Phản ứng phân hạch của urani là một phản ứng vật lý, là quá trình chuyển đổi khối lượng bị mất trong phản ứng phân hạch hạt nhân thành năng lượng, tuân thủ chặt chẽ theo mô tả của phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein; Sự đốt cháy than là một phản ứng hóa học, là phản ứng oxy hóa mạnh trong đó chất này kết hợp với oxy ở nhiệt độ cao và phát ra ánh sáng và nhiệt.
Do đó, hai loại năng lượng này không phải là một và cũng không có cùng cấp độ.
Phương trình khối lượng-năng lượng là một trong những khám phá vĩ đại của Einstein. Biểu thức đơn giản của nó là: E=MC^2, trong đó E biểu diễn năng lượng tính bằng J (jun), M biểu diễn khối lượng tính bằng kg (kilôgam), và C biểu diễn tốc độ ánh sáng tính bằng m (mét), với giá trị là 300.000.000 m/s (giây).
Trong quá trình phân hạch hạt nhân của urani-235, khối lượng bị mất khoảng 0,09%, nghĩa là khoảng 0,9 mg khối lượng trong mỗi gam được chuyển hóa thành năng lượng. Năng lượng này là bao nhiêu? Tính theo phương trình khối lượng-năng lượng: 0,001*0,0009*300000000^2=81000000000J. Nói cách khác, nếu toàn bộ 1 gam urani-235 trải qua quá trình phân hạch thì năng lượng tạo ra là khoảng 81 tỷ joule.
Than là một loại khoáng chất chủ yếu bao gồm các nguyên tố như carbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh và phốt pho. Tổng lượng cacbon, hydro và oxy chiếm hơn 95% chất hữu cơ. Độ tinh khiết của than ở những nơi khác nhau là khác nhau, nhiệt lượng sinh ra cũng khác nhau. Để tính toán và kiểm tra thống nhất điều kiện tiêu thụ, cả nước quy đổi nhiệt lượng các loại than thành số liệu thống kê than chuẩn, quy định nhiệt lượng của 1kg than chuẩn là 7000 kcal.
1 kcal xấp xỉ bằng 4185,85 J, do đó 1 kg than có thể sản sinh ra khoảng 29300950 J năng lượng và mỗi tấn than tiêu chuẩn sau khi đốt cháy có thể sản sinh ra 29300950000 J nhiệt. Theo cách này, chúng ta có thể kết luận rằng năng lượng được tạo ra bởi sự phân hạch hoàn toàn của 1 gam urani-235 gần tương đương với năng lượng được tạo ra bởi quá trình đốt cháy 2,76 tấn than tiêu chuẩn.
Khối lượng mất đi do phân hạch urani-235 được tính như thế nào?
Phương trình phản ứng phân hạch urani-235 là: 235U+1n=137Ba+97Kr+2n.
Phương trình này cho thấy khi một nguyên tử urani-235 hấp thụ một nơtron năng lượng thấp, phản ứng phân hạch xảy ra, tạo ra hai nguyên tử bari-137 và krypton-97, và giải phóng hai nơtron; Hai neutron này sau đó được hấp thụ bởi hai nguyên tử urani-235 tương ứng và xảy ra phân hạch, mỗi nguyên tử giải phóng hai neutron, được hấp thụ bởi bốn nguyên tử urani-235. Phản ứng dây chuyền nhanh này tiếp tục diễn ra, với sự phân hạch được khuếch đại theo cấp số nhân và được gọi là "phản ứng dây chuyền".
Tổng số proton và nơtron thu được ở cả hai phía của phản ứng phân hạch này là bằng nhau, vậy tại sao lại xảy ra hiện tượng mất khối lượng và tạo ra năng lượng lớn? Câu trả lời cho câu hỏi này đã được đưa ra vào năm 1925. Nhà khoa học người Anh Aston đã phát hiện ra hiện tượng mất khối lượng này khi tiến hành thí nghiệm làm lệch hướng từ trường. Ông đã sử dụng máy quang phổ khối để đo chính xác khối lượng của hạt nhân heli và phát hiện ra rằng tổng khối lượng của hạt nhân không bằng tổng khối lượng của các proton và neutron tạo nên hạt nhân đó. Có sự mất mát khối lượng là 5,66*10^-26 gam.
Các nghiên cứu sâu hơn phát hiện ra rằng sự mất khối lượng này là do năng lượng liên kết bên trong hạt nhân, đây là chất liên kết các proton và neutron. Nó được gọi là "năng lượng liên kết" và năng lượng liên kết này chiếm một tỷ lệ khối lượng nhất định. Khi hạt nhân bị vỡ ra, năng lượng liên kết này được giải phóng dưới dạng khối lượng bị mất.
Năm 1938, các nhà khoa học đã phát hiện bằng thực nghiệm rằng hạt nhân urani sẽ phân hạch khi bị bắn phá bằng nơtron. Tuy nhiên, khi cộng khối lượng của hai mảnh lại với nhau, khối lượng mất đi nhỏ hơn tổng khối lượng của hạt nhân urani trước khi phân hạch và khối lượng của nơtron hoạt động như một "viên đạn đại bác". Khối lượng mất đi của hạt nhân urani-235 sau quá trình phân hạch đạt 3,57*10^-25 gam. Điều này là do trong quá trình phân hạch hạt nhân, năng lượng liên kết bị mất dưới dạng khối lượng.
Số nguyên tử trong 1 mol là khoảng 6,02*10^23. Khối lượng mol của các nguyên tử khác nhau là khác nhau. Khối lượng mol của urani-235 là 235 gam, do đó có 2,56*10^21 nguyên tử trên một gam urani-235. Theo cách này, chúng ta có thể kết luận rằng trọng lượng của một nguyên tử urani-235 là khoảng 3,9*10-^22 gam và khối lượng mất đi của mỗi nguyên tử là khoảng 3,57*10^-25 gam. Một phép tính đơn giản cho thấy tỷ lệ mất khối lượng là khoảng 0,00091538, tương đương khoảng 0,09%.
Một gam nguyên tử urani-235 mất khoảng 0,0009 gam, hay 0,9 miligam.
Phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân không thể đạt được sự chuyển đổi khối lượng thành năng lượng hoàn hảo.
Einstein đã khám phá ra phương trình khối lượng-năng lượng vĩ đại, có nghĩa là khối lượng và năng lượng tương đương nhau và có thể chuyển đổi lẫn nhau. Nếu khối lượng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng thì ngay cả một khối lượng rất nhỏ cũng có thể giải phóng ra một nguồn năng lượng khổng lồ. Lý thuyết này tiết lộ những quy luật sâu xa hơn của tự nhiên. Hóa ra những quy luật chứa đựng trong bản chất phức tạp lại rất đơn giản.
Luật này cung cấp chìa khóa để mở cánh cửa kho tàng năng lượng của nhân loại. Nếu tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng có thể được cải thiện hơn nữa thì có thể thu được nhiều năng lượng hơn. Mặc dù khối lượng chuyển đổi trong quá trình phân hạch hạt nhân chỉ chiếm chưa đến một phần nghìn, nhưng nó cũng đã rất đáng kinh ngạc. Nếu 1 gam urani-235 bị phân hạch hoàn toàn thì năng lượng tạo ra tương đương với 19,36 tấn thuốc nổ TNT. Vì vậy, con người đã sử dụng nguyên lý này để phát minh ra bom nguyên tử và máy phát điện hạt nhân.
Tuy nhiên, cả vụ nổ hạt nhân hay lò phản ứng hạt nhân dân sự đều không thể đạt được khả năng chuyển đổi năng lượng khối lượng phân hạch hạt nhân 100%. Điều này là do độ tinh khiết của urani-235 không thể đạt tới 100%. Độ tinh khiết của uranium-235 sử dụng trong vũ khí nói chung phải đạt trên 90%, trong khi độ tinh khiết của uranium-235 sử dụng trong sản xuất điện hạt nhân dân sự chỉ cần đạt 5%.
Trong quá trình phân hạch hạt nhân, cũng khó có thể phân hạch hoàn toàn tất cả các nguyên tử urani, do đó năng lượng phân hạch thu được từ 1 gam urani-235 nói trên chỉ là giá trị lý thuyết. Quả bom nguyên tử Hiroshima "Little Boy" chứa khoảng 45 kg uranium-235 có độ tinh khiết 90%. Sức mạnh của vụ nổ tương đương với khoảng 13.000 tấn thuốc nổ TNT. Một phép tính đơn giản cho thấy nó chỉ tương đương với năng lượng chuyển đổi khối lượng-năng lượng của quá trình phân hạch hoàn toàn khoảng 0,7 kg urani-235.
Mặc dù vậy, sức mạnh của phản ứng phân hạch hạt nhân đã đủ lớn rồi. Tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng của phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể đạt tới 0,7%, cao gấp 6 đến 7 lần so với phản ứng phân hạch hạt nhân. Nó mạnh hơn và là phương pháp chuyển đổi khối lượng thành năng lượng lớn nhất mà nhân loại từng làm được cho đến nay. Tuy nhiên, cả phản ứng tổng hợp hạt nhân và phân hạch hạt nhân đều chỉ có thể chuyển đổi một phần rất nhỏ khối lượng thành năng lượng. Liệu có phương pháp chuyển đổi khối lượng thành năng lượng hiệu quả hơn trong tương lai không?
Vẫn còn một chặng đường dài phía trước trong quá trình phát triển năng lượng từ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng
Về mặt lý thuyết, chỉ có sự hủy diệt của phản vật chất mới có thể thu được năng lượng chuyển đổi khối lượng hoàn toàn. Nghĩa là, khi một phần phản vật chất và một phần vật chất va chạm, chúng sẽ ngay lập tức hủy diệt và phát nổ thành hai phần năng lượng. Năng lượng này lớn đến mức nào? Chúng ta hãy tính toán đơn giản xem 1 gam phản vật chất có thể chứa bao nhiêu năng lượng:
0,001*2*300000000^2=1,8*10^14J, tức là 180 nghìn tỷ joule, lớn hơn 2.200 lần so với phản ứng phân hạch hạt nhân, lớn hơn 300 lần so với phản ứng nhiệt hạch hạt nhân và lớn hơn 6 tỷ lần so với khả năng đốt than.
Đây sẽ là năng lượng tối đa có thể đạt được thông qua quá trình chuyển đổi khối lượng thành năng lượng. Tuy nhiên, phản vật chất cực kỳ hiếm và rất khó bảo quản, do đó rất khó để có được năng lượng phản vật chất, và mọi nỗ lực hiện tại đều không đáng công sức bỏ ra.
Vì vậy, giữa tỷ lệ chuyển đổi năng lượng tối đa hiện tại là 0,7% trong phản ứng tổng hợp hạt nhân và tỷ lệ chuyển đổi khối lượng-năng lượng là 100% trong phản ứng hủy diệt phản vật chất, vẫn còn một khoảng trống rất lớn là 99,3%. Có thể sử dụng những cách nào khác để có được năng lượng chuyển đổi khối lượng thành năng lượng lớn hơn? Tôi hy vọng bạn sẽ là người tiếp theo khám phá ra nguồn năng lượng mới có tỷ lệ chuyển đổi khối lượng thành năng lượng cao hơn. Rất mong chờ điều đó.
Bạn nghĩ gì về vấn đề này? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
