Plutonium – nguyên tố từng góp phần định hình lịch sử hiện đại – là một trong những vật chất phóng xạ mạnh nhất mà con người từng tạo ra. Từ việc trở thành nguyên liệu 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 tiềm năng khoa học khổng lồ lẫn những mối đe dọa nghiêm trọng với môi trường và sức khỏe con người. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ bản chất, ứng dụng và mặt tối của nguyên tố đặc biệt này.

1. Plutonium là gì?

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

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

Cái tên Plutonium được đặt theo tên hành tinh Pluto (Diêm Vương tinh) – nối tiếp chuỗi đặt tên thiên văn cho uranium (từ Uranus) và neptunium (từ Neptune).

Plutonium có nhiều đồng vị, trong đó Plutonium-239 (Pu-239) là quan trọng nhất do khả năng phân hạch – có thể giải phóng năng lượng cực lớn khi bị kích hoạt, điều này khiến nó trở thành nguyên liệu then chốt cho bom nguyên tử và lò phản ứng hạt nhân.

2. Tính chất hóa học và vật lý của Plutonium

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

Tính chất vật lý

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

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

• Tính dễ biến dạng: Có tới 6 pha tinh thể khác nhau tùy vào nhiệt độ và áp suất – điều này khiến việc gia công cơ khí với plutonium rất khó khăn.

• Tính dẫn điện và dẫn nhiệt: Thấp hơn so với các kim loại thông thường.

Tính phóng xạ

• Plutonium phát ra tia alpha rất mạnh (với 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 lâu dài trong môi trường.

Tính hóa học

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

• Có thể tạo 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 vết trong quặng urani. Vì vậy, 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 phân rã beta 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 ra khỏi nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng bằng các phương pháp hóa học đặc biệt như PUREX (Plutonium–Uranium Extraction).

4. Ứng dụng của Plutonium

4.1. Trong vũ khí hạt nhân

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

• Khả năng phân hạch cao
• Khối lượng tới hạn nhỏ (chỉ khoảng 10 kg)
• Dễ kích nổ bằng thiết kế dạng nén (implosion-type)

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

4.2. Trong năng lượng hạt nhân

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

• MOX (Mixed Oxide Fuel) – nhiên liệu kết hợp giữa uranium và plutonium tái chế
• Lò phản ứng nhanh (fast reactors) – sử dụng Pu-239 để tạo ra nhiều nhiên liệu hơn (breeding)

Lợi ích:

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

4.3. Trong công nghệ không gian

Plutonium-238 (Pu-238) phát nhiệt mạnh, thường được dùng trong các thiết bị RTG (Radioisotope Thermoelectric Generators) – biến nhiệt thành điện năng.

Ứng dụng:

• Tàu thăm dò Voyager 1 & 2
• Tàu Curiosity, Perseverance (sao Hỏa)
• Thiết bị tại các vùng không có ánh sáng mặt trời trong không gian

5. Độc tính và nguy hiểm của Plutonium

Nguy cơ sức khỏe

• Tia alpha không xuyên qua da nhưng vô cùng nguy hiểm nếu plutonium xâm nhập vào cơ thể qua đường hít thở hoặc ăn uống.

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

Mức phơi nhiễm nguy hiểm

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

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

Độc tính hóa học

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

6. Các 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 phát tán lượng lớn plutonium ra môi trường. Dù phần lớn lượng này ở dạng vi lượng, nhưng Pu-239 tồn tại hàng ngàn năm và tích lũy sinh học.

6.2. Tai nạn tại các cơ sở hạt nhân

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

Sự cố tại Windscale (Anh, 1957) cũng thải ra một lượng plutonium đáng kể vào không khí.

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

Do tiềm năng chế tạo vũ khí, plutonium được giám sát cực kỳ nghiêm ngặt bởi 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)

Vấn đề toàn cầu

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

Plutonium là một nguyên tố mang trong mình cả vinh quang lẫn thảm họa của nền khoa học hiện đại. Nó là biểu tượng của sức mạnh hủy diệt khủng khiếp trong vũ khí hạt nhân hay tiềm năng công nghệ vượt trội trong khám phá vũ trụ và năng lượng tương lai. Tuy nhiên, đi cùng đó là những nguy cơ y tế, môi trường và an ninh toàn cầu cần được kiểm soát nghiêm ngặt.

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