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.
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 khuyếch 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%.
