Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 60)

DỰ ÁN MANHATTAN

Vào ngày 9 tháng Mười 1941, Rooselvelt cấp ưu tiên cho phát triển bom nguyên tử, và vào ngày 6 tháng Mười Hai, ngày trước sự kiện ném bom Trân Châu Cảng, ông cho thành lập cái sau này trở nên nổi tiếng là Dự án Manhattan. Nhiều dự án đa dạng được thiết lập trong các phòng thí nghiệm trên khắp nước Mĩ, nhưng ít có sự phối hợp, và nhiều người tham gia bắt đầu nản chí với tiến độ ấy. Phải làm cái gì đó mới được.

Vannevar Bush, giám đốc Phòng Nghiên cứu và Phát triển Khoa học, đề xuất rằng nên có một cá nhân phụ trách và toàn bộ dự án nên đặt dưới sự chỉ đạo của Quân đoàn Kĩ sư. Đối với nhiều nhà khoa học, đây là tin không hay chút nào. Họ không thích ý tưởng bị chỉ huy bởi các sĩ quan quân đội. Bush chọn Leslie Groves, một đại tác nghiêm khắc có kinh nghiệm đáng nể trong việc điều hành các dự án xây dựng quân sự, làm giám đốc Dự án Manhattan. Thoạt đầu, Groves không hài lòng về dự án.15 Ông chẳng biết bao nhiêu về vật lí học và không tin lắm rằng một quả bom như thế sẽ hoạt động được. Hơn nữa, ông không thân thiện với những người đặt dưới quyền chỉ huy của ông do cách làm việc cộc lốc của ông, nhưng mọi người phải thừa nhận rằng ông điều hành suôn sẻ. Và, như chuyện vỡ lẽ, ông là người lí tưởng cho nhiệm vụ đó.

Trong vòng vài tuần sau khi nhận nhiệm vụ mới, lúc này ông được đề bạt lên hàm thiếu tướng, Groves thực hiện một chuyến công du các cơ sở nghiên cứu trên khắp nước tham gia vào dự án. Ông đến Đại học Columbia và nói chuyện với Harold Urey, người đang tham gia nỗ lực tách U-235 ra khỏi uranium thiên nhiên, rồi ông đến Đại học Chicago gặp Fermi. Fermi lúc này đang tham gia xây dựng lò phản ứng đầu tiên. Sau đó ông đến Đại học California ở Berkeley, tại đó ông gặp Lawrence, người đang xây dựng một máy gia tốc hạt cỡ lớn gọi là cyclotron. Ông thấy ấn tượng trước một số thứ ông nhìn thấy nhưng lại thấy nản trước một số bộ phận khác của dự án. Vấn đề cơ bản là hình như chẳng có sự tổ chức hay hợp tác thật sự nào cả, và chẳng thấy sự khẩn trương ở đâu cả.

Tại Berkeley ông trao đổi với Robert Oppenheimer, và hầu như kể từ thời khắc gặp ông ta, ông cảm thấy thật ấn tượng. Oppenheimer nắm được tổng thể những gì cần thiết để đạt tới việc chế tạo bom, và ông hết sức tin tưởng vào khả năng có thể làm được. Nhiệt huyết và lòng tin của ông ta sẽ lây ra Groves. Groves vốn nghĩ rằng ông sẽ chọn Lawrence làm giám đốc khoa học của dự án, nhưng sau khi gặp Oppenheimer ông đã thay đổi ý định. Bấy giờ ông chắc chắn rằng Oppenheimer là người ông cần, và ông đề xuất Oppenheimer tại cuộc họp ngay sau đó của Ủy quan Chính sách Quân đội.16 Tuy nhiên, sau một vài lần thẩm tra Oppenheimer, lại có trục trặc. Mọi người tán thành rằng ông là một nhà khoa học hàng đầu, nhưng ông không có kinh nghiệm lãnh đạo người khác. Ngoài ra, một kiểm tra của Cục Điều tra Liên bang cho biết Oppenheimer có thể là một mối nguy an ninh, vì một số bạn bè thân cận của ông, bao gồm cả anh trai ông, có dính líu với Đảng Cộng sản. FBI bảo Groves hãy tìm người khác. Groves quay về và điều tra tiếp các khả năng khác, nhưng ông lại càng bị thuyết phục hơn rằng Oppenheimer là người tốt nhất cho nhiệm vụ đó. Một cách kiên quyết, ông tái đề cử Oppenheimer, và sau một số tranh luận, cuối cùng Oppenheimer được chấp thuận.

Groves bắt đầu bàn bạc với Oppenheimer về cách tiếp cận vấn đề. Oppenheimer đề xuất rằng nên gom hết các nhà khoa học vào chung một phòng thí nghiệm, hay một phức hợp nào đó, và, như chuyện vỡ lẽ, đây cũng chính là điều Groves đang nghĩ. Họ cần một chỗ tương đối cách li để cơ sở nghiên cứu không thu hút nhiều chú ý. Oppenheimer đã có nhiều quãng thời gian trong đời sống ở miền bắc New Mexico, và ông nghĩ nó có đủ các tiêu chuẩn cần thiết. Ông nhớ tới một nơi gần Jemez Springs, cách Santa Fe khoảng ba mươi dặm về phía bắc. Ông đã nghỉ dưỡng bệnh lao ở đó vào hè năm 1928. Nó có vẻ là một nơi lí tưởng. Có một trường học gọi là Trường Chăn nuôi Los Alamos được thành lập ở đó nhưng lúc ấy đang bên bờ vực phá sản. Groves đến khu vực ấy và tán thành với Oppenheimer. Ông lập tức mua lại ngôi trường và khu vực xung quanh.

Tuy nhiên, thoạt đầu dự án không diễn ra đúng lộ trình. Oppenheimer nghĩ một nhóm chừng ba mươi nhà khoa học là đủ, và ông đảm bảo sẽ không có vấn đề gì trong việc chỉ đạo họ. Gần như tức thời, Oppenheimer và Lawrence lùng sục khắp nước tìm kiếm các nhà khoa học giỏi nhất mang đến địa điểm mới. Một số người miễn cưỡng phải đi, không chắc lắm liệu họ có chịu được tình trạng xa xôi cách trở, cô lập, và bí mật mà dự án yêu cầu hay không. Hơn nữa, quân đội điều hành mọi thứ, đặc biệt sẽ phải xây dựng một thị trấn tại địa điểm mới và các phòng thí nghiệm nữa. Một số người khác cảm thấy phiền hà vì Groves muốn chia họ thành đội. Tóm lại, ông muốn mỗi nhóm biết tường tận một phương diện nào đó của quả bom mà họ đang nghiên cứu nhưng biết ít hoặc không biết gì về chuyện những nhóm khác đang làm. Càng ít người biết tường tận về dự án thì càng tốt. Và bí mật phải được xếp vào bậc cao nhất; sẽ không công bố bất kì khám phá nào hết. Các nhà khoa học vốn không thích làm việc theo kiểu này.

Toàn bộ chuyện này trở thành trở ngại đối với Oppenheimer, và nhóm ban đầu gồm ba mươi nhà khoa học của ông tăng lên một trăm rồi một trăm rưỡi người. Trong mấy tháng đầu, địa điểm tập kết của họ thật ngổn ngang. Các tòa nhà, phòng thí nghiệm, đường xá, và nhiều nhà xưởng khác đang được xây dựng, và mấy con suối tan băng làm bùn đất vương vãi khắp nơi. Nhiệm vụ của ông là giữ cho mọi người được vui vẻ. Ông đã tuyển mộ một số nhà vật lí giỏi nhất thế giới, bao gồm Edward Teller, Hans Bethe, Felix Bloch, Richard Feynman, và Robert Serber, và ông mời Enrico Fermi và Isidor Isaac Rabi làm cố vấn (họ cũng đang tham gia các dự án chiến tranh quan trọng).

Vấn đề trước mắt họ đã rõ rành rành: có đủ uranium làm giàu (hàm lượng cao U-235) để đem lại khối lượng tới hạn, và vào đúng thời điểm mang hai khối lượng dưới-tới hạn lại với nhau để gây ra một phản ứng dây chuyền. Các tính toán ban đầu về khối lượng tới hạn không được khuyến khích nữa; nó quá lớn, có lẽ quá lớn để chuyên chở trên máy bay dưới dạng bom. Nhưng người ta đã có những cách tân làm cho các neutron sinh ra trong vụ nổ bị dội trở vào vụ nổ bằng một tấm chắn. Cách này làm giảm khối lượng lớn hạn xuống khoảng ba mươi ba pound U-235. Đồng thời, lúc ấy người ta biết rằng plutonium cũng làm được bom, và chỉ cần mười một pound plutonium là đủ. Tất nhiên, cần có lò phản ứng để sản xuất plutonium, vì thế phần lớn chú ý vẫn tập trung vào U-235.

Trên thực tế, do nhiều nguyên nhân, người ta sẽ cần nhiều hơn khối lượng tới hạn một chút; vấn đề này thường được gọi là khối lượng siêu-tới hạn. Khi hai khối lượng dưới mức-siêu-tới hạn được mang lại với nhau, chúng sẽ gây ra một lực nổ tương đương với hai mươi nghìn tấn TNT. Nhưng có một vấn đề khó: phải ép hai khối lượng đó lại với nhau thật nhanh. Nếu chúng được ép lại quá chậm, thì một phần khối lượng sẽ phân hạch và phát nổ, thổi phần khối lượng kia ra xa trước khi chúng có thể phân hạch. Các tính toán cho biết chúng phải được ép lại với nhau ở tốc độ 3.300 foot trên giây. Tuy nhiên, giá trị này vượt quá tốc độ cao nhất do bất kì kĩ thuật nổ nào gây ra; tốc độ đạn pháo cao nhất lúc bấy giờ là khoảng 3.100 foot trên giây.

Thêm nữa, còn một vấn đề khác, và nó đi kèm với các neutron sẽ kích hoạt sự phân hạch. Toàn bộ những gì cần thiết là một neutron khởi động một phản ứng dây chuyền, nhưng nó phải được phân phối đúng lúc khi hai nửa ép lại với nhau. Vấn đề là còn các neutron tản lạc; đặc biệt, chúng được tạo ra bởi các tia vũ trụ từ không gian đến và không ngừng bắn phá Trái Đất. Thật ra chúng không phải là tia (hay bức xạ); chúng chủ yếu gồm đủ loại hạt, trong đó có cả hạt nhân của các nguyên tố và proton và electron. Nhưng khi chúng va vào khí quyển của chúng ta, chúng tạo ra neutron, và các neutron này có thể kích hoạt uranium (hay plutonium) từ sớm. Vì thế bom phải được che chắn khỏi sự tác động của chúng.

Tuy nhiên, quả bom cần một nguồn cung neutron thích hợp và đáng tin cậy vào đúng thời điểm. Một thiết kế “súng” đã được nghĩ ra để ép các mảnh dưới-tới hạn lại với nhau và đồng thời cung cấp neutron. Nhưng thiết kế này vướng phải các trục trặc, vì thế một giải pháp khác được nêu ra là khai thác hiện tượng nổ vào bên trong. Ý tưởng trong trường hợp này là xây dựng một quả cầu gồm các chốt uranium có thể bị ép vào nhau bởi chất nổ thông thường đặt phía sau chúng. Khi tất cả các mảnh bị ép lại với nhau thì nó phát nổ. Một lần nữa, lại có trục trặc, và lần này là liên quan đến thực tế cho đến khi ấy một lò phản ứng đơn giản vẫn chưa được xây dựng xong.

LÒ PHẢN ỨNG ĐẦU TIÊN

Việc xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên bắt đầu vào tháng Mười 1942. Lò phản ứng hạt nhân là một phiên bản chậm của bom nguyên tử; cần có lò phản ứng để xác thực phản ứng hạt nhân dây chuyền thật sự có xảy ra hay không, tức là bom nguyên tử có hoạt động được hay không. Enrico Fermi, chuyên gia hàng đầu thế giới về neutron và bắn phá neutron, được giao phụ trách dự án. Lò được xây dựng trong các sân quần vợt bên dưới mái che sân vận động tại Đại học Chicago. Nó gồm bảy mươi sáu lớp gạch graphite, mỗi lớp có kích cỡ bốn inch nhân bốn inch nhân mười hai inch. Do sự chia lớp này nên nó được gọi là cột. Cuối cùng, người ta dựng giàn giáo xung quanh nó khi nó lớn dần, sao cho có thể dễ dàng tiếp cận lớp trên cùng. Nó được làm bằng cách chồng hai lớp gạch graphite nguyên chất, rồi đến hai lớp gạch chứa uranium. Các thanh cadmium được chèn vào trong cột. Cadmium là một chất hấp thụ mạnh neutron, và các thanh cadmium sẽ giúp giữ kiểm soát đối với phản ứng xảy ra. Chúng có thể dễ dàng được nâng lên và hạ xuống.17

Fermi có hai nhà khoa học trợ lí chính: Herbert Anderson và Walter Zinn. Mỗi người chỉ đạo một nhóm làm việc đổi ca 12 giờ. Vì thế công việc diễn ra xuyên suốt. Khi xây dựng cột phản ứng, số lượng neutron phát ra được theo dõi cẩn thận. Họ đặt các máy đến neutron bên trong cột để làm công việc này. Một hệ số gọi là k cho biết số lượng neutron được tạo ra bên trong lò phản ứng. Khi k bằng 1,0 thì cột trở nên tới hạn để phản ứng phân hạch tự duy trì. Fermi muốn tăng nó lên vừa nhỉnh hơn 1,0 nhưng ông không muốn nó lớn hơn thêm. Nếu nó lớn quá thì mọi thứ vượt khỏi tầm kiểm soát và sẽ xảy ra một vụ nổ.

Vào cuối ngày 1 tháng Mười Hai 1942, k đã rất gần bằng 1,0 và có vẻ như ngày hôm sau sẽ đạt tới trạng thái tới hạn. Sáng hôm nay, một đám đông tụ tập trên ban công nhìn ra lò phản ứng. Fermi bảo trợ lí của ông từ từ rút một trong các thanh cadmium ra khỏi cột. Khi anh ta rút thanh cadmium ra, các chấm sáng trên máy đếm neutron tăng nhanh. Như ông từng làm trong suốt quá trình xây dựng nó, Fermi thực hiện một số phép tính nhanh bằng một quy tắc trượt đơn giản. Sau đó ông bảo người trợ lí rút thanh cadmium ra xa thêm một tí, và một lần nữa tốc độ đếm lại tăng lên.

Các chi tiết của một lò phản ứng đơn giản

Các chi tiết của một lò phản ứng đơn giản.

Mọi người chờ đợi trong hồi hộp, và trước sự bất ngờ của họ Fermi quyết định nghỉ để ăn trưa. Sau bữa trưa họ lại tụ tập và Fermi lại yêu cầu người trợ lí rút thanh cadmium ra xa hơn. Thình lình máy đếm chuyển sang hỗn loạn. Cột phản ứng đã đạt tới hạn. Fermi tiếp tục cho máy đếm hỗn loạn trong mấy phút, sau đó ông lệnh cho người trợ lí ấn thanh cadmium vào để tắt phản ứng.

Đa số nhà khoa học ngày nay xem đây là khởi đầu của thời đại nguyên tử. Nó là lò phản ứng hạt nhân vận hành đầu tiên; tuy vậy, vẫn còn một chặng đường xa mới có được bom nguyên tử. Song lúc này người ta đã rõ, bom là có thể chế được.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Ai đã phát minh ra ABC?
16/02/2020
Lâu nay người ta vẫn cho rằng các thư lại Ai Cập đã sáng chế ra bảng chữ cái đầu tiên. Tuy nhiên, đó chưa phải là toàn bộ
Toán học cấp tốc (Phần 10)
15/02/2020
e e là một số siêu việt và là một trong những hằng số cơ bản của toán học. Được gọi là hằng số Euler, nó có giá trị
Toán học cấp tốc (Phần 9)
15/02/2020
Số đại số và số siêu việt Một số đại số là nghiệm của một phương trình chứa lũy thừa của biến x, một đa thức
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 62)
15/02/2020
Chương 18 BOM KHINH KHÍ, TÊN LỬA LIÊN LỤC ĐỊA, LASER VÀ TƯƠNG LAI Sau sự phát triển bom nguyên tử, bản chất của chiến tranh
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 61)
15/02/2020
TIẾP TỤC DỰ ÁN MANHATTAN Nghiên cứu Dự án Manhattan đã khởi động. Vấn đề chính là tách U-235 ra khỏi uranium thiên nhiên.
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 42)
15/02/2020
NÓ THỰC SỰ LÀ MỘT BỘ NÃO? Mặc dù các nhà khoa học này tuyên bố rằng mô phỏng máy tính của họ về não sẽ bắt đầu
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 41)
15/02/2020
XÂY DỰNG MỘT BỘ NÃO Giống như nhiều đứa trẻ khác, tôi đã từng thích tháo rời đồng hồ, tháo rời chúng, vặn hết ốc
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 88)
14/02/2020
Neptunium Vào năm 1940, các nhà vật lí Mĩ Edwin McMillan (1907–91) và Philip Abelson (1913–2004) đã tạo ra nguyên tố đầu tiên nặng

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com