Phần lõi là một hỗn hợp: 115 pound kim loại U-235 dùng để chế tạo bom như “hạt giống” trong các tấm ở trung tâm (trị giá 1 triệu đô-la U-235 với 8.700 đôla mỗi pound) và 12 tấn oxid uranium tự nhiên trong các thanh được phủ kín xung quanh. Rickover có vẻ cáu kỉnh vào giai đoạn cuối, đầu năm 1957, khi ủy ban của Quốc hội giám sát dự án đến Pittsburgh để xem xét. “Tôi nghĩ rằng chúng ta đã nuông chiều quá nhiều người ở đất nước này trong quá lâu với sự quyến rũ của năng lượng nguyên tử,” ông trả lời các nghị sĩ, “và tôi nghĩ càng sớm càng tốt, chúng ta phải coi nó như bất kỳ ngành nào khác.” Ai đó đã phạm sai lầm khi hỏi ông về các lò phản ứng mới, lớn hơn so với thiết kế. Chúng được cho là hiệu quả hơn. Rickover cười khẩy. “Bất kỳ nhà máy nào bạn chưa xây dựng sẽ luôn hiệu quả hơn cái bạn đã xây. Điều này là hiển nhiên. Tất cả đều hiệu quả khi bạn chưa vận hành chúng, trong giai đoạn nói mồm. Nói chuyện chơi thì tất cả chúng đều hiệu quả, đều rẻ, đều dễ xây dựng và không có vấn đề gì.” Ông cũng thẳng thắn về khó khăn của Shippingport. Chi phí đã đội lên ít nhất 50%. Mọi người, Rickover nói, đã có ý tưởng rằng các lò phản ứng là “công nghệ cao cấp hơn khả năng của họ rất nhiều.” Đội ngũ thiết kế và xây dựng của họ thiếu nhiều công nghệ cơ bản cần thiết. “Cuộc chơi lò phản ứng” này đang ở thế “chỉ mành treo chuông hơn hầu hết nhận thức của mọi người. Có rất nhiều thứ có thể đi sai, và nó đòi hỏi sự cảnh giác không ngừng. Chỉ cần một diễn biến bất ngờ ở Mỹ, và nó có thể khiến toàn bộ cuộc chơi này chậm lại một thế hệ.” Shippingport đã hoàn thành đúng hạn theo bất kỳ tiêu chuẩn nào không ngặt nghèo như của Rickover. “Hơn hai năm rưỡi một chút,” chủ tịch của
Duquesne hồi tưởng, “so với ngày nay, có thể là 12 đến 14 năm kể từ thời điểm khởi công nhà máy. Tôi nghĩ rằng dự án đã hoàn thành rất nhanh chóng.” 15 năm từ ngày Enrico Fermi lần đầu vận hành Lò Chicago của mình, vào ngày 2 tháng 12 năm 1957, Shippingport trở nên nguội lạnh dưới mức tới hạn, nghĩa là các kỹ sư chạy thử lò phản ứng nhưng không cho sản xuất điện. Họ đóng mạch điện vào ngày 18 tháng 12 lúc 12 giờ 39 phút sáng. Đến 3 giờ sáng hôm sau, nhà máy đã sản xuất nhiều điện hơn mức 8 megawatt nó tiêu thụ. Đến 7 giờ sáng, nó đã tạo ra 12 megawatt. Nó sẽ tạo ra 20 megawatt vào tối hôm đó và 60 megawatt trong vòng vài ngày. Ngân sách ở mức 47,7 triệu đô-la, nó có giá 84 triệu đô-la. 36 triệu đô-la còn lại đi vào nghiên cứu và phát triển lò phản ứng. Điện năng của Shippingport có giá 5,5 đến 6 xu mỗi kilowatt giờ, mặc dù AEC đã bán điện cho Duquesne với giá 0,8 xu - một con số tương đương phí Duquesne sẽ phải trả cho nhiên liệu thông thường. Đảng Dân chủ tại Quốc hội, tờ New York Times đưa tin, “đã thúc giục một chương trinh của chính phủ để xây dựng các nhà máy nguyên tử,” nên thông báo của AEC về Shippingport nhấn mạnh nó sẽ cung cấp năng lượng trong nước. Nó bỏ lỡ cơ hội ghi được một “chiến thắng tâm lý” để làm lu mờ “thành tích phóng vệ tinh của Liên Xô,” tờ Times nhận xét: sputnik, vệ tinh Trái đất nhân tạo đầu tiên, đã nhập quỹ đạo vào ngày 4 tháng 10 năm 1957, hai tháng trước khi Shippingport vận hành. AEC đã ứng phó tốt nhất có thể. Họ thông báo rằng Shippingport “là nhà máy điện nguyên tử quy mô đầy đủ đầu tiên trên thế giới dành riêng cho sử dụng thời bình.” So sánh thông số của nó vượt trội so với lò phản ứng của Liên Xô tại Obninsk và lò phản ứng làm mát bằng không khí 70 megawatt của Anh tại Calder Hall ở Cumberland, cả hai đều sản xuất plutonium cho vũ khí cũng như điện nội địa. “Giữa năm 1953 và năm 1957,” một sử gia viết về Eisenhower, “ông ấy đã tham gia vào cuộc chạy đua vũ khí hạt nhân vĩ đại nhất trong lịch sử loài người - cùng lúc với việc quảng bá chương trình Nguyên tử vì Hòa bình.”[27] Từ 841 quả bom nguyên tử năm 1952, đến cuối nhiệm kỳ thứ hai vào tháng 1 năm 1961, Eisenhower đã đỡ đầu cho việc sản xuất một kho vũ khí 19.000 vũ khí hạt nhân với tổng cộng 30 tỉ tấn lực nổ - tương đương mười tấn thuốc nổ TNT cho mỗi người trên Trái đất.[28] Đằng sau vỏ bọc
quân sự đó, năng lượng hạt nhân thương mại đã có một khởi đầu khiêm tốn. Shippingport là một lò phản ứng thử nghiệm nhằm kiểm tra các thiết kế nhiên liệu mới cũng như sản sinh năng lượng cho thương mại. Năm 1977 nó đã được sửa đổi thành một nhà máy sản xuất nước nhẹ bằng cách thay thế lõi uranium bằng lõi và vỏ bọc thorium. Thorium sinh ra uranium 233, một đồng vị phân hạch khác, từ đó tạo chuỗi phản ứng như U-235 và plutonium. Lò phản ứng hoạt động bằng thorium trong năm năm sau đó, cho đến khi nó ngừng hoạt động vào ngày 1 tháng 10 năm 1982.[29] Nhưng lò phản ứng Shippingport và thậm chí CP-1 của Fermi đều không phải là lò phản ứng phân hạch uranium đầu tiên được xây dựng trên Trái đất. Hai tỉ năm trước, trong một mỏ quặng uranium khổng lồ ngày nay là quốc gia Gabon của Tây Phi, nơi đầu tiên sau một loạt các lò phản ứng tự nhiên đã chạm ngưỡng nguy hiểm khi nước thấm qua vỉa quặng tạo điều kiện cho phản ứng hạt nhân dây chuyền neutron chậm xảy ra. Điều đó có thể xảy ra vì uranium trong các mỏ quặng của Gabon chứa tỉ lệ phần trăm của U-235 cao hơn so với uranium trong quặng ngày nay, ở Gabon hoặc bất cứ nơi nào khác trên Trái đất. Nguyên tố đó trong vỏ Trái đất phổ biến như thiếc, là chất phóng xạ nhẹ. Nó phát ra các hạt alpha, mỗi hạt bao gồm hai proton và hai neutron. Đẩy một hạt alpha ra sẽ làm thay đổi nguyên tử uranium. Lấy đi hai proton từ hạt nhân uranium biến nó từ nguyên tố số 92 thành nguyên tố số 90, thorium. Thorium cũng là phóng xạ nhẹ và lại phân rã tiếp. Thông qua tiến trình phân rã như vậy, uranium trên Trái đất đang dần chuyển mình thành chì. Hai đồng vị chính của uranium tự nhiên, U-238 và U-235, phân rã với tốc độ khác nhau. U-238 mất khoảng 4,5 tỉ năm để một nửa số nguyên tử phân ra thành thorium. Tuy nhiên, U-235 có chu kỳ bán rã chỉ 700 triệu năm. Điều đó có nghĩa là hai tỉ năm trước, có nhiều U-235 trong tự nhiên hơn ngày nay - không phải là 0,7%, mà là khoảng 3,5%. Đủ để cho phép quặng uranium ở Gabon duy trì phản ứng dây chuyền với nước là chất làm chậm. Các lò phản ứng ở Gabon không liên tục. Khi nước chảy qua vỉa quặng, nó làm chậm neutron tự phát ra từ U-235 của quặng. Sự phân hạch bắt đầu, một phản ứng dây chuyền theo sau, sự giải phóng năng lượng này làm nóng vỉa quặng, nước sôi, phản ứng tắt, vỉa quặng nguội, nước bắt đầu
chảy trở lại và chu kỳ lặp lại, có thể trên thang giờ hoặc ngày. Các lò phản ứng tự nhiên giống như các mạch nước phun của Công viên Quốc gia Yellowstone, có chu kỳ nước thấm vào các hầm nham thạch dưới lòng đất nơi magma nóng đun nó thành hơi nước, hơi thoát ra qua các kênh tự nhiên và phun vào không khí, làm trống các khoang dưới lòng đất và làm tắt mạch nước phun. Sau đó nước lại thấm vào các khoang chứa magma và chu kỳ cứ thế lặp lại. Mặt cắt ngang của lốp quặng Gabon cho thấy vị trí của lò phản ứng tự nhiên còn sót lại. Vào tháng 5 năm 1972, một nhân viên tại nhà máy làm giàu uranium Eurodif ở Pierrelatte, Pháp, lần đầu tiên nhận thấy sự khác biệt dẫn đến việc phát hiện ra các lò phản ứng tự nhiên ở Gabon: trong khi phân tích một mẫu chuẩn được điều chế từ quặng uranium, ông đã rất ngạc nhiên khi thấy nó hơi thiếu U-235. Kiểm tra các mẫu khác, Eurodif thấy U-235 bị hao hụt tương tự trong các chuyến hàng quặng của Gabon từ năm 1970 đổ lại. Các chuyến hàng quặng đã mang lại 700 tấn uranium tự nhiên, vì vậy
khoảng 200 kilogram U-235 bị thiếu, đủ để tạo ra ít nhất mười quả bom nguyên tử.[30] Vào thời điểm đó, ủy ban Năng lượng Nguyên tử Pháp (CEA) đã tham gia. Trong quá trình tiếp theo của vụ điều tra thiếu hụt uranium, một nhà khoa học CEA đã nhớ lại các cuộc thảo luận vào giữa những năm 1950, khi công nghệ lò phản ứng lần đầu tiên được công khai qua chương trình Nguyên tử vì Hòa bình, về khả năng lò phản ứng tự nhiên hình thành sớm hơn trong lịch sử Trái đất. “Đây cũng là một điều thú vị để ngoại suy ngược trở lại hai tỉ năm,” hai nhà khoa học của Chicago phỏng đoán tại một hội nghị năm 1953, “tại đó tỉ lệ của U-235 là 6% [sic; 3,5] thay vì 0,7%. Chắc chắn một trữ lượng lớn như vậy sẽ dễ dàng trở thành một lò vận hành. Chắc chắn, cho đến nay chúng ta không có bằng chứng nào cho sự việc như vậy xảy ra.”[31] Một nhà hóa học hạt nhân người Mỹ gốc Nhật, Paul Kuroda, đã suy đoán xa hơn trong một bài báo năm 1956 rằng quặng uranium của Nam Phi “cộng với nước ‘không ổn định’ về mặt vật lý hạt nhân vào 2 tỉ 100 triệu năm trước, và phản ứng dây chuyền uranium tới hạn có thể xảy ra, nếu nơi chúng tập hợp dày khoảng vài feet. Hiệu ứng của một vụ nổ như vậy có thể là nhiệt độ tăng đột ngột, sau đó là sự phá hủy hoàn toàn của tập hợp nguyên liệu tới hạn.”[32] Các phản ứng đã xảy ra, nhưng vì chúng không liên tục nên đã không hủy diệt khu vực đó, theo suy đoán của Kuroda. Về một khía cạnh khác, các lò phản ứng tự nhiên ở Gabon đã chứng minh điều lớn lao hơn sự tò mò đơn thuần. “Nếu không có bất kỳ cấu trúc ngăn chặn nào,” Theodore Rockwell viết, kỹ sư hạt nhân đã xây dựng Shippingport, “plutonium và các sản phẩm phân hạch phóng xạ được tạo ra bởi các lò phản ứng tự nhiên này sẽ bị nén trong lòng đất xung quanh lò phản ứng và không tạo ra bất kỳ vấn đề nào cho các loài thực vật và động vật trong khu vực. Đó là cách mà Thiên nhiên trả lời câu hỏi, ‘Phải làm gì với tất cả số chất thải hạt nhân đó?’”[33]
N 18 TÁC ĐỘNG CỦA SƯƠNG KHÓI ước Mỹ nhận biết được ô nhiễm không khí ở Pennsylvania, trong một thị trấn nhỏ trên sông Monongahela nằm cách 45 km về phía nam của Pittsburgh, vào ngày Halloween cuối tuần vào tháng 10 năm 1948. Trước đó, khói đã là một mối phiền toái trong nhiều thành phố và thị trấn trên khắp thế giới, nhưng chỉ có một vụ tử vong do khói, sương mù và ô nhiễm không khí phức tạp được báo cáo. Thảm họa có tiền lệ này từng xảy ra ở một thị trấn trên sông Meuse ở Liège, Bỉ, từ mồng 1 đến mồng 5 tháng 12 năm 1930, khiến 60 người chết trong hoàn cảnh tương tự.[1] Năm 1948, suốt thời kỳ Đại Suy thoái và Thế Chiến II, rất ít người bên ngoài nước Bỉ nhớ đến thảm họa ở thung lũng Meuse. Sương mù làm chết 20 người và làm ốm thêm 6.000 người nữa ở Donora, Pennsylvania, vào năm 1948 đã thu hút sự chú ý của công chúng vì nó là nguyên nhân khiến Dịch vụ Y tế Công cộng Mỹ bắt đầu điều tra ô nhiễm không khí.[2] Sông Monongahela tạo ra một vành móng ngựa sắc nét uốn quanh Donora, với dốc đứng qua sông cao 137 mét giam cầm thị trấn này từ ba mặt và những ngọn đồi phía sau nó còn vươn cao hơn nữa, khiến thị trấn như nằm trong một cái máng đi vệ sinh. Năm 1948, Donora là một thị trấn có 12.300 người, khoảng 3.000 người trong số đó làm việc tại một trong những nhà máy thép hoặc kẽm dọc bờ sông. “Dòng sông bị công nghiệp hóa dày đặc,” nhà báo Berton Roueché của tờ New Yorker nhận xét, lưu ý rằng tàu vận chuyển qua Monongahela “vượt quá trọng tải của kênh đào Panama.” Roueché nhận ra “sự ùn tắc giao thông trên sông dọc theo bờ hẹp bởi các tuyến và chi nhánh liên vùng của Đường sắt Pennsylvania và Trung tâm New York, các nhà máy luyện kim, nhà máy thép, nhà máy hóa học, xưởng thủy tinh, xưởng đúc, nhà máy than cốc, các
cửa hàng máy móc và kẽm, còn những ngọn đồi dốc bẩn thỉu với vô số thị trấn công nghiệp đen đúa.”[3] Đen đúa nhất trong số các thị trấn công nghiệp là Donora, trong ghi chú của Roueché, với các đường phố bê tông hoặc đá cuội nhưng nhiều bụi bẩn và than nghiền. Thị trấn không còn cây và gần như không có cỏ, có lẽ là do các chất ô nhiễm mà các nhà xưởng thở khò khè ra hằng ngày: một nhà máy thép, một nhà máy dây cáp (làm dây cáp cho cầu Cổng Vàng ở San Francisco hình cây đàn hạc lớn vào năm 1937), một nhà máy kẽm và acid sunfuric, “các nhà xưởng lớn… chiếm hai khối nhà… cao năm hoặc sáu tầng, và tất cả chúng đều có những ống khói cao hàng trăm feet liên miên tuôn khói màu đen hoặc đỏ hoặc vàng lưu huỳnh.”[4] Trên thị trấn ảm đạm này, vào cuối tuần thảm họa năm 1948 đó, xuất hiện một màn sương “dày đặc gây buồn nôn,” Roueché nhớ lại.[5] Một trong những quan chức y tế công cộng đã phỏng vấn cư dân Donora sau đó đã nghe về “những dải carbon [trong màn sương] như treo bất động trong không khí.”[6] Tầm nhìn xấu đến nỗi ngay cả người bản xứ cũng mất phương hướng. Mọi người đổ ra đường tối thứ Sáu cho cuộc diễu hành Halloween hằng năm, nhưng “tất cả mọi người đều không khỏi bàn tán về sương mù,” một nhân viên y tế nói với Roueché. “Trong điều kiện thế này thì diễu hành Halloween sẽ chỉ lãng phí thời gian. Bạn thực sự không thể nhìn thấy bất kỳ thứ gì… Mọi người đều ho.”[7] Nhân viên nhà tang lễ trong thị trấn nói rằng màn sương “có mùi độc.”[8] Cái chết đã giải thoát nạn nhân đầu tiên khỏi sự giày vò từ nôn mửa và ho khan vào 2 giờ sáng thứ Bảy. Nhiều cái chết nối tiếp trong khi vài bác sĩ ít ỏi của Donora phải căng mình ứng phó với các cuộc gọi cấp cứu từ nhà dân suốt hai ngày liên tục. Sở cứu hỏa đã giúp đỡ nhưng họ sớm cạn kiệt nguồn oxy trợ thở và phải cầu viện các thị trấn ở hạ lưu. Hội chữ thập đỏ đến và mở một trung tâm khẩn cấp. Đến nửa đêm đã có 17 người chết. Thêm hai người chết vào Chủ nhật, khi bỗng nhiên một cơn mưa trút xuống giúp đánh tan sương mù. (Nạn nhân cuối cùng số 20 qua đời một tuần sau đó.) Cục Dịch vụ Y tế Công cộng Mỹ mất một năm để đưa ra báo cáo khám nghiệm tử thi. Chín kỹ sư, bảy bác sĩ, sáu y tá, năm nhà hóa học, ba nhà
thống kê, hai nhà khí tượng, hai nha sĩ và một bác sĩ thú y đã nghiên cứu, kiểm tra và phỏng vấn người dân thị trấn và điều tra môi trường ở đó.[9] Ngoài ho, ngạt, chảy nước mắt, đau đầu, khó thở, đau ngực và đau họng, người bệnh còn than phiền về buồn nôn, nôn và tiêu chảy. Số lượng các triệu chứng tăng theo độ tuổi: trẻ nhỏ vẫn khỏe mạnh nhưng gần một nửa số người trên 65 tuổi bị ảnh hưởng nghiêm trọng và tất cả những người tử vong đều từ 52 tuổi trở lên. Trong tổng dân số khu vực, 42,7% - 5.910 người - được báo cáo là đang bị ảnh hưởng. Hay theo ngành y thì họ “chịu tác động từ màn sương.”[10] Mặc dù thảm họa đang diễn ra, tổng giám đốc nhà máy thép và dây cáp cùng người đứng đầu nhà máy kẽm tiếp tục vận hành nhà máy của họ, bơm khói độc vào màn sương cho đến sáng Chủ nhật, khi công ty mẹ U.S. Steel ra lệnh cho họ đóng cửa. Tuy nhiên, họ đã báo với thị trưởng rằng họ “chắc chắn các nhà máy không liên quan gì đến rắc rối này.” Các nhà điều tra của Cục Y tế Công cộng kết luận rằng không có chất gây ô nhiễm nào trong không khí Donora với khối lượng đủ để gây tử vong và bệnh nặng. Các nhà điều tra chỉ tìm thấy tàn dư của hydro và kẽm clorua, oxid nitơ, hydro sunfua và oxid cadmium. “Lưu huỳnh dioxid và tổng lượng lưu huỳnh,” họ viết, là “thành