Ít có nguyên tố nào được nhắc đến với một cảm giác e dè lẫn nghi ngại như Uranium. Lần đầu tiên ra mắt trước công chúng; Uranium, được biết đến, không như là một nàng công chúa diễm kiều trong một truyện phim tình lãng mạn; mà là, một sát thủ thật sự, đầy uy lực, trên một chiến trường đang đẫm đầy máu lửa, hơn nửa thế kỷ trước đây.

Được phe Đồng minh sử dụng để tàn phá Hiroshima và Nagasaki, với mức độ chưa từng thấy; tên tuổi của Uranium đã gắn liền với một hình ảnh xấu xa đáng khinh tởm vẫn còn rõ nét trong tâm khảm của nhiều người. Nó gợi nhớ những tiếng nổ long trời, những cột khói hình nấm khổng lồ, những tia phóng xạ vô hình độc hại; cùng bao nỗi hận thù, đau thương và chết chóc bao trùm đất nước Phù tang, 1945.

Uranium xuất hiện. Chấm dứt hoàn toàn thế chiến thứ hai; trong đó, sau gần 6 năm vật lộn với tử thần, hơn 60 triệu sinh linh phải chịu thương vong. Và, cũng kể từ đó, Uranium nghiễm nhiên đẩy con người vào một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của nguyên tử, với không ít, nhiễu nhương cùng hệ lụy của nó.

Suốt bốn thập niên của thế kỷ thứ 20; chiến tranh lạnh giữa tư bản và cộng sản, đã làm cho thế giới sống trong sự bất an thường trực. Con người bị ám ảnh nặng nề bởi một cơn hồng thủy, bất ngờ, có thể nhấn chìm cả nhân loại. Có lúc, Uranium, được tập hợp, dưới dạng vũ khí, đủ để có thể làm nổ tung trái địa cầu mong manh như quả trứng và chơ vơ lơ lửng trong cái vũ trụ bao la nầy.

Và cũng chính nó là nguyên nhân, thực sự hay là ngụy tạo, của các cuộc chiến tại Trung đông, cho tới bây giờ, vẫn còn đang dai dẳng.

Hiếm có ngày nào, các phương tiện truyền thông, trên trang chính hay trong một  góc nhỏ nào đó, mà không có, ít nhiều, bóng dáng của Uranium và vũ khí tàn phá diện rộng.

Thử nhìn vào quá khứ của kẻ đồng hành như-lạ-như-quen nầy; để thấy được những bước ngoặc nào, ngẫu nhiên cũng như định mệnh, đã đưa đẩy nó trở thành một phần, không thể tách rời, của cuộc sống ngày nay.

Super novae, Uranium và nước Đức

Với những nét chấm phá muôn hình vạn trạng, lịch sử có cách rất riêng của nó; có khi, oái oăm đến độ buồn cười. Nguyên tố Uranium, ký hiệu U, được dùng để chấm dứt hoàn toàn cuộc chiến do Đức quốc xã gây ra, lại do một nhà khoa học, không từ đâu khác hơn là nước Đức, tên Martin Klaproth, phát hiện lần đầu tiên vào năm 1789; dưới một dạng  Uranium Oxide. Rồi cũng chính những người Đức, Otto Hahn và  Fritz Strassmann, vào 1938, khám phá ra rằng con người có thể tách vỡ nguyên tử Uranium. Otto Hahn đã mở cái nút thắt, tạo tiền đề cho các nghiên cứu và thử nghiệm dồn dập sau đó tại Mỹ; để nước nầy, được cơ, khai sinh bom hạt nhân 1945.

Ngược thời gian. Theo các nhà thiên văn, Uranium có thể đã khởi nguồn từ một vụ nổ của một vì sao rất lớn khoảng 6.6 tỷ năm trước đây. Hiện tượng được gọi là super novae nầy, thường xuyên xảy ra, trung bình mỗi 50 năm một lần, trong các thiên hà có cùng cở kích như dãy Ngân hà. Hơn hai tỷ năm sau, hệ thống mặt trời dần dà được thành hình; và 65 triệu năm sau nữa, đến lượt trái đất. Kể từ đó, Uranium hiện diện rải rác trên địa cầu, và tích tụ nhiều nhất ở một số vùng địa lý đặc thù dưới dạng hầm mỏ mà người ta biết đến như ngày nay.

Khoảng 5 triệu tấn Uranium Oxide, dưới dạng tiêu chuẩn, U3O8, có thể được tinh chế từ các quặng mỏ thô đã được phát hiện trên toàn cầu. Không quá hiếm như người ta vẫn tưởng; trữ lượng nầy cao gấp 500 lần so với vàng, 40 lần so với bạc; nhiều hơn thủy ngân, antimony, cadmium; và cùng mức với thiếc và kẽm.

 Với hơn 13 mỏ, nước Úc sở hữu, nhiều nhất, khoảng 1.3 triệu tấn, chiếm 25% trữ lượng Uranium toàn cầu. Kazakhstan có 800 ngàn tấn, tức17%; trong khi đó Canada, 500 ngàn tấn, 10%. Mỹ, Nam Phi, Namibia, Niger và Nga, mỗi nước, từ 200 ngàn đến 350 ngàn tấn; gộp lại, khoảng 35%. Đặc biệt Tàu, có rất ít, chưa tới 70 ngàn tấn; đã ồ ạt nhập cảng từ Úc, những năm gần đây, một số lượng rất lớn, để dự trữ cho mục tiêu lâu dài của chúng. Trong khi đó, Âu châu, nơi sử dụng rất nhiều Uranium để chạy lò điện, nhất là nước Pháp, gần như không có quặng mỏ loại nầy.

Năm 2005, nước Úc xuất cảng 12 ngàn tấn U3O8, thường được gọi là "Bánh Màu Vàng" (Yellowcake), thu về 600 triệu đôla Mỹ; từ 3 mỏ nổi tiếng là Ranger, Olympic Dam và Beverly. Canada khai thác được 14 ngàn tấn, bán hầu hết cho nước ngoài, chiếm 30% thị trường thế giới. Vùng trũng Athabaska, phía Bắc tỉnh Saskatchewan, được coi là nơi khai thác tầm cở của Canada, rộng hơn 100 ngàn cây số vuông. Trong vùng nầy; có quặng McArthur River, lớn nhất thế giới, mà công ty Cameco đang khai thác, ở độ sâu đến 640 mét trong lòng đất.

Tách vỡ hạt nhân

Từ năm 1932, việc James Chadwick, người Anh, khám phá ra hạt Neutron đã giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về các thành phần cấu tạo của nguyên tử.

Một cách đơn giản, nguyên tử, đơn vị cơ bản của một nguyên tố; gồm hạt Electron (E), có điện trừ, bay xung quanh một nhân; gồm hạt Proton (P), có điện cộng, và hạt Neutron (N), không điện. Trong trạng thái bình thường, không tích điện, số hạt P bằng số hạt E. Mỗi nguyên tố có số hạt P khác nhau. 

Nghiên cứu khoa học, ở góc độ đời thường của nó, không khác gì những trò chơi tinh nghịch của những đứa trẻ hồn nhiên, như thường thấy, hay thò thọc và có óc tò mò. Ra khỏi nhà, thấy một vài hòn sỏi trên đường, lại thấy cái cửa kính nhà bên cạnh, là mải mê với ý tưởng muốn lấy hòn sỏi nầy ném vào cái cửa kính kia, thử xem sao. Có ném tới không?, kính có vỡ không?, có gây tiếng động không?, có ai thò đầu ra quát mắng gì không?, cảnh sát có đến không?, và có ai biết được mình chính là thủ phạm không?, làm sao trốn "tội"?, ... Và hoàn toàn không có ác ý gì đối với người hàng xóm dễ thương nọ!

 Hạt N, do không tích điện, nên được xem như một "hòn sỏi" lý tưởng để "ném" vào nhân của các nguyên tử, xem có việc gì sẽ xảy ra hay không.

Ở Ý, 1934, Enrico Fermi dùng hạt N kích vào nguyên tử của nhiều, 63 theo một số tài liệu, nguyên tố khác nhau; và ghi nhận các phóng xạ phát sinh như Gamma và Beta, nhưng không tìm được một hiện tượng đáng chú ý nào khác.

Đến cuối năm 1938, tại Đức, Otto Hahn và  Fritz Strassmann, trong một thí nghiệm, đã kích các hạt N vào một dung dịch muối Uranium, cho thấy có chất Barium (Br) xuất hiện và nhiều nhiệt phát sinh. Đây là lần đầu tiên một nguyên tử được tách vỡ, tạo ra nguyên tử của một nguyên tố khác. Kết quả Nobel Hóa học (1944) của Otto Hahn được công bố trên Die Naturwissenschaften, một tập san khoa học tiếng tăm của Đức, từ số tháng Mười hai năm 1938.

Nắm được thông tin khoa học có tính đột phá nầy; người Ý Enrico Fermi, đang tị nạn tại Mỹ; cùng Neil Bohr vừa đến tham quan từ nước Đan; và Albert Einstein, thuộc ĐH Princeton, người được xem như là cầu nối giữa các nhà khoa học Mỹ và Âu châu lúc bấy giờ; đã gấp rút phối hợp với nhiều phòng thí nghiệm (PTN) uy tín để xác định thực hư.

Từ ĐH Columbia và Carnegie Institute (Washington) cũng như Johns Hopkins Laboratory; vài tuần sau đó, lần lượt, người ta đã khẳng định được rằng, quả thật, nguyên tử Uranium có thể bị tách vỡ; tạo ra hai nguyên tố mới là Krypton (Kr) và Barium (Ba) cùng rất nhiều nhiệt; như Hahn và Strassmann đã trình bày.

Không lâu sau, Neil Bohr và Archibald Wheeler, trong một buổi hội thảo khoa học ở ĐH Columbia, 17/02/1939; đã gợi ý rằng không phải tất cả các nguyên tử U mà chỉ có nguyên tử U ở dạng U235 mới có thể bị tách vỡ mà thôi. Lập luận nầy được sự đồng tình của các nhà khoa học Mỹ dù nó chưa được chứng minh; đơn giản, vào lúc bấy giờ, chưa ai có thể phân lập được U235.

Được biết, các nguyên tử của cùng một nguyên tố tuy đều có một số lượng hạt P như nhau, nhưng số hạt N của chúng, đôi khi, khác nhau; tạo thành các dạng nguyên tử khác nhau; và mỗi dạng như thế có một số đặc tính riêng của nó. Cùng là một nguyên tử của U, nhưng dạng U238 (92P, 146N) có 92 hạt P, 146 hạt N; trong khi đó, U235 (92P, 143N) cũng có 92 hạt P nhưng chỉ có 143 hạt N. Ít hơn 3 hạt N so với U238 nên U235 nhẹ hơn U238, và như sẽ được kiểm nghiệm sau nầy, chỉ có U235 mới có thể bị tách vỡ còn U238 thì không. Trong Uranium nguyên chất hay còn được gọi là tự nhiên, U238 chiếm, phần lớn, đến 97.3%; 0.7% còn lại là U235; cũng có dạng U234 nhưng với 0.006%, quá ít, nên không đáng kể.

Như vậy, sau khi bị hạt N kích vào, U235 trở thành U236; một dạng U không ổn định, sẽ tách vỡ ra trong một thời gian cực ngắn chỉ bằng 1 phần ức giây (1/(10 lũy thừa 12)); tạo ra:

1. Kr-92, Krypton (36P,48N)

2. Ba-141, Barium (56P, 81N)

3. Các phóng xạ Alpha, Beta và Gamma

4. Nhiệt, phần lớn do một số hạt N "biến mất", chuyển từ thể trọng sang năng lượng.

Hiện tượng tạo nhiệt nầy phù hợp với lý thuyết, về liên hệ giữa năng lượng và thể trọng, mà Einstein đã đưa ra vào năm 1905, lúc mới 26 tuổi, E=MCC. Theo đó, E là năng lượng tính theo Ergs, M là thể trọng tính bằng gam, C là vận tốc của ánh sáng 300 ngàn km/giây. Đây là một hình thức giải phóng năng lượng có hiệu quả rất cao. Ước tính, với 1 kgs than đá, nếu có thể sử dụng phản ứng hạt nhân như thế, sẽ tạo ra 24 tỷ kilowatt/giờ. Trong khi đó, cùng 1 kgs than đá, nếu được đốt, một hình thức phản ứng hóa học, chỉ cho 18 kilowatt/giờ.

Tuy nhiên, cho tới lúc đó, người ta chỉ có thể tách vỡ từng nguyên tử Uranium một.

Khả năng về một phản ứng dây chuyền; nguyên tử nầy tách vỡ kéo theo sự tách vỡ của các nguyên tử khác, như hiệu ứng domino; vẫn còn nằm trong bóng tối ở cả Berlin lẫn New York, hai nơi mà nhiều nhà khoa học sáng giá nhất lúc bấy giờ đang sinh sống và làm việc.

Phản ứng dây chuyền

Vào mùa xuân năm 1939, ở Paris, Frédéric Joliot-Curie, từng được giải Nobel hóa học (1935) liên quan đến phóng xạ nhân tạo, đã mở ra được một chân trời mới cho giới khoa học hạt nhân. Các thí nghiệm của ông ta cho thấy rằng số hạt N, trung bình 2.47 hạt, phát ra từ một nguyên tử U235 bị tách vỡ, trong những điều kiện thích hợp, có thể làm tách vỡ một hay nhiều nguyên tử U235 khác; và do đó có thể tạo ra một phản ứng dây chuyền.

Các PTN của Mỹ, một lần nữa, trở nên dậy sóng; xôn xao tìm cách lập lại khám phá mới nầy của Joliot-Curie; người con rể của, không ai khác hơn, nhà bác học lừng danh một thời gốc Ba lan, Marie Curie.

Tách vỡ hạt nhân đơn lẻ gây nhiệt; tách vỡ hạt nhân dây chuyền, như góp gió thành bão, có thể tạo ra, rất nhanh, một nhiệt lượng rất cao; gây nổ với sức tàn phá cực lớn; ... một vũ khí lợi hại.

Trước tình hình chính trị căng thẳng ở Âu châu, phong trào Đức quốc xã đang sôi động, thế chiến chực chờ bùng nổ; hiên tượng phản ứng dây chuyền hạt nhân nầy có một ý nghĩa và tầm quan trọng rất to lớn; có khả năng ảnh hưởng tới vận mạng của toàn thế giới.

Lo ngại Đức quốc xã sẽ nhanh chân hơn trong việc khai thác khám phá mới nầy để phục vụ chiến tranh; các nhà khoa học Leo Szilard, Edward Teller và Paul Wigner liền hối thúc Albert Einstein viết bức thư, đề ngày 02/08/1939, nhờ chuyển đến TT Mỹ, Franklin Roosevelt, nhận được ngày 11/10/39; trong đó có đoạn:

" Bốn tháng qua, các nghiên cứu của Joliot ở Pháp, và của Fermi và Szilard ở Mỹ đã cho thấy rằng người ta có thể tạo ra một phản ứng dây chuyền với một khối lượng Uranium lớn, làm phát sinh một lượng năng lượng khổng lồ và nhiều chất liệu khác, tuơng tự, như chất Radium.....Hiện tượng nầy có thể được dùng để chế bom. Và có thể là, tuy không chắc lắm, loại bom nầy có sức tàn phá rất lớn. Một quả duy nhất, loại nầy, được chở giấu trong thuyền, có thể làm nổ tung cả một bến cảng và vùng phụ cận của nó. Tuy nhiên, loại bom nầy có thể là quá nặng để có thể được thả bằng máy bay."

Cũng trong thư nầy, Einstein đã báo cáo rằng " ... (các nhà khoa học Đức) ở Viện Kaiser Wilhelm, Berlin, đang lập lại các công trình đã nghiên cứu được của (các nhà khoa học) Mỹ, (trong lĩnh vực nầy)." Ở đây, Einstein có thể là không khách quan. Lúc bấy giờ (a) Đức là ngôi sao sáng của Âu châu về khoa học và kỹ thuật, nếu không muốn nói là của cả thế giới (b) đang có làn sóng các nhà khoa học từ Âu châu, nhất là Đức, bỏ xứ chạy sang Mỹ; mang theo nhiều thông tin cho nước nầy (c) nhiều người tị nạn đã từng là học trò hoặc/và cộng sự của các nhà khoa học tên tuổi Đức; nên có nhiều khả năng, vào lúc đó, các nhà khoa học Mỹ đang tìm cách bắt chước người Đức hay/và người Âu châu; thay vì ngược lại, như Einstein đã nhiễu báo.

Ban cố vấn về Uranium

Bốn giờ 45 phút, rạng Đông, 01/09/1939, bên bờ biển Baltic; chiến hạm Đức Schleswig-Holstein bất ngờ phá tan bình yên của biển cả, nã phát đại bác đầu tiên, tấn công tới tấp vào căn cứ Hải quân Ba lan, Westerplatte.

Thế chiến thứ hai ở Âu châu bước vào lịch sử.

Dù chưa tham chiến, không đầy 2 tháng sau, 21/10/39, TT Mỹ thành lập Ban cố vấn về Uranium, phần lớn trong đó, gồm các nhà khoa học tị nạn đến từ Âu châu; nhằm nghiên cứu về Uranium và lượng định khả năng tàn phá của nó như là một chất nổ. Số tiền 6 ngàn đô la mà Ban nầy chi, vào ngày 20/02/40, để mua 4 tấn Graphite (C) và 50 tấn quặng thô Uranium, được coi là những viên gạch đầu tiên làm nền tảng cho công trình chế tạo bom hạt nhân của Mỹ.

Ngay sau đó, xạ trường nguyên tử, xây dựng từ 1932, còn được gọi là  "máy đập" nguyên tử, của PTN Lawrence ở Berkeley, California, được trưng dụng làm phương tiện cho việc nghiên cứu và tìm hiểu về các đặc tính của phản ứng dây chuyền hạt nhân. Thiết bị nầy, đại khái, chỉ là một đường ống dài, thường dùng, để phóng, với vận tốc lớn, hạt N từ đầu nầy tới các mẩu nguyên tử được thí nghiệm ở đầu kia.

Ban cố vấn về Uranium bắt tay vào việc tìm lời giải cho hai vấn đề mấu chốt.

1. Bằng cách nào để giảm tốc hạt N, phát ra từ nguyên tử bị tách vỡ, nhằm tăng khả năng của nó làm tách vỡ được nguyên tử khác.

2. Làm sao phân lập được U235 ra khỏi U nguyên chất để làm chất nổ.

Được biết, với vận tốc quá nhanh, khoảng 16,000 Km/giây, hạt N, phát ra từ một nguyên tử bị tách vỡ, ít có khả năng kích được một nguyên tử U235 khác để tạo một phản ứng dây chuyền; do đó, cần phải được giảm xuống, tới mức tối ưu, ước lượng chừng 1.6 Km/giây. Cũng giống như, trước một đám đông hàng trăm người, muốn tìm vài ba người quen đang lẫn lộn trong đó; nếu người ta chạy nhanh qua một mạch thì cơ hội gặp được họ là ít hơn, so với trường hợp đi chầm chậm.

Để giải quyết vấn đề nầy, các nhà khoa học thường xuyên nhắc tới Graphite (C), Nước nặng (D2O) và Nước thường (H2O). Các chất liệu nầy đều có đặc tính, không hấp thụ hạt N, mà đẩy nó trở ra; sau nhiều lần va chạm như thế, có thể làm giảm vận tốc của hạt N một cách đáng kể; tuy nhiên, mỗi chất cũng có nhiều ưu và khuyết điểm khác nhau.

Enrico Fermi, sau nhiều cuộc tham khảo và thử nghiệm, đã thuyết phục được các nhà khoa học khác; dùng Graphite (C) để giảm tốc hạt N, như là một giải pháp tối ưu. Ở thể rắn, Graphite tiện lợi hơn trong việc di chuyển, bảo quản và sử dụng so với các loại nước nói trên ở thể lỏng. Tuy nhiên, chất Baron trong Graphite tự nhiên phải được loại ra; nếu không, vì Baron hấp thụ hạt N, số hạt N phát tán sẽ giảm, có thể làm giảm, thay vì tăng, khả năng phản ứng dây chuyền. Graphite là một loại than đá giống như than của cây bút chì, mà đúng ra phải gọi là bút than; bột nhuyễn của nó thường được sử dụng như một chất phụ gia để sản xuất các loại chất nhờn làm trơn máy móc.

Trong khi đó, vào tháng 03/1940, Alfred Nier, ĐH Minnesota, với sự hợp tác tận tình của General Electric Laboratories, đã thành công trong việc phân lập được dạng U235. Mặc dù số lượng rất ít, chưa tới 1/1000 gam, chỉ bằng đầu cây tăm, cũng đủ, để chứng minh gợi ý, một năm trước đó, của Bohr và Wheeler, chỉ có U235 mới có thể bị tách vỡ.

Khám phá Plutonium

Sau hơn nửa năm làm việc, Ban cố vấn về Uranium đã mang lại những kết quả khả quan, đầy hứa hẹn. TT Mỹ liền thành lập Hội đồng quốc gia nghiên cứu quốc phòng, gọi tắc là Hội đồng, vào tháng 06/1940, để nâng mức độ ưu tiên của hồ sơ hạt nhân lên một tầm cao mới; và cấp ngay 40 ngàn đô la cho ĐH Columbia, New York, nghiên cứu chuyên sâu hơn về phản ứng dây chuyền.

Trong nghiên cứu khoa học, cũng như việc đời, ngoài con đường chủ định, còn có muôn vàn cái may và cái rủi, đến rồi đi và lại đến, tạo ra những hướng rẽ không ai có thể lường trước được.

Cuối năm 1940, một may mắn, không tìm mà gặp, bất ngờ đến với các nhà khoa học Mỹ. Glenn Seaborg, Joe Kennedy và Art Wahl, trong một PTN ở Berkeley, California; đã tình cờ thu thập được những bằng chứng về một nguyên tố mới, tuy không thấy được bằng mắt thường, gọi là Plutonium (Pu), tích tụ trong một mẩu thử nghiệm Uranium tự nhiên, sau khi mẩu nầy bị "đốt" bởi phản ứng dây chuyền.

Được biết, khi được hạt N kích vào, U238 không tách vỡ, như U235, mà hấp thụ hạt nầy biến thành U239, có hạn bán hủy (HBH) 23 phút; sau đó thành Np239 (Neptunium, HBH 2.4 ngày); và cuối cùng là Pu239 (Plutonium, HBH 24,100 năm), một dạng Pu rất ổn định.

Hạn bán hủy, có thể được hiểu như, cứ sau một khoảng thời gian nào đó, phân nửa số lượng của một nguyên tố bị phân hủy hay biến dạng. Với số lượng hiện nay là 10 kí lô, giả sử nếu nó có HBH 50 năm; 50 năm sau, số lượng nầy chỉ còn 5 kí lô; 50 năm sau nữa chỉ còn 2.5 kí lô, .... HBH thường được dùng để biểu kiến mực độ phân hủy nhanh hay chậm của một nguyên tố.

Mặc khác, Pu239 cũng có thể hấp thụ thêm một, hai hoặc ba hạt N nữa để trở thành Pu240, Pu241 hoặc Pu242. Tuy nhiên, chỉ Pu239 và Pu241 có thể bị tách vỡ và tạo phản ứng dây chuyền như U235 mà thôi.

Số lượng các dạng Plutonium được tạo ra, và không tách vỡ; sẽ tồn đọng trong, và chiếm khoảng 1%, khối Uranium còn lại sau khi bị đốt. Trong số Pu tồn đọng đó, có khoảng 50% Pu239 và 15% Pu241, có thể được phân lập và sử dụng như U235. Tương tự như, sau khi củi được đốt, trong những gì còn lại của củi, có một ít than; cũng là một chất liệu có thể được dùng, sau đó, để đốt như củi.

Quan trọng hơn nửa, việc phân lập Pu239, từ khối lượng U đã bị đốt, dễ hơn so với, việc phải phân lập U235 khỏi U238. Phân lập Pu239, tựu chung, là một qui trình hóa học, chỉ cần tập hợp được các điều kiện cần và đủ, sau đó phản ứng hóa học sẽ tự động đem đến kết quả. Trong khi đó, muốn phân lập U235, phải dựa phần lớn vào qui trình cơ học; cần máy móc tinh vi và chính xác, có nhiều sự tham gia trực tiếp của con người.

Plutonium, từ đó, được coi như là một tài năng mới đang lên với nhiều triển vọng; đã làm thay đổi không nhỏ kế hoạch của Hội đồng, và chiều hướng nghiên cứu của các nhà khoa học ở Mỹ.

Tìm cách sản xuất U235 và Plutonium

Song song với U235, Hội đồng đã có thêm một hướng đi mới; dựa vào phản ứng dây chuyền của U tự nhiên, biến U238 thành Pu239 làm chất nổ.  Nhờ đó, có thể tăng số lượng và giảm thời gian trong việc chế tạo bom. Tuy nhiên, sản xuất được U235 cũng như Pu239, dù với số lượng nhỏ, vẫn còn là một bài toán khó cho các nhà khoa học.

Trước tình hình nầy, Hội đồng đã theo đuổi, song song và ráo riết, ba mục tiêu chính.

1. Điều khiển được phản ứng hạt nhân ổn định.

Từ đầu năm 1942, Hội đồng đã giao việc nầy cho Enrico Fermi, đang làm việc tại ĐH Columbia, cùng với một số nhà khoa học khác của ĐH Princeton. Theo kế hoạch, họ đã đến ĐH Chicago; phối hợp với Arthur Compton, người đang nghiên cứu về hạt N ở đây; để thành lập một PTN luyện kim; với mục đích nghiên cứu, thiết kế và thử nghiệm một lò phản ứng hạt nhân có thể hoạt động ở mực độ ổn định; và từ đó sản xuất Plutonium làm chất nổ. PTN nầy, dự trù, cần một lượng Uranium tự nhiên rất lớn cho công việc của họ.

2. Sản xuất đủ lượng Uranium tự nhiên.

Dù được biết đến hơn một thế kỷ trước, Uranium đã bị bõ quên trong một thời gian dài sau đó; thực ra, người ta chẳng biết dùng nó vào một việc gì quan trọng cả. Trước 1939, các PTN, cả thế giới gộp lại, không có hơn 1/2 kgs loại nầy. Nước Mỹ chỉ sở hữu trong tay vài kí lô Uranium tự nhiên vào năm 1941. Nước nầy hầu như không có quặng thô, phải nhập cảng; trong khi đó, phương pháp tinh luyện vẫn còn lạc hậu nên chi phí rất cao và mất nhiều thời gian.

Hội đồng đã đến gõ cửa Frank Spedding, Trưởng khoa hóa học, Iowa State College, một trường ĐH cộng đồng khiêm tốn, chuyên về chăn nuôi và nông nghiệp được thành lập để giải quyết nhu cầu lao động và phát triển kinh tế có tính địa phương. Ít ai, ngoài quân đội Mỹ, biết được rằng Frank Spedding là một nhà hóa học có hiểu biết rất sâu rộng trong lĩnh vực kim loại hiếm.

Sau 6 tháng làm việc cật lực, với sự phối hợp của PTN luyện kim ở ĐH Chicago, từ tháng 02 đến tháng 08/1942; tại PTN Ames của trường ĐH Iowa, Spedding và các cộng sự của ông đã tìm ra một qui trình mới, được coi là có hiệu năng và hiệu quả nhất từ trước đến bấy giờ, để tinh luyện Uranium. Dùng U Tetrafluoride (UF4), nghiền nhuyễn, trộn với bột Calcium (Ca), cho vào ống kim loại bịt kín hai đầu, nung nóng đến 1,500 độ C.

Ngay sau đó, với nguồn quặng thô dồi dào lấy từ một vùng mỏ ở phía Bắc của nước Gia, được chuyển đến bằng xe lửa; PTN Ames bắt đầu tinh chế U với số lượng lớn. Từ công suất chỉ có 1/4 kgs mỗi ngày, lên đến 200 kgs/ngày, vào giữa năm 1943; PTN nầy đã cung cấp đầy đủ và kịp thời cho nhu cầu của PTN luyện kim ở ĐH Chicago, và một số nơi khác. Cùng lúc Spedding đã giảm chi phí sản xuất Uranium tự nhiên một cách đáng kể, từ 2000 đôla/kgs xuống chỉ còn 12 đôla/kgs.

3. Phân lập U235 một cách có hiệu năng và hiệu quả.

Như đã biết, trong Uranium tự nhiên có đến 99.3% ở dạng U238, dạng U235 chiếm 0,7%; và chỉ có U235 có thể bị tách vỡ tạo phản ứng dây chuyền. Do đó, muốn sử dụng làm chất nổ, U235 phải được phân lập khỏi U238.

Tương tự, trong một chum gạo tẻ, như thường thấy; có gạo tấm, hạt nhỏ, với số lượng ít ; và gạo cội, hạt dài, chiếm phần lớn. Để có thể nấu cơm tấm, gạo cội phải được loại ra, để tăng tỷ lệ gạo tấm cần thiết.

Với 5 kgs U tự nhiên (trong đó, thông thường, có 0.7% U235), nếu 4 kgs U238 được loại ra, sẽ làm cho 1 kgs U còn lại có 3.5% U235. Và muốn có 1 kg U với 91% U235, để có thể chế tạo bom, phải cần tới 130 kgs U tự nhiên; từ đó, 129 kgs U238 phải bị loại ra.

Alfred Nier, từ tháng 03/1940, đã phân lập được U235. Tuy nhiên, phương pháp của ông ta, có tính thủ công, quá nhiêu khê và mất nhiều thời gian; nếu dựa vào nó, phải mất đến hàng ngàn năm mới có được một gam U235 thuần dạng! Hội đồng đang cần hàng trăm, hàng ngàn kí lô U235 để chế bom, càng sớm càng tốt! Vì vậy, tìm ra những phương cách phân lập U235 hiệu năng và hiệu quả hơn là một việc làm rất cấp bách; và là tâm điểm của nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ, dưới sự thúc đẩy của Hội đồng, suốt những năm 1940, 1941 và 1942.

Dựa vào sự khác biệt về thể trọng giữa hai dạng U235 và U238; như đã biết, với 143 hạt N, U235 nhẹ hơn so với U238, có đến 146 hạt N; ba phương cách khác nhau đã được đề cập tới.

a. Thẩm thoát: Harold Urey và John Dunning, ĐH Columbia, dùng áp suất đẩy UF6, thể khí, qua một màn chặn có các lổ cực nhỏ. Do thể trọng nhẹ hơn, U235 lọt qua màn chặn nầy dễ hơn so với U238. Sau nhiều lần lọc, thành phần U235 sẽ tăng. Cuối cùng, UF6 có tỷ lệ U235 cao, vẫn còn ở thể khí, được chuyển qua thể lỏng, cho nguội dần, và đông đặc trở lại.

b. Điện từ: Cách nầy được thử nghiệm ở xạ trường nguyên tử Lawrence, California. Lấy Uranium Tetrafluoride (UF4), thể đặc, nung nóng cho bốc hơi; kích hạt E vào, tạo ra các nguyên tử tích điện U+. Sau đó, tăng tốc các U+ nầy lên hàng ngàn km/giây, cho bay qua một vùng từ trường mạnh; các nguyên tử tích điện có khuynh huớng quay vòng trở lại, độ cong tùy theo thể trọng của nguyên tử. U235 nhẹ hơn, cong nhiều, U238 nặng hơn, cong ít; và như thế là U235 được phân lập. Tuy nhiên, chỉ có phân nửa U235 được thu hồi bằng phương pháp nầy; phần còn lại phát tán mất, không kiểm soát được.

c. Ly tâm: Cho UF6, thể khí, vào một dụng cụ hình khối tròn quay với vận tốc lớn; nguyên tử có thể trọng nặng có khuynh hướng tách ra xa trung tâm trục quay hơn so với nguyên tử nhẹ. Sau đó, phần UF6 ở trung tâm có nhiều U235 hơn, được chiết ra, cho vào dụng cụ quay khác. Lập lại nhiều lần để tăng tỷ lệ U235. Đây là phương pháp mà nước Iran hiện nay, như báo chí thường loan tải trong những lúc gần đây, dùng để phân lập U235 trong chương trình hạt nhân, nếu còn và có thật, của họ.

Các cách phân lập U235, nói trên, đều sử dụng Uranium dưới dạng UF4 hay UF6; vì chúng có thể được chuyển đổi qua các thể lỏng, đặc hoặc khí một cách dể dàng. Để có được, trước hết, dùng Uranium Oxide Concentrate (U3O8), hòa với Nitric Acid, cho ra dung dịch Uranyl Nitrate (UO2(NO3)2). Lấy tinh chất Uranyl Nitrate phối hợp với Ammonia để tạo ra Ammonium Diurannate ((NH4)2U2O7). Từ đó, dùng Hydrogen để tách ra Uranium Dioxide (UO2); rồi phối hợp nó với Hydrofluoric Acid (HF) để có UF4. Từ UF4, phối hợp với Fluorine sẽ cho UF6.

Vào lúc bấy giờ, có khó khăn trong việc chế tạo được bộ máy có thể quay ổn định, không bị run, với vận tốc cao; nên phương pháp ly tâm không được chú ý tới. Mặc khác, cả hai phương pháp còn lại đều nhiêu khê, hao tốn nhiên liệu và mất nhiều thời gian; cần phải được cải tiến thêm từng chút một, để có thể sản xuất U235 với số lượng lớn. Tuy nhiên, Hội đồng cũng tỏ ra lạc quan với những kết quả đã gặt hái được trong lĩnh vực nầy.

Chương trình Manhattan

Đã tạo được nguồn cung ổn định Uranium tự nhiên và đã xác định được một số cách phân lập U235 có tính khả thi cao; Hội đồng, chưa đầy một năm sau kể từ ngày thành lập, đã không ngần ngại đi đến kết luận rằng " một quả bom hạt nhân có thể được chế tạo nếu có đủ một lượng U235 cần thiết ... Và nếu chương trình chế tạo bom được đầu tư đúng mức, chúng ta có thể có một số lượng bom đáng kể trong vòng 3 - 4 năm tới."

Thấy được dáng con mồi đã lọt vào tầm ngắm, TT Mỹ, Roosevelt, với sự hợp tác của nước Anh, bèn lập Văn phòng nghiên cứu và phát triển khoa học, gọi tắc là Văn phòng, ngày 28/06/41; đánh dấu một giai đoạn quan trọng có tính quyết định, thể hiện quyết tâm chính trị cao nhất của phe Đồng minh, bằng mọi phương cách khả dĩ và dùng mọi phương tiện có thể để chế bom hạt nhân.

Anh được coi là yếu tố quan trọng cho sự thành công của Văn phòng nầy. Tuy không sâu rộng như ở Mỹ, nước Anh cũng có một số nghiên cứu đáng kể trong lĩnh vực hạt nhân. Sau khi Đức chiếm Pháp; Joliot-Curie, dù ở lại Pháp để kháng chiến, đã cho các cộng sự của mình mang các tài liệu về phản ứng hạt nhân và một lượng gần 200 kgs Nước nặng sang Anh để giúp nước nầy chống lại Đức; một đối thủ chung.

Mặc khác, nhờ có một hệ thống tình báo dàn trải khắp các nước Âu châu đang bị chiếm đóng, Anh đã giải cứu và thu dụng nhiều nhà khoa học tị nạn tầm cở; và một số, sau đó, đi tiếp sang Mỹ hợp tác trong chương trình Manhattan. Neil Bohr, nhà khoa học tiếng tăm, người Đan; được tình báo Anh móc nối, dùng dân quân kháng chiến địa phương đưa bằng thuyền qua Thụy điển, vào năm 1942; rồi cho máy bay bí mật chở sang Anh. Không lâu sau, Neil Bohr đến làm việc tại Los Alamos, PTN bom hạt nhân của Mỹ, dưới một tên giả là Nicholas Baker.

Sau gần một năm tập hợp tài năng, tổ chức nhân sự và hoàn chỉnh các vấn đề lý thuyết; ngày 12/05/1942, Văn phòng bí mật phê duyệt kế hoạch chế tạo bom hạt nhân, và giao cho Bộ quốc phòng Mỹ thi hành. Phải mất 3 tháng điều nghiên, Bộ trưởng quốc phòng Henry Stimton, vào ngày 14/08/1942, mới chính thức chỉ định Đoàn công binh đang trú đóng ở khu vực Manhattan, thuộc TP New York, đảm nhận trách nhiệm nầy. Chương trình (CT) Manhattan bắt đầu từ đó, dưới sự chỉ huy tổng quát của Tướng hai sao Leslie Groves, mới 42 tuổi; và được cố vấn về khoa học bởi, TS Richard Tolman, chủ nhiệm các chương trình sau đại học của California Institute of Technology.

Chicago Pile-1

Không đầy 4 tháng sau, CT Manhattan đã ghi bàn mở đầu một cách ngoạn mục. PTN luyện kim, ĐH Chicago, thành công trong việc khởi động và duy trì ổn định phản ứng dây chuyền hạt nhân.

Trên những khung sàn làm bằng gỗ; 6 tấn Uranium tự nhiên và 34 tấn Uranium Oxide, trong những ống tròn bằng nhôm; được xếp xen kẽ với 400 tấn gạch Graphite; thành một cấu trúc rộng 9 mét và cao 7 mét, gần giống như một lò gốm. Rải rác trong đống vật liệu nầy có nhiều vòi nước nhỏ dùng để làm nguội lò khi phản ứng xảy ra.

Trong lúc xây dựng, Enrico Fermi và các cộng sự của ông phải vừa làm vừa rút kinh nghiệm; nhiều lần, làm xong rồi phải dỡ ra để xây lại; mọi thứ ngổn ngang trông giống như một đống gạch vụn; nên nó thường được gọi một cách thân thiện là "Đống Gạch" (The Pile). Vì đây là lò hạt nhân đầu tiên ở Chicago nên còn được gọi là Chicago Pile -1 hay CP-1.

Ở giữa lò, có một bộ điều nhiệt, gồm nhiều thanh kim loại bọc Cadmium, được dùng để điều chỉnh phản ứng dây chuyền, bằng cách kiểm soát số lượng hạt N phát tán. Muốn gây phản ứng; qua một cửa bên hông, rút bộ điều nhiệt ra khỏi lò, cho các hạt N làm tách vỡ U235, tạo ra nhiệt. Khi cắm bộ điều nhiệt trở lại vào trong lò, các hạt N sẽ bị hấp thụ; không có hạt N, không có U235 tách vỡ; phản ứng sẽ ngưng.

Mặc dù đã được tính toán cẩn thận, vẫn còn nhiều khả năng phản ứng sẽ vượt khỏi tầm kiểm soát, không ngăn chặn được, gây cháy và nổ. Do đó, ngoài bộ điều nhiệt chính còn có một bộ khác, tự động, cắm vào lò ngay tức khắc, khi số lượng hạt N vượt quá mức ấn định. Để phòng hờ, một bộ khác nữa được treo bằng dây trên nóc lò; nếu cần, dùng búa chặt dây treo cho nó rơi xuống; hy vọng sẽ làm ngưng phản ứng dây chuyền. Ngoài ra, còn có nhiều nhân viên khác túc trực với những xô dung dịch muối Cadmium, trong trường hợp khẩn cấp, sẽ dội xối xả vào Đống Gạch để chữa cháy.

Tuy nhiên, vì phương tiện eo hẹp và thời gian cấp bách; Đống Gạch thô sơ và tạm bợ nầy không có vách ngăn phóng xạ và không có hệ thống giảm nhiệt; như các lò phản ứng sẽ được xây dựng, một cách có qui củ hơn, sau đó. Các nhà khoa học, làm việc tại đây, chấp nhận một rủi ro rất lớn về sinh mạng trước mắt, lò có thể bị nổ; cũng như về sức khỏe lâu dài do bị nhiễm phóng xạ.

Đúng 09:54G, Enrico Fermi, cho bộ điều nhiệt từ từ kéo ra khỏi lò; máy đếm bắt đầu ghi nhận số hạt N phát tán trong lò, U235 bị tách vở, tạo ra nhiệt. Cả nhiệt độ lẫn số hạt N tăng dần sau đó.

Đến 11:25G, để kiểm tra, bộ điều nhiệt được cắm trở lại vào lò. Số hạt N và nhiệt độ giảm như dự kiến. Sau 10 phút, mọi thứ đều bình thường; Fermi cho phản ứng bắt đầu một lần nữa.

Sau khi điều chỉnh bộ điều nhiệt ở vị trí thích hợp, Fermi đã có thể đưa phản ứng vào ngưỡng ổn định vào lúc 15:25G, ngày 02/12/1942. Đây là lần đầu tiên con người có thể kiểm soát và điều khiển được phản ứng dây chuyền hạt nhân như ý muốn.

Đống Gạch nầy tiếp tục vận hành ổn định như thế suốt 28 phút sau đó; đến 15:53G, vừa ý với những gì đã xảy ra, Fermi cho bộ điều nhiệt cắm trở lại vào lò. Máy đếm hạt N chạy chậm lại; và phản ứng dây chuyền dần dà chấm dứt. Nhiều người tham dự hớn hở, mở rượu, mừng cho thử nghiệm thành công.

Được biết, nếu một nguyên tử bị tách vỡ có thể làm tách vỡ, trung bình, được:

1. một nguyên tử khác; gọi là phản ứng đạt ngưỡng ổn định, nhiệt tạo ra ở mức ổn định.

2. nhiều hơn một nguyên tử khác; phản ứng trên ngưỡng ổn định, nhiệt càng lúc càng tăng.

3. ít hơn một nguyên tử khác; phản ứng dưới ngưỡng ổn định, nhiệt càng lúc càng giảm.

4. không nguyên tử nào khác; phản ứng dây chuyền bị ngưng, không tạo thêm nhiệt.

Đáng chú ý, trong không gian bao giờ cũng có nhiều hạt N, "không nhà", bay ở mọi phương hướng; nên chúng có thể kích các nguyên tử U235, mà không phải qua bàn tay của con người như trong PTN. Các hạt N nầy sẽ gây phản ứng dây chuyền tự phát nếu gặp một lượng Uranium đủ lớn và tỷ lệ U235 đủ cao. Tuy nhiên, vào lúc đó, hiểu biết về hiện tượng tự phát nói trên vẫn còn nhiều hạn chế; mọi tính toán về số lượng cũng như về tỷ lệ, cần và đủ, của nó đều có tính phỏng chừng.

Vì vậy, Enrico Fermi, khi xây lò phản ứng, đã đặt sẵn một bộ điều nhiệt Cadmium, từ trước, ở giữa lò, để hấp thụ các hạt N; ngăn không cho phản ứng dây chuyền tự phát, bất ngờ, xảy ra. Chỉ đến lúc, muốn phản ứng bắt đầu; ông ta mới cho rút bộ điều nhiệt ra khỏi lò mà thôi.

Sau khi chiến tranh chấm dứt; nhìn lại CT Manhattan, Tướng Groves cho rằng việc Enrico Fermi thử nghiệm thành công Chicago Pile -1 đạt ngưỡng ổn định an toàn là một sự kiện khoa học quan trọng nhất trong quá trình phát triển bom hạt nhân.

(Phần 2, tiếp theo vào kỳ sau)

Võ đông Pha

B2/1, 01/2008

khoahoc.net

Trở về Trang Chính