De uitvinding van de kernreactor was een van de bepalende momenten van de 20e eeuw. De dageraad van het atoomtijdperk mag dan zijn ingeluid met de ontploffing van het eerste kernwapen, maar de kiem voor dat moment en de enorme sociaal-politieke veranderingen die daarop volgden waren al jaren eerder gelegd door wetenschappers als Enrico Fermi.

Fermi, een Italiaanse natuurkundige die toen in Amerika werkte en een sleutelfiguur was in het Manhattan Project, maakte zijn belangrijke doorbraak in 1942, toen hij de eerste door de mens veroorzaakte nucleaire kettingreactie produceerde op een squashbaan aan de Universiteit van Chicago. Fermi's reactor was de cruciale test die de voortgang van het Manhattan Project mogelijk maakte, wat leidde tot de Trinity Test (de eerste detonatie van een kernwapenin New Mexico) drie jaar later en, natuurlijk, de daaropvolgende bombardementen op Hiroshima en Nagasaki die een einde maakten aan de Tweede Wereldoorlog.

Een jong wonderkind

De belangstelling van Enrico Fermi voor natuurkunde en wiskunde werd in zijn vroege tienerjaren gewekt toen hij een oud boekwerk van 900 bladzijden vond waarin wiskunde, klassieke mechanica, astronomie, optica en akoestiek werden gepresenteerd zoals ze ten tijde van de publicatie in 1840 werden begrepen. Deze ontluikende fascinatie werd opgemerkt door een vriend van zijn vader, Adolfo Amidei, die genoeg over wetenschap wist omAmidei beschreef Fermi als "een wonderkind, tenminste wat meetkunde betreft" en nam de taak op zich om Fermi's intellect te cultiveren door hem mentorschap en veel boeken aan te bieden.

De jonge Enrico Fermi in 1917

Image Credit: G. Cerri, Publiek domein, via Wikimedia Commons

De verwachtingen van Amidei werden snel bewaarheid. Fermi studeerde in juli 1918 af aan de middelbare school, nadat hij het derde jaar volledig had overgeslagen, en won een beurs van de Scuola Normale Superiore van Pisa. Nadat hij zijn laurea (doctorsgraad) op de ongewoon jonge leeftijd van 20 jaar had behaald, begon Fermi aan een formidabele academische carrière. In 1926 ontdekte hij de statistische wetten (tegenwoordig bekend als de "Fermistatistiek') voor de deeltjes die onderworpen zijn aan het uitsluitingsprincipe van Pauli (nu bekend als Fermionen). Een jaar later werd hij gekozen tot hoogleraar theoretische fysica aan de universiteit van Rome.

Tegen het einde van zijn ambtstermijn in Rome had zijn baanbrekende studie van de atoomkern een aantal belangrijke doorbraken opgeleverd, niet in het minst zijn voorstel uit 1934 dat neutronen (die twee jaar eerder door James Chadwick waren ontdekt) konden worden gebruikt om atomen te splitsen. In 1938 ontving Fermi, nog maar 37, de Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn "demonstraties van het bestaan van nieuwe radioactieveelementen geproduceerd door neutronenbestraling, en voor zijn verwante ontdekking van kernreacties veroorzaakt door langzame neutronen".

Ontsnapping uit fascistisch Italië

Het ontvangen van een Nobelprijs is een gedenkwaardig moment in ieders leven, maar in het verhaal van Enrico Fermi kreeg het een extra betekenis. Toen hij de prijs in 1938 ontving, op de drempel van de Tweede Wereldoorlog, beperkte het regime van Benito Mussolini het reizen van Italianen wier werk van vitaal belang werd geacht voor de nationale veiligheid. Maar Fermi's onderscheiding was belangrijk genoeg dat hij toestemming kreeg om een bezoek te brengen aanZweden om zijn prijs in ontvangst te nemen.

Als lid van de fascistische partij was Fermi in 1938 ontgoocheld geraakt en hij was een uitgesproken criticus van de rassenhervormingen die dat jaar werden ingevoerd. Zo was Fermi's vrouw, Laura, joods en werd zij waarschijnlijk vervolgd. Toen hij de kans kreeg om naar Zweden te reizen, nam hij Laura en hun twee kinderen mee. Zij keerden nooit terug.

Benito Mussolini, de leider van het fascistische Koninkrijk Italië

Image Credit: Onbekende auteur, Publiek domein, via Wikimedia Commons

Na ontvangst van zijn Nobelprijs in Stockholm, Zweden, reisde Fermi met zijn gezin naar New York, waar hem onmiddellijk posities aan vijf universiteiten werden aangeboden. Hij accepteerde een rol in Columbia en zette zijn studie van neutronen voort. Maar het was een drukke tijd voor iedereen die in de atoomfysica werkte. Nauwelijks had hij tijd gehad om zich in zijn nieuwe leven te vestigen, maar Fermi's werk werd opgeschrikt door nieuws uit Duitsland. In het begin van1939 Otto Hahn en Fritz Strassmann ontdekten het element barium na het bombarderen van uranium met neutronen, een resultaat dat wees op de mogelijkheid van kernsplijting.

Tot op zekere hoogte bracht de ontdekking Fermi in verlegenheid, die drie jaar eerder de mogelijkheid van kernsplijting had verworpen, maar hij zag al snel het belang van de ontdekking en de enorme implicaties ervan in. Voortgestuwd door de mogelijke verwezenlijking van een gecontroleerde nucleaire kettingreactie begon hij te werken aan een reeks experimenten die zouden leiden tot de bouw van de eerste kernreactor.

Fermi onderkende ook snel de potentiële militaire toepassing van de ontdekking van de Duitse chemici en uitte zijn bezorgdheid in een lezing op 18 maart 1939 voor het ministerie van Marine. Enkele maanden later was hij medeondertekenaar van een brief (samen met Albert Einstein, Edward Teller en Eugene Wigner) van de natuurkundige Leo Szilard aan president Franklin D. Roosevelt. In de brief werd gewaarschuwd datDuitsland zou atoombommen kunnen ontwikkelen en stelde voor dat de Verenigde Staten hun eigen nucleaire programma zouden starten.

De architect van het nucleaire tijdperk

In februari 1940 kende de Amerikaanse marine aan de Columbia Universiteit 6.000 dollar toe, waarvan Fermi en Szilard het grootste deel besteedden aan de aankoop van grafiet voor de bouw van een reactor die hopelijk het werk van Hahn en Strassmann zou kunnen verifiëren.

Ernest O. Lawrence, Fermi (midden), en Isidor Isaac Rabi...

Image Credit: National Archives at College Park, Publiek domein, via Wikimedia Commons

Twee jaar van experimenten volgden, die aanzienlijk meer dan 6.000 dollar aan kosten met zich meebrachten en de bouw van talrijke 'atoompalen', maar het duurde tot de creatie van de Chicago Pile-1 op Stagg Field, een grotendeels ongebruikt American football-terrein aan de rand van Chicago, voordat Fermi eindelijk een nucleaire kettingreactie tot stand bracht.

Fermi en zijn team kozen de locatie - een ruimte onder de tribune van Stagg Field die slechts af en toe werd gebruikt als squash- en handbalveld - omdat het, in tegenstelling tot de meeste universitaire eigendommen, aan de rand van Chicago lag. Ze wilden het risico vermijden van de bouw van een operationele reactor in een bevolkt gebied.

Fermi hield toezicht op de bouw van een reactor die bestond uit uranium en uraniumoxide in een kubusvormig rooster ingebed in grafiet. Deze constructie werd ingekapseld in een kubusvormige ballon van 25 voet zodat de lucht binnenin kon worden vervangen door kooldioxide. Gezien de omvang van het project was het een tamelijk geïmproviseerd bouwproject dat werd uitgevoerd met de hulp van 30 schoolverlaters diewilden graag wat geld verdienen voordat ze het leger in moesten.

Het kritieke moment brak aan op 2 december 1942. Die ochtend verliep het experiment zoals gewoonlijk: de controlestaafjes werden één voor één uit de stapel gehaald, met bemoedigende resultaten van de geigerteller... Totdat het proces abrupt werd stopgezet. Het automatische controlestaafje had zichzelf weer teruggeplaatst omdat het uitschakelniveau te laag was ingesteld. Op de rand van een historische doorbraak besloot Fermi te vragen om eenlunchpauze.

Het experiment werd na de lunch hervat en de plagerig hoopvolle vooruitgang van de ochtend werd al snel geverifieerd; Fermi's reactor bereikte criticaliteit en de geschiedenis was voorgoed veranderd. Het team opende een fles Chianti en toostte op hun doorbraak met papieren bekertjes.

Speciaal projectleider Arthur Compton werd genoteerd terwijl hij James B. Conant, voorzitter van het National Defence Research Committee, inlichtte:

De Italiaanse navigator is geland in de Nieuwe Wereld.

Hoe waren de inboorlingen?

Compton: Zeer vriendelijk