Vật lý hạt nhân

Bài viết hôm nay của tụi mình hơi dài nhưng hy vọng mọi người sẽ cố gắng đọc, đón nhận và đóng góp. Cảm ơn mọi người rất nhiều!!!

--------------------------------------------------------------------------------

1. Giới thiệu về ngành vật lý hạt nhân 

Vật lý hạt nhân là một nhánh của vật lý đi sâu nghiên cứu về hạt nhân của nguyên tử. Ngành vật lý hạt nhân là ngành tiềm năng trong tương lai, là ngành khoa học công nghệ cao nhằm khai thác cho mục đích năng lượng trên cơ sở máy móc thiết bị với quy trình hiện đại.

Vật lý hạt nhân gồm 3 phần: mô tả các hạt cơ bản (proton và nơtron) và các tương tác giữa chúng, phân loại và trình bày các tính chất của hạt nhân, và cung cấp các kỹ thuật tân tiến mà nó mang lại.

Vật lý hạt nhân hiện đại đang nghiên cứu sâu về các phản ứng phân rã hạt nhân, tổng hợp hạt nhân, phân hạch hạt nhân, các phóng xạ và sự ổn định của các hạt nhân nguyên tử.

2. Mục đích

Vật lý hạt nhân là ngành khoa học công nghệ cao có vai trò quan trọng trong sự phát triển nguồn năng lượng thế giới. Công nghệ năng lượng hạt nhân được sử dụng trong đời sống như áp dụng trong môi trường, trong y tế. Với nhu cầu năng lượng ngày một tăng, các nước trên thế giới đều hướng đến máy móc thiết bị quy trình hiện đại để khai thác nguồn năng lượng hạt nhân.

Các ứng dụng phổ biến nhất được biết đến của vật lý hạt nhân là sự tạo năng lượng hạt nhân và công nghệ vũ khí hạt nhân, các nghiên cứu còn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm trong y học hạt nhân, hình ảnh cộng hưởng điện từ, cấy ion trong kỹ thuật vật liệu, bức xạ cacbon xác định tuổi trong địa chất học và khảo cổ học,... Vật lý hạt nhân còn ứng dụng vào vật lý thiên văn giúp giải thích cho các hoạt động của các vì sao trong ngân hà và căn nguyên của các nguyên tố hóa học.

3. Lịch sử

Uranium được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1789 bởi nhà hóa học người Đức, Martin Klaproth và được đặt tên dựa theo tên sao Thiên Vương (Uranus), đây là 1 nguyên tố quan trọng đối với ngành vật lý hạt nhân nói chung và năng lượng hạt nhân nói riêng.

Bức xạ ion được phát hiện vào năm 1895 bởi Wilhelm Rontgen trong thí nghiệm cho một dòng điện chạy qua một ống chân không thủy tinh và tạo nên các tia X liên tục. Tiếp theo vào năm 1896, Henri Becquerel phát hiện ra rằng quặng pecblen (một loại quặng khoáng sản chứa radium và uranium) có khả năng làm tối kính ảnh. Ông đã nghiên cứu hiện tượng trên và chứng minh được rằng đó là do bức xạ beta (electron) và các hạt alpha (hạt nhân Heli) được phát xạ ra. 

Lịch sử của vật lý hạt nhân thực sự được ra đời cùng với vật lý nguyên tử bắt đầu với việc phát hiện ra phóng xạ bởi Henri Becquerel năm 1896, trong khi điều tra hiện tượng lân quang trong muối uranium. Việc phát hiện ra các điện tử của Joseph John Thomson một năm sau đó cho thấy các nguyên tử có cấu trúc bên trong. Cũng trong năm 1896, 1 dạng bức xạ thứ 3 của quặng pecblen (một loại quặng khoáng sản chứa radium và uranium) phát ra tia gamma, loại tia tương tự như tia X, Pierre và Marie Curie đã đặt tên "phóng xạ" (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng phân rã hạt nhân​ này.

Vào năm 1902, nhà vật lý học người New Zealand, Ernest Rutherford (1871-1937) đã chứng minh được rằng phóng xạ là một sự kiện tự phát, các hạt alpha hoặc beta phát xạ ra từ hạt nhân có thể tạo ra nhiều nguyên tố khác nhau. Ông đã đưa ra thuyết phân rã phóng xạ và chứng minh sự tạo thành heli trong quá trình phóng xạ. Ông được coi là "cha đẻ" của vật lý hạt nhân khi đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử và đặt cơ sở cho các học thuyết hiện đại về cấu tạo nguyên tử sau này. 

Vào đầu thế kỷ 20, mô hình nguyên tử được chấp nhận là mô hình mứt mận (Plum pudding model) trong đó nguyên tử được hình dung như là một quả bóng điện tích dương lớn với các hạt electron điện tích âm được nhúng bên trong nó. Bước sang thế kỷ này các nhà vật lý cũng đã phát hiện ra ba loại bức xạ phát ra từ các nguyên tử, mà họ đặt tên là alpha, beta và gamma. Các thí nghiệm vào năm 1911 bởi Otto Hahn (1879-1968) và vào năm 1914 bởi James Chadwick (1891-1974) phát hiện ra rằng quang phổ phân rã beta là liên tục chứ không phải là rời rạc. Có nghĩa là, các hạt điện từ bị đẩy khỏi nguyên tử với một loạt các nguồn năng lượng, chứ không phải là số rời rạc của các nguồn năng lượng đã được quan sát thấy trong phân rã gamma và alpha. Đây là một vấn đề đối với vật lý hạt nhân vào thời điểm đó, bởi vì nó chỉ ra rằng năng lượng không được bảo toàn trong các phân rã.

Vào năm 1915, Albert Einstein xây dựng ý tưởng của sự tương đương năng lượng-khối lượng (E = mC^2 ). Dựa trên hiện tượng phóng xạ được ghi chép lại bởi Becquerel và Marie Curie xây dựng trước đó, đây là một sự giải thích về nguồn năng lượng phóng xạ. Về sau đã có sự khám phá ra rằng bản thân hạt nhân là sự kết thành của các phần nhỏ hơn, các nucleon.

Vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra sự tồn tại của nơtron. Sau đó, vào năm 1934, Irene Curie và Frederic Joliot đã phát hiện ra các biến đổi của hạt nhân trong quá trình bắn phá bằng proton được tăng tốc đã tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Một năm sau, nhà vật lý học người Ý Enrico Fermi (1901-1954) phát hiện ra rằng nếu dùng nơtron để bắn phá thay cho proton có thể tạo ra được nhiều đồng vị phóng xạ nhân tạo hơn. Fermi có nhiều đóng góp to lớn trong sự phát triển của phân rã bêta, phát triển lò phản ứng hạt nhân đầu tiên của loài người.

Vào cuối năm 1938, 2 nhà hóa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann (1902-1980), trong thí nghiệm chứng minh phản ứng phân hạch đã chỉ ra rằng có thể tạo ra được phân tử Bari có khối lượng bằng một nửa so với khối lượng ban đầu của Uranium. Sau đó, nữ vật lý học người Thụy Điển Lise Meitner (1878-1968) cùng cháu của bà là Otto Frisch đã chứng minh được bản chất của quá trình phân hạch là do hạt nhân đã giữ lại các nơtron, các nơtron này gây ra sự rung động mạnh trong hạt nhân khiến nó vỡ ra thành 2 phần không bằng nhau. Đồng thời, 2 nhà nghiên cứu cũng ước tính được rằng năng lượng giải phóng từ quá trình phân hạch hạt nhân lên tới khoảng 200 triệu Volt. Sau đó, Frisch đã tiếp tục nghiên cứu kiểm chứng và xác nhận con số trên vào tháng 1 năm 1939.

Niels Bohr (1885-1962), nhà vật lý người Đan Mạch cũng có nhiều đóng góp cho sự hiểu biết về nguyên tử và sự phân bố của các electron quanh hạt nhân vào những năm 1940. Bohr được trao giải thưởng Nobel vào năm 1922 về những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu nguyên tử và cơ học lượng tử. Ông được coi là một trong những nhà vật lý học nổi tiếng nhất trong thế kỷ 20.

4. Thành tựu

• Vũ khí hạt nhân

Vũ khí hạt nhân là loại vũ khí hủy diệt hàng loạt mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hạt nhân hoặc phản ứng hợp hạch gây ra. Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất có sức công phá lớn hơn bất kỳ vũ khí quy ước nào. Vũ khí có sức công phá tương đương với 30.000-300.000 tấn thuốc nổ có thể phá hủy hoàn toàn một thành phố. Nếu sức công phá là 1 triệu tấn thì có thể phá hủy 1 vùng với bán kính 100 - 160 km. Vũ khí hạt nhân về cơ bản được chia thành hai loại:

• Bom phân hạch

Bom nguyên tử hoạt động theo nguyên lý phân hủy các hạt nhân nặng - không bền như urani hay plutoni thành các hạt nhân nhẹ hơn và giải phóng năng lượng.

Quá trình nổ bom nguyên tử xảy ra theo một phản ứng dây chuyền, bắt đầu khi một neutron (hạt trung hòa điện trong hạt nhân nguyên tử) va chạm với một hạt nhân urani-235 hoặc plutoni-239, làm hạt nhân này vỡ ra thành các nguyên tố bền hơn (thường là barium và krypton).

Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt, phóng xạ tia gamma và một số neutron. Các neutron này lặp lại quá trình trên cho tới khi hết nhiên liệu phản ứng. Phản ứng dây chuyền này diễn ra trong thời gian rất ngắn, cỡ một phần triệu giây. Sức công phá của một quả bom nguyên tử tương đương với từ 1.000 tấn (1 KT) đến vài trăm nghìn tấn thuốc nổ TNT.

Với mỗi loại nhiên liệu bom nguyên tử có một khối lượng đặc trưng, gọi là khối lượng tới hạn. Khi khối lượng nhiên liệu nhỏ hơn khối lượng này thì phản ứng dây chuyền không xảy ra. Nhiên liệu phản ứng trong mỗi quả bom sẽ được chia tách ra các phần dưới hạn để đảm bảo an toàn. Muốn kích nổ chỉ cần ghép các phần riêng rẽ này thành một khối. Khối lượng này của urani 235 tinh khiết là 50kg.

Vì urani-235 và plutonium-239 trong tự nhiên không đủ nên người ta sẽ sử dụng phương pháp làm giàu urani và plutoni đến ngưỡng thích hợp cho phản ứng phân hạch.

Cho tới nay, Mỹ là nước duy nhất sử dụng bom nguyên tử trong chiến tranh. Quả bom thứ nhất mà Mỹ thả xuống thành phố Hiroshima ngày 6/8/1945 có sức công phá khoảng 15 KT, quả thứ hai thả xuống Nagasaki ba ngày sau đó có sức công phá khoảng 20 KT. Đây là một phần kết quả của dự án Manhattan nghiên cứu về vũ khí hạt nhân của Mỹ ở Thế chiến II.

• Bom nhiệt hạch

Được Mỹ bắt đầu nghiên cứu phát triển vào những năm đầu 1950, bom nhiệt hạch được cho là có sức công phá mạnh gấp hàng ngàn lần bom nguyên tử.

Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại là bom phân hạch giải phóng năng lượng từ quá trình tổng hợp hai hạt nhân nhẹ (hydro) thành một hạt nhân nặng hơn (heli). Đây cũng là phản ứng đang diễn ra trên Mặt Trời.

Tuy nhiên, do các hạt nhân đều tích điện dương và đẩy nhau, cần phải có một năng lượng rất lớn, hay một nhiệt độ rất cao để đưa chúng tới khoảng cách đủ gần để xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân. Điều kiện này chỉ có thể đạt được nhờ cho nổ một quả bom nguyên tử.

Như vậy, một quả bom nhiệt hạch là một quả bom kép, trước tiên phải cho nổ bom nguyên tử để tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra. Bom nhiệt hạch sử dụng năng lượng từ phản ứng phân hạch hạt nhân chính để nén và kích động một phản ứng tổng hợp hạt nhân thứ cấp. Kết quả là loại bom này tăng đáng kể sức nổ, đạt mức gấp hàng chục, thậm chí hàng trăm lần khi so sánh với các loại vũ khí phân hạch một tầng (bom nguyên tử thông thường). Vũ khí nhiệt hạch có tên gọi thông thường là bom khinh khí hay bom H bởi vì nó sử dụng phản ứng nhiệt hạch hydro. Các giai đoạn phân hạch trong vũ khí như vậy là cần thiết để gây ra các phản ứng tổng hợp xảy ra trong vũ khí nhiệt hạch.

Vụ thử nghiệm nhiệt hạch quy mô đầy đủ đầu tiên đã được Hoa Kỳ thực hiện vào năm 1952 thiết kế đó đã được sử dụng bởi hầu hết các cường quốc hạt nhân trên thế giới trong việc thiết kế vũ khí của họ. 

Năng lượng giải phóng từ một vụ nổ nhiệt hạch có thể ngay lập tức phá hủy mọi thứ trong vòng bán kính vài km. Nhiệt lượng cực lớn có thể gây ra các cơn bão lửa; ánh sáng trắng cường độ cao từ vụ nổ có thể gây mù lòa. Bụi phóng xạ và các sản phẩm phụ của phản ứng như cesium-137 và strontium-90 có thể đầu độc các sinh vật sống, ô nhiễm không khí, đất và nguồn nước trong hàng trăm năm.

Quả bom mạnh nhất trong lịch sử là bom Sa hoàng (sức công phá tương đương 57 triệu tấn thuốc nổ TNT) do Liên Xô chế tạo là một quả bom nhiệt hạch, sỡ dĩ nó có sức công phá lớn như vậy vì người ta cho rằng Liên Xô đã sử dụng ba giai đoạn nổ (lần nổ phân hạch đầu tiên tạo điều kiện cho lần nổ hợp hạch thứ hai và lần hợp hạch thứ hai tạo điều kiện cho lần nổ hợp hạch thứ ba), như vậy, sức công phá của bom nguyên tử là không giới hạn khi họ có thể sử dụng nhiều lần phản ứng hợp hạch trong một quả bom.

Lo ngại nguy cơ xảy ra chiến tranh hạt nhân, Hiệp ước không phổ biến Vũ khí Hạt nhân (NPT) được nhiều nước ký kết từ năm 1968, nhằm ngăn ngừa sự phổ biến rộng rãi và sở hữu loại vũ khí này, đồng thời khuyến khích nghiên cứu sử dụng kỹ thuật hạt nhân cho mục đích hòa bình. Việt Nam tham gia năm 1981.

• Năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân hay năng lượng nguyên tử là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, vẫn còn các phương pháp khác như tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ nhưng vì yêu cầu cao về mức độ an toàn nên phân hạch hạt nhân vẫn phổ biến hơn. Tất cả các lò phản ứng với nhiều kích thước và mục đích sử dụng khác nhau đều dùng nước được nung nóng để tạo ra hơi nước và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy. Năm 2007, 14% lượng điện trên thế giới được sản xuất từ năng lượng hạt nhân. Có hơn 150 tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân và một vài tên lửa đồng vị phóng xạ đã được sản xuất.

• Lò phản ứng hạt nhân:

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị để khởi động, thực hiện và kiểm soát phản ứng hạt nhân. Trong thực tế có hai loại chính.

• Lò phản ứng hạt nhân phát sinh năng lượng nhiệt là loại lò duy trì và kiểm soát phản ứng dây chuyền hạt nhân xảy ra một cách ổn định bên trong khối nhiên liệu hạt nhân nhằm thu được nhiệt lượng. Đây là loại phổ biến nhất, đến mức "lò phản ứng hạt nhân" thường được hiểu là loại này.
• Lò phản ứng hạt nhân dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc chế tạo đồng vị. Các cơ sở chế tạo đồng vị phóng xạ thực hiện phản ứng hạt nhân trong loại lò này rồi tách chiết ra những đồng vị phóng xạ rồi cung cấp cho các nhu cầu về nghiên cứu khoa học, đo lường, y tế,...

Nhờ vào khả năng hấp thụ neutron tốt nên Bo được ứng dụng vào điều khiển và vận hành lò phản ứng hạt nhân để đưa lò về trạng thái cân bằng. 

1 kilogram đồng vị urani-235 (U-235) chuyển đổi qua quá trình phản ứng hạt nhân giải phóng ra xấp xỉ 3 triệu lần lượng năng lượng mà 1 kilogram than đá được đốt cháy một cách thông thường.

Nhiên liệu hạt nhân là các đồng vị có khả năng thực hiện phản ứng hạt nhân sinh nhiệt. Trong ứng dụng thực tế hiện nay chỉ có urani 235, urani 233 và plutoni 239 là đồng vị có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân kiểm soát được để tạo phản ứng dây chuyền. Phản ứng tổng hợp hidro→heli tuy sinh nhiệt cao, nhưng chưa kiểm soát được.

Lò phản ứng hạt nhân phát nhiệt thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhà máy phát điện, và một số tàu ngầm, tàu sân bay, tàu phá băng,... Điều này thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để sinh hơi nước làm quay tuốc bin hơi nước.

• Nhà máy điện hạt nhân:

Nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nguyên tử là một hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sản sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng, sau đó năng lượng nhiệt này được các chất tải nhiệt trong lò (nước, nước nặng, khí, kim loại lỏng...) truyền tới thiết bị sinh điện năng như tuabin để sản xuất điện năng.

Năng lượng nhiệt được sinh ra ở vùng hoạt của lò phản ứng (nơi xảy ra quá trình phân hạch Urani-235). Nhiệt được cung cấp cho chất tản nhiệt (chất mang nhiệt). Tiếp đến chất tản nhiệt (khi đó đã mang nhiệt lượng) sẽ đi tới bộ phận trao đổi nhiệt (trong lò hơi). Ở đây sẽ xảy ra quá trình trao đổi nhiệt, nước ở lò hơi được đun nóng và sôi, hơi nước được tạo thành trong quá trình sôi sẽ được dẫn tới Tuabin, hơi nước làm cho Tuabin quay, dẫn đến Rotor quay và sinh ra dòng điện.

Hơi nước sau khi đi qua Tuabin sẽ tiếp tục đi vào bộ phận ngưng tụ, tại đây hơi nước được làm mát, và bị ngưng tụ tạo thành nước. Nước ngưng tụ được máy bơm bơm ngược lại lò hơi, và tiếp tục một chu kỳ mới.

Bộ phận bù áp suất là một bộ phận rất quan trọng và rất phức tạp, có nhiệm vụ đảm bảo áp suất ổn định cho lò phản ứng. Khi sự chênh lệch nhiệt độ của chất tản nhiệt sẽ dẫn đến sự thay đổi áp suất của lò phản ứng. Và bộ phận này phải có nhiệm vụ thay đổi một cách nhịp nhàng và nhanh chóng. 

Để kiểm soát quá trình phân hạch, các thanh điều khiển giúp hấp thụ bớt nơron ( thường được làm từ Bo) được đưa vào lò phản ứng để đảm bảo quá trình phân hạch diễn ra trong tầm kiểm soát. Ngoài ra các thanh điều khiển còn được thiết kế để tự động rơi xuống lò phản ứng để hấp thụ tất cả nơron tự do trong trường hợp khẩn cấp ( động đất, cháy nổ,...).

Nhà máy điện hạt nhân được xây dựng tại 31 quốc gia trên toàn thế giới. Trên thế giới hiện đang có 388 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động với tổng công suất là 333 GW, Công ty TVEL của Nga cung cấp nhiên liệu cho 73 lò phản ứng trên tổng số 388 lò phản ứng (17 % thị trường thế giới).

Với mục đích hòa bình là sản xuất năng lượng điện phục vụ cuộc sống, thì năng lượng điện hạt nhân đóng góp một phần không nhỏ trong ngành năng lượng.