Năm 1945, vũ khí hạt nhân đầu tiên trên thế giới được kích nổ tại bãi thử Trinity ở New Mexico, Hoa Kỳ, đánh dấu sự khởi đầu của Kỷ nguyên nguyên tử.
Kể từ đó, kho dự trữ hạt nhân toàn cầu đã tăng lên gấp bội, và khi căng thẳng địa chính trị gia tăng, ý tưởng về ngày tận thế hạt nhân có thể hiểu được gây ra lo ngại rộng rãi.
Nhưng bất chấp những tác động lớn đến mức thảm khốc của chúng, khoa học về cách thức hoạt động của vũ khí hạt nhân về mặt nguyên tử là rất nhỏ. Hãy cùng tìm hiểu về khoa học vũ khí hạt nhân infographic dễ hiểu hơn.
Hiện nay trên thế giới có 9 quốc gia sở hữu hạt nhân: Các quốc gia sở hữu hạt nhân.
Khoa học nguyên tử về vũ khí hạt nhân
Tất cả vật chất đều được cấu tạo bởi các nguyên tử, có sự kết hợp khác nhau của ba hạt – proton, electron và neutron. Vũ khí hạt nhân hoạt động bằng cách tận dụng các tương tác của proton và neutron để tạo ra một phản ứng dây chuyền bùng nổ.
Ở trung tâm của mỗi nguyên tử là một lõi được gọi là hạt nhân, bao gồm các proton và neutron liên kết chặt chẽ với nhau. Mặc dù số proton là duy nhất cho mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn, nhưng số lượng neutron có thể khác nhau. Kết quả là, có nhiều “loài” của một số nguyên tố, được gọi là đồng vị.
Ví dụ, đây là một số đồng vị của uranium:
- Uranium-238: 92 proton, 146 neutron.
- Uranium-235: 92 proton, 143 neutron.
- Uranium-234: 92 proton, 142 neutron.
Các đồng vị này có thể ổn định hoặc không ổn định. Đồng vị ổn định có số lượng neutron tương đối tĩnh hoặc không thay đổi. Nhưng khi một nguyên tố hóa học có quá nhiều neutron, nó sẽ trở nên không ổn định hoặc phân hạch.
Khi các đồng vị phân hạch cố gắng trở nên ổn định, chúng thải ra neutron và năng lượng dư thừa. Năng lượng này là nơi vũ khí hạt nhân có được khả năng nổ.
Có 2 loại vũ khí hạt nhân:
- Bom nguyên tử: Những loại bom này dựa vào hiệu ứng domino của nhiều phản ứng phân hạch để tạo ra một vụ nổ, sử dụng uranium hoặc plutonium.
- Bom hydro: Những loại bom này dựa trên sự kết hợp giữa phân hạch và nhiệt hạch bằng cách sử dụng uranium hoặc plutonium, với sự trợ giúp của các nguyên tố nhẹ hơn như đồng vị của hydro.
Vậy, sự khác biệt chính xác giữa phản ứng phân hạch và phản ứng nhiệt hạch là gì?
Tách nguyên tử: Phân hạch hạt nhân
Phân hạch hạt nhân – quá trình được sử dụng bởi các lò phản ứng hạt nhân – tạo ra một lượng lớn năng lượng bằng cách phá vỡ một nguyên tử nặng hơn không bền thành hai nguyên tử nhỏ hơn, bắt đầu một chuỗi phản ứng hạt nhân.
Khi một neutron được bắn vào hạt nhân của một nguyên tử phân hạch như uranium-235, nguyên tử uranium tách ra thành hai nguyên tử nhỏ hơn được gọi là “mảnh phân hạch” cùng với nhiều neutron và năng lượng hơn. Những neutron dư thừa này sau đó có thể bắt đầu phản ứng dây chuyền tự duy trì bằng cách va vào hạt nhân của các nguyên tử uranium-235 khác, dẫn đến một vụ nổ nguyên tử.
Bom nguyên tử sử dụng quá trình phân hạch hạt nhân, mặc dù điều quan trọng cần lưu ý là phản ứng dây chuyền phân hạch đòi hỏi một lượng vật liệu phân hạch cụ thể như uranium-235, được gọi là khối lượng siêu tới hạn.
Hợp nhất các nguyên tử: Nhiệt hạch hạt nhân
Bom hydro sử dụng sự kết hợp giữa phân hạch và nhiệt hạch, với phản ứng tổng hợp hạt nhân khuếch đại phản ứng phân hạch để tạo ra một vụ nổ mạnh hơn nhiều so với bom nguyên tử.
Nhiệt hạch về cơ bản là đối lập với phân hạch – thay vì tách một nguyên tử nặng hơn thành các nguyên tử nhỏ hơn, nó hoạt động bằng cách ghép hai nguyên tử lại với nhau để tạo thành nguyên tử thứ ba không bền. Đó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho Mặt trời.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân chủ yếu dựa vào các đồng vị của các nguyên tố nhẹ hơn, như hai đồng vị của hydro – deuteri và triti. Khi chịu sức nóng và áp suất mạnh, hai nguyên tử này hợp nhất với nhau để tạo thành một đồng vị heli cực kỳ không bền, giải phóng năng lượng và neutron.
Các neutron được giải phóng sau đó cung cấp nhiên liệu cho các phản ứng phân hạch của các nguyên tử nặng hơn như uranium-235, tạo ra một phản ứng dây chuyền bùng nổ.
So sánh giữa Bom nguyên tử và Hydrogen như thế nào
Bom khinh khí có sức công phá lớn như thế nào, và so sánh chúng với bom nguyên tử như thế nào?
| Tên | Loại | Năng lượng được tạo ra (kilotons of TNT) |
|---|---|---|
| Little Boy | Nguyên tử | 15kt |
| Fat Man | Nguyên tử | 21kt |
| Castle Bravo | Hydrogen | 15,000kt |
| Tsar Bomba | Hydrogen | 51,000kt |
Hai quả bom Little Boy và Fat Man được sử dụng trong các vụ đánh bom nguyên tử ở Hiroshima và Nagasaki vào năm 1945, mang đến kết cục hủy diệt cho Thế chiến thứ hai. Quy mô của những cuộc ném bom này vào thời điểm đó là vô song. Nhưng so sánh chúng với bom khinh khí cho thấy vũ khí hạt nhân đã trở nên mạnh mẽ như thế nào.
Castle Bravo là mật danh của vụ thử vũ khí hạt nhân lớn nhất từ trước đến nay của Hoa Kỳ, một quả bom khinh khí tạo ra năng suất 15.000 kiloton – mạnh gấp 1.000 lần Little Boy. Hơn nữa, dấu vết phóng xạ từ vụ nổ xảy ra trên quần đảo Marshall gần Fiji, đã được tìm thấy ở Úc, Ấn Độ, Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu.
Bảy năm sau, Liên Xô thử nghiệm Tsar Bomba vào năm 1961, vũ khí hạt nhân mạnh nhất thế giới. Vụ nổ tạo ra 51.000 kiloton năng lượng nổ, với bán kính công phá khoảng 60 km.
Xem thêm: Những vụ thử hạt nhân lớn nhất thế giới.
Với mức độ sát thương của một hạt nhân, thật khó để tưởng tượng kết quả của một cuộc xung đột hạt nhân thực sự mà không sợ bị tiêu diệt hoàn toàn, đặc biệt là với kho vũ khí hạt nhân của thế giới có hơn 13.000 đầu đạn.
Nguồn dữ liệu: Visual Capitalist.