Năng lượng hạt nhân SVIP

I. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Các nucleon trong hạt nhân hút nhau bằng các lực rất mạnh gọi là lực hạt nhân. Các lực này chỉ phát huy tác dụng trong phạm vi kích thước hạt nhân (10^-14 m). Ở ngoài phạm vi này, lực hạt nhân giảm nhanh xuống không.

1. Độ hụt khối

Độ chênh lệch giữa tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân và khối lượng \(m_X\) của hạt nhân gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là \(\Delta m\):

\(\Delta m=\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n\right]-m_X\)

Trong đó: 

• \(m_p\) là khối lượng hạt proton;
• \(m_n\) là khối lượng hạt neutron;
• \(m_X\) là khối lượng hạt nhân \(_Z^AX\).

Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

Theo thuyết tương đối của Einstein (Anh-xtanh), một vật có khối lượng \(m\) thì cũng có năng lượng tương ứng là \(E\) và ngược lại:

\(E=mc^2\)

Với \(c=3.10^8\) m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Trong vật lí hạt nhân, năng lượng thường được đo bằng đơn vị MeV (mega electron vôn). Ta có: 1 amu = 931,5 MeV/c².

2. Năng lượng liên kết hạt nhân

Năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân bằng năng lượng liên kết hạt nhân \(E_{lk}\).

\(E_{lk}=\Delta mc^2=\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n-m_X\right]c^2\)

3. Năng lượng liên kết riêng

Mức độ bền vững của một hạt nhân phụ thuộc vào năng lượng liên kết riêng, năng lượng này được tính theo công thức:

\(E_{lkr}=\dfrac{E_{lk}}{A}\)

Hạt nhân có \(E_{lkr}\) càng lớn thì càng bền vững và ngược lại.

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1. Sự phân hạch

Phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hay nhiều hạt nhẹ hơn. Các hạt này được gọi là sản phẩm phân hạch. Sự phân hạch còn được gọi là phản ứng phân hạch.

Ví dụ: Phản ứng phân hạch kích thích của hạt nhân \(_{92}^{235}U\)

Phương trình phản ứng là

\(_0^1n+_{92}^{235}U\rightarrow_{39}^{95}Y+_{53}^{138}I+3_0^1n\)

Phản ứng tỏa ra năng lượng khoảng 200 MeV dưới dạng động năng của các hạt nhân sản phẩm.

Quan sát hình ảnh tiến trình phân hạch của Uranium \(\left(_{92}^{235}U\right)\):

• GĐ 1: \(_{92}^{235}U\) hấp thụ neutron thành \(_{92}^{236}U\)* ở trạng thái kích thích.
• GĐ 2: \(_{92}^{236}U\)* bị biến dạng.
• GĐ 3: Sau khoảng 10^-14 s, \(_{92}^{236}U\)* bị biến dạng đến mức không thể phục hồi.
• GĐ 4: \(_{92}^{236}U\)* phân hạch thành \(_{39}^{95}Y\), \(_{53}^{138}I\) và giải phóng 3 neutron.

Phương trình khái quát của phản ứng phân hạch:

\(_0^1n+_Z^AX\rightarrow_Z^{A+1}X\)*\(\rightarrow_{Z_1}^{A_1}X_1+_{Z_2}^{A_2}X_2+k_0^1n\)

Trong đó X₁ và X₂ là các hạt nhân có số khối trung bình và hầu hết là các hạt nhân phóng xạ; k = 1, 2, 3 là số hạt neutron được sinh ra. Quá trình phân hạch của \(_Z^AX\) là không trực tiếp mà phải qua trạng thái kích thích \(_Z^{A+1}X\)* không bền vững.

Phản ứng phân hạch dây chuyền

Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch của uranium (hoặc plutonium,...) có thể kích thích các hạt nhân khác trong mẫu chất phân hạch tạo nên những phản ứng phân hạch mới. Kết quả là các phản ứng phân hạch xảy ra liên tiếp tạo ra phản ứng dây chuyền và tỏa ra năng lượng rất lớn.

2. Sự tổng hợp hạt nhân

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là phản ứng hạt nhân trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ tổng hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn. Sự tổng hợp hạt nhân chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao nên phản ứng này còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Vào năm 1927, Olophant đã dùng máy gia tốc để các hạt nhân \(_1^2H\) tương tác với nhau, kết quả tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân đầu tiên trên thế giới:

\(_1^2H+_1^2H\rightarrow_2^3He+_0^1n\)

Phản ứng này tỏa năng lượng khoảng 4 MeV.

III. CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN

Các ngành công nghiệp hạt nhân như công nghiệp năng lượng hạt nhân, sản xuất vật liệu phóng xạ có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, y học, sản xuất và đời sống.

• Ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân khai thác và sử dụng năng lượng hạt nhân giải phóng thông qua các phản ứng phân hạch với nhiều mục đích khác nhau như sản xuất điện, tạo lực đẩy cho các phương tiện có công suất lớn (tên lửa, tàu ngầm, tàu phá băng,...) di chuyển.
• Các nhà máy điện hạt nhân hiện nay đều khai thác năng lượng từ các phản ứng phân hạch dây chuyền được tạo ra và kiểm soát trong các lò phản ứng.

Ưu điểm: So sánh với năng lượng hóa thạch thì năng lượng hạt nhân tiết kiệm và hiệu quả hơn. Hơn nữa, trong quá trình vận hành, nhà máy điện hạt nhân không phát thải carbon và các khí nhà kính khác. Sử dụng năng lượng hạt nhân sẽ giúp nhiều quốc gia đảm bảo an ninh năng lượng do giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Nhược điểm: Tuy có những ưu điểm, ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân cũng đặt ra những thách thức về nguy cơ mất an toàn. Chất thải của lò phản ứng hạt nhân đòi hỏi phải có công nghệ xử lí tốt.

1. Hệ thức Einstein giữa khối lượng và năng lượng: \(E=mc^2.\)

2. Năng lượng liên kết hạt nhân bằng năng lượng tối thiểu cần cung cấp để tách hạt nhân đó thành các nucleon riêng lẻ, được tính bằng công thức:

\(E_{lk}=\Delta mc^2=\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n-m_X\right]c^2\)

3. Năng lượng liên kết riêng là năng lượng liên kết tính cho một nucleon. Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân.

4. Phân hạch là quá trình trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành các hạt nhân nhẹ hơn.

5. Nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn.

6. Các ngành công nghiệp hạt nhân như công nghiệp năng lượng hạt nhân, sản xuất vật liệu phóng xạ có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu khoa học, y học, sản xuất và đời sống.