Tìm hiểu về vũ khí hạt nhân và sức mạnh hủy diệt sự sống

Hai quả bom nguyên tử được thả xuống thành phố Hiroshima và Nagasaki vào năm 1945 đã đánh dấu sự chấm hết của Thế chiến thứ II. Tuy nhiên nỗi kinh hoàng mà nó để lại không bao giờ bị lãng quên, một sức mạnh hủy diệt chưa từng có trước đây cộng thêm sự ảnh hưởng của phóng xạ đã khiến bom nguyên tử trở thành loại vũ khí hủy diệt đáng sợ nhất từ trước đến nay.

Sau Thế chiến thứ II, cuộc chạy đua vũ trang giữa Mỹ và Liên Xô trong cuộc chiến tranh lạnh bắt đầu từ năm 1945 đến cuối những năm 1980. Cả hai bên đã bỏ ra những khoản đầu tư khổng lồ để nghiên cứu và sản xuất vũ khí hạt nhân. Và từ đó cho đến nay, mối hiểm họa về chiến tranh hạt nhân vẫn luôn rình rập.

 

Sau chiến tranh lạnh, Liên Xô sụp đổ, mối quan hệ giữa Mỹ và Nga được cải thiện và hai nước cũng cam kết cắt giảm vũ khí hạt nhân. Một loạt các hiệp ước được ký kết, trong đó mục tiêu chính là giảm và hạn chế các đầu đạn hạt nhân mà mỗi nước sở hữu. Tuy nhiên không phải vì thế mà mối đe dọa từ chiến tranh hạt nhân chấm dứt, các quốc gia như Triều Tiên vẫn liên tục thử nghiệm các vũ khí hạt nhân. Mỹ, Nga và Trung Quốc cũng có thể tấn công bất kỳ mục tiêu nào trên thế giới bằng đầu đạn hạt nhân. Thứ vũ khí hủy diệt đã có nhiều thay đổi khác xa với hai quả bom cách đây gần nửa thế kỷ.

Cấu trúc nguyên tử và phóng xạ

Trước khi tìm hiểu nguyên lý và cấu tạo của một quả bom nguyên tử, chúng ta hãy cùng ôn lại một chút kiến thức về nguyên tử và phóng xạ, vì đây chính là nguyên lý để tạo ra sức mạnh hủy diệt đáng sợ của vũ khí hạt nhân.

 

Một nguyên tử được cấu tạo bởi ba hạt là proton, neutron và electron. Trung tâm của nguyên tử là hạt nhân, bao gồm proton (mang điện tích dương) và neutron (không mang điện tích). Electron bay xung quanh hạt nhân và mang điện tích âm.

Số lượng các hạt bên trong nguyên tử ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của nguyên tử đó. Nếu thay đổi số proton bạn sẽ có một nguyên tử khác hoàn toàn. Nếu thay đổi số neutron bạn sẽ có một đồng vị mới của nguyên tố đó. Ví dụ nguyên tử carbon-12 (6 proton và 6 neutron) thường thấy và ổn định, carbon-13 (6 proton và 7 neutron) ít thấy nhưng vẫn ổn định, carbon-14 (6 proton và 8 neutron) ít thấy và không ổn định, dễ phân rã.

 

Trong ví dụ trên có thể thấy một số đồng vị của nguyên tố là ổn định, một số khác không ổn định và dễ bị phân rã hay còn gọi là bức xạ. Hiện tượng phân rã phóng xạ là hiện tượng các hạt nhân của đồng vị không ổn định tự giải phóng các hạt ra khỏi chính nó, gọi là bức xạ. Hiện nay có ba loại phân rã phóng xạ là:

Phân rã Alpha: một hạt nhân giải phóng 2 proton và 2 neutron liên kết với nhau được gọi là một hạt Alpha.

Phân rã Beta: một hạt neutron phân rã thành một proton, một electron và một phản neutrino gọi là một hạt Beta.

Phân hạch: một hạt nhân bị chia thành hai phần. Trong quá trình này nó có thể tạo ra một vụ nổ năng lượng điện được biết đến như tia gamma. Tia gamma là loại duy nhất của bức xạ hạt nhân đến từ năng lượng thay vì các chuyển động.

Phản ứng phân hạch

Bom nguyên tử hay còn gọi là bom hạt nhân bởi sức mạnh hủy diệt của nó bắt nguồn từ chính những hạt nhân nhỏ bé này. Có hai cách cơ bản để năng lượng hạt nhân có thể phát ra từ các nguyên tử: phản ứng phân hạch và phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong đó, phản ứng tổng hợp là sức mạnh tái sinh từ năng lượng mặt trời, còn phản ứng phân hạch là sức mạnh hủy diệt sử dụng trong bom nguyên tử.

 

Phản ứng phân hạch được phát hiển bởi nhà vật lý người Ý Enrico Fermi vào năm 1930. Ông đã chứng minh rằng việc bắn phá các neutron có thể làm thay đổi tính chất hạt nhân và tạo nên các nguyên tố mới. Sau những nghiên cứu của Ferrmi, các nhà khoa học Đức đã sử dụng các hạt neutron bắn phá nguyên tử uranium và tạo ra một đồng vị phóng xạ mới không ổn định.

 

Sau đó các nhà khoa học tại Đại học Princeton đã phát hiện ra trong quá trình phân hạch đã dấn đến việc các neutron được sản xuất. Và các neutron tự do này có thể tiếp tục tạo ra phản ứng phân hạch khác, như vậy nó sẽ tạo ra một phản ứng dây chuyền với năng lượng nhiệt và bức xạ vô hạn. Đây chính là khởi đầu của loại vũ khí hủy diệt đáng sợ nhất từ trước đến nay.

Nhiên liệu hạt nhân

Vào tháng 3 năm 1940, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Colombia đã thử nghiệm một phản ứng dây chuyền với đồng vị uranium-235 nhưng không thành công. Sau đó, toàn bộ nghiên cứu được chuyển đến Đại học Chicago , Fermi là người đã thành công trong việc tạo ra một phản ứng dây chuyển có kiểm soát đầu tiên trên thế giới, sử dụng U-235 làm nguyên liệu.

 

Trong khi nguyên tử uranium thông thường cần tới 700 triệu năm để có thể phân rã, một sự tác động từ neutron tự do sẽ làm hạt nhân trở nên bất ổn và có thể phân rã ngay lập tức. Khi nguyên tử uranium nhận neutron tự do, nó sẽ phân rã thành hai nguyên tử đồng vị nhẹ hơn và giải phóng khoảng 2 hoặc 3 neutron mới. Quá trình này đồng thời phát ra các tia gamma bức xạ và giải phóng năng lượng.

Đồng vị U-235 được lựa chọn là do khả năng tiếp nhận neutron tự do rất cao. Quá trình tiếp nhận và phân rã xảy ra vô cùng nhanh chóng, chỉ mất khoảng 1 phần tỉ giây. Để có thể hoạt động, nguyên liệu uranium cần phải được ‘làm giàu’, nghĩa là làm tăng tỉ lệ của đồng vị U-235. Ở cấp độ vũ khí hạt nhân, đồng vị U-235 phải chiếm trên 90% nguyên liệu chính.

 

Trong năm 1941, các nhà khoa học tại Đại học California đã tìm ra loại nguyên tố thứ hai có thể làm nguyên liệu hạt nhân và đặt tên nó là plutonium. Sau đó một năm, họ đã thử nghiệm thành công phản ứng phân hạch dây chuyển với loại nguyên tố mới này.

Bom phân hạch

Trong một quả bom phân hạch, nhiên liệu phải được giữ ở mức dưới khối lượng tới hạn, ngăn không cho phản ứng dây chuyển xảy ra và tránh các vụ nổ sớm. Khối lượng tới hạn là mức khối lượng tối thiểu để đảm bảo phản ứng phân hạch có thể xảy ra và duy trì phản ứng dây chuyển.

Do đó có những thách thức đặt ra khi thiết kế một quả bom phân hạch. Đầu tiên là phải chuyển các khối lượng nhiên liệu tập trung lại với nhau để đạt mức khối lượng tới hạn. Sau đó phải có neutron tự do để kích hoạt phản ứng phân hạch. Để làm được điều này các nhà khoa học đã thiết kế một máy phát neutron nhỏ.

 

Thiết kế cũng phải đảm bảo càng nhiều nguyên liệu hạt nhân nén lại với nhau trước khi quả bom phát nổ, nhằm đảm bảo phản ứng dây chuyển không bị ngắt quãng và tận dụng được hết số nguyên liệu. Để làm được điều này, các nhà khoa học sử dụng một nguyên liệu can thiệp là U-238. Vật liệu can thiệp sẽ được làm nóng và mở rộng bởi phản ứng phân hạch tại lõi, chúng sẽ gây sức ép trở lại lõi và làm chậm quá trình phản ứng trong một thời gian ngắn. Trong lúc này, các neutron cũng bị nén trở lại lõi và nâng cao hiệu quả của phản ứng phân hạch.

Cấu tạo bom phân hạch

Cấu tạo của một quả bom phân hạch đơn giản bao gồm một đầu đạn nhỏ U-235 và một khối nguyên liệu U235 hình cầu, khi đầu đạn gặp khối nguyên liệu nó sẽ tạo nên khối lượng tới hạn và kích hoạt quá trình phản ứng phân hạch dây chuyền. Loại bom nguyên tử này được gọi là bom phân hạch Trigger, có hai loại bom phân hạch với cơ chế hoạt động khác nhau là Little Boy và Fat Man.

 

Little Boy là quả bom đã thả xuống Hiroshima với sức công phá 15 kiloton, tương đương 15.000 tấn thuốc nổ TNT. Hiệu suất của nó chỉ đạt 1,5%, tứ là chỉ có 1,5% nguyên liệu hạt nhân tham gia phản ứng. Cấu tạo của nó bao gồm một ống dài để dẫn hướng cho đầu đạn U-235 đến khối nguyên liệu. Một thiết bị cảm biến độ cao sẽ tính toán độ cao thích hợp, sau đó kích hoạt đầu đạn, đầu đạn kết hợp với khối nguyên liệu đồng thời kích hoạt máy phát điện và phản ứng phân hạch xảy ra, tạo ra một vụ nổ hủy diệt.

 

Fat Man cũng có cùng nguyên lý hoạt động nhưng cấu tạo của nó khác với Little Boy. Đây là quả bom đã thả xuống Nagasaki với sức công phá 23 kiloton và đạt hiệu suất 17%. Cấu tạo của nó bao gồm một lõi plutonium-239 bao quanh là chất nổ đặc biệt và ngoài cùng là U-235. Cơ chế hoạt động của nó là kích hoạt khối chất nổ trước, sau đó lực ép sẽ nén chặt lõi plutonium và tạo khối lượng tới hạn kích hoạt phản ứng khiến quả bom phát nổ.

Đến năm 1943, nhà vật lý người Mỹ Edward Teller đã tìm ra loại phản ứng nhiệt hạch có thể giải phóng neutron, để cung cấp cho phản ứng phân hạch với tốc độ cao hơn. Sau này nó đã trở nên phổ biến, được áp dụng vào các loại vũ khí hạt nhân hiện nay và được gọi là bom nhiệt hạch.

Bom nhiệt hạch

Như đã nói trong phần đầu, sự phân rã và hợp nhất của nguyên tử đều tạo ra lượng nhiệt và năng lượng bức xạ rất lớn. Do đó các nhà khoa học đã tự hỏi liệu quá trình tổng hợp hạt nhân có thể cho hiệu quả cao hơn. Ở nhiệt độ cao, các hạt nhân Hydro của đồng vị Đơteri và Triti có thể dễ dàng hợp nhất và giải phóng một lượng lớn năng lượng trong quá trình này. Loại vũ khí sử dụng nguyên lý này được họi là bom nhiệt hạch, hay bom Hydro (do nguyên liệu chính là đồng vị của Hydro).

 

Việc chế tạo bom nhiệt hạch cũng gặp nhiều khó khăn. Thứ nhất, Đơteri và Triti là hai loại khí và rất khó để dự trữ. Đồng vị Triti rất hiếm và không ổn định. Để phản ứng xảy ra cần cung cấp một lượng nhiệt rất lớn, bên cạnh đó phải bổ xung nhiên liệu liên tục.

Để giải quyết vấn đề đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng hợp chất Liti - Đơteri, đây là hợp chất rắn không phân rã phóng xạ ở nhiệt độ bình thường. Các nhà khoa học dựa trên một phản ứng phân hạch của Liti đề tạo ra Triti, đồng thời phản ứng phân hạch này cũng tạo ra lượng nhiệt cần thiết cho sự kết hợp giữa Triti và Đơteri.

 

Bên trong một quả bom nhiệt hạch bao gồm một quả bom phân hạch nhỏ, một lõi nhiệt hạch bao gồm một ống U-238 để làm vật liệu can thiệp, bên trong là lõi Liti - Đơteri làm nguyên liệu chính và một thanh plutoni-239 ở trung tâm.

- Khi kích hoạt sẽ làm nổ quả bom phân hạch trước, giải phóng tia X.

- Tia X cung cấp nhiệt cho lõi chính, tuy nhiên vật liệu can thiệp ngăn chặn vụ nổ sớm và ép phần lõi vào khoảng 30 lần.

- Phần lõi plutoni-239 bị ép lại đạt mức khối lượng tới hạn và kích hoạt phản ứng phân hạch tiếp theo.

- Phản ứng phân hạch này tạo ra nhiệt, bức xạ và neutron tự do.

- Các neutron này đi vào phần lõi Lithium - Đơteri, kết hợp với Liti tạo ra Triti.

- Các điều kiên nhiệt độ và áp suất lúc này đủ để Đơteri và Triti kết hợp tạo thành phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nhiều nhiệt và neutron hơn.

- Các neutron này tiếp tục gây ra phản ứng phân hạch trong U-238 và quả bom phát nổ.

 

Tất cả chỉ xảy ra trong vòng 1 phần 600 tỉ giây, tạo ra một vụ nổ với sức công phá 10.000 kiloton, mạnh hơn 700 lần so với một quả bom Little Boy.

Hậu quả và sự ảnh hưởng

Một vụ nổ hạt nhân có sức tàn phá ghê gớm, nó có thể phá hủy toàn bộ một thành phố chỉ trong vài phút. Tại tâm vụ nổ, nhiệt độ có thể lên đến 300 triệu độ C và làm mọi thứ bốc hơi ngay lập tức. Áp lực từ vụ nổ thổi bay các mảnh vỡ từ các tòa nhà cũng gây ra thiệt hại lớn cho các khu vực xung quanh bán kính trên 10 km. Tuy nhiên tác hại lớn nhất từ một vụ nổ hạt nhân là do bụi phóng xạ gây ra. Bụi phóng xạ và các bức xạ từ vụ nổ gây ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe, tăng nguy cơ bị ung thư máu, vô sinh và các dị tật bẩm sinh. Sự ảnh hưởng của bụi phóng xạ có thể kéo dài hàng chục năm.

 

Trong những năm 1980, các nhà khoa học đã đánh giá hậu quả của một cuộc chiến tranh hạt nhân (khi nhiều quả bom hạt nhân phát nổ ở các khu vực khác nhau), họ lo ngại một hiện tượng gọi là mùa đông hạt nhân có thể xảy ra. Theo đó, các vụ nổ hạt nhân sẽ làm tăng một lượng lớn các đám mây phóng xạ, chúng sẽ ngăn chặn ánh sáng mặt trời làm giảm nhiệt độ bề mặt Trái đất và giảm sụ quang hợp của cây cối. Có thể dẫn đến sự tuyệt chủng của các loài động vật do điều kiện thay đổi đột ngột và thiết thức ăn.

 

Vũ khí hạt nhân có sức mạnh hủy diệt, ảnh hưởng lâu dài và vượt quá tầm kiểm soát, đây cũng là lý do tại sao chính phủ các nước trên thế giới đang cố gắng kiểm soát và hạn chế vũ khí hạt nhân. Tuy nhiên nếu được sử dụng đúng cách phục vụ mục đích hòa bình, năng lượng nguyên tử có thể là một nguồn năng lượng thay thế vô tận.

Tham khảo: HowStuffWorks