Tijekom božićnog odmora 1938. godine, fizičari Lise Meitner i Otto Frisch primili su zagonetne znanstvene vijesti u privatnom pismu nuklearnog kemičara Otta Hahna. Tijekom bombardiranja urana neutronima, Hahn je izveo iznenađujuća zapažanja koja su se uputila protiv svega što se tada znalo o gustim jezgrama atoma - njihovim jezgrama.
Meitner i Frisch bili su u mogućnosti dati objašnjenje za ono što je vidio da će revolucionirati polje nuklearne fizike: Uranovo jezgro moglo bi se podijeliti na pola - ili fisiju, kako su je nazvali - stvoriti dvije nove jezgre, nazvane fragmenti fisije. Što je još važnije, ovaj proces fisije oslobađa ogromne količine energije. Ovo otkriće u zoru drugog svjetskog rata bio je početak znanstvene i vojne utrke za razumijevanje i korištenje ovog novog atomskog izvora snage.
Leo Szilard predava o procesu fisije (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Objavljivanje ovih otkrića akademskoj zajednici odmah je potaknulo mnoge nuklearne znanstvenike da dodatno istraže proces nuklearne fisije. Fizičar Leo Szilard napravio je važnu spoznaju: ako fisija emitira neutrone, a neutroni mogu izazvati fisiju, tada bi neutroni iz fisije jedne jezgre mogli uzrokovati fisiju drugog jezgra. Sve bi to moglo kaskadirati u samoodržavan "lanac" procesa.
Tako je započela potraga da se eksperimentalno dokaže da je reakcija nuklearnog lanca moguća - i prije 75 godina, istraživači sa Sveučilišta u Chicagu uspjeli su, otvorivši vrata onome što će postati nuklearno doba.
Korištenje fisije
Kao dio projekta Manhattan na izgradnji atomske bombe tijekom Drugog svjetskog rata, Szilard je surađivao s fizičarom Enricom Fermijem i drugim kolegama na Sveučilištu u Chicagu kako bi stvorio prvi eksperimentalni nuklearni reaktor na svijetu.
Za trajnu, kontroliranu lančanu reakciju, svaka fisija mora izazvati samo jednu dodatnu fisiju. Više, i dogodila bi se eksplozija. Bilo koji manji broj i reakcija bi prodrla.
Dobitnik Nobelove nagrade Enrico Fermi vodio je projekt (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) U ranijim istraživanjima, Fermi je utvrdio da će jezgre urana lakše apsorbirati neutrone ako se neutroni kreću relativno sporo. Ali neutroni koji se ispuštaju cijepanjem urana su brzi. Tako su za eksperiment u Chicagu fizičari koristili grafit da uspori emitirane neutrone, kroz višestruke procese raspršivanja. Ideja je bila povećati šanse neutrona da ih apsorbira drugo uranovo jezgro.
Kako bi bili sigurni da mogu sigurno kontrolirati lančanu reakciju, tim je spojio ono što su nazvali "upravljačkim šipkama". To su bili jednostavno listovi kadmija, odličan apsorber neutrona. Fizičari su presijecali upravljačke šipke kroz uran-grafitnu hrpu. U svakom koraku postupka Fermi je izračunao očekivanu emisiju neutrona i polako uklanjao kontrolnu palicu kako bi potvrdio svoja očekivanja. Kao sigurnosni mehanizam, kontrolne šipke za kadmij mogu se brzo umetnuti ako nešto krene po zlu, kako bi se isključila lančana reakcija.
Chicago Pile 1, podignut 1942. godine na tribinama atletskog terena na Sveučilištu u Chicagu. (Nacionalni laboratorij Argonne, CC BY-NC-SA) Nazvali su ovo postavljanje veličine 20x6x25 stopa u Pighovom pilulom broj jedan, ili ukratko CP-1 - i tu su 2. decembra 1942. dobili prvu kontroliranu reakciju nuklearnog lanca na svijetu, dovoljan je jedan slučajni neutron da pokrene postupak lančane reakcije nakon što su fizičari sastavili CP-1. Prvi neutron izazvao bi fisiju u jezgraru urana, emitirajući skup novih neutrona. Ti sekundarni neutroni pogodili su ugljikove jezgre u grafitu i usporili. Tada bi naletjeli na druga jezgra urana i izazvali drugi krug reakcija fisije, emitirali još više neutrona, i dalje i dalje. Kadmij kontrolne šipke osigurale su da se proces neće odvijati u nedogled, jer su Fermi i njegov tim mogli točno odabrati kako i gdje ih umetnuti kako bi kontrolirali lančanu reakciju.
Nuklearna lančana reakcija. Zelene strelice prikazuju cijepanje jezgre urana u dva fragmenta fisije, emitujući nove neutrone. Neki od ovih neutrona mogu izazvati nove reakcije fisije (crne strelice). Neki se neutroni mogu izgubiti u drugim procesima (plave strelice). Crvene strelice pokazuju odložene neutrone koji dolaze kasnije iz fragmenata radioaktivne fisije i koji mogu izazvati nove reakcije fisije. (MikeRun izmijenio Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Kontrola lančane reakcije bila je izuzetno važna: Ako ravnoteža između proizvedenih i apsorbiranih neutrona nije baš u redu, lančane reakcije ili se uopće ne bi odvijale, ili u drugom puno opasnijem ekstremu, lančane reakcije brzo bi se umnožavale s oslobađanjem ogromne količine energije.
Ponekad, nekoliko sekundi nakon što se dogodi fisija u reakciji nuklearnog lanca, oslobađaju se dodatni neutroni. Fragmenti fisije su obično radioaktivni i mogu emitirati različite vrste zračenja, među njima i neutrone. Odmah su Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner i drugi prepoznali važnost ovih takozvanih "odgođenih neutrona" u kontroli lančane reakcije.
Da nisu uzeti u obzir, ovi dodatni neutroni izazvali bi više reakcija fisije nego što se predviđalo. Kao rezultat toga, reakcija nuklearnog lanca u njihovom eksperimentu u Chicagu mogla bi spirale izvan kontrole, s potencijalno pogubnim rezultatima. Ono što je još važnije, ovo vremensko odlaganje između fisije i oslobađanja više neutrona omogućava čovjeku određeno vrijeme da reagira i prilagodi se, kontrolirajući snagu lančane reakcije, tako da se ne odvija prebrzo.
Nuklearne elektrane djeluju danas u 30 zemalja. (AP Photo / John Bazemore) Događaji 2. prosinca 1942. obilježili su ogromnu prekretnicu. Zamišljanje načina stvaranja i kontrole nuklearne lančane reakcije bilo je temelj za 448 nuklearnih reaktora koji danas proizvode energiju u svijetu. Trenutno 30 zemalja uključuje nuklearne reaktore u svom energetskom portfelju. Unutar tih zemalja nuklearna energija doprinosi u prosjeku 24 posto njihove ukupne električne energije, u Francuskoj se kreću čak 72 posto.
Uspjeh CP-1 bio je također bitan za nastavak Projekta na Manhattanu i stvaranje dvije atomske bombe korištene tijekom Drugog svjetskog rata.
Preostala pitanja fizičara
Potraga za razumijevanjem odgođene emisije neutrona i nuklearne fisije nastavlja se u suvremenim laboratorijima nuklearne fizike. Danas utrka nije za izgradnju atomske bombe ili čak nuklearne reaktore; To je za razumijevanje osnovnih svojstava jezgara uskom suradnjom eksperimenta i teorije.
Istraživači su eksperimentalno promatrali fisiju samo za mali broj izotopa - različite verzije elementa na temelju koliko neutrona ima svaki - i detalji ovog složenog procesa još nisu dobro razumljeni. Najsuvremeniji teorijski modeli pokušavaju objasniti promatrana svojstva fisije, poput količine energije koja se oslobađa, broja emitiranih neutrona i mase fragmenata fisije.
Odgođena emisija neutrona događa se samo za jezgre koje se prirodno ne pojavljuju, a te jezgre žive samo kratko vrijeme. Iako su eksperimenti otkrili neke jezgre koje emitiraju odgođene neutrone, još uvijek nismo u mogućnosti pouzdano predvidjeti koji bi izotopi trebali imati ovo svojstvo. Također ne znamo točne vjerojatnosti za odgodu emisije neutrona ili količinu oslobođene energije - svojstva koja su vrlo važna za razumijevanje detalja proizvodnje energije u nuklearnim reaktorima.
Uz to, istraživači pokušavaju predvidjeti nova jezgra u kojima bi mogla biti nuklearna fisija. Oni grade nove eksperimente i snažna nova postrojenja koja će omogućiti pristup jezgrama koje nikada prije nisu proučavane, u pokušaju izmjeriti sva ta svojstva. Zajedno, nove eksperimentalne i teorijske studije će nam dati puno bolje razumijevanje nuklearne fisije, što može pomoći poboljšati rad i sigurnost nuklearnih reaktora.
Umjetnički prikaz dviju neutronskih zvijezda, još jedna situacija u kojoj dolazi do fisije. (NASA-in Goddard Centar za svemirske letove / CI laboratorij, CC BY) Fisija i odložena neutronska emisija su procesi koji se također događaju unutar zvijezda. Stvaranje teških elemenata, poput srebra i zlata, posebno može ovisiti o fisijama i svojstvima kasne emisije neutrona egzotičnih jezgara. Fisija razbija najteže elemente i zamjenjuje ih lakšim (fragmenti fisije), potpuno mijenjajući sastav elementa zvijezde. Odgođena emisija neutrona dodaje više neutrona u zvjezdano okruženje, što onda može izazvati nove nuklearne reakcije. Na primjer, nuklearna svojstva igrala su vitalnu ulogu u događaju spajanja neutronskih zvijezda koji su nedavno otkrili gravitacijski valni i elektromagnetski opservatoriji širom svijeta.
Znanost je daleko priješla od Szilardove vizije i Fermijevog dokaza kontrolirane reakcije nuklearnog lanca. Istodobno su se pojavila nova pitanja i još je puno toga potrebno naučiti o osnovnim nuklearnim svojstvima koja pokreću lančanu reakciju i njenom utjecaju na proizvodnju energije ovdje na Zemlji i drugdje u našem svemiru.
Ovaj je članak prvotno objavljen u časopisu The Conversation.
Artemis Spyrou, izvanredna profesorica nuklearne astrofizike, Državno sveučilište Michigan
Wolfgang Mittig, profesor fizike na Michigan State University
