1938年のクリスマス休暇の間、物理学者Lise MeitnerとOtto Frischは、核化学者Otto Hahnからの私的な手紙の中で不可解な科学的ニュースを受けました。 中性子でウランを砲撃するとき、ハーンは原子の密なコア–その核について当時知られていたすべてに反するいくつかの驚くべき観察をしました。
マイトナーとフリッシュは、核物理学の分野に革命をもたらすだろう彼が見たものの説明を提供することができました：ウラン核は、彼らがそれを呼 さらに重要なのは、この核分裂プロセスは、エネルギーの膨大な量を解放します。 この発見は、第二次世界大戦の夜明けに、この新しい原子源を理解し、使用するための科学的および軍事的競争の始まりでした。
これらの知見の学術コミュニティへのリリースはすぐに触発されました多くの核科学者は、さらに核分裂プロセスを調査します。 核分裂が中性子を放出し、中性子が核分裂を誘発することができれば、ある核分裂からの中性子が別の核分裂を引き起こす可能性がある。 それはすべて、自立した「連鎖」プロセスでカスケードすることができます。このように、核連鎖反応が可能であることを実験的に証明するための探求が始まりました–そして75年前、シカゴ大学の研究者は成功し、核時代になる
核分裂を活用
第二次世界大戦中に原子爆弾を構築するためのマンハッタンプロジェクトの努力の一環として、Szilardは世界初の実験原子炉を作持続的で制御された連鎖反応のためには、各核分裂はただ一つの追加の核分裂を誘発しなければならない。
これ以上、爆発があるだろう。 これは、以下のような反応を示している。
以前の研究では、フェルミは、ウラン核中性子が比較的ゆっくりと動いていれば、中性子をより簡単に吸収するでしょう。 しかし、ウランの核分裂から放出される中性子は速い。 シカゴの実験では、物理学者は複数の散乱プロセスを介して放出された中性子を減速させるためにグラファイトを使用しました。 アイデアは、中性子が別のウラン核に吸収される可能性を高めることでした。
彼らが安全に連鎖反応を制御できることを確認するために、チームは彼らが”制御棒”と呼んだものを一緒に装備しました。”これらは単に優れた中性子吸収体である元素カドミウムのシートでした。 物理学者は、ウラン-グラファイトの杭を介して制御棒を散在させた。 プロセスのすべてのステップで、フェルミは予想される中性子放出を計算し、ゆっくりと彼の期待を確認するために制御棒を除去した。 安全機構として、カドミウム制御棒は、何かがうまくいかないようになった場合にすぐに挿入して連鎖反応を止めることができました。
彼らはこの20x6x25-foot setup Chicago Pile Number One、または略してCP-1と呼ばれ、2、1942年に世界初の制御された核連鎖反応を得た。 単一のランダム中性子は、物理学者がCP-1を組み立てた後、連鎖反応プロセスを開始するのに十分でした。 最初の中性子は、新しい中性子のセットを放出し、ウラン核に核分裂を誘発するだろう。 これらの二次中性子はグラファイト中の炭素核に衝突し、減速した。 その後、彼らは他のウラン核に実行し、核分裂反応の第二ラウンドを誘発し、さらに多くの中性子を放出し、上と上に思います。 フェルミと彼のチームは、連鎖反応を制御するためにそれらを挿入する方法と場所を正確に選択できるため、カドミウム制御棒は、プロセスが無期限に
連鎖反応を制御することは非常に重要でした: 生成された中性子と吸収された中性子のバランスが正確に正しくなかった場合、連鎖反応は全く進行しないか、または他のはるかに危険な極端に、連鎖反応は膨大な量のエネルギーの放出とともに急速に増殖するでしょう。
時には、核分裂が核連鎖反応で発生してから数秒後に、追加の中性子が放出されることがあります。 核分裂断片は、典型的には放射性であり、それらの中で中性子、放射線の異なるタイプを放出することができます。 すぐに、Enrico Fermi、Leo Szilard、Eugene Wignerなどは、連鎖反応を制御する上でこれらのいわゆる”遅延中性子”の重要性を認識しました。それらが考慮されなければ、これらの追加の中性子は予想よりも多くの核分裂反応を誘発するであろう。
その結果、シカゴの実験での核連鎖反応は、潜在的に壊滅的な結果で、制御不能に螺旋状になっている可能性があります。 さらに重要なのは、しかし、核分裂とより多くの中性子の放出との間のこの時間の遅延は、人間が反応し、調整を行うためのいくつかの時間を可能にし、連鎖反応の力を制御して、それがあまりにも速く進行しないようにする。
December2,1942のイベントは大きなマイルストーンをマークしました。 核連鎖反応をどのように作成し、制御するかを考え出すことは、今日世界中でエネルギーを生産する448の原子炉の基礎でした。 現在、30カ国が原子力発電所を電力ポートフォリオに含めている。 これらの国では、原子力エネルギーは総電力の平均24％に貢献しており、フランスでは72％にも達しています。
CP-1の成功は、マンハッタン計画の継続と第二次世界大戦中に使用された二つの原子爆弾の作成にも不可欠でした。
物理学者の残りの質問
遅延中性子放出と核分裂を理解するための探求は、現代の核物理学の研究室で継続しています。 今日の競争は、原子爆弾や原子炉を構築するためのものではなく、実験と理論の緊密な協力を通じて核の基本的な性質を理解するためのものです。
研究者は、少数の同位体–それぞれが持っている中性子の数に基づいて元素の様々なバージョン–についてのみ実験的に核分裂を観察しており、この複雑な過程の詳細はまだ十分に理解されていない。 最先端の理論モデルは、放出されるエネルギーの量、放出される中性子の数、核分裂断片の質量など、観測された核分裂特性を説明しようとします。
遅延中性子放出は、自然に発生していない核に対してのみ起こり、これらの核は短時間しか生きていない。 実験では、遅延中性子を放出する核のいくつかが明らかにされていますが、どの同位体がこの特性を持つべきかを確実に予測することはまだできま また、原子炉におけるエネルギー生産の詳細を理解するために非常に重要な特性である遅延中性子放出または放出されるエネルギー量の正確な確率さらに、研究者は、核分裂が可能であるかもしれない新しい核を予測しようとしています。
さらに、研究者は、核分裂が可能であるかもしれない新 彼らは、これらすべての特性を直接測定しようとする試みで、これまでに研究されたことのない核へのアクセスを提供する新しい実験と強力な新 一緒に、新しい実験的および理論的研究は、私たちに原子炉の性能と安全性を向上させることができ、核分裂のはるかに良い理解を与えるでしょう。
核分裂と遅延中性子放出の両方が星の中でも起こるプロセスです。 特に銀や金のような重元素の生成は、エキゾチックな核の核分裂および遅延中性子放出特性に依存する可能性がある。 核分裂は、最も重い元素を破壊し、それらをより軽い元素（核分裂断片）に置き換え、星の元素組成を完全に変化させる。 遅延中性子放出は、その後、新しい核反応を誘発することができ、恒星の環境に多くの中性子を追加します。 例えば、最近、世界中の重力波や電磁気観測所によって発見された中性子星の合併イベントでは、核の性質が重要な役割を果たしました。
この科学は、シラードのビジョンとフェルミの制御された核連鎖反応の証明以来、長い道のりを歩んできました。 同時に、新たな疑問が浮上しており、連鎖反応を駆動する基本的な核の特性と、ここで地球や宇宙の他の場所でのエネルギー生産への影響については、まだ多くのことを学ぶ必要があります。
この記事はもともと会話に公開されました。 
Artemis Spyrou、ミシガン州立大学核天体物理学の准教授
ウォルフガングMittig、ミシガン州立大学物理学の教授