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…
Phát hiện ra các nguyên tử uranium ngoài tự nhiên
Uranium được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1789 bởi nhà hóa học người Đức, Martin Klaproth và được đặt tên dựa theo tên sao Thiên Vương (Uranus).
Martin Klaproth, nhà hóa học người Đức, người đã phát hiện ra Uranium lần đầu tiên vào năm 1789
Bức xạ ion được phát hiện vào năm 1895 bởi Wilhelm Rontgen trong thí nghiệm cho một dòng điện chạy qua một ống chân không thủy tinh và tạo nên các tia X liên tục. Tiếp theo vào năm 1896, Henri Becquerel phát hiện ra rằng quặng pecblen (một loại quặng khoáng sản chứa radium và uranium) có khả năng làm tối kính ảnh. Ông đã nghiên cứu hiện tượng trên và chứng minh được rằng đó là do bức xạ beta (electron) và các hạt alpha (hạt nhân Heli) được phát xạ ra.
Sau đó, nhà vật lý người Pháp Paul Villard đã phát hiện thêm 1 dạng bức xạ thứ 3 của quặng pecblen: tia gamma, loại tia tương tự như tia X. Năm 1896, Pierre và Marie Curie đã đặt tên “phóng xạ” (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng này. 2 năm sau đó vào năm 1898, họ đã tách được Polonium và radium từ quặng pecblen. Năm 1898, Samuel Prescott đã phát hiện ra các bức xạ có thể tiêu hủy vi khuẩn trong thực phẩm.
Pierre và Marie Curie đã đặt tên “phóng xạ” (radioactivity) để diễn tả cho hiện tượng phân rã hạt nhân
Vào năm 1902, nhà vật lý học người New Zealand, Ernest Rutherford (1871-1937) đã chứng minh được rằng phóng xạ là một sự kiện tự phát, các hạt alpha hoặc beta phát xạ ra từ hạt nhân có thể tạo ra nhiều nguyên tố khác nhau. Ông (cùng với Soddy) đã đưa ra thuyết phân rã phóng xạ và chứng minh sự tạo thành heli trong quá trình phóng xạ. Ông được coi là “cha đẻ” của vật lý hạt nhân khi đưa ra mô hình hành tinh nguyên tử và đặt cơ sở cho các học thuyết hiện đại về cấu tạo nguyên tử sau này. Từ năm 1919, ông làm việc tại Cambridge. Tại đây, ông đã thực hiện thành công thí nghiệm bắn một hạt alpha vào phân tử nito. Ông nhận thấy rằng hạt nhân Nito có sự sắp xếp lại và biến thành Oxy.
Quặng pecblen, một loại quặng khoáng sản chứa radium và uranium trong tự nhiên
Niels Bohr (1885-1962), nhà vật lý người Đan Mạch cũng có nhiều đóng góp cho sự hiểu biết về nguyên tử và sự phân bố của các electron quanh hạt nhân vào những năm 1940. Bohr được trao giải thưởng Nobel vào năm 1922 về những đóng góp quan trọng trong nghiên cứu nguyên tử và cơ học lượng tử. Ông được coi là một trong những nhà vật lý học nổi tiếng nhất trong thế kỷ 20.
Niels Bohr (1885-1962), nhà vật lý người Đan Mạch cũng có nhiều đóng góp cho sự hiểu biết về nguyên tử và sự phân bố của các electron quanh hạt nhân vào những năm 1940
Đến năm 1911, nhà vật lý người Anh Frederick Soddy (1877-1956) đã phát hiện ra rằng các nguyên tố phóng xạ trong tự nhiên có một số đồng vị khác nhau (nuclit phóng xạ). Cũng trong năm 1911, nhà hóa học người Hungary George Charles de Hevesy (1885-1966) đã sử dụng các đồng vị là nguyên tử đánh dấu để nghiên cứu về các quá trình hóa học. Trong sự nghiệp hóa học của Hevesy cũng có một điểm thú vị khi Đức xâm chiếm Đan Mạch, ông đã hòa tan huân chương Nobel bằng vàng của James Franck và Max von Laue vào nước cường toan để chúng không bị rơi vào tay của phát xít. Sau khi chiến tranh kết thúc, ông đã trở lại và dùng dung dịch cất giữ được, tìm cách kết tủa lại lượng vàng đã bị hòa tan. Số vàng này đã đuọc giao lại cho Viên hàn lâm khoa học Thụy Điển để họ đúc lại huân chương mới gởi tặng Franck và Laue.
Vào năm 1932, James Chadwick phát hiện ra sự tồn tại của nơ tron. Cũng vào năm 1932, Cockcroft và Walton đã tạo ra hạt nhân biến đổi bằng cách bắn phá nguyên tử bằng các proton được tăng tốc. Sau đó, vào năm 1934, Irene Curie và Frederic Joliot đã phát hiện ra các biến đổi của hạt nhân trong quá trình bắn phá đã tạo ra các đồng vị phóng xạ nhân tạo. Một năm sau, nhà vật lý học người Ý Enrico Fermi (1901-1954) phát hiện ra rằng nếu dùng nơ tron để bắn phá thay cho proton có thể tạo ra được nhiều đồng vi phóng xạ nhân tạo hơn. Fermi có nhiều đóng góp to lớn trong sự phát triển của phân rã bêta, phát triển lò phản ứng hạt nhân đầu tiên của loài người.
Vào cuối năm 1938, 2 nhà hóa học người Đức Otto Hahn (1879-1968) và Fritz Strassmann (1902-1980), trong thí nghiệm chứng minh phản ứng phân hạch đã chỉ ra rằng đã tạo ra được phân tử Bari có khối lượng bằng một nửa so với khối lượng ban đầu của Uranium. Sau đó, nữ vật lý học người Thụy Điển Lise Meitner (1878-1968) cùng cháu của bà là Otto Frisch đã chứng minh được bản chất của quá trình phân hạch là do hạt nhân đã giữ lại các nơ tron, các nơ tron này gây ra sự rung động mạnh trong hạt nhân khiến nó vỡ ra thành 2 phần không bằng nhau. Đồng thời, 2 nhà nghiên cứu cũng ước tính được rằng năng lượng giải phóng từ quá trình phân hạch hạt nhân lên tới khoảng 200 triệu Volt. Sau đó, Frisch đã tiếp tục nghiên cứu kiểm chứng và xác nhận con số trên vào tháng 1 năm 1939.
Đồng thời, kiểm chứng của Frisch cũng đã xác nhận dự đoán của Albert Einstein về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng công bố từ hơn 30 năm trước đó, vào năm 1905.
Khai thác năng lượng từ phân hạch hạt nhân
Những thành công trong thí nghiệm về phân hạch hạt nhân do Frisch cùng các nhà khoa học khác thực hiện vào năm 1939 đã gây nên sự hấp dẫn cho nhiều nhà khoa học khác để thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Trong các nghiên cứu tiếp theo do Hahn và Strassmann thực hiện đã chỉ ra rằng, trong quá trình phân hạch hạt nhân không chỉ giải phóng rất nhiều năng lượng mà còn sản sinh ra các nơ tron bổ sung. Các nơ tron này có thể tiếp tục tạo nên sự phân hạch các hạt nhân uranium khác từ đó hình thành nên một phản ứng dây chuyền tự duy trì nhằm tạo nên một nguồn năng lượng vô cùng lớn theo cấp số nhân. Tính chất trên ngay sau đó đã được kiểm chứng và xác nhận bởi nhiều nhà khoa học khác bao gồm Joliot cùng các đồng nghiệp tại Paris cũng như Leo Szilard và Fermi tại New York.
Ngay từ những nghiên cứu đầu tiên, Bohr đã sớm nhận định rằng quá trình phân hạch hạt nhân gần như xảy ra trong đồng vị urani-235 hơn so với đồng vị U-238. Đồng thời, ông cũng dự đoán rằng quá trình phân hạt diễn ra hiệu quả hơn khi dùng các nơ tron di chuyển chậm thay vì các nơ tron tốc độ cao. Quan điểm này sau đó đã được xác nhận bởi Szilard và Fermi, 2 nhà nghiên cứu cũng đã đề xuất sử dụng “thiết bị điều tiết” nhằm làm chậm các nơ tron được phóng thích ra. Bohr và Wheeler sau đó đã mở rộng ý tưởng trên, từ đó hình thành nên thành phần quan trọng nhất trong hệ thống thực hiện phản ứng phân hạch hạt nhân. Các văn bản về nghiên cứu của Bohr được công bố chỉ 2 ngày trước khi chiến tranh thế giới thứ 2 nổ ra vào năm 1939.
Hàm lượng các đồng vị Uranium trong tự nhiên
Trong giai đoạn này, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng đồng vị U-235 chỉ chiếm 0,7% Uranium trong tự nhiên. 99,3% còn lại là đồng vị U-238 với tính chất hóa học tương tự. Với sự khác biệt lớn về tỷ lệ như trên, việc tách quặng urani thiên nhiên để thu được U-235 tinh khiết không phải là một điều đơn giản vì yêu cầu cần phải sử dụng các phương pháp vật lý hoàn toàn khác nhau. Việc gia tăng tỷ lệ của đồng vị U-235 chính là khái niệm “làm giàu Uranium” mà chúng ta vẫn thường được nghe nói đến.
Một nghiên cứu khác trong sự phát triển của năng lượng hạt nhân trong giai đoạn này chính là ý tưởng về bom phân hạch (bom nguyên tử) do nhà vật lý người Pháp Francis Perrin (1901-1992) đưa ra vào năm 1939. Perrin là người đã đề xuất khối lượng Urani cần thiết để sản xuất một hệ thống phân hạch hạt nhân tự duy trì và giải phóng năng lượng. Học thuyết của Perrin đã được mở rộng bởi Rudolf Peierls tại Đại học Birmingham và các kết quả tính toán được đã đóng góp một phần không nhỏ cho việc chế tạo bom nguyên tử sau đó.
Nhà vật lý người Pháp Francis Perrin (1901-1992), người có đóng góp không nhỏ trong việc phát triển và chế tạo bom nguyên tử
Tại Paris, nhóm của Perrin đã tiếp tục thực hiện nghiên cứu và chứng minh được rằng có thể thực hiện các phản ứng tự duy trì trong môi trường nước (nhằm làm chậm các nơ tron). Việc đưa các nơ tron từ bên ngoài vào hệ thống phản ứng cũng được thực hiện trong môi trường nước. Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh được rằng có thể dùng các loại vật liệu hấp thu nơ tron nhằm kiểm soát quá trình thực hiện phản ứng hạt nhân. Tất cả những điều trên chính là những thành phần quan trọng cho hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân điển hình.
Nhà vật lý học người Đức Werner Heisenberg (1901-1976), một trong những nhà vật lý học nổi tiếng nhất thế kỷ 20 và có đóng góp vô cùng quan trọng trong việc hình thành nên thuyết cơ học lượng tử
Từ tháng 4 năm 1939, Nhà vật lý học người Đức Werner Heisenberg (1901-1976) cùng học trò của mình đã bắt đầu thực hiện dự án năng lượng hạt nhân dưới sự giám sát của Ủy ban bom mìn Đức quốc xã. Ban đầu, dự án được khởi động với mục tiêu chế tạo vũ khí hạt nhân nhưng đến năm 1942, dự án chính thức đóng cửa với kết luận về tính bất khả thi khi áp dụng năng lượng hạt nhân vào trong mục đích quan sự.
Dù vậy, sự tồn tại của dự án đã thúc đẩy sự phát triển của bom nguyên tử tại Anh và Mỹ trong thời chiến. Werner Heisenberg được coi là một trong những nhà vật lý học nổi tiếng nhất thế kỷ 20 và có đóng góp vô cùng quan trọng trong việc hình thành nên thuyết cơ học lượng tử. Werner Heisenberg được trao tặng giải thưởng Nobel vào năm 1932 và nếu các bạn chú ý, cái tên Heisenberg đã được nhân vật White trong phim Breaking Bad chọn làm biệt danh cho hoạt động thế giới ngầm của mình.
Vật lý hạt nhân không thể không kể đến sự đóng góp của Nga
Sự phát triển của vật lý hạt nhân tại Nga đã bắt đầu nhen nhóm từ hơn 1 thập kỷ trước khi cuộc Cách mạng Bolshevik nổ ra. Các nghiên cứu đã được thực hiện dựa trên các quặng phóng xạ được tìm thấy ở Trung Á từ năm 1900. Năm 1909, Viện hàn lâm khoa học St Petersburg bắt đầu thực hiện những nghiên cứu trên quy mô lớn.
Sau đó, cuộc cách mạng Nga năm 1917 đã thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về vật lý hạt nhân và kết quả là hơn 10 viện nghiên cứu đã được thành lập tại các thành phố lớn ở Nga trong những năm tiếp theo. Trong những năm 1920 và đầu thập niên 30 của thế kỷ 20, nước Nga đã cô bố hàng loạt những chính sách mới kêu gọi các nhà nghiên cứu đang hoạt động ở nước ngoài trở về Nga nhằm nâng cao trình độ chuyên môn trong lĩnh vực vật lý hạt nhân một cách nhanh chóng. Các nhà khoa học lớn đã hưởng ứng lời kêu gọi bao gồm cả Kirill Sinelnikov, Pyotr Kapitsa và Vladimir Vernadsky.
Từ đầu những năm 1930, có nhiều trung tâm nghiên cứu chuyên về vật lý hạt nhân đã đuọc thành lập và đi vào hoạt động. Kirill Sinelnikov quay trở về từ Cambridge vào năm 1931 để thành lập một khoa nghiên cứu hạt nhân tại Viện kỹ thuật Vật lý Ukrainian (FTI) được thành lập từ năm 1928 tại Kharkov. Nhà vật lý nổi tiếng Abram Ioffe cũng đã thành lập một nhóm nghiên cứu tại Viện kỹ thuật vật lý Leningrad, sau đó phát triển thành viện khoa học vật lý hạt nhân do Kurchatov lãnh đạo vào năm 1933 với 4 phòng thí nghiệm riêng biệt.
Vào cuối thập kỷ, đã có nhiều máy gia tốc cộng hưởng từ được lắp đặt tại viện nghiên cứu hạt nhân Leningrad. Đây chính là phòng thí nghiệm hạt nhân lớn nhất châu Âu trong thời bấy giờ. Dù vậy, công việc nghiên cứu phần nào bị gián đoạn do cuộc thanh trừng của chính quyền Stalin vào những năm 1939. Tuy nhiên, năm 1940 đã chứng kiến những tiến bộ vượt bậc trong việc hiểu biết và thực hiện các phản ứng phân hạch dây chuyền.
Sau đó là sự hình thành của “Ủy ban các vấn đề về năng lượng hạt nhân” dưới sự chủ trì của Kurchatov vào năm 1940 đồng thời tiến hành thăm dò, khai thác các mỏ quặng nguyên liệu hạt nhân tại Trung Á. Sau đó, cuộc xăm lược của quân Đức vào nước Nga từ năm 1941 đã biến phần lớn nghiên cứu này thành những ứng dụng quân sự đầy tiềm năng.
Theo Tinh Tế
Trả lời