Các thử nghiệm hạt nhân đã thay đổi như thế nào theo thời gian?

75 năm sau các vụ thử hạt nhân nổ đầu tiên, giờ đây công nghệ và các cỗ máy tính tinh vi đã cho phép các nhà vật lý Mỹ hiểu biết về những loại vũ khí hủy diệt này rõ hơn bao giờ hết.

Ngay trước khi mặt trời mọc vào ngày 16/7/1945, 75 năm trước, một phần của sa mạc tại bang New Mexico (Mỹ) đã bị thiêu hủy trong thử nghiệm đầu tiên về vũ khí hủy diệt nhất từng được tạo ra. Quả bom plutonium được sử dụng cho thử nghiệm Trinity đã để lại một miệng hố sâu 1,5 mét trên mặt đất và biến cả vùng sa mạc xung quanh thành một tấm kính màu xanh lá cây từ ảnh hưởng của phóng xạ. Vụ nổ phủ lấp các đỉnh của dãy núi Oscura gần đó trong một lớp ánh sáng trắng chói mắt, cũng như khiến hàng chục nhà quan sát khoa học từ cách đó 30 km cảm nhận một làn sóng nhiệt mênh mông tràn qua. Khi ánh sáng từ vụ nổ mờ dần, một trong những kiến ​​trúc sư chế tạo quả bom, Kenneth Bainbridge, đã đưa ra một đánh giá sâu sắc về sự kiện này với J. Robert Oppenheimer, nhà khoa học chính của dự án: "Hiện giờ tất cả chúng ta đều là một lũ khốn nạn".

Và dường như người đàn ông này đã nói đúng. Chưa đầy một tháng sau, Mỹ đã thả loại bom tương tự xuống Nagasaki, Nhật Bản, chỉ ba ngày sau khi kích nổ một đầu đạn hạt nhân nhỏ hơn ở Hiroshima. Nó đã kết thúc Thế chiến II một cách hiệu quả, nhưng cái giá đắt phải trả là sự sống của hơn 100.000 thường dan, cũng như hậu quả đau khổ kéo dài cho những người sống sót.

Vụ đánh bom Nagasaki là lần thứ hai và cũng là lần cuối cùng một quốc gia triển khai vũ khí hạt nhân trong chiến đấu. Nhưng đó không phải là vụ nổ hạt nhân cuối cùng, mặc dù Bainbridge và nhiều đồng nghiệp của ông đã sử dụng cả quãng đời còn lại để vận động nhằm kết thúc các vụ thử hạt nhân. Vào thời điểm Mỹ ký Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện của Liên hợp quốc vào năm 1996 và đồng ý ngừng các vụ nổ hạt nhân, các nhà vật lý và kỹ sư người Mỹ đã tiến hành hơn 1.000 thử nghiệm. Họ đã cho nổ tung các vũ khí hạt nhân thử nghiệm trong lòng đại dương. Họ cũng cho nổ chúng lên đất liền. Thậm chí thổi tung chúng trong không gian. Họ thả chúng xuống từ máy bay, phóng chúng trên tên lửa, chôn chúng dưới lòng đất. Một đội quân nhỏ gồm các nhà khoa học về vũ khí của Mỹ thậm chí chỉ có nhiệm vụ duy nhất là làm nổ tung các loại vũ khí hạt nhân mỗi khi họ có được, và ở đỉnh cao của chương trình thử nghiệm quốc gia này, họ đã trung bình tạo ra một vụ nổ mỗi tuần.

Hiệp ước cấm thử nghiệm có ý nghĩa chấm dứt tất cả. Các thử nghiệm hạt nhân trong bầu khí quyển đã bị quốc tế cấm từ đầu những năm 1960 do những lo ngại về sức khỏe từ bụi phóng xạ và các mối nguy hiểm khác. Những nỗi sợ này không phải thiếu căn cứ. Vào những năm 1950, các nhà vật lý Mỹ đã tính toán sai lầm hiệu suất nổ của một quả bom nhiệt hạch trong một thử nghiệm ở Thái Bình Dương, khiến bụi phóng xạ được phát hiện sau đó ở tận Ấn Độ. Tiếp xúc với bụi phóng xạ gây ra các bệnh phóng xạ trên cư dân của các hòn đảo xung quanh khu vực thử nghiệm, thậm chí một nhóm ngư dân Nhật Bản đã bị bỏng phóng xạ nghiêm trọng khi bụi rơi xuống thuyền của họ. Tính toán sai lầm dạng này khá phổ biến tại thời điểm đó. Chỉ vài năm sau, một máy bay ném bom đã vô tình làm rơi vũ khí hạt nhân vào căn cứ không quân Kirtland ở ngoại ô thành phố Albuquerque, bang New Mexico, Mỹ.

Số lượng các thử nghiệm hạt nhân trong thực tế của Mỹ theo thời gian.

Chính quyền Washington đã ký Hiệp ước cấm thử vũ khí hạt nhân một phần trong thỏa thuận song phương với Liên Xô để chấm dứt các cuộc thử nghiệm trên mặt đất vào năm 1963. Nhưng với khái niệm "trên mặt đất", nên các thử nghiệm hạt nhân vẫn tăng tốc và bị đẩy xuống lòng đất. Kho vũ khí hạt nhân của Mỹ đạt đỉnh điểm vào năm 1967 với 31.255 đầu đạn hạt nhân và chúng đã phát nổ nhiều trong suốt 7 năm sau lệnh cấm thử nghiệm một phần, chẳng khác gì 18 năm trước.

"Với các thử nghiệm hạt nhân, các kỹ sư phải chịu áp lực liên tục để thiết kế vũ khí mới, chế tạo nó, đặt nó xuống một lỗ, thổi tung nó lên và sau đó chuyển sang cái tiếp theo", Hugh Gusterson, nhà nghiên cứu nhân chủng học tại Đại học British Columbia và một chuyên gia về các yếu tố con người trong nghiên cứu vũ khí hạt nhân, chia sẻ. "Các nhà khoa học không có cơ hội để tạm dừng và hít thở".

Rõ ràng, điều này đã chống lại tinh thần giải giáp và giảm kho vũ khí hạt nhân của thế giới, vốn là mục tiêu có mục đích của các quốc gia sở hữu hạt nhân trên thế giới kể từ những năm 1960. Các thử nghiệm không đảm bảo rằng các vũ khí hạt nhân của Mỹ vẫn hoạt động hoặc giúp họ tìm hiểu về các vấn đề vật lý cơ bản của vũ khí. Họ đã tạo ra những quả bom lớn hơn và tốt hơn.

"Một vài trong số các thử nghiệm là các bài kiểm tra độ tin cậy, khi bạn làm nổ tung chúng lên để xem liệu các vũ khí này có còn hoạt động hay không", Gusterson kể lại. "Họ đã tiến hành gần như tất cả các thử nghiệm để phát triển các thiết kế mới".

Địa điểm thử nghiệm hạt nhân dưới lòng đất tại Nevada, Mỹ.

Mỹ cuối cùng đã kết thúc tất cả các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất vào đầu những năm 1990 trong giai đoạn đầu của Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện, bất chấp sự phản đối của người đứng đầu ba phòng thí nghiệm vũ khí quốc gia ở Lawrence Lawrencemore, Sandia và Los Alamos.

"Họ lo ngại rằng lệnh cấm sẽ làm giảm độ tin cậy của vũ khí hạt nhân của Mỹ và ngăn thế hệ các nhà thiết kế và kỹ sư vũ khí hạt nhân tiếp theo học hỏi được từ các công cụ này", Gusterson nói. "Nhưng có lẽ quan trọng nhất, họ đã thấy lệnh cấm là mối đe dọa đối với sự tồn tại của phòng thí nghiệm. Cả ba đã được thành lập để tiếp tục phát triển kho vũ khí hạt nhân của Mỹ. Vậy điều gì sẽ giữ chúng tồn tại nếu không có các vụ thử nghiệm hạt nhân?".

Mark Chadwick, nhà khoa học trưởng trong Ban Vật lý Vũ khí Los Alamos, đã đến phòng thí nghiệm quốc gia này vào năm 1990 khi vừa mới kết thúc chương trình tiến sĩ vật lý tại đại học Oxford.

"Vào thời điểm đó có rất nhiều cuộc tranh luận giữa các nhà khoa học ở Los Alamos về tương lai của phòng thí nghiệm, hoặc liệu nó có tương lai gì không. Một số người nghĩ rằng các phòng thí nghiệm thực sự sẽ phải vật lộn để tìm kiếm doanh thu và các nhiệm vụ răn đe hạt nhân sẽ biến mất dần", Mark Chadwick nhớ lại. "Nói chung, sự bi quan về việc nhiệm vụ an ninh quốc gia này sẽ không còn quan trọng đã sớm được chứng minh là đúng Và khá nhanh chóng, nó hiển hiện ngay trên thực tế".

Mỹ đã tiến hành vụ thử hạt nhân nổ cuối cùng vào tháng 9/1992. Ngày nay, các nghiên cứu về vũ khí hạt nhân của quốc gia này tập trung vào các thử nghiệm độ tin cậy và bảo trì, cho khoảng 4.000 đầu đạn đang hoạt động trong kho vũ khí của mình, trong một chương trình được gọi chung là "quản lý kho dự trữ". Sau lệnh cấm thử nghiệm, chính phủ Mỹ đã tài trợ cho chương trình quản lý mới để giữ cho vũ khí của quốc gia này không bị dập tắt.

Những các nhà khoa học vũ khí lại bắt đầu tiến hành cái gọi là "ảo hóa các vụ thử hạt nhân", thông qua việc sử dụng các loại laser và siêu máy tính mạnh nhất trên thế giới để tìm hiểu những vũ khí này, thay vì trực tiếp thổi tung chúng. Các nhà vật lý tại các phòng thí nghiệm làm việc trên các thiết bị thí nghiệm tốt nhất có thể mua bằng tiền, dựa trên nguồn ngân sách đã phình to dưới thời tổng thống Donal Trump.

"Lĩnh vực này vẫn đang bùng nổ, ngay cả khi không có các thử nghiệm hạt nhân", Gusterson cho biết.

Trung tâm của chương trình quản lý kho dự trữ của Mỹ là Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore, một khu phức hợp rộng lớn cách không xa vịnh San Francisco. Đây là đầu não của National Ignition Facility, nơi sử dụng tia laser mạnh nhất thế giới để tạo lại các điều kiện tương tự như trong trung tâm của một quả bom hạt nhân khi nó phát nổ.

"Đây không phải là quá đủ để thay thế thử nghiệm hạt nhân, nhưng đó là một quan điểm rất khác, phong phú hơn về những gì đang xảy ra trong một vũ khí khi nó hoạt động", Kim Budil, một trong các chuyên gia đầu não của khu phức hợp cho biết.

Các thử nghiệm hạt nhân luôn phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Dĩ nhiên, nhiệm vụ chính của nó là tạo ra lớp phòng vệ, dựa trên sức mạnh ngày càng tăng trong việc kiểm soát để làm nản lòng các quốc gia khác. Và trở lại với thời kỳ thử nghiệm vũ khí hạt nhân trong thực tế, các kiến ​​trúc sư vũ khí đã sẵn sàng làm mọi thứ họ có thể để tìm ra chính xác những gì đang xảy ra bên trong một vụ nổ. Mỗi quả bom được trang bị các cảm biến trị giá hàng chục triệu USD, được thiết kế để thu thập dữ liệu trong một phần nhỏ của một giây trước khi chúng bị phá hủy. Hiện nay, công nghệ ảo hóa cho phép các nhà khoa học đào sâu hơn vào vấn đề vật lý của quả bom hơn.

"Chúng tôi có những loại dữ liệu và chất lượng dữ liệu không thể tưởng tượng được trong thời kỳ thử nghiệm, chỉ từ những tiến bộ trong công nghệ thử nghiệm", bà Budil cho biết.

Bên trong trung tâm National Ignition Facility, ở Lawrence Livermore.

Ví dụ, các nhà vật lý tại Livermore quan tâm đến việc những khiếm khuyết nhỏ trong vật liệu được sử dụng trong một quả bom sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của nó như thế nào. Họ có thể đưa các mẫu vật liệu nhỏ vào các mục tiêu có thể chỉ dài vài mm. Sau đó truyền một lượng năng lượng khổng lồ bằng 192 chùm tia laser nhắm vào mục tiêu, khiến đối tượng nóng lên tới hơn 5,4 triệu độ F. Nếu mục tiêu tạo ra một khoang cân bằng lý tưởng gọi là gọi là hohlraum, các tia laser sẽ khiến nó hoạt động giống như một lò tạo ra tia X và gây sốc cho vật liệu bên trong với một lượng phóng xạ cao. Các nhà khoa học có thể sử dụng thiết bị hiện đại để chụp ảnh nhằm nghiên cứu cách tia X tương tác với vật liệu, để tìm hiểu thứ có liên quan để việc bảo vệ vũ khí hạt nhân khỏi một số loại hệ thống phòng thủ tên lửa.

Và các dữ liệu độc đáo thu được dựa trên công nghệ hiện đại là điều mà các nhà khoa học trước đó không thể làm với các thử nghiệm vũ khí trong thực tế. Nó cũng tạo cơ hội cho các nhà khoa học được nhìn thấy những thứ bất khả thi trước đó, như lõi của một quả bom khi nó phát nổ.

Bên cạnh đó, các thử nghiệm "cận lâm sàng" khác cũng được thực hiện tại một địa điểm thuộc Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia ở sa mạc Nevada. Tại đây, các nhà nghiên cứu vật liệu tìm hiểu về vật liệu nổ (phi hạt nhân) để nghiên cứu cách chúng phản ứng với vụ nổ hạt nhân thực sự. Ví dụ, các nhà vật lý sử dụng một khẩu súng chạy bằng khí dài 18 mét có tên là Jasper để bắn đạn vào plutonium. Những viên đạn đạt tốc độ khoảng 27.000 km/h tạo sóng xung kích khi xuyên qua vật liệu. Bằng cách nghiên cứu cách plutonium phản ứng với những áp lực và nhiệt độ ở mức này, các nhà vật lý có thể hiểu rõ hơn về cách nó sẽ hoạt động bên trong một vũ khí hạt nhân khi phát nổ.

Dữ liệu từ các thí nghiệm này sau đó được sử dụng để xác minh và dự đoán mô phỏng vũ khí hạt nhân, thông qua siêu máy tính Sierra ở Livermore, cũng như để tinh chỉnh mô hình của các hệ thống vũ khí được cung cấp cho nó. Sierra là siêu máy tính nhanh thứ ba trên thế giới và theo bà Budil, các mô hình của nó được sử dụng để hiểu "những thay đổi trong kho dự trữ theo thời gian có thể ảnh hưởng đến an toàn hoặc hiệu quả của vũ khí".

Nhưng nữ giám đốc trung tâm này cũng cảnh báo rằng các mô hình của máy tính chỉ tốt về mặt dữ liệu, và điều này sẽ thúc đẩy các nhà vật lý tại phòng thí nghiệm tiến hành các thí nghiệm tinh vi và nhạy cảm hơn.

"Máy tính mà chúng ta đang sử dụng ngày nay thật phi thường", bà Budil nói. "Tuy nhiên, đại khái thì chúng chỉ biết những gì chúng ta biết. Vì vậy, nếu có những khoảng trống trong các mô hình, chúng sẽ không đưa ra câu trả lời đúng. Chúng tôi lấp đầy khoảng trống đó bằng dữ liệu thử nghiệm."

Siêu máy tính Sierra tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore.

Mặc dù chỉ thị chính của các phòng thí nghiệm vũ khí tại Mỹ là tiến hành các thí nghiệm để đảm bảo các vũ khí hạt nhân trong kho hoạt động đáng tin cậy, nhưng nó cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu các vấn đề khoa học không liên quan đến chiến tranh. Michael Cuneo là người quản lý cấp cao tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, một cơ sở thử nghiệm đơn lẻ tạo ra các điều kiện mà bạn không thể tìm thấy ở nơi nào khác trên Trái đất. Không quá một lần mỗi ngày, các tụ điện khổng lồ gần cơ sở này phải chịu một lượng điện cực lớn được giải phóng cùng một lúc, và xung điện mạnh đến nỗi nó làm cho mặt đất xung quanh cơ sở này rung chuyển. Mỗi "phát bắn" này tạo ra năng lượng điện gấp 1.000 lần năng lượng của một tia sét và tất cả đều tập trung vào một mục tiêu có kích thước tính bằng milimét.

Giống như nhiều trung tâm khác, một trong những mục tiêu chính tại đây là nghiên cứu các phản ứng nhiệt hạch xảy ra khi nổ tung mục tiêu ở tốc độ hơn 4.800 km mỗi giây. Nhưng áp lực và nhiệt độ cực đoan xảy ra xung quanh mục tiêu, đôi khi vượt quá 3 tỷ độ F. Và điều này cũng khiến nó trở thành một cách tuyệt vời để nghiên cứu các điều kiện trong một vụ nổ hạt nhân.

Cuneo ước tính rằng khoảng 10% các thử nghiệm tại đây là dành cho các thí nghiệm khoa học cơ bản. Tuy nhiên, nền tảng thử nghiệm tương tự và các kỹ thuật tương tự cũng được sử dụng để điều tra hiệu suất của các vật liệu có liên quan đến vũ khí hạt nhân.

"Ngày nay, việc bảo trì vũ khí đã thay thế khả năng phát triển vũ khí và cách thể hiện sức mạnh tiềm ẩn của quốc gia thông qua thử nghiệm hạt nhân đã được thay thế bằng một sức mạnh mềm", chuyên gia Gusterson chia sẻ.

Ông kể lại cách John Immele, phó giám đốc an ninh quốc gia tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, đưa ra ví dụ rằng vào những năm 90, Mỹ có thể thể hiện ưu thế hạt nhân của mình bằng cách cử các nhà khoa học ra thuyết trình tại các hội nghị. Điều này sẽ gây ấn tượng với thế giới về việc các nhà khoa học vũ khí của Mỹ biết rõ công cụ của họ tới mức nào. Và hàm ý sau cùng là nếu bạn có ý gì với Mỹ, họ sẽ áp dụng các kiến ​​thức đó với bạn.

"Các thử nghiệm hạt nhân còn được thiết kế giống các thử nghiệm trong thời Chiến tranh Lạnh, khi việc bạn làm Trái đất rung chuyển là cách để báo hiệu cho những gì bạn có thể làm với các thành phố", Gusterson nói. "Bây giờ bạn phải tìm một cách báo hiệu khác, ví dụ như thay thế nó bằng các bài thuyết trình PowerPoint".

Nhưng bất chấp sự công nhận gần như toàn cầu rằng việc kết thúc các vụ thử hạt nhân là một ý tưởng hay, thì đầu năm nay, chính quyền Trump đã đưa ra ý tưởng nối lại các vụ thử hạt nhân nổ. Marshall Billingslea, người mà Tổng thống Trump bổ nhiệm gần đây với tư cách là đặc phái viên tổng thống về kiểm soát vũ khí, là một nhân tố như vậy. Vào những năm 1990, Billingslea làm việc cho thượng nghị sĩ đảng Cộng hòa Jesse Helms, một trong những người phản đối mạnh mẽ việc Mỹ ký Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện.

Và theo Zia Mian, thuộc Chương trình Khoa học và An ninh Toàn cầu của Đại học Princeton, thì sự quan tâm của chính quyền Trump đối với thử nghiệm hạt nhân là một chiến thuật đàm phán mạnh mẽ vào thời điểm căng thẳng kinh tế và chính trị giữa Mỹ, Trung Quốc và Nga đang căng thẳng.

"Đây là một minh chứng chính trị thuần túy cho thấy quyết tâm của người Mỹ", ông nói. Và theo chuyên gia này, nếu một nước Mỹ như tiến tới thử nghiệm vũ khí hạt nhân để "thị uy" thì người ta có thể tưởng tượng rằng các quốc gia khác cũng sẽ tự tìm cách thể hiện quyết tâm tương tự của mình trong việc không để bị bắt nạt, thông qua kích nổ vũ khí hạt nhân. Và điều đó cuối cùng sẽ dẫn đến một tương lai "rất đen tối" trong chính trị quốc tế.

Hiện tại, chỉ có ba quốc gia là Ấn Độ, Pakistan và Bắc Triều Tiên đã tiến hành các vụ thử hạt nhân kể từ khi Hiệp ước cấm thử hạt nhân toàn diện được ký kết 25 năm trước. Nhưng nếu Mỹ tiếp tục thử nghiệm hạt nhân, theo ông Mian, thì đó thực sự sẽ là một "lời mời cởi mở" cho các quốc gia khác làm điều tương tự.

Chính quyền Mỹ đã tiến hành hàng trăm thử nghiệm, nhiều hơn bất kỳ quốc gia vũ trang hạt nhân nào khác. Và việc tiến hành thêm các thử nghiệm nữa sẽ không mang lại ưu thế đáng kể cho các nhà thiết kế vũ khí của Mỹ. Nhưng với những quốc gia mới tham gia vào lĩnh vực hạt nhân, như Ấn Độ và Pakistan, chỉ hoàn thành một vài thử nghiệm nổ nho nhỏ cũng có thể giúp họ cải thiện đáng kể hệ thống vũ khí của mình.

"Lợi ích tương đối đối với các quốc gia khác trong việc nối lại thử nghiệm hạt nhật có thể lớn hơn đối với Mỹ về độ tin cậy và thiết kế vũ khí", Mian cho biết.

Vì vậy, cho đến ngày các nhà lãnh đạo thế giới vượt ra ngoài các lệnh cấm thử nghiệm và quyết định tháo dỡ kho vũ khí hạt nhân của họ, các nhà vật lý và kỹ sư vũ khí sẽ tiếp tục tránh xa tầm mắt của công chúng, tạo ra các mô hình trên máy tính. Nhưng hy vọng rằng chúng sẽ không bao giờ được sử dụng.

• Phát hiện "hành tinh giả thuyết": một Hải Vương Tinh hóa Trái đất
• Suốt 4.000 năm chúng ta đã bỏ quên một cách giải phương trình bậc hai cực dễ và sáng tạo
• Phát minh rùng rợn đoạt mạng nhiều người, kể cả hoàng đế Napoleon