Jadrová energia - Prvý jadrový reaktor zostrojený človekom – B) Ako to bolo, kľúčoví hráči

Autor: Marian Nanias | 22.2.2018 o 17:48 | Karma článku: 1,50 | Prečítané:  791x

Prvý jadrový reaktor zostrojený človekom postavili študenti pod svojim študentským štadiónom. Teraz si povieme ako sa to stalo a kto hral hlavné úlohy. 

Minule sme si hovorili z akých podmienkach bolo ľudstvo urýchlene budovať prvý jadrový reaktor aby ho náhodou ako prvé nepostavilo Hitlerovo Nemecko. Teraz si povieme ako sa to stalo a kto hral hlavné úlohy.

Najprv však odpovedzme na otázku čo je to jadrový reaktor?

Jadrový reaktor bol prvotne známy ako „Atomic Pile = atómový milier, resp. hranica“ = od výrazu používaného pôvodne ešte pri výrobe dreveného uhlia. Jadrový reaktor je zmesou jadrového paliva, moderátora, chladiaceho média a štrukturálneho materiálu, usporiadaný vo vhodnej konfigurácii dostatočnej veľkosti na spustenie a ovládanie samočinnej reťazovej štiepnej reakcie, ktorá uvoľňuje užitočnú energiu.

Príprava skonštruovania reaktora:

Dôležitý teoretický výskum v oblasti štiepnej jadrovej reakcie prebiehal v USA úspešne, ale práca bola roztrúsená na rôznych amerických univerzitách od východného pobrežia až po západné pobrežie. Začiatkom roka 1942 Arthur Compton nariadil, aby bol všetok výskum reaktorov presunutý do Methalurgy Laboratory (Met Lab) na univerzite v Chicagu. Tam boli pred vedcami z laboratória zadané dve úlohy: - výstavba malého experimentálneho reaktora hlavne na preskúmanie fyziky štiepnej reťazovej reakcie (odtiaľ vzišiel neskôr termín "reaktor") a naplánovanie oveľa väčšieho reaktora, ktorý by mohol produkovať plutónium v priemyselnom meradle. Hoci tieto dve úlohy boli teoreticky podobné, v praxi oveľa väčší reaktor vyžadoval komplikované kontroly, tienenie proti žiareniu a chladiaci systém. Navyše bola vtedy ešte teória generovania a riadenia reťazových reakcií stále nedostatočne pochopená, a práve preto bol na mieste potrebný malý experimentálny tím Enrica Fermiho. Okrem toho existovali komplikácie v získavaní nielen dostatočného množstva, ale aj čistoty grafitu, ako aj uránoveho paliva. 

Plánovanie experimentálneho reaktora – po názvom "CP-1" pre "Chicago Pile No. 1" - začalo ešte skôr, ako Fermiho tím z Kolumbijskej univerzity dorazil do Chicaga. Jedným z hlavných cieľov pritom bolo určenie presnej hodnoty neutrónového reprodukčného faktora "k" pre teoretický reaktor nekonečnej veľkosti. Pôvodne bol prvý reaktor plánovaný postaviť v lokalite Argonne Forest Preserve, asi dvadsaťpäť kilometrov juhozápadne od Chicaga, "kde by bolo prípadné nebezpečenstvo minimalizované", ale oneskorená výstavba a iné ťažkosti to však znemožnili. Ale plánovanie výrobných reaktorov v priemyselnom meradle malo pokračovať ešte skôr, ako na CP-1 preskúmali teoretické otázky. Dôvod bol, že Fermiho reaktor, napriek tomu aký bol dôležitý, poskytoval len málo technického usmernenia, pokiaľ ide o komplikované chladiace, riadiace a tieniace systémy vyžadované veľkým reaktorom. Rovnako ako v prípade obohacovania uránu v Oak Ridge, kde mali navrhnúť zariadenie pre technológiu, ktorá ešte nebola v laboratóriu dobre známa. V júni 1942 začala skupina vedená hlavným inžinierom Comptonom a Moorom navrhovať prvý výrobný reaktor. Rýchlo sa ukázalo, že výrobný reaktor sa výrazne líšil od plánovaného experimentálneho reaktora (CP-1). Bolo by potrebné použiť tienenie žiarenia a kontajnmentu, rovnako ako chladiaci systém. Okrem toho bol potrebný spôsob vybratia ožiareného uránu bez toho, aby bol reaktor zničený. Jednou zjavnou možnosťou bolo rozšírenie uránových tyčí do a cez grafit vedľa chladiacich trubíc.

CP-1 = Prvý jadrový reaktor postavený človekom.

„Chicago Pile-1 (CP-1)“ bol prvým jadrovým reaktorom na svete postaveným človekom. Ako sme naznačili v predošlom článku, vývoj reaktora bol súčasťou projektu Manhattan, snahy o vytvorenie atómovej bomby počas druhej svetovej vojny. Bol postavený na Chicagskej univerzite (presnejšie pod jej štadiónom) tímom, ktorý viedol Enrico Fermi, koncom roka 1942. Fermi ho opísal ako "hrubú hromadu čiernych tehál a drevených trámov". Reaktor Chicago Pile-1 dosiahol kritickosť 2. decembra 1942 o 15:25. Nosná konštrukcia reaktora bola vyrobená z dreva, ktorá niesla hromadu grafitových blokov, v ktorých sú zakomponované "pseudo-sféry" a "brikety" z oxidu uránu.

Stavba a konštrukcia reaktora.

Reaktor bol uzavretý v balóne tak, aby vnútorný vzduch mohol byť nahradený oxidom uhličitým, ktorý však nakoniec nebol úplne využitý. Tmavošedý balón bol vyrobený spoločnosťou „Goodyear Tire a Rubber Company“. Balón v tvare kocky s dĺžkou 25 metrov bol trochu nezvyčajný, a pripevnili ho s vrcholom k stropu a tromi stranami na steny. Zostávajúca strana, ktorá smerovala k balkónu, odkiaľ Fermi riadil spúšťanie, bola použitá ako markíza. Na podlahe bol nakreslený kruh a stavanie grafitových blokov začalo ráno 16. novembra 1942. Prvá umiestnená vrstva bola vytvorená výhradne z grafitových blokov bez uránu. Vrstvy bez uránu sa striedali s dvoma vrstvami obsahujúcimi urán, takže urán bol uzavretý v grafite.  Na rozdiel od neskorších reaktorov tento prvý nemal žiadny systém na ochranu proti žiareniu alebo chladenie, pretože bol určený len na veľmi nízky výkon. Reaktor stavali v dvanásťhodinových smenách. Na prácu si organizátori najali tridsať študentov, ktorí sa snažili zarobiť trochu peňazí predtým, než išli slúžiť do armády. Konštrukcia pozostávala zo 45 000 grafitových blokov, ktoré obklopovali 19 000 kusov kovového uránu a oxidu uránu. Grafit bol vyrobený v hranoloch 10,8 x 10,8 cm rôznych dĺžok. V nich boli navŕtané otvory s priemerom 8,3 cm pre ovládacie tyče. Na tvarovanie oxidu uránu a grafitu do správneho tvaru (zaoblené  konce) použili aj hydraulický lis. Počas práce grafitový prach čoskoro tak naplnil vzduch a vytvoril klzkú podlahu, že to vyzeralo ako v bani. Pre riadenie reaktora (a prípadné havarijné odstavenie) boli vyrobené riadiace  kontrolné tyče, ktoré mali kadmiové listy pribalené k plochým dreveným pásikom. Kadmium je silným absorbérom neutrónov a v prípade potreby bolo očakávané že po preseknutí lanka zhodí riadiacu tyč do reaktora a zastaví jadrovú reakciu. Pre istotu boli na konci dve olovené závažia. Ale mali po ruke  pripravenú aj sekeru, keby bolo lanko nutné preseknúť. Je to zábavné, pretože slangový výraz práve tejto situácie pri prvom jadrovom reaktore prešiel navždy do jadrového slovníka celosvetovej jadrovej energetiky. Havarijné odstavenie jadrového reaktora prvého stupňa (v Čechách aj na Slovensku nazývané ako HO-1) je všeobecne vo svete poznané pod skratkou „SCRAM - Safety Control Rod Axe Man“, teda voľne preložené niečo ako „chlap pripravený so sekerou odstaviť reaktor“. Počas jednej smeny položili asi dve vrstvy. Do 15. vrstvy bol vložený neutrónový čítač borónového fluoridu. Potom boli odčítavané hodnoty na konci každej zmeny. Fermi si rozdelil reaktorovú geometriu tak, že mu intenzita rádioaktivity, ktorú získal metrikou, ukazovala hodnotu keď sa reaktor približoval ku kritike. Na 15. vrstve to bolo 390; na 19 bolo to 320; na 25. to bolo 270 a 36. to bolo len 149. Pôvodný dizajn bol pre reaktor sférický, ale ako práca prebiehala, bolo jasné, že to nebude úplne potrebné. Bolo to aj tým, že novo-dodávaný grafit bol čistejší. Analogicky to bolo aj s novými dodávkami kovového uránu. Do jadier v grafite namiesto pseudo-sfér oxidu uránu zasunuli  kovové uránové valce (nazývané ako "Speddingove vajcia"). Nakoniec, (ako sme už spomenuli) proces plnenia balóna oxidom uhličitým nebol potrebný a bolo možné vynechať až dvadsať vrstiev. Podľa nových výpočtov Fermiho by odpočítanie malo dosiahnuť hodnotu 1 (teda kritický stav) medzi 56. a 57. vrstvou. Výsledná geometria reaktora teda nebola sférická ako bolo predpokladané, ale bola plochá ako na vrchu tak aj na dne. Po umiestnení 57. vrstvy, malo byť doplňovanie zastavené. Ku koncu drevený rám reaktora niesol eliptickú štruktúru vo výške 6,1 ma šírku 1,8 m na koncoch a 7,6 m v strede. Obsahoval 6 tzv. „krátkych“ ton (5,4 t) kovového uránu, 50 „krátkych“ ton (45 t) oxidu uránu a 400 ton krátkych ton (360 t) grafitu, pri celkovo odhadovaných nákladoch 2,7 mil. USD.

Prvá reťazová jadrová reakcia riadená človekom

Nasledujúci deň po postavení reaktora 2. decembra 1942 sa všetci 49 vedci zhromaždili na experiment. Väčšina výkonného výboru S-1 bola v Chicagu, a bol z nich prítomný len Crawford Greenewalt na pozvanie Comptona. Samozrejme že tam boli Szilard, Wigner a Spedding. Vedúci vedci experimentu Fermi, Compton, Anderson a Zinn boli okolo ovládacích prvkov na balkóne, ktorý bol pôvodne určený ako výhľadová platforma. Samuel Allison bol "muž s lopatou“ pripravený navyše hádzať koncentrovaný nitrid kadmia na reaktor v prípade núdze. Spustenie začalo o 09:54. Norman Hilberry bol „muž so sekerou“ na preseknutie šnúry, ktorá by umožnila, aby pod vplyvom gravitácie padla havarijná tyč do reaktora. Zatiaľ čo Leona Woods hlasito oznamovala veľkosť fluoridu boritého, George Weil, ako jediný na podlahe pri reaktore vytiahol  čiastočne všetky okrem poslrednej riadiacich tyčí. O 10:37 Fermi nariadil Weilovi vytiahnuť všetky už úplne, samozrejme okrem poslednej riadiacej tyče. Weil ju popoťahoval po 15 cm, pričom v každom kroku robili merania. Proces bol náhle zastavený automatickou ovládacou tyčou, pretože jej vypínacia úroveň bola nastavená príliš nízko. O 11:25 Fermi nariadil opätovné vloženie ovládacích tyčí a všetkých poslal preč na obed.  Pokus pokračoval poobede od 14:00. Weil pracoval s poslednou riadiacou tyčou, zatiaľ čo Fermi pozorne sledoval neutrónovú aktivitu. O 15:25 Fermi prvý krát oznámil, že reaktor prešiel kritikou (bola dosiahnutá plynulá reťazová reakcia). Fermi dal prepnúť stupnicu na zapisovači tak, aby stačil rýchlo sa zvyšujúcemu elektrickému prúdu z detektora fluoridu boritého. Chcel otestovať riadiace obvody, ale po 28 minútach ich poplašné zvončeky upozornili, že neutrónový tok prešiel predpísanou bezpečnostnou úrovňou a nariadil Zinnovi uvoľniť blokovanie tyče. Reakcia sa rýchlo zastavila. Reaktor ešte stále asi približne 4,5 minúty mal zbytkový výkon približne 0,5 wattu.  Wigner otvoril fľašu Chianti, z ktorej všetci následne symbolicky pili na oslavu (z papierových pohárov).

Finále

Experiment, ktorý bol kľúčový v hľadaní riešenia pre riadenú reťazovú jadrovú štiepnu reakciu bol typický pre Fermiho prístup. Každý krok bol starostlivo naplánovaný, každý výpočet dôkladne skontrolovaný a všetky kroky starostlivo vykonané. Keď bola dosiahla prvá jadrová reťazová reakcia, na Fermiho príkaz Compton telefonoval Jamesovi B. Conantovi, predsedovi Národného výboru pre výskum obrany v kódovom znení. Conant bol práve v kancelárii prezidenta na Harvardskej univerzite. Odznelo to takto: "Jim," "asi by Vás zaujímalo, že taliansky navigátor práve pristál v novom svete." A potom ešte dodal: že "Zem nebola až taká veľká, ako odhadoval, a prišli sme skôr, ako očakával. " „Je to naozaj tak?" pýtal sa vzrušene Conant, a dodal: "A domorodci boli priateľskí?", na čo zaznela odpoveď: "Všetci pristáli bezpečne a šťastne."

V roku 1943 bol reaktor CP-1 rozobraný a presunutý do Red Gate Woods a prekonvertovaný, aby sa stal reaktorom Chicago Pile-2 (CP-2). Tam bol prevádzkovaný až do roku 1954, kedy bol demontovaný. Miesto kde bol pôvodne postavený na Stagg Field boli zničené v auguste 1957; a lokalita je teraz národnou historickou pamiatkou.

Tak ako je to v jadrovej energetike, kde je úspech výsledkom spolupráce a často stoviek či tisícov pracovníkov „v pozadí“, aj v tomto prípade to bolo analogické.  Ale okrem mnohých tých iných v pozadí „ktorí v tom mali prsty“ sú však s tým navždy hlavne spojené dve mená a to taliansky profesor Enrico Fermi a americký generál Leslie Groves.  Čo to boli za ľudia?

Obaja boli mimoriadne osobnosti a vynikajúci vodcovia a organizátori. Fermi bol geniálny vedec, ktorý však robil veci iba do takej úrovne ktoré boli ozaj potrebné, a Groves bol vojenský veliteľ tvrdo vyžadujúci aby boli úlohy splnené. Obaja boli vysoko ocenení ešte za svojho života, ale ich konce boli veľmi rozdielne.

Kto bol Enrico Fermi?

Fermi bol rodený Riman v rodine vysoko postaveného štátneho úradníka talianskeho ministerstva železníc.  Od malička staval elektrické motory a hral s elektrickými a mechanickými hračkami a už v útlom veku prejavil záujem o fyziku a matematiku v čom našiel podporu v otcovom kolegovi z práce, ktorý mu pomáhal v štúdiu ako matematika, klasická mechanika, astronómia, optika a akustika. Už na strednej škole s ďalším vedecky nakloneným študentom spoločne pracoval na vedeckých projektoch, ako je budovanie gyroskopov a  presné meranie zrýchlenia gravitácie Zeme. Pri ťažkých prijímacích skúškach na vysokú školu „Scuola Normale Superiore“ už ako 17 ročný šokoval celú prijímaciu komisiu keď na vyriešenie náročnej témy  "Špecifické vlastnosti zvukov" urobil pomocou odvodenia parciálnej diferenciálnej rovnice vibračnej tyče, pričom v riešení použil Fourierovu analýzu. Spočiatku študoval hlavne matematiku, potom prešiel na fyziku. Hlavné smery kam v samoštúdiu smeroval boli všeobecná relativita, kvantová mechanika a atómová fyzika.  Ešte v roku 1923 pri písaní prílohy pre talianske vydanie knihy Základy Einsteinovej relativity  zdôraznil, že v slávnej Einsteinovej rovnici (E = mc2) je skryté obrovské množstvo energie jadrového potenciálu, ktoré by bolo možné využiť. Písal: "Zdá sa, že nie je možné, aspoň v blízkej budúcnosti," ..."nájsť spôsob, ako uvoľniť tieto hrozné množstvá energie - čo by bolo dobré, ale prvý účinok explózie takéhoto strašného množstva energie by zrejme roznieslo na kúsky aj toho fyzika, ktorý by mal to šťastie nájsť spôsob, ako to urobiť. "

Profesor v Ríme.

Fermiho vedecká cesta viedla spoločne s výsledkami priamočiaro k jeho ustanoveniu za vysokoškolského profesora. Výučba a vedenie študentov a spolupracovníkov sa stane jedna z jeho najvýznačnejších domén v ktorej bol excelentný. Ďalšia doména v ktorej vynikal bolo že okrem mimoriadne hlbokých teoretických znalostí bol vedcom - praktikom, ktorý bol bytostne osobne zapojený priamo aj do experimentov. Jeho študentov nazývali (chlapci z Via Panisperna) podľa miesta inštitútu fyziky na Rímskej univerzite. Boli to Oscar D'Agostino, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Franco Rasetti, ktorí sa stali neskôr jeho celoživotnými pracovnými kolegami, k nim sa čoskoro neskôr pripojili pozoruhodní študenti ako Bruno Pontecorvo a  Ettore Majorana. Títo všetci sa neskôr preslávia ako excelentné osobnosti vo vede. 

Traduje sa historka, že Nemci tajne vyslali svojich emisárov preveriť či by nemohli Fermiho angažovať pre ich jadrový výskum. Keď prišli anonymne bez ohlásenia do inštitútu fyziky, práve robili experimenty s ožarovaním. Fermi osobne behal s asistentom z poschodia do prízemia, držiac ožarovaný materiál na svojej hrudi, pretože kvôli žiareniu a vyhodnocovaniu boli tieto priestory na iných podlažiach. Keď to emisári videli, boli šokovaní a vrátili sa do Nemecka so správou že „Fermi nemôže byť seriózny vedec, keď behá so svojimi študentami po chodbách ako splašený poloblázon.....“

Nobelova Cena a emigrácia.

V roku 1938 dostal Fermi Nobelovu cenu za fyziku vo veku 37 rokov. Fermi bol asi doteraz jediný človek, ktorého sa potajomky vopred opýtali, či Nobelovu cenu prijme.  Dostal ju za svoje "demonštrácie existencie nových rádioaktívnych prvkov vyrobených neutrónovým ožiarením a za súvisiaci objav jadrových reakcií spôsobených pomalými neutrónmi." Po prebratí Nobelovej Ceny v Štokholme, sa Fermi s rodinou do Talianska nevrátil, ale odcestoval do USA, kde požiadal o trvalý pobyt. Jeho rozhodnutie bolo spôsobené najmä rasovými zákonmi v Taliansku a skutočnosťou že jeho manželka pochádzala z prestížnej bohatej židovskej rodiny. Po príchode do USA mu päť univerzít ihneď ponúklo prácu.

Fermiho koniec:

Tak ako bájny Prométheus ktorý ukradol oheň z Božského Olympu a priniesol ho ľuďom v dutej palici bol za to potrestaný tým že bol prikovaný na Kaukaze a každý deň mu z jeho pečene odšklbol časť orol, aj Fermiho koniec bol ťažký. Za svoj prínos pre ľudstvo a vedu zaplatil svojim životom, umrel  53 ročný na rakovinu žalúdka, čo bola zrejme daň rádioaktívnych výskumov a jeho osobná účasť v nich. V tých časoch ešte ani nevedeli o ich škodlivých účinkoch, a pravdupovediac ani moc na ne nedbali. Boli príliš fascinovaní tým čo práve objavili, a tým čo objaviť ešte môžu...

Kto bol Leslie Groves?

Generálny poručík Leslie Richard Groves Jr. bol veliteľom viacerých špeciálnych armádnych projektov. Ako syn armádneho kaplána žil na rôznych miestach USA. V roku 1918 absolvoval Vojenskú akadémiu West Point a bol poverený americkým armádnym zborom inžinierov. V roku 1929 budoval v Nikarague vodný systém Managua. Po absolvovaní školy veliteľstva a generálneho štábu vo Fort Leavenworth bol vyslaný do generálneho štábu. Stal sa špeciálnym zástupcom generálneho štábu pre výstavbu obrovského kancelárskeho komplexu pre 40 000 vojakov známy ako Pentagon. V septembri 1942 prevzal Groves projekt Manhattan. Už vtedy mal povesť človeka, ktorý je „čarodejník v plnení úloh", jasný vodca a "vyžaduje nekompromisne, aby veci boli urobené kvalitne, načas a v rámci rozpočtu“. Zapojil sa aktívne aj do väčšiny oblastí podpory vývoja atómovej bomby. Podieľal sa na výbere lokalít pre výskum a výrobu v Oak Ridge, Tennessee; Los Alamos, Nové Mexiko; a Hanford, Washington. Riadil stavby a prijímal dôležité kritické rozhodnutia, získaval suroviny, riadil vojenské spravodajské informácie o nemeckom projekte jadrovej energie a pomohol vytipovať aj mestá v Japonsku, ktoré boli neskôr vybrané ako ciele na zhodenie atómových bômb. Po vojne mal Groves na starosti projekt Manhattan, až kým zodpovednosť za výrobu jadrových zbraní nebol v roku 1947 odovzdaný Komisii pre atómovú energiu Spojených štátov amerických. Potom riadil projekt, ktorý bol vytvorený na kontrolu vojenských aspektov jadrových zbraní. Na generálporučíka ho menovali tesne pred svojim odchodom do dôchodku 29. februára 1948, ale špeciálnym kongresovým zákonom bol dátum jeho hodnosti opätovne datovaný do 16. júla 1945, - dátum jadrového testu Trinity. Na dôchodku sa stal viceprezidentom v spoločnosti Sperry Rand.

Jeden z jeho bývalých podriadených o ňom napísal takúto charakteristiku:

„Po prvé, generál Groves je najväčšia osobnosť s akou som kedy spolupracoval. On je najnáročnejší. Čo je najdôležitejšie, je vodcom, ktorý však nikdy nechváli. Je zádrapčivý až sarkastický. Nezohľadňuje žiadne bežné organizačné kanály. Je mimoriadne inteligentný. Má odvahu robiť aj mimoriadne ťažké, ale včasné rozhodnutia. On je ten najarogantnejší človek, ktorého poznám. Vie, že má pravdu, a tak sa drží svojho rozhodnutia. Hľadá energiu a očakáva, že každý bude pracovať tak tvrdo, alebo dokonca ťažšie ako on. Aj keď mi dal veľkú zodpovednosť a dostatočnú autoritu na vykonávanie svojich príkazov, neustále sa s ním musím radiť. Aby kompenzoval, že mal malý personál, bezvýhradne ochránil celý náš projekt pred inými zásahmi vládnych agentúr, čo nám uľahčilo prácu. Zriedka prijal ďalšiu spoluprácu od iných agentúr a ak, potom iba za svojich podmienok. Počas vojny som mal príležitosť stretnúť sa s mnohými našimi najvýznamnejšími vodcami v armáde, námorníctve a letectve, ako aj mnohými našimi vynikajúcimi vedeckými, inžinierskymi a priemyselnými vodcami, ale on je proste jednička. A na záver, keby som ešte raz mal robiť svoju časť projektu na atómovej bombe a mal privilégium si vyberať svojho šéfa, určite by som si vybral generála Grovesa.“

Groves umrel 73 ročný na srdcový záchvat v roku 1970 vo vojenskej nemocnici. 

Nabudúce - Prvá jadrová elektráreň.....

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

ŠPORT

Hamšík vypadol z Ancelottiho zostavy, o odchode neuvažuje

Nerozumiem, odkiaľ tieto správy pochádzajú, odbil tvrdenia agent Petráš.

Blog Radovana Bránika

Synovia Detvy, Bytes a ďalší z kola von

Ľudia z pozadia firmy BYTES sa v obave z negatívnej publicity ozvali.


Už ste čítali?