Chương 2: NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ
Vật chất tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như thể rắn, thể lỏng hay thể khí
và gồm rất nhiều thành phần. Thành phần nhỏ bé nhất của một chất là phân
t
ử. Phân tử là một dạng liên kết hoá học của nguyên tử.
2.1 Vật chất là gì?
Vật chất tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như thể rắn, thể lỏng hay thể khí
và gồm rất nhiều thành phần. Thành phần nhỏ bé nhất của một chất là phân
t
ử. Phân tử là một dạng liên kết hoá học của nguyên tử.
Chẳng hạn, phân tử của nước H2O là hợp chất hoá học giữa 2 nguyên tử
hydro và 1 nguyên tử oxy, phân tử Cacbonic CO2 là hợp chất hoá học giữa 1
nguyên tử cacbon và 2 nguyên tử oxy.
Vậy thì nguyên tử có cấu tạo như thế nào?
Nguyên t
ử gồm hạt nhân nguyên tử và các điện tử (electron) quay xung
quanh nó. Bởi vì hạt nhân nguyên tử rất nhỏ và các điện tử quanh xung
quanh nó ở vị trí khá xa nên có thể nói rằng nguyên tử có cấu tạo chỉ toàn là
kho
ảng trống.
Vậy thì hạt nhân nguyên tử có cấu tạo ra sao? Thực nghiệm chứng minh
rằng hạt nhân tạo nên bởi dày đặc các hạt proton và nơtron. Proton và nơtron
như 2 anh em sinh đôi, trọng lượng giống nhau nhưng chỉ khác ở chỗ proton
là hạt tích điện dương còn nơtron là hạt không tích điện, chúng có tên gọi
chung là nucleon.
Như vậy, về cơ bản vật chất được cấu thành từ proton, nơtron và electron và
với các cách kết hợp rất đa dạng.
2.2 Nguyên tử, hạt nhân, điện tử là gì?
Hi
ện nay trên Trái đất tồn tại nhiều loại nguyên tố trong tự nhiên. Nguyên
t

Năng lượng sinh ra khi đốt dầu, than, khí và năng lượng sinh ra khi chất nổ
phát nổ còn gọi là năng lượng sinh ra bởi phản ứng hoá học, là năng lượng
sinh ra bởi sự chuyển động của các điện tử quay xung quanh hạt nhân.
Năng lượng nguy
ên tử là năng lượng sinh ra khi có sự phân hạch hạt nhân
hoặc tổng hợp hạt nhân.
Năng lượng của 1g Uranium phân hạch tương đương với năng lượng thu
được khi đốt 20.000 lít dầu.
2.4 Năng lượng nguyên tử sinh ra như thế nào?
Trong hạt nhân nguyên tử, các nucleon (không phân biệt proton hay
nơtron), khi ở khoảng cách rất bé, sẽ hút nhau rất mạnh. Nhờ năng lượng
liên kết này mà proton và nơtron kết hợp với nhau ổn định trong hạt nhân.
Hạt nhân nguyên tử nặng như Uranium 235 (năng lượng liên kết lớn) sẽ
phân hạch khi hấp thụ nơtron và trở thành 2~3 hạt nhân nhẹ hơn với năng
lượng li
ên kết tương đối nhỏ.
Hạt nhân nguyên tử nhẹ như Hydro sau khi tổng hợp sẽ trở thành hạt nhân
nguyên tử Heli rất ổn định. Năng lượng liên kết của hạt nhân nguyên tử Heli
cũng tương đối nhỏ.
Như vậy, khi hạt nhân nguy
ên tử phân hạch hoặc tổng hợp, một phần năng
lượng li
ên kết của hạt nhân nguyên tử sẽ được giải phóng và sinh ra năng
lượng nguy
ên tử cực lớn.
2.5 Phản ứng phân hạch hạt nhân là gì?
Uranium trong thiên nhiên cấu tạo bởi 99.3% U-238 và 0.7% U-235.
Có m
ột quy luật đối với những nguyên tử phân hạch thông thường: những
nguyên tử mà số khối là số lẻ sẽ có sự phân hạch tương đối dễ. Như với

Nếu kết hợp 2 nguyên tử đơteron thì sẽ hình thành một hạt nhân gồm 2
proton và 2 nơtron. Đây là hạt nhân nguy
ên tử Heli. Khi tạo ra Heli bằng
cách kết hợp 2 Hydro như vậy sẽ giải phóng ra năng lượng cực lớn. Hiện
tượng này được gọi l
à sự tổng hợp hạt nhân (Nuclear Fusion).
Hạt nhân của nguyên tử Heli có cấu tạo rất ổn định và năng lượng liên kết
nhỏ nên năng lượng liên kết dư sẽ được giải phóng. Như chúng ta đều biết,
trung tâm của mặt trời là nhà máy của các phản ứng nhiệt hạch. Mặt trời
nguyên thuỷ là một khối hydro cực lớn. Khi co lại thì nhiệt độ và áp lực của
tâm cao dần lên và khi đạt đến giá trị đủ lớn thì hydro kết hợp và tạo ra Heli.
Mặt trời toả sáng là do năng lượng được giải phóng.
Để thực hiện được phản ứng tổng hợp hạt nhân trên Trái đất, nhiệt độ cần
thiết là khoảng 100 triệu độ. Tất nhiên trong trạng thái như vậy thì hạt nhân
nguyên tử và các điện tử (electron) trở nên hỗn loạn. Vật chất với trạng thái
như vậy được gọi là plasma. Plasma mang điện tích n
ên có thể nhốt trong
chân không bằng điện từ trường mạnh. Điện từ trường có thể tạo ra bằng kỹ
thuật siêu dẫn (superconductivity).
Để phát triển quá tr
ình tổng hợp hạt nhân (tạo ra phản ứng nhiệt hạch) cần
tiền đầu tư rất lớn. Một số phương pháp có khả năng duy trì được sự tổng
hợp hạt nhân trên Trái đất hiện đang trong quá trình nghiên cứu, cụ thể là
đang có kế hoạch kiểm chứng một phương thức Tokamak thông qua sự hợp
tác của các nhà khoa học quốc tế. Dưới sự hỗ trợ của IAEA (Cơ quan Năng
lượng nguy
ên tử quốc tế), kế hoạch lò thử nghiệm phản ứng tổng hợp hạt
nhân quốc tế (ITER-International Thermonuclear Experimental Reactor)
đang được triển khai với sự hợp tác của các nước Mỹ, Nhật Bản, Nga và các
nước Châu Âu.

M
ỹ 8%
Namibia 7%
Brazil 6%
Nga 4%
2.10 Plutonium là gì?
Plutonium (Pu) là nguyên tố phóng xạ nhân tạo không tồn tại trong thiên
nhiên. U -238 h
ấp thụ nơtron và trở thành U -239, hạt nhân mới này giải
phóng tia bêta và trở thành hạt nhân Np -239 rồi lại phát ra tia bêta một lần
nữa để trở thành Pu -239. Pu-239 có khả năng phân hạch nên có thể sử dụng
làm nhiên liệu cho lò phản ứng.
Plutonium là chất phóng xạ phát ra tia alpha. Vì sức xuyên thấu của tia alpha
yếu nên có thể chặn được thậm chí chỉ bằng một tờ giấy. Vì thế, việc che
chắn tia alpha khá đơn giản. Ảnh hưởng của Plutonium đáng ngại nhất là khi
vào bên trong cơ thể. Nhiễm xạ tia alpha có thể gây ung thư ở phổi, xương,
gan.
Do v
ậy khi sử dụng Plutonium, điều cơ bản là phải đóng kín nguồn Pu
không để hấp thụ vào trong cơ thể. Khi l
àm việc với Pu, người ta sử dụng
các thao tác từ xa, thao tác trong các hộp găng tay (glove box) kín, không
tiếp xúc trực tiếp với chúng.
Pu-239 là nguyên liệu làm bom nguyên tử nên cần phải quản lý hết sức chặt
chẽ.