Za jeden z prvých veľkých úspechov vo svete jadrovej fyziky môžeme označiť objav prirodzenej rádioaktivity Henrim Becquerelom na konci 19. storočia, za ktorú dostal (spolu s Pierom a Marie Curiovcami) v roku 1903 aj Nobelovu cenu. Neskôr sa však o rozvoj jadrovej fyziky vo veľkom zaslúžilo desiatky ďalších jadrových fyzikov. 

Už v 30. rokoch maďarský fyzik Leo Szilárd popísal princíp reťazovej reakcie a neskôr aj jadrovej bomby. Mnohí fyzici si uvedomili, že vstupujú do novej éry. V tom čase sa však v Európe dostával k moci fašizmus a významní fyzici utekali pred jeho hrozbami, najčastejšie do USA.

USA najmä po útoku na základňu Pearl Harbor sa začalo čím ďalej tým viac zaoberať myšlienkou zostrojenia atómovej bomby. Vznikol tak projekt Manhattan, vrcholom ktorého bolo zhodenie atómových bômb na Hirošimu a Nagasaki. Súčasťou tohto tajného projektu bola tiež snaha postaviť jadrový reaktor, vďaka ktorému by nastalo lepšie pochopenie a overenie reťazovej reakcie.

Enrico Fermi

Jedným z najvýznamnejších fyzikov, ktorí ušli z Európy pred fašizmom do USA, bol aj Talian Enrico Fermi – nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1938 za metódu využitia pomalých neutrónov k príprave nových rádioaktívnych prvkov. Začína pôsobiť na Kolumbijskej univerzite a potom na univerzite v Chicagu, kde je poverený jeho životným projektom – postaviť jadrový reaktor.

Prípravy výstavby reaktoru

Samozrejme, stavba takéhoto projektu nemohla započať bez toho, aby sa vedelo, že to bude fungovať. Ešte v roku 1939 Fermi spoločne s americkými kolegami dokázal experimentom s jadrovým štiepením výrobu rýchlych neutrónov. Následným pokusom s bombardovaním uránu objavil množenie neutrónov, čo dokazovalo, že reťazová reakcia je možná.

Za miesto výstavby reaktora bola najprv určená odľahlá lokalita, no Fermi prišiel s návrhom postaviť reaktor pod tribúnami v Stagg Field na pôde Chicagskej univerzity. Voči umiestneniu boli mnohé výhrady, no napokon Arthur Compton profesor fyziky na Chicagskej univerzite, ktorý spolupracoval s Fermim, výstavbu reaktora na tomto mieste povolil.

Výstavba reaktoru

So samotnou výstavbou reaktora nazvaného Chicago Pile-1 sa začalo 16. novembra 1942. Na podlahu bol nakreslený kruh, do ktorého sa mali ukladať jednotlivé bloky. Prvá umiestnená vrstva sa skladala výlučne z grafitových blokov, bez uránu. Vrstvy sa striedali tak, že na dve vrstvy uránu sa umiestnila vrstva bez neho, takže urán bol v podstate obklopený grafitom.

Práce sa vykonávali v 12-hodinových zmenách. Ako pracovná sila bolo najatých 30 stredoškolských študentov, ktorí si chceli zarobiť trochu peňazí predtým, ako pôjdu do armády. Na výstavbu reaktora bolo použitých 45-tisíc grafitových blokov a 19-tisíc kusov kovového uránu a oxidu uránu.

Do predpripravených grafitových blokov bolo potrebné vŕtať otvory pre kontrolné a riadiace tyče. Grafitový prach rýchlo pokryl miestnosť a vyzeralo to tam skôr ako v bani, keďže všetci boli špinaví ako od uhlia a podlaha bola od grafitu veľmi šmykľavá.

Za jednu zmenu boli položené približne dve vrstvy. Keď prišli k 15. vrstve, vložili tam neutrónový čítač borónového fluoridu a potom odčítavali hodnoty na konci každej zmeny. Fermi poctivo sledoval intenzitu rádioaktivity aby zistil, kedy sa bude reaktor približovať ku kritickým hodnotám.

Pôvodne sa počítalo, že reaktor bude mať guľovitý tvar, no ako výstavba pokračovala, zisťovali, že to nebude nutné. Súviselo to s čistotou grafitu ako aj samotného oxidu uránu, vďaka čomu mohli vynechať až 20 vrstiev. Do reaktora nakoniec zasunuli kovové uránové valce a podľa Fermiho výpočtov ukončili stavbu reaktora 57. vrstvou, kedy reaktor mal dosahovať kritický stav, teda bol schopný udržať reťazovú štiepnu reakciu. Celý reaktor mal byť umiestnený v balóne naplnenom oxidom uhličitým, no napokon sa od tohto kroku upustilo.

Chicago Pile-1 bol umiestnený v drevenom ráme a mal výšku 6,1 metra, v strede šírku 7,6 metra a Fermi ho opísal ako „veľkú hromadu čiernych tehál a drevených trámov“. Nachádzalo sa v ňom 5,4 ton kovového uránu, 45 ton oxidu uránu a 360 ton grafitu. Náklady na jeho výstavbu predstavovali vtedajších 2,7 milióna dolárov, čo by dnes predstavovalo takmer 43 miliónov dolárov.

Prvá riadená reťazová reakcia

Dňa 2. decembra 1942 sa 49 vedcov zhromaždilo pri reaktore, aby sledovali experiment, ktorý sa zapíše do dejín. Dbalo sa samozrejme aj na bezpečnosť, fyzik Samuel Allison bol v prípade neočakávaného stavu poverený hádzať lopatou na reaktor nitrid kadmia, ktorý by zastavoval reakciu. Ďalší fyzik Norman Hilberry mal sekeru, ktorou mal v prípade núdze preseknúť lano a do reaktora by sa tak zasunuli havarijné tyče, ktoré by zastavili reakciu.

Uvedenie do prevádzky začalo o 9:54. Odstránila sa núdzová riadiaca tyč a fyzik Leon Woods oznamoval hodnoty detektora. Ďalší fyzik George Weil ležiac na podlahe vyťahoval všetky ovládacie tyče, okrem jednej. O 10:37 Fermi nariadil, aby začal vyťahovať aj poslednú štvrometrovú ovládaciu tyč. Po každých 15 centimetroch sa vykonávali merania. Proces sa však náhle zastavil automatickou ovládacou tyčou. Fermi potom o 11:25 nariadil zasunúť všetky ovládacie tyče naspäť a poslal všetkých, aby sa išli naobedovať. Počas jedenia všetci mlčky uvažovali o experimente a boli v napätí.

O 14:00 experiment pokračoval. George Weill na podlahe vyťahoval poslednú ovládaciu tyč a Fermi sledoval aktivitu neutrónov na prístrojoch. O 15:25 vyhlásil, že reaktor sa dostal do kritického stavu, teda dosiahol plynulú reťazovú reakciu. Fermi zapol stupnicu na rekordéri, aby sa prispôsobil narastajúcemu elektrickému prúdu z detektora fluoridu boritého. Chcel otestovať aj kontrolné obvody, avšak po 28 minútach sa spustil poplach upozorňujúci na veľký tok neutrónov. Nariadil preto uvoľniť bezpečnostné tyče a reakcia sa rýchlo zastavila aj keď reaktor mal ešte necelých 5 minút zbytkový výkon na úrovni 0,5 wattu.

Následne sa otvorila fľaša Chianti z ktorej si všetci pripili z papierových pohárov na oslavu, že sa experiment podaril. Reaktor dosiahol výkon 200 wattov, čo by stačilo na napájanie žiarovky.

Compton potom telefonoval riaditeľovi Národného výboru pre výskum obrany a v kódovom znení mu ohlásil:

„Jim, mal by si vedieť, že taliansky navigátor práve pristál v Novom svete. Zem nie je taká veľká, ako odhadoval. Do Nového sveta prišiel skôr, ako očakával.“

On mu na to povedal: „Je to naozaj tak? A domorodci boli priateľskí?“

Compton mu odvetil: „Všetci pristáli bezpečne a šťastne.„

Význam experimentu a ďalší osud reaktora

Pokus s reaktorom Chicago Pile-1 dokázal, že reťazová jadrová reakcia je možná. S reaktorom sa následne pracovalo iba pri nízkych výkonoch, keďže nemal žiadne tienenie nebezpečného žiarenia a nemal ani chladenie, čím predstavoval potenciálne riziko. 28. februára 1943 bol napokon rozobratý a materiál z neho sa použil pri stavbe ďalšieho reaktora s názvom Chicago Pile-2.

Poznatky z tohto experimentu a samozrejme aj ďalších slúžili ako základ pochopenia jadrovej reťazovej reakcie a slúžili tiež k výstavbe ďalších reaktorov. Tie najprv slúžili na vojnové účely (výroba plutónia pre jadrovú bombu) a neskôr na mierové využitie v podobe stavby jadrových elektrární.

Enrico Fermi potom pokračoval vo výstavbe reaktorov v rámci projektu Manhattan s cieľom vyvinúť atómovú bombu. Zomrel v roku 1954 ako 53-ročný na rakovinu žalúdka, pravdepodobne spôsobenú dlhodobému vystavovaniu sa rádioaktivite.

Na mieste, kde stál reaktor, odhalili na 10. výročie pamätnú tabuľu s nápisom: „2. decembra 1942 tu človek dosiahol prvú reťazovú reakciu a tým inicioval kontrolovateľné uvoľňovanie jadrovej energie.“

Miesto však bolo v roku 1957 zničené, avšak pamätná tabuľa ostala zachovaná a lokalita, kde reaktor stál, je teraz národnou historickou pamiatkou.

Pozri aj:

Najväčšia jadrová katastrofa Brazílie: Z nemocnice ukradli rádioaktívne cézium, ožiarilo sa 250 ľudí