Lịch Sử

Đôi điều về sức mạnh của bom nguyên tử (Kỳ 2)

Wikicabinet kính chào quý độc giả ở kỳ trước chúng tôi đã giới thiệu các chủ đề về lịch sử:

Đôi điều về sức mạnh của bom nguyên tử (Kỳ 1)

Kỳ này Wikicabinet xin giới thiệu đến độc giả một chủ đề Đôi điều về sức mạnh của bom nguyên tử (Kỳ 2). Mời quý độc giả đón theo dõi chủ đề này cùng Wikicabinet nhé!

3. Làm giàu Uranium

Khái niệm này nghe rất quen thuộc, hằng ngày chúng ta thường nghe các bản tin đại loại như “Quốc tế lên án Triều Tiên, Iran làm giàu Uranium chuẩn bị cho vũ khí hạt nhân…” Vậy, làm giàu Uranium là gì, tại sao nó quan trọng trong quá trình tạo ra vũ khí hạt nhân?

Như chúng ta đã đề cập, chỉ có Urani – 235 là có tác dụng trong việc chế tạo bom nguyên tử. Nhưng hầu hết Urani có trong tự nhiên lại là đồng vị Urani – 238 (99,284%). Muốn chế tạo bom nguyên tử thì khối Uranium cần có hàm lượng U235 cao hơn 90%, quá trình tăng hàm lượng U235 được gọi là làm giàu Uranium. Vậy làm cách nào để loại bỏ U238 để hàm lượng U235 đạt ngưỡng cần thiết?

Khá đơn giản để tách hỗn hợp U235 và U238 ra khỏi các tạp chất bằng phương pháp hóa học, ta có được Uranium tinh khiết. Nhưng không thể dùng hóa học để tách U235 khỏi U238 vì các đặc tính hóa học của 2 đồng vị này là hoàn toàn như nhau. Phải dùng đến các đặc tính vật lý khác biệt của chúng để tách biệt 2 đồng vị. Phương pháp làm giàu Uranium đầu tiên mà dự án Mahattan dùng đó là phương pháp khuếch tán. (Hình 2)

Trong phương pháp này, Uranium tinh khiết (bao gồm cả U235 và U238 ) được cho phản ứng với Flo để tạo thành hợp chất UF6. Sau đó hợp chất này sẽ được đưa vào 1 chuỗi phòng kín, được thông với nhau bởi 1 lỗ phía trên đỉnh. Áp suất sẽ được giảm hết mức để UF6 hóa hơi, nhiệt độ cũng được giảm xuống mức cực kỳ thấp để tối thiểu hóa chuyển động nhiệt của các phân tử. Do các phân tử U235F6 nhẹ hơn các phân tử U238F6 nên sẽ di chuyển nhiều lên phía trên, làm cho mật độ U235F6 phía trên của phòng khuếch tán sẽ nhiều hơn, lượng khí này sẽ tràn qua phòng kế bên. Tiếp tục như thế, qua mỗi phòng thì hàm lượng U235F6 sẽ nhiều dần lên. Cuối cùng khi hàm lượng U235F6 đạt yêu cầu, các kỹ sư sẽ cho phản ứng hóa học để tách Flo khỏi U235 và thu được Uranium đã được làm giàu. Quá trình nghe có vẻ đơn giản, nhưng thực hiện thì vô cùng phức tạp, trong dự án Mahattan của Hoa Kỳ do nhà khoa học gốc Ý Fermi dẫn đầu, để chế tạo ra 3 quả bom nguyên tử, dự án đã tiêu tốn 1/3 lượng điện của toàn nước Mỹ, chủ yếu trong số đó là để làm giàu Uranium. Ngày nay người ta dùng phương pháp hiện đại hơn là phương pháp ly tâm.

Sau khi làm giàu Uranium, chúng ta thu được Uranium với hàm lượng U235 cao, đủ điều kiện để chế tạo bom nguyên tử. Tuy nhiên, để khối Uranium phát nổ, còn cần 1 điều kiện nữa.

4. Khối lượng tới hạn

Trong 1 khối Uranium – 235, bao gồm hàng triệu tỷ tỷ nguyên tử U235, vào bất cứ khoảnh khắc nào cũng có ít nhất một phản ứng phân hạch diễn ra trong nó, bởi vì U235 là 1 đồng vị có khả năng phân hạch tự nhiên mà không cần tác động nào từ bên ngoài. Phản ứng đó sẽ sinh ra 1 hoặc nhiều neutron, các neutron này hoặc sẽ thoát ra khỏi khối Urani, hoặc sẽ kích hoạt 1 phản ứng khác và tiếp tục sinh ra các neutron khác. Các neutron này lại tiếp tục công việc kích hoạt của mình, tuy nhiên nếu lượng neutron bay ra ngoài quá nhiều, không còn đủ để kích hoạt phản ứng tiếp theo, chuỗi sẽ dừng lại, và khối Urani gần như không mất khối lượng và không phát ra năng lượng. Để miêu tả cho hiệu ứng trên, người ta đặt ra hệ số nhân neutron hiệu dụng K:

Nếu K=1: Số neutron sinh ra bằng với số neutron mất đi, phản ứng xảy ra ổn định, đây là cách duy trì phản ứng trong nhà máy điện hạt nhân. Ta có thể khống chế khối Urani không bị mất kiểm soát.

K<1: Phản ứng dây chuyền không đủ neutron để tự duy trì, nhanh chóng tắt.

K>1: Số neutron sinh ra nhiều hơn số mất đi, phản ứng dây chuyền xảy ra theo cấp số nhân, trong tích tắc sẽ lan rộng và sản sinh ra năng lượng khổng lồ, chúng ta sẽ có được 1 quả bom nguyên tử.

Làm cách nào để tăng hệ số K? Suy luận 1 cách đơn giản chúng ta có thể hiểu rằng neutron thoát ra ngoài là do khối Urani quá nhỏ, không đủ số lượng U235 để ngăn cản neutron thoát ra ngoài. Để giải quyết vấn đề này ta cần tăng kích thước, khối lượng của nó lên. Đối với dạng cầu, khối lượng U235 để đạt được hệ số K=1 được gọi là khối lượng tới hạn của U235. Khi khối lượng vượt quá khối lượng tới hạn, K sẽ >1 và gây ra phản ứng dây chuyền mất kiểm soát, quả bom sẽ được kích nổ. Khối lượng tới hạn của U235 là 49kg.

Như vậy chúng ta đã tìm được cách chế tạo 1 quả bom nguyên tử, chỉ cần ghép 2 miếng U235 có khối lượng dưới khối lượng tới hạn lại với nhau để vượt qua khối lượng tới hạn, khối Urani sẽ phát nổ và chúng ta sẽ được chứng kiến 1 tia chớp xẹt ngang qua bầu trời, một khối cầu phát sáng như mặt trời thứ 2 và 1 đám mây hình nấm khổng lồ cao ngút tầm mây.

5. Nguyên lý kích nổ của Little Boy

Quả bom nguyên tử đầu tiên thả xuống Nhật Bản được kích nổ theo phương pháp bắn súng. Tức, phần lõi Uranium được chia làm 2 phần, đầu đạn và mục tiêu, mỗi phần có khối lượng thấp hơn khối lượng tới hạn. Phần đầu đạn được làm hình trụ rỗng đường kính 6.25 inch, nặng 38.5kg. Phần mục tiêu cũng được làm hình trụ nhưng nhỏ hơn, đường kính 4 inch, nặng 25.6kg. Khi kích hoạt nổ, động cơ được gắn trong quả bom sẽ đẩy phần đầu đạn về phía phần mục tiêu và ghép vào phần mục tiêu. Khối Uranium lúc này đã vượt qua khối lượng tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra ngay lập tức và quả bom phát nổ.

Quả bom thứ 2 thả xuống Nagasaki được chế tạo từ P-239. P-239 là một nguyên tố mới, sau quá trình U- 238 tạo thành đồng vị mới là U-239.. U-239 phát xạ và tạo ra nguyên tố mới là P-239 gọi là Plutonium (nhân của quả bom nguyên tử thứ 2).

Trong kỳ tiếp theo, Wikicabinet trân trọng mời độc giả đón đọc chủ đề Lãnh tụ Hồ Chí Minh – Vị cha già dân tộc Việt Nam.

Nếu có những thắc mắc hay muốn tìm hiểu về bất kỳ chủ đề nào, hãy liên hệ với Wikicabinet bằng cách bình luận ở phía dưới nhé.

Leave a Reply