joululomalla vuonna 1938 fyysikot Lise Meitner ja Otto Frisch saivat hämmentäviä Tiedeuutisia ydinkemisti Otto Hahnin yksityisessä kirjeessä. Pommittaessaan uraania neutroneilla Hahn oli tehnyt yllättäviä havaintoja, jotka olivat vastoin kaikkea siihen aikaan tunnettua atomien tiheistä ytimistä – niiden ytimistä.
Meitner ja Frisch pystyivät antamaan selityksen näkemälleen, joka mullistaisi ydinfysiikan alan: uraaniydin voisi jakautua kahtia – tai fissioon, kuten he sitä kutsuivat – tuottaen kaksi uutta ydintä, niin sanottuja fissiokappaleita. Mikä vielä tärkeämpää, tämä fissioprosessi vapauttaa valtavia määriä energiaa. Tämä havainto toisen maailmansodan kynnyksellä oli alku tieteelliselle ja sotilaalliselle kilpajuoksulle tämän uuden atomivoimanlähteen ymmärtämiseksi ja käyttämiseksi.
the release of these fission process akateemiseen yhteisöön innosti heti monia ydintutkijoita tutkimaan ydinfissioprosessia tarkemmin. Fyysikko Leo Szilard teki tärkeän oivalluksen: jos fissio lähettää neutroneja ja neutronit voivat aiheuttaa fission, yhden ytimen fissio voi aiheuttaa toisen ytimen fission. Se kaikki voisi kasautua itsestään kestävässä ”ketjuprosessissa”.
näin alkoi pyrkimys todistaa kokeellisesti, että ydinketjureaktio oli mahdollinen – ja 75 vuotta sitten Chicagon yliopiston tutkijat onnistuivat siinä ja avasivat oven sille, mistä tulisi ydinaseiden aikakausi.
valjastaen fission
osana Manhattan-projektia, jonka tarkoituksena oli rakentaa atomipommi toisen maailmansodan aikana, Szilard työskenteli yhdessä fyysikko Enrico Fermin ja muiden kollegoidensa kanssa Chicagon yliopistossa luodakseen maailman ensimmäisen kokeellisen ydinreaktorin.
pitkäkestoisessa, kontrolloidussa ketjureaktiossa jokaisen fission täytyy aiheuttaa vain yksi ylimääräinen fissio. Yksikin lisää, ja siitä tulisi räjähdys. Vähänkin vähemmän ja reaktio olisi peter ulos.
aiemmissa tutkimuksissa Fermi oli havainnut, että uraaniytimet absorboisivat neutroneja helpommin, jos neutronit liikkuisivat suhteellisen hitaasti. Uraanin fissiosta vapautuvat neutronit ovat kuitenkin nopeita. Chicagon kokeessa fyysikot käyttivät grafiittia hidastaakseen neutroneja-useiden sirontaprosessien avulla. Ajatuksena oli lisätä neutronien mahdollisuuksia joutua toisen uraaniytimen absorboimaksi.
varmistaakseen, että he voisivat turvallisesti hallita ketjureaktiota, ryhmä viritti yhteen niin sanottuja ”säätösauvoja.”Nämä olivat yksinkertaisesti alkuaineen kadmiumia, erinomaista neutronien absorboijaa. Fyysikot leikkasivat säätösauvoja uraani-grafiittikasan läpi. Prosessin jokaisessa vaiheessa Fermi laski odotetun neutronisäteilyn ja poisti hitaasti säätösauvan vahvistaakseen odotuksensa. Turvamekanismina kadmium – säätösauvat voitiin nopeasti asentaa, jos jokin alkoi mennä vikaan, ketjureaktion sammuttamiseksi.
he kutsuivat tätä 20x6x25-jalkaista Chicagon kasaa numero ykköseksi, tai lyhyesti CP – 1: ksi-ja juuri täällä he saivat maailman ensimmäisen kontrolloidun ydinketjureaktion 2.joulukuuta 1942. Yksi satunnainen neutroni riitti käynnistämään ketjureaktioprosessin fyysikoiden koottua CP-1: n. Ensimmäinen neutroni aiheuttaisi fission uraaniytimessä ja lähettäisi joukon uusia neutroneja. Nämä sekundaariset neutronit osuivat grafiitin hiiliytimiin ja hidastuivat. Sitten ne törmäisivät muihin uraaniytimiin ja aiheuttaisivat toisen kierroksen fissioreaktioita, päästäisivät yhä enemmän neutroneja ja niin edelleen. Kadmium – säätösauvat varmistivat, ettei prosessi jatkuisi loputtomiin, koska Fermi ryhmineen saattoi valita, miten ja minne ne asetettaisiin ketjureaktion hallitsemiseksi.
ketjureaktion kontrollointi oli äärimmäisen tärkeää: Jos syntyneiden ja absorboituneiden neutronien välinen tasapaino ei olisi aivan oikea, ketjureaktiot eivät joko etenisi lainkaan, tai toisessa paljon vaarallisemmassa ääripäässä ketjureaktiot lisääntyisivät nopeasti vapauttaen valtavia määriä energiaa.
joskus ydinketjureaktiossa muutaman sekunnin kuluttua fissiosta vapautuu lisää neutroneja. Fissiokappaleet ovat tyypillisesti radioaktiivisia, ja ne voivat lähettää erityyppistä säteilyä, muun muassa neutroneja. Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner ja muut ymmärsivät heti näiden niin sanottujen ”viivästyneiden neutronien” merkityksen ketjureaktion hallitsemisessa.
Jos niitä ei otettaisi huomioon, nämä ylimääräiset neutronit aiheuttaisivat luultua enemmän fissioreaktioita. Tämän seurauksena heidän Chicagon kokeensa ydinketjureaktio olisi voinut riistäytyä käsistä ja johtaa tuhoisiin seurauksiin. Vielä tärkeämpää on kuitenkin se, että tämä fission ja useampien neutronien vapautumisen välinen aikaviive antaa ihmiselle jonkin verran aikaa reagoida ja tehdä muutoksia ja hallita ketjureaktion voimaa, jottei se etenisi liian nopeasti.
joulukuun 2.päivän tapahtumat 1942 merkitsivät valtavaa virstanpylvästä. Ydinketjureaktion luomisen ja hallinnan selvittäminen oli perusta 448 ydinreaktorille, jotka tuottavat nykyään energiaa maailmanlaajuisesti. Tällä hetkellä 30 valtiota sisällyttää ydinreaktorit energiasalkkuunsa. Näissä maissa ydinenergian osuus niiden sähköntuotannosta on keskimäärin 24 prosenttia, Ranskassa jopa 72 prosenttia.
CP-1: n menestys oli välttämätöntä myös Manhattan-projektin jatkumiselle ja kahden toisen maailmansodan aikana käytetyn atomipommin luomiselle.
fyysikoiden jäljellä olevat kysymykset
pyrkimys ymmärtää viivästynyttä neutroniemissiota ja ydinfissiota jatkuu nykyaikaisissa ydinfysiikan laboratorioissa. Kilpajuoksu tänään ei ole rakentaa atomipommeja tai edes ydinreaktoreita; se on ymmärrystä perusominaisuudet ytimien tiiviissä yhteistyössä kokeen ja teorian.
tutkijat ovat havainnoineet fissiota kokeellisesti vain pienellä määrällä isotooppeja – alkuaineen eri versioita perustuen siihen, kuinka monta neutronia kullakin on – ja tämän monimutkaisen prosessin yksityiskohtia ei vielä tunneta hyvin. Huipputekniset teoreettiset mallit yrittävät selittää havaittuja fissioominaisuuksia,kuten kuinka paljon energiaa vapautuu, kuinka monta neutronia vapautuu ja kuinka paljon fissiokappaleita on massoja.
viivästynyttä neutroniemissiota tapahtuu vain sellaisille ytimille, jotka eivät esiinny luonnossa, ja nämä ytimet elävät vain lyhyen aikaa. Vaikka kokeet ovat paljastaneet joitakin ytimiä, jotka lähettävät viivästyneitä neutroneja, emme vielä pysty luotettavasti ennustamaan, millä isotoopeilla pitäisi olla tämä ominaisuus. Emme myöskään tiedä tarkkoja todennäköisyyksiä viivästyneille neutronipäästöille tai vapautuneen energian määrälle – ominaisuuksia, jotka ovat erittäin tärkeitä ydinreaktoreiden energiantuotannon yksityiskohtien ymmärtämisessä.
lisäksi tutkijat yrittävät ennustaa uusia ytimiä, joissa ydinfissio voisi olla mahdollista. He rakentavat uusia kokeita ja tehokkaita uusia laitoksia, jotka tarjoavat pääsyn ytimiin, joita ei ole koskaan ennen tutkittu, yrittäen mitata kaikkia näitä ominaisuuksia suoraan. Yhdessä uudet kokeelliset ja teoreettiset tutkimukset antavat meille paljon paremman käsityksen ydinfissiosta, mikä voi auttaa parantamaan ydinreaktorien suorituskykyä ja turvallisuutta.
sekä fissiot että viivästyneet neutroniemissiot ovat prosesseja, joita tapahtuu myös tähtien sisällä. Erityisesti raskaiden alkuaineiden, kuten hopean ja kullan, synty voi riippua eksoottisten ytimien fissioominaisuuksista ja viivästyneistä neutroniemissioominaisuuksista. Fissio rikkoo raskaimmat alkuaineet ja korvaa ne kevyemmillä (fission fragmentit) muuttaen tähden alkuainekoostumuksen täysin. Viivästynyt neutroniemissio lisää tähtien ympäristöön lisää neutroneja, jotka voivat sitten aiheuttaa uusia ydinreaktioita. Esimerkiksi ydinominaisuuksilla oli tärkeä rooli neutronitähtien fuusiotapahtumassa, jonka gravitaatioaalto-ja sähkömagneettiset observatoriot ympäri maailmaa äskettäin löysivät.
tiede on kulkenut pitkän matkan sitten Szilardin vision ja Fermin todisteen kontrolloidusta ydinketjureaktiosta. Samaan aikaan uusia kysymyksiä on tullut esiin, ja on vielä paljon opittavaa ydinenergian perusominaisuuksista, jotka ohjaavat ketjureaktiota ja sen vaikutusta energiantuotantoon täällä maapallolla ja muualla universumissamme.
Tämä artikkeli on julkaistu alun perin keskustelusta.
Artemis Spyrou, Atomiastrofysiikan apulaisprofessori, Michiganin osavaltionyliopisto
Wolfgang Mittig, fysiikan professori, Michiganin osavaltionyliopisto