Phản ứng phân hạch là một trong hai cách khai thác năng lượng hạt nhân — và là cách duy nhất mà nhân loại đã làm chủ được ở quy mô công nghiệp. Từ nhà máy điện hạt nhân cung cấp 10% điện năng toàn cầu đến vũ khí hạt nhân thay đổi lịch sử thế kỷ XX, tất cả đều dựa trên một nguyên lý đơn giản: hạt nhân uranium nặng vỡ đôi và giải phóng năng lượng khổng lồ.
Điểm chính
- Phân hạch là hạt nhân nặng (U-235, Pu-239) hấp thụ neutron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình, tỏa ~200 MeV và 2–3 neutron mới.
- Phản ứng dây chuyền xảy ra khi k ≥ 1 và m ≥ mth; k < 1 tắt nhanh, k = 1 ổn định, k > 1 bùng nổ.
- Lò phản ứng hạt nhân duy trì k = 1 bằng thanh điều khiển Bo hoặc Cd hấp thụ neutron thừa.
- Năng lượng tỏa ra tính theo: Q = (m/0,235) × Nₐ × 200 MeV (cho U-235).
- Ứng dụng chính: nhà máy điện hạt nhân (k = 1) và bom nguyên tử (k > 1).
Định nghĩa và bản chất phản ứng phân hạch
Phản ứng phân hạch là phản ứng hạt nhân trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một neutron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình, đồng thời giải phóng năng lượng lớn và một số neutron mới.
Tại sao hạt nhân nặng lại phân hạch? Nhìn lại đồ thị năng lượng liên kết riêng ε theo A — hạt nhân rất nặng (A > 200, như U-235) có ε ≈ 7,6 MeV/nuclon, thấp hơn hạt nhân trung bình (A ~ 90–140, ε ≈ 8,4–8,8 MeV/nuclon). Khi U-235 vỡ thành hai mảnh trung bình, ε tăng lên → hệ bền hơn → năng lượng được giải phóng. Đây chính là bản chất nhiệt động của phân hạch — hệ tiến về trạng thái bền hơn.
Phương trình phản ứng phân hạch U-235
Phân hạch của U-235 xảy ra theo nhiều cách khác nhau — một số phương trình điển hình:
¹₀n + ²³⁵₉₂U → ²³⁶₉₂U* → ⁹⁵₃₉Y + ¹³⁸₅₃I + 3¹₀n
¹₀n + ²³⁵₉₂U → ²³⁶₉₂U* → ⁹⁵₄₂Mo + ¹³⁹₅₇La + 2¹₀n + 7⁰₋₁e
Cơ chế 3 giai đoạn: U-235 hấp thụ neutron chậm → tạo hạt nhân trung gian U-236* không bền → U-236* vỡ thành hai mảnh trung bình + 2–3 neutron mới + tia gamma + ~200 MeV năng lượng (chủ yếu là động năng của hai mảnh vỡ).
Phân bố năng lượng 200 MeV: động năng hai mảnh vỡ ~168 MeV (~84%), động năng neutron ~5 MeV, tia gamma tức thời ~7 MeV, phân rã beta và gamma từ mảnh vỡ phóng xạ ~20 MeV.
Phản ứng dây chuyền và hệ số nhân neutron k
Mỗi phân hạch giải phóng trung bình 2,5–3 neutron mới. Các neutron này tiếp tục kích thích các hạt U-235 khác phân hạch — tạo thành phản ứng dây chuyền liên tiếp. Gọi k là hệ số nhân neutron — số neutron trung bình từ mỗi phân hạch tiếp tục gây phân hạch mới:
| Hệ số k | Trạng thái | Kết quả | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| k < 1 | Dưới hạn (subcritical) | Phản ứng tắt dần | — |
| k = 1 | Tới hạn (critical) | Phản ứng ổn định, năng lượng không đổi | Lò phản ứng hạt nhân |
| k > 1 | Vượt hạn (supercritical) | Số phân hạch tăng theo cấp số nhân kⁿ, bùng nổ | Bom nguyên tử |
Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra: k ≥ 1 và khối lượng chất phân hạch m ≥ mth (khối lượng tới hạn). Khối lượng tới hạn của U-235 tinh khiết khoảng 52 kg; của Pu-239 khoảng 10 kg — nhỏ hơn nhiều nên Pu-239 thường dùng trong vũ khí hạt nhân nhỏ gọn hơn.
Ứng dụng 1: Lò phản ứng hạt nhân và nhà máy điện
Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị tạo ra phản ứng dây chuyền tự duy trì và điều khiển được với k = 1. Các thành phần chính gồm: nhiên liệu (thanh nhiên liệu U-235 làm giàu hoặc Pu-239), chất làm chậm neutron (nước nặng D₂O, nước thường H₂O hoặc graphite), thanh điều khiển (Bo hoặc Cd — hấp thụ neutron thừa), lớp bảo vệ bức xạ và hệ thống làm mát (nước hoặc khí CO₂).
Nguyên lý phát điện: Nhiệt tỏa ra từ phân hạch nung nóng nước → tạo hơi nước áp suất cao → quay turbine → phát điện. Toàn bộ quá trình giống nhà máy nhiệt điện, chỉ khác nguồn nhiệt là lò hạt nhân thay vì đốt than hay khí.
Ưu điểm của điện hạt nhân: Năng lượng mật độ cực cao — 1 g U-235 tương đương 8,5 tấn than; không thải CO₂ trong quá trình vận hành; công suất ổn định không phụ thuộc thời tiết. Nhược điểm: chất thải phóng xạ cần lưu trữ hàng nghìn năm; nguy cơ tai nạn lò (Chernobyl 1986, Fukushima 2011); chi phí xây dựng và tháo dỡ cao.
Ứng dụng 2: Bom nguyên tử — cơ chế k > 1
Bom nguyên tử dựa trên phản ứng dây chuyền không kiểm soát với k > 1. Ý tưởng cơ bản: chia khối U-235 (hoặc Pu-239) thành nhiều mảnh dưới khối lượng tới hạn — khi cần kích nổ, nén nhanh các mảnh lại vượt mth → k tăng vọt trên 1 → số phân hạch tăng theo kⁿ → năng lượng phát ra trong micro-giây.
Quả bom "Little Boy" thả xuống Hiroshima ngày 6/8/1945 dùng U-235, giải phóng năng lượng tương đương ~15 000 tấn TNT từ chưa đầy 1 kg U-235 thực sự phân hạch. Đây là minh chứng cụ thể nhất về mật độ năng lượng khủng khiếp của phân hạch — và cũng là lý do cộng đồng quốc tế kiểm soát chặt việc làm giàu uranium.
Công thức tính toán năng lượng phân hạch — quy trình chuẩn
Số hạt nhân U-235 trong khối lượng m (kg): N = (m/0,235) × Nₐ
Năng lượng tổng tỏa ra (mỗi phân hạch 200 MeV): Q = N × 200 MeV = (m/0,235) × Nₐ × 200 × 1,6×10⁻¹³ J
Nếu hiệu suất nhà máy là H và thời gian hoạt động là t: Công suất có ích P = H × Q / t
Năng lượng dây chuyền sau n thế hệ từ N₀ phân hạch ban đầu: Tổng số phân hạch = N₀ × (1 + k + k² + … + kⁿ⁻¹) = N₀ × (kⁿ − 1)/(k − 1)
Hệ thống bài tập có lời giải chi tiết
Bài 1 (Tính năng lượng 1 g U-235): Mỗi phân hạch U-235 tỏa 200 MeV. Tính năng lượng tỏa ra khi 1 g U-235 phân hạch hoàn toàn. Cho Nₐ = 6,02×10²³.
Giải: N = (0,001/0,235) × 6,02×10²³ = 2,56×10²¹ hạt. Q = 2,56×10²¹ × 200 × 1,6×10⁻¹³ = 8,2×10¹⁰ J. Tương đương đốt cháy ~8,5 tấn than.
Bài 2 (Nhà máy điện hạt nhân): Nhà máy điện hạt nhân công suất 5000 kW, hiệu suất H = 17%, mỗi phân hạch U-235 tỏa 200 MeV. Tính khối lượng U-235 tiêu thụ trong 24 giờ.
Giải: Công suất toàn phần: P₀ = P/H = 5000/0,17 ≈ 29 412 kW. Năng lượng trong 24 h: Q = P₀ × t = 29 412×10³ × 86 400 ≈ 2,54×10¹² J. Số phân hạch: N = Q/(200 × 1,6×10⁻¹³) = 7,94×10²². Khối lượng: m = N × 0,235/Nₐ = 7,94×10²² × 0,235/(6,02×10²³) ≈ 0,031 kg ≈ 31 g.
Bài 3 (Phản ứng dây chuyền): Phân hạch U-235 theo phương trình ¹₀n + ²³⁵₉₂U → ⁹⁵₃₉Y + ¹³⁸₅₃I + 3¹₀n, năng lượng mỗi phân hạch 175,85 MeV. Ban đầu kích thích 10¹⁰ phân hạch, k = 2. Tính tổng năng lượng sau 5 thế hệ dây chuyền.
Giải: Tổng số phân hạch = 10¹⁰ × (1 + 2 + 4 + 8 + 16) = 10¹⁰ × 31 = 3,1×10¹¹. Q = 3,1×10¹¹ × 175,85 ≈ 5,45×10¹³ MeV.
Bài 4 (Tính năng lượng từ Δm): Cho ¹₀n + ²³⁵₉₂U → ⁹⁵₄₂Mo + ¹³⁹₅₇La + 2¹₀n. Biết mU = 234,99 u, mMo = 94,88 u, mLa = 138,87 u, mn = 1,0087 u. Tính năng lượng tỏa ra mỗi phân hạch.
Giải: m_trước = 1,0087 + 234,99 = 235,9987 u. m_sau = 94,88 + 138,87 + 2×1,0087 = 235,7674 u. Δm = 235,9987 − 235,7674 = 0,2313 u. Q = 0,2313 × 931,5 ≈ 215,4 MeV.
Bài 5 (Tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu so với than): Nhà máy điện hạt nhân 1400 MW, hiệu suất 36%, mỗi phân hạch U-235 tỏa 200 MeV. Tính khối lượng U-235 tiêu thụ trong 1 năm (365 ngày).
Giải: Công suất toàn phần: P₀ = 1400/0,36 ≈ 3888,9 MW. Q_1năm = 3888,9×10⁶ × 365×86 400 ≈ 1,227×10¹⁷ J. N = Q/(200×1,6×10⁻¹³) ≈ 3,83×10²⁷. m = N × 0,235/Nₐ = 3,83×10²⁷ × 0,235/(6,02×10²³) ≈ 1497 kg ≈ 1,5 tấn. Trong khi đó nhà máy nhiệt điện than cùng công suất tiêu thụ ~4 triệu tấn than/năm.
Bài 6 (Lò phản ứng Đà Lạt): Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt công suất 500 kW, mỗi phân hạch tỏa 175 MeV. Tính khối lượng U-235 tiêu thụ trong 72 giờ.
Giải: Q = 500×10³ × 72×3600 = 1,296×10¹¹ J. N = Q/(175×1,6×10⁻¹³) = 4,629×10²¹. m = 4,629×10²¹ × 0,235/(6,02×10²³) ≈ 1,806×10⁻³ kg ≈ 1,8 g.
Phân tích dạng Đúng/Sai theo cấu trúc đề 2025–2026
a) "Phản ứng phân hạch xảy ra khi hạt nhân nặng hấp thụ neutron nhanh." → SAI. Phân hạch của U-235 xảy ra khi hấp thụ neutron chậm (neutron nhiệt). Neutron nhanh thường bị U-238 hấp thụ mà không gây phân hạch — đây là lý do cần chất làm chậm trong lò phản ứng.
b) "Trong phản ứng phân hạch, năng lượng tỏa ra chủ yếu dưới dạng động năng của hai mảnh vỡ." → ĐÚNG. ~84% năng lượng 200 MeV là động năng của hai hạt nhân con. Phần còn lại là động năng neutron, tia gamma và năng lượng từ phân rã phóng xạ tiếp theo.
c) "Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra chỉ cần k = 1." → SAI. Cần hai điều kiện đồng thời: k ≥ 1 VÀ m ≥ mth. Có k = 1 nhưng khối lượng quá nhỏ (dưới mth) thì quá nhiều neutron thoát ra ngoài, phản ứng cũng không duy trì được.
d) "Trong lò phản ứng hạt nhân, thanh điều khiển Bo/Cd được dùng để làm chậm neutron." → SAI. Thanh Bo/Cd dùng để hấp thụ neutron (điều chỉnh k về 1), không phải làm chậm. Chức năng làm chậm neutron là của chất làm chậm (nước nặng, graphite).
e) "U-235 và U-238 đều phân hạch khi hấp thụ neutron chậm." → SAI. Chỉ U-235 phân hạch với neutron chậm. U-238 hấp thụ neutron nhanh và chuyển thành Pu-239 (thông qua phân rã beta), không gây phân hạch tức thì.
f) "Năng lượng tỏa ra khi 1 kg U-235 phân hạch hoàn toàn khoảng 8,2×10¹³ J." → ĐÚNG. N = (1/0,235) × 6,02×10²³ ≈ 2,56×10²⁴. Q = 2,56×10²⁴ × 200 × 1,6×10⁻¹³ = 8,19×10¹³ J ≈ 8,2×10¹³ J.
g) "Lò phản ứng hạt nhân hoạt động với k > 1 để tăng sản lượng điện." → SAI. Lò phản ứng duy trì k = 1 để phản ứng ổn định và năng lượng tỏa ra không đổi theo thời gian. k > 1 dẫn đến bùng nổ không kiểm soát — không thể dùng trong nhà máy điện.
h) "Phản ứng phân hạch là phản ứng tỏa năng lượng vì các mảnh vỡ có năng lượng liên kết riêng lớn hơn U-235." → ĐÚNG. Đây chính là bản chất nhiệt động: U-235 (ε ≈ 7,6 MeV/nuclon) → hai mảnh trung bình (ε ≈ 8,4–8,8 MeV/nuclon). Hệ tiến về trạng thái bền hơn, năng lượng được giải phóng.
Câu hỏi thường gặp về phản ứng phân hạch
Phản ứng phân hạch là gì?
Phân hạch là phản ứng trong đó hạt nhân nặng (U-235 hoặc Pu-239) hấp thụ neutron chậm rồi vỡ thành hai hạt nhân trung bình, đồng thời tỏa ~200 MeV năng lượng và giải phóng 2–3 neutron mới có thể kích thích phản ứng tiếp theo.
Điều kiện để phản ứng dây chuyền xảy ra là gì?
Cần đồng thời: hệ số nhân neutron k ≥ 1 và khối lượng chất phân hạch m ≥ mth (khối lượng tới hạn). Khi k < 1, phản ứng tắt dần. Khi k = 1, phản ứng ổn định (dùng trong lò). Khi k > 1, phản ứng bùng nổ (bom nguyên tử).
Lò phản ứng hạt nhân hoạt động theo nguyên lý nào?
Duy trì k = 1 bằng thanh điều khiển Bo hoặc Cd hấp thụ neutron thừa. Nhiệt tỏa ra nung nóng nước, tạo hơi quay turbine phát điện. Năng lượng tỏa ra ổn định theo thời gian. Nhiên liệu là U-235 hoặc Pu-239.
Tại sao cần neutron chậm để phân hạch U-235?
U-235 chỉ hấp thụ hiệu quả neutron chậm (neutron nhiệt, năng lượng ~0,025 eV). Neutron nhanh (năng lượng MeV) thường bị U-238 hấp thụ mà không gây phân hạch. Chất làm chậm trong lò (nước nặng, graphite) giảm tốc neutron từ MeV xuống eV.
Kết luận
Phản ứng phân hạch là thành tựu vĩ đại và phức tạp nhất mà khoa học hạt nhân mang lại cho nhân loại — vừa là nguồn điện sạch khổng lồ, vừa là vũ khí hủy diệt đáng sợ nhất. Nắm vững cơ chế U-235 + neutron chậm → 2 mảnh + 2–3n + 200 MeV, bảng phân tích hệ số k và công thức tính năng lượng Q = (m/0,235)×Nₐ×200 MeV sẽ giúp bạn tự tin giải mọi bài tập trong đề thi. Bài học này kết nối trực tiếp với năng lượng liên kết hạt nhân và tiếp tục với phản ứng nhiệt hạch. Tài liệu tham khảo tại VietJack và tailieuonthi.org.
