Phản ứng phân hạch hạt nhân (Nuclear fission)

Nguyên lý

Phân hạch hạt nhân dựa trên nguyên lý sau: Khi một hạt nhân nặng hấp thụ một neutron, nó trở thành không ổn định và dao động mạnh. Sự dao động này có thể dẫn đến việc hạt nhân bị tách thành hai hoặc nhiều mảnh nhỏ hơn. Sự chênh lệch khối lượng giữa hạt nhân ban đầu và các sản phẩm phân hạch được chuyển đổi thành năng lượng theo phương trình nổi tiếng của Einstein, E=mc², giải phóng năng lượng liên kết hạt nhân dưới dạng động năng của các mảnh vỡ, neutron và tia gamma. Năng lượng này lớn hơn rất nhiều so với năng lượng liên quan đến các phản ứng hóa học.

Ví dụ

Ví dụ về phản ứng phân hạch của $^{235}U$ bởi neutron chậm:

$^{235}U + n \rightarrow ^{92}Kr + ^{141}Ba + 3n +$ năng lượng

Trong phản ứng này, một hạt nhân Uranium-235 hấp thụ một neutron và phân rã thành Krypton-92, Barium-141 và ba neutron, đồng thời giải phóng một lượng lớn năng lượng. Lưu ý rằng các sản phẩm phân hạch và số lượng neutron sinh ra có thể khác nhau. Có rất nhiều cách phân hạch khác nhau có thể xảy ra, tạo ra các đồng vị khác nhau. Ví dụ trên chỉ là một trong số những khả năng đó. Các neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch có thể tiếp tục gây ra các phản ứng phân hạch khác, tạo ra một phản ứng dây chuyền.

Năng lượng giải phóng

Lượng năng lượng giải phóng trong phản ứng phân hạch rất lớn, gấp hàng triệu lần năng lượng giải phóng trong các phản ứng hóa học thông thường. Cụ thể, phân hạch một kg Uranium-235 giải phóng năng lượng tương đương với việc đốt cháy khoảng 1500 tấn than. Năng lượng này được giải thích bởi sự khác biệt nhỏ về khối lượng giữa hạt nhân ban đầu và các sản phẩm phân hạch (theo công thức E=mc² của Einstein). Chính sự chênh lệch khối lượng nhỏ này, khi được nhân với tốc độ ánh sáng bình phương, tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ.

Phản ứng dây chuyền

Các neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch có thể tiếp tục gây ra phân hạch của các hạt nhân khác, tạo ra một phản ứng dây chuyền. Phản ứng dây chuyền có thể được kiểm soát (như trong lò phản ứng hạt nhân) hoặc không kiểm soát (như trong bom nguyên tử). Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh điều khiển được sử dụng để hấp thụ neutron dư thừa và duy trì phản ứng dây chuyền ở mức ổn định. Trong bom nguyên tử, phản ứng dây chuyền diễn ra không kiểm soát, dẫn đến sự giải phóng năng lượng đột ngột và cực lớn.

Ứng dụng

Phản ứng phân hạch hạt nhân có nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm:

• Sản xuất điện năng: Phản ứng phân hạch được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân để tạo ra nhiệt, từ đó tạo ra hơi nước để quay tua bin và phát điện. Đây là một nguồn năng lượng không phát thải khí nhà kính, góp phần giảm thiểu biến đổi khí hậu.
• Vũ khí hạt nhân: Phản ứng dây chuyền không kiểm soát được sử dụng trong bom nguyên tử.
• Sản xuất đồng vị phóng xạ: Phản ứng phân hạch được sử dụng để sản xuất các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong y học (xạ trị, chẩn đoán hình ảnh), công nghiệp (kiểm tra không phá hủy, đo lường) và nghiên cứu khoa học (phân tích nguyên tố, đánh dấu phóng xạ). Một số đồng vị được tạo ra trong quá trình phân hạch cũng có thể được sử dụng làm nguồn neutron cho các ứng dụng nghiên cứu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng phân hạch

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến phản ứng phân hạch, bao gồm:

• Loại hạt nhân: Một số hạt nhân dễ bị phân hạch hơn những hạt nhân khác. Ví dụ, Uranium-235 và Plutonium-239 dễ bị phân hạch hơn Uranium-238. Điều này là do cấu trúc hạt nhân của chúng và cách chúng tương tác với neutron.
• Năng lượng của neutron: Neutron chậm (năng lượng thấp) hiệu quả hơn trong việc gây ra phân hạch của Uranium-235. Neutron nhanh có thể bị hạt nhân U-235 bắt giữ mà không gây ra phân hạch.
• Khối lượng tới hạn: Một lượng tối thiểu của vật liệu phân hạch là cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền, được gọi là khối lượng tới hạn. Nếu khối lượng nhỏ hơn khối lượng tới hạn, quá nhiều neutron sẽ thoát ra ngoài mà không gây ra phân hạch, khiến phản ứng dây chuyền dừng lại.

Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng hạt nhân

• Ưu điểm: Sản xuất một lượng lớn năng lượng từ một lượng nhỏ nhiên liệu, không thải ra khí nhà kính, giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu. Năng lượng hạt nhân cũng là một nguồn năng lượng ổn định và đáng tin cậy, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như năng lượng mặt trời và gió.
• Nhược điểm: Chất thải phóng xạ nguy hiểm, cần được xử lý và lưu trữ an toàn trong thời gian dài, nguy cơ tai nạn hạt nhân, mặc dù rất hiếm nhưng có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng, nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân.

Phân hạch tự phát (Spontaneous Fission)

Mặc dù phần lớn phản ứng phân hạch được gây ra bởi sự bắn phá neutron, một số hạt nhân nặng có thể tự phân rã mà không cần kích thích từ bên ngoài. Quá trình này được gọi là phân hạch tự phát. Tuy nhiên, xác suất xảy ra phân hạch tự phát thường rất thấp so với phân hạch cảm ứng. Ví dụ, $^{235}U$ có thể trải qua cả phân hạch cảm ứng và tự phát, nhưng phân hạch tự phát chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong tổng số sự phân rã của nó.

Các sản phẩm phân hạch

Các sản phẩm phân hạch là các hạt nhân nhỏ hơn được tạo ra từ sự phân rã của hạt nhân nặng. Chúng thường là các đồng vị phóng xạ và trải qua chuỗi phân rã beta để đạt đến trạng thái ổn định. Sự phân bố khối lượng của các sản phẩm phân hạch thường là bất đối xứng, với hai đỉnh phân bố khối lượng. Điều này có nghĩa là hạt nhân nặng thường phân rã thành hai mảnh có kích thước khác nhau, chứ không phải hai mảnh có kích thước bằng nhau.

Khối lượng tới hạn (Critical Mass)

Khối lượng tới hạn là lượng vật liệu phân hạch tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền tự duy trì. Nếu khối lượng vật liệu nhỏ hơn khối lượng tới hạn, nhiều neutron sẽ thoát ra khỏi vật liệu mà không gây ra phân hạch, và phản ứng dây chuyền sẽ không được duy trì. Khối lượng tới hạn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại vật liệu phân hạch, hình dạng của vật liệu, và sự hiện diện của các chất phản xạ neutron.

Chất điều tiết neutron (Neutron Moderator)

Trong lò phản ứng hạt nhân, chất điều tiết neutron được sử dụng để làm chậm neutron nhanh do phân hạch tạo ra. Neutron chậm hiệu quả hơn trong việc gây ra phân hạch của $^{235}U$. Các chất điều tiết neutron thông thường bao gồm nước, nước nặng (D$_2$O) và graphite. Bằng cách làm chậm neutron, chất điều tiết neutron làm tăng xác suất xảy ra phân hạch, giúp duy trì phản ứng dây chuyền.

Phản ứng nhiệt hạch so với phản ứng phân hạch

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình ngược lại với phản ứng phân hạch, trong đó các hạt nhân nhỏ kết hợp lại để tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng nhiệt hạch cũng giải phóng một lượng năng lượng rất lớn, thậm chí lớn hơn cả phân hạch. Mặt trời và các ngôi sao khác tạo ra năng lượng thông qua phản ứng nhiệt hạch. Một ưu điểm quan trọng của nhiệt hạch là nó tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn phân hạch.

Ứng dụng trong y học

Ngoài sản xuất điện và vũ khí hạt nhân, phân hạch hạt nhân còn được ứng dụng trong y học, ví dụ như trong xạ trị ung thư và sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong chẩn đoán hình ảnh. Các đồng vị phóng xạ được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư hoặc được sử dụng làm chất đánh dấu để theo dõi các quá trình sinh học trong cơ thể.

• Kenneth S. Krane. Introductory Nuclear Physics. John Wiley & Sons, 1988.
• Samuel S.M. Wong. Introductory Nuclear Physics. Oxford University Press, 2nd edition, 1998.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao Uranium-235 ( $^{235}U$ ) lại dễ bị phân hạch bởi neutron chậm hơn so với neutron nhanh?

Trả lời: Neutron chậm có thời gian tương tác lâu hơn với hạt nhân $^{235}U$, tăng xác suất bị hấp thụ và gây ra phân hạch. Neutron nhanh có xu hướng “vượt qua” hạt nhân mà không bị hấp thụ. Hơn nữa, tiết diện bắt neutron của $^{235}U$ lớn hơn nhiều đối với neutron chậm.

Khối lượng tới hạn bị ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?

Trả lời: Khối lượng tới hạn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Loại vật liệu phân hạch: Vật liệu có khả năng phân hạch cao (như $^{239}Pu$) sẽ có khối lượng tới hạn nhỏ hơn.
• Mật độ: Mật độ vật liệu càng cao, khối lượng tới hạn càng nhỏ.
• Hình dạng: Hình cầu có khối lượng tới hạn nhỏ nhất vì nó giảm thiểu sự rò rỉ neutron.
• Sự hiện diện của chất phản xạ neutron: Chất phản xạ neutron giảm sự rò rỉ neutron, do đó làm giảm khối lượng tới hạn.
• Sự hiện diện của chất hấp thụ neutron: Chất hấp thụ neutron làm tăng khối lượng tới hạn.

Ngoài sản xuất điện và vũ khí hạt nhân, phản ứng phân hạch còn có ứng dụng nào khác?

Trả lời: Phản ứng phân hạch còn được ứng dụng trong:

• Sản xuất đồng vị phóng xạ: Được sử dụng trong y học (xạ trị, chẩn đoán hình ảnh), công nghiệp (kiểm tra không phá hủy) và nghiên cứu khoa học.
• Phân tích kích hoạt neutron: Một kỹ thuật phân tích để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu.
• Định tuổi bằng phóng xạ: Sử dụng đồng vị phóng xạ được tạo ra từ phân hạch để xác định tuổi của các vật thể cổ xưa.

Sự khác biệt chính giữa phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch là gì?

Trả lời: Phản ứng phân hạch là sự phân rã của một hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn, trong khi phản ứng nhiệt hạch là sự kết hợp của các hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. Cả hai quá trình đều giải phóng một lượng năng lượng lớn, nhưng phản ứng nhiệt hạch tạo ra năng lượng nhiều hơn trên một đơn vị khối lượng. Hơn nữa, sản phẩm phụ của phản ứng nhiệt hạch ít nguy hiểm hơn so với chất thải phóng xạ từ phản ứng phân hạch.

Làm thế nào để lò phản ứng hạt nhân kiểm soát phản ứng dây chuyền?

Trả lời: Lò phản ứng hạt nhân kiểm soát phản ứng dây chuyền bằng cách sử dụng các thanh điều khiển làm bằng vật liệu hấp thụ neutron (ví dụ như cadmium hoặc boron). Bằng cách đưa các thanh điều khiển vào hoặc rút ra khỏi lõi lò phản ứng, người ta có thể điều chỉnh số lượng neutron tham gia vào phân hạch, từ đó kiểm soát tốc độ phản ứng và lượng nhiệt sinh ra. Chất điều tiết neutron cũng đóng vai trò quan trọng trong việc làm chậm neutron, làm tăng hiệu quả của phản ứng dây chuyền với $^{235}U$.