Vì sao phải làm giàu uranium để sản xuất bom hạt nhân? Từ nguyên tử đến địa chính trị

[Dũng Đỗ]

Do chỉ có đồng vị uranium-235 mới có thể hỗ trợ một phản ứng dây chuyền phân hạch, các nhà sản xuất vũ khí hạt nhân cần phải thực hiện một quá trình phức tạp và tốn kém để làm giàu uranium, nhằm tăng tỷ lệ của đồng vị này lên mức đủ để tạo ra một vụ nổ.

Cơ sở làm giàu uranium tại Iran​

Bối cảnh: Các cơ sở hạt nhân của Iran​

Vào cuối tuần trước, Israel được cho là đã nhắm vào 3 cơ sở hạt nhân quan trọng của Iran là Natanz, Isfahan và Fordow. Các cơ sở này được bảo vệ rất kiên cố và phần lớn được đặt ở dưới lòng đất. Trong đó, Natanz và Fordow chính là những địa điểm làm giàu uranium của Iran. Để có thể hiểu rõ được quá trình làm giàu uranium là gì và tại sao nó lại gây ra những lo ngại lớn về mặt an ninh toàn cầu, chúng ta cần phải biết về các đồng vị của uranium và quá trình phân tách hạt nhân trong một phản ứng phân hạch.

Đồng vị là gì và sự khác biệt giữa U-238 và U-235?​

Tất cả vật chất mà chúng ta biết đều được tạo thành từ các nguyên tử, và các nguyên tử này lại được tạo ra từ các hạt proton, neutron và electron. Số lượng các hạt proton là yếu tố quyết định các tính chất hóa học của một nguyên tử, giúp chúng ta có thể phân biệt được các nguyên tố hóa học khác nhau. Ví dụ, nguyên tử uranium có 92 proton, trong khi nguyên tử carbon chỉ có 6.

Tuy nhiên, một nguyên tố có thể có số lượng các hạt neutron khác nhau, dẫn tới việc có nhiều phiên bản khác nhau của cùng một nguyên tố đó, được gọi là các đồng vị. Điều này hầu như không ảnh hưởng đến các phản ứng hóa học của chúng, nhưng các phản ứng hạt nhân của các đồng vị khác nhau lại có thể rất khác biệt.

Khi được khai thác từ lòng đất, uranium tự nhiên có hai đồng vị chính:

• Uranium-238 (U-238): Chiếm tới 99,27%, có 92 proton và 146 neutron.
• Uranium-235 (U-235): Chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ, khoảng 0,72%, có 92 proton và 143 neutron.

Đối với việc xây dựng các lò phản ứng hạt nhân hoặc các loại vũ khí hạt nhân, các nhà khoa học cần phải thay đổi tỷ lệ của các đồng vị này. Lý do là vì trong hai đồng vị chính của uranium, chỉ có duy nhất uranium-235 là có thể hỗ trợ một phản ứng dây chuyền phân hạch.
Một phản ứng dây chuyền phân hạch xảy ra khi một hạt neutron bắn vào một nguyên tử, khiến cho nguyên tử đó bị phân hạch (tức là vỡ ra), tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ và đồng thời giải phóng ra thêm một vài hạt neutron khác. Những hạt neutron mới này sau đó lại tiếp tục bắn vào các nguyên tử khác, khiến chúng tiếp tục bị phân hạch, và cứ thế tiếp diễn.

Hình ảnh về quặng Uranium​

Làm giàu uranium là gì và được thực hiện như thế nào?​

Làm giàu uranium có nghĩa là lấy nguyên tố uranium tự nhiên và thực hiện quá trình tăng tỷ lệ của đồng vị uranium-235 trong khi loại bỏ bớt đồng vị uranium-238.

Dù có một vài cách để có thể thực hiện được việc này, về mặt thương mại, hoạt động làm giàu uranium hiện nay chủ yếu được thực hiện bằng các máy ly tâm (centrifuges). Đây cũng chính là trường hợp tại các cơ sở hạt nhân của Iran.

Các máy ly tâm hoạt động dựa trên một nguyên tắc vật lý đơn giản: uranium-238 nặng hơn khoảng 1% so với uranium-235. Chúng sẽ lấy uranium (được chuyển sang ở dạng khí) và sử dụng các rotor để có thể quay nó với một tốc độ cực kỳ cao, từ 50.000 đến 70.000 vòng/phút. Khi đó, các nguyên tử uranium-238 nặng hơn sẽ có xu hướng di chuyển ra các cạnh bên ngoài của máy ly tâm, để lại các nguyên tử uranium-235 nhẹ hơn ở khu vực trung tâm.

Tuy nhiên, quá trình này chỉ có hiệu quả đến một mức độ nhất định. Vì vậy, quá trình quay ly tâm này phải được thực hiện lặp đi lặp lại rất nhiều lần trong một hệ thống gồm hàng nghìn máy ly tâm được kết nối với nhau (gọi là một chuỗi tầng), qua đó dần dần làm tăng tỷ lệ của uranium-235 lên.

Đồng vị Uranium 235 trong tự nhiên và trong Uranium đã làm giàu​

Các cấp độ làm giàu và nguy cơ vũ khí hạt nhân​

Việc ứng dụng phản ứng dây chuyền phân hạch có thể dùng cho cả mục đích hòa bình và quân sự, tùy thuộc vào mức độ làm giàu uranium.

• Uranium làm giàu thấp (3-5%): Hầu hết các lò phản ứng hạt nhân dân sự sử dụng uranium được làm giàu ở mức thấp, tức là có khoảng 3-5% tổng lượng uranium trong mẫu vật là uranium-235. Mức độ này là đủ để có thể duy trì một phản ứng dây chuyền được kiểm soát và tạo ra điện năng.
• Uranium làm giàu cao (>20%): Để có thể đạt được một phản ứng dây chuyền gây nổ trong một quả bom, uranium-235 cần phải được tập trung ở một mức độ cao hơn đáng kể. Về mặt kỹ thuật, một vũ khí hạt nhân có thể được chế tạo với một lượng uranium chỉ cần được làm giàu ở mức 20% (còn được gọi là "uranium làm giàu cao" - HEU).
• Uranium cấp độ vũ khí (~90%): Càng làm giàu uranium lên mức cao hơn, vũ khí hạt nhân sẽ càng có thể được làm nhỏ hơn và nhẹ hơn. Một số quốc gia có vũ khí hạt nhân thường sử dụng uranium được làm giàu ở mức khoảng 90%.

Cựu tổng thống Iran Mahmoud Ahmadinejad đến thăm một cơ sở hạt nhân​

Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), Iran đã làm giàu một lượng lớn uranium của mình lên đến mức 60%. Việc tăng mức độ làm giàu từ 60% lên 90% lại càng trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn, bởi vì lúc này đã có rất ít các nguyên tử uranium-238 cần phải loại bỏ hơn. Đây chính là lý do tại sao cộng đồng quốc tế cho rằng Iran đang có nguy cơ rất cao trong việc có thể sản xuất được vũ khí hạt nhân.

Công nghệ ly tâm được sử dụng để sản xuất nhiên liệu cho các lò phản ứng dân sự hoàn toàn có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu cho các vũ khí hạt nhân. Chính vì vậy, các thanh sát viên từ IAEA đang phải liên tục giám sát các cơ sở hạt nhân trên toàn thế giới để có thể đảm bảo rằng các quốc gia đang tuân thủ các quy định trong hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân toàn cầu.