tiểu luận bom hạt nhân

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

4. Nguyễn Lê Lâm Thịnh 5. Phạm Nguyễn Quang Thoại

<b> Mã lớp học: PHYS131102_06</b>

<b>GVHD: THẦY TRẦN HẢI CÁT</b>

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 10 năm 2023

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

2

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>ĐIỂM SỐ</b>

<b>ĐIỂM</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>DANH SÁCH NHÓM</b>

<b>Họ và tênMSSVNội dung thực hiệnĐánh giá</b>

Phạm Nguyễn Quang Thoại 22145480 Thuyết trình + PowerPoint 100%

Nguyễn Lê Lâm Thịnh 22145477 Tiểu luận + PowerPoint 100%

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>MỤC LỤC</b>

<b>MỞ ĐẦU...</b>

<b>1. Năng lượng hạt nhân...</b>

1.1 Lịch sử phát triển ngành năng lượng hạt nhân...1

1.2 Ứng dụng của kĩ thuật hạt nhân...1

2.2 Phân loại vũ khí hạt nhân...5

<b>3. Đặc điểm, tác hại, các nhân tố gây sát thương của vũ khí hạt nhân...</b>

<b>KẾT LUẬN...</b>

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO...</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>MỞ ĐẦU1. Năng lượng hạt nhân</b>

<b>1.1 Lịch sử phát triển ngành năng lượng hạt nhân.</b>

 Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân ngun tử thơng qua các lị phản ứng hạt nhân có kiểm sốt. Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ. Tất cả các lị phản ứng với nhiều kích thước và mục đích sử dụng khác nhau đều dùng nước được nung nóng để tạo ra hơi nước và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy.

 Phản ứng phân hạch hạt nhân được Enrico Fermi thực hiện thành công vào năm 1934 khi nhóm của ơng dùng nơtron bắn phá hạt nhân uranium. Năm 1938, các nhà hóa học người Đức là Otto Hahn và Fritz Strassmann, cùng với các nhà vật lý người Úc Lise Meitner và Otto Robert Frisch cháu của Meitner đã thực hiện các thí nghiệm tạo ra các sản phẩm của urani sau khi bị nơtron bắn phá. Họ xác định rằng các nơtron tương đối nhỏ có thể cắt các hạt nhân của các nguyên tử urani lớn thành hai phần khá bằng nhau và đây là một kết quả đáng ngạc nhiên. Rất nhiều nhà khoa học, trong đó có Leo Szilard là một trong những người đầu tiên nhận thấy rằng nếu các phản ứng phân hạch sinh ra thêm nơtron, thi một phản ứng hạt nhân dây chuyển kéo dài là có thể tạo ra được. Các nhà khoa học tâm đắc điều này ở một số quốc gia (như Hoa Kỳ, Vương quốc Anh Pháp, Đức và Liên Xô) đã đề nghị với chính phủ của họ ủng hộ việc nghiên cứu phản ứng phân hạch hạt nhân.  Tại Hoa Kỳ, nơi mà Fermi và Szilard di cư đến đây, những kiến nghị trên đã dẫn

đến sự ra đời của lò phản ứng đầu tiên mang tên Chicago Pile-1, đạt được khối lượng tới hạn vào ngày 2 tháng 12 năm 1942. Cơng trình này trở thành một phần của dự án Manhattan, là một dự án xây dựng các lò phản ứng lớn ở Hanford Site (thành phố trước đây của Hanford, Washington) để làm giàu plutoni sử dụng trong các vũ khí hạt nhân đầu tiên được thả xuống các thành phố Hiroshima và Nagasaki ở Nhật Bản, việc cố gắng làm giàu urani song song cũng được tiến hành trong thời gian đó.

1

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>1.2 Ứng dụng của kĩ thuật hạt nhân</b>

 Kỹ thuật hạt nhân được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Trong đời sống, kỹ thuật hạt nhân có ứng dụng hiệu quả trong nhiều ngành khác nhau như: sản xuất điện y tế, cơng nghiệp, nơng nghiệp... Đặc biệt, với tình trạng khủng hoảng năng lượng như hiện nay, sử dụng năng lượng điện hạt nhân đang là hướng đi của nhiều nước trên thế giới. Ngày nay, lượng điện tử năng lượng hạt nhân ở Pháp chiếm 80% và ở Nhật Bản là 30% trong sản lượng điện của các nước này.

 Tuy nhiên, ngồi những ứng dụng tích cực của năng lượng hạt nhân vào cuộc sống, có một ứng dụng cũng rất quan trọng nhưng mang tính tiêu cực nhiều hơn và có thể ảnh hưởng hết sức nguy hiểm đến thế giới, đó là ứng dụng trong lĩnh vực quân sự, cụ thể là sản xuất vũ khí hạt nhân.

2

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>NỘI DUNG CHÍNH1. Hạt nhân</b>

<b>1.1 Khái niệm hạt nhân</b>

 Hạt nhân trong từ vũ khí hạt nhân được hiểu là phần core của 1 nguyên tử được cấu tạo bởi 2 loại hạt: Proton và Neutron. Proton mang điện tích dương và Neutron khơng mang điện. Nguyên tố cơ bản nhất là Hidro được cấu tạo bởi chỉ 1 Electron bay xung quanh 1 Proton. Số Proton và số Electron sẽ luôn được cân bằng để đảm bảo nguyên tử trung hòa về điện. Nếu ta ép 2 nguyên tử Hidro vào nhau với đủ cường độ và mật độ, chúng sẽ hòa vào nhau và tạo thành Heli với 2 Proton ở nhân và 2 Electron bay xung quanh. Tuy nhiên, ngoài việc hịa vào nhau thì chúng cịn tỏa ra 1 lượng lớn năng lượng về cái năng lượng tỏa ra tôi sẽ nói tiếp ở mục sau. Tuy nhiên, các bạn chỉ cần hiểu 1 điều đơn giản đó là tất cả mọi nguyên tố mà chúng ta biết đến đều được bắt đầu từ hidro. Càng lên cao, hạt nhân càng lớn và càng bất ổn định.

<b>1.2 Các đồng vị phóng xạ</b>

 Như đã nói ở trên, hạt nhân được cấu tạo từ 2 loại hạt P và N. Số lượng hạt P ảnh hưởng đến tính chất hóa học của 1 chất còn để chế bom hạt nhân, ta cần chú ý đến số hạt N mà nguyên tố đó mang. 1 nguyên tố có thể mang nhiều hạt N mà khơng làm thay đổi tính chất hóa học của ngun tố đó. Ví dụ như Hidro, ta thêm 1~2 hạt N vào hạt nhân của Hidro ta vẫn được ngun tử hidro với tính chất hóa học y như vậy nhưng với 1~2 hạt N thêm vào nhân, nguyên tử Hidro này cực kì bất ổn định

3

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

và có xu hướng tan vỡ, sự tan vỡ này của Hidro được gọi là hiện tượng "Phân rã hạt nhân" và Hidro có 1~2 N thêm vào được gọi là các "Đồng vị" của Hidro. Tương tự như Hidro, tất cả các nguyên tố khác đều có thể nhận thêm hoặc loại bỏ bớt N ra khỏi hạt nhân của chúng để đạt đến trạng thái ổn định hơn. Việc các hạt nhân tự phân rã để đảm bảo trạng thái ổn định của chúng là phân rã tự nhiên. chúng có xu hướng tiến về phía các đồng vị ổn định nhất của chúng như Hidro với 1 P hoặc các nguyên tố nặng hơn như Urani thì có xu hướng tiến về phía các ngun tố ổn định hơn ở giữa bảng tuần hoàn như cờ rơm, chì, I ốt... đồng thời giải phóng 1 lượng lớn năng lượng khi chúng phân rã.

<b>1.3 Phản ứng hạt nhân</b>

 Như phần 1 và 2 đã nói, chúng ta có thể thêm P hoặc N vào hạt nhân để tạo thành các nguyên tố mới hoặc đồng vị mới và bản thân chúng cũng tự vỡ ra thành các hạt nhân nhỏ hơn, ổn định hơn trong tự nhiên. Có 2 cách chúng ta có thể thu lợi từ các phản ứng hạt nhân này. Cách thứ nhất là chúng ta gom thật nhiều hạt nhân nhỏ (Hidro và các đồng vị của chúng) để tổng hợp lên các nguyên tố nặng hơn đồng thời thu được năng lượng từ các phản ứng đó. Đây là cách mà mặt trời sử dụng để cung cấp năng lượng cho chúng ta. Tuy nhiên, để chúng ta có thể tạo ra được 1 mảnh mặt trời thu nhỏ để chủ động thu hoạch năng lượng thì khá là khó và vẫn còn cần rất nhiều nghiên cứu. Cách thứ 2 thì đơn giản hơn 1 chút đó là đập vỡ các nguyên tố lớn hơn, nặng hơn như Urani, Plutoni... thành các nguyên tố nhỏ hơn như sắn, chì, I ốt,... Cách này cũng cho chúng ta năng lượng rất lớn và rất dễ làm. Thực tế là chúng ta đã xây rất nhiều nhà máy điện hạt nhân và bom hạt nhân từ cách này. Với cách 1 thì chúng ta mới chỉ làm được bom thôi chứ chưa chủ động thu hoạch năng lượng được từ chúng.

 Chúng ta có thể thấy Hạt nhân Urani có tổng số P và N là 235. Sau khi bị bắn bở 1 hạt N nó trở thành Urani 236. Urani 236 này cực kì bất ổn và ngay lập tức phân rã thành 2 hạt nhân nhỏ hơn đồng thời giải phóng rất nhiều năng lượng.

<b>2. Vũ khí hạt nhân2.1 Khái niệm</b>

4

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

 Vũ khí hạt nhân là loại vũ khí hủy diệt hàng loạt mà năng lượng của nó do các phản ứng phân hạch hoặc và nhiệt hạch gây ra. Một vũ khí hạt nhân nhỏ nhất cũng có sức cơng phá lớn hơn bất kỳ vũ khí quy ước nào. Vũ khí có sức cơng phá tương đương với 10 triệu tấn thuốc nổ có thể phá hủy hoàn toàn một thành phố. Nếu sức công phủ là 100 triệu tấn (mặc dù hiện nay chưa thể thực hiện được) thì có thể phá hủy một vùng với bản kinh 100 – 160 km.

<b>*Nhiên liệu hạt nhân</b>

 Vào tháng 3 năm 1940, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Colombia đã thử nghiệm một phản ứng dây chuyền với đồng vị uranium-235 nhưng khơng thành cơng. Sau đó, tồn bộ nghiên cứu được chuyển đến Đại học Chicago, Fermi là người đã thành công trong việc tạo ra một phản ứng dây chuyển có kiểm sốt đầu tiên trên thế giới, sử dụng U-235 làm nguyên liệu.

 Trong khi nguyên tử uranium thông thường cần tới 700 triệu năm để có thể phân rã, một sự tác động từ neutron tự do sẽ làm hạt nhân trở nên bất ổn và có thể phân rã ngay lập tức. Khi nguyên tử uranium nhận neutron tự do, nó sẽ phân rã thành hai nguyên tử đồng vị nhẹ hơn và giải phóng khoảng 2 hoặc 3 neutron mới. Quá trình này đồng thời phát ra các tia gamma bức xạ và giải phóng năng lượng.  Đồng vị U-235 được lựa chọn là do khả năng tiếp nhận neutron tự do rất cao. Quá

trình tiếp nhận và phân rã xảy ra vô cùng nhanh chóng, chỉ mất khoảng 1 phần tỷ giây. Để có thể hoạt động, nguyên liệu uranium cần phải được ‘làm giàu’, nghĩa là làm tăng tỉ lệ của đồng vị U-235. Ở cấp độ vũ khí hạt nhân, đồng vị U-235 phải chiếm trên 90% nguyên liệu chính.

 Trong năm 1941, các nhà khoa học tại Đại học California đã tìm ra loại ngun tố thứ hai có thể làm nguyên liệu hạt nhân và đặt tên nó là plutonium. Sau đó một năm, họ đã thử nghiệm thành cơng phản ứng phân hạch dây chuyển với loại nguyên tố mới này.

<b>2.2 Phân loại vũ khí hạt nhân</b>

<b>2.2.1 Bom nguyên tử ( còn gọi là bom A/ bom nguyên tử): là vũ khí hạt nhân đơn</b>

giản nhất lấy năng lượng từ q trình phân hạch (cịn gọi là phân rã hạt nhân). Một vật liệu có khả năng phân rã được lắp ráp vào một khối lượng tới hạn, trong đó khởi phát

5

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

một phản ứng dây chuyển và phản ứng đó gia tăng theo tốc độ của hàm mũ giải thoát một năng lượng khổng lỗ.

 Trong một quả bom phân hạch, nhiên liệu phải được giữ ở mức dưới khối lượng tới hạn, ngăn không cho phản ứng dây chuyển xảy ra và tránh các vụ nổ sớm. Khối lượng tới hạn là mức khối lượng tối thiểu để đảm bảo phản ứng phân hạch có thể xảy ra và duy trì phản ứng dây chuyển.

 Do đó có những thách thức đặt ra khi thiết kế một quả bom phân hạch. Đầu tiên là phải chuyển các khối lượng nhiên liệu tập trung lại với nhau để đạt mức khối lượng tới hạn. Sau đó phải có neutron tự do để kích hoạt phản ứng phân hạch. Để làm được điều này các nhà khoa học đã thiết kế một máy phát neutron nhỏ.  Thiết kế cũng phải đảm bảo càng nhiều nguyên liệu hạt nhân nén lại với nhau

trước khi quả bom phát nổ, nhằm đảm bảo phản ứng dây chuyển không bị ngắt quãng và tận dụng được hết số nguyên liệu. Để làm được điều này, các nhà khoa học sử dụng một nguyên liệu can thiệp là U-238. Vật liệu can thiệp sẽ được làm nóng và mở rộng bởi phản ứng phân hạch tại lõi, chúng sẽ gây sức ép trở lại lõi và làm chậm quá trình phản ứng trong một thời gian ngắn. Trong lúc này, các neutron cũng bị nén trở lại lõi và nâng cao hiệu quả của phản ứng phân hạch.

<b>Cấu tạo bom phân hạch</b>

 Cấu tạo của một quả bom phân hạch đơn giản bao gồm một đầu đạn nhỏ U-235 và một khối nguyên liệu U235 hình cầu, khi đầu đạn gặp khối nguyên liệu nó sẽ tạo nên khối lượng tới hạn và kích hoạt q trình phản ứng phân hạch dây chuyền. Loại bom nguyên tử này được gọi là bom phân hạch Trigger, có hai loại bom phân hạch với cơ chế hoạt động khác nhau là Little Boy và Fat Man.

 Little Boy là quả bom đã thả xuống Hiroshima với sức công phá 15 kiloton, tương đương 15.000 tấn thuốc nổ TNT. Hiệu suất của nó chỉ đạt 1,5%, tứ là chỉ có 1,5% nguyên liệu hạt nhân tham gia phản ứng. Cấu tạo của nó bao gồm một ống dài để dẫn hướng cho đầu đạn U-235 đến khối nguyên liệu. Một thiết bị cảm biến độ cao sẽ tính tốn độ cao thích hợp, sau đó kích hoạt đầu đạn, đầu đạn kết hợp với khối nguyên liệu đồng thời kích hoạt máy phát điện và phản ứng phân hạch xảy ra, tạo ra một vụ nổ hủy diệt.

6

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

 Fat Man cũng có cùng nguyên lý hoạt động nhưng cấu tạo của nó khác với Little Boy. Đây là quả bom đã thả xuống Nagasaki với sức công phá 23 kiloton và đạt hiệu suất 17%. Cấu tạo của nó bao gồm một lõi plutonium-239 bao quanh là chất nổ đặc biệt và ngoài cùng là U-235. Cơ chế hoạt động của nó là kích hoạt khối chất nổ trước, sau đó lực ép sẽ nén chặt lõi plutonium và tạo khối lượng tới hạn kích hoạt phản ứng khiến quả bom phát nổ.

 Đến năm 1943, nhà vật lý người Mỹ Edward Teller đã tìm ra loại phản ứng nhiệt hạch có thể giải phóng neutron, để cung cấp cho phản ứng phân hạch với tốc độ cao hơn. Sau này nó đã trở nên phổ biến, được áp dụng vào các loại vũ khí hạt nhân hiện nay và được gọi là bom nhiệt hạch.

<b>2.2.2 Bom khinh khí ( còn gọi là Bom H ): là loại vũ khí cao cấp hơn lấy năng lượng</b>

nhiều hơn từ quá trình nhiệt hạch. Trong loại vũ khí này, bức xạ nhiệt từ vụ nổ phân rã hạt nhân được dùng để nung nóng và nên đầu mang tritium, deuterium hoặc liti, từ đó xảy ra phản ứng nhiệt hạch với năng lượng được giải thốt lớn hơn rất nhiều. Nó có thể giải thốt một năng lượng lớn hơn hàng ngàn lần so với bom nguyên tử

 Như đã nói trong phần đầu, sự phân rã và hợp nhất của nguyên tử đều tạo ra lượng nhiệt và năng lượng bức xạ rất lớn. Do đó các nhà khoa học đã tự hỏi liệu quá trình tổng hợp hạt nhân có thể cho hiệu quả cao hơn. Ở nhiệt độ cao, các hạt nhân Hydro của đồng vị Đơteri và Triti có thể dễ dàng hợp nhất và giải phóng một lượng lớn năng lượng trong quá trình này. Loại vũ khí sử dụng nguyên lý này được gọi là bom nhiệt hạch, hay bom Hydro (do nguyên liệu chính là đồng vị của Hydro).

 Việc chế tạo bom nhiệt hạch cũng gặp nhiều khó khăn. Thứ nhất, Đơteri và Triti là hai loại khí và rất khó để dự trữ. Đồng vị Triti rất hiếm và không ổn định. Để phản ứng xảy ra cần cung cấp một lượng nhiệt rất lớn, bên cạnh đó phải bổ xung nhiên liệu liên tục.

 Để giải quyết vấn đề đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng hợp chất Liti - Đơteri, đây là hợp chất rắn khơng phân rã phóng xạ ở nhiệt độ bình thường. Các nhà khoa học dựa trên một phản ứng phân hạch của Liti đề tạo ra Triti, đồng thời phản ứng phân hạch này cũng tạo ra lượng nhiệt cần thiết cho sự kết hợp giữa Triti và Đơteri.

7

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

 Bên trong một quả bom nhiệt hạch bao gồm một quả bom phân hạch nhỏ, một lõi nhiệt hạch bao gồm một ống U238 để làm vật liệu can thiệp, bên trong là lõi Liti -Đơteri làm nguyên liệu chính và một thanh plutoni-239 ở trung tâm.

 Khi kích hoạt sẽ làm nổ quả bom phân hạch trước, giải phóng tia X.

 Tia X cung cấp nhiệt cho lõi chính, tuy nhiên vật liệu can thiệp ngăn chặn vụ nổ sớm và ép phần lõi vào khoảng 30 lần.

 Phần lõi plutoni-239 bị ép lại đạt mức khối lượng tới hạn và kích hoạt phản ứng phân hạch tiếp theo.

 Phản ứng phân hạch này tạo ra nhiệt, bức xạ và neutron tự do.

 Các neutron này đi vào phần lõi Lithium - Đơteri, kết hợp với Liti tạo ra Triti.  Các điều kiện nhiệt độ và áp suất lúc này đủ để Đơteri và Triti kết hợp tạo thành

phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nhiều nhiệt và neutron hơn.

 Các neutron này tiếp tục gây ra phản ứng phân hạch trong U-238 và quả bom phát nổ.

 Tất cả chỉ xảy ra trong vòng 1 phần 600 tỷ giây, tạo ra một vụ nổ với sức công phá 10.000 kiloton, mạnh hơn 700 lần so với một quả bom Little Boy.

<b>2.2.3 Bom neutron: Người ta có thể thiết kế vũ khí hạt nhân có thể cho phép neutron</b>

thốt ra nhiều nhất.

<b>*Ý tưởng chế tạo bom neutron</b>

 Cha đẻ của bom neutron (bom N) là Samuel T. Cohen, ông làm việc trong bộ phận tính tốn hoạt động của Fat Man, quả bom nguyên tử đã được ném xuống Nagasaki, Nhật Bản.

 Cohen nói rằng ông cùng các cộng sự ở Dự án Manhattan đã nghiên cứu và tìm hiểu xem các tia neutron hoạt động ra sao trong một phản ứng phân hạch, cách thức chúng tản mát ra môi trường xung quanh, chúng bị thứ gì hấp thụ và chúng kích thích phản ứng phân rã nguyên tử như thế nào.

 Trong một chuyến đi tới Seoul, Hàn Quốc vào năm 1951, khi cuộc Chiến tranh Triều Tiên đang diễn ra, Cohen đã tận mắt thấy thành phố này bị tàn phá tới mức độ khủng khiếp.

8

</div>