Ấn Độ vươn tới vị trí cường quốc hạt nhân nhiệt hạch

Phụ lục: Một vài khái niệm về nguyên lý và công nghệ bom khinh khí

Trước hết, bàn về loại bom A hay bom phân hạch hạt nhân. Khác với loại bom thông thường, các loại bom A được cấu tạo bởi “chất nổ” đặc biệt. Các hạt nhân của chất nổ này (gọi là hạt nhân phân hạch) khi bị kích thích bởi một hạt neutron tự do sẽ bị chia đôi, tức xảy ra phản ứng phân hạch, đồng thời phát ra một năng lượng rất lớn.

Trong phản ứng phân hạch xuất hiện một hiện tượng vật lý - sự không bảo toàn khối lượng. Thực vậy, khi một hạt nhân nhiên liệu nặng như U-235 hay Pu-239 bị phân chia thành hai mãnh (hai hạt nhân nhẹ hơn) tổng khối lượng của chúng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu. Ở đây đã xảy ra sự không bảo toàn khối lượng hay sự hao khối. Khối lượng hao hụt ấy biến thành năng lượng dưới dạng nhiệt và khi một lượng lớn hạt nhân bị phân hạch, sẽ phát ra một lượng nhiệt khổng lồ trong khoảng thời gian cực ngắn gần như cùng một thì sự nổ phân hạch (nổ bom A) sẽ xảy ra với sức công phá vô cùng lớn như đã từng xảy ra ở Hiroshima và Nagasaki năm 1945 ở Nhật hay vô số các vụ thử hạt nhân nguyên tử sau này.

Ngược lại hiện tượng phân hạch trên đây là hiện tượng tổng hợp nhiệt hạch. Khi hai hạt nhân cực nhẹ, lấy ví dụ hai hạt nhân Hydro hay hai hạt nhân đồng vị của Hydro là hạt nhân Deutrium (H-2) và Tritium (H-3), ở trạng thái nhiệt độ cực cao đến hàng trăm triệu độ chúng có thể vượt qua mọi lực cản để va chạm và kết hợp nhau để hình thành một hạt nhân hợp phần (xem hình kèm theo ngay ở dưới đây).

Trong trường hợp này nguyên lý bảo toàn khối lượng cũng không được tuân thủ, tức cũng xẩy ra sự hao khối. Cụ thể, hạt nhân hợp phần gồm 2 proton và 3 neutron này, đó chính là hạt nhân Helium (H-5), có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân đồng vị của Hydro (tức Deutrium (H-2) và Tritium (H-3)). Khối lượng hao hụt này cũng biến thành năng lượng dưới dạng nhiệt. Và tương tự với với sự phát nổ của quả bom phận hạch, ở đây một khối nhiệt phát ra trong khoảng thời gian cực ngắn gần như cùng một lúc bởi vô số sự tổng hợp hạt nhân và dẫn đến vụ nổ có tên là vụ nổ tổng hợp nhiệt hạch hoặc gọi tắt là nổ nhiệt hạch. Đấy là nguyên lý cấu tạo và phát nổ của loại bom tổng hợp nhiệt hạch hay nhiệt hạch, tức bom khinh khí hay bom H.

Tại sao quả bom khinh khí có sức nổ lớn hơn bom nguyên tử đến cả trăm, ngàn lần? Bởi vì bom nguyên tử (bom A, bom phân hạch) sử dụng nhiên liệu Uranium hay Plutonium bị giới hạn bởi khối lượng tới hạn, nên không thể chế tạo quả bom lớn hơn ngưỡng khối lượng xác định, và do đó sức công phá bị hạn chế chỉ có thể tính bằng đơn vị kiloton (tương đương hàng ngàn tấn thuốc nổ TNT thông thường). Trong khi đó, bom khinh khí do không bị giới hạn bởi khối lượng tới hạn, vả lại nguyên liệu Hydro và các đồng vị của nó dồi dào vô tận, nên có thể chế tạo quả bom lớn, rất lớn và đạt sức công phá cực lớn tính bằng đơn vị megaton (triệu tấn TNT).

Tuy nhiên, việc chế tạo quả bom H rất phức tạp. Điều khác với cấu tạo của quả bom A là cả hai loại nhiên liệu chính của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong bom H, Deutrium và Tritium đều là hai loại khí và rất khó lưu trữ, hơn nữa Tritium lại rất hiếm và rất dễ phân rã thành loại hạt nhân khác. Mặt khác để phản ứng tổng hợp nhiệt hạch xảy ra cần cung cấp một lượng nhiệt rất lớn và đồng thời phải được bổ sung nhiên liệu liên tục.

Do đó, trong khi chế tạo bom H, nhiên liệu ban đầu được sử dụng không phải là hỗn hợp Tritium và Deutrium mà phải là hợp chất Lithium (cụ thể là Li-6) và Deutrium có dạng rắn và không phân rã phóng xạ ở nhiệt độ bình thường. Mặt khác phải có một cơ cấu nổ phân hạch như một quả bom A nhỏ để khi nổ sẽ cung cấp nhiệt lượng, trước hết để gây phản ứng phân hạch đối với Lithium nhằm tạo ra Tritium, đồng thời góp phần tạo ra lượng nhiệt cần thiết cho sự kết hợp giữa Tritium và Deutrium tức là tạo ra quá trình tổng hợp gây ra sự nổ nhiệt hạch mạnh hơn sức nổ phân hạch nhiều nhiều lần.

Với sự mô tả ở trên, một quả bom khinh khí hay tổng hợp nhiệt hạch rõ ràng có cấu tạo rất phức tạp (xem hình ngay dưới đây). Trước hết bên trong một quả bom nhiệt hạch luôn kèm một quả bom phân hạch nhỏ. Ngoài ra, trong cấu tạo quả bom nhiệt hạch còn có một lõi bao gồm một ống U-238 để làm vật liệu can thiệp, bên trong nữa là lõi Lithium - Deutrium làm nguyên liệu chính và ở trung tâm là một thanh Plutoni-239.

Và các giai đoạn phát nổ của một quả bom khinh khí được mô tả trong hình cuối cùng dưới đây. Hình này mô tả, tính từ bên trái sang, các giai đoạn tiến triển của vụ nổ quả bom khinh khí như sau:

a/ Trước khi nổ: 2 mãnh nhiên liệu nổ phân hạch U-235 tách rời nhau nằm ở giữa, khối thuốc nổ thông thường TNT ở trên và hỗn hợp nhiên liệu tổng hợp nhiệt hạch (Deutrium và Tritium) nằm ở dưới cùng.

b/ Khởi phát nổ: Kích nổ khối thuốc thông thường TNT để đẩy 2 mãnh U-235 chập vào nhau.

c/ Nổ phân hạch: Sự nổ phân hạch xảy ra với khối U-235 và giải phóng năng lượng dưới dạng tia X. Quả trình này đốt nóng khối nhiên liệu và biến nhiên liệu ban đầu Lithium thành nhiên liệu nhiệt hạch Trtium.

d/ Nổ nhiệt hạch: Cuối cùng là giai đoạn xảy ra nổ tổng hợp nhiệt hạch của khối nhiên liệu Tritium và Deutrium.