podczas świątecznych wakacji w 1938 roku fizycy Lise Meitner i Otto Frisch otrzymali zagadkowe wiadomości naukowe w prywatnym liście od chemika jądrowego Otto Hahna. Podczas bombardowania uranu neutronami, Hahn dokonał zaskakujących obserwacji, które były sprzeczne ze wszystkim, co wówczas wiadomo o gęstych rdzeniach atomów – ich jądrach.
Meitner i Frisch byli w stanie wyjaśnić to, co zobaczył, że zrewolucjonizuje dziedzinę fizyki jądrowej: jądro uranu może podzielić się na pół – lub rozszczepienie, jak to nazwali, tworząc dwa nowe jądra, zwane fragmentami rozszczepienia. Co ważniejsze, ten proces rozszczepienia uwalnia ogromne ilości energii. To odkrycie u zarania II wojny światowej było początkiem naukowego i wojskowego wyścigu, aby zrozumieć i wykorzystać to nowe atomowe źródło energii.
ujawnienie tych wyników społeczność akademicka natychmiast zainspirowała wielu naukowców jądrowych do dalszego badania procesu rozszczepienia jądrowego. Fizyk Leo Szilard zrealizował ważną sprawę: jeśli rozszczepienie emituje neutrony, a neutrony mogą wywoływać rozszczepienie, to neutrony z rozszczepienia jednego jądra mogą powodować rozszczepienie innego jądra. Wszystko to może przebiegać kaskadowo w samowystarczalnym procesie „łańcuchowym”.
w ten sposób rozpoczęła się próba eksperymentalnego udowodnienia, że nuklearna reakcja łańcuchowa jest możliwa – i 75 lat temu udało się naukowcom z Uniwersytetu w Chicago, otwierając drzwi do tego, co stanie się erą nuklearną.
wykorzystując rozszczepienie
w ramach projektu Manhattan mającego na celu zbudowanie bomby atomowej podczas II Wojny Światowej, Szilard współpracował z fizykiem Enrico Fermim i innymi kolegami z Uniwersytetu w Chicago, aby stworzyć pierwszy na świecie eksperymentalny reaktor jądrowy.
dla trwałej, kontrolowanej reakcji łańcuchowej, każde rozszczepienie musi wywołać tylko jedno dodatkowe rozszczepienie. Jeszcze trochę i wybuchnie. Mniej, a reakcja by się skończyła.
we wcześniejszych badaniach, Fermi odkrył, że jądra uranu będą łatwiej absorbować neutrony, jeśli neutrony poruszają się stosunkowo wolno. Ale neutrony emitowane z rozszczepienia uranu są szybkie. W eksperymencie Chicagowskim fizycy użyli grafitu do spowolnienia emitowanych neutronów, poprzez wielokrotne procesy rozpraszania. Pomysł polegał na zwiększeniu szans neutronów na zaabsorbowanie przez inne jądro uranu.
aby upewnić się, że mogą bezpiecznie kontrolować reakcję łańcuchową, zespół przygotował coś, co nazwali „prętami kontrolnymi.”To były po prostu arkusze pierwiastka kadm, doskonałego absorbera neutronów. Fizycy przeplatali pręty kontrolne przez stertę uranowo-grafitową. Na każdym etapie procesu Fermi obliczał oczekiwaną emisję neutronów i powoli usuwał Pręt kontrolny, aby potwierdzić swoje oczekiwania. Jako mechanizm bezpieczeństwa, pręty kontrolne kadmu można szybko włożyć, jeśli coś zacznie działać nie tak, aby wyłączyć reakcję łańcuchową.
nazwali ten 20x6x25-foot setup Chicago Pile Number One, lub w skrócie CP-1 – i to tutaj uzyskali pierwszą na świecie kontrolowaną reakcję łańcuchową jądrową 2 grudnia 1942 roku. Pojedynczy przypadkowy neutron wystarczył do rozpoczęcia reakcji łańcuchowej po złożeniu CP-1 przez fizyków. Pierwszy neutron wywołałby rozszczepienie jądra uranu, emitując zestaw nowych neutronów. Te drugorzędne neutrony uderzają w jądra węgla w grafitu i zwalniają. Potem wpadały na inne jądra uranu i wywoływały drugą rundę reakcji rozszczepienia, emitowały jeszcze więcej neutronów i tak dalej. Pręty sterujące kadmem upewniły się, że proces nie będzie kontynuowany w nieskończoność, ponieważ Fermi i jego zespół mogli dokładnie wybrać, w jaki sposób i gdzie je wstawić, aby kontrolować reakcję łańcuchową.
kontrolowanie reakcji łańcuchowej było niezwykle ważne: Gdyby równowaga między wyprodukowanymi i pochłoniętymi neutronami nie była do końca właściwa, to reakcje łańcuchowe albo w ogóle by nie przebiegały, albo w innym, znacznie bardziej niebezpiecznym ekstremum, reakcje łańcuchowe szybko by się rozmnażały, uwalniając ogromne ilości energii.
czasami, kilka sekund po zajściu rozszczepienia w jądrowej reakcji łańcuchowej, uwalniane są dodatkowe neutrony. Fragmenty rozszczepienia są zazwyczaj radioaktywne i mogą emitować różne rodzaje promieniowania, wśród nich neutrony. Od razu Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner i inni uznali znaczenie tych tak zwanych „opóźnionych neutronów” w kontrolowaniu reakcji łańcuchowej.
gdyby nie zostały wzięte pod uwagę, te dodatkowe neutrony wywołałyby więcej reakcji rozszczepienia niż przewidywano. W rezultacie reakcja łańcuchowa jądrowa w eksperymencie w Chicago mogła wymknąć się spod kontroli, z potencjalnie niszczycielskimi wynikami. Co ważniejsze, to opóźnienie czasowe między rozszczepieniem a uwolnieniem większej ilości neutronów daje człowiekowi czas na reakcję i dostosowanie, kontrolując moc reakcji łańcuchowej, aby nie przebiegała zbyt szybko.
wydarzenia z 2 grudnia 1942 roku były wielkim kamieniem milowym. Odkrycie sposobu tworzenia i kontrolowania reakcji łańcuchowej było podstawą 448 reaktorów jądrowych produkujących energię na całym świecie. Obecnie 30 krajów włącza reaktory jądrowe do swojego portfolio energii. W tych krajach energia jądrowa stanowi średnio 24 procent całkowitej energii elektrycznej, a we Francji nawet 72 procent.
sukces CP-1 był również niezbędny do kontynuacji projektu Manhattan i stworzenia dwóch bomb atomowych używanych podczas II wojny światowej.
pozostałe pytania fizyków
poszukiwanie zrozumienia opóźnionej emisji neutronów i rozszczepienia jądrowego trwa we współczesnych laboratoriach fizyki jądrowej. Dzisiejszy wyścig nie polega na budowaniu bomb atomowych, a nawet reaktorów jądrowych; chodzi o zrozumienie podstawowych właściwości jąder poprzez ścisłą współpracę między eksperymentem a teorią.
naukowcy zaobserwowali rozszczepienie eksperymentalnie tylko dla niewielkiej liczby izotopów – różnych wersji pierwiastka w oparciu o liczbę neutronów każdy z nich – a szczegóły tego złożonego procesu nie są jeszcze dobrze poznane. Najnowocześniejsze modele teoretyczne próbują wyjaśnić obserwowane właściwości rozszczepienia, takie jak ilość uwalnianej energii, liczba emitowanych neutronów i masy fragmentów rozszczepienia.
opóźniona emisja neutronów ma miejsce tylko w przypadku jąder, które nie występują naturalnie, a te jądra żyją tylko przez krótki czas. Chociaż eksperymenty ujawniły niektóre jądra, które emitują opóźnione neutrony, nie jesteśmy jeszcze w stanie wiarygodnie przewidzieć, które izotopy powinny mieć tę właściwość. Nie znamy również dokładnych prawdopodobieństw opóźnionej emisji neutronów ani ilości uwolnionej energii-właściwości, które są bardzo ważne dla zrozumienia szczegółów produkcji energii w reaktorach jądrowych.
ponadto naukowcy próbują przewidzieć nowe jądra, w których możliwe będzie rozszczepienie jądra. Budują nowe eksperymenty i potężne nowe obiekty, które zapewnią dostęp do jąder, które nigdy wcześniej nie były badane, próbując zmierzyć wszystkie te właściwości bezpośrednio. Wspólnie nowe badania eksperymentalne i teoretyczne pozwolą nam znacznie lepiej zrozumieć rozszczepienie jądrowe, które może przyczynić się do poprawy wydajności i bezpieczeństwa reaktorów jądrowych.
zarówno rozszczepienie, jak i opóźniona emisja neutronów są procesami zachodzącymi również w obrębie gwiazd. Tworzenie ciężkich pierwiastków, takich jak srebro i złoto, może w szczególności zależeć od właściwości rozszczepienia i opóźnionej emisji neutronów egzotycznych jąder. Rozszczepienie rozbija najcięższe pierwiastki i zastępuje je jaśniejszymi (fragmenty rozszczepienia), całkowicie zmieniając skład pierwiastków Gwiazdy. Opóźniona emisja neutronów dodaje więcej neutronów do środowiska gwiezdnego, które może następnie wywołać nowe reakcje jądrowe. Na przykład właściwości jądrowe odegrały istotną rolę w przypadku fuzji neutronów z gwiazdami, która została niedawno odkryta przez obserwatoria fal grawitacyjnych i elektromagnetycznych na całym świecie.
nauka przeszła długą drogę od wizji Szilarda i dowodu Fermiego na kontrolowaną reakcję łańcuchową. W tym samym czasie pojawiły się nowe pytania i wciąż pozostaje wiele do nauczenia się o podstawowych właściwościach jądrowych, które napędzają reakcję łańcuchową i jej wpływ na produkcję energii tutaj na Ziemi i w innych częściach naszego wszechświata.
Artemis Spyrou, profesor Astrofizyki jądrowej, Michigan State University
Wolfgang Mittig, profesor fizyki, Michigan State University