Phân hạch hạt nhân do tác động của các nơtron – quá trình hạt nhân, là cơ sở hoạt
động của lò phản ứng hạt nhân.
Từ việc phân tích sự phụ thuộc năng lượng liên kết trung bình của nucleon trong hạt nhân ε vào số khối lượng A (hình 1.1) suy ra, phân hạch tất cả các hạt nhân có
A > 90 đều có lợi về năng lượng, nghĩa là, Qf (năng lượng phân hạch) trong các phản ứng phân hạch ở những hạt nhân đó đều lớn hơn 0. Trong khi đó, xác suất phân hạch tự phát thậm chí của các hạt nhân nặng là không lớn, điều này chứng tỏ
sự có mặt của rào cản năng lượng, cản trở quá trình phân hạch.
Quá trình phân hạch được mô tả một cách định tính trong khuôn khổ mô hình giọt. Trong hạt nhân bền, các lực đẩy culông của các proton được cân bằng do các lực căng bề mặt, có bản chất tương tác hạt nhân. Năng lượng tương tác culông (Ec), tỷ
lệ với ~ Z2/A1/3, khi tăng số khối lượng A sẽ tăng nhanh hơn năng lượng căng bề
mặt (Es) vốn tỷ lệ với ~ A2/3. ỞA nào đó, tỷ lệ của chúng (x = Ec/Es = Z2/A) đạt đến giá trị tới hạn, khi vượt quá giá trị đó hạt nhân sẽ không bền. Nếu trong trường hợp đó, hạt nhân nhận được năng lượng bổ sung từ bên ngoài, ví dụ, bằng con
đường bắt nơtron, thì có thể xảy ra quá trình phân hạch.
Cơ chế vật lý của quá trình phân hạch, theo mô hình giọt, bao gồm bốn giai đoạn (hình 2.1): 1) hình thành hạt nhân-hợp chất chuyển năng lượng AZ+1X*
; 2) chuyển năng lượng kích thích thành năng lượng dạng dao động, do hình dạng hạt nhân lệch khỏi dạng hình cầu; 3) phá hủy cân bằng giữa các lực đẩy culông giữa các proton của hạt nhân, và các lực hút hạt nhân, kết quả là hình thành các hạt nhân mới; 4) các hạt nhân mới bay ra do tác dụng của lực tĩnh điện.
Hình 2.1. Các giai đoạn của quá trình phân hạch hạt nhân dưới tác động của nơtron
Khi đó, thế năng của sức căng bề mặt thay đổi. Sự chênh lệch giữa thế năng của sức căng bề mặt tối đa có thể có của hạt nhân đã biến dạng và giá trị năng lượng
đó của hạt nhân có hình dạng ban đầu (hình cầu) Wf là rào cản quá trình phân hạch. E*≥ Wf là điều kiện phân hạch của hạt nhân với xác suất, tương tự với các phản ứng nơtron-hạt nhân khác. Đối với các hạt nhân nặng thì E*~ Wf.
Năng lượng kích thích (E*) của hạt nhân hợp phần được xác định bằng năng lượng dư mà nơtron mang vào hạt nhân. Nó gồm năng lượng liên kết trong hạt nhân hợp phần (εn) và phần chủ yếu [A/(A + 1)] động năng (E) của nơtron. Giá trị năng lượng này đối với trường hợp hạt nhân-bia đứng yên:
* . 1 n A E E A ε = + + (2.8.1) Tính đến điều đó thì điều kiện phân hạch sẽ có dạng: . 1 n A f E W A ε + > + (2.8.2) Đối với hạt nhân có số nucleon lẻ (233U, 235U, 239Pu, 241Pu), εn > Wf, vì vậy chúng phân hạch bởi các nơtron có động năng nhỏ bao nhiêu cũng được.
Ở các hạt nhân có số nucleon chẵn thì ngược lại, hàng rào phân hạch cao hơn năng lượng liên kết (Wf > εn). Đối với chúng, điều kiện phân hạch
1 f n A E E W A > −ε + , (2.8.3)
nghĩa là, các hạt nhân (232Th, 238U, 240Pu) phân hạnh bởi các nơtron có động năng cao hơn một ngưỡng nào đó (Wf – εn).
Các hạt nhân nặng có thể phân hạch do kích thích, chúng cũng có thể phân hạch từ
lượng hạt nhân, ngưỡng phân hạch giảm đi và như vậy, tăng xác suất phân hạch tự
phát. Chu kỳ bán rã theo kênh phân hạch tự phát (T1/2сп.д) của các nuclit được sử
dụng làm nhiên liệu và của các nuclit được sinh ra trong quá trình hoạt động của lò
phản ứng hạt nhân, là khác nhau. Khi đó, chu kỳ bán rã theo kênh phân hạch tự
phát cao hơn hẳn chu kỳ bán rã của chính những nuclit đó theo kênh phân rã α
(T1/2α). Ví dụ,
235U (T1/2сп.д = 1,9.1017 năm, T1/2α = 7,1.108 năm);
238U (T1/2сп.д = 5,9.1015 năm, T1/2α = 4,5.109 năm);
238Pu (T1/2сп.д = 4,9.1010 năm, T1/2α = 89,6 năm);
Các quá trình phân hạch tự phát không đóng vai trò gì trong lò phản ứng hạt nhân
đang hoạt động, nhưng có ý nghĩa quan trọng khi khởi động lò phản ứng, bởi vì chúng là các nguồn nơtron.