Vége a Karácsonyi vakáció 1938-ban, a fizikusok Lise Meitner Otto ezért csinálja kapott rejtélyes tudományos hír egy privát levelet nukleáris vegyész, Otto Hahn. Amikor az uránt neutronokkal bombázták, Hahn meglepő megfigyeléseket tett, amelyek az atomok sűrű magjairól – a magjaikról-minden akkoriban ismert ellen fordultak.
Meitner és Frisch képesek voltak magyarázatot adni arra, amit látott, ami forradalmasítja a nukleáris fizika területét: egy uránmag kettéosztható – vagy hasadási, ahogy nevezték – két új atommagot termel, úgynevezett hasadási töredékeket. Ennél is fontosabb, hogy ez a hasadási folyamat hatalmas mennyiségű energiát szabadít fel. Ez a megállapítás a második világháború hajnalán egy tudományos és katonai verseny kezdete volt, hogy megértsük és felhasználjuk ezt az új atomenergiát.
tudományos közösség azonnal inspirált sok nukleáris tudósok, hogy vizsgálja meg a maghasadási folyamat tovább. Fizikus Leo Szilardmade egy fontos felismerés: ha hasadási bocsát ki, neutronok, valamint a neutronok indukál, maghasadás, akkor a neutronok a hasadási egy atommag okozhat a hasadási egy másik mag. Ez mind kaszkád egy önfenntartó “lánc” folyamat.
így kezdődött a kísérletileg bizonyítani, hogy egy nukleáris láncreakció lehetséges – 75 évvel ezelőtt, a kutatók a University of Chicago sikerült, megnyitva az ajtót, hogy mi lesz a nukleáris korszak.
a hasadás hasznosítása
a Manhattan Projekt részeként a második világháború alatt atombomba építésére tett erőfeszítések részeként Szilard együtt dolgozott Enrico Fermi fizikussal és a Chicagói Egyetem más kollégáival a világ első kísérleti atomreaktorának létrehozása érdekében.
tartós, szabályozott láncreakció esetén minden hasadásnak csak egy további hasadást kell kiváltania. Még egyszer, és robbanás lesz. Ha kevesebben lennének, a reakció kimerülne.
korábbi tanulmányokban, Fermi azt találta, hogy az uránmagok könnyebben elnyelik a neutronokat, ha a neutronok viszonylag lassan mozognak. De az urán hasadásából kibocsátott neutronok gyorsak. Tehát a Chicagói kísérlethez a fizikusok grafitot használtak a kibocsátott neutronok lelassítására, többszörös szórási folyamatok révén. Az ötlet az volt, hogy növeljék a neutronok esélyét arra, hogy egy másik uránmag felszívódjon.
annak biztosítása érdekében, hogy biztonságosan irányítsák a láncreakciót, a csapat összekapcsolta az úgynevezett “vezérlő rudakat”.”Ezek egyszerűen az elem kadmium lapjai voltak, kiváló neutronelnyelő. A fizikusok keresztezték a vezérlő rudakat az urán-grafit halom révén. A folyamat minden lépésénél a Fermi kiszámította a várható neutronkibocsátást, majd lassan eltávolított egy vezérlőrudat, hogy megerősítse elvárásait. Biztonsági mechanizmusként a kadmium vezérlő rudakat gyorsan be lehet illeszteni, ha valami rosszul indul, hogy leállítsa a láncreakciót.
ezt a 20x6x25 lábú Chicagói halom első számú, vagy röviden CP-1-nek hívták – és itt kapták meg a világ első ellenőrzött nukleáris láncreakcióját 1942.December 2-án. Egyetlen véletlenszerű neutron elegendő volt a láncreakció folyamat elindításához, miután a fizikusok összeállították a CP-1-et. Az első neutron maghasadást indukálna egy uránmagon, új neutronok halmazát bocsátva ki. Ezek a másodlagos neutronok a grafitban szénmagokat érintenek és lelassulnak. Ezután más uránmagokba ütköztek, és a hasadási reakciók második fordulóját indukálták, még több neutront bocsátottak ki, és így tovább. A kadmiumvezérlő rudak gondoskodtak arról, hogy a folyamat ne folytatódjon határozatlan ideig, mert Fermi és csapata pontosan kiválaszthatta, hogyan és hol helyezze be őket a láncreakció szabályozásához.
a láncreakció ellenőrzése rendkívül fontos volt: Ha az előállított és elnyelt neutronok közötti egyensúly nem lenne pontosan megfelelő, akkor a láncreakciók egyáltalán nem folytatódnának, vagy a másik sokkal veszélyesebb szélsőségben a láncreakciók gyorsan szaporodnak hatalmas mennyiségű energia felszabadulásával.
néha néhány másodperccel a maghasadás után egy nukleáris láncreakcióban további neutronok szabadulnak fel. A hasadási fragmensek jellemzően radioaktívak, és különböző típusú sugárzást bocsátanak ki, köztük neutronokat. Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner és mások azonnal felismerték az úgynevezett “késleltetett neutronok” fontosságát a láncreakció szabályozásában.
ha ezeket nem veszik figyelembe, ezek a további neutronok a vártnál több hasadási reakciót váltanak ki. Ennek eredményeként, a nukleáris láncreakció a Chicagói kísérletben elszabadulhatott volna, potenciálisan pusztító eredményekkel. Ennél is fontosabb azonban, hogy a maghasadás és a több neutron felszabadulása közötti idő késleltetése lehetővé teszi az emberek számára, hogy reagáljanak és kiigazításokat hajtsanak végre, szabályozva a láncreakció erejét, hogy ne haladjon túl gyorsan.
az 1942.December 2-i események hatalmas mérföldkövet jelentettek. A nukleáris láncreakció létrehozásának és irányításának módja volt az alapja annak a 448 atomreaktornak, amelyek ma világszerte termelnek energiát. Jelenleg 30 ország atomreaktorai vannak az energiaportfóliójukban. Ezeken az országokon belül az atomenergia a teljes villamos energia átlagosan 24% – át teszi ki, ami Franciaországban akár 72% – ot is elérhet.
a CP-1 sikere a Manhattan-projekt folytatásához és a második világháború alatt használt két atombomba létrehozásához is elengedhetetlen volt.
A fizikusok fennmaradó kérdései
a modern atomfizikai laboratóriumokban folytatódik a késleltetett neutronkibocsátás és a maghasadás megértésének kutatása. A mai verseny nem atombombák vagy akár atomreaktorok építésére irányul, hanem az atommagok alapvető tulajdonságainak megértésére a kísérlet és az elmélet szoros együttműködése révén.
A kutatók kísérletileg csak kis számú izotóp esetében figyelték meg a hasadást-az elem különböző változatai az egyes neutronok alapján -, és ennek a komplex folyamatnak a részletei még nem ismertek. A legkorszerűbb elméleti modellek megpróbálják megmagyarázni a megfigyelt hasadási tulajdonságokat, mint például az energia felszabadulása, a kibocsátott neutronok száma és a hasadási fragmensek tömege.
a késleltetett neutronkibocsátás csak a természetben nem előforduló magoknál fordul elő, és ezek a magok csak rövid ideig élnek. Míg a kísérletek néhány olyan magot tártak fel, amelyek késleltetett neutronokat bocsátanak ki, még nem tudjuk megbízhatóan megjósolni, hogy mely izotópoknak kell rendelkezniük ezzel a tulajdonsággal. Nem ismerjük a késleltetett neutronkibocsátás vagy a felszabaduló energia mennyiségének pontos valószínűségeit sem-olyan tulajdonságok, amelyek nagyon fontosak az atomreaktorok energiatermelésének részleteinek megértéséhez.
ezenkívül a kutatók új atommagokat próbálnak megjósolni, ahol nukleáris hasadás lehetséges. Új kísérleteket és hatalmas új létesítményeket építenek, amelyek hozzáférést biztosítanak a még soha nem vizsgált atommagokhoz, hogy megpróbálják ezeket a tulajdonságokat közvetlenül mérni. Az új kísérleti és elméleti tanulmányok együttesen sokkal jobban megértik a maghasadást, ami hozzájárulhat az atomreaktorok teljesítményének és biztonságának javításához.
mind a hasadás, mind a késleltetett neutronkibocsátás olyan folyamatok, amelyek a csillagokon belül is előfordulnak. A nehéz elemek-például az ezüst és az arany-létrehozása elsősorban az egzotikus magok hasadási és késleltetett neutronkibocsátási tulajdonságaitól függhet. A hasadás megtöri a legnehezebb elemeket, és könnyebbé teszi őket (hasadási töredékek), teljesen megváltoztatva egy csillag elemösszetételét. A késleltetett neutronkibocsátás további neutronokat ad a csillagkörnyezethez, amelyek új nukleáris reakciókat válthatnak ki. A nukleáris tulajdonságok például létfontosságú szerepet játszottak abban a neutroncsillagos fúziós eseményben, amelyet a közelmúltban fedeztek fel gravitációs hullámú és elektromágneses megfigyelőközpontok szerte a világon.
a tudomány hosszú utat tett meg Szilard látása és Fermi ellenőrzött nukleáris láncreakciójának bizonyítéka óta. Ugyanakkor új kérdések merültek fel, és még sokat kell tudni a láncreakciót kiváltó alapvető nukleáris tulajdonságokról és annak az energiatermelésre gyakorolt hatásáról itt a földön és máshol a világegyetemben.
Ez a cikk eredetileg a beszélgetésen jelent meg.
Artemis Spyrou, a Michigan Állami Egyetem Nukleáris Asztrofizikájának docense
Wolfgang Mittig, a Michigan Állami Egyetem fizika professzora