Ngày nay, năng lượng hạt nhân là một khái niệm không còn quá xa lạ với mỗi người. Cùng với năng lượng nhiệt hạch, năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió,… đây được dự đoán sẽ là một nguồn năng lượng hiệu suất cao của tương lai nhằm thay thế cho các loại nhiên liệu hóa thạch nhằm hạn chế lượng khí thải nhà kính, giảm lượng khói bụi,… Trong lịch sử phát triển, năng lượng hạt nhân có nhiều ứng dụng đa dạng, từ sản xuất năng lượng, chế tạo vũ khí thậm chí là phục vụ cho các nghiên cứu khoa học khác. Bây giờ hãy cùng quay trở lại năm 1789 cùng với nhà hóa học người Đức, Martin Klaproth…
Quá trình thai nghén những quả bom nguyên tử đầu tiên
Trong giai đoạn chiến trang, các nhà khoa học Anh đã chịu áp lực lớn của chính phủ trong việc nghiên cứu khai thác vũ khí hạt nhân. 2 nhà vật lý tị nạn sang Anh là Peierls và Fisch đã góp phần không nhỏ trong việc quân sự hóa năng lượng hạt nhân với bản ghi chép nổi tiếng dài 3 trang giấy về các khái niệm chính trong hoạt động của bom nguyên tử.
Trong ghi chép, các nhà nghiên cứu ước tính rằng 5 kg U-235 tinh khiết dùng để chế tạo bom nguyên tử có thể tạo nên một vụ nổ tương đương với vài nghìn tấn thuốc nổ. Trong văn bản ghi chép, nhóm 2 nhà vật lý cũng đã đề xuất cho tiết cách kích nổ một quả bom nguyên tử, làm thế nào để tinh chế U-235 và các tác động của bức xạ sau vụ nổ diễn ra. Bấy giờ, phương pháp được đề xuất để làm giàu U-235 từ quặng thiên nhiên chính là biện pháp nhiệt. Chính bản ghi chép của 2 nhà nghiên cứu đã kích thích sự phản triển của việc chế tạo bom nguyên tử không chỉ tại Anh mà còn ở Mỹ trong những năm sau đó.
Một nhóm các nhà khoa học nổi tiếng thành lập ủy ban mang tên MAUD tại Anh và thực hiện các nghiên cứu dưới sự giám sát bởi các Đại học Birmingham, Bristol, Cambridge, Liverpool và Oxford. Các vấn đề về chế tạo hợp chất khí uranium cũng như kim loại uranium tinh khiết đã được nghiên cứu thành công tại Đại học Birmingham và Viện công nghiệp hóa chất hoàng gia Anh (ICI). Tiến sĩ Philip Baxter tại ICI đã điều chế thành công một lượng nhỏ khí Urunium Hexaflorua vào năm 1940. Ngay sau đó, ICI đã nhận được một hợp đồng chính thức chế tạo 3 kg loại vật liệu này cho các hoạt động nghiên cứu trong tương lai.
Trong giai đoạn này, Đại học Cambridge cũng đã đóng góp 2 nghiên cứu quan trọng khác. Nghiên cứu đầu tiên đã chứng minh được rằng dây chuyền phản ứng có thể được thực hiện trong hỗn hợp urani oxit và nước nặng nhằm làm chậm các nơ tron, tức là các nơ trọn đầu ra nhiều hơn các nơ tron đầu vào. Nghiên cứu thứ 2 không kém phần quan trọng được thực hiện bởi Bretscher và Feather dựa trên công trình trước đó bởi Halban và Kowarski. Khi U-235 và U-238 hấp thụ các nơ tron chậm, khả năng thực hiện phân hạch của U-235 lớn hơn nhiều so với U-238.
Đồng thời, U-238 có nhiều khả năng tạo thành nên một đồng vị mới là U-239, đồng vị này nhanh chóng phát xạ ra các electron để tạo nên một nguyên tố mới có nguyên tử khối là 239 và mang số hiệu là 94 đồng thời có chu kỳ bán rã lớn hơn. Từ đó, Bretscher và Feather đã hình thành nên lý thuyết về nguyên tố số 94 rằng nó có thể dễ dàng bị phân hạch bởi các nơ tron chậm lẫn nơ tron nhanh. Điều này đã bổ sung thêm các lợi thế về mặt hóa học so với uranium trong việc tách chiết từ quặng mỏ với những tính chất ưu thế hơn.
Khám phá mới này cũng được xác nhận dựa trên một nghiên cứu độc lập bởi nhóm 2 nhà khoa học Mỹ McMillan và Abelson vào năm 1940. Nhóm nghiên cứu tại Cambridge đã đặt tên cho các nguyên tố mới là Neptunium số hiệu 93 và Plutonium số hiệu 94 dựa theo tên của các hành tinh Hải Vương và Diêm Vương. Một sự trùng hợp ngẫu nhiên là nhóm nghiên cứu tại Mỹ cũng đã đề xuất các tên gọi tương tự cho 2 nguyên tố mới nói trên vào năm 1941.
Mô hình đầu tiên được phát triển
Rudolf Ernst Peierls (1907-1995) người có đóng góp to lớn trong việc nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử sau này
Vào tháng 3 năm 1941, quá trình phân hạch U-235 đầu tiên đã chính thức được kiểm chứng một cách đáng tin cậy. Điều này đã kiểm chứng dự đoán ban đầu của Peierls và Frisch hồi năm 1940 rằng hầu hết các sự va chạm giữa nơ tron và nguyên tử U-235 đều có kết quả là sự phân hạch, bất kể đó là nơ tron chậm hay nhanh đều có hiệu ứng như nhau. Sau đó trong thí nghiệm kiểm chứng, các nhà nghiên cứu đã nhận thức rõ ràng rằng những nơ tron chậm có hiệu quả phản ứng tốt hơn nhiều. Điều này đã đóng góp rất nhiều củng cố cho sự phát triển của các lò phản ứng hạt nhân. Dù vậy, giai đoạn này, nghiên cứu kiểm chứng trên đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của bom nguyên tử.
Peierls tuyên bố rằng không còn nghi ngờ gì về giả thuyết của mình khi có thể dùng U-235 tinh khiết để chế tạo bom nguyên tử. Peierls đề xuất mô hình quả bom nguyên tử với khối U-235 nặng 8 kg được chế tạo theo dạng hình cầu. Tuy nhiên, ông cho rằng có thể giảm được trọng lượng của quả bom nếu dùng một loại vật liệu phản xạ nơ tron thích hợp. Tuy nhiên, các phép đo lường thực tế để tìm ra các thông số chính xác vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu. Dù vậy, chính phủ Anh vẫn liên tục thúc ép cho ra đời mô hình chính thức trong thời gian nhanh nhất.
Báo cáo do MAUD công bố về các thành quả đạt được trong quá trình chế tạo bom nguyên tử
Kết quả cuối cùng là 2 bản báo cáo được MAUD công bố vào tháng 7 năm 1941 mang tên “Sử dụng uranium cho bom nguyên tử” và “Sử dụng uranium như một nguồn năng lượng.” Báo cáo đầu tien chỉ ra hoàn toàn khả thi khi chế tạo một quả bom nguyên tử nặng 12 kg với khả năng tạo ra một vụ nổ tương đương với 1800 tấn thuốc nổ TNT và giải phóng một lượng lớn chất phóng xạ có khả năng ảnh hưởng tại nơi xảy ra vụ nổ trong một khoảng thời gian dài. Theo ước tính, cần phải sử dụng khoảng chi phí 5 triệu đô la mỗi ngày và một lượng lớn lao động có kỹ năng để tạo nên 1 kg U-235 mỗi ngày. Với lo ngại rằng người Đức cũng có thể tạo ra loại vũ khí tương tự, Anh ngay lập tức muốn ưu tiên cộng tác với Mỹ nhằm nhanh chóng chế tạo bom nguyên tử để phục vụ cho nhu cầu cấp thiết của chiến tranh.
Báo cáo thứ 2 của MAUD đã chỉ ra rằng hoàn toàn có thể sử dụng nhiệt lượng để cung cấp năng lượng ban đầu cho quá trình phân hạch trong bom nguyên tử đồng thời có thể bổ sung thêm một lượng lớn các đồng vị phóng xạ khác để thay thế cho uranium trong phản ứng hạt nhân. Báo cáo cũng chỉ ra rằng có thể sử dụng hỗn hợp nước nặng và than chì để kiểm soát quá trình thực hiện phản ứng. Thậm chí có thể dùng nước thường nếu sử dụng U-235 tinh khiết. Đây chính là mô hình lò hơi uranium đầu tiên vẫn còn được sử dụng để khai thác năng lượng nguyên tử cho đến ngày nay. Đồng thời, MAUD đã yêu cầu Halban và Kowarski di chuyển đến Mỹ để phối hợp chế tạo nước nặng trên quy mô lớn trong khi đó, tại Anh, Bretscher và Feather tiếp tục nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng Plutonium để sử dụng cho bom nguyên tử thay thế cho U-235.
2 báo cáo trên đã định hình cho việc chế tạo thành công bom nguyên tử cũng như các lò hơi hạt nhân. 2 báo cáo nghiên cứu trên đồng thời đã đưa Anh lên dẫn đầu trong công nghệ năng lượng hạt nhân trong bối cảnh bấy giờ và được gọi là “phương pháp hữu hiệu nhất từng được tồn tại để sử dụng năng lượng hạt nhân.” Dĩ nhiên, phía Mỹ đánh giá cao thành quả nghiên cứu của các nhà khoa học Anh, bấy giờ, các mục tiêu nghiên cứu của Viện khoa học quốc gia Hoa Kỳ và nhiều nhà nghiên cứu đều chuyển sang theo đuổi mục tiêu năng lượng hạt nhân.
Sau đó, việc Mỹ cần phải nhanh chóng sở hữu vũ khí hạt nhân trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết sau khi Nhật tấn công Trân Châu Cảng và Mỹ chính thức tham chiến vào tháng 7 năm 1941 nhằm tạo bước ngoặc cho cuộc chiến. Tất cả các nguồn lực của Mỹ đều dành cho việc phát triển bom nguyên tử.
Dự án Manhattan
Những người Mỹ ngày đêm lao vào nghiên cứu chế tạo với tất cả nguồn lực và kết quả dĩ nhiên là họ nhanh chóng vượt mặt người Anh. Công tác nghiên cứu tiếp tục được mở rộng và thường xuyên được trao đổi giữa 2 quốc gia. Vào năm 1942, một số nhà khoa học quan trọng của Anh đã đến thăm Hoa Kỳ và được cho phép truy cập tất cả các thông tin về công tác nghiên cứu do Mỹ thực hiện.
Bấy giờ, phía Mỹ đang thực hiện nghiên cứu song song 3 mô hình phản ứng hạt nhân khác nhau: giáo sư Lawrence đến từ Đại học California đề xuất sử dụng kỹ thuật phân ly điện từ, E. V. Murphree đề xuất phương pháp ly tâm dưới sự đóng góp của giáo sư Beams, và cuối cùng là phương pháp phối hợp khuếch tán khí được nghiên cứu bởi giáo sư Urey đến từ Đại học Columbia. Đồng thời, trách nhiệm nghiên cứu xây dựng lò phản ứng hạt nhân phân hạch Plutonium được trao cho Arthur Compton tại Đại học Chicago. Phía các nhà khoa học Anh chỉ chú ý đến khả năng sử dụng phương pháp khuyếch tán khí.
Churchill ký kết với tổng thống Mỹ Roosevelt tại hội nghị Quebec năm 1943
Vào tháng 6 năm 1942, quân đội Mỹ đã thực hiện phát triển, thiết kế mô hình, thu mua vật liệu và lựa chọn mạng lưới các nhà máy để thực hiện thí điểm cả 4 phương pháp do các nhà khoa học đề xuất nhằm sản xuất nước nặng quy mô lớn (do vẫn chưa có nghiên cứu nào chính minh được tính khả thi và hoàn toàn vượt trội). Điều này đã đã gây không ít trở ngại cho các nhà khoa học Anh và Canada vốn đang đồng nghiên cứu một số khía cạnh trong quá trình sản xuất nước nặng. Sau đó, thủ tướng Anh đương thời là Churchill đã đề xuất những thông tin về chi phí xây dựng một nhà máy nước nặng, một lò phản ứng hạt nhân tại Anh.
Sau nhiều tháng đàm phán, 1 thỏa thuận đã được Churchill ký kết với tổng thống Mỹ Roosevelt tại Quebec vào tháng 8 năm 1943. Theo đó, người Anh trao toàn bộ các báo cáo về nghiên cứu hạt nhân của họ cho Mỹ, đổi lại, Anh sẽ nhận được một bản sao báo cáo tiến độ trong nghiên cứu vũ khí hạt nhân của tướng Groves. Các báo cáo tiếp theo cho thấy Mỹ đã chi số tiền khổng lồ lên tới 1000 triệu đô la chỉ riêng cho bom nguyên tử mà không hề có một ứng dụng nào khác.
Thử nghiệm bom hạt nhân đầu tiên trong dự án Manhattan
Vào tháng 12 năm 1942, Fermi đã thực hiện một thử nghiệm dùng than chì để điều khiển quá trình thực hiện phản ứng hạt nhân tại Đại học Chicago. Sự thành công của thí nghiệm đã đánh dấu lần đầu tiên có thể kiểm soát được phản ứng hạt nhân dây chuyền.
Đồng thời, một lò phản ứng phân hạch plutonium đã được xây dựng tại Argonne, tiếp theo đó là các lò khác tại Oak Ridge và Hanford cùng với một nhà máy khác được xây dựng có thêm chu trình tái trích xuất plutonium. Bên cạnh đó, 4 nhà máy sản xuất nước nặng đã được xây dựng, 1 tại Canada và 3 nhà máy còn lại tại Mỹ. Giám đốc dự án Manhattan, nhà vật lý Robert Oppenheimer đã chủ trì nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm bí mật ở Los Alamos, New Mexico nhằm thiết kế và chế tạo cả bom U-235 lẫn Pu-239. Kết quả của tất cả những nỗ lực nghiên cứu, cùng với sự đóng góp của các nhà nghiên cứu Anh, một lượng lớn U-235 và Pu-239 với độ tinh khiết cao đã được làm giàu thành công. Phần lớn lượng quặng urani đều có nguồn gốc từ Congo.
Thiết bị hạt nhân đầu tiên được thử nghiệm thành công tại Alamagodro, bang New Mexico vào ngày 16 tháng 7 năm 1945. Thiết bị đã sử dụng plutonium tạo ra trong một ống hạt nhân. Nhóm quyết định không cần thử nghiệm mô hình bom U-235 do nguyên lý hoạt động đơn giản hơn. Quả bom nguyên tử đầu tiên, chứa U-235, đã được thả xuống HIroshima vào ngày 6 tháng 8 năm 1945. Quả bom thứ 2, chứa Pu-239, đã được thả xuống Nagasaki vào ngày 9 tháng 8 cùng năm. Cùng ngày hôm đó, Liên Xô tuyên chiến với Nhật Bản và cuối cùng, ngày 10 tháng 8 năm 1945, chính phủ Nhật Bản đầu hàng.
Quả bom của Liên Xô
Ban đầu, Stalin không dành nhiều sự chú ý để tập trung phát triển vũ khí hạt nhân cũng như bom nguyên tử cho đến khi có tin tình báo về hoạt động nghiên cứu của Đức, Anh và Mỹ. Vào năm 1942, cùng sự tham vấn của các tướng lĩnh, cuối cùng Stalin chấp nhận phát triển loại vũ khí hạt nhân với ước tính thời gian không quá dài và không tốn nhiều nguồn lực. Igor Kurchatov, một nhà nghiên cứu trẻ tuổi và chưa được biết đến đã được chọn để theo đuổi dự án vào năm 1943 và trở thành giám đốc phòng thí nghiệm số 2 thành lập tại vùng ngoại ô Moscow. Sau đó, phòng thí nghiệm được đổi tên thành Viện năng lượng nguyên tử Kurchatov với trách nhiệm tổng thể là nghiên cứu chế tạo bom nguyên tử.
Nghiên cứu được thực hiện trên 3 phương diện chính: kiểm soát được phản ứng dây chuyền, tìm phương pháp tách đồng vị và thiết kế nên các quả bom từ Uranium và plutonium đã được làm giàu. Các nỗ lực ban đầu đã chế tạo thành công dây chuyền phản ứng dùng các thanh graphite và nước nặng để điều tiết phản ứng. Các phương pháp tách đồng vị được thử nghiệm bao gồm: khuyếch tán nhiệt, khuyếch tán khí và tách điện từ.
Igor Kurchatov, nhà vật lý có đóng góp to lớn cho sự phát triển bom nguyên tử tại Nga
Sau khi phát xít đầu hàng vào tháng 5 năm 1945, các nhà khoa học Đức đã được tuyển dụng để trong chương trình chế tạo bom nguyên tử nhằm tìm cách hữu hiệu để tách các đồng vị trong quá trình làm giàu uranium. Ngoài 3 phương pháp được nghiên cứu trước đó, các nhà khoa học đã đề xuất thêm phương pháp tách ly tâm trong quá trình làm giàu uranium. Tuy nhiên, sau thử nghiệm thành công bom nguyên tử của Mỹ vào tháng 7 năm 1945 đã ít nhiều ảnh hưởng đến các nỗ lực của Liên Xô. Bấy giờ, Kurchatov vẫn đang trên một tiến độ khá lạc quan với việc chế tạo bom uranium và Plutonium. Ông bắt đầu thiết kế một lò phản ứng sản xuất plutonium quy mô công nghiệp trong khi các nhà khoa học khác nghiên cứu tách đồng vị U-235 dựa trên các tiến bộ của phương pháp khuếch tán khí.
Dựa trên các thành công của công nghệ làm giàu uranium từ năm 1945, Liên Xô quyết định xây dựng các nhà máy làm giàu công nghệ khuyếch tán khí đầu tiên tại Verkh-Neyvinsk cách Yekaterinburg 50 km. Sau đó, cục thiết kế vũ khí hạt nhân và hàng loạt các nhà máy được xây dựng và được sự hỗ trợ của nhiều nhà khoa học của Nga lẫn Đức. Vào tháng 4 năm 1946, công việc thiết kế bom đã được chuyển đến cục thiết kế 11 có trụ sở cách Moscow 400 km. Nhiều chuyên gia đã được chỉ thị tham gia chương trình bao gồm cả nhà luyện kim Yefim Slavsky với nhiệm vụ là ngay lập tức chế tạo than chì tinh khiết để làm công cụ điều tiết trong lò phản ứng hạt nhân. Các thanh điều tiết đầu tiên đã được chính thức sử dụng vào tháng 12 năm 1946 tại phòng thí nghiệm số 2 và số 3 tại Moscow (hiện nay là viện vật lý học thực nghiệm).
Dựa trên các thông tin tình báo, nghiên cứu quả bom tại Nagasaki kết hợp với các nghiên cứu trước đó, cuối cùng vào tháng 8 năm 1947, một mô hình quả bom thử nghiệm đã được thiết lập tại Semipalatinsk Kazakhstan và sẵn sàng cho một vụ nổ thử nghiệm. Tuy nhiên, 2 năm sau đó, quả bom đầu tiên mang tên RSD-1 chính thức được thử nghiệm tại đây. Dù vậy, ngay từ tháng 8 năm 1949, nhóm các nhà khoa học lãnh đạo vởi Igor Tamm và cả Andrei Sakharov đã bắt đầu thực hiện các nghiên cứu nhằm chế tạo ra thế hệ tiếp theo: bom hydro.
Sự hồi sinh của lò hơi hạt nhân cho mục đích hòa bình
Sau chiến tranh thế giới thứ 2, các nghiên cứu trước đó về vũ khí hạt nhân bắt đầu được xem xét để phục vụ cho mục đích hòa bình. Dù vũ khí hạt nhân vẫn được 2 bên của “bức tường sắt” chia cắt châu Âu, những vẫn có một nguồn lực lớn được đầu tư nhằm phát triển năng lượng hạt nhân cho hơi nước và điện năng. Trong quá trình chạy đua vũ khí, các nước phương Tây lẫn Liên Xô đều mua hàng loạt công nghệ xoay quanh năng lượng hạt nhân và trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng còn có thể khai thác trực tiếp năng lượng hạt nhân để tạo ra điện năng. Điều này đã mở ra rất nhiều tiềm năng cho năng lượng hạt nhân, từ cung cấp lưới điện quốc gia cho đến động cơ cho tàu ngầm.
Vào năm 1953, tổng thống Mỹ Eisenhower đã đề xuất chương trình “hạt nhân cho hòa bình” nhằm kêu gọi các nghiên cứu hạt nhân hướng tới phát điện đồng thời thiết lập phát triển ngành công nghiệp điện hạt nhân dân sự tại Mỹ.
Tại Liên Xô, nhiều nghiên cứu khác nhau cũng đã được thực hiện tại các nhà máy điện trên khắp cả nước nhằm cải tiến quá trình thực hiện phản ứng hạt nhân và phát triển những ứng dụng mới. Vào tháng 5 năm 1946, viện Vật lý kỹ thuật điện đã được thành lập với mục tiêu phát triển công nghệ điện hạt nhân. Các nhà máy điện hạt nhân được thành lập dựa trên nguyên lý trước đó là sử dụng than chì và nước nặng để kiểm soát quá trình phản ứng. Đây là mô hình cơ bản vốn được sử dụng cho mục đích quân sự trong thời chiến để làm giàu Plutonium bao gồm cả nhà máy hạt nhân nổi tiếng Chernobyl. Lò phản ứng AM-1 hạt nhân an toàn đã đạt công suất cung cấp điện năng 30 MWt và tiếp tục sản xuất điện cho tới năm 1959. Sau đó cho tới năm 2000, đây được sủ dụng như trung tâm nghiên cứu và sản xuất đồng vị phóng xạ tại Nga.
Năng lượng hạt nhân được thương mại hóa
Lối vào lò phản ứng hạt nhân thương mại Yannkee Rowe
Tại Mỹ, Westinghouse thiết kế ò phản ứng hạt nhân chịu áp lực thương mại đầu tiên với công suất 250 MWe. Nhà máy mang tên Yankee Rowe được khởi công xây dựng từ năm 1960 và chính thức đi vào hoạt động vào năm 1992. Cùng lúc đó, lò phản ứng nước sôi (BWR) với công suất 250 MWe được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Argonne. Nhà máy đầu tiên áp dụng công nghệ lò BWR mang tên Dresden-1 được chính thức thiết kế và xây dựng bởi General Electric vào năm 1960. Cho đến cuối những năm 1960, mô hình lò PWR và BWR đã có được đặt hàng từ rấy nhiều nơi với công suất được nâng lên đến 1000 MWe. Từ những năm 1970 đến năm 2002, ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân gặp phải một số suy giảm và trì trệ. Một vài lò phản ứng được đặt hàng, nhưng mãi đến những năm 1980 thì con số này mới tăng lên hơn 30% và hiệu quả sử dụng cũng tăng lên tới 60%.
Theo Tinh Tế
Trả lời