במהלך חופשת חג המולד בשנת 1938 קיבלו הפיזיקאים ליס מיטנר ואוטו פריש חדשות מדעיות תמוהות במכתב פרטי מאת הכימאי הגרעיני אוטו האן. כשהפגיז אורניום עם נויטרונים, ציין האן כמה תצפיות מפתיעות שהתנגדו לכל מה שהיה ידוע באותה תקופה על ליבות האטום הצפופות - הגרעין שלהם.
מיטנר ופריש הצליחו לספק הסבר למה שהוא ראה שיחולל מהפכה בתחום הפיזיקה הגרעינית: גרעין אורניום יכול להתפצל לשניים - או ביקוע, כפי שכינו אותו - לייצר שני גרעינים חדשים, המכונים שברי ביקוע. חשוב מכך, תהליך ביקוע זה משחרר כמויות אדירות של אנרגיה. ממצא זה עם שחר מלחמת העולם השנייה היה תחילתו של מרוץ מדעי וצבאי להבנת השימוש בכוח אטומי חדש זה והשימוש בו.
ליאו סילארד מרצה על תהליך הביקוע (המעבדה הלאומית ארגונה, CC BY-NC-SA) פרסום ממצאים אלה בפני הקהילה האקדמית נתן השראה מיד למדענים גרעיניים רבים לחקור את תהליך הביקוע הגרעיני. הפיזיקאי ליאו סילארד הבין מימוש חשוב: אם ביקוע פולט נויטרונים, ונויטרונים יכולים לגרום לביקוע, אז נויטרונים מביזור של גרעין אחד עלולים לגרום לביקוע של גרעין אחר. הכל יכול היה להתפשט בתהליך "שרשרת" מתמשך.
כך החל המסע להוכיח בניסוי שתגובת שרשרת גרעינית אפשרית - ולפני 75 שנה הצליחו חוקרים מאוניברסיטת שיקגו לפתוח את הדלת למה שיהפוך לעידן הגרעין.
רתמת ביקוע
כחלק מהמאמץ של פרויקט מנהטן לבנות פצצה אטומית במהלך מלחמת העולם השנייה, עבד סילארד יחד עם הפיזיקאי אנריקו פרמי ועמיתיו נוספים מאוניברסיטת שיקגו כדי ליצור את הכור הניסיוני הראשון בעולם.
לקבלת תגובת שרשרת מתמשכת ומבוקרת, כל ביקוע חייב לגרום לביקוע נוסף אחד בלבד. כל עוד ויהיה פיצוץ. כל פחות ותגובה הייתה פוחתת.
זוכה פרס נובל אנריקו פרמי הוביל את הפרויקט (המעבדה הלאומית ארגונה, CC BY-NC-SA) במחקרים קודמים מצא פרמי כי גרעיני האורניום היו סופגים נויטרונים ביתר קלות אם הנייטרונים היו נעים לאט יחסית. אבל הנויטרונים הנפלטים מביזוי האורניום הם מהירים. אז לצורך הניסוי בשיקגו, הפיזיקאים השתמשו בגרפיט כדי להאט את הנויטרונים הנפלטים, באמצעות תהליכי פיזור מרובים. הרעיון היה להגדיל את הסיכוי של הנויטרונים להיספג בגרעין אורניום אחר.
כדי לוודא שהם יכולים לשלוט בבטחה בתגובת השרשרת, הצוות הצמיד את מה שכינו "מוטות בקרה". אלה היו פשוט יריעות של האלמנט קדמיום, בולם נויטרונים מצוין. הפיזיקאים חילקו מוטות בקרה בערמת האורניום-גרפיט. בכל שלב בתהליך פרמי חישב את פליטת הנויטרונים הצפויה, והסיר אט אט מוט שליטה כדי לאשר את ציפיותיו. כמנגנון בטיחות ניתן היה להכניס את מוטות הבקרה לקדמיום במהירות אם משהו יתחיל להשתבש כדי לכבות את תגובת השרשרת.
ערימה 1 של שיקאגו, שהוקמה בשנת 1942 ביציע שדה אתלטי באוניברסיטת שיקגו. (המעבדה הלאומית ארגונה, CC BY-NC-SA) הם קראו להתקנה זו בגודל 20X6x25 רגל של שיקגו ערימה מספר אחת, או CP-1 בקיצור - וכאן הם השיגו את תגובת השרשרת הגרעינית הנשלטת הראשונה בעולם ב- 2 בדצמבר 1942. די היה בנויטרון אקראי אחד בכדי להתחיל בתהליך תגובת השרשרת. פעם הרכיבו הפיזיקאים את CP-1. הנויטרון הראשון היה גורם לביקוע בגרעין האורניום, ופולט קבוצה של נויטרונים חדשים. נויטרונים משניים אלה פוגעים בגרעיני הפחמן בגרפיט והאטו. ואז הם היו נתקלים בגרעיני אורניום אחרים ומשרים סיבוב שני של תגובות ביקוע, פולטים אפילו יותר נויטרונים, וכן הלאה. מוטות השליטה בקדמיום דאגו שהתהליך לא יימשך ללא הגבלת זמן, מכיוון שפרמי וצוותו יוכלו לבחור בדיוק כיצד ואיפה להכניס אותם כדי לשלוט בתגובת השרשרת.
תגובת שרשרת גרעינית. חיצים ירוקים מראים את פיצול גרעין האורניום בשני שברי ביקוע, הפולטים נויטרונים חדשים. חלק מהנויטרונים הללו יכולים לעורר תגובות ביקוע חדשות (חיצים שחורים). חלק מהנויטרונים עלולים ללכת לאיבוד בתהליכים אחרים (חיצים כחולים). חיצים אדומים מראים את הנויטרונים המתעכבים שמגיעים מאוחר יותר משברי הביקוע הרדיואקטיביים ויכולים לגרום לתגובות ביקוע חדשות. (MikeRun שונה על ידי ארין אודונל, MSU, CC BY-SA) השליטה בתגובת השרשרת הייתה חשובה ביותר: אם האיזון בין נויטרונים מיוצרים לספיגה לא היה נכון בדיוק, הרי שתגובות השרשרת לא היו מתקדמות כלל, או בקיצוניות השנייה המסוכנת בהרבה, תגובות השרשרת היו מתרבות במהירות עם השחרור. של כמויות אדירות של אנרגיה.
לפעמים, שניות ספורות לאחר התרחשות הביקוע בתגובת שרשרת גרעינית, משתחררים נויטרונים נוספים. שברי ביקוע הם בדרך כלל רדיואקטיביים ויכולים לפלוט סוגים שונים של קרינה, ביניהם נויטרונים. מייד אנריקו פרמי, ליאו סילארד, יוג'ין וויגנר ואחרים הכירו בחשיבותם של מה שמכונה "נויטרונים מעוכבים" אלה בבקרה על תגובת השרשרת.
אם לא נלקחו בחשבון, נויטרונים נוספים אלה היו גורמים לתגובות ביקוע רבות יותר מהצפוי. כתוצאה מכך, תגובת השרשרת הגרעינית בניסוי שלהם בשיקגו יכולה הייתה לצאת מכלל שליטה, עם תוצאות הרסניות שעלולות להיות. עם זאת, חשוב מכך, עיכוב זמן זה בין הביקוע לשחרורם של יותר נויטרונים מאפשר זמן לבני האדם להגיב ולבצע התאמות, ולשלוט בכוח תגובת השרשרת כך שהוא לא יתמשך מהר מדי.
תחנות כוח גרעיניות פועלות כיום ב -30 מדינות. (צילום AP / ג'ון בזמור) אירועי ה- 2 בדצמבר 1942 סימנו אבן דרך ענקית. להבין כיצד ליצור ולשלוט בתגובת השרשרת הגרעינית היווה את הבסיס ל 448 הכורים הגרעיניים המייצרים אנרגיה ברחבי העולם כיום. נכון לעכשיו 30 מדינות כוללות כורים גרעיניים בתיק הכוח שלהם. בתוך מדינות אלה אנרגיה גרעינית תורמת בממוצע 24 אחוז מכלל כוחן החשמלי, שנע בין 72 אחוז בצרפת.
ההצלחה של CP-1 הייתה חיונית גם להמשך פרויקט מנהטן וליצירת שתי פצצות האטום ששימשו במלחמת העולם השנייה.
שאלות הנותרות של פיזיקאים
המסע להבנת פליטת נויטרונים מעוכבת וביקוע גרעיני נמשך במעבדות פיזיקה גרעיניות מודרניות. המירוץ כיום אינו מיועד לבניית פצצות אטום או אפילו כורים גרעיניים; זה לצורך הבנת התכונות הבסיסיות של גרעינים באמצעות שיתוף פעולה הדוק בין ניסוי ותאוריה.
החוקרים הבחינו בביקוע באופן ניסיוני רק עבור מספר קטן של איזוטופים - הגרסאות השונות של יסוד המבוססות על כמה נויטרונים שיש לכל אחד מהם - ופרטי התהליך המורכב הזה עדיין לא מובנים היטב. מודלים תיאורטיים עדכניים מנסים להסביר את תכונות הביקוע שנצפו, כמו כמה אנרגיה משתחררת, מספר הנויטרונים שנפלטים והמוני שברי הביקוע.
פליטת נויטרונים מושהית מתרחשת רק עבור גרעינים שאינם מתרחשים באופן טבעי, והגרעינים הללו חיים פרק זמן קצר בלבד. אמנם ניסויים חשפו כמה מהגרעינים הפולטים נויטרונים מעוכבים, אך איננו מסוגלים לחזות באופן מהימן אילו איזוטופים צריכים להיות בעלי תכונה זו. אנו גם לא יודעים הסתברויות מדויקות לפליטת נויטרונים מעוכבים או לכמות האנרגיה המשתחררת - תכונות חשובות מאוד להבנת פרטי ייצור האנרגיה בכורים גרעיניים.
בנוסף, החוקרים מנסים לחזות גרעינים חדשים שבהם יתכן ויהיה ביקוע גרעיני. הם בונים ניסויים חדשים ומתקנים חדשים רבי עוצמה שיספקו גישה לגרעינים שמעולם לא נחקרו, בניסיון למדוד את כל המאפיינים הללו ישירות. יחד, המחקרים הניסיוניים והתיאורטיים החדשים יעניקו לנו הבנה טובה בהרבה של ביקוע גרעיני, שיכולים לעזור בשיפור הביצועים והבטיחות של הכורים הגרעיניים.
העיבוד של האמן לשני כוכבי נויטרונים המתמזגים, מצב נוסף בו מתרחשת ביקוע. (מרכז טיסת החלל Goddard של נאס"א / מעבדת CI, CC BY) גם ביקוע וגם פליטת נויטרונים מעוכבים הם תהליכים שקורים גם בתוך כוכבים. יצירת יסודות כבדים, כמו כסף וזהב, בפרט יכולה להיות תלויה בביקוע ובמאפייני פליטת הנויטרונים של גרעינים אקזוטיים. ביקוע שובר את האלמנטים הכבדים ביותר ומחליף אותם באלילים קלים יותר (שברי ביקוע), ומשנה לחלוטין את הרכב האלמנטים של כוכב. פליטת נויטרונים מושהית מוסיפה יותר נויטרונים לסביבה הכוכבית, שיכולים לגרום לתגובות גרעיניות חדשות. לדוגמה, תכונות גרעיניות מילאו תפקיד חיוני באירוע המיזוג של כוכב הנויטרונים שהתגלה לאחרונה על ידי מצפי הכוכבים של גל הכבידה והאלקטרומגנטיות ברחבי העולם.
המדע עבר דרך ארוכה מאז חזונו של סילארד וההוכחה של פרמי לתגובת שרשרת גרעינית מבוקרת. במקביל עלו שאלות חדשות, ועדיין יש הרבה ללמוד על התכונות הגרעיניות הבסיסיות המניעות את תגובת השרשרת והשפעתה על ייצור האנרגיה כאן בכדור הארץ ובמקומות אחרים ביקום שלנו.
מאמר זה פורסם במקור ב- The Conversation.
ארטמיס ספירו, פרופסור חבר לאסטרופיזיקה גרעינית, אוניברסיטת מדינת מישיגן
וולפגנג מיטג, פרופסור לפיזיקה, אוניברסיטת מישיגן
