Over Juleferien i 1938, fysikere Lise Meitner og Otto Frisch mottatt underlige vitenskapelige nyheter i et privat brev fra kjernefysiker Otto Hahn. Ved bombardering av uran med nøytroner hadde Hahn gjort noen overraskende observasjoner som gikk imot alt som var kjent på den tiden om atomenes tette kjerner – deres kjerner.Meitner og Frisch var i stand til å gi en forklaring på hva han så som ville revolusjonere feltet kjernefysikk: en urankjerne kunne dele seg i halv – eller fisjon, som de kalte det – produsere to nye kjerner, kalt fisjonsfragmenter. Enda viktigere, frigjør denne fisjonsprosessen enorme mengder energi. Dette funnet ved begynnelsen Av Andre Verdenskrig var starten på et vitenskapelig og militært løp for å forstå og bruke denne nye atomkilden.
utgivelsen av disse funnene til det akademiske samfunnet inspirerte umiddelbart mange atomforskere til å undersøke fisjonsprosessen videre. Fysiker Leo Szilardgjorde en viktig realisering: hvis fisjon avgir nøytroner, og nøytroner kan indusere fisjon, kan nøytroner fra fisjon av en kjerne forårsake fisjon av en annen kjerne. Det kan alle kaskade i en selvopprettholdende» kjede » – prosess.
dermed begynte søken for å eksperimentelt bevise at en kjernefysisk kjedereaksjon var mulig-og 75 år siden, forskere ved University Of Chicago lyktes, åpne døren til det som skulle bli den kjernefysiske æra.
Utnytte fisjon
Som en del Av Manhattanprosjektet for å bygge en atombombe under Andre Verdenskrig, Jobbet Szilard sammen med fysikeren Enrico Fermi og andre kolleger ved University Of Chicago for å skape verdens første eksperimentelle atomreaktor.
for en vedvarende, kontrollert kjedereaksjon må hver fisjon indusere bare en ekstra fisjon. Mer, og det ville bli en eksplosjon. Noen færre og reaksjonen ville peter ut.
i tidligere studier fermi hadde funnet ut at urankjerner ville absorbere nøytroner lettere hvis nøytronene beveget seg relativt sakte. Men nøytroner utgitt fra fisjon av uran er raske. Så For Chicago-eksperimentet brukte fysikerne grafitt til å senke de utstrålede nøytronene, via flere spredningsprosesser. Tanken var å øke nøytronenes sjanser til å bli absorbert av en annen urankjerne.
for å sikre at de trygt kunne kontrollere kjedereaksjonen, rigget teamet sammen det de kalte » kontrollstenger.»Disse var bare ark av elementet kadmium, en utmerket nøytronabsorber. Fysikerne spredte kontrollstenger gjennom uran-grafittbunken. Ved hvert trinn i prosessen beregnet Fermi forventet nøytronutslipp, og fjernet sakte en kontrollstang for å bekrefte forventningene sine. Som en sikkerhetsmekanisme kunne kadmiumkontrollstavene raskt settes inn hvis noe begynte å gå galt, for å slå av kjedereaksjonen.
De kalte Dette 20x6x25-fots oppsettet Chicago Pile Number One, ELLER CP-1 for kort-og det var her de fikk verdens første kontrollerte kjernefysiske kjedereaksjon 2. desember 1942. En enkelt tilfeldig nøytron var nok til å starte kjedereaksjonsprosessen når fysikerne samlet CP-1. Det første nøytronet ville indusere fisjon på en urankjerne, og utstråle et sett med nye nøytroner. Disse sekundære nøytroner treffer karbonkjerner i grafitt og bremset ned. Da ville de løpe inn i andre urankjerner og indusere en andre runde fisjonsreaksjoner, avgir enda flere nøytroner, og videre og videre. Kadmiumkontrollstavene sørget for at prosessen ikke ville fortsette på ubestemt tid, fordi Fermi og hans team kunne velge nøyaktig hvordan og hvor de skulle sette dem inn for å kontrollere kjedereaksjonen.
Kontroll av kjedereaksjonen var ekstremt viktig: Hvis balansen mellom produserte og absorberte nøytroner ikke var helt riktig, ville kjedereaksjonene heller ikke fortsette i det hele tatt, eller i den andre mye farligere ekstremen ville kjedereaksjonene formere seg raskt med frigjøring av enorme mengder energi.
Noen ganger, noen få sekunder etter at fisjonen oppstår i en nukleær kjedereaksjon, frigjøres ytterligere nøytroner. Fisjonsfragmenter er vanligvis radioaktive, og kan avgi forskjellige typer stråling, blant dem nøytroner. Straks anerkjente Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner og andre betydningen av disse såkalte «forsinkede nøytronene» for å kontrollere kjedereaksjonen.
Hvis de ikke ble tatt i betraktning, ville disse ekstra nøytronene indusere flere fisjonsreaksjoner enn forventet. Som et resultat kunne kjernekjedereaksjonen i Deres Chicago-eksperiment ha spiralert ut av kontroll, med potensielt ødeleggende resultater. Enda viktigere, men denne tidsforsinkelsen mellom fisjonen og utgivelsen av flere nøytroner gir litt tid for mennesker å reagere og foreta justeringer, kontrollere kraften i kjedereaksjonen, slik at den ikke går for fort.
hendelsene 2. desember 1942 markerte en stor milepæl. Å finne ut hvordan man lager og kontrollerer kjernekjedereaksjonen var grunnlaget for de 448 atomreaktorene som produserer energi over hele verden i dag. I dag inkluderer 30 land atomreaktorer i sin kraftportefølje. Innenfor disse landene bidrar kjernekraft i gjennomsnitt 24 prosent av sin totale elektriske kraft, så høyt som 72 prosent i Frankrike.CP-1s suksess var også avgjørende for fortsettelsen Av Manhattanprosjektet og etableringen av de to atombombene som ble brukt under Andre Verdenskrig.
Fysikernes gjenværende spørsmål
søken etter å forstå forsinket nøytronutslipp og kjernefysisk fisjon fortsetter i moderne kjernefysiske laboratorier. Løpet i dag er ikke for å bygge atombomber eller til og med atomreaktorer; det er for forståelse av grunnleggende egenskaper av kjerner gjennom nært samarbeid mellom eksperiment og teori.Forskere har observert fisjon eksperimentelt bare for et lite antall isotoper – de forskjellige versjonene av et element basert på hvor mange nøytroner hver har-og detaljene i denne komplekse prosessen er ennå ikke godt forstått. State-of-the-art teoretiske modeller forsøker å forklare de observerte fisjonsegenskapene, som hvor mye energi som frigjøres, antall nøytroner som sendes ut og massene av fisjonsfragmentene.Forsinket nøytronutslipp skjer bare for kjerner som ikke er naturlig forekommende, og disse kjernene lever bare i kort tid. Mens eksperimenter har avslørt noen av kjernene som avgir forsinkede nøytroner, kan vi ennå ikke pålidelig forutsi hvilke isotoper som skal ha denne egenskapen. Vi vet heller ikke nøyaktige sannsynligheter for forsinket nøytronutslipp eller mengden energi som frigjøres – egenskaper som er svært viktige for å forstå detaljene for energiproduksjon i atomreaktorer.i tillegg forsøker forskere å forutsi nye kjerner hvor kjernefysisk fisjon kan være mulig. De bygger nye eksperimenter og kraftige nye anlegg som vil gi tilgang til kjerner som aldri før har blitt studert, i et forsøk på å måle alle disse egenskapene direkte. Sammen vil de nye eksperimentelle og teoretiske studiene gi oss en mye bedre forståelse av atomfission, noe som kan bidra til å forbedre ytelsen og sikkerheten til atomreaktorer.
både fisjon og forsinket nøytronutslipp er prosesser som også skjer i stjerner. Opprettelsen av tunge elementer, som sølv og gull, kan spesielt avhenge av fisjon og forsinkede nøytronutslippsegenskaper av eksotiske kjerner. Fisjon bryter de tyngste elementene og erstatter dem med lettere (fisjonsfragmenter), og endrer helt elementets sammensetning av en stjerne. Forsinket nøytronutslipp legger til flere nøytroner i stjernemiljøet, som deretter kan indusere nye atomreaksjoner. For eksempel spilte kjernefysiske egenskaper en viktig rolle i nøytronstjernesammenslåingshendelsen som nylig ble oppdaget av gravitasjonsbølger og elektromagnetiske observatorier rundt om i verden.vitenskapen har kommet langt siden Szilards visjon og Fermis bevis på en kontrollert kjernekjedereaksjon. Samtidig har nye spørsmål dukket opp, og det er fortsatt mye å lære om de grunnleggende atomegenskapene som driver kjedereaksjonen og dens innvirkning på energiproduksjon her på Jorden og andre steder i vårt univers.
denne artikkelen ble opprinnelig publisert På Samtalen.
Artemis Spyrou, Førsteamanuensis I Kjernefysisk Astrofysikk, Michigan State University
Wolfgang Mittig, Professor I Fysikk, Michigan State University