là năng lượng phân hạch, khoảng 200 MeV cho mỗi phản ứng.

2. Cơ chế của phản ứng phân hạch

Để phản ứng phân hạch xảy ra, cần phải truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn gọi là năng lượng kích hoạt, thường bằng cách bắn neutron vào hạt nhân. Khi đó, hạt nhân chuyển sang trạng thái kích thích không bền và sẽ phân hạch thành các mảnh vỡ.

Quá trình phân hạch của hạt nhân không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích trung gian. Các sản phẩm phân hạch thường là các đồng vị phóng xạ beta và gamma.

3. Năng lượng của phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng với năng lượng phân hạch khoảng 200 MeV, chủ yếu ở dạng động năng của các mảnh vỡ hạt nhân. Năng lượng này lớn gấp hàng triệu lần so với các phản ứng hóa học thông thường.

Chính vì vậy, phản ứng phân hạch là nguồn năng lượng rất dồi dào. Tuy nhiên, nó cũng tiềm ẩn nguy cơ phóng xạ và ô nhiễm môi trường nếu không được kiểm soát tốt.

4. Phản ứng phân hạch dây chuyền

Các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch có thể kích thích các hạt nhân khác gây ra phản ứng phân hạch mới, tạo thành chuỗi phản ứng liên tiếp gọi là phản ứng dây chuyền.

Giả sử mỗi phân hạch sinh ra k neutron trung bình:

• Nếu k < 1: phản ứng dây chuyền tắt dần
• Nếu k = 1: phản ứng dây chuyền tự duy trì với năng lượng không đổi
• Nếu k > 1: phản ứng dây chuyền tăng nhanh, có thể gây nổ

Để duy trì phản ứng dây chuyền, khối lượng chất phân hạch phải đạt giá trị tới hạn, khoảng 15 kg với U-235.

5. Ứng dụng của phản ứng phân hạch

Phản ứng phân hạch được ứng dụng chủ yếu trong:

• Lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện. Người ta sử dụng các thanh điều khiển để kiểm soát phản ứng dây chuyền ở mức k=1.
• Y học và công nghiệp để tạo ra các đồng vị phóng xạ.
• Vũ khí hạt nhân dựa trên phản ứng dây chuyền không kiểm soát với k>1.

6. So sánh phản ứng phân hạch và nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn, trái ngược với phản ứng phân hạch. Một số điểm khác biệt chính:

• Điều kiện xảy ra: Phản ứng phân hạch cần năng lượng kích hoạt vài MeV, trong khi nhiệt hạch đòi hỏi nhiệt độ rất cao, mật độ hạt nhân lớn và thời gian duy trì lâu.
• Năng lượng tỏa ra: Tính theo đơn vị khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa nhiệt lớn hơn phân hạch.
• Sản phẩm phản ứng: Phản ứng phân hạch tạo ra nhiều chất thải phóng xạ nguy hiểm, trong khi nhiệt hạch sạch hơn.
• Ứng dụng: Phản ứng phân hạch đã được sử dụng rộng rãi, còn nhiệt hạch mới chỉ thực hiện được ở dạng bom H chứ chưa kiểm soát được để sản xuất điện.

7. Triển vọng phát triển năng lượng phân hạch

Mặc dù năng lượng phân hạch đang được sử dụng ngày càng nhiều trên thế giới, nó vẫn gặp phải sự phản đối vì những rủi ro về an toàn và môi trường. Các nghiên cứu đang tập trung cải tiến công nghệ lò phản ứng để nâng cao độ an toàn, giảm thiểu chất thải, tăng hiệu suất và giảm chi phí.

8. Những rủi ro và thách thức của năng lượng phân hạch

• Nguy cơ rò rỉ phóng xạ và tai nạn hạt nhân do sự cố hoặc thiên tai. Ví dụ như sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima năm 2011 sau trận động đất và sóng thần.
• Vấn đề xử lý và lưu trữ an toàn chất thải phóng xạ từ các nhà máy điện hạt nhân. Các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ cao và tồn tại trong thời gian dài.
• Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy điện hạt nhân rất cao. Đầu tư vào năng lượng hạt nhân là một chi phí chìm khiến việc chuyển sang năng lượng tái tạo khó khăn hơn.

9. Vai trò của năng lượng phân hạch trong tương lai

• Mặc dù có nhiều rủi ro và thách thức, năng lượng phân hạch vẫn đóng góp khoảng 10% sản lượng điện toàn cầu và được sử dụng ở hơn 30 nước.
• Các nghiên cứu đang tập trung cải tiến công nghệ lò phản ứng để nâng cao an toàn, giảm chất thải và chi phí.
• Tuy nhiên, xu hướng phát triển năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời đang gia tăng mạnh mẽ do ưu điểm sạch và an toàn hơn so với điện hạt nhân.
• Năng lượng phân hạch có thể không phải là giải pháp chính cho vấn đề biến đổi khí hậu, nhưng vẫn có những ứng dụng quan trọng trong y tế, nghiên cứu và thăm dò vũ trụ.

Như vậy, phản ứng phân hạch là một hiện tượng vật lý hạt nhân phức tạp, vừa mang lại tiềm năng to lớn về năng lượng, vừa tiềm ẩn nhiều nguy cơ và thách thức. Con người cần phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa lợi ích và rủi ro khi khai thác và sử dụng năng lượng từ phản ứng phân hạch.

Ví dụ minh họa

1. Phản ứng phân hạch của Uranium-235 khi bắt một nơtron chậm:
$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n &-> ^{236}{92}U \\&-> ^{141}{56}Ba + ^{92}{36}Kr + 3^1_0n + Q}
\end{aligned}$

2. Phản ứng phân hạch tự phát của Uranium-238:
$ \ce{^{238}{92}U -> ^{95}{38}Sr + ^{140}_{54}Xe + 3^1_0n + Q} $
Năng lượng giải phóng
$\begin{aligned}
Q &= [m(^{238}U) – m(^{95}Sr) – m(^{140}Xe) – 3m(n)]c^2 \\&= 171 \text{ MeV}
\end{aligned}$

3. Phản ứng phân hạch Plutonium-239 khi bắt một nơtron:
$\begin{aligned} s
\ce{^{239}_{94}Pu + ^10n
-> ^{240}{94}Pu\\
-> ^{100}{42}Mo + ^{138}{52}Te + 3^1_0n + Q}
\end{aligned}$

4. Phản ứng phân hạch Uranium-233 khi bắt một nơtron:
$\begin{aligned}
\ce{^{233}_{92}U + ^10n &-> ^{234}{92}U \\&-> ^{137}{54}Xe + ^{94}{38}Sr + 3^1_0n + Q}
\end{aligned}$

5. Phản ứng phân hạch Uranium-235 tạo ra Barium-141 và Krypton-92:
$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n &-> ^{141}{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^1_0n + Q}
\end{aligned}$
Số nơtron giải phóng $N = 236 – (141 + 92) = 3$

6. Phản ứng phân hạch Uranium-235 tạo ra Xenon-140 và Strontium-94:
$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n &-> ^{140}{54}Xe + ^{94}_{38}Sr + 2^1_0n + Q}
\end{aligned}$

7. Phản ứng phân hạch Uranium-235 tạo ra Molybdenum-95 và Lanthanum-139:
$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n &-> ^{95}{42}Mo + ^{139}_{57}La + 2^1_0n + Q}
\end{aligned}$

8. Phản ứng phân hạch Uranium-235 tạo ra Tin-132 và Molybdenum-101:
$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n &-> ^{132}{50}Sn + ^{101}_{42}Mo + 3^1_0n + Q}
\end{aligned}$

9. Phản ứng phân hạch Uranium-235 tạo ra Rubidium-93 và Cesium-140:
$\begin{aligned}
\ce{^{235}_{92}U + ^10n &-> ^{93}{37}Rb + ^{140}_{55}Cs + 3^1_0n + Q}
\end{aligned}$
Năng lượng giải phóng
$\begin{aligned}
Q &= [m(^{235}U) – m(^{93}Rb) – m(^{140}Cs) – 2m(n)]c^2\\
&\approx 145 \text{ MeV}
\end{aligned}$

10. Phản ứng phân hạch tự phát của Uranium-238 tạo ra Strontium-95 và Xenon-140:
$ \ce{^{238}{92}U -> ^{95}{38}Sr + ^{140}_{54}Xe + 3^1_0n + Q} $
Năng lượng giải phóng
$\begin{aligned}
Q &= [m(^{238}U) – m(^{95}Sr) – m(^{140}Xe) – 3m(n)]c^2 \\&= 171 \text{ MeV}
\end{aligned}$

Câu hỏi trắc nghiệm (có đáp án)

Câu 1. Phản ứng phân hạch hạt nhân là hiện tượng:
A. Hạt nhân nặng phân chia thành các hạt nhân nhẹ hơn
B. Các hạt nhân nhẹ kết hợp thành hạt nhân nặng hơn
C. Hạt nhân nhẹ phân chia thành các hạt nhân nhẹ hơn
D. Các hạt nhân nặng kết hợp thành hạt nhân nặng hơn
Đáp án: A

Câu 2. Giá trị Q của phản ứng phân hạch có bậc lớn:
A. 10 MeV
B. 100 MeV
C. 200 MeV
D. 500 MeV
Đáp án: C

Câu 3. Khi hạt nhân Uranium-235 hấp thụ một nơtron chậm, nó sẽ phân hạch thành:
A. $^{141}{56}\textrm{Ba}$ và $^{92}{36}\textrm{Kr}$
B. $^{140}{54}\textrm{Xe}$ và $^{94}{38}\textrm{Sr}$
C. $^{95}{42}\textrm{Mo}$ và $^{139}{57}\textrm{La}$
D. $^{132}{50}\textrm{Sn}$ và $^{101}{42}\textrm{Mo}$
Đáp án: A

Câu 4. Chất làm chậm (moderator) thường được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân là:
A. Kim cương
B. Graphit
C. Chì
D. Đồng
Đáp án: B

Câu 5. Phản ứng dây chuyền hạt nhân xảy ra khi:
A. Các nơtron phát ra từ phân hạch gây ra thêm các phản ứng phân hạch khác
B. Các nơtron bị hấp thụ bởi các hạt nhân khác
C. Các mảnh vỡ hạt nhân va chạm với nhau
D. Bức xạ gamma được phát ra
Đáp án: A

Câu 6. Đồng vị Uranium nào được sử dụng làm nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân?
A. U-230
B. U-233
C. U-235
D. U-238
Đáp án: C

Câu 7. Năng lượng giải phóng trong phản ứng phân hạch chủ yếu ở dạng:
A. Động năng
B. Nhiệt năng
C. Quang năng
D. Điện năng
Đáp án: A

Câu 8. Phản ứng phân hạch tự phát của Uranium-238 tạo ra:
A. $^{95}{38}\textrm{Sr}$ và $^{140}{54}\textrm{Xe}$
B. $^{141}{56}\textrm{Ba}$ và $^{92}{36}\textrm{Kr}$
C. $^{133}{51}\textrm{Sb}$ và $^{99}{41}\textrm{Nb}$
D. $^{137}{55}\textrm{Cs}$ và $^{97}{43}\textrm{Tc}$
Đáp án: A

Câu 9. Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh điều khiển có tác dụng:
A. Hấp thụ nơtron và điều chỉnh tốc độ phản ứng dây chuyền
B. Phát ra nơtron để duy trì phản ứng
C. Làm chậm nơtron xuống
D. Tăng nhiệt độ của lò phản ứng
Đáp án: A

Câu 10. Khi một hạt nhân Uranium-235 hấp thụ một nơtron, nó sẽ tạo thành đồng vị:
A. U-234
B. U-236
C. U-238
D. U-239
Đáp án: B

Câu 11. Phản ứng phân hạch nào sau đây giải phóng khoảng 216 MeV năng lượng?
A. $^{235}_{92}\textrm{U} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{141}{56}\textrm{Ba} + ^{92}_{36}\textrm{Kr} + 3^10\textrm{n}$
B. $^{235}{92}\textrm{U} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{133}{51}\textrm{Sb} + ^{99}_{41}\textrm{Nb} + 4^1_0\textrm{n}$
C. Cả A và B
D. Không có đáp án đúng
Đáp án: C

Câu 12. Ai là người phát minh ra phản ứng phân hạch hạt nhân?
A. Rutherford
B. Otto Hahn
C. Hans Bethe
D. Marie Curie
Đáp án: B

Câu 13. Phản ứng phân hạch nào sau đây tạo ra Barium-141 và Krypton-92?
A. $^{235}_{92}\textrm{U} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{141}{56}\textrm{Ba} + ^{92}_{36}\textrm{Kr} + 3^10\textrm{n}$
B. $^{239}{94}\textrm{Pu} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{100}{42}\textrm{Mo} + ^{138}_{52}\textrm{Te} + 3^10\textrm{n}$
C. $^{233}{92}\textrm{U} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{137}{54}\textrm{Xe} + ^{94}_{38}\textrm{Sr} + 3^10\textrm{n}$
D. $^{238}{92}\textrm{U} \rightarrow ^{95}{38}\textrm{Sr} + ^{140}{54}\textrm{Xe} + 3^1_0\textrm{n}$
Đáp án: A

Câu 14. Số nơtron giải phóng trong phản ứng $^{235}_{92}\textrm{U} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{141}{56}\textrm{Ba} + ^{92}_{36}\textrm{Kr} + \textrm{neutrons}$ là:
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3
Đáp án: D

Câu 15. Khối lượng tới hạn của vật liệu phân hạch cần thiết để xảy ra phản ứng dây chuyền không kiểm soát được gọi là:
A. Khối lượng tới hạn
B. Plasma
C. Khối lượng nơtron
D. Khối lượng đồng vị
Đáp án: A

Câu 16. Phản ứng hạt nhân nào xảy ra tự nhiên trên Mặt Trời?
A. Phân hạch
B. Bắn phá
C. Tổng hợp
D. Chu kỳ bán rã
Đáp án: C

Câu 17. Trong phản ứng phân hạch $^{235}_{92}\textrm{U} + ^10\textrm{n} \rightarrow ^{93}{37}\textrm{Rb} + ^{140}_{55}\textrm{Cs} + 3^1_0\textrm{n}$, năng lượng giải phóng xấp xỉ là:
A. 100 MeV
B. 145 MeV
C. 200 MeV
D. 250 MeV
Đáp án: B

Câu 18. Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh graphit có tác dụng:
A. Hấp thụ nơtron
B. Làm chậm nơtron xuống
C. Phát xạ nơtron
D. Tăng tốc nơtron
Đáp án: B

Câu 19. Phản ứng phân hạch tự phát của Uranium-238 tạo ra Strontium-95 và Xenon-140 giải phóng năng lượng:
A. 100 MeV
B. 145 MeV
C. 171 MeV
D. 200 MeV
Đáp án: C

Câu 20. Trong phản ứng phân hạch 1 kg Uranium-235 tự nhiên, năng lượng giải phóng tương đương với đốt cháy bao nhiêu kg dầu?
A. 1 kg
B. 100 kg
C. 1000 kg
D. 9000 kg
Đáp án: D