1938. aasta jõulupühade ajal said füüsikud Lise Meitner ja Otto Frisch mõistatuslikke teadusuudiseid tuumakeemiku Otto Hahni erakirjaga. Uraani neutronitega pommitades oli Hahn teinud üllatavaid tähelepanekuid, mis läksid vastu kõigele, mis tol ajal aatomite tihedate tuumade - nende tuumade kohta - teada oli.
Meitner ja Frisch suutsid selgitada, mida ta nägi, mis muudaks tuumafüüsika valdkonna revolutsiooniliseks: uraani tuum võib lõheneda pooleks - või lõhustuda, nagu nad seda nimetasid -, saades kaks uut tuuma, mida nimetatakse lõhustumisfragmentideks. Veelgi olulisem on see, et see lõhustumisprotsess vabastab tohutul hulgal energiat. See avastus Teise maailmasõja koidikul oli teaduse ja sõjaväe võistluse algus selle uue aatomienergiaallika mõistmiseks ja kasutamiseks.
Leo Szilardi loengud lõhustumisprotsessist (Argonne'i riiklik labor, CC BY-NC-SA) Nende avastuste avaldamine akadeemilisele ringkonnale innustas kohe paljusid tuumateadlasi uurima tuuma lõhustumise protsessi edasi. Füüsik Leo Szilard tegi olulise teostuse: kui lõhustumine eraldab neutroneid ja neutronid võivad lõhustumist esile kutsuda, võivad ühe tuuma lõhustumisel tekkivad neutronid põhjustada teise tuuma lõhustumist. See kõik võiks toimuda kaskaadina iseseisvas „ahelprotsessis“.
Nii algas katse eksperimentaalselt tõestada, et tuumaahela reaktsioon on võimalik - ja 75 aastat tagasi see õnnestus Chicago ülikooli teadlastel, avades ukse sellele, millest saab tuumaajastu.
Lõhustumise rakendamine
Teise maailmasõja ajal aatomipommi ehitamise Manhattani projekti raames töötas Szilard koos füüsiku Enrico Fermi ja teiste Chicago ülikooli kolleegidega maailma esimese eksperimentaalse tuumareaktori loomisel.
Pideva, kontrollitud ahelreaktsiooni jaoks peab iga lõhustumine indutseerima ainult ühe täiendava lõhustumise. Veel enam ja seal toimub plahvatus. Igaüks vähem ja reaktsioon ilmneb.
Nobeli preemia laureaat Enrico Fermi juhtis projekti (Argonne'i riiklik labor, CC BY-NC-SA) Varasemates uuringutes oli Fermi leidnud, et uraani tuumad neelavad neutroneid kergemini, kui neutronid liiguvad suhteliselt aeglaselt. Kuid uraani lõhustumisel eralduvad neutronid on kiired. Nii kasutasid füüsikud Chicago eksperimendi jaoks grafiiti, et aeglustada eraldunud neutroneid mitme hajutamisprotsessi abil. Idee oli suurendada neutronite võimalusi teise uraani tuuma imendumiseks.
Veendumaks, et nad saavad ahelreaktsiooni ohutult kontrollida, rühmitas meeskond kokku nn juhtvardad. Need olid lihtsalt elemendi kaadmiumi lehed, mis on suurepärane neutronide absorbeerija. Füüsikud vahetasid kontrollvardad läbi uraan-grafiithunniku. Protsessi igal etapil arvutas Fermi eeldatava neutroni emissiooni ja eemaldas ootuste kinnitamiseks aeglaselt kontrollvarda. Turvamehhanismina sai kaadmiumi kontrollvardad ahelreaktsiooni peatamiseks kiiresti sisestada, kui midagi valesti läks.
Chicago vaia 1, mis püstitati 1942. aastal Chicago ülikooli kergejõustikuväljakutele. (Argonne'i riiklik labor, CC BY-NC-SA) Nad nimetasid seda 20x6x25-jalast seadistust Chicago vaia number üks või lühidalt CP-1 - ja just siin said nad 2. detsembril 1942 maailma esimese kontrollitud tuumaahela reaktsiooni. Ahelreaktsiooni protsessi alustamiseks piisas ühest juhuslikust neutronist. kui füüsikud CP-1 kokku panid. Esimene neutron indutseerib uraani tuumas lõhustumist, eraldades uusi neutroneid. Need sekundaarsed neutronid tabasid grafiidi süsiniku tuumasid ja aeglustusid. Siis jõuavad nad teistesse uraanituumadesse ja kutsuvad esile lõhustumisreaktsioonide teise ringi, eraldavad veelgi rohkem neutroneid. Kaadmiumi kontrollvardad tegid kindlaks, et protsess ei kestaks lõputult, sest Fermi ja tema meeskond said ahelreaktsiooni juhtimiseks valida täpselt, kuidas ja kuhu need sisestada.
Tuumaahelreaktsioon. Rohelised nooled näitavad uraanituuma jaotust kaheks lõhustumisfragmendiks, eraldades uusi neutroneid. Mõned neist neutronitest võivad esile kutsuda uusi lõhustumisreaktsioone (mustad nooled). Osa neutronitest võib kaduda teistes protsessides (sinised nooled). Punased nooled näitavad hilinenud neutroneid, mis tulevad hiljem radioaktiivse lõhustumise fragmentidest ja mis võivad esile kutsuda uusi lõhustumisreaktsioone. (MikeRuni modifitseeris Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Ahelreaktsiooni juhtimine oli äärmiselt oluline: kui toodetud ja imendunud neutronite vaheline tasakaal ei olnud täpselt õige, siis ahelreaktsioonid kas ei toimu üldse või teises palju ohtlikumas äärmuses paljunevad ahelreaktsioonid vabastamisega kiiresti tohutul hulgal energiat.
Mõnikord, paar sekundit pärast lõhustumist, toimub tuumaahelreaktsioon, täiendavaid neutroneid. Lõhustumise killud on tavaliselt radioaktiivsed ja võivad eraldada erinevat tüüpi kiirgust, sealhulgas neutroneid. Kohe tunnistasid Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner ja teised nende niinimetatud hilinenud neutronite olulisust ahelreaktsiooni kontrollimisel.
Kui neid ei võetaks arvesse, põhjustaksid need täiendavad neutronid lõhustumisreaktsioone oodatust rohkem. Selle tulemusel võis nende Chicago eksperimendi tuumaahela reaktsioon kontrolli alt väljuda, võimalike laastavate tulemustega. Veelgi olulisem on see, et see aeglustumine lõhustumise ja rohkemate neutronite vabanemise vahel võimaldab inimestel mõnda aega reageerida ja muudatusi teha, kontrollides ahelreaktsiooni võimsust, et see ei kulgeks liiga kiiresti.
Tuumaelektrijaamad töötavad täna 30 riigis. (AP foto / John Bazemore) 2. detsembri 1942. aasta sündmused tähistasid tohutut verstaposti. Tuumaahela reaktsiooni loomise ja juhtimise väljamõtlemine oli täna 448 tuumareaktori alus kogu maailmas. Praegu on tuumareaktorid oma energiaportfellis 30 riiki. Nendes riikides annab tuumaenergia keskmiselt 24 protsenti nende kogu elektrienergiast, ulatudes Prantsusmaal koguni 72 protsendini.
CP-1 edu oli oluline ka Manhattani projekti jätkamiseks ja kahe Teise maailmasõja ajal kasutatud aatomipommi loomiseks.
Füüsikute ülejäänud küsimused
Kaasaegsetes tuumafüüsika laborites jätkatakse püüdlust mõista hilinenud neutronite emissiooni ja tuuma lõhustumist. Täna pole võistlus suunatud aatomipommide või isegi tuumareaktorite ehitamisele; see on tuumade põhiliste omaduste mõistmiseks katse ja teooria tiheda koostöö kaudu.
Teadlased on lõhustumist katseliselt täheldanud ainult väheste isotoopide osas - elemendi erinevad versioonid, mis põhinevad neutronite arvul - ja selle keeruka protsessi üksikasjad pole veel hästi mõistetavad. Moodsaimad teoreetilised mudelid püüavad selgitada täheldatud lõhustumisomadusi, näiteks kui palju energiat vabaneb, eralduvate neutronite arvu ja lõhustumisfragmentide massi.
Hiline neutronemissioon toimub ainult tuumade puhul, mida looduslikult ei esine, ja need tuumad elavad vaid lühikest aega. Kuigi eksperimendid on tuvastanud mõned tuumadest, mis kiirgavad hilinenud neutroneid, ei suuda me veel usaldusväärselt ennustada, millistel isotoopidel see omadus peaks olema. Me ei tea ka täpseid hilinenud neutronide emissiooni tõenäosusi ega eralduva energia hulka - omadused, mis on tuumareaktorites energiatootmise üksikasjade mõistmiseks väga olulised.
Lisaks üritavad teadlased ennustada uusi tuumasid, kus tuuma lõhustumine võiks olla võimalik. Nad ehitavad uusi katseid ja uusi võimsaid rajatisi, mis võimaldavad juurdepääsu tuumadele, mida pole kunagi varem uuritud, et proovida kõiki neid omadusi otse mõõta. Koos annavad uued eksperimentaalsed ja teoreetilised uuringud meile palju parema ülevaate tuuma lõhustumisest, mis võib aidata parandada tuumareaktorite jõudlust ja ohutust.
Kunstniku poolt teostatud kahe ühineva neutrontähe loovutamine - teine olukord, kus toimub lõhustumine. (NASA Goddardi kosmoselennukeskus / CI Lab, CC BY) Nii lõhustumine kui ka hilinenud neutronide emissioon on protsessid, mis toimuvad ka tähtede sees. Raskete elementide, nagu hõbe ja kuld, teke võib sõltuda eksootiliste tuumade lõhustumisest ja hilinenud neutronemissioonide omadustest. Lõhustumine murrab raskemad elemendid ja asendab need kergematega (lõhustumisfragmendid), muutes tähe elementide koostise täielikult. Hilinenud neutronide emissioon lisab tähekeskkonda rohkem neutroneid, mis võivad seejärel kutsuda esile uusi tuumareaktsioone. Näiteks tuumaomadused mängisid olulist rolli neutronitähtede ühinemise sündmusel, mille hiljuti avastasid gravitatsioonilaine ja elektromagnetilised vaatluskeskused kogu maailmas.
Teadus on Szilardi visioonist ja Fermi tõestusest kontrollitud tuumaahela reaktsiooni kohta jõudnud kaugele. Samal ajal on tekkinud uusi küsimusi ja veel on palju õppida ahelreaktsiooni juhtivate põhiliste tuumaomaduste kohta ning selle mõju kohta energia tootmisele siin Maal ja mujal meie universumis.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Artemis Spyrou, Michigan State University tuumaastrofüüsika dotsent
Michigani Riikliku Ülikooli füüsikaprofessor Wolfgang Mittig
