Đang tải bài viết từ Wikipedia…
Sự kiện
Dự án Manhattan
dự án nghiên cứu và sản xuất bom nguyên tử đầu tiên của Hoa Kỳ
- 1939 – 1946
- Oak Ridge
- Bắc Mỹ
Sự kiện
dự án nghiên cứu và sản xuất bom nguyên tử đầu tiên của Hoa Kỳ
Đang tải bài viết từ Wikipedia…
Dự án Manhattan (tiếng Anh: Manhattan Project) là một dự án nghiên cứu và phát triển bom nguyên tử đầu tiên trong Thế chiến II, chủ yếu do Hoa Kỳ thực hiện với sự giúp đỡ của Anh và Canada. Từ năm 1942 đến năm 1946, một lực lượng thuộc Công binh Lục quân Hoa Kỳ dưới quyền Thiếu tướng Leslie Groves tham gia vào dự án được tổ chức thành Khu vực Manhattan; tên "Manhattan" dần trở thành mật danh chính thức thay cho Phát triển Vật liệu Thay thế để chỉ toàn bộ dự án. Dự án cũng từng bước thu nhận một dự án nhỏ hơn, sớm hơn của người Anh mang tên Tube Alloys. Dự án Manhattan khởi đầu khá khiêm tốn vào năm 1939, nhưng lớn lên tới mức sử dụng nhân lực hơn 130 nghìn người và tiêu tốn gần 2 tỉ USD (tương đương 27 tỷ USD năm 2022). Trên 90% chi phí là nhằm để xây dựng các nhà máy và sản xuất vật liệu phân hạch, chỉ có gần 10% là dành cho phát triển và chế tạo vũ khí. Việc nghiên cứu và chế tạo diễn ra tại hơn 30 vị trí trên khắp Hoa Kỳ, Anh và Canada.
Hai loại vũ khí nguyên tử được phát triển trong thời chiến. Một loại vũ khí phân hạch kiểu súng tương đối đơn giản được chế tạo sử dụng urani-235, một đồng vị chiếm khoảng 0,7% urani tự nhiên. Vì nó giống hệt về mặt hóa học và có khối lượng xấp xỉ bằng đồng vị phổ biến urani-238, rất khó để có thể phân tách chúng. Người ta đã sử dụng ba phương pháp sử dụng để làm giàu urani: khuếch tán điện từ, khuếch tán khí và khuếch tán nhiệt. Hầu hết công trình này được tiến hành ở Oak Ridge, Tennessee. Song song với nghiên cứu sản xuất urani là một nỗ lực chế tạo plutoni tiến hành tại Oak Ridge và Handford, Washington. Trong các lò phản ứng, urani hấp thu bức xạ và biến đổi thành plutoni. Plutoni sau đó được phân tách hóa học khỏi urani. Thiết kế kiểu súng tỏ ra không thực tiễn để sử dụng với plutoni nên một vũ khí nổ sập được phát triển trong một nỗ lực thiết kế và xây dựng phối hợp chặt chẽ tại phòng thí nghiệm nghiên cứu và thiết kế chính của dự án ở Los Alamos, Mexico.
Dự án cũng liên quan tới việc thu thập tin tình báo về Dự án năng lượng hạt nhân Đức. Thông qua Chiến dịch Alsos, các thành viên của dự án Manhattan hoạt động ở châu Âu, đôi khi trong lãnh thổ kẻ thù, để thu thập các vật liệu và tài liệu hạt nhân và chiêu mộ các nhà khoa học Đức. Dù được tiến hành dưới vỏ bọc an ninh chắc chắn, nhưng các điệp viên nguyên tử Liên Xô vẫn thâm nhập thành công vào chương trình.
Thiết bị hạt nhân đầu tiên được kích hoạt là một quả bom nổ sập trong Vụ thử Trinity, thực hiện ở Bãi thử vũ khí Alamogordo ở New Mexico ngày 16 tháng 7 năm 1945. Little Boy, một vũ khí dạng súng, và Fat Man dạng nổ sập lần lượt được sử dụng trong các vụ ném bom nguyên tử xuống Hiroshima và Nagasaki. Trong những năm đầu hậu chiến, Dự án Manhattan tiến hành các vụ thử vũ khí ở Đảo san hô vòng Bikini như một phần của Chiến dịch Crossroads, phát triển các vũ khí mới, khuyến khích sự hình thành mạng lưới các phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ, hỗ trợ các nghiên cứu y tế trong khoa chiếu xạ và thành lập hải quân hạt nhân. Dự án duy trì sự kiểm soát đối với việc nghiên cứu và chế tạo vũ khí hạt nhân cho tới khi Ủy ban Năng lượng nguyên tử Hoa Kỳ được thành lập tháng 1 năm 1947.
Tháng 8 năm 1939, các nhà vật lý nổi tiếng Leó Szilárd và Eugene Wigner soạn Bức thư Einstein–Szilárd nhằm cảnh báo về tiềm năng phát triển "những quả bom cực mạnh kiểu mới". Thư kêu gọi Hoa Kỳ tiến hành từng bước thu thập các nguồn dự trữ quặng urani và hỗ trợ nghiên cứu của Enrico Fermi và những người khác trong lĩnh vực phản ứng hạt nhân dây chuyền. Họ lấy chữ ký của Albert Einstein và gửi tới Tổng thống Franklin D. Roosevelt. Roosevelt triệu tập Lyman Briggs của Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ làm lãnh đạo Ủy ban Tư vấn về Urani để xem xét các vấn đề nêu lên trong bức thư. Briggs tổ chức một cuộc họp vào ngày 21 tháng 10 năm 1939, với sự có mặt của Szilárd, Wigner và Edward Teller. Ủy ban báo cáo lại với Roosevelt vào tháng 11 rằng urani "cung cấp nguồn năng lượng có thể chế tạo những trái bom với sức tàn phá lớn hơn rất nhiều bất cứ thứ gì từng biết đến."
Briggs đề xuất rằng Ủy ban Nghiên cứu Quốc phòng Quốc gia (NDRC) chi 167 nghìn đô la vào nghiên cứu urani, đặc biệt là đồng vị urani-235, cũng như vào plutoni mới được phát hiện trước đó. Vào ngày 28 tháng 6 năm 1941, Roosevelt ký Sắc lệnh 8807, lập nên Văn phòng Nghiên cứu Khoa học và Phát triển (OSRD), với Vannevar Bush làm giám đốc. Văn phòng được trao quyền tham gia vào các dự án kỹ thuật lớn bên cạnh việc nghiên cứu. NDRC trở thành Ủy ban S-1 Urani trực thuộc OSRD; từ "urani" sớm bị loại bỏ (chỉ còn là Ủy ban S-1) vì các lý do an ninh.
Ở Anh, Otto Frisch và Rudolf Peierls tại Đại học Birmingham có một bước đột phá khi nghiên cứu khối lượng tới hạn của urani-235 vào tháng 6 năm 1939. Tính toán của họ chỉ ra rằng khối lượng này nằm trong một bậc độ lớn cỡ 10 kg, đủ nhỏ để chứa trong một máy bay ném bom đương thời. Giác thư Frisch–Peierls tháng 3 năm 1940 của họ khởi đầu cho dự án bom nguyên tử của Anh với việc thành lập Ủy ban Maud, cơ quan đã nhất trí khuyến nghị việc theo đuổi phát triển một quả bom nguyên tử. Một trong các thành viên của nó, nhà vật lý Úc Mark Oliphant, bay tới Hoa Kỳ cuối tháng 8 năm 1941 và nhận thấy dữ liệu Ủy ban Maud cung cấp không đến tay các nhà vật lý Hoa Kỳ chủ chốt. Oliphant quyết định tìm ra tại sao những phát hiện của ủy ban dường như bị phớt lờ. Ông gặp Ủy ban Urani, rồi tới thăm Berkeley, California, nơi ông thuyết phục thành công Ernest Lawrence. Bị ấn tượng, Lawrence bắt tay vào nghiên cứu urani, và nói chuyện với James B. Conant, Arthur Compton và George Pegram.
Tại một cuộc họp giữa Tổng thống Roosevelt, Vannevar Bush, và phó Tổng thống Henry A. Wallace ngày 9 tháng 10 năm 1941, Tổng thống phê chuẩn chương trình nguyên tử. Để kiểm soát nó, ông tạo nên Nhóm Chính sách Cao cấp bao gồm chính ông-mặc dù ông không bao giờ tham dự một buổi họp nào-Wallace, Bush, Conant, Bộ trưởng Chiến tranh Henry L. Stimson, và Tham mưu trưởng Lục quân Mỹ, Đại tướng George Marshall. Roosevelt chọn Lục quân để tiến hành dự án thay vì Hải quân, bởi vì Lục quân có nhiều kinh nghiệm nhất trong việc quản lý các dự án xây dựng đại quy mô. Ông cũng đồng ý phối hợp các nỗ lực của người Anh và vào ngày 11 tháng 10 ông gửi một tin nhắn tới Thủ tướng Winston Churchill, đề xuất rằng họ cần liên lạc về vấn đề nguyên tử.
Ủy ban S-1 tổ chức cuộc họp đầu tiên vào ngày 18 tháng 12 năm 1941 "tràn ngập bầu không khí nhiệt tình và khẩn cấp" dưới tác động của Trận Trân Châu Cảng, theo sau đó là Hoa Kỳ tuyên chiến với Nhật Bản và với Đức Quốc xã. Công trình được tiến hành theo ba kĩ thuật khác nhau nhằm phân tách đồng vị urani-235 từ urani-238. Lawrence và nhóm của ông tại Đại học California tại Berkeley nghiên cứu phân tách điện từ, trong khi nhóm của Eger Murphree và Jesse Wakefield Beams xem xét khuếch tán khí tại Đại học Columbia, và Philip Abelson chỉ đạo nghiên cứu khuếch tán nhiệt ở Viện Carnegie ở Washington và sau đó là ở Phòng Thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân. Murphree cũng từng đứng đầu một dự án phân tách bất thành từ ly tâm pha hơi.
Trong khi đó, có hai dòng nghiên cứu hướng vào công nghệ lò phản ứng hạt nhân, với Harold Urey tiếp tục nghiên cứu về nước nặng ở Columbia, trong khi Arthur Compton đem nhóm khoa học gia ở Đại học Columbia và Đại học Princeton tới nghiên cứu tại Đại học Chicago nơi ông tổ chức nên Phòng thí nghiệm Luyện kim vào đầu năm 1942 để nghiên cứu plutoni và các lò phản ứng sử dụng than chì làm chất điều hòa neutron. Briggs, Compton, Lawrence, Murphree, và Urey họp vào ngày 23 tháng 5 năm 1942 để hoàn tất các khuyến nghị của Ủy ban S-1, kêu gọi nỗ lực cho năm công nghệ chính cần theo đuổi. Khuyến nghị này được Bush, Conant, và Chuẩn tướng Wilhelm D. Styer, Tham mưu trưởng Cục Quân nhu dưới quyền Thiếu tướng Brehon B. Somervell, người được chỉ định là đại diện của Lục quân trong các vấn đề hạt nhân, tán thành. Bush và Conant sau đó đem khuyến nghị tới Nhóm Chính sách Cao cấp với một dự án ngân sách chi 54 triệu đô la cho việc xây dựng tới Đoàn Công binh Lục quân Hoa Kỳ, 31 triệu đô la cho nghiên cứu và phát chiến tới OSRD và 5 triệu đô la quỹ dự phòng cho năm tài khóa 1943. Nhóm Chính sách Cao cấp duyệt gửi cho Tổng thống ngày 17 tháng 6 năm 1942 và ông đã phê chuẩn với dòng chữ duyệt "OK FDR" trên văn bản.
Compton yêu cầu nhà vật lý lý thuyết J. Robert Oppenheimer của Đại học California tại Berkeley, phụ trách việc nghiên cứu tính toán neutron nhanh—chìa khóa để tính toán khối lượng tới hạn và kích hoạt vũ khí—từ Gregory Breit, người đã rút khỏi dự án ngày 18 tháng 5 năm 1942 do những lo ngại về an ninh điều hành lỏng lẻo. John H. Manley, một nhà vật lý ở Phòng thí nghiệm Luyện kim, được chỉ định để trợ giúp Oppenheimer trong việc liên lạc và điều phối các nhóm vật lý thực nghiệm rải rác khắp đất nước. Oppenheimer và Robert Serber của Đại học Illinois thẩm xét các vấn đề khuếch tán neutron—neutron di chuyển như thế nào trong một phản ứng hạt nhân dây chuyền—và thủy động lực học—vụ nổ sinh ra từ một phản ứng dây chuyền sẽ diễn ra ra sao. Để xem xét công trình này và lý thuyết tổng quát về các phản ứng phân hạch, Oppenheimer triệu tập các cuộc họp ở Đại học Chicago vào tháng 6 và Đại học California tại Berkeley vào tháng 7 năm 1942 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 người sau từng là học trò cũ của Oppenheimer, và các nhà vật lý thực nghiệm Felix Bloch, Emilio Segrè, John Manley, và Edwin McMillan. Họ xác nhận một cách không dứt khoát rằng một quả bom phân hạch là khả dĩ về mặt lý thuyết.
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 cyclotron. Ngay cả đến tháng 12 năm 1943, tổng khối lượng plutoni thu được chỉ là 2 miligram. 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. 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.
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. 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. 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. Bethe tính toán cho thấy điều đó không thể nào xảy ra 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." Trong ghi chép của Serber, Oppenheimer đề cập nó với Arthur Compton, người "không có đủ óc khôn ngoan để dập tắt nó. Không biết bằng cách nào nó đi vào một văn bản gửi tới Washington" và "không bao giờ thực sự chấm dứt".
Tháng 6 năm 1939, Tư lệnh Công binh Hoa Kỳ, Thiếu tướng Eugene Reybold, lựa chọn Đại tá James C. Marshall làm người đứng đầu bộ phận thuộc Lục quân tham gia vào dự án. Marshall tạo ra một văn phòng liên lạc ở Washington, D.C., nhưng thiết lập bản doanh tạm thời ở tầng 17 tòa nhà 270 Broadway, New York, nơi ông có thể nhận được sự giúp đỡ điều hành từ Sư đoàn Bắc Đại Tây Dương thuộc Công binh. Nó nằm gần văn phòng tại Manhattan của Stone & Webster, nhà thầu chính của dự án, và Đại học Columbia. Ông được chuẩn thuận lấy nhân lực từ đơn vị cũ của mình, Khu vực Syracuse, bắt đầu từ Trung tá Kenneth Nichols, người trở thành phó của ông..
Vì hầu hết nhiệm vụ của ông liên quan tới xây dựng, Marshall cộng tác với chỉ huy Sư đoàn Xây dựng của Công binh, Thiếu tướng Thomas M. Robbins, và phó của ông này là Đại tá Leslie Groves. Reybold, Somervell và Styer quyết định gọi dự án là "Phát triển Vật liệu Thay thế", nhưng Groves cảm thấy tên này có thể gây chú ý. Vì các khu vực công trình thường mang tên của thành phố nơi chúng đặt, Marshall và Groves đồng ý đặt tên bộ phận của Lục quân tham gia vào dự án là "Khu vực Manhattan". Tên này trở thành chính thức ngày 13 tháng 8, khi Reybold ban hành quyết định thành lập nên khu vực mới. Một cách không chính thức, nó được biết dưới tên Khu vực Công trình Manhattan, (tiếng Anh: Manhattan Engineer District, viết tắt MED). Không như các khu vực khác, nó không có ranh giới địa lý nào, và Marshall nắm thẩm quyền tương đương chỉ huy sư đoàn công binh. Phát triển Vật liệu Thay Thế vẫn là mật danh của dự án trên quy mô toàn thể, nhưng nó dần dần bị lu mờ bởi tên gọi "Manhattan".
Marshall sau này thừa nhận rằng, "Khi đó tôi chưa từng nghe nói về phân hạch nguyên tử nhưng tôi có biết rằng bạn không thể xây một nhà máy, đừng nói tới bốn nhà máy với chỉ 90 triệu đô la". Chỉ một nhà máy thuốc nổ TNT mà Nichols mới xây trước đó ở Pennsylvania thôi đã tốn 128 triệu đô la. Họ cũng không ấn tượng với những ước tính về quy mô quá mơ hồ, mà Groves so sánh với việc bảo một chủ khách sạn sửa soạn bữa ăn cho từ mười tới một nghìn thực khách. Một nhóm khảo sát từ Stone & Webster đã thăm dò một vị trí cho các nhà máy sản xuất. Hội đồng Sản xuất Thời chiến khuyến nghị các địa điểm nằm gần Knoxville, Tennessee, một khu vực cô lập nơi tập đoàn TVA có thể phân phối đủ điện năng và dòng sông có thể cung cấp nước làm mát cho các lò phản ứng. Sau khi khảo sát vài địa điểm, nhóm điều tra đã chọn một nơi gần Elza, Tennessee. Conant đề xuất rằng cần trưng mua nơi này ngay lập tức và Styer đồng ý nhưng Marshall trì hoãn để đợi kết quả từ các thí nghiệm lò phản ứng của Conant trước khi hành động. Trong số các quá trình có triển vọng, chỉ có phân tách điện từ của Lawrence tỏ ra đủ ưu việt để tiến hành xây dựng.
Nội dung từ bài Wikipedia “Dự án Manhattan”, theo giấy phép CC BY-SA 4.0.