Trong nền khoa học hiện đại ngày nay, phản ứng hạt nhân được cho là một trong những hiện tượng vật lý vượt bậc, góp phần tăng khả năng khai thác năng lượng khổng lồ chứa bên trong nguyên tử. Nếu các phản ứng hóa học khác chỉ tác động đến vỏ electron thì phản ứng này xảy ra trong lõi hạt nhân – nơi proton và neutron liên kết bằng lực hạt nhân mạnh.
Khái niệm và đặc điểm của phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân là quá trình các hạt nhân nguyên tử thay đổi sang các hạt nhân khác hoặc tồn tại ở trạng thái năng lượng khác, thông qua hoạt động tương tác với các hạt nhân sơ cấp hoặc hạt photon năng lượng cao. Đặc tính nổi bật của phản ứng này là khả năng giải phóng và hấp thụ của phản ứng cực lớn, gấp triệu lần so với các phản ứng hoá học khác.
Phản ứng hạt nhân có thể kích hoạt bằng nhiều cách, gồm có:
- Bắn phá hạt nhân bằng các hạt neutron, proton, deuteron.
- Dùng tia gamma để chiếu xạ.
- Dựa vào cơ chế tự nhiên để quá trình phóng xạ xảy ra.
Phản ứng hạt nhân có 2 loại cơ bản:
- Phản ứng tỏa năng lượng (exothermic).
- Phản ứng hấp thụ năng lượng (endothermic).
Hai dạng chính của phản ứng hạt nhân: Phân hạch và Nhiệt hạch
Phản ứng hạt nhân được phân chia thành 2 dạng chính là phân hạch và nhiệt hạch. Sau đây là những mô tả chi tiết về các dạng này để các bạn đọc tham khảo.
Phản ứng phân hạch (Fission)
Phân hạch là tên gọi chỉ quá trình tách hạt nhân nặng là Uranium-235, Plutonium-239 thành hai hoặc nhiều hạt nhân có kích cỡ nhỏ hơn bằng việc bắn phá các neutron chậm. Quá trình này giúp giải phóng lượng năng lượng cùng neutron tự do khổng lồ, từ đó gây phân hạch dây chuyền, đây cũng chính là mấu chốt trong hoạt động của lò hạt nhân và bom nguyên tử.
Điểm mạnh của quá trình phân hạch là kỹ thuật hoàn thiện hơn các phản ứng khác. Ngoài ra, phản ứng này thường ứng dụng để kiểm soát các nhà máy điện hạt nhân. Nhược điểm duy nhất của phản ứng phân hạch là chất thải phóng xạ rò rỉ gây ra những hệ luỵ lâu dài.
Phản ứng nhiệt hạch (Fusion)
Trái ngược với phản ứng phân hạch, nhiệt hạch là quá trình kết hợp các loại hạt nhân nhẹ như deuteri và triti – các đồng vị tiêu biểu của hydro tạo ra các loại hạt nhân nặng như heli. Phản ứng nhiệt hạch thường được ứng dụng vào quy trình cung ứng năng lượng cho Mặt Trời và các vì sao. Năng lượng được giải phóng thông qua nhiệt hạch lớn hơn gấp nhiều lần so với phân hạch.
Thách thức của nhiệt hạch là phản ứng đòi hỏi phải có nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao, có thể lên đến hàng chục triệu độ C để vận hành, đẩy Coulomb giữa các hạt nhân. Các dự án ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) hiện nay đang chuẩn bị đi vào quá trình thương mại hoá nguồn năng lượng mặt trời nhân tạo – kết quả của phản ứng nhiệt hạch.
Cơ chế năng lượng và vai trò của neutron
Trong cả 2 phản ứng nhiệt hạch và phân hạch, neutron là một nguyên lực cực kỳ quan trọng. Với đặc tính là không mang điện, việc neutron xuyên qua điện trường hạt nhân sẽ dễ dàng hơn, góp phần kích thích vào các phản ứng dây chuyền. Khi hạt nhân đến giai đoạn phân rã hoặc hợp nhất, khối lượng hạt nhân trước và sau chênh lệch không quá lớn.
Khối lượng hạt nhân mất đi được xác định theo công thức: E=mc^2. Kết quả đạt được sau phản ứng là cứ 1 gram chuyển hoá tương ứng với hàng chục nghìn tấn thuốc nổ TNT.
Ứng dụng của phản ứng hạt nhân
Phản ứng hạt nhân được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, góp phần tạo ra năng lượng điện, y học hạt nhân, thám hiểm vũ trụ và là phản ứng không thể thiếu trong các ngành nông nghiệp – công nghiệp.
Tạo ra năng lượng điện
Đây là ứng dụng điển hình và thành công nhất của phản ứng hạt nhân thể phân hạch bởi nhiệt lượng từ quá trình phân hạch tỏa ra được dùng để đun nước, tạo hơi áp suất cao giúp tuabin phát điện quay. Một số quốc gia như Pháp, Nhật, Mỹ, Nga dùng điện hạt nhân để giảm sức ép vào các loại nhiên liệu hóa thạch, đồng thời giảm khí thải gây ra hiệu ứng nhà kính.
Y học hạt nhân
Phản ứng hạt nhân sản xuất ra nhiều đồng vị phóng xạ trong chẩn đoán và điều trị y tế như: điều trị, xạ trị cho các bệnh nhân ung thư, chụp PET/CT, đánh dấu để quan sát quá trình chuyển hoá trong cơ thể. Năng lượng hạt nhân còn có thể sản xuất máy phát điện nhỏ gọn – một bộ phận của thiết bị cấy ghép tim.
Công nghiệp và nông nghiệp
Trong một số ngành công nghiệp nặng, phản ứng hạt nhân chính là công cụ tạo ra nguồn neutron mạnh – một phương tiện để kiểm tra khuyết tật vật liệu, chiếu xạ khử trùng, kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm. Ngoài ra, trong lĩnh vực nông nghiệp, các kỹ sư nông nghiệp ứng dụng bức xạ hạt nhân để tạo nên những giống cây đột biến có năng suất cao và khả năng kháng bệnh.
Thám hiểm vũ trụ
Có thể nhiều bạn đọc vẫn chưa biết, con tàu thăm dò vũ trụ cực nổi tiếng mang tên Voyager, Curiosity Rover có động cơ được tạo ra từ việc ứng dụng máy phát điện nhiệt điện phóng xạ (RTG) – dòng thiết bị có khả năng biến nhiệt từ phân rã hạt nhân chuyển thành điện năng với khả năng hoạt động trong hàng chục năm, bất chấp môi trường khắc nghiệt.
Xu hướng tương lai
Dự đoán trong tương lai phản ứng hạt nhân trở thành nguồn năng lượng sạch và bền vững. Các lò phản ứng thế hệ thứ IV, điển hình là log muối nóng chảy, lò neutron nhanh đang dần được định hướng sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, giảm thiểu chất thải. Song song với đó, nhiệt hạch hứa hẹn sẽ trở thành nguồn năng lượng bất tận phục vụ quá trình nghiên cứu kỹ thuật duy trì plasma ổn định.
Ngoài ra, phản ứng hạt nhân sẽ còn được ứng dụng phổ biến trong y sinh, có thể kể đến như BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) – liệu pháp điều trị ung thư.
Vai trò giáo dục và nhận thức cộng đồng
Để năng lượng hạt nhân được sản xuất và phát triển đúng bản chất, phát huy đúng tác dụng thì giáo dục chính là công cụ tốt nhất. Công chúng cần biết được thông tin, nắm bắt kiến thức một cách đúng đắn, hiểu rõ về cách vận hành và ứng dụng của năng lượng hạt nhân. Đặc biệt, lợi ích và rủi ro là những yếu tố không thể bỏ qua khi tiếp cận tìm hiểu nguồn năng lượng này, từ đó xây dựng nên những chính sách sử dụng hạt nhân vì hòa bình.
Thách thức và rủi ro khi ứng dụng phản ứng hạt nhân
Bên cạnh tính ứng dụng cao, phản ứng hạt nhân còn tiềm ẩn một số thách thức và rủi ro cần được cải thiện, điển hình nhất là việc gây ra chất thải phóng xạ tồn tại trong thời gian dài. Nguyên nhân của tình trạng này là do nhiều đồng vị có chu kỳ bán rã kéo dài đến hàng trăm, hàng nghìn năm như Stronti-90, Cesium-137 hay Plutonium-239.
Hệ quả của chất phóng xạ là trong quá trình quản lý nếu không được đảm bảo an toàn, chất này có thể ăn sâu vào nước, đất, là tác nhân chính gây ung thư và biến đổi gen. Do đó, khi ứng dụng công nghệ hạt nhân, các quốc gia thường lưu trữ năng lượng trong kho hàng trăm mét nước sâu dưới lòng đất hoặc trữ trong thùng chì hay chất hợp kim có tác dụng chịu phóng xạ.
Phản ứng hạt nhân phát huy tốt vai trò y học, vũ trụ và mang đến nguồn năng lượng sạch vô hạn. Khi muốn ứng dụng và khai thác phản ứng này, mỗi quốc gia phải trang bị năng lực toàn diện: từ công nghệ, đến hệ thống quản lý, cách thức truyền thông, đặc biệt là phải kết hợp tốt giữa tri thức và đạo đức.
