Sự phân hạch hạt nhân là quá trình mà một hạt nhân nguyên tử bị chia thành các hạt nhân con nhỏ hơn. Quá trình này thường được kích hoạt bằng cách đưa hạt nhân nguyên tử vào tiếp xúc với các hạt nhân nhân nhân tử hoặc các phân tử neutron. Trong quá trình phân hạch, một lượng lớn năng lượng được giải phóng theo công thức E=mc² của Einstein.
Con người dùng sự phân hạch hạt nhân sử dụng để sản xuất năng lượng hạt nhân cho các mục đích khác nhau, bao gồm sản xuất điện năng, dùng trong y học, hay sản xuất vật liệu hạt nhân. Tuy nhiên, sự phân hạch cũng có thể gây ra các vấn đề liên quan đến an toàn với môi trường và sức khỏe con người nếu không được quản lý và điều khiển chính xác.
Phân hạch hạt nhân có mấy loại?
Phân hạch hạt nhân có hai loại chính là phân hạch tự do và phân hạch phi tự do.
Phân hạch hạt nhân tự do
Phân hạch tự do là quá trình mà một hạt nhân nguyên tử bị chia thành hai hạt nhân con nhỏ hơn và một số lượng lớn năng lượng được giải phóng trong quá trình này. Phân hạch tự do thường xảy ra với các nguyên tố có khối lượng lớn như urani (U), plutonium (Pu) hay curi (Cm).
Phân hạch hạt nhân phi tự do
Phân hạch phi tự do là quá trình mà một hạt nhân nguyên tử bị phân hạch bởi một hạt khác, thường là neutron. Quá trình này cũng tạo ra hai hạt nhân con nhỏ hơn và một số lượng lớn năng lượng. Phân hạch phi tự do được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân để sản xuất điện năng và trong các ứng dụng y học và khoa học khác.
Sự phân hạch hạt nhân được phát hiện khi nào?
Việc khám phá ra sự phân hạch cảm ứng sẽ không thể thực hiện được nếu không có những bước tiến của Ernest Rutherford và Niels Bohr hướng tới một bức tranh thống nhất về nguyên tử trong những năm 1910. Điều này dẫn đến phát hiện của Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie và Rutherford rằng nguyên tử của các nguyên tố có thể ‘phân rã’ và chuyển thành nguyên tố khác thông qua sự phát xạ hạt alpha.
Hai năm sau khi James Chadwick phát hiện ra neutron vào năm 1932, Enrico Fermi và các đồng nghiệp của ông ở Rome bắt đầu ném các hạt mới tìm thấy này vào uranium cùng với các nhà vật lý khác cũng đi đến kết luận rằng hạt này sẽ tạo ra một tàu thăm dò tốt của hạt nhân nguyên tử. Năm 1933, nhà vật lý người Hungary Leó Szilárd lần đầu tiên chính thức hóa ý tưởng rằng sự phân hạch do neutron điều khiển của các nguyên tử nặng có thể được sử dụng để tạo ra phản ứng dây chuyền hạt nhân tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng proton để phân tách lithium vào năm trước.
Sự phân hạch hạt nhân được phát hiện vào năm 1938 bởi nhà vật lý học người Đức Otto Hahn và nhà hóa học người Áo Fritz Strassmann. Khi đó, họ đang nghiên cứu về phản ứng hạt nhân trong các nguyên tố nặng. Trong quá trình này, họ đã thấy rằng khi đưa các nguyên tố nặng vào tiếp xúc với neutron, các nguyên tố này sẽ phân hạch thành các nguyên tố con nhỏ hơn và giải phóng năng lượng lớn.
Khám phá về sự phân hạch hạt nhân của Hahn và Strassmann đã mở ra một lĩnh vực mới trong nghiên cứu về vật lý hạt nhân và đã đóng góp quan trọng cho sự phát triển của công nghệ hạt nhân.
Sự phân hạch hạt nhân tạo ra năng lượng như thế nào?
Sự phân hạch hạt nhân cảm ứng xảy ra khi một hạt – thường là neutron – đi qua một hạt nhân nguyên tử mục tiêu lớn và bị nó bắt giữ. Trong các lò phản ứng hạt nhân, đây là một đồng vị – một nguyên tử có số lượng neutron khác trong hạt nhân của nó – của các nguyên tố nặng uranium hoặc plutonium.
Năng lượng cần thiết để bắt đầu quá trình phân hạch là khoảng 7 đến 8 triệu electronvolt (MeV), và khi một nơtron mang mức năng lượng này trở lên tấn công hạt nhân mục tiêu, năng lượng mà nó truyền vào sẽ biến dạng hạt nhân thành hình dạng giống như hạt đậu phộng hai thùy. .
Khoảng cách giữa các thùy được tạo ra bởi sự bắt giữ neutron cuối cùng vượt quá điểm mà lực hạt nhân mạnh – liên kết các proton và neutron với nhau trong hạt nhân nguyên tử và chỉ mạnh trên phạm vi cực kỳ nhỏ – có thể giữ chúng lại với nhau.
Kết quả là, hạt nhân bị vỡ thành những mảnh nhỏ hơn, thường có khối lượng bằng một nửa khối lượng của hạt ban đầu, cũng giải phóng ít nhất hai, đôi khi ba, neutron.
Các hạt con nhanh chóng bị đẩy ra xa nhau do các điện tích dương của chúng đẩy nhau. Các neutron được giải phóng di chuyển với tốc độ khoảng 33 triệu feet / giây (10 triệu mét / giây, hay khoảng 3% tốc độ ánh sáng) – tiếp tục tấn công thêm hai hạt nhân nữa, khiến chúng tách ra và giải phóng bốn neutron. Các nơtron đó sau đó bị phóng ra, tấn công các hạt nhân khác.
Điều này dẫn đến một chuỗi phản ứng tách hạt nhân, tạo ra phản ứng phân hạch nhân đôi mỗi khi hạt nhân bị tách ra. Điều đó có nghĩa là ở “thế hệ” thứ mười, có 1.024 phản ứng phân hạch và đến thế hệ 80 có 6 x 10²³ phản ứng phân hạch.
Lý do quá trình này giải phóng năng lượng có liên quan đến khám phá của Albert Einstein rằng khối lượng và năng lượng có thể hoán đổi cho nhau. Ở dạng đơn giản nhất, điều này được gói gọn bởi phương trình được cho là nổi tiếng nhất thế giới: năng lượng bằng khối lượng nhân với tốc độ ánh sáng bình phương hoặc e = mc².
Khi một vật liệu phân hạch hấp thụ một nơtron và vỡ ra, khối lượng tham gia phản ứng sẽ cao hơn một chút so với khối lượng xuất hiện từ nó. Sự khác biệt về khối lượng giữa hạt ban đầu và các hạt con của nó là rất nhỏ – khoảng 0,1% khối lượng ban đầu.
Đây là lúc thuật ngữ c² trở nên quan trọng vì điều này cho chúng ta biết rằng ngay cả một lượng nhỏ khối lượng cũng giải phóng rất nhiều năng lượng.
Khoảng 85% năng lượng được giải phóng trong các phản ứng phân hạch được giải phóng dưới dạng động năng cấp cho các hạt nhân con. Năng lượng này sau đó được chuyển thành nhiệt. Phần năng lượng còn lại được chuyển dưới dạng động năng cho các nơtron được giải phóng hoặc mang đi bởi bức xạ năng lượng cao dưới dạng tia gamma.
Không thể dự đoán chính xác các sản phẩm con gái chính xác được tạo ra trong quá trình phân hạch, vì quá trình này có mức độ rủi ro và biến động cao. Trên thực tế, không có gì đảm bảo chắc chắn rằng việc bắt giữ một neutron sẽ xảy ra hoặc điều này thậm chí sẽ dẫn đến sự phân hạch.
Một điều chắc chắn là số proton và neutron tham gia vào quá trình này sẽ được bảo toàn khi kết thúc.
Một phản ứng phổ biến trong các lò phản ứng hạt nhân là uranium-235 bắt một neutron tạo ra hai neutron con và hạt nhân nguyên tử là bari-144 và krypton-90. Phản ứng này giải phóng khoảng 200 megaelectronvolts (MeV), tương đương với chỉ 0,000000000032 Joules.
Đó là những neutron được tạo ra có nhiệm vụ làm cho sự phân hạch trở thành một cơ chế tạo ra năng lượng khả thi. Nhưng điều này phải được kiểm soát chặt chẽ.
Phản ứng dây chuyền và khối lượng tới hạn
Không phải tất cả các neutron được tạo ra trong quá trình phân hạch đều có sẵn để thúc đẩy các phản ứng tiếp theo, vì một số có thể bị mất khi quá trình phân hạch diễn ra. Tuy nhiên, nếu có đủ neutron có thể được duy trì, phản ứng phân hạch trở nên tự duy trì với điểm này được mô tả là ‘khối lượng tới hạn’.
Điểm khối lượng tới hạn tự duy trì trong quá trình phân hạch hạt nhân được xác định bởi một số yếu tố bên trong bản thân vật chất phân hạch bao gồm thành phần, mật độ của nó, độ tinh khiết của nó và thậm chí cả hình dạng vật chất mà nó được sắp xếp.
Các quả cầu đã được tìm thấy để giảm thiểu sự mất mát nơtron có thể ngăn cản việc đạt tới khối lượng tới hạn, cũng có thể được giảm bớt bằng cách bao quanh vật liệu phân hạch bằng một ‘gương phản xạ nơtron’ để trả lại bất kỳ nơtron nào đi lạc.
Một trong những khía cạnh quan trọng của việc làm cho quá trình phân hạch an toàn là kiểm soát phản ứng dây chuyền và tốc độ phân hạch. Nếu ít hơn một neutron từ phản ứng phân hạch gây ra phản ứng tiếp theo, điều này có thể dẫn đến sự phân hạch mất kiểm soát và nổ.
Điều đó có nghĩa là hạn chế số lượng neutron có sẵn để tạo ra các phản ứng phân hạch tiếp theo. Trong nhiều lò phản ứng, điều này được thực hiện bằng cách đưa vào vật liệu có thể ‘hấp thụ’ neutron, cho phép phản ứng dây chuyền được duy trì đồng thời ngăn chặn sự phân hạch vượt quá tầm kiểm soát.
‘Thanh điều khiển’ bao gồm boron hoặc cadmium – các nguyên tố là chất hấp thụ neutron mạnh – hoặc kết hợp cả hai là cơ chế phổ biến để kiểm soát mức công suất trong lò phản ứng phân hạch. Công suất có thể được tăng lên bằng cách rút nhẹ các thanh điều khiển và cho phép các neutron thúc đẩy các phản ứng. khi đạt đến mức công suất mong muốn, có thể lắp lại các thanh điều khiển để ổn định phản ứng.
Trong một số lò phản ứng, nước được truyền boron được sử dụng làm chất làm mát với nồng độ của nó giảm xuống do sự phân hạch tạo ra các sản phẩm phụ hấp thụ neutron.
Nước cũng có thể được sử dụng để tách năng lượng ra khỏi các neutron nhanh được giải phóng với động năng quá lớn. Điều này làm cho các neutron này có nhiều khả năng tiếp tục kích hoạt phân hạch hoặc bị các thanh điều khiển hấp thụ.
Các neutron bị trì hoãn – được tạo ra bất cứ lúc nào sau khi phân hạch, từ vài mili giây đến vài phút – cũng rất quan trọng trong việc ngăn chặn các phản ứng dây chuyền vượt quá tầm kiểm soát.
Được tạo ra với số lượng nhỏ, các neutron bị trì hoãn có ít năng lượng hơn so với ‘neutron phát ra ngay lập tức’, và nếu không có chúng, phản ứng dây chuyền phân hạch sẽ không cân bằng, dẫn đến sự gia tăng hoặc giảm xuống gần như tức thời và không thể kiểm soát được trong quần thể neutron.
Bom nguyên tử được cung cấp năng lượng bởi một khối lượng hạt nhân phân hạch được tập hợp ngay lập tức và được giữ với nhau trong khoảng một phần triệu giây. Điều này cho phép phản ứng dây chuyền nhanh chóng lan truyền qua vật liệu phân hạch cho thấy điều gì sẽ xảy ra khi các phản ứng dây chuyền không được kiểm soát.
Sự phân hạch hạt nhân có an toàn không?
Sau khi thế giới chứng kiến vụ nổ bom nguyên tử và sự tàn phá và mất mát sinh mạng mà chúng gây ra trong các vụ ném bom ở Hiroshima và Nagasaki vào tháng 8 năm 1945, không có gì ngạc nhiên khi công chúng cảnh giác với năng lượng hạt nhân.
Mặc dù có những ví dụ nổi bật và nổi tiếng về các vụ tai nạn phân hạch hạt nhân trong suốt lịch sử như ở đảo Three Mile, Chernobyl và Fukushima, nguồn năng lượng này vẫn an toàn hơn bao giờ hết.
Vào năm 2022, Our World in Data báo cáo rằng cứ mỗi terawatt-giờ năng lượng được tạo ra bởi quá trình phân hạch thì chỉ có 0,07 ca tử vong (mở trong tab mới), so với 32,7 ca tử vong cho cùng một lượng năng lượng do nhiên liệu hóa thạch tạo ra.
Ngay cả bản thân những vụ tai nạn khét tiếng đó có thể đã cướp đi sinh mạng ít hơn so với vết nhơ khủng khiếp của chúng trong lịch sử mà hầu hết chúng ta đều tin.
Hiệp hội Hạt nhân Thế giới nói rằng vụ tai nạn Fukushima năm 2011, gây ra khi trận động đất 9 độ richter gây ra sóng thần cao 50 foot (15 mét) làm vô hiệu hóa cơ chế cung cấp điện và làm mát của nhà máy, đã cướp đi sinh mạng do rò rỉ chất phóng xạ.
Tương tự như vậy, theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới, vụ tai nạn đảo Three Mile năm 1979 ở Pennsylvania không gây ra thiệt hại nào do rò rỉ khí phóng xạ do sự cố làm mát.
Được cho là vụ tai nạn hạt nhân nổi tiếng nhất thế giới xảy ra tại Nhà máy điện hạt nhân Chernobyl, gần thành phố Pripyat của Ukraine vào năm 1986 là kết quả của một thiết kế lò phản ứng sai sót được vận hành với nhân viên được đào tạo không đầy đủ.
Điều này dẫn đến việc hai công nhân thiệt mạng trong một vụ nổ và 28 người khác chết trong vòng vài tuần sau vụ tai nạn. Hiệp hội Hạt nhân Thế giới cũng quy kết hơn 5.000 trường hợp ung thư tuyến giáp, trong đó có 15 trường hợp tử vong, là do tai nạn. Cho đến ngày nay, một khu vực loại trừ không có người ở rộng 1.000 dặm vuông (2.600 km vuông) vẫn còn xung quanh nhà máy cũ.
Một trong những lý do giải thích cho mức độ an toàn ấn tượng của các nhà máy điện phân hạch hiện nay là do các vụ tai nạn nghiêm trọng như được liệt kê ở trên đã thúc đẩy sự phát triển của các thiết kế và tính năng an toàn được cải tiến.
Sự lặp lại hiện tại của các nhà máy phân hạch là lò phản ứng Thế hệ III (mở trong tab mới). Đây là điều đáng chú ý đối với một số tính năng, đặc biệt là giảm khả năng xảy ra tai nạn chảy lõi.
Nhiều tính năng an toàn vốn có trong thiết kế của các lò phản ứng này, ví dụ, các lò phản ứng neutron nhanh hoạt động bằng cách sử dụng một hệ thống làm chậm khi nhiệt độ tăng.
Chất thải hạt nhân có nguy hiểm không?
Một lầm tưởng phổ biến về điện hạt nhân là ‘chất thải hạt nhân’, sản phẩm phụ phóng xạ của quá trình phân hạch, tồn tại vĩnh viễn.
Mặc dù chắc chắn rằng việc lưu trữ và xử lý an toàn các sản phẩm phụ phân hạch là một mối quan tâm, nhưng phần lớn vật liệu này thực sự có thể tái chế và đã được quản lý một cách có trách nhiệm kể từ khi bắt đầu có điện hạt nhân dân dụng.
Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA) cho biết các lò phản ứng phân hạch tạo ra một lượng nhỏ chất thải có ba loại, được xếp hạng dựa trên mức độ phóng xạ của chúng từ mức thấp, đến trung bình, đến mức cao.
Tổ chức này cho biết thêm rằng 90% chất thải phân hạch nằm trong loại có hoạt độ phóng xạ thấp đầu tiên. Chất thải hạt nhân ở mức độ cao chiếm 3% tổng lượng chất thải nhưng thải ra 95% độ phóng xạ của chất thải phân hạch.
Mặc dù bức tranh về chất thải hạt nhân nguy hại được phổ biến bởi “The Simpsons” và các mặt hàng chủ lực của nền văn hóa đại chúng khác, chất thải này không phải là một chất lỏng màu xanh lá cây phát sáng. Thay vào đó, phần lớn trong số này là ‘nhiên liệu đã qua sử dụng’ ở dạng thanh kim loại chứa các viên gốm uranium đã được làm giàu.
Nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng có thể được tái chế để tạo ra nhiên liệu mới và các sản phẩm phụ, với Văn phòng Năng lượng Hạt nhân cho rằng nó vẫn giữ được 90% năng lượng tiềm năng (mở trong tab mới) thậm chí nửa thập kỷ sau khi sử dụng trong lò phản ứng.
Hiện tại, trong khi các quốc gia như Pháp tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, thì Hoa Kỳ không làm điều này, mặc dù các kế hoạch đang được tiến hành đối với các lò phản ứng có thể hoạt động bằng nhiên liệu đã qua sử dụng.
Tại Hoa Kỳ, các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng được bao bọc trong các bể nước bằng bê tông lót thép hoặc được bọc trong các thùng chứa bằng thép và bê tông, sau đó được lưu trữ tại 76 địa điểm lò phản ứng khác nhau trên 34 tiểu bang. Lượng nhiên liệu đã qua sử dụng này sẽ chờ đợi một giải pháp xử lý vĩnh viễn ở đây.