Plutonium là gì? Tính chất, ứng dụng và mối nguy phóng xạ của nguyên tố Pu-239

Plutonium – các yếu tố góp phần định hình lịch sử hiện đại – là một trong những vật liệu phóng xạ mạnh mẽ nhất mà mọi người đã từng tạo ra. Từ việc trở thành nguyên liệu thô cho vũ khí hạt nhân, nhiên liệu cho các lò phản ứng, đến các nguồn năng lượng cho các tàu thăm dò không gian, Plutonium có tiềm năng khoa học rất lớn và các mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường và sức khỏe con người. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu bản chất, ứng dụng và mặt tối của yếu tố đặc biệt này.

1. Plutonium là gì?

Plutonium là một nguyên tố kim loại phóng xạ với biểu tượng hóa học của PU và số nguyên tử 94, thuộc nhóm Actinide trong bảng tuần hoàn. Đây là một yếu tố nhân tạo cực kỳ hiếm trong tự nhiên, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1940 tại Phòng thí nghiệm Berkeley, Hoa Kỳ, bởi nhóm nghiên cứu của Glenn T. Seachorg.

Không giống như uranium – có thể được tìm thấy một cách tự nhiên với hàm lượng tương đối cao – plutonium chủ yếu được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân, thông qua quá trình bắn phá hạt nhân uranium.

Cái tên Plutonium được đặt theo tên của hành tinh Sao Diêm Vương (Sao Diêm Vương) – theo loạt tên thiên văn cho Uranium (từ Sao Thiên Vương) và Neptunium (từ Sao Hải Vương).

Plutonium có rất nhiều đồng vị, trong đó Plutonium-239 (PU-239) là quan trọng nhất do khả năng giải phóng năng lượng khi được kích hoạt, điều này làm cho nó trở thành vật liệu chính cho bom nguyên tử và lò phản ứng hạt nhân.

Trạng thái vật lý của plutoni

2. Tính chất hóa học và vật lý của plutonium

Plutonium là một yếu tố rất đặc biệt – cả về thể chất và hóa học.

Tính chất vật lý

• Màu sắc: Bạc xám khi mới cắt, nhưng nhanh chóng bị xỉn màu do quá trình oxy hóa.

• Tình trạng: Rắn trong điều kiện bình thường, cấu trúc tinh thể phức tạp.

• Biến dạng dễ dàng: Có tối đa 6 tinh thể khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất – điều này làm cho quá trình xử lý cơ học với plutonium rất khó khăn.

• Độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt: thấp hơn kim loại thông thường.

Phóng xạ

• Plutonium phát ra các tia alpha rất mạnh (với đồng vị PU-239, PU-238), ngoài ra, còn có các tia beta và gamma thấp hơn.

• PU-239 có một chu kỳ bán một nửa khoảng 24.110 năm, cực kỳ bền và lâu dài trong môi trường.

Hóa chất

• Phản ứng dễ dàng với oxy, hơi nước, axit và halogen.

• Có thể tạo ra nhiều hợp chất như plutonium dioxide (PUO₂), plutonium hydride (puh₃) và plutonium fluoride (PUF₄).

3. Plutonium được tạo ra như thế nào?

Plutonium rất hiếm trong tự nhiên, chỉ tồn tại dưới dạng dấu vết trong quặng uranium. Do đó, hầu hết tất cả plutonium trên trái đất được sản xuất trong các lò phản ứng nhân tạo.

Quy trình sản xuất PU-239

Bước 1-Uranium-238 (U-238) hấp thụ neutron → biến thành uranium-239 (U-239).

Bước 2-U-239 Beta phân rã vào Neptunium-239 (NP-239).

Bước 3-NP-239 tiếp tục phân rã beta thành plutonium-239 (PU-239).

238U+n → 239U → 239NP → 239pu

Sau đó, plutonium được tách ra khỏi nhiên liệu hạt nhân được sử dụng bằng các phương pháp hóa học đặc biệt như PureX (plutonium – chiết xuất ulanium).

4. Ứng dụng Plutonium

4.1. Trong vũ khí hạt nhân

Plutonium-239 là một vật liệu lý tưởng cho bom nguyên tử do:

• Khả năng phân bón cao
• Trọng lượng quan trọng nhỏ (chỉ khoảng 10 kg)
• Dễ phát nổ bằng kiểu nổ

Những quả bom nguyên tử đầu tiên như Fat Man (ném xuống Nagasaki năm 1945) đã sử dụng plutonium-239. Cho đến nay, Plutonium vẫn là vật liệu chính trong các đầu đạn hạt nhân hiện đại.

4.2. Trong năng lượng hạt nhân

Mặc dù uranium vẫn là một loại nhiên liệu phổ biến, plutonium cũng được sử dụng trong:

• MOX (nhiên liệu oxit hỗn hợp) – nhiên liệu kết hợp với uranium và plutonium tái chế
• Lò phản ứng nhanh-sử dụng PU-239 để tạo thêm nhiên liệu (nhân giống)

Lợi ích:

• Tái sử dụng chất thải phóng xạ
• Giảm giá phụ thuộc vào uranium tự nhiên

4.3. Trong công nghệ vũ trụ

Plutonium-238 (PU-238) tạo ra nhiệt mạnh, thường được sử dụng trong các thiết bị RTG (máy phát điện nhiệt điện phát ra vị phóng xạ) -THER vào điện.

Ứng dụng:

• Tàu thăm dò Voyager 1 & 2
• Sự tò mò, kiên trì (Sao Hỏa)
• Thiết bị ở những khu vực không có ánh sáng mặt trời trong không gian

5. Độc tính và nguy cơ của plutoni

Rủi ro sức khỏe

• Các tia alpha không thâm nhập vào da nhưng cực kỳ nguy hiểm nếu plutonium xâm nhập vào cơ thể thông qua hơi thở hoặc ăn uống.

• PU tích lũy trong xương, gan và tủy xương, gây ra: ung thư phổi, ung thư xương, giảm hệ thống miễn dịch

Mức độ tiếp xúc nguy hiểm

• Chỉ một vài microgam plutoni trong phổi có thể gây ung thư trong nhiều năm.

• Đặc biệt nguy hiểm trong bụi hoặc các hạt mịn (plutonium aerosolized).

Độc tính hóa học

Ngoài bức xạ, một số hợp chất plutonium cũng có độc tính hóa học cao, gây tổn thương mô và gây ra các phản ứng độc hại cấp tính.

6. Thảm họa và sự cố liên quan đến plutoni

6.1. Thử nghiệm hạt nhân toàn cầu

Kể từ năm 1940, 191919191919, hơn 2.000 trường hợp thử nghiệm hạt nhân (trên mặt đất và dưới lòng đất) đã lan truyền một lượng lớn plutonium vào môi trường. Mặc dù hầu hết số lượng này ở dạng vi chất dinh dưỡng, PU-239 tồn tại hàng ngàn năm và tích lũy sinh học.

6.2. Tai nạn tại các cơ sở hạt nhân

Hanford (Hoa Kỳ) và Mayak (Liên Xô) là những ví dụ điển hình về rò rỉ plutonium, gây ô nhiễm đất và nước ngầm trong nhiều thập kỷ.

Vụ việc tại Windscale (Anh, 1957) cũng đã phát ra một lượng plutonium đáng kể lên không trung.

7. Quản lý, kiểm soát và an ninh hạt nhân

Do khả năng sản xuất vũ khí, Plutonium cực kỳ được giám sát nghiêm ngặt bởi các tổ chức như IAEA (Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế), UNSC (Hội đồng Bảo an Liên Hợp Quốc), Hiệp ước kiểm soát vũ khí hạt nhân (NPT, CTBT)

Vấn đề toàn cầu

• Chất thải plutonium nên được lưu trữ an toàn hàng trăm ngàn năm.
• Nguy cơ rơi vào tay khủng bố hoặc mất quyền kiểm soát kho lưu trữ luôn là mối quan tâm của cộng đồng quốc tế.

Plutonium là một yếu tố mang cả vinh quang và thảm họa của khoa học hiện đại. Đó là một biểu tượng của sức mạnh hủy diệt khủng khiếp trong vũ khí hạt nhân hoặc tiềm năng công nghệ vượt trội trong việc khám phá vũ trụ và năng lượng tương lai. Tuy nhiên, kèm theo rủi ro sức khỏe, môi trường và an ninh toàn cầu nên được kiểm soát nghiêm ngặt.

Sự hiểu biết sâu sắc về plutonium là bước đầu tiên quan trọng để nhân loại khai thác tiềm năng của yếu tố này một cách an toàn và có trách nhiệm.

Nguồn: https://merakicenter.edu.vn/ Tác giả: Nguyễn Lân dũng