Věda Americká Historie

Věda za první jadernou řetězovou reakcí, která začala v atomovém věku před 75 lety | Inovace

Přes vánoční prázdniny v roce 1938, fyzici Lise Meitner a Otto Frisch obdržel záhadné vědecké zprávy v soukromém dopise od jaderného chemika Otto Hahn . Když bombardoval uran neutrony, provedl Hahn několik překvapivých pozorování, která šla proti všemu, co bylo v té době známo, o hustých jádrech atomů - jejich jádrech.

Meitner a Frisch byli schopni poskytnout vysvětlení toho, co viděl, že by přineslo revoluci v oblasti jaderné fyziky: Jádro uranu by se mohlo rozdělit na polovinu - nebo štěpení, jak tomu říkali - a produkovat dvě nová jádra, nazývaná štěpné fragmenty. Ještě důležitější je, že tento proces štěpení uvolňuje obrovské množství energie. Toto zjištění na úsvitu druhé světové války bylo začátkem vědecké a vojenské rasy o porozumění a použití tohoto nového atomového zdroje energie.

Leo Szilard přednáší o procesu štěpení

Leo Szilard přednáší o procesu štěpení(Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)





The vydání těchto zjištění akademické komunitě okamžitě inspirovalo mnoho jaderných vědců k dalšímu zkoumání procesu štěpení jaderných zbraní. Fyzik Leo Szilard učinil důležitou realizaci: pokud štěpení emituje neutrony a neutrony mohou indukovat štěpení, pak by neutrony ze štěpení jednoho jádra mohly způsobit štěpení jiného jádra. Všechno by to mohlo kaskádovat v soběstačném řetězovém procesu.

Tak začala snaha experimentálně dokázat, že je možná jaderná řetězová reakce - a před 75 lety uspěli vědci z University of Chicago, kteří otevřeli dveře tomu, co se stane jadernou érou.



Využití štěpení

Jako součást Projekt Manhattan Szilard ve snaze postavit atomovou bombu během druhé světové války spolupracoval s fyzik Enrico Fermi a další kolegové z University of Chicago k vytvoření prvního experimentálního jaderného reaktoru na světě.

U trvalé, řízené řetězové reakce musí každé štěpení vyvolat pouze jedno další štěpení. A už by mohlo dojít k výbuchu. Méně a reakce by odezněla.

Projekt vedl nositel Nobelovy ceny Enrico Fermi

Projekt vedl nositel Nobelovy ceny Enrico Fermi(Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)



V dřívějších studiích Fermi zjistil, že jádra uranu absorbují neutrony snadněji, pokud se neutrony pohybují relativně pomalu. Ale neutrony emitované štěpením uranu jsou rychlé. Fyzikové tedy pro chicagský experiment použili grafit ke zpomalení emitovaných neutronů pomocí několika rozptylových procesů. Cílem bylo zvýšit šance neutronů na absorpci jiným jádrem uranu.

Aby se ujistili, že mohou bezpečně řídit řetězovou reakci, tým spojil dohromady to, co nazývali řídicí tyče. Byly to prostě listy prvku kadmium, vynikající absorbér neutronů. Fyzici rozptýlili řídicí tyče hromadou uranu a grafitu. V každém kroku procesu Fermi vypočítal očekávané emise neutronů a pomalu odstranil kontrolní tyč, aby potvrdil svá očekávání. Jako bezpečnostní mechanismus mohly být tyče kadmia rychle zasunuty, pokud se něco začalo zhoršovat, aby se zastavila řetězová reakce.

Chicago Pile 1, postavený v roce 1942 na tribunách atletického hřiště na University of Chicago.

Chicago Pile 1, postavený v roce 1942 na tribunách atletického hřiště na University of Chicago.(Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA)

Říkali tomu Nastavení 20x6x25 stop Chicago Pile číslo jedna nebo zkráceně CP-1 - a právě zde získali první řízenou jadernou řetězovou reakci na světě 2. prosince 1942. K zahájení procesu řetězové reakce stačil jediný náhodný neutron, jakmile fyzici sestavili CP-1. První neutron by vyvolal štěpení na jádru uranu a emitoval by sadu nových neutronů. Tyto sekundární neutrony zasáhly uhlíková jádra v grafitu a zpomalily. Pak by narazili na další jádra uranu a vyvolali druhé kolo štěpných reakcí, emitovali ještě více neutronů atd. Řídicí tyče kadmia zajistily, že proces nebude pokračovat donekonečna, protože Fermi a jeho tým si mohli přesně vybrat, jak a kam je vložit, aby řídili řetězovou reakci.

Jaderná řetězová reakce

Jaderná řetězová reakce. Zelené šipky ukazují rozdělení uranového jádra na dva štěpné fragmenty, emitující nové neutrony. Některé z těchto neutronů mohou vyvolat nové štěpné reakce (černé šipky). Některé neutrony mohou být ztraceny v jiných procesech (modré šipky). Červené šipky ukazují zpožděné neutrony, které pocházejí později z fragmentů radioaktivního štěpení a které mohou vyvolat nové štěpné reakce.(MikeRun upravil Erin O’Donnell, MSU, CC BY-SA)

Řízení řetězové reakce bylo nesmírně důležité: Pokud by rovnováha mezi produkovanými a absorbovanými neutrony nebyla úplně správná, pak by řetězové reakce buď vůbec neproběhly, nebo v jiném mnohem nebezpečnějším extrému by se řetězové reakce s uvolňováním rychle znásobily enormního množství energie.

Někdy několik sekund po štěpení v jaderné řetězové reakci se uvolní další neutrony. Štěpné fragmenty jsou obvykle radioaktivní a mohou vyzařovat různé typy záření, mezi nimi neutrony. Hned, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner a další uznali význam těchto takzvaných opožděných neutronů při řízení řetězové reakce.

Pokud by nebyly brány v úvahu, tyto další neutrony by vyvolaly více štěpných reakcí, než se očekávalo. Výsledkem bylo, že jaderná řetězová reakce v jejich chicagském experimentu se mohla vymknout kontrole a mohla by mít zničující výsledky. Ještě důležitější však je, že toto časové zpoždění mezi štěpením a uvolněním více neutronů umožňuje určitému času, aby lidské bytosti zareagovaly a provedly úpravy, které řídí sílu řetězové reakce, aby nepostupovala příliš rychle.

Jaderné elektrárny dnes fungují ve 30 zemích.

Jaderné elektrárny dnes fungují ve 30 zemích.(AP Photo / John Bazemore)

Události z 2. prosince 1942 znamenaly obrovský milník. Základem 448 jaderných reaktorů, které dnes vyrábějí energii po celém světě, bylo zjistit, jak vytvořit a řídit jadernou řetězovou reakci. V současné době zahrnuje 30 zemí do svého energetického portfolia jaderné reaktory. V těchto zemích jaderná energie přispívá v průměru 24 procenty jejich celkové elektrické energie v rozmezí až 72 procent ve Francii .

Úspěch CP-1 byl také nezbytný pro pokračování projektu Manhattan a vytvoření dvě atomové bomby použité během druhé světové války .

Zbývající otázky fyziků

Snaha porozumět zpožděné emisi neutronů a štěpení jader pokračuje v moderních laboratořích jaderné fyziky. Dnešní závod není o stavbu atomových bomb nebo dokonce jaderných reaktorů; je to pro pochopení základních vlastností jader prostřednictvím úzké spolupráce mezi experimentem a teorií.

Vědci experimentálně pozorovali štěpení pouze u malého počtu izotopy - různé verze prvku založené na tom, kolik neutronů má každý - a podrobnosti tohoto složitého procesu ještě nejsou dobře pochopeny. Nejmodernější teoretické modely se snaží vysvětlit pozorované štěpné vlastnosti, například kolik energie se uvolní, počet emitovaných neutronů a hmotnosti štěpných fragmentů.

Zpožděná emise neutronů nastává pouze u jader, která se přirozeně nevyskytují, a tato jádra žijí jen krátkou dobu. Zatímco experimenty odhalily některá jádra, která emitují zpožděné neutrony, ještě nejsme schopni spolehlivě předpovědět, které izotopy by tuto vlastnost měly mít. Rovněž neznáme přesnou pravděpodobnost zpožděné emise neutronů nebo množství uvolněné energie - vlastnosti, které jsou velmi důležité pro pochopení podrobností výroby energie v jaderných reaktorech.

kde došlo k pokusům o čarodějnice se salemem

Vědci se navíc snaží předpovídat nová jádra, kde je možné štěpení jader . Budují nové experimenty a nová výkonná zařízení, která umožní přístup k jádrům, která ještě nikdy nebyla studována, ve snaze měřit všechny tyto vlastnosti přímo. Nové experimentální a teoretické studie nám společně poskytnou mnohem lepší pochopení jaderného štěpení, což může pomoci zlepšit výkon a bezpečnost jaderných reaktorů.

Umělecké ztvárnění dvou splývajících neutronových hvězd, další situace, kdy dochází ke štěpení.

Umělecké ztvárnění dvou splývajících neutronových hvězd, další situace, kdy dochází ke štěpení.(NASA Goddard Space Flight Center / CI Lab, CC BY)

Štěpení i zpožděná emise neutronů jsou procesy, ke kterým dochází také ve hvězdách. The tvorba těžkých prvků, jako je stříbro a zlato zejména může záviset na štěpení a zpožděných emisních vlastnostech neutronů exotických jader. Štěpení rozbíjí nejtěžší prvky a nahrazuje je lehčími (štěpné fragmenty), čímž zcela mění složení prvků hvězdy. Zpožděná emise neutronů přidává hvězdnému prostředí více neutronů, které pak mohou vyvolat nové jaderné reakce. Například jaderné vlastnosti hrály v EU zásadní roli událost sloučení neutronů a hvězd který nedávno objevil gravitační vlny a elektromagnetické observatoře po celém světě .

Věda má za sebou dlouhou cestu od Szilardovy vize a Fermiho důkazu o řízené jaderné řetězové reakci. Současně se objevily nové otázky a stále je ještě co učit o základních jaderných vlastnostech, které řídí řetězovou reakci a její dopad na výrobu energie zde na Zemi i jinde v našem vesmíru.


Tento článek byl původně publikován dne Konverzace. Konverzace

Artemis Spyrou, docent jaderné astrofyziky, Michiganská státní univerzita

Wolfgang Mittig, profesor fyziky, Michiganská státní univerzita





^