Quy trình làm giàu urani và khả năng Iran chế tạo bom hạt nhân

Bên trong cơ sở hạt nhân Natanz của Iran. Ảnh: IRNA/TTXVN

Theo trang Al Jazeera, ngày 21/4, ông Trump đã quyết định gia hạn lệnh ngừng bắn với Iran thêm hai tuần, chỉ một ngày trước khi thỏa thuận này hết hiệu lực, trong bối cảnh hai bên kỳ vọng nối lại vòng đàm phán thứ tiếp theo tại Islamabad, Pakistan. Một trong những yêu cầu cốt lõi của Mỹ là Iran phải chấm dứt hoàn toàn hoạt động làm giàu urani.

Về phía Tehran, nước này từ lâu khẳng định chương trình hạt nhân chỉ phục vụ mục đích dân sự, như sản xuất điện năng, lĩnh vực chỉ cần urani làm giàu ở mức từ 3% đến 5%. Trong khi đó, để chế tạo vũ khí hạt nhân, urani phải được làm giàu tới khoảng 90%.

Urani là gì và được khai thác ở đâu?

Urani là kim loại nặng có tính phóng xạ tự nhiên, được sử dụng làm nhiên liệu cho cả lò phản ứng hạt nhân và vũ khí hạt nhân. Nguyên tố này tồn tại với nồng độ thấp trong đá, đất và thậm chí trong nước biển. Khoảng 90% sản lượng urani toàn cầu hiện nay tập trung ở năm quốc gia gồm Kazakhstan, Canada, Namibia, Australia và Uzbekistan, dù trữ lượng urani cũng được phát hiện tại nhiều nơi khác trên thế giới.

Urani được khai thác bằng cách đào trực tiếp từ lòng đất hoặc phổ biến hơn là sử dụng các phương pháp hóa học để hòa tách urani ra khỏi đá. Tuy nhiên, trước khi có thể sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân, urani phải trải qua một chuỗi quá trình xử lý phức tạp để chuyển đổi qua nhiều dạng khác nhau.

Ban đầu, quặng urani được nghiền nhỏ và xử lý bằng hóa chất để tạo thành một loại bột thô gọi là “yellowcake” (tạm dịch: bánh vàng). Dù có tên như vậy, vật liệu này thường có màu xanh đậm hoặc xám than, tùy thuộc vào nhiệt độ xử lý. Sau đó, yellowcake được xử lý bằng khí hydro fluoride để tạo thành urani tetrafluoride - những tinh thể màu xanh lục còn được gọi là “muối xanh”.

Tiếp theo, hợp chất này được fluor hóa thêm để tạo thành urani hexafluoride, một dạng tinh thể trắng có thể chuyển thành khí khi được làm nóng nhẹ. Chính trạng thái khí này cho phép urani bước vào công đoạn làm giàu. Khi được đưa vào máy ly tâm, urani hexafluoride tiếp tục được xử lý để tạo thành urani dioxide dạng bột mịn màu đen, rồi ép thành các viên nhiên liệu gốm dùng trong lò phản ứng hạt nhân.

Urani được làm giàu như thế nào?

Bên trong cơ sở hạt nhân Natanz của Iran. Ảnh: IRNA/TTXVN

Trong tự nhiên, urani tồn tại dưới ba dạng đồng vị, tức là các biến thể có cùng số proton nhưng khác số neutron. Phần lớn urani tự nhiên, khoảng 99,3%, là U-238, đồng vị nặng nhất và ít phóng xạ hơn. Chỉ khoảng 0,7% là U-235, đồng vị nhẹ hơn nhưng có khả năng duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân và một lượng rất nhỏ là U-234.

Để tạo ra năng lượng, các nhà khoa học phải tách U-235 khỏi U-238 thông qua quá trình làm giàu urani. Quy trình này bắt đầu bằng việc chuyển urani sang dạng khí urani hexafluoride (UF₆), sau đó đưa vào các máy ly tâm quay với tốc độ cực cao, thường vượt 1.000 vòng/giây. Lực ly tâm sẽ đẩy đồng vị nặng hơn là U-238 ra phía ngoài, trong khi U-235 nhẹ hơn tập trung ở gần trục quay để được thu gom. Tuy nhiên, một máy ly tâm đơn lẻ chỉ tạo ra sự phân tách rất nhỏ, nên quá trình này phải được lặp lại qua hàng loạt máy ly tâm nối tiếp nhau, tạo thành một “chuỗi” (cascade), cho đến khi đạt được mức độ làm giàu mong muốn.

Mức độ làm giàu urani được xác định dựa trên tỷ lệ U-235. Urani làm giàu thấp (LEU) là loại có hàm lượng U-235 dưới 20%. Trong đó, mức 3 - 5% là tiêu chuẩn để vận hành phần lớn các nhà máy điện hạt nhân thương mại, còn mức từ 5% đến dưới 20% được sử dụng trong các lò phản ứng hiện đại hoặc phục vụ nghiên cứu.

Ngược lại, urani làm giàu cao (HEU) có hàm lượng U-235 trên 20%. Ở mức từ 20% đến 85%, urani được dùng trong các lò phản ứng nghiên cứu chuyên biệt hoặc để sản xuất đồng vị y tế. Khi đạt trên 90%, urani được xem là cấp độ vũ khí, đủ điều kiện để chế tạo bom hạt nhân. Mức 93 - 97% thường được sử dụng cho các lò phản ứng hạt nhân trên tàu ngầm hoặc tàu sân bay. Sau quá trình làm giàu, phần urani còn lại với hàm lượng U-235 dưới 0,3% được gọi là urani nghèo, có thể được dùng làm vật liệu chắn bức xạ hoặc trong đạn xuyên giáp.

Quá trình làm giàu urani không diễn ra theo đường tuyến tính. Trên thực tế, việc nâng hàm lượng U-235 từ mức tự nhiên 0,7% lên 20% khó khăn hơn nhiều so với việc tăng từ 20% lên 90%. Khi urani đã đạt mức làm giàu khoảng 60%, việc nâng lên 90% - cấp độ vũ khí, có thể diễn ra nhanh hơn đáng kể.

Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), Iran đang có khoảng 440 kg urani làm giàu ở mức 60%. Nếu tiếp tục nâng lên 90%, lượng vật liệu này về mặt lý thuyết có thể đủ để chế tạo từ 10 đến 11 quả bom hạt nhân công nghệ thấp.

Ông Ted Postol, Giáo sư danh dự về khoa học, công nghệ và an ninh quốc tế tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), cho biết trước khi Mỹ tấn công cơ sở hạt nhân Fordow của Iran, nước này vận hành ít nhất 10 chuỗi máy ly tâm, mỗi chuỗi gồm 174 máy loại IR-6, một trong những dòng máy hiện đại nhất của Iran, tương đương tổng cộng 1.740 máy ly tâm. Ngoài ra, Iran còn sở hữu hàng chục nghìn máy ly tâm thế hệ cũ.

Theo tính toán của ông Postol, hệ thống này có thể tạo ra khoảng 900 -1.000 đơn vị công tách (SWU) mỗi năm. Ông ước tính để làm giàu urani từ mức tự nhiên lên 60% cần khoảng 5 năm và 5.000 SWU.

Tuy nhiên, để nâng từ 60% lên 90%, chỉ cần khoảng 500 SWU, tương đương thời gian từ 4 đến 5 tuần. Ông ví quá trình này như một chiếc đồng hồ: phần lớn thời gian được tiêu tốn ở giai đoạn đầu, còn giai đoạn cuối diễn ra rất nhanh.

Iran có dễ chế tạo vũ khí hạt nhân?

Cơ sở làm giàu urani ở thành phố Isfahan, Iran. Ảnh: Getty Images/TTXVN

Đánh giá về khả năng chế tạo vũ khí hạt nhân, ông Postol cho rằng việc Iran lưu trữ vật liệu dưới lòng đất khiến các cuộc tấn công quân sự khó có thể loại bỏ hoàn toàn mối đe dọa. Một chuỗi máy ly tâm đủ để sản xuất urani cấp độ vũ khí chỉ cần diện tích tương đương một căn hộ nhỏ, khoảng 60 m² và có thể dễ dàng che giấu trong một phòng thí nghiệm nhỏ. Ông cũng lưu ý rằng nguồn điện cần thiết cho các hệ thống này không lớn, thậm chí một chiếc xe hybrid cỡ nhỏ cũng có thể cung cấp đủ điện để vận hành nhiều chuỗi máy ly tâm cùng lúc.

Theo ông, Iran có thể bí mật chuyển đổi lượng urani 60% hiện có thành urani cấp độ vũ khí, sau đó tiếp tục xử lý để tạo thành kim loại urani và chế tạo đầu đạn hạt nhân mà không cần tiến hành thử nghiệm, do đặc thù của vũ khí urani.

Hiệp ước Không phổ biến vũ khí hạt nhân (NPT), được thiết lập năm 1968, là nền tảng pháp lý quốc tế nhằm ngăn chặn vũ khí hạt nhân lan rộng và thúc đẩy sử dụng năng lượng hạt nhân cho mục đích hòa bình.

Iran là một bên ký kết hiệp ước này. NPT cho phép các quốc gia thành viên tiếp cận công nghệ hạt nhân và làm giàu urani vì mục đích dân sự, như năng lượng, y tế hoặc công nghiệp, nhưng phải tuân thủ các cơ chế giám sát nghiêm ngặt để đảm bảo không bị chuyển hướng sang mục đích quân sự. Đồng thời, các quốc gia sở hữu vũ khí hạt nhân cam kết không chuyển giao công nghệ hay hỗ trợ các nước khác phát triển vũ khí này, còn các quốc gia không sở hữu vũ khí hạt nhân cam kết không theo đuổi hoặc tiếp nhận chúng.

Tuy nhiên, một số quốc gia như Ấn Độ, Pakistan, Israel, Nam Sudan và Triều Tiên không tham gia hiệp ước.

Các thỏa thuận trước đây của Iran

Năm 2015, dưới thời Tổng thống Barack Obama, Iran đã ký JCPOA với sáu cường quốc gồm Mỹ, Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc, Đức và Liên minh châu Âu. Theo thỏa thuận này, Tehran chấp nhận thu hẹp chương trình hạt nhân, giới hạn mức làm giàu urani ở 3,67% để đổi lấy việc được dỡ bỏ các lệnh trừng phạt. Tuy nhiên, năm 2018, Tổng thống Trump đã rút Mỹ khỏi thỏa thuận, cho rằng JCPOA mang tính “một chiều” và không đủ ràng buộc, đồng thời tái áp đặt các biện pháp trừng phạt lên Iran. Đáp lại, Iran dần nối lại các hoạt động làm giàu urani, trong đó có cơ sở Fordow.

Sau khi Mỹ hạ sát tướng Qassem Soleimani vào tháng 1/2020, Tehran tuyên bố không còn tuân thủ các giới hạn làm giàu urani heo thỏa thuận. Những nỗ lực sau đó của Chính quyền Tổng thống Joe Biden nhằm khôi phục JCPOA đã không thành công do bất đồng về trình tự dỡ bỏ trừng phạt và nghĩa vụ quay lại thỏa thuận.

Trong các cuộc đàm phán hiện tại, Iran cho biết sẵn sàng “pha loãng” lượng urani làm giàu 60% xuống khoảng 20%, ngưỡng của uranium làm giàu thấp, bằng cách trộn với uranium nghèo. Động thái này được một số chuyên gia coi là tín hiệu thiện chí nhằm giải quyết những lo ngại từ phía Mỹ.

Theo Liên đoàn Nhà khoa học Mỹ, tính đến đầu năm 2026, thế giới có khoảng 12.187 đầu đạn hạt nhân thuộc sở hữu của 9 quốc gia. Trong đó, Nga và Mỹ chiếm khoảng 2/3 tổng số, với lần lượt khoảng 4.400 và 3.700 đầu đạn (không tính các đầu đạn đã loại biên). Khoảng 9.745 đầu đạn nằm trong kho dự trữ quân sự, phục vụ cho tên lửa, tàu ngầm và máy bay, trong khi phần còn lại đã được cho nghỉ. Trong số các đầu đạn đang hoạt động, khoảng 3.912 được triển khai trên tên lửa hoặc đặt tại các căn cứ máy bay ném bom, và khoảng 2.100 trong số này có thể được sử dụng trong thời gian ngắn.

Dù Nga và Mỹ đã cắt giảm hàng nghìn đầu đạn kể từ thời Chiến tranh Lạnh, một số quốc gia khác, đáng chú ý là Trung Quốc, được cho là đang gia tăng kho vũ khí hạt nhân. Nam Phi là quốc gia duy nhất từng tự nguyện từ bỏ hoàn toàn vũ khí hạt nhân, sau khi chấm dứt chương trình vào năm 1989 và tháo dỡ toàn bộ sáu đầu đạn trong những năm sau đó.

Trong khi đó, Israel được cho là sở hữu ít nhất 90 đầu đạn hạt nhân, nhưng nước này chưa bao giờ xác nhận hay phủ nhận thông tin này, và cũng không chịu nhiều sức ép quốc tế về minh bạch.