Hóa học - Năng lượng hạt nhân

Giới thiệu

Phản ứng hạt nhân giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ (được gọi là năng lượng hạt nhân), được sử dụng để sản xuất điện trong nhà máy điện hạt nhân.

Năng lượng hạt nhân thường được tạo ra bởi nuclear fission, nuclear fusion, và nuclear decay.
Năm 1938, các nhà hóa học người Đức Otto Hahn, Fritz Strassmann và nhà vật lý người Áo Lise Meitner đã tiến hành các thí nghiệm trong đó các sản phẩm của uranium bị bắn phá bởi neutron. Kết quả của thí nghiệm này, neutron tương đối nhỏ đã tách hạt nhân của các nguyên tử uranium khổng lồ thành hai mảnh gần bằng nhau và giải phóng năng lượng khổng lồ.
Các thí nghiệm hạt nhân của Otto Hahn và các đồng nghiệp của ông là phổ biến như sự phân hạch hạt nhân.

Quá trình phân hạch hạt nhân tạo ra neutron tự do và photon gamma, đồng thời giải phóng một lượng năng lượng rất lớn.
Sự phân hạch hạt nhân là một phản ứng tỏa nhiệt, có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng dưới dạng bức xạ điện từ cũng như động năng.
Đôi khi, sự phân hạch hạt nhân có thể xảy ra tự nhiên (tức là không có sự bắn phá của nơtron) như một kiểu phân rã phóng xạ.

Sau đây là các dạng phân hạch hạt nhân chính:
- Chain Reaction and
- Fission Reaction

Hãy thảo luận ngắn gọn về chúng -

Khi một phản ứng hạt nhân gây ra một hoặc nhiều phản ứng hạt nhân tiếp theo, nó được gọi là phản ứng dây chuyền.
Phản ứng dây chuyền như vậy làm tăng khả năng xảy ra một chuỗi phản ứng hạt nhân tự lan truyền.
Các phản ứng dây chuyền hạt nhân giải phóng năng lượng cho mỗi phản ứng nhiều hơn hàng triệu lần so với bất kỳ phản ứng hóa học nào khác; do đó, nó còn được gọi là phản ứng dây chuyền bùng nổ hoặc không kiểm soát.
Khi một nguyên tử nặng trải qua quá trình phân hạch hạt nhân, nó thường vỡ thành hai hoặc nhiều mảnh phân hạch. Trong quá trình này, một số neutron, tia gamma và neutrino tự do được phát ra, và cuối cùng một lượng lớn năng lượng được giải phóng.
Sau đây là hai ví dụ về phản ứng dây chuyền -
- ²³⁵ U + → neutron Mảnh phân hạch + 2,4 neutron + 192,9 MeV
- ²³⁵ Pu + → neutron Mảnh phân hạch + 2,9 neutron + 198,9 MeV
Trong bom nguyên tử, công nghệ phản ứng dây chuyền được sử dụng, vì nó yêu cầu nguồn năng lượng nhất quán.

Phản ứng phân hạch trong đó neutron (được tạo ra bởi sự phân hạch của các nguyên tử nhiên liệu) được sử dụng để tạo ra nhiều sự phân hạch hơn nhằm giải phóng năng lượng bền vững, được gọi là phản ứng phân hạch.
Những phản ứng như vậy diễn ra chậm và có thể kiểm soát được; do đó, còn được gọi là phản ứng dây chuyền có kiểm soát.
Lò phản ứng hạt nhân sản xuất năng lượng (điện) là một ví dụ lý tưởng về phản ứng dây chuyền có kiểm soát.
Dựa trên các đặc tính và kiểu sử dụng, phản ứng dây chuyền phân hạch / có kiểm soát được phân loại là -
- Power reactors
- Research reactors
- Breeder reactors
Các lò phản ứng công suất này thường chuyển đổi động năng của các sản phẩm phân hạch thành nhiệt; hơn nữa, nhiệt được sử dụng để làm nóng chất lỏng hoạt động truyền động cơ nhiệt, cuối cùng tạo ra công suất cơ hoặc điện.

Sau đây là các thành phần thiết yếu của lò phản ứng hạt nhân:
- Nuclear fuels- Chẳng hạn như Uranium ( ²³³ U, ²³⁵ U), thorium (Th ²³² ), plutonium (Pu ²³⁹ ).
- Moderators- Dùng để điều khiển các nơtron phát ra. Ví dụ: nước nặng, berili, than chì, v.v.
- Coolant- Nó được sử dụng để làm mát lò phản ứng. Ví dụ: nước, hơi nước, helium, CO ₂ , không khí, kim loại nóng chảy, v.v.
- Control rods- Nó được sử dụng để chạy và dừng phản ứng phân hạch. Ví dụ: thanh cadmium hoặc boron được sử dụng cho mục đích như vậy.

Quá trình hai hạt nhân nhẹ hợp nhất để tạo thành một hạt nhân nặng được gọi là phản ứng tổng hợp hạt nhân; trong quá trình này, một lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng được gọi là năng lượng hạt nhân.
Ví dụ tốt nhất về phản ứng tổng hợp hạt nhân là - bom khinh khí.
Bom khinh khí mạnh hơn bom nguyên tử khoảng 1.000 lần.