75年前的今天，芝加哥大学的科学家造出了首个受控自持链式核反应，是二战期间对原子弹的研发过程中必不可少的关键一步。
○ 1942年12月2日，科学家聚集在芝加哥大学足球场下，目睹了核反应堆产生的首个受控自持链式核反应。 | 图片来源：NATIONAL ARCHIVES AND RECORDS ADMINISTRATION
仅在德国科学家发现核裂变的四年之后，美国科学家便迈出了核裂变应用的第一步。在这些科学家中，有许多是不堪忍受希特勒政局、并害怕有朝一日希特勒会拥有核武器的移民科学家。
1939年，世界大战迫在眉睫，说服阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）向罗斯福总统写一封信，要求美国开始核研究计划。信件是由利奥·西拉德（Leó Szilárd）经过与爱德华·泰勒（ Edward Teller）和尤金·维格纳（Eugene Wigner）的协商起草了该信，最后再交由阿尔伯特·爱因斯坦签名。同年10月，罗斯福总统在收到爱因斯坦的信件后，推出了被称为曼哈顿计划的项目，最终产生了威力惊人的原子弹。
○ 诺贝尔得主费米。 | 图片来源：Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA
在整个计划中，来自意大利的物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）扮演着极其重要的角色。1942年12月2日，他与团队中的其他物理学家一起，在一个位于足球场看台下的壁球场上，秘密地进行了芝加哥1号堆（CP-1）实验。
费米于1939年1月抵达美国，他因研究中子轰击产生的感生放射以及发现超铀元素而获得了1938年的诺贝尔物理学奖。然而，事实上他所发现的“新元素”其实只是核裂变的产物。但那时并没有人知道核裂变是可能的，所以费米在解读这一结果中出现了偏差。
1938年，德国化学家奥托·哈恩（Otto Hahn）和弗里兹·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在德国进行实验，通过用中子轰击铀产生了元素钡。虽然他们也不知道自己的结果意味着什么，但也被认作为是核裂变的发现者。
在1938年的圣诞，莉泽·迈特纳（Lise Meitner）和奥托·弗里希（Otto Frisch）收到了一封哈恩的私人信件，信中提到了在用中子轰击铀时出现的那令人迷惑不解的现象。而迈特纳和弗里西对这一问题的看法能彻底改变核物理领域：铀核会分裂，产生两个新的原子核，也就是所谓的裂变碎片。更重要的是，伴随裂变过程的是巨大的能量得以被释放。
弗里希在登上驶入美国的船吼，将迈特纳的见解告诉了世界顶级的原子物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）。在抵达美国后，玻尔将哈恩的实验和迈特纳的解释告诉了费米和普林斯顿大学的物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）。费米立即在哥伦比亚大学展开进一步的实验工作以研究裂变，同时这么做的还有西拉德；玻尔和惠勒则从理论角度解决了这个问题。
○ 西拉德在讲解裂变过程。 | 图片来源：Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA
费米和西拉德很快就成功证明，链式裂变反应在原则上是可能的：如果裂变辐射中子，而中子能诱导裂变，那么也就是说一个原子核发生裂变产生的中子能诱发另一个原子核发生裂变，一种自持性的链式反应就产生了。到了那年9月，玻尔和惠勒已经完成了全面的理论分析，解释了裂变过程中的基础物理，并确定了哪种铀同位素最易发生裂变。很明显，对裂变潜力的最初猜测并没有被夸大。
另一位参与曼哈顿计划的移民科学家，德国物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）在1997年接受采访时说：“几乎很快，许多人就发现这种能力可以被用来制造核武器。许多人证实，当铀被中子轰击时，尤其是慢中子，就能产生一个释放出巨大能量的过程。”
虽然费米身为一个移民，但却是建造“原子堆”（现在的核反应堆）来验证链式核反应理论的负责人。他是当时被公认为世界最优秀的核实验物理学家。同事们把他称为“教皇”，因为他被认为是绝不会出错的。核反应堆就这样在芝加哥大学足球场看台下的一个壁球场上开始建造了。他们的目标是证明产生链式反应的能力，在链式反应中，任何一个裂变原子核都会辐射出足够多的中子来诱发更多的核裂变。
贝特说：“费米几乎立刻就想明白，若要用天然铀做到这一点，就必须减慢中子的速度。”
对于一个持续的受控链式反应，一次裂变必须只引发一个额外裂变，多了会产生爆炸，少了则反应会因无法持续而终止。在费米早期的研究中，他发现如果中子运动相对较慢，铀核会更容易吸收中子。但从铀的裂变中放射的中子速度很快。费米认为，减缓中子的最好材料是石墨（常被用作铅笔芯的碳的形式），通过多次散射过程来减缓放出的中子。这样做的目的是增加中子被另一个铀核吸收的几率。
但是在初步测试中，石墨并没有做到像费米期望的那样。他推断那些石墨含有太多的杂质，以至于无法有效地发挥作用。西拉德开始寻找一家能生产超纯石墨的公司。贝特回忆说，西拉德找到了一个同意满足费米的纯度要求的公司，条件是价格必须为普通石墨的两倍。
为了确保能够安全地控制链式反应，他们还将许多“控制棒”散布在铀-石墨堆中。这些控制棒其实就是一层层的镉，一种优秀的中子吸收剂。费米计算了在这个过程中的每一步的预期中子辐射，再慢慢移除这些控制棒以确认他的计算。作为一种安全机制，一旦出现问题时，这些镉控制棒可以被快速插入，终止链式反应。
○ 芝加哥一号堆。 | 图片来源：Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA
上图所示的就是被称为CP-1的芝加哥反应1号堆，就是在这里，物理学家获得了第一个受控链式核反应。随机的一个中子就足以启动CP-1中的链式反应。第一个中子会在铀核诱发出裂变，释放一组新的中子。这些二级中子会撞击到石墨中的碳原子核从而减速。接着它们与其他的铀核相遇，继而引发新一轮的裂变反应，释放出更多中子。镉控制棒的存在确保了反应不会无限期的继续下去，费米和他的团队对于何时加入这些控制棒从而控制链式反应有着精确的判断。
○ 链式核反应。绿色箭头显示了铀核在两个裂变碎片中的分裂，放射出新的中子。一部分中子能诱发新的裂变反应（黑色箭头），还有一部分中子可能在其他过程中丢失（蓝色箭头）。红色箭头显示从放射性裂变碎片中产生的能诱发新裂变反应的缓发中子。 | 图片来源： MikeRun modified by Erin O’Donnell, MSU, CC BY-SA
对链式反应的控制是极为重要的：如果产生和被吸收的中子之间的平衡不够准确，那么要么出现链式反应根本不会进行的结果，要么出现另一个危险的极端，即链式反应会迅速释放出巨大的能量！
有时，在链式核反应发生裂变几秒之后，会有额外的中子被释放出来。裂变碎片通常具有放射性，并且可以放射不同类型的辐射，其中就包括中子。 因此费米和西拉德等人立即认识到这些所谓的“缓发中子”在控制链式反应中的重要性。如果不将这些缓发中子考虑在内，它们可以引发比预期更多的裂变反应。那么，芝加哥实验中的核反应就可能因此失控，造成灾难性的后果。然而，更重要的是，从裂变到释放额外中子之间的这段延迟时间，允许科学家人为地对链式反应的能量控制作出反应和调整。
最终，费米的原子堆得以成功，在1942年12月2日产生了自持链式核反应。这一成功导致在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的秘密实验室的建成，在那里，物理学家制造出了原子弹，并于1945年终结了第二次世界大战。
○ 受控自持链式核反应的成功是是导致1945年7月16日在阿拉莫戈多核爆试验的关键。 | 图片来源：UNITED STATES DEPARTMENT OF ENERGY
那时，贝特已被说服加入这个项目。他在1943年4月抵达洛斯阿拉莫斯，并在1945年7月16日，亲眼目睹了在新墨西哥州阿拉莫戈多发生的第一次核爆炸。他说：“我就是其中之一个在20英里开外的距离上目睹这一切的人。那一幕令人印象深刻。 ”
○ 1942年12月2日的事件标志着一个巨大的里程碑。弄清楚如何建立和控制链式核反应，是今天全球448座核能反应堆能安全产生能源的基础。 | 图片来源：AP Photo/John Bazemore
历史学家常常引用洛斯阿拉莫斯项目负责人罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer）在报告中的一句话，他说，这次爆炸使他想起了印度博伽梵歌中的一句话：“现在我成为了死神，世界的毁灭者。”
○ 1952年，原子科学家聚集在一起共同庆祝受控核裂变链式反应10周年。 | 图片来源：University of Chicago Photographic Archive
在现代核物理实验室中，对缓发中子的辐射和核裂变的研究仍在继续。现在的科学竞赛比的不是建造原子弹或任何核反应堆，而是通过实验与理论的密切合作来更好的理解原子核的基本性质。
目前，物理学家只通过少数几种同位素观测到过裂变反应，还有更多的细节隐藏在这复杂过程背后等着我们去了解。最先进的理论模型试图解释已观测到的裂变性质，例如释放多少能量、释放的中子数量、以及裂变碎片的质量等等。
缓发中子的释放只发生在非自然产生的原子核中，这些原子核只能存活很短的一段时间。虽然实验已显示有一部分原子核会释放缓发中子，但物理学家还是不能够准确地预测是哪种同位素会具有这种性质。同时，我们也不知道缓发中子被释放的确切概率，以及释放的能量大小，而这些都是对于理解核反应堆伸长能量的细节非常重要的性质。
此外，科学家正试图预测可能发生核裂变的新核。新的实验和更强大的实验设备正在被设计和建设中，以对原子核进行前所未有的新研究，试图对这些与原子核相关的性质进行直接测量。我们期待着新的实验和理论研究将使我们对核裂变有更好地理解，这对提高核反应堆的性能和安全性都有着极为重大的意义。
自费米和西拉德对受控链式核反应的研究以来，科学已经走过了一段很长的路。与此同时，新的问题也不断出现，对于驱动链式核反应、与地球甚至宇宙中许多地方的能源产生有关的基本核属性，还有太多需要我们去思考和研究。
编译：二宗主
参考来源：
https://theconversation.com/atomic-age-began-75-years-ago-with-the-first-controlled-nuclear-chain-reaction-87154
https://www.sciencenews.org/blog/context/anniversary-first-controlled-nuclear-chain-reaction?tgt=nr
https://www.npr.org/2017/11/28/566980515/75-years-ago-scientists-conducted-an-unprecedented-nuclear-experiment
发表于 2017-12-6 07:11
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