Trong các loại phản ứng hóa học có một phản ứng quan trọng là phản ứng phân hạch. Vậy phản ứng phân hạch là gì? Điều kiện và cơ chế phản ứng phân hạch ra sao? Mời các bạn xem nội dung bên dưới.
1. Phản ứng phân hạch là gì?
Phản ứng phân hạch có tên tiếng anh là Nuclear Fission Reaction. Đây là một phản ứng hạt nhân hoặc phân rã hạt nhân. Trong đó hạt nhân của một nguyên tử bị chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân có khối lượng và kích thước nhỏ hơn. Phản ứng phân hạch tạo ra photon, bức xạ gamma và giải phóng năng lượng rất lớn.
Các nhà khoa học Otto Hahn và Fritz Strassmann phát hiện ra sự phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng vào năm 1938. Phản ứng phân hạch được giải thích lý thuyết bởi Lise Meitner và Frisch vào năm 1939. Nó được đặt tên là “phân hạch” khi so sánh với hiện tượng phân bào sinh học.
Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân ban đầu biến thành các hạt nhân mới không phải là nguyên tố ban đầu. Thông thường, nó tạo ra hai hoặc nhiều hạt nhân mới, có kích thước tương đương nhưng khác biệt nhau. Có thể nói rằng phản ứng phân hạch giải phóng năng lượng lớn và chuyển đổi nguyên tố ban đầu thành các nguyên tố mới.
2. Cơ chế, đặc điểm phản ứng phân hạch
2.1. Phân rã hạt nhân
Phân rã hạt nhân, còn được gọi là phân rã phóng xạ hay phân rã nguyên tử. Đây là một quá trình tự nhiên trong đó một hạt nhân hoặc nguyên tử phân rã thành các hạt nhân hoặc nguyên tử nhỏ hơn. Phân rã hạt nhân tự phát mà không cần bắn phá notron. Loại phân rã này hiếm xảy ra.
Quá trình phân rã hạt nhân đi kèm với việc giải phóng năng lượng và các hạt phóng xạ như photon gamma, hạt alpha hoặc beta. Phân rã phóng xạ là cơ sở cho nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm các ứng dụng trong y học hạt nhân và phân tích hóa học.
Quá trình phân rã hạt nhân Cacbon-14 trong tự nhiên
Ví dụ về quá trình phân rã hạt nhân trong tự nhiên:
C614→ N714 + e−1 + νe
Trong đó:
- C614 là hạt nhân cacbon-14.
- N714 là hạt nhân nitơ-14.
- e−1 đại diện cho electron, một hạt beta âm (electron) phát ra trong quá trình phân rã.
- νe đại diện cho antineutrino electron, một loại hạt vô trọng (neutrino) cũng được phát ra trong quá trình này.
Giải thích: một neutron trong hạt nhân C-14 chuyển thành một proton, biến đổi C-14 thành N-14. Cùng với đó, một electron và một antineutrino electron được phát ra. Quá trình này là một phần của chuỗi phân rã tự phát tự nhiên của C-14. Ứng dụng của phân rã hạt nhân C-14 được sử dụng trong carbon dating để xác định độ tuổi của các mẫu hữu cơ.
2.2. Phản ứng phân hạch hạt nhân
Cơ chế của phản ứng phân hạch đó là khi một hạt nhân mẹ nhận đủ năng lượng (gọi là năng lượng kích hoạt), thường thông qua va đập của một neutron. Khi điều này xảy ra, hạt nhân mẹ chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân con nhỏ hơn, và đồng thời giải phóng một số neutron. Quá trình phân hạch tạo ra một lượng lớn năng lượng và có thể kích hoạt các phản ứng phụ khác.
3. Năng lượng của phản ứng phân hạch
Trong phản ứng phân hạch, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt. Phản ứng phân hạch tỏa nhiệt rất lớn. Điều này làm cho phản ứng phân hạch hạt nhân trở nên quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.
Năng lượng phân hạch cụ thể là tùy thuộc vào loại hạt nhân và các điều kiện xác định. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, một phản ứng phân hạch có thể giải phóng hàng MeV (mega-electron volts) năng lượng cho mỗi hạt nhân phân rã. Số MeV này đại diện cho một lượng năng lượng lớn. Vì 1 MeV tương đương với xấp xỉ 1,6 x 10^-13 J (jun). Do đó, một phản ứng phân hạch có thể tạo ra hàng triệu lần năng lượng so với phản ứng hóa học truyền thống, chẳng hạn như đốt nhiên liệu hoặc cháy gỗ.
4. Phản ứng phân hạch dây chuyền
4.1. Phản ứng phân hạch dây chuyền là gì?
Phản ứng phân hạch dây chuyền, còn được gọi là chuỗi phản ứng phân hạch, là một loạt các phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra liên tiếp trong lò phản ứng hạt nhân hoặc trong môi trường hạt nhân tự nhiên. Trong chuỗi này, phản ứng phân hạch ban đầu tạo ra một số neutron, và những neutron này sau đó có thể kích hoạt các phản ứng phân hạch tiếp theo với các hạt nhân khác.
Mô hình lò phản ứng phân hạch hạt nhân có kiểm soát
Một ví dụ phổ biến về phản ứng phân hạch dây chuyền là uranium-235 hoặc plutonium-239, phân rã thành các hạt nhân con nhỏ hơn và phát ra một số neutron. Những neutron này có thể kích hoạt phản ứng phân hạch ở các hạt nhân khác, tạo ra thêm năng lượng và thúc đẩy chuỗi phản ứng tiếp theo. Chuỗi phản ứng phân hạch dây chuyền này tạo ra một lượng lớn năng lượng. Kiểm soát nó là cơ sở cho nguồn năng lượng hạt nhân như trong lò phản ứng hạt nhân.
Cũng có chuỗi phản ứng phân hạch tự nhiên trong thiên nhiên. Chẳng hạn như chuỗi phản ứng phân hạch tự nhiên của uranium và thorium trong vỏ đất, nhưng chúng diễn ra với tốc độ rất chậm.
4.2. Phân loại phản ứng phân hạch dây chuyền
Quá trình phân hạch của hạt nhân uranium-235 (235U) dưới tác động của neutron bao gồm các bước quan trọng. Ban đầu, một neutron kết hợp với hạt nhân uranium, làm cho hạt nhân này vỡ thành các hạt nhân con và phát ra 2-3 neutron mới. Những neutron thứ cấp này có thể tiếp tục tương tác với hạt nhân uranium-235 khác, gây ra các phản ứng phân hạch tiếp theo. Mức độ thất thoát của các neutron tạo ra quyết định mức độ phản ứng phân hạch. Để định lượng mức độ này, người ta sử dụng hệ số nhân notron hiệu dụng, kí hiệu là k.
- Khi k>1, phản ứng dây chuyền trở nên bùng nổ và có thể trở nên mất kiểm soát. Điều này có ứng dụng trong bom hạt nhân.
- Khi k=1, phản ứng dây chuyền tự duy trì, tức là năng lượng được sản xuất và duy trì ổn định. Điều này thường được ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân để tạo ra năng lượng hạt nhân.
- Khi k<1, phản ứng dây chuyền tự tắt do mức độ thất thoát của neutron không đủ để duy trì phản ứng.
Các yếu tố như nhiệt độ, hình dạng, mật độ, khối lượng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết và môi trường xung quanh đều ảnh hưởng đến xác xuất của việc một neutron tương tác với hạt nhân 235U để gây ra phản ứng. Trong đó, khối lượng của mẫu chất đóng một vai trò quan trọng, và có một giá trị tối thiểu được gọi là “khối lượng tới hạn” để duy trì phản ứng phân hạch.
4.3. Phản ứng phân hạch có điều khiển
Phản ứng phân hạch có điều khiển thường được gọi là phản ứng dây chuyền với hệ số nhân notron hiệu dụng k bằng 1. Điều này đồng nghĩa rằng mỗi phản ứng phân hạch ban đầu tạo ra đủ neutron để duy trì một phản ứng phân hạch tiếp theo mà không tăng cường hoặc giảm đi. Phản ứng phân hạch có điều khiển này thường được ứng dụng trong các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất năng lượng một cách ổn định.
Trong các lò phản ứng hạt nhân, nhiên liệu phân hạch thường được sử dụng là uranium-235 (235U) hoặc plutonium-239 (239Pu). Để kiểm soát k = 1, các nhà máy sử dụng thanh điều khiển chứa các vật liệu hấp thụ neutron như boron (Bo) hoặc cadmium (Cd) để hấp thụ bớt neutron thừa và điều chỉnh mức độ phản ứng phân hạch.
Một ưu điểm của phản ứng dây chuyền có điều khiển là năng lượng phân hạch theo thời gian là không đổi và có thể được kiểm soát một cách an toàn và hiệu quả.
5. Ưu điểm của phản ứng phân hạch
Phản ứng phân hạch hạt nhân có một số ưu điểm quan trọng, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân và ứng dụng khoa học. Dưới đây là một số ưu điểm của phản ứng phân hạch:
- Năng lượng lớn: Phản ứng phân hạch trở thành một nguồn cung cấp năng lượng hiệu quả và mạnh mẽ.
- Không tạo ra khí nhà kính: So với nhiều nguồn năng lượng khác, phản ứng phân hạch không tạo ra khí nhà kính hoặc các khí thải gây ô nhiễm môi trường. Điều này làm cho nó trở thành một tùy chọn năng lượng sạch và thân thiện với môi trường.
- Không phụ thuộc vào thời tiết: Phản ứng phân hạch không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, khí hậu hoặc tài nguyên tự nhiên như gió hoặc nắng. Nó có thể hoạt động liên tục và đáng tin cậy.
- Năng lượng liên tục: Một lò phản ứng hạt nhân có thể duy trì sản xuất năng lượng liên tục trong một thời gian dài, không cần ngắt quãng như nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác.
- Khả năng sản xuất các đồng vị và nguồn neutron: Phản ứng phân hạch cũng có thể được sử dụng để sản xuất các đồng vị vô cùng hữu ích cho y học, công nghiệp và nghiên cứu. Nó cung cấp nguồn neutron cho nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
6. Nhược điểm của phản ứng phân hạch
Mặc dù phản ứng phân hạch có nhiều ưu điểm, như đã đề cập ở trên, nhưng cũng có nhược điểm và thách thức riêng. Dưới đây là một số nhược điểm của phản ứng phân hạch:
Rò rĩ phóng xạ từ phản ứng phân hạch
- Quản lý chất thải hạt nhân: Phản ứng phân hạch tạo ra chất thải hạt nhân nguy hiểm và phóng xạ.
- Nguy cơ rò rỉ phóng xạ: Nếu không kiểm soát cẩn thận, có nguy cơ xảy ra rò rỉ phóng xạ từ lò phản ứng hạt nhân hoặc trong quá trình vận chuyển chất liệu hạt nhân.
- Thách thức về an toàn và bảo mật: Lò phản ứng hạt nhân và cơ sở liên quan đòi hỏi các biện pháp an toàn và bảo mật nghiêm ngặt để ngăn chặn việc sử dụng nguy hiểm và ngăn chặn sự truy cập trái phép.
- Nguy cơ phát nổ hạt nhân: Nếu không kiểm soát cẩn thận, phản ứng phân hạch có thể trở thành một phản ứng dây chuyền bùng nổ, dẫn đến các hậu quả hủy diệt.
- Nhu cầu nguyên liệu hiếm: Nhiều loại phản ứng phân hạch sử dụng nguyên liệu hiếm như uranium-235 hoặc plutonium-239. Sự hiếm hoi của nguyên liệu này có thể dẫn đến các vấn đề về nguồn cung cấp và an ninh năng lượng.
- Dư lượng phóng xạ và trạng thái hạt nhân không ổn định.
- Chi phí đầu tư và xây dựng lò phản ứng hạt nhân quá lớn.
7. Ứng dụng của phản ứng phân hạch
Phản ứng phân hạch hạt nhân có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng chính của phản ứng phân hạch:
Nhà máy điện hạt nhân dựa trên đặc điểm của phản ứng phân hạch
- Năng lượng điện hạt nhân: Phản ứng phân hạch là một nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho việc sản xuất điện.
- Năng lượng trong không gian: Các phi thuyền và vệ tinh không gian sử dụng lò phản ứng hạt nhân để cung cấp năng lượng cho các nhiệm vụ trong không gian.
- Sản xuất đồng vị: Phản ứng phân hạch có thể được sử dụng để sản xuất isotop vô cùng hữu ích cho ứng dụng y học, nghiên cứu và công nghiệp, như cobalt-60 cho xạ trị ung thư.
- Nghiên cứu và khoa học: Phản ứng phân hạch tạo ra nguồn neutron, giúp nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như vật lý hạt nhân, y học hạt nhân, và khoa học vật liệu.
