Phim OPPENHEIMER – Cấu Tạo Và Cơ Chế Hoạt Động Của Bom Nguyên Tử- Nguyễn Thành Nam
Lưu ý quan trọng khi xem Oppenheimer Các bạn không phải dân Vật Lí thì phải đọc hết 3 bài của thầy Nam về vấn đề liên quan rồi hãy đi xem cho đỡ phí tiền.
Một trong những công trình vĩ đại được Albert Einstein công bố năm 1905 là hệ thức liên hệ giữa năng lượng và khối lượng, E = mc2, trong đó E là năng lượng, m là khối lượng, và c là hằng số có giá trị 299792458 m/s, đúng bằng tốc độ ánh sáng truyền trong chân không. Đây hẳn là công thức nổi tiếng nhất thế giới vì rất khó có thể tìm ra một người chưa từng biết đến nó.
Mặc dù về hình thức, công thức này cho phép chúng ta quy đổi từ khối lượng ra năng lượng, nhưng ý nghĩa sâu sắc và lớn lao nhất của nó lại nằm ở chỗ nó đã làm thay đổi nhận thức của con người về thế giới tự nhiên, giúp con người nhận ra khối lượng chỉ là một dạng tồn tại của năng lượng. Nó giúp con người nhận ra mọi sự vật trong tự nhiên chỉ là các dạng tồn tại của năng lượng, và các hiện tượng trong tự nhiên cũng chỉ là các quá trình chuyển hóa của năng lượng mà thôi.
Do giá trị của hằng số c rất lớn nên chỉ cần một lượng khối lượng rất nhỏ bé cũng hàm chứa trong đó một lượng năng lượng khổng lồ. Một khối lượng 1 microgam bao hàm lượng năng lượng bằng 25 số điện (kWh). Và nếu có thể chuyển hóa hoàn toàn một chiếc móng tay nặng 0,1 g thành điện năng thì đủ điện cho một hộ gia đình tại VN sử dụng trong suốt một thiên niên kỉ. Vấn đề là việc chuyển hóa khối lượng thành các dạng năng lượng thường dùng không phải là việc dễ.
Trong tự nhiên, sự chuyển hóa khối lượng thành năng lượng nhiệt thường xảy ra trong các phản ứng hạt nhân. Các loại phản ứng hạt nhân tỏa năng lượng này thường được chia làm hai loại, thứ nhất là phản ứng "phân hạch" trong đó các hạt nhân rất nặng bị vỡ ra thành các hạt nhân trung bình sau khi hấp thụ một hạt nơtron, thứ hai là phản ứng "nhiệt hạch" trong đó các hạt nhân nhỏ kết hợp với nhau thành hạt nhân trung bình. Trong các phản ứng này, có một phần nhỏ khối lượng bị chuyển hóa thành năng lượng nhiệt nên tổng khối lượng các hạt nhân sinh ra sau phản ứng luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt trước phản ứng, hiện tượng đó gọi là sự hụt khối lượng của phản ứng hạt nhân.
Phản ứng phân hạch được con người ứng dụng vào việc chế tạo bom nguyên tử (bom A) và chạy các nhà máy điện nguyên tử. Nhiên liệu thường được sử dụng là đồng vị Uranium 235 và đồng vị Plutonium 239. Quả bom nguyên tử Littleboy thả xuống Hiroshima được chế tạo từ U-235 trong khi quả bom nguyên tử Fatman thả xuống Nagasaki được làm từ Pu-239. Sức mạnh của Littleboy và của Fatman chỉ tương đương với khoảng 15 nghìn tấn thuốc nổ TNT.
Trong tự nhiên, phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong tâm của các ngôi sao, trong đó có mặt trời của chúng ta. Năng lượng tỏa ra của các sao có nguồn gốc từ phản ứng nhiệt hạch, trong đó có sự kết hợp của các hạt nhỏ như các đồng vị của Hydrogen tạo thành các hạt lớn hơn như các đồng vị của Helium. Con người đã ứng dụng phản ứng nhiệt hạch để chế tạo bom khinh khí (bom H). Quả bom khinh khí lớn nhất thế giới Tsar do liên xô chế tạo có sức mạnh tương đương 100 triệu tấn thuốc nổ TNT.
PHẦN 2
Trong phim, đạo diễn sử dụng một bình thủy tinh lớn để biểu diễn lượng U-235 cần thiết để chế tạo quả bom tương tự Littleboy, và ly thủy tinh nhỏ hơn bên cạnh biểu diễn lượng Pu-239 cần thiết để chế tạo quả bom tương tự Fatman. Các viên bi nhỏ được thả vào hàng ngày tượng trưng cho lượng U-235 và lượng Pu-239 đã sản xuất được đến thời điểm hiện tại. Khi nào bình và ly thủy tinh được thả đầy các viên bi thì lượng nhiên liệu yêu cầu đã đủ, và công việc chế tạo bom về cơ bản đã hoàn thành.
Trong thực tế, quả bom Littleboy sử dụng khoảng 64 kg U-235, tương đương với kích thước một quả bưởi, còn quả bom Fatman sử dụng khoảng 6,4 kg Pu-239, vừa bằng kích thước một quả cam. Nhưng để tạo ra được quả bưởi và quả cam đầu tiên cho việc thử nghiệm, nước Mỹ đã phải tập trung hơn hai nghìn nhân lực cao cấp, hỗ trợ tối đa điều kiện vật chất kĩ thuật, đầu tư số tiền nhiều tỉ đô la, mà vẫn phải làm việc quần quật trong hơn hai năm trời mới có thể hoàn thành. Điều đó cho thấy công việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân là khó khăn và chậm chạp đến mức nào. Vậy khó khăn lớn nhất ở đây là gì và do đâu?
Trong tự nhiên, Uranium tồn tại với nhiều đồng vị khác nhau, thành phần chủ yếu trong đó là đồng vị U-238 chiếm tới 99,27% khối lượng, trong khi đồng vị quan trọng U-235 chỉ chiếm 0,71% khối lượng, và phần rất nhỏ còn lại thuộc về các đồng vị khác. Trong số các đồng vị của Uranium, chỉ duy nhất U-235 có thể được sử dụng để sản xuất bom nguyên tử và chạy lò phản ứng hạt nhân. Việc tinh chế quặng Uranium không phải là vấn đề khó, mà khó nhất là để có thể chế tạo bom nguyên tử thì U-235 cần phải đạt độ tinh khiết cực cao, ít nhất cũng phải trên 90%. Quá trình nâng cao hàm lượng U-235 trong mẫu nhiên liệu được gọi là quá trình làm giàu U-235, và đây là công việc vô cùng khó khăn và tốn nhiều thì giờ.
Thử tưởng tượng trên tay bạn có một mẫu kim loại Uranium tinh khiết nặng 100 gam với tất cả các đồng vị, làm thế nào để tách ra 0,71 gam U-235 tinh khiết từ mẫu chất đó? Ở đây không thể sử dụng phương pháp Hóa Học bởi vì tính chất hóa học của các nguyên tử Uranium trong mẫu chất là hoàn toàn giống nhau, không có khác biệt nào giữa các đồng vị. Vì vậy để có thể tách riêng U-235 ra khỏi mẫu chất bắt buộc phải dựa vào sự khác nhau về khối lượng nguyên tử của đồng vị U-235 so với các đồng vị còn lại. Cái khó nhất ở đây là sự khác biệt về khối lượng giữa nguyên tử đồng vị U-235 so với nguyên tử các đồng vị còn lại là cực nhỏ. Nếu so với nguyên tử đồng vị U-238 nặng khoảng 238u thì nguyên tử đồng vị U-235 nặng khoảng 235u chỉ khác biệt về khối lượng khoảng 1%.
Để tách riêng U-235 người ta phải chuyển Uranium thành hợp chất khí, sau đó đưa khí vào hệ thống 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 và bị loại bỏ dần dần, còn các phân tử khí 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 chứa U-235 ra khỏi phần còn lại. Tuy nhiên quá trình tách li tâm diễn ra rất chậm chạp, với từng lượng nhỏ nên tốn rất nhiều thời gian. Hàm lượng U-235 càng lên cao thì công việc càng khó hơn, cho tới khi nào độ tinh khiết đạt tới gần 100% thì mới đáp ứng được yêu cầu.
Việc chế tạo Pu-239 thì lại khó khăn theo một cách khác, do người ta không thể khai thác nó trong tự nhiên nên Pu-239 được tạo ra bằng cách bắn phá các hạt nhân U-238 bằng chùm hạt nơtron. Hạt nhân U-238 sau khi hấp thụ hạt nơtron sẽ chuyển thành U-239, tiếp theo sẽ tự phân rã bằng cách phóng ra 2 hạt electron và biến thành hạt nhân Pu-239. Lượng Pu-239 sẽ được tách riêng để làm nhiên liệu chế tạo bom, và quá trình này cũng rất chậm và khó khăn.
Tóm lại, việc sản xuất và làm giàu nhiên liệu hạt nhân là công việc khó khăn nhất trong quá trình chế tạo bom nguyên tử!
P/S.
Thớt chỉ dành cho các bạn không chuyên về Vật lí, xin các bạn dân Vật Lí xịn lượng thứ cho mình nhé.
PHẦN 3:
Nguyên lý để kích nổ một quả bom nguyên tử hết sức đơn giản, chỉ cần làm cho khối lượng nhiên liệu hạt nhân vượt quá cái gọi là “khối lượng tới hạn” của nó thì khối vật liệu sẽ tự phát nổ.
Giá trị của khối lượng tới hạn (Mth) phụ thuộc vào loại nhiên liệu hạt nhân, mức độ tinh khiết, và hình dạng của khối chất. Trong trường hợp lý tưởng, với khối vật liệu tinh khiết 100% và có dạng hình cầu thì U-235 có Mth là 52 kg trong khi Pu-239 có Mth là 10 kg. Và trên nguyên lý thì khối lượng nhiên liệu hạt nhân trong mỗi quả bom phải lớn hơn Mth của nó.
Trong trạng thái bình thường, nhiên liệu hạt nhân được đặt phân tán ở các phần khác nhau của quả bom. Nhiệm vụ quan trọng hàng đầu trong việc chế tạo bom nguyên tử là phải tạo ra được một cơ cấu cho phép ráp các phần nhiên liệu phân tán vào với nhau để kích nổ quả bom, cơ cấu này có nhiệm vụ tạo ra trạng thái quá hạn khiến quả bom tự phát nổ.
Trong dự án Manhattan, các nhà khoa học đã tạo ra các thiết kế đặc biệt giúp giảm khối lượng nhiên liệu sử dụng trong mỗi quả bom xuống chỉ bằng khoảng một nửa khối lượng tới hạn của nhiên liệu, nhưng phần này quá phức tạp nên bạn Nam không trình bày ở đây.
Quả Littleboy được chế tạo theo nguyên lý “bắn súng”, trong đó một mảnh U-235 nhỏ hơn được để tách riêng ở đầu phía bên kia của quả bom. Khi hoạt động, khối thuốc nổ đặt phía sau sẽ được kích nổ để đẩy mảnh nhiên liệu nhỏ lao về phía khối nhiên liệu lớn, ráp vào chỗ khuyết đã được thiết kế sẵn, tạo ra trạng thái vượt hạt làm phát nổ khối nhiên liệu.
Quả Fatman được chế tạo theo nguyên lý “nổ sập”, trong đó các khối thuốc nổ được đặt phân tán vòng quanh phần vỏ quả bom. Khi hoạt động, khối thuốc nổ sẽ được kích nổ để tạo ra áp lực siêu cao ép lên phần lõi quả bom làm nó bị cô đặc lại khiến cho phần lõi Pu-239 được đặt sâu trong tâm quả bom bị phát nổ.
Quả bom được thử nghiệm trong bộ phim Oppenheimer có cấu trúc dạng nổ sập!
Nhiệm vụ của bạn Nam đến đây đã hoàn thành, chúc các bạn xem phim vui vẻ và đừng quên chăm sóc chu đáo người bạn ngồi ngay cạnh nhé!
Aug 17, 2023
