5. NĂNG LƢỢNG TRONG VẬT LÝ NGUYÊN TỬ
5.3. Năng lƣợng vỡ hạt nhân
Khi ta chuyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mãnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ thành các mãnh nhỏ.
Năng lượng kích hoạt đối với từng hạt nhân phụ thuộc tỉ số Z2
/A của hạt nhân đó theo hệ thức: 2 2 3 0,18. 5, 2 0,117. k Z W A M eV A
Trong đó Z là điệ tích và A là số khối của hạt nhân bị phân hạch.
Khi Z2/A khá lớn (nhưng vẫn thỏa 5,2>
2 0,1 1 7 .Z
A ) thì năng lượng kích hoạt rất nhỏ.
Do đó các hạt nhân có thể phân hạch không những do hấp thụ năng lượng neutron mà còn có thể phân rã một cách tự phát.
Thực nghiệm cho biết hạt nhân U235, Pu239 và U233 sẽ vỡ khi hấp thụ neutron nhiệt.
Đó là những neutron có năng lượng nhỏ từ 0,1→0,001eV, còn U236 và Th232 sẽ vỡ khi
hấp thụ neutron nhanh có năng lượng lớn hơn 1,0MeV.
Giải thích: khi hấp thụ neutron, hạt nhân biến thành hạt nhân ở trạng thái
kích thích có mức năng lượng cao hơn mức cơ bản. Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân mới. Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì sự phân hạch xãy ra, nếu ngược lại thì hạt nhân
chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ tia γ.
Đối với U236 thì Z2/A = 35,56 và năng lượng kích hoạt Wk = 7MeV, nhưng năng lượng kích thích sau khi hấp thụ neutron chậm được tính bằng:
2 2
236 239 6
E c m c M n M M eV
Nghĩa là nhỏ hơn năng lượng kích hoạt E<Wk (ngưỡng phân hạch). Vì vậy hạt nhân
U236 chỉ vỡ khi hấp thụ neutron có động năng lớn hơn giá trị là:
( )
Đối với U235
thì Z2/A = 36 và năng lượng kích hoạt Wk ≈ 6,6MeV, nhưng năng
lượng kích thích sau khi hấp thụ neutron chậm lại có giá trị:
2
235 236 6, 8
Hình 2.14
Nghĩa là lớn hơn năng lượng kích hoạt Wk (ngưỡng phân hạch). Vì vậy chỉ cần
bắt được neutron có năng lượng khoảng 0,1→0,001eV thì hạt nhân U235 cũng đủ
năng lượng phá vỡ hạt nhân.
Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mãnh vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra tương ứng với độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch.
Thí dụ: khi bắn neutron chậm vào hạt nhân U235 thì nó vỡ thành hai mãnh M, N và
giải phóng hai hoặc ba neutron:
2 3 5
9 2 n
n U M N K (với K = 1,2,3)
Hai mảnh M, N là những hạt nhân của nhiều chất khác nhau tùy theo điều kiện phản ứng. Xác suất xuất hiện hai hạt nhân M, N phụ thuộc vào số nuclon A của chúng.
Hình vẽ biểu diễn sự phụ thuộc của xác suất vào số A của hạt nhân mới hình thành. Đồ thị chỉ rằng xác suất cực tiểu khi A =
118 (bằng nữa số nuclon của hạt nhân Uranium).
Vậy rất ít khi xảy ra phản ứng trong đó hạt nhân M, N có khối lượng bằng nhau.
Xác suất cực đại khi A ≈ 140. [10] Thí dụ phản ứng:
2 3 5 1 3 9 9 5
9 2 5 4 3 8 2
n U X e S r n
là một phản ứng dễ xảy ra nhất.
Trong mọi trường hợp, phản ứng vỡ nhân Uranium bao giờ
cũng tỏa ra năng lượng: 2
i n uran M N n
W c m m m m km
Wi gọi là năng lượng phân hạch của hạt nhân Uranium. Năng lượng đó có giá trị
khoảng: W ≈ 200MeV. Năng lượng này được phân bố như sau:
Các mảnh phân hạch: 162MeV Neutron: 6MeV Tia γ: 6MeV Nơtrino: 11MeV Phân rã β các mảnh: 5MeV Bức xạ γ các mảnh: 5MeV
5.4. Phản ứng nhiệt hạch và năng lƣợng nhiệt hạch
5.4.1. Điều kiện thực hiện phản ứng nhiệt hạch
Người ta nhận thức có hiện tượng tỏa năng lượng khi kết hợp với các hạt nhân nhẹ tạo hạt nhân nặng. Thực vậy, nếu kết hợp các đồng vị của Hydrogen để tạo thành hạt nhân Helium thì các phản ứng đó sẽ tỏa năng lượng. Thí dụ:
Các phản ứng trên được gọi là phản ứng kết hợp phản ứng hạt nhân hay phản ứng nhiệt hạch. Năng lượng tỏa ra là năng lượng nhiệt hạch. Năng lượng nhiệt hạch lớn hơn năng lượng phân hạch nhiều lần. Thí dụ: 1kg hỗn hợp đồng vị Hydrogen nặng tỏa ra năng lượng 9,20.107 kWh gấp 4 lần năng lượng do 1kg U235 tỏa ra (2,3.107 kWh). [10] 5.4.2. Phản ứng nhiệt hạch trong vũ trụ Vì các hạt nhân đồng vị Hydrogen đều là những hạt tích điện dương, nên muốn tạo ra phản ứng nhiệt hạch, phải cung cấp cho các hạt nhân một động năng đủ lớn để vượt qua hàng rào điện năng và tiến lại gần nhau đến khoảng cách nhỏ hơn 30.10-15m. Khi đó lực hạt nhân sẽ phát huy tác dụng và phản ứng nhiệt hạch sẽ xảy ra. Ở khoảng cách đó, thế năng tương tác giữa các hạt nhân Hydrogen nặng ( )
là: 2 1 9 2 1 2 1 5 0 1, 6 .1 0 4 4 .8, 8 5 .1 0 .3 .1 0 t e W r
Vậy muốn đẩy hai hạt nhân Hydrogen nâng gần nhau, cần phải tốn công bằng
7,7.1014J. Tuy nhiên, có thể cung cấp cho các hạt nhân Hydrogen nặng một năng lượng
nhỏ hơn 0,5MeV, do hiệu ứng đường ngầm, chúng vẫn có thể xuyên qua hang rào thế năng. Muốn truyền năng lượng cần thiết đó cho một số lớn hạt nhân Hydrogen nặng thì chỉ cần tạo nên nhiệt độ cao. Theo công thức:
3 2
W k T
1eV tương đương với năng lượng của chuyển động nhiệt ở nhiệt độ gần 11.400K.
Do đó muốn cho các Deuterium có năng lượng 0,5MeV, ta cầ có nhiệt độ khoảng 1010
K.
Thực tế ở nhiệt độ 106K thì phản ứng nhiệt hạch đã xảy ra. Nguyên nhân là theo định luật
Hình 2.15
lượng trung bình khá lớn để đảm bảo số phản ứng cần thiết xảy ra. Cho nên muốn thực
hiện phản ứng kết hợp tạo ra hạt nhân phải dùng nhiệt độ cao vì thế mà có tên là
phản ứng nhiệt hạch. [8]
5.4.3. Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển
Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt độ cao hàng chục triệu độ. Có thể dùng bom hạt nhân để tạo ra nhiệt độ đó, nhưng phản ứng nhiệt hạch xảy ra sẽ chỉ tồn tại trong một
thời gian ngắn (cỡ 10-6s) rồi tắt
hẳn. Vì vậy phản ứng xảy ra trong trường hợp đó gọi là phản ứng nhiệt hạch không điều kiện.
Phản ứng nhiệt hạch không điều khiển, được thực hiện làm bom khinh khí. Sơ đồ nguyên tắc có thể có dạng như hình vẽ. Nhiên liệu nhiệt hạch là Litium Hidrua LiD ở trạng thái rắn. Nhiên liệu nhiệt hạch dễ sản xuất vì Li có nhiều trong thiên nhiên, còn đơtêri thì lấy ở nước biển bằng điện phân.
Nếu mỗi quả bom hạt nhân tương đương 20 ngàn tấn thuốc nổ trinitrotoluene thì quả bom khinh khí có thể tương đương với 10 – 20 triệu tấn thuốc nổ đó. [8]
5.4.4. Phƣơng pháp sử dụng thực tế năng lƣợng phản ứng nhiệt hạch
Mặc dù chưa thực hiện được hoàn toàn phản ứng nhiệt hạch điều khiển nhưng người ta vẫn dự kiến những cách sử dụng năng lượng các phản ứng đó. Có thể biến trực tiếp năng lượng nhiệt hạch thành năng lượng điện: khí nén, năng lượng từ trường biến thiên thành động năng của plasma, do đó phản ứng nhiệt hạch xảy ra và tỏa nhiệt. Nhiệt độ và áp suất sẽ tăng, plasma lại dãn ngược với tác dụng nén của từ trường. Thành thử khi dãn, năng lượng plasma lại biến đổi thành năng lượng từ trường. Năng lượng từ trường có thể biến đổi trực tiếp thành năng lượng điện.
Một phương pháp khác để nhận được năng lượng nhiệt hạch là dùng nhiên liệu Deuterium và Triti. Mỗi lần có phản ứng D + T thì lại được một neutron năng lượng 14,1MeV; neutron đập vào võ một ống dẫn nước và bằng va chạm đàn hồi chuyển năng lượng cho Hydrogen. Nước hấp thụ năng lượng của neutron sẽ nóng lên, bốc hơi và tái nhiệt vào máy hơi nước. Vì Triti là vật liệu quý nên phải phục hồi lại. Muốn vậy, người ta để neutron sinh ra do phẩn ứng nhiệt hạch đập vào các lớp Beeeerrrili, Chì, Bitmuyt có
tính chất gây phản ứng (n, 2n). Nhờ đó số neutron sẽ tăng nhanh, 3Li6 hấp thụ neutron lại
hạch có thể tái sản xuất nhiên liệu hạch Triti tương tự như lò phản ứng hạt nhân có thể tái
PHẦN KẾT LUẬN
Qua những vấn đề trình bày, ta thấy toát lên ý nghĩa vô cùng quan trọng của vấn đề “Năng lượng trong vật lý”. Từng phần trong vật lý học đều có lên quan đến năng lượng. “Năng lượng” là vấn đề không thể thiếu đối với các quá trình trong vật lý học.
Ta cần phải quan tâm và chú ý đến nó. Vì nó là nguồn lợi vô hạn để phục vụ cho con người. Ngoài ra, ta thấy được mặt “lợi” và “hại” của nó trong việc ứng dụng vào thực tiễn để tránh gây tác hại không tốt cho mọi người.
Thực tế con người đã nhận thức được điều này, người ta đã nghiên cứu nó, khai thác các nguồn năng lượng khác nhau để phục vụ trong đời sống hằng ngày.
I. LƢỢC SỬ VỀ SỰ SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG:
Thời cổ xưa, con người nguyên thủy chỉ dùng sức mạnh của cơ bắp để sản sinh ra năng lượng cho cuộc sống, năng lượng này do thức ăn cung cấp, ở giai đoạn hái lượm vào khoảng 2.000 kcalo/người/ngày. Sau khi phát hiện ra lửa và cải biến công cụ săn bắt các thú lớn thì năng lượng mà con người tiêu thụ được từ thức ăn đã tới 4.000 – 5.000 kcalo/ngày (khoảng 100.000 năm trước công nguyên), đến cuộc cách mạng nông nghiệp vào thời đồ đá mới (5.000 năm trước công nguyên) thì năng lượng tự nhiên bắt đầu được khai thác là sức nước và sức gió, đốt than củi để lấy nhiệt năng.
Vào đầu thế kỷ thứ 15 sau công nguyên, năng lượng tiêu thụ theo đầu người một ngày là 26.000 kcalo. Đến thế kỷ 18 với cuộc cách mạng công nghiệp ra đời, sự phát minh ra máy hơi nước đầu tiên đẩy bằng piston, sau đó là vận động bằng tourbine, loại năng lượng mới này đã tăng cường gấp bội khả năng của con người trong sản xuất và trong lưu thông phân phối. Vì thế, năng lượng theo đầu người ở đầu thế kỷ thứ 19 ước tính khoảng 70.000 kcalo/ngày.
Từ đầu thế kỷ 19 trở về trước thì năng lượng cung cấp do than, củi, rơm, rạ chiếm 50% trong cơ cấu sử dụng nhiên liệu của nhân loại và sau đó dần dần được thay thế bằng than đá trong suốt nửa đầu thế kỷ 20.
Đến khi sự phát minh ra động cơ đốt trong thì dầu mỏ trở thành nguồn nguyên liệu chính thay thế dần than đá trong công nghiệp. [1]
II. SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG:
Từ thế kỷ 20 trở về trước, trong hàng ngàn năm, nguồn năng lượng được con người sử dụng trong cuộc sống hằng ngày chủ yếu lấy từ gỗ củi, rơm, rạ, than lá thực vật. Than đá được khai thác vào thế kỷ thứ 10 ở Đức nhưng không được con người ưa chuộng vì khó cháy lại tỏa nhiều khí độc khi đốt.
Đến thế kỷ 15, ngành công nghiệp luyện kim ra đời và ngày một phát triển, nhất là đến đầu thế kỷ 19 với sự ra đời của các nhà máy nhiệt điện thì nhu cầu sử dụng than đá chiếm tỷ trọng ngày một lớn.
Tuy nhiên trong thời gian qua xu hướng sử dụng năng lượng từ than đá có sự giảm sút rõ rệt vì dầu mỏ và khí đốt được khai thác ngày càng nhiều nên giá thành hạ. Trong những năm gần đây, một xu hướng mới lại xuất hiện ở nhiều nước, trước tình hình dầu mỏ và khí đốt có hạn, giá thành tăng nhanh lên người ta quay trở lại sử dụng than đá đồng thời cải tiến kỷ thuật đốt cháy nhanh hơn và giảm được sự ô nhiễm môi trường do khí độc thoát ra.
Năng lượng chủ yếu khai thác và sử dụng cho nhu cầu công nghiệp là dầu mỏ và khí đốt…
Công nghiệp điện ra đời vào cuối thế kỷ 19 và phát triển rất nhanh chóng. Công nghiệp điện hiện nay bao gồm hai lĩnh vực chính là nhiệt điện và thủy điện. Cho đến nay, điện năng được sử dụng trên thế giới là do các nhà máy nhiệt điện sản xuất là chính, còn thủy điện cung cấp chỉ là một phần nhỏ chiếm tỷ lệ từ 3,5% - 5%.
Trong tình hình các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống cạn dần thì nền công nghiệp điện nguyên tử ra đời. Liên Xô là nước đầu tiên xây dựng thành công nhà máy điện nguyên tử (1945) với công suất 5.000 kWh. Nguyên liệu sử dụng cho nhà máy điện nguyên tử là Uranium. Năng lượng nguyên tử có nhiều điểm ưu việt nên nó sẽ thay thế dần các nguồn năng lượng cổ điển vào thế kỷ 21.
Một kg Uranium – 235 bị phân rã hoàn toàn phát ra một năng lượng là 23 triệu kWh, tương đương với 2.600 tấn than đá. Vì thế nên nhà máy điện nguyên tử chiếm diện tích nhỏ, máy móc gọn nhẹ, tiêu thụ điện của bản than nhà máy cũng ít, tránh được việc làm nhiễm bẩn môi trường như các nhà máy nhiệt điện. Nhưng đây có một vấn đề phải được đặc biệt quân tâm và giải quyết tốt là xử lý chất thải phóng xạ. [1]
III. NĂNG LƢỢNG MỚI:
Do tính hạn hữu của năng lượng cổ điển truyền thống, nên việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới để có thể khai thác và sử dụng rộng rãi trở nên cấp bách. Hiện nay, sự nghiên cứu, thăm dò chủ yếu tập trung vào ba lĩnh vực: bức xạ mặt trời, địa nhiệt và năng lượng hạch nhân. [1]
3.1.Năng lƣợng mặt trời:
Mặt trời có đường kính chừng 1,4 triệu km và cách xa trái đất 150 triệu km. Nguồn gốc của năng lượng mặt trời là do những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tiếp bên trong lòng mặt trời ở nhiệt độ rất cao (15 – 20 triệu độ C), các phản ứng này phát ra năng lượng dưới dạng bức xạ nhiệt, quang và các hạt mang điện… Năng lượng mặt trời mà trái đất nhận được là rất nhỏ. Ưu thế của năng lượng này là vô tận, không đổi dạng và trong sạch nhưng nhược điểm là sự biến thiên của năng lượng này theo ngày và mùa, theo khí hậu và theo vị trí của trái đất đối với mặt trời; nên vấn đề được đặt ra là cần phải suy tính để sử dụng kinh tế nhất.
Người ta chia nguồn năng lượng mặt trời ra làm hai dạng là năng lượng trực tiếp và năng lượng gián tiếp:
Năng lượng trực tiếp
Là dòng năng lượng chiếu sáng trực tiếp và khuếch tán. Năng lượng này có thể sử dụng để sản xuất ra nhiệt hay một loại năng lượng thứ cấp như điện, nhiên liệu tổng hợp… Về kỷ thuật sử dụng năng lượng mặt trời được biết như sau:
Cần sức nóng ở nhiệt độ thấp (<100C): kĩ thuật sử dụng năng lượng ánh sáng
mặt trời bằng hệ thống bản phẳng hứng bức xạ (capteurplans) gọi là giàn thu nhiệt. Hiện nay đã được sử dụng rộng rãi để sưởi ấm và làm cho nước nóng.
Cần sức nóng ở nhiệt độ cao (>100C): thì phải có kĩ thuật hội tụ bức xạ gọi là
Lò mặt trời (pour solaire) chẳng hạn như Lò mặt trời Odeillo ở miền Tây Nam nước Pháp có thể đạt tới nhiệt độ 3.800C. Với nhiệt độ cao như vậy nên cần thiết cho một số ngành công nghiệp như ngành chế tạo vật liệu xây dựng hoặc được chuyển đổi thành cơ năng hay nhiệt năng.
Một ứng dụng quan trọng nữa của dạng năng lượng trực tiếp là sừ chuyển đổi