Phân hạch là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm phân hạch

Phân hạch (nuclear fission) là quá trình vật lý trong đó một hạt nhân nguyên tử nặng, như Uranium-235 hoặc Plutonium-239, bị tách ra thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo giải phóng năng lượng lớn. Quá trình này có thể xảy ra một cách tự nhiên (phân hạch tự phát) hoặc do bị kích thích bởi neutron chậm (phân hạch cảm ứng). Đặc điểm quan trọng của phân hạch là khả năng tạo ra chuỗi phản ứng nếu các neutron sinh ra tiếp tục gây phân hạch cho các hạt nhân khác.

Khi xảy ra phân hạch, ngoài việc tạo ra các hạt nhân con (products), còn có sự phát xạ neutron tự do, tia gamma và động năng rất lớn. Năng lượng sinh ra phần lớn được chuyển hóa thành nhiệt, là cơ sở để ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân. Đây là hiện tượng then chốt trong ngành năng lượng hạt nhân và vật lý hạt nhân nói chung, vì nó liên quan đến khả năng kiểm soát và khai thác năng lượng từ vật chất theo cách hiệu quả cao hơn nhiều so với phản ứng hóa học thông thường.

Phân hạch là một trong hai phương pháp chuyển hóa khối lượng thành năng lượng, phương pháp còn lại là nhiệt hạch. Phân hạch chủ yếu sử dụng trong các lò phản ứng điện hạt nhân dân dụng và trong thiết kế vũ khí hạt nhân. Phản ứng này được khám phá vào năm 1938 bởi Otto Hahn và Fritz Strassmann, sau đó được lý giải bởi Lise Meitner và Otto Frisch.

Cơ chế phân hạch cảm ứng

Phân hạch cảm ứng xảy ra khi một hạt nhân hấp thụ neutron và trở nên không ổn định về mặt năng lượng. Sự mất ổn định này làm hạt nhân rung động mạnh, kéo dài, và cuối cùng tách làm hai phần nhỏ hơn. Ví dụ điển hình là Uranium-235 khi hấp thụ một neutron chậm tạo thành Uranium-236 ở trạng thái kích thích, sau đó phân rã thành Barium-144 và Krypton-89 cùng với ba neutron tự do:

$^{235}U + n \rightarrow ^{236}U^* \rightarrow ^{144}Ba + ^{89}Kr + 3n + \text{năng lượng}$

Phản ứng này là không xác định – nghĩa là các sản phẩm phân hạch không phải lúc nào cũng giống nhau, và có thể tạo ra hơn 200 loại đồng vị khác nhau, thường là các hạt nhân phóng xạ trung bình. Bên cạnh đó, số neutron sinh ra dao động từ 2 đến 3, là yếu tố then chốt để tạo ra chuỗi phản ứng.

Bảng sau liệt kê một số phản ứng phân hạch phổ biến với sản phẩm và số neutron trung bình:

Đồng vị ban đầu	Sản phẩm phân hạch	Số neutron trung bình
$^{235}U$	$^{92}Rb + ^{140}Cs$	2.43
$^{239}Pu$	$^{103}Nb + ^{134}I$	2.88

Mỗi phản ứng có xác suất xảy ra khác nhau, được xác định bởi tiết diện phản ứng (cross-section), phụ thuộc vào năng lượng của neutron và loại đồng vị.

Năng lượng giải phóng trong phân hạch

Mỗi sự kiện phân hạch của Uranium-235 hoặc Plutonium-239 giải phóng trung bình khoảng 200 MeV năng lượng. Lượng năng lượng này chủ yếu tồn tại dưới dạng động năng của hai mảnh phân hạch, tiếp theo là năng lượng neutron, bức xạ gamma và nhiệt sinh ra từ các sản phẩm phân rã tiếp theo.

Bảng chi tiết phân bố năng lượng trung bình từ một sự kiện phân hạch:

Thành phần	Năng lượng (MeV)	Tỷ lệ (%)
Động năng mảnh phân hạch	~168	~84%
Neutron sinh ra	~5-7	~3.5%
Tia gamma	~5	~2.5%
Phân rã trễ (beta, gamma)	~20	~10%

Nguồn gốc năng lượng này được lý giải bởi định luật bảo toàn khối lượng-năng lượng, dưới dạng phương trình nổi tiếng:

$E = \Delta m c^2$

Trong đó, $\Delta m$ là chênh lệch khối lượng giữa hạt nhân mẹ và tổng khối lượng các sản phẩm, còn $c$ là tốc độ ánh sáng trong chân không. Mặc dù chênh lệch khối lượng rất nhỏ, hệ số $c^2$ (~$9 \times 10^{16}$) khiến năng lượng tạo ra là rất lớn.

Phân biệt phân hạch và nhiệt hạch

Phân hạch và nhiệt hạch đều là các phản ứng hạt nhân sinh năng lượng, nhưng khác nhau về cơ chế, vật liệu sử dụng và điều kiện thực hiện. Phân hạch là quá trình tách hạt nhân nặng, trong khi nhiệt hạch là sự kết hợp của hai hạt nhân nhẹ để tạo thành hạt nhân nặng hơn, như phản ứng giữa Deuterium và Tritium trong Mặt trời.

So sánh giữa hai phản ứng được thể hiện trong bảng dưới đây:

Tiêu chí	Phân hạch	Nhiệt hạch
Vật liệu	U-235, Pu-239	D-T, D-D
Năng lượng/mỗi phản ứng	~200 MeV	~17.6 MeV
Sản phẩm	Hạt nhân trung bình + neutron + gamma	Helium + neutron
Chất thải phóng xạ	Nhiều, tồn tại lâu dài	Tương đối ít
Điều kiện thực hiện	Neutron nhiệt, dễ kiểm soát	Nhiệt độ >100 triệu độ, khó kiểm soát

Chi tiết về hai cơ chế này có thể tham khảo tại Department of Energy – Fusion vs. Fission.

Chuỗi phản ứng phân hạch

Chuỗi phản ứng phân hạch xảy ra khi các neutron sinh ra từ một sự kiện phân hạch tiếp tục gây ra các phản ứng phân hạch khác trong các hạt nhân gần đó. Quá trình này có thể dẫn đến phản ứng dây chuyền, tùy thuộc vào số lượng và quỹ đạo của các neutron thứ cấp.

Yếu tố chính kiểm soát chuỗi phản ứng là hệ số nhân hiệu dụng $k_{eff}$, định nghĩa là tỷ lệ số neutron ở thế hệ hiện tại so với thế hệ trước đó. Có ba trạng thái phản ứng:

• Subcritical: $k_{eff} < 1$ – phản ứng dừng lại do thiếu neutron
• Critical: $k_{eff} = 1$ – phản ứng duy trì ổn định
• Supercritical: $k_{eff} > 1$ – phản ứng tăng theo cấp số nhân

Việc duy trì $k_{eff} = 1$ là điều kiện cần thiết để vận hành lò phản ứng ổn định. Trong vũ khí hạt nhân, trạng thái supercritical được cố ý thiết lập để tạo vụ nổ năng lượng lớn trong thời gian cực ngắn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chuỗi phản ứng bao gồm hình học lõi phản ứng, mật độ nhiên liệu, tiết diện hấp thụ và sự hiện diện của chất hấp thụ neutron (chất độc neutron – neutron poison), như Xenon-135 hoặc Samarium-149.

Vật liệu phân hạch điển hình

Không phải mọi đồng vị đều có thể phân hạch hiệu quả. Các đồng vị phân hạch chủ yếu dùng trong công nghiệp hạt nhân là:

• Uranium-235: có khả năng phân hạch cao với neutron chậm, chiếm khoảng 0.7% trong uranium tự nhiên
• Plutonium-239: được tạo ra từ $^{238}U$ qua phản ứng hấp thụ neutron và phân rã beta trong lò phản ứng
• Uranium-233: sản phẩm từ chuỗi thorium, hấp thụ neutron rồi phân rã beta từ $^{232}Th$

Bảng so sánh đặc điểm vật lý của ba đồng vị phân hạch phổ biến:

Đồng vị	Tiết diện phân hạch (barns)	Neutron sinh ra/phản ứng	Tình trạng tồn tại tự nhiên
U-235	~580 (neutron nhiệt)	~2.43	Có trong uranium tự nhiên (0.7%)
Pu-239	~750	~2.88	Sản phẩm nhân tạo trong lò phản ứng
U-233	~530	~2.49	Sản phẩm từ chu trình thorium

Chi tiết về quy trình chu trình nhiên liệu có thể tham khảo tại NRC – Fuel Cycle Facilities.

Ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân

Phân hạch là cơ chế vận hành chính của lò phản ứng hạt nhân dân dụng. Các lò phản ứng được thiết kế để kiểm soát chuỗi phản ứng phân hạch nhằm tạo nhiệt, sau đó chuyển hóa thành điện thông qua tuabin hơi nước. Việc kiểm soát phản ứng được thực hiện bằng cách điều chỉnh sự hấp thụ neutron trong vùng hoạt động.

Các thành phần chính trong lò phản ứng gồm:

• Thanh nhiên liệu: chứa các đồng vị phân hạch như U-235 hoặc Pu-239
• Chất điều hòa (moderator): làm chậm neutron để tăng xác suất phân hạch, thường dùng nước nhẹ, nước nặng hoặc graphite
• Thanh điều khiển: làm từ vật liệu hấp thụ neutron như boron hoặc cadmium để điều chỉnh $k_{eff}$
• Chất làm mát: dẫn nhiệt ra khỏi vùng phản ứng – có thể là nước, natri lỏng hoặc khí helium

Các thiết kế phổ biến gồm PWR (Lò nước áp lực), BWR (Lò nước sôi) và lò phản ứng nhanh (Fast Breeder Reactor). Hình ảnh và cấu trúc chi tiết có thể tham khảo tại IAEA – Nuclear Reactors.

Vai trò trong công nghệ quốc phòng

Phân hạch là cơ sở vật lý của các vũ khí hạt nhân thế hệ đầu tiên. Trong bom phân hạch, phản ứng phân hạch diễn ra ở trạng thái supercritical, được kích hoạt đột ngột để sinh ra một lượng lớn năng lượng trong thời gian rất ngắn (microgiây).

Hai dạng thiết kế vũ khí phân hạch chính:

• Gun-type: sử dụng U-235, các khối bán cầu được hợp nhất bằng thuốc nổ để đạt trạng thái supercritical – như bom “Little Boy” tại Hiroshima
• Implosion-type: sử dụng Pu-239, khối cầu được nén đều từ nhiều phía bằng chất nổ định hướng – như bom “Fat Man” tại Nagasaki

Vũ khí hạt nhân thế hệ sau như bom nhiệt hạch vẫn cần phân hạch làm giai đoạn kích hoạt đầu tiên. Điều này khiến việc kiểm soát nhiên liệu phân hạch trở thành trọng tâm trong không phổ biến vũ khí hạt nhân.

Chất thải và an toàn hạt nhân

Phân hạch tạo ra các sản phẩm phụ là đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã dài, gây ra thách thức lớn về quản lý môi trường. Một số chất thải nguy hiểm gồm:

• Cesium-137 (chu kỳ bán rã ~30 năm)
• Strontium-90 (chu kỳ bán rã ~29 năm)
• Iodine-131 (gây ảnh hưởng tuyến giáp, dù chu kỳ ngắn hơn)

Chất thải hạt nhân được xử lý qua ba giai đoạn:

1. Lưu trữ tạm thời: bể nước làm nguội neutron và gamma sau khi tháo khỏi lò
2. Lưu trữ khô: trong các thùng chứa chịu nhiệt và bức xạ
3. Lưu trữ vĩnh viễn: chôn sâu dưới lòng đất, thường ở địa chất ổn định

Hướng tiếp cận an toàn hạt nhân bao gồm hệ thống đa tầng kiểm soát, thiết kế chống tai nạn (passive safety), và đánh giá nguy cơ bằng mô hình xác suất. Thông tin cụ thể về an toàn và chất thải hạt nhân có thể xem tại World Nuclear Association – Radioactive Wastes.

Hướng phát triển và nghiên cứu hiện tại

Các lò phản ứng thế hệ IV đang được phát triển nhằm cải thiện hiệu suất nhiên liệu, giảm chất thải và nâng cao độ an toàn. Các thiết kế mới như:

• Lò muối nóng chảy (Molten Salt Reactor)
• Lò phản ứng nhanh (Fast Neutron Reactor)
• SMR – Small Modular Reactor

Đồng thời, các công nghệ tái chế nhiên liệu (fuel recycling), đặc biệt là chu trình thorium, đang được nghiên cứu để thay thế uranium. Mục tiêu là tận dụng triệt để năng lượng từ nhiên liệu và giảm gánh nặng chất thải phóng xạ lâu dài.

Bên cạnh đó, hướng phát triển kết hợp phân hạch và nhiệt hạch trong cùng một hệ thống (hybrid reactors) được đánh giá tiềm năng. Cơ quan Năng lượng Hoa Kỳ đang hỗ trợ các dự án này, xem chi tiết tại DOE – Office of Nuclear Reactor Technologies.

Kết luận

Phân hạch là một hiện tượng hạt nhân nền tảng, mở ra kỷ nguyên mới về khai thác năng lượng và ứng dụng vật lý. Việc phát triển, kiểm soát và tối ưu hóa các quá trình liên quan đến phân hạch đòi hỏi kết hợp giữa khoa học hạt nhân, kỹ thuật an toàn, và chính sách quốc tế nhằm đảm bảo lợi ích dân dụng trong khi hạn chế nguy cơ an ninh.