Năng lượng hạt nhân SVIP

I. NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT HẠT NHÂN

Lực hạt nhân là lực rất mạnh giữ các nucleon (proton và neutron) liên kết chặt chẽ trong hạt nhân. Để tách nucleon ra khỏi hạt nhân, cần cung cấp lượng năng lượng đủ để thắng lực hạt nhân.

Lực này chỉ có tác dụng ở khoảng cách rất nhỏ, cỡ kích thước hạt nhân (khoảng 10^-14 m) và suy giảm rất nhanh khi ra ngoài phạm vi đó.

1. Độ hụt khối

Độ hụt khối của hạt nhân là độ chênh lệch giữa tổng khối lượng các nucleon riêng lẻ và khối lượng hạt nhân thực tế (\(m_X\)), kí hiệu là \(\Delta m\).

\(\Delta m=\left[Zm_p+\left(A-Z\right)m_n\right]-m_X\)

Trong đó: 

• \(m_p\) là khối lượng hạt proton;
• \(m_n\) là khối lượng hạt neutron;
• \(m_X\) là khối lượng hạt nhân \(_Z^AX\).

Mối liên hệ giữa năng lượng và khối lượng

Một vật có khối lượng \(m\) thì cũng có năng lượng tương ứng là \(E\) và ngược lại:

\(E=mc^2\)

Với \(c=3.10^8\) m/s là tốc độ ánh sáng trong chân không.

Suy ra: 1 amu = 931,5 MeV/c².

2. Năng lượng liên kết hạt nhân

Năng lượng tối thiểu dùng để tách toàn bộ số nucleon ra khỏi hạt nhân bằng năng lượng liên kết hạt nhân \(E_{lk}\).

Năng lượng liên kết của hạt nhân được tính bằng độ hụt khối nhân với \(c^2\) (trong đó $c$ là tốc độ ánh sáng).

\(E_{lk}=\Delta mc^2=\left[Zm_{p}+\left(A-Z\right)m_{n}-m_{X}\right\rbrack c^2\)

3. Năng lượng liên kết riêng

Năng lượng liên kết riêng đặc trưng cho mức độ bền vững của hạt nhân. Năng lượng liên kết riêng càng lớn thì hạt nhân càng bền vững:

\(E_{lkr}=\dfrac{E_{lk}}{A}\)

II. SỰ PHÂN HẠCH VÀ SỰ TỔNG HỢP HẠT NHÂN

1. Sự phân hạch

Phản ứng phân hạch là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn.

Phản ứng phân hạch dây chuyền: Neutron tạo ra sau mỗi phân hạch có thể kích thích các hạt nhân khác tiếp tục phân hạch, tạo thành phản ứng dây chuyền, giải phóng năng lượng rất lớn.

2. Sự tổng hợp hạt nhân

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình kết hợp các hạt nhân nhẹ tạo thành hạt nhân nặng hơn. Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ rất cao, nên còn gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Ví dụ: \(_1^2H+_1^2H\rightarrow_2^3He+_0^1n\)

Phản ứng này tỏa năng lượng khoảng 4 MeV.

III. CÔNG NGHIỆP HẠT NHÂN

Công nghiệp hạt nhân có nhiều ứng dụng trong khoa học, y học, sản xuất và đời sống.

- Khai thác năng lượng từ phản ứng phân hạch để sản xuất điện và tạo lực đẩy cho các phương tiện lớn như tàu ngầm, tàu phá băng, tên lửa,…

- Các nhà máy điện hạt nhân hoạt động nhờ phản ứng phân hạch dây chuyền được kiểm soát trong lò phản ứng.

Sơ đồ đơn giản hóa của một nhà máy điện hạt nhân

Ưu điểm:

- Hiệu quả và tiết kiệm hơn năng lượng hóa thạch.

- Không phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường.

- Giúp tăng cường an ninh năng lượng do giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Nhược điểm:

- Nguy cơ mất an toàn nếu xảy ra sự cố.

- Chất thải phóng xạ cần được xử lí bằng công nghệ cao và đảm bảo an toàn lâu dài.