Podczas świąt Bożego Narodzenia w 1938 r. Fizycy Lise Meitner i Otto Frisch otrzymali zagadkowe wiadomości naukowe w prywatnym liście od chemika nuklearnego Otto Hahna. Bombardując uran neutronami, Hahn dokonał zaskakujących obserwacji, które były sprzeczne ze wszystkim, co było wówczas znane na temat gęstych rdzeni atomów - ich jąder.
Meitner i Frisch byli w stanie wyjaśnić, co zobaczy, co zrewolucjonizuje dziedzinę fizyki jądrowej: jądro uranu może się podzielić na pół - lub jak to nazywają - rozszczepienie, wytwarzając dwa nowe jądra, zwane fragmentami rozszczepienia. Co ważniejsze, ten proces rozszczepienia uwalnia ogromne ilości energii. To odkrycie u progu II wojny światowej było początkiem wyścigu naukowego i wojskowego w celu zrozumienia i wykorzystania tego nowego atomowego źródła energii.
Wykład Leo Szilarda na temat procesu rozszczepienia (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Ujawnienie tych odkryć społeczności akademickiej natychmiast zainspirowało wielu naukowców zajmujących się energią jądrową do dalszych badań procesu rozszczepienia jądrowego. Fizyk Leo Szilard dokonał ważnej realizacji: jeśli rozszczepienie emituje neutrony, a neutrony mogą indukować rozszczepienie, wówczas neutrony z rozszczepienia jednego jądra mogą spowodować rozszczepienie innego jądra. Wszystko to może kaskadować w samowystarczalnym procesie „łańcuchowym”.
W ten sposób rozpoczęła się eksperymentalna próba udowodnienia, że reakcja łańcuchowa jest możliwa - i 75 lat temu udało się badaczom z University of Chicago, otwierając drzwi do epoki nuklearnej.
Wykorzystanie rozszczepienia
W ramach projektu Manhattan Project dotyczącego budowy bomby atomowej podczas II wojny światowej Szilard współpracował z fizykiem Enrico Fermim i innymi kolegami z University of Chicago, aby stworzyć pierwszy na świecie eksperymentalny reaktor jądrowy.
Aby uzyskać trwałą, kontrolowaną reakcję łańcuchową, każde rozszczepienie musi indukować tylko jedno dodatkowe rozszczepienie. Jeszcze więcej i wybuchłaby. Mniej, a reakcja wygasłaby.
Laureat Nagrody Nobla Enrico Fermi kierował projektem (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) We wcześniejszych badaniach Fermi stwierdził, że jądra uranu łatwiej wchłaniają neutrony, jeśli neutrony poruszają się stosunkowo wolno. Ale neutrony emitowane z rozszczepienia uranu są szybkie. Tak więc w eksperymencie w Chicago fizycy wykorzystali grafit do spowolnienia emitowanych neutronów poprzez wiele procesów rozpraszania. Chodziło o zwiększenie szans neutronów na wchłonięcie przez inne jądro uranu.
Aby mieć pewność, że mogą bezpiecznie kontrolować reakcję łańcuchową, zespół opracował tak zwane „pręty kontrolne”. Były to po prostu arkusze pierwiastka kadmu, doskonałego pochłaniacza neutronów. Fizycy przerzucali pręty kontrolne przez stos uranowo-grafitowy. 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 wstawić, jeśli coś pójdzie nie tak, aby zatrzymać reakcję łańcuchową.
Chicago Pile 1, wzniesiony w 1942 roku na trybunach boiska sportowego na University of Chicago. (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Nazwali ten układ Chicago Pile Number One lub CP-1 w skrócie 20 x 6 x 25 stóp - i właśnie tutaj uzyskali pierwszą na świecie kontrolowaną reakcję jądrową w łańcuchu 2 grudnia 1942 r. Wystarczył jeden losowy neutron, aby rozpocząć proces reakcji łańcuchowej kiedy fizycy zebrali CP-1. Pierwszy neutron indukowałby rozszczepienie jądra uranu, emitując zestaw nowych neutronów. Te wtórne neutrony uderzają w jądra węgla w grafit i zwalniają. Potem wpadały na inne jądra uranu i indukowały drugą rundę reakcji rozszczepienia, emitowały jeszcze więcej neutronów i tak dalej. Pręty kontrolne kadmu upewniły się, że proces nie będzie kontynuowany w nieskończoność, ponieważ Fermi i jego zespół mogli wybrać dokładnie, jak i gdzie je umieścić, aby kontrolować reakcję łańcuchową.
Jądrowa reakcja łańcuchowa. Zielone strzałki pokazują podział jądra uranu na dwa fragmenty rozszczepienia, emitując nowe neutrony. Niektóre z tych neutronów mogą wywoływać nowe reakcje rozszczepienia (czarne strzałki). Niektóre neutrony mogą zostać utracone w innych procesach (niebieskie strzałki). Czerwone strzałki pokazują opóźnione neutrony, które pochodzą później z radioaktywnych fragmentów rozszczepienia i które mogą wywoływać nowe reakcje rozszczepienia. (MikeRun zmodyfikowany przez Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Kontrolowanie reakcji łańcuchowej było niezwykle ważne: jeśli równowaga między wytworzonymi i pochłoniętymi neutronami nie była dokładnie prawidłowa, wówczas reakcje łańcuchowe albo w ogóle nie zachodziłyby, albo w innym, znacznie bardziej niebezpiecznym ekstremum, reakcje łańcuchowe mnożyłyby się szybko wraz z uwalnianiem ogromnych ilości energii.
Czasami kilka sekund po rozszczepieniu w reakcji jądrowej powstają dodatkowe neutrony. Fragmenty rozszczepienia są zazwyczaj radioaktywne i mogą emitować różne rodzaje promieniowania, w tym neutrony. Od razu Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner i inni dostrzegli znaczenie tych tak zwanych „opóźnionych neutronów” w kontrolowaniu reakcji łańcuchowej.
Gdyby nie zostały wzięte pod uwagę, te dodatkowe neutrony wywołałyby więcej reakcji rozszczepienia niż oczekiwano. W rezultacie reakcja łańcuchowa jądra w ich eksperymencie w Chicago mogła wymknąć się spod kontroli, co może mieć katastrofalne skutki. Co ważniejsze jednak, to opóźnienie czasowe między rozszczepieniem a uwolnieniem większej liczby neutronów daje ludziom czas na reakcję i dostosowanie, kontrolując moc reakcji łańcuchowej, aby nie postępowała zbyt szybko.
Elektrownie jądrowe działają obecnie w 30 krajach. (AP Photo / John Bazemore) Wydarzenia z 2 grudnia 1942 r. Stanowiły ogromny kamień milowy. Odkrycie, jak stworzyć i kontrolować reakcję jądrową, było fundamentem 448 reaktorów jądrowych produkujących energię na całym świecie. Obecnie 30 krajów obejmuje reaktory jądrowe w swoim portfelu energetycznym. W tych krajach energia jądrowa stanowi średnio 24 procent ich całkowitej energii elektrycznej, a we Francji wynosi aż 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
Dążenie do zrozumienia opóźnionej emisji neutronów i rozszczepienia jądrowego trwa w nowoczesnych laboratoriach fizyki jądrowej. Dzisiejszy wyścig nie polega na budowie bomb atomowych, a nawet reaktorów jądrowych; służy zrozumieniu podstawowych właściwości jąder poprzez ścisłą współpracę eksperymentu z teorią.
Naukowcy zaobserwowali rozszczepienie eksperymentalnie tylko dla niewielkiej liczby izotopów - różnych wersji pierwiastka w oparciu o liczbę neutronów - i szczegóły tego złożonego procesu nie są jeszcze dobrze poznane. Najnowocześniejsze modele teoretyczne próbują wyjaśnić obserwowane właściwości rozszczepienia, takie jak ilość uwolnionej energii, liczba emitowanych neutronów i masy fragmentów rozszczepienia.
Opóźniona emisja neutronów zachodzi tylko w przypadku jąder, które nie występują naturalnie, a jądra te 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 rozszczepienie jądra atomowego może być możliwe. Budują nowe eksperymenty i potężne nowe urządzenia, które zapewnią dostęp do jąder, których nigdy wcześniej nie badano, próbując bezpośrednio zmierzyć wszystkie te właściwości. Wspólnie nowe badania eksperymentalne i teoretyczne pozwolą nam znacznie lepiej zrozumieć rozszczepienie jądrowe, co może pomóc poprawić wydajność i bezpieczeństwo reaktorów jądrowych.
Wykonanie przez artystę dwóch łączących się gwiazd neutronowych, kolejna sytuacja, w której dochodzi do rozszczepienia. (NASA's Goddard Space Flight Center / CI Lab, CC BY) Zarówno rozszczepienie, jak i opóźniona emisja neutronów to procesy zachodzące również w gwiazdach. Tworzenie ciężkich pierwiastków, takich jak srebro i złoto, może w szczególności zależeć od rozszczepienia i opóźnionych emisji neutronów egzotycznych jąder. Rozszczepienie rozbija najcięższe pierwiastki i zastępuje je lżejszymi (fragmenty rozszczepienia), całkowicie zmieniając skład pierwiastkowy gwiazdy. Opóźniona emisja neutronów dodaje więcej neutronów do środowiska gwiezdnego, które mogą następnie wywoływać nowe reakcje jądrowe. Na przykład właściwości jądrowe odegrały istotną rolę w zdarzeniu połączenia neutronów z gwiazdami, które zostało niedawno odkryte przez obserwatoria fal grawitacyjnych i elektromagnetyczne na całym świecie.
Nauka przeszła długą drogę od wizji Szilarda i dowodu Fermiego na kontrolowaną reakcję jądrową. W tym samym czasie pojawiły się nowe pytania i wciąż jest wiele do nauczenia się o podstawowych właściwościach jądrowych, które napędzają reakcję łańcuchową i jej wpływ na produkcję energii tutaj na Ziemi i gdzie indziej w naszym wszechświecie.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Artemis Spyrou, profesor nadzwyczajny astrofizyki jądrowej, Michigan State University
Wolfgang Mittig, profesor fizyki, Michigan State University
