În vacanța de Crăciun din 1938, fizicienii Lise Meitner și Otto Frisch au primit știri științifice nedumeritoare într-o scrisoare privată a chimistului nuclear Otto Hahn. Când a bombardat uraniul cu neutroni, Hahn făcuse câteva observații surprinzătoare care mergeau împotriva a tot ceea ce se știa la acea vreme despre nucleele dense ale atomilor – nucleele lor.Meitner și Frisch au fost capabili să ofere o explicație pentru ceea ce a văzut că ar revoluționa domeniul fizicii nucleare: un nucleu de uraniu s – ar putea împărți în jumătate – sau fisiune, așa cum l-au numit-producând două nuclee noi, numite fragmente de fisiune. Mai important, acest proces de fisiune eliberează cantități uriașe de energie. Această constatare în zorii celui de-al Doilea Război Mondial a fost începutul unei curse științifice și militare pentru a înțelege și utiliza această nouă sursă atomică de putere.
eliberarea acestor constatările către comunitatea academică au inspirat imediat mulți oameni de știință nucleari să investigheze în continuare procesul de fisiune nucleară. Fizicianul Leo Szilarda făcut o realizare importantă: dacă fisiunea emite neutroni și neutronii pot induce fisiunea, atunci neutronii din fisiunea unui nucleu ar putea provoca fisiunea unui alt nucleu. Totul ar putea cădea într-un proces de „lanț” auto-susținut.
a început astfel încercarea de a demonstra experimental că o reacție nucleară în lanț a fost posibilă – și acum 75 de ani, cercetătorii de la Universitatea din Chicago au reușit, deschizând ușa către ceea ce avea să devină era nucleară.
valorificarea fisiunii
ca parte a efortului Proiectului Manhattan de a construi o bombă atomică în timpul celui de-al doilea Război Mondial, Szilard a lucrat împreună cu fizicianul Enrico Fermi și alți colegi de la Universitatea din Chicago pentru a crea primul reactor nuclear experimental din lume.
pentru o reacție în lanț susținută, controlată, fiecare fisiune trebuie să inducă o singură fisiune suplimentară. Mai mult, și ar fi o explozie. Orice mai puține și reacția ar peter afară.
în studiile anterioare, fermi descoperise că nucleele de uraniu ar absorbi neutronii mai ușor dacă neutronii s-ar mișca relativ încet. Dar neutronii emiși din fisiunea uraniului sunt rapizi. Deci, pentru experimentul de la Chicago, fizicienii au folosit grafitul pentru a încetini neutronii emiși, prin mai multe procese de împrăștiere. Ideea a fost de a crește șansele neutronilor de a fi absorbiți de un alt nucleu de uraniu.
pentru a se asigura că pot controla în siguranță reacția în lanț, echipa a aranjat împreună ceea ce au numit „tije de control.”Acestea erau pur și simplu foi ale elementului cadmiu, un excelent absorbant de neutroni. Fizicienii au intercalat tije de control prin grămada de uraniu-grafit. La fiecare pas al procesului, Fermi a calculat emisia de neutroni așteptată și a îndepărtat încet o tijă de control pentru a-și confirma așteptările. Ca mecanism de siguranță, tijele de control ale cadmiului ar putea fi introduse rapid dacă ceva a început să meargă prost, pentru a opri reacția în lanț.
au numit această configurație de 20x6x25 picioare Chicago Pile Numărul unu sau CP-1 pe scurt – și aici au obținut prima reacție nucleară controlată în lanț din lume la 2 decembrie 1942. Un singur neutron aleatoriu a fost suficient pentru a începe procesul de reacție în lanț odată ce fizicienii au asamblat CP-1. Primul neutron ar induce fisiunea pe un nucleu de uraniu, emițând un set de noi neutroni. Acești neutroni secundari au lovit nucleele de carbon din grafit și au încetinit. Apoi s-ar întâlni cu alte nuclee de uraniu și ar induce o a doua rundă de reacții de fisiune, ar emite și mai mulți neutroni și așa mai departe. Tijele de control ale cadmiului s-au asigurat că procesul nu va continua la nesfârșit, deoarece Fermi și echipa sa ar putea alege exact cum și unde să le introducă pentru a controla reacția în lanț.
controlul reacției în lanț a fost extrem de important: Dacă echilibrul dintre neutronii produși și cei absorbiți nu ar fi exact corect, atunci reacțiile în lanț fie nu ar continua deloc, fie în cealaltă extremă mult mai periculoasă, reacțiile în lanț s-ar înmulți rapid odată cu eliberarea unor cantități enorme de energie.
uneori, la câteva secunde după ce fisiunea are loc într-o reacție în lanț nuclear, se eliberează neutroni suplimentari. Fragmentele de fisiune sunt de obicei radioactive și pot emite diferite tipuri de radiații, printre care neutroni. Imediat, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner și alții au recunoscut importanța acestor așa-numiți „neutroni întârziați” în controlul reacției în lanț.
dacă nu ar fi luate în considerare, acești neutroni suplimentari ar induce mai multe reacții de fisiune decât se anticipase. Drept urmare, reacția nucleară în lanț din experimentul lor din Chicago ar fi putut scăpa de sub control, cu rezultate potențial devastatoare. Mai important, însă, această întârziere de timp între fisiune și eliberarea mai multor neutroni permite ființelor umane să reacționeze și să facă ajustări, controlând puterea reacției în lanț, astfel încât să nu se desfășoare prea repede.
evenimentele din 2 decembrie 1942 au marcat o piatră de hotar uriașă. Aflarea modului de a crea și controla reacția nucleară în lanț a fost fundamentul celor 448 de reactoare nucleare care produc energie la nivel mondial astăzi. În prezent, 30 de țări includ reactoare nucleare în portofoliul lor de energie. În aceste țări, energia nucleară contribuie în medie cu 24% din puterea lor electrică totală, variind până la 72% în Franța.
succesul CP-1 a fost, de asemenea, esențial pentru continuarea proiectului Manhattan și crearea celor două bombe atomice utilizate în timpul celui de-al doilea război mondial.
întrebările rămase ale Fizicienilor
căutarea de a înțelege emisia întârziată de neutroni și fisiunea nucleară continuă în laboratoarele moderne de Fizică Nucleară. Cursa de astăzi nu este pentru construirea de bombe atomice sau chiar reactoare nucleare; este pentru înțelegerea proprietăților de bază ale nucleelor prin strânsă colaborare între experiment și teorie.
cercetătorii au observat fisiunea experimental doar pentru un număr mic de izotopi – diferitele versiuni ale unui element bazate pe câți neutroni are fiecare – și detaliile acestui proces complex nu sunt încă bine înțelese. Modelele teoretice de ultimă generație încearcă să explice proprietățile de fisiune observate, cum ar fi cantitatea de energie eliberată, numărul de neutroni emiși și masele fragmentelor de fisiune.
emisia întârziată de neutroni se întâmplă numai pentru nucleele care nu apar în mod natural, iar aceste nuclee trăiesc doar pentru o perioadă scurtă de timp. În timp ce experimentele au dezvăluit unele dintre nucleele care emit neutroni întârziați, nu suntem încă capabili să prezicem în mod fiabil ce izotopi ar trebui să aibă această proprietate. De asemenea, nu știm probabilitățile exacte pentru emisia întârziată de neutroni sau cantitatea de energie eliberată – proprietăți care sunt foarte importante pentru înțelegerea detaliilor producției de energie în reactoarele nucleare.în plus, cercetătorii încearcă să prezică noi nuclee în care fisiunea nucleară ar putea fi posibilă. Ei construiesc noi experimente și noi facilități puternice care vor oferi acces la nuclee care nu au fost niciodată studiate, în încercarea de a măsura direct toate aceste proprietăți. Împreună, noile studii experimentale și teoretice ne vor oferi o înțelegere mult mai bună a fisiunii nucleare, ceea ce poate contribui la îmbunătățirea performanței și siguranței reactoarelor nucleare.
atât fisiunea, cât și emisia întârziată de neutroni sunt procese care se întâmplă și în interiorul stelelor. Crearea elementelor grele, cum ar fi argintul și aurul, în special poate depinde de fisiunea și proprietățile întârziate ale emisiilor de neutroni ale nucleelor exotice. Fisiunea sparge cele mai grele elemente și le înlocuiește cu altele mai ușoare (fragmente de fisiune), schimbând complet compoziția elementului unei stele. Emisia întârziată de neutroni adaugă mai mulți neutroni în mediul stelar, care poate induce apoi noi reacții nucleare. De exemplu, proprietățile nucleare au jucat un rol vital în evenimentul de fuziune neutron-stea care a fost descoperit recent de observatoarele cu unde gravitaționale și electromagnetice din întreaga lume.
știința a parcurs un drum lung de la viziunea lui Szilard și dovada lui Fermi a unei reacții nucleare în lanț controlate. În același timp, au apărut noi Întrebări și mai sunt multe de învățat despre proprietățile nucleare de bază care conduc reacția în lanț și impactul acesteia asupra producției de energie aici pe Pământ și în alte părți ale universului nostru.
acest articol a fost publicat inițial pe conversație.
Artemis Spyrou, Profesor Asociat de Astrofizică nucleară, Universitatea de Stat din Michigan
Wolfgang Mittig, profesor de Fizică, Universitatea de Stat din Michigan