Phản ứng dây chuyền trong lò điện hạt nhân là chuỗi phân hạch tự duy trì: một neutron làm vỡ hạt nhân uranium-235, giải phóng năng lượng và trung bình khoảng 2,4 neutron mới, một số neutron đó lại làm vỡ hạt nhân khác. Lò được điều khiển sao cho hệ số nhân neutron k đứng đúng ở mức 1, tức mỗi lần phân hạch sinh ra đúng một lần phân hạch kế tiếp, nên công suất giữ đều. k lớn hơn 1 thì công suất tăng, nhỏ hơn 1 thì lò tắt dần.
Một lần phân hạch sinh ra những gì
Hạt nhân uranium-235 khi hấp thụ một neutron chậm sẽ trở nên rất kém bền và tách đôi thành hai hạt nhân nhỏ hơn, gọi là sản phẩm phân hạch. Mỗi lần như vậy giải phóng khoảng 200 MeV năng lượng, phần lớn dưới dạng động năng của hai mảnh vỡ, sau đó biến thành nhiệt khi chúng va vào các nguyên tử xung quanh. Cùng lúc, trung bình khoảng 2,4 neutron bay ra.
Con số 200 MeV nghe nhỏ, nhưng thử một phép tính. Một gam uranium-235 chứa khoảng 2,56 × 10²¹ hạt nhân. Nếu tất cả đều phân hạch:
2,56 × 10²¹ × 200 MeV ≈ 8,2 × 10¹⁰ jun ≈ 22.800 kWh nhiệt.
Nhà máy điện hạt nhân loại nước áp lực chuyển nhiệt thành điện với hiệu suất khoảng một phần ba, tức khoảng 7.600 kWh điện từ một gam. Một hộ gia đình dùng 200 kWh mỗi tháng thì số điện này đủ dùng hơn ba năm. Để có cùng lượng nhiệt từ than đá, cần đốt khoảng 3 tấn than đá.
Hệ số k: con số quyết định mọi thứ
Không phải neutron nào cũng gây phân hạch tiếp. Một số thoát ra khỏi lõi lò, một số bị vật liệu khác hấp thụ, một số bị uranium-238 bắt mà không gây phân hạch. Hệ số nhân k là tỉ số giữa số neutron ở "thế hệ" này và thế hệ trước.
| Giá trị k | Tên gọi | Chuyện gì xảy ra |
|---|---|---|
| k < 1 | Dưới tới hạn | Số neutron giảm dần, chuỗi tắt. Đây là trạng thái lò dừng. |
| k = 1 | Tới hạn | Số neutron giữ nguyên, công suất ổn định. Đây là trạng thái vận hành bình thường. |
| k > 1 | Trên tới hạn | Số neutron tăng dần. Lò dùng trạng thái này rất nhẹ và ngắn khi cần tăng công suất. |
Chú ý chữ "tới hạn" trong ngành hạt nhân không có nghĩa nguy hiểm. Một lò "đạt tới hạn" chỉ là lò đang chạy đều.
Chênh nhau 0,1% sau 1.000 thế hệ
Đây là cấp số nhân thuần tuý, nên chênh lệch nhỏ ở k cũng lớn dần. Bắt đầu với một lượng neutron chuẩn là 1:
| Sau số thế hệ | k = 0,999 | k = 1 | k = 1,001 |
|---|---|---|---|
| 100 | 0,90 | 1 | 1,11 |
| 1.000 | 0,37 | 1 | 2,72 |
| 5.000 | 0,007 | 1 | khoảng 148 |
Vậy câu hỏi then chốt là: một thế hệ neutron dài bao lâu? Nếu rất ngắn, 5.000 thế hệ trôi qua trong chớp mắt và không con người hay máy móc nào kịp phản ứng.
Neutron trễ: chi tiết nhỏ giúp lò điều khiển được
Phần lớn neutron bay ra ngay lúc phân hạch, gọi là neutron tức thời. Trong lò nước nhẹ, khoảng thời gian từ khi một neutron tức thời sinh ra tới khi nó gây phân hạch tiếp chỉ cỡ một phần mười nghìn giây. Nếu chỉ có loại này, 5.000 thế hệ chỉ mất khoảng nửa giây.
May mắn là tự nhiên có thêm một nhóm nhỏ: khoảng 0,65% số neutron từ phân hạch uranium-235 không bay ra ngay mà được phát ra muộn, sau khi một số sản phẩm phân hạch tự phân rã, trễ từ dưới một giây tới khoảng một phút. Tuy ít, nhóm neutron trễ này kéo dài thời gian trung bình của một thế hệ lên cỡ một phần mười giây, tức gấp khoảng nghìn lần.
Kết quả: nếu người vận hành chỉ cho k vượt 1 một chút, nhỏ hơn phần đóng góp của neutron trễ, thì công suất tăng chậm, theo nhịp hàng chục giây tới vài phút. Đủ thời gian để hệ thống điều khiển và con người theo dõi, chỉnh lại. Toàn bộ thiết kế an toàn của lò phản ứng dựa trên nguyên tắc không bao giờ để chuỗi phản ứng chỉ dựa vào neutron tức thời.
Những bộ phận giữ k ở mức 1
Lò phản ứng điện phổ biến nhất thế giới là lò nước áp lực (PWR). Các bộ phận chính tham gia "cân" hệ số k:
- Nhiên liệu: viên gốm uranium dioxide, uranium được làm giàu tới khoảng 3–5% uranium-235 (uranium tự nhiên chỉ có khoảng 0,7%). Mức này đủ để duy trì chuỗi trong lò nước nhẹ.
- Chất làm chậm: chính nước. Neutron sinh ra rất nhanh, phải va chạm với hạt nhân hydro trong nước nhiều lần để chậm lại, vì neutron chậm dễ gây phân hạch uranium-235 hơn nhiều.
- Thanh điều khiển: làm từ vật liệu hấp thụ neutron mạnh như hợp kim bạc–indi–cadmi hoặc boron carbide. Cắm sâu vào lõi thì k giảm, rút ra thì k tăng. Khi có sự cố, các thanh tự rơi vào lõi để dập chuỗi trong vài giây.
- Axit boric hoà trong nước: boron hấp thụ neutron, nồng độ được chỉnh dần trong chu kỳ nhiên liệu để bù cho nhiên liệu cháy dần.
- Phản hồi nhiệt độ âm: khi lõi nóng lên, nước giãn nở và kém đặc, làm chậm neutron kém đi, nên k tự giảm. Lò tự hãm khi nóng quá, không cần ai can thiệp.
Bài học từ Chernobyl 1986
Lò RBMK ở Chernobyl có đặc điểm ngược lại trong một số chế độ vận hành: khi nước hoá hơi nhiều hơn, k lại tăng. Kết hợp với thiết kế thanh điều khiển có khiếm khuyết và một cuộc thử nghiệm vi phạm quy trình, chuỗi phản ứng tăng vọt trong vài giây đêm 26/4/1986. Sau tai nạn, các lò RBMK còn lại được sửa đổi, và nguyên tắc phản hồi âm trở thành yêu cầu cốt lõi của thiết kế lò.
Lò phản ứng tự nhiên 2 tỉ năm trước
Chuyện thú vị nhất về phản ứng dây chuyền là con người không phải người đầu tiên tạo ra nó. Năm 1972, các nhà khoa học Pháp phân tích quặng uranium từ mỏ Oklo ở Gabon và thấy tỉ lệ uranium-235 thấp bất thường. Lời giải: khoảng 2 tỉ năm trước, ở đó đã có những "lò phản ứng tự nhiên".
Thời ấy uranium-235 chưa phân rã nhiều nên chiếm khoảng 3% uranium tự nhiên, gần bằng nhiên liệu lò ngày nay. Nước ngầm thấm vào vỉa quặng đóng vai chất làm chậm. Khi phản ứng làm nước nóng và bốc hơi, chất làm chậm mất đi, chuỗi tự tắt; nước nguội thấm trở lại, chuỗi lại chạy. Các nghiên cứu ước tính những lò này hoạt động ngắt quãng trong hàng trăm nghìn năm, với công suất trung bình rất nhỏ. Đây là một minh hoạ tuyệt đẹp cho phản hồi âm.
Góc nhìn hôm nay: các mốc và nơi tìm hiểu
- 1933: nhà vật lý Leó Szilárd nảy ra ý tưởng phản ứng dây chuyền neutron.
- Cuối 1938: Otto Hahn và Fritz Strassmann phát hiện uranium bị tách đôi; Lise Meitner và Otto Frisch giải thích đó là phân hạch.
- 1954: nhà máy Obninsk (Liên Xô) công suất khoảng 5 MW là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên hoà điện vào lưới.
- 1984: lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được khôi phục và mở rộng, công suất 500 kW, dùng cho nghiên cứu, đào tạo và sản xuất đồng vị phóng xạ cho y tế.
Lò Đà Lạt là lò nghiên cứu, không phát điện, nhưng hoạt động theo đúng nguyên lý giữ k bằng 1 đã kể trên. Người muốn tìm hiểu có thể đọc tài liệu phổ thông của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) về cách lò phản ứng hoạt động, hoặc các sách vật lý hạt nhân đại cương ở thư viện trường đại học.
Câu hỏi thường gặp
Phản ứng dây chuyền hạt nhân là gì?
Đó là chuỗi phân hạch tự duy trì, trong đó neutron sinh ra từ một lần phân hạch tiếp tục gây ra những lần phân hạch khác. Trong lò điện hạt nhân, chuỗi này được giữ ở mức ổn định để tạo nhiệt đều.
Hệ số nhân neutron k là gì?
k là tỉ số giữa số neutron ở thế hệ này và thế hệ trước. k bằng 1 thì công suất ổn định, lớn hơn 1 thì công suất tăng, nhỏ hơn 1 thì chuỗi tắt dần.
"Lò đạt tới hạn" có nghĩa là nguy hiểm không?
Không. "Tới hạn" trong ngành hạt nhân nghĩa là k bằng 1, tức lò đang chạy ổn định. Đây là trạng thái vận hành bình thường của mọi lò phản ứng.
Làm sao người ta dừng lò phản ứng hạt nhân?
Thanh điều khiển chứa chất hấp thụ neutron được đưa vào lõi lò, làm k giảm dưới 1 và chuỗi phản ứng tắt trong vài giây. Lò vẫn còn nhiệt dư từ sản phẩm phân hạch nên phải tiếp tục được làm mát.
Một gam uranium-235 cho bao nhiêu năng lượng?
Nếu phân hạch hoàn toàn, một gam uranium-235 giải phóng khoảng 8,2 × 10¹⁰ jun, tương đương khoảng 22.800 kWh nhiệt. Với hiệu suất nhà máy khoảng một phần ba, con số này thành khoảng 7.600 kWh điện.
