Током божићног одмора 1938. године, физичари Лисе Меитнер и Отто Фрисцх добили су збуњујуће научне вести у приватном писму нуклеарног хемичара Отта Хахна. Када је бомбардовао уранијум неутронима, Хахн је изнео изненађујућа запажања која су се упутила против свега што се тада знало о густим језграма атома - њиховим језграма.
Меитнер и Фрисцх били су у могућности дати објашњење за оно што је видео да ће извршити револуцију у области нуклеарне физике: Ураново језгро би се могло раздвојити на пола - или фисију, како су га назвали - производећи два нова језгра, названа фрагменти фисије. Оно што је још важније, овај процес фисије ослобађа огромне количине енергије. Ово откриће у зору Другог светског рата било је почетак научне и војне трке за разумевање и коришћење овог новог атомског извора снаге.
Лео Сзилард предава о процесу фисије (Аргонне Натионал Лаборатори, ЦЦ БИ-НЦ-СА) Објављивање ових открића академској заједници одмах је инспирисало многе нуклеарне научнике да додатно истраже процес нуклеарне фисије. Физичар Лео Сзилард начинио је важну спознају: ако фисија емитује неутроне, а неутрони могу изазвати фисију, тада неутрони из фисије једног језгра могу изазвати фисију другог језгра. Све би то могло каскадирати у самоодржаван „ланац“ процеса.
Тако је започела потрага да се експериментално докаже да је реакција нуклеарног ланца могућа - и пре 75 година, истраживачи са Универзитета у Чикагу успели су, отворивши врата ономе што ће постати нуклеарно доба.
Коришћење фисије
Као део напора Манхаттанског пројекта за изградњу атомске бомбе током Другог светског рата, Сзилард је сарађивао са физичаром Енрицом Фермијем и другим колегама на Универзитету у Чикагу на стварању првог експерименталног нуклеарног реактора на свету.
За трајну, контролирану ланчану реакцију, свака фисија мора изазвати само једну додатну фисију. Више, и догодила би се експлозија. Било који мањи број и реакција би продрла.
Добитник Нобелове награде Енрицо Ферми водио је пројекат (Аргонне Натионал Лаборатори, ЦЦ БИ-НЦ-СА) У ранијим истраживањима, Ферми је установио да ће уранијумска језгра апсорбирати неутроне лакше ако се неутрони крећу релативно споро. Али неутрони који се испуштају дељењем уранијума су брзи. Тако су за експеримент у Чикагу физичари користили графит да успори емитоване неутроне, кроз вишеструке процесе распршивања. Идеја је била да се повећају шансе неутрона да их апсорбује друго ураново језгро.
Како би били сигурни да могу сигурно контролисати ланчану реакцију, тим је спојио оно што су назвали „контролне шипке“. То су били једноставно листови кадмијума, одличан апсорбер неутрона. Физичари су пресијецали управљачке шипке кроз урано-графитну гомилу. У сваком кораку процеса Ферми је израчунао очекивану емисију неутрона и полако уклањао контролну палицу како би потврдио своја очекивања. Као сигурносни механизам, контролне шипке за кадмијум могу се брзо уметнути ако нешто крене по злу, како би се искључила ланчана реакција.
Чикашка пила 1, подигнута 1942. године на трибинама атлетског терена на Универзитету у Чикагу. (Национална лабораторија Аргонне, ЦЦ БИ-НЦ-СА) Они су назвали ово постављање величине 20к6к25 стопа у Чикашким пилама број један, или укратко ЦП-1 - и управо су овде добили прву контролисану реакцију нуклеарног ланца на свету 2. децембра 1942. Један случајни неутрон био је довољан да покрене процес ланчане реакције једном када су физичари саставили ЦП-1. Први неутрон би изазвао фисију у уранијумском језгру, емитујући скуп нових неутрона. Ови секундарни неутрони погодују угљена у језгра графита и успоравају. Тада би налетели на друга уранијумска језгра и изазвали други круг реакција фисије, емитујући још више неутрона, и даље и даље. Контролне шипке за кадмијум осигурале су да се процес неће наставити у недоглед, јер су Ферми и његов тим могли да одаберу тачно како и где да их убаце како би контролисали ланчану реакцију.
Нуклеарна ланчана реакција. Зелене стрелице приказују цепање језгра урана у два фрагмента фисије, емитујући нове неутроне. Неки од ових неутрона могу изазвати нове реакције фисије (црне стрелице). Неки се неутрони могу изгубити у другим процесима (плаве стрелице). Црвене стрелице показују одложене неутроне који долазе касније из фрагмената радиоактивне фисије и који могу изазвати нове реакције фисије. (МикеРун модификовао Ерин О'Доннелл, МСУ, ЦЦ БИ-СА) Контрола ланчане реакције била је изузетно важна: Ако равнотежа између произведених и апсорбованих неутрона није баш тачна, ланчане реакције или се уопште не би одвијале, или у другом много опаснијем екстрему, ланчане реакције би се брзо размножавале отпуштањем огромних количина енергије.
Понекад, неколико секунди након што се догоди фисија у реакцији нуклеарног ланца, ослобађају се додатни неутрони. Фрагменти фисије су обично радиоактивни и могу да емитују различите врсте зрачења, међу њима и неутроне. Одмах, Енрицо Ферми, Лео Сзилард, Еугене Вигнер и други препознали су важност ових такозваних "одложених неутрона" у контроли ланчане реакције.
Да нису узети у обзир, ови додатни неутрони изазвали би више реакција фисије него што се предвиђало. Као резултат тога, реакција нуклеарног ланца у њиховом експерименту у Чикагу могла је да измиче контроли и потенцијално је погубна. Оно што је још важније, ово временско одлагање између фисије и ослобађања више неутрона омогућава људском бићу неко време да реагује и прилагоди се, контролишући снагу ланчане реакције, тако да се не одвија пребрзо.
Нуклеарне електране данас раде у 30 земаља. (АП Фото / Џон Баземоре) Догађаји 2. децембра 1942. године обележили су велику прекретницу. Откривање начина стварања и контроле нуклеарне ланчане реакције било је основа за 448 нуклеарних реактора који данас производе енергију широм света. Тренутно 30 земаља укључује нуклеарне реакторе у свом енергетском портфељу. Унутар тих земаља, нуклеарна енергија доприноси у просјеку 24 посто њихове укупне електричне енергије, крећући се до 72 посто у Француској.
Успех ЦП-1 такође је био пресудан за наставак Пројекта на Менхетну и стварање две атомске бомбе коришћене током Другог светског рата.
Преостала питања физичара
Потрага за разумевањем закаснеле емисије неутрона и нуклеарне фисије наставља се у савременим лабораторијама нуклеарне физике. Данашња трка није за изградњу атомске бомбе или чак нуклеарних реактора; То је за разумевање основних својстава језгара уском сарадњом експеримента и теорије.
Истраживачи су експериментално приметили фисију само за мали број изотопа - различите верзије елемента засноване на томе колико неутрона имају сваки - и детаљи овог сложеног процеса још увек нису добро разумети. Врхунски теоријски модели покушавају да објасне посматрана својства фисије, попут количине енергије која се ослобађа, броја емитираних неутрона и масе фрагмената фисије.
Одложена емисија неутрона догађа се само за језгра која се природно не јављају, а та језгра живе само кратко време. Иако су експерименти открили нека језгра која емитују одложене неутроне, још увек нисмо у стању поуздано да предвидимо који изотопи би требало да имају ово својство. Такође не знамо тачне вероватноће за одлагање емисије неутрона или количину ослобођене енергије - својства која су веома важна за разумевање детаља производње енергије у нуклеарним реакторима.
Уз то, истраживачи покушавају предвидјети нова језгра гдје би могла бити нуклеарна фисија. Они граде нове експерименте и моћна нова постројења која ће обезбедити приступ језграма које никада раније нису проучаване, у покушају да директно мере све ове особине. Заједно, нове експерименталне и теоријске студије пружиће нам много боље разумевање нуклеарне фисије, што може помоћи побољшању перформанси и сигурности нуклеарних реактора.
Умјетнички приказ две спајајуће неутронске звезде, још једна ситуација у којој долази до фисије. (НАСА-ин Годдард Центар за свемирске летове / ЦИ лабораторија, ЦЦ БИ) Фисија и одложена неутронска емисија су процеси који се такође дешавају унутар звезда. Стварање тешких елемената, попут сребра и злата, посебно може зависити од фисије и одлагања емисије неутрона из егзотичних језгара. Фисија разбија најтеже елементе и замењује их лакшим (фрагменти фисије), потпуно мењајући састав елемента звезде. Одложена емисија неутрона додаје више неутрона у звјездано окружење, што онда може изазвати нове нуклеарне реакције. На пример, нуклеарна својства играла су виталну улогу у догађају удруживања неутронских звезда који су недавно открили гравитациони талас и електромагнетни опсерваторији широм света.
Наука је далеко одмакла од Сзилардове визије и Фермијевог доказа о контролисаној реакцији нуклеарног ланца. У исто време, појавила су се нова питања и још увек има пуно тога да се научи о основним нуклеарним својствима која покрећу ланчану реакцију и њеном утицају на производњу енергије овде, на Земљи и другде у нашем универзуму.
Овај чланак је првобитно објављен у часопису Тхе Цонверсатион.
Артемис Спироу, ванредни професор за нуклеарну астрофизику на Мицхиган Стате Университи
Волфганг Миттиг, професор физике, Мицхиган Стате Университи
