Atommáglya a stadionban

Az atomreaktor létrejöttéhez természetesen először az ahhoz szükséges tudományos felfedezések és elméleti tudás volt elengedhetetlen. A radioaktivitás a háború előtti időszakban még új felfedezésnek számított. Már sok tudósnak nyilvánvaló volt, hogy az atommagban nagy mennyiségű energia található, viszont ennek kiaknázása és a hasznosítás mikéntje még rejtély volt. 1938 végén Fritz Hahn és Otto Strassmann német tudósok kísérletükben bizonyították, hogy egy atom neutronnal bombázása maghasadást idéz elő, és a folyamat során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. Kísérletükkel jelentősen felrázták a tudományos világot.

A nukleáris energia kiaknázásához azonban a láncreakció felfedezésére, illetve bizonyítására is szükség volt. Ez az a folyamat, amelyben egy szabad neutron felhasít egy atomot, amelyből újabb két-három neutron szabadul fel, az így kapott szabad neutronok pedig újabb atomokat hasítanak fel, és így tovább. Ennek során hatalmas energia szabadul fel.

A láncreakció megvalósításában játszott fontos szerepet a magyar származású Szilárd Leó, amikor sikerült 1939. március 9-én, Walter Zinn kanadai fizikussal közösen végrehajtott kísérletében előidézniük ezt a folyamatot. Így tehát már adott volt az elméleti háttér az atommag energiájának kihasználására békés vagy akár háborús célokra is.

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. Szilárd Leó volt leginkább azon az állásponton, hogy még a németek előtt létre kell hozniuk ezt a fegyvert.

A tudós levelet írt Franklin D. Rooseveltnek, az Amerikai Egyesült Államok elnökének. 1939. szeptember 2-án a szintén magyar Teller Ede (aki később a „hidrogénbomba atyja” lett) társaságában meglátogatták Albert Einsteint, hogy megmutassák neki ezt a bizonyos levelet, és megkérjék, hogy ő is írja alá. A levél lényege egy felhívás, figyelmeztetés volt Rooseveltnek, hogy kormánya támogassa az atombomba-kutatásokat, mivel egy ilyen fegyver eddig nem ismert hatékonyságú lehet. Arra is felhívta a figyelmet, hogy Németország már valószínűsíthetően kutatásokat végez ezen a téren, ugyanis befagyasztotta a nemrég megszerzett Csehszlovákia uránexportját. Einstein a levél aláírásához csak a következőt fűzte hozzá:

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

A levelet Szilárd nem postán küldte el, hanem megbízta a kézbesítéssel Alexander Sachst, a Wall Street-i üzletembert, aki Roosevelt nem hivatalos gazdasági tanácsadója volt. A dokumentumot az elnök 1939. október 3-án kapta meg, a háború kirobbanásakor, Lengyelország közvetlen eleste után.

Habár Roosevelttől távol állt az atomfizika, megértette annak jelentőségét, és utasítására létrejött az Urán Bizottság, amelybe meghívást kapott Enrico Fermi, Szilárd Leó és Wigner Jenő. A bizottság első jelentésében megállapította, hogy a kísérletek mielőbbi beindításához szükségük van négy tonna grafitra és ötven tonna urán-oxidra. Meg is kapták az első hatezer dolláros támogatást, és a projekt beindult.

A megalakult bizottságban a magyar és olasz tudósok nem vehettek részt tagokként, elvégre is tengelyhatalmi vagy azzal szövetséges országok állampolgárai voltak, mégis kulcsfontoságú szerepük lett a későbbi eredményekben. 1941. december 7-én, a Pearl Harbor-i japán támadás után az USA is belépett a háborúba, ezért fokozták erőfeszítéseiket az atombomba előállításához. Beindították a Manhattan-tervet, amelyet hétpecsétes titokként kezeltek.

A fentebb említett grafit azért volt nélkülözhetetlen, mert kiváló moderátor, amelynek szerepe elengedhetetlen egy kontrollált láncreakció létrehozásához. Erre azért van szükség, mert a 235-ös izotópszámú uránatom neutronja a maghasadás során gyors neutronként szabadul fel, amely nem tud újabb uránatomokat felbontani, ezért kell lelassítani. A grafit megfelelő tisztaság esetén tökéletesen használható a neutron lassítására, amely így már képes más uránatomokat felbontani.

Mindez a tudósok fejében ugyan már tökéletesen működött, de egy ilyen maghasadást még meg kellett valósítani a gyakorlatban is – lényegében egy reaktort kellett építeniük, amelyben stabil, irányított szinten tudják tartani a létrehozott láncreakciót.

A reaktor kialakításakor Fermi kezdetben szénpor és urán keverékét javasolta, de csakhamar belátta, hogy a Szilárd Leó által már 1939-ben felvázolt grafit moderátoros inhomogén reaktor lesz a jó megoldás. A módszer lényege, hogy megfelelő mennyiségű uránt grafitba ágyaznak rudak vagy golyók formájában, és az egészet máglyaszerű elrendezésben alakítják ki. A kulcs a szerkezetben van, 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 szempontja, 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, amelyek 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 dolgoztak. Ezért lemondtak róla, és a továbbiakban nehézvizet használtak, melynek nagy mennyiségű előállítása komoly ipari kapacitásokat igényelt, és jelentősen hátráltatta a náci atomkutatást.

Az első reaktor megépítése Chicagóban vette kezdetét 1942 elején. A szerkezet a Chicagói Egyetem futballstadionja alatt épült fel. A munka vezetője Enrico Fermi lett, és Walter Zinn építtette a máglyarakást, amely 1942. december 2-án 6 tonna urán és 315 tonna grafit felhasználásával el is készült.

A reaktorban kadmiumrudakat is elhelyeztek, mivel ez az anyag nagyon jól elnyeli a szabad neutronokat. A rudak kihúzásával és visszatolásával szabályozták a maghasadás mértékét. Az építmény tetején egy másik kikötött kadmiumrúd volt biztonsági okokból, ugyanis ha a láncreakció irányíthatatlanná vált volna, akkor a tartókötél elvágása után a rúd beesik a reaktorba, leállítva ezzel a kritikus folyamatot. Biztonsági okokból bóros vízzel teli vödröket is tartottak a máglya tetején, mert ha a kísérlet nem várt fordulatot vett volna, akkor azokat a reaktorba öntve szintén csökkenthető a maghasadás.

Egy új korszak kezdetét jelezte, mikor délután fél négy körül Fermi utasítására elkezdték fokozatosan kihúzni a kadmiumrudakat, és a történelemben először sikerült folyamatos, irányított láncreakciót létrehozni nagyjából fél órán keresztül. Ezután Fermi jelzésére véget ért a kísérlet.

A háború alatt a Manhattan terv keretében a máglya még tovább működött, mivel az atombomba számára plutóniumot termelt. Ezzel az úgynevezett chicagói egyes máglya (Chicago pile -1) lett a történelem első mesterséges atomreaktora, amely a nukleáris energia hasznosítására nyitott ablakot az emberiségnek.

(Borítókép: A chicagói máglya modellje. - fotó: Science  Society Picture Library /  Getty Images Hungary )

A cikk az Index és a Napi Történelmi Forrás (www.ntf.hu) együttműködésből jött létre, olvassa az ő cikkeiket is!