Đây là câu chuyện bên trong một căn phòng bằng chì, nóng, ẩm ướt thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, nơi các nhà khoa học dùng acid nitric và những ống chứa thủy tinh silica để loại bỏ những vật liệu phóng xạ nguy hiểm chứa trong bột neptunium, nguyên liệu tạo ra Plutonium - nhiên liệu cho các con tàu vũ trụ không cần năng lượng Mặt Trời. Đó chính là một trong những công việc của Bộ phận kinh doanh doanh đồng vị thuộc Bộ năng lượng Hoa Kỳ. Nơi tạo ra từ canxi, bạch kim, titan cho tới strontium-90, ytterbium, uranium-235 và plutonium-239 (vật liệu làm nên 2 quả bom Hiroshima và Nagasaki).
Plutonium-238 từng được sản xuất nhằm sử dụng cho các phi thuyền không gian của NASA. Trong một số sứ mạng, khi năng lượng Mặt Trời không thể đáp ứng được, NASA chọn plutonium-238 để vận hành hoạt động của hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ (RPS), tạo ra điện năng từ nhiệt lượng sinh ra trong quá trình phân rã. Một hệ thống RPS đã dùng 4,8 kg nhiên liệu này để vận hành các thử nghiệm trên Mặt Trăng, sao Hỏa, đồng thời đưa tàu vũ trụ Voyager mang theo bảng ghi Golden Records chứa thông tin cơ bản của văn minh nhân loại tới rìa Hệ Mặt Trời. Tất cả đều chọn plutonium-238 làm nhiên liệu bởi có giá rẻ, than gian bán rã phù hợp và có hiệu suất cao.
Tuy nhiên, loại nhiên liệu này trước đây chỉ là một thứ phẩm của các nhà máy vũ khí hạt nhân thời Chiến tranh lạnh vốn đã ngưng hoạt động. Tới năm 2010, NASA chỉ còn chưa tới 10 hệ thống RPS để sử dụng. Bởi thế, các nhà khoa học đã vận động Bộ năng lượng Hoa Kỳ tiếp tục sản xuất plutonium. Yêu cầu đó được chấp nhận và tới cuối năm 2015, lần đầu tiên kể từ năm 1988, phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã sản xuất được 50 gram mẫu nhiên liệu này. Cho tới hiện tại, hờ vào những tinh chỉnh trong quá trình sản xuất, họ dự kiến tạo ra được 300 gram, đồng thời đặc mục tiêu sản lượng 1,5 kg trong tương lai gần.
Bên dưới đây là quy trình sản xuất plutonium tại phòng thí nghiệm Oak Ridge.
Plutonium-238 từng được sản xuất nhằm sử dụng cho các phi thuyền không gian của NASA. Trong một số sứ mạng, khi năng lượng Mặt Trời không thể đáp ứng được, NASA chọn plutonium-238 để vận hành hoạt động của hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ (RPS), tạo ra điện năng từ nhiệt lượng sinh ra trong quá trình phân rã. Một hệ thống RPS đã dùng 4,8 kg nhiên liệu này để vận hành các thử nghiệm trên Mặt Trăng, sao Hỏa, đồng thời đưa tàu vũ trụ Voyager mang theo bảng ghi Golden Records chứa thông tin cơ bản của văn minh nhân loại tới rìa Hệ Mặt Trời. Tất cả đều chọn plutonium-238 làm nhiên liệu bởi có giá rẻ, than gian bán rã phù hợp và có hiệu suất cao.
Tuy nhiên, loại nhiên liệu này trước đây chỉ là một thứ phẩm của các nhà máy vũ khí hạt nhân thời Chiến tranh lạnh vốn đã ngưng hoạt động. Tới năm 2010, NASA chỉ còn chưa tới 10 hệ thống RPS để sử dụng. Bởi thế, các nhà khoa học đã vận động Bộ năng lượng Hoa Kỳ tiếp tục sản xuất plutonium. Yêu cầu đó được chấp nhận và tới cuối năm 2015, lần đầu tiên kể từ năm 1988, phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã sản xuất được 50 gram mẫu nhiên liệu này. Cho tới hiện tại, hờ vào những tinh chỉnh trong quá trình sản xuất, họ dự kiến tạo ra được 300 gram, đồng thời đặc mục tiêu sản lượng 1,5 kg trong tương lai gần.
Bên dưới đây là quy trình sản xuất plutonium tại phòng thí nghiệm Oak Ridge.
Lượng nước làm mát và giúp ổn định hệ thống HFRI phát quang màu xanh do bức xạ Cherenkov
1. Nhận neptunium-237
Plutonium- 238 được tạo ra bằng tiền chất là Neptunium-237 - một phụ phẩm phóng xạ của các nhà máy điện hạt nhân. Neptunium oxide dạng bột được chở bằng các xe tải từ Phòng thí nghiệm Idaho tới Oak Eidge. Khi tới nơi, nó được kết tủa bằng một hệ thống nhiều tầng đặt trong căn phòng gọi là “hot cell”. Do trong lượng nguyên liệu thô này có một lượng protactinium oxide đã bị phân rã thành chất phóng xạ nguy hiểm hơn là protactinium nên người ta phải cho vào “hot cell” bằng chì để các nhà khoa học tiến hành các phản ứng hóa học cần thiết nhằm loại bỏ chúng.
2. Loại bỏ protactinium
Nhìn qua một cửa sổ bằng chì dày gần 138 cm, các nhà khoa học sẽ dùng những cánh tay robot điều khiển từ bên ngoài để khuấy bột neptunium trong các cốc becher, cho thêm acid nitric và nung lên cho tới khi nó tan ra hoàn toàn, tạo thành hỗn hợp màu xanh đen. Sau đó, dung dịch này sẽ được rót qua một ống chứa các hạt thủy tinh silica để hấp thụ protactinium. Dung dịch còn lại sẽ được được đưa tới một buồng glovebox (một buồng chứa đóng kín hoàn toàn, có găng tay dính liền vào một mặt để các nhà khoa học cho tay vào thao tác thứ chứa bên trong).
3. Tạo mục tiêu
Trong buồng glovebox, neptunium được xử lý bằng một quy trình do các nhà khoa học tại Oak Ridge phát minh ra gọi là “biến đổi trực tiếp khử ni tơ”. Trong đó, dung dịch neptunium được xoay trong một lò sấy nhiệt cho tới khi nó trở về trạng thái bột oxide như ban đầu. Lượng bột này sẽ được trộn với bột nhôm và ép thành dạng viên đặt vừa vào các lỗ kích thước 1,59 cm, sau đó được đặt vào trong các thanh nhôm và đưa vào lò phản ứng đồng vị cao áp của Oak Ridge (HFIR)
Các nhân viên tại phòng thí nghiệm Oak Ridge đang đứng trước cửa sổ đồng. Sau lưng anh mũ xanh là thiết bị điều chỉnh cánh tay robot bên trong căn phòng hot cell.
4. Chiếu xạ neptunium
Hệ thống HFIR tạo ra thông lượng (tốc độ bắn phá mục tiêu bằng các neutron) cao hơn so với lò phản ứng trong các nhà máy điện hạt nhân. Sau khi các hạt mục tiêu được đặt vào trong lò, chúng sẽ được bắn phá trong khoảng thời gian từ 3 tới 12 tháng. Các neutron sẽ va chạm với mục tiêu, một số sẽ bị hấp thụ nởi các nguyên tử neptunium, hình thành nên một đồng vị neptunium là neptunium-238, sau đó phân rã thành plutonium.
5. Trích xuất mục tiêu
Quảng cáo
Sau khi quá trình chiếu xạ hoàn tất, mục tiêu sẽ được đưa trở lại hot cell. Các thanh chứa sẽ được hòa tan trong xút và vật liệu phóng xạ bên trong (bây giờ đã chứa 12-14% plutonium-238) sẽ được hòa tan trong acid nitric thêm một lần nữa.
6. Tách plutonium
Plutoni và neptunium sẽ được tách bằng dung môi, trong đó, người ta sẽ dùng các dung môi chỉ hòa tan từng nguyên tố này để cho vào dung dịch. Khi đó, các dung môi sẽ được tách ra, tương tự như dầu với nước tách ra vậy. Bước tiếp theo chỉ cần loại dung môi và thu được từng nguyên tố. Lúc bấy giờ, neptunium có thể đưa trở lại quy trình ban đầu. Còn plutonium sẽ được tinh chế thông qua quá trình trao đổi ion.
7. Chuyển đi
Sau khi tinh chế xong, plutonium dưới dạng bột sẽ được đóng lại trong các hộp chứa bằng thép không gỉ được thiết kế để vận chuyển chất phóng xạ và chuyển tới Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos. Tại đó, nó sẽ được chuyển thành các viên nhiên liệu cho hệ thống RPS. Cuối cùng, các viên nhiên liệu này sẽ được đưa tiếp tới Phòng thí nghiệm Idaho, nơi đang phát triển các hệ thống RPS.
Giai đoạn ít phóng xạ nguy hiểm hơn sẽ được thực hiện bên trong glove box. Trong ảnh, một chuyên gia đang rót neptunium đã tái chế.
