Phản ứng phân hạch là gì? Chúng ta thường nghe nhắc đến phản ứng hóa học này, tuy vậy nhiều người trong số chúng ta vẫn chưa hiểu được bản chất của nó. Để hiểu rõ hơn về loại phản ứng này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về khái niệm, đặc điểm, cơ chế và điều kiện xảy ra loại phản ứng này. Mời các bạn chúng ta cùng theo dõi qua bài viết này nhé!
I. Phản ứng phân hạch là gì?
Phản ứng phân hạch (nuclear fission reaction) là một phản ứng hạt nhân (hoặc quá trình phân rã phóng xạ), trong đó hạt nhân của một nguyên tử phân tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn (gọi là mãnh vở), có khối lượng nhẹ hơn. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động, chẳng hạn như sự tác động của notron tự do. Quá trình phân hạch tạo ra các photon gamma và giải phóng một năng lượng rất lớn.
Phản 
Sự phân hạch hạt nhân của nguyên tố nặng được phát hiện lần đầu tiên năm 1938 bởi Otto Hahn và Fritz Strassmann (trợ lý của ông). Đến năm 1939, cháu trai của bà Otto Robert Frisch đã giải thích hiện tượng này về mặt lý thuyết.
Phân hạch là một quá trình “biến đổi hạt nhân” vì từ hạt nhân ban đầu tạo ra hai hay nhiều hạt nhân khác không phải là nguyên tố ban đầu. Khối lượng của các hạt nhân này khác nhau đối với các đồng vị phân hạch phổ biến.
II. Tổng quan về phản ứng phân hạch
1. Cơ chế phản ứng phân hạch
1.1. Sự phân rã phóng xạ
Sự phân hạch hạt nhân có thể xảy ra mà không cần sự bắn phá notron, như một loại phân rã phóng xạ. Loại phân hạch này rất hiếm xảy ra trừ một vài đồng vị nặng. Nó còn đươc gọi là sự phân hạch tự phát triển.
1.2. Phản ứng phân hạch hạt nhân
Cơ chế của phản ứng phân hạch là khi hạt nhân mẹ được truyền năng lượng đủ lớn (năng lượng tối thiểu được gọi là năng lượng kích hoạt). Để được truyền năng lượng kích hoạt, hạt nhân mẹ phải được bắn phá bởi một notron. Kết quả là tạo ra hai (hay nhiều hơn) hạt nhân nhỏ hơn, đồng thời tạo ra vài notron.
2. Năng lượng phân hạch
Phản ứng phân hạch tỏa ra một năng lượng rất lớn từ quá trình phá hủy hạt nhân nặng thành các hạt nhân nhẹ hơn.
Mỗi phản ứng như vậy có thể tỏa ra một năng lượng khoảng 200 MeV. Phần lớn năng lượng trên là động năng của các mãnh vỡ tạo ra. Phản ứng tạo ra photon và một số notron.
III. Phản ứng phân hạch dây chuyền là gì?
1. Phản ứng phân hạch dây chuyền là gì?
Phản ứng phân hạch dây chuyền là chuỗi các phản ứng trong đó sản phẩm hoặc sản phẩm phụ được tạo ra là tác nhân gây ra các phản ứng tiếp theo. Trong đó, tùy theo khối lượng, trạng thái của vật liệu và trạng thái của môi trường mà phản ứng dây chuyền sẽ duy trì ở những mức độ khác nhau.
2. Phân loại phản ứng phân hạch di chuyền
Lấy ví dụ với sự phân hạch Uranium 235U dưới tác động của notron. Notron kết hợp với hạt nhân Uranium làm nó vỡ tạo ra các hạt nhân con và 2-3 notron mới.
Những notron thứ cấp này tiếp tục kết hợp với hạt nhân 235U mới, gây ra các pư phân hạch tiếp theo. Tùy theo mức độ thất thoát của các notron được tạo ra mà phản ứng sẽ có những mức độ khác nhau. Thực tế, người ta dùng giá trị định lượng bằng số đặc trưng cho số notron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp. Giá trị đó là k, được gọi là hệ số nhân notron hiệu dụng.
- Với k>1: phản ứng dây chuyền bùng nổ, có thể thành mất kiểm soát. Phản ứng này được ứng dụng trong bom hạt nhân.
- k=1: phản ứng dây chuyền tự duy trì. Ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân.
- k<1: phản ứng dây chuyên tự tắt
Trong phản ứng dây chuyền của 235U, xác xuất để notron gặp được hạt nhân 235U để gây ra phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ, hình dạng, mật độ, khối lượng, mức độ làm giàu, độ tinh khiết và môi trường xung quanh. Trong đó, khối lượng đóng vai trò quan trọng nhất. Khối lượng tối thiểu để duy trì phản ứng gọi là khối lượng tới hạn.
3. Phản ứng phân hạch có điều khiển
Phản ứng dây chuyền có k = 1 thường được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân vì những phản ứng này là phản ứng phân hạch có điều khiển.
Nhiên liệu phân hạch thường là 235U (Uranium) và 239Pu (Plutonium).
Để kiểm soát k = 1, các nhà máy thường dùng thanh điều khiển có chứa Bo hoặc Cadimi để hấp thụ bớt notron thừa.
Năng lượng phân hạch theo thời gian là không đổi.
IV. Ứng dụng và tác hại của phản ứng phân hạch
Phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch được xem là những thành tựu khoa học quan trọng, có ý nghĩa lớn trong ngành công nghệ hạt nhân của thế kỉ XX.
Phản ứng này là một phản ứng có lợi về mặt năng lượng vì nó tạo ra năng lượng cực lớn mà hầu như không tốn năng lượng cung cấp cho notron ban đầu. Năng lượng được sinh ra là động năng của các mãnh vỡ và các hạt notron mới được tạo ra, là năng lượng của các bức xạ gamma γ, hạt beta β, hạt alpha α…
1. Ứng dụng trong nhà máy điện hạt nhân
Có thể nói, ứng dụng quan trọng nhất của loại phản ứng này là trong các lò phản ứng hạt nhân. Động năng của quá trình sẽ biến thành nhiệt năng, nung nóng các khối nhiên liệu. Nhiệt năng này làm nóng dòng nước, tạo hơi nước để quay tuabin máy phát điện. Nhiệt lượng khi phân hạch 1g nhiên liệu Uranium tương đương nhiệt lượng đốt cháy 10 – 100 tấn than đá.
Với hơn 440 lò phản ứng ở 30 nước trên thế giới và tiếp tục xây thêm các lò phản ứng mới, góp 17% tổng điện năng toàn cầu thì ứng dụng của phản ứng hạt nhân là vô cùng lớn cho nhân loại.
2. Tác hại của việc mất kiểm soát phản ứng
Tuy nhiên, việc mất kiểm soát khi sử dụng nguồn năng lượng này mang lại những hậu quả thảm khốc. Nó là thủ phạm của các thảm họa ở các nhà máy điện hạt nhân như: Three mile Irland (USA), Chernobyl (Ukraine) và Phu-ku-shi-ma (Nhật).
Chúng ta là những người thừa hưởng thành quả của các bậc tiền nhân. Nhiệm vụ của chúng ta là làm sao sử dụng “món quà” này một cách hiệu quả và an toàn. Bên cạnh đó, ta tránh những tác hại không mong muốn cho nhân loại.
