Chương 18
BOM KHINH KHÍ, TÊN LỬA LIÊN LỤC ĐỊA, LASER VÀ TƯƠNG LAI
Sau sự phát triển bom nguyên tử, bản chất của chiến tranh đã thay đổi rất nhiều. Trước tiên, một loại bom còn mạnh hơn nữa, ngày nay gọi là bom khinh khí, đã được phát triển. Thật vậy, nó mạnh hơn bom nguyên tử hàng nghìn lần. Thứ hai, cùng với sự phát triển của tên lửa liên lục địa, một hệ thống phóng đã có sẵn nên bom khinh khí có thể bay đi hàng trăm dặm đến mục tiêu với một cú nhấn nút đơn giản. Cuối cùng, với sự phát triển của điện tử học tiên tiến, laser, vệ tinh, và vân vân, chiến tranh trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào vật lí học và khoa học nói chung.
PHÁT TRIỂN BOM KHINH KHÍ
Như ta đã thấy ở chương trước, bom nguyên tử hoạt động được chính là nhờ việc khám phá rằng các hạt nhân nặng như uranium vốn dĩ không bền và có thể dễ dàng vỡ thành hai hạt nhân nhẹ hơn, bền hơn. Hơn nữa, khối lượng của hai hạt nhân nhẹ hơn đó cộng lại không bằng khối lượng của hạt nhân uranium nặng hơn kia. Một phần khối lượng đã biến mất, và người ta sớm biết rằng phần khối lượng biến mất đó đã biến đổi thành năng lượng. Trong trường hợp uranium và plutonium, quá trình đó được gọi là sự phân hạch. Thế nhưng còn có một quá trình khác, tương tự như vậy, cũng đem lại sự biến đổi khối lượng thành năng lượng. Đó là quá trình chi phối vũ trụ của chúng ta; nó cho phép các sao, bao gồm Mặt Trời của chúng ta, giải phóng năng lượng, và trong trường hợp Mặt Trời của chúng ta, nó là nguồn gốc cho sự mọi sống trên Trái Đất. Nó được gọi là sự hợp hạch. Trong sự hợp hạch, năng lượng được giải phóng khi các hạt nhân kết hợp, hay hợp nhất, với nhau.1
Tuy nhiên, sự hợp hạch không xảy ra ở các nguyên tố nặng; nó chỉ xảy ra ở các nguyên tố nặng nhất. Ví dụ, trong Mặt Trời của chúng ta, bốn nguyên tử hydrogen (thật ra, chỉ là hạt nhân của chúng) kết hợp với nhau thành helium, và trong quá trình ấy chúng giải phóng một lượng năng lượng vô cùng lớn. Các chi tiết cụ thể về hiện tượng này được nghiên cứu bởi Hans Bethe từ năm 1935 đến 1938. Và chẳng bao lâu sau khi ông giải thích quá trình sản sinh năng lượng trong Mặt Trời, các nhà khoa học bắt đầu đoán già đoán non về khả năng có một quả bom hoạt động trên nguyên lí tương tự.
Tuy nhiên, như chuyện vỡ lẽ, vấn đề lập tức sáng tỏ là quá trình xảy ra trong Mặt Trời sẽ không hoạt động đối với một quả bom. Nó cực kì chậm, và lí do duy khiến nó hoạt động trên Mặt Trời là bởi vì có sẵn nguồn hydrogen quá dồi dào. Thế nhưng còn có nhiều phản ứng hợp hạch khác xảy ra trong tự nhiên. Để tìm hiểu chúng, ta phải bắt đầu với các đồng vị của hydrogen; ở phần trước tôi có nhắc rằng hình thức đơn giản nhất của hydrogen có một proton trong hạt nhân cùng với một electron xoáy tít xung quanh nó. Tuy nhiên, có thể có thêm neutron kết hợp với proton này. Điều này không làm biến đổi nguyên tố. Nó vẫn là hydrogen, còn hình thức mới có thêm neutron là một đồng vị. Khi một neutron kết hợp với một proton, đồng vị ấy được gọi là deuterium; khi kết hợp hai neutron thì đồng vị được gọi là tritium.
Nước thiên nhiên, như bạn biết, bao gồm hydrogen và oxygen. Hydrogen trong nước mà chúng ta thường gặp gồm cả ba đồng vị, song chỉ có một trong năm nghìn nguyên tử là deuterium, và chỉ một trong một tỉ là tritium. Thế nên deuterium là tương đối hiếm, và tritium là cực kì hiếm. Các nhà khoa học xác định được các phản ứng tốt nhất cho một quả bom khinh khí liên quan đến deuterium (D) và tritium (T); chúng nhanh hơn nhiều so với sự hợp hạch hydrogen xảy ra trong Mặt Trời. Thật vậy, chúng xảy ra trong chưa tới một phần triệu của một giây. Nhưng để khai thác chúng, ta phải phân tách D và T ra khỏi nước bình thường, và đây là một quá trình khó khăn. Tuy nhiên, có vẻ như một quả bom làm bằng D và T là có thể.
Một trong những người đầu tiên nhận ra khả năng làm bom hợp hạch là Enrico Fermi. Ông có nhắc tới khả năng đó với Edward Teller vào mùa thu năm 1941, trước khi Dự án Manhattan được tổ chức. Teller là một nhà vật lí gốc Hungary đã di cư sang Mĩ vào thập niên 1930. Ông có một số đóng góp quan trọng cho bom khinh khí, sau này nổi tiếng là cha đẻ của bom khinh khí.
Khi Dự án Manhattan được tổ chức nhằm phát triển bom nguyên tử, với Oppenheimer làm thủ lĩnh, Teller là một trong các nhà khoa học được chọn đến làm việc tại Los Alamos. Oppenheimer giao cho ông một dự án liên quan đến nhiều tính toán dài lê thê, nhưng ông hứng thú với khả năng làm bom khinh khí (mặc dù bom nguyên tử vẫn chưa được phát triển) đến mức ông phớt lờ luôn nhiệm vụ được phân công và giao phần lớn công việc cho người trợ lí của ông, Klaus Fuchs. (Về sau, người ta phát hiện Fuchs làm gián điệp cho Liên Xô.)
Teller liên tục xúi Oppenheimer khởi động một dự án riêng nhằm phát triển bom khinh khí, nhưng Oppenheimer từ chối, làm Teller phát khùng. Tuy nhiên, cuối cùng Oppenheimer cũng mủi lòng và cho phép Teller được xem xét khả năng đó. Teller nghiên cứu về nó cho đến cuối cuộc chiến, và cả sau chiến tranh qua đi, nhưng hầu như không có tiến bộ gì. Tuy nhiên, ông quả quyết rằng một quả bom như thế sẽ hoạt động được. Cuối cùng, vào tháng Tư 1946, ông hội nghị được triệu tập ở New Mexico để đánh giá tính khả thi của bom khinh khí. Lúc này đã có thêm sự quan tâm bởi được biết người Liên Xô đang nghiên cứu bom nghiên cứu của riêng họ, và có khả năng họ cũng đang xem xét việc chế tạo bom khinh khí.
Tháng Tám 1946, Tổng thống Truman kí một dự luật thành lập Ủy ban Năng lượng Nguyên tử, mục đích của nó là xem xét việc sử dụng khoa học và công nghệ nguyên tử, không riêng cho vũ khí, mà cả cho công dụng thời bình. Trong vòng hai năm, người ta phanh phui rằng Klaus Fuchs đã tuồn nhiều bí mật về bom khinh khí cho Liên Xô, và vấn đề sáng tỏ là có khả năng họ sẽ sớm phát triển bom khinh khí. Nhiều giới chức quân sự bắt đầu lo ngại, và vào tháng Giêng 1950, Tổng thống Truman loan báo rằng điều quan trọng lúc này là tiến tới phát triển bom khinh khí. Tuy nhiên, có một sự khác biệt lớn về quan điểm giữa các nhà khoa học có khả năng dính líu tới dự án. Đúng như kì vọng, Teller rất đỗi vui sướng, còn những người khác, ví như Ernest Lawrence, cũng mạnh mẽ ủng hộ. Nhưng Oppenheimer nêu ý kiến cảnh giác; ông lo ngại về các hệ quả của một vũ khí như thế, Bethe và nhiều người khác cùng quan điểm với ông.
Tuy nhiên, một “chương trình lụi” nhằm phát triển cái gọi là “siêu” vào thời ấy, đã được triển khai. Nhiều nhà khoa học từng tham gia Dự án Manhattan trước đây được gọi quay lại Los Alamos.
ĐỘT PHÁ ULAM-TELLER
Tính tới lúc này, Teller đã bỏ ra mấy năm cố nghĩ ra một hình sẽ vận hành được, nhưng ông chưa đạt tới kết quả gì có thể xem xét nghiêm túc cả. Gần như thể một vũ khí như thế là bất khả thi. Một trong những người mới tham gia dự án lúc này là một nhà toán học Ba Lan, Stanislaw Ulam mới sang Mĩ năm 1935. Ông từng làm việc tại Viện nghiên cứu Cao cấp Princeton một thời gian, và rồi năm 1943 ông tham gia Dự án Manhattan, tại đó ông làm việc cùng John von Neumann. Và vào năm 1946 ông đến Los Alamos nghiên cứu phát triển bom khinh khí.
Nhiệm vụ của ông là nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng phản ứng D-D hoặc D-T để kích hoạt phản ứng hợp hạch cần thiết cho quả bom, và tiến tới một thiết kế thích hợp. Các thiết kế khác nhau đã được thử, nhưng chưa thiết kế nào có vẻ hoạt động được. Vào lúc này, người ta đã biết rằng sẽ cần một lượng nhiệt vô cùng lớn (hai mươi đến ba mươi triệu độ) để kích hoạt một phản ứng hợp hạch và rằng có thể dùng một quả bom nguyên tử để tạo ra lượng nhiệt đó. Thế nhưng những gì Ulam đã thử đều có trục trặc. Tuy nhiên, vào tháng Mười Hai 1950, ông vướng phải một ý tưởng mà ông không chắc nó có hoạt động không. Về cơ bản, những gì cần thiết là một cách tăng độ nén của hydrogen trong quả bom lên vài bậc độ lớn. Có thể dùng một quả bom nguyên tử để tạo ra một vụ nổ vào trong làm nén hydrogen, nhưng một vụ nổ vào trong đơn giản hình như là chưa đủ. Ulam kết luận rằng cần một vài vụ nổ như thế. Tóm lại, người ta phải dùng một quả bom kích hoạt một quả bom thứ hai, và quả bom thứ hai sẽ kích hoạt quả thứ ba. Kiểu này được gọi là chia giai đoạn. Ông không chắc ý tưởng có hoạt động không, nên ông giữ kín nó trong nhiều tháng trong khi ông phát triển và hoàn thiện nó.2
Cuối cùng, ông quyết định kể cho Teller về nó, mặc dù ông không có mối quan hệ tốt với Teller và thấy lo về phản ứng của Teller. Teller không bị thuyết phục ngay rằng nó sẽ hoạt động, nhưng khi ông tiếp tục nghiên cứu ý tưởng này ông nhận ra rằng nó là một bước tiến quan trọng. Ulam đề xuất rằng có thể dùng sốc thủy động, hay các neutron từ vụ nổ phân hạch, gây ra một vụ nổ vào trong làm nén hydrogen đủ mức. Sau một thời gian nghiên cứu khả năng ấy, Teller nhận ra rằng bức xạ tia X sẽ đi tới hydrogen trước sóng xung kích hay các neutron, và có thể dùng nó để gây ra vụ nổ vào trong cần thiết để kích hoạt vụ nổ nhiệt hạch. Và quả vậy, dường như đó là giải pháp tốt nhất rồi. Teller và Ulam viết chung một bài báo, sau này được gọi là Thiết kế Ulam-Teller. Tuy nhiên, trong mấy năm, Teller đã cố hạ bệ đóng góp của Ulam, thành ra giữa hai người có sự xô xát không nhỏ.3
VỤ THỬ ĐẦU TIÊN: MIKE
Bước kế tiếp là chế tạo một quả bom dựa trên Thiết kế Ulam-Teller để xem nó hoạt động được hay không. Và quả vậy, công việc dự án bắt đầu triển khai tương đối sớm. Trên thực tế, quả bom đầu tiên này không phải bom như chúng ta biết; nó quá đồ sộ để chuyên chở bằng máy bay. Các bộ phận cơ bản của dụng cụ được sản xuất ở Mĩ và vận chuyển đến một nơi xa xôi trên Thái Bình Dương, cách Hawaii khoảng ba nghìn dặm về phía tây. Vụ thử, mật danh là Ivy Mike, được thực hiện ở đảo san hô Enewetak, một vành đai gồm bốn mươi đảo nhỏ trải dài bốn mươi dặm và bề ngang mười dặm.4
Một ủy ban gọi là Ủy ban Panda đã được thành lập để xem xét phát triển và thử nghiệm quả bom. Các thành viên ủy ban được giao cho một năm thiết kế và thử bom, mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề phải khắc phục. Một trong những vấn đề chủ yếu là quyết định dùng phản ứng hợp hạch nào: D-D hay D-T. Cuối cùng, ủy ban quyết định rằng phản ứng D-D vừa dễ thực hiện hơn và có tính kinh tế hơn. Nhưng vẫn còn một vấn đề liên quan đến cách trữ chứa deuterium. Deuterium có điểm sôi âm 417 độ Fahrenheit, vì thế phải giữ nó ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ cực thấp. Điều này đòi hỏi nó phải được trữ trong một hệ thống điều nhiệt – một Dewar (hay bình chân không) cỡ lớn sẽ giữ nó ở một nhiệt độ rất thấp. Ngoài ra, dụng cụ đòi hỏi một quả bom phân hạch để kích hoạt sự hợp hạch hydrogen, và vào lúc này bom phân hạch vẫn còn tương đối lớn. Bức xạ từ vụ nổ này sẽ được dẫn luồng vào một quả bom thứ hai chứa deuterium lỏng. Tổng thể quả bom có dạng một khối trụ, với một thỏi plutonium tại tâm của nó tác dụng như “bugi” đánh lửa phản ứng hợp hạch.
Việc triển khai chính thức của hệ thống, gọi là “Mike”, bắt đầu vào tháng Chín 1952. Quả bom được bố trí tại một điểm trên trục khu đảo san hô, và một vài trạm theo dõi được bố trí tại các điểm khác nhằm đo năng lượng giải phóng bởi vụ nổ. Ngoài ra, một số lượng lớn tàu thuyền lập trạm neo đậu xung quanh khu đảo, và một số máy bay có mặt trên không trung, chở theo trang thiết bị đo đạc. Tổng cộng có hơn bốn trăm trạm khoa học với trang thiết bị đo đạc thuộc đủ kiểu được bố trí xung quanh địa điểm nổ bom.
Vào ngày 25 tháng Chín, mọi thứ đã sẵn sàng; giờ zero là 7:15 sáng ngày 1 tháng Mười Một. “Phòng hỏa tuyến” thật ra ở xa chừng mười dặm, trên một con tàu tên gọi là Estes. Sức mạnh của vụ nổ khiến hầu như ai cũng bất ngờ; một lần nữa, giống như trong trường hợp Trinity, chẳng ai dám chắc vụ nổ mạnh sẽ bao nhiêu. Như vỡ lẽ, vụ nổ còn mạnh hơn đáng kể so với dự tính. Hầu như tức thì, một quả cầu lửa trắng nóng, lóa mắt hiện ra ở đường chân trời. Nó có bề ngang ba dặm, so với quả cầu lửa của vụ nổ Hiroshima chỉ có bề ngang một phần mười dặm. Trong vòng hai phút rưỡi, đám mây do sóng xung kích gây ra đã đạt tới độ cao một trăm nghìn foot, và nó tiếp tục cuộn ra ngoài, cuối cùng hình thành một mái vòm khổng lồ có bề ngang ba mươi dặm. Vụ nổ đã làm bốc hơi theo nghĩa đen toàn bộ hòn đảo bố trí Mike, để lại một miệng hố sâu hai trăm foot và bề ngang một dặm. Năng lượng của vụ nổ được xác định tương đương với 10,4 megaton TNT. Đây là vụ nổ nhân tạo lớn nhất từng xảy ra trên Trái Đất tính tới lúc bấy giờ.
VẬT LÍ HỌC BOM KHINH KHÍ
Bây giờ ta sẽ tìm hiểu nguyên nhân và cách hoạt động của bom khinh khí. Nhìn ở nhiều phương diện, nó phức tạp hơn nhiều so với bom nguyên tử. Nhưng không có bom nguyên tử nó sẽ không hoạt động được, vì thế phải xét bom nguyên tử trước. Như ta đã thấy ở phần trước, nói chung, chính một vụ nổ bức xạ chia giai đoạn đã đem lại nhiệt độ cần thiết (khoảng 50.000.000 độ) cho các phản ứng hợp hạch xảy ra.
Để có phản ứng hợp hạch, chúng ta cần deuterium hoặc tritium, và, như ta đã thấy ở phần trước, chúng tương đối hiếm và phải được tách ra khỏi nước thiên nhiên. Các phản ứng có thể sử dụng cả deuterium (D) và tritium (T), nhưng tritium tốn kém hơn, nên các nhà khoa học cố tránh sử dụng nó trực tiếp. Thế nhưng, mặc dù deuterium có dồi dào hơn nhiều, song khó trữ chứa nó và nó phải được giữ ở trạng thái lỏng ở nhiệt độ rất thấp, như đã làm trong trường hợp Mike. Cuối cùng, vấn đề này được khắc phục bằng cách kết hợp deuterium và lithium để tạo ra lithium deuteride, một chất rắn bền dễ dàng xử lí hơn nhiều so với deuterium. Toàn bộ bom khinh khí hiện đại ngày nay đều dùng lithium deuteride.
Về cơ bản, những gì cần thiết là một vụ nổ vào trong với năng lượng cực lớn có khả năng nén nhiên liệu hợp hạch đến mật độ đủ cao cho phản ứng hợp hạch có thể xảy ra. Mật độ cần thiết đó ít nhất bằng một nghìn lần mật độ bình thường của nhiên liệu.
Bom khinh khí đơn giản nhất là một thiết bị hai tầng, và đây là kiểu duy nhất mà chúng ta sẽ bàn luận ở đây. Có thể chế tạo bom khinh khí ba tầng, nhưng đa số bom sử dụng cấu hình hai tầng. Liên Xô từng chế tạo một thiết bị ba tầng, nhưng ít có thông tin được biết về nó. Như ta đã thấy ở phần trước, Thiết kế Ulam-Teller khai thác tia X để nén nhiên liệu vì chúng lan truyền đặc biệt nhanh (tốc độ ánh sáng) sau khi vụ nổ sơ cấp (bom nguyên tử) được đánh lửa. Sóng xung kích và neutron cũng được giải phóng trong vụ nỏ, nhưng quá chậm không dùng được.
Một trong những khía cạnh quan trọng của bom khinh khí là sự xâu chuỗi chính xác các tầng cấu tạo. Chỉ cần có thứ gì đó lệch một chút thôi là quả bom sẽ không hoạt động. Vì thế việc canh chỉnh thời gian là hết sức quan trọng. Tổng thể quả bom có hình một khối trụ (những quả bom sau này có hình dạng dẹt hơn). Tầng sơ cấp (ngòi nổ) nằm ở một đầu, và tầng thứ cấp (thiết bị hợp hạch) nằm ở đầu kia. Tầng thứ cấp thường chiếm nhiều không gian hơn tầng sơ cấp. Tầng thứ cấp cũng có dạng hình trụ; tuy nhiên, nó nhỏ hơn hình trụ bên ngoài, vì thế có không gian giữa hai hình trụ. Không gian này được gọi là kênh bức xạ. Nhiên liệu hợp hạch, lithium deuteride, chiếm phần lớn không gian trong tầng thứ cấp. Thành bên ngoài của tầng thứ cấp được làm bằng U-238, và được gọi là thành ép/đẩy. Khi kích nổ, nó ép vào trong lên nhiên liệu thứ cấp. Tại tâm của tầng thứ cấp, chạy dọc xuống theo trục giữa, là một thỏi bề ngang chừng một inch hoặc làm bằng plutonium-239 hoặc U-235. Nó được gọi là thanh đánh lửa.5
Khu vực giữa tầng thứ cấp và hình trụ bên ngoài được nêm đầy bọt plastic. Và có một tấm chắn cong lớn ở phía trước tầng thứ cấp ngăn không cho vật liệu hợp hạch bị đánh lửa sớm. Khi tầng sơ cấp (quả bom nguyên tử) phát nổ, tia X nó giải phóng choán đầy kênh bức xạ. Khu vực này chứa đầy bọt plastic trở nên bị ion hóa sau vụ nổ ban đầu; nó giúp kiểm soát vụ nổ. Điều quan trọng là thành ép/đẩy ở phần ngoài tầng thứ cấp không bị nóng lên không đều hoặc quá nhanh. Cần có một chất khí “cân bằng” để năng lượng tràn đều khắp vùng này.
Cấu tạo bên trong của bom khinh khí.
Khi vụ nổ diễn ra, lớp ngoài uranium trên tầng thứ cấp sẽ phân hạch và một vụ nổ vào trong xảy ra. Vụ nổ vào trong làm nén vật liệu hợp hạch, sản sinh neutron trong tiến trình đó. Các neutron này kích hoạt thỏi uranium (hay plutonium) tại tâm tầng thứ cấp, và nó phát nổ. Do đó, nhiên liệu hợp hạch bị nén từ phía trên và bên dưới. Nó nhanh chóng đạt tới nhiệt độ đủ cao cho phản ứng hợp hạch xảy ra. Lúc này nhiên liệu có mật độ cao gấp một nghìn lần mật độ ban đầu của nó. Một phần tritium được tạo ra trong phản ứng hợp hạch, và trên thực tế xảy ra cả phản ứng D-D lẫn D-T.
Dễ dàng thấy từ đây rằng bom khinh khí có năng lượng của nó, hay sức nổ của nó, từ sự phân hạch lẫn hợp hạch. Vì thế vụ nổ tổng thể có thể xem là vụ nổ vừa phân hạch vừa nhiệt hạch, điều đó trông chẳng quan trọng mấy, nhưng có một sự khác biệt lớn giữa ở vụ nổ. Sau một vụ nổ phân hạch, chất phóng xạ gieo rãi khắp nơi, còn vụ nổ hợp hạch thì “sạch” về phương diện này. Vì thế, khi người ta nói tới chuyện chế tạo một quả bom sạch, hay không có bức xạ, là họ đang nói tới một quả bom chỉ có một vụ nổ phân hạch nhỏ thôi. Trên thực tế, có thể chế tạo một quả bom hạt nhân tương đối sạch.
Quả bom khinh khí lớn nhất của người Mĩ có sức nổ khoảng năm mươi megaton TNT. Liên Xô từng cho nổ một quả còn mạnh hơn quả này. Trên thực tế, có thể chế bom mạnh hơn bằng cách bổ sung thêm tầng cho chúng. Và, như đã trình bày ở phần trước, người ta cho rằng Liên Xô từng chế tạo bom ba tầng. Điều quan trọng đặc biệt liên quan đến sức mạnh của bom khinh khí, trên lí thuyết, là chẳng có giới hạn nào cho sức mạnh của chúng. Trong trường hợp bom nguyên tử, có một giới hạn như vậy.
Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>
