Bài học

Phản ứng nhiệt hạch và năng lượng hạt nhân

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được điều kiện để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, viết được phương trình nhiệt hạch đơteri–triti và tính được năng lượng toả ra từ độ hụt khối, so sánh được năng lượng toả ra trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu giữa phân hạch và nhiệt hạch, và giải thích được vì sao cả hai loại phản ứng đều toả năng lượng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học phản ứng phân hạch — tách một hạt nhân rất nặng thành hai mảnh gần đỉnh đường cong năng lượng liên kết riêng hơn (same-course bridge). Bài này xét quá trình ngược hướng về phía số khối nhỏ: ghép các hạt nhân rất nhẹ lại với nhau, cũng nhằm tiến gần đỉnh đường cong đó hơn.

Khởi động

Mặt Trời duy trì nhiệt độ hàng triệu độ trong hàng tỉ năm mà không cần thanh điều khiển hay neutron làm chậm như một lò phản ứng phân hạch trên Trái Đất. Nguồn năng lượng khổng lồ và bền bỉ đó đến từ đâu? Em thử đoán trước khi đọc tiếp.

Kiến thức trọng tâm

Phản ứng nhiệt hạch là hiện tượng hai hạt nhân rất nhẹ kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời toả ra năng lượng. Sở dĩ gọi là "nhiệt hạch" vì phản ứng chỉ xảy ra được ở nhiệt độ cực cao, cỡ hàng chục đến hàng trăm triệu độ — nhiệt độ đó cần thiết để các hạt nhân (vốn đều mang điện dương) có đủ động năng vượt qua lực đẩy Coulomb giữa chúng và tiến đủ gần nhau để lực hạt nhân mạnh phát huy tác dụng. Đây chính là câu trả lời cho câu hỏi khởi động: bên trong Mặt Trời, nhiệt độ và áp suất cực lớn duy trì liên tục phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hydro thành heli, và đó là nguồn gốc năng lượng bức xạ của Mặt Trời trong suốt hàng tỉ năm qua.

Một phản ứng nhiệt hạch điển hình, cũng là phản ứng dễ thực hiện nhất trong phòng thí nghiệm vì cần nhiệt độ thấp hơn các phản ứng khác, là phản ứng giữa đơteri (²₁H) và triti (³₁H):

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n

Phương trình này thoả hai định luật bảo toàn quen thuộc: số khối $2+3=5=4+1$ , điện tích $1+1=2=2+0$ . Dùng khối lượng nguyên tử của từng hạt (đơn vị u): $m_D\approx2{,}014102$ u, $m_T\approx3{,}016049$ u, $m_{He}\approx4{,}002602$ u, $m_n\approx1{,}008665$ u, ta tính được độ hụt khối của phản ứng $\Delta m = (m_D+m_T)-(m_{He}+m_n)\approx0{,}018884$ u. Theo hệ thức Einstein, năng lượng toả ra là $\Delta E=\Delta m\cdot c^2\approx0{,}018884\times931{,}5\approx17{,}6$ MeV cho mỗi cặp hạt nhân đơteri–triti kết hợp — một con số lớn đáng kể so với năng lượng của một phản ứng hoá học thông thường (chỉ cỡ vài eV mỗi phản ứng, tức nhỏ hơn hàng triệu lần).

So sánh năng lượng toả ra tính trên mỗi kilôgam nhiên liệu giữa hai loại phản ứng cho thấy một sự khác biệt rất lớn. Với phân hạch urani-235, mỗi lần phân hạch toả ra khoảng 200 MeV; một kilôgam urani-235 chứa khoảng $2{,}56\times10^{24}$ hạt nhân, nên tổng năng lượng toả ra là khoảng $8{,}2\times10^{13}$ J cho mỗi kilôgam nhiên liệu. Với nhiệt hạch đơteri–triti, mỗi kilôgam hỗn hợp nhiên liệu này toả ra khoảng $3{,}4\times10^{14}$ J — gấp hơn bốn lần năng lượng của phân hạch trên cùng một khối lượng nhiên liệu. Cả hai con số này đều lớn hơn rất nhiều so với việc đốt một kilôgam nhiên liệu hoá học thông thường (như than đá, chỉ cỡ $3\times10^7$ J/kg) — chênh lệch hàng triệu lần, vì năng lượng hạt nhân đến từ lực hạt nhân mạnh, mạnh hơn hẳn lực liên kết hoá học giữa các nguyên tử.

Vì sao cả phân hạch (tách hạt nhân rất nặng) và nhiệt hạch (ghép hạt nhân rất nhẹ) đều toả năng lượng, dù là hai quá trình ngược chiều nhau? Câu trả lời nằm ở đường cong năng lượng liên kết riêng đã học ở Course 7: đường cong này đạt cực đại quanh hạt nhân sắt (Fe, A≈56), và cả hai loại phản ứng đều đưa hệ tiến gần đỉnh đó hơn — phân hạch đi từ phía hạt nhân rất nặng, nhiệt hạch đi từ phía hạt nhân rất nhẹ — nên cả hai đều làm tăng năng lượng liên kết riêng trung bình của hệ và giải phóng phần chênh lệch đó ra ngoài dưới dạng năng lượng. Về mặt công nghệ, nhiệt hạch có tiềm năng lớn (nhiên liệu đồng vị hydro dồi dào từ nước biển, sản phẩm phụ ít phóng xạ hơn phân hạch), nhưng việc duy trì nhiệt độ cực cao đủ lâu và đủ ổn định để nhiệt hạch có kiểm soát trở nên hữu ích thực tế (như các dự án nghiên cứu lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế) vẫn là một thách thức công nghệ lớn, chưa được thương mại hoá. Dự án lớn nhất theo hướng này hiện nay là ITER (Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế), một cơ sở nghiên cứu quy mô lớn với sự hợp tác của nhiều quốc gia, đặt mục tiêu chứng minh khả năng duy trì phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát trong một khoảng thời gian đủ dài để thu được năng lượng ròng lớn hơn năng lượng bỏ ra để đốt nóng plasma ban đầu — một cột mốc kỹ thuật mà đến nay vẫn chưa quốc gia hay tổ chức nào đạt được ổn định.

**Phản ứng nhiệt hạch** là hiện tượng hai hạt nhân rất nhẹ kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn, đồng thời toả ra năng lượng. Sở dĩ gọi là "nhiệt hạch" vì phản ứng chỉ xảy ra được ở nhiệt độ cực cao, cỡ hàng chục đến hàng trăm triệu độ — nhiệt độ đó cần thiết để các hạt nhân (vốn đều mang điện dương) có đủ động năng vượt qua lực đẩy Coulomb giữa chúng và tiến đủ gần nhau để lực hạt nhân mạnh phát huy tác dụng. Đây chính là câu trả lời cho câu hỏi khởi động: bên trong Mặt Trời, nhiệt độ và áp suất cực lớn duy trì liên tục phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hydro thành heli, và đó là nguồn gốc năng lượng bức xạ của Mặt Trời trong suốt hàng tỉ năm qua. Một phản ứng nhiệt hạch điển hình, cũng là phản ứng dễ thực hiện nhất trong phòng thí nghiệm vì cần nhiệt độ thấp hơn các phản ứng khác, là phản ứng giữa đơteri (²₁H) và triti (³₁H): ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n Phương trình này thoả hai định luật bảo toàn quen thuộc: số khối $2+3=5=4+1$, điện tích $1+1=2=2+0$. Dùng khối lượng nguyên tử của từng hạt (đơn vị u): $m_D\approx2{,}014102$ u, $m_T\approx3{,}016049$ u, $m_{He}\approx4{,}002602$ u, $m_n\approx1{,}008665$ u, ta tính được độ hụt khối của phản ứng $\Delta m = (m_D+m_T)-(m_{He}+m_n)\approx0{,}018884$ u. Theo hệ thức Einstein, năng lượng toả ra là $\Delta E=\Delta m\cdot c^2\approx0{,}018884\times931{,}5\approx17{,}6$ MeV cho mỗi cặp hạt nhân đơteri–triti kết hợp — một con số lớn đáng kể so với năng lượng của một phản ứng hoá học thông thường (chỉ cỡ vài eV mỗi phản ứng, tức nhỏ hơn hàng triệu lần). So sánh năng lượng toả ra tính trên mỗi kilôgam nhiên liệu giữa hai loại phản ứng cho thấy một sự khác biệt rất lớn. Với phân hạch urani-235, mỗi lần phân hạch toả ra khoảng 200 MeV; một kilôgam urani-235 chứa khoảng $2{,}56\times10^{24}$ hạt nhân, nên tổng năng lượng toả ra là khoảng $8{,}2\times10^{13}$ J cho mỗi kilôgam nhiên liệu. Với nhiệt hạch đơteri–triti, mỗi kilôgam hỗn hợp nhiên liệu này toả ra khoảng $3{,}4\times10^{14}$ J — gấp hơn bốn lần năng lượng của phân hạch trên cùng một khối lượng nhiên liệu. Cả hai con số này đều lớn hơn rất nhiều so với việc đốt một kilôgam nhiên liệu hoá học thông thường (như than đá, chỉ cỡ $3\times10^7$ J/kg) — chênh lệch hàng triệu lần, vì năng lượng hạt nhân đến từ lực hạt nhân mạnh, mạnh hơn hẳn lực liên kết hoá học giữa các nguyên tử. Vì sao cả phân hạch (tách hạt nhân rất nặng) và nhiệt hạch (ghép hạt nhân rất nhẹ) đều toả năng lượng, dù là hai quá trình ngược chiều nhau? Câu trả lời nằm ở đường cong năng lượng liên kết riêng đã học ở Course 7: đường cong này đạt cực đại quanh hạt nhân sắt (Fe, A≈56), và cả hai loại phản ứng đều đưa hệ tiến gần đỉnh đó hơn — phân hạch đi từ phía hạt nhân rất nặng, nhiệt hạch đi từ phía hạt nhân rất nhẹ — nên cả hai đều làm tăng năng lượng liên kết riêng trung bình của hệ và giải phóng phần chênh lệch đó ra ngoài dưới dạng năng lượng. Về mặt công nghệ, nhiệt hạch có tiềm năng lớn (nhiên liệu đồng vị hydro dồi dào từ nước biển, sản phẩm phụ ít phóng xạ hơn phân hạch), nhưng việc duy trì nhiệt độ cực cao đủ lâu và đủ ổn định để nhiệt hạch có kiểm soát trở nên hữu ích thực tế (như các dự án nghiên cứu lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế) vẫn là một thách thức công nghệ lớn, chưa được thương mại hoá. Dự án lớn nhất theo hướng này hiện nay là ITER (Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế), một cơ sở nghiên cứu quy mô lớn với sự hợp tác của nhiều quốc gia, đặt mục tiêu chứng minh khả năng duy trì phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát trong một khoảng thời gian đủ dài để thu được năng lượng ròng lớn hơn năng lượng bỏ ra để đốt nóng plasma ban đầu — một cột mốc kỹ thuật mà đến nay vẫn chưa quốc gia hay tổ chức nào đạt được ổn định.

Nhiệt hạch D-T toả ra khoảng

33{,}7\times10^{13}

J/kg, gấp hơn 4 lần mức

8{,}2\times10^{13}

J/kg của phân hạch U-235, tính trên cùng một đơn vị khối lượng nhiên liệu.Nhiệt hạch D-T toả ra khoảng $33{,}7\times10^{13}$ J/kg, gấp hơn 4 lần mức $8{,}2\times10^{13}$ J/kg của phân hạch U-235, tính trên cùng một đơn vị khối lượng nhiên liệu.

Ví dụ

Tính năng lượng toả ra của phản ứng nhiệt hạch đơteri–triti

1
Cho phản ứng nhiệt hạch ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n với khối lượng các hạt: $m_D=2{,}014102$ u, $m_T=3{,}016049$ u, $m_{He}=4{,}002602$ u, $m_n=1{,}008665$ u. Tính năng lượng toả ra của phản ứng, biết $1$ u $\approx931{,}5$ MeV/ $c^2$ .
Cho phản ứng nhiệt hạch ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n với khối lượng các hạt: $m_D=2{,}014102$ u, $m_T=3{,}016049$ u, $m_{He}=4{,}002602$ u, $m_n=1{,}008665$ u. Tính năng lượng toả ra của phản ứng, biết $1$ u $\approx931{,}5$ MeV/$c^2$.
2
$m_D+m_T=2{,}014102+3{,}016049=5{,}030151$ u.
$m_D+m_T=2{,}014102+3{,}016049=5{,}030151$ u.
3
$m_{He}+m_n=4{,}002602+1{,}008665=5{,}011267$ u.
$m_{He}+m_n=4{,}002602+1{,}008665=5{,}011267$ u.
4
$\Delta m=5{,}030151-5{,}011267=0{,}018884$ u. (1)
$\Delta m=5{,}030151-5{,}011267=0{,}018884$ u. (1)
5
Theo (1), $\Delta E=\Delta m\cdot c^2\approx0{,}018884\times931{,}5\approx17{,}6$ MeV.
Theo (1), $\Delta E=\Delta m\cdot c^2\approx0{,}018884\times931{,}5\approx17{,}6$ MeV.
6
Vậy mỗi cặp hạt nhân đơteri–triti kết hợp toả ra xấp xỉ 17,6 MeV — trùng khớp với giá trị thường được trích dẫn cho phản ứng nhiệt hạch D-T trong các lò nghiên cứu nhiệt hạch.

Ví dụ

So sánh năng lượng toả ra trên một kilôgam nhiên liệu (dạng đề thi)

1
So sánh năng lượng toả ra trên mỗi kilôgam nhiên liệu giữa phân hạch urani-235 (200 MeV mỗi lần phân hạch) và nhiệt hạch đơteri–triti (17,6 MeV mỗi phản ứng, khối lượng phản ứng $5{,}030151$ u).
So sánh năng lượng toả ra trên mỗi kilôgam nhiên liệu giữa phân hạch urani-235 (200 MeV mỗi lần phân hạch) và nhiệt hạch đơteri–triti (17,6 MeV mỗi phản ứng, khối lượng phản ứng $5{,}030151$ u).
2
Số hạt nhân U-235 trong 1 kg: $N=\dfrac{1000}{235}\times6{,}022\times10^{23}\approx2{,}56\times10^{24}$ . Năng lượng mỗi phân hạch đổi ra Jun: $200\times1{,}6\times10^{-13}=3{,}2\times10^{-11}$ J. Tổng năng lượng: $2{,}56\times10^{24}\times3{,}2\times10^{-11}\approx8{,}2\times10^{13}$ J/kg.
Số hạt nhân U-235 trong 1 kg: $N=\dfrac{1000}{235}\times6{,}022\times10^{23}\approx2{,}56\times10^{24}$. Năng lượng mỗi phân hạch đổi ra Jun: $200\times1{,}6\times10^{-13}=3{,}2\times10^{-11}$ J. Tổng năng lượng: $2{,}56\times10^{24}\times3{,}2\times10^{-11}\approx8{,}2\times10^{13}$ J/kg.
3
Khối lượng một cặp phản ứng D-T: $5{,}030151\times1{,}6605\times10^{-27}\approx8{,}35\times10^{-27}$ kg. Số phản ứng trong 1 kg nhiên liệu: $1/(8{,}35\times10^{-27})\approx1{,}20\times10^{26}$ . Năng lượng mỗi phản ứng: $17{,}6\times1{,}6\times10^{-13}\approx2{,}82\times10^{-12}$ J. Tổng năng lượng: $1{,}20\times10^{26}\times2{,}82\times10^{-12}\approx3{,}37\times 10^{14}$ J/kg.
Khối lượng một cặp phản ứng D-T: $5{,}030151\times1{,}6605\times10^{-27}\approx8{,}35\times10^{-27}$ kg. Số phản ứng trong 1 kg nhiên liệu: $1/(8{,}35\times10^{-27})\approx1{,}20\times10^{26}$. Năng lượng mỗi phản ứng: $17{,}6\times1{,}6\times10^{-13}\approx2{,}82\times10^{-12}$ J. Tổng năng lượng: $1{,}20\times10^{26}\times2{,}82\times10^{-12}\approx3{,}37\times 10^{14}$ J/kg.
4
$\dfrac{3{,}37\times10^{14}}{8{,}2\times10^{13}}\approx4{,}1$ lần.
$\dfrac{3{,}37\times10^{14}}{8{,}2\times10^{13}}\approx4{,}1$ lần.
5
Vậy nhiệt hạch đơteri–triti toả ra năng lượng trên mỗi kilôgam nhiên liệu gấp khoảng 4,1 lần phân hạch urani-235 — cả hai đều toả năng lượng vì cùng đưa hệ tiến gần hơn tới đỉnh đường cong năng lượng liên kết riêng quanh hạt nhân sắt.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất khi so sánh năng lượng là quên đổi MeV sang Jun trước khi cộng vào một tổng có đơn vị Jun/kg, hoặc quên đổi khối lượng phản ứng từ đơn vị u sang kilôgam trước khi tính số phản ứng trong 1 kg — hai bước đổi đơn vị này bắt buộc phải làm trước khi thay số, không thể để lẫn đơn vị MeV và Jun, hay đơn vị u và kg, trong cùng một phép tính. Một hiểu lầm khác là nghĩ nhiệt hạch dễ xảy ra hơn phân hạch vì "chỉ cần hai hạt nhân nhỏ" — thực ra nhiệt hạch cần nhiệt độ cực cao để thắng lực đẩy Coulomb, khó thực hiện có kiểm soát hơn phân hạch rất nhiều trên thực tế.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nhiệt hạch: hai hạt nhân nhẹ kết hợp ở nhiệt độ cực cao, toả năng lượng lớn — ví dụ D-T toả ≈17,6 MeV mỗi phản ứng, và toả nhiều năng lượng hơn phân hạch tính trên mỗi kilôgam nhiên liệu (khoảng 4 lần). Cả phân hạch và nhiệt hạch đều toả năng lượng vì cùng tiến gần đỉnh đường cong năng lượng liên kết riêng quanh sắt.

Chương cuối của khoá học ôn lại toàn bộ bốn nội dung — các tia phóng xạ, định luật phóng xạ, độ phóng xạ, phân hạch và nhiệt hạch — dưới đúng cấu trúc ba phần của đề thi tốt nghiệp THPT 2025: trắc nghiệm nhiều lựa chọn, đúng/sai từng ý, và trả lời ngắn.