Lịch sử của năng lượng hạt nhân khởi đầu với việc xây dựng mô hình nguyên tử. Năm 1912, nhà vật lý Ernest Rutherford (1871 - 1937) người Anh, sau khi phát hiện ra hạt nhân nguyên tử đã cùng với nhà vật lý Niels Bohr (1885 - 1962) người Đan Mạch đề xuất một mô hình nguyên tử: Nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện dương được bao quanh bởi các electron.

Năm 1913, Rutherford phát hiện ra proton. Năm 1932, nhà vật lý James Chadwick (1891 - 1974) người Anh phát hiện ra nơtron.

Năm 1939, nhà vật lý Frederic Joliot-Curie (1900 - 1958) người Pháp cùng với các trợ lý là Lew Kowaski và Hans Von Halban đã chứng minh rằng hiện tượng phân rã hạt nhân (phân hạch) uran kéo theo sự toả nhiệt rất lớn. Việc phát hiện ra phản ứng dây chuyền sau này cho phép khai thác năng lượng hạt nhân.

Trong Đại chiến thế giới lần thứ II (1939-1945), các nghiên cứu về hiện tượng phân hạch được tiếp tục tiến hành ở Mỹ, với sự tham gia của các nhà khoa học từ châu âu di cư sang đó. Kế hoạch Mahattan được phát động với mục đích chế tạo vũ khí hạt nhân mà hệ quả là các vụ nổ hạt nhân (bom nguyên tử) ở hai thành phố Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) vào tháng 8 năm 1945.

Ngay sau chiến tranh, những nghiên cứu về năng lượng phân hạch được tiếp tục tiến hành để sử dụng vào mục đích dân sự. ở Pháp, ủy hội năng lượng nguyên tử Pháp (Commissariat à l'énergie Atomique CEA) được thành lập vào năm 1945. Nhiệm vụ của Cơ quan nghiên cứu này là giúp nước Pháp làm chủ được nguyên tử trong các lĩnh vực nghiên cứu, y tế, năng lượng, công nghiệp, an ninh và quốc phòng.

Giải phóng năng lượng hạt nhân

Sự kết hợp các proton và nơtron bên trong hạt nhân nguyên tử

Nguyên tử là thành phần cấu tạo nên vật chất. Nguyên tử gồm hạt nhân và các electron quay xung quanh (riêng nguyên tử hyđrô khi trung hoà chỉ có một electron). Hạt nhân là tập hợp các proton và nơtron (riêng hạt nhân nguyên tử hyđrô chỉ có một proton) tập trung trong một thể tích rất nhỏ và chịu tác động của hai loại lực khác nhau: lực hạt nhân và lực điện.

ở kích thước hạt nhân (cỡ 10-12 mm), người ta gọi khoảng cách lớn là khoảng cách có kích thước cỡ nguyên tử (10-7 mm), khoảng cách nhỏ là khoảng cách có kích thước cỡ các hạt nhân và các nucleon (tức là nơtron hoặc proton).

Lực điện chỉ tác động lên các hạt tích điện, các hạt này hút nhau khi khác dấu và đẩy nhau khi cùng dấu. Lực này tác động ở khoảng cách lớn và là nguyên nhân giữ các electron tích điện âm xoay quanh hạt nhân tích điện dương.

Các nơtron không tích điện nên không chịu tác động của lực điện, trong khi đó các proton đều tích điện cùng dấu (dương) nên có xu hướng đẩy nhau. Thế nhưng ở bên trong hạt nhân, các proton và nơtron lại kết hợp chặt chẽ với nhau. Điều này cho thấy lực hạt nhân chỉ tác động ở khoảng cách rất nhỏ lên proton và nơtron, và mạnh hơn nhiều so với lực điện.

Tuy nhiên, lực hạt nhân (hút) không thể bù đến vô tận lực điện (đẩy) để giữ proton và nơtron trong hạt nhân. Bắt đầu từ một số lượng nucleon nào đó, các hạt nhân nguyên tử ít gắn bó hơn và trở thành không bền vững.

Quan hệ giữa năng lượng và khối lượng

Bằng những kỹ thuật chính xác, người ta có thể đo khối lượng của một hạt nhân, của một proton hoặc một nơtron riêng lẻ. Người ta đã chứng minh rằng khối lượng của hạt nhân nhỏ hơn khối lượng tổng của các nucleon. Theo định luật bảo toàn khối lượng, đây là vấn đề không thể chấp nhận được. Vậy khối lượng thiếu hụt đó đi đâu?

Thực ra khối lượng đó không mất đi, mà tồn tại ở dạng năng lượng. Công thức nổi tiếng của Albert Einstein (1879 - 1955) E = mc2 cho phép xác định năng lượng này. Trong công thức này, E là năng lượng, m là khối lượng, và c là vận tốc ánh sáng trong chân không (300.000 km/s).

Trong trường hợp thiếu hụt khối lượng nêu trên, năng lượng tương ứng bằng khối lượng thiếu hụt nhân với c2. Năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết, có giá trị bằng năng lượng cần cung cấp cho hạt nhân để tách nó ra thành các nucleon riêng rẽ.

Năng lượng liên kết đối với một nucleon (tương ứng với mức thiếu hụt khối lượng đối với nucleon đó) không có cùng giá trị đối với tất cả các hạt nhân. Năng lượng đó nhỏ đối với các hạt nhân nhẹ (ví dụ như natri, nhôm), tăng dần lên cho đến các hạt nhân trung bình vào khoảng 56 (sắt), sau đó giảm dần. Sự biến đổi đó của năng lượng liên kết chứng tỏ rằng các nguyên tử liên kết chặt chẽ nhất là các nguyên tử trung bình. Mức hụt khối lượng của chúng đối với một nucleon là lớn nhất. Do đó, tất cả những biến đổi có xu hướng tạo ra các hạt nhân trung bình cho phép giải phóng năng lượng hạt nhân. Những sự biến đổi ấy gọi là phản ứng hạt nhân.

Tổng hợp và phân hạch, hai khả năng thu hồi năng lượng trong hạt nhân

Có hai loại phản ứng hạt nhân giải phóng năng lượng:

- Tổng hợp những hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân trung bình. Từ 30 năm nay, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu việc tổng hợp hai hạt nhân nhẹ, ví dụ các hạt nhân của đơteri và triti là hai đồng vị nặng của hyđro. Tuy nhiên cho đến nay, vẫn chưa ứng dụng được việc tổng hợp hạt nhân này vào công nghiệp để sản xuất điện năng.

- Phân hạch hay phá vỡ một hạt nhân rất nặng thành hai hạt nhân trung bình.

Trên trái đất, phản ứng phân hạch dễ thực hiện hơn phản ứng tổng hợp. Phản ứng này phá vỡ các hạt nhân nặng như uran 235 hoặc plutoni 239. Năng lượng phân hạch giải phóng ra được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân. Hiện nay, các lò phản ứng hạt nhân sản xuất 1/6 điện năng tiêu thụ trên thế giới, 1/3 điện năng tiêu thụ ở châu âu và 3/4 điện năng tiêu thụ ở Pháp.

Tổng hợp nhiệt hạch

Tổng hợp hạt nhân là việc kết hợp các hạt nhân nhẹ để tạo nên các hạt nhân trung bình (giữa hêli, nguyên tử lượng là 4 và sắt, nguyên tử lượng là 56). Phản ứng này kéo theo sự giải phóng năng lượng rất lớn.

Phản ứng này rất khó thực hiện bởi vì lực hạt nhân, có tác dụng kéo lại gần nhau và liên kết các nucleon chỉ tác động ở khoảng cách rất ngắn, trong khi đó lực điện tạo nên hàng rào đẩy, ngăn không cho các hạt nhân nguyên tử tích điện dương lại gần nhau. Muốn vượt qua được hàng rào này, các hạt nhân phải ở trong trạng thái chuyển động hết sức hỗn loạn. Đó là trường hợp khi chúng bị đưa lên nhiệt độ rất cao.

Tổng hợp trong tự nhiên:

Trong tự nhiên, tổng hợp hạt nhân tồn tại trong các môi trường có nhiệt độ cực cao ở các ngôi sao, ví dụ như mặt trời. Bên trong mặt trời, nhiệt độ lên tới hàng chục triệu độ cho phép xảy ra sự tổng hợp các hạt nhân nhẹ như hạt nhân hyđrô thành hạt nhân hêli. Những phản ứng tổng hợp nhiệt hạch này giải phóng rất nhiều năng lượng, điều này giải thích vì sao nhiệt độ mặt trời rất cao. Một phần nhỏ của năng lượng bức xạ từ mặt trời đi đến trái đất.

Trên những ngôi sao có khối lượng lớn hơn mặt trời, nhiệt độ còn cao hơn nữa cho phép tổng hợp những hạt nhân nặng hơn hyđrô. Những hạt nhân đó tạo nên các hạt nhân của cacbon, oxy và cả của sắt nữa trong lòng các ngôi sao nóng nhất.

Tổng hợp trên trái đất:

Con người tìm cách làm chủ các phản ứng tổng hợp trên trái đất nhằm khai thác nguồn năng lượng cực lớn đó. Người ta đã làm chủ được những phản ứng này trong bom H (bom hyđrô), nhưng chưa thể chế ngự chúng để sản xuất điện năng. Phản ứng được nghiên cứu nhiều nhất cho mục đích dân sự là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân đồng vị của hyđro là đơteri và triti kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn là hạt nhân của nguyên tử hêli. Để đạt tới nhiệt độ rất cao và mật độ hạt nhân đủ lớn để nâng xác suất chúng gặp nhau, cần phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức tạp.

Hai hướng nghiên cứu được tiến hành trong phòng thí nghiệm

- Với nồng độ nhỏ, hỗn hợp đồng vị khí hyđro (đơteri và triti) có thể chứa được bên trong những vách ngăn vô hình tạo nên bởi từ trường. Các hạt nhân được đưa lên nhiệt độ trên 100 triệu độ trong thiết bị tổng hợp kiểu Tokamak.

- Với nồng độ lớn, hỗn hợp đồng vị hyđro được chứa trong một viên bi rất nhỏ được chiếu bởi những chùm tia laser rất mạnh.

Phân hạch và phản ứng dây truyền

Phân hạch xảy ra khi một hạt nhân nặng (ví dụ hạt nhân nguyên tử uran 235) bị va đập bởi một nơtron thì tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn. Phản ứng phân hạch kéo theo một năng lượng lớn được giải phóng, đồng thời có hai hoặc ba nơtron được tạo ra. Các nơtron này đến lượt chúng lại gây ra sự phân hạch của các hạt nhân khác và quá trình đó cứ thế tiếp diễn. Như vậy là xuất phát từ một sự phân hạch trong khối uran, nếu ta không khống chế các nơtron, thì có thể sinh ra ít nhất là hai sự phân hạch, rồi 4, 8, 16, 32 Những phân hạch thành chuỗi như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền.

Hai ứng dụng chủ yếu của phản ứng dây chuyền là lò phản ứng hạt nhân và bom hạt nhân. Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng dây chuyền được giữ ổn định ở mức đã định, có nghĩa là một phần lớn nơtron bị bắt giữ lại, để không sinh ra phân hạch. Mỗi lần phân hạch chỉ cần một nơtron gây ra một phân hạch mới để giải phóng năng lượng liên tục.