X-10: Từ lò phản ứng “mồ côi” đến bước ngoặt của y học hạt nhân

Một lò phản ứng được xây để chuẩn bị sản xuất plutonium cho bom nguyên tử lại trở thành nơi giúp các nhà khoa học lần theo phản ứng hóa học trong cơ thể, nghiên cứu DNA và tìm hiểu quang hợp. X-10 ở Oak Ridge, Tennessee, có vai trò đặc biệt vì nó không chỉ tạo ra vật liệu cho Dự án Manhattan mà còn biến đồng vị phóng xạ thành công cụ nghiên cứu có thể phân phối rộng rãi. [1]

Câu hỏi trung tâm là vì sao một công trình nhanh chóng mất vị trí trong kế hoạch sản xuất plutonium vẫn có ảnh hưởng lâu dài đến y học. Câu trả lời nằm ở khả năng tạo đồng vị phóng xạ, xử lý nhiên liệu nguy hiểm từ xa và cung cấp những “dấu vết” nguyên tử để quan sát các quá trình vốn không thể nhìn trực tiếp. [1]

Một nhà máy thử nghiệm bị bỏ lại phía sau

X-10 được xây dựng từ năm 1943 với vai trò một lò phản ứng thử nghiệm cho các lò lớn hơn. Nó dùng than chì để làm chậm neutron và không khí để làm mát. Ý tưởng ban đầu là kiểm tra cách tạo plutonium trước khi mở rộng sang sản xuất quy mô lớn cho vũ khí. [1]

Kế hoạch ấy nhanh chóng thay đổi. Các nhà khoa học nhận ra làm mát bằng không khí không phù hợp với những lò sản xuất lớn. Tướng Leslie Groves cũng cho rằng Oak Ridge, nằm gần Knoxville, không đủ biệt lập cho công việc tạo ra lượng plutonium nguy hiểm. Hanford ở bang Washington được chọn thay thế, nhờ địa điểm rộng và nguồn nước từ sông Columbia để làm mát. [1]

X-10 vì thế bị xem như một “đứa con mồ côi”: đã được xây nhưng không còn là nguyên mẫu trực tiếp cho trung tâm sản xuất plutonium chính. Tuy nhiên, việc mất vai trò chiến lược lại để lại cho nó một nhiệm vụ khác. Lò phản ứng nhỏ này có thể vận hành như một phòng thí nghiệm thực tế, nơi con người thử vật liệu, quy trình hóa học và những cách sử dụng mới của bức xạ. [1]

Những mẻ plutonium đầu tiên và bài toán xử lý

Đến cuối năm 1943, X-10 đã tạo ra những lượng nhỏ plutonium đầu tiên trong lò phản ứng. Số vật liệu này rất nhỏ so với nhu cầu sản xuất vũ khí, nhưng đủ quan trọng cho các thí nghiệm ban đầu tại Los Alamos. X-10 cũng giúp các nhóm nghiên cứu hiểu cách tách plutonium khỏi nhiên liệu đã qua chiếu xạ. [1]

Đây là một bài toán khó vì nhiên liệu sau khi rời lò chứa nhiều chất phóng xạ mạnh. Người vận hành không thể đứng cạnh để thao tác như trong một phòng thí nghiệm hóa học thông thường. Các quy trình tách vật liệu phải được thực hiện bằng thiết bị điều khiển từ xa, tạo tiền đề cho một kiểu làm việc mới: con người thiết kế và giám sát thao tác, còn máy móc xử lý vật liệu ở vùng nguy hiểm. [1]

Kinh nghiệm ấy có giá trị vượt ra ngoài mục tiêu ban đầu. Khi một lò phản ứng tạo ra nhiều sản phẩm phóng xạ khác nhau, thách thức không còn chỉ là lấy plutonium. Các nhà khoa học phải nhận diện, tách và sử dụng những đồng vị khác. Phần “sản phẩm phụ” này sau đó trở thành lý do quan trọng khiến X-10 tiếp tục hoạt động. [1]

Vì sao đồng vị phóng xạ hữu ích cho y học?

Đồng vị phóng xạ là những dạng của cùng một nguyên tố có hạt nhân không bền và phát ra bức xạ khi biến đổi. Nếu đưa một đồng vị phù hợp vào một hợp chất, nhà nghiên cứu có thể theo dõi hợp chất ấy di chuyển hoặc biến đổi trong một hệ thống. Nó giống một dấu hiệu gắn vào nguyên tử: không làm người quan sát thấy trực tiếp phản ứng, nhưng cho phép lần theo đường đi của vật chất. [1]

Từ trước X-10, các chất phóng xạ tự nhiên đã được dùng để khảo sát quá trình sinh học, còn máy gia tốc ở Berkeley đã tạo ra một số đồng vị hữu ích. Vấn đề là chúng khan hiếm. Các nhà khoa học từng trao đổi chúng trong một mạng lưới nhỏ, gần giống việc chia sẻ những mẫu vật quý hiếm giữa các phòng thí nghiệm. [1]

X-10 thay đổi quy mô của hoạt động này. Lò phản ứng có thể tạo đồng vị từ các mảnh sinh ra khi hạt nhân uranium phân chia, hoặc từ những vật liệu được đặt trong vùng có nhiều neutron ở lõi lò. Nhờ vậy, đồng vị phóng xạ dần chuyển từ vật liệu hiếm dùng trong vài thí nghiệm thành công cụ có thể được sản xuất và phân phối có tổ chức. [1]

Từ công cụ chiến tranh đến dấu vết của sự sống

Sau chiến tranh, các cơ quan chính phủ Hoa Kỳ thúc đẩy việc cung cấp đồng vị phóng xạ cho nghiên cứu y sinh và điều trị. X-10 trở thành một trong những nơi sản xuất chủ lực của Hoa Kỳ trong khoảng hai thập niên. Ảnh hưởng của nó không nằm ở một “viên đạn thần kỳ” chữa mọi bệnh, mà ở khả năng giúp các nhà khoa học đặt câu hỏi chính xác hơn về những gì diễn ra bên trong cơ thể. [1]

Tại Cold Spring Harbor, phosphorus-32 và sulfur-35 được dùng trong các thí nghiệm của Alfred Hershey và Martha Chase. Những đồng vị này giúp họ phân biệt vai trò của DNA và protein trong việc mang thông tin di truyền. Ở Berkeley, carbon-14 hỗ trợ Melvin Calvin lần theo chuỗi phản ứng phức tạp của quang hợp. Trong một hướng khác, Rosalyn Yalow và Solomon Berson sử dụng insulin có gắn chất phóng xạ để phát triển kỹ thuật xét nghiệm rất nhạy, về sau phục vụ sàng lọc máu, chẩn đoán ung thư và nghiên cứu y sinh. [1]

Có thể hình dung cách làm này qua một ví dụ: nếu muốn biết một chất dinh dưỡng đi qua cơ thể theo con đường nào, nhà nghiên cứu cần một dấu hiệu đủ rõ để phát hiện nó ở từng bước. Đồng vị phóng xạ cung cấp dấu hiệu ấy. Đây là ví dụ minh họa cho nguyên lý, không phải mô tả một thí nghiệm cụ thể tại X-10.

Di sản đi kèm những câu hỏi đạo đức

Cùng với lợi ích, việc phổ biến đồng vị phóng xạ cũng cho thấy mặt tối của thời kỳ hậu chiến. Một số thí nghiệm do các cơ quan chính phủ hỗ trợ đã đưa plutonium hoặc chất nguy hiểm vào cơ thể những bệnh nhân không biết đầy đủ về việc mình tham gia. Nhiều chương trình được giữ bí mật không chỉ vì lý do an ninh mà còn để tránh sự giám sát của công chúng. [1]

Các vụ việc chỉ được biết rộng rãi vào những năm 1990. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cơ quan kế nhiệm Ủy ban Năng lượng Nguyên tử, sau đó xin lỗi và bồi thường cho những người sống sót. Chi tiết này làm thay đổi cách nhìn về di sản của X-10: một công cụ khoa học có thể mở rộng hiểu biết, nhưng giá trị của nó không thể tách khỏi câu hỏi ai được bảo vệ, ai được biết và ai phải gánh rủi ro. [1]

X-10 ngừng hoạt động vào năm 1963 và được bảo tồn như một địa điểm lịch sử. Các lò phản ứng khác tiếp tục sản xuất đồng vị, trong khi một số nhà nghiên cứu chuyển sang phương pháp đánh dấu bằng protein huỳnh quang vì lo ngại an toàn, quy định phức tạp và sự xuất hiện của kỹ thuật mới. Nhìn lại X-10, điều đáng nhớ không phải là một lò phản ứng bị bỏ quên đã “vô tình” cứu y học, mà là cách một hạ tầng được tạo cho chiến tranh đã cung cấp phương pháp quan sát sự sống ở cấp độ mà trước đó rất khó tiếp cận. [1]