Plutonium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và vị trí trong bảng tuần hoàn

Plutonium là một nguyên tố hóa học nặng, ký hiệu Pu và có số hiệu nguyên tử 94. Nó thuộc họ actinide trong dãy các nguyên tố phóng xạ nặng, nằm sau uranium (số hiệu 92) và neptunium (93). Tại nhiệt độ phòng, plutonium tồn tại ở trạng thái rắn, với khối lượng nguyên tử trung bình khoảng 244 u, mặc dù giá trị này thay đổi tùy theo hỗn hợp các đồng vị và tỉ lệ phân rã của chúng.

Về mặt cấu trúc, nguyên tố này có 5 pha tinh thể kim loại đặc trưng (α, β, γ, δ, ε), mỗi pha có cấu trúc tinh thể và khối lượng riêng khác nhau. Chẳng hạn, pha α có cấu trúc đơn nghiêng với khối lượng riêng lớn nhất (~19,86 g/cm³), trong khi pha δ có cấu trúc lập phương tâm diện (fcc) và khối lượng riêng thấp hơn (~15,92 g/cm³). Việc biến đổi pha xảy ra khi thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất, gây ra những thách thức trong quá trình chế tạo và bảo quản kim loại plutonium.

• Ký hiệu hóa học: Pu
• Số nguyên tử: 94
• Khối lượng nguyên tử (trung bình): ≈244 u
• Trạng thái vật lý: Rắn (tại 20 °C)
• Họ: Actinide

Để tìm hiểu thêm về chu trình nhiên liệu hạt nhân và vai trò của plutonium, có thể tham khảo các tài liệu từ Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA – Nuclear Fuel Cycle).

Lịch sử khám phá và nguồn gốc tên gọi

Năm 1940, nhóm nhà khoa học do Glenn T. Seaborg dẫn đầu tại Đại học California, Berkeley đã tổng hợp plutonium đầu tiên bằng cách bắn phá uranium-238 bằng neutron trong cyclotron. Sản phẩm tạo ra là uranium-239, sau đó phân rã β- để trở thành neptunium-239 và tiếp tục phân rã β- thành plutonium-239. Chính công trình này đã mở ra kỷ nguyên nghiên cứu và ứng dụng plutonium trong cả lĩnh vực năng lượng và vũ khí hạt nhân.

Tên gọi “plutonium” được đặt theo hành tinh Pluto (tên gọi tiếng La-tinh: Pluton), tiếp nối chuỗi đặt tên theo Hệ Mặt Trời: uranium (sau Sao Thổ), neptunium (sao Hải Vương) và plutonium (sao Diêm Vương). Đề xuất tên gọi này ban đầu gặp vài ý kiến trái chiều do Pluto vẫn là một hành tinh gây tranh cãi, nhưng cuối cùng đã được Ủy ban IUPAC công nhận vào năm 1949.

Chi tiết về giai đoạn đầu khám phá và đặt tên plutonium có thể tham khảo tại trang của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE – The History of Plutonium).

Đồng vị và chu kỳ bán rã

Cho đến nay, hơn 20 đồng vị plutonium đã được xác định, trong đó nổi bật nhất về mặt ứng dụng và nghiên cứu là plutonium-239 và plutonium-240. Mỗi đồng vị có chu kỳ bán rã và tính chất phóng xạ riêng biệt, ảnh hưởng đến khả năng sử dụng và mức độ nguy hiểm của chúng.

Đồng vị	Chu kỳ bán rã	Kiểu phân rã	Năng lượng hạt α (MeV)
239Pu	24.110 năm	α	5.157
240Pu	6.561 năm	α	5.168
241Pu	14.29 năm	β⁻ → 241Am	–

Chu kỳ bán rã của ²³⁹Pu là khoảng 2.41×10⁴ năm, tạo ra một lượng lớn năng lượng phóng xạ và giúp đồng vị này trở thành nguồn nhiên liệu lý tưởng cho phản ứng phân hạch hạt nhân trong cả lò phản ứng và vũ khí hạt nhân.

Để truy cập dữ liệu chính xác về các đồng vị plutonium, có thể xem tại Trung tâm Dữ liệu Hạt nhân Quốc gia Hoa Kỳ (NNDC – National Nuclear Data Center).

Cấu trúc hạt nhân và phản ứng phân hạch

Nguyên tử plutonium có cấu hình electron đầy đủ: [Rn] 5f⁶ 6d⁰ 7s², với lớp vỏ valence phức tạp dẫn đến tính chất hóa học đa dạng và khả năng liên kết mạnh mẽ trong hợp chất actinide. Những electron f mơ hồ này cũng làm cho plutonium có nhiều pha tinh thể độc đáo và dễ bị biến đổi cấu trúc khi thay đổi điều kiện môi trường.

Phân hạch plutonium thường được mô tả qua phương trình tổng quát:

$^{239}\mathrm{Pu} + n \to ^{94}\mathrm{Kr} + ^{140}\mathrm{Xe} + 2n + Q$

Trong đó Q là năng lượng giải phóng khoảng 200 MeV mỗi phản ứng. Sản phẩm phân hạch chính là các hạt nhân krypton và xenon, cùng với neutron thứ cấp có thể kích thích chuỗi phản ứng liên tiếp nếu đủ điều kiện (định hướng neutron và mật độ nguyên tử phù hợp).

• Khối lượng ban đầu: 239 u
• Số neutron hấp thụ: 1
• Sản phẩm phân hạch chính: Kr và Xe
• Neutron phát sinh: trung bình 2–3 neutron/phản ứng

Thông tin chi tiết về cơ chế phân hạch và cơ sở hạt nhân của plutonium có thể tìm thấy tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Los Alamos (Los Alamos National Laboratory – Element 94: Plutonium).

Tính chất vật lý

Plutonium là kim loại mềm, dẻo với màu xám-silver, nhưng dễ bị ô-xi hóa bề mặt tạo lớp oxide màu xanh lá hay đen. Nó sở hữu hệ số giãn nở nhiệt cao hơn hầu hết các kim loại truyền thống, dẫn đến sự thay đổi thể tích đáng kể khi thay đổi nhiệt độ. Khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện cũng biến động giữa các pha tinh thể; pha δ có hệ số dẫn nhiệt thấp nhất trong khi pha α dẫn điện kém hơn so với pha β và γ.

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Nhiệt độ nóng chảy	639 °C	Chuyển pha α → β tại 310 °C
Nhiệt độ sôi	3 228 °C	Thăng hoa mạnh ở áp suất thấp
Nhiệt dung riêng	≈160 J/kg·K	Phụ thuộc pha
Hệ số giãn nở nhiệt	(10–20)×10−6/K	Giá trị cao nhất ở pha δ

Sự tồn tại của năm pha tinh thể (α, β, γ, δ, ε) khiến việc gia công plutonium trở nên phức tạp; đặc biệt pha δ có tính dẻo tốt, thường được hợp kim hóa với nhôm hoặc gallium để ổn định và dễ đúc thành khuôn phục vụ chế tạo lõi nhiên liệu trình tự.

Tính chất hóa học

Plutonium thể hiện nhiều mức số oxi hóa từ +3 đến +7, với mức phổ biến nhất là +4 và +6 trong môi trường oxi hóa mạnh. Trong môi trường axit, ion Pu⁴⁺ tồn tại ổn định dưới dạng Pu(NO₃)₄ khi hòa tan trong HNO₃, còn Pu⁶⁺ xuất hiện dưới dạng PuO₂²⁺ có tính oxi hóa mạnh.

• Pu³⁺: tồn tại trong môi trường khử, dễ kết tủa hydroxide.
• Pu⁴⁺: bền nhất, dễ tạo PuO₂ không tan.
• Pu⁶⁺: dạng PuO₂²⁺, mạnh về tính oxi hóa.

Plutonium phản ứng kém với nước lạnh nhưng phản ứng mạnh với hơi nước và O₂ ở nhiệt độ cao, tạo ra hỗn hợp oxide (PuO₂, Pu₂O₃) dễ vỡ lớp bảo vệ, tiếp tục ăn mòn kim loại bên dưới. Trong môi trường bazơ, Pu⁴⁺ và Pu³⁺ đều cho tủa hydroxide tương ứng.

Quy trình tổng hợp và sản xuất

Plutonium công nghiệp chủ yếu được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân bằng cách biến đổi uranium-238. Quá trình gồm hai bước chính: bắt neutron để tạo U-239, sau đó hai lần phân rã β⁻ liên tiếp sinh ra Pu-239. Điều kiện tối ưu yêu cầu neutron nhiệt độ thấp và thời gian lưu giữ lâu trong thanh nhiên liệu.

1. Bắn neutron lên U-238: $^{238}\mathrm{U}(n,\gamma)^{239}\mathrm{U}$.
2. Phân rã β⁻ tạo Neptunium-239 và tiếp phân rã β⁻ thành Plutonium-239.
3. Chiết tách nhiên liệu đã qua phản ứng, tách plutonium bằng quy trình PUREX:
1. Hòa tan nhiên liệu trong acid nitric.
2. Chiết dung môi hữu cơ (TBP/kerosene) tách Pu & U ra khỏi fission products.
3. Khử Pu từ pha hữu cơ về pha nước, tạo dung dịch Pu(NO₃)₄.

Quy trình này được áp dụng rộng rãi tại các cơ sở tái xử lý như La Hague (Pháp) và Savannah River (Mỹ) để thu hồi plutonium, cả cho tái chế nhiên liệu lẫn kho dự trữ chiến lược.

Ứng dụng chính: năng lượng và vũ khí

Đồng vị Pu-239 với chu kỳ bán rã dài và khả năng phân hạch cao được sử dụng làm nhiên liệu trong lò phản ứng nhiệt độ cao (PHWR, BWR, PWR). Nó bổ sung cho uranium-235, kéo dài thời gian tái sử dụng nhiên liệu và giảm lượng chất thải dài hạn.

Trong lĩnh vực quốc phòng, Pu-239 là thành phần chính trong lõi vũ khí hạt nhân do mật độ năng lượng phân hạch lớn, cho phép thiết kế đầu đạn nhỏ gọn. Việc chế tạo đòi hỏi kiểm soát neutron chặt chẽ và tinh chế plutonium cực kỳ cao về độ tinh khiết và độ mật độ.

• Năng lượng hạt nhân: lắp ghép vào khối nhiên liệu MOX (Mixed Oxide Fuel).
• Đầu đạn hạt nhân: lõi implosion sử dụng Pu-239 tinh khiết.
• RTG vũ trụ: Pu-238 ổn định phân rã tạo nhiệt cho tàu Voyager, Cassini.

Độc tính, an toàn và tác động đến môi trường

Plutonium là chất phóng xạ mạnh, phát xạ alpha dễ gây tổn thương mô nội tạng khi hít phải hoặc nuốt phải. Tích tụ chủ yếu ở xương và gan, tăng nguy cơ ung thư xương và khối u gan. Khi ở dạng oxide hạt mịn, plutonium có thể lan truyền xa trong không khí và lắng đọng trong đất, gây ô nhiễm lâu dài.

Tiêu chuẩn an toàn yêu cầu sử dụng hệ thống thông gió có lọc HEPA, phòng sạch, trang bị bức xạ gamma/x-quang, máy dò alpha để giám sát. Khi xử lý rủi ro tràn đổ, phải dùng phương tiện bảo hộ cá nhân cấp SL-3 hoặc cao hơn, cũng như quy trình tái xử lý kín hoàn toàn.

• Giới hạn phơi nhiễm cá nhân: 0,15 μCi Pu-239 (nội bộ) mỗi năm theo NRC.
• Biện pháp giảm rủi ro: bọc vỏ chắc, niêm phong hạt nhân, kho chứa có lớp chắn chì/đất.
• Hậu quả môi trường: ô nhiễm lâu dài, sinh vật biển và đất liền bị tích lũy plutonium.

Khung pháp lý, kiểm soát và xu hướng nghiên cứu tương lai

Hoạt động sản xuất, vận chuyển và sử dụng plutonium bị chi phối bởi các điều ước quốc tế như Hiệp ước Không phổ biến Vũ khí Hạt nhân (NPT) và Hiệp ước Cấm Thử nghiệm Hạt nhân Toàn diện (CTBT). IAEA chịu trách nhiệm giám sát, thanh tra các cơ sở hạt nhân nhằm ngăn chặn rò rỉ và chuyển giao công nghệ không hợp pháp.

Tại cấp quốc gia, Mỹ tuân thủ quy định NRC 10 CFR Part 70, châu Âu theo EURATOM. Việc xuất khẩu plutonium và công nghệ liên quan bị kiểm soát theo MTCR và Wassenaar Arrangement để ngăn công nghệ hạt nhân rơi vào tay khủng bố hoặc quốc gia không tuân thủ cam kết.

Nghiên cứu tương lai tập trung vào phát triển lò phản ứng nhanh (Fast Reactors) sử dụng plutonium làm nhiên liệu chủ đạo, nhằm tận dụng tối đa nguyên liệu và giảm lượng chất thải bức xạ dài hạn. Đồng thời, công nghệ bọc nhiên liệu tiên tiến và phương pháp giảm mức độ radiotoxicity của chất thải cũng đang được triển khai sâu rộng.

Tài liệu tham khảo

• International Atomic Energy Agency. “Fuel Fabrication and Reprocessing.” https://www.iaea.org/topics/fuel-fabrication
• U.S. Nuclear Regulatory Commission. “Plutonium in the Environment—An Overview.” https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/plutonium.html
• United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. “Sources and Effects of Ionizing Radiation, UNSCEAR 2008 Report.” https://www.unscear.org
• U.S. Department of Energy. “Plutonium Processing and Handling.” https://www.energy.gov/lm/articles/history-plutonium