Over juleferien i 1938 modtog fysikerne Lise Meitner og Otto Frisch forundrende videnskabelige nyheder i et privat brev fra atomkemikeren Otto Hahn. Da Hahn bombarderede uran med neutroner, havde Hahn foretaget nogle overraskende observationer, der stred imod alt, hvad der dengang var kendt om de tætte kerner af atomer - deres kerner.
Meitner og Frisch var i stand til at give en forklaring på, hvad han så, der ville revolutionere området for nukleær fysik: En uraniumkerne kunne opdeles i halvdel - eller fission, som de kaldte det - og producerede to nye kerner, kaldet fissionfragmenter. Mere vigtigt er, at denne fissionsproces frigiver enorme mængder energi. Dette fund i starten af 2. verdenskrig var starten på en videnskabelig og militær race for at forstå og bruge denne nye atomkraftkilde.
Leo Szilard holder foredrag om fissionsprocessen (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Frigivelsen af disse fund til det akademiske samfund inspirerede straks mange nukleare forskere til at undersøge den nukleare fissionproces yderligere. Fysiker Leo Szilard skabte en vigtig erkendelse: hvis fission udsender neutroner, og neutroner kan inducere fission, så kan neutroner fra fission af en kerne forårsage splittelse af en anden kerne. Det hele kunne kaskade i en selvbærende "kæde" -proces.
Således begyndte stræben efter at eksperimentelt bevise, at en nukleare kædereaktion var mulig - og for 75 år siden lykkedes det forskere ved University of Chicago at åbne døren til, hvad der ville blive den nukleare æra.
Udnyttelse af fission
Som en del af Manhattan-projektets indsats for at bygge en atombombe under 2. verdenskrig arbejdede Szilard sammen med fysiker Enrico Fermi og andre kolleger ved University of Chicago for at skabe verdens første eksperimentelle atomreaktor.
For en vedvarende, kontrolleret kædereaktion skal hver fission inducere kun en yderligere fission. Mere, og der ville være en eksplosion. Enhver færre, og reaktionen ville peter ud.
Nobelprisvinderen Enrico Fermi ledede projektet (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) I tidligere undersøgelser havde Fermi fundet, at urankerne lettere ville absorbere neutroner, hvis neutronerne bevægede sig relativt langsomt. Men neutroner, der udsendes fra splitting af uran, er hurtige. Så til Chicago-eksperimentet brugte fysikerne grafit til at bremse de udsendte neutroner via flere spredningsprocesser. Tanken var at øge neutronernes chancer for at blive absorberet af en anden urankerne.
For at sikre, at de sikkert kunne kontrollere kædereaktionen, rigget teamet sammen det, de kaldte "kontrolstænger." Dette var simpelthen ark af elementet cadmium, en fremragende neutronabsorberende. Fysikerne ispedd kontrolstænger gennem uran-grafitbunken. På hvert trin i processen beregnet Fermi den forventede neutronemission og fjernede langsomt en kontrolstang for at bekræfte hans forventninger. Som en sikkerhedsmekanisme kunne cadmium kontrolstænger hurtigt indsættes, hvis noget begyndte at gå galt, for at lukke kædereaktionen.
Chicago Pile 1, opført i 1942 på tribunerne på et atletisk felt ved University of Chicago. (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) De kaldte dette 20x6x25-fods opsætning Chicago Pile Number One eller CP-1 for kort - og det var her de fik verdens første kontrollerede atomkædereaktion den 2. december 1942. En enkelt tilfældig neutron var nok til at starte kædereaktionsprocessen engang sammensatte fysikerne CP-1. Den første neutron ville inducere fission på en urankerne og udsende et sæt nye neutroner. Disse sekundære neutroner rammer kulstofkerner i grafitten og bremsedes. Så ville de løbe ind i andre urankerne og inducere en anden runde fissionreaktioner, udsende endnu flere neutroner og så videre. Cadmium-kontrolstængerne sørgede for, at processen ikke fortsatte på ubestemt tid, fordi Fermi og hans team kunne vælge nøjagtigt, hvordan og hvor de skulle indsættes for at kontrollere kædereaktionen.
En atomkædereaktion. Grønne pile viser opdelingen af en uran-kerne i to fissionsfragmenter, der udsender nye neutroner. Nogle af disse neutroner kan fremkalde nye fissionreaktioner (sorte pile). Nogle af neutronerne kan gå tabt i andre processer (blå pile). Røde pile viser de forsinkede neutroner, der kommer senere fra de radioaktive fissionsfragmenter, og som kan fremkalde nye fissionreaktioner. (MikeRun modificeret af Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Det var ekstremt vigtigt at kontrollere kædereaktionen: Hvis balancen mellem producerede og absorberede neutroner ikke var nøjagtigt korrekt, ville kædereaktionerne enten ikke fortsætte overhovedet, eller i den anden meget farligere ekstrem, ville kædereaktionerne formere sig hurtigt med frigivelsen af enorme mængder energi.
Nogle gange frigives yderligere neutroner nogle få sekunder efter, at fission sker i en atomkædereaktion. Fissionsfragmenter er typisk radioaktive og kan udsende forskellige typer stråling, blandt dem neutroner. Med det samme anerkendte Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner og andre betydningen af disse såkaldte ”forsinkede neutroner” i kontrollen af kædereaktionen.
Hvis de ikke blev taget i betragtning, ville disse ekstra neutroner fremkalde flere fissionreaktioner end forventet. Som et resultat kunne nukleare kædereaktionen i deres Chicago-eksperiment have spiret ud af kontrol med potentielt ødelæggende resultater. Vigtigere er det imidlertid, at denne tidsforsinkelse mellem fission og frigivelse af flere neutroner giver tid for mennesker at reagere og foretage justeringer, og kontrollere kraften i kædereaktionen, så den ikke går for hurtigt.
Kernekraftværker opererer i 30 lande i dag. (AP Photo / John Bazemore) Begivenhederne den 2. december 1942 markerede en enorm milepæl. Grundlaget for de 448 atomreaktorer, der producerer energi på verdensplan i dag, var at finde ud af, hvordan man skaber og kontrollerer atomkædereaktionen. På nuværende tidspunkt inkluderer 30 lande atomreaktorer i deres magtportefølje. I disse lande bidrager kernekraft i gennemsnit 24 procent af deres samlede elektriske kraft, der spænder helt op til 72 procent i Frankrig.
CP-1's succes var også vigtig for fortsættelsen af Manhattan-projektet og oprettelsen af de to atombomber, der blev brugt under 2. verdenskrig.
Fysikernes resterende spørgsmål
Stræben efter at forstå forsinket neutronemission og nuklear fission fortsætter i moderne nukleære fysiklaboratorier. Løbet i dag er ikke til at bygge atombomber eller endda atomreaktorer; det er til forståelse af grundlæggende egenskaber ved kerner gennem tæt samarbejde mellem eksperiment og teori.
Forskere har kun observeret fission eksperimentelt for et lille antal isotoper - de forskellige versioner af et element baseret på hvor mange neutroner hver har - og detaljerne i denne komplekse proces er endnu ikke godt forstået. Avancerede teoretiske modeller forsøger at forklare de observerede fissionegenskaber, ligesom hvor meget energi der frigives, antallet af udsendte neutroner og masserne af fissionsfragmenterne.
Forsinket neutronemission sker kun for kerner, der ikke naturligt forekommer, og disse kerner lever kun i en kort periode. Mens eksperimenter har afsløret nogle af de kerner, der udsender forsinkede neutroner, er vi endnu ikke i stand til pålideligt at forudsige, hvilke isotoper, der skal have denne egenskab. Vi ved heller ikke nøjagtige sandsynligheder for forsinket neutronemission eller mængden af frigivet energi - egenskaber, der er meget vigtige for at forstå detaljerne i energiproduktionen i atomreaktorer.
Derudover forsøger forskere at forudsige nye kerner, hvor nuklear fission muligvis er mulig. De bygger nye eksperimenter og kraftfulde nye faciliteter, der giver adgang til kerner, der aldrig før er blevet undersøgt, i et forsøg på at måle alle disse egenskaber direkte. Sammen vil de nye eksperimentelle og teoretiske undersøgelser give os en meget bedre forståelse af nuklear fission, hvilket kan hjælpe med at forbedre ydeevnen og sikkerheden for nukleare reaktorer.
Kunstnerens gengivelse af to fusionerende neutronstjerner, en anden situation, hvor fission opstår. (NASAs Goddard Space Flight Center / CI Lab, CC BY) Både fission og forsinket neutronemission er processer, der også sker inden for stjerner. Oprettelsen af tunge elementer, som sølv og guld, kan især afhænge af fission og forsinkede neutronemissionsegenskaber i eksotiske kerner. Fission bryder de tyngste elementer og erstatter dem med lettere (fissionfragmenter), hvilket ændrer en stjernes elementkomposition fuldstændigt. Forsinket neutronemission tilføjer flere neutroner til det stjernemiljø, som derefter kan fremkalde nye atomreaktioner. For eksempel spillede nukleare egenskaber en vigtig rolle i neutronstjernens fusionsbegivenhed, der for nylig blev opdaget af gravitationsbølger og elektromagnetiske observatorier verden over.
Videnskaben er nået langt siden Szilards vision og Fermis bevis for en kontrolleret nukleare kædereaktion. På samme tid er der kommet nye spørgsmål, og der er stadig meget at lære om de grundlæggende nukleare egenskaber, der driver kædereaktionen og dens indflydelse på energiproduktion her på Jorden og andre steder i vores univers.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Artemis Spyrou, lektor i nuklear astrofysik, Michigan State University
Wolfgang Mittig, professor i fysik, Michigan State University
