1938'de Noel tatili sırasında fizikçiler Lise Meitner ve Otto Frisch nükleer kimyagerden özel bir mektupta şaşırtıcı bilimsel haberler aldı Otto Hahn . Hahn, uranyumu nötronlarla bombalarken, o sırada atomların yoğun çekirdekleri - çekirdekleri hakkında bilinen her şeye karşı çıkan bazı şaşırtıcı gözlemler yapmıştı.
Meitner ve Frisch, nükleer fizik alanında devrim yaratacak gördüklerine bir açıklama getirebildiler: Bir uranyum çekirdeği yarıya bölünebilir - ya da onların dediği gibi fisyon - fisyon parçaları adı verilen iki yeni çekirdek üretebilir. Daha da önemlisi, bu fisyon süreci büyük miktarda enerji açığa çıkarır. İkinci Dünya Savaşı'nın başlangıcındaki bu bulgu, bu yeni atomik güç kaynağını anlamak ve kullanmak için bilimsel ve askeri bir yarışın başlangıcıydı.
Leo Szilard fisyon süreci üzerine ders veriyor(Argonne Ulusal Laboratuvarı, CC BY-NC-SA)
bu bulguların yayınlanması akademik topluluğa, nükleer fisyon sürecini daha fazla araştırmak için birçok nükleer bilim insanına hemen ilham verdi. Fizikçi Leo Szilard önemli bir saptama yaptı: fisyon nötron yayarsa ve nötronlar fisyona neden olabilirse, o zaman bir çekirdeğin fisyonundan gelen nötronlar başka bir çekirdeğin fisyonuna neden olabilir. Her şey kendi kendini idame ettiren bir zincir sürecinde artabilir.
Böylece, nükleer zincirleme reaksiyonun mümkün olduğunu deneysel olarak kanıtlama arayışı başladı ve 75 yıl önce, Chicago Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, nükleer çağa dönüşecek olanın kapısını açmayı başardılar.
Fisyondan yararlanma
bir parçası olarak Manhattan Projesi Dünya Savaşı sırasında bir atom bombası inşa etme çabasında olan Szilard, fizikçi Enrico Fermi ve Chicago Üniversitesi'ndeki diğer meslektaşları, dünyanın ilk deneysel nükleer reaktörünü oluşturmak için.
Sürekli, kontrollü bir zincir reaksiyonu için, her fisyon sadece bir ek fisyona neden olmalıdır. Daha fazla, ve bir patlama olurdu. Daha az olursa tepki azalır.
Nobel ödüllü Enrico Fermi projeye öncülük etti(Argonne Ulusal Laboratuvarı, CC BY-NC-SA)
Daha önceki çalışmalarda, Fermi, nötronlar nispeten yavaş hareket ederse, uranyum çekirdeklerinin nötronları daha kolay emeceğini bulmuştu. Ancak uranyum fisyonundan yayılan nötronlar hızlıdır. Şikago deneyi için fizikçiler, yayılan nötronları çoklu saçılma süreçleri yoluyla yavaşlatmak için grafit kullandılar. Fikir, nötronların başka bir uranyum çekirdeği tarafından emilme şansını arttırmaktı.
Ekip, zincirleme reaksiyonu güvenli bir şekilde kontrol edebildiklerinden emin olmak için kontrol çubukları dedikleri şeyi bir araya getirdi. Bunlar basitçe, mükemmel bir nötron emici olan kadmiyum elementinin tabakalarıydı. Fizikçiler, uranyum-grafit yığını boyunca kontrol çubukları serpiştirdi. Sürecin her adımında Fermi, beklenen nötron emisyonunu hesapladı ve beklentilerini doğrulamak için yavaşça bir kontrol çubuğunu çıkardı. Bir güvenlik mekanizması olarak, bir şeyler ters gitmeye başladığında zincirleme reaksiyonu durdurmak için kadmiyum kontrol çubukları hızla yerleştirilebilir.
Chicago Pile 1, 1942'de Chicago Üniversitesi'ndeki bir atletizm sahasının tribünde dikildi.(Argonne Ulusal Laboratuvarı, CC BY-NC-SA)
Bunu aradılar 20x6x25 fitlik kurulum Chicago Yığını Bir Numara veya kısaca CP-1 – ve burada 2 Aralık 1942'de dünyanın ilk kontrollü nükleer zincirleme reaksiyonunu elde ettiler. Fizikçiler CP-1'i bir araya getirdiğinde zincirleme reaksiyon sürecini başlatmak için tek bir rastgele nötron yeterliydi. İlk nötron, bir uranyum çekirdeği üzerinde fisyona neden olacak ve bir dizi yeni nötron yayacaktır. Bu ikincil nötronlar, grafitteki karbon çekirdeklerine çarpar ve yavaşlar. Sonra diğer uranyum çekirdeklerine rastlarlar ve ikinci tur fisyon reaksiyonlarını başlatırlar, daha da fazla nötron yayarlar ve bu böyle devam ederdi. Kadmiyum kontrol çubukları, sürecin sonsuza kadar devam etmemesini sağladı, çünkü Fermi ve ekibi, zincirleme reaksiyonu kontrol etmek için bunları tam olarak nasıl ve nereye yerleştireceklerini seçebildiler.
Bir nükleer zincir reaksiyonu. Yeşil oklar, bir uranyum çekirdeğinin yeni nötronlar yayan iki fisyon parçasına bölünmesini gösteriyor. Bu nötronlardan bazıları yeni fisyon reaksiyonlarını indükleyebilir (siyah oklar). Bazı nötronlar diğer işlemlerde kaybolabilir (mavi oklar). Kırmızı oklar, daha sonra radyoaktif fisyon parçalarından gelen ve yeni fisyon reaksiyonlarını indükleyebilen gecikmiş nötronları gösterir.(MikeRun, Erin O'Donnell tarafından değiştirildi, MSU, CC BY-SA)
Zincirleme reaksiyonu kontrol etmek son derece önemliydi: Üretilen ve emilen nötronlar arasındaki denge tam olarak doğru değilse, o zaman zincirleme reaksiyonlar ya hiç ilerlemeyecek ya da çok daha tehlikeli olan diğer uçta, zincir reaksiyonları salıverme ile hızla çoğalacaktı. muazzam miktarda enerji.
Bazen, bir nükleer zincir reaksiyonunda fisyon meydana geldikten birkaç saniye sonra, ek nötronlar salınır. Fisyon parçaları tipik olarak radyoaktiftir ve aralarında nötronlar bulunan farklı radyasyon türleri yayabilir. Hemen, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner ve diğerleri, zincir reaksiyonunu kontrol etmede bu sözde gecikmiş nötronların önemini fark ettiler.
Eğer hesaba katılmazlarsa, bu ek nötronlar, beklenenden daha fazla fisyon reaksiyonu başlatacaktır. Sonuç olarak, Chicago deneylerindeki nükleer zincirleme reaksiyon, potansiyel olarak yıkıcı sonuçlarla kontrolden çıkabilirdi. Ancak daha da önemlisi, fisyon ve daha fazla nötron salınımı arasındaki bu zaman gecikmesi, insanların tepki vermesi ve ayarlamalar yapması için biraz zaman tanıyarak zincirleme reaksiyonun gücünü kontrol ederek çok hızlı ilerlememesini sağlar.
Nükleer santraller bugün 30 ülkede faaliyet gösteriyor.(AP Fotoğrafı/John Bazemore)
2 Aralık 1942 olayları büyük bir dönüm noktası oldu. Nükleer zincirleme reaksiyonun nasıl oluşturulacağını ve kontrol edileceğini bulmak, bugün dünya çapında enerji üreten 448 nükleer reaktörün temeliydi. Şu anda 30 ülke enerji portföylerine nükleer reaktörleri dahil ediyor. Bu ülkeler içinde, nükleer enerji ortalama yüzde 24 katkıda bulunuyor kadar yüksek olan toplam elektrik güçlerinin Fransa'da yüzde 72 .
CP-1'in başarısı, Manhattan Projesi'nin devamı ve Dünya Savaşı sırasında kullanılan iki atom bombası .
Fizikçilerin kalan soruları
Gecikmiş nötron emisyonunu ve nükleer fisyonu anlama arayışı, modern nükleer fizik laboratuvarlarında devam ediyor. Bugünkü yarış, atom bombası veya hatta nükleer reaktör inşa etmek için değil; deney ve teori arasındaki yakın işbirliği yoluyla çekirdeklerin temel özelliklerinin anlaşılması içindir.
Araştırmacılar, deneysel olarak sadece az sayıda parça için fisyon gözlemlediler. izotoplar – bir elementin her birinin kaç nötrona sahip olduğuna bağlı olarak çeşitli versiyonları – ve bu karmaşık sürecin detayları henüz tam olarak anlaşılmamıştır. Son teknoloji ürünü teorik modeller, ne kadar enerji salındığı, yayılan nötron sayısı ve fisyon parçalarının kütleleri gibi gözlemlenen fisyon özelliklerini açıklamaya çalışır.
Gecikmiş nötron emisyonu, yalnızca doğal olarak oluşmayan çekirdekler için gerçekleşir ve bu çekirdekler yalnızca kısa bir süre yaşar. Deneyler, gecikmiş nötronlar yayan bazı çekirdekleri ortaya çıkarmış olsa da, hangi izotopların bu özelliğe sahip olması gerektiğini henüz güvenilir bir şekilde tahmin edemiyoruz. Ayrıca, nükleer reaktörlerde enerji üretiminin ayrıntılarını anlamak için çok önemli olan gecikmiş nötron emisyonu veya salınan enerji miktarı için kesin olasılıkları da bilmiyoruz.
Ayrıca araştırmacılar, nükleer fisyonun mümkün olabileceği yeni çekirdekleri tahmin edin . Tüm bu özellikleri doğrudan ölçmek amacıyla, daha önce hiç çalışılmamış çekirdeklere erişim sağlayacak yeni deneyler ve güçlü yeni tesisler inşa ediyorlar. Birlikte, yeni deneysel ve teorik çalışmalar bize nükleer reaktörlerin performansını ve güvenliğini artırmaya yardımcı olabilecek nükleer fisyon hakkında çok daha iyi bir anlayış sağlayacaktır.
Sanatçının iki birleşen nötron yıldızını yorumlaması, fisyonun meydana geldiği başka bir durum.(NASA'nın Goddard Uzay Uçuş Merkezi/CI Laboratuvarı, CC BY)
Hem fisyon hem de gecikmiş nötron emisyonu, yıldızlarda da meydana gelen süreçlerdir. gümüş ve altın gibi ağır elementlerin yaratılması , özellikle egzotik çekirdeklerin fisyon ve gecikmiş nötron emisyon özelliklerine bağlı olabilir. Fisyon, en ağır elementleri kırar ve onları daha hafif olanlarla (fisyon parçaları) değiştirerek bir yıldızın element bileşimini tamamen değiştirir. Gecikmiş nötron emisyonu, yıldız ortamına daha fazla nötron ekler ve bu da yeni nükleer reaksiyonlara neden olabilir. Örneğin, nükleer özellikler yaşamsal bir rol oynadı. nötron yıldızı birleşme olayı tarafından yakın zamanda keşfedilen dünya çapında yerçekimi dalgası ve elektromanyetik gözlemevleri .
Bilim, Szilard'ın vizyonundan ve Fermi'nin kontrollü bir nükleer zincir reaksiyonu kanıtından bu yana çok yol kat etti. Aynı zamanda, yeni sorular ortaya çıktı ve zincirleme reaksiyonu yönlendiren temel nükleer özellikler ve bunun burada Dünya'da ve evrenimizin başka yerlerinde enerji üretimi üzerindeki etkisi hakkında öğrenilecek çok şey var.
Bu makale ilk olarak şu adreste yayınlandı: Konuşma.
Artemis Spyrou, Nükleer Astrofizik Doçenti, Michigan Eyalet Üniversitesi
Wolfgang Mittig, Fizik Profesörü, Michigan Eyalet Üniversitesi