Κατά τη διάρκεια των Χριστουγεννιάτικων διακοπών το 1938, οι φυσικοί Lise Meitner και Otto Frisch έλαβαν αινιγματικές επιστημονικές ειδήσεις σε μια ιδιωτική επιστολή του πυρηνικού χημικού Otto Hahn. Όταν βομβάρδισαν το ουράνιο με νετρόνια, ο Hahn είχε κάνει κάποιες εκπληκτικές παρατηρήσεις που αντιμετώπισαν όλα όσα ήταν γνωστά εκείνη τη στιγμή για τους πυκνούς πυρήνες των ατόμων - τους πυρήνες τους.
Ο Meitner και ο Frisch ήταν σε θέση να δώσουν μια εξήγηση για αυτό που είδε ότι θα έφερνε επανάσταση στο πεδίο της πυρηνικής φυσικής: Ένας πυρήνας ουρανίου θα μπορούσε να χωριστεί σε μισή - ή σχάση, όπως την ονόμαζαν - να παράγει δύο νέους πυρήνες, που ονομάζονται θραύσματα σχάσης. Το πιο σημαντικό, αυτή η διαδικασία σχάσης απελευθερώνει τεράστια ποσά ενέργειας. Αυτό το εύρημα κατά την αυγή του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου ήταν η αρχή μιας επιστημονικής και στρατιωτικής φυλής για να καταλάβει και να χρησιμοποιήσει αυτή τη νέα ατομική πηγή εξουσίας.
Ο Leo Szilard διαλέγει για τη διαδικασία σχάσης (Εθνικό Εργαστήριο Argonne, CC BY-NC-SA) Η απελευθέρωση αυτών των ευρημάτων στην ακαδημαϊκή κοινότητα ενέπνευσε αμέσως πολλούς πυρηνικούς επιστήμονες να διερευνήσουν περαιτέρω τη διαδικασία πυρηνικής σχάσης. Ο φυσικός Leo Szilardmade μια σημαντική συνειδητοποίηση: εάν η σχάση εκπέμπει νετρόνια και τα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν σχάση, τότε τα νετρόνια από τη σχάση ενός πυρήνα θα μπορούσαν να προκαλέσουν τη σχάση ενός άλλου πυρήνα. Θα μπορούσε όλες να καταρρεύσει σε μια αυτοσυντηρούμενη διαδικασία "αλυσίδας".
Έτσι ξεκίνησε η προσπάθεια να αποδειχθεί πειραματικά ότι μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση ήταν δυνατή - και πριν από 75 χρόνια, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου του Σικάγο πέτυχαν, ανοίγοντας την πόρτα σε αυτό που θα γίνει η πυρηνική εποχή.
Αξιοποίηση της σχάσης
Στο πλαίσιο της προσπάθειας του Μανχάταν για την κατασκευή μιας ατομικής βόμβας κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, ο Szilard συνεργάστηκε με τον φυσικό Enrico Fermi και άλλους συναδέλφους του Πανεπιστημίου του Σικάγο για τη δημιουργία του πρώτου πειραματικού πυρηνικού αντιδραστήρα στον κόσμο.
Για μια παρατεταμένη, ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση, κάθε σχάση πρέπει να προκαλεί μόνο μία πρόσθετη σχάση. Τίποτα περισσότερο, και θα υπάρξει έκρηξη. Οποιοσδήποτε λιγότερος και η αντίδραση θα εξαντληθεί.
Ο βραβευμένος με το βραβείο Νόμπελ Ένρικο Φέρμι προήδρευσε το έργο (Εθνικό Εργαστήριο Argonne, CC BY-NC-SA) Σε προηγούμενες μελέτες, ο Fermi είχε διαπιστώσει ότι οι πυρήνες ουρανίου θα μπορούσαν να απορροφήσουν νετρόνια πιο εύκολα εάν τα νετρόνια κινηθούσαν σχετικά αργά. Αλλά τα νετρόνια που εκπέμπονται από τη σχάση του ουρανίου είναι γρήγορα. Έτσι για το πείραμα του Σικάγου, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν γραφίτη για να επιβραδύνουν τα εκπεμπόμενα νετρόνια, μέσω πολλαπλών διεργασιών σκέδασης. Η ιδέα ήταν να αυξηθούν οι πιθανότητες νετρονίων να απορροφηθούν από έναν άλλο πυρήνα ουρανίου.
Για να σιγουρευτούν ότι θα μπορούσαν να ελέγξουν με ασφάλεια την αλυσιδωτή αντίδραση, η ομάδα πήρε μαζί αυτά που ονόμασαν "ράβδοι ελέγχου". Αυτά ήταν απλά φύλλα του στοιχείου κάδμιο, ένα εξαιρετικό απορροφητή νετρονίων. Οι φυσικοί διασκορπίστηκαν ράβδοι ελέγχου μέσω του σωρού ουρανίου-γραφίτη. Σε κάθε βήμα της διαδικασίας ο Fermi υπολογίζει την αναμενόμενη εκπομπή νετρονίων και αφαιρεί αργά μια ράβδο ελέγχου για να επιβεβαιώσει τις προσδοκίες του. Ως μηχανισμός ασφαλείας, οι ράβδοι ελέγχου καδμίου θα μπορούσαν γρήγορα να εισαχθούν εάν κάτι ξεκίνησε λάθος, για να κλείσει η αλυσιδωτή αντίδραση.
Το Σώμα του Σικάγου 1, που ανεγέρθηκε το 1942 στα περίπτερα ενός αθλητικού πεδίου στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου. (Εθνικό Εργαστήριο Argonne, CC BY-NC-SA) Ονομάζονταν αυτή τη διάταξη 20x6x25-πόδι Chicago Pile Number One ή CP-1 για σύντομο χρονικό διάστημα και εδώ βρέθηκαν η πρώτη ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση στον κόσμο στις 2 Δεκεμβρίου 1942. Ένα μόνο τυχαίο νετρόνιο ήταν αρκετό για να ξεκινήσει η αλυσιδωτή αντίδραση μόλις οι φυσικοί συναρμολογήσουν το CP-1. Το πρώτο νετρόνιο θα προκαλούσε τη σχάση σε έναν πυρήνα ουρανίου, εκπέμποντας ένα σύνολο νέων νετρονίων. Αυτά τα δευτερεύοντα νετρόνια έπληξαν τους πυρήνες του άνθρακα στον γραφίτη και επιβραδύνθηκαν. Στη συνέχεια, θα έτρεχαν σε άλλους πυρήνες ουρανίου και θα προκάλεσαν έναν δεύτερο γύρο αντιδράσεων σχάσης, θα εκπέμπουν ακόμα περισσότερα νετρόνια και θα συνεχίσουν. Οι ράβδοι ελέγχου καδμίου διασφάλισαν ότι η διαδικασία δεν θα συνεχιζόταν επ 'αόριστον, επειδή ο Fermi και η ομάδα του θα μπορούσαν να επιλέξουν ακριβώς πώς και πού να τα εισάγουν για τον έλεγχο της αλυσιδωτής αντίδρασης.
Μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Τα πράσινα βέλη δείχνουν τη διάσπαση ενός πυρήνα ουρανίου σε δύο θραύσματα σχάσης, που εκπέμπουν νέα νετρόνια. Μερικά από αυτά τα νετρόνια μπορούν να προκαλέσουν νέες αντιδράσεις σχάσης (μαύρα βέλη). Μερικά από τα νετρόνια μπορεί να χαθούν σε άλλες διαδικασίες (μπλε βέλη). Τα κόκκινα βέλη δείχνουν τα καθυστερημένα νετρόνια που έρχονται αργότερα από τα ραδιενεργά θραύσματα σχάσης και που μπορούν να προκαλέσουν νέες αντιδράσεις σχάσης. (MikeRun τροποποιημένη από Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Ο έλεγχος της αλυσιδωτής αντίδρασης ήταν εξαιρετικά σημαντικός: Αν η ισορροπία μεταξύ παραγόμενων και απορροφηθέντων νετρονίων δεν ήταν ακριβώς σωστή, τότε οι αλυσιδωτές αντιδράσεις είτε δεν θα προχωρούσαν καθόλου, είτε στο άλλο πολύ πιο επικίνδυνο άκρο, οι αλυσιδωτές αντιδράσεις θα πολλαπλασιάζονταν ταχέως με την απελευθέρωση από τεράστιες ποσότητες ενέργειας.
Μερικές φορές, λίγα δευτερόλεπτα μετά την απόσπαση της σχάσης σε πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, απελευθερώνονται επιπλέον νετρόνια. Τα θραύσματα σχάσης είναι τυπικά ραδιενεργά και μπορούν να εκπέμπουν διαφορετικούς τύπους ακτινοβολίας, μεταξύ των οποίων νετρόνια. Αμέσως, ο Enrico Fermi, ο Leo Szilard, ο Eugene Wigner και άλλοι αναγνώρισαν τη σημασία αυτών των λεγόμενων "καθυστερημένων νετρονίων" για τον έλεγχο της αλυσιδωτής αντίδρασης.
Εάν δεν ελήφθησαν υπόψη, αυτά τα πρόσθετα νετρόνια θα προκαλούσαν περισσότερες αντιδράσεις σχάσης από ό, τι αναμενόταν. Ως αποτέλεσμα, η πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση στο πείραμά τους στο Σικάγο θα μπορούσε να έχει αποκοπεί από τον έλεγχο, με δυνητικά καταστροφικά αποτελέσματα. Πιο σημαντικό όμως είναι ότι αυτή η χρονική καθυστέρηση μεταξύ της σχάσης και της απελευθέρωσης περισσότερων νετρονίων επιτρέπει αρκετό χρόνο για να αντιδράσουν οι άνθρωποι και να γίνουν προσαρμογές, ελέγχοντας τη δύναμη της αλυσιδωτής αντίδρασης, ώστε να μην προχωρήσει πολύ γρήγορα.
Οι μονάδες πυρηνικής ενέργειας λειτουργούν σήμερα σε 30 χώρες. (AP Φωτογραφία / John Bazemore) Τα γεγονότα της 2ας Δεκεμβρίου 1942 σηματοδότησαν ένα τεράστιο ορόσημο. Ο προσδιορισμός του τρόπου δημιουργίας και ελέγχου της πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης αποτέλεσε το θεμέλιο για τους 448 πυρηνικούς αντιδραστήρες που παράγουν σήμερα ενέργεια παγκοσμίως. Επί του παρόντος, 30 χώρες περιλαμβάνουν πυρηνικούς αντιδραστήρες στο χαρτοφυλάκιό τους. Στις χώρες αυτές, η πυρηνική ενέργεια συμβάλλει κατά μέσο όρο στο 24% της συνολικής ηλεκτρικής ισχύος τους, κυμαινόμενη έως και 72% στη Γαλλία.
Η επιτυχία του CP-1 ήταν επίσης σημαντική για τη συνέχιση του έργου του Μανχάταν και τη δημιουργία των δύο ατομικών βόμβων που χρησιμοποιήθηκαν κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου.
Οι υπόλοιπες ερωτήσεις των φυσικών
Η προσπάθεια κατανόησης των καθυστερημένων εκπομπών νετρονίων και της πυρηνικής σχάσης συνεχίζεται στα σύγχρονα εργαστήρια πυρηνικής φυσικής. Ο αγώνας σήμερα δεν είναι για την κατασκευή ατομικών βόμβων ή ακόμα και πυρηνικών αντιδραστήρων. είναι για την κατανόηση των βασικών ιδιοτήτων των πυρήνων μέσα από τη στενή συνεργασία μεταξύ πειράματος και θεωρίας.
Οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει την σχάση πειραματικά μόνο για ένα μικρό αριθμό ισότοπων - τις διάφορες εκδοχές ενός στοιχείου που βασίζεται στο πόσα νετρόνια έχει καθεμία - και οι λεπτομέρειες αυτής της περίπλοκης διαδικασίας δεν είναι ακόμα καλά κατανοητές. Τα μοντέλα θεωρητικής εξέλιξης προσπαθούν να εξηγήσουν τις παρατηρούμενες ιδιότητες σχάσης, όπως πόση ενέργεια απελευθερώνεται, τον αριθμό των εκπεμπόμενων νετρονίων και τις μάζες των θραυσμάτων σχάσης.
Η καθυστερημένη εκπομπή νετρονίων συμβαίνει μόνο για τους πυρήνες που δεν απαντώνται στη φύση και αυτοί οι πυρήνες ζουν μόνο για μικρό χρονικό διάστημα. Ενώ τα πειράματα έχουν αποκαλύψει μερικούς από τους πυρήνες που εκπέμπουν καθυστερημένα νετρόνια, δεν μπορούμε ακόμα να προβλέψουμε αξιόπιστα ποια ισότοπα θα πρέπει να έχουν αυτή την ιδιότητα. Επίσης, δεν γνωρίζουμε τις ακριβείς πιθανότητες για καθυστερημένες εκπομπές νετρονίων ή την ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται - ιδιότητες που είναι πολύ σημαντικές για την κατανόηση των λεπτομερειών παραγωγής ενέργειας σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Επιπλέον, οι ερευνητές προσπαθούν να προβλέψουν νέους πυρήνες όπου θα μπορούσε να είναι δυνατή η πυρηνική σχάση. Κατασκευάζουν νέα πειράματα και ισχυρές νέες εγκαταστάσεις που θα παρέχουν πρόσβαση σε πυρήνες που δεν έχουν μελετηθεί ποτέ, σε μια προσπάθεια να μετρηθούν άμεσα όλες αυτές οι ιδιότητες. Μαζί, οι νέες πειραματικές και θεωρητικές μελέτες θα μας δώσουν μια πολύ καλύτερη κατανόηση της πυρηνικής σχάσης, η οποία μπορεί να συμβάλει στη βελτίωση της απόδοσης και της ασφάλειας των πυρηνικών αντιδραστήρων.
Η απόδοση του καλλιτέχνη σε δύο συγχωνευμένα αστέρια νετρονίων, μια άλλη κατάσταση στην οποία λαμβάνει χώρα σχάση. (Κέντρο Διαστημικής Πτήσης Goddard της NASA / Εργαστήριο CI, CC BY) Τόσο η σχάση όσο και η καθυστερημένη εκπομπή νετρονίων είναι διαδικασίες που συμβαίνουν επίσης μέσα στα αστέρια. Η δημιουργία βαρέων στοιχείων, όπως το ασήμι και ο χρυσός, μπορεί να εξαρτηθεί κυρίως από τις ιδιότητες εκπομπής και καθυστερημένης εκπομπής νετρονίων των εξωτικών πυρήνων. Η σχάση σπάει τα βαρύτερα στοιχεία και τα αντικαθιστά με ελαφρύτερα (θραύσματα σχάσης), αλλάζοντας εντελώς τη σύνθεση των στοιχείων ενός αστέρα. Η καθυστερημένη εκπομπή νετρονίων προσθέτει περισσότερα από τα νετρόνια στο αστρικό περιβάλλον, που μπορεί να προκαλέσει νέες πυρηνικές αντιδράσεις. Για παράδειγμα, οι πυρηνικές ιδιότητες διαδραμάτισαν ζωτικό ρόλο στην εκδήλωση συγχώνευσης νετρονίων-αστέρων που πρόσφατα ανακάλυψαν τα παρατηρητήρια βαρυτικών και ηλεκτρομαγνητικών παρατηρήσεων σε όλο τον κόσμο.
Η επιστήμη έχει προχωρήσει πολύ από το όραμα του Szilard και από την απόδειξη της Fermi για μια ελεγχόμενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση. Ταυτόχρονα, προέκυψαν νέα ερωτήματα και υπάρχουν ακόμη πολλά που πρέπει να μάθουμε για τις βασικές πυρηνικές ιδιότητες που οδηγούν την αλυσιδωτή αντίδραση και την επίδρασή της στην παραγωγή ενέργειας εδώ στη Γη και αλλού στο σύμπαν μας.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Άρτεμις Σπύρου, Αναπληρωτής Καθηγητής Πυρηνικής Αστροφυσικής, Πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν
Wolfgang Mittig, Καθηγήτρια Φυσικής, Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν
