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

Chu Văn An

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

1. Plutonium là gì?

Plutonium là nguyên tố kim loại phóng xạ có ký hiệu hóa học Pu và số nguyên tử 94, thuộc nhóm Actinide trong bảng tuần hoàn. Đây là nguyên tố nhân tạo cực kỳ quý hiếm trong tự nhiên, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1940 tại Phòng thí nghiệm Berkeley, Mỹ bởi nhóm nghiên cứu của Glenn T. Seaborg.

Không giống như uranium – có thể được tìm thấy trong tự nhiên ở nồng độ tương đối cao – plutonium chủ yếu được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân, thông qua việc bắn phá uranium.

Cái tên Plutonium được đặt theo tên của hành tinh Pluto (Pluto) – tiếp nối chuỗi tên thiên văn học cho uranium (từ Sao Thiên Vương) và neptunium (từ Sao Hải Vương).

Plutonium có nhiều đồng vị, trong đó Plutonium-239 (Pu-239) là quan trọng nhất do khả năng phân hạch – nó có thể giải phóng năng lượng khổng lồ khi được kích hoạt, khiến nó trở thành vật liệu chính cho bom nguyên tử và lò phản ứng hạt nhân.

Trạng thái vật lý của Plutonium

2. Tính chất vật lý và hóa học của Plutonium

Plutonium là một nguyên tố rất đặc biệt – cả về tính chất vật lý và hóa học.

Tính chất vật lý

• Màu sắc: Có màu xám bạc khi mới cắt nhưng nhanh bị xỉn màu do quá trình oxy hóa.

• Trạng thái: Rắn ở điều kiện bình thường, có cấu trúc tinh thể phức tạp.

• Tính biến dạng: Có tới 6 pha tinh thể khác nhau tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất – điều này khiến cho việc xử lý cơ học plutonium rất khó khăn.

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

phóng xạ

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

• Pu-239 có chu kỳ bán rã khoảng 24.110 năm, cực kỳ bền và tồn tại rất lâu trong môi trường.

Tính chất hóa học

• 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 ở dạng vết trong quặng uranium. Do đó, gần như toàn bộ plutonium trên Trái đất đều được sản xuất nhân tạo trong các lò phản ứng hạt nhân.

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 thành 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 khỏi nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng bằng các phương pháp hóa học đặc biệt như PUREX (Chiết xuất Plutonium–Uranium).

4. Ứng dụng của Plutonium

4.1. Trong vũ khí hạt nhân

Plutonium-239 là vật liệu lý tưởng để chế tạo bom nguyên tử vì:

• Khả năng phân hạch cao
• Khối lượng tới hạn nhỏ (chỉ khoảng 10 kg)
• Dễ nổ với thiết kế kiểu nén

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

4.2. Trong năng lượng hạt nhân

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

• MOX (Nhiên liệu oxit hỗn hợp) – nhiên liệu kết hợp uranium tái chế và plutonium
• 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 sự phụ thuộc vào uranium tự nhiên

4.3. Trong công nghệ vũ trụ

Plutonium-238 (Pu-238) tỏa nhiệt mạnh, thường được sử dụng trong các thiết bị RTG (Radioisotope Thermoelectric Generator) – chuyển đổi nhiệt thành điện năng.

Ứng dụng:

• Tàu thăm dò Voyager 1 & 2
• 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 sự nguy hiểm của Plutonium

Rủi ro sức khỏe

• Tia alpha không xuyên qua da nhưng cực kỳ nguy hiểm nếu plutonium xâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp hoặc ăn uống.

• Pu tích tụ trong xương, gan và tủy xương gây: Ung thư phổi, ung thư xương, hệ miễn dịch suy yếu

Mức độ phơi nhiễm nguy hiểm

• Chỉ cần một vài microgram plutonium trong phổi có thể gây ung thư trong nhiều năm.

• Đặc biệt nguy hiểm trong môi trường nhiều bụi hoặc hạt mịn (plutonium khí dung).

Độc tính hóa học

Ngoài tính phóng xạ, một số hợp chất plutonium còn có độc tính hóa học cao, gây tổn thương mô và phản ứng độc cấp tính.

6. Thảm họa và sự cố liên quan đến Plutonium

6.1. Thử nghiệm hạt nhân toàn cầu

Từ những năm 1940-1980, hơn 2.000 vụ thử hạt nhân (trên mặt đất và dưới lòng đất) đã thải ra một lượng lớn plutonium vào môi trường. Mặc dù phần lớn trong số này chỉ ở dạng vết nhưng Pu-239 vẫn tồn tại hàng nghìn năm và tích lũy sinh học.

6.2. Sự cố tại cơ sở hạt nhân

Hanford (Mỹ) 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.

Sự cố ở Windscale (Anh, 1957) còn thải một lượng đáng kể plutonium vào không khí.

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

Do có tiềm năng sản xuất vũ khí nên plutonium được các tổ chức như: IAEA (Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế), UNSC (Hội đồng Bảo an Liên Hợp Quốc), các hiệp ước kiểm soát vũ khí hạt nhân (NPT, CTBT) giám sát cực kỳ nghiêm ngặt.

Vấn đề toàn cầu

• Chất thải plutonium cần được lưu trữ an toàn trong hàng trăm nghìn năm.
• Nguy cơ rơi vào tay khủng bố hay mất quyền kiểm soát tài liệu lưu trữ luôn là mối quan tâm của cộng đồng quốc tế.

Plutonium là nguyên tố mang theo cả vinh quang lẫn thảm họa của khoa học hiện đại. Nó là biểu tượng cho sức tàn phá khủng khiếp của vũ khí hạt nhân hay tiềm năng công nghệ vượt trội trong khám phá không gian và năng lượng tương lai. Tuy nhiên, cùng với đó là những rủi ro về sức khỏe, môi trường và an ninh toàn cầu cần được kiểm soát chặt chẽ.

Sự hiểu biết sâu sắc về plutonium là bước quan trọng đầu tiên hướng tới khả năng khai thác tiềm năng của nguyên tố này một cách an toàn và có trách nhiệm.