Phản ứng hạt nhân là gì? Năng lượng trong phản ứng hạt nhân?

1. Phản ứng hạt nhân là gì? 

Phản ứng hạt nhân là một hiện tượng vật lý quan trọng, trong đó các hạt nhân nguyên tử (bao gồm proton và neutron) tương tác mạnh với nhau hoặc với các hạt nhân khác, nucleon, photon, và các hạt subatomic khác. Khi một hạt nhân tiếp cận một hạt nhân khác với đủ năng lượng, quá trình tương tác này sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong động lượng, moment động lượng, spin, và các thuộc tính khác của các hạt nhân tham gia. Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau và chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu về cấu trúc của vật chất và sự tiến hóa của vũ trụ.

Một phản ứng hạt nhân cơ bản có thể được biểu thị bằng một phương trình, trong đó hai hạt, được ký hiệu là “a” và “A,” tương tác với nhau để tạo ra hai hạt nhân con, được ký hiệu là “B” và “b.” Phương trình phản ứng hạt nhân sẽ có dạng như sau:

a + A → B + b

Mặc dù có thể có nhiều hơn hai hạt nhân tham gia vào các phản ứng phức tạp hơn, nhưng thường xét đến sự tương tác của hai hạt nhân chính với nhau do xác suất xảy ra của các sự kiện phức tạp này thường rất thấp.

Phản ứng hạt nhân không chỉ giúp chúng ta hiểu về cấu trúc của vật chất tại mức vi mô mà còn chơi một vai trò quan trọng trong nghiên cứu về tiến hóa của vũ trụ. Các phản ứng hạt nhân xảy ra trong lõi của ngôi sao chẳng hạn đóng góp vào việc tạo ra các nguyên tố hóa học khác nhau và giải thích sự phát quang của các ngôi sao. Ngoài ra, phản ứng hạt nhân còn được ứng dụng rộng rãi trong năng lượng hạt nhân, y học hạt nhân, và các lĩnh vực khoa học cơ bản khác để khám phá bí ẩn của thế giới tử tế vô cùng nhỏ.

2. Phân loại phản ứng hạt nhân:

Phản ứng hạt nhân, một lĩnh vực quan trọng trong vật lý hạt nhân và vật lý hạt, được phân loại dựa trên một số yếu tố quan trọng như loại hạt tới, năng lượng của hạt tới, và khối lượng của hạt nhân bia. Dưới đây là các phân loại phản ứng hạt nhân cụ thể:

a. Phân loại phản ứng hạt nhân theo loại hạt tới:

Phản ứng hạt nhân được phân loại dựa trên loại hạt tới mà hạt nhân đích (bia A) tương tác với. Các loại phản ứng này bao gồm:

– Phản ứng hạt nhân với neutron.

– Phản ứng hạt nhân với proton.

– Phản ứng hạt nhân với deuteron.

– Phản ứng quang hạt nhân.

– Phản ứng hạt nhân với ion nặng.

b. Phân loại phản ứng theo năng lượng hạt tới:

Năng lượng của hạt tới (a) cũng đóng vai trò quan trọng trong xác định cơ chế và kết quả của phản ứng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân có thể được phân thành các nhóm dựa trên năng lượng của hạt tới như sau:

– Năng lượng bé: 0 < E < 1 keV.

– Năng lượng trung bình: 1 keV < E < 500 keV.

– Năng lượng lớn: 0.5 MeV < E < 10 MeV.

– Năng lượng rất lớn: 10 MeV < E < 50 MeV.

– Năng lượng cao: E > 50 MeV.

c. Phân loại phản ứng theo số khối của hạt nhân bia:

Khối lượng của hạt nhân đích (bia A) cũng đóng vai trò trong phân loại phản ứng hạt nhân. Các hạt nhân được chia thành các loại sau đây dựa trên số khối:

– Hạt nhân nhẹ: 1 <= A <= 25.

– Hạt nhân trung bình: 25 <= A <= 80.

– Hạt nhân nặng: 80 <= A <= 240.

d. Phân loại phản ứng theo thành phần và trạng thái nội tại của hạt nhân con:

Các phản ứng hạt nhân có thể chia thành các loại sau đây dựa trên sự thay đổi trong thành phần và trạng thái nội tại của hạt nhân con:

– Phản ứng hạt nhân thật sự: Dẫn đến sự thay đổi trong thành phần của các hạt nhân con và hạt nhân mới có thành phần khác với hạt nhân trước đó.

– Tán xạ không đàn hồi: Là tương tác hạt nhân không thay đổi thành phần của các hạt tham gia, chỉ làm thay đổi trạng thái nội tại của chúng.

– Tán xạ đàn hồi: Tương tác không dẫn đến sự thay đổi trong thành phần của các hạt tham gia và không làm thay đổi trạng thái nội tại của chúng. Sau tương tác, hạt nhân đích vẫn giữ nguyên trạng thái cơ bản và chỉ mất một phần động năng của hạt tới do truyền cho hạt nhân đích, điều này thường được biểu diễn bằng phương trình a + A → A + a, trong đó hạt nhân đích vẫn ở trạng thái cơ bản và chỉ thay đổi động năng của nó sau tương tác.

Phân loại này giúp hiểu rõ hơn về cách các phản ứng hạt nhân xảy ra và cách chúng tương tác với nhau trong nhiều ngữ cảnh khác nhau của nghiên cứu vật lý hạt nhân và hạt.

3. Năng lượng trong phản ứng hạt nhân là gì?

Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng quan trọng được tạo ra từ các lò phản ứng hạt nhân được kiểm soát. Có ba loại phản ứng hạt nhân chính: phản ứng phân hạch, phản ứng tổng hợp và phản rã phóng xạ. Trong số này, phản ứng phân hạch là loại phản ứng được ứng dụng rộng rãi nhất do tính hiệu quả của nó.

3.1. Phản ứng phân hạch (Nuclear Fission):

Phản ứng phân hạch của hạt nhân được thành công thực hiện bởi Enrico Fermi vào năm 1934, khi nhóm nghiên cứu của ông sử dụng nơtron để tác động lên hạt nhân uranium. Năm 1938, các nhà khoa học khác đã tiến hành các thí nghiệm để tạo ra các sản phẩm từ hạt nhân uranium sau khi bị tác động bởi nơtron. Họ đã phát hiện rằng các nơtron có kích thước tương đối nhỏ có thể chia hạt nhân của các nguyên tử uranium lớn thành hai phần gần bằng nhau. Điều này là một khám phá đáng kinh ngạc.

Phản ứng phân hạch là một phản ứng tỏa nhiệt, trong đó tổng khối lượng của các sản phẩm không bằng tổng khối lượng ban đầu của tác chất. Sự mất khối lượng này được chuyển đổi thành nhiệt và bức xạ điện từ, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng hữu ích rất lớn.

Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân nguyên tử bị tác động bởi nơtron và chia thành các mảnh nhỏ hơn với hạt nhân và nơtron ban đầu. Các nơtron mới tạo ra sau đó tham gia vào phản ứng tiếp theo, tạo ra một chuỗi phản ứng liên tiếp. Khi phản ứng đạt đến một lượng tác chất cố định, nó trở thành một phản ứng tự duy trì. Nếu có quá nhiều nơtron được tạo ra, phản ứng có thể mất kiểm soát và dẫn đến một vụ nổ mạnh. Để tránh điều này, các nhà khoa học sử dụng chất hấp thụ nơtron và các thiết bị điều hòa nơtron để điều chỉnh tỷ lệ nơtron tham gia vào các phản ứng phân hạch tiếp theo. Uranium-235 và plutonium-239 là hai nguyên liệu chính được sử dụng trong phản ứng phân hạch, và chúng có thể phát ra một lượng năng lượng lớn, lên đến 200-210 MeV.

3.2. Phản ứng tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion):

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion) là một loại phản ứng hạt nhân khác để tạo ra năng lượng. Một ví dụ phổ biến là sự kết hợp của tritium và deuterium để tạo ra helium và một nơtron (như được minh họa dưới đây). Khác với phản ứng phân hạch, phản ứng này chỉ tạo ra năng lượng khoảng 18 MeV. Tuy nhiên, điểm mạnh của nó là nguyên liệu dễ kiếm và rẻ hơn so với uranium.

3.3. Phân rã phóng xạ (Radioactive decay):

Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không ổn định tự biến đổi và phát ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là tia phóng xạ).

Các tia phóng xạ có thể bao gồm chùm hạt mang điện tích dương như hạt alpha, hạt proton; các hạt mang điện tích âm như tia electron (phóng xạ beta); và các hạt không mang điện tích như tia gamma (có tính chất giống như ánh sáng, nhưng có năng lượng lớn hơn nhiều). Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là phân rã phóng xạ hoặc phân rã hạt nhân.

Tự phân hạch là quá trình trong đó hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có số khối lượng lớn tự chia thành các mảnh nhỏ hơn, đi kèm với việc giải phóng nơtron và một số hạt cơ bản khác. Ví dụ về quá trình này là uranium tự phân hạch thành các mảnh hạt nhân khác nhau, kèm theo sự tỏa ra nơtron và các hạt cơ bản khác. Điều này cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân.

Cả trong tự phân hạch và phân rã hạt nhân, sự hụt khối lượng xảy ra, có nghĩa là tổng khối lượng của các hạt tạo ra nhỏ hơn khối lượng ban đầu của hạt nhân. Khối lượng bị mất này chuyển đổi thành năng lượng lớn, được tính toán bằng công thức nổi tiếng của Albert Einstein, E=mc², trong đó E là năng lượng phát ra khi phân rã hạt nhân, m là sự hụt khối lượng và c = 298.000.000 m/s là vận tốc của ánh sáng trong chân không.

4. Ưu điểm của năng lượng hạt nhân:

Năng lượng hạt nhân có nhiều ưu điểm quan trọng:

– Giảm thải ra khí nhà kính: Năng lượng hạt nhân gây ra rất ít hoặc thậm chí không có khí nhà kính so với các nguồn năng lượng khác như năng lượng từ đốt dầu, than, và khí đốt tự nhiên. Điều này góp phần giảm tác động tiêu cực lên biến đổi khí hậu.

– Sử dụng nguyên liệu hiệu quả: Năng lượng hạt nhân không đòi hỏi sử dụng lượng lớn nguyên liệu quý giá như các nguồn năng lượng từ hidrocacbon. Lượng uranium-235 (U-235) được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, khoảng 3% so với tổng khối lượng nhiên liệu.

– Ít gây ô nhiễm môi trường: Phản ứng hạt nhân không tạo ra các hạt bụi mịn hay khí thải gây ô nhiễm môi trường như các loại nhiên liệu hoá thạch. Điều này giúp duy trì chất lượng không khí và giảm tác động độc hại lên sức khỏe con người và môi trường.

– Năng lượng hiệu quả: Một lượng nhỏ nhiên liệu hạt nhân có thể tạo ra một lượng lớn năng lượng. So với dầu mỏ và khí đốt, phản ứng hạt nhân tạo ra năng lượng gấp nhiều lần trong cùng một thể tích nhiên liệu. Điều này giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng của một quốc gia mà không cần lưu trữ lượng lớn nhiên liệu.

– Chi phí chấp nhận được: Khi sử dụng các quy trình sản xuất đã được tiêu chuẩn hóa, năng lượng hạt nhân có chi phí chấp nhận được. Điều này giúp làm giảm giá trị tiền điện và làm cho năng lượng hạt nhân trở thành một lựa chọn kinh tế.

Tuy nhiên, Khuyết điểm của năng lượng hạt nhân bao gồm nguy cơ sự cố hạt nhân, quản lý chất thải, nguy cơ sử dụng cho mục đích quân sự, chi phí xây dựng và bảo quản lò phản ứng, cũng như mối đe dọa về vũ khí hạt nhân và cần giải quyết các vấn đề liên quan đến an toàn và xử lý chất thải.