Vì sao rất khó để sản xuất vũ khí hạt nhân?

Cuộc thử nghiệm vũ khí hạt nhân đầu tiên, có mật danh "Trinity", diễn ra tại sa mạc New Mexico, Mỹ, lúc 5h30 sáng ngày 16/7/1945.

Cuộc thử nghiệm này là bằng chứng về khái niệm khoa học hạt nhân bí mật, là một phần của Dự án Manhattan trong Thế chiến II và dẫn đến việc thả bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki, Nhật Bản, chỉ vài tuần sau đó.

Cho đến nay, công tác nghiên cứu thúc đẩy vũ khí hạt nhân không ngừng tăng tốc. Nhiều nước trên thế giới đã xây dựng kho dự trữ hạt nhân của mình, trong đó có Mỹ sở hữu hơn 5.000 đầu đạn hạt nhân.

Nhưng cho dù nội dung cốt lõi của công nghệ này không còn là bí mật, thì việc phát triển vũ khí hạt nhân vẫn là một thách thức về khoa học và kỹ thuật. Vậy tại sao vũ khí hạt nhân vẫn khó sản xuất đến vậy?

Ông Hans Kristensen - Giám đốc Dự án Thông tin hạt nhân của Liên đoàn Các nhà khoa học Mỹ - cho biết phần lớn khó khăn nằm ở chỗ phải tìm ra các nguyên tố hóa học dùng để tạo ra những vụ nổ hạt nhân.

"Nguyên tắc cơ bản của một vụ nổ hạt nhân là vật liệu phân hạch hạt nhân được kích thích để giải phóng năng lượng khổng lồ của chúng. Để sản xuất vật liệu phân hạch có độ tinh khiết và số lượng đủ là một thách thức và việc sản xuất này đòi hỏi năng lực công nghiệp rất lớn", Hans Kristensen cho biết.

Sự giải phóng năng lượng khổng lồ như vậy được gọi là phản ứng phân hạch hạt nhân. Khi phản ứng này xảy ra, các nguyên tử tách ra để giải phóng năng lượng và một phản ứng dây chuyền bắt đầu. Đây là loại phản ứng tương tự tạo ra năng lượng hạt nhân.

Làm giàu uranium và plutonium

Vật liệu phân hạch bên trong bom hạt nhân chủ yếu là các đồng vị của uranium và plutonium, là các nguyên tố phóng xạ.

Đồng vị phổ biến nhất của uranium, uranium-238 (U-238), được khai thác và sau đó trải qua quá trình làm giàu để biến đổi một phần thành một đồng vị khác là uranium-235 (U-235), có thể dễ dàng sử dụng hơn trong các phản ứng hạt nhân.

Có một cách để làm giàu uranium là biến nó thành khí và quay nó rất nhanh trong máy ly tâm. Do sự khác biệt về khối lượng giữa U-235 và U-238, các đồng vị bị tách ra và chúng ta thu được U-235.

Theo Giáo sư Matthew Zerphy, một chuyên gia về kỹ thuật hạt nhân, thì để có được uranium đạt yêu cầu cho sản xuất vũ khí, 90% mẫu U-238 cần được chuyển đổi thành U-235.

Phần khó khăn nhất của quá trình này, có thể mất nhiều tuần đến nhiều tháng, là quá trình chuyển đổi hóa học của chính nguyên tố, đòi hỏi năng lượng lớn và thiết bị chuyên dụng.

Một mối nguy hiểm hóa học trong quá trình này là khả năng giải phóng uranium hexafluoride (UF₆), một chất cực độc, nếu hít phải có thể gây tổn thương thận, gan, phổi, não, da và mắt.

Quá trình làm giàu plutonium ở cùng mức độ thậm chí còn khó khăn hơn, vì nguyên tố này không xuất hiện tự nhiên như uranium.

Thay vào đó, plutonium là sản phẩm phụ của lò phản ứng hạt nhân, có nghĩa là để sử dụng plutonium, các nhà khoa học cần xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, phóng xạ và xử lý vật liệu thông qua quá trình lắng đọng hóa học "mạnh".

Quá trình xử lý vật liệu cũng có thể gây ra rủi ro về an toàn nếu không may đạt đến khối lượng tới hạn, tức là lượng vật liệu phân hạch nhỏ nhất cần thiết để duy trì phản ứng phân hạch tự duy trì.

Giáo sư Zerphy cho biết phải rất cẩn thận để tình trạng đó không xảy ra trong quá trình sản xuất, phải đảm bảo các thành phần không vô tình va chạm vào nhau và gây ra trạng thái tới hạn, vì điều đó có thể dẫn đến một vụ nổ tai nạn.

Mặc dù các nguyên tắc khoa học về việc kết hợp các thành phần này lại với nhau đã được hiểu rõ, nhưng việc tạo ra và kiểm soát phản ứng này chỉ trong một phần giây vẫn rất khó khăn.

Các vũ khí được thiết kế sao cho khi chúng được kích nổ, một khối lượng 'siêu tới hạn' của vật liệu phân hạch được tạo ra rất nhanh chóng và chỉ trong một không gian rất nhỏ.

Điều này gây ra sự gia tăng theo cấp số nhân về số lượng phân hạch lan truyền khắp vật liệu gần như ngay lập tức. Sự lan truyền nhanh chóng của phản ứng phân hạch nguyên tử là một phần quan trọng khiến phản ứng hạt nhân trở nên có tính hủy diệt cao.

Trong trường hợp vũ khí nhiệt hạch, được phát triển sau Thế chiến II và sử dụng sự kết hợp của cả phản ứng phân hạch và hợp hạch hạt nhân để tạo ra một vụ nổ mạnh hơn, phản ứng phân hạch tiêu chuẩn đi sau phải tạo ra phản ứng hợp hạch thứ cấp và mạnh hơn.

Phản ứng hợp hạch này là cùng loại năng lượng được tìm thấy ở trung tâm của Mặt Trời.

Thử nghiệm vũ khí hạt nhân

Khi những vũ khí này được tạo ra, các nhà khoa học phải khẳng định được chúng sẽ hoạt động như mong muốn. Sau khi một vũ khí hạt nhân được tạo ra, họ sẽ tự thử nghiệm nó tại các địa điểm thử nghiệm.

Trên thực tế, những vụ thử này đã tàn phá môi trường tại chỗ, gây tác hại nghiêm trọng cho con người và động vật sống gần đó. Gần đây, thử nghiệm vũ khí hiện đại còn dựa vào các mô hình máy tính. Ở Mỹ, công việc này do Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia (NNSA) thực hiện.

NNSA phát triển các công cụ để đánh giá thành phần vũ khí và chứng nhận vũ khí, đảm bảo khả năng hoạt động và hiệu quả của chúng trong nhiều tình huống khác nhau.

Việc này liên quan đến các công cụ mô phỏng tiên tiến sử dụng hệ thống siêu máy tính, khoa học vật liệu và kỹ thuật chính xác để đảm bảo vũ khí hoạt động như mong muốn.

Như vậy, tính phức tạp cũng như khó khăn trong việc chế tạo những loại vũ khí này giải thích vì sao hiện nay mới có rất ít siêu cường hạt nhân trên thế giới.