Phản ứng nhiệt hạch và bom nguyên tử

Sự khám phá ra neutron của James Chadwick năm 1932,[2] sau đó là phản ứng nhiệt hạch bởi nhà hóa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann năm 1938,[3][4] và giải thích lý thuyết (và đặt tên) của Lise Meitner và Otto Frisch ngay sau đó,[5][6] mở ra khả năng phản ứng dây chuyền hạt nhân có kiểm soát sử dụng urani. Vào thời điểm đó, rất ít nhà khoa học ở Hoa Kỳ nghĩ rằng một quả bom nguyên tử là thiết thực,[7] nhưng khả năng một dự án bom nguyên tử của Đức quan tâm đến các nhà khoa học, những người tị nạn từ Đức quốc xã và các nước phát xít khác, rằng họ đã soạn thảo bức thư Einstein–Szilárd để cảnh báo Tổng thống Hoa Kỳ Franklin D. Roosevelt. Điều này thúc đẩy nghiên cứu sơ bộ ở Hoa Kỳ, bắt đầu từ cuối năm 1939.[8]

Trong phản ứng nhiệt hạch, hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố nặng chia thành hai hoặc nhiều hạt khi một neutron bị bắt. Nếu nhiều neutron phát ra, một phản ứng dây chuyền hạt nhân sẽ hình thành.

Tiến bộ chậm ở Hoa Kỳ, nhưng ở Anh, Otto Frisch và Rudolf Peierls, hai nhà vật lí tị nạn đến từ Đức tại Đại học Birmingham, đã xem xét các vấn đề lý thuyết liên quan đến việc phát triển, sản xuất và sử dụng bom nguyên tử. Họ đã xem xét điều gì sẽ xảy ra với một quả cầu tinh khiết uranium-235, và phát hiện ra rằng không chỉ có thể xảy ra phản ứng dây chuyền, mà chỉ cần một kg urani-235 có thể phóng ra năng lượng ngang với hàng trăm tấn TNT. Mark Oliphant, đã lấy bản ghi nhớ Frisch-Peierls cho Sir Henry Tizard, chủ tịch của Ủy ban Khảo sát Khoa học về Không chiến (CSSAW), người đã chuyển nó cho George Paget Thomson, người mà CSSAW đã ủy quyền trách nhiệm nghiên cứu urani.[9] CSSAW ã tạo ra Ủy ban MAUD để nghiên cứu.[10] Trong báo cáo cuối cùng của mình vào tháng 7 năm 1941, Ủy ban MAUD kết luận rằng một quả bom nguyên tử không chỉ khả thi mà còn có thể được sản xuất vào khoảng năm 1943.[11] Đáp lại, chính phủ Anh đã tạo ra một dự án vũ khí hạt nhân được gọi là Tube Alloys.[12]

Vẫn có một chút sự gấp rút ở Mĩ, không như Anh vẫn chưa tham chiến ở Thế chiến thứ hai, Oliphant bay đến đó cuối tháng 8 năm 1941,[13] và đã nói chuyện với các nhà khoa học Mỹ bao gồm người bạn Ernest Lawrence của ông tại Đại học California. Ông không chỉ có thể thuyết phục họ rằng một quả bom nguyên tử có thể thực hiện được, mà còn lấy cảm hứng máy xiclotron 37 inch (94 cm) của Ernest Lawrence thành một khối phổ kế khổng lồ để tách đồng vị,[14] một kỹ thuật mà Oliphant đã đi tiên phong vào năm 1934.[15] Đổi lại, Lawrence đã dẫn dắt người bạn và đồng nghiệp Robert Oppenheimer kiểm tra lại vật lý của báo cáo của Ủy ban MAUD, đã được thảo luận tại cuộc họp tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện Tổng hợp tại Schenectady, New York vào ngày 21 tháng 10 năm 1941.[16]

Tháng 12 năm 1941, Phòng S-1 của Văn phòng Nghiên cứu và Phát triển Khoa học (OSRD) đã chọn Arthur H. Compton phụ trách việc thiết kế bom.[17][18] Ông giao nhiệm vụ thiết kế bom và nghiên cứu tính toán neutron nhanh - chìa khóa tính toán khối lượng tới hạn và sự kích nổ - cho Gregory Breit, người có danh hiệu là "Co-ordinator of Rapid Rupture", và Oppenheimer là trợ lí. Nhưng Breit không đồng ý với các nhà khoa học khác làm việc tại Phòng thí nghiệm Metallurgical, đặc biệt là Enrico Fermi,,[19] về các biện pháp an ninh và từ chức vào ngày 18 tháng 5 năm 1942.[20] Compton bổ nhiệm Oppenheimer để thay thế Gregory Breit.[21] John H. Manley, nhà vật lý tại Phòng Thí nghiệm Metallurgical, được giao nhiệm vụ giúp Oppenheimer bằng cách liên hệ và điều phối các nhóm vật lý thực nghiệm nằm rải rác khắp đất nước.[20] Oppenheimer và Robert Serber của Đại học Illinois đã kiểm tra các vấn đề về sự khuếch tán neutron- cách neutron chuyển động trong phản ứng dây chuyền hạt nhân và động lực học chất lưu- cách mà vụ nổ gây ra bởi phản ứng dây chuyền có thể hành xử.[22]

Quan niệm thiết kế bom

Trong phản ứng nhiệt hạch, hạt nhân của các phần tử được hợp nhất để tạo ra một phần tử nặng hơn.

Để đánh giá công trình này và lý thuyết chung về phản ứng phân hạch, Oppenheimer và Fermi triệu tập các cuộc họp tại Đại học Chicago vào tháng 6 và Đại học California tại Berkeley vào tháng 7 với các nhà vật lý lý thuyết Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Emil Konopinski, Robert Serber, Stan Frankel, và Eldred C. Nelson, ba cựu học sinh của Oppenheimer, các nhà vật lý thực nghiệm Emilio Segrè, Felix Bloch, Franco Rasetti, John Manley và Edwin McMillan. Họ đã tạm thời xác nhận rằng một quả bom phân hạch về mặt lý thuyết là có thể.[23]

Nhưng nhiều yếu tố vẫn còn là ẩn số. Tính chất của urani-235 tinh khiết tương đối chưa rõ ràng, và của plutoni cũng vậy, nguyên tố này mới chỉ được Glenn Seaborg và nhóm của ông này khám phá ra vào tháng 2 năm 1941. Các nhà khoa học ở hội nghị Berkeley đã hình dung ra việc tạo nên plutoni trong các lò phản ứng hạt nhân với nguyên tử urani-238 hấp thu neutron phát ra từ nguyên tử urani-235 phân hạch. Vào thời điểm đó chưa có lò phản ứng nào được xây, và chỉ một lượng rất nhỏ plutoni thu được từ các máy xiclotron.[24]

Có nhiều cách khác nhau để sắp xếp vật liệu phân hạch đạt tới khối lượng tới hạn. Đơn giản nhất là bắn một cái "chốt hình trụ" vào một quả cầu "vật liệu phóng xạ" với một "cái đầm"—một vật liệu đặc hội tụ neutron vào phía trong và giữ cho khối lượng phản ứng với nhau để tăng hiệu năng.[25] Họ cũng khám phá những thiết kế gồm các khối gần cầu, một dạng "nổ sập" sơ khai do Richard C. Tolman đề xuất, và khả năng của các phương pháp tự xúc tác, làm tăng hiệu năng quả bom lúc phát nổ.[26]

Cho rằng ý tưởng bom phân hạch được xác lập về lý thuyết-ít nhất cho tới khi thêm các dữ liệu thực nghiệm xuất hiện—hội nghị Berkeley bắt đầu chuyển sang một định hướng mới. Edward Teller thúc đẩy thảo luận về một quả bom mạnh hơn: một "siêu bom", mà ngày nay thường gọi là "bom nhiệt hạch", sẽ sử dụng sức nổ của quả bom phân hạch được kích hoạt để châm ngòi cho phản ứng nhiệt hạch trong deuterium và tritium.[27] Teller đề xuất hết đề án này tới đề án khác, nhưng đều bị Bethe lần lượt bác bỏ. Ý tưởng nhiệt hạch bị đặt ra ngoài lề để tập trung vào sản xuất bom phân hạch.[28] Teller cũng đưa ra khả năng phỏng đoán rằng một quả bom nguyên tử có thể "kích hoạt" toàn bộ khí quyển Trái Đất bởi một phản ứng phân hạch giả định của hạt nhân nitơ.[29][chú thích 1] Bethe tính toán cho thấy điều đó không thể nào xảy ra[30] và một báo cáo mà Teller đồng tác giả cho thấy rằng "không có chuỗi phản ứng hạt nhân tự lan truyền nào có vẻ sẽ khởi động."[31]

Quan niệm phòng thí nghiệm bom

Sự khéo léo khi xử lý cuộc hội thảo của Oppenheimer làm ấn tượng các đồng nghiệp. Sự hiểu biết và khả năng đương đầu với những người khó tình nhất gây bất ngờ cho cả những người biết rõ ông ấy.[32] Sau hội nghị, Oppenheimer đã thấy rằng mặc dù họ đã nắm bắt được vật lý, nhưng vẫn cần nhiều công việc đáng kể về kỹ thuật, hóa học, luyện kim và các vật liệu nổ trong việc chế tạo bom nguyên tử. Ông tin rằng thiết kế bom sẽ đòi hỏi một môi trường nơi mọi người có thể tự do thảo luận các vấn đề và qua đó giảm thiểu sự lãng phí tiền bạc. Ông lý luận rằng điều này tốt nhất có thể được dàn xếp an toàn bằng cách tạo ra một phòng thí nghiệm trung tâm ở một địa điểm cô lập.[33][34]

Chuẩn tướng Leslie Groves đã trở thành giám đốc dự án Manhattan vào ngày 23 tháng 9 năm 1942.[35] Ông đã đến Berkeley để xem calutron của Lawrence, và gặp Oppenheimer, người đã đưa cho ông một báo cáo về thiết kế bom vào ngày 8 tháng 10.[36] Groves quan tâm đến đề xuất của Oppenheimer để thành lập một phòng thí nghiệm thiết kế bom riêng biệt. Khi họ gặp nhau ở Chicago một tuần sau đó, ông đã mời Oppenheimer thảo luận về vấn đề này. Groves phải bắt tàu đến New York, vì vậy ông yêu cầu Oppenheimer đi cùng ông để họ có thể tiếp tục cuộc thảo luận. Groves, Oppenheimer, và Đại tá James C. Marshall và Trung tá Kenneth Nichols đều ở trong một khoang duy nhất, nơi họ nói về việc một phòng thí nghiệm bom có thể được tạo ra ra sao và nó sẽ hoạt động như thế nào.[33] Groves và Oppenheimer đến Washington, DC, nơi vấn đề được thảo luận với Vannevar Bush, giám đốc của OSRD, và James B. Conant, Chủ tịch Uỷ ban Nghiên cứu Quốc phòng Quốc gia (NDRC). Vào ngày 19 tháng 10, Groves đã thông qua việc thành lập một phòng thí nghiệm bom.[34]

Trong khi Oppenheimer dường như là người hợp lý để chỉ đạo phòng thí nghiệm mới, mà đã trở thành được biết đến như Dự án Y, ông có ít kinh nghiệm hành chính; Bush, Conant, Lawrence và Harold Urey đều bày tỏ sự dè dặt về điều này.[37] Hơn nữa, khác với các nhà lãnh đạo dự án khác - Lawrence thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, Compton thuộc Dự án Metallurgical ở Chicago, và Urey tại Phòng thí nghiệm SAM ở New York - Oppenheimer không có giải Nobel, gây ra mối lo ngại rằng ông có thể không có uy tín để đối phó với các nhà khoa học xuất sắc. Cũng có những lo ngại về an ninh;[38] nhiều cộng sự gần gũi nhất của Oppenheimer là những thành viên tích cực của Đảng Cộng sản Hoa Kỳ, bao gồm cả vợ ông Kitty,[39] bạn gái Jean Tatlock,[40] Frank, và vợ của Frank là Jackie.[41] Cuối cùng, Groves đã ban hành hướng dẫn để giải quyết vấn đề Oppenheimer vào ngày 20 tháng 7 năm 1943.[38]