Bom nguyên tử được tạo ra như thế nào?
Hello mọi người, gần đây sau 1 khoảng thời gian yên ắng của thế giới điện ảnh do các cuộc đình công của diễn viên và nhà biên kịch ở Hollywood thì ta được đón chào trở lại với bộ phim mới nhất của 1 đạo diễn mà ắt hẳn những mọt phim không thể không biết - OppenHeimer của đạo diễn Christopher Nolan, 1 bộ phim bom tấn (yep thì nó là bộ phim kể về bom người tạo ra bom nguyên tử mà =)) ). Nhưng nay mình ở đây không phải để nói về bộ phim, mình ở đây để nói về quá trình tạo ra 2 quả bom Littleboy và Fatman được Mỹ sử dụng để ném xuống Nhật Bản giúp kết thúc chiến tranh thế giới thứ 2 nhưng cũng gây ra số lượng thương vong hết sức đau thương, khủng khiếp cho những người vô tội. Theo các nhà khoa học, quả bom ở Hiroshima giải phóng năng lượng tương đương với khoảng 15.000 tấn TNT, đến từ sự phân hạch của uranium 235. Còn đối với Nagasaki, quả bom thả xuống thành phố này đã giải phóng năng lượng hủy diệt tương đương với khoảng 21.000 tấn thuốc nổ TNT đến từ quá trình phân hạch plutonium 239. Có bao giờ bạn thắc mắc cách tạo ra 2 quả bom như thế nào, làm cách nào các nhà khoa học có thể nhét một khối năng lượng lớn như vậy trong 1 khối có chiều dài 300 cm và đường kính chưa đầy 71 cm không? Cùng tìm hiểu trong bài viết này nhé.
Trong OppenHeimer, đạo diễn Christopher Nolan đã sử dụng một bình thuỷ tinh để biểu diễn lượng U-235 cần thiết để chế tạo quả Littleboy, và li thuỷ tinh nhỏ hơn để biểu diễn lượng Pu-239 để làm quả Fatman, lượng bi thả vào hằng ngày tượng trưng cho U-235 và Pu-239 đã sản xuất được cho đến thời điểm hiện tại, khi nào bi đầy thì lượng nhiên liệu đã đủ và công việc làm bom cơ bản đã hoàn thành.
Trong thực tế, quả Littleboy dùng khoảng 64kg U-235 kích thước bằng quả bưởi còn Fatman dùng khoảng 6,4kg Pu-239 chỉ vừa bằng quả cam. Thế nhưng để tạo ra quả bưởi và quả cam đầu tiên trong cuộc thử nghiệm nước Mỹ đã phải tập trung hơn 2000 nhân lực cao cấp hỗ trợ tối đa về điều kiện cơ sở vật chất, đầu tư số tiền nhiều tỷ đô la và làm việc quần quật trong suốt hơn 2 năm trời. Điều đó cho thấy rằng việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân khó khăn và chậm chạm đến mức nào, vậy khó khăn lớn nhất là gì? và do đâu?
Trong tự nhiên Urani tồn tại với nhiều đồng vị khác nhau chủ yếu là U-238 chiếm tới 99,27% khối lượng còn U-235 chỉ chiếm 0,71%, nhưng chỉ U-235 mới có thể dùng làm bom nguyên tử và chạy lò phản ứng, và để làm bom thì U-235 cần đạt độ tinh khiết cao ít nhất là >90%, quá trình nâng cao hàm lượng này của U-235 được gọi là quá trình làm giàu và đây là công việc vô cùng khó khăn và tốn nhiều thì giờ. Thử tưởng tượng trên tay bạn có 1 mẫu Urani tinh khiết nặng 100g với tất cả các đồng vị, làm thế nào để tách ra 0,71g U-235 tinh khiết từ mẫu chất đó, ở đây bạn không thể sử dụng hoá học vì tính chất hoá học của các đồng vị Urani là hoàn toàn giống nhau, vì vậy để tách riêng U-235 thì bắt buộc phải dựa vào sự khác nhau về khối lượng nguyên tử so với các đồng vị còn lại. Cái khó là sự khác biệt giữa U-235 so với đám còn lại là rất nhỏ, vậy nên để tách riêng U-235 thì phải chuyển Urani thành hợp chất khí sau đó cho vào máy li tâm khí và cho các khối khí chuyển động tròn.
Dưới tác dụng của lực li tâm các phân tử khí gắn với U-238 nặng hơn sẽ bị văng ra xa tâm quay còn các phân tử gắn với U-235 nhẹ hơn sẽ tập trung vào khu vực gần trục quay và chuyển sang các máy li tâm tiếp theo, bằng cách đó người ta tách dần các phân tử khí U-235 ra khỏi phần còn lại.
Tuy nhiên, quá trình này diễn ra rất chậm vào tốn nhiều thời gian, hàm lượng U-235 lên càng cao thì công việc càng khó, khi độ tinh khiết đạt gần 100% thì mới đáp ứng được yêu cầu.
Về Plutoni thì khó khăn không kém, do không thể khai thác trong tự nhiên nên Pu-239 được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân U-238 bằng trùm hạt Neutron, khi đó U-238 sẽ chuyển thành U-239 rồi phân rã bằng cách phóng ra 2 hạt Electron biến thành Pu-239 và dùng làm bom nguyên tử, quá trình này cũng rất chậm và khó khăn. Như vậy, việc sản xuất là làm giàu nhiên liệu hạt nhân là phần quan trọng vào khó khăn nhất trong quá trình chế tạo bom nguyên tử, quá trình này đòi hỏi sự tập trung và kĩ thuật cao và tốn rất nhiều thời gian và công sức.