Mỗi thí nghiệm tại Cơ sở Đánh lửa Quốc gia (National Ignition Facility – NIF) ở California—được gọi là một “shot”—chỉ kéo dài vài phần tỷ giây. Nhưng trong khoảnh khắc ngắn ngủi ấy, 192 chùm tia laser với tổng công suất lên tới khoảng 500 nghìn tỷ watt (500 terawatt) cùng hội tụ vào buồng mục tiêu của hệ thống và truyền năng lượng vào một ống trụ bằng vàng chỉ dài vài cm. Bên trong ống trụ là một quả cầu kim cương nhỏ bằng hạt tiêu, chứa hỗn hợp deuterium và tritium—hai đồng vị nặng của hydro.
Khi quả cầu hấp thụ năng lượng từ laser, lớp ngoài của nó bốc hơi cực nhanh, tạo ra một sóng xung kích di chuyển với vận tốc 300 km/giây, khiến lõi quả cầu sụp đổ vào trong. Trong điều kiện áp suất gấp hàng tỷ lần áp suất khí quyển và nhiệt độ vượt quá 100 triệu độ C, các nguyên tử deuterium và tritium bị nén lại và bắt đầu phản ứng tổng hợp hạt nhân, tạo ra helium và giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.
Đây chính là bộ công cụ cần thiết để mô phỏng vụ nổ vũ khí hạt nhân mà không cần kích hoạt bom thật. NIF ra đời từ thập niên 1990, vài năm sau khi Mỹ quyết định ngừng thử nghiệm vũ khí hạt nhân bằng nổ ngầm. Không còn thử nghiệm thực tế, các chuyên gia vẫn cần một phương pháp đảm bảo sự an toàn của đầu đạn trong kho lưu trữ, và quan trọng hơn cả, đảm bảo chúng sẽ hoạt động chính xác khi cần dùng đến.
Công nghệ thay đổi cục diện an ninh hạt nhân
Để đối mặt với thách thức đó, hệ thống cơ sở hạ tầng hạt nhân của Mỹ đã phát triển những nền tảng công nghệ đột phá như NIF—hệ thống laser mạnh nhất thế giới, và El Capitan—siêu máy tính nhanh nhất thế giới. Hai hệ thống này đóng vai trò trung tâm trong nhiệm vụ mới: nâng cấp các đầu đạn hiện có và lần đầu tiên sau nhiều thập kỷ, thiết kế các loại vũ khí hạt nhân hoàn toàn mới.
Duy trì kho vũ khí hạt nhân là công việc của một “đội quân” các nhà khoa học và kỹ sư. NIF là một phần của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, đặt tại gần San Francisco, được thành lập năm 1952 như một đối trọng với Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos ở New Mexico—nơi chế tạo quả bom nguyên tử đầu tiên. Theo Giám đốc Livermore, bà Kim Budil, mục tiêu ban đầu là tạo ra một môi trường khoa học nghiêm ngặt, có đánh giá đồng cấp (peer review) và cạnh tranh để thúc đẩy công nghệ quốc phòng tối mật. Hai phòng thí nghiệm này theo đuổi các thiết kế vũ khí khác nhau, thi thoảng hợp tác, nhưng thường gọi nhau là “đối thủ cộng tác”.
Livermore và Los Alamos chịu trách nhiệm thiết kế phần lõi vật lý — tức thành phần hạt nhân của đầu đạn. Trong khi đó, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia lắp ráp các bộ phận phi hạt nhân như kích nổ, pin, cảm biến và vi mạch chịu bức xạ, đồng thời tích hợp toàn bộ hệ thống với các phương tiện mang như tên lửa. Ba phòng thí nghiệm trực thuộc Cơ quan Quản lý An ninh Hạt nhân Quốc gia Mỹ (NNSA) này tuyển dụng hàng chục nghìn nhà khoa học và kỹ sư. Tạp chí The Economist đã được phép tiếp cận hiếm hoi các nhà nghiên cứu và một số cơ sở của họ.
Từ Polaris đến kỷ nguyên thứ tư của vũ khí hạt nhân
Ngay từ khi thành lập, Livermore đã tập trung phát triển bom nhiệt hạch. Khác với bom phân hạch của Dự án Manhattan vốn tạo năng lượng bằng cách tách các nguyên tử nặng như uranium và plutonium, bom nhiệt hạch tạo ra năng lượng bằng cách kết hợp các nguyên tử nhẹ như deuterium và tritium. Loại bom này gồm hai giai đoạn: giai đoạn một là vụ nổ phân hạch tạo nhiệt cực lớn, dùng để kích hoạt giai đoạn hai là phản ứng nhiệt hạch.
Kỹ thuật này mở đường cho các loại vũ khí vừa mạnh hơn, vừa gọn hơn. Khi Hải quân Mỹ phát triển lực lượng răn đe hạt nhân trên biển vào thập niên 1950, Livermore được giao nhiệm vụ thu nhỏ vũ khí hạt nhân để gắn lên tên lửa phóng từ tàu ngầm. Chỉ sau bốn năm, họ đã phát triển thành công hệ thống tên lửa Polaris – nhỏ hơn cả chục lần so với các thiết kế trước đó, và theo bà Budil, là “bước đột phá công nghệ quan trọng nhất trong lịch sử vũ khí hạt nhân”.
Loại vũ khí nhỏ gọn này nhanh chóng trở thành “xương sống” của kho vũ khí Mỹ và Liên Xô trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh. May mắn là chúng chưa từng được sử dụng trong chiến tranh, nhưng hàng nghìn đơn vị vẫn còn được lưu trữ.
Bảo trì đầu đạn và mô phỏng vụ nổ bằng siêu máy tính
Một trong những công việc chính hiện nay tại ba phòng thí nghiệm là giám sát tình trạng của các đầu đạn cũ. Theo bà Budil, “một đầu đạn hạt nhân như một thí nghiệm hóa học kéo dài hàng chục năm” – các vật liệu phóng xạ phân rã, chất dẻo xuống cấp… Vì vậy, mỗi năm một số đầu đạn được tháo rời để kiểm tra kỹ lưỡng. Ngoài ra còn có các thử nghiệm khắc nghiệt hơn: các mẫu vật cực nhỏ được đưa vào NIF để chịu điều kiện tương đương một vụ nổ hạt nhân, và được chụp X-quang thời gian thực. Tại Sandia, máy Z sử dụng trường điện từ mạnh để mô phỏng vụ nổ hạt nhân. Còn tại Los Alamos, các bộ phận phi hạt nhân được kiểm tra bằng sóng xung kích từ thuốc nổ thông thường.
Tất cả những dữ liệu này, kết hợp với hơn 1.000 vụ thử nghiệm toàn phần trước năm 1992, được dùng để xây dựng các mô hình mô phỏng trên máy tính ngày càng chính xác. Theo Giám đốc Los Alamos, ông Thom Mason, các mô phỏng hiện đại giúp hiểu vũ khí hạt nhân còn rõ hơn cả thời còn thử nghiệm thực địa: “Công cụ khoa học hiện đại vượt xa mọi thứ chúng tôi từng có trong thập niên 1990”.
Siêu máy tính El Capitan và thế hệ vũ khí mới
Sức mạnh đó thể hiện rõ tại trung tâm tính toán của Livermore, nơi đầu năm nay giới chức Mỹ giới thiệu El Capitan—siêu máy tính mạnh nhất thế giới, có thể xử lý một tỷ tỷ (10¹⁸) phép tính dấu chấm động mỗi giây (floating-point operations per second—FLOPS), nhanh hơn khoảng 100 triệu lần một laptop thông thường. Đây là siêu máy tính exascale thứ ba từng được chế tạo. Với khoảng 90 giá xử lý kích thước bằng tủ lạnh, El Capitan chiếm diện tích tương đương hai sân quần vợt.
El Capitan là một phần của Chương trình Mô phỏng và Tính toán Nâng cao (ASC), khởi xướng năm 1995 nhằm thay thế cho thử nghiệm hạt nhân thực tế. Mục tiêu đầu tiên là mô phỏng 3D toàn diện một hệ thống vũ khí.
Ban đầu, mỗi mô phỏng mất hàng tháng để xử lý do phải chia nhỏ và phân bố cho nhiều CPU và GPU. Nhưng nay, theo ông Rob Neely, Giám đốc bộ phận mô phỏng vũ khí, El Capitan có thể xử lý hơn 200 mô phỏng mỗi ngày, với độ phân giải cao hơn rất nhiều.
Thay vì dùng CPU và GPU riêng biệt, El Capitan sử dụng APU (accelerated-processing unit) – bộ xử lý tăng tốc chuyên dụng do AMD phát triển riêng cho Livermore. Mỗi APU là một khối silicon duy nhất tích hợp các “chiplet” đảm nhận vai trò CPU hoặc GPU, cho phép chúng chia sẻ bộ nhớ và lưu trữ, giảm tắc nghẽn dữ liệu. “Đây là kiến trúc duy nhất trên thế giới hiện tại làm theo cách này,” ông Neely nói.
Tại Los Alamos, El Capitan sẽ phục vụ thiết kế loại vũ khí mới mang tên W93—dự kiến trang bị cho tên lửa đạn đạo trên tàu ngầm lớp Columbia của Hải quân Mỹ. Đây là vũ khí hạt nhân mới đầu tiên kể từ thập niên 1980. Do bị cấm thử nghiệm nổ, mọi giai đoạn phát triển của W93 đều phải mô phỏng bằng máy tính.
Bước vào kỷ nguyên thứ tư của vũ khí hạt nhân
Theo ông Mason, ngân sách của Los Alamos đã tăng gấp đôi trong vòng 5-6 năm qua, giúp tuyển thêm hàng nghìn nhà khoa học, hiện đại hóa cơ sở, và khôi phục khả năng sản xuất lõi plutonium – thành phần then chốt của bom nhiệt hạch hiện đại. Khác với nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác, ngân sách của NNSA không bị cắt giảm.
Tất cả điều này phản ánh bối cảnh mới – kỷ nguyên thứ tư của vũ khí hạt nhân, theo ông Mason. Ba kỷ nguyên trước gồm: phát minh bom nguyên tử (Dự án Manhattan), cuộc chạy đua hạt nhân thời Chiến tranh Lạnh, và giai đoạn hậu Liên Xô khi vai trò răn đe tưởng như suy giảm. Giờ đây là thời kỳ đầy lo ngại với sự sụp đổ của các hiệp ước kiểm soát vũ khí, đe dọa từ Nga, tốc độ tăng cường vũ khí của Trung Quốc, căng thẳng giữa Ấn Độ – Pakistan và nguy cơ đồng minh của Mỹ phát triển vũ khí hạt nhân riêng. “Răn đe, một lần nữa, trở nên cực kỳ quan trọng”, ông Mason nói.
Năng lượng nhiệt hạch và giấc mơ dân sự
Dù nhiệm vụ cốt lõi của các phòng thí nghiệm là phát triển vũ khí, các nhà khoa học khẳng định rằng cơ sở vật chất này có thể phục vụ nhiều mục đích khác. NIF hiện là phòng thí nghiệm hàng đầu trong nỗ lực tạo ra năng lượng nhiệt hạch dân dụng.
Tháng 12/2022, NIF đã đạt được “đánh lửa” (ignition) – lần đầu tiên giải phóng nhiều năng lượng hơn mức nạp vào. Từ đó đến nay, họ đã đạt ignition thêm tám lần, với sản lượng năng lượng tăng dần.
Ông Mark Herrmann, Giám đốc chương trình vật lý vũ khí của Livermore và cựu lãnh đạo NIF, thừa nhận còn nhiều việc phải làm để biến bước đột phá này thành nguồn năng lượng khả thi: các tia laser cần tiết kiệm năng lượng hơn, và phản ứng nhiệt hạch phải diễn ra hàng chục lần mỗi giây thay vì vài lần mỗi tuần. “Chúng tôi không thấy có trở ngại về mặt khoa học”, ông nói, “chỉ còn là vấn đề kỹ thuật”.
Tuy nhiên, mục tiêu chính của các phòng thí nghiệm vẫn là vũ khí. Và sức hủy diệt của chúng luôn hiện diện trong tâm trí các nhà khoa học. Khi được hỏi cảm nghĩ về công việc của mình, ông Mason nói: “Nếu các vũ khí chúng tôi thiết kế không bao giờ được sử dụng, thì chúng tôi đã thành công”.
Theo The Economist
