Elbaltázott kísérlet

Véget ért a második nagy világégés, borzalmas végkifejlettel. Természetesen ekkor még nem volt látható, nem lesz-e ebből újabb, gyorsan forróvá váló háború Kelet és Nyugat között, nyilván a kezdetekben csak kardcsörgetés ment, aztán majdnem tényleg háborúvá fajult, amikor egy idióta kitalálta, hogy orosz stratégiai bombázókat állomásoztat Kubában. Az idáig vezető út azonban rögös volt és bizony kiderült, hogy a fizika és a kémia nem mindig úgy működik, ahogyan azt a tudósok elképzelték, vagy manapság elképzelik.

Rövid történelem

1913 az egyik legfontosabb dátum, ekkor vetette papírra Max Bodenstein, hogy elképzelhetőnek tartja egy kémiai láncreakció létrejöttét molekulák között. Természetesen önfenntartó reakcióról ekkor még szó sem volt, azt Szilárd Leó fogalmazta meg először, 1933-ban. 5 évvel később Otto Hahn, Fritz Strassmann, Lise Meitner és Otto Frisch felfedezték a nukleáris maghasadást (fisszió), de a kísérleteik sikertelennek bizonyultak. Alig 1 évvel később Enrico Fermi a Columbia Egyetemen vezetett kutatócsoportjával végrehajtotta az első fissziós kísérleteket, amelynek során bebizonyosodott, hogy a maghasadás során gyors neutronok keletkeznek, Szilárd pedig bizonyítottnak látta, hogy a láncreakció lehetséges. Néhány hónappal később Alfred O. C. Nier sikeresen szeparálta az első 235U izotópokat, Fermi pedig felfedezte, hogy a neutron-moderátorok lelassítják a gyors neutronokat, így azok további maghasadásokat idézhetnek elő. Természetesen mindez nem működött volna kormányzati támogatás nélkül, ebből az irányból érkezett Wigner Jenő, Teller Ede és Albert Einstein is a projektbe; Szilárd levélben figyelmeztette Rooseveltet a német nukleáris programra, így előbbi két tudós segítségével vette rá Einsteint a részvételre. A kormányzat anyagilag is támogatta a projektet, Szilárd 6000 dollárt kapott erre (ez ma kb. 144,000 dollárnak felel meg).
1941-ben Arthur Comptont kérték fel az urán programról szóló jelentés elkészítésére. A Nobel-díjas tudós egy hónappal későbbi jelentésében már szó volt radiológiai fegyverekről, nukleáris meghajtásról hajók számára, illetve nukleáris fegyverekről 235U és az újonnan felfedezett plutónium használatával. Niels Bohr és John Wheeler megfogalmazták az elméletet, miszerint a nehéz izotópok nak páratlan atomtömeggel hajlamosnak kell lenniük maghasadásra, következésképpen a 239Pu-nak is annak kell lennie.

Chicago Pile-1

Egy nukleáris reaktor akkor válik kritikussá, amikor a neutron produkciós képessége azonos a neutron veszteséggel. Ahhoz, hogy a reakció önfenntartó lehessen, a neutron reprodukciós képességnek (k szám) 3-4 százalékkal magasabbnak kell lennie 1-nél, anélkül, hogy elérné a megszaladási küszöbértéket. Több különböző egyetemen is folytak kutatások, a Fermi által épített kísérleti reaktor azonban csak a 0.87-os k értéket érte el.

Compton úgy érezte, hogy a sok különböző erőfeszítést egyesíteni kellene, végül a Columbiáról, a Princetonról és a kaliforniai egyetemről Chicagóba rendelte a különböző kutatókat, annak központi elhelyezkedése okán. Fermi a Chicagóba költözés előtt még egy kísérleti eszközt épített, a k szám ezúttal 0.918 lett.
Hosszas gondolkodás és több szóba jöhető helyszín után végül a chicagói stadion alagsorát választották, miután Compton úgy vélte, megfelelően tudják biztosítani a megszaladás ellen a reaktort.
1942 december 2-án, 49 tudós jelenlétében elkezdték kihúzni a megépített reaktorból a szabályzórudakat, hogy beindítsák a láncreakciót, de ez a délelőtt folyamán még nem sikerült, Fermi pedig elrendelte az összes szabályzórúd visszahelyezését, majd ebédidőt jelentett be. 14:00-kor megint elkezdték kihúzni azokat, Fermi pedig 15:25-kor bejelentette az önfenntartó láncreakció létrejöttét. 28 perccel később a műszerek azt érzékelték, hogy a szabad neutronok száma meghaladja a biztonságos értéket, így elrendelte a reakció leállítását, ami sikeresen megtörtént.

Xenon "mérgezés"

Ez a rész nem kapcsolódik szorosan a főcímhez, így át is ugorható. Számomra azonban elég érdekes ahhoz, hogy megemlítsem, így leírom.

Már a kezdetekkor észrevették a tudósok, hogy a nukleáris reakció során más izotópok és elemek is létrejönnek, azonban a jelentőségét ekkor még nem értették.
Hanfordban kifejezetten azért építették a B jelű reaktort, hogy abban plutóniumot tenyészthessenek és abból bombát készítsenek, tehát már a Manhattan-project részeként épült meg. A reakció beindítása után minden rendben lévőnek látszott, elérték a kritikus tömeget és a teljesítmény stabilan emelkedett kilengések nélkül. Néhány órával később szonban a reaktor teljesítménye váratlanul csökkenni kezdett, a szabályzórudak kezelői egymás után húzták ki azokat, de a teljesítmény továbbra is csökkent és végül a reaktor leállt. A mérnökök lékre vagy szennyezésre gyanakodtak a hűtőrendszerben, de nem találtak semmit.
Aztán 12 órával később a reakció megint elindult, futott pár óráig, majd megint leállt.
Fermi és John Wheeler a jelenséget elnevezték a reaktor "lélegzésének". Az események idővonalának vizsgálata azt sugallta nekik, hogy valószínűleg valamilyen köztes létrejövő elem "felzabálja" a szabad neutronokat (leáll a reakció), majd a radioaktív bomlás során ez az elem eltűnik. Wheeler úgy számolta, ennek a rejtélyes radioaktív elemnek a felezési ideje 9 óra környékén lehet. Ezután a tudós megkereste a brilliáns fizikus Chien-Shiung Wu nem publikált tanulmányát, amit a tudós még a B reaktor építése előtt írt. Wheeler megtalálta a "bűnöst":
- az uránból a maghasadás során kelethezhet 135I (jód)
- a 135I-ből 6.7 órás felezési idővel 135Xe (xenon) keletkezik
- a 135Xe pedig 9.2 órával feleződik.

Ez egybevágott Wheeler számításaival. Wu felfedezte, hogy a Xe olyan, mint egy neutronszivacs: magába "szívja" az összes szabad neutront, így a reakció nem tud önfenntartó lenni. Hanfordban ezen úgy tudtak túllépni, hogy az egyik DuPont mérnök túltervezte a reaktort. A fizikusok által előírt 1500 helyett 2004 alumínium csővel építtette meg, így tartalék uránnal tudták megtölteni a reaktort, így legyőzve a Xenon mérgezést.

Fegyverek

A Japán által elszenvedett, de valójában már a kommunista Keletnek szóló bombák az elsők közé tartoznak a nukleáris fegyverek sorában. Természetesen azonnal elindult az újabb fegyverkezési verseny Kelet és Nyugat között több kísérleti bombával, különböző méretű és anyagú töltetekkel. Emlékeim szerint az amerikaiak kísérleteztek nukleáris töltetű levegő-levegő rakétákkal is, de az ilyen rakétának nagynak kellett lennie a hordozó vadászrepülőhöz képest, tehát kiegészítő fegyverzetet a gépágyún kívül egyáltalán nem hordozhatott, az ilyen rakétából is talán egyet (majd Cifu kijavít, ha nagyot tévedek... ), plusz a robbanás helye beszennyezi a környéket, lakhatatlanná téve azt, így lemondtak róla. Folytak kísérletek nyitott reaktorú repülők létrehozására is, de az ilyen eszköz már azt a helyet is beszennyezi, ahonnan indul, tehát ezt is elvetették. Maradtak a bombák, mint alkalmazott fegyverek, amelyekből aztán később rakéták lettek.
Természetesen a még kezdetek kezdetén Compton által felvázolt nukeáris meghajtás is elkészült, ezt ismereteim szerint ma repülőgép-hordozókban és harci tengeralattjárókban alkalmazzák (állítólag mostanság a Gerald Fordról több tengerész is meg akart szökni, mert már 250 napja nem voltak szárazföldön...).

Castle Bravo

Így hívják a kísérletet, amelyről ezen írás lényegi része szól. A kísérletben szereplő, Shrimp nevű szerkezet egy hidrogénbomba, más néven fúziós bomba. Azaz a fentebb ismertetettekkel szemben itt nem arról van szó, hogy az atomok magját hasítják, hanem arról, hogy egyesítik azokat - tulajdonképpen ugyanaz a termonukleáris folyamat játszódik le, mint a Napban. A fúzió beindításához egy kicsi fissziós szerkezetet használnak, amely megteremti a megfelelő körülményeket.

A kísérlet tervezői úgy gondolták, hogy a fúziós üzemanyagban jelen lévő 6Li (lítium) az, ami hajlamos reaktivitásra, a 7Li nem, amely a jelen lévő lítium izotópok 60%-át alkotta. A terv szerint lítium 6-os izotópja elnyel egy neutront a körülményeket létrehozó plutónium hasításából, így ennek során létrejön egy alfa-részecske (4He - hélium - atommagja) és trícium, ami fuzionál az üzemanyagban lévő deutériummal. A tervezett hatóerőt 4-6 megatonnásra számolták.

A bombát a Bikini-atollon robbantották fel 1954 március 1-én, reggel 6 óra 45 perckor. A tűzlabda 1 másodperc alatt 7 km átmérőjűvé növekedett és még több száz km-ről is látható volt. 10 perccel később már az átmérő 100 km-re nőtt, 40 km magasra emelkedett és 160 m/s sebességgel terjedt, beszennyezte a kornyező atollokat, ahonnan ki kellett telepíteni a lakosokat, akik később kártérítést kaptak. Sugárzó por lepte be a Daigo Fukuryu Maru nevű halászhajót is, amely az USA által kijelölt veszélyzónán kívül tevékenykedett, a hajó rádiósa fél évvel később el is hunyt az incidensnek köszönhetően.
A vizsgálatok során kiderült, hogy több más hajó és egyéb személyzet is érintett volt az incidensben, sok esetben bezárva az embereket az épületekbe. Az eseményről adatokat rögzítő műszerek nagy része is megsemmisült a robbanásban.

Mi történt?

Teljesen adekvát a kérdés.
A mérnökök tervezése a 6Li kapcsán teljesen helytállónak bizonyult, az anyag úgy viselkedett, ahogyan azt elvárták. A 7Li viszont nem. A tervezettek szerint a 7Li elnyel egy neutront, 8Li-cá alakul, ami közel egy másodperc felezési idővel és béta bomlással 8Be-cá (berillium) alakul. Ez az idő sokkal hosszabb, mint ami a nukleáris robbanáshoz kell, ezért nem számoltak a részvételével a reakcióban. Amikor azonban a 7Li-ot 2.47 MeV-nál nagyobb energiájú neutronbombázás éri, akkor fuzionálás révén alfa-részecskévé, tríciummá és újabb neutronná alakul. Azaz a tervezettnél sokkal több trícium jelent meg a deutériumnál és azzal fuzionálva extra neutron jött létre, tehát sokkal több ilyen részecske vehetett részt a reakcióban. A fegyver végső ereje elérte a 15 megatonnás értéket, tehát a számoltnál többszörösen nagyobbat.
Mindezzel együtt csak a világ hatodik legnagyobb robbanóerejű fegyvere volt, 5 orosz fegyver is megelőzte, amelyek közül az első természetesen a Cár bomba, a maga 50 megatonnás erejével. Összehasonlításképpen: a Hiroshimát elpusztító bomba körülbelül 15, a Nagasakira ledobott fegyver pedig 21 kilotonnás volt.

Következmények

Természetesen a Bikini-atoll és a környező terület hosszú időre lakhatatlanná vált, az onnan kitelepítetteknek pedig az USA kiszúrta a szemét aprópénzzel, kártérítés gyanánt. A nemzetközi felháborodás elképesztő méreteket öltött az elbaltázott kísérlet után. Az Egyesült Államok 1956-ban bevezette, hogy semmilyen nukleáris teszt nem haladhatja meg a 20 megatonnás robbanóerőt, de Eisenhower elnök 1958-ban íratlan szabályként fogalmazta meg, hogy 15 megatonnásnál erősebb fegyver nem tesztelhető amerikai részről. Ezen felül az amerikaiak elkezdték hangsúlyozni a nukleáris energia civil felhasználhatóságát. Teller Ede és más livermore-i fegyverkutatók javasoltak egy gigawattos tartományban működő erőmű megépítését. A javaslat szerint 12 óránként dobtak volna e megatonnás eszközöket egy 1000 láb mélységű lyukba, a feltörő gőzt pedig áramtermelésre használták volna és ezt a tervezetet folyamatosan napirenden tartották a hidegháború alatt.