Lebih dari bercuti Krismas pada tahun 1938, ahli fizik Lise Meitner dan Otto Frisch menerima berita ilmiah yang membingungkan dalam surat peribadi dari ahli kimia nuklear Otto Hahn. Apabila membombardir uranium dengan neutron, Hahn telah membuat beberapa pemerhatian yang mengejutkan yang menentang segala yang diketahui pada masa itu mengenai teras-atom atom yang padat - nukleusnya.
Meitner dan Frisch dapat memberikan penjelasan mengenai apa yang dilihatnya yang akan merevolusikan bidang fizik nuklear: Sebuah nukleus uranium boleh berpecah dalam separuh atau pembelahan, kerana mereka memanggilnya - menghasilkan dua nuklei baru, yang disebut fragmen pembelahan. Lebih penting lagi, proses pembebasan ini mengeluarkan sejumlah besar tenaga. Dapatan ini pada awal Perang Dunia II adalah permulaan bangsa saintifik dan ketenteraan untuk memahami dan menggunakan sumber tenaga atom baru ini.
Syarahan Leo Szilard mengenai proses pembelahan (Makmal Kebangsaan Argonne, CC BY-NC-SA) Pelepasan penemuan ini kepada komuniti akademik segera memberi inspirasi kepada banyak saintis nuklear untuk menyiasat proses pembelahan nuklear selanjutnya. Fizik Leo Szilard dibuat kesedaran penting: jika pembelahan memancarkan neutron, dan neutron boleh menyebabkan pembelahan, maka neutron dari pembelahan satu nukleus boleh menyebabkan pembelahan nukleus lain. Ini semua boleh dilalui dalam proses "rantaian" yang berterusan.
Oleh itu memulakan usaha untuk membuktikan bahawa reaksi rantai nuklear adalah mungkin - dan 75 tahun yang lalu, penyelidik di Universiti Chicago berjaya membuka pintu kepada apa yang akan menjadi era nuklear.
Menggunakan pembelahan
Sebagai sebahagian daripada usaha Projek Manhattan untuk membina bom atom semasa Perang Dunia II, Szilard bekerjasama dengan ahli fizik Enrico Fermi dan rakan-rakan lain di University of Chicago untuk mencipta reaktor nuklear eksperimen pertama di dunia.
Untuk tindak balas rantai terkawal yang berterusan, setiap pembelahan mesti mendorong hanya satu pembelahan tambahan. Ada lagi, dan akan ada letupan. Apa-apa yang kurang dan tindak balas itu akan menghilangkan.
Pemenang Hadiah Nobel Enrico Fermi mengetuai projek itu (Makmal Kebangsaan Argonne, CC BY-NC-SA) Dalam kajian terdahulu, Fermi mendapati bahawa nukleus uranium akan menyerap neutron lebih mudah jika neutron bergerak agak perlahan. Tetapi neutron yang dipancarkan dari pelepasan uranium adalah pantas. Oleh itu untuk percubaan Chicago, para ahli fizik menggunakan grafit untuk melancarkan neutron yang dipancarkan, melalui beberapa proses hamburan. Ideanya ialah untuk meningkatkan peluang neutron untuk diserap oleh satu lagi nukleus uranium.
Untuk memastikan mereka dapat mengawal tindak balas rantai dengan selamat, pasukan itu melancarkan apa yang mereka sebut sebagai "rod kawalan." Ini hanya lembaran unsur kadmium, penyerap neutron yang sangat baik. Para ahli fizik yang diselaraskan mengendalikan rod melalui tumpukan uranium-grafit. Pada setiap langkah proses Fermi mengira pelepasan neutron yang dijangka, dan perlahan-lahan mengeluarkan rod kawalan untuk mengesahkan jangkaannya. Sebagai mekanisme keselamatan, rod kawalan kadmium dengan cepat boleh dimasukkan jika sesuatu mula menjadi salah, untuk menutup tindak balas rantai.
Chicago Pile 1, didirikan pada tahun 1942 dalam bidang sukan atlet di University of Chicago. (Makmal Kebangsaan Argonne, CC BY-NC-SA) Mereka memanggil persediaan 20x6x25 kaki Chicago Pile Number One atau CP-1 untuk jangka pendek - dan di sini mereka memperoleh dunia reaksi rantai nuklear terkawal pertama pada 2 Disember 1942. Satu neutron rawak tunggal sudah cukup untuk memulakan proses tindak balas rantai sekali ahli fizik dipasang CP-1. Neutron pertama akan mendorong pembelahan pada nukleus uranium, memancarkan satu set neutron baru. Neutron sekunder ini menyentuh nukleus karbon dalam grafit dan perlahan. Kemudian mereka akan berlari ke nukleus uranium lain dan mendorong pusingan kedua reaksi pembelahan, memancarkan lebih banyak neutron, dan seterusnya. Bar kawalan kawalan kadmium memastikan proses tidak akan berterusan selama-lamanya, kerana Fermi dan pasukannya dapat memilih dengan tepat bagaimana dan di mana untuk memasukkannya untuk mengawal tindak balas rantai.
Reaksi rantai nuklear. Anak panah hijau menunjukkan perpecahan nukleus uranium dalam dua serpihan fisi, memancarkan neutron baru. Antara neutron ini boleh menyebabkan tindak balas pembelahan baru (panah hitam). Beberapa neutron boleh hilang dalam proses lain (panah biru). Anak panah merah menunjukkan neutron yang ditangguhkan yang datang kemudian dari fragmen pembelahan radioaktif dan yang dapat mendorong tindak balas pembelahan baru. (MikeRun diubah suai oleh Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Mengawal tindak balas rantaian adalah sangat penting: Jika keseimbangan antara neutron yang dihasilkan dan diserap tidak tepat, maka tindak balas rantai sama ada tidak akan berlaku sama sekali, atau pada lain yang lebih berbahaya melampau, tindak balas rantai akan berkembang dengan cepat dengan pembebasan sejumlah besar tenaga.
Kadang-kadang, beberapa saat selepas pembelahan berlaku dalam tindak balas rantai nuklear, neutron tambahan dibebaskan. Serpihan pecah biasanya radioaktif, dan boleh memancarkan pelbagai jenis radiasi, di antaranya neutron. Segera, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner dan lain-lain mengiktiraf kepentingan neutron yang ditangguhkan ini dalam mengawal tindak balas rantai.
Jika mereka tidak diambil kira, neutron tambahan ini akan mendorong lebih banyak tindak balas pembelahan daripada jangkaan. Akibatnya, tindak balas rantai nuklear dalam eksperimen Chicago mereka mungkin tidak dapat dikawal, dengan hasil yang berpotensi memusnahkan. Lebih penting lagi, kelewatan masa antara pembelahan dan pelepasan lebih banyak neutron membolehkan sesetengah masa untuk bertindak balas dan membuat penyelarasan, mengawal kuasa tindak balas rantai supaya ia tidak berlaku dengan cepat.
Loji kuasa nuklear beroperasi di 30 buah negara hari ini. (AP Photo / John Bazemore) Peristiwa 2 Disember 1942 menandakan peristiwa penting. Memikirkan bagaimana untuk mencipta dan mengawal tindak balas rantai nuklear adalah asas bagi 448 reaktor nuklear yang menghasilkan tenaga di seluruh dunia pada hari ini. Pada masa ini, 30 negara termasuk reaktor nuklear dalam portfolio kuasa mereka. Dalam negara-negara ini, tenaga nuklear menyumbang rata-rata 24 peratus daripada jumlah kuasa elektrik mereka, sehingga setinggi 72 peratus di Perancis.
Kejayaan CP-1 juga penting untuk diteruskan Projek Manhattan dan penciptaan dua bom atom yang digunakan semasa Perang Dunia II.
Soalan-soalan baki fizik
Usaha untuk memahami pelepasan neutron tertangguh dan pembelahan nuklear terus di makmal fizik nuklear moden. Perlumbaan hari ini bukan untuk membina bom atom atau pun reaktor nuklear; ia adalah untuk memahami sifat asas nukleus melalui kerjasama rapat antara eksperimen dan teori.
Penyelidik telah mengamati pembelahan hanya untuk sedikit isotop - pelbagai versi unsur berdasarkan bilangan neutron masing-masing - dan butiran proses kompleks ini belum dipahami dengan baik. Model teoretis state-of-the-art cuba menerangkan ciri-ciri pembelahan yang diperhatikan, seperti berapa banyak tenaga dikeluarkan, bilangan neutron yang dipancarkan dan massa serpihan fisi.
Pelepasan neutron yang terhenti hanya berlaku untuk nukleus yang tidak secara semulajadi berlaku, dan nuklei ini hidup hanya untuk masa yang singkat. Walaupun eksperimen telah mendedahkan beberapa nukleus yang memancarkan neutron yang ditangguhkan, kita masih belum dapat meramalkan bahawa isotop mestilah mempunyai harta ini. Kami juga tidak tahu kebarangkalian tepat untuk pelepasan neutron tertangguh atau jumlah tenaga yang dilepaskan - sifat yang sangat penting untuk memahami butiran pengeluaran tenaga dalam reaktor nuklear.
Di samping itu, para penyelidik cuba meramalkan nukleus baru di mana pembelahan nuklear mungkin mungkin. Mereka sedang membina percubaan baru dan kemudahan baharu yang kuat yang akan memberikan akses kepada nuklei yang belum pernah dipelajari sebelumnya, dalam usaha untuk mengukur semua sifat tersebut secara langsung. Bersama-sama, kajian eksperimen dan teoritis baru akan memberi kita pemahaman yang lebih baik tentang pembelahan nuklear, yang dapat membantu meningkatkan prestasi dan keselamatan reaktor nuklear.
Penamaan artis dua menggabungkan bintang-bintang neutron, satu lagi keadaan di mana pembelahan berlaku. (Pusat Penerbangan Angkasa Goddard NASA / CI Lab, CC BY) Kedua-dua pembelahan dan pelepasan neutron tertangguh adalah proses yang juga berlaku dalam bintang. Penciptaan unsur-unsur berat, seperti perak dan emas, khususnya boleh bergantung pada sifat pelepasan dan sifat pelepasan neutron nukleus eksotik. Pembelahan memecahkan unsur-unsur yang paling berat dan menggantikannya dengan yang lebih ringan (fragmen pembelahan), mengubah keseluruhan susunan elemen bintang. Pelepasan neutron yang ditangguhkan menambah lebih banyak neutron ke persekitaran cemerlang, yang kemudiannya dapat mempengaruhi tindak balas nuklear baru. Sebagai contoh, sifat nuklear memainkan peranan penting dalam peristiwa penggabungan bintang neutron yang baru-baru ini ditemui oleh pemerhatian gelombang graviti dan elektromagnetik di seluruh dunia.
Sains kini telah jauh sejak penglihatan Szilard dan bukti Fermi mengenai tindak balas rantai nuklear terkawal. Pada masa yang sama, persoalan baru muncul, dan masih banyak yang perlu dipelajari tentang sifat asas nuklear yang memacu reaksi berantai dan kesannya terhadap pengeluaran tenaga di Bumi dan di tempat lain di alam semesta kita.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation.
Artemis Spyrou, Profesor Madya Astrofizik Nuklear, Michigan State University
Wolfgang Mittig, Profesor Fizik, Michigan State University
