Ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch

Cùng Top lời giải trả lời chi tiết, chính xác câu hỏi: “Ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch” và đọc thêm phần kiến thức tham khảo giúp các bạn học sinh ôn tập và tích lũy kiến thức bộ môn Vật lí 12

Trả lời câu hỏi: Ứng dụng của phản ứng nhiệt hạch là gì?

Hiện nay, nghiên cứu về tính khả thi của phương pháp tổng hợp hạt nhân như một nguồn cung cấp năng lượng thực tiễn đang được thực hiện với hi vọng khống chế được tốc độ cũng như lượng nhiệt của phản ứng. Với các vật liệu được biết đến ngày nay thì không có vật liệu nào chịu được nhiệt độ quá cao của phản ứng - do đó, hiện tại phản ứng nhiệt hạch được thực hiện một cách không khống chế nên gây lãng phí năng lượng. Một số nghiên cứu hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ để nhắm vào nhiên liệu hạt nhân, ép chúng ở nhiệt độ rất cao để gây ra phản ứng, thay vì sử dụng nhiệt lượng tỏa ra từ khối uranium phân hạch như phương pháp truyền thống. Ngoài ra, người ta cũng có thể dùng từ trường ngoài khống chế các hạt nhân, đảm bảo chúng không va chạm vào thành bình chứa chúng, giữ cho phản ứng được thực hiện trong điều kiện ít tốn kém và hiệu suất cao.

Nếu việc ứng dụng công nghệ năng lượng này trở thành hiện thực, nó sẽ trở thành nguồn năng lượng lý tưởng cho con người. Các đặc tính ưu việt như: mật độ năng lượng rất cao (lớn hơn hàng tỷ lần mật độ năng lượng của các nhiên liệu hóa thạch, hơn hàng chục lần mật độ năng lượng của nhiên liệu phân hạch), hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường (nếu nhiên liệu là các đồng vị hydro như deuteri, triti thì sản phẩm thải là heli, khí hiếm hoàn toàn không gây bất kì ảnh hưởng nào đến môi trường), công nghệ hạt nhân và tổng hợp đồng vị phát triển, nguồn nhiên liệu thô - hydro để tổng hợp deuteri và triti là vô tận trong vũ trụ, là những điểm vượt trội của loại hình năng lượng này mà không có loại hình năng lượng nào khác có được. Một khi công nghệ hóa hữu cơ đã phát triển được vật liệu thích hợp làm bình chứa cho phản ứng, và công nghệ hạt nhân tìm ra được phương pháp khống chế hiệu quả, thì loại năng lượng sẽ trở thành một nguồn năng lượng không thể thiếu của con người.

Cùng Top lời giải hoàn thiện hơn hành trang tri thức của mình qua bài tìm hiểu về phản ứng nhiệt hạch nhé!

Kiến thức tham khảo về phản ứng nhiệt hạch

1. Phản ứng nhiệt hạch là gì?

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình giữa 2 hạt nhân trở lên hợp lại với nhau để tạo nên một hạt 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. Nhân sắt và nickel có năng lượng kết nối nhân lớn hơn tất cả các nhân khác nên bền vững hơn các nhân khác. Sự kết hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel thì phóng thích năng lượng trong khi với các nhân nhẹ hơn thì hấp thụ năng lượng.

Trong thực tế ta chỉ nghiên cứu các phản ứng nhiệt hạch trong đó các hạt nhân Hidro tự tổng hợp thành hạt nhân He do nguồn nguyên liệu vô tận của Hidro trong tự nhiên.
Phương trình phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên

₂₁H+₃₁H→₄₂He+_1on12H+13H→24He+o1n + 17,6MeV
₂₁H+₂₁H→₄₂He12H+12H→24He + 3,25MeV​

Các phép tính toán cho thấy năng lượng tỏa ra khi tổng hợp 1g He lớn gấp 10 lần năng lượng tỏa ra của phản ứng phân hạch 1g Urani, lớn gấp 100 triệu lần năng lượng tỏa ra khi đốt 1g Cácbon.

2. Đặc điểm của phản ứng nhiệt hạch

Tuy một phản ứng nhiệt hạch tỏa ra một năng lượng nhỏ hơn một phản ứng phản ứng phân hạch nhưng nếu tính theo khối lượng nhiên liệu thì phản ứng nhiệt hạch tỏa năng lượng lớn hơn phản ứng phân hạch.

Các phản ứng nhiệt hạch chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 50 đến 100 triệu độ vì chỉ ở nhiệt độ cao các hạt nhân nhẹ mới thu được động năng đủ lớn thắng được lực đẩy Culông tiến lại gần nhau đến mức lực hạt nhân tác dụng kết hợp chúng lại

→ điều kiện để xảy ra phản ứng nhiệt hạch là nhiệt độ phải rất lớn (lên đến hàng triệu độ). Nguồn gốc năng lượng mặt trời và các sao là do phản ứng nhiệt hạch.

Con người dã thực hiện được hiện được phản ứng nhiệt hạch dưới dạng sự nổ của bom khinh khí.

3. Cơ chế xảy ra phản ứng nhiệt hạch

-  Trước hết hỗn hợp nhiên liệu phải được chuyển sang trạng thái plasma (cần nhiệt độ khoảng 104 độ).

-  Cung cấp động năng ban đầu vào khoảng 105 eV để các hạt nhân tiếp xúc với nhau tạo nên phản ứng phân hạch (cần nhiệt độ khoảng 100 triệu độ)

-  Mật độ hạt nhân trong trạng thái plasma phải đủ lớn

-  Thời gian duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ 100 triệu độ phải đủ lớn

Vì những lý do trên mà hiện tại những kỹ thuật tiên tiến nhất vẫn chưa thể ứng dụng để tạo ra các lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch phục vụ cho nhu cầu cung cấp năng lượng sạch vô hạn cho con người.

4. Phản ứng nhiệt hạch trên trái đất

Phản ứng nhiệt hạch có điều khiển

₂₁H+₃₁H→₄₂He+_1on

Phản ứng này thực hiện một cách đơn lẻ như sau: cho triti (₃₁H13H) ở thể khí bám vào một tấm đồng, các hạt nhân đơteri (₂₁H12H) được gia tốc đập vào tấm bia đó. Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với dấu hiệu là sự phát ra hạt notron năng lượng xác định 14,1MeV.

Để thực hiện được phản ứng trên cần điều kiện sau:

- Đưa tốc độ của các hạt nhân Hidro lên rất lớn (bằng cách sử dụng nhiệt độ cao hoặc dùng các máy ra tốc hoặc sử dụng các chùm tia Laze cực mạnh)

- "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 để xảy ra phản ứng.