Tijdens de kerstvakantie in 1938 ontvingen natuurkundigen Lise Meitner en Otto Frisch raadselachtig wetenschappelijk nieuws in een privébrief van nucleair chemicus Otto Hahn. Bij het bombarderen van uranium met neutronen had Hahn enkele verrassende waarnemingen gedaan die ingingen tegen alles wat destijds bekend was over de dichte kernen van atomen - hun kernen.
Meitner en Frisch konden een verklaring geven voor wat hij zag dat een revolutie teweeg zou brengen op het gebied van de kernfysica: een uraniumkern zou in tweeën kunnen splitsen - of splijting, zoals ze het noemden - en twee nieuwe kernen produceren, splijtingsfragmenten genoemd. Wat nog belangrijker is, is dat dit splijtingsproces enorme hoeveelheden energie afgeeft. Deze bevinding aan het begin van de Tweede Wereldoorlog was het begin van een wetenschappelijke en militaire race om deze nieuwe atoombron te begrijpen en te gebruiken.
Leo Szilard-lezingen over het splijtingsproces (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) De publicatie van deze bevindingen aan de academische gemeenschap inspireerde onmiddellijk vele nucleaire wetenschappers om het kernsplijtingsproces verder te onderzoeken. Natuurkundige Leo Szilard maakte een belangrijk besef: als splijting neutronen uitzendt en neutronen splijting kunnen veroorzaken, dan kunnen neutronen uit de splijting van de ene kern de splijting van een andere kern veroorzaken. Het zou allemaal in een zelfvoorzienend 'ketenproces' kunnen stromen.
Zo begon de zoektocht om experimenteel te bewijzen dat een nucleaire kettingreactie mogelijk was - en 75 jaar geleden slaagden onderzoekers van de Universiteit van Chicago erin de deur te openen naar wat het nucleaire tijdperk zou worden.
Splijting benutten
Als onderdeel van de inspanningen van het Manhattan Project om een atoombom te bouwen tijdens de Tweede Wereldoorlog, werkte Szilard samen met natuurkundige Enrico Fermi en andere collega's aan de Universiteit van Chicago om 's werelds eerste experimentele kernreactor te creëren.
Voor een aanhoudende, gecontroleerde kettingreactie moet elke splijting slechts één extra splijting veroorzaken. Nog meer, en er zou een explosie zijn. Nog minder en de reactie zou verdwijnen.
Nobelprijswinnaar Enrico Fermi leidde het project (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) In eerdere studies had Fermi ontdekt dat uraniumkernen neutronen gemakkelijker zouden absorberen als de neutronen relatief langzaam bewegen. Maar neutronen uitgestoten door de splijting van uranium zijn snel. Dus voor het Chicago-experiment gebruikten de fysici grafiet om de uitgestraalde neutronen te vertragen, via meerdere verstrooiingsprocessen. Het idee was om de kansen van de neutronen te vergroten om te worden opgenomen door een andere uraniumkern.
Om er zeker van te zijn dat ze de kettingreactie veilig konden beheersen, trok het team wat ze 'controlestaven' noemden, samen. Dit waren gewoon platen van het element cadmium, een uitstekende neutronenabsorbeerder. De natuurkundigen wisselden controlestaven door de stapel uranium-grafiet. Bij elke stap van het proces berekende Fermi de verwachte neutronenemissie en verwijderde langzaam een controlestaaf om zijn verwachtingen te bevestigen. Als veiligheidsmechanisme kunnen de cadmium-stuurstangen snel worden ingebracht als er iets misgaat, om de kettingreactie af te sluiten.
Chicago Pile 1, opgericht in 1942 op de tribunes van een atletiekveld aan de Universiteit van Chicago. (Argonne Nationaal Laboratorium, CC BY-NC-SA) Ze noemden deze 20x6x25-voet setup Chicago Pile Number One, of kortweg CP-1 - en het was hier dat ze de eerste gecontroleerde nucleaire kettingreactie op 2 december 1942 verkregen. Een enkel willekeurig neutron was genoeg om het kettingreactieproces te starten zodra de natuurkundigen CP-1 hadden verzameld. Het eerste neutron zou splijting op een uraniumkern induceren en een reeks nieuwe neutronen uitzenden. Deze secundaire neutronen raken koolstofkernen in het grafiet en vertragen. Dan zouden ze andere uraniumkernen tegenkomen en een tweede ronde splijtingsreacties opwekken, nog meer neutronen uitzenden, en zo verder. De cadmium-controlestaven zorgden ervoor dat het proces niet voor onbepaalde tijd zou doorgaan, omdat Fermi en zijn team precies konden kiezen hoe en waar ze werden ingevoegd om de kettingreactie te beheersen.
Een nucleaire kettingreactie. Groene pijlen tonen de splitsing van een uraniumkern in twee splijtingsfragmenten, die nieuwe neutronen uitzenden. Sommige van deze neutronen kunnen nieuwe splijtingsreacties veroorzaken (zwarte pijlen). Sommige neutronen kunnen verloren gaan in andere processen (blauwe pijlen). Rode pijlen tonen de vertraagde neutronen die later uit de radioactieve splijtingsfragmenten komen en die nieuwe splijtingsreacties kunnen veroorzaken. (MikeRun gewijzigd door Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Het beheersen van de kettingreactie was uiterst belangrijk: als het evenwicht tussen geproduceerde en geabsorbeerde neutronen niet precies goed was, dan zouden de kettingreacties helemaal niet doorgaan, of in het andere, veel gevaarlijkere uiterste, de kettingreacties zouden zich snel vermenigvuldigen met de afgifte van enorme hoeveelheden energie.
Soms, een paar seconden nadat de splijting plaatsvindt in een nucleaire kettingreactie, komen extra neutronen vrij. Splijtingsfragmenten zijn typisch radioactief en kunnen verschillende soorten straling uitzenden, waaronder neutronen. Meteen erkenden Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner en anderen het belang van deze zogenaamde 'vertraagde neutronen' bij het beheersen van de kettingreactie.
Als ze niet in aanmerking werden genomen, zouden deze extra neutronen meer splijtingsreacties veroorzaken dan verwacht. Als gevolg hiervan zou de nucleaire kettingreactie in hun experiment in Chicago uit de hand kunnen zijn gelopen, met mogelijk verwoestende resultaten. Wat nog belangrijker is, is dat deze tijdsvertraging tussen de splijting en het vrijkomen van meer neutronen de mens wat tijd geeft om te reageren en aanpassingen te maken, waarbij de kracht van de kettingreactie wordt gecontroleerd, zodat deze niet te snel verloopt.
Kernenergiecentrales zijn tegenwoordig in 30 landen actief. (AP Photo / John Bazemore) De gebeurtenissen van 2 december 1942 vormden een enorme mijlpaal. Uitzoeken hoe de nucleaire kettingreactie te creëren en te beheersen, was de basis voor de 448 nucleaire reactoren die vandaag wereldwijd energie produceren. Momenteel nemen 30 landen kernreactoren op in hun stroomportfolio. Binnen deze landen draagt kernenergie gemiddeld 24 procent bij aan hun totale elektrische vermogen, variërend tot 72 procent in Frankrijk.
Het succes van CP-1 was ook essentieel voor de voortzetting van het Manhattan Project en de creatie van de twee atoombommen die tijdens de Tweede Wereldoorlog werden gebruikt.
Resterende vragen van fysici
De zoektocht naar vertraagde neutronenemissie en kernsplijting gaat door in moderne nucleaire fysica-laboratoria. De race van vandaag is niet voor het bouwen van atoombommen of zelfs nucleaire reactoren; het is voor het begrijpen van basiseigenschappen van kernen door nauwe samenwerking tussen experiment en theorie.
Onderzoekers hebben splijting experimenteel alleen waargenomen voor een klein aantal isotopen - de verschillende versies van een element op basis van hoeveel neutronen elk heeft - en de details van dit complexe proces zijn nog niet goed begrepen. Geavanceerde theoretische modellen proberen de waargenomen splijtingseigenschappen te verklaren, zoals hoeveel energie vrijkomt, het aantal uitgestraalde neutronen en de massa's van de splijtingsfragmenten.
Vertraagde neutronenemissie vindt alleen plaats voor kernen die niet van nature voorkomen, en deze kernen leven slechts een korte tijd. Hoewel experimenten enkele van de kernen hebben onthuld die vertraagde neutronen uitzenden, zijn we nog niet in staat om betrouwbaar te voorspellen welke isotopen deze eigenschap moeten hebben. We kennen ook geen exacte kansen voor vertraagde neutronenemissie of de hoeveelheid vrijgekomen energie - eigenschappen die zeer belangrijk zijn voor het begrijpen van de details van energieproductie in kernreactoren.
Daarnaast proberen onderzoekers nieuwe kernen te voorspellen waar kernsplijting mogelijk is. Ze bouwen nieuwe experimenten en krachtige nieuwe faciliteiten die toegang bieden tot kernen die nog nooit eerder zijn onderzocht, in een poging om al deze eigenschappen direct te meten. Samen zullen de nieuwe experimentele en theoretische studies ons een veel beter begrip geven van kernsplijting, wat kan helpen de prestaties en veiligheid van kernreactoren te verbeteren.
De weergave van de kunstenaar van twee samenvoegende neutronensterren, een andere situatie waarin splijting optreedt. (Goddard Space Flight Center / CI Lab van NASA, CC BY) Zowel splijting als vertraagde neutronenemissie zijn processen die ook binnen sterren plaatsvinden. Vooral de vorming van zware elementen, zoals zilver en goud, kan afhankelijk zijn van de splijting en vertraagde neutronenemissie-eigenschappen van exotische kernen. Fission breekt de zwaarste elementen en vervangt ze door lichtere (fission fragmenten), waardoor de elementensamenstelling van een ster volledig verandert. Vertraagde neutronenemissie voegt meer neutronen toe aan de sterrenomgeving, die vervolgens nieuwe nucleaire reacties kunnen veroorzaken. Bijvoorbeeld, nucleaire eigenschappen speelden een vitale rol in de neutron-ster fusie-gebeurtenis die recent werd ontdekt door zwaartekrachtgolven en elektromagnetische observatoria over de hele wereld.
De wetenschap heeft een lange weg afgelegd sinds de visie van Szilard en het bewijs van Fermi voor een gecontroleerde nucleaire kettingreactie. Tegelijkertijd zijn er nieuwe vragen opgekomen, en er is nog veel te leren over de fundamentele nucleaire eigenschappen die de kettingreactie en de impact ervan op de energieproductie hier op aarde en elders in ons universum aansturen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Artemis Spyrou, universitair hoofddocent nucleaire astrofysica, Michigan State University
Wolfgang Mittig, hoogleraar natuurkunde, Michigan State University
