Tiểu luận Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch và điều khiển phản ứng nhiệt hạch trong tương lai

Ngoài hiện tượng giải phóng năng lượng khi phân hạch các hạt nhân nặng còn có hiện tượng giải phóng năng lượng khi kết hợp các hạt nhân nhẹ. Phản ứng tổng hợp 2 hạt nhân nhẹ tạo thành hạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.Năng lượng giải phóng trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn nhiều so với phản ứng phân hạch. VD: 1kg hỗn hợp các hạt deutron giải phóng năng lượng cỡ 9,2.107kWh gấp 4 lần năng lượng do 1 kg U235 giải phóng (2,3.107kWh)....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tiểu luận " Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch và điều khiển phản ứng nhiệt hạch trong tương lai "Bài tiểu luận:Tìm hiểu phản ứng nhiệt hạch và điềukhiển phản ứng nhiệt hạch trongtương lai.Sinh viên: Cao Đình HưngLớp: B1K54-CNHNI. Phản ứng nhiệt hạch1. Khả năng tổng hợp các hạt nhân nhẹ Ngoài hiện tượng giải phóng năng lượng khi phân hạch các hạt nhân nặng còn có hiện tượnggiải phóng năng lượng khi kết hợp các hạt nhân nhẹ. Phản ứng tổng hợp 2 hạt nhân nhẹ tạo thànhhạt nhân nặng hơn và giải phóng năng lượng còn được gọ i là phản ứng nhiệt hạch.Năng lượnggiải phóng trong phản ứng nhiệt hạch lớn hơn nhiều so với phản ứng phân hạch. VD: 1kg hỗnhợp các hạt deutron giải phóng năng lượng cỡ 9,2.107kWh gấp 4 lần năng lượng do 1 kg U235giải phóng (2,3.107kWh). Phản ứng tổng hợp 2He4 từ 1H2 và 1H3 Bảng năng lượng giải phóng trong phản ứng nhiệt hạch: Phản ứng Nhiệt lượng tỏa ra Qfusion (MeV) 2 + 1H2 -> 2He3 + n (50%) 1H 3,25 2 + 1H2 -> 1He3 + p (50%) 1H 4,03 2 3 4 1H + 1H -> 2He + n 17,6 7 4 4 p + 3Li -> 2He + 2He 17,3 n + 3Li6 -> 2H4 + 1He3 4,81. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch Có hai loại phản ứng nhiệt hạch là deutron và proton t ức là các hạt ion dương tương tác viớ inhau nên phải mất năng lượng cỡ 0.5 MeV để thắng bờ thế Coulomb; loại thứ hai là neutrontương tác với hạt nhân, có thể là neutron nhiệt. Như vậy có thể tạo ra điều kiện cho các phản ứngtổng hợp hạt nhân xảy ra nhưng vấn đề khó khăn là làm thế nào để cho các phản ứng đó tự duytrì. Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân không có tính chất dây chuyền giống như phản ứng phân hạchhạt nhân. Phản ứng này được thực hiện do sự tham ra đồng thời của một lượng lớn các hạt nhânnhẹ. Điều kiện để phản ứng xảy ra là các hạt nhân phải có động năng đủ lớn để vượt qua hàngrào thế Coulomb và tiến lại gần nhau với khoảng cách nhỏ hơn 3.10-15 m. Khi đó lực hạt nhân sẽcó tác dụng và phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Để truyền năng lượng cần thiết cho một số lớn hạt nhân deutron thì chỉ cần tạo nên nhiệt độcao. Theo công thức W=kV thì 1eV tương đương với năng lượng của chuyển động nhiệt ở gần11400K. Do đó muốn cung cấp cho các deutron năng lượng cỡ 0,5MeV thì cần phải có nhiệt độcỡ 1010K. Thực ra thì chỉ cần nhiệt độ cỡ 108K là phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra rồi. Nguyênnhân là theo phân bố vận tốc Maxwell thì ở nhiệt độ không cao vẫn có một số hạt có vận tốctrung bình khá lớn để đảm bảo số phản ứng cần thiết xảy ra. Như vậy muốn thực hiện phản ứng nhiệt hạch cần phải tạo ra môi trường deutron có nhiệt độcỡ hàng trăm triệu độ.2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ Phản ứng nhiệt hạch nguồn năng lượng chính của các vì sao và Mặt Trời. Năm 1938 Betheđã đưa ra giả thuyết về hai chu trình phản ứng proton-proton và carbon-nitrogen. Chu trìnhproton-proton xảy ra như sau: 2(p + p -> d + e+ + ν ) 2(d + p -> 2He3 + γ ) 3+ 3 -> 2He4 + 2p 2He 2HeChu trình này biến các proton thành hạt nhân helium và giải phóng năng lượng rất lớn.6p -> 2He4 + 2p + 2e+ + 2γ Q=26MeV Phản ứng này xảy ra với thời gian bán ra T1/2 = 1,4 .1010 năm. Tuy năng lượng giải phóng củamột phản ứng là 26MeV nhưng năng lượng giải phóng trung bình trên một đơn vị khối lượng làrất thấp, còn thấp hơn cả năng lượng giải phóng của cơ thể người. Nhưng do khố i lượng MặtTrời rất lớn cỡ 2.1030 kg nên tổng năng lượng phát ra theo chu trình proton-proton là rất lớn,tương đương với khố i lượng Mặt Trời mất đi là 4,3.106 tấn/s.Chu trình carbon-nitrogen gồm 6 phản ứng trong đó carbon đóng vai trò là chất xúc tác: 12 12 6 C + p -> 7 N + γ 12 13 + 7 N + p -> 6 C + e + ν 13 14 6 C + p -> 7 N + γ 14 15 7 N + p -> 8 O + γ 15 15 + e+ + ν 8 O -> 7 N 15 13 4 7N + p -> 6C + 2He ------------------------------------ 4p -> 2He4 + 2e+ + 2ν + 2γ Q = 26MeV Kết quả là bốn hạt nhân hydrogen t ạo thành một hạt nhân helium còn lượng carbon không đổi. Phản ứng giải phóng năng lượng Q = 26MeV, thời gian bán rã T1/2=3.108 năm.II. Điều khiển phản ứng nhiệt hạch1. Nguyên tắc điều khiển phản ứng nhiệt hạch. Vấn đề cơ bản của việc điều khiển phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là thực hiện được nhiệt độcao hàng trăm triệu độ trong cùng một thể tích giới hạn chứ đầy deuterium hay hỗn hợpdeuterium và tritium. Môi trường như vậy gọ i là plasma dạng thứ tư của vật chất. Để tạo và duytrì được trạng thái plasma phải giải quyết ba vấn đề chính là : tạo nên môi trường plasma ở nhiệtđộ hàng trăm triệu độ, nhốt plasma trong một thể tích hữu hạn, duy tr ì trạng thái plasma trongthời gian đủ dài.1.1.Nhốt môi trường plasma nhờ từ trường Muốn giữ plasma ở nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ không thể có một cái vỏ vật liệu bìnhthường nào chịu đựng được lâu. Hơn nữa cần phải giữ không cho palasma tiếp xúc với thànhbình để tránh trao đổi nhiệt. Để đáp ứng được các yêu cầu này người ta nhốt plasma bằng hiệuứng nén do tương tác của dòng điện với từ trường do chính nó tạo ra. Giả sử có một chùm hạt tích điện chạy theo một chiều nào đó, chùm hạt tích điện sẽ gâyxung quanh nó một từ trường. Từ trường này sẽ tác dụng lên chính chùm hạt một lực vuông góchướng vào trong. Kết quả là chùm hạt chuyển động bị nén lại và không tiếp xúc với thành bình.Như vậy từ trường bao quanh cột ...