Bài 2. Năng lượng liên kết hạt nhân

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.

Muốn tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần cung cấp năng lượng để thắng lực hạt nhân.

1. Độ hụt khối

Các phép đo đã chứng tỏ rằng, khối lượng của hạt nhân \(_z^AX\) bao giờ cũng nhỏ hơn tổng khối lượng của các nucleon tạo thành hạt nhân đó.

Độ chênh lệch giữa hai khối lượng đó được gọi là độ hụt khối của hạt nhân, kí hiệu là Δm:

độ hụt khối = tổng khối lượng các nucleon – khối lượng hạt nhân

\(\Delta m=Zm_p+\left(A-Z\right)m_n-m_X\)   (2.1)

Trong đó:

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

Trong thuyết tương đối, Albert Einstein (An-be Anh-xtanh) đã chứng minh rằng, một vật có khối lượng m thì có năng lượng E và ngược lại, khi vật có năng lượng E thì nó có khối lượng tương ứng là m. Hai đại lượng này luôn tỉ lệ với nhau với hệ số tỉ lệ là c² (c là tốc độ ánh sáng trong chân không):

Năng lượng = Khối lượng × c²

Hay

E = mc²   (2.2)

c = 3.10⁸ m/s

Từ công thức (2.2) ta có: \(m=\dfrac{E}{c^2}\). Từ đây ta thấy rằng khối lượng còn có thể đo bằng đơn vị của năng lượng chia cho c². Trong vật lí hạt nhân, năng lượng thường được đo bằng đơn vị MeV (mega electron vôn), do đó, khối lượng có thể đo bằng đơn vị MeV/c². Ta có: 1 amu = 931,5 MeV/c².

2. Năng lượng liên kết hạt nhân

Xét hệ gồm Z proton và N neutron của hạt nhân \(_Z^AX\). Từ trạng thái 1 là A nucleon riêng lẻ để chuyển sang trạng thái 2 là hạt nhân \(_Z^AX\), khối lượng của hệ đã giảm đi một lượng là độ hụt khối Δm. Độ hụt khối này tương ứng với năng lượng Δmc² để liên kết các nuclon riêng lẻ thành hạt nhân.

Năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết hạt nhân:

\(W_{lk}=\Delta mc^2-\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n-m_X\right]c^2\)    (2.3)

Ngược lại, muốn tách hạt nhân \(_Z^AX\) thành các nucleon riêng lẻ, ta phải cung cấp cho hệ một năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết hạt nhân.

3. Năng lượng liên kết riêng

Năng lượng liên kết riêng, \(\dfrac{W_{lk}}{A}\), là năng lượng liên kết tính cho một nucleon. Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho độ bền vững của hạt nhân. Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững.

Đồ thị Hình 2.3 biểu diễn năng lượng liên kết riêng của các hạt nhân được sắp xếp theo số khối tăng dần. Đồ thị này cho thấy, các hạt nhân có số khối trung bình có năng lượng liên kết riêng lớn nhất vào cỡ 8,8 MeV/nucleon và bền vững nhất.

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN

Các hạt nhân “nhẹ” có số khối nhỏ và các hạt nhân “nặng” có số khối lớn thường kém bền vững. Bởi vậy, một số hạt nhân nặng có thể “vỡ” thành các hạt nhân có số khối trung bình. Trong khi đó, các hạt nhân nhẹ có thể tổng hợp lại thành các hạt nhân có số khối lớn hơn.

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. Phản ứng phân hạch tự phát có thể xảy ra nhưng với xác suất rất nhỏ. Sau đây, ta xét các phản ứng phân hạch kích thích.

Hình 2.4 biểu diễn một phản ứng phân hạch kích thích của hạt nhân \(_{92}^{235}U\).

Dùng một neutron nhiệt (còn gọi là neutron chậm) có động năng cỡ 0,01 eV bắn vào hạt nhân \(_{92}^{235}U\). Sau khi hấp thụ neutron nhiệt, \(_{92}^{235}U\) chuyển sang trạng thái kích thích \(_{92}^{236}U\). Trạng thái này không bền vững và kết quả là xảy ra quá trình phân hạch, \(_{92}^{236}U\) vỡ ra thành hai hạt nhân có số khối nhỏ hơn là \(_{36}^{92}Kr\) và \(_{56}^{141}Ba\), kèm theo 3 neutron phát ra.

Phản ứng phân hạch của hạt nhân \(_{92}^{235}U\) như trong Hình 2.4 tỏa ra năng lượng xấp xỉ bằng 173 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng phân hạch.

2. Sự tổng hợp hạt nhân

Tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hay nhiều hạt nhân nhẹ kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. Quá trình này còn được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Vì các hạt nhân đều mang điện tích dương, nên muốn cho hai hạt nhân nhẹ có thể kết hợp lại thành hạt nhân nặng hơn, ta phải cung cấp cho chúng một động năng đủ lớn để tiến lại gần nhau đến mức mà lực hạt nhân phát huy tác dụng, thắng lực điện và làm chúng kết hợp với nhau. Để làm được điều này, cần tạo ra hỗn hợp chất có mật độ hạt nhân đủ lớn, ở nhiệt độ rất cao (cỡ 10⁸ đến 10⁹ K) và duy trì trạng thái này đủ dài. Chính vì 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.

Một phản ứng nhiệt hạch mô tả trong Hình 2.6 toả ra năng lượng xấp xỉ khoảng 17,6 MeV. Năng lượng này được gọi là năng lượng nhiệt hạch.

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.

Hình 2.7 là sơ đồ đơn giản của một nhà máy điện hạt nhân. Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng hiện nay là \(_{92}^{235}U\) và \(_{94}^{239}Pu\). Để kiểm soát năng lượng toả ra từ lò phản ứng, người ta dùng các thanh điều khiển có chứa boron hay cadmium. Các thanh này có vai trò hấp thụ neutron để đảm bảo duy trì được phản ứng phân hạch dây chuyền có kiểm soát. Năng lượng toả ra từ lò phản ứng hạt nhân dùng để biến nước thành hơi ở áp suất cao và làm quay tuabin của máy phát điện.

Năm 2021, trên thế giới có khoảng 445 lò phản ứng hạt nhân, tạo ra 10% sản lượng điện toàn cầu.

So sánh với năng lượng hoá 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.

Hiện nay, trữ lượng uranium và plutonium được tìm thấy trên Trái Đất dự kiến sẽ đáp ứng được nhu cầu trong 100 năm nữa. 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 hoá thạch.

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.