Những hứa hẹn của
Plutonium
KS Đặng Đình Cung
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. 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.
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. 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