Ứng dụng hạt nhân trong quân sự và dân sự

[Trần Anh]

Trạm biến áp và lò phản ứng B. Washington-1944.

Đây là một nơi đáng kinh ngạc, nơi các quả bom được phát triển với 2 tỉ đô la (tương đương với hơn 20 tỉ đô bây giờ) và nhiều năm làm việc miệt mài của các chuyên gia, công nhân (từ 1939, huy động khoảng 130.000 người).
Còn khu khu kĩ thuật Clinton ở Oak Ridge bang Tennessee là nơi tập trung các nhà máy cho quá trình làm giàu Urani. Urani được làm giàu là một loại urani mà theo đó tỉ lệ hợp phần urani 235 được tăng lên qua quá trình tách đồng vị. Urani tự nhiên có 99,284% đồng vị 238U, trong đó chỉ có khoảng 0,711% là 235U. 235U là đồng vị duy nhất có mặt trong tự nhiên có thể phân hạch bằng nơtron nhiệt. Trong suốt dự án Manhattan, Urani được làm giàu được đặt tên là Oralloy, tên viết tắt của Oak Ridge alloy, theo địa danh đặt nhà máy làm giàu urani. Tên gọi Oralloy thỉnh thoảng vẫn được sử dụng để ám chỉ Urani được làm giàu.

Các quá trình tiếp theo được thực hiện ở tòa nhà hình chữ U với chu vi cả dặm cùng với hệ thống đường ống hàng trăm dặm biến nó thành tòa nhà lớn nhất được xây dựng vào thời kì này

Tuyến đường sắt nối tới lò phản ứng B. 1944

Thiết bị được vận chuyển tới lò phản ứng B của cơ sở hạt nhân Hanford

Hình ảnh cho thấy một số cơ sở hạ tầng như kiến trúc khối cầu cung cấp khí khẩn cấp ở khu K-31 hay tháp làm giàu

Uranium ở khu K-33 tại Tennessee. Chúng được hoàn thành trong thời gian từ 1951-1954

Nhà máy B làm nhiệm vụ tách Plutonium bằng phương pháp hóa học từ sản phẩm trong lò phản ứng B

Khu K-31sử dụng phương pháp khuếch tán khí* để làm giàu Uranium. Oak Ridge bang Tennessee 1951

Một hình ảnh nữa về kho Plutonium tại núi Gable. Hanford 1944

Hanford là cơ sở để sản xuất Plutonium trên quy mô công nghiệp bằng cách bắn phá U238 bằng các neutron có nguồn gốc từ phân hạch của U 235. Sau đó người ta sử dụng hóa chất bằng cách điều khiển từ xa, để tách ra plutonium*.
Trong suốt Chiến tranh Lạnh, có tất cả 6 lò phản ứng hạt nhân được xây dựng, nhưng tất cả hiện đang ngừng hoạt động. Hanford đang nỗ lực để giảm thiểu những hậu quả trong tương lai của việc sản xuất plutonium.

Khu hóa chất là một trong những khu đầu tiên được xây dựng khi Mỹ nhận được cảnh báo nguy cơ Hạt nhân từ Đức Quốc Xã

Còn đây là bảng điều khiển Lò phản ứng hạt nhân than chì X-10 ở Oak Ridge (ORNL) ở Oak Ridge, Tennessee nới sản xuất nguyên liệu Plutonium cho quả bom thả xuống Nagasaki

Lò phản ứng thử nghiệm X-10*. 1943

Những hình ảnh về Alpha Calutrons*, cỗ máy được sử dụng trong giai đoạn 1 của quá trình làm giàu Uranium sử dụng cho quả bom thả xuống Hiroshima vẫn ở Oak Ridge. 1943

Có giai đoạn 1 thì cũng phải có giai đoạn 2, và Beta Calutrons* chính là cỗ máy đảm nhiệm vai trò này. Oak Ridge .1943

Một sự thay đổi lớn trên thế giới: khi một người phụ nữ ngồi trước bảng điều khiển cỗ máy Beta Calutron

Tòa nhà K-51 của cơ sở làm giàu Uranium tại Oak Ridge . 1945

Khu K-25 cũng là một phần của cơ sở làm giàu Uranium tại Oak Ridge năm 1945

Trạm biến áp và khối nhà K-27 của cơ sở làm giàu Uranium .Oak Ridge. Tennessee. 1945-1946.

Nguồn: Daily Mail

Những chỗ đánh dấu "*" là những chỗ có những thuật ngữ hay tên riêng được nhắc đến trong bài gốc mà em nghĩ cần phải nói thêm cho dễ hiểu, khi có thời gian em sẽ làm nốt, mong các bác thông cảm  

[daibangden]

1. Việt Nam đã ký Hiệp ước không phổ biến vũ khí hạt nhân (NPT)

2. Trong khối ASEAN cũng thắt chặt việc thực thi không phổ biến vũ khí hạt nhân.

Thảo luận về vũ khí hạt nhân và các phương tiện mang vũ khí hạt nhân thì được. Nhưng lôi Việt Nam vào vấn đề hạt nhân trong mục đích quân sự dưới bất kỳ hình thức nào cũng không được phép!

Xóa bài viết của DanViet2011 kèm theo nhắc nhở lần thứ nhất!

[daibangden]

Đổi tên chủ đề, mở rộng thêm thảo luận ứng dụng hạt nhân phục vụ mục đích dân sự.
Yêu cầu các thành viên khi tham gia thảo luận tôn trọng Nội quy diễn đàn và tuyệt đối không được phép đưa Việt Nam vào vấn đề hạt nhân liên quan đến các mục đích quân sự dưới mọi hình thức!

[DanViet2011]

Cám ơn bác NGOCUONG đã cho các bài đọc rất, rất nhiều chính xác, nhưng có một hai điểm không đúng.
Tôi theo lời bác chế 1 trái bom phân hạch (fission bomb) làm mồi mà mãi nó không nổ. Chắc là bác thuộc bên nhà máy nguyên tử phát điện nên không rành về bom đạn.

Thứ nhất theo mẫu mả của bác trái bom thiếu mất hệ thống ngòi nổ phản ứng cho nguyên tử. Phần ngòi phát ra neutron để tạo nổ dây chuyền.
Thứ hai nếu là neutron chậm hoặc còn gọi là neutron nhiệt (thermal neutron) thì bác phải có phần đệm làm chậm, như nước nặng chẳng hạn. Nhưng nếu là neutron chậm thì chỉ xài cho lò điện nguyên tử mà thôi. Với bom nguyên tử, bác phải dùng neutron nhanh (high speed neutron/high energy neutron) bác ạ.

[DanViet2011]

Tôi biết trên trang WEB này rất nhiều bác CCB, cầm súng bảo vệ tổ quốc nhiều hơn tôi ăn cơm. Nhưng vì thế các bác hầu hết sẽ không “còn” thời gian để trau giồi chuyên môn (thành bố, thành ông hết cả rồi). Mà vấn đề bom nguyên tử thì quá chuyên môn, nên tôi sẽ cố gắng đơn giản hoá để các bác dể hiểu hơn.

Đơn giản hóa lý thuyết Vật Lý:
Vật lý bắt nguồn từ triết học (philosophy). Triết lý chia ra 3 nhánh: chuyên triết lý (philosophy), chuyên triết xã hội (sociology) và chuyên triết khoa học tự nhiên (Vật Lý – Physics). Thánh tổ của nghành này được cho là ông Aristotle, người đặt tên cho viên gạch đầu tiên – Nguyên Tử (Atom). Nó đơn giản là một nghành học phát triển từ học “lóm” của tự nhiên.  Toán chỉ là phần phụ để dể tính toán và giúp nghành này áp dụng vào đời sống hiệu quả hơn. Do đó nếu không phải chuyên nghành thì chúng ta hảy bỏ qua phần toán, nhìn tổng cục lý thuyết là đủ để hiểu đại cương rồi. (Từ đây về sau, tôi sẽ cố gắng không xài toán trong bài viết của mình)

Đơn giản hoá bom nguyên tử và các phản ứng trong đời sống:
Đốt một điếu thuốc, nổ một trái lựu đạn hay chơi một quả bom nhiệt hạch đều giống nhau trên một quan điểm. Tất cả đều là phản ứng hoá học phát nhiệt năng (exothermics), nổ to hay nhỏ là do lượng thay đổi từ trạng thái vật chất này qua trạng thái vật chất kia.
Thật sự trái lựu đạn không có “nổ”, nó chỉ nở ra thôi. Phản ứng hoá học trong lựu đạn đi qua quá trình từ 1 phân tử rắn thành 1 phân tử khí. TD: 1mol nước = 18 gram, dung tích là 18cc, khi trở thành khí hoàn toàn sẽ là 24 lít không khí. Sự giản nở quá nhanh này, chúng ta gọi là “nổ”.
Đơn giản hoá bom nguyên tử cũng gần tương tự trái lựu đạn, nhưng cộng thêm phóng xạ và hạt alpha. Tiếng nổ làm ta thủng màn nhỉ, chảy máu tai, mảnh đạn xé rách cả người; thì phóng xạ và hạt alpha làm cho thủng tất cả vật chất xung quanh đến cấp độ vi, vi phân.

Đơn giản hoá cấu trúc bom nguyên tử:
1.   Sức ép đầu tiên vào khối nguyên tử do sức nổ lỏm bọc chung quanh là để nâng tỷ trọng của khối lên tới mức quá hạn, sẵn sàng nổ. Đại khái giống như chúng ta trộn lưu huỳnh với bột than, hoặc than, hydro, oxy, nitơ (TNT) ngay trong võ lựu đạn bằng cách lắc đều. Khi sắp sửa muốn xài.
2.   Muốn lựu đạn nổ, chúng ta giựt chốt kích hỏa. Bom nguyên tử thì chúng ta cần có hạt neutron bắn vào (neutron initiator)

Bài tới sẽ là bộ phận kích hỏa neutron (neutron initiator)


Sẽ cố gắng xài tiếng Việt tối đa, nhưng có nhiều chử chuyên môn không rành - nên sẽ có nhiều sai sót. Các bác tự nhiên chọi đá 

[DanViet2011]

Bộ phận kích hỏa phản ứng nguyên tử - Neutron Initiator

Các cơ quan an ninh thế giới rất quan ngại khi thấy bất cứ quốc gia nào nghiên cứu chế mồi kích hỏa này. Thí dụ như anh I-ran. Mặc dù với loại bom chế tạo theo kiểu bắn hai mảnh nguyên liệu nguyên tử (Pu 239 hay U 235) vào nhau thì không cần thiết. Nghiã là miễn chúng ta giữ được hai mảnh này ép sát trong một thời gian cố định thì phản ứng dây chuyền cũng sẽ hoàn thành và trái bom sẽ nổ. Tuy nhiên nếu sử dụng neutron kích hỏa thì chúng ta có thể điều khiể chính xác thời gian nổ và tạo sức nổ mạnh hơn nhiều. Như trái “Little Boy” xử dụng tại Hiroshima chỉ đạt được 1.38% sức nổ. Trong khi trái thứ hai, “Fat Man” – Nagasaki, nhờ có neutron kích hỏa sức nổ lên đến 13% so với năng lượng nguyên tử trong quả bom.

Urchin: Ngòi Polonium-Beryllium – còn được gọi là Po-Be (Pô-Bê)
Được chế theo dạng viên bi, gồm hai phần polonium-210 và beryllium-9. Khi cần xử dụng thì sẽ được trộn đều (bằng chất nổ hoặc bắn vào Pu-239). Phản ứng hoá học của chúng nó sẽ phát ra rất nhiều hạt neutron, gây phản ứng nguyên tử giây chuyền. Rất tốt cho cấu trúc bom kiểu “Little Boy”, nhưng nếu xài cho trái bom nổ ép vào như của bác NGOCUONG thì không mấy hiệu quả.
Thường người ta để hai chất này giửa lõi Pu-239, cách nhau bằng môt lớpvõ  bọc. Khi lõi Pu-239 bị ép mạnh (bằng chất nổ), lớp võ bọc Polonium bị phá vỡ. Bởi vì nó là chất phóng xạ cao, nên lập tức phóng ra hạt alpha.
Polonium-210 -> Chì-206 + hạt alpha.
 
Beryllium-9 bị hạt alpha đụng vào / phản ứng nên phát ra neutron. Beryllium-9 trở thành beryllium-8 + neutron. Hạt alpha vẫn còn năng lượng bay tiếp.
Beryllium-9 + hạt alpha -> Beryllium-8 + neutron  (hạt alpha bay tiếp)
 
Mỗi triệu hạt alpha được phóng ra bởi Polonium-210 sẽ tạo ra 30 triệu hạt neutron.
Sự thất bại của loại ngòi nổ này là Polonium sẽ tự động phân hủy (decay) vào khoảng dưói 140 ngày. Do đó phải cần thay ngòi nổ liên tục. Quả là vất vả để giử đầu đạn trong tình trạng chiến đấu.

Còn tiếp...

[DanViet2011]

Bộ phận kích hỏa phản ứng nguyên tử - Neutron Initiator
(tiếp theo)

Các phương pháp khác thì cũng khá nhiều, nhưng chúng ta chỉ chú trọng vào vài loại phổ biến nhất thôi.
ABNER
TOM
Flower - Ấn Độ còn gọi là “ông Phật cười” (Smiling Buddha)

Đèn phóng neutron (Pulse neutron emitter) – Đèn phản ứng phân hạch (fusion)
Là một loại bóng đèn neutron dựa vào sự phản ứng i-on hoá với  hợp kim hydro-hoá (metal  hydride). Nó hình dạng gần giống bóng đèn bán dẫn (transistor bulb). Cái hồi mà cái TV thân bằng cái tủ lạnh, màng hình thì bằng bàn tay (chỉ còn trong bảo tàng viện mà thôi). Điện áp cao thế làm cho một đầu biến thành plasma(i-ông), luồng điện cao thế sẽ ép hạt i-on deuterium hay tritium (D or T ionized particle) bắn vào lá chắn scandium (??) hoặc kim loại có có chứa nhiều tritium. Hạt i-ông tốc độ cao, năng lượng cao này sẽ tạo ra phản ứng phân hạch; một số lượng lớn neutron sẽ được giải phóng và bắn ra mọi hướng. Loại này cũng khá tốt, thời gian xử dụng cao, cả chục năm.

IC neutron (Neutristor) – IC phân hạch
Được chế tạo bởi Juan Elizondo-Decanini, Sandia National Laboratories, USA. Chế tạo theo hình dạng IC dựa trên căn bản đèn phóng neutron. Cơ chế hoạt động không khác gì loại bóng đèn. Tiện lợi, nhỏ gọn và rẻ tiền, nhưng mỗi neutristor chỉ phát ra cở 200 neutrons/giây mà thôi. Kỷ thuật mới này không biết có hửu hiệu trong phản ứng nguyên tử hay không (ra đời năm 2012).

<a href="http://www.youtube.com/watch?v=fOsoueOIURo" target="_blank">http://www.youtube.com/watch?v=fOsoueOIURo</a>
http://phys.org/news/2012-04-neutron-tubes-chips.html#jCp

(Còn tiếp...)

  Phen này từ mấy gạch trên vai sẽ thành SAO lấp lánh... hic hic 

[DanViet2011]

Bộ phận kích hỏa phản ứng nguyên tử - Neutron Initiator
(tiếp theo)

D-T Deuterium/Tritium (bí danh Đê-Tiện  )
Đây là loại ngòi nổ được quân đội Mỹ xử dụng phổ biến nhất hiện nay. Hầu hết được xài theo thể khí, chứa trong bình nằm ngoài lõi bom nguyên tử. Thời gian bảo trì định kỳ là 12 năm với hiệu quả cao. Dễ bảo trì, vì chỉ cần thay bình khí mới là đầu đạn sẽ sẵn sàng ứng chiến.
Khi xử dụng, khí D-T được bơm vào giửa trái bom phân hạch. Khi võ bom bị chất nổ thường ép vào, phản ứng giửa D và T sẽ tạo ra neutron nhanh (14.1 MeV) làm kích hoả phản ứng giây chuyền của Pu-239 hay U-235 bao bọc chung quanh.
Căn bản vật lý của cả hai đều là hy-drô (dưới đây chúng ta gọi e = electron, p = protron và n = neutron)
Hy-drô        = 1e + 1p
Deuterium   = 1p + 1n, còn gọi là hạt deuteron, thuộc lớp hạt boson.
Tritium        = 1p + 2n, còn gọi là hạt triton, thuộc lớp hạt fermion, có chu kỳ bán rã là 12,32 năm.
Ngoài ra còn loại ngòi tương tự lại xử dụng ở thể rắn, bằng hợp chất lithium deuteride và tritide. Nhưng không được thịnh hành, vì khó khăn trong lúc bảo trì đầu đạn; vậy nên chúng ta không cần nghiên cứu tới.

Nhấn mạnh: đây là loại ngòi nổ làm cho cơ quan phòng chống vũ khí nguyên tử nhức đầu nhất. Để bảo vệ các hiệp ước trên thế giới về NPT (Nuclear Proliferation Treaty) các cơ quan có chức năng trực thuộc như IAEA luôn luôn dòm ngò những nước nào phát triển, nghiên cứu và gạn lọc chất Đê-Tiện này. Bởi vì nó có khả năng kích hỏa cả loại U-238, Th-232,… (không được xếp vào bảng chất phóng xạ chế tạo vũ khí).

Nguyên lý cơ bản của D-T là nó là xử dụng neutron có năng lượng cao. Đây là lý do tại sao bài của bác NGOCUONG tôi nói là thuộc bên phản ứng lò nguyên tử hơn là bên ngành vũ khí. Phải kể lại từ thời khởi nguyên vũ khí nguyên tử ở Mỹ, những ông như Niels Bohr, Robert Oppenheimer đều đã thấy sự quan trọng của neutron nhanh và họ phát triển theo lối chiều hướng này. Đúng là neutron chậm dễ “bắt” và dể phản ứng hơn. Nhưng khi phản ứng dây chuyền kích hoạt, thì số lượng lớn neutron phát ra từ Pu-239 chẳnh hạn, hầu hết là loại neutron nhanh. Để triển khai phần này chúng ta phải nói đến bom phân hạch gia tăng (Boosted fission bomb) trong phần tới. Đồng thời sẽ làm rỏ hơn nguyên lý nổ của ngòi Đê-Tiện.



Đơn xin thăng cấp, tăng lương: Đề ngị các thủ trưởng cho em lên lon nhanh hơn, gọi là phần thưởng tiết lộ bí mật quốc phòng . Bởi vì viết về loại này tổn "khí" quá. Lại không có nhiều tài liệu đáng tin cậy để tham khảo. Giờ mới biết con đường lên lon quả là xương máu.

[huonghn76]

Thú vị thật          
                                              
Em buồn cười ngất ngưởng ,vì hôm nay trên VMH có bác Danviet 2011 đề nghị ban quản trị xin tăng lương và lên lon .Kể cũng thú vị   Bởi vì bác viết về chủ đề này xương thật... Tốn rất nhiều năng lượng. Còn có một phép muốn lên quân hàm nhanh ,bác ơi chỉ cần bác số hóa một cuốn tiểu thuyết là quân hàm lên vù vù.
            
Còn em thì thích chất lượng  bài viết của bác hơn .Chứ quân hàm cao mà bài viết nhạt nhẽo thì chán lắm ạ  

[DanViet2011]

Đây là hình mô phỏng trái bom Hiroshima, được cấu trúc theo dạng súng (gun type).
Ưu điểm:
Dể chế, không cần ngòi neutron.
Khuyết điểm:
Cần tới 64kg Uranium, mà chỉ thu hoạch có 1.38% sức mạnh.
Rất dễ tịt ngòi. Khi hai mãnh Uranium chạm vào nhau, sẽ tạo ra phản ứng giải phóng neutron, đưa đến phản ứng dây chuyền. Nhưng, nếu sức ép không giữ đúng thời gian hạn định đểtiếp tục phản ứng, thì nhiệt năng phát ra sẽ tách rời lõi Uranium thành nhiều mảnh; sự giản nở này sẽ đưa khối Uranium xuống dưới độ ‘quá hạn’. Trái bom của chúng ta sẽ nổ một tiếng “Bẹp”. Chết mấy con bò bên bờ ruộng thôi.


Mô phỏng cơ cấu trái bom thả ở Nagasaki. Cấu trúc theo dạng nổ ép.
Ưu điểm:
Dể chế, năng xuất cao hơn ‘Little Boy’ nhờ tận dụng ngòi kích hỏa Po-Be ("Bò Bé" - phải công nhận mình có khiếu thông dịch )
Khó bị tịt ngòi hơn.
Khuyết Điểm:
Cần tới trên 70kg nguyên liệu mà chỉ gặt hái được cở 13% năng xuất.
Bề tròn của bom lên đến 1,5 mét.
Ngòi Po-Be không xử dụng lâu được. Phải tháo ra thay ngòi mỗi 140 ngày.