По време на коледната ваканция през 1938 г. физиците Лиз Мейтнер и Ото Фриш получават озадачаващи научни новини в частно писмо от ядрения химик Ото Хан. Когато бомбардира уран с неутрони, Хан направи някои изненадващи наблюдения, които вървяха срещу всичко известно по това време за плътните ядра на атомите - техните ядра.
Майтнер и Фриш бяха в състояние да дадат обяснение на видяното, което би довело до революция в областта на ядрената физика: Урановото ядро може да се раздели наполовина - или делене, както го наричаха - да произведе две нови ядра, наречени фрагменти на делене. По-важното е, че този процес на делене освобождава огромни количества енергия. Тази констатация в зората на Втората световна война е началото на научна и военна надпревара за разбиране и използване на този нов атомен източник на енергия.
Лео Силард лекции за процеса на делене (Национална лаборатория Аргон, CC BY-NC-SA) Публикуването на тези констатации пред академичната общност веднага вдъхнови много ядрени учени да проучат допълнително процеса на ядрен делене. Физикът Лео Силард направи важна реализация: ако деленето излъчва неутрони и неутроните могат да предизвикат делене, тогава неутроните от деленето на едно ядро могат да причинят делене на друго ядро. Всичко това би могло да се каскадира в един непрекъснат „верижен” процес.
Така започна стремежът да се докаже експериментално, че е възможна ядрена верижна реакция - и преди 75 години изследователите от Чикагския университет успяха, отваряйки вратата към това, което ще стане ядрената ера.
Използване на делене
Като част от усилията на Manhattan Project за изграждането на атомна бомба по време на Втората световна война, Szilard работи съвместно с физика Енрико Ферми и други колеги в Чикагския университет, за да създаде първия в света експериментален ядрен реактор.
За устойчива, контролирана верижна реакция, всяко делене трябва да предизвика само едно допълнително делене. Вече и ще има експлозия. По-малко и реакцията щеше да проникне.
Носителят на Нобелова награда Енрико Ферми ръководи проекта (Национална лаборатория Аргон, CC BY-NC-SA) В по-ранни проучвания Ферми е установил, че урановите ядра ще абсорбират неутроните по-лесно, ако неутроните се движат сравнително бавно. Но неутроните, отделяни от деленето на уран, са бързи. Така че за експеримента в Чикаго, физиците използват графит, за да забавят излъчените неутрони, чрез множество процеси на разсейване. Идеята беше да се увеличат шансовете на неутроните да бъдат абсорбирани от друго ураново ядро.
За да се уверят, че могат безопасно да контролират верижната реакция, екипът сглобява заедно това, което наричат „контролни пръти.“ Това бяха просто листове от елемент кадмий, отличен неутрон-абсорбтор. Физиците пресичат контролни пръти през урано-графитовата купчина. На всяка стъпка от процеса Ферми изчисляваше очакваното излъчване на неутрон и бавно отстранява контролен прът, за да потвърди очакванията му. Като механизъм за безопасност, кадиевите контролни пръчки могат бързо да бъдат поставени, ако нещо започне да се обърка, за да се изключи верижната реакция.
Чикагска купчина 1, издигната през 1942 г. на трибуните на атлетично игрище в Чикагския университет. (Национална лаборатория на Аргон, CC BY-NC-SA) Те нарекоха тази настройка с размери 20x6x25 фута Чикаговата купчина номер едно или CP-1 за кратко - и именно тук те получиха първата контролирана ядрена верижна реакция в света на 2 декември 1942 г. Един единствен случаен неутрон беше достатъчен за стартиране на процеса на верижна реакция след като физиците сглобиха CP-1. Първият неутрон би предизвикал делене на ядро на уран, излъчвайки набор от нови неутрони. Тези вторични неутрони удрят въглеродните ядра в графита и се забавят. Тогава те биха попаднали в други уранови ядра и предизвикват втори кръг от реакции на делене, излъчват още повече неутрони и на и на. Кадиевите контролни пръчки се увериха, че процесът няма да продължи неопределено време, защото Ферми и неговият екип могат да изберат точно как и къде да ги поставят, за да контролират верижната реакция.
Ядрена верижна реакция. Зелените стрелки показват разделянето на ядро на уран в два фрагмента на делене, излъчвайки нови неутрони. Някои от тези неутрони могат да предизвикат нови реакции на делене (черни стрелки). Някои от неутроните могат да бъдат загубени при други процеси (сини стрелки). Червените стрелки показват забавените неутрони, които идват по-късно от фрагментите на радиоактивното делене и които могат да предизвикат нови реакции на делене. (MikeRun модифициран от Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Контролът на верижната реакция беше изключително важен: Ако балансът между произведените и абсорбираните неутрони не беше точно правилен, тогава верижните реакции или изобщо нямаше да протичат, или в другата много по-опасна крайност, верижните реакции ще се размножават бързо с освобождаването на огромни количества енергия.
Понякога, няколко секунди след разделянето в ядрена верижна реакция, се отделят допълнителни неутрони. Физионните фрагменти обикновено са радиоактивни и могат да излъчват различни видове радиация, сред които неутрони. Веднага Енрико Ферми, Лео Шилард, Юджийн Вигнер и други осъзнаха важността на тези така наречени „забавени неутрони“ в контрола на верижната реакция.
Ако не бяха взети под внимание, тези допълнителни неутрони биха предизвикали повече реакции на делене, отколкото се очакваше. В резултат реакцията на ядрената верига в техния експеримент в Чикаго може да излезе извън контрол, с потенциално пагубни резултати. По-важното е обаче, че това време забавяне между деленето и освобождаването на повече неутрони позволява известно време хората да реагират и да направят корекции, контролирайки силата на верижната реакция, така че да не протича твърде бързо.
Атомните централи работят в 30 страни днес. (AP Photo / Джон Баземор) Събитията от 2 декември 1942 г. бележат огромен крайъгълен камък. Измислянето как да се създаде и контролира ядрената верижна реакция беше основа за 448 ядрени реактора, произвеждащи енергия в световен мащаб днес. Понастоящем 30 държави включват ядрени реактори в своя енергиен портфейл. В рамките на тези страни ядрената енергия допринася средно 24 процента от общата им електрическа мощност, като във Франция достига до 72 процента.
Успехът на CP-1 също беше от съществено значение за продължаването на проекта в Манхатън и създаването на двете атомни бомби, използвани по време на Втората световна война.
Останалите въпроси на физиците
Стремежът да се разбере забавянето на неутронната емисия и ядреното делене продължава в съвременните лаборатории за ядрена физика. Днес състезанието не е за изграждане на атомни бомби или дори ядрени реактори; това е за разбиране на основните свойства на ядрата чрез тясно сътрудничество между експеримента и теорията.
Изследователите са наблюдавали делене експериментално само за малък брой изотопи - различните версии на елемент въз основа на колко неутрона има всеки - и детайлите на този сложен процес все още не са добре разбрани. Съвременните теоретични модели се опитват да обяснят наблюдаваните свойства на делене, например колко енергия се освобождава, броя на отделените неутрони и масата на фрагментите на делене.
Забавеното излъчване на неутрони се случва само за ядра, които не се срещат естествено и тези ядра живеят само за кратко време. Докато експериментите разкриха някои от ядрата, които излъчват забавени неутрони, все още не сме в състояние да прогнозираме надеждно кои изотопи трябва да имат това свойство. Ние също не знаем точните вероятности за забавено излъчване на неутрони или количеството освободена енергия - свойства, които са много важни за разбирането на детайлите на производството на енергия в ядрените реактори.
В допълнение, изследователите се опитват да предскажат нови ядра, където ядреното делене е възможно. Те изграждат нови експерименти и мощни нови съоръжения, които ще осигурят достъп до ядра, които никога досега не са били изследвани, в опит да се измери директно всички тези свойства. Заедно новите експериментални и теоретични изследвания ще ни дадат много по-добро разбиране на ядрения делене, което може да помогне за подобряване на работата и безопасността на ядрените реактори.
Предаването на художник на две сливащи се неутронни звезди, друга ситуация, при която се получава делене. (Център за космически полети на Годард от НАСА / CI лаборатория, CC BY) Както деленето, така и забавеното излъчване на неутрони са процеси, които също се случват в звездите. Създаването на тежки елементи, като сребро и злато, в частност, може да зависи от деленето и закъснените свойства на неутронно излъчване на екзотични ядра. Фисията разрушава най-тежките елементи и ги замества с по-леки (фрагменти от делене), като напълно променя елементния състав на звезда. Забавеното излъчване на неутрони добавя повече неутрони към звездната среда, които след това могат да предизвикат нови ядрени реакции. Например, ядрените свойства изиграха жизненоважна роля в събитието за сливане на неутронни звезди, което беше открито наскоро от гравитационните вълни и електромагнитните обсерватории по света.
Науката измина дълъг път от визията на Силард и доказателството на Ферми за контролирана ядрена верижна реакция. В същото време възникнаха нови въпроси и има още много да научим за основните ядрени свойства, които задвижват верижната реакция и нейното влияние върху производството на енергия тук, на Земята и другаде в нашата Вселена.
Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.
Артемис Спиру, доцент по ядрена астрофизика, Мичиганския държавен университет
Волфганг Митиг, професор по физика в Мичиганския държавен университет
