Phân hạch là bẻ một hạt nhân nặng như u ra ni thành hai mảnh nhỏ hơn, còn tổng hợp là ép các hạt nhân nhẹ như hidro hợp lại thành hạt nhân nặng hơn. Nghe như hai việc ngược nhau, nhưng cả hai đều toả ra năng lượng, vì những hạt nhân cỡ trung bình, quanh sắt trong bảng tuần hoàn, là những hạt nhân gắn bó chặt nhất. Đi từ hai đầu về phía giữa, dù bằng cách bẻ hay bằng cách ghép, đều giải phóng năng lượng.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Điện hạt nhân là đề tài hay gây tranh cãi, và tập này mình không bàn chuyện nên hay không nên, đó là việc của chính sách. Mình chỉ kể phần vật lý: năng lượng nằm ở đâu trong hạt nhân, vì sao bẻ hay ghép đều lấy ra được, và vì sao một kiểu thì con người đã làm thành nhà máy từ lâu, còn kiểu kia vẫn đang nghiên cứu.
Năng lượng nằm ở sự gắn bó trong hạt nhân
Trong hạt nhân, các prô tôn và nơ tron được lực hạt nhân mạnh giữ chặt. Muốn tách chúng ra phải tốn năng lượng. Ngược lại, khi chúng kết lại với nhau, năng lượng được giải phóng, và hạt nhân thành phẩm nhẹ hơn tổng các hạt rời một chút. Phần khối lượng hụt ấy chính là năng lượng, theo công thức của Einstein.
Nếu tính trung bình mỗi hạt trong hạt nhân được giữ chặt cỡ nào, ta thấy một quy luật: hạt nhân rất nhẹ như hidro, heli gắn bó còn lỏng; càng lên tới cỡ sắt, niken thì càng chặt; vượt qua đó, hạt nhân nặng như u ra ni lại lỏng dần vì quá nhiều prô tôn đẩy nhau.
Vẽ ra thì giống một ngọn đồi với đỉnh ở quanh sắt. Hạt nhân ở hai sườn đồi đều muốn lăn về đỉnh, và lăn tới đâu là nhả năng lượng tới đó.
Hạt nhân nặng lăn về đỉnh bằng cách vỡ ra: đó là phân hạch. Hạt nhân nhẹ lăn về đỉnh bằng cách nhập lại: đó là tổng hợp. Hai con đường, cùng một ngọn đồi.
Phân hạch và phản ứng dây chuyền
Khi một hạt nhân u ra ni loại phù hợp hấp thụ một nơ tron chậm, nó trở nên mất ổn định, rung lên rồi tách làm hai mảnh, kèm theo vài nơ tron mới và rất nhiều năng lượng.
Điều quan trọng là mỗi lần phân hạch sinh ra hơn một nơ tron. Nếu những nơ tron đó lại gây phân hạch các hạt nhân khác, số phân hạch tăng lên theo kiểu nhân đôi liên tục. Đó là phản ứng dây chuyền.
Trong nhà máy điện hạt nhân, phản ứng dây chuyền được giữ ở mức ổn định: trung bình mỗi lần phân hạch chỉ gây ra đúng một lần phân hạch tiếp theo. Các thanh điều khiển làm bằng vật liệu hấp thụ nơ tron được đưa vào hay rút ra để giữ cân bằng, và có thể thả hết vào để dập tắt phản ứng.
Nhiệt từ lò phản ứng đun nước thành hơi, hơi quay tua bin, tua bin quay máy phát điện. Đến đoạn này, nhà máy điện hạt nhân không khác mấy nhà máy nhiệt điện than, chỉ khác nguồn nhiệt.
Ưu điểm, thách thức và chất thải phân hạch
Một lượng nhỏ nhiên liệu hạt nhân cho ra năng lượng bằng một lượng than đá khổng lồ, và quá trình phân hạch không thải ra khí các bô níc như đốt than. Đó là lý do nhiều nước coi điện hạt nhân là một phần của nguồn điện ít phát thải.
Thách thức lớn nằm ở an toàn và chất thải. Các mảnh vỡ sau phân hạch là những hạt nhân phóng xạ, nhiều loại có chu kỳ bán rã rất dài. Nhiên liệu đã dùng phải được làm nguội, che chắn và lưu giữ cẩn thận trong thời gian rất lâu.
Những tai nạn hạt nhân lớn trong lịch sử cho thấy hậu quả có thể nghiêm trọng và kéo dài, nên ngành này phải tuân thủ những tiêu chuẩn an toàn rất nghiêm ngặt.
Ở Việt Nam, có một lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu ở Đà Lạt, dùng cho nghiên cứu khoa học, sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y tế và đào tạo, chứ không phải để phát điện.
Tổng hợp hạt nhân: Mặt Trời làm được, con người vẫn đang học
Như mình đã kể ở tập về Mặt Trời, lõi Mặt Trời ép hidro thành heli nhờ nhiệt độ hàng triệu độ và áp suất khổng lồ do sức nặng của chính nó. Trên Trái Đất không có sức nặng ấy, nên muốn làm tổng hợp hạt nhân, người ta phải nung nhiên liệu lên nóng hơn cả lõi Mặt Trời.
Ở nhiệt độ đó, vật chất thành một dạng khí điện tích gọi là plasma, không bình chứa nào chịu nổi. Một hướng nghiên cứu là dùng từ trường cực mạnh giữ plasma lơ lửng trong buồng hình bánh xe. Hướng khác dùng những chùm laser cực mạnh ép một viên nhiên liệu nhỏ trong khoảnh khắc.
Các phòng thí nghiệm đã tạo được phản ứng tổng hợp, và đã có những bước tiến đáng kể. Nhưng biến nó thành một nhà máy phát điện ổn định, rẻ, chạy liên tục vẫn là mục tiêu của tương lai, chưa ai dám hứa chắc thời điểm.
Điều hấp dẫn của tổng hợp là nhiên liệu dồi dào và chất thải phóng xạ sống lâu ít hơn nhiều so với phân hạch, và phản ứng tự tắt khi có trục trặc chứ không chạy vượt kiểm soát.
Hai mặt của cùng một phát hiện
Phân hạch được các nhà khoa học phát hiện vào cuối những năm ba mươi của thế kỷ hai mươi, đúng lúc thế giới bước vào chiến tranh. Chỉ vài năm sau, năng lượng hạt nhân lần đầu được dùng làm vũ khí, rồi về sau mới được dùng để phát điện.
Câu chuyện ấy nhắc ta rằng một hiểu biết vật lý tự nó không tốt cũng không xấu. Cùng một ngọn đồi năng lượng, con người có thể dùng để thắp sáng thành phố, chữa bệnh bằng đồng vị phóng xạ, hay để huỷ diệt.
Phần của người bình thường như chúng ta là hiểu đủ để không bị hù doạ bởi những tin đồn vô căn cứ, và cũng không bị ru ngủ bởi những lời hứa hẹn quá dễ dãi.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: ở thang hạt nhân và electron, vật lý có một giới hạn kỳ lạ, rằng không thể biết chính xác cùng lúc một hạt đang ở đâu và đang chạy nhanh thế nào. Có phải vì máy đo của ta chưa đủ tốt?
Câu hỏi thường gặp
Nhà máy điện hạt nhân có nổ như bom nguyên tử được không?
Không theo cách của bom. Nhiên liệu trong lò phản ứng điện có hàm lượng chất phân hạch thấp hơn nhiều so với vũ khí và được thiết kế để không thể tạo ra vụ nổ hạt nhân. Tai nạn lò phản ứng nguy hiểm theo kiểu khác: quá nhiệt, nổ hơi nước hay khí, phát tán chất phóng xạ.
Hơi trắng bốc ra từ tháp làm mát có phóng xạ không?
Đó là hơi nước từ hệ thống làm mát, tách biệt với vòng nước đi qua lò phản ứng. Tháp làm mát kiểu này cũng có ở nhiều nhà máy nhiệt điện than.
Vì sao tổng hợp hạt nhân lại khó hơn phân hạch?
Hạt nhân mang điện dương đẩy nhau rất mạnh, phải nung nhiên liệu tới hàng chục triệu độ trở lên mới ép chúng lại gần được. Giữ một khối plasma nóng như thế ổn định đủ lâu là thách thức kỹ thuật cực lớn.
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt dùng để làm gì?
Đó là lò phản ứng nghiên cứu, phục vụ nghiên cứu khoa học, sản xuất đồng vị phóng xạ dùng trong y tế và các ngành khác, và đào tạo nhân lực. Nó không phát điện lên lưới.
Năng lượng hạt nhân có phải là năng lượng tái tạo không?
Năng lượng phân hạch dùng nhiên liệu khai thác từ quặng nên không được xếp vào nhóm tái tạo như nắng, gió. Nó thường được xếp vào nhóm nguồn điện phát thải khí nhà kính thấp.
