Năng lượng hạt nhân là gì?

Năng lượng hạt nhân là năng lượng trong hạt nhân (lõi) nguyên tử. Nguyên tử là các hạt rất nhỏ tham gia cấu thành nên những trạng thái vật chất khác nhau (chất khí, chất lỏng, chất rắn). Mỗi nguyên tử có hạt nhân (lõi) chứa proton và neutron, được bao quanh bởi các electron. Proton mang điện tích dương; neutron không mang điện tích; electron mang điện tích âm.

Electron liên kết với hạt nhân bởi tương tác điện từ. Trong các liên kết giữ hạt nhân với nhau có nguồn năng lượng khổng lồ. Khi các liên kết này bị phá vỡ, năng lượng hạt nhân có thể được giải phóng và năng lượng này được sử dụng để sản xuất điện.

Năng lượng hạt nhân được tạo ra như thế nào?

Hiện nay, có hai cách để tạo ra năng lượng hạt nhân là dùng phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp. Phản ứng phân hạch được kiểm soát dễ dàng hơn so với phản ứng tổng hợp. Đó là lý do các nhà máy điện hạt nhân đều sử dụng phản ứng phân hạch để sản xuất điện.

● Phản ứng phân hạch

Phân hạch hạt nhân là quá trình tách các nguyên tử của một nguyên tố dễ bay hơi, thường là uranium. Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để tạo ra năng lượng trong các nhà máy điện hạt nhân. Trong quá trình phân hạch hạt nhân, khi một nguyên tử tách ra, neutron được giải phóng, sản sinh năng lượng. Các neutron này tiếp tục va chạm các nguyên tử khác và phản ứng dây chuyền lặp đi, lặp lại.

Sự phân tách nguyên tử này tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ, được kiểm soát trong các lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân để tạo ra lượng nhiệt mong muốn. Năng lượng nhiệt được sử dụng để làm nóng nước và tạo ra hơi nước. Sau đó, hơi nước tác dụng lực lên turbine để phát điện. Hệ thống này đôi khi được gọi là lò phản ứng nước sôi.

Khi uranium đã phân tách, trải qua quá trình phân hạch, nó trở thành nhiên liệu đã qua sử dụng. Phản ứng phân hạch hạt nhân không thải carbon, nhưng nó tạo ra chất thải hạt nhân. Chất thải hạt nhân luôn phải được xử lý, kiểm soát chặt chẽ để phòng ngừa mức độ bức xạ có hại nguy hiểm.

● Phản ứng tổng hợp

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là một phương pháp khác sản xuất năng lượng hạt nhân. Trong đó, thông qua áp suất cực mạnh, các nguyên tử được hợp nhất với nhau để tạo thành một nguyên tử lớn hơn. Khi hai hạt nhân hợp nhất, một nguyên tố mới được hình thành và một lượng lớn năng lượng được giải phóng. Phản ứng tổng hợp hạt nhân để sản xuất nhiệt và điện là vấn đề lớn đang nghiên cứu, thực nghiệm.

Tính đến năm 2023, đã có những bước đột phá lớn trong phát triển công nghệ tổng hợp hạt nhân. Phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể chứng tỏ là nguồn năng lượng đáng kinh ngạc vì nó có thể sử dụng các nguyên tố dồi dào hơn như hydro và không sử dụng các nguyên tố phóng xạ như uranium được làm giàu (hoặc tạo ra chất thải phóng xạ).

Tuy nhiên, đây có phải là công nghệ khả thi về mặt thương mại hay không vẫn chưa rõ ràng vì quá trình phản ứng tổng hợp hạt nhân cũng tạo ra một phản ứng dây chuyền khó kiểm soát.

Nhiên liệu hạt nhân

Uranium là nhiên liệu được các nhà máy điện hạt nhân sử dụng rộng rãi nhất cho phản ứng phân hạch hạt nhân. Các nhà máy điện hạt nhân sử dụng một loại uranium nhất định, gọi là U-235, vì các nguyên tử của nó dễ dàng bị tách ra. Sau khi uranium được khai thác, U-235 phải được chiết xuất và xử lý trước khi sử dụng làm nhiên liệu.

Uranium được coi là nguồn năng lượng không thể tái tạo, mặc dù nó là kim loại phổ biến được tìm thấy trong đá trên toàn thế giới. Mặc dù uranium phổ biến hơn bạc khoảng 100 lần nhưng U-235 lại tương đối hiếm.

Lịch sử điện hạt nhân

Phản ứng phân hạch hạt nhân lần đầu tiên được nhà vật lý người Ý Enrico Fermi (1901 - 1954) thử nghiệm vào giữa những năm 1930. Nhưng ý tưởng sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện đến năm 1951 mới được thực hiện, một lò phản ứng gần Arco, Idaho (Hoa Kỳ), là nơi đầu tiên trên thế giới sản xuất điện. Những năm sau đó, một số quốc gia bắt đầu sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện. Kể từ đó, điện hạt nhân ngày càng phổ biến trong nguồn điện ở nhiều quốc gia.

Năng lượng hạt nhân có công dụng lớn để sản xuất điện. Thật không may, lượng năng lượng khổng lồ trong các phản ứng hạt nhân này lại được sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân. Loại vũ khí này đã dẫn đến nhiều cái chết khi sử dụng chúng vào cuối thế chiến thứ hai và những áp lực chính trị trong thời kỳ chiến tranh lạnh.

Vì mối liên hệ tiêu cực này nên đã có các thành kiến về năng lượng hạt nhân và tính phóng xạ, như thảm họa ở Fukushima và Chernobyl. Tuy nhiên, các lò phản ứng tiên tiến ngày nay được cải tiến an toàn hơn nhiều, đồng thời các cơ quan quản lý ở các nước vẫn duy trì các quy định nghiêm ngặt về an toàn. Điện hạt nhân là nguồn năng lượng sạch, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giảm bớt áp lực cho các nhà máy điện dùng nhiên liệu hóa thạch, hạn chế lượng khí thải carbon, khí nhà kính nhằm giảm thiểu biến đổi khí hậu.