Phim OPPENHEIMER – Cấu Tạo Và Cơ Chế Hoạt Động Của Bom Nguyên Tử- Nguyễn Thành Nam

 

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.