over juleferien i 1938 modtog fysikerne Lise Meitner og Otto Frisch gådefulde videnskabelige nyheder i et privat brev fra atomkemiker Otto Hahn. Ved bombardering af uran med neutroner havde Hahn lavet nogle overraskende observationer, der gik imod alt, hvad der var kendt på det tidspunkt om atomernes tætte kerner – deres kerner.
Meitner og Frisch var i stand til at give en forklaring på, hvad han så, der ville revolutionere kernefysikken: en urankerne kunne opdele i halv – eller fission, som de kaldte det – producerer to nye kerner, kaldet fissionsfragmenter. Endnu vigtigere frigiver denne fissionsproces enorme mængder energi. Dette fund i begyndelsen af Anden Verdenskrig var starten på et videnskabeligt og militært løb for at forstå og bruge denne nye atomkilde.
frigivelsen af fissionsprocessen (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) disse fund til det akademiske samfund inspirerede straks mange atomforskere til at undersøge den nukleare fissionsproces yderligere. Fysiker Leo Silardgjort en vigtig erkendelse: hvis fission udsender neutroner, og neutroner kan inducere fission, kan neutroner fra fission af en kerne forårsage fission af en anden kerne. Det kunne alle kaskade i en selvbærende” kæde ” proces.
således begyndte søgen efter eksperimentelt at bevise, at en nuklear kædereaktion var mulig – og for 75 år siden lykkedes det forskere ved University of Chicago at åbne døren til, hvad der ville blive den nukleare æra.
udnyttelse af fission
som en del af Manhattan-projektets indsats for at bygge en atombombe under Anden Verdenskrig arbejdede han sammen med fysikeren Enrico Fermi og andre kolleger ved University of Chicago for at skabe verdens første eksperimentelle atomreaktor.
for en vedvarende, kontrolleret kædereaktion skal hver fission kun inducere en yderligere fission. Mere, og der ville være en eksplosion. Enhver færre og reaktionen ville peter ud.
i tidligere undersøgelser, Fermi havde fundet ud af, at urankerner lettere ville absorbere neutroner, hvis neutronerne bevægede sig relativt langsomt. Men neutroner, der udsendes fra fission af uran, er hurtige. Så til Chicago-eksperimentet brugte fysikerne grafit til at bremse de udsendte neutroner via flere spredningsprocesser. Ideen var at øge neutronernes chancer for at blive absorberet af en anden urankerne.
for at sikre, at de sikkert kunne kontrollere kædereaktionen, holdet rigget sammen, hvad de kaldte “kontrolstænger.”Disse var simpelthen ark af elementet cadmium, en fremragende neutronabsorber. Fysikerne spredte kontrolstænger gennem uran-grafitbunken. Ved hvert trin i processen beregnede Fermi den forventede neutronemission og fjernede langsomt en kontrolstang for at bekræfte hans forventninger. Som en sikkerhedsmekanisme kunne cadmium-kontrolstængerne hurtigt indsættes, hvis noget begyndte at gå galt for at lukke kædereaktionen.
de kaldte denne 20h6h25-fods opsætning Chicago Pile Nummer et, eller CP-1 for kort – og det var her, de opnåede verdens første kontrollerede nukleare kædereaktion den 2.December 1942. En enkelt tilfældig neutron var nok til at starte kædereaktionsprocessen, når fysikerne samlede CP-1. Den første neutron ville inducere fission på en urankerne og udsende et sæt nye neutroner. Disse sekundære neutroner ramte kulstofkerner i grafitten og bremsede ned. Så ville de løbe ind i andre urankerner og fremkalde en anden runde fissionsreaktioner, udsende endnu flere neutroner, og igen og igen. Cadmium – kontrolstængerne sørgede for, at processen ikke ville fortsætte på ubestemt tid, fordi Fermi og hans team kunne vælge nøjagtigt, hvordan og hvor de skulle indsættes for at kontrollere kædereaktionen.
styring af kædereaktionen var ekstremt vigtig: Hvis balancen mellem producerede og absorberede neutroner ikke var helt rigtig, ville kædereaktionerne heller ikke fortsætte overhovedet, eller i den anden meget farligere ekstreme ville kædereaktionerne formere sig hurtigt med frigivelsen af enorme mængder energi.
Nogle gange, et par sekunder efter fissionen sker i en nuklear kædereaktion, frigives yderligere neutroner. Fissionsfragmenter er typisk radioaktive og kan udsende forskellige typer stråling, blandt dem neutroner. Med det samme erkendte Enrico Fermi, Leo Ssilard, Eugene Vigner og andre vigtigheden af disse såkaldte “forsinkede neutroner” i styringen af kædereaktionen.
hvis de ikke blev taget i betragtning, ville disse yderligere neutroner fremkalde flere fissionsreaktioner end forventet. Som et resultat kunne atomkædereaktionen i deres Chicago-eksperiment have spiret ud af kontrol med potentielt ødelæggende resultater. Endnu vigtigere er det imidlertid, at denne tidsforsinkelse mellem fission og frigivelse af flere neutroner giver nogen tid for mennesker at reagere og foretage justeringer og kontrollere kraften i kædereaktionen, så den ikke går for hurtigt.
begivenhederne den 2.December 1942 markerede en enorm milepæl. At finde ud af, hvordan man opretter og styrer atomkædereaktionen, var grundlaget for de 448 atomreaktorer, der producerer energi over hele verden i dag. På nuværende tidspunkt omfatter 30 lande atomreaktorer i deres elportefølje. Inden for disse lande bidrager atomenergi i gennemsnit 24 procent af deres samlede elektriske kraft, der spænder så højt som 72 procent i Frankrig.CP-1 ‘ s succes var også afgørende for fortsættelsen af Manhattan-projektet og oprettelsen af de to atombomber, der blev brugt under Anden Verdenskrig.
fysikers resterende spørgsmål
søgen efter at forstå forsinket neutronemission og nuklear fission fortsætter i moderne atomfysiklaboratorier. Løbet i dag er ikke til at bygge atombomber eller endda atomreaktorer; det er til forståelse af kernernes grundlæggende egenskaber gennem tæt samarbejde mellem eksperiment og teori.
forskere har kun observeret fission eksperimentelt for et lille antal isotoper – de forskellige versioner af et element baseret på hvor mange neutroner hver har – og detaljerne i denne komplekse proces er endnu ikke godt forstået. State-of-the-art teoretiske modeller forsøger at forklare de observerede fissionsegenskaber, som hvor meget energi der frigives, antallet af udsendte neutroner og masserne af fissionsfragmenterne.forsinket neutronemission sker kun for kerner, der ikke forekommer naturligt, og disse kerner lever kun i kort tid. Mens eksperimenter har afsløret nogle af de kerner, der udsender forsinkede neutroner, er vi endnu ikke i stand til pålideligt at forudsige, hvilke isotoper der skal have denne egenskab. Vi kender heller ikke nøjagtige sandsynligheder for forsinket neutronemission eller mængden af frigivet energi – egenskaber, der er meget vigtige for at forstå detaljerne i energiproduktion i atomreaktorer.
derudover forsøger forskere at forudsige nye kerner, hvor nuklear fission kan være mulig. De bygger nye eksperimenter og kraftfulde nye faciliteter, som vil give adgang til kerner, der aldrig før er blevet undersøgt, i et forsøg på at måle alle disse egenskaber direkte. Sammen vil de nye eksperimentelle og teoretiske undersøgelser give os en meget bedre forståelse af nuklear fission, som kan bidrage til at forbedre ydeevnen og sikkerheden af atomreaktorer.
både fission og forsinket neutronemission er processer, der også sker inden for stjerner. Oprettelsen af tunge elementer, som sølv og guld, kan især afhænge af fission og forsinkede neutronemissionsegenskaber af eksotiske kerner. Fission bryder de tungeste elementer og erstatter dem med lettere (fissionsfragmenter), der fuldstændigt ændrer elementets sammensætning af en stjerne. Forsinket neutronemission tilføjer flere neutroner til stjernemiljøet, som derefter kan fremkalde nye nukleare reaktioner. For eksempel spillede nukleare egenskaber en afgørende rolle i neutronstjernefusionsbegivenheden, der for nylig blev opdaget af gravitationsbølge og elektromagnetiske observatorier rundt om i verden.
videnskaben er kommet langt siden Ssilards vision og fermis bevis på en kontrolleret nuklear kædereaktion. Samtidig er der opstået nye spørgsmål, og der er stadig meget at lære om de grundlæggende nukleare egenskaber, der driver kædereaktionen og dens indvirkning på energiproduktionen her på jorden og andre steder i vores univers.
denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på samtalen.
Artemis Spyrou, lektor i nuklear astrofysik, Michigan State University
Ulvgang Mittig, Professor i fysik, Michigan State University