Đám mây hình nấm từ vụ thử bom hạt nhân Trinity. Ảnh: Conversation
Thử nghiệm vũ khí hạt nhân đầu tiên có mật danh "Trinity" diễn ra trên sa mạc New Mexico vào 5h30 sáng ngày 16/7/1945. Thử nghiệm này là bước chứng minh khái niệm cho nghiên cứu khoa học hạt nhân bí mật diễn ra ở Los Alamos, thuộc dự án Manhattan trong Thế chiến Ii và dẫn tới sự ra đời của quả bom nguyên tử thả xuống Hiroshima và Nagasaki, Nhật Bản, chỉ vài tuần sau đó. Sau những vụ kích nổ đó, sự phát triển của vũ khí hạt nhân được đẩy nhanh. Nhiều nước trên khắp thế giới đã chế tạo kho dự trữ hạt nhân riêng, bao gồm hơn 5.000 đầu đạn hạt nhân mà Mỹ nắm giữ.
Tuy nhiên, dù thành phần cơ bản của công nghệ này không còn là bí mật, phát triển vũ khí hạt nhân vẫn là thách thức khoa học và kỹ thuật. Tại sao vũ khí hạt nhân vẫn quá khó sản xuất? Phần lớn khó khăn đến từ việc sử dụng những nguyên tố hóa học bên trong vũ khí để tạo ra vụ nổ, theo Hans Kristensen, giám đốc Dự án thông tin hạt nhân ở Liên đoàn nhà khoa học Mỹ.
"Ý tưởng cơ bản của một vụ nổ hạt nhân là vật liệu phân hạch được kích thích để giải phóng năng lượng khổng lồ của chúng. Tạo ra vật liệu phân hạch đủ tinh khiết và chất lượng là một thách thức và quá trình sản xuất đòi hỏi năng lực sản xuất công nghiệp lớn", Kristensen cho biết.
Hoạt động giải phóng năng lượng khổng lồ gọi là phản ứng phân hạch. Khi phản ứng này xảy ra, một chuỗi phản ứng bắt đầu lúc nguyên tử tách ra để giải phóng năng lượng. Đây cũng là loại phản ứng khiến điện hạt nhân trở nên khả thi.
Làm giàu uranium và plutonium
Vật liệu phân hạch bên trong bom hạt nhân chủ yếu là đồng vị uranium và plutonium, những nguyên tố phóng xạ, theo Matthew Zerphy, giáo sư thực hành kỹ thuật hạt nhân ở Đại học Pennsylvania. Đồng vị phổ biến nhất của uranium là uranium-238 (U-238) được khai thác từ mỏ, sau đó trải qua quá trình làm giàu để biến đổi một phần thành đồng vị khác là uranium-235 (U-235), có thể sử dụng dễ dàng hơn trong phản ứng hạt nhân.
"Một cách làm giàu uranium là biến đổi nó thành khí, sau đó xoay tròn cực nhanh trong máy ly tâm. Do chênh lệch khối lượng giữa U-235 và U-238, các đồng vị tách ra và bạn có thể thu được U-235", Live Science dẫn lời Zerphy.
Đối với uranium dùng trong vũ khí, 90% mẫu vật U-238 cần được biến đổi thành U-235. Phần thách thức nhất trong quá trình kéo dài vài tuần đến vài tháng này là biến đổi hóa học của bản thân nguyên tố đòi hỏi năng lượng cực lớn và thiết bị chuyên dụng. Một nguy cơ hóa học của quá trình là khả năng giải phóng uranium hexafluoride (UF₆), một hợp chất cực kỳ độc hại có thể phá hủy thận, gan, phổi, não, da và mắt nếu hít phải.
Quá trình làm giàu plutonium ở mức độ tương đương thậm chí còn khó khăn hơn bởi nguyên tố này không tồn tại trong tự nhiên như uranium. Thay vào đó, plutonium là phụ phẩm của lò phản ứng hạt nhân. Để sử dụng plutonium, các nhà khoa học cần xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và xử lý vật liệu thông qua lắng đọng hóa học. Xử lý vật liệu này cũng có thể đặt ra nguy cơ về an toàn nếu tình cờ thu thập khối lượng tới hạn. Theo Zerphy, đó là lượng vật liệu phân hạch nhỏ nhất cần thiết để kéo dài phản ứng phân hạch tự duy trì.
"Bạn phải rất cẩn thận tránh để điều đó xảy ra trong quá trình sản xuất những thành phần này để đảm bảo mọi thứ không kết hợp với nhau và vô tình gây ra vụ nổ", Zerphy nói.
Dù nắm rõ nguyên lý khoa học của việc kết hợp các thành phần, tạo ra và kiểm soát phản ứng trong tích tắc có thể vẫn khó khăn. "Vũ khí được thiết kế để khi kích nổ chúng, khối lượng siêu tới hạn của vật liệu phân hạch được tạo ra rất nhanh trong không gian rất nhỏ. Điều này gây ra sự gia tăng số lượng phân hạch theo cấp số nhân lan khắp vật liệu gần như đồng thời", Zerphy giải thích.
Sự lan rộng nhanh của phân hạch hạt nhân góp phần lớn khiến phản ứng hạt nhân có sức hủy diệt lớn đến vậy. Trong trường hợp vũ khí nhiệt hạt nhân phát triển sau Thế chiến II và sử dụng kết hợp giữa phản ứng phân hạch và hợp hạch để tạo ra vụ nổ lớn hơn, phản ứng phân hạch tiêu chuẩn sau đó kích hoạt phản ứng hợp hạch thứ cấp và mạnh hơn. Phản ứng hợp hạch cũng là loại phản ứng xảy ra ở lõi Mặt Trời.
Thử nghiệm vũ khí hạt nhân
Sau khi tạo ra vũ khí hạt nhân, các nhà khoa học và kỹ sư cần đảm bảo vũ khí hoạt động khi cần. Khi vũ khí hạt nhân được phát triển lần đầu tiên, nhà khoa học sẽ kiểm tra ở bãi thử, dẫn tới phá hủy môi trường ở các khu vực hẻo lánh cũng như ảnh hưởng tới con người và động vật sống gần đó. Ngược lại, thử nghiệm vũ khí hạt nhân hiện đại dựa vào mô hình máy tính. Đây là một phần công việc của Cục quản lý an ninh hạt nhân quốc gia (NNSA). Độ phức tạp và khó khăn trong chế tạo vũ khí hạt nhân có thể giải thích tại sao có rất ít siêu cường quốc hạt nhân trên thế giới ngày nay.
An Khang (Theo Live Science)