tijdens de kerstvakantie in 1938 ontvingen natuurkundigen Lise Meitner en Otto Frisch raadselachtig wetenschappelijk nieuws in een privébrief van kernchemicus Otto Hahn. Bij het bombarderen van uranium met neutronen, had Hahn enkele verrassende waarnemingen gedaan die tegen alles in gingen wat op dat moment bekend was over de dichte kernen van atomen – hun kernen.
Meitner en Frisch konden een verklaring geven voor wat hij zag dat het gebied van de kernfysica zou veranderen: een uraniumkern zou in tweeën kunnen splitsen – of splijting, zoals zij het noemden – en twee nieuwe kernen produceren, de zogenaamde splijtingsfragmenten. Nog belangrijker, dit splijtingsproces releases enorme hoeveelheden energie. Deze ontdekking aan het begin van de Tweede Wereldoorlog was het begin van een wetenschappelijke en militaire race om deze nieuwe atomaire krachtbron te begrijpen en te gebruiken.
De release van deze bevindingen voor de academische gemeenschap onmiddellijk geïnspireerd vele nucleaire wetenschappers onderzoeken de kernsplijting proces verder. Natuurkundige Leo Szilard maakte een belangrijke realisatie: als kernsplijting neutronen uitzendt, en neutronen kunnen kernsplijting veroorzaken, dan kunnen neutronen uit de kernsplijting van een andere kern de kernsplijting veroorzaken. Het kan allemaal cascade in een zelfvoorzienend “keten” proces.zo begon de zoektocht om experimenteel te bewijzen dat een nucleaire kettingreactie mogelijk was – en 75 jaar geleden slaagden onderzoekers aan de Universiteit van Chicago erin de deur te openen naar wat het nucleaire tijdperk zou worden.als onderdeel van het Manhattan Project om een atoombom te bouwen tijdens de Tweede Wereldoorlog, werkte Szilard samen met fysicus Enrico Fermi en andere collega ’s aan de Universiteit van Chicago om’ s werelds eerste experimentele kernreactor te creëren.
voor een aanhoudende, gecontroleerde kettingreactie moet elke splijting slechts één extra splijting veroorzaken. Nog meer en er zou een explosie zijn. Nog minder en de reactie zou verdwijnen.
in eerdere studies had Fermi aangetoond dat uranium kernen zouden neutronen gemakkelijker absorberen als de neutronen relatief langzaam zouden bewegen. Maar neutronen die vrijkomen bij de splitsing van uranium zijn snel. Voor het experiment in Chicago gebruikten de natuurkundigen grafiet om de uitgezonden neutronen te vertragen, via meerdere verstrooiingsprocessen. Het idee was om de kans op absorptie door een andere uraniumkern te vergroten.
om er zeker van te zijn dat ze de kettingreactie veilig konden controleren, heeft het team zogenaamde “controlestaven” samengesteld.”Dit waren gewoon platen van het element cadmium, een uitstekende neutronenabsorber. De fysici wisselden regelstaven door de uranium-grafiet stapel. Bij elke stap van het proces berekende Fermi de verwachte neutronenemissie en verwijderde langzaam een controlestaaf om zijn verwachtingen te bevestigen. Als veiligheidsmechanisme konden de cadmiumstaven snel worden ingebracht als er iets mis ging, om de kettingreactie uit te schakelen.
ze noemden deze 20x6x25-voet setup Chicago stapel Nummer één, of cp-1 in het kort – en het was hier dat ze ‘ s werelds eerste gecontroleerde nucleaire kettingreactie verkregen op 2 December 1942. Een enkel willekeurig neutron was genoeg om het kettingreactie proces te starten zodra de fysici cp-1 samenstelden. Het eerste neutron zou splijting veroorzaken op een uraniumkern, waardoor een reeks nieuwe neutronen zou vrijkomen. Deze secundaire neutronen raken koolstofkernen in het grafiet en vertragen. Dan zouden ze andere uraniumkernen tegenkomen en een tweede ronde van splijtingsreacties veroorzaken, nog meer neutronen uitstoten, enzovoort. De cadmiumstaven zorgden ervoor dat het proces niet eindeloos zou doorgaan, omdat Fermi en zijn team precies konden kiezen hoe en waar ze in te voegen om de kettingreactie te controleren.
Het beheersen van de kettingreactie was uiterst belangrijk: Als de balans tussen geproduceerde en geabsorbeerde neutronen niet precies goed was, dan zouden de kettingreacties ofwel helemaal niet doorgaan, of in het andere veel gevaarlijker extreme zouden de kettingreacties zich snel vermenigvuldigen met het vrijkomen van enorme hoeveelheden energie.
soms, enkele seconden nadat de kernsplijting plaatsvindt in een nucleaire kettingreactie, komen er extra neutronen vrij. Kernsplijtingsfragmenten zijn meestal radioactief en kunnen verschillende soorten straling uitzenden, waaronder neutronen. Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner en anderen erkenden meteen het belang van deze zogenaamde “vertraagde neutronen” bij het beheersen van de kettingreactie.
indien zij niet in aanmerking worden genomen, zouden deze extra neutronen meer splijtingsreacties veroorzaken dan verwacht. Als gevolg daarvan kan de nucleaire kettingreactie in hun Chicago experiment uit de hand gelopen zijn, met potentieel verwoestende resultaten. Belangrijker, echter, deze tijdsvertraging tussen de splitsing en het vrijkomen van meer neutronen laat enige tijd voor mensen om te reageren en aanpassingen te maken, het beheersen van de kracht van de kettingreactie, zodat het niet te snel gaat.
de gebeurtenissen van 2 December 1942 markeerden een enorme mijlpaal. Uitzoeken hoe de nucleaire kettingreactie te creëren en te controleren was de basis voor de 448 kernreactoren die vandaag de dag wereldwijd energie produceren. Momenteel nemen 30 landen kernreactoren op in hun energieportefeuille. Binnen deze landen draagt kernenergie gemiddeld 24 procent bij aan hun totale elektriciteit, in Frankrijk zelfs 72 procent.
CP-1 ‘ s succes was ook essentieel voor de voortzetting van het Manhattan Project en de creatie van de twee atoombommen gebruikt tijdens de Tweede Wereldoorlog.
resterende vragen van natuurkundigen
het onderzoek naar vertraagde neutronenemissie en kernsplijting wordt voortgezet in moderne kernfysische laboratoria. De race van vandaag is niet voor het bouwen van atoombommen of zelfs kernreactoren; het is voor het begrijpen van de basiseigenschappen van kernen door nauwe samenwerking tussen experiment en theorie.
onderzoekers hebben splijting slechts experimenteel waargenomen voor een klein aantal isotopen – de verschillende versies van een element gebaseerd op het aantal neutronen dat elk heeft – en de details van dit complexe proces zijn nog niet goed begrepen. Geavanceerde theoretische modellen proberen de waargenomen splijtingseigenschappen te verklaren, zoals de hoeveelheid energie die vrijkomt, het aantal uitgezonden neutronen en de massa van de splijtingsfragmenten.
vertraagde neutronenemissie gebeurt alleen voor kernen die niet van nature voorkomen, en deze kernen leven slechts voor een korte tijd. Hoewel experimenten enkele kernen hebben blootgelegd die vertraagde neutronen uitstoten, zijn we nog niet in staat om betrouwbaar te voorspellen welke isotopen deze eigenschap zouden moeten hebben. We weten ook geen exacte waarschijnlijkheid voor vertraagde neutronenuitstoot of de hoeveelheid vrijgekomen energie-eigenschappen die zeer belangrijk zijn voor het begrijpen van de details van de energieproductie in kernreactoren.bovendien proberen onderzoekers nieuwe kernen te voorspellen waar kernsplijting mogelijk zou kunnen zijn. Ze bouwen nieuwe experimenten en krachtige nieuwe faciliteiten die toegang zullen bieden tot kernen die nooit eerder zijn bestudeerd, in een poging om al deze eigenschappen direct te meten. Samen zullen de nieuwe experimentele en theoretische studies ons een veel beter inzicht geven in kernsplijting, wat kan bijdragen tot het verbeteren van de prestaties en de veiligheid van kernreactoren.
zowel kernsplijting als vertraagde neutronenemissie zijn processen die ook binnen sterren plaatsvinden. Het ontstaan van zware elementen, zoals zilver en goud, kan met name afhangen van de splijtings-en vertraagde neutronenemissie-eigenschappen van exotische kernen. Kernsplijting breekt de zwaarste elementen en vervangt ze door lichtere (kernsplijtingsfragmenten), waardoor de Elementsamenstelling van een ster volledig verandert. Vertraagde neutronenemissie voegt meer neutronen toe aan de sterrenomgeving, die dan nieuwe kernreacties kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld, nucleaire eigenschappen speelden een vitale rol in de neutronenster fusie gebeurtenis die onlangs werd ontdekt door gravitatiegolf en elektromagnetische observatoria over de hele wereld.de wetenschap heeft een lange weg afgelegd sinds Szilard ’s visie en Fermi’ s bewijs van een gecontroleerde nucleaire kettingreactie. Tegelijkertijd zijn er nieuwe vragen gerezen, en er is nog veel te leren over de fundamentele nucleaire eigenschappen die de kettingreactie aandrijven en de impact ervan op de energieproductie hier op aarde en elders in ons universum.
Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op het gesprek.
Artemis Spyrou, universitair hoofddocent nucleaire astrofysica, Michigan State University
Wolfgang Mittig, hoogleraar natuurkunde, Michigan State University