Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 6: Energy from the Atom – Chương 6: Năng lượng nguyên tử (Phần 1)

Điện hạt nhân an toàn như là một nhà máy sản xuất sô cô la.
Báo Kinh tế, ngày 29 Tháng 3 năm 1986
(4 tuần trước thảm họa nguyên tử Chernobyl)

Nuclear power is as safe as a chocolate factory.
The Economist, March 29, 1986
(4 weeks prior to the Chernobyl disaster)

Nguyên tử là phần nhỏ nhất của mọi nguyên tố tồn tại trong tự nhiên. Cấu tạo nguyên tử bao gồm hai phần riêng biệt: một lõi trung tâm – hạt nhân – và một không gian xung quanh – đám mây electron (hay còn gọi là điện tử).

Hạt nhân bao gồm các hạt mang điện tích dương (proton) và các hạt trung hòa (neutron), tất cả xếp khít chặt chẽ với nhau (bằng lực hạt nhân). Ngoại vi của nguyên tử được cấu thành từ các hạt mang điện tích âm (electron) riêng rẽ và chuyển động một cách hỗn loạn xung quanh hạt nhân (xem Hình 10).

Các nhà khoa học, những người đầu tiên phát hiện ra cấu trúc của nguyên tử vào đầu thế kỷ 20 (lưu ý rằng nhà triết học Hy Lạp Democritus cũng đã suy đoán về sự tồn tại của nguyên tử từ 2300 năm trước), đã sửng sốt khi thấy rằng thể tích của nguyên tử được xác định chủ yếu bởi các đám mây electron, trong khi đó khối lượng được hầu như chỉ tập trung ở hạt nhân nguyên tử. Nói cách khác, nguyên tử bao gồm một thể tích/không gian rất lớn nhưng gần như rỗng và một hạt nhân rất nhỏ nhưng lại rất nặng. Theo đó, nguyên tử có cấu trúc lệch kì dị đến mức thậm chí là một kiến trúc sư rất giàu trí tưởng tượng cũng không thiết kế như vậy.

Quá trình đốt cung cấp phần lớn năng lượng của thế giới chỉ liên quan đến các thành phần ngoại vi của nguyên tử, cụ thể là các electron. Các liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành thông qua các sự nhiễu loạn của đám mây điện tử của các nguyên tử có liên quan. Trong quá trình hoạt động bận rộn này, hạt nhân nguyên tử không thay đổi và tất cả những gì đang xảy ra xung quanh không ảnh hưởng gì đến chúng.

Sau 70 triệu năm của giấc ngủ sâu trong các quặng dưới lòng đất, trong quá trình đốt cháy khí mêtan (CH₄), không gian tứ diện của một đám mây electron xung quanh hạt nhân của nguyên tử carbon, trong đó 1 nguyên tử C liên kết với 4 nguyên tử hydrogen, được chuyển đổi thành một không gian theo đường thẳng, trong đó 1 nguyên tử C liên kết với 2 nguyên tử oxy – carbon dioxide (CO₂) .

Kể từ khi phát hiện ra lửa và hàng ngàn năm sau đó, mọi sự đã tiến lên phía trước theo hướng này, mà không có bất kỳ thay đổi cơ bản nào. Tất cả các quá trình chuyển đổi hóa học của vật chất được phát triển bởi con người chỉ liên quan đến các đám mây điện tử của nguyên tử, phần hạt nhân giữ nguyên không thay đổi.

Tuy nhiên, mọi thứ đã thay đổi kể từ cuối thế kỷ 19, khi các nhà khoa học dần dần bắt đầu làm sáng tỏ cấu trúc của nguyên tử và vai trò của hạt nhân. Điều này có được là nhờ vào công việc của các nhà khoa học như Wilhelm Röntgen, Henry Becquerel, Joseph Henry Thomson, Marie và Pierre Curie, Ernest Rutherford, James Chadwick, và Enrico Fermi là người đứng đầu nhóm Các chàng trai đường phố Panisperna nổi tiếng tại Đại học Rome, bao gồm một số nhà vật lý nổi tiếng: Amaldi, D’ Agostino, Majorana, Pontecorvo, Rasetti, và Segre.

Lịch sử đã được quyết định một cách dứt khoát vào ngày 2/12/1942, tại một vị trí khá bất thường – một phòng tập thể dục của trường Đại học Chicago – khi Fermi chỉ ra rằng có thể sản xuất năng lượng (hạt nhân) một cách có kiểm soát đơn giản bằng cách chọc vào hạt nhân nguyên tử.

Với lò phản ứng nguyên tử, Fermi đã thắp lên ngọn lửa hạt nhân với sức mạnh lớn hơn khủng khiếp so với ngọn lửa truyền thống – điều này đã mở ra một kỷ nguyên mới. Sự thay đổi liên tục mãi mãi đã trở thành cách chúng ta nhìn thế giới và là cách chúng ta quản lý và xử lý các quan hệ quốc tế. Sinh ra cùng lúc đó là sự rối ren của hy vọng, sợ hãi, nghi ngờ, cạnh tranh, căng thẳng, và chiến tranh mà chúng ta tiếp tục tranh luận cho đến ngày nay. Kể từ ngày đó, Tàu vũ trụ Trái Đất đã trở nên mong manh hơn bao giờ hết.

Phân rã nguyên tử

Để thực hiện thí nghiệm lịch sử đó, Fermi đã không chọn các nguyên tử một cách ngẫu nhiên. Ông đã sử dụng các nguyên tố hóa học nặng nhất được tìm thấy trong tự nhiên, Uranium (U), trong đó bao gồm 99.3% của các nguyên tử có chứa 92 proton và 146 neutron trong hạt nhân.Tổng của hai con số này, 238, đại diện cho khối lượng nguyên tử uranium. Do đó nguyên tử này được gọi là uranium-238, hoặc chỉ đơn giản là ²³⁸U.

Tuy nhiên, phần nguyên tố Uranium cần thiết để sản xuất năng lượng hạt nhân lại là phần nhỏ còn lại, cụ thể là 0.7% tổng số. Phần này được cấu thành từ một chất đồng vị, một dạng nguyên tử hơi khác của uranium, mà trong hạt nhân cũng có chứa 92 proton nhưng chỉ có 143 nơtron; đây là uranium-235 hay ²³⁵U.

Chỉ có đồng vị ²³⁵U là có khả năng phân hạch; nghĩa là, hạt nhân của đồng vị này không bền và có khuynh hướng tạo ra năng lượng bằng cách phân rã hạt nhân. Nói cách khác, hạt nhân ²³⁵U có thể “bị phá vỡ”, sản xuất ra hạt nhân của các nguyên tố hóa học nhẹ hơn và giải phóng một lượng lớn năng lượng (cụ thể là, năng lượng bức xạ điện từ và động năng của các hạt được sản xuất trong phản ứng hạt nhân). Để làm được việc này, Uranium-235 là loại nguyên tử phóng xạ duy nhất có sẵn với số lượng đáng kể trong tự nhiên. Loại đồng vị của nguyên tố hóa học này là không phổ biến, và đại diện cho một nguồn năng lượng sơ cấp, giống như mặt trời và dầu thô.

Phản ứng phân hạch (fission reaction), còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử của ²³⁵U được kích hoạt bởi sự hấp thu neutron (n) chậm (động năng thấp), tạo ra hai hạt nhân nhỏ hơn và giải phóng 2 hoặc 3 neutron. Ví dụ, hạt nhân ²³⁵U có thể bị chia tách để tạo thành một nguyên tử barium (¹⁴¹Ba) và một nguyên tử krypton (⁹²Kr), cùng với ba lần số lượng neutron đã được sử dụng để bắt đầu quá trình hạt nhân – như được minh họa trong Hình 11 – và giải phóng rất nhiều năng lượng.

Hình 11: Sơ đồ minh họa sự phân rã của lõi hạt nhân của một nguyên tử ²³⁵U, được kích hoạt bởi một neutron chậm, tạo thành một hạt nhân của ¹⁴¹Ba và một hạt nhân⁹²Kr. Quá trình phân rã tạo ra ba neutron, trong đó (nếu đủ chậm) có thể kích hoạt sự chia tách các hạt nhân uranium khác, do đó gây ra phản ứng dây chuyền.

Phản ứng phân hạch tạo ra việc chuyển đổi một lượng nhỏ của khối lượng thành một lượng lớn năng lượng theo phương trình của Einstein: E = mC^{2 (*)}: mỗi gram của đồng vị ²³⁵U có thể giải phóng khoảng 84 MJ ở dạng năng lượng điện từ tần số cao, tương đương với năng lượng thu được bằng cách đốt cháy khoảng 20 tấn dầu.

Sự phân rã của một hạt nhân giải phóng 2 hoặc 3 neutron, trong đó – với sự hiện diện của một chất điều tiết phù hợp (moderator), có nghĩa là một chất có khả năng làm chậm tốc độ của neutron, chẳng hạn như nước – có thể tiếp tục gây ra chuỗi phản ứng phân rã các hạt nhân ²³⁵U khác. Tuy nhiên, để điều này xảy ra, điều cần thiết là ít nhất một trong những neutron mới được tạo ra không thoát ra khỏi hệ thống trước khi gây ra một phản ứng phân hạch tiếp theo. Điều kiện này có thể đạt được khi khối lượng của vật chất phóng xạ vượt quá một giá trị cụ thể, còn được gọi là khối lượng tới hạn (critical mass) – kể từ giá trị khối lượng đó, chuỗi phản ứng phân hạch dây chuyền sẽ trở thành tự duy trì.

Nếu không có sự kiểm soát phù hợp, số lượng neutron hoạt động sẽ được nhân lên trong từng phản ứng phân hạch riêng lẻ. Trong trường hợp này, tốc độ của phản ứng tăng lên nhanh chóng đến mức gây ra một vụ nổ, như điều xảy ra trong một quả bom nguyên tử. Tuy nhiên, nếu chúng ta đưa vào các thanh điều khiển tỷ lệ với khối lượng của vật chất phóng xạ, được làm bằng vật liệu hấp thu neutron – như cadmium (Cd) hoặc boron (B), thì chúng ta có thể kiểm soát tốc độ của quá trình, ngăn chặn sự bùng nổ xảy ra, và cho phép chúng ta khai thác sức nóng được phát triển khi các neutron và bức xạ điện từ va chạm với các thành của lò phản ứng. Đây là những gì xảy ra trong nhà máy điện hạt nhân để sản xuất điện.

Chúng ta đã thấy trong Hình 11 một phản ứng hạt nhân sản xuất ra barium (Ba) và krypton (Kr). Tuy nhiên, sự phân rã của ²³⁵U cũng có thể xảy ra thông qua các con đường khác để sản xuất nhiều loại khác của các đồng vị nhẹ hơn của những nguyên tố khác, có chứa số proton trong khoảng 30 (kẽm, Zn) và 65 (terbium, Tb). Nhìn chung, các sản phẩm bao gồm hơn một trăm loại đồng vị khác nhau. Trong số này có nhiều nguyên tố phóng xạ khác nhau và cực kỳ có hại cho sức khỏe, cụ thể là, cesium-137 (¹³⁷Cs), iodine-131 (¹³¹I) và strontium-90 (⁹⁰Sr). Những hạt nhân phóng xạ này trở nên nổi tiếng với công chúng vào mùa xuân năm 1986 sau sự bùng nổ của một trong những lò phản ứng của tổ hợp nhà máy hạt nhân Chernobyl ở Ukraine. Bụi phóng xạ (fall-out) từ thảm họa này và rất nhiều nguyên tố phóng xạ, độc hại khác đã được cảm nhận trên khắp châu Âu.

Tính phóng xạ của các nguyên tử giảm dần theo thời gian. Mỗi đồng vị có một chu kỳ bán rã hay chu kỳ bán hủy, là thời gian cần để một nửa số hạt nhân của một mẫu phóng xạ được chuyển đổi thành hạt nhân của đồng vị khác hoặc các nguyên tố khác. Tính phóng xạ của đồng vị iodine-131 (¹³¹I) gần như biến mất trong vòng một vài ngày, trong khi chu kỳ bán rã của cesium-137 (¹³⁷Cs) và strontium-90 (⁹⁰Sr) là khoảng 30 năm, làm cho hai đồng vị phóng xạ này độc hại trong nhiều thế kỷ.

Trong chừng mực liên quan đến tuổi thọ của các đồng vị của nguyên liệu ban đầu, ²³⁵U và ²³⁸U, chúng có chu kỳ bán rã lần lượt là 704 triệu năm và 4.5 tỷ năm. Vì vậy, chúng ta không cần phải có sự quan tâm cấp thiết liên quan đến thời hạn sử dụng của các nguồn cung cấp uranium tự nhiên trên Trái đất.

 

Người dịch: Phạm Thu Hường

Biên tập: Đào Thu Hằng & Nguyễn Thu Trang

Chú thích của người dịch:

(*) Phản ứng phân hạch (fission reaction) tạo ra năng lượng do giải phóng năng lượng liên kết hạt nhân rất lớn giữa các proton và neutron (lực liên kết nucleons) trong hạt nhân. Khi hạt nhân nặng tan vỡ, tổng khối lượng của các sản phẩm phân hạch là nhỏ hơn khối lượng của nhiên liệu hạt nhân ban đầu. Khối lượng giảm đi (∆m) này được chuyển thành năng lượng theo phương trình của Einstein: E = ∆m x C², dưới dạng photon (tia gamma) và động năng của các mảnh vỡ phân hạch.

 

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.