Thành viên:Ltncanada/nháp3

Bối cảnh

Việc chế tạo vũ khí hạt nhân bắt nguồn từ sự phát triển khoa học và chính trị những năm 1930. Trong thập niên 1930, nhân loại đã chứng kiến nhiều khám phá mới về bản chất của nguyên tử, bao gồm cả sự tồn tại của hiện tượng phân hạch hạt nhân. Sự trỗi dậy đồng thời của các chính phủ phát xít ở châu Âu khiến nhiều người lo sợ về việc Đức sẽ phát triển vũ khí hạt nhân, đặc biệt trong số đó có những nhà khoa học tị nạn từ Đức Quốc xã và các nước phát xít khác. Khi những nhà khoa học này tính toán được rằng việc tạo ra vũ khí hạt nhân về mặt lý thuyết là khả thi, chính phủ Anh và Hoa Kỳ đã ủng hộ nỗ lực toàn diện để phát triển vũ khí hạt nhân.[3]

Những nỗ lực này đã được chuyển giao cho chính quyền của Quân đội Hoa Kỳ vào tháng 6 năm 1942, và trở thành Dự án Manhattan.[4] Chuẩn tướng Leslie R. Groves, Jr., được bổ nhiệm làm giám đốc dự án vào tháng 9 năm 1942. [5] Trong dự án này, nhóm phát triển vũ khí được tập trung tại Phòng thí nghiệm Los Alamos ở phía bắc New Mexico, dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý J. Robert Oppenheimer. Đại học Chicago, Đại học Columbia và Phòng thí nghiệm bức xạ tại Đại học California, Berkeley, chịu trách nhiệm tiến hành các công việc phát triển khác. [6]

Với trình độ kỹ thuật vào thập niên 1940, việc sản xuất đồng vị phân hạch urani-235 và plutoni-239 là những công việc đòi hỏi đầu tư khổng lồ, chiếm đến 80% tổng chi phí của dự án. Việc làm giàu urani được thực hiện tại Clinton Engineer Works gần Oak Ridge, Tennessee. [7] Về mặt lý thuyết, việc làm giàu uranium là khả thi bằng cách áp dụng những kỹ thuật đã có từ trước, nhưng khó có thể mở rộng quy mô công nghiệp và cực kỳ tốn kém. Chỉ 0,72% urani có mặt trong tự nhiên là đồng vị urani-235, và người ta ước tính rằng sẽ mất 27.000 năm để sản xuất một gam urani bằng máy khối phổ kế từ một lượng urani lên đến hàng kilôgam. [8]

Plutoni là một nguyên tố nhân tạo có các tính chất vật lý, hóa học và luyện kim phức tạp. Trong tự nhiên, plutoni không tồn tại với số lượng đáng kể. Cho đến giữa năm 1944, plutoni đầu tiên đã được tạo ra bằng máy cyclotron với hàm lượng vài microgram, trong khi để sản xuất vũ khí cần dùng đến hàng kilogam. [9] Vào tháng 4 năm 1944, nhà vật lý Emilio Segrè, người đứng đầu Nhóm P-5 ở Phòng thí nghiệm Los Alamos, [10] đã nhận được mẫu plutoni đầu tiên sản xuất từ Lò phản ứng graphite X-10 tại Oak Ridge. Ông phát hiện ra rằng, ngoài đồng vị plutoni-239, nó còn chứa một lượng đáng kể đồng vị plutoni-240. [11] Sau đó, Dự án Manhattan đã bắt đầu sản xuất plutoni trong các lò phản ứng hạt nhân tại Hanford Engineer Works gần Hanford, Washington. [7]

Nếu plutoni bị chiếu xạ bên trong lò phản ứng càng lâu thì hàm lượng đồng vị plutoni-240 càng lớn, đồng vị này có tốc độ phân hạch tự phát cao gấp hàng nghìn lần đồng vị plutoni-239. Các neutron dư thừa mà plutoni-240 giải phóng dẫn đến khả năng rất cao là plutoni trong vũ khí phân hạch kiểu súng sẽ phát nổ quá sớm sau khi một khối lượng tới hạn được hình thành, tạo ra một "fizzle", tức là một vụ nổ hạt nhân nhỏ hơn nhiều lần so với một vụ nổ toàn phần. [11] Điều này có nghĩa là thiết kế bom Thin Man mà phòng thí nghiệm đã phát triển sẽ không thể hoạt động như mong muốn. [12]

Phòng thí nghiệm Los Alomos đã chuyển sang giải pháp thay thế, mặc dù khó hơn về mặt kỹ thuật, đó là thiết kế loại vũ khí hạt nhân kiểu nổ sập. Vào tháng 9 năm 1943, nhà toán học John von Neumann đã đề xuất một thiết kế gồm một lõi phân hạch được bao quanh bởi hai lớp thuốc nổ siêu thanh khác nhau có khả năng tạo ra sóng xung kích với tốc độ khác nhau. Việc xen kẽ hai loại chất nổ cháy nhanh và cháy chậm trong cùng một hình khối, khi chúng phát nổ đồng thời, sẽ giúp kết hợp và tạo thành một sóng xung kích nén duy nhất. Những thiết bị này, mang tên "thấu kính nổ", tập trung sóng xung kích hướng tâm với một lực đủ để nhanh chóng nén lõi plutoni xuống vài lần so với mật độ ban đầu của nó. Điều này làm giảm kích thước của khối lượng tới hạn, khiến nó đạt đến trạng thái siêu tới hạn. Nó cũng kích hoạt một nguồn bắn neutron ở trung tâm của lõi, đảm bảo rằng phản ứng dây chuyền bắt đầu vào đúng thời điểm. Một quá trình phức tạp như vậy đòi hỏi nghiên cứu và thử nghiệm về mặt kỹ thuật và thủy động lực học trước khi có thể phát triển thành một thiết kế thực tế. [13] Toàn bộ Phòng thí nghiệm Los Alamos được tái cơ cấu vào tháng 8 năm 1944 để tập trung vào việc thiết kế quả bom kiểu nổ sập. [14]

Quá trình chuẩn bị

Quyết định

Vào tháng 1 năm 1944, trong các cuộc thảo luận tại Los Alamos, người ta bắt đầu đề cập ý tưởng thử nghiệm vũ khí hạt nhân kiểu nổ sập; khi đủ số lượng ý kiến ủng hộ, Oppenheimer liên hệ Groves. Groves đã chấp thuận, nhưng ông có một số lo ngại. Dự án Manhattan đã tiêu tốn rất nhiều tiền bạc và công sức để sản xuất plutoni, và ông muốn biết liệu có cách nào để thu hồi lại nguyên liệu này sau vụ nổ hay không. Sau đó, Hội đồng quản trị của Phòng thí nghiệm Los Alamos đã chỉ đạo Norman Ramsey nghiên cứu xem việc này có thể được thực hiện như thế nào. Vào tháng 2 năm 1944, Ramsey đề xuất một thử nghiệm quy mô nhỏ, trong đó độ lớn của vụ nổ được giới hạn bằng cách giảm số lượng các bậc của phản ứng dây chuyền, và vụ nổ sẽ diễn ra bên trong một bồn chứa kín để từ đó có thể thu hồi plutoni. [15]

Tuy nhiên, người ta không chắc rằng có thể tạo ra một phản ứng kiểm soát như vậy không, và dữ liệu thu được sẽ không hữu ích bằng dữ liệu từ một vụ nổ quy mô toàn diện. [15] Oppenheimer lập luận rằng "thiết bị nổ sập phải được thử nghiệm trong phạm vi mà năng lượng giải phóng có thể so sánh được với quy mô dự kiến sử dụng cuối cùng." [16] Vào tháng 3 năm 1944, Groves lưỡng lự chấp thuận cho Oppenheimer tiến hành thử nghiệm một vụ nổ quy mô lớn bên trong một bồn chứa, mặc dù Groves vẫn lo lắng về việc ông sẽ giải thích thế nào trước Ủy ban Thượng viện về việc mất "một tỷ đô la" plutoni trong trường hợp vụ thử nghiệm thất bại. [15]