under julhelgen 1938 fick fysiker Lise Meitner och Otto Frisch förbryllande vetenskapliga nyheter i ett privat brev från kärnkemisten Otto Hahn. När Hahn bombarderade uran med neutroner hade han gjort några överraskande observationer som gick emot allt som var känt vid den tiden om atomernas täta kärnor – deras kärnor.
Meitner och Frisch kunde ge en förklaring till vad han såg som skulle revolutionera kärnfysikens område: en urankärna kunde delas i halv – eller fission, som de kallade det – producerar två nya kärnor, kallade fissionsfragment. Ännu viktigare är att denna fissionsprocess frigör enorma mängder energi. Denna upptäckt i början av andra världskriget var början på en vetenskaplig och militär ras för att förstå och använda denna nya atomkraftkälla.
frisläppandet av dessa resultat till det akademiska samfundet inspirerade omedelbart många kärnforskare att undersöka kärnklyvningsprocessen ytterligare. Fysiker Leo Szilardgjorde en viktig insikt: om fission avger neutroner och neutroner kan inducera fission, kan neutroner från fission av en kärna orsaka fission av en annan kärna. Det kan alla kaskad i en självuppehållen” kedja ” – process.
således började strävan att experimentellt bevisa att en kärnkedjereaktion var möjlig – och för 75 år sedan lyckades forskare vid University of Chicago öppna dörren till vad som skulle bli kärnkraftstiden.
utnyttja fission
som en del av Manhattan-projektets försök att bygga en atombomb under andra världskriget arbetade Szilard tillsammans med fysikern Enrico Fermi och andra kollegor vid University of Chicago för att skapa världens första experimentella kärnreaktor.
för en långvarig, kontrollerad kedjereaktion måste varje fission inducera bara en ytterligare fission. Mer, och det skulle bli en explosion. Något färre och reaktionen skulle peter ut.
i tidigare studier, Fermi hade funnit att urankärnor lättare skulle absorbera neutroner om neutronerna rörde sig relativt långsamt. Men neutroner som emitteras från klyvning av uran är snabba. Så för Chicago-experimentet använde fysikerna grafit för att sakta ner de emitterade neutronerna via flera spridningsprocesser. Tanken var att öka neutronernas chanser att absorberas av en annan urankärna.
för att säkerställa att de säkert kunde kontrollera kedjereaktionen riggade laget ihop vad de kallade ”kontrollstavar.”Dessa var helt enkelt ark av elementet kadmium, en utmärkt neutronabsorberare. Fysikerna blandade kontrollstavar genom uran-grafithögen. Vid varje steg i processen beräknade Fermi den förväntade neutronemissionen och tog långsamt bort en kontrollstav för att bekräfta sina förväntningar. Som en säkerhetsmekanism kunde kadmiumkontrollstavarna snabbt sättas in om något började gå fel för att stänga av kedjereaktionen.
de kallade denna 20x6x25-fots inställning Chicago Pile Number One, eller CP-1 för kort – och det var här de fick världens första kontrollerade kärnkedjereaktion den 2 December 1942. En enda slumpmässig neutron räckte för att starta kedjereaktionsprocessen när fysikerna monterade CP-1. Den första neutronen skulle inducera fission på en urankärna och emittera en uppsättning nya neutroner. Dessa sekundära neutroner träffade kolkärnor i grafiten och saktade ner. Sedan skulle de springa in i andra urankärnor och inducera en andra omgång av fissionsreaktioner, avge ännu fler neutroner, och om och om igen. Kadmiumkontrollstavarna såg till att processen inte skulle fortsätta på obestämd tid, eftersom Fermi och hans team kunde välja exakt hur och var de skulle sätta in dem för att kontrollera kedjereaktionen.
kontroll av kedjereaktionen var extremt viktig: Om balansen mellan producerade och absorberade neutroner inte var exakt rätt, skulle kedjereaktionerna antingen inte fortsätta alls, eller i den andra mycket farligare extremen skulle kedjereaktionerna multiplicera snabbt med frisläppandet av enorma mängder energi.
ibland, några sekunder efter klyvningen sker i en kärnkedjereaktion, frigörs ytterligare neutroner. Fissionsfragment är vanligtvis radioaktiva och kan avge olika typer av strålning, bland dem neutroner. Omedelbart erkände Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner och andra vikten av dessa så kallade ”fördröjda neutroner” för att kontrollera kedjereaktionen.
om de inte beaktades skulle dessa ytterligare neutroner inducera fler fissionsreaktioner än förväntat. Som ett resultat kunde kärnkedjereaktionen i deras Chicago-experiment ha gått ur kontroll, med potentiellt förödande resultat. Ännu viktigare är att denna tidsfördröjning mellan fission och frisättning av fler neutroner tillåter viss tid för människor att reagera och göra justeringar, kontrollera kedjereaktionens kraft så att den inte går för fort.
Händelserna den 2 December 1942 markerade en enorm milstolpe. Att räkna ut hur man skapar och kontrollerar kärnkedjereaktionen var grunden för de 448 kärnreaktorer som producerar energi över hela världen idag. För närvarande inkluderar 30 länder kärnreaktorer i sin kraftportfölj. Inom dessa länder bidrar kärnenergi i genomsnitt 24 procent av sin totala elkraft, som sträcker sig så högt som 72 procent i Frankrike.
CP-1: s framgång var också avgörande för fortsättningen av Manhattan-projektet och skapandet av de två atombomber som användes under andra världskriget.
fysikers återstående frågor
strävan att förstå fördröjd neutronemission och kärnklyvning fortsätter i moderna kärnfysiklaboratorier. Loppet idag är inte för att bygga atombomber eller till och med kärnreaktorer; det är för förståelse av kärnans grundläggande egenskaper genom nära samarbete mellan experiment och teori.
forskare har observerat fission experimentellt endast för ett litet antal isotoper – de olika versionerna av ett element baserat på hur många neutroner var och en har – och detaljerna i denna komplexa process är ännu inte väl förstådda. State-of-the-art teoretiska modeller försöker förklara de observerade fissionsegenskaperna, som hur mycket energi som släpps ut, antalet neutroner som emitteras och massorna av fissionsfragmenten.
fördröjd neutronemission sker endast för kärnor som inte är naturligt förekommande, och dessa kärnor lever bara en kort tid. Medan experiment har avslöjat några av kärnorna som avger fördröjda neutroner, kan vi ännu inte på ett tillförlitligt sätt förutsäga vilka isotoper som ska ha den här egenskapen. Vi vet inte heller exakta sannolikheter för fördröjd neutronutsläpp eller mängden energi som frigörs – egenskaper som är mycket viktiga för att förstå detaljerna i energiproduktionen i kärnreaktorer.dessutom försöker forskare förutsäga nya kärnor där kärnklyvning kan vara möjlig. De bygger nya experiment och kraftfulla nya anläggningar som ger tillgång till kärnor som aldrig tidigare har studerats, i ett försök att mäta alla dessa egenskaper direkt. Tillsammans kommer de nya experimentella och teoretiska studierna att ge oss en mycket bättre förståelse för kärnklyvning, vilket kan bidra till att förbättra prestanda och säkerhet för kärnreaktorer.
både fission och fördröjd neutronemission är processer som också händer inom stjärnor. Skapandet av tunga element, som silver och guld, kan i synnerhet bero på klyvning och fördröjda neutronemissionsegenskaper hos exotiska kärnor. Fission bryter de tyngsta elementen och ersätter dem med lättare (fissionsfragment), vilket helt förändrar elementkompositionen hos en stjärna. Fördröjd neutronemission tillför fler neutroner till stjärnmiljön, som sedan kan inducera nya kärnreaktioner. Kärnkraftsegenskaper spelade till exempel en viktig roll i neutronstjärnans fusionshändelse som nyligen upptäcktes av gravitationsvåg och elektromagnetiska observatorier runt om i världen.vetenskapen har kommit långt sedan szilards vision och Fermis bevis på en kontrollerad kärnkedjereaktion. Samtidigt har nya frågor uppstått, och det finns fortfarande mycket att lära sig om de grundläggande kärnkraftsegenskaperna som driver kedjereaktionen och dess inverkan på energiproduktionen här på jorden och på andra håll i vårt universum.
denna artikel publicerades ursprungligen på konversationen.
Artemis Spyrou, docent i nukleär astrofysik, Michigan State University
Wolfgang Mittig, Professor i fysik, Michigan State University