Jouluvapaalla vuonna 1938 fyysikot Lise Meitner ja Otto Frisch saivat ymmärtäviä tieteellisiä uutisia ydinkeemikon Otto Hahnin yksityisellä kirjeellä. Pommittaessaan uraania neutroneilla, Hahn oli tehnyt joitain yllättäviä havaintoja, jotka vastustivat kaikkea, mitä tuolloin tiedettiin atomien tiheistä ytimistä - niiden ytimistä.
Meitner ja Frisch pystyivät antamaan selityksen näkemästään, joka mullistaa ydinfysiikan kentän: Uraanin ydin voi jakaa kahtia - tai halkeamiseen, kuten he kutsuvat sitä - tuottaen kaksi uutta ydintä, nimeltään halkeamisfragmentit. Vielä tärkeämpää on, että tämä fissioprosessi vapauttaa valtavia määriä energiaa. Tämä löytö toisen maailmansodan kynnyksellä oli alku tieteelliselle ja sotilaalliselle kilpailulle ymmärtää ja käyttää tätä uutta atomivoiman lähdettä.
Leo Szilard luentoja fissioprosessista (Argonnen kansallinen laboratorio, CC BY-NC-SA) Näiden havaintojen julkistaminen akateemiselle yhteisölle innosti heti monia ydintutkijoita tutkimaan ydinfissioprosessia edelleen. Fyysikko Leo Szilard teki tärkeän toteutuksen: jos fissio emittoi neutroneja ja neutronit voivat indusoida fission, silloin yhden ytimen fissiosta tulevat neutronit voivat aiheuttaa toisen ytimen halkeamisen. Se voisi kaiken kaskadin itse ylläpitämässä ”ketju” -prosessissa.
Niinpä aloitettiin pyrkimys todistaa kokeellisesti, että ydinketjureaktio oli mahdollista - ja 75 vuotta sitten Chicagon yliopiston tutkijat onnistuivat avaamaan oven siihen, mistä tulee ydinaika.
Halkeamisen valjastaminen
Osana Manhattan-projektia, jonka tavoitteena oli rakentaa atomipommi toisen maailmansodan aikana, Szilard työskenteli yhdessä fyysikon Enrico Fermin ja muiden Chicagon yliopiston kollegoiden kanssa luodakseen maailman ensimmäisen kokeellisen ydinreaktorin.
Jatkuvan, hallitun ketjureaktion aikaansaamiseksi jokaisen fission on indusoitava vain yksi ylimääräinen fissio. Enemmän, ja tapahtuisi räjähdys. Mitään vähemmän ja reaktio kesti.
Nobel-palkinnon voittaja Enrico Fermi johti hanketta (Argonnen kansallinen laboratorio, CC BY-NC-SA) Aikaisemmissa tutkimuksissa Fermi oli havainnut, että uraanin ytimet absorboivat neutroneja helpommin, jos neutronit liikkuvat suhteellisen hitaasti. Mutta uraanin halkeamisesta vapautuvat neutronit ovat nopeita. Joten Chicagon kokeiluun, fyysikot käyttivät grafiittia hidastamaan säteilytettyjä neutroneja useiden sirontaprosessien kautta. Ajatuksena oli lisätä neutronien mahdollisuuksia imeytyä toiseen uraanin ytimeen.
Varmistaakseen, että he pystyvät hallitsemaan ketjureaktion turvallisesti, joukkue kiinnitti yhteen niin sanotut "sauvat". Nämä olivat yksinkertaisesti elementti-kadmiumin arkkeja, erinomaista neutroninvaimenninta. Fyysikot keskeyttivät säätösauvat uraani-grafiittipaalun läpi. Jokaisessa prosessin vaiheessa Fermi laski odotetun neutroniemission ja poisti hitaasti säätösauvan vahvistaakseen odotuksensa. Turvamekanismina kadmiumin säätösauvat voitiin nopeasti asentaa, jos jotain alkoi mennä pieleen, ketjureaktion sammuttamiseksi.
Chicago Pile 1, pystytettiin vuonna 1942 Chicagon yliopiston urheilukentän osastoille. (Argonnen kansallinen laboratorio, CC BY-NC-SA) He kutsuivat tätä 20x6x25 jalan kokoista Chicagon paalu numero yksi tai lyhytaikaisesti CP-1 - ja juuri täällä he saivat maailman ensimmäisen hallitun ydinketjureaktion 2. joulukuuta 1942. Yksi satunnainen neutroni riitti ketjureaktion aloittamiseen. kun fyysikot kokosivat CP-1: n. Ensimmäinen neutroni indusoi fission uraanin ytimessä, emittoiden joukon uusia neutroneja. Nämä sekundaariset neutronit osuvat grafiitin hiilituumiin ja hidastuivat. Sitten he juoksivat muihin uraanin ytimiin ja indusoivat toisen fissioreaktioiden kierroksen, emittoivat vielä enemmän neutroneja ja edelleen. Kadmium-säätösauvat varmistivat, että prosessi ei jatkuisi loputtomiin, koska Fermi ja hänen tiiminsä voivat valita tarkalleen kuinka ja mihin ne asetetaan ketjureaktion ohjaamiseksi.
Ydinketjureaktio. Vihreät nuolet osoittavat uraanin ytimen jakautumisen kahteen halkeamisfragmenttiin, jotka emittoivat uusia neutroneja. Jotkut näistä neutroneista voivat indusoida uusia fissioreaktioita (mustat nuolet). Osa neutroneista voi kadota muissa prosesseissa (siniset nuolet). Punaiset nuolet osoittavat myöhästyneitä neutroneja, jotka tulevat myöhemmin radioaktiivisista fissiopalasista ja jotka voivat indusoida uusia fissioreaktioita. (MikeRun muokattu Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Ketjureaktion hallinta oli erittäin tärkeää: Jos tasapaino tuotettujen ja absorboituneiden neutronien välillä ei ollut aivan oikea, ketjureaktiot joko eivät edes lainkaan toimisi, tai toisessa paljon vaarallisemmassa ääripäässä, ketjureaktiot moninkertaistuvat nopeasti vapautumisen kanssa valtavia määriä energiaa.
Joskus muutama sekunti sen jälkeen, kun fissio tapahtuu ydinketjureaktiossa, vapautuu lisää neutroneja. Halkeamisfragmentit ovat tyypillisesti radioaktiivisia ja voivat emittoida erityyppisiä säteilyjä, muun muassa neutroneja. Heti Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner ja muut tunnustivat näiden ns. "Viivästyneiden neutronien" merkityksen ketjureaktion hallinnassa.
Jos niitä ei otettaisi huomioon, nämä ylimääräiset neutronit aiheuttaisivat enemmän halkeamisreaktioita kuin odotettiin. Seurauksena ydinketjureaktio heidän Chicagon kokeilussaan olisi voinut päätyä hallitsematta, ja tuloksilla olisi mahdollisesti tuho. Vielä tärkeämpää on kuitenkin, että tämä hajoamisen ja useamman neutronin vapautumisen välinen aikaviive antaa jonkin aikaa ihmisille reagoida ja tehdä säätöjä hallita ketjureaktion tehoa, jotta se ei etene liian nopeasti.
Ydinvoimalat toimivat nykyään 30 maassa. (AP-valokuva / John Bazemore) 2. joulukuuta 1942 pidetyt tapahtumat merkitsivat suurta virstanpylvästä. Ydinketjureaktion luomisen ja hallinnan selvittäminen oli perusta nykyään 448 ydinreaktorille, jotka tuottavat energiaa maailmanlaajuisesti. Tällä hetkellä 30 maata sisältää ydinreaktorit voimasalkkuunsa. Näissä maissa ydinenergian osuus niiden keskimääräisestä sähköenergiasta on 24 prosenttia, Ranskassa jopa 72 prosenttia.
CP-1: n menestys oli välttämätöntä myös Manhattan-projektin jatkamiselle ja toisen maailmansodan aikana käytettyjen kahden atomipommin luomiselle.
Fyysikkojen jäljellä olevat kysymykset
Pyrkimys ymmärtää viivästettyjä neutronipäästöjä ja ydinfissiota jatkuu nykyaikaisissa ydinfysiikan laboratorioissa. Tämän päivän kilpailu ei ole atomipommien tai edes ydinreaktorien rakentamista; Se on tarkoitettu ydinten ydinominaisuuksien ymmärtämiseen kokeilun ja teorian läheisen yhteistyön avulla.
Tutkijat ovat havainneet fissioitumisen kokeellisesti vain pienelle määrälle isotooppeja - elementin eri versioita sen perusteella, kuinka monella neutronilla jokaisella on - ja tämän monimutkaisen prosessin yksityiskohtia ei vielä tunneta hyvin. Huipputeknisillä teoreettisilla malleilla pyritään selittämään havaitut halkeamisominaisuudet, kuten kuinka paljon energiaa vapautuu, vapautettujen neutronien lukumäärä ja halkeamisfragmenttien massat.
Viivästynyt neutroniemissio tapahtuu vain ytimille, joita ei luonnossa esiinny, ja nämä ytimet elävät vain lyhyen ajan. Vaikka kokeet ovat paljastaneet joitain ytimiä, jotka emittoivat viivästyneitä neutroneja, emme vielä pysty luotettavasti ennustamaan, millä isotoopeilla pitäisi olla tämä ominaisuus. Emme myöskään tiedä tarkkaa todennäköisyyttä viivästyneelle neutroniemissioon tai vapautuneen energian määrälle - ominaisuuksia, jotka ovat erittäin tärkeitä ydinreaktorien energiantuotannon yksityiskohtien ymmärtämiseksi.
Lisäksi tutkijat yrittävät ennustaa uusia ytimiä, joissa ydinfissio saattaa olla mahdollista. He rakentavat uusia kokeita ja tehokkaita uusia laitteita, jotka antavat pääsyn ytimiin, joita ei ole koskaan ennen tutkittu, yrittäen mitata kaikki nämä ominaisuudet suoraan. Yhdessä uudet kokeelliset ja teoreettiset tutkimukset antavat meille paljon paremman ymmärryksen ydinfissiosta, mikä voi auttaa parantamaan ydinreaktorien suorituskykyä ja turvallisuutta.
Taiteilijan luovuttama kaksi sulautuvaa neutronitähteä on toinen tilanne, jossa tapahtuu fissio. (NASA: n Goddard-avaruuslentokeskus / CI Lab, CC BY) Sekä fissio että myöhästynyt neutroniemissio ovat prosessit, joita tapahtuu myös tähtiin. Erityisesti raskaiden elementtien, kuten hopean ja kullan, muodostuminen voi riippua eksoottisten ytimien halkeamisesta ja viivästyneistä neutroniemissio-ominaisuuksista. Fissio rikkoo raskaimmat elementit ja korvaa ne kevyemmillä (fissiofragmentit) muuttaen kokonaan tähden alkion koostumusta. Viivästynyt neutroniemissio lisää enemmän neutroneja tähtiympäristöön, joka voi sitten indusoida uusia ydinreaktioita. Esimerkiksi ydinominaisuuksilla oli tärkeä rooli neutronitähteiden sulautumistapahtumassa, jonka äskettäin löysivät painovoima-aalto- ja sähkömagneettiset observatoriat ympäri maailmaa.
Tiede on edennyt kaukana Szilardin visiosta ja Fermin todistuksesta hallitussa ydinketjureaktiossa. Samaan aikaan on noussut esiin uusia kysymyksiä, ja ketjureaktion vetävistä perusominaisuuksista ja sen vaikutuksista energiantuotantoon täällä maapallolla ja muualla maailmassa on vielä paljon opittavaa.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Artemis Spyrou, ydinastrofysiikan apulaisprofessori, Michiganin osavaltion yliopisto
Wolfgang Mittig, fysiikan professori, Michiganin osavaltion yliopisto
