Přes Vánoční prázdniny v roce 1938, fyziků, Lise Meitner a Otto Frisch obdržel záhadný vědecké novinky v soukromém dopise z nukleární chemik Otto Hahn. Při bombardování uranu neutrony učinil Hahn několik překvapivých pozorování, která byla v rozporu se vším, co bylo v té době známo o hustých jádrech atomů – jejich jádrech.
Meitnerové a Frische byli schopni poskytnout vysvětlení pro to, co viděl, že by převrat na poli jaderné fyziky: jádra uranu může rozdělit na dvě poloviny – nebo štěpení, jak oni volali to produkující dvě nová jádra, tzv. štěpné fragmenty. Ještě důležitější je, že tento proces štěpení uvolňuje obrovské množství energie. Toto zjištění na úsvitu druhé světové války bylo začátkem vědecké a vojenské rasy, která pochopila a využila tento nový atomový zdroj energie.
uvolnění těchto zjištění akademické obci, okamžitě inspiroval mnoho jaderných vědců zkoumat jaderné štěpení proces dále. Fyzik Leo Szilardudělal důležitou realizaci: pokud štěpení emituje neutrony a neutrony mohou vyvolat štěpení, pak neutrony z štěpení jednoho jádra mohou způsobit štěpení jiného jádra. Všechno by to mohlo kaskádovat v soběstačném“ řetězovém “ procesu.
tak začala snaha experimentálně dokázat, že jaderná řetězová reakce byla možná – a před 75 lety vědci z Chicagské univerzity uspěli a otevřeli dveře tomu, co se stane jadernou érou.
Využití štěpení
Jako součást Projektu Manhattan úsilí k vytvoření atomové bomby během druhé Světové Války, Szilard pracoval spolu s fyzik Enrico Fermi a další kolegové na University of Chicago, aby vytvořit svět je první experimentální jaderný reaktor.
pro trvalou řízenou řetězovou reakci musí každé štěpení vyvolat pouze jedno další štěpení. Ještě víc a došlo by k výbuchu. Bylo by jich méně a reakce by se rozplynula.
V dřívější studie, Fermi zjistil, že uranová jádra by absorbovat neutrony, více snadno, pokud neutrony se pohybovaly poměrně pomalu. Neutrony emitované štěpením uranu jsou však rychlé. Takže pro chicagský experiment fyzici použili grafit ke zpomalení emitovaných neutronů prostřednictvím více rozptylových procesů. Cílem bylo zvýšit šance neutronů na absorpci jiným jádrem uranu.
aby se ujistili, že mohou bezpečně ovládat řetězovou reakci, tým sestavil to, čemu říkali “ kontrolní tyče.“Byly to prostě listy prvku kadmia, vynikající neutronový absorbér. Fyzici rozptýlili řídicí tyče přes hromadu uranu a grafitu. V každém kroku procesu Fermi vypočítal očekávané emise neutronů a pomalu odstranil řídicí tyč, aby potvrdil svá očekávání. Jako bezpečnostní mechanismus by mohly být řídicí tyče kadmia rychle vloženy, pokud by se něco začalo pokazit, aby se řetězová reakce zastavila.
říkali to 20x6x25-noha nastavení Chicago Pile Číslo Jedna, nebo CP-1, pro krátké – a to bylo tady, že získat na světě je první řízená jaderná řetězová reakce na 2. prosince 1942. Jeden náhodný neutron stačil k zahájení procesu řetězové reakce, jakmile fyzici sestavili CP-1. První neutron by indukoval štěpení na jádru uranu, emitující sadu nových neutronů. Tyto sekundární neutrony zasáhly uhlíková jádra v grafitu a zpomalily se. Pak by narazili na další jádra uranu a vyvolali druhé kolo štěpných reakcí, emitovali ještě více neutronů a dál a dál. Kadmiové řídící tyče se ujistili, proces nebude pokračovat donekonečna, protože Fermi a jeho tým mohl vybrat přesně to, jak a kam je vložit, aby se ovládat řetězové reakce.
Ovládání řetězové reakce bylo velmi důležité: Pokud se rovnováha mezi vyrábí a absorbuje neutrony nebylo přesně to pravé, pak řetězové reakce buď nebude vůbec probíhat, nebo v jiných, mnohem více nebezpečné, extrémní, řetězové reakce by se rychle množit s vydáním obrovské množství energie.
někdy se několik sekund po štěpení v jaderné řetězové reakci uvolní další neutrony. Štěpné fragmenty jsou obvykle radioaktivní a mohou emitovat různé typy záření, mezi nimi neutrony. Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner a další okamžitě uznali důležitost těchto takzvaných „zpožděných neutronů“ při řízení řetězové reakce.
Pokud by nebyly vzaty v úvahu, tyto další neutrony by vyvolaly více štěpných reakcí, než se předpokládalo. Jako výsledek, jaderná řetězová reakce v jejich Chicagském experimentu se mohla vymknout kontrole, s potenciálně ničivými výsledky. Ještě důležitější však je, že tato časová prodleva mezi štěpením a uvolněním více neutronů umožňuje lidem nějakou dobu reagovat a provádět úpravy, řízení síly řetězové reakce, takže neprobíhá příliš rychle.
události 2. prosince 1942 znamenaly obrovský milník. Přijít na to, jak vytvořit a řídit jadernou řetězovou reakci, bylo základem pro 448 jaderných reaktorů vyrábějících energii po celém světě. V současné době zahrnuje 30 zemí jaderné reaktory do svého energetického portfolia. V těchto zemích přispívá jaderná energie v průměru 24 procenty jejich celkové elektrické energie, ve Francii až 72 procent.
úspěch CP-1 byl také nezbytný pro pokračování projektu Manhattan a vytvoření dvou atomových bomb použitých během druhé světové války.
zbývající otázky fyziků
snaha porozumět zpožděným emisím neutronů a jadernému štěpení pokračuje v moderních laboratořích jaderné fyziky. Závod dnes není pro stavbu atomových bomb nebo dokonce jaderných reaktorů; je to pro pochopení základních vlastností jader prostřednictvím úzké spolupráce mezi experimentem a teorií.
Výzkumníci zjistili, štěpení experimentálně pouze pro malý počet izotopy – různé verze prvku založené na tom, kolik neutronů má každý – a podrobnosti tohoto složitého procesu jsou dosud dobře rozuměl. Nejmodernější teoretické modely se snaží vysvětlit pozorované štěpné vlastnosti, například kolik energie je uvolněno, počet emitovaných neutronů a hmotnosti štěpných fragmentů.
zpožděná emise neutronů se vyskytuje pouze u jader, které se přirozeně nevyskytují, a tato jádra žijí pouze krátkou dobu. Zatímco experimenty odhalily některá jádra, která emitují zpožděné neutrony, zatím nejsme schopni spolehlivě předpovědět, které izotopy by měly mít tuto vlastnost. Neznáme také přesné pravděpodobnosti zpožděných emisí neutronů nebo množství uvolněné energie-vlastnosti, které jsou velmi důležité pro pochopení podrobností o výrobě energie v jaderných reaktorech.
kromě toho se vědci snaží předpovědět nová jádra, kde by mohlo být možné jaderné štěpení. Budují nové experimenty a nová výkonná zařízení, která zajistí přístup k jádrům, která nikdy předtím nebyla studována, ve snaze měřit všechny tyto vlastnosti přímo. Společně nám nové experimentální a teoretické studie poskytnou mnohem lepší pochopení jaderného štěpení, což může pomoci zlepšit výkon a bezpečnost jaderných reaktorů.
jak štěpení, tak zpožděné emise neutronů jsou procesy, které se také dějí uvnitř hvězd. Tvorba těžkých prvků, jako je stříbro a zlato, zejména může záviset na štěpných a zpožděných emisních vlastnostech neutronů exotických jader. Štěpení rozbíjí nejtěžší prvky a nahrazuje je lehčími (štěpné fragmenty), což zcela mění složení prvků hvězdy. Zpožděná emise neutronů přidává do hvězdného prostředí více neutronů, které pak mohou vyvolat nové jaderné reakce. Například jaderné vlastnosti hrály zásadní roli v události fúze neutron-hvězda, která byla nedávno objevena gravitačními vlnami a elektromagnetickými observatořemi po celém světě.
věda prošla dlouhou cestu od Szilardovy vize a Fermiho důkazu řízené jaderné řetězové reakce. Zároveň se objevily nové otázky a stále je co učit o základních jaderných vlastnostech, které řídí řetězovou reakci a její dopad na výrobu energie zde na Zemi a jinde v našem vesmíru.
Tento článek byl původně zveřejněn na Konverzace.
Artemis Spyrou, Profesor Jaderné Astrofyziky, Michigan State University,
Wolfgang Mittig, Profesor Fyziky na University of Michigan,