Những hứa hẹn của plutonium

Dư luận bàn tán khá nhiều về nguy cơ của plutonium. Có ý kiến rằng plutonium là một đe dọa cho môi trường vì có chu kỳ (hay nửa đời) hơn 24.000 năm[i]. Có ý kiến rằng plutonium là nguyên liệu cho bom nguyên tử nên là một đe dọa cho hòa bình Thế-giới. Và lẽ cố nhiên có ý kiến rằng plutonium rất nguy hiểm vì cả hai lý do trên.

Để làm sáng tỏ những điều này chúng tôi xin trình bày một số khái niệm vật lý hạt nhân, những áp dụng dân sự và những áp dụng quân sự của plutonium.

I/ Một chút vật lý

Plutonium là một nguyên tử đứng ở vị trí thứ 94 trong bảng Mendelev. Người ta đã 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 và Pu‑242.

Ngoài đồng vị Pu‑241 ra, những đồng vị plutonium khác đều có hoạt tính thấp. Những đồng vị đó là những vật phóng xạ alpha. Đống vị Pu‑241 có thể tự phân rã theo phản ứng bêta và trở thành đồng vị americium Am 241, một vật phóng xạ alpha không ổn định nguy hiểm cho sức khỏe. Nhưng tỷ lệ sản xuất đồng vị Pu‑241 trong những lò phản ứng hạt nhân lại không đáng kể. Vì thế plutonium không phải là một hiểm nguy phóng xạ trừ khi xâm nhập cơ thể. Ngược lại, vì có số nguyên tử lớn nên plutonium có thể bị coi là một chất độc nếu xâm nhập cơ thể sinh vật. Tuy nhiên, cũng tại vì khối lượng nguyên tử quá lớn, plutonium không thể chuyển vào dây chuyền thực phẩm một cách tự nhiên và nếu đã xâm nhập cơ thể thì cũng không ở lâu để làm hại. Vì những lý do đó mà việc thất lạc một chút plutonium không phải là một rủi ro cho môi trường[ii].

Trong ngành vật lý hạt nhân người ta phân biệt những vật liệu khả phân hạch và những vật liệu phong phú. Những vật liệu khả phân hạch gồm bởi những hạt nhân có thể bị neutron đập vỡ sinh ra những hạt nhân khác nhẹ hơn, gọi là sản phẩm phân hạch, năng lượng và vài neutron nữa. Những neutron bội sản này có thể đập vỡ những hạt nhân khác tạo nên một dây chuyền phản ứng sinh ra neutron và năng lượng. Những đồng vị phong phú gồm bởi những hạt nhân có thể hấp thụ neutron để trở nên hạt nhân khả phân hạch.

Người ta cũng phân biệt neutron mau lẹ và neutron chậm. Khi một hạt nhân phân hạch và sinh ra neutron thì tốc độ những neutron đó là khoảng 20.000 km/giây. Ở tốc độ đó neutron được gọi là neutron mau lẹ. Sau khi va chạm với những vật có mặt trong lò phản ứng tốc độ sẽ giảm. Khi tốc độ giảm xuống dưới một vài nghìn mét/giây thì neutron được gọi là neutron chậm hay neutron nóng.

Tất cả những đồng vị plutonium đều có thể bị neutron mau lẹ 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.

Những hiên tượng trên xẩy ra trong tất cả những lò phản ứng hạt nhân : những lò dùng để nghiên cứu khoa học cũng như những lò dùng để sản xuất năng lượng, những lò phản ứng neutron mau lẹ cũng như những lò phản ứng neutron chậm. Vì thế mà plutonium được coi là một nguyên liệu quý báu của ngành hạt nhân chứ không phải là một phế liệu có thể bị vứt bỏ ngoài môi trường thiên nhiên.

Khi địa cầu được hình thành thì có khá nhiều đồng vị plutonium Pu‑239 còn những đồng vị plutonium khác thì không đáng kể. Chu kỳ của đồng vị Pu‑239 chỉ là 24.110 năm nên, từ khi địa cầu được hình thành cách đây năm tỷ năm, tất cả những hạt nhân của đồng vị này đã phân rã thành những đồng vị khác rồi. Hiện nay không còn plutonium Pu‑239 tự nhiên nữa trừ một chút ở Oklo bên Gabon.

Địa điểm Oklo có địa hình tạo ra một lò phản ứng hạt nhân tự nhiên đã khởi động từ hai tỷ năm nay. Như mọi lò phản ứng hạt nhân, lò này sinh ra những đồng vị plutonium. Đây là nơi duy nhất người ta tìm thấy plutonium không phải do con người tạo ra. Hiện tượng này đang được nghiên cứu để dự đoán tương lai những phế liệu phóng xạ của những lò phản ứng nhân tạo.

Rất may là khi địa cầu được hình thành thì cũng có nhiều nguyên tử uranium ở dạng đồng vị U‑238. Đồng vị U‑238 có chu kỳ 4,5 tỷ năm nên hãy còn rất nhiều trên địa cầu[iii]. Đồng vị này có thể dùng làm nguyên liệu để chế tạo plutonium. Nếu bắn một neutron mau lẹ vào một hạt U‑238 thì hạt đó hấp thụ một neutron và sinh ra đồng vị U‑239. Đồng vị này không ổn định vì chu kỳ chỉ là 24 phút đồng hồ. Sau khi phân rã, đồng vị uranium U‑239 biến thành đồng vị neptunium Np 239. Đồng vị Np 239 này cũng có chu kỳ ngắn, hơn hai ngày một chút, nên mau chóng phân rã để trở thành đồng vị plutonium Pu‑239 khả phân hạch và ổn định hơn vì có chu kỳ 24.110 năm.

Tất cả mọi loại lò phản ứng hạt nhân đều sinh ra plutonium do những hạt nhân trong lò hấp thụ neutron khi những neutron này vừa mới thoát ra khỏi một hạt nhân bị phân hạch. Trong một lò phản ứng neutron mau lẹ thì phản ứng hấp thụ là hiển nhiên vì đồng vị uranium U‑238 chỉ có phản ứng hấp thụ khi những neutron hãy còn ở tốc độ cao. Nhưng trong một lò phản ứng neutron chậm cũng có một tỷ lệ đáng kể neutron chưa bị giảm tốc thì đã bị những hạt U‑238 hấp thụ để trở thành những đồng vị plutonium, trong đó tỷ số đồng vị Pu‑239 chiếm chừng ba phần tư những đồng vị plutonium sinh ra như vậy.

II/ Những áp dụng dân sự của plutonium

1- Dẫn tiến phi thuyền.

Như nói ở trên plutonium là những vật phóng xạ alpha nên có thể dùng để dẫn tiến một phi thuyền. Theo định luật tác động và phản động, nếu hướng những tia alpha phát ra từ sự phân rã tự nhiên của plutonium về cùng một hướng thì phi thuyền sẽ chuyển về hướng đối diện. Một khi phóng lên trời rồi thì một phi thuyền nhỏ chỉ cần một chút ít năng lượng để duy trì sự chuyển dịch. Khối lượng nhỏ của những hạt alpha đủ để làm việc này. Vì chu kỳ của đồng vị có nhiều nhất, đồng vị plutonium Pu‑239, là 24.110 năm nên bộ dẫn tiến có thể hoạt động trong cả chục năm, thời gian cần thiết để một phi thuyền bay tới mục tiêu.

2- Phát điện

Ngoài việc đẩy một phi thuyền, plutonium còn được dùng để phát điện : tia alpha đập vào một vật bán dẫn tạo ra một luồng điện cho những dụng cụ đo đạc của phi thuyền. Bây giờ thì những bộ khích tim bị cấm vì dư luận sợ plutonium. Nhưng cách đây hai chục năm, những người có nhịp tim không đều có thể được ghép một bộ khích tim chạy bằng điện do tia alpha của plutonium phát ra. Nhờ đời người ngắn hơn là chu kỳ của plutonium, loại bộ khích tim này tránh cho bệnh nhân phải bị giải phẩu có định kỳ để thay thế pin. Vì bệnh tim thường có tính cách gia truyền, có nhiều luật sư đã nghĩ đến việc cha mẹ để lại bộ khích tim làm của thừa kế cho con cháu !

3- Sản xuất năng lượng

Tuy nhiên áp dụng dân sự gần như là duy nhất của plutonium là sản xuất năng lượng. Vì mỗi lần một hạt nhân plutonium phân hạch thì sinh ra nhiều neutron hơn là khi một hạt nhân uranium phân hạch nên plutonium là nhiên liệu hạt nhân tốt hơn là uranium.

Nguồn plutonium chính là những lò phản ứng hạt nhân các cơ sở đào tạo, cơ sở nghiên cứu và cơ sở sản xuất điện hạt nhân. Riêng nước Pháp, với chừng sáu chục lò phản ứng, mỗi năm sản xuất mười tấn plutonium.

Khi xưa, công nghiệp vũ khí hạt nhân là thị trường plutonium chủ yếu của những cơ sở điện hạt nhân. Bây giờ, những áp dụng dân sự lại có thêm một nguồn plutonium nữa. Đó là plutonium lấy từ những quả bom nguyên tử đã được tháo gỡ theo hiệp định giải trừ quân bị hạt nhân. Plutonium này có nhiều giá trị vì chứa tới 95 phần trăm đồng vị Pu‑239, đồng vị dùng làm nhiên liệu tốt nhất trong số những đồng vị plutonium. Người ta ước có chừng hơn một nghìn tấn plutonium đã được dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân có thể đưa ra thị trường dân sự.

Người ta dùng plutonium để sản xuất năng lượng bằng hai cách :

1. Phân hạch plutonium ngay khi nó được sinh ra trong lò phản ứng,

2. Trộn plutonium với uranium để làm một nhiên liệu tương tự như là uranium đã được làm giầu.

Khi sinh ra trong lò phản ứng thì một phần plutonium có thể bị phân hạch và, như vậy, tham gia vào việc sản xuất năng lượng của lò ngay sau khi sinh ra. Đây là hình thức sản xuất và tiêu thụ plutonium hữu hiệu và an toàn nhất. Trong khi chờ đợi những lò phản ứng neutron mau lẹ được hiệu chỉnh để sản xuất và tiêu thụ plutonium thì người ta thiết kế những lò chạy bằng neutron chậm làm sao để lợi dụng triệt để hiện tượng đó.

Trong quy trình xử lý những thanh nhiên liệu đã được phóng xạ thì người ta phân tách plutonium khỏi những nguyên tử khác nhờ một số cách thức hóa học phức tạp. Sau đó người ta đổi plutonium kim loại sang dạng oxyd và trộn 5 đến 7 phần trăm oxyd plutonium với oxyd uranium. Hỗn hợp hai oxyd này gọi là MOX (Mixed Oxyd, Oxyd Hỗn hợp). Người ta dùng hỗn hợp này như là uranium đã được làm giầu để sản xuất những thanh nhiên liệu cho những lò phản ứng hạt nhân. Hiện nay có hai chục nhà máy điện hạt nhân của Pháp tiêu thụ nhiên liệu MOX. Tuy nhiên những nhà máy đó không thể chạy toàn bằng nhiên liệu MOX nên phải đổi cách thức điều hành lò phản ứng và chỉ có một phần nhiên liệu là nhiên liệu MOX thôi.

Liên doanh Framatome Siemens đã nắm được ưu thế với lò phản ứng EPR (European Pressurized Water Reactor, Lò Phản ứng Nước Nén Âu châu) đã được thiết kế để sản xuất và dùng trực tiếp tối đa plutonium ngay trong lò. Hoa-kỳ đang nhờ Cogema, một công ty quốc doanh Pháp, trộn thử nhiên liệu MOX từ plutonium của những quả bom nguyên tử họ đã tháo gỡ. Để gia tăng nguồn nhiên liệu của họ, Nhật-bản có kế hoạch thiết kế một loại lò phản ứng chạy toàn bằng nhiên liệu MOX.

III/ Những áp dụng quân sự của plutonium

Những hãng sản xuất vũ khí đã sáng chế hai loại bom hạt nhân : bom kinh khí và bom nguyên tử. Bom kinh khí dựa trên phản ứng hợp nhất một hạt nhân deuterium De‑2 với một hạt nhân tritium T‑3. Loại vũ khí này còn được gọi là bom H. Bom nguyên tử dựa trên phản ứng phân hạch đồng vị uranium U‑235 hay đồng vị plutonium Pu‑239. Loại vũ khí này còn được gọi là bom A.

Những bom kinh khí là loại bom mạnh nhất. Loại bom đó có sức tàn phá tương đương với 50 triệu tấn TNT, hai chục nghìn lần quả bom thả xuống Hiroshima năm 1945. Nhưng sau một thời gian thi đua vũ khí điên cuồng, những nhà quân sự nhận thấy rằng không có một mục tiêu nào họ nhắm trên Thế-giới mà cần đến một quả bom mạnh đến thế. Vì thế họ duy trì những quả bom H đã được chế tạo nhưng chỉ tiếp tục sản xuất những bom A [iv].

http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/p/pressurized-water-reactor.htm

Sản xuất một quả bom nguyên tử thực ra không phức tạp mấy. Nhưng làm nổ một quả bom nguyên tử không phải là một chuyện dễ. Trong một lò phản ứng dùng để nghiên cứu khoa học hay là để sản xuất điện thì năng lượng được sinh ra chậm chạp một cách liên tục. Ngược lại, muốn có một quả bom thì phải thiết kế ra sao để tất cả năng lượng chứa trong những hạt nhân phát ra trong một khoảng khắc thời gian ngắn tính bằng một phần hàng trăm tỷ giây đồng hồ.

Nếu trong quả bom có ít chất khả phân hạch thì những neutron sản xuất trong những phản ứng trước có thể lọt ra ngoài và không tham gia vào việc duy trì dây chuyền phản ứng. Vậy thì phải có một khối lượng tối thiểu chất khả phân hạch gọi là khối lượng quyết định. Xung quanh khối uranium hay plutonium phải có một thiết bị phản lại những neutron muốn bay ra ngoài và không tham gia vào dây chuyền phản ứng. Thiết bị đó gọi là một gương neutron. Ngoài ra, để tránh cho những neutron bị hấp thụ bởi những đồng vị phong phú thì hàm lượng những đồng vị khả phân hạch phải cao, ít nhất là 90 phần trăm, tốt nhất là 95 phần trăm.

Để gia tăng hàm lượng uranium U‑235 người ta lọc uranium tự nhiên để loại ra những đồng vị U‑238. Để có plutonium thì người ta phân tách những nguyên tử đó từ những thanh nhiên liệu hạt nhân đã bị phóng xạ trong một lò phản ứng hạt nhân. Sau đó, người ta lại phải lọc những đồng vị plutonium để trích ra đồng vị Pu‑239 để chế tạo bom.

Phân tách hai nguyên tử là một việc tương đối dễ vì dựa trên những phương thức hóa học. Phân tách những đồng vị của cùng một nguyên tử thì phải dùng đến quy trình cơ học dựa trên sự sai biệt giữa khối lượng của những hạt nhân. Sai biệt khối lượng giữa các đồng vị uranium U‑235 và U‑238 là 1,27 phần trăm. Sai biệt khối lượng giữa các đồng vị plutonium U‑239 và U‑240 là 0,42 phần trăm. Với những số liệu đó, lọc những đồng vị là một việc công phu và tốn kém.

Sau khi phân tách plutonium từ những nguyên tử khác của những thanh nhiên liệu thì hàm lượng đồng vị plutonium Pu‑239 đã sẵn là 70 phần trăm. Tăng hàm lượng đó lên tới 90 hay 95 phần trăm là một điều khó nhưng dễ hơn là tăng hàm lượng đồng vị uranium U‑235 từ 0,7 phần trăm lên đến 90 phần trăm. Ngoài ra, như nói ở trên, plutonium dễ phân hạch hơn là uranium. Vì những lý do đó mà plutonium được ưa chuộng để chế tạo bom nguyên từ thay vì uranium.

IV/ Kết luận

Plutonium không phải là một chất độc hóa học mà cũng không phải là một chất độc phóng xạ như nhiều người tưởng. Người ta kiểm kê plutonium còn kỹ hơn là kiểm kê vàng vì giá trị năng lượng trích ra từ một chỉ plutonium cao hơn rất nhiều giá trị một chỉ vàng. Không ai dại gì mà vứt đi hay bỏ lạc mất plutonium ra ngoài thiên nhiên để làm ô nhiễm môi trường.

Bây giờ plutonium không còn giá trị quân sự như xưa vì, ngoài một số nước lạc hậu và hung hăng, không còn nước nào sản xuất vũ khí hạt nhân nữa [v].

Những lò phản ứng neutron mau lẹ dùng uranium để khởi động và, sau đó, sản xuất và phân hạch plutonium liên tục để sinh ra năng lượng. Những lò này còn sản xuất nhiều plutonium hơn là nhu cầu để sản xuất năng lượng của chúng. Lượng plutonium bội sinh đó có thể được dùng để sản xuất nhiên liệu MOX. Uranium dùng trong những lò phản ứng neutron mau lẹ và dùng để chế biến nhiện liệu MOX sẽ là uranium tự nhiên từ mỏ uranium lấy ra, uranium đã bị làm nghèo sẵn có từ đầu kỷ nguyên hạt nhân hay uranium của những nhiên liệu đã được phóng xạ và xử lý. Nhờ thế, trong tương lai, chúng ta sẽ không phải làm giầu uranium nữa để chạy những lò phản ứng neutron chậm.

Với công nghệ hiện hành, chỉ có 0,7 phần trăm uranium tự nhiên, đồng vị U‑235, đã đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của nhân loại trong 40 năm theo nhịp tiêu thụ hiện nay. Nếu tận dụng được tất cả các đồng vị uranium như kể ở trên thì có thể nhân tới hơn 99 lần tiềm năng năng lượng hạt nhân. Nếu chúng ta kể đến những khó khăn kỹ thuật, ngoài nội dung bài này, thì phải giảm nhân số trên xuống còn có 40 phần trăm hay ít hơn. Nhưng nhân số đó vẫn có thể bảo đảm nhu cầu năng lượng của nhân loại trong vài thế kỷ.

Trong khi chờ đợi, plutonium đặt ra nhiều vấn đề :

1. plutonium sản xuất từ đầu kỷ nguyên hạt nhân đến nay vẫn chưa có công dụng vì những lò phản ứng chạy toàn bằng nhiên liệu MOX chưa được xây dựng đại tràng và những lò phản ứng neutron mau lẹ chưa được hoàn chỉnh[vi],

2. plutonium những bom nguyên tử đang được tháo gỡ theo hiệp định giải trừ quân bị hạt nhân làm tăng thêm khối lượng plutonium đang chất đống,

3. mặc dù plutonium được mỗi nước kiểm kê rất chính xác, mọi nước đều dối trá trong việc khai báo nên không ai biết số lượng thực sự là bao nhiêu, thất thoát là bao nhiêu,

4. không ai biết những nước nào và những nhóm người nào đang dùng plutonium để lén lút chế tạo vũ khí hạt nhân và đang chế tạo bao nhiêu.

Với kinh nghiệm đã tích lũy về những lò phản ứng hạt nhân thì chỉ cần nghiên cứu lại những lò phản ứng phân hạch hiện nay là có thể tối ưu hóa một loại lò chỉ chạy bằng nhiên liệu MOX và chỉ cần cố gắng khai triển vài năm nữa là những lò phản ứng neutron mau lẹ sẽ được hoàn chỉnh.

---

[i] Chu kỳ, hay nửa đời, của một đồng vị phóng xạ là thời gian để một nửa hạt nhân đồng vị đó tự phân rã.

[ii] Chúng tôi viết "thất lạc một chút plutonium" vì tích lũy lượng plutonium nhân loại đã sản xuất từ đầu kỷ nguyên nguyên tử không có là bao nhiêu, tối đa là 2.000 tấn.

[iii] Uranium là trong số những nguyên tử có nhiều nhất trên địa cầu.

[iv] Lẽ cốt nhiên cả Liên-xô lẫn Hoa-kỳ đều không thú nhận điều này.

[v] Chúng tôi xin đề cập vấn đề này vào một dịp khác.

[vi] Những lò phản ứng neutron mau lẹ không những có thể tiêu thụ plutonium mà còn có thể chuyển vị những sản phẩm phân hạch làm một công hai việc : sản xuất năng lượng và tham gia giải quyết vấn đề phế liệu hạt nhân. Sẽ đăng về phế liệu hạt nhân.

© http://vietsciences.free.fr và http://vietsciences.net Đặng Đình Cung