Plutonium: Người anh em song sinh của Uranium

Trong lịch sử phát triển bom nguyên tử, có thể xem bom Uranium và bom Plutonium là cặp anh em song sinh. Cùng với U235, các hạt nhân Pu239 cũng được sử dụng để chế tạo bom nguyên tử, quả bom thứ hai ném xuống Nagasaki (Nhật) vào ngày 9/8/1945.

Cặp song sinh

Ảnh chụp vụ nổ ở Nagasaki vào ngày 9/8/1945 khiến cho 73.000 người chết

Sự xuất hiện của cặp song sinh bom Uranium và bom Plutonium gần như cùng một thời khắc lịch sử, đã khiến thế giới kinh hoàng. Trước sau chỉ 3 ngày, ngay trong mùa hè định mệnh đối với nước Nhật của năm 1945 ấy.

Sáng ngày 6/8, quả bom Urani tàn phá thành phố Hirohima. Đến 11h2' ngày 9/8, quả bom Plutoni lại dội xuống thành phố Nagasaki. Quả bom chứa chất nổ Pu239, dài khoảng 3,25 mét, đường kính 1,52 cm, nặng 4,5 tấn, được đặt cho một cái tên khá hài hước là "Chàng Béo" (Fat Man). Tương tự như cái tên “Chú Nhóc Con” được đặt cho quả bom Urani vậy.

Sức tàn phá của quả bom Plutoni không kém 21.000 tấn thuốc nổ thông thường (còn gọi là thuốc nổ TNT-Trinitro Toluen). Nó đã phá huỷ hoàn toàn 6,7 km2 nhà cửa (1/3 số nhà của Nagasaki) và sát hại 2/3 số dân thành phố (7,3 vạn người chết và 7,5 vạn người bị thương).

Plutonium – phát minh chao đảo thế giới

Nước Mỹ không chỉ là nơi ra đời quả bom nguyên tử Plutoni. Đó cũng chính là xứ sở phát hiện sự tồn tại của nguyên tố mới Plutonium. 

Glenn Seaborg (1912–1999)

Glenn Seaborg (1912–1999), nhà khoa học hạt nhân đương đại huyền thoại của nước Mỹ, là tác giả của 10 phát minh nguyên tố mới, trong đó có Plutonium.

Tân tiến sĩ hoá học Seaborg, mới 28 tuổi, được chọn mặt gửi vàng, giao tập hợp một nhóm khoa học gia trẻ, bắt tay vào một thí nghiệm đặc sắc và khó khăn: tìm nguyên tố mới, nặng hơn Urani, gọi là nguyên tố siêu nặng hay siêu Urani.

Trên chùm gia tốc hiện đại nhất thời đó, họ bắn vào bia Uranium một chùm hạt deutrium (d), rồi theo dõi những hiện tượng mới mẻ xảy ra. Trước đó, nguyên tố siêu Uran đầu tiên với Z=93, tên gọi là Neptunium (Np), đã được tìm thấy (năm 1940) bởi một nhóm nghiên cứu khác. Điều này thắp sáng niềm tin cho kíp nghiên cứu mới.

Đêm ấy, chủ nhật 23/2/1941, ánh đèn trên tầng 3 của Toà nhà Gilman trong khung viên ĐH California (ở Berkley), sáng rất khuya. Thí nghiệm kéo dài đã 10 tuần liền, sự chờ đợi tưởng như vô vọng. Tiếp tục bắn chùm hạt deutrium (d) thêm 4 giờ nữa!

Bỗng “thế giới như chao đảo”: một hạt anpha đã rơi vào bộ đếm, một đồng vị phóng xạ của nguyên tố 94 đang chờ đợi đã được tổng hợp và được nhận dạng. Đó là hạt nhân của một nguyên tố mới ứng với số điện tích Z = 94: Nguyên tố Plutoni (lấy tên của ngôi sao Pluto – sao Diêm Vương Tinh), tên hoá học là Plutonium và ký hiệu Pu.

Như tính toán trước, đồng vị đầu tiên của nguyên tố Pu được tìm thấy chính là Pu238. Nó được sinh ra bởi quá trình:

U238(d,2n)Np238 ®  Pu238 + b

Ở đây, quá trình xảy ra như sau: hạt nhân U238 bắt lấy hạt d và trở thành hạt nhân Np238, rồi ngay sau đó Np238 lại phát ra hạt b (bêta) để trở thành hạt nhân mới Pu238.

Sự xuất hiện nguyên tố mới, Plutonium, xảy ra như vậy đó. G. Seaborg đầy cảm xúc khi viết kể lại thời khắc “trở dạ” của nguyên tố Plutonium (Pu): Thời khắc bắt gặp hạt nhân Pu đầu tiên, tất cả bỗng lặng đi, rồi vỡ oà, ôm nhau chúc mừng trong niềm vui khôn tả. Họ vội về nhà vùi trong cơn khát ngủ đã bao ngày đêm.

Đó là đêm kỳ diệu trong cuộc đời khoa học của G. Seaborg. Vì với ông, nguyên tố Plutonium là phát minh quan trọng đầu tiên của đời mình. Cũng với phát minh đó ông đã sớm được sánh vai với nhà vật lý Edwin McMillan nhận Giải Nobel danh giá về Hoá học năm 1951.

Từ hạt nhân Pu235 đến quả bom nguyên tử

Điều khá bất ngờ là phát minh Pu lại có ý nghĩa quá hệ trọng đối với nhân loại.

Thực vậy, chỉ khoảng một tháng sau phát minh nguyên tố Plutonium, Seaborg phát hiện ra một tính chất đặc biệt quan trọng của một trong những hạt nhân đồng vị của Plutonium, đồng vị Pu239. Tương tự với hạt nhân U235 đã biết, hạt nhân mới Pu239 cũng bị phân chia bởi hạt nơtron, để sinh thêm 2 nơtron mới và phát ra một năng lượng hạt nhân rất lớn.

Quả bom nguyên tử mang biệt danh "Fatman" được ném xuống Nagasaki vào ngày 9/8/1945

Rõ ràng, với phát hiện này, Plutoni bên cạnh Urani, sẽ trở thành nguồn nhiên liệu hạt nhân dồi dào cho nhân loại. Nhưng, đáng tiếc, trong bi kịch của lịch sử thế giới thời đó, trước khi phục vụ đời sống nhân loại như một nguồn nhiên liệu quý gía, Pu239 đã sớm trở thành chất nổ cho bom nguyên tử (bom A).

Với các phát minh vang dội, Seaborg đã được gọi tham gia trực tiếp vào dự án bí mật vừa mới thành lập, dự án Manhattan. Ông được điều đến phụ trách Phòng thí nghiệm kim loại học của Đại học Chicago, tham gia cùng Enrico Fermi chế tạo bom nguyên tử. Ở đây họ xây dựng công nghệ tách chiết Pu239 với khối lượng lớn từ quá trình phân hạch của Uranium trong lò phản ứng đầu tiên của nước Mỹ và cũng là đầu tiên của thế giới.

Trong trường hợp này, Pu239 sinh ra trong quá trình:

U238(n,γ)U239 —b® Np239 —b®  Pu239

Quá trình xảy ra như sau: hạt nhân U238 bắt một nơ trôn chậm và trở thành hạt nhân U239. Gần như tức thời, hạt nhân mới này phát ra liên tiếp 2 hạt b (bêta) để hoá thân thành một hạt nhân hoàn toàn mới, một đồng vị khác của nguyên tố Plutoni: Pu239.

Sau 3 năm làm việc căng thẳng, mỗi ngày 12 giờ, tập thể của Seaborg đã thu được một lượng Pu đủ chế tạo 3 quả bom nguyên tử. Quả bom Plutonium thả xuống thành phố Nagasaki (Nhật bản) là một trong những quả bom Plutonium như thế.

Do trong tự nhiên hầu như không tồn tại nguyên tố Plutonium, ngược lại có rất nhiều đồng vị U238, nên phương pháp điều chế Pu239 theo nguyên lý nói trên là tối ưu nhất.

Và cũng vì vậy, với mục tiêu chế tạo Plutonium ở quy mô công nghiệp, hiện nay, lò phản ứng với chất làm chậm nước nặng là công cụ lý tưởng nhất so với mọi loại lò phản ứng hạt nhân khác. Trong loại lò này chỉ dùng Uranium tự nhiên (không cần làm giàu) để làm nhiên liệu. Nước nặng (D2O) đóng vai trò làm chậm các nơtron nhanh sinh ra trong quá trình hoạt động của lò phản ứng, tạo thuận lợi cho sự biến đổi hạt nhân U238 thành hạt nhân Pu239.

Đến đây, độc giả đã rõ tại sao lời tuyên bố của Iran về ý định xây dựng lò phản ứng hạt nhân nước nặng lại gây nên sự quan ngại sâu sắc và sự phản ứng mạnh mẽ của nhiều nước liên quan đến vậy.

Trần Thanh Minh