Phản ứng phân hạch và nhiệt hạch hạt nhân được xem là hai phát minh có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn lao nhất trong lịch sử phát triển khoa học và công nghệ hạt nhân nhân loại, thế kỷ 20.

Đáp ứng mối quan tâm của độc giả đang theo dõi các sự cố xảy ra với nhà máy điện hạt nhân Fukushima ở Nhật bản, chúng tôi sẽ lần lượt giới thiệu tóm tắt nội dung của các phản ứng nói trên và một số vấn đề liên quan khác. Phản ứng phân hạch hạt nhân là một quá trình, trong đó một hạt nhân của nguyên tố nặng (như U, Th hay Pu…) phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn (gọi là mãnh vỡ), đồng thời phát ra 2-3 hạt neutron (n). Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động, chẳng hạn, bởi một hạt neutron tự do. Các mãnh vỡ là các hạt nhân phóng xạ. phát ra các bức xạ như tia gamma γ, hạt beta β, hạt alpha α... Chính những neutron mới sinh lại tiếp tục gây ra sự phân chia mới ở những hạt nhân lân cận trong khối nhiên liệu. Do mỗi lần phân chia có khoảng 2-3 hạt neutron phát ra, nên số hạt nhân phân chia mỗi lúc một tăng lên. Quá trình phân hạch được duy trì và tăng lên nói trên có tên gọi là phản ứng dây chuyền. Hình vẽ 1 mô tả một phản ứng phân hạch cụ thể xảy ra trong thanh nhiên liệu của lò phản ứng: hạt n (có thể tự phát bay ra từ một hạt nhân U nào đó) hấp thụ bởi hạt nhân U235 và tạo thành hạt nhân hợp phần U236. Hạt nhân mới này không bền và tự phát phân chia thành hai mảnh – hai hạt nhân mới Kr92 và Ba141 và các hạt neutron. Phản ứng phân hạch là một phản ứng có lợi về mặt năng lượng, tức hầu như không tốn năng lượng cung cấp cho “viên đạn” neutron đầu tiên, nhưng phát ra nhiều năng lượng, đó là động năng của các mảnh vỡ và các hạt neutron mới sinh ra, tiếp theo là năng lượng của các bức xạ alpha, beta, gamma… Trong lò phản ứng, động năng nói trên sẽ biến thành nhiệt lượng nung nóng khối nhiên liệu. Chính nhiệt lượng này làm cho dòng nước làm mát lò nóng lên và tạo hơi nước để quay tuốc bin máy phát điện. Phân hạch, rõ ràng là một phản ứng có “lãi” lớn về mặt năng lượng. Quả vậy, nhiệt lượng phát ra khi phân hạch 1 gam nhiên liệu uranium bằng nhiệt lượng do đốt cháy 10 - 100 tấn nhiên liệu than đá! Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiệt lượng phát ra trong hai giai đoạn: a/ Trong quá trình phân hạch hạt nhân, khi lò chạy, nhiệt phát ra trong thanh nhiên liệu, chủ yếu, dưới dạng động năng của các mãnh phân chia và của cả hạt neutron, làm cho thanh nhiên liệu nóng lên. Chính dòng nước luân chuyển qua lò phản ứng có hai chức năng, vừa làm mát lò để bảo vệ lò an toàn và vừa chuyển nhiệt ra ngoài để vận hành tuôc bin phát điện. b/ Khi lò dừng, các hạt nhân - mảnh vỡ vẫn tiếp tục phân rã phóng xạ, phát ra các bức xạ alpha, beta và nhất là gamma làm nóng thanh nhiên liệu, dù đã ngừng phản ứng phân hạch. Chính vì lý do này, trong nhà máy điện hạt nhân Fukushima hiện nay, khi các hệ làm mát bị tê liệt, các thanh nhiên liệu nằm trong lò phản ứng (đã tự động ngưng hoạt động khi xảy ra động đất) và cả các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng đang cất giữ trong các kho chứa vẫn không ngừng nóng lên. Nếu không khắc phục được sự cố đó, các thanh nhiên liệu sẽ nóng lên đến một hai ngàn độ và có thể bị tan chảy. Rõ ràng, phản ứng phân hạch đã khởi nguồn sinh ra các hệ lụy gây hậu quả hạt nhân nghiêm trọng cho con người ở Three Mile Irland (Mỹ), Chernobyl (Ukraine) và giờ đây ở Phukushima (Nhật bản). Phản ứng phân hạch còn là “thủ phạm” làm phát nổ khối Uranium và Plutonium trong hai quả bom nguyên tử (còn gọi là bom A), hủy diệt các thành phố của đất nước Nhật Bản, Hiroshima và Nagasaki, năm 1945. Nhưng, mặt khác, cũng phản ứng phân hạch, với vai trò không thể thay thế được trong hơn 440 lò phản ứng ở 30 nước trên thế giới và đóng góp trên 17% tổng điện năng toàn cầu, đang có cống hiến lớn lao cho hạnh phúc và phồn vinh của loài người. Vì vậy, nhà bác học thiên tài Albert Einstein rất đúng, khi nói: Năng lượng nguyên tử là món quà lớn nhất mà giới vật lý tặng nhân loại trong thế kỷ hai mươi. Lợi và hại. Phản ứng phân hạch, hay năng lượng hạt nhân nguyên tử nói chung, quả là có cả hai mặt - lợi và hại. Trách nhiệm con người là phải hạn chế mặt tác hại và mở rộng mặt ích lợi của nó. (Xem kỳ sau: Phản ứng nhiệt hạch - Con ngựa bất kham) Trần Thanh Minh