Tiết lộ về lò phản ứng hạt nhân đầu tiên tạo ra điện

Walter Henry Zinn và 4 bóng đèn thắp sáng bằng điện hạt nhân được tạo ra từ lò phản ứng EBR-1. Ảnh: Wikipedia.

Nếu tình cờ lái xe qua sa mạc ở phía Đông của bang Idaho (Mỹ), chúng ta có thể bắt gặp Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, một cơ sở nghiên cứu hạt nhân liên bang đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển năng lượng hạt nhân. Cơ sở này là nơi lưu giữ Lò phản ứng Tái sinh Thực nghiệm (EBR-I), hay lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới tạo ra điện thông qua phản ứng phân hạch. Người chịu trách nhiệm thiết kế và vận hành nó là nhà vật lý Walter Henry Zinn.

Zinn sinh ra tại Berlin [hiện nay là Kitchener], bang Ontario, Canada vào năm 1906. Ông là con trai của một công nhân làm việc trong nhà máy sản xuất lốp xe. Ngay từ lúc còn nhỏ, ông đã thể hiện mình là người có năng khiếu về toán học và khoa học. Trong khi người anh Albert theo nghề của cha, Walter quyết định đi theo con đường nghiên cứu học thuật. Sau khi tốt nghiệp chuyên ngành toán tại Đại học Queens, ông làm việc cho một công ty bảo hiểm. Không lâu sau, ông bảo vệ thành công luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học Columbia với đề tài liên quan đến cấu trúc và khoảng giới hạn hấp thụ tia X của các tinh thể. Năm 1932, ông bắt đầu tham gia công tác giảng dạy tại trường Đại học Thành phố New York (CCNY).

Năm 1939, Zinn hợp tác với Enrico Fermi và nhiều nhà khoa học khác tại Phòng thí nghiệm Vật lý Pupin của Đại học Columbia để nghiên cứu tính chất các đồng vị uranium. Họ muốn tìm hiểu ứng dụng tiềm năng của nguyên tố phóng xạ này đối với quá trình phân hạch hạt nhân, cụ thể là tính khả thi trong việc thiết lập một phản ứng dây chuyền bền vững. Khi cuộc Chiến tranh Thế giới thứ hai bùng nổ, Zinn cùng Fermi đến Đại học Chicago để tham gia Dự án Manhattan bí mật của Mỹ nhằm phát triển một quả bom nguyên tử.

Ngày 2/12/1942, Zinn và các cộng sự thực hiện thành công phản ứng dây chuyền tự duy trì đầu tiên bên trong lò phản ứng hạt nhân “Chicago Pile-1” lắp đặt tại Đại học Chicago. Trong quá trình làm thí nghiệm, nhiệm vụ của Zinn là tháo thanh điều khiển (control rod) ra khỏi lò phản ứng hạt nhân để kích hoạt phản ứng dây chuyền. Sau khoảng 28 phút, ông đưa thanh điều khiển trở lại vị trí cũ để hấp thụ neutron từ các thanh nhiên liệu. Do bị hấp thụ, các hạt neutron không thể bắn phá nguyên tử uranium nên phản ứng phân hạch chấm dứt và lò phản ứng ngừng hoạt động.

Lò phản ứng Chicago Pile-1 chỉ hoạt động trong thời gian ba tháng, bởi vì nó không có lá chắn bức xạ và quá gần khu dân cư. Nhóm nghiên cứu đã tháo rời lò phản ứng và tái lắp ráp nó với đầy đủ hệ thống ngăn bức xạ tại một địa điểm khác, nơi sau này trở thành Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Zinn vẫn tham gia Dự án Manhattan cho đến khi Ủy ban Năng lượng Nguyên tử bổ nhiệm ông làm Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne vào năm 1946. Dưới sự lãnh đạo của ông, phòng thí nghiệm này với quy mô từ một nhóm nghiên cứu nhỏ trong thời kỳ chiến tranh nhanh chóng trở thành một trung tâm được quốc tế công nhận về nghiên cứu, phát triển lò phản ứng hạt nhân và các vấn đề khoa học liên quan. Tại đây, Zinn tập trung chủ yếu vào việc phát triển lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới cho tương lai. Cụ thể, ông chế tạo lò phản ứng tái sinh nhanh gọi là “Critical Pile-4”, hay “ZIP” [Lò phản ứng tái sinh có thể tạo ra nhiều nhiên liệu hạt nhân hơn mức ban đầu nạp vào lò]. Khi thiết bị đã hoàn thiện, Zinn chuyển các bộ phận máy móc đến Trạm Thử nghiệm Lò phản ứng Quốc gia ở bang Idaho, một cơ sở mới của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Lò phản ứng ZIP khi đó được đặt tên là EBR-I.

Ngày 20/12/1951, Zinn và các đồng nghiệp đứng tập trung xung quanh bốn bóng đèn 200W trong phòng thí nghiệm và quan sát chúng sáng lên khi có dòng điện chạy qua. Dòng điện này được sản xuất bởi lò phản ứng hạt nhân EBR-I. Lượng nhiệt sinh ra từ phản ứng phân hạch uranium khiến nước sôi và bốc hơi. Luồng hơi nước làm quay các turbine của máy phát điện. Trong vài ngày, lò phản ứng đã cung cấp năng lượng cho toàn bộ tòa nhà phòng thí nghiệm. Zinn kết luận rằng, năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng thay thế khả thi về mặt chi phí – lợi ích: một tấn uranium tự nhiên có thể sản xuất lượng điện tương đương việc đốt 80.000 thùng dầu hoặc 16.000 tấn than.

Năm 1955, lò phản ứng nước sôi BORAX-III của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne tạo ra lượng điện đủ lớn để cung cấp cho thành phố Arco ở Idaho. Đây cũng là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên hòa vào hệ thống lưới điện quốc gia của Mỹ.

Tuy nhiên, nhiều sự cố đáng tiếc đã xảy ra khi các nhà khoa học tiến hành thử nghiệm những lò phản ứng hạt nhân thời kỳ đầu. Năm 1954, trong quá trình thử nghiệm lò phản ứng nước sôi BORAX-I, Zinn đã rút một phần các thanh điều khiển, vô tình gây ra vụ nổ lớn làm tan chảy hơn một nửa lõi của lò phản ứng. Năm 1955, lò phản ứng EBR-I cũng bị tan chảy một phần trong quá trình điều chỉnh lưu lượng dòng nước làm mát. Thủ phạm được xác định là sự giãn nở nhiệt quá mức của các thanh nhiên liệu.

Năm 1961, trong quá trình thử nghiệm lò phản ứng SL-1, một nhà khoa học đã rút thanh điều khiển trung tâm không đúng cách. Sai lầm này tạo ra một vụ nổ hơi nước đủ mạnh để thổi bay lò phản ứng lên cao 3m. Sóng xung kích từ vụ nổ đã giết chết ba quân nhân trong vùng lân cận. Họ được chôn trong những quan tài bằng chì do đã tiếp xúc với một lượng bức xạ khổng lồ [chì là loại vật liệu có tác dụng ngăn cản tia phóng xạ].

Năm 1956, Zinn ngừng công tác tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Sau đó, ông thành lập công ty riêng General Nuclear Engineering để thiết kế và xây dựng lò phản ứng nước áp lực (PWR). Khi Comb Fir Engineering mua lại công ty này tám năm sau đó, Zinn vẫn được chọn là người đứng đầu bộ phận nghiên cứu hạt nhân cho đến năm 1970.

Thiết kế lò phản ứng nước sôi của Zinn là nguyên mẫu cho các nhà máy điện hạt nhân hoạt động ở Mỹ và Nhật Bản ngày nay. Ông cũng tham gia nhiều ban cố vấn của Chính phủ Mỹ, đồng thời là chủ tịch đầu tiên của Hiệp hội Hạt nhân Mỹ. Ông bị đột quỵ và qua đời tại Clearwater, bang Florida vào ngày 14/2/2000 ở tuổi 93.

Lò phản ứng hạt nhân EBR-I ngừng hoạt động năm 1964, và nó được công nhận là một trong những Di tích Lịch sử Quốc gia Mỹ năm 1966. Ngày nay, du khách có thể đến tham quan EBR-I tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho vào mùa hè.