Bộ Năng lượng Hoa Kì Trần Nghiêm dịch L CH S I N H T NHÂN Lịch sử Điện hạt nhân Bộ Năng lượng Hoa Kì Trần Nghiêm dịch Lịch sử lượng hạt nhân Mặc dù chúng nhỏ bé, nguyên tử có lượng lớn lượng giữ chúng lại với Các đồng vị định số nguyên tố có khả phân tách giải phóng lượng chúng dạng nhiệt Sự phân tách gọi phân hạch Nhiệt giải phóng phân hạch dùng để giúp phát điện nhà máy điện Uranium 235 (U-235) đồng vị dễ dàng phân hạch Trong phân hạch, nguyên tử U-235 hấp thụ neutron chậm Sự hấp thụ làm cho U-235 trở nên không bền phân tách thành hai nguyên tử nhẹ gọi sản phẩm phân hạch Tổng khối lượng sản phẩm phân hạch nhỏ khối lượng U-235 ban đầu Sự suy giảm khối lượng xảy phần vật chất chuyển hóa thành lượng Năng lượng giải phóng dạng nhiệt Hai ba neutron giải phóng kèm theo với nhiệt Các neutron va chạm với nguyên tử khác, gây nhiều phân hạch Một chuỗi phân hạch liên tiếp gọi phản ứng dây chuyền Nếu đủ lượng uranium mang lại với điều kiện định, xảy phản ứng dây chuyền liên tục Hiện tượng gọi phản ứng dây chuyền tự trì Một phản ứng dây chuyền tự trì sinh lượng nhiệt lớn, dùng để giúp phát điện Nhà máy điện hạt nhân phát điện theo kiểu giống nhà máy điện nước khác Nước đun nóng, nước bốc lên từ nước sôi làm quay tuabin phát điện Sự khác biệt chủ yếu loại nhà máy điện nước nguồn sinh nhiệt Trong nhà máy điện hạt nhân, nhiệt phát từ phản ứng dây chuyền tự trì làm sôi nước Trong nhà máy khác, người ta đốt than đá, dầu lửa, khí thiên nhiên để đun sôi nước 2 Lời nói đầu Khái niệm nguyên tử tồn nhiều kỉ Nhưng gần đây, bắt đầu hiểu sức mạnh khủng khiếp chứa khối lượng nhỏ xíu Trong năm trước Thế chiến thứ hai, nghiên cứu hạt nhân chủ yếu tập trung vào phát triển loại vũ khí phòng thủ Sau đó, nhà khoa học tập trung vào công dụng hòa bình công nghệ hạt nhân Một công dụng quan trọng lượng hạt nhân phát điện Sau nhiều năm nghiên cứu, nhà khoa học ứng dụng thành công công nghệ hạt nhân cho nhiều mục đích khoa học, y khoa, công nghiệp khác Tập sách mỏng trình bày sơ lược lịch sử khám phá nguyên tử Chúng ta bắt đầu với ý tưởng nhà triết học Hi Lạp cổ đại Sau đó, dõi theo hành trình đến với nhà khoa học khám phá tượng phóng xạ Cuối cùng, đến với công dụng đại nguyên tử nguồn lượng vô giá Tập sách mỏng trình bày biên niên sử chi tiết lịch sử điện hạt nhân bảng thuật ngữ Chúng hi vọng bảng thuật ngữ giải thích số khái niệm mẻ số độc giả việc nghiên cứu phần biên niên sử khuyến khích quý độc giả tìm hiểu thêm tài nguyên liệt kê danh sách tham khảo Như thế, bạn tự khám phá nỗ lực nước Mĩ nhằm phát triển làm chủ thứ công nghệ đầy sức mạnh 3 Giới thiệu Bản tính người vốn thích kiểm nghiệm, quan sát mơ ước Lịch sử lượng hạt nhân câu chuyện giấc mơ nhiều kỉ trở thành thực Các nhà triết học Hi Lạp cổ đại người phát triển quan niệm toàn thể vật chất cấu thành từ hạt không nhìn thấy gọi nguyên tử Từ nguyên tử phát sinh từ tiếng Hi Lạp, atomos, nghĩa chia cắt Các nhà khoa học vào kỉ 18 19 làm hồi sinh khái niệm dựa thí nghiệm họ Vào năm 1900, nhà khoa học biết nguyên tử chứa lượng lớn lượng Nhà vật lí người Anh Ernest Rutherford gọi cha đẻ ngành khoa học hạt nhân đóng góp ông cho lí thuyết cấu trúc nguyên tử Vào năm 1904, ông viết: Nếu người ta điều khiển tốc độ phân rã nguyên tố phóng xạ, người ta thu lượng lớn lượng từ lượng nhỏ vật chất Albert Einstein phát triển lí thuyết ông mối quan hệ lượng khối lượng vào năm sau Biểu thức toán học E = mc2, hay “năng lượng khối lượng nhân với bình phương tốc độ ánh sáng” Mất gần 35 năm để người ta chứng minh cho lí thuyết Einstein 4 Khám phá phân hạch Năm 1934, nhà vật lí Enrico Fermi đạo thí nghiệm Rome chứng tỏ neutron có khả phân tách nhiều loại nguyên tử Các kết khiến Fermi lấy làm ngạc nhiên Khi ông dùng neutron bắn phá uranium, ông nguyên tố mà ông trông đợi Các nguyên tố nhẹ nhiều so với uranium Enrico Fermi, nhà vật lí người Italy, lãnh đạo đội khoa học tạo phản ứng hạt nhân dây chuyền tự trì Mùa thu năm 1938, nhà vật lí người Đức Otto Hahn Fritz Strassman bắn neutron phát từ nguồn chứa nguyên tố radium beryllium vào uranium (số nguyên tử 92) Họ thật bất ngờ tìm thấy nguyên tố nhẹ hơn, ví dụ barium (số nguyên tử 56), chất liệu lại Những nguyên tố có khối lượng nguyên tử khoảng phân nửa uranium Trong thí nghiệm trước đó, chất liệu lại nhẹ uranium tí Hahn Strassman liên hệ với Lise Meitner Copehagen trước đưa công bố khám phá họ Bà đồng nghiệp người Áo buộc phải chạy trốn khỏi chế độ phát xít Đức Bà làm việc với Niels Bohr người cháu trai, Otto R Fitsch Meitner Fitsch nghĩ barium nguyên tố nhẹ chất liệu lại thu từ uranium phân rã – hay phân hạch Tuy nhiên, bà cộng số nguyên tử sản phẩm phân hạch, chúng không khối lượng tổng uranium Meitner sử dụng lí thuyết Einstein chứng tỏ phần khối lượng bị biến đổi thành lượng Phát kiến chứng tỏ phân hạch tồn xác nhận lí thuyết Einstein 5 Phản ứng dây chuyền tự trì Năm 1939, Bohr đến Mĩ Ông chia sẻ với Einstein khám phá Hahn-StrassmanMeitner Bohr gặp Fermi hội nghị vật lí lí thuyết thủ đô Washington Họ thảo luận khả hấp dẫn phản ứng dây chuyền tự trì Trong trình vậy, nguyên tử phân tách để giải phóng lượng lớn lượng Các nhà khoa học khắp giới bắt đầu tin phản ứng dây chuyền tự trì Nó xảy đủ lượng uranium mang vào điều kiện thích hợp Lượng uranium cần thiết để tạo phản ứng dây chuyền tự trì gọi khối lượng tới hạn Fermi người phụ tá ông, Leo Szilard, đề xuất mẫu cho lò phản ứng uranium dây chuyền vào năm 1941 Mô hình họ gồm uranium đặt đụn graphite tạo thành khung chất liệu phân hạch kiểu hình lập phương Leo Szilard Đầu năm 1942, nhóm nhà khoa học Fermi đứng đầu tập trung trường Đại học Chicago để phát triển lí thuyết họ Tháng 11 năm 1942, thứ sẵn sàng cho việc bắt đầu xây dựng lò phản ứng hạt nhân giới, trở nên tiếng Cột Chicago Cái cột dựng đứng mảnh sân hình bí bên sân vận động trường Đại học Chicago Ngoài uranium graphite, chứa điều khiển cadmium Cadmium nguyên tố kim loại hấp thụ neutron Khi có mặt cadmium cột, có neutron làm phân hạch nguyên tử uranium Việc làm phản ứng dây chuyền chậm lại Khi bị lấy ra, có nhiều neutron sẵn sàng làm phân tách nguyên tử Phản ứng dây chuyền tăng tốc Vào buổi sáng ngày tháng 12 năm 1942, nhà khoa học sẵn sàng để bắt đầu trình diễn Cột Chicago Fermi lệnh rút điều khiển lần vài inch vài sau Cuối cùng, lúc 3:25 chiều, Chicago, phản ứng hạt nhân trở thành tự trì Fermi nhóm ông chuyển hóa thành công lí thuyết khoa học thành thực công nghệ Thế giới bước vào kỉ nguyên hạt nhân