Über die Weihnachtsferien 1938 erhielten die Physiker Lise Meitner und Otto Frisch in einem privaten Brief des Kernchemikers Otto Hahn rätselhafte wissenschaftliche Neuigkeiten. Beim Beschuss von Uran mit Neutronen hatte Hahn einige überraschende Beobachtungen gemacht, die gegen alles verstießen, was damals über die dichten Atomkerne – ihre Kerne – bekannt war.Meitner und Frisch konnten eine Erklärung für das liefern, was er sah, das das Gebiet der Kernphysik revolutionieren würde: Ein Urankern könnte sich in zwei Hälften teilen – oder spalten, wie sie es nannten – und zwei neue Kerne erzeugen, die Spaltfragmente genannt werden. Noch wichtiger ist, dass dieser Spaltprozess große Mengen an Energie freisetzt. Diese Entdeckung zu Beginn des Zweiten Weltkriegs war der Beginn eines wissenschaftlichen und militärischen Wettlaufs, um diese neue atomare Energiequelle zu verstehen und zu nutzen.
Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse an die akademische Gemeinschaft inspirierte die Wissenschaftler sofort zu viele Nuklearwissenschaftler untersuchen den Kernspaltungsprozess weiter. Physiker Leo Szilardmachte eine wichtige Erkenntnis: Wenn die Spaltung Neutronen emittiert und Neutronen die Spaltung induzieren können, könnten Neutronen aus der Spaltung eines Kerns die Spaltung eines anderen Kerns verursachen. Es könnte alles in einem selbsttragenden „Ketten“ -Prozess kaskadieren.So begann die Suche nach dem experimentellen Beweis, dass eine nukleare Kettenreaktion möglich war – und vor 75 Jahren gelang es Forschern der Universität von Chicago, die Tür zu dem zu öffnen, was das Atomzeitalter werden würde.
Nutzbarmachung der Spaltung
Im Rahmen des Manhattan-Projekts zum Bau einer Atombombe während des Zweiten Weltkriegs arbeitete Szilard mit dem Physiker Enrico Fermi und anderen Kollegen an der Universität von Chicago zusammen, um den weltweit ersten experimentellen Kernreaktor zu bauen.
Für eine nachhaltige, kontrollierte Kettenreaktion muss jede Spaltung nur eine zusätzliche Spaltung induzieren. Noch mehr, und es würde eine Explosion geben. Weniger und die Reaktion würde ausfallen.
In früheren Studien hatte Fermi festgestellt, dass urankerne würden Neutronen leichter absorbieren, wenn sich die Neutronen relativ langsam bewegen würden. Aber Neutronen, die durch die Spaltung von Uran emittiert werden, sind schnell. Für das Chicagoer Experiment verwendeten die Physiker Graphit, um die emittierten Neutronen über mehrere Streuprozesse zu verlangsamen. Die Idee war, die Chancen der Neutronen zu erhöhen, von einem anderen Urankern absorbiert zu werden.
Um sicherzustellen, dass sie die Kettenreaktion sicher kontrollieren konnten, richtete das Team sogenannte „Kontrollstäbe“ zusammen.“ Dies waren einfach Platten des Elements Cadmium, eines ausgezeichneten Neutronenabsorbers. Die Physiker durchsetzten den Uran-Graphit-Haufen mit Kontrollstäben. Bei jedem Schritt des Prozesses berechnete Fermi die erwartete Neutronenemission und entfernte langsam einen Kontrollstab, um seine Erwartungen zu bestätigen. Als Sicherheitsmechanismus könnten die Cadmium-Kontrollstäbe schnell eingesetzt werden, wenn etwas schief läuft, um die Kettenreaktion abzuschalten.
Sie nannten dieses 20x6x25-Fuß-Setup Chicago Pile Number One oder kurz CP–1 – und hier erhielten sie weltweit die erste kontrollierte nukleare Kettenreaktion am 2. Dezember 1942. Ein einzelnes zufälliges Neutron reichte aus, um den Kettenreaktionsprozess zu starten, sobald die Physiker CP-1 zusammengebaut hatten. Das erste Neutron würde die Spaltung eines Urankerns induzieren und eine Reihe neuer Neutronen emittieren. Diese sekundären Neutronen trafen Kohlenstoffkerne im Graphit und verlangsamten sich. Dann stießen sie auf andere Urankerne und induzierten eine zweite Runde von Spaltreaktionen, emittierten noch mehr Neutronen und so weiter. Die Cadmium-Kontrollstäbe stellten sicher, dass der Prozess nicht unbegrenzt fortgesetzt wurde, da Fermi und sein Team genau wählen konnten, wie und wo sie eingesetzt werden sollten, um die Kettenreaktion zu steuern.
Die Kontrolle der Kettenreaktion war extrem wichtig: Wenn das Gleichgewicht zwischen produzierten und absorbierten Neutronen nicht genau stimmen würde, würden die Kettenreaktionen entweder überhaupt nicht ablaufen, oder im anderen viel gefährlicheren Extrem würden sich die Kettenreaktionen unter Freisetzung enormer Energiemengen schnell vermehren.
Manchmal werden einige Sekunden nach der Spaltung in einer Kernkettenreaktion zusätzliche Neutronen freigesetzt. Spaltfragmente sind typischerweise radioaktiv und können verschiedene Arten von Strahlung emittieren, darunter Neutronen. Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner und andere erkannten sofort die Bedeutung dieser sogenannten „verzögerten Neutronen“ für die Kontrolle der Kettenreaktion.
Wenn sie nicht berücksichtigt würden, würden diese zusätzlichen Neutronen mehr Spaltreaktionen auslösen als erwartet. Infolgedessen könnte die nukleare Kettenreaktion in ihrem Experiment in Chicago außer Kontrolle geraten sein, mit potenziell verheerenden Folgen. Noch wichtiger ist jedoch, dass diese Zeitverzögerung zwischen der Spaltung und der Freisetzung von mehr Neutronen dem Menschen etwas Zeit lässt, um zu reagieren und Anpassungen vorzunehmen, wodurch die Kraft der Kettenreaktion so gesteuert wird, dass sie nicht zu schnell abläuft.
Die Ereignisse vom 2. Dezember 1942 markierten einen großen Meilenstein. Herauszufinden, wie man die nukleare Kettenreaktion erzeugt und kontrolliert, war die Grundlage für die 448 Kernreaktoren, die heute weltweit Energie produzieren. Derzeit haben 30 Länder Kernreaktoren in ihr Leistungsportfolio aufgenommen. In diesen Ländern trägt die Kernenergie im Durchschnitt 24 Prozent ihrer gesamten elektrischen Leistung bei, in Frankreich sogar 72 Prozent.Der Erfolg von CP-1 war auch wesentlich für die Fortsetzung des Manhattan-Projekts und die Schaffung der beiden im Zweiten Weltkrieg eingesetzten Atombomben.
Die verbleibenden Fragen der Physiker
Die Suche nach dem Verständnis der verzögerten Neutronenemission und der Kernspaltung geht in modernen Kernphysiklabors weiter. Der Wettlauf geht heute nicht darum, Atombomben oder gar Kernreaktoren zu bauen; Es geht um das Verständnis grundlegender Eigenschaften von Kernen durch enge Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie.Forscher haben die Spaltung experimentell nur für eine kleine Anzahl von Isotopen beobachtet – die verschiedenen Versionen eines Elements, basierend darauf, wie viele Neutronen jedes hat – und die Details dieses komplexen Prozesses sind noch nicht gut verstanden. Moderne theoretische Modelle versuchen, die beobachteten Spalteigenschaften zu erklären, wie z. B. wie viel Energie freigesetzt wird, die Anzahl der emittierten Neutronen und die Massen der Spaltfragmente.Verzögerte Neutronenemission tritt nur für Kerne auf, die nicht natürlich vorkommen, und diese Kerne leben nur für eine kurze Zeit. Während Experimente einige der Kerne aufgedeckt haben, die verzögerte Neutronen emittieren, Wir können noch nicht zuverlässig vorhersagen, welche Isotope diese Eigenschaft haben sollten. Wir kennen auch keine genauen Wahrscheinlichkeiten für die verzögerte Neutronenemission oder die Menge der freigesetzten Energie – Eigenschaften, die für das Verständnis der Details der Energieerzeugung in Kernreaktoren sehr wichtig sind.
Darüber hinaus versuchen Forscher, neue Kerne vorherzusagen, in denen eine Kernspaltung möglich sein könnte. Sie bauen neue Experimente und leistungsstarke neue Einrichtungen, die den Zugang zu Kernen ermöglichen, die noch nie zuvor untersucht wurden, um all diese Eigenschaften direkt zu messen. Zusammen werden uns die neuen experimentellen und theoretischen Studien ein viel besseres Verständnis der Kernspaltung vermitteln, was dazu beitragen kann, die Leistung und Sicherheit von Kernreaktoren zu verbessern.
Sowohl Spaltung als auch verzögerte Neutronenemission sind Prozesse, die auch innerhalb von Sternen ablaufen. Insbesondere die Bildung schwerer Elemente wie Silber und Gold kann von der Spaltung und den verzögerten Neutronenemissionseigenschaften exotischer Kerne abhängen. Die Spaltung bricht die schwersten Elemente und ersetzt sie durch leichtere (Spaltfragmente), wodurch die Elementzusammensetzung eines Sterns vollständig verändert wird. Die verzögerte Neutronenemission fügt der Sternumgebung mehr Neutronen hinzu, die dann neue Kernreaktionen auslösen können. Zum Beispiel spielten nukleare Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Neutronensternfusion, die kürzlich von Gravitationswellen- und elektromagnetischen Observatorien auf der ganzen Welt entdeckt wurde.
Die Wissenschaft hat seit Szilards Vision und Fermis Beweis einer kontrollierten nuklearen Kettenreaktion einen langen Weg zurückgelegt. Gleichzeitig sind neue Fragen aufgetaucht, und es gibt noch viel zu lernen über die grundlegenden nuklearen Eigenschaften, die die Kettenreaktion und ihre Auswirkungen auf die Energieerzeugung hier auf der Erde und anderswo in unserem Universum antreiben.
Dieser Artikel wurde ursprünglich im Gespräch veröffentlicht.
Artemis Spyrou, Außerordentliche Professorin für nukleare Astrophysik, Michigan State University
Wolfgang Mittig, Professor für Physik, Michigan State University