Během vánočních svátků v roce 1938 fyzici Lise Meitner a Otto Frisch obdrželi v soukromém dopise jaderného chemika Otta Hahna záhadné vědecké zprávy. Když bombardoval uran neutrony, Hahn učinil několik překvapivých pozorování, která šla proti všemu známému v té době o hustých jádrech atomů - jejich jádrech.
Meitner a Frisch byli schopni poskytnout vysvětlení toho, co viděl, což by revolucionizovalo pole jaderné fyziky: Uranové jádro se mohlo rozdělit na polovinu - nebo štěpení, jak tomu říkali - a produkovat dvě nová jádra, nazvaná fragmenty štěpení. Ještě důležitější je, že tento proces štěpení uvolňuje obrovské množství energie. Toto zjištění na úsvitu druhé světové války bylo začátkem vědecké a vojenské rasy k pochopení a použití tohoto nového atomového zdroje energie.
Přednášky Leo Szilarda o procesu štěpení (Národní laboratoř Argonne, CC BY-NC-SA) Zveřejnění těchto zjištění akademické obci okamžitě inspirovalo mnoho jaderných vědců k dalšímu zkoumání procesu jaderného štěpení. Fyzik Leo Szilard udělal důležitou realizaci: pokud štěpení emituje neutrony a neutrony mohou indukovat štěpení, pak by neutrony ze štěpení jednoho jádra mohly způsobit štěpení jiného jádra. Mohlo by to všechno kaskádou v samostatném „řetězovém“ procesu.
Začalo se tak s pokusem experimentálně dokázat, že je možná jaderná řetězová reakce - a před 75 lety se vědcům z Chicagské univerzity podařilo otevřít dveře tomu, co by se stalo jadernou érou.
Využití štěpení
V rámci snahy projektu Manhattan postavit atomovou bombu během druhé světové války spolupracoval Szilard společně s fyzikem Enrico Fermi a dalšími kolegy z Chicagské univerzity na vytvoření prvního experimentálního jaderného reaktoru na světě.
Pro trvalou řízenou řetězovou reakci musí každé štěpení vyvolat pouze jedno další štěpení. Ještě víc a došlo by k explozi. Méně a reakce by vytryskla.
Vítěz projektu Nobelova cena Enrico Fermi (Národní laboratoř Argonne, CC BY-NC-SA) V dřívějších studiích Fermi zjistil, že jádra uranu absorbují neutrony snadněji, pokud se neutrony pohybují relativně pomalu. Neutrony emitované štěpením uranu jsou však rychlé. Takže pro experiment v Chicagu fyzikové používali grafit ke zpomalení emitovaných neutronů, a to prostřednictvím několika rozptylových procesů. Cílem bylo zvýšit šance neutronů na absorpci jiným uranovým jádrem.
Aby se zajistilo, že mohou bezpečně řídit řetězovou reakci, sestavil tým dohromady to, co nazývali „regulační tyče“. Byly to prostě prostěradla kadmia, vynikajícího absorbéru neutronů. Fyzici rozložili řídicí tyče skrz hromadu uran-grafit. V každém kroku procesu vypočítal Fermi očekávanou emise neutronů a pomalu odstranil kontrolní tyč, aby potvrdil jeho očekávání. Jako bezpečnostní mechanismus by mohly být řídicí tyče kadmia rychle vloženy, pokud by se něco začalo zhoršovat, aby se zastavila řetězová reakce.
Chicago Pile 1, postavený v roce 1942 na tribunách atletického pole na University of Chicago. (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Nazývali to 20x6x25-stopové nastavení Chicago Pile Number One, nebo CP-1 zkrátka - a právě zde získaly na světě první kontrolovanou jadernou řetězovou reakci 2. prosince 1942. Na zahájení procesu řetězové reakce stačil jediný náhodný neutron jakmile fyzici sestavili CP-1. První neutron by vyvolal štěpení na uranovém jádru a vyzařoval řadu nových neutronů. Tyto sekundární neutrony zasáhly uhlíková jádra v grafitu a zpomalily. Pak narazili do jiných jader uranu a vyvolali druhé kolo štěpných reakcí, emitovali ještě více neutronů a dále a dále. Ovládací tyče kadmia zajistily, že proces nebude pokračovat donekonečna, protože Fermi a jeho tým si mohli přesně vybrat, jak a kam je vložit, aby mohli řídit řetězovou reakci.
Jaderná řetězová reakce. Zelené šipky ukazují rozdělení uranového jádra na dva fragmenty štěpení, 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 přicházejí později z radioaktivních štěpných fragmentů a které mohou vyvolat nové štěpné reakce. (MikeRun modifikován 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 rychle uvolňovaly s uvolňováním enormního množství energie.
Někdy, několik sekund po štěpení nastane v jaderné řetězové reakci, jsou uvolněny další neutrony. Fragmenty štěpení jsou typicky radioaktivní a mohou emitovat různé typy záření, mezi nimi i neutrony. Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner a další okamžitě uznali důležitost těchto takzvaných „zpožděných neutronů“ pro řízení řetězové reakce.
Pokud by nebyly brány v úvahu, tyto další neutrony by vyvolaly více štěpných reakcí, než se očekávalo. V důsledku toho by se jaderná řetězová reakce v jejich chicagském experimentu mohla vymknout kontrole, což by mohlo mít devastující výsledky. Ještě důležitější je však, že toto časové zpoždění mezi štěpením a uvolněním více neutronů umožňuje člověku nějaký čas reagovat a provádět úpravy, přičemž řídí sílu řetězové reakce, takže nepostupuje příliš rychle.
Jaderné elektrárny dnes fungují ve 30 zemích. (AP Foto / John Bazemore) Události 2. prosince 1942 byly velkým mezníkem. Základem 448 jaderných reaktorů, které dnes vyrábějí energii na celém světě, bylo zjistit, jak vytvořit a řídit jadernou řetězovou reakci. V současné době 30 zemí zahrnuje jaderné reaktory do svého energetického portfolia. V těchto zemích se jaderná energie podílí v průměru na 24 procentech své celkové elektrické energie a dosahuje až 72 procent ve Francii.
Úspěch CP-1 byl také nezbytný pro pokračování projektu Manhattan a vytvoření dvou atomových bomb použitých během druhé světové války.
Zbývající otázky fyziků
V moderních laboratořích jaderné fyziky pokračuje hledání pochopení zpožděné emise neutronů a jaderného štěpení. Závod dnes není o stavbě 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 pro malé množství izotopů - různé verze prvku založené na tom, kolik neutronů má každý - a podrobnosti tohoto komplexního procesu nejsou dosud dobře známy. Nejmodernější teoretické modely se pokoušejí vysvětlit pozorované štěpné vlastnosti, jako je množství uvolněné energie, počet emitovaných neutronů a množství štěpných fragmentů.
Zpožděná emise neutronů nastává pouze u jader, která se přirozeně nevyskytují, a tato jádra žijí pouze krátkou dobu. I když experimenty odhalily některá jádra, která emitují zpožděné neutrony, zatím nejsme schopni spolehlivě předpovědět, které izotopy by měly mít tuto vlastnost. Rovněž neznáme přesnou pravděpodobnost zpožděné emise neutronů nebo množství uvolněné energie - vlastnosti, které jsou velmi důležité pro pochopení podrobností výroby energie v jaderných reaktorech.
Kromě toho se vědci pokoušejí předpovídat nová jádra, kde by bylo možné jaderné štěpení. Budují nové experimenty a výkonná nová zařízení, která umožní přístup k jádrům, která ještě nikdy nebyla studována, ve snaze přímo měřit všechny tyto vlastnosti. Nové experimentální a teoretické studie nám společně umožní mnohem lepší pochopení jaderného štěpení, což může pomoci zlepšit výkon a bezpečnost jaderných reaktorů.
Umělecké ztvárnění dvou slučujících se neutronových hvězd, další situace, kde dochází k štěpení. (NASA Goddard Space Flight Center / CI Lab, CC BY) Štěpení i zpožděná emise neutronů jsou procesy, ke kterým dochází také ve hvězdách. Vytváření těžkých prvků, jako je stříbro a zlato, může zejména záviset na štěpení a zpožděných neutronových emisních vlastnostech exotických jader. Štěpení rozbije nejtěžší prvky a nahradí je lehčími (fragmenty štěpení), čímž zcela změní složení prvků hvězdy. Zpožděná emise neutronů přidává do hvězdného prostředí více neutronů, které pak mohou vyvolat nové jaderné reakce. Například jaderné vlastnosti hrály zásadní roli při fúzi neutronových hvězd, která byla nedávno objevena gravitačními vlnami a elektromagnetickými observatořími po celém světě.
Věda prošla dlouhou cestu od Szilardovy vize a Fermiho dokladu o řízené jaderné řetězové reakci. Současně se objevily nové otázky a stále je toho co učit o základních jaderných vlastnostech, které řídí řetězovou reakci a její dopad na výrobu energie zde na Zemi a jinde v našem vesmíru.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Artemis Spyrou, docent jaderné astrofyziky, Michiganská státní univerzita
Wolfgang Mittig, profesor fyziky, Michiganská státní univerzita
