Znanost Ameriška Zgodovina

Znanost za prvo jedrsko verižno reakcijo, ki se je začela v atomski dobi pred 75 leti | Inovacije

Med božičnimi počitnicami leta 1938 so fiziki Lise Meitner in Otto Frisch v zasebnem pismu jedrskega kemika prejel osupljive znanstvene novice Otto Hahn . Pri bombardiranju urana z nevtroni je Hahn podal nekaj presenetljivih opažanj, ki so nasprotovala vsem takrat znanim o gostih jedrih atomov - njihovih jedrih.

Meitner in Frisch sta lahko pojasnila, kaj je videl, kar bo revolucioniralo področje jedrske fizike: Uranovo jedro bi se lahko razdelilo na polovico - ali cepitev, kot so jo poimenovali - in ustvarilo dve novi jedri, imenovani cepitveni fragmenti. Še pomembneje pa je, da ta proces cepitve sprošča ogromne količine energije. Ta ugotovitev ob zori druge svetovne vojne je bila začetek znanstvene in vojaške tekme za razumevanje in uporabo tega novega atomskega vira energije.

Leo Szilard predava o procesu cepitve

Leo Szilard predava o procesu cepitve(Nacionalni laboratorij Argonne, CC BY-NC-SA)





The sprostitev teh ugotovitev akademski skupnosti takoj navdihnil številne jedrske znanstvenike, da še naprej preučujejo postopek jedrske cepitve. Fizik Leo Szilard sprejel pomembno spoznanje: če cepitev oddaja nevtrone in nevtroni lahko povzročijo cepitev, potem lahko nevtroni iz cepitve enega jedra povzročijo cepitev drugega jedra. Vse bi se lahko kaskadiralo v samostojnem verižnem procesu.

Tako se je začelo prizadevanje za eksperimentalno dokazovanje, da je možna jedrska verižna reakcija - in pred 75 leti so raziskovalci na univerzi v Chicagu uspeli in odprli vrata v to, kar bi lahko postalo jedrska doba.



Izkoriščanje fisije

Kot del Manhattanski projekt V prizadevanjih za izdelavo atomske bombe med drugo svetovno vojno je Szilard sodeloval z fizik Enrico Fermi in drugi kolegi na Univerzi v Chicagu, da bi ustvarili prvi eksperimentalni jedrski reaktor na svetu.

Za trajno nadzorovano verižno reakcijo mora vsaka fisija povzročiti samo eno dodatno fisijo. Še več in prišlo bi do eksplozije. Vse manj in reakcija bi izzvenela.

Nobelov nagrajenec Enrico Fermi je vodil projekt

Nobelov nagrajenec Enrico Fermi je vodil projekt(Nacionalni laboratorij Argonne, CC BY-NC-SA)



V prejšnjih študijah je Fermi ugotovil, da bi jedra urana lažje absorbirala nevtrone, če bi se nevtroni gibali razmeroma počasi. Toda nevtroni, ki jih oddaja cepitev urana, so hitri. Za poskus v Chicagu so fiziki uporabili grafit za upočasnitev oddajanja nevtronov z več postopki razprševanja. Ideja je bila povečati možnosti nevtronov, da jih absorbira drugo uranovo jedro.

Da bi zagotovili, da lahko varno nadzorujejo verižno reakcijo, je ekipa skupaj postavila tako imenovane kontrolne palice. To so bili preprosto listi kadmija, odličnega absorberja nevtronov. Fiziki so krmilne palice razpršili skozi kup uranovega grafita. Na vsakem koraku procesa je Fermi izračunal pričakovano emisijo nevtronov in počasi odstranil kontrolno palico, da je potrdil svoja pričakovanja. Kot varnostni mehanizem bi lahko hitro vstavili palice za nadzor kadmija, če bi šlo kaj narobe, da bi zaustavili verižno reakcijo.

Chicago Pile 1, postavljen leta 1942 na tribunah atletskega igrišča na univerzi v Chicagu.

Chicago Pile 1, postavljen leta 1942 na tribunah atletskega igrišča na univerzi v Chicagu.(Nacionalni laboratorij Argonne, CC BY-NC-SA)

Temu so rekli Nastavitev 20x6x25 čevljev Chicago Pile številka ena ali na kratko CP-1 - in tu so 2. decembra 1942 dobili prvo nadzorovano jedrsko verižno reakcijo na svetu. En sam naključni nevtron je bil dovolj za začetek procesa verižne reakcije, ko so fiziki sestavili CP-1. Prvi nevtron bi povzročil cepitev na jedru urana in oddajal vrsto novih nevtronov. Ti sekundarni nevtroni so zadeli ogljikova jedra v grafitu in upočasnili. Potem bi naleteli na druga jedra urana in sprožili drugi krog cepitvenih reakcij, oddali še več nevtronov in še in še. Palice za nadzor kadmija so poskrbele, da se postopek ne bo nadaljeval v nedogled, ker sta Fermi in njegova ekipa lahko natančno izbrala, kako in kam ju bo vstavila, da bo nadzorovala verižno reakcijo.

Jedrska verižna reakcija

Jedrska verižna reakcija. Zelene puščice prikazujejo razcep jedra urana na dva cepitvena fragmenta, ki oddajata nove nevtrone. Nekateri od teh nevtronov lahko povzročijo nove cepitvene reakcije (črne puščice). Nekateri nevtroni se lahko izgubijo v drugih procesih (modre puščice). Rdeče puščice prikazujejo zapoznele nevtrone, ki prihajajo kasneje iz radioaktivnih cepitvenih drobcev in lahko povzročijo nove cepitvene reakcije.(MikeRun priredila Erin O’Donnell, MSU, CC BY-SA)

Nadzor verižne reakcije je bil izredno pomemben: če ravnovesje med proizvedenimi in absorbiranimi nevtroni ni bilo ravno pravilno, potem verižne reakcije bodisi sploh ne bi nadaljevale, ali v drugi veliko bolj nevarni skrajnosti bi se verižne reakcije s sproščanjem hitro pomnožile ogromne količine energije.

Včasih se nekaj sekund po tem, ko pride do cepitve v jedrski verižni reakciji, sprostijo dodatni nevtroni. Fisijski drobci so običajno radioaktivni in lahko oddajajo različne vrste sevanja, med njimi nevtrone. Takoj, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner in drugi so prepoznali pomen teh tako imenovanih zapoznelih nevtronov pri nadzoru verižne reakcije.

Če jih ne bi upoštevali, bi ti dodatni nevtroni povzročili več cepitvenih reakcij, kot je bilo pričakovano. Posledično bi lahko jedrska verižna reakcija v njihovem poskusu v Chicagu ušla izpod nadzora, kar bi lahko imelo uničujoče rezultate. Še pomembneje pa je, da ta časovni zamik med cepitvijo in sproščanjem več nevtronov omogoča nekaj časa, da se človeška bitja odzovejo in prilagodijo, nadzorujejo moč verižne reakcije, tako da ne poteka prehitro.

Jedrske elektrarne danes delujejo v 30 državah.

Jedrske elektrarne danes delujejo v 30 državah.(AP Photo / John Bazemore)

Dogodki 2. decembra 1942 so pomenili velik mejnik. Ugotoviti, kako ustvariti in nadzorovati jedrsko verižno reakcijo, je bil danes temelj za 448 jedrskih reaktorjev, ki danes proizvajajo energijo po vsem svetu. Trenutno 30 držav vključuje jedrske reaktorje v svoj portfelj moči. V teh državah je jedrska energija v povprečju prispeva 24 odstotkov njihove skupne električne moči, ki znaša do 72 odstotkov v Franciji .

Uspeh CP-1 je bil ključnega pomena tudi za nadaljevanje projekta Manhattan in ustanovitev projekta dve atomski bombi, uporabljeni med drugo svetovno vojno .

Preostala vprašanja fizikov

Prizadevanja za razumevanje zapoznele emisije nevtronov in cepitve jedra se nadaljujejo v sodobnih laboratorijih jedrske fizike. Današnja tekma ni namenjena gradnji atomskih bomb ali celo jedrskih reaktorjev; je za razumevanje osnovnih lastnosti jeder s tesnim sodelovanjem med eksperimentom in teorijo.

Raziskovalci so cepitev eksperimentalno opazili le pri majhnem številu izotopi - različne različice elementa glede na to, koliko nevtronov ima vsak - in podrobnosti tega zapletenega procesa še niso dobro razumljene. Najsodobnejši teoretični modeli poskušajo razložiti opažene cepitvene lastnosti, na primer koliko energije se sprosti, število oddanih nevtronov in mase cepitvenih fragmentov.

Zakasnjena emisija nevtronov se zgodi le za jedra, ki se ne pojavljajo naravno, in ta jedra živijo le kratek čas. Medtem ko so eksperimenti razkrili nekatera jedra, ki oddajajo zapoznele nevtrone, še ne moremo zanesljivo napovedati, kateri izotopi bi morali imeti to lastnost. Prav tako ne poznamo natančnih verjetnosti za upočasnjeno emisijo nevtronov ali količino sproščene energije - lastnosti, ki so zelo pomembne za razumevanje podrobnosti proizvodnje energije v jedrskih reaktorjih.

kaj sploh je bila vojna leta 1812

Poleg tega se raziskovalci trudijo napovedovati nova jedra, kjer bi lahko bila jedrska cepitev mogoča . Gradijo nove poskuse in zmogljive nove naprave, ki bodo omogočile dostop do jeder, ki še nikoli niso bila preučena, da bi poskušali neposredno izmeriti vse te lastnosti. Skupaj nam bodo nove eksperimentalne in teoretične študije dale veliko boljše razumevanje jedrske fisije, ki lahko pomaga izboljšati zmogljivost in varnost jedrskih reaktorjev.

Umetnikova izročitev dveh združujočih se nevtronskih zvezd, še ena situacija, ko pride do cepitve.

Umetnikova izročitev dveh združujočih se nevtronskih zvezd, še ena situacija, ko pride do cepitve.(Nasin center za vesoljske lete Goddard / CI Lab, CC BY)

Tako cepitev kot upočasnjena emisija nevtronov sta procesa, ki se dogajata tudi znotraj zvezd. The ustvarjanje težkih elementov, kot sta srebro in zlato , je lahko zlasti odvisno od lastnosti cepitve in upočasnjene emisije nevtronov eksotičnih jeder. Cepljenje lomi najtežje elemente in jih nadomesti z lažjimi (cepitveni drobci), pri čemer popolnoma spremeni sestavo elementov zvezde. Zakasnjena emisija nevtronov v zvezdno okolje doda več nevtronov, ki lahko nato povzročijo nove jedrske reakcije. Na primer, jedrske lastnosti so imele ključno vlogo pri dogodek združitve nevtronskih zvezd ki ga je nedavno odkril gravitacijsko-valovni in elektromagnetni observatoriji po vsem svetu .

Znanost je od Szilardove vizije in Fermijevega dokaza nadzorovane jedrske verižne reakcije daleč daleč. Hkrati so se pojavila nova vprašanja in še vedno je treba veliko izvedeti o osnovnih jedrskih lastnostih, ki poganjajo verižno reakcijo in njen vpliv na proizvodnjo energije tukaj na Zemlji in drugod po našem vesolju.


Ta članek je bil prvotno objavljen dne Pogovor. Pogovor

Artemis Spyrou, izredni profesor za jedrsko astrofiziko, Michigan State University

Wolfgang Mittig, profesor fizike na Michiganski državni univerzi





^