Quote from Lương Hữu Phước on 07/12/2021, 16:56

Phần 3: Năng lượng phân hạch

3.1. Năng lượng đầu vào

a. Các nguyên tử cần cho một phản ứng phân hạch

Thông thường là các nguyên tử có mức phóng xạ và có bức xạ năng lượng lớn như Uranium 235, Uranium-238, Plutonium-239, các Actini nặng,…

b. Tổng năng lượng cần thiết để cho phản ứng xảy ra

Sự phân hạch của một hạt nhân nặng đòi hỏi tổng năng lượng đầu vào khoảng 7 đến 8 triệu electron volt (MeV) để bước đầu vượt qua lực hạt nhân giữ hạt nhân thành hình cầu hoặc gần như hình cầu, và từ đó, biến dạng nó thành hai hình thùy ("đậu phộng") trong đó các thùy có thể tiếp tục tách ra khỏi nhau, được đẩy bởi điện tích dương lẫn nhau, trong quá trình phân hạch nhị phân phổ biến nhất (hai sản phẩm phân hạch tích điện dương + neutron)

Khoảng 6 MeV của năng lượng phân hạch - đầu vào được cung cấp bởi liên kết đơn giản của một neutron phụ với hạt nhân nặng thông qua lực mạnh; tuy nhiên, trong nhiều đồng vị phân hạch, lượng năng lượng này không đủ để phân hạch. Năng lượng còn lại để bắt đầu phân hạch có thể được cung cấp bởi hai cơ chế khác: một trong số đó là động năng nhiều hơn của neutron tới, nó ngày càng có khả năng phân hạch hạt nhân nặng có thể phân hạch khi nó vượt quá năng lượng động học của một MeV trở lên (vì vậy- gọi là neutron nhanh). Các neutron năng lượng cao như vậy có thể phân hạch trực tiếp U-238 để ứng dụng, trong đó các neutron nhanh được cung cấp bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân).

3.2. Năng lượng đầu ra

a. Các nguyên tử bị phân ra sau khi phản ứng xảy ra     

- Các hạt nhân Uran phân rã,

- Hạt neutron, proton,

- Tia gamma, tia X cũng như một số bức xạ oxi hóa.   

Hình ảnh về một phản ứng phân hạch

b. Năng lương thu được sau phản ứng

 Năng lượng Q giải phóng khi phân hạch: Q = Qf + Qb + Qn

Trong đó:

- Qf là động năng các mảnh.

- Qb là năng lượng biến đổi phóng xạ.

- Qn là năng lượng của notron phân hạch (Vì Qn rất nhỏ nên có thể bỏ qua).

     Khi một hạt nhân urani phân thành hai mảnh hạt nhân con, khoảng 0,1% khối lượng của hạt nhân urani xuất hiện dưới dạng năng lượng phân hạch  khoảng 200 MeV. Đối với urani-235 (tổng năng lượng phân hạch trung bình 202,79 MeV), thường là ~ 169 MeV xuất hiện dưới dạng động năng của hạt nhân con gái, chúng bay ra với tốc độ khoảng 3% tốc độ ánh sáng, do lực đẩy Coulomb. Ngoài ra, trung bình là 2,5 neutron được phát ra với động năng trung bình trên mỗi neutron là ~ 2 MeV (tổng cộng 4,8 MeV). 

Hình ảnh về vụ nổ Coulomb trong trường hợp một cụm hạt nhân tích điện dương.

     Phản ứng phân hạch cũng giải phóng ~ 7 MeV trong các photon tia Gamma tức thời. Hình sau có nghĩa là một vụ nổ phân hạch hạt nhân hoặc tai nạn nghiêm trọng phát ra khoảng 3,5% năng lượng của nó dưới dạng tia gamma, ít hơn 2,5% năng lượng của nó là neutron nhanh (tổng cộng cả hai loại bức xạ ~ 6%) và phần còn lại là động năng năng lượng của các mảnh phân hạch (điều này xuất hiện gần như ngay lập tức khi các mảnh vỡ tác động xung quanh vật chất, dưới dạng nhiệt đơn giản). Trong một quả bom nguyên tử, sức nóng này có thể phục vụ để tăng nhiệt độ của lõi bom lên 100 triệu kelvin và gây ra sự phát xạ thứ cấp của tia X mềm, chuyển đổi một phần năng lượng này thành bức xạ ion hóa. Tuy nhiên, trong các lò phản ứng hạt nhân, động năng phân hạch vẫn là nhiệt độ thấp, chính nó gây ra ít hoặc không bị ion hóa.

     Tổng năng lượng phân hạch nhanh lên tới khoảng 181 MeV, hoặc ~ 89% tổng năng lượng cuối cùng được giải phóng bởi quá trình phân hạch theo thời gian. ~ 11% còn lại được phát hành dưới dạng phân rã beta có thời gian bán hủy khác nhau, nhưng bắt đầu như một quá trình trong các sản phẩm phân hạch ngay lập tức; và trong phát thải gamma bị trì hoãn liên quan đến các phân rã beta này. Ví dụ, trong uranium-235, năng lượng bị trì hoãn này được chia thành khoảng 6,5 MeV trong betas, 8,8 MeV trong antineutrinos (được phát hành cùng lúc với betas), và cuối cùng, thêm 6.3 MeV trong phát xạ gamma bị trì hoãn từ các sản phẩm phân rã beta bị kích thích (với tổng số trung bình là ~ 10 phát xạ tia gamma trên mỗi phân hạch, tất cả). Do đó, khoảng 6,5% tổng năng lượng phân hạch được giải phóng một thời gian sau sự kiện, vì bức xạ ion hóa không kịp thời hoặc bị trì hoãn, và năng lượng ion hóa bị trì hoãn được chia đều giữa năng lượng tia gamma và beta.

     Nghĩa là khi Uran phân hạch năng lượng giải phóng được giải thích bằng độ giảm năng lượng Coulomb W_c đã vượt quá độ tăng năng lượng mặt ngoài W_m là 180 MeV

     Người ta cũng tính được năng lượng Qb giải phóng trong quá trình phân rã phóng xạ, nhờ công thức bán thực nghiệm, ta thu được giải phóng trong quá trình phân rã phóng xạ, nhờ công thức bán thực nghiệm ta thu được Qb = 20MeV,trong đó

Năng lượng dành cho beta (electron): 5MeV

Năng lượng dành cho gamma: 5MeV

Năng lượng dành cho neutrino: 10MeV

Vậy năng lượng phân hạch: Q = Qf + Qb = 200 Mev (xấp xỉ 200 Mev).

Trên đây là những gì mình tìm hiểu, cũng như biết được về năng lượng của một phản ứng phân hạch, mong nhận được sự đóng góp và phản hồi từ mọi người.