75 Jahre Zuvor Konnten Physiker Die Kontrollierte Kernkettenspaltung Nachweisen

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Durch das aufspalten der spaltung konnten die physiker uranatome spalten und enorme mengen an energie freisetzen. Diese arbeit des manhattan-projekts ebnete den weg sowohl für atombomben als auch für atomreaktoren.

Dieser Artikel wurde ursprünglich am veröffentlicht Die Unterhaltung. Die Veröffentlichung trug den Artikel zu WordsSideKick.com bei Expertenstimmen: Op-Ed & Insights.

In den Weihnachtsferien 1938 erhielten die Physiker Lise Meitner und Otto Frisch in einem privaten Brief des Atomchemikers Otto Hahn rätselhafte wissenschaftliche Nachrichten. Beim Beschießen von Uran mit Neutronen hatte Hahn einige überraschende Beobachtungen gemacht, die sich gegen alles richteten, was damals über die dichten Kerne von Atomen bekannt war - ihre Kerne.

Meitner und Frisch konnten erklären, was er sah, was die Nuklearphysik revolutionieren würde: Ein Urankern könnte sich in zwei Hälften teilen oder spalten, wie sie es nannten, und zwei neue Kerne erzeugen, die als Spaltfragmente bezeichnet werden. Noch wichtiger ist, dass dieser Spaltprozess enorme Mengen an Energie freisetzt. Diese Erkenntnis zu Beginn des Zweiten Weltkriegs war der Beginn eines wissenschaftlichen und militärischen Wettlaufs, um diese neue atomare Kraftquelle zu verstehen und zu nutzen.

Die Veröffentlichung dieser Ergebnisse an die akademische Gemeinschaft inspirierte viele Nuklearwissenschaftler sofort dazu, den Kernspaltungsprozess weiter zu untersuchen. Der Physiker Leo Szilard machte eine wichtige Erkenntnis: Wenn die Spaltung Neutronen emittiert und Neutronen die Spaltung induzieren können, könnten Neutronen aus der Spaltung eines Kerns die Spaltung eines anderen Kerns verursachen. Es könnte alles in einem autonomen Kettenprozess kaskadieren.

So begann das Bestreben, experimentell zu beweisen, dass eine nukleare Kettenreaktion möglich ist - und vor 75 Jahren gelang es den Forschern der University of Chicago, die Tür für das spätere Atomzeitalter zu öffnen.

Leo Szilard referiert über den Spaltprozess.

Leo Szilard referiert über den Spaltprozess.

Bildnachweis: Argonne National Laboratory

Spaltung nutzen

Als Teil der Bemühungen des Manhattan-Projekts zum Bau einer Atombombe während des Zweiten Weltkriegs arbeitete Szilard mit dem Physiker Enrico Fermi und anderen Kollegen der University of Chicago zusammen, um den weltweit ersten experimentellen Atomreaktor zu schaffen.

Für eine nachhaltige kontrollierte Kettenreaktion muss jede Spaltung nur eine zusätzliche Spaltung induzieren. Noch mehr, und es würde eine Explosion geben. Noch weniger und die Reaktion würde nachlassen.

In früheren Studien hatte Fermi festgestellt, dass Urankerne Neutronen leichter absorbieren würden, wenn sich die Neutronen relativ langsam bewegten. Aber Neutronen, die durch die Spaltung von Uran abgegeben werden, sind schnell. Für das Chicago-Experiment verwendeten die Physiker Graphit, um die emittierten Neutronen durch mehrere Streuprozesse zu verlangsamen. Die Idee war, die Chance der Neutronen zu erhöhen, von einem anderen Urankern aufgenommen zu werden.

Um sicherzugehen, dass sie die Kettenreaktion sicher steuern konnten, baute das Team so genannte Kontrollstäbe zusammen. Dies waren einfach Platten des Elements Cadmium, ein hervorragender Neutronenabsorber. Die Physiker durchsetzten Kontrollstangen durch den Uran-Graphit-Haufen. Bei jedem Schritt des Prozesses berechnete Fermi die erwartete Neutronenemission und entfernte langsam einen Kontrollstab, um seine Erwartungen zu bestätigen. Als Sicherheitsmechanismus könnten die Cadmium-Steuerstäbe schnell eingesetzt werden, wenn etwas schiefging, um die Kettenreaktion zu stoppen.

Sie nannten dieses 20x6x25-Fuß-Setup Chicago Pile Number One oder kurz CP-1 - und hier erhielten sie am 2. Dezember 1942 die erste kontrollierte Kettenreaktion der Welt. Ein einziges zufälliges Neutron reichte aus, um den Kettenreaktionsprozess zu starten Einmal versammelten sich die Physiker CP-1. Das erste Neutron würde eine Spaltung in einem Urankern induzieren und neue Neutronen emittieren. Diese sekundären Neutronen treffen auf Kohlenstoffkerne im Graphit und werden langsamer. Dann stießen sie auf andere Urankerne und lösten eine zweite Runde von Spaltreaktionen aus, emittierten noch mehr Neutronen und so weiter und so weiter. Die Cadmium-Kontrollstäbe stellten sicher, dass der Prozess nicht unbegrenzt fortgesetzt werden konnte, da Fermi und sein Team genau entscheiden konnten, wie und wo sie eingesetzt werden sollten, um die Kettenreaktion zu kontrollieren.

Die Kontrolle der Kettenreaktion war äußerst wichtig: Wenn das Gleichgewicht zwischen produzierten und absorbierten Neutronen nicht genau richtig war, würden die Kettenreaktionen entweder überhaupt nicht ablaufen oder in dem anderen, viel gefährlicheren Extrem würden sich die Kettenreaktionen mit der Freisetzung rasch vermehren von enormen Mengen an Energie.

Manchmal, einige Sekunden nachdem die Spaltung in einer nuklearen Kettenreaktion erfolgt, werden zusätzliche Neutronen freigesetzt. Spaltfragmente sind typischerweise radioaktiv und können verschiedene Arten von Strahlung abgeben, darunter Neutronen. Sofort erkannten Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner und andere die Bedeutung dieser sogenannten "verzögerten Neutronen" für die Kontrolle der Kettenreaktion.

Wenn sie nicht berücksichtigt würden, würden diese zusätzlichen Neutronen mehr Spaltreaktionen auslösen als erwartet. Infolgedessen könnte die nukleare Kettenreaktion in ihrem Chicago-Experiment außer Kontrolle geraten und möglicherweise verheerende Folgen haben. Noch wichtiger ist jedoch, dass diese Zeitverzögerung zwischen der Spaltung und der Freisetzung von mehr Neutronen den Menschen etwas Zeit gibt, um zu reagieren und Anpassungen vorzunehmen. Dadurch wird die Kraft der Kettenreaktion kontrolliert, sodass sie nicht zu schnell voranschreitet.

Die Ereignisse vom 2. Dezember 1942 markierten einen großen Meilenstein. Herauszufinden, wie man die nukleare Kettenreaktion erzeugt und steuert, war die Grundlage für die heute weltweit 448 Atomreaktoren, die Energie produzieren. Derzeit nehmen 30 Länder Kernreaktoren in ihr Stromportfolio auf.In diesen Ländern trägt die Kernenergie im Durchschnitt 24 Prozent ihrer gesamten elektrischen Energie bei, in Frankreich sogar 72 Prozent.

Der Erfolg von CP-1 war auch für die Fortführung des Manhattan-Projekts und die Schaffung der beiden Atombomben des Zweiten Weltkriegs von wesentlicher Bedeutung.

Die verbleibenden Fragen der Physiker

Das Bestreben, verzögerte Neutronenemission und Kernspaltung zu verstehen, wird in modernen Kernphysiklabors fortgesetzt. Heute geht es nicht mehr darum, Atombomben oder sogar Atomreaktoren zu bauen. Es dient zum Verständnis grundlegender Eigenschaften von Kernen durch enge Zusammenarbeit zwischen Experiment und Theorie.

Forscher haben die Spaltung experimentell nur für eine kleine Anzahl von Isotopen beobachtet - die verschiedenen Versionen eines Elements, basierend auf der Anzahl der Neutronen - und die Details dieses komplexen Prozesses sind noch nicht genau verstanden. Moderne theoretische Modelle versuchen, die beobachteten Spaltungseigenschaften zu erklären, wie zum Beispiel wie viel Energie freigesetzt wird, wie viele Neutronen emittiert werden und wie die Massen der Spaltfragmente sind.

Eine verzögerte Neutronenemission tritt nur für Kerne auf, die nicht natürlich vorkommen, und diese Kerne leben nur kurze Zeit. Während Experimente gezeigt haben, dass einige der Kerne verzögerte Neutronen emittieren, können wir noch nicht zuverlässig vorhersagen, welche Isotope diese Eigenschaft haben sollten. Wir kennen auch keine genauen Wahrscheinlichkeiten für eine verzögerte Neutronenemission oder die Menge an freigesetzter Energie - Eigenschaften, die für das Verständnis der Details der Energieerzeugung in Kernreaktoren sehr wichtig sind.

Darüber hinaus versuchen die Forscher, neue Kerne vorherzusagen, in denen möglicherweise Kernspaltung möglich ist. Sie bauen neue Experimente und leistungsfähige neue Einrichtungen, die Zugang zu Kernen ermöglichen, die noch nie zuvor untersucht wurden, um alle diese Eigenschaften direkt zu messen. Zusammen werden die neuen experimentellen und theoretischen Studien ein besseres Verständnis der Kernspaltung vermitteln, wodurch die Leistung und Sicherheit von Kernreaktoren verbessert werden kann.

Sowohl die Spaltung als auch die verzögerte Neutronenemission sind Prozesse, die auch innerhalb von Sternen stattfinden. Insbesondere die Entstehung schwerer Elemente wie Silber und Gold kann von der Spaltung und den verzögerten Neutronenemissionseigenschaften exotischer Kerne abhängen. Die Spaltung bricht die schwersten Elemente und ersetzt sie durch leichtere (Spaltbruchstücke), wodurch die Elementzusammensetzung eines Sterns vollständig verändert wird. Die verzögerte Neutronenemission fügt der Sternumgebung mehr Neutronen hinzu, die dann neue Kernreaktionen auslösen können. Zum Beispiel spielten die nuklearen Eigenschaften eine wichtige Rolle bei der Fusion von Neutronen und Sternen, die kürzlich von Gravitationswellen und elektromagnetischen Observatorien auf der ganzen Welt entdeckt wurde.

Seit Szilards Vision und Fermis Nachweis einer kontrollierten nuklearen Kettenreaktion ist die Wissenschaft weit vorangekommen. Gleichzeitig sind neue Fragen aufgetaucht und es gibt noch viel zu lernen über die grundlegenden nuklearen Eigenschaften, die die Kettenreaktion bestimmen, und ihre Auswirkungen auf die Energieerzeugung hier auf der Erde und anderswo in unserem Universum.

Artemis Spyrou, außerordentlicher Professor für Nukleare Astrophysik, Michigan State University und Wolfgang Mittig, Professor für Physik, Michigan State University

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.


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