Phản ứng phân hạch và phản ứng dây chuyền

Ở Course 7 của khoá học này, em đã biết đường cong năng lượng liên kết riêng theo số khối đạt cực đại quanh hạt nhân sắt (Fe, A≈56) — các hạt nhân càng nặng hơn sắt càng kém bền hơn so với việc bị tách nhỏ (prior-grade review, thực chất là same-course bridge). Bài này khai thác đúng tính kém bền đó: khi một hạt nhân rất nặng (như urani) bị tách thành hai mảnh có số khối gần đỉnh đường cong hơn, hệ sẽ chuyển sang trạng thái bền hơn và giải phóng năng lượng.

Việt Nam hiện có một lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu tại Đà Lạt (Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt), hoạt động ở công suất thấp (cỡ 500 kW) để sản xuất đồng vị phóng xạ phục vụ y tế và nghiên cứu khoa học, chứ không phải để phát điện. Bài này giải thích đúng cơ chế phân hạch làm nền tảng cho mọi lò phản ứng hạt nhân, dù công suất nhỏ như lò nghiên cứu hay lớn như các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới.

**Phản ứng phân hạch** là hiện tượng một hạt nhân rất nặng (như urani-235, plutoni-239) hấp thụ một neutron chậm rồi trở nên mất ổn định và vỡ thành hai hạt nhân trung bình (gọi là hai **mảnh phân hạch**), đồng thời phát ra thêm vài neutron mới và một năng lượng rất lớn — lớn hơn nhiều lần so với năng lượng toả ra trong một lần phóng xạ đơn lẻ. Sở dĩ năng lượng toả ra lớn như vậy là vì hai mảnh phân hạch có số khối nằm gần đỉnh của đường cong năng lượng liên kết riêng hơn hạt nhân urani ban đầu rất nhiều, nên tổng năng lượng liên kết của hệ tăng lên đáng kể sau phản ứng. Một phương trình phân hạch điển hình của urani-235 là: ¹₀n + ²³⁵₉₂U → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3 ¹₀n Cũng như phương trình phóng xạ, phương trình phân hạch phải thoả hai định luật bảo toàn: tổng số khối hai vế bằng nhau ($1+235=236=141+92+3$) và tổng điện tích hai vế bằng nhau ($92=56+36$, vì neutron không mang điện). Một hạt nhân urani-235 không phải lúc nào cũng vỡ thành đúng cặp bari–krypton này; tuỳ từng lần phân hạch, cặp mảnh sinh ra có thể khác nhau (ví dụ xenon và stronti), miễn là vẫn thoả hai định luật bảo toàn trên. Điều làm phân hạch trở nên đặc biệt quan trọng trong thực tế là mỗi lần phân hạch lại sinh ra thêm vài neutron mới (thường 2 đến 3 neutron), và các neutron này có thể tiếp tục bắn vào những hạt nhân urani-235 khác trong mẫu, gây ra thêm những lần phân hạch mới — hiện tượng này gọi là **phản ứng dây chuyền**. Gọi $k$ là **hệ số nhân neutron**, tức số neutron trung bình sinh ra từ một lần phân hạch mà tiếp tục gây ra một lần phân hạch khác: nếu $k<1$, số lần phân hạch giảm dần theo thời gian và phản ứng tự tắt (dưới hạn, subcritical); nếu $k=1$, số lần phân hạch giữ ổn định theo thời gian (tới hạn, critical); nếu $k>1$, số lần phân hạch tăng vọt rất nhanh (trên hạn, supercritical). Nguyên lý hoạt động của **lò phản ứng hạt nhân** là duy trì $k$ xấp xỉ bằng 1 một cách có kiểm soát, bằng các thanh điều khiển làm từ vật liệu hấp thụ neutron tốt (như bo, cadimi) — khi cần giảm tốc độ phản ứng, thanh điều khiển được đưa sâu hơn vào lò để hấp thụ bớt neutron dư; khi cần tăng, thanh điều khiển được rút bớt ra. Ngược lại, trong một vũ khí hạt nhân, khối lượng và hình dạng vật liệu phân hạch được sắp xếp để $k$ vượt hẳn lên trên 1 trong một khoảng thời gian cực ngắn, khiến số lần phân hạch tăng vọt không kiểm soát và giải phóng năng lượng gần như tức thời. Ngoài thanh điều khiển, một lò phản ứng dùng urani-235 thông thường còn cần một **chất làm chậm neutron** (thường là nước thường hoặc nước nặng) bao quanh nhiên liệu. Lí do là neutron mới sinh ra từ phân hạch có tốc độ rất lớn (neutron nhanh), trong khi urani-235 hấp thụ neutron CHẬM hiệu quả hơn nhiều so với neutron nhanh; chất làm chậm giúp neutron va chạm nhiều lần, giảm bớt tốc độ trước khi tới gặp một hạt nhân urani-235 khác, làm tăng đáng kể khả năng gây phân hạch tiếp theo.