Luận văn Tìm hiểu vũ khí hủy diệt

Vũ khí hạt nhân xuất hiện làm cho cuộc chạy đua vũ trang giữa các nước trên thế giới diễn ra ào ạt nhằm chiếm địa vị thống trị của mình trước nhân loại.Bên cạnh đó các công trình chế tạo

PHẦN MỞ ĐẦU

Vũ khí là phương tiện không thể thiếu của mọi cuộc chiến tranh chính nghĩa hay phi

nghĩa.Từ khi xã hội loài người có phân chia giai cấp, lãnh thỗ thì các cuộc chiến tranh đã xảy ra, con người chế tạo các loại vũ khí thô sơ đầu tiên như: gậy gộc, giáo mác,…để phục vụ chiến tranh.Nhưng xã hội ngày càng phát triển thì chiến tranh ngày càng phức tạp và tác hại của nó ngày càng lớn hơn Từ đó ,đòi hỏi các nhà quân sự phải có các loại vũ khí chiếm được thế chiến lược trong cuộc chiến Vì vậy, các nhà khoa học đã nghiên cứu và cho ra đời nhiều loại vũ khí tối

ưu hơn Đặc biệt, bước đột phá đã xảy ra khi con người chế được quả bom nguyên tử đầu

tiên(1945) dựa vào công thức A Einstein(E=mc2), cũng với đó hàng loại vũ khí hóa học và sinh học lần lượt ra đời và đưa vào phục vụ cho chiến tranh Với các loại vũ khí mới này – vũ khí hủy diệt – không những có tác hại lớn ngay trong tận đánh mà ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống và sinh vật cảnh trên trái đất

Vũ khí hạt nhân xuất hiện làm cho cuộc chạy đua vũ trang giữa các nước trên thế giới diễn

ra ào ạt nhằm chiếm địa vị thống trị của mình trước nhân loại.Bên cạnh đó các công trình chế tạo

vũ khí hóa học, sinh học cũng lần lượt mọc lên, các cuộc thử vũ khí hạt nhân, các tai nạn trong việc sản xuất vũ khí làm thiệt hại về người và nhiều vô số kể Ngoài ra, tác hại lên môi trường màcác chất thải hạt nhân,sự tồn động chất độc hóa học, vi khuẩn kí sinh trùng từ vũ khí sinh học để lại cong kéo dài hàn chục năm sau làm cho nhiều thế hệ sau phải gánh chịu

Ngày nay, vũ khí hạt nhân tăng lên một cách khá nhanh và vượt cả những yêu cầu về mặt quân sự Nó đe dọa đến đời sống nhân loại car hành tinh này.Người ta ước tính trong 17 năm (1945-1962) thì mỗi năm tăng lên khoảng 5900 đầu đạn hạt nhân.Chính vì vậy, các nhà bác học chân chính lo sợ nguy cơ dẫn đến các cuộc chiến tranh hạt nhân nên học tìm mọi cách để đấu tranh bài trừ vũ khí hạt nhân khỏi đời sống nhân loại.Tuy nhiên họ chỉ có thể làm cho các quốc gia ngồi vào bàn đàm phán hạn chế vũ khí hạt nhân vào năm 1963.Và sau đó là hiệp ước cấm phổbiến vũ khí hạt nhân (TNP) vào năm 1968 ra đời nhằm hạn chế bớt số đầu đạn hạt nhân không cần thiết

Bên cạnh các quốc gia kí hiệp ước TNP thì cũng không ít các nước vẫn còn nghiên cứu vũ khí hạt nhân,vấn đề này đang là một trong những vấn đề toàn cầu mà cần có sự giải quyết toàn diện.Mặt khác, ranh giới giữa hạt nhân vì hòa bình (năng lượng) và hạt nhân vì chiến tranh vẫn chưa được phân định rõ ràng cũng là một trong những nguyên nhân gây nên mọi sự bất ổn trên thế giới hiện nay.Các quốc gia trong hội đồng bả an LHQ (Anh, Pháp, Mỹ, Nga, Trung Quốc) cũng phải tìm cách ngăn chặn bằng vũ trang hoặc bằng thỏa hiệp để tránh cuộc chiến tranh hạt nhân bùng nổ

Trong thời đại ngày nay, vấn đề vũ khí hạt nhân, hóa học, sinh học còn diễn biến vô cùng phức tạp, nó là vấn đề thời sự nóng bỏng toàn cầu thu hút tất cả mọi giới, mọi ngành, mọi tầng lớp nhân dân chú ý, quan tâm cùng nhau tìm ra các phương pháp giải quyết.

Chính vì vậy em chọn đề tài “TÌM HIỀU VŨ KHÍ HỦY DIỆT” đề nghiên cứu và tiếp cận

hơn với vấn đề của mọi thời đại

Vũ khí hạt nhân ra đời cũng khá lâu (1945-2007) nhưng cấu tạo cụ thể của nó như thế nào thì không được công bố, những thông tin mà chúng ta biết được qua báo đài chỉ là về mặt nguyêntắc

Trong hơn nữa thế kỉ qua, các nước chế tạo vũ khí hạt nhân, sinh học hóa học đều nhằm mục đích quân sự, củng cố địa vị của mình trên thế giới mà chưa chú ý đến tác hại của nói đối với dân thường và môi trường Có thể trong khoảng thời gian tới cùng với sự phản đối của dân chúng toàn cầu và các hiệp ước về vũ khí hạt nhân, hóa học, sinh học đã được kí kết thì số lượng

vũ khí hạt nhân, sữ phát triển của vũ khí hóa học, sinh học sẽ được giảm xuống đắng kể hơn nữa

1 Tìm hiều về các quá trình làm giảu Uranium trong lịch sử và hiện tại dùng để phục

vụ cho công cuộc chế tạo vũ khí hạt nhân

2 Nghiên cứu cấu tạo chính của các loại vũ khí hạt nhân và tác hại chính của nó đối

với con người và xã hội

3 Tìm hiều kĩ hơn về hiệp ước cấm phổ biến vũ khí hạt nhân toàn cầu và những bất ổn

của nó trong thời đại ngày nay

4 Tìm hiểu các loại vũ khí sinh học và hóa học, tác hại của nó qua các cuộc chiến tranh

6 Tìm tại liệu trên mạng internet, tiếng hành dịch thuật các tài liệu thu thập được bằng

tiếng nược ngoài

7 Trong đổi với giáo viên hướng dẫn, với các bạn cùng lớp các vấn đề khó hiểu.

8 Tổng hợp các thông tin có được sau đó sắp xếp chúng lại thành bài luận văn hoàn

gian nghiên cứu một luận văn không nhiều (khoảng 6 – 8 tháng) mà trong khoảng thời gian đó những sinh viên năm cuối còn phải đi thực tập sư phạm 2 tháng nên công việc nghiên cứu có phân chưa được như ý và còn hạn chế.

5.2 Giới hạn chủ quan

Khi thực hiện đề tài êm vẫn còn là một sinh viên ngồi trên ghế nhà trường nên sự hiềubiết về một vấn đề xã hội mang tầm vóc quốc tế chưa được thấu đáo Các kiến thức để thực hiện đề tài chỉ nằm trong phần tổng hợp lại kiến thức đã học chứ chưa có những phát kiến cho bản thân để làm đề tài Cho nên đề tài chỉ nghiên cứu ở góc nhìn sinh viên chứ chưa thực sự ở góc nhìn nhà nghiên cứu nên có nhiều điều sai sót cũng như đề tài chỉ dừnglại ở mức độ hiều biết của bản thân

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Sau khi Einstein đưa ra công thức E = mc2 vào năm 1905 nhiều nhà vật lý lúc

đó cho là không quan trọng và học xem đây là lời nói của một người điên hơn là một phát kiến thiên tài [11, tr 112]

Đến 27 năm sau, tức là năm 1932, thì công thức của Enstein mới được kiểm chứng bằng thực nghiệm nhờ Cockcroft (1987 – 1967) và Walton (1903 - …) tại Cambridge, nước Anh Hai ông kiểm chứng bằng cách phá vỡ nguyên tử, đo khối lượng tổng cộng của các mạnh vỡ đó và thấy nó nhỏ hơn khối lượng nguyên tử ban đầu Mặt khác, hai ông còn thấy các mảnh vỡ bay đi với năng lượng rất lớn Năm 1933, Irene và Frederic Joliot – Curie đã chứng minh quá trình ngược lại đó

là sự chuyển hóa năng lượng thành khối lượng Hai ông bà đã chụp được bức ảnh cho thấy một lượng tử ánh sáng không khối lượng biến thành hai hạt mang điện ngược dấu có khối lượng chuyển động tách xa nhau

Cũng vào năm 1932, lịch sử năng lượng hạt nhân bắt đầu bằng việc phát hiện hạt neutron của James Chadwick (1891 – 1974), một nhà bác học người Anh Năm

1934, Nhà vật lý người Italia, Enrico Fermi (1901 – 1954), phát hiện ra phản ứng phân hạch khi cho neutron tương tác với Uranium Sau Fermi, một làn sóng nghiên cứ hạt nhân lan truyền khắp Châu Âu và Châu Mỹ

Đến năm 1938, ở Đức nhà hóa học Otto Hahn (1879 – 1968) và nhà vật lý học Fritz Strassmann (1902 – 1980) đã dùng nguồn neutron Ra – Be để chiếu vào Uranium, kế quả là tìm thấy được các hạt nhân nhẹ như bari trong sản phẩm của phản ứng Khi phân tích số liệu từ công trình của Otto Hahn và Fritz Strassmann, Lise Meitneir (1878 – 1968), nhà vật lý người Áo di cư đến Đan Mạch, đã thấy rằng khối lượng cảu tổng cộng cảu các sản phẩm phân hạch nhỏ hơn khối lượng Uranium lúc đầu Meitneir dùng thuyết cua Einstein để chỉ ra khối lượng bị mất đi

đã biến thành năng lượng có giá trị khoảng 200 Mev như ngày nay đã biết Sau phát hiện ra phán ứng phân hạch là phát hiện ra tích chất dây chuyền của phản ứngnày

Năm 1939, Niels Bohr (1883 – 1962), nhà vật lý nguyên tử người Đan Mạch, đến Mỹ Ông trao đổi với Eistein vầ phát hiện của Hahn – Strassmann – Meitner Bohr cũng gặp Fermi trong hội nghị vật lý lý thuyết tại Washigton và thỏa luận vầ phản ứng dây chuyền tự duy trì Các nhà khoa học trên thế giới bắt đầu tin rằng, cóthể xảy ra phản ứng dây chuyền tự duy trì và khối lượng cần thiết để xảy ra phản ứng đó được gọi là khối lượng tới hạn Năm 1941, sơ đồ lò phản ứng dây chuyền đầu tiên được thiết kế do Fermi và Leo Szilard (1898 – 1964)

Đến 3 giờ 25 phút chiều ngày 2 tháng 12 năm 1942, phản ứng dây chuyền đã được thực hiện thành công trong lò phản ứn hạt nhân đầu tiên trên thế giới,

Chicago Pile-1 Sau thành công của lò Chicago Piel-1, Các nghiên cứu hạt nhân tiếp theo chủ yếu tập trung cào việc sản suất vũ khí hạt nhân.

Ngày 16/7/1945 Mỹ chê tạo thành công bom nguyên tử và từ đó trong những năm còn lại của thập niên 40 các lò tái sinh nhằm sản xuất plutonium của Mỹ hoạt đọng chỉ để cung cấp nhiên liệu cho việc sản xuất bom hạt nhân

Sau Mỹ, Liên xô cũng chế tạo thành công bom nguyên tử 28-9-1949 Các nướckhác cũng bắt đầu lao vào nghiên cứu phát triển vũ khí hạt nhân sau chiến tranh thế giới thứ hai như: Anh, Trung Quốc, Pháp, Ấn Độ, Pakistan…

Tuy nhiên, bên cạch việc chế tạo vũ khí hạt nhân thì cũng có dự án nghiên cứu phản ứng hạt nhân sử dụng cho mục đích hòa bình Ngày 20/12/1952, nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của nhân loại được thử nghiệm thành công tại Idoha-Mỹ, sản xuất được 200 kW điện Còn tại Liên Xô, ngày 27-6-1954, nhà máy điện hạt nhân công suất 5MW được đưa vào sử dụng, nó đã mở ra một kỷ nguyên mới – kỉ nguyên về nhà máy điện hạt nhân Kể từ đó, hàng loại các nhà máy điện lần lượt rađời và được cải tiến ngày càng hiện đại và công suất ngày càng cao hơn Dự kiến đến năm 2030, các nhà máy sẽ đảm bảo được bốn yêu cầu của vấn đề hạt nhân: an toàn nội tại lò phản ứng, giảm thiểu được chất thải phóng xạ, giảm giá thành và ngăn chặn lan truyền vũ khí hạt nhân

Tóm lại, năng lượng hạt nhân chỉ mới phát hiện chưa đầy một thế kỉ mà những lợi ích cũng như những thiệt hại mà nó mang đến đã vượt qua tưởng tượng của người tìm ra nó [12,tr 88 – 93]

A  B + CTrong đó A là hạt nhân mẹ, B và C là hạt nhân con

1.2.2 Các loại phản ứng hạt nhân

Có hai loại phản ứng hạt nhân là phản ứng hạt nhân thu nhiệt và phản ứng hạt nhân tỏa nhiệt Do giới hạn của đề tài nên ta chỉ nghiên cứu hai phản ứng hạt nhân tỏa nhiệt: phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch

1.2.2.1 Phản ứng phân hạch hạt nhân

a Quá trình khám phá ra phản ứng phân hach hạt nhân

Nghiên cứu tác dụng của neutron lên uranium Fermi thấy rằng sản phẩm của các phản ứng hoàn toàn không giống với các nguyên tố ở cuối hệ thống tuầnhoàn.

Năm 1938 Curie và Savits đã tìm thấy trong sản phẩm thu được khi bắn uranium bằng các neutron là nguyên tố có tính chất hóa học trùng hoặc gần trùngvới Iantan (nguyên tố đất hiếm)

Sau đó, Hahn và Strassmann đã xác nhận trong số các sản phẩm có bari biến thành lantan với chu kì 3,5 giờ Năm 1939, Hai ông đã công bố bài báo về một loại phản ứng hạt nhân đặc biệt và thu hút được rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học kể cả lý thuyết lẫn thực nghiệm Hahn – Strassmann – Lies Meitner đã dùng neutron bắn vào uranium cũng như các nguyên tố hóa học có Z lớn hơn 92 của Uranium có hiện tượng phân hạch Sản phẩm của phản ứng phân hạch sinh ra đều có tính phóng xạ, nu\hưng rất khó biết Sau một loạt phân tích hóa học cực kỳ chính xác Hahn đã chứng minh trong sản phẩm của phản ứng cóđồng thời cả 14057Ba và 97

35La đây là những nguyên tố nhẹ hơn uranium rất nhiều

Cùng lúc ấy tại Thụy Điển, O.R.Frisch đang nghiên cứu tượng tự thấy rằng hạt Uranium lại vở thành 2 hạt khác là 3697Krvà 139

Đồ thị sau biểu diễn diễn xác suất tương đối mà các sản phẩm mang số khối

A xuất hiện trong quá trình phân hạch 238U

Hình 1.1.

Đồ thị biểu diễn xác suất xuất hiện các sản phẩm phân hạch 238U

Kèm theo quá trình phân hạch có số neutron được giải phóng bay ra Đối với 238U thì số neutron được giả phóng là 2.5, còn 235U thì số neutron là 2… Cá hạt neutron bay ra với năng lượng cực lớn Điều đó gợi ý các nhà khoa học về khả năng cho phản ứng dây chuyền và các nguồn năng lượng mới

Hình 1.2.

Mô tả phản ứng phân hạch của 235U

b Các loại phản ứng phân hạch

Có hai loại phản ứng phân hạch

9 Sự phân hạch dưới tác dụng của neutron nhiệt:

Là sự phân hạch xảy ra neutron đạn có năng lượng nhỏ khoảng cấp 10-2 eV

Ngày nay, người ta chỉ biết có các đồng vị bị phân hạch dưới tác dụng của neutronnhiệt là: 235U,238U , 239Pu và các đồng vì khác của Pu Chỉ có 235U và 239Pu được tìm thấy

có sự phân hạch trong tự nhiên, nó cũng phân hạch được với neutron nhanh, tuy nhiên xác suất phân hạch lớn hơn rất nhiều khi vận tốc neutron nhỏ

10 Sự phân hạch dưới tác dụng của neutron nhanh

Là sự phân hạch khi neutron đạn có năng lượng lớn khoảng 1 MeV

Mức năng lượng này có thẻ làm phân hạch các hạt nhân sau: 238U, 23290Th,231

91Pa và 235

93Np

c Cơ chế của phản ứng phân hạch

Để giải thích cơ chế của phản ứng phân hạch ta dùng mẫu giọt hạt nhân

Giả sử trước khi bị phân hạch hạt nhân có dạng hình cầu và phân bố đều điện tích, phân

tử này hất thụ một neutron, neutron này rơi vào một giếng thế gắn liền với lực hạt nhân

mạnh tác dụng ở bên trong hạt nhân Khi đó thế năng của nó được chuyển hóa thành nănglượng kích thích nội tại Lúc này hạt nhân bị năng lượng khích thích bên trong nên dao động mạnh Nếu năng lượng không đủ lớn dao động sẽ tắt dần và hạt nhân trở lại trạng thái ban đầu.Nếu năng lượng đủ lớn thì hạt nhân dao động mạnh hơn và sẽ phát triển thành hình thắt cổ chai Nếu điều kiện thích hợp lúc đẩy tĩnh điện sẽ tách khối cầu thành hai phần rời nhau.Các mảnh vẫn còn năng lượng kích thích nên bay ra xa nhau Và năng lượng của neutron đạn lúc đầu bằng với năng lượng tách neutron ra khỏi phân tử nghĩa là neutron đạn đã cung cấp một năng lượng bằng năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân mẹ.Để năng lượng kích thích nội tại triệt tiêu thì các hạt nhân conphari dùng năng lượng đó tách neutron ra khỏi phân tử sau khi hình thành Như vậy là sự phân hạch đã xảy ra [4,tr 123]

Hình 1.3 a Hinh1.3b Giải thích cơ chế phân hạch hạt nhân mẫu giọt

d Phản ứng dây chuyền

11 Cơ chế

Từ kết quả nghiên cứu trên, ta thấy khi dùng một neutron nhiệt bắn vào uranium thì sẽ

có từ 2-3 neutron mới được sinh ra, nếu điều kiện thích hopwjc các neutron sẽ tiếp tục bắn phá các phân tử khác và nó sẽ sinh ra phản ứng dây chuyền hay phản ứng tự duy trì Như vậy, các neutron phân hạchđóng vai trò quan troonjgtrong phản ứng dây chuyền

Giả sử một neutron ban đầu gây phân hạch sinh ra 3 neutron khác, ta gọi đó là thế hệ neutron thứ nhất Na neutron này gây phân hạch và sinh ra 9 neutron của thế hệ thứ hai Trong thế hệ thứ ba có 27 neutron… Đén thế hệ thứ 50 có 350 ≈ 1025 neutron Như vậy số neutron tăng lên rất nhanh Và ó là sự phát triển của phản ứng dây đó là sự phát triển của phản ứng dây chuyền [8,tr 65]

Hình 1.4 Sơ đồ phản ứng dây chuyền của 235U

Tuy nhiên, không phải hạt nhân của bất cứ nguyên tố nào cũng thực hiện được phản ứng dây chuyền Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng chỉ có một động vị đặc biệt của Uranium là 235U và 239Pulà phân hạch một cách dễ dàng Trong tự nhiên, đồng

vị 235U này chỉ có một lượng rất nhỏ khoảng 1/140 trong hợp chất uranium tự nhiên Đa

số các nguyên tử của uranium tự nhiên là đồng vị 238U Người ta thấy phản ứng dây chuyền bắt đầu từ 238U không thể phát triển được Như vậy, nếu muốn có phản ứng dây chuyền phải tinh chế 235U từ uranium tự nhiên Nhưng kĩ thuật lúc này chưa thể thực hiệnđược với số liệu lớn

12 Vấn đề điều khiển phản ứng dây chuyền

Sau khi phân hạch các neutron sinh ra là neutron nhanh, chúng tương tác với tất cảcác vật liệu hợp phần, trong đó xảy ra tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi, hấp phụ và phân hạch hạt nhân Nuế trong môi trường không có chất làm chậm thì neutron trong phản ứng dây chuyền là neutron nhanh Nhưng do tiết diện phân hạch của neutron chậm lớn hơn nhiều lần so với neutron nhanh nên người ta thường làm thêm các chất làm chậm trong môi trường phản ứng

Khả năng nhận neutron của môi trường vô hạn được đặc trưng bởi 4 hệ số nhân

k pfTrong đó:

 là số neutron nhanh sinh ra sau khi uranium hấp thụ một neutron nhiệt

 là hệ số nhân neutron nhanh sinh ra khi phân hạch 238U do neutron nhanh

p lá xã suất tránh hấp thụ cộng hưởng cho biết phần neutron nhanh được làm chậm

f là hệ số sử dụng neutron nhiệt, cho biết phần neutron nhiệt do uranium hấp thụ so với neutron nhiệt toàn bộ vật liệu

Để phản ứng dây chuyền hoạt động cân bằng với vùng hoạt hữu hạn thì phải chọn kích thước vùng hoạt, khối lượng nhiên liệu, tỉ lệ các hợp chất và cách bố trí sao cho k=1.Khi đó vùng hoạt ở trạng thái tới hạn Lúc này phản ứng phân hạch tự duy trì, hay phản

ứng dây chuyền lúc này nằm trong sự điều khiển của con người và được gọi là phản ứng dây chuyền có điều khiển

Trạng thái k<1 là trạng thái dưới tới hạn Khi đó phản ứng dây chuyền tự tắt.Trạng thái k>1 là trạng thái trên tới hạn.Lúc này phản ứng dây chuyền nằm ngoài

sự khiểm soát của con người, nó tự phát triển và có thể gây ra một vụ nổ lớn với sức côngphá vô cùng lớn (bom nguyên tử - bom A)

Nhiên liệu của phản ứng nhiệt hạch là : Đơtêri, Triti, và Liti

1H 1T  2He19,8MeV

13 Ưu điểm:

- Nhiên liệu hầu như vô tận vì 12H có mặt tỉ lệ không nhỏ với nước thường, khoảng 1/6000

trong đại dương mênh mông, trong khi lượng uranium rất hạn chế

- Phản ứng nhiệt hạch được coi là sạch vì khong để lại sản phẩm phóng xạ sau khi phản ứng xảy ra

14 Nhược điểm:

Khó tạo ra phản ứng nhiệt hạch, vì rất khó tạo ra nhiệt đọ lớn hơn 108 0K

15 Điều kiện để thực hiện một phản ứng nhiệt hạch

Để thực hiện thành công một phản ứng nhiệt hạch cần giả thuyết 4 vấn đề sau:

- Thứ nhất là tạo nên một môi trường plasma chứa chất khí gồm các ion dương ddowterri

và triti và các electron có nhiệt độ hàng trăm triệu độ

- Thứ hai là phải nhờ từ trường làm bình chứa môi trường plasma đó vì không có vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ

- Thứ ba là giữ môi trường plasma này trong thời gian khá lâu theo tiêu chuẩn Lawson n

τTT >¿ 5.1021 keV/m3 Trong đó: n (hạt/cm3) nồng độ plasma, τT(s) thời gian nhốt plasma

và T (0K) nhiệt độ plasma

- Thứ tư là giữ cho phản ứng nhiệt hạch ổn định và có lợi, tứ là tỉ số Q= Pfus/Pin giữa công suất nhiệt hạch Pfus so với công suất Pin cung cấp từ bên ngoài để đốt nóng plasma phải rất lớn hơn 1

Tuy nhiên, ngày nay người ta đã tạo ra được một nhiệt độ khá cao 60000 độ và tạo ra từ trường để “nhốt” Plasma bên trông để thực hiện được phản ứng(hình 1.6)

Hình 1.6

¼ bình chứa plasma bằn từ trường

c Một số phản ứng nhiệt hạch trong tự nhiên

Năng lượng bức xạ từ mạt trời và các ngôi sao tới chính là năng lượng nhiệt hạch Trong lòng mặt trời và các sao không còn phân tử trung hòa, tất cả đã bị ion hóa và trở thành phân tử mang điện – plasma – có năng lượng cực lớn và dễ dàng cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra

Có hai chu trình chính của phản ứng nhiệt hạch cua mặt trời và các ngôi sao.

Chu trình này cũng tỏa năng lượng khoảng 25 MeV

d Vấn đề điều khiển phản ứng nhiệt hạch

Các phản ứng nhiệt hạch của mặt trời và các ngôi sao là phản ứng nhiệt hạch không điều khiển được vì nó nằm ngoài tầm kiểm soát của con người, nó tự sinh ra, tự tồn tại và tự phát triển

Tuy nhiên bên cạch đó con nguwfowfi cũng đang tìm cách chế ngự nguồn năng lượng khổng lồ này Có nhiều cách tạo ra plasma cho vụ nổ như: Tạo ra các sóng va chạm, tạo ra sự nổ của các dây, phương pháp nén điện lực học,… Do giới hạn của đề tài

ta chỉ xét nghiên cứu tạo ra các sóng va chạm – cách thức làm nổ bom khinh khí

Phương pháp tạo ta các sóng va chạm là một trong những cách đơn giản nhất để lấy plasma ở nhiệt độ cao Ống nước chứa đầy một chất khí nào đó áp suất không lớn Ở một đầu ống, trong thể tích nhỏ ngăn cách với phần thể tích chính bằng một ddiaffam kimloại, người ta chứa một hỗn hợp khí nổ.Khi hỗn hợp nổ làm điafam bị vỡ làm sóng lan truyền trong ống Nhiệt độ đạt được khi đo cao đến vạn độ Các thí nghiệm cho phép ta phán đoán về trạng thái diễn biến của khí ở nhiệt độ cao, điều đó rất cần thiết khi giải quyết vấn đề khi tạo ra các phản ứng nhiệt hạch cũng như đối với kĩ thuật phản lực.Các tạo ra nhiệt độ cao bằng sự nổ tập trung có định hướng về phương pháp sóng va chạm Người ta hướng tập trung các chất nổ thông thường để kết hợp D và T Sự nổ tập trung cóđịnh hướng này có được dùng làm ngòi nổ cho bom sạch – bom Hidro

1.3 CHƯƠNG TRÌNH LÀM GIÀU URANIUM

1.3.1 Mục đích của quá trình làm giàu uranium

Năm 1339, các nhà khoa học cho rằng có thể tạo ra một phản ứng dây chuyền tự duy trì, tuy nhiên các công trình nghiên cứu lại chứng tỏ không phải nguyên tố hoá học nàocũng cho phản ứng dây chuyền Thực tế chí có 235U là cho phản ứng dây chuyền tốt nhất kếđến là Plutonium Mà lượng uranium trong tự nhiên quá nhỏ so với khối lượng tới hạn để phản ứng dây chuyền xảy ra Chính vì vậy, yêu cầu đạt ra là phải làm đủ lượng uranium cần thiết Một loại nghiên cứu nhằm tìm ra phương pháp tách 235U ra khỏi hợp chất của U trong tự nhiên Quá trình đó gọi là quá trình làm giàu uranium

Sau khi làm giàu uranium với mục đích khoa học (thực hiện phản ứng dây chuyền

có điều khiển) thì cuộc chiến tranh thế giới thứ hai bước vào giai đoạn mới – Đức tấn công Liên Xô Khi đó, các nghiên cứu tiếp theo của quá trình làm giàu uranium chuyển sang mục đích chính là tạo ra phản ứng dây chuyền không điều khiển được (bom nguyên tử) nhằm phục vụ cho chiến tranh

1.3.2 Quá trình nghiên cứu

Vì 235U có vi trò quan trong trong nghiên cứu cũng như đời sống vì nó có phản ứng phân hạch trong tự nhiên và nó có thể làm nên một vụ nổ hạt nhân nế khối lượng của nó tớihạn Tuy nhiên trong thực tế, thành phần của 235U rất nhỏ khoảng 0.07205% Phần còn lại bao gồm: 0.0055% 234U và 99.274% 238U Do thành phần 234U quá nhỏ nên người ta xem một mẫu U tự nhiên thì chỉ có 0.073% 235U và 99.27% 238U

Hình 1.7 Đồ thị biều diễn tỉ lệ uranium tự nhiên

Tách đồng vị bằng điện từ (Electromagnetic) và Khuếch tán khí (gaseous diffusion) Cácnhà máy đặt tại Oak Ridge, Tennessee suốt giai đoạn từ năm 1943-1945 Sau đó công nghệ tách bằng máy li tâm cũng được thử Công nghệ này đòi hỏi phải làm quay rotor với vận tốc thích hợp nên không được ứng dụng rộng rãi vì không mang tính công nghiệp.

- Công nghệ tách bằng khí động lực cũng được phát triển ở Đức và Nam Phi, nhưng đã không hoạt động trong thời khì chiến tranh thế giới thứ hai Và tất nhiên là công nghệ tách đồng vị bằng laze và plasma cũng bị gián đoạn trong thời kì này Chương trình hạt nhân của Nhật trong thế chiến thứ hai cũng có một số thí nghiệm sau đó đi đến phương pháp hóa học thuần túy

1.3.3 Các thuật ngữ, khái niệm của chương trình làm giàu uranium

1.3.3.1 Uranium có độ giàu thấp (Low – enriched uranium (LEU))

Thuật ngữ ngày dùng để chỉ 235U có nồng độ từ 0.72%-20%

Hình 1.8 Đồ thị biểu diễn Uranium có độ giàu cao

U 235 U 238

1.3.3.2 Uranium có độ giàu cao (Hight – enriched uranium (HEU)), và “Orally”

“HEU” dùng để chỉ nồng độ của 235U lớn hơn 20% nhưng nó được sử dụng phổ biến để chỉ nồng độ 235U khoảng 90%

Còn “Orally” là thuật ngữ chỉ nồng độ của 235U lớn hơn 93.5%

Hình 1.9 Đồ thị biễu diễn Uranium có độ giàu cao

U 235 U 238

1.3.3.3 Đơn vị công phân tách (Separative Work Unit)

Đơn vị công phân tách là một khái niềm phức tạp, nó phụ thuộc vào số phân tử U

đã phân tách và mức độ mà nó được làm giàu cũng như múc độ thành phần 235U so với phầncòn lại

Trong hệ SI công phân tsch có thứ nguyên là KgSW hoặc KgUTA

Công phân tách cần thiết để tách nguyên liệu đầu vào F (mật độ là xf) và sản phẩm giàu

là P (mật độ là xp) và sản phẩm nghèo là T (mật độ xt) được biều diễn bằng công thức:

W

WS U PV (x ) _T.V(x )p t  F V x ( )fThừa nhận nghiệm của phương trình:

1 ( ) (1 2 x).ln( x)

p f

f t

x x T

1.3.4 Cách tạo ra nguyên liệu đầu vào cho các phương pháp làm giàu uranium

Ngày nay hầu hết các công nghệ làm giàu U đều sử dụng khí UF6 làm nguyên liệu Bên cạnh đó, thì vẫn có công nghệ dùng UCI4 như quá trình tách đồng vị bằng điện tử (EMIS) Để tạo được các nguyên liệu cho các công nghệ làm giàu thì người ta còn phải điều chế từ U tự nhiên bằng các bước sau:

- Uranium tập trung trong tự nhiên dưới dạng bánh vàng (yellow cake) Nó chứa 60-80% Uranium và 20% tạp chất lạ Có hai quy trình khác nhau để sản xuất UF6 nguyên chất từ yellow cake Sự khác nhau chủ yếu của hai quy trình là: 1 Trích ly dung môi rồi đưa flour vào (quy trình ướt); 2 Đưa Flour vào trước rồi tách ra (quy trình khô) Nghĩa là Uranium nguyên chất được trích ly trong dung dịch trước khi biến đổi thành UF6 hoặc bằng cách lọc UF6 sau khi biến đổi

- Trong quá trình ướt yellow cake được phân hủy thành HNO3 còn tạp chất không tan thì được loại bỏ bằng cách lọc ly tâm Uranium được trích ly từ dung dịch axit bằng cách trích ly lỏng-lỏng, sản phẩm uranil nitrat được phân hủy thành UO3 bằng phương pháp nhiệt phân UO3 được khử bằng H2 hoặc NH3 tạo thành UO2.Trong hầu hết các trường hợp điều chế nguyên liệu thì nếu dùng quá trình chuẩn Purex, nghĩa là dùng tri – n – butyl photphat (TBP) và HCl để tách Uranium từ hỗn hợp theo con đường trích ly từng bước

- Trong quá trình khô, sự biến đổi và các bước tinh chế xảy ra trong suốt quá trình Nếu yellow cake được sản xuất từ quá trình kiềm hóa (NaU2O7), Na phải được loại bỏ khỏi hợp chất bằng cách cho H2SO4 vào và sau đó cho NH3 vào để tạo thành amonium

diuranat (NH4)U2O7 Hợp chất này chứa muối uran được nhiệt phân thành UO3 được khửbằng H2 hoặc NH3 tạo thành UO2

- Các bước còn lại dùng để sản xuất UF6 từ hai quá trình thì giống nhau UO2 được chuyển thành UF4 bằng cách sụt hơi HF UF4 được chuyển thành UF6 bằng cách cho tác dụng với F2

Chương trình làm giàu bằng EMIS sử dụng UCI4 làm nguyên liệu UCI4 được tinh chế bằng cách cho CCl4 tác dụng với UO2 ở 7000F

Ngày nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã tách uranium từ dạng yellow cake.Các ngành công nghiệp hóa cơ bản được đầu tư điều chế HF, NH3, F2, CCl4… dùng trong kĩ thuật làm giàu.

1.3.5 Các phương pháp làm giàu uranium.

Ngày nay có rất nhiều phương pháp làm giàu uranium như: tách đồng vị bằng điện

từ (Electromagnetic Isotope Separation – EMIS), phương pháp khuếch tán nhiệt (Thermal Diffussion), phương pháp khuếch tán khí (gaseous Diffusion), phương pháp ly tâm

(gaseous Centrifuge), phương pháp khí động lực học (Aerodynamic Processes),

Tách đồng vị bằng laze (Laser Isotope Separation), … Do giới hạn của đề tài nên

ở đây chỉ nghiên cứu một số quá trình làm giàu Uranium chính phục vụ cho việc chế tạo vũkhí hạt nhân

1.3.5.1 Phương pháp tách đồng vị bằng điện từ (EMIS)

Đây là phương pháp do Mỹ nghiên cứu đầu tiên những năm 1940 dùng để chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên của nhân loại Phương pháp này dựa vào một nguyên lý vật lý

là những phần tử mang điện sẽ chuyển động thành vòng tròn trong từ trường đều Hai ion cócùng vận tốc ban đầu và được nạp cùng một hiệu điện thế nhưng khối lượng khác nhau sẽ bay theo hai vòng tròn khác nhau và hạt có khối lượng càng lớn thì đường kính càng lớn (R=mv qB) Phương pháp này sản xuất ra quả bom nguyên tử chỉ trong vòng hai tầng Tuy nhiên, quá trình này cũng sản xuất ra hàng trăm đến hàng ngàn đơn vị HEU vì lượng sản phẩm nhận được tương đối phải tỉ lệ với thời gian thực hiện chu trình giữa các tầng

Trong phương pháp EMIS, nguồn ion được sản xuất bằng cách nung nóng UCl4 dưới dạng rắn thành dạng hơi bằng điện Với cách làm này thì phân tử UCl4 bị bắn phá tạo thành các electron và các ion U+ Những ion này chịu tác dụng của hiệu điện thế chuyển động với vận tốc cao và nhờ các thiết bị khe điểu chỉnh cho các ion này bay gần như trên cùng một mặt phẳng vuông góc với từ trường trong những khoảng không gian nhỏ (gần giống như một cái hộp).Ở đây, các phân tử 235U và 238U sẽ tách ra và chuyển động theo hai hướng khác nhau Hai dòng Uranium này sẽ đi đén hai ở góp khác nhau và tại những ổ góp người ta đặc các thiết bị để thu 235U và 238U

Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của quá trinhfnafy là những ion U+ chỉ sinh ra chỉ bằng một nửa so với sự tính toán của những nhà nghiên cứu vì phần lớn các ion U+ bị đọng lại trên thành của những cái thùng Chính vì điều đó đã làm tốn nhiều thời gian và công sức để giải quyết vấn đề tái chế vật liệu

Hình 110

Mô tả phương pháp EMIS

Trong chương trình EMIS của Mỹ, quá trình sản xuất Uranium cho bom nguyên tửtrong hai giai đoạn, gia đoạn a và giai đoạn b sau đây Giai đoạn đầu tiên (a) sử dụng uranium tự nhiên để làm nguyên liệu và tạo ra sản phẩm có độ giàu không cao chỉ từ 12-20% 235U Giai đoạn thứ hai (b) sử dụng sản phẩm của giai đoạn (a) làm nguyên liệu tạo

ra sản phẩm có lượng 235U trên 90% để chế tạo ra bom nguyên tử Khi sử dụng phương pháp này Mỹ cũng nghiên cứu tìm cách sử dụng nam châm có hiệu quả nhiều hơn và họ

đã sắp xếp chúng vào hệ thống những mạng awngten hình bầu dục hoặc hình chữ nhật liên tiếp với những thiết bị chia cách được luân phiên từng đơn vị điện từ

Phương pháp làm giàu Uranium bằng điện từ thu hút một số quốc gia có tham vọng làm giàu uranium hoàn chỉnh có giới hạn Phương pháp này có thể tăng cường cho yêu cầu cấp bách để làm giàu thêm cho những chất liệu đã được làm giàu nhưng chưa hoàn chỉnh Điều này giải thích tại sao EMIS lại được chọn là phương pháp chủ yếu cho chương trình làm giàu uranium của Iraq Điều này xảy ra vào thời điểm phương pháp EMIS không còn ứng dụng nữa vì thiếu tính cạnh tranh vê kinh tế

1.3.5.2 Phương pháp khuếch tán khí (gaseous difusion)

Phương pháp khuếch tán khí được phát triển rộng rãi để sản xuất cua HEU và LEU nhiên liệu nhà máy có tính thương mại Mỹ là nước sử dụng đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ hai và mở rộng hơn sau chiến tranh để chế tạo HEU chạy đua vê vũ khí hạt nhân Vào thời điềm này Pháp và Trung Quốc cũng có một số nhà máy khuếch tán khí, còn Nga đã chuyển sang công nghệ ly tâm

Phương pháp khuếch tán khí phụ thuộc vào sự phân chia hay sự di chuyển của các phân tử khí qua lỗ nhỏ Trung bình những phân tử nhẹ nhàng sẽ di chuyển nhanh hơn nhữngphân tử nặng, kết quả là chúng có khuynh hướng va chạm với các lỗ của màn ngăn và chui

qua nó Vì vậy, những phân tử nẹ linh động hơn, dễ dàng vào những lỗ nhỏ của màng ngăn hơn những phân tử nặng Đối với UF6 thì độ chênh lệch vận tốc của 235U và 238U là không nhiều nên muốn có hiệu quả cao của phương pháp này thì cần nhiều giai đoạn trung gian để đạt được sự phân tách Uranium đều.

Hình 1.11 Sơ đồ một đoạn hệ thống khuếch tán khí

(1) Các ống hình trụ gọi là ống khuếch tán(2) Hệ thóng các ống dẫn hồi tiếp

Để thực hiện được phương pháp này thì UF6 phải được chuyển sang dạng khí

Ở nhiệt độ thường UF6 ở dạng lỏng nhưng nó sẽ sang dạng hơi ở 1350F Sau khi nung UF6 thành hơi, người ta thổi UF6 qua các màng ngăn xốp có nhiều lỗ nhỏ lúc này 235U nhẹ hơn nên di chuyển qua màng dễ dàng hơn 238U Khi đó uranium được tách thành hai đồng vị Trong thành phần khí đã khuếch tán thì khí 235U tăng lên còn khí 238U giảm xuống

Thiệt bị của hệ thống khí khá lớn và phức tạp tón kém nhiều năng lượng Thành phần chính của quá trính khuếch tán là: (1) Các ống hình trụ gọi là ống khuếch tán, chứa các màng ngăn.(2) Hệ thống các ống dẫn và các van đóng mở để

tạo sự liên lạc giữa các công đoạn và quá trình điều khiển (3) Hệ thống các ống dẫn và các van đóng mở để tạo sự liên lạc.

Tào bộ hệ thống đòi hỏi phải có những lỗ tháo khí cần thiết Máy nén cần phải được bịt kín tuyệt đối để tánh UF6 thoát ra và không khí tràn vào Do UF6 có tsinh

ăn mòn kim loại cao nên đòi hỏi những thiết bị trực tiếp tiếp xuscvoiws nó phải được làm bằng niken Để quá trình này thành công đòi hỏi phải có những dự án kèm theo khác như: hệ thống phân phối điện năng lớn, tháp làm lạnh và xử lý chất thải nhiệt, dự án sản xuất màng ngăn và kĩ thuật sản xuất không khí khô và nitơ.Bên cạnh đó, việc sản xuất các thành phần có khả năng tách có vai trò vô cùng quan trọng trong vấn đề này Muốn khả năng tách cao đòi hỏi những lỗ trên màng phải rất nhỏ (khoảng 1/1000 inch) và những lỗ này phải có cùng kích thước Tính thấm qua màng phải cao và bề mặt của màng phải có khả năng chống ăn mòn của UF6 trong một thời gian khá dài

1.3.5.3 Phương pháp ly tâm khí (gaseous Centrifuge)

Việc dùng phương pháp ly tâm để tách đồng vị hóa học được đề xuất năm 1919 nhưng đến năm 1934 mới thực hiện thành công Khi ông J.W.Beans cùng các cộng sự thực hiện ly tâm ở độ chân không cao để tách đồng vị Clo trong trường đại học Viginia Tuy nhiên, lúc này vẫn chưa được sử dụng để làm giàu Uranium Khoảng nữa chặng đường của dự án tối mật Mahattan thì phương pháp ly tâm mới được đưa vào làm giàu uranium Mặc dù đã tìm ra sau nửa chặng đường của dự án Mahattan nhưng phương phápnày cũng phát triển mạnh dùng để sản xuất HEU và LEU Tính kỹ thuật của phương phápnày phù hợp cho việc tiếp tục phát triển ở tương lai vì năng lượng tiêu thụ thấp, thời gian thực hiện ngắn và đặc tính thiết kế đơn giản

Trong phương pháp làm giàu này, khí UF6 được đưa vào một rotor rỗng, rotor này quay với tốc độ cao Vì rotor quay nên tạo ra lực ly tâm làm cho phân tử khí tập trung lênthành rotor Các phân tử lúc này quay với vận tốc xấp xỉ vận tốc của rotor, nên lực ly tâmtác dụng lên những phân tử có khối lượng nặng hơn sẽ mạnh hơn Đay cũng là lý do làm cho các phân tử khí 238U lại gần hơn so với 235 Chính vì thế mà đồng vị của uranium đượctách ra Hiệu suất này tăng lên khi thổi khí gần trục rotor Các phân tử làm giàu được tập trung lại và được tháo ra theo một con đường khác

Hình 1.12 Cấu tạo chính của hệ thống ly tâm

Ngài ra, còn có một số các thiệt bị khác hõ trợ như: máy biến đổi tần số dòng điện,các máy gia nhiệt…

Do tính ăn mòn kim loại của UF6 nên các thành phần tiếp xúc với nó cần phải được mạ hoặc phải tiến hành thay mới các chỗ kim loại bị ăn mòn thường xuyên Mặt khác, năng suất tách phương pháp này phụ thuộc vào chiều dài và đường kính của rotor Nhưng về mặt kĩ thuật giới hạn của rotor bởi sự tỉ lệ của chiều dài và sức nặng của kim loại làm ra nó Vì rotor quá nặng sẽ dễ làm hỏng hệ thống giá đỡ và bạc đạn chịu nó Các vật liệu thích hợp để làm rotor là: hợp kim của nhôm, thép, titan hoặc các hợp chất khác được tăng cường độ bền bằng armid hoặc cacbon Ngày nay, thép được sử dụng khá phổ biến Với tốc độ của rotor có thể lên đến 500m/s

Nhưng mấu chốt của hệ thống chính là máy biển đổi tần số dòng điện máy này phải nhận ra dòng điện có tần số khoảng 50-60 Hz có sẵn trong mạch điện quốc gia và cho ra dòng điện có tần số 600 Hz hơn cao hơn nữa để cung cấp cho motor quay với tốc

độ cao.Máy biến đổi tần số phải hoạt động được trong mạng điện cao thế và cung cấp hàng loạt cho máy nén và phải có độ chín xác cao

(1): Một rotor có nắp đậy

(2): Hệ thống các giá đỡ và bạc đạn

(3): một rotor điện(4): Hệ thống chân không

(5): Lòng rotor rỗng

Hạn chế của phương pháp này là nếu cứ duy trì độ chân không và tốc độ của máy cao trong khoảng một thời gian dài thì sẽ đi đến thất bại.Vì những mảnh vụn kim loại mà máy ly tâm văng ra mà không được lấy ra sẽ xảy ra hiệu úng “domino” làm hư những máy ly tâm lân cận và dẫn đến hỏng hàng loạt.

Tuy nhiên phương pháp này được dùng để sản xuất LEU để làm nguyên liệu cho các phương pháp làm giàu có năng suất cao hơn

1.3.5.4 Phương pháp tách bằng khí động lực học (Aerodynamic Processes)

Phương pháp này bao gồm quá trình tách bằng ống có đường thoát nhỏ và hệ thống tách bằng ống vòng Nó được nghieencuwsu dựa vào sự ly tâm không liên tục vì nódựa vào sự chênh lệch áp suất và hiện tượng ly tâm Khả năng cải tiến lực ly tâm cua phương pháp này bằng cách làm loãng khí khi cho một số khí khác vào (H2, He…) Cách làm này giúp cho việc thổi hợp chất khí vào có tốc độ cao hơn thổi khí UF6 nguyên chất

Trong quá trình tách này hợp chất khí UF6 và H2 hoặc He được nén với áp suất caosau đó thổi vào ống vòn với tốc độ cao Ở đây các phân tử nặng 238U tách ra khỏi các phân tử nhẹ 235U chuyển động ra sát thành ống Cuối công đoạn này hai dòng chất khí khác nhau sẽ được phân ra thành một vách ngăn nhỏ sức thành một bên chứa các phân tử nhẹ một bên chuwasc các phân tử nặng Hao dòng này sẽ được lấy ra theo hai con đường riên biệt

Các đường ống được yêu cầu phải đảm bảo tiêu chuẩn cho phép của vật lý Người thiết kế phải dùng những ống tách có đường kính khoảng 10mm

Hình 1.13 Mô tả hoạt động của phương pháp khí động lực học

Tập đoàn làm giàu Uranium ở Nam Mỹ đã triển khai và phát triển chương trình làm giàu bằng khí động lực học với nhiều swujc cải tiến và được gọi là dự án “Y” Dự án này có thể sản xuất hàn trăm kg HEU ở Valindaba Tốc độ của hỗn hợp khí ở cuối đường ống gần bằng tốc độ của âm thanh, do sự chảy thành dòng của các chất khí sẽ giảm do masát với thành ống và các dòng chả với nhau (ma sát nhớt) nên người ta cải tiến ống dẫn cóhình nón để tránh giảm tốc độ của dòng khí.

Ngày nay, phương pháp này là phương pháp làm giàu Uranium có hiệu quả cao nhất, kinh tế nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất ở nhiều nước để đáp ứng các vấn đề năng lượng và quân sự.[21]

19 Trong thực tế có nhiều pương pháp làm giàu, song phướng pháp nào cũng có ưu và khuyết điểm cho nên các nhà kinh tế, quân sự phải tìm kiếm cho mình những con đường ít tốn kém và hiệu quả cao nhất Đồng thời, đáp ứng kịp thời yêu cầu chiến

sự, quân sự cho nên cuối cùn người ta đã tìm ra phương pháp mới là dùng sản phẩm của quá trình là giàu trước đó để làm nguyên liệu cho quá trình kế tiếp như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian và có thể cho ra sản phẩm HEU cao hơn (hình 1.14)

Hình 1.4

Sơ đồ kết hợp nhiều phương pháp làm giàu U ở Oak Ridge

1.3.6 Nhiên liệu hạt nhân được sử dụng trong việc chết tạo vũ khí

Như ta đã biết nhiên liệu chủ yếu tạo vụ nổ của vũ khí hạt nhân là các chất có thể cho phảứng phân hạch nhiệt hạch Mặt khác, người ta còn dùng một số chất có khả năng phóng

xạ mạnh với chu kì bán rx không quá dài hoặc quá ngắn để tăng bức xạ dư sau vụ nổ xảy

ra Ta sẽ xét một số chất tiêu biểu sau:

1.3.6.1 Nhiên liệu phản ứng phân hạch

20 Uranium: là nguyên tố thứ 92 trong bảng hệ thống tuần hoàn của các nguyên tố hóa

học, được đặt tên theo sao thiên vương (uranus) Uranium có các đồng vị sau: 234U ,

235U , 238U Tong tự nhiên thì tỉ lệ của các đồng vị như sau: 0.0055% 234U ,99.274%

238U ,0.07205% 235U Như ta đã biết xét trên thì chỉ có 235U nới cho phản ứng dây chuyền

21 Plutonium: Plutonium là một nguyên tử đứng ở vị trí thứ 94 trong bảng hệ thống

tuần hoàn các nguyên tố hóa học Người ta xác định được 15 đồng vị plutonium trong đó có năm đồng vị có tỷ lệ đáng kể Đó là những đồng vị Pu-238, Pu-239, Pu-

240, Pu-241, Pu- 242

Tất cả những đồngvị plutonium đều có thể bị neutron nhanh phân hạch Những đồng vị Pu-239 và Pu-241 cũng có thể bị những neutron chậm phân hạch Ngoài việc là đồng vị khả phân hạch, những đồng vị Pu-238 và Pu- 240 cũng có thể hấp thụ neutron để trở nên những đồng vị khả phân hạch Pu-239 và Pu-241.

Cũng như uranium thì plutonium phải được làm giàu trước khi cho phản ứng phân hạch người ta cũng có thể làm giàu giống như các phương pháp làm giàu uranium Sau khi phân tách plutonium từ những nguyên tử khác của những thanh nhiên liệu thì hàm lượng đồng vịplutonium Pu-239 đã sẵn sàng là 70 phần trăm Tăng hàm lượng đó lên tới 90 hay 95 phần trăm là một đều khó nhưng dễ hơn là tăng hàm lượng đồng vị uranium U-235 từ 0,7 phần trăm lên 90 phần trăm Vì lý do đó mà plutonium được ưa chuộng chế tạo bom nguyên tử thay vì Uranium.[15]

1.3.6.2 Nhiên liệu phản ứng nhiệt hạch

22 Deuterium: Deuterium là đồng vị của hydrogen với thành phần chiếm khoảng

0.015% trong Hydrogen thiên nhiên Nó tồn tại dưới dạng nặng (D2O) trong nước biển Từ 1m3 nước biển có thể chiết tách khoảng 30g Deuterium

23 Tritium: Tritium có rất ít trong tự nhiên và có tính phóng xạ với chu kỳ bán rã là

12.35 năm Nhưng ta có thể sản xuất Tritium bằng cách cho neutron phản ứng với Lithium trong tự nhiên

Với nhu cầu hiện nay thì nhiên liệu Deuterium có thể xem như là vô tận vì lượng nước biển trong đại dương là vô tận Còn lượng dữ trữ Lithium để sản xuất Tritium cũng rất lớn Với lượng dự trữ hiện nay có thể sản xuất được vài trăm quả bom H [22]

1.3.6.3 Nhiên liệu phóng xạ

24 Cobalt: cobalt là nguyên tố hóa học có số thứ tự là 27 trong bảng hệ thống tuần

hoàn Cobalt có năm đồng vị chính: 56Co, 57Co, 58Co, 59Co, 60Co

Trong đó 60Co là có nguồn phóng xạ tia gamma mạnh, nó luôn là vấn đề tranh cãi của các nhà khoa học Do tính phóng xạ tia gamma mạnh nên một số loại bom hạt nhân muốn tăng cường 60Co dưới dạng bụi phóng xạ nên gọi laoji bom hạt nhân đó là bom bẩn hay bomcobalt [20]

CHƯƠNG II VŨ KHÍ HẠT NHÂN 2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VŨ KHÍ HẠT NHÂN

Sau khi tiến hành các thí nghiệm phân hạch thành công vào năm 1932, các nhà vật

lý hiện tại lo lắng tới nguy cơ Đức quốc xã có thể chế tạo thành công bom nguyên tử, vì mọi nghiên cứu khoa học đều được công bố rộng rãi trên báo Nature ra ngày 18/3/1939 Chính vì vậy, các nhà khoa học vì chạy trốn chiến tranh đến Mỹ, đã không ngần ngại gửi

đề nghị xin ngân sách để mở rộng phạm vi các thí nghiệm phân hạch hạt nhân và đưa đếnchế tạo bom nguyên tử Mỹ đã cấp 6000 đô la cho các nghiên cứu mới về hạt nhân của

họ Năm 1942, dự án chế tạo bom nguyên tử đầu tiên của nhân loại được thiết lập gọi là

“dự án tối mật Manhattan” quy tụ các tướng lĩnh và hàng trăm nhà bác học quốc tế tham gia Và cả một thành phố được xây dựng ở Oak Ridge để thực hiện dự án này Lúc 15 giờ

30 phút ngày 16 tháng 7 năm 1945 quả bom nguyên tử đầu tiên được thử thành công ở vùng sa mạc thuộc tiểu bang Neu Mexico – Mỹ Đến ngày 6 tháng 8 năm 1945, Mỹ thả quả bom nguyên tử xuống Hiroshima của Nhật Ba ngày sau, Mỹ lại thả tiếp quả bom thứhai xuống Nagasaki làm hai thành phố của Nhật trở thành “bình địa”

Về phần Đức, đã có hai nhà bác học viết thư cho bộ trưởng Bộ quốc phòng về khả năng chế tạo bom nguyên tử - loại bom mới vô cùng khủng khiếp Nhưng Hitler không tin điều đó.[13, tr 11]

Về Liên Xô, sau khi Mỹ đã thực hiện phản ứng dây chuyền thành công trong lò Piel – 1 năm 1942, thì nhà Vật lý học Flerov phát hiện các tạp chí phương Tây không còncông bố các công trình nghiên cứu về phản ứng phân hạch Ông đã thốt lên: “ Tôi đã ngửithấy mùi thuốc súng hạt nhân” Ông đã viết thư cho Stalin để báo động về khả năng có loại vũ khí mới có khả năng tàn sát rất lớn Stalin đã cho thành lập dự án chế tạo bom hạt nhân do nhà bác học Kurchatov lãnh đạo Dự án hoạt động vào ngày 25 tháng 9 năm

1946 Đến ngày 29 tháng 8 năm 1949, quả bom nguyên tử đầu tiên của Liên Xô cũng được thử nghiệm thành công ở Kazakhtan

Sau chiến tranh thế giới thứ hai, một số nước khác cũng bắt đầu nghiên cứu và phát triển vũ khí hạt nhân Ngày nay, các quốc gia có thể được xem là có vũ khí hạt nhân mạnh như: Mỹ, Nga, Trung Quốc, Anh, Pháp, Ấn Độ, Triều Tiên…Và nhiều nước khác

có tiềm năng phát triển vũ khí hạt nhân.[7,tr 93]

Từ khi kế hoạch chế tạo bom nguyên tử cho đến nay ta có thể sơ lược quá trình phát triển vũ khí hạt nhân trên thế giới như sau:

+ Ngày 2 thán 8 năm 1939: Leo Szilard đã thúc giụt Albert Einstein gửi thư tới tổng thống Franklin D Roosevelt cảnh báo việc Đức quốc xã có thể chế tạo được bom nguyên

tử và Mỹ không nên chậm chân trong của chạy đua này

+ Tháng 2 năm 1941: Nhà hóa học Glenn Seaborg và các cộng sự phát hiện ra Plutonium.Tính chất phân rã của nguyên tố hóa học mới này tương tự như Uranium được làm giàu,

có thể là một thành phần thích hợp để chế tạo vũ khí hạt nhân

+ Mùa hè năm 1942: Nhà vật lý người Mỹ Edward Teller tìm ra nguyên tắc chế tạo bom khinh khí có sức công phá mạnh hơn bom nguyên tử rất nhiều lần

+ Tháng 9 năm 1942: Tướng Leslie Grover được bổ nhiệm làm giám đốc dự án

Manhattan, dự án bí mật nhằm chế tạo một quả bom nguyên tử Grover đã tuyển dụng Robert Oppenheimer làm giám đốc khoa học của dự án

+Tháng 12 năm 1944: Việc sản xuất công nghiệp plutonium – một phần của dự án

Manhattan được bắt đầu tại Hanford, Washington Uranium 235 cũng được làm giàu tại một nhà máy ở Oak Ridge, Tennesse

+ Ngày 16 tháng 7 năm 1945: Mỹ cho thử quả bom nguyên tử đầu tiên tại Alamogordo, bang New Mexico

+ Ngàu 6 tháng 8 năm 1945: Chiếc máy bay B-29 có tên Enola Gay đã thả quả bom nguyên tử có sức công phá 15 kiloton (Little Boy) xuống Hiroshima, Nhật Bản Khoảng 68.000 người chết ngay lập tức và 70.000 người chết trong vòng vài năm sau đó

+ Ngày 9 tháng 8 năm 1945: Fat man, một quả bom nguyên tử khác của Mỹ tiếp tục đượcthả xuống Nagasaki khiến số người chết lên đến hơn 70.000 người (trong đó một nửa chết ngay lập tức) Nhật Bản đầu hàng sau đó vài ngày

+ Tháng 7 năm 1946: Mỹ thử bom nguyên tử trong không trung và dưới nước tại khu vựcđảo Marshall

+ Ngày 29 tháng 8 năm 1949: Liên Xô trở thành nước thứ hai trên thế giới sỡ hữu vũ khí hạt nhân, khi một quả bom tương tự được thử thành công ở Kazakhstan Thiết kế quả bom bị nhà khoa học gốc Đức Klaus Funchs đánh cắp từ Mỹ

+ Ngày 3 tháng 10 năm 1952: Anh cho thử quả bom A đầu tiên tại nước Úc

+ Ngày 1 thán 11 năm 1952: Mỹ thử quả bom kinh khí đầu tiên trên thế giới có tên là Mike tại Enewetak Atoll thuộc khu vực đảo Marshall

+ Ngày 22 tháng 11 năm 1955: Liên Xô thử thành công bom kinh khí có sữ công phá 1,6 megaton tại Kazakhtan

+ Tháng 8 năm 1957: Liên Xô thành công trong việc thử tên lửa đạn đạo ICBM (mang vũkhí hạt nhân)

+ Ngày 19 tháng 9 năm 1957: Mỹ thử vũ khí hạt nhân ngầm dưới đất tại sa mạc Nevada

+ Ngày 4 tháng 10 năm 1957: Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnik khiến Mỹ lo sợ một khả năng tấn công từ vũ trụ.

+ Ngày 8 thán 11 năm 1957: Anh thử thành công bom khinh khí tại một hòn đảo thuộc biển Thái Bình Dương

+ Năm 1960: Mỹ chế tạo thành công và tích trữ bom N

+ Ngày 14 tháng 11 năm 1960: Chiếc U.S.S George Washington trở thành chiếc tàu ngầm đầu tiên trên thế giới mang theo tên lửa đạn đạo hạt nhân

+ Tháng 9 năm 1961: Liên Xô cho nổ quả bom có sức công phá lớn nhất thế giới 50 megaton

+ Tháng 10 năm 1962: Hải quân Mỹ phong tỏ Cu ba khi phát hiện ra Liên Xô đang chuyên chở vũ khí hạt nhân tới quốc đảo này.Khủng hoảng tên lử ở Cuba đang đang hai cường quốc Mỹ và Liên Xô tới bờ vực một cuộc chiến tranh hạt nhân

+ Ngày 7 tháng 10 năm 1963: Tổng thống Kennedy kí hiệp ước hạn chế vũ khí hạt nhân trong không trung, dưới nước, ngoài vũ trụ

+ Ngày 17 tháng 6 năm 1967: Trung Quốc thử thành công bom khinh khí

+ Ngày 1 tháng 7 năm 1968: Mỹ, Liên Xô, Anh ký hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân NPT Tiếp theo đó hơn chục nước tham gia ký kết hiệp ước Cho đến ngay đã có hơn 188 nước trên thế giới tham gia vào hiệp ước này

+ Ngày 24 tháng 8 năm 1968: Pháp thử thành công quả bom H tại phía nam Thái Bình Dương

+ Ngày 26 tháng 5 năm 1972: Tổng thống Mỹ Richard Nixon và Tổng thư ký Liên Xô Leonid Brezhnev ký hiệp ước hạn chế vũ khí chiến lược SALT1 Đây là thỏa thuận đầu tiên giữa hai nước, nhằm hạn chế số lượng cũng như các hệ thống vũ khí hạt nhân

+Tháng 10 năm 1973: Mỹ báo động hạt nhân trong cuộc chiến YomKippur giữa Arập và Israel Có tin Isarel đã lắp ráp thành công trong thời gian cuộc chiến xảy ra

+ Ngày 18 thán 5 năm 1974: Ấn độ cho nổ vũ khí hạt nhân đầu tiên của mình có tên Smiling Budda tại sa mạc Rajasthan

+ Tháng 11 năm 1985: Reagan và nhà lãnh đạo Mikhail Gorbachev quyết định mở một chương trình mới trong việc kiểm soát vũ khí hạt nhân trong hội nghị thượng đỉnh ở Geneva, Thụy Sĩ

+ Tháng 11 năm 1986: Mỹ triển khai các hệ thống tên lửa ICBM Peacekeeper, mỗi hệ thống mang 10 đầu đạn hạt nhân để đói phó với hệ thống tên lửa SS-18s của Liên Xô

+ Tháng 9 năm 1989: Nam Phi quyết định dở bỏ 6 quả bom hạt nhân ở nước này.

+ Ngày 31 tháng 7 năm 1991: Tổng thống Mỹ George H.W.Bush và nhà lãnh đạo Liên

Xô Gobachev ký Hiệp ước giải trừ vũ khí chiến lược START1 nhằm dỡ bỏ nửa số đầu đạn hạt nhân của mỗi nước

+ Ngày 23 tháng 5 năm 1992: Belarus, Kazakhstan và Ukraine đồng ý tháo dỡ các đầu đạn hạt nhân ở nước này và trả lại cho Nga

+ Ngày 11 tháng 5 năm 1995: Các nước tham gia hiệp ước NTP đồng ý kéo dài thời hạn của hiệp ước vô hạn định

+ Ngày 10 tháng 9 năm 1996: Liên hiệp quốc thông qua Hiệp ước cấm thử vũ khí hạt nhân và gửi tới các nước thành viên để thông qua

+ Ngày 11 và ngày 13 tháng 5 năm 1998: Pakistan thử thành công vũ khí hạt nhân để trả đũa lại Ấn Độ

+ Ngày 24 tháng 5 năm 2002: Mỹ và Nga kí hiệp ước giải trừ vũ khí tấn công chiến lược.Hai nước cùng đòng ý giảm số đầu đạn hạt nhân ở mỗi nước xuống chỉ còn 2.200 vào cuối năm 2012

+ Tháng 8 năm 2002: Cá phần tử Iran ly khai tiết lộ ta bên ngoài rằng, nước này đang chếtạo linh kiện của hai quả bom hạt nhân Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) cũng đã phát hiện một chương trình nghiên cứu công nghệ làm giàu Uranium của nước này

+ Tháng 12 năm 2002: Bắc Triều Tiên tuyên bố rút ra khỏi NPT

+ Tháng 2 năm 2004: Pakistan thừa nhận người đứng đầu chương trình hạt nhân của nước này, Adblu Qadeer Khan đã chuyển giao các bí mật hạt nhân cho một số nước trong

đó có Bắc Triều Tiên, Libya và Iran Chính phủ Paskitan đã bắt giữ Khan nhưng không cho phép các thanh tra IAEA thẩm vấn ông này

+ Ngày 10 tháng 2 năm 2005: Bắc Triều Tiên tuyên bố nước này sỡ hữu một số vũ khí hạt nhân nhưng không cho phép IAEA cũng như các chuyên gia nước ngoài vào để khẳngđịnh điều này

+ Ngày 8 tháng 10 năm 2006: Triều Tiên thử bom hạt nhân ở Hwaderi gần thành phố Kiljiu Làm cả thế giới lên tiếng và cấm vận nước này

Như vậy, vũ khí hạt nhân chỉ mới được phát minh hơn nửa thế kỉ nhưng nó đã được phát triển nhanh đến mức độ khó dự đoán được hậu quả Ngày này tất cả các quốc gia trên thế giới đang tích cực đấu tranh đi đến giải trừ hết vũ khí hạt nhân – mối hiểm họa đối với nhân loại này.[25]

2.2 CÁC LOẠI VŨ KHÍ HẠT NHÂN

Ngày nay, vũ khí hạt nhân phát triển rất nhiều và có nhiều cải tiến nên việc phân chia chúng cũng rất phức tạp và có nhiều cách phân loại:

 Phân loại dựa vào mục đích sử dụng:

+ Vũ khí hạt nhân chiên thuật+ Vũ khí hạt nhân chiến lược

 Phân loại dựa theo nguyên lý cấu tạo:

+ Vũ khí phân hạch (vũ khí hạt nhân thế hệ 1) còn gọi là bom nguyên tử hay bom “A” (atomic bomb)

+ Vũ khí nhiệt hạch (vũ khí hạt nhân thế hệ 2) còn gọi là bom Hidro hay bom “H” (hydrogen bomb)

+ Vũ khí hạt nhân cải tiến

- Vũ khí hạt nhân định hướng còn gọi là bom nơtron hay bom “N” (neutron bomb)

- Bom bức xạ dư thừa giảm thiểu hay bom “RRR” (Radiation residuelle reduite)

- Bom xung điện tử hay bom “EMP” (electromagnetic pulse)

- Bom bẩn – bom cobalt

 Phân loại dựa vào đương lượng nổ (q)

Đương lượng nổ là khối thuốc nổ TNT (tri nitro toluen) có năng lượng nổ bằngđương lượng giải phóng ra khi vũ khí hạt nhân nổ Đương lượng nổ được tính bằng ton(t), kiloton(Kt), megaton(Mt)

1Mt = 1000 Kt = 1000000 t = 1000000 tấn TNT

Theo cách phân loại này vũ khí có 5 loại chính:

+ Loại cực nhỏ: q< 1 Kt+ Loại nhỏ: 1Kt≤ q < 10 Kt+ Loại vừa: 10 Kt ≤q< 100 Kt+ Loại lớn: 100 Kt ≤ q < 1 Mt+ Loại cực lớn: q ≥ 1 Mt

Bom nguyên tử được thiết kế đơn giản nhất là lấy năng lượng từ quá trình phân hạch Sử dụng vật liệu có khả năng phân hạch như: 235U hay 239Pu… để lắp ráp vào cho chúng tới một khối lượng tới hạn, khi đó sẽ khởi phát một phản ứng dây chuyền và phản ứng đó gia tăng theo hàm số mũ, giải thoát một năng lượng khổng lồ Quá trình này được thực hiện nằng hai cách:

+ Bắn nhiên liệu phân hạch vào một nhiên liệu phân hạch khác cùng loại chưa đạt trạng thái tới hạn để tạo một trạng thái gọi là siêu tới hạn còn gọi là phương pháp lắp ráp kiểu đại bác

+ Nén khối lượng nhiên liệu phân hạch cho trước chưa đạt trạng thái tới hạn bằng áp suất cao Khi đó mật độ hạt nhân sẽ tăng lên và cuối cùng nó sẽ đạt đượctrạng thái siêu tới hạn

Nhưng cái khó chủ yếu của việc thiết kế bom nguyên tử là phải đảm bảo một phầnchủ yếu của các nhiên liệu được phản ứng trước khi vũ khí tự phá hủy thân nó

Hai phương pháp đều được các nhà khoa học trong dự án tối mật Manhattan sử dụng Phương pháp thứ nhất được dùng trong quả bom “ Little boy” thả xuống Nhật ngafy6 thán 8 năm 1945 Phương pháp thứ hai sử dụng trong quả bom “Fat man” thả xuống Nhật ngày 9 thán 8 năm 1945

2.2.1.2 Cấu tạo nguyên tắc gây nổ của bom nguyên tử.

Do bom nguyên tử có hai cách gây nổ khác nhau và sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau nên để tiến hành cho bom nguyên tử ta sẽ nghiên cứu hai quả bom nguyên tử

có tính chất lịch sử, đó là: Quả bom có tên “Cậu bé nhỏ” (little boy) sử dụng 235U làm nhiên liệu, dùng cách thứ nhất để gây nổ, quả bom tên “Người béo” (Fat man) sử dụng

239Pu làm nhiên liệu va dùng cách thứ hai để gây nổ

a Quả bom “ Cậu bé nhỏ” (Little Boy)

Hình 2.2 Quả bom “ Little boy”

Little boy là quả bom nguyên tử có kích thước: dài 3m, đường kính 0.75m khối lượng tổng cộng là 4100 kg Chứa 64 kg uranium với độ giàu là 93,5%.Ngày nay, đặc điểm kỹ thuật của Little boy vẫn còn trong vòng bí mật bởi

họ có thể vẫn còn tạo ra hiệu quả kinh tế từ vũ khí hạt nhân Nhưng theo nguồntin đáng tin cậy thì bên trong của Little boy uranium được chia thành hai phần

là “đạn và bia” bằng uranium rồi đẩy chúng lại gần nhau để làm nổ quả bom Phần “đạn” là những vòng tròn rỗng chiếm 60% khối lượng tổng cộng (38,5 kg) Nó bao gồm một chồng 9 vòng uranium, mỗi vòng có đường kính 15,625

cm (6,25 inch), và lỗ rỗng giữa thanh có đường kính là 10 cm (7 inch) Chúng được nén và trong hộp có thành mỏng và dài khoảng 17,5 cm (7 inch) Một chất nổ (TNT) sẽ ném chúng đi trong một cái ỗng dẫn bằng cacbon – tunxten

và có nắp bằng thép dẫn đến “bia” Phần “bia” là những thanh uranium nhọn, đồng chất, có đường kính 10 cm (4 inch), dài 17,5 cm (7 inch), với khối lượng chiếm khoảng 40% khối lượng uranium tổng cộng (25,6 kg), những thanh uranium này tạo thanh một bó dày hơn những vòng “đạn” Nó một lỗ nhỏ (1 inch) để bắt bu long vào thành phía trước của quả bom

Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động của Little boy

Khi “đạn “ tác động đến “bia” thì chúng sẽ ráp lại và khối lượng siêu tới hạn cua uranium đã đạt được bởi cú va chạm mạnh Nuetron sẽ được giải phón

từ hợp kim của tunxten cacbua và thép chúng và chạm vào các đầu nhọn của thanh và bắt đầu hoạt động và gây ra phản ứng dây chuyền không kiểm soát được – vụ nổ hạt nhân được thực hiện [26]

Sau đây là sơ đồ cấu tạo của “Little boy”

Hình 2.4

Sơ đồ cấu tạo của “Little boy”

1) Đuôi hình hộp giữ thăng bằng.

14) Nguồn neutron đầu tiên

15) Anten của rađa

16) Hốc để “đạn” lọt vào do quán tính

b Quả bom “Người béo” (Fat man)

Hình 2.5 Quả bom “Fat man”

Fat man có kích thước: dài 3,25 m, đường kính 1,52m, nặng 4.630 kg, chứa6,2 kg Plutonium Nó có tên là “Fat man’ vì nó có đường kính gấp 2 lần đườngkính “Little boy”

Fat man là một loại vũ khí nổ định hướng và trong sử dụng Plutonium Mộtquả cầu rỗng chứa plutonium có khối lượng dưới mức giới hạn đạt tại tâm của một quả cầu lớn chứa chất nổ hóa học rất mạnh bên ngoài Nhiều ngòi nổ đượcđặt trên hình cầu lớn này và chúng được kích nổ cùng một lúc để tạo một áp lực hướng vào trong nén lên lõi Plutonium, với sức nén này làm cho mật độ plutonium tăng lên Kết quả là trạng thái siêu tới hạn đã đạt được và bom được kích nổ

Khó khăn của bản thiết kế là phải sắp đặt các ngòi nổ thích hợp để khi kích hoạt các chất nổ có sực công phá mạnh phải tạo ra sóng xung kích nén đều lên khối cầu chứa Plutonium Nếu sự nén thực hiện không đồng bộ sẽ làm khối plutonium văn ra khỏi quả bom, làm quả bom vô hiệu quả Để đạt được hiệu quả người ta bố trí nhiều hệ thống thấu kính bằng các chất nổ mạnh cho phép biến đổi nhiều loại sóng phân kỳ thành một loại sóng cầu hội tụ.

Thực tế cho đến nay, nguyên bản của sơ đồ thiết kế của Fat man vẫn còn bí mật Tuy nhiên một số thành phần chính của nó đã được công khai Sau đây là cấu tạo các thành phần chính của Fat man

Hình 2.6

Sơ đồ cấu tạo của “Fat man”

1) Dây thông tin AN 219 (4 vị trí)2) Anten của ra đa

3) Đĩa chứa pin (tác dụng làm nổ vỏ đua ra xung quanh)4) Ngòi đố bố trí cận vỏ đua ra, 10 cái

5) Khớp nối để lắp hai phần của bom hình elip lại với nhau

6) Thấu kính hình chất nổ có sức công phá cao hình ngũ giác (12 cái xung quanh hình cầu bên trong), chúng được sắp lại với nhau thành hình cầu làm nền cho khối cầu 20 mặt tiếp theo

7) Thấu kính bằng chất nổ có sức công phá cao hình lục giác (20 cái bao quanh (6))

8) Đuôi lắp ráp có tác dụng như dù làm quả bom rơi chậm từ máy bay.9) Vỏ đua bao quanh các lớp cầu với đường kính trong khoảng 140 cm.10) Hai phần nón chứ hình toàn bộ hình cầu có vỏ đua ra

11) Những thấu kính gây nổ

12) Vật nổ bao quanh lõi plutonium lớp này tiếp lớp khác

13) Đĩa chứa các dụng cụ ra đa, thiết bị bấm giờ

14) Thiết bị báo khí áp2.2.1.3 Tác hại của bom nguyên tử

Ngay từ khi tham gia vào thực hiện dự án tối mật Manhattan thì các nhà vật lý cũng phần nào đoán được tác hại của loại vũ khí mới này Nhưng khi tiến hành thử nghiệm quả bom nguyên tử đầu tiên của nhân loại thì mới biết được sức công phá của nólớn hơn tưởng tượng rất nhiều Lần thử nghiệm đầu tiên sẽ diễ ra vào ngày 16 tháng7 năm 1945 tại sa mạc New mexico Trước đó người ta đã dựng một cái tháp bằng thép cao33m để treo trái bom Cả trái bom nặng khoảng 4 tấn, nhưng bộ phận chính chất phân hạch thì lại chỉ bằng một quả cầu bóng chày (base ball) Ngày 15 tháng 7, tướng Ferrel

“hai tay run run” đặt quả cầu phân hạch vào trong quả bom, trước sự chứng kiến của hơn

40 nhà bác học (Fermi, Oppencheimer…) Các máy đo phải đặt xa 10km Quả bom nổ lúc 5 giờ 30 phút sáng ngày 16 tháng 7 năm 1945 Tất cả các nhân chứng đều nhất trí và cường độ ánh sáng phát ra, gấp bội lần ánh sáng giữa trưa hè ở New Mexico, xuất phát từmột khổi lửa khổng lồ trên nền trời tím, kèm theo những tiếng ầm ì mà cách xa 250 km vẫn còn nghe thấy và trông thấy Một đám mây đen cuồn cuộn bốc lên cao, bao trùm dần

cả hiện trường như một cây nấm khổng lồ Sau đó ít lâu, khi gió thổi tan đi người ta thấy cái tháp kim loại đã mất Thay vào đó là một cái hố sau hơn 7m xuất hiện vơi thành cát xung quanh nóng chảy và đông cứn lại nhẵn lì – đất hóa thủy tinh ([13, tr.17 – 18]; [7, tr.64]) Sức công phá của quả bom hết sức lớn, nhưng thực tế lúc đó chưa có được con số

to lớn về tác hại của nó

Ngày nay, với nhiều vụ thử hạt nhân khác và các phương pháp đo chính xác, khoa học hơn người ta đã phân tích được tác hại của vũ khí hạt nhân một cách hoàn chỉnh Người ta xác định tác hại của bom nguyên tử tùy thuộc vào sức công phá, độ cao bom nổ

và các điều kiện khí tượng Ngoài ra sức ép và sức nỏng gây ra phỏng, cháy thì còn tia phóng xạ sinh ra trong vụ nổ cũng là một trong những nguyên nhân gây ra tử vong Độ phóng xạ có thể trải ra trên những diện tích rộng và gây tác hại hơn hàng chục năm sau khi nổ, tuy nhiên độ phóng xạ ấy yếu hơn so với độ phóng xạ tức thời

Tác hại của bom nguyên tử 1 megaton nổ ở độ cao 2000m được mô tả như sau (hình 2.7)

Ngay sau khi bom nổ sẽ hình thành một quả cầu lửa phát ra bức xạ nhiệt mạnh có thể làm bỏng da và gây ra nhiều vụ cháy cách xa hàng km Vụ nổ gây ra sóng xung kích

đi ra xa quả cầu với tốc độ siêu thanh Sau vụ nổ 1,8 giây, mặt của sóng xung kích (vòng tròn đen) cách quả cầu lửa khỏang 1,6 km Không khí không chuyển động cho đến khí sóng xung kích đến và làm nó chuyển động Hơn nữa, các phản ứng hạt nhân tạo ra vụ nổ

sẽ phát ra những tia bức xạ gamma và neutron (đường gợn sóng) có sức xuyên thấu mạnhtrong không khí để đến mặt đất trong thành phố Khi sóng xung kích sơ cấp chạm mặt đất, một sóng khác được sinh ra do phản xạ

Gọi điểm 0 là điểm chiếu trên mặt đất nằm trên đường thằng đứng ở điểm bom nổ thì tùy theo sc công phá của quả bom và độ cao nổ bom, ở cách điểm 0 một khoảng nào

đó các mặt sóng xung kích và sóng phản xạ kết hợp lại với nhau tạo thành một sóng Mach mạnh hơn: Nếu 1 quả bom megaton nổ cách mặt đất 2000m thì hiệu ứng Mach bắt đầu sau 4,6 giây khi vụ nổ bắt đầu và ở cách điểm 0 một khoảng 2km Ở điểm đó siêu áp,tức là hiệu suất của áp suất so với áp suất khí quyển cua môi trường là 1,1 bar

Sau vụ nổ 11 giây, mặt song Mach chạy xa cách điểm 0 là 5 km, siêu áp ở bề mặt sóng là 0.4 bar và tốc độ gió và khoảng 300 km/h Một lượng lớn bức xạ hạt nhân và nhiệt tiếp tục đến mặt đất

37 giây sau vụ nổ, mặt sóng Mach cách điểm 0 là 15 km, siêu áp là 0,7 bar và tố

độ gió lúc này là 65 km/h Bức xạ nhiệt không quan trọng nữa nhưng bức xạ gamma với liều lượng gây tử vong vẫn đến mặt đất Quả cầu lửa không sáng nữa nhưng vẫn còn rất nóng và do đó khói bốc lên rất nhanh, hút không khí lên cao tạo thành những cơn gió hướng tâm rất mạnh Các cơn gió này cuốn theo bụi và các mạnh vụn đỗ vỡ của nhà cửa tạo thành một cột khói bụi mà người ta gọi là “nấm nguyên tử” Sau khi nổ bom 110 giây,các tàn dư đang cháy của quả cầu lửa bốc lên rất cao, bắt đầu tắt và nguội đi Các sản phẩm phân hạch bị bốc hơi và các tàn tích của quả bom ngưng tụ lại và làm thành một đám mây phóng xạ Vào lúc ấy đám mây lên đến độ cao 11 km Độ cao tối đa đạt được sau 10 phút là 22 km Cuối cùng hạt nhân bị gió cuốn đi và phân tán, trừ khi có mưa nếu không bụi phóng xạ sẽ không rơi xuống ngay [6, tr.283]

2.2.2 Vũ khí hạt nhân thế hệ 2 – bom khinh khí (bom Hydro)