Báo cáo bài tập lớn Đề tài vũ khí hạt nhân

Nhóm chúng em xin trình bày các nội dung: lịch sử phát triển, phân loại vàcấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách sử dụng, các phương trình vật lý liên quan, mô phỏng về vũ khí hạt nhân.. LỊC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: VŨ KHÍ HẠT NHÂN

MÔN VẬT LÝ 2LỚP P02 – HK 241

Giảng viên hướng dẫn: TS Đậu Sỹ Hiếu

Danh sách nhóm

Thành phố Hồ Chí Minh - Tháng 11 năm 2024

BÁO CÁO PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ VÀ KẾT QUẢTHỰC HIỆN ĐỀ TÀI CỦA TỪNG THÀNH VIÊN

quả

Các phươngtrình vật lý

và mô phỏng

100%

2 Huỳnh Ngọc Thanh Trúc 2313690

Các phươngtrình vật lý

LỜI MỞ ĐẦUNăng lượng hạt nhân là một trong những thành tựu quan trọng nhất của khoahọc hiện đại, mang lại tiềm năng to lớn trong nhiều lĩnh vực Nó không chỉ được

sử dụng để sản xuất điện, cung cấp nguồn năng lượng sạch và hiệu quả, mà cònứng dụng trong y học, nông nghiệp, và công nghiệp Tuy nhiên, một trong nhữngứng dụng gây tranh cãi nhất của năng lượng hạt nhân là việc chế tạo vũ khí hạtnhân

Vũ khí hạt nhân là biểu tượng của sức mạnh quân sự, nhưng cũng là mối đedọa nghiêm trọng đến hòa bình và an ninh toàn cầu Việc sở hữu và phát triểnloại vũ khí này đã dẫn đến cuộc chạy đua vũ trang, tăng cường căng thẳng quốc

tế và nguy cơ tiềm ẩn của thảm họa hủy diệt Vậy từ đâu mà vũ khí hạt nhânđược khám phá và chế tạo? Sức mạnh của nó có thể lớn đến mức nào mà khiến

cả nhân loại phải e sợ nếu sử dụng nó?

Nhóm chúng em xin trình bày các nội dung: lịch sử phát triển, phân loại vàcấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách sử dụng, các phương trình vật lý liên quan,

mô phỏng về vũ khí hạt nhân

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện bài báo cáo, nhóm chúng em đãnhận được rất nhiều sự quan tâm và giúp đỡ tận tình các quý thầy cô, bạn bè.Xin được chân thành gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Đậu Sỹ Hiếu đã tậntình giảng dạy và giúp đỡ các bạn sinh viên thực hiện bài báo cáo này Sự hướngdẫn của thầy là nguồn động lực to lớn để nhóm chúng em có thể hoàn thành bàibáo cáo

Tuy chúng em đã dành thời gian dày công nghiên cứu nhưng chắc chắn vẫncòn sai sót trong bài báo cáo Chúng em mong nhận được sự góp ý từ Thầy đểchúng em hoàn thiện hơn trong những lần sau

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

1 Phân loại và cấu tạo vũ khí hạt nhân 3

1.1 Vũ khí phân hạch 3

1.2 Vũ khí nhiệt hạch (bom H hoặc bom nhiệt hạch) 4

2 Nguyên lý hoạt động 5

2.1 Phản ứng phân hạch (Atomic weapons) 5

2.2 Phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear weapons) 6

2.3 Phản ứng dây chuyền (Neutron Weapons) 7

3 Cách sử dụng vũ khí hạt nhân 7

3.1 Vũ khí phân hạch (Fission Weapons) 7

3.2 Vũ khí nhiệt hạch 8

4 Ưu điểm và nhược điểm 9

CÁC PHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ PHỎNG 11 1 Các phương trình vật lý 11

1.1 Bom A 11

1.2 Bom H 11

1.3 Khối lượng tới hạn của hạt nhân 12

2 Mô phỏng 13

2.1 Vụ nổ Trinity và Tsar Bomba 13 2.2 Quỹ đạo bay của chiếc B-29 "Enola Gay" khi thả "Fat Man" 17

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Phân hạch hạt nhân - Bom nguyên tử đầu tiên

Năm 1938, các nhà khoa học Đức đã phát hiện ra sự phân hạch hạt nhânUranium, sau đó tiềm năng phản ứng dây chuyền tự duy trì được biết tới TrongThế Chiến II, vì không muốn Đức Quốc Xã dẫn trước về công nghệ vũ khí, Hoa

Kỳ đã thành lập dự án Manhattan, tiêu tốn hơn 2 tỷ USD trong 4 năm, nhằmnghiên cứu và chế tạo bom nguyên tử

Năm 1942, lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới do Enrico Fermi vậnhành đã thành công sản xuất và kiểm soát phản ứng dây chuyền phân hạchthành công đầu tiên Năm 1943, phòng thí nghiệm của Oppenheimer được giaonhiệm vụ biến cách thức hoạt động của bom nguyên tử trên lý thuyết, chuyểnđổi thành 1 vũ khí thực tế có thể thả từ máy bay và phát nổ Năm 1945, Hoa

Kỳ chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên sử dụng sự phân hạch uranium-235 vàplutonium-239 có tên The Gadget

Tháng 7 năm 1945, ở sa mạc New Mexico, cuộc thử nghiệm Triniti cho nổThe Gadget diễn ra Quả bom được nâng lên đỉnh của một tòa tháp thép cao 30mét và thả xuống, tạo ra sức nổ tương đương 21.000 tấn TNT Tòa tháp bị bốchơi hoàn toàn và bề mặt sa mạc xung quanh bị nung chảy thành thủy tinh trongbán kính 730m 1 tháng sau cuộc thử nghiệm đầu tiên, 2 quả bom A lần lượt làLittle Boy và Fat Man được thả xuống Hiroshima và Nagasaki (Nhật Bản) Haiquả bom đã khiến hơn 100.000 người thiệt mạng ngay lập tức và 100.000 ngườikhác bị thương Nhật Bản buộc phải đầu hàng

Phản ứng nhiệt hạch - Chiến tranh Lạnh

Trong chiến tranh Lạnh, vũ khí nhiệt hạch (bom H), sử dụng 2 đồng vị củaHidro gồm Deuterium và Tritium, là loại bom mạnh hơn bom nguyên tử nhiềulần.Việc thử nghiệm thành công bom H vào năm 1952 (với tên gọi "Mike")

đã đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của vũ khí hạt nhân.Năm 1961, tại đảo Novaya Zemlya, Liên Xô đã thử nghiệm quả bom nhiệt hạchTsar Bomba (RDS-220), tạo ra sức mạnh lớn nhất từ trước đến nay với hơn 50megatons Cấu hình Teller-Ulam là nền tảng để phát triển bom nhiệt hạch,trong đó phản ứng phân hạch ban đầu tạo ra nhiệt và áp suất đủ để kích hoạtphản ứng tổng hợp hạt nhân, tạo ra sức mạnh mạnh mẽ hơn Những cải tiến từcấu hình Teller-Ulam giúp phát triển đầu đạn nhiệt hạch để triển khai trên tênlửa đạn đạo liên lục địa (ICBM) Hệ thống phóng từ tàu ngầm (SLBM) được xâydựng để giúp phóng các tên lửa chứa đầu đạn hạt nhân

Trong cuộc chạy đua vũ khí này, ghi nhận kho vũ khí hạt nhân của Hoa Kỳđạt đến đỉnh điểm vào năm 1966, với hơn 32.000 đầu đạn, Liên Xô đạt đỉnh điểmvới khoảng 33.000 đầu đạn hoạt động vào năm 1988

Sau chiến tranh Lạnh

Các cuộc đàm phán kiểm soát vũ khí giữa Hoa Kì và Liên Xô bắt đầu vàonăm 1982 nhằm giảm kho vũ khí gồm đầu đạn hạt nhân, tên lửa, máy bay của

2 quốc gia Hiện nay, gần 4 thập kỉ trôi qua, số lượng vũ khí trong kho dự trữquân sự của Hoa Kỳ và Nga lần lượt là 4.380 đầu đạn và 3.708 đầu đạn NgoàiNga và Hoa Kỳ, các quốc gia gồm Pháp, Trung Quốc, Anh, Israel, Pakistan, Ấn

Độ, Triều Tiên cũng sở hữu vũ khí hạt nhân

– Beryllium: Nhẹ và hiệu quả trong việc phản xạ neutron.

– Graphite: Rẻ hơn nhưng ít hiệu quả hơn beryllium

– Uranium tự nhiên (U-238)

Lớp tamper (Inertial Tamper)

– Tungsten (W): Nặng, bền và chịu nhiệt tốt

– Chì (Pb): Hiệu quả và rẻ hơn

– Uranium tự nhiên (U-238)

Lớp bảo vệ nhiệt (Thermal Protection Layer)

– Vật liệu cách nhiệt chuyên dụng như composite chịu nhiệt cao.Lớp bảo vệ cơ học (Structural Shell)

– Thép hợp kim: Đảm bảo độ bền và khả năng chống chịu va đập.– Nhôm: Nhẹ nhưng vẫn đảm bảo độ cứng

Lớp bảo vệ bên ngoài (Outer Casing)

– Kim loại không gỉ (Stainless Steel): Austenitic, Ferritic,

– Composite vật liệu nhẹ: Sợi thủy tinh, Sợi carbon, .

Lớp hấp thụ phóng xạ (Radiation Shielding Layer)

– Chì (Pb): Hấp thụ tốt bức xạ gamma

– Vật liệu composite chứa boron: Boron carbide (B4C), Borate (B2O3 hoặc

N a2B4O7),

Hệ thống gắn kết và bảo vệ an toàn (Safety and Mounting System)

– Kim loại chịu lực cao giúp đảm bảo an toàn và độ ổn định cơ học: Uranium,Graphite (Cacbon dạng tinh thể), Beryllium (Be),

b Dạng súng (Gun-Type Fission Weapon)

Khối vật liệu phân hạch: Thường là uranium-235, vì nó dễ dàng phân hạch khihấp thụ neutron chậm Uranium-235 được làm sạch ở mức độ cao để tăng hiệusuất

Thuốc nổ hóa học: Cung cấp lực đẩy để bắn khối vật liệu phân hạch di chuyểnđến khối cố định

Nòng súng: Một ống dài, đóng vai trò dẫn hướng để khối vật liệu di chuyểnchính xác đến vị trí cần thiết

Neutron initiator: Một thiết bị phát neutron tại đúng thời điểm hai khối nium kết hợp, đảm bảo phản ứng dây chuyền bắt đầu ngay lập tức

ura-Vỏ bảo vệ: Bảo vệ các thành phần bên trong và duy trì cấu trúc của vũ khítrong quá trình vận chuyển và sử dụng

1.2 Vũ khí nhiệt hạch (bom H hoặc bom nhiệt hạch)

Hình 2: Cấu trúc vũ khí nhiệt hạch

Lõi phân hạch (Fission Core): Chứa uranium-235 hoặc plutonium-239 Chất

nổ hóa học (Chemical Explosives): TNT (Trinitrotoluene), RDX lene Trinitramine), HMX (Cyclotetramethylene Tetranitramine),

Kích hoạt tritium (Tritium Booster)

Vỏ bọc bên ngoài (Casing):

– Thép không gỉ (Stainless Steel)

– Hợp kim nhôm (Aluminum Alloy)

– Titanium

– Lớp phủ polymer hoặc cao su tổng hợp để chống ăn mòn

2 Nguyên lý hoạt động

2.1 Phản ứng phân hạch (Atomic weapons)

Phân hạch hạt nhân là phản ứng trong đó hạt nhân của một nguyên tửphân tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn Quá trình phân hạch thườngtạo ra các photon gamma và giải phóng một lượng năng lượng rất lớn ngay cảtheo tiêu chuẩn năng lượng của sự phân rã phóng xạ

Hình 3: Phản ứng phân hạch

Sau rất nhiều cuộc thí nghiệm thì các nhà khoa học đã phát hiện ra

Uranium-235 và Plutonium là những nguyên tố phù hợp nhất để thực hiện phản ứngphân hạch Bom nguyên tử lấy năng lượng từ chuỗi các phản ứng phân hạch dâychuyền, càng nhiều phản ứng xảy ra, sức công phá càng lớn

Little Boy là quả bom đầu tiên được thả xuống thành phố Hiroshima, sửdụng nguyên lý gun-triggered (kích nổ theo nguyên lý hoạt động của súng) vớinguyên liệu là Uranium-235 Khi cần kích nổ, bộ phận khai hỏa sẽ đẩy các vòng

Uranium va chạm với nhau hình thành chuỗi phản ứng phân hạch dây chuyền,tích tụ một lượng cực lớn năng lượng sau đó phát nổ.

Hình 4: Bom nguyên tử Little Boy

Quả thứ 2 Fat man được thả sau có cùng nguyên lý nhưng với lượng nguyênliệu được nén to hơn

2.2 Phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear weapons)

Hình 7: Đầu đạn nhiệt hạch

Sự phát triển của bom Hydro có từ những năm 1940 trong Dự án Manhattan.Edward Teller, một nhà vật lý nghiên cứu về phân hạch hạt nhân, đã phát triểnmối quan tâm đến việc mở rộng quy mô một vụ nổ hạt nhân bằng cách sử dụngHydro làm nhiên liệu Ông và những người khác gọi phát minh chưa được khámphá này là "Super", do tiềm năng hủy diệt chưa từng có của nó.

Thiết kế chính xác của loại vũ khí này vẫn là bí mật quốc gia, nhưng hầu hếtcác chuyên gia tin rằng quả bom được thiết lập theo hai giai đoạn: Giai đoạnchính, phân hạch, kích hoạt giai đoạn thứ cấp, hợp nhất Kết quả là một vụ nổcực kỳ mạnh mẽ và về mặt lý thuyết là vô hạn

– Giai đoạn 1: Phân hạch hạt nhân

– Giai đoạn 2: Phản ứng tổng hợp hạt nhân: Phản ứng tổng hợp hạt nhântạo ra năng lượng bằng cách kết hợp hai đồng vị của hydro — deuterium vàtritium — để tạo ra heli

2.3 Phản ứng dây chuyền (Neutron Weapons)

Nguyên lý hoạt động của bom neutron dựa trên các phản ứng dây chuyền phânchia và tổng hợp hạt nhân

Phản ứng dây chuyền phân chia hạt nhân có tác dụng nung nóng các chất banđầu lên đến vài chục triệu độ C, tạo điều kiện cho phản ứng tổng hợp hạt nhânxảy ra sau đó Như vậy, thực chất bom neutron chính là một loại bom nhiệt hạchcông suất nhỏ (đương lượng nổ cỡ 1 kT)

Hình 8: Tên lửa Sprint cùng đầu đạn neutron W-66

3 Cách sử dụng vũ khí hạt nhân

3.1 Vũ khí phân hạch (Fission Weapons)

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị

– Kiểm tra cấu hình:

+ Đảm bảo vật liệu phân hạch (Uranium-235 hoặc Plutonium-239) đang

ở trạng thái dưới tới hạn để ngăn phản ứng dây chuyền xảy ra ngoài ýmuốn

+ Kiểm tra hệ thống chất nổ và bộ phát neutron (nếu có).

– Xác định mục tiêu tấn công và chọn vị trí triển khai vũ khí

– Điều chỉnh các tham số như độ cao nổ (nếu là bom không tiếp đất)

Bước 3: Kích hoạt thiết bị

– Kích nổ chất nổ thông thường:

+ Kiểu súng: Chất nổ đẩy hai khối phân hạch va chạm, tạo thành khối siêutới hạn

+ Kiểu nổ: Chất nổ nén lõi phân hạch vào trạng thái siêu tới hạn

– Khởi động phản ứng dây chuyền:

+ Bộ phát neutron giải phóng neutron, kích hoạt phản ứng phân hạch liêntục

Bước 4: Đánh giá hậu quả

– Vụ nổ giải phóng:

+ Sóng xung kích

+ Bức xạ gamma và neutron gây sát thương tức thời

+ Mưa phóng xạ gây ô nhiễm môi trường lâu dài

3.2 Vũ khí nhiệt hạch

Bước 1: Chuẩn bị thiết bị

– Kiểm tra cấu hình:

+ Giai đoạn sơ cấp bao gồm lõi phân hạch được bao quanh bởi chất nổthông thường

+ Giai đoạn thứ cấp chứa nhiên liệu nhiệt hạch (Lithium Deuteride) và lớp

vỏ tăng cường (nếu có)

– Lắp ráp thiết bị:

+ Gắn kết các phần tử chính xác để đảm bảo giai đoạn sơ cấp có thể kíchhoạt giai đoạn thứ cấp

Bước 2: Đặt mục tiêu và cấu hình

– Xác định mục tiêu và thiết lập khoảng cách an toàn cho lực lượng vận hành.Bước 3: Kích hoạt hệ thống

– Kích nổ giai đoạn sơ cấp: Chất nổ mạnh nén lõi phân hạch vào trạng tháisiêu tới hạn, kích hoạt phản ứng dây chuyền phân hạch

– Truyền năng lượng tới giai đoạn thứ cấp: Bức xạ X từ giai đoạn sơ cấp nungnóng ống dẫn bức xạ, tạo sóng xung kích nén nhiên liệu nhiệt hạch

– Kích hoạt phản ứng tổng hợp: Áp suất và nhiệt độ cực cao khiến hạt nhânDeuterium và Tritium hợp nhất, tạo Helium và giải phóng năng lượng khổnglồ

– Tăng cường phản ứng (nếu có vỏ Uranium nghèo): Neutron từ phản ứng tổnghợp kích hoạt thêm phân hạch ở lớp vỏ, tăng sức công phá

Bước 4: Đánh giá hậu quả

– Vụ nổ giải phóng:

+ Nhiệt độ hàng triệu độ C, thiêu rụi mọi thứ trong bán kính lớn

+ Sóng xung kích cực mạnh phá hủy diện rộng

+ Bức xạ ion hóa và mưa phóng xạ gây ô nhiễm lâu dài

4 Ưu điểm và nhược điểm

Loại vũ khí Ưu điểm Nhược điểm

Bom A Đơn giản, dễ chế tạo và sử dụng

Tạo ra một vụ nổ cực mạnh, cóthể tiêu diệt mục tiêu lớn nhưthành phố, căn cứ quân sự

Dễ dàng triển khai và tấn công

từ xa bằng máy bay hoặc tên lửa

Sức công phá mạnh nhưng khôngthể so với Bom H, hạn chế trongviệc gây tàn phá diện rộng.Hậu quả phóng xạ lâu dài, gâyảnh hưởng nghiêm trọng đến sứckhỏe con người và môi trường.Đôi khi không đủ mạnh để đốiphó với các mục tiêu có sự bảo

vệ cao hoặc yêu cầu sức tấn côngcực lớn

vệ chắc chắn

Hợp hạch (fusion) giúp tăngcường năng lượng tấn công so vớiphân hạch đơn thuần của BomA

Chi phí chế tạo và duy trì rấtcao

Công nghệ chế tạo phức tạp, đòihỏi nhiều nguồn lực và kỹ thuậtcao

Dễ gây ra sự leo thang khôngkiểm soát và có thể dẫn đếnchiến tranh hạt nhân toàn diện

Bom N Phù hợp với các cuộc xung đột

khu vực hoặc chiến tranh hạnchế, có thể sử dụng để tiêu diệtmục tiêu quân sự cụ thể

Sức công phá thấp hơn, nhưngvẫn đủ để tiêu diệt các mục tiêuquan trọng mà không gây thiệthại quá lớn

Chi phí thấp hơn so với Bom A

và Bom H, dễ dàng duy trì vàtriển khai

Dễ dẫn đến leo thang thànhchiến tranh toàn diện nếu khôngkiểm soát tốt

Tác động lâu dài đến sức khỏe

và môi trường dù mục tiêu có bịtấn công cụ thể

Dễ dàng bị sử dụng trong cáccuộc chiến tranh khu vực, tạo racăng thẳng quốc tế

CÁC PHƯƠNG TRÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ PHỎNG

1 Các phương trình vật lý

1.1 Bom A

Giải phóng năng lượng nhờ quá trình phân hạch

– Bằng cách hấp thụ neutron sinh ra từ Berylium-9, hạt nhân Plutonium-239đạt khối lượng tới hạn qua phản ứng:

239

94 P u +10n → 13454 Xe +10340 Zr + 3 ×10n (1)Năng lượng tỏa ra đối với một hạt nhân Plutonium-239:

∆EP u = [(3mn + mZr + mXe) − (mP u + mn)] × c2 (2)Trong khối Plutonium-239 khối lượng MP u có số hạt:

NP u = MP u

µP u × NA (3)– Sau khi Plutonium-239 giải phóng neutron, Uranium-235 hấp thụ neutron vàtỏa năng lượng theo phản ứng:

235

92 U +01n → 9236Kr +14156 Ba + 3 ×01n (4)Năng lượng tỏa ra đối với một hạt nhân Uranium-235 là:

∆EU = [(3mn+ mZr + mBa) − (mU + mn)] × c2 (5)Trong khối Uranium-235 khối lượng MU có số hạt:

NU = MU

µU × NA (6)– Khi đó, quả bom sẽ tỏa ra một năng lượng tương đương:

∆ET = NU × ∆EU + NP u × ∆EP u (7)Năng lượng chủ yếu từ hai hạt nhân trên

1.2 Bom H

Giải phóng năng lượng nhờ quá trình nhiệt hạch (chủ yếu) và cả phân hạch.– Quả bom Hydrogen bao gồm cả bom A và bom H

– Thực hiện phản ứng nhiệt hạch bao gồm 2 việc:

+ Đun nóng lõi Deuterua Liti (LiD) lên 100 triệu độ, kèm việc hấp thụneutron tạo ra Triti qua phản ứng:

6

3LiD +01n → 42He +31H (8)