Việc phát minh ra lò phản ứng hạt nhân là một trong những khoảnh khắc quyết định của thế kỷ 20. Bình minh của thời đại nguyên tử có thể đã được mở ra bằng vụ nổ vũ khí hạt nhân đầu tiên, nhưng hạt giống cho thời điểm đó và những thay đổi chính trị-xã hội to lớn diễn ra sau đó đã được các nhà khoa học như Enrico Fermi thêu dệt từ nhiều năm trước.

Thật vậy, Fermi, một nhà vật lý người Ý khi đó đang làm việc tại Mỹ với tư cách là nhân vật chủ chốt trong Dự án Manhattan, đã tạo ra bước đột phá quan trọng vào năm 1942, tạo ra phản ứng dây chuyền hạt nhân nhân tạo đầu tiên trên một sân bóng quần ở Đại học Chicago. Lò phản ứng của Fermi là thử nghiệm quan trọng cho phép tiến bộ của Dự án Manhattan, dẫn đến Thử nghiệm Trinity (vụ nổ đầu tiên của vũ khí hạt nhân ở New Mexico) ba năm sau đó, và tất nhiên, các vụ đánh bom tiếp theo ở Hiroshima và Nagasaki đã kết thúc Thế giới. Chiến tranh thứ hai.

Một thần đồng trẻ tuổi

Sinh ra ở Rome vào năm 1901, Enrico Fermi quan tâm đến vật lý và toán học được đánh thức ở tuổi thiếu niên khi ông tìm thấy một cuốn sách cũ dày 900 trang trình bày về toán học, cơ học cổ điển, thiên văn học, quang học và âm học khi chúng được hiểu vào thời điểm xuất bản năm 1840. Niềm đam mê đang phát triển này được chú ý bởi một người bạn của cha anh, Adolfo Amidei, người biếtđủ về khoa học để nhận ra tài năng xuất chúng của cậu bé. Amidei mô tả Fermi là “một thần đồng, ít nhất là về mặt hình học” và đã tự mình bồi dưỡng trí tuệ của Fermi, cung cấp sự cố vấn và rất nhiều sách.

Enrico Fermi thời trẻ vào năm 1917

Tín dụng hình ảnh: G. Cerri, Phạm vi công cộng, qua Wikimedia Commons

Kỳ vọng của Amidei nhanh chóng được hiện thực hóa. Fermi tốt nghiệp trung học vào tháng 7 năm 1918, bỏ qua năm thứ ba hoàn toàn và giành được học bổng của Scuola Normale Superiore của Pisa. Nhận được vòng nguyệt quế (bằng tiến sĩ) ở độ tuổi 20 trẻ bất thường, Fermi bắt tay vào một sự nghiệp học tập đáng gờm. Năm 1926, ông khám phá ra các định luật thống kê (ngày nay gọi là 'thống kê Fermi') chi phối các hạt tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli (nay gọi là Fermion). Một năm sau, ông được bầu làm Giáo sư Vật lý Lý thuyết tại Đại học Rome.

Vào cuối nhiệm kỳ của mình tại Rome, nghiên cứu mang tính đột phá của ông về hạt nhân nguyên tử đã mang lại một số bước đột phá quan trọng, không kém phần quan trọng. đề xuất năm 1934 của ông rằng neutron (được phát hiện bởi James Chadwick hai năm trước đó) có thể được sử dụng để phân tách các nguyên tử. Năm 1938, Fermi, lúc đó mới 37 tuổi, đã nhận giải Nobel Vật lý vì “chứng minh sự tồn tại của các nguyên tố phóng xạ mới được tạo ra bởi bức xạ neutron và vì khám phá liên quan của ông vềphản ứng hạt nhân do neutron chậm gây ra”.

Thoát khỏi nước Ý phát xít

Nhận giải thưởng Nobel là một khoảnh khắc đủ quan trọng trong cuộc đời của bất kỳ ai, nhưng nó trở nên có ý nghĩa đặc biệt hơn trong câu chuyện của Enrico Fermi. Khi ông được trao giải thưởng vào năm 1938, vào lúc Thế chiến thứ hai đang ở đỉnh điểm, chế độ của Benito Mussolini đã hạn chế việc đi lại đối với những người Ý có công việc được coi là quan trọng đối với an ninh quốc gia. Nhưng giải thưởng của Fermi đủ quan trọng để ông được phép đến Thụy Điển để nhận giải thưởng.

Từng là thành viên của Đảng Phát xít, Fermi đã vỡ mộng vào năm 1938 và ông là người lớn tiếng chỉ trích các cải cách về chủng tộc giới thiệu vào năm đó. Trước hết, vợ của Fermi, Laura, là người Do Thái và có thể phải đối mặt với sự ngược đãi. Được trao cơ hội đi du lịch đến Thụy Điển, anh ấy đã đưa Laura và hai đứa con của họ đi cùng. Họ không bao giờ quay trở lại.

Benito Mussolini, thủ lĩnh của Vương quốc phát xít Ý

Tín dụng hình ảnh: Tác giả không xác định, Phạm vi công cộng, qua Wikimedia Commons

Đã nhận được nhận giải thưởng Nobel ở Stockholm, Thụy Điển, Fermi và gia đình lên đường đến New York, nơi ông ngay lập tức được mời làm việc tại năm trường đại học. Anh ấy đã nhận một vai trò tại Columbia và tiếp tục nghiên cứu về neutron. Nhưng đó là khoảng thời gian bận rộn đối với bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực vật lý nguyên tử. Gần như không có thời gian để ổn định với cuộc sống mới, công việc của Fermi đã bị rung chuyển bởi tin tức từ Đức. sớm1939 Otto Hahn và Fritz Strassmann đã phát hiện ra nguyên tố bari sau khi bắn phá uranium bằng neutron, kết quả báo hiệu khả năng phân hạch hạt nhân.

Ở một mức độ nào đó, phát hiện này đã khiến Fermi bối rối, người đã bác bỏ khả năng phân hạch trong ba năm sớm hơn, nhưng ông nhanh chóng nhận ra tầm quan trọng của phát hiện này và ý nghĩa to lớn của nó. Được thúc đẩy bởi khả năng hiện thực hóa phản ứng dây chuyền hạt nhân có kiểm soát, ông bắt đầu thực hiện một loạt thí nghiệm dẫn đến việc tạo ra lò phản ứng hạt nhân đầu tiên.

Fermi cũng nhanh chóng nhận ra ứng dụng quân sự tiềm năng của người Đức phát hiện của các nhà hóa học và bày tỏ mối quan tâm của mình trong một bài giảng tại Bộ Hải quân vào ngày 18 tháng 3 năm 1939. Vài tháng sau, ông đồng ký vào một lá thư (cùng với Albert Einstein, Edward Teller và Eugene Wigner) do nhà vật lý Leo Szilard viết và gửi tới Tổng thống Franklin D. Roosevelt. Bức thư cảnh báo rằng Đức có thể phát triển bom nguyên tử và gợi ý rằng Hoa Kỳ nên bắt đầu chương trình hạt nhân của riêng mình.

Kiến trúc sư của thời đại hạt nhân

Vào tháng 2 năm 1940, Hải quân Hoa Kỳ đã tài trợ cho Đại học Columbia 6.000 đô la, phần lớn trong số đó Fermi và Szilard đã chi để mua than chì để xây dựng lò phản ứng mà họ hy vọng có thể xác minh công việc của Hahn và Strassmann.

Ernest O. Lawrence, Fermi (giữa) và IsidorIsaac Rabi

Tín dụng hình ảnh: Lưu trữ Quốc gia tại College Park, Phạm vi công cộng, thông qua Wikimedia Commons

Hai năm thử nghiệm diễn ra sau đó, tích lũy hơn 6.000 đô la chi phí đáng kể và kéo theo việc xây dựng nhiều 'nguyên tử' cọc', nhưng phải đến khi thành lập Chicago Pile-1 tại Stagg Field, một sân bóng bầu dục Mỹ phần lớn không được sử dụng ở ngoại ô Chicago, Fermi cuối cùng cũng đạt được phản ứng dây chuyền hạt nhân.

Fermi và nhóm của anh ấy đã định cư tại địa điểm - một không gian dưới khán đài ở Stagg Field thỉnh thoảng chỉ được sử dụng làm sân bóng quần và bóng ném - bởi vì, không giống như hầu hết các tài sản thuộc sở hữu của trường đại học, nó nằm ở ngoại ô Chicago. Họ rất muốn tránh rủi ro khi xây dựng một lò phản ứng đang hoạt động ở khu vực đông dân cư.

Fermi giám sát việc xây dựng một lò phản ứng bao gồm uranium và uranium oxide trong một mạng lập phương nhúng trong than chì. Cấu trúc này được bọc trong một quả bóng bay hình lập phương dài 25 foot để không khí bên trong có thể được thay thế bằng carbon dioxide. Xét về tầm quan trọng của dự án, đây là một công việc xây dựng khá tạm bợ được thực hiện với sự hỗ trợ của 30 học sinh trung học bỏ học muốn kiếm tiền trước khi nhập ngũ.

Thời khắc quan trọng đã đến vào ngày 2 tháng 12 Năm 1942. Buổi sáng hôm đó, thí nghiệm tiến hành như bình thường – các thanh điều khiển lần lượt được lấy ra khỏi cọc.một, gợi ra những kết quả đáng khích lệ từ bộ đếm Geiger… Cho đến khi quá trình tố tụng bị dừng đột ngột. Thanh điều khiển tự động đã tự lắp lại do mức hành trình của nó được đặt quá thấp. Trên đỉnh của một bước đột phá lịch sử, Fermi quyết định kêu gọi nghỉ trưa.

Thí nghiệm tiếp tục sau bữa trưa và tiến độ đầy hy vọng trêu chọc của buổi sáng đã sớm được xác minh; Lò phản ứng của Fermi đạt tới mức tới hạn và lịch sử đã thay đổi mãi mãi. Nhóm đã mở một chai Chianti và nâng ly chúc mừng bước đột phá của họ bằng cốc giấy.

Trưởng dự án đặc biệt Arthur Compton đã được ghi lại thông báo cho James B. Conant, Chủ tịch Ủy ban Nghiên cứu Quốc phòng:

Compton: Nhà hàng hải người Ý đã đặt chân đến Tân Thế giới.

Conant: Người bản xứ thế nào?

Compton: Rất thân thiện