Chicago Pile 1 (CP-1)

Avagy az első mesterséges atomreaktor

 

Az első mesterséges atomreaktor megépítéséhez először annak elméleti, tudományos lehetőségeit kellett felfedezni. A második világháború előtt már több tudós számára nyilvánvaló volt, hogy az atommagban nagy mennyiségű energia található, de ennek kiaknázása és a hasznosítás mikéntje még rejtély volt. Fontos mérföldkő volt 1938 végén Fritz Hahn és Otto Strassmann felfedezése. Kísérletükben bizonyították, hogy egy atom neutronnal való bombázása következtében maghasadás következik be és a folyamat során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel.

cp1-1b.jpg

Az atommáglya építése (Forrás: atomicarchive.com)

Az atomban rejlő lehetőségek kiaknázásához még egy fontos elméleti felfedezésre volt szükség, mégpedig a láncreakcióéra. Arra a folyamatra mely során egy neutron felhasít egy atomot, amelyből újabb két-három neutron szabadul fel, amelyek újabb atomokat hasítanak fel, mialatt a felhasadt atomokból energia szabadul fel, így kapva még több energiát a folyamat során és létrejön a láncreakció. Történetesen ennek a megvalósításában játszott fontos szerepet Szilárd Leó, amikor is sikerült 1939. március 9-én Walter Zinn kanadai származású fizikussal közösen végrehajtott kísérletében előidéznie ezt a folyamatot. Ezen hatalmas jelentőségű felfedezések után az elméleti háttér már adott volt a tudomány és az ipar számára, hogy elkezdhessék az atomenergia kiaknázását, igaz ennek megvalósításhoz hatalmas befektetésre volt szükség, amelyet akkoriban többnyire csak állami támogatással szerezhettek meg. Az Amerikában dolgozó tudósok elméletben már össze tudtak rakni egy atombombát, ismerték az atommagban rejlő energia mértékét, ezért jogosan féltek attól, hogy a náci Németország megelőzhet másokat egy atombomba kifejlesztésében és alkalmazásában. Ezen szakemberek közül Szilárd Leó volt leginkább azon az állásponton, hogy még a németek előtt létre kell hozniuk ezt a bombát.

b56.jpg

Szilárd Leó (Forrás: atomicarchive.com)

Ettől a gondolattól tartva, a magyar származású tudós egy levelet fogalmazott meg F. D. Rooseveltnek, az Amerikai Egyesült Államok elnökének címezve. 1939. szeptember 2-án Teller Ede társaságában meglátogatta Albert Einsteint, hogy megmutassa neki ezt a bizonyos levelet és megkérje, hogy azt írja alá. A levél lényege egy felhívás volt Roosevelt részére, azért hogy támogassa anyagi és kormányzati szinten az atombomba kutatásokat és szervezze meg ennek hátterét, mivel egy ilyen fegyver eddig nem ismert hatékonyságú lehet. Arra is felhívta a figyelmet, hogy Németország már valószínűsíthetően kutatásokat végez ezen a téren, ugyanis a nemrég megszerzett Csehszlovákia uránexportját befagyasztotta. Einstein a levelet aláírván ennyit mondott:

„-Ez lesz az első alkalom, hogy az ember nem csak közvetett módon – napfény formájában – használja az atommag energiáját, hanem azt maga termeli itt a Földön.”

A levelet Szilárd Leó nem postán küldte el, megbízta Alexander Sachst a kézbesítéssel, a Wall Street-i szakembert, aki Roosevelt nem hivatalos gazdasági tanácsadója volt. A dokumentumot az elnök 1939. október 3-án kapta meg a második világháború és Lengyelország közvetlen eleste után és habár Roosevelttől távol állt az atomfizika, megértette annak mondanivalóját és jelentőségét. Utasítására létre jött az Urán Bizottság, melybe meghívták Enrico Fermit, Szilárd Leót és Wigner Jenőt. A magyar és olasz tudósok nem vehettek részt tagokként a szervezetben, elvégre is tengelyhatalmi vagy azzal szövetséges országok állampolgárai voltak, később mégis kulcsfontosságú szereplői lettek. A bizottság első jelentésében azt taglalta, hogy a kísérletek mielőbbi beindításához szükségük van négy tonna grafitra és ötven tonna urán-oxidra, ennek eredményeképpen megkapták az első hatezer dolláros támogatást a kormánytól és a projekt beindult. Céljuk egy ellenőrzött körülmények közötti folyamatos és fenntartható nukleáris láncreakció létrehozása, ami lehetővé tenné a folyamat megzabolázását és a felszabaduló energia hasznosítását. A kutatásokat gyorsította, hogy 1941. december 7-én a Pearl Harbor-i japán támadást követőn az USA belépett a háborúba, amelynek következtében fokozták erőfeszítéseiket az atombomba előállításához. Elindították a szuper titkos Manhattan Projektet!

fermi_enrico_e13_cropped.jpg

A kutatásban részvevők. Első sorban bal oldalt az első személy Enrico Fermi, a második Walter Zinn. Tőluk jobbra világos kabátban Szilárd Leó áll. (Forrás: atomicheritage.com)

A korábban említett grafitra azért volt szükség, mivel ez kiváló moderátor tud lenni, amelynek szerepe elengedhetetlen egy kontrollált láncreakció létrehozásához. Hiszen a természetes uránnak csak 0,7%-a a U235, amely hasadásra képes, a maradék 99,3% pedig az ebből a szempontból haszontalan U238. A felhasadt 235-ös izotópszámú urán neutronja gyors neutronként szabadul el, amely nem tud újabb uránatomokat felbontani, ezért kell lelassítani (ezt teszi egy reaktorban a moderátor) és ezen a ponton jön a képbe a grafit, amely megfelelő tisztaság esetén tökéletesen használható erre a célra. Mindez a tudósok fejében ugyan már tökéletesen működött, de egy ilyen módon irányított maghasadást még meg kellett valósítani a gyakorlatban is, lényegében egy reaktort, melyben stabil szinten tudják tartani a nukleáris láncreakciót.

A reaktor kialakításával kapcsolatban Fermi kezdetben szénpor és urán keverékére gondolt, szerinte ebben a homogén masszában megvalósulhat a folyamat, de csakhamar belátta, hogy a Szilárd Leó által már 1939-ben felvázolt grafit moderátoros inhomogén reaktor lesz a jó megoldás. Ezen elv szerint megfelelő mennyiségű uránt grafitba ágyaznak rudak vagy golyók formájában és az egészet egy máglya (pile) szerű elrendezésben alakítják ki (konkrétan grafitba csomagolnak adott mennyiségű uránt). A kulcs a szerkezetben volt, mivel az uránból kilépő neutronok lelassulnak a grafit moderátorban (ketrecben), aztán ezek az uránba visszatérve újabb atomokat hasítanak fel, így indítva be a láncreakciót. A kialakítás másik fontos eleme, hogy egy bizonyos kritikus tömeg fölött érdemes megépíteni, különben nem lesz elég visszatérő neutron, ami a folyamatot beindíthatná. A szerkezet fontos eleme a rendkívül magas tisztaságú grafit, ugyanis amennyiben szennyezett grafitot használnak, az abban lévő egyéb anyagok (reaktormérgek) könnyen elnyelhetik a neutronokat, amik így nem térnek vissza az uránba és leáll a folyamat. A németek is végeztek ekkoriban hasonló kísérleteket grafittal, de a kutatási eredményeik szerint a grafit nem volt alkalmas moderátor, ugyanis valószínűleg nem megfelelő tisztaságú anyaggal dolgozhattak. Ezért korán lemondtak a grafitról és nehézvizet használtak a későbbiekben, amelynek nagy mennyiségű előállítása jelentős ipari kapacitásokat igényelt és jelentősen hátráltatta a náci atomkutatást.

sb01.jpgsb02.jpg

sb03.jpgsb04.jpg

A máglya építésének folyamatai. (Forrás: atomicarcgive.com)

Az első reaktor megépítése Chicagóban vette kezdetét 1942 elején, innen kapta a nevét Chicago Pile 1 (CP-1). A szerkezetet a Chicagói Egyetem futballstadionja alatt épült fel. A munka vezetője Enrico Fermi lett, Walter Zinn építtette a máglyát és 1942. december 2-án 6 tonna urán és 315 tonna grafit felhasználásával el is készült a „rakás”(pile). A reaktorban kadmium rudak voltak elhelyezve, mivel ez az anyag nagyon jól elnyeli a neutront. A rudak kihúzásával és visszatolásával szabályozták a maghasadás mértékét. Az építmény tetején egy másik kikötött kadmium rúd volt biztonsági okokból, így ha a láncreakció irányíthatatlanná válna, akkor ezt egy dolgozó baltával levágja és ezért a rúd beesik a reaktorba leállítva a folyamatot. A baltával felszerelt ember után ezt az eljárást a mai napig SCRAM-nek (Safety Control Reserve Axed Man) nevezik. Biztonsági okokból továbbá bóros vízzel teli vödröket tartottak a máglya tetején, ugyanis ha a kísérlet nem várt fordulatot venne, akkor a reaktorba öntve csökkenthető a maghasadás. A kísérlet és egy új korszak kezdetét jelezte, mikor délután fél négy körül Fermi utasítására elkezdték fokozottan kihúzni a kadmium rudakat és a történelemben először sikerült folyamatos irányított láncreakciót létrehozni nagyjából fél órán keresztül, miután Fermi véget vetett a kísérletnek.

cp-1_painting.jpg

Egy művészi ábrázolás a reaktorról a beindítást követően. (Forrás: atomicarchive.com)

Tehát megépült a történelem első atomreaktora, ami fontos eredményekkel szolgált a radioaktivitás megértéséhez és az atombomba megalkotásához. 1942-ben a második világháború közepén még csak kevesen látták, hogy ennek a mérföldkőnek a katonai felhasználás mellett milyen egyéb hatása lehet majd békeidőben az iparra és egészében a gazdaságra nézve.

 

Felhasznált irodalom:

C. R. Hill; A. L. Mechelynck; G. Ripka; B. C. C. van der Zwaan: Nuclear Energy: Promise Or Peril?. Singapore, 1999.

David Fischer: History of the International Atomic Energy Agency. Vienna, 1997.

F. G. Gosling: The Manhattan Project: Making the Atomic Bomb. United States Department of Energy, 1999.

Marx György: Atommag-közelben. Szeged, 1996.

Források:
atomicheritage.org

atomicarchive.com