Làm giàu urani

Quả bom urani định mệnh

Hiểm hoạ của quả bom nguyên tử chế tạo từ chất Uranium đối với con người không còn là câu chuyện trên sách vở.

Sáu mươi năm đã đi qua, nhưng nhân loại, và trước hết là người dân Nhật chưa thể nào và có lẽ không bao giờ quên ngày Thứ Hai kinh hoàng của năm 1945 ấy.

Đúng 8 giờ 15 phút sáng ngày Thứ Hai, 6/8/1945, một quả bom nguyên tử đã được ném xuống Hiroshima .

Đó là loại bom bằng nhiên liệu Uranium.

Litle boy-Quả bom nguyên tử đầu tiên trên thế giới. Quả bom này đã nổ ở Hiroshima (Nhật) vào ngày 6/8/1945 và gây ra cái chết cho hơn 20 vạn người.

Thực sự, quả bom 4 tấn đó chỉ chứa 1 kg nhiên liệu ròng, hay nói cách khác chỉ gồm 1kg chất nổ Uranium với thành phần đồng vị U235 chiếm trên 90%.

Chính 1kg chất nổ ấy đã tạo nên sức tàn phá mạnh bằng 15 ngàn tấn thuốc nổ TNT thông thường!

Đến nay, trong các kho vũ khí của các cuờng quốc hạt nhân đã có những quả bom nguyên tử với sức huỷ diệt khủng khiếp, lớn hơn hàng chục và thậm chí cả trăm lần so với "Chú Nhóc Con" tàn phá Hiroshima năm xưa.

Nhưng, dù bom nhỏ hay bom lớn, tất cả đều đòi hỏi phải có công nghệ làm giàu Uranium nhằm tạo được một lượng cần thiết Uranium giàu, tức là loại Urani có thành phần đồng vị U235 rất cao.

Vậy, thế nào là U235 giàu và làm giàu Uranium như thế nào?

Nguyên tố Uranium, được phát hiện hơn 200 năm trước (năm 1789) bởi nhà hoá học M.G. Klapơrôt (người Đức).

Và tên nguyên tố này chính là tên gọi để kỷ niệm sự kiện phát hiện ngôi sao Urani, hay Thiên Vương Tinh trong Thái dương hệ của chúng ta.

Ngay từ đầu, nhiều đặc tính thông thường của Urani đã được khám phá.

Chẳng hạn, đó là kim loại nặng, màu trắng bạc, nhiệt độ nóng chảy 1133 độ C và nhiệt độ sôi là 3.500 độ C.

Chẳng có gì đáng chú ý nếu nguyên tố Urani không có một thuộc tính rất quan trọng - tính phóng xạ.

Chính với phát minh tia phóng xạ tự nhiên phát ra từ quặng Urani và Thôri, Marie Curie cùng chồng (Pierre Curie) và người thầy của mình (Henry Becquerel) đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 1903.

Uranium trong tự nhiên

Nhưng quan trọng nhất và có ý nghĩa nhất đối với Urani là tính chất phân hạch của U-235, được các nhà khoa học lỗi lạc E. Fermi (Ý), O. Hahn và Ph. Strassman (Đức) phát hiện vào những năm 30 của thế kỷ trước.

Dưới tác dụng của nơtron, hạt nhân U -235 bị phân ra hai mảnh, đồng thời giải phóng 2-3 nơtron mới và toả ra một năng lượng lớn 200 MeV (200 triệu điện tử-vôn).

Như đã nói ở trên, chỉ 1kg Urani giàu trong “Chú Nhóc Con” đã phát ra năng lượng khổng lồ tương đương 15 ngàn tấn thuốc nổ TNT!

Phân hạch hạt nhân: Những hạt nơ-trôn bắn vào hạt nhân Uranium khiến cho hạt nhân Uranium vở ra thành nhiều hạt nhân nhỏ hơn và phóng thích một nguồn năng lượng cực kỳ lớn.

Các tài liệu địa chất cho biết Urani tự nhiên tồn tại dưới dạng hỗn hợp ôxit urani U2O8 trong quặng pesơblin.

Quặng này là nguyên liệu xuất phát để điều chế kim loại nguyên chất hoặc các hợp chất khác.

Họ cũng xác định rằng lượng Urani có trong quả đất tương đối ít, hàm lượng trung bình trong đất đá chỉ chiếm khoảng ba phần triệu (3.10 ^-4%), gần như cùng hàm lượng của các nguyên tố hiếm hoi khác như Bo, Môlipđen, Ytecbi và Tali.

Kim loại Urani lại gồm hai thành phần đồng vị chủ yếu, U-238 và U-235.

Trong đó, U-238 chiếm hàm lượng áp đảo với 99,7%. Còn đồng vị U-235 quá ư nghèo, chỉ chiếm 0,3% (tức 3 phần ngàn). Điều oái oăm là U-235 hiếm, nhưng quý. Vì chỉ U-235 mới tham gia phản ứng hạt nhân dây chuyền, một phản ứng cần thiết để duy trì sự cung cấp nhiệt cho hoạt động của nhà máy điện hay tạo nên vụ nổ cần thiết.

Nói cách khác, chỉ hạt nhân U-235 này mới là nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân hoặc “thuốc nổ” của bom nguyên tử.

Trong thực tế, khó có thể tách được một lượng U-235 ròng tuyệt đối.

Chỉ có thể làm giàu đồng vị U-235 trong hỗn hợp kim loại Urani đến một tỉ lệ nhất định. Với độ giàu khoảng 5% (hay U-235 giàu 5%), kim loại hỗn hợp Uranium đã có thể dùng làm nhiên liệu cho nhà máy điện hạt nhân.

Nhưng để làm chất nổ cho bom nguyên tử thì U-235 phải chiếm trên 90% trong hỗn hợp kim loại Uranium. Người ta gọi đó là Uranium "giàu".

Công nghệ "làm giàu" Uranium

Như vậy, quá trình tăng thành phần U-235 trong kim loại hỗn hợp Uranium được gọi là công nghệ làm giàu Uranium.

Quá trình này trở nên rất quan trọng, nếu không nói là quyết định để biến chất Urani thành thứ vật liệu quý hiếm như vậy.

Hiện nay, có nhiều phương pháp để làm giàu Uranium như: Tách đồng vị điện từ (Electromagnetic Isotope Separation), Khuyếch tán nhiệt (Thermal Diffusion), Khuyến tán khí (Gaseous Diffusion), Khí động học (Aerodynamic Processes), tách đồng vị La-de (Laser Isotope Separation), Trao đổi iôn và hoá học (Chemical and Ion Exchange), Tách Plasma (Plasma Separation) và Khí ly tâm (Gas Centrifuge).

Phương pháp phổ biến để làm giàu Uranium hiện nay là phương pháp ly tâm ( Iran hiện đang sử dụng phương pháp này).

Muốn đạt độ giàu U-235 càng cao và thu được khối lượng nhiên liệu lớn, cần có nhiều máy ly tâm, hàng trăm, hàng nghìn và thậm chí hàng chục nghìn cỗ máy.