pixel Page 18FCEBD2B-4FEB-41E0-A69A-B0D02E5410AERectangle 52 Przejdź do treści

 

Kup sobie letni spokój. Bez wychodzenia z domu i bez kosztów przesyłki na terenie całej Polski.

Kup numer letni

Numer letni (3/2020) dostępny jest także w pakiecie z numerem wiosennym (2/2020) za dodatkową złotówkę, bez dodatkowych kosztów wysyłki na terenie Polski.

Kup numer letni i wiosenny
Przekrój
Zawiłe początki energetyki opisuje
2020-06-19 10:00:00

Reakcja łańcuchowa

Radioaktywna chmura nad Hiroszimą, zdjęcie zrobione z bombowca „Enola Gay” lecącego nad miastem Matsuyama; zdjęcie: domena publiczna
Reakcja łańcuchowa
Reakcja łańcuchowa

„Nie ma najmniejszego znaku na Ziemi, który wskazywałby, iż kiedykolwiek uda nam się wykorzystać energię jądrową” – oświadczył w 1930 r. Albert Einstein, lekceważąc reakcję łańcuchową, którą sam zapoczątkował.

Czyta się 8 minut
Czyta Maciej Nawrocki

„Gdybyśmy potrafili kontrolować stopień rozpadu pierwiastków radioaktywnych, z maleńkich porcji materii można by było otrzymać ogromne ilości energii” – zanotował w 1904 r. fizyk Ernest Rutherford. Rok później to spostrzeżenie potwierdziło sławne równanie E = mc² Alberta Einsteina. Wzór dowodzący, że każda masa jest jednocześnie energią, przyniósł mu światową sławę. Przy czym autor równania niespecjalnie wierzył, że przyda się ono w codziennym życiu. Rozbicie atomu zespolonego minusowym ładunkiem elektronu i dodatnim protonu zdawało mu się niewykonalne.

Tymczasem Rutherford w 1920 r. ogłosił hipotezę, iż atom składa się nie tylko z elektronu i protonu, lecz jego jądro zawiera jeszcze jedną cząstkę elementarną – neutron. Wywołał tym spore poruszenie. Skoro jądro atomowe nie było jednolite, to jego rozbicie mogło się udać. Obecny na wykładzie asystent Rutherforda James Chadwick powątpiewał w hipotezę szefa. W końcu Chadwick uznał, że jeśli neutron istnieje, to on go „upoluje”.

Łowy trwały ponad dekadę. W lutym 1932 r. Chadwick w końcu dopiął swego. Zaprojektowana przez niego aparatura wychwyciła obecność nieznanych cząsteczek w promieniowaniu jonizacyjnym. Wyczerpany miesiącami nieustannej pracy Chadwick znalazł jeszcze dość siły, by pognać do miejsca zwanego Klubem Kapicy, gdzie w Cambridge regularnie spotykali się fizycy teoretyczni. Tam w kilku krótkich zdaniach zaprezentował swój dowód na istnienie neutronów, dodając, iż Rutherford miał rację. Po czym opadł na fotel i oznajmił podekscytowanym uczonym: „A teraz chcę, by mnie zachloroformowano i położono na dwa tygodnie do łóżka”.

Zamów prenumeratę cyfrową

Z ostatniej chwili!

U nas masz trzy bezpłatne artykuły do przeczytania w tym miesiącu. To pierwszy z nich. Może jednak już teraz warto zastanowić się nad naszą niedrogą prenumeratą cyfrową, by mieć pewność, że żaden limit Cię nie zaskoczy?

Trzy lata później za udane polowanie otrzymał Nagrodę Nobla.

Patent na atom

Mieszkający w Londynie węgierski fizyk Leó Szilárd czytanie „Timesa” rankiem 12 września 1933 r. rozpoczął od artykułu o krzykliwym tytule Rozbicie atomu. Indagowany przez dziennikarza prof. Rutherford opowiadał o możliwościach wykorzystania energii jądrowej. Jego tezy brzmiały niemal tak pesymistycznie jak spostrzeżenia Einsteina. „Jest to bardzo kiepski i mało wydajny sposób wytwarzania energii, kto liczy, że przemiana atomów będzie źródłem energii, opowiada bzdury” – twierdził Rutherford. „Wszystko to zirytowało Szilárda” – opisuje Richard Rhodes w książce Jak powstała bomba atomowa. I nie chodziło jedynie o tezę brytyjskiego uczonego. Szilárd był tylko jednym z wielu anonimowych żydowskich uchodźców w Londynie, siedzącym nad poranną kawą w hotelowym holu, człowiekiem bezrobotnym i nieznanym – tłumaczy frustrację naukowca Rhodes. Wreszcie zirytowany fizyk ruszył na spacer. Na przejściu dla pieszych doznał olśnienia.

„Światło zmieniło się na zielone i gdy zszedłem na jezdnię, nagle przyszło mi na myśl, że gdybyśmy znaleźli pierwiastek, który rozszczepia się pod wpływem neutronów i który po zaabsorbowaniu jednego neutronu emitowałby dwa, wówczas pierwiastek ten, zgromadzony w wystarczająco dużej ilości, mógłby podtrzymać reakcję łańcuchową” – rozważał. Taką reakcję łańcuchową można by prowadzić w reaktorze, który emitowałby olbrzymią ilość energii. Albo też za jej pomocą odpalić bombę o niewyobrażalnej mocy. Zachwycony swymi genialnymi spostrzeżeniami Szilárd zaczął przemyśliwać, co mogą one dać mu w praktyce. Wreszcie zgłosił się do brytyjskiego urzędu patentowego, żeby opatentować… wzbudzenie reakcji łańcuchowej przez rozbijanie atomów. Zaskoczeni wnioskiem urzędnicy zażądali konkretów, lecz fizyk z Węgier nie potrafił odpowiedzieć, jakiego surowca chce użyć do reakcji. Patentu nie zatwierdzono.

Tymczasem włoski fizyk Enrico Fermi prowadził eksperymentalne bombardowania porcji uranu strumieniem neutronów i w maju 1934 r. udało mu się tą metodą wzbudzić silne promieniowanie radioaktywne. Jesienią tego samego roku ogłosił, iż fizycy popełniali błąd, używając obdarzonych wielką energią „szybkich neutronów”. Przenikały one błyskawicznie przez wnętrze atomu bez większych konsekwencji. Fermi odkrył, że należy zastosować „powolne neutrony” o niskiej energii. To one wzbudzały promieniowanie.

A jednak wtedy nikt nie skojarzył tego zjawiska z rozbiciem atomowego jądra i do wielkiego odkrycia potrzebny był jeszcze jeden impuls.

Akcelerator strachu

Ignoranci mają tę przewagę nad specjalistami, że nie mają oporów, by spróbować zrobić coś, co jest uznawane za niemożliwe. Pomimo kolejnych prac fizyków teoretycznych wciąż dominował pogląd o niemożności rozbicia jądra atomu. Ten niuans niespecjalnie zaprzątał głowę dwóm niemieckim chemikom, Ottonowi Hahnowi i Fritzowi Strassmannowi. Eksperymentując z uranem, naświetlili go „powolnymi neutronami” i nagle zauważyli, iż niewielka jego część zamieniła się w lżejszy pierwiastek – bar. Konfuzja Ottona Hahna była tak ogromna (gdyż złamane zostało prawo niezmienności pierwiastków), że odważył się napisać list do swojej żydowskiej przyjaciółki, fizyczki, która uciekła przed nazistami z Austrii do Szwecji. Oto więc pod koniec 1938 r. w Sztokholmie prof. Lise Meitner z rosnącym zdumieniem czytała opis eksperymentu. Kończyło go pytanie od Hah­na: „Może znasz jakieś fantastyczne wyjaśnienie? Rozumiem, że uran naprawdę nie może rozpaść się na bar”. A jednak mógł. Lise Meitner razem ze swoim siostrzeńcem Ottonem Robertem Frischem przygotowała artykuł dla pisma „Nature”, prezentując w nim metodę rozbicia jądra uranu na dwa lżejsze. Autorzy zaznaczyli, że różnica wagi wynika z emisji energii w ilości zgodnej z Einstein­owskim równaniem E = mc².

Podczas lektury przy kawie nowego numeru „Nature” Leó Szilárd znów doznał olśnienia. Szybko chwycił kartkę i zaczął pisać list do milionera z Wirginii Lewisa Lichtensteina Straussa, szczodrze sponsorującego badania naukowe. Twierdził w nim, że dzięki odkryciu Hahna i Strassmanna stanie się możliwe budowanie elektrowni jądrowych oraz atomowych bomb. Co więcej, oba te atuty może posiąść Adolf Hitler. Szilárd zignorował fakt, że antysemicki obłęd Hitlera sprawił, iż z Niemiec wyjechali najwybitniejsi fizycy na czele z Einsteinem. To miało za kilka lat przesądzić o wyniku atomowego wyścigu, choć swoje trzy grosze dorzucił również Benito Mussolini. Mający dość jego rządów Enrico Fermi opuścił Włochy [Fermi miał żonę Żydówkę –  przyp. red.], a po przybyciu do USA zaczął przekonywać dowództwo US Navy, iż musi zacząć studia nad bronią atomową, ponieważ mogą ją zbudować państwa Osi. W sukurs przyszedł mu Szilárd, który dzięki wsparciu Lewisa Lichten­steina przeniósł się w połowie 1939 r. do Stanów Zjednoczonych. Początkowo wojskowi zupełnie nie potrafili pojąć, o co przybyszom z Europy chodzi. Zwłaszcza gdy Fermi zaprezentował im plan zbudowania reaktora za drobne 35 tys. dolarów. Od razu odprawili go z kwitkiem.

Lepszym lobbystą okazał się Szilárd. Udało mu się spotkać ze swoim rodakiem z Węgier, znakomitym fizykiem Edwardem Tellerem, oraz samym Albertem Einsteinem. Obu przekonał, iż wejście przez Trzecią Rzeszę w posiadanie broni atomowej to tylko kwestia czasu. Sławni uczeni użyli wszystkich swoich kontaktów, żeby dotrzeć bezpośrednio do prezydenta Franklina D. Roosevelta i uświadomić mu powagę sytuacji. Gdy wreszcie się to udało, zdarzenia nabrały tempa. W połowie października 1939 r. zebrał się w Waszyngtonie, utworzony z polecenia prezydenta, Doradczy Komitet do spraw Uranu. Tworzyli go przedstawiciele administracji oraz wojska, a dokooptowany do składu Szilárd otrzymał zielone światło na budowę reaktora atomowego.

Od bomby do prądu

Zbudowanie dla USA bomby atomowej wymagało reaktora zdolnego produkować wzbogacony uran i pluton. Pierwszy pod kierunkiem Enrica Fermiego powstał wiosną 1940 r. na Columbia University, lecz nie chciał działać. Szilárd i Fermi zaczęli więc budować tam kolejny, ale i w nim nie zaszła reakcja łańcuchowa – był za mały. Przenieśli się zatem na University of Chicago, szukając miejsca, gdzie można zbudować większy stos atomowy. Tam zdesperowany Fermi nakazał układać grafitowe cegły, a pomiędzy nimi sześcienne pojemniki zawierające tlenek uranu 235U, na parkiecie uniwersyteckiej sali do squasha. By spowalniać lub przyśpieszać reakcję, niezbędne okazały się pręty sterujące, które wsunięte do stosu absorbowałyby neutrony. Wykonano je prowizorycznie. „Pręt składał się z blachy kadmowej przybitej do płaskiej drewnianej listwy” – wspominał ich twórca Herbert Anderson. Poza promieniowaniem, z którego szkod­liwości nie zdawano sobie sprawy, budowniczowie reaktora musieli zmagać się z trzaskającym mrozem na nieogrzewanej sali. Prace trwały jedynie dzięki temu, że w pobliskiej szatni uczeni znaleźli składowisko starych kożuchów. Odziani w szopowe futra, gołymi rękami z 350 ton grafitu, 36 ton tlenku uranu i 6 ton metalicznego uranu w trzy tygodnie postawili reaktor atomowy. Uruchomiony po południu 2 grudnia 1942 r. wytworzył energię o mocy zaledwie 200 W. Ale dzięki reaktorowi w Chicago oraz drugiemu, który Fermi postawił w Oak Ridge, udało się wytworzyć dość wzbogaconego uranu U-238 oraz plutonu, by zbudować pierwszą bombę atomową. Ładunek odpalono rankiem 16 lipca 1945 r. na poligonie wojskowym w Alamogordo w Nowym Meksyku. Siła eksplozji zaszokowała obserwatorów. „Wiedzieliśmy, że świat już nie będzie taki sam. Kilku ludzi się śmiało, kilku płakało. Większość milczała” – wspominał Robert J. Oppenheimer, jeden z najważniejszych uczonych biorących udział w projekcie Manhattan. Nie minął miesiąc i dwie bomby atomowe starły z powierzchni Ziemi Hiroszimę oraz Nagasaki.

Amerykanie, skupiając się na militarnym zastosowaniu energii atomowej, nie docenili w pełni jej potencjału – przecież podczas wytwarzania materiałów rozszczepialnych reaktory produkowały ogromne ilości ciepła. Sposób zamiany tej energii na prąd był bajecznie prosty. Wystarczyło użyć stosu atomowego jako podgrzewacza do wody, strumieniem pary zaś wprawić w ruch turbinę prądnicy. Jednak pierwsi wpadli na to Sowieci.

Związek Radziecki z wielką determinacją starał się wejść w posiadanie własnej broni atomowej. Dzięki informacjom od pracującego dla wywiadu ZSRR fizyka Klausa Fuchsa (uczestniczył w projekcie Manhattan) i małżeństwa Rosenbergów już w grudniu 1946 r. zespół akademika Igora Kurczatowa uruchomił stos atomowy, bardzo podobny do amerykańskich. Niecałe trzy lata później Związek Radziecki zdetonował włas­ną bombę jądrową. Tak zaczął się wyścig zbrojeń. Radzieccy inżynierowie w końcu spostrzegli, że reaktorów można używać do produkcji prądu. Pierwszą elektrownię jądrową o mocy 5 MW uruchomiono 26 czerwca 1954 r. w Obińsku.

Ten fakt zainteresował Brytyjczyków chcących uniezależnić swoją energetykę od węgla. Jako że brytyjscy naukowcy uczestniczyli w projekcie Manhattan, bez większych kłopotów postawiono w Calder Hall reaktor „Magnox” będący sercem elektrowni. Na uroczystościach, w których uczestniczyli goście z ponad 40 krajów, nie zjawił się Leó Szilárd. Po zmasakrowaniu przez bomby atomowe dwóch japońskich miast rzucił fizykę, odciął się od kolegów i przekwalifikował na biologa. Przez resztę życia zajmował się badaniem chorób zakaźnych.

 

Data publikacji:

okładka
Dowiedz się więcej

Prenumerata
Każdy numer ciekawszy od poprzedniego

Zamów już teraz!

okładka
Dowiedz się więcej

Prenumerata
Każdy numer ciekawszy od poprzedniego

Zamów już teraz!