Atomåldern började för 75 år sedan med den första kontrollerade kärnreaktionen

Anonim

Under julhelgen 1938 fick fysikerna Lise Meitner och Otto Frisch förbryllande vetenskapliga nyheter i ett privat brev från kärnkemisten Otto Hahn. Vid bombning av uran med neutroner hade Hahn gjort några överraskande observationer som gick emot allt som vid tiden var känt om atomens kärnkärnor - deras kärnor.

Meitner och Frisch kunde förklara vad han såg som skulle revolutionera kärnfysikens område: En urankärna kunde splittras i halvering eller fission, som de kallade det - som producerar två nya kärnor, kallade fissionsfragment. Ännu viktigare, frigör denna fissionsprocess enorma mängder energi. Denna upptäckt i början av andra världskriget var starten på en vetenskaplig och militär race för att förstå och använda denna nya atomkraftkälla.

Utlämningen av dessa fynd till det akademiska samhället inspirerade genast många kärnforskare att undersöka kärnfissionsprocessen ytterligare. Fysiker Leo Szilard gjorde en viktig insikt: om fission avger neutroner och neutroner kan ge upphov till fission, kan neutroner från klyvning av en kärna orsaka klyvning av en annan kärna. Det kan alla kaskader i en självständig "kedjeprocess" -process.

Således började strävan att experimentera bevisa att en kärnkedjereaktion var möjlig - och för 75 år sedan lyckades forskare vid University of Chicago öppna dörren för vad som skulle bli kärnaniden.

Utnyttjande av fission

Som en del av Manhattan Project-ansträngningen att bygga en atombom under andra världskriget arbetade Szilard tillsammans med fysiker Enrico Fermi och andra kollegor vid University of Chicago för att skapa världens första experimentella kärnreaktor.

För en hållbar, kontrollerad kedjereaktion måste varje klyvning inducera en ytterligare fission. Någon mer, och det skulle bli en explosion. Något färre och reaktionen skulle peter ut.

I tidigare studier hade Fermi funnit att urankärnor lättare skulle absorbera neutroner om neutronerna rör sig relativt långsamt. Men neutroner som härrör från urantning av uran är snabba. Så för Chicago-experimentet använde fysikerna grafit för att sakta ner de emitterade neutronerna, via multipla spridningsförfaranden. Tanken var att öka neutronernas chanser att absorberas av en annan urankärna.

För att säkerställa att de kunde kontrollera kedjereaktionen på ett säkert sätt, riggade teamet vad de kallade "kontrollstavar". Dessa var helt enkelt ark av elementkadmium, en utmärkt neutronabsorberare. Fysikerna spärrade kontrollstängerna genom uran-grafitbunten. Vid varje steg i processen beräknade Fermi den förväntade neutronutsläppet och tog sakta bort en kontrollstav för att bekräfta hans förväntningar. Som en säkerhetsmekanism kunde kadmiumkontrollstavarna snabbt införas om något började gå fel, för att stänga kedjereaktionen.

De kallade den här 20x6x25-fots-inställningen Chicago Pile Number One eller CP-1 för korta - och det var här de fick världens första kontrollerade kärnreaktion den 2 december 1942. En enda slumpmässig neutron var tillräcklig för att starta kedjereaktionsprocessen när fysikerna samlade CP-1. Den första neutronen skulle inducera klyvning på en urankärna, som emitterar en uppsättning nya neutroner. Dessa sekundära neutroner slog kolkärnor i grafiten och saktade ned. Därefter skulle de springa in i andra urankärnor och inducera en andra omgång av fissionsreaktioner, avge ännu mer neutroner, och om och om igen. Kadmiumkontrollstavarna säkerställde att processen inte skulle fortsätta på obestämd tid, eftersom Fermi och hans team kunde välja exakt hur och var för att infoga dem för att kontrollera kedjereaktionen.

Kontroll av kedjereaktionen var oerhört viktigt: Om balansen mellan producerade och absorberade neutroner inte var exakt rätt så skulle kedjereaktionerna inte heller gå alls eller i den andra mycket farligare extremen skulle kedjereaktionerna multiplicera snabbt med frisättningen av enorma mängder energi.

Ibland frisätts några neutroner några sekunder efter splittringen i en kärnreaktion. Fissionsfragment är typiskt radioaktiva och kan avge olika typer av strålning, bland dem neutroner. Strax insåg Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner och andra betydelsen av dessa så kallade "fördröjda neutroner" för att kontrollera kedjereaktionen.

Om de inte beaktades skulle dessa ytterligare neutroner leda till fler fissionsreaktioner än vad som förväntats. Som en följd kunde kärnreaktionen i sitt Chicago-experiment ha spridit sig ur kontroll, med potentiellt förödande resultat. Ännu viktigare är dock att denna tidsfördröjning mellan klyvningen och frisättningen av mer neutroner ger en viss tid för människor att reagera och göra justeringar, kontrollera kraften i kedjereaktionen så att den inte går för fort.

Händelserna den 2 december 1942 markerade en stor milstolpe. Att ta reda på hur man skapar och kontrollerar kärnreaktionen var grunden för de 448 kärnreaktorer som producerar energi över hela världen idag. För närvarande omfattar 30 länder kärnreaktorer i sin elportfölj. Inom dessa länder bidrar kärnkraft i genomsnitt 24 procent av sin totala elkraft, vilket uppgår till 72 procent i Frankrike.

CP-1: s framgång var också avgörande för fortsättningen av Manhattan-projektet och skapandet av de två atombomberna som användes under andra världskriget.

Fysikers återstående frågor

Uppdraget att förstå fördröjd neutronutsläpp 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 endast observerat fission 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. De senaste teoretiska modellerna försöker förklara de observerade fissionsegenskaperna, som hur mycket energi som släpps, antalet neutroner som emitteras och massorna av fissionsfragmenten.

Fördröjd neutronutsläpp sker endast för kärnor som inte är naturligt förekommande, och dessa kärnor lever bara en kort tid. Medan experiment har visat några av kärnorna som avger fördröjda neutroner, kan vi inte på ett tillförlitligt sätt förutsäga vilka isotoper som ska ha denna egenskap. Vi vet inte exakta sannolikheter för fördröjd neutronutsläpp eller mängden energi som släpptes - egenskaper som är mycket viktiga för att förstå detaljerna för energiproduktion i kärnreaktorer.

Dessutom försöker forskare förutspå nya kärnor där kärnfission 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 klyvning och fördröjd neutronutsläpp är processer som också händer inom stjärnorna. Skapandet av tunga element, som silver och guld, kan i synnerhet bero på fission och fördröjda neutronutsläppsegenskaper hos exotiska kärnor. Klyvning bryter de tyngsta elementen och ersätter dem med lättare (fissionsfragment), som helt ändrar elementskompositionen hos en stjärna. Fördröjd neutronutsläpp lägger till mer neutroner i den stjärnmiljö som sedan kan inducera nya kärnreaktioner. Till exempel spelade kärnkraftsegenskaper en viktig roll i neutronstjärnfusionshändelsen 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 kärnreaktion. Samtidigt har nya frågor kommit fram och det finns fortfarande mycket att lära om de grundläggande kärnkraftsegenskaperna som driver kedjereaktionen och dess inverkan på energiproduktion här på jorden och på andra håll i vårt universum.