Manhattan Project: Vì sao bom nguyên tử cần cả một mạng lưới khoa học khổng lồ?

Năm 1896, Henri Becquerel phát hiện phóng xạ. Gần nửa thế kỷ sau, vụ thử Trinity cho thấy năng lượng trong hạt nhân nguyên tử có thể được biến thành vũ khí. Khoảng cách giữa hai sự kiện ấy không phải hành trình của một thiên tài đơn độc, mà là quá trình nối nhiều phòng thí nghiệm, nhà máy, nhóm nghiên cứu và cơ quan quân sự. [1]

Câu hỏi trung tâm của Manhattan Project là: vì sao hiểu được phân hạch vẫn chưa đủ để chế tạo bom? Câu trả lời nằm ở hàng loạt bài toán liên tiếp: tìm vật liệu phù hợp, tạo đủ nhiên liệu, duy trì phản ứng dây chuyền, thiết kế cơ cấu kích nổ và phối hợp công việc trong bí mật giữa hơn 100.000 người. [1]

Phóng xạ đã mở cánh cửa nào?

Phóng xạ cho thấy nguyên tử không phải một khối bất biến. Những nghiên cứu sau đó nhận ra hạt nhân của nguyên tử nặng có thể giải phóng năng lượng khi bị biến đổi hoặc tách ra. Trong phân hạch, một hạt nhân uranium hấp thụ neutron rồi vỡ thành những phần nhẹ hơn. Tổng khối lượng sau quá trình này nhỏ hơn ban đầu; phần chênh lệch gắn với năng lượng được giải phóng. [1]

Neutron đặc biệt quan trọng vì nó không mang điện tích, nên có thể tiếp cận hạt nhân dễ hơn các hạt mang điện. Một lần phân hạch lại giải phóng thêm neutron. Nếu những neutron ấy tiếp tục gây ra các lần phân hạch khác, phản ứng dây chuyền hình thành. Đây là nguyên lý chung phía sau cả lò phản ứng được kiểm soát lẫn vũ khí hạt nhân, dù mục tiêu và cách điều khiển chúng khác nhau. [1]

Vì sao nhiên liệu là bài toán khó?

Uranium tự nhiên gồm nhiều đồng vị, trong đó U-235 dễ phân hạch hơn U-238 nhưng chỉ chiếm phần nhỏ. Vì vậy, một hướng của dự án là tách U-235 khỏi phần uranium còn lại, công việc đòi hỏi cơ sở sản xuất quy mô lớn. Hướng khác tạo plutonium từ uranium trong phản ứng hạt nhân, sau đó tách plutonium bằng phương pháp hóa học. [1]

Có thể hình dung phản ứng dây chuyền như một chuỗi va chạm: mỗi va chạm phải tạo ra đủ tác động cho bước kế tiếp. Neutron thoát ra ngoài hoặc bị hấp thụ sai chỗ thì chuỗi phản ứng tắt. Ngược lại, nếu vật liệu đạt trạng thái thích hợp quá sớm, năng lượng sẽ giải phóng trước khi thiết bị hoàn tất quá trình tập hợp. Vì thế, thành công phụ thuộc đồng thời vào vật liệu, mật độ, hình dạng và thời điểm. [1]

Mạng lưới di cư đã đóng vai trò gì?

Kiến thức cần thiết không tập trung ở một quốc gia. Enrico Fermi rời nước Ý phát xít sang Mỹ; Leo Szilard, Otto Frisch và Rudolf Peierls rời khỏi phạm vi quyền lực của Hitler; Niels Bohr thoát khỏi châu Âu do Đức Quốc xã kiểm soát. Họ mang theo kết quả nghiên cứu, kinh nghiệm thực nghiệm và nhận thức trực tiếp về nguy cơ một cuộc chạy đua vũ khí trong chiến tranh. [1]

Sự dịch chuyển ấy biến chương trình do Mỹ dẫn dắt thành điểm hội tụ của khoa học châu Âu và Bắc Mỹ. Một nhóm nghiên cứu neutron, nhóm khác xử lý vật liệu, còn các nhóm khác lo thiết kế và sản xuất. Không ai, kể cả những nhân vật nổi tiếng nhất, tự mình hoàn thành toàn bộ chuỗi công việc. Đóng góp quyết định của họ nằm trong sự phối hợp giữa các chuyên môn vốn trước đó thường tách rời. [1]

Manhattan Project biến ý tưởng thành thiết bị thế nào?

Mỹ bắt đầu tổ chức Manhattan Project vào năm 1942, khi chiến tranh và lo ngại Đức Quốc xã phát triển bom hạt nhân tạo sức ép lớn. Leslie Groves phụ trách toàn bộ dự án, còn Robert Oppenheimer lãnh đạo nhóm khoa học. Oak Ridge tập trung vào uranium, Hanford vào plutonium và Los Alamos vào thiết kế, lắp ráp vũ khí. Nhiều cơ sở khác trên khắp nước Mỹ cũng tham gia. [1]

Quy mô lớn đi cùng chế độ phân ngăn thông tin. Phần lớn nhân viên chỉ biết nhiệm vụ trực tiếp, thậm chí không biết mục tiêu cuối cùng của công việc. Cách tổ chức này cho phép nghiên cứu, xây dựng và sản xuất diễn ra song song, đồng thời hạn chế nguy cơ lộ bí mật. Nó cũng tạo ra một nghịch lý: dự án cần hợp tác ở cấp độ chưa từng có nhưng mỗi cá nhân lại chỉ nhìn thấy một mảnh rất nhỏ. [1]

Hai loại nhiên liệu dẫn tới hai thiết kế khác nhau. Với uranium, hai phần vật liệu được giữ tách biệt rồi đưa lại gần nhau. Với plutonium, thuốc nổ thông thường được bố trí để nén vật liệu, làm mật độ tăng nhanh. Thiết kế nén phức tạp hơn nên cần được thử trước. Vụ Trinity tại New Mexico ngày 16 tháng 7 năm 1945 xác nhận thiết bị plutonium hoạt động. [1]

Trinity để lại di sản gì?

Sau Trinity, bom uranium Little Boy được thả xuống Hiroshima ngày 6 tháng 8 năm 1945; bom plutonium Fat Man được thả xuống Nagasaki ba ngày sau. Hai vụ nổ gây tàn phá tức thời trên diện rộng, tiếp đó là những hậu quả kéo dài do phơi nhiễm phóng xạ. Các ước tính về số người chết thay đổi theo thời điểm và cách thống kê; con số thường được nêu là khoảng 140.000 tại Hiroshima và 74.000 tại Nagasaki. [1]

Nhật Bản tuyên bố sẵn sàng đầu hàng ngày 15 tháng 8. Dù vậy, việc giải thích quyết định ấy chỉ bằng hai quả bom sẽ giản lược một bước ngoặt quân sự và chính trị phức tạp. Điều chắc chắn hơn là các vụ ném bom đã chứng minh một quốc gia có thể phá hủy cả thành phố bằng một thiết bị duy nhất, đưa vũ khí hạt nhân vào trung tâm quan hệ giữa các cường quốc. [1]

Một số nhà khoa học từng tham gia dự án sau đó kêu gọi kiểm soát quốc tế hoặc cấm vũ khí hạt nhân. Nhưng tri thức đã rời khỏi phạm vi phòng thí nghiệm. Di sản của Manhattan Project vì thế không chỉ là hai thiết kế bom được sử dụng trong chiến tranh, mà còn là mô hình kết hợp khoa học, công nghiệp và nhà nước ở quy mô khổng lồ. Từ đó, năng lực khám phá của con người luôn đi kèm câu hỏi về trách nhiệm sử dụng nó. [1]