Thất bại DARPA: một trong những sai lầm lớn nhất trong lịch sử khoa học

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Một quả bom dựa trên đồng phân hafnium Hf-178-m2 có thể trở thành loại bom đắt nhất và mạnh nhất trong lịch sử thiết bị nổ phi hạt nhân. Nhưng cô ấy đã không. Hiện trường hợp này được công nhận là một trong những thất bại khét tiếng nhất của DARPA - Cơ quan quản lý các dự án quốc phòng tiên tiến thuộc bộ quân đội Mỹ.

Bộ phát được lắp ráp từ một chiếc máy X-quang đã bỏ đi từng được đặt trong văn phòng nha sĩ, cũng như một bộ khuếch đại gia dụng mua từ một cửa hàng gần đó. Nó hoàn toàn trái ngược với biển hiệu ồn ào của Trung tâm Điện tử Lượng tử, được nhìn thấy khi bước vào một tòa nhà văn phòng nhỏ tại Đại học Texas ở Dallas. Tuy nhiên, thiết bị đã đương đầu với nhiệm vụ của nó - cụ thể là nó thường xuyên bắn phá một chiếc cốc nhựa ngược bằng một luồng tia X. Tất nhiên, bản thân chiếc kính không liên quan gì đến nó - nó chỉ đơn giản đóng vai trò như một giá đỡ dưới một mẫu hafnium ít được chú ý, hay đúng hơn là đồng phân Hf-178-m2 của nó. Thí nghiệm kéo dài trong vài tuần. Nhưng sau khi xử lý cẩn thận các dữ liệu thu được, giám đốc của Trung tâm, Carl Collins, đã công bố một thành công chắc chắn. Ghi nhận từ thiết bị ghi âm cho thấy nhóm của anh đã mày mò cách chế tạo ra những quả bom thu nhỏ có sức công phá khổng lồ - những thiết bị có kích thước bằng nắm tay có khả năng tạo ra sức công phá tương đương hàng chục tấn thuốc nổ thông thường.

Vì vậy, vào năm 1998, lịch sử của bom đồng phân bắt đầu, sau này được biết đến như một trong những sai lầm lớn nhất trong lịch sử nghiên cứu khoa học và quân sự.

Hafnium

Hafnium là nguyên tố thứ 72 trong bảng tuần hoàn của Mendeleev. Kim loại màu trắng bạc này được lấy tên từ tên Latinh của thành phố Copenhagen (Hafnia), nơi nó được phát hiện vào năm 1923 bởi Dick Koster và Gyordem Hevesi, cộng tác viên của Viện Vật lý lý thuyết Copenhagen.

Cảm giác khoa học

Trong báo cáo của mình, Collins viết rằng ông có thể ghi nhận sự gia tăng cực kỳ không đáng kể trong nền tia X, được phát ra bởi mẫu được chiếu xạ. Trong khi đó, bức xạ tia X là dấu hiệu của sự chuyển đổi 178m2Hf từ trạng thái đồng phân sang trạng thái bình thường. Do đó, Collins lập luận, nhóm của ông đã có thể đẩy nhanh quá trình này bằng cách bắn phá mẫu bằng tia X (khi một photon tia X có năng lượng tương đối thấp bị hấp thụ, hạt nhân chuyển sang mức kích thích khác, và sau đó chuyển đổi nhanh chóng tới mức mặt đất theo sau, kèm theo việc giải phóng toàn bộ năng lượng dự trữ). Collins lý luận, để buộc mẫu phát nổ, chỉ cần tăng công suất của bộ phát đến một giới hạn nhất định, sau đó bức xạ của chính mẫu sẽ đủ để kích hoạt phản ứng dây chuyền chuyển nguyên tử từ trạng thái đồng phân sang trạng thái bình thường. Kết quả sẽ là một vụ nổ rất dễ sờ thấy, cũng như một loạt tia X khổng lồ.

Cộng đồng khoa học chào đón công bố này với sự hoài nghi rõ ràng, và các thí nghiệm đã bắt đầu trong các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới để xác nhận kết quả của Collins. Một số nhóm nghiên cứu đã nhanh chóng tuyên bố xác nhận kết quả, mặc dù con số của họ chỉ cao hơn một chút so với sai số đo lường. Nhưng hầu hết các chuyên gia vẫn tin rằng kết quả thu được là kết quả của việc giải thích không chính xác dữ liệu thí nghiệm.

Lạc quan quân sự

Tuy nhiên, một trong những tổ chức đã vô cùng quan tâm đến công việc này. Bất chấp mọi hoài nghi của cộng đồng khoa học, quân đội Mỹ đã khuất phục trước những lời hứa của Collins. Và nó là từ cái gì! Việc nghiên cứu các đồng phân hạt nhân đã mở đường cho việc tạo ra các loại bom mới về cơ bản, một mặt, sẽ mạnh hơn nhiều so với các chất nổ thông thường, và mặt khác, sẽ không bị các hạn chế quốc tế liên quan đến việc sản xuất và sử dụng vũ khí hạt nhân (bom đồng phân không phải là hạt nhân, vì không có sự biến đổi của nguyên tố này thành nguyên tố khác).

Bom đồng phân có thể rất nhỏ gọn (chúng không có giới hạn khối lượng thấp hơn, vì quá trình chuyển đổi hạt nhân từ trạng thái kích thích sang trạng thái bình thường không yêu cầu khối lượng tới hạn), và khi nổ chúng sẽ giải phóng một lượng bức xạ cứng khổng lồ. phá hủy mọi sinh vật. Ngoài ra, bom hafnium có thể được coi là tương đối "sạch" - xét cho cùng, trạng thái cơ bản của hafnium-178 là ổn định (nó không phải là chất phóng xạ), và vụ nổ thực tế sẽ không làm ô nhiễm khu vực.

Vứt tiền

Trong vài năm tiếp theo, cơ quan DARPA đã đầu tư hàng chục triệu đô la vào việc nghiên cứu Hf-178-m2. Tuy nhiên, quân đội đã không chờ đợi việc tạo ra một mô hình hoạt động của bom. Điều này một phần là do kế hoạch nghiên cứu bị thất bại: trong một số thí nghiệm sử dụng bộ phát tia X mạnh, Collins đã không thể chứng minh bất kỳ sự gia tăng đáng kể nào trong nền của các mẫu được chiếu xạ.

Các nỗ lực tái tạo kết quả của Collins đã được thực hiện nhiều lần trong vài năm. Tuy nhiên, không có nhóm khoa học nào khác có thể xác nhận một cách đáng tin cậy về gia tốc phân rã của trạng thái đồng phân của hafnium. Các nhà vật lý từ một số phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ - Los Alamos, Argonne và Livermore - cũng tham gia vào vấn đề này. Họ đã sử dụng một nguồn tia X mạnh hơn nhiều - Nguồn Photon nâng cao của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, nhưng không thể phát hiện ra ảnh hưởng của sự phân rã gây ra, mặc dù cường độ bức xạ trong các thí nghiệm của họ cao hơn vài bậc so với các thí nghiệm của chính Collins.. Kết quả của họ cũng đã được xác nhận bởi các thí nghiệm độc lập tại một phòng thí nghiệm quốc gia khác của Hoa Kỳ - Brookhaven, nơi dùng synctron Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia mạnh mẽ được sử dụng để chiếu xạ. Sau một loạt các kết luận đáng thất vọng, sự quan tâm của quân đội đối với chủ đề này mất dần, nguồn tài trợ ngừng hoạt động, và vào năm 2004, chương trình bị đóng cửa.

Đạn kim cương

Trong khi đó, rõ ràng ngay từ đầu đối với tất cả những ưu điểm của nó, bom đồng phân cũng có một số nhược điểm cơ bản. Thứ nhất, Hf-178-m2 là chất phóng xạ, vì vậy quả bom sẽ không hoàn toàn "sạch" (một số ô nhiễm trong khu vực với hafnium "chưa được xử lý" vẫn sẽ xảy ra). Thứ hai, đồng phân Hf-178 m2 không xuất hiện trong tự nhiên và quá trình sản xuất nó khá tốn kém. Nó có thể thu được bằng một trong nhiều cách - bằng cách chiếu xạ mục tiêu ytterbium-176 với các hạt alpha, hoặc bằng proton - vonfram-186 hoặc hỗn hợp tự nhiên của đồng vị tantali. Bằng cách này, có thể thu được một lượng nhỏ đồng phân hafnium, đủ cho nghiên cứu khoa học.

Một cách ít hay nhiều để thu được vật liệu kỳ lạ này là chiếu xạ các neutron hafnium-177 trong lò phản ứng nhiệt. Chính xác hơn, có vẻ như - cho đến khi các nhà khoa học tính toán rằng trong một năm trong một lò phản ứng như vậy từ 1 kg hafnium tự nhiên (chứa ít hơn 20% đồng vị 177), bạn chỉ có thể nhận được khoảng 1 microgram đồng phân kích thích (sự giải phóng của số tiền này là một vấn đề riêng biệt). Đừng nói một điều, sản xuất hàng loạt! Nhưng khối lượng của một đầu đạn nhỏ ít nhất cũng phải hàng chục gam … Hóa ra loại đạn như vậy hóa ra không phải "vàng", mà là "kim cương" …

Kết thúc khoa học

Nhưng nó đã sớm cho thấy rằng những thiếu sót này cũng không mang tính quyết định. Và mấu chốt ở đây không nằm ở sự không hoàn hảo của công nghệ hay sự bất cập của những người làm thí nghiệm. Điểm cuối cùng trong câu chuyện giật gân này là do các nhà vật lý người Nga đưa ra. Năm 2005, Evgeny Tkalya từ Viện Vật lý Hạt nhân của Đại học Tổng hợp Moscow đã xuất bản trên tạp chí Uspekhi Fizicheskikh Nauk, một bài báo có tựa đề “Sự phân rã do đồng phân hạt nhân 178m2Hf và một quả bom đồng phân”. Trong bài báo, ông đã vạch ra tất cả các cách có thể để đẩy nhanh quá trình phân rã của đồng phân hafnium. Chỉ có ba trong số chúng: tương tác của bức xạ với hạt nhân và sự phân rã qua mức trung gian, sự tương tác của bức xạ với lớp vỏ electron, sau đó chuyển kích thích sang hạt nhân, và sự thay đổi xác suất của sự phân rã tự phát.

Sau khi phân tích tất cả các phương pháp này, Tkalya đã chứng minh rằng sự giảm hiệu quả của chu kỳ bán rã của một đồng phân dưới ảnh hưởng của bức xạ tia X mâu thuẫn sâu sắc với toàn bộ lý thuyết cơ bản của vật lý hạt nhân hiện đại. Ngay cả với những giả định lành tính nhất, các giá trị thu được cũng là những giá trị có độ lớn nhỏ hơn những giá trị được Collins báo cáo. Vì vậy, để đẩy nhanh việc giải phóng năng lượng khổng lồ, có trong đồng phân hafnium, vẫn là điều không thể. Ít nhất là với sự trợ giúp của các công nghệ đời thực.