Oppfinnelsen av atomreaktoren var et av det 20. århundres avgjørende øyeblikk. Atomalderens begynnelse kan ha blitt innledet med detonasjonen av det første atomvåpenet, men kimen til det øyeblikket og de enorme sosiopolitiske endringene som fulgte ble sydd år før av forskere som Enrico Fermi.

Et ungt vidunderbarn

Enrico Fermis ble født i Roma i 1901, og interessen for fysikk og matematikk ble vekket tidlig i tenårene da han fant en gammel 900-siders bok som presenterte matematikk, klassisk mekanikk, astronomi, optikk og akustikk slik de ble forstått på tidspunktet for utgivelsen i 1840. Denne gryende fascinasjonen ble lagt merke til av en venn av farens, Adolfo Amidei, som visstenok om vitenskap til å anerkjenne den unge guttens glans. Amidei beskrev Fermi som «et vidunderbarn, i det minste med hensyn til geometri» og tok på seg å dyrke Fermis intellekt, og tilbød mentorskap og mange bøker.

Ung Enrico Fermi i 1917

Image Credit: G. Cerri, Public domain, via Wikimedia Commons

Amideis forventninger ble raskt realisert. Fermi ble uteksaminert fra videregående skole i juli 1918, etter å ha hoppet over det tredje året helt, og vant et stipendiat ved Scuola Normale Superiore i Pisa. Etter å ha mottatt sin laurea (doktorgrad) i en uvanlig unge alder av 20, begynte Fermi på en formidabel akademisk karriere. I 1926 oppdaget han de statistiske lovene (i dag kjent som 'Fermi-statistikken') som styrer partiklene underlagt Paulis eksklusjonsprinsipp (nå kjent som Fermions). Et år senere ble han valgt til professor i teoretisk fysikk ved universitetet i Roma.

Ved slutten av sin periode i Roma hadde hans banebrytende studie av atomkjernen gitt en rekke viktige gjennombrudd, ikke minst hans forslag fra 1934 om at nøytroner (som hadde blitt oppdaget av James Chadwick to år tidligere) kunne brukes til å splitte atomer. I 1938 mottok Fermi, fortsatt bare 37 år, Nobelprisen i fysikk for sine «demonstrasjoner av eksistensen av nye radioaktive grunnstoffer produsert ved nøytronbestråling, og for sin relaterte oppdagelse avkjernefysiske reaksjoner forårsaket av langsomme nøytroner».

Flukt fra det fascistiske Italia

Å motta en Nobelpris er et viktig nok øyeblikk i noens liv, men det kom til å få ekstra betydning i historien om Enrico Fermi. Da han ble tildelt prisen i 1938, på randen av andre verdenskrig, begrenset Benito Mussolinis regime reise for italienere hvis arbeid ble ansett som avgjørende for nasjonal sikkerhet. Men Fermis utmerkelse var viktig nok til at han fikk tillatelse til å besøke Sverige for å motta prisen.

Etter å ha vært medlem av fascistpartiet, var Fermi blitt skuffet i 1938 og han var en vokal kritiker av rasereformene introdusert det året. For det første var Fermis kone, Laura, jødisk og ble sannsynligvis utsatt for forfølgelse. Da han fikk sjansen til å reise til Sverige, tok han med seg Laura og deres to barn. De kom aldri tilbake.

Benito Mussolini, lederen av det fascistiske kongeriket Italia

Bildekreditt: Ukjent forfatter, Public domain, via Wikimedia Commons

Etter å ha mottatt Nobelprisen i Stockholm, Sverige, reiste Fermi og familien til New York hvor han umiddelbart ble tilbudt stillinger ved fem universiteter. Han aksepterte en rolle ved Columbia og fortsatte studiet av nøytroner. Men det var en travel tid for alle som jobbet med atomfysikk. Etter å ha knapt hatt tid til å finne seg til rette i sitt nye liv, ble Fermis arbeid rystet av nyheter fra Tyskland. Tidlig1939 Otto Hahn og Fritz Strassmann oppdaget grunnstoffet barium etter å ha bombardert uran med nøytroner, et resultat som signaliserte muligheten for kjernefysisk fisjon.

Til en viss grad gjorde oppdagelsen forlegenhet for Fermi, som hadde avvist muligheten for fisjon i tre år. tidligere, men han innså raskt viktigheten av funnet og dets enorme implikasjoner. Fremdrevet av den potensielle realiseringen av en kontrollert kjernefysisk kjedereaksjon begynte han arbeidet med en serie eksperimenter som ville føre til opprettelsen av den første atomreaktoren.

Fermi var også rask til å anerkjenne den potensielle militære anvendelsen av tyskeren kjemikernes oppdagelse og uttrykte sine bekymringer i et foredrag ved marineavdelingen 18. mars 1939. Noen måneder senere signerte han et brev (sammen med Albert Einstein, Edward Teller og Eugene Wigner) skrevet av fysikeren Leo Szilard og adressert til President Franklin D. Roosevelt. Brevet advarte om at Tyskland kunne utvikle atombomber og foreslo at USA skulle starte sitt eget atomprogram.

Kernefysisk tids arkitekt

I februar 1940, den amerikanske marinen tildelte Columbia University 6000 dollar i midler, hvorav mesteparten av disse brukte Fermi og Szilard på å kjøpe grafitt for bygging av en reaktor som de håpet kunne bekrefte arbeidet til Hahn og Strassmann.

Ernest O. Lawrence, Fermi (midten) og IsidorIsaac Rabi

Image Credit: National Archives at College Park, Public domain, via Wikimedia Commons

To år med eksperimenter fulgte, som påløpte betydelig mer enn $6 000 i utgifter og innebar bygging av en rekke 'atomic' piles', men det var ikke før etableringen av Chicago Pile-1 på Stagg Field, en stort sett ubrukt amerikansk fotballbane i utkanten av Chicago, at Fermi endelig oppnådde en kjernefysisk kjedereaksjon.

Fermi og teamet hans slo seg fast på stedet – en plass under tribunene på Stagg Field som bare av og til ble brukt som squash- og håndballbane – fordi det, i motsetning til de fleste universitetseide eiendommer, lå i utkanten av Chicago. De var opptatt av å unngå risikoen ved å bygge en operativ reaktor i et befolket område.

Fermi hadde tilsyn med byggingen av en reaktor som besto av uran og uranoksid i et kubisk gitter innebygd i grafitt. Denne konstruksjonen var innkapslet i en 25 fots kubeformet ballong slik at luften inne kunne erstattes av karbondioksid. Med tanke på omfanget av prosjektet var det en ganske provisorisk byggejobb utført med bistand fra 30 avhoppere fra videregående skoler som var ivrige etter å tjene penger før de ble innkalt til militæret.

Det kritiske øyeblikket kom 2. desember 1942. Den morgenen gikk eksperimentet som vanlig – kontrollstaver ble fjernet fra haugen en etteren, fremkalte oppmuntrende resultater fra Geiger-telleren... Helt til saksbehandlingen ble brått stanset. Den automatiske kontrollstangen hadde satt seg inn igjen på grunn av at turnivået var satt for lavt. På dukken til et historisk gjennombrudd, bestemte Fermi seg for å be om en lunsjpause.

Eksperimentet ble gjenopptatt etter lunsj og morgenens ertende håpefulle fremgang ble snart bekreftet; Fermis reaktor oppnådde kritikalitet og historien ble endret for alltid. Teamet åpnet en flaske Chianti og skålte for gjennombruddet med papirkopper.

Spesiell prosjektleder Arthur Compton ble tatt opp og varslet James B. Conant, leder av National Defense Research Committee:

Compton: Den italienske navigatøren har landet i den nye verden.

Conant: Hvordan var de innfødte?

Compton: Veldig vennlig