Tìm hiểu khái quát vềnăng
lượng hạt nhân
Khái niệm nguyên tử đã tồn tại trong hàng nghìn năm qua nhưng chỉ
trong hai thếkỷgầnđây, con người mới bắtđầu hiểuđược những điềuđầu
tiên vềnguồn sức mạnh khủng khiếp chứa trong vật thểcó khối lượng nhỏ
xíu đó.
Trước Thếchiến thứII, các chương trình nghiên cứu vềhạt nhân chủyếu tập
trung vào phát triển những loại vũkhí phòng thủ. Sau đó, các nhà khoa học mới
tập trung vào các công dụng hoà bình của công nghệhạt nhân, trong đó có công
dụng vô cùng quan trọng là sản sinh ra nguồnđiện năng dồi dào phục vụcho công
nghiệp và đời sống.
Sức mạnh khổng lồ ẩn trong hình hài nhỏbé
Chính các nhà khoa học cổ đại người Hy Lạp là những ngườiđầu tiên tìm
cách chứng minh rằng, mọi vật chấtđềuđược cấu thành từnhững hạt vô cùng nhỏ
bé mà mắt thường không nhìn thấy, gọi là nguyên tử. Từnguyên tử(atomic) có
nguồn gốc từtiếng Hy Lạp (atomos) có nghĩa là “không thểtách rời”.
Chiếm khối lượng chủyếu (gần nhưlà toàn bộ) của nguyên tửlà Hạt nhân
nguyên tử, hay còn được gọi tắt là hạt nhân. Nó là cấu trúc vật chấtđậmđặc (có
mậtđộ cực lớn - đạtđến 100 triệu tấn trên một centimet khối). Vềcơbản, theo các
hiểu biết hiện nay thì hạt nhân nguyên tửcó kích thước nằm trong vùng giới hạn
bởi bán kính cỡ10-15 m, được cấu tạo từhai thành phần là proton và notron.
Trải qua nhiều chương trình nghiên cứu vềcấu trúc của nguyên tửcủa
những nhà hoá - lý học nổi tiếng trong suốt nhiều thếkỷsau đó,đặc biệt là trong
thếkỷ18, cho tớiđầu những năm 1900, họmới khám phá ra rằng những nguyên
tửvô cùng nhỏbé đó lại có chứa trong nó một nguồn năng lượng rất lớn.
Ngườiđược cho là cha đẻ của ngành khoa học hạt nhân là nhà lý-hoá học
người Anh Ernest Rutherford, với giảthuyếtđầu tiên ông đưa ra vào năm 1904
cho rằng: “Nếu con người có thể điều khiểnđược tốcđộ phân rã của các nguyên tố
phóng xạ, thì người ta có thểthu được một lượng lớn năng lượng từmột lượng
nhỏvật chất”.
Một năm sau, Albert Einstein đã phát triển lý thuyết trên của ông vềmối
quan hệgiữa năng lượng và khối lượng của nó bằng biểu thức toán học là: E = mc2,
hay “năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương tốcđộ ánh sáng”. Và nhân
loại phải mất tới 35 năm sau đó mới có thểchứng minh được lý thuyết của 2 nhà
khoa học trên là đúng.
Hai quá trình thu năng lượng hạt nhân
Khi con ngườiđã chứng minh được nguyên tửchứa nguồn năng lượng rất
lớn, họbắtđầu nghiên cứu và tìm kiếm các phương pháp có thểkhai thác được
nguồn năng lượng đó, bắt nó phục vụcho các mụcđích của mình.
Năng lượng hạt nhân được thu thập từhai quá trình là tổng hợp hoặc phân
hạch hạt nhân của nguyên tử:
Tổng hợp hạt nhân là quá trình làm cho hai hạt nhân hợp lại với nhau để tạo
nên một hạt nhân mới nặng hơn cùng với sựgiải phóng hoặc hấp thu năng lượng.
Sựphát sáng của các ngôi sao chính là một phảnứng tổng hợp hạt nhân của các
nguyên tửnhẹ(nhưhydro, heli…) tạo ra. Và phảnứng này còn đượcứng dụng
trong chếtạo bom hydrogen hay còn gọi là bom nhiệt hạch.
Ngược lại với quá trình tổng hợp hạt nhân là quá trình phân hạch. Hạt nhân
nguyên tửbịphân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏhơn và các sản phẩm
phụ. Năng lượng do phảnứng phân hạch hạt nhân sinh ra đượcứng dụng để sản
xuấtđiện hạt nhân và vũkhí hạt nhân.
Phảnứng phân hạch hạt nhân được Enrico Fermi (Ý) thực hiệnđầu tiên vào
năm 1934 khi ông dùng hạt neutron bắn phá hạt nhân uranium để giúp sản sinh ra
nguồn năng lượng lớn, đồng thời chứng minh được rằng neutron có khảnăng
phân tách được nhiều loại nguyên tử.
Uranium – nguyên liệu lý tưởng cho sản xuất năng lượng hạt nhân
Nguyên tốuranium được phát hiện vào năm 1789 bởi nhà hoá học người
Đức Martin Klaproth và tên của nó được ông đặt theo tên của sao Thiên Vương
(Uranus). Đó là một nguyên tốkim loại, màu bạc và khi ra ánh sáng nó hoá đen do
phảnứng hoá học khi tiếp xúc với không khí. Ởdạng tựnhiên nó có trong đá
Uranit. Uranium là một kim loại rất nặng. 30,48 cm3uranium đã có trọng lượng tới
gần nửa tấn. Nó là hỗn hợp tựnhiên của hai nguyên tố đồng vịuranium 238 và
uranium 235.
Năng lượng của 1g uranium phân hạch khoảng 6,1x1010J, tương đương với
năng lượng thu được khi đốt 2 tấn dầu hay 3 tấn than đá. Ngoài ra, uranium phân
bổrất rộng trên Trái Đất. Trữlượng có khảnăng khai thác được vào khoảng 4
triệu tấn và có thểkhai thác trong khoảng 60 năm.
Uranium 235 là một trong sốcác đồng vịrất dễphân hạch. Dưới tác động
của neutron trong quá trình phân hạch, U235 tách ra thành hai nguyên tửnhẹgọi
là các sản phẩm phân hạch. Quá trình phân hạch sẽlàm nó mấtđi một phần khối
lượng và phần khối lượng mấtđiđó đã chuyển hoá thành năng lượng. Năng lượng
này được giải phóng dưới dạng nhiệt. Càng có nhiều sựva chạm của các neutron
với các nguyên tửkhác, tạo thành một phảnứng dây chuyền tựduy trì sẽsinh ra
nhiệt lượng lớn.
Nguồn nguyên liệu thứ2 có thểdùng để khai thác sản xuất năng lượng hạt
nhân là plutonium (Pu). Plutonium là nguyên tốphóng xạnhân tạođược tạo thành
do bắn phá hạt nhân uranium. Uranium 238 hấp thụneutron và trởthành uranium
239. Hạt nhân mới này giải phóng tia beta trởthành hạt nhân neptunium, rồi lại
phát ra tia beta lần nữađể trởthành 239 Pu.
