Wynalezienie reaktora jądrowego było jednym z przełomowych momentów XX wieku. Początek ery atomowej mógł nastąpić wraz z detonacją pierwszej broni jądrowej, ale nasiona tego momentu i ogromnych zmian społeczno-politycznych, które po nim nastąpiły, zostały zaszyte wiele lat wcześniej przez naukowców takich jak Enrico Fermi.

Fermi, włoski fizyk pracujący wówczas w Ameryce jako kluczowa postać Projektu Manhattan, dokonał istotnego przełomu w 1942 r., wytwarzając pierwszą reakcję łańcuchową na boisku do squasha na Uniwersytecie w Chicago. Reaktor Fermiego był kluczowym testem, który umożliwił rozwój Projektu Manhattan, prowadząc do Testu Trójcy (pierwszej detonacji broni jądrowejw Nowym Meksyku) trzy lata później i, oczywiście, następujące po nich bombardowania Hiroszimy i Nagasaki, które zakończyły II wojnę światową.

Młody cudotwórca

Urodzony w Rzymie w 1901 r. Enrico Fermi zainteresował się fizyką i matematyką już we wczesnych latach młodzieńczych, kiedy znalazł stare 900-stronicowe dzieło, które przedstawiało matematykę, mechanikę klasyczną, astronomię, optykę i akustykę w formie, w jakiej były one rozumiane w momencie publikacji w 1840 r. Ta rodząca się fascynacja została zauważona przez przyjaciela jego ojca, Adolfo Amidei, który znał się na nauce na tyle, byAmidei opisał Fermiego jako "cudowne dziecko, przynajmniej jeśli chodzi o geometrię" i zajął się pielęgnowaniem jego intelektu, oferując mentoring i mnóstwo książek.

Młody Enrico Fermi w 1917 roku

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

Oczekiwania Amidei szybko się spełniły. Fermi ukończył szkołę średnią w lipcu 1918 r., pominąwszy całkowicie trzecią klasę, i zdobył stypendium Scuola Normale Superiore w Pizie. Otrzymawszy laurea (tytuł doktora) w niezwykle młodym wieku 20 lat, Fermi rozpoczął wspaniałą karierę naukową. W 1926 r. odkrył prawa statystyczne (dziś znane jako "Fermistatystyka") rządząca cząstkami podlegającymi zasadzie wykluczenia Pauliego (obecnie znanymi jako Fermiony). Rok później został wybrany profesorem fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Rzymie.

Pod koniec swojej kadencji w Rzymie jego przełomowe badania nad jądrem atomowym przyniosły wiele ważnych przełomów, między innymi jego propozycja z 1934 roku, że neutrony (odkryte przez Jamesa Chadwicka dwa lata wcześniej) mogą być wykorzystane do rozszczepiania atomów. W 1938 roku Fermi, wciąż mając zaledwie 37 lat, otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za "wykazanie istnienia nowych radioaktywnychpierwiastków wytwarzanych przez napromieniowanie neutronami, oraz za związane z tym odkrycie reakcji jądrowych wywoływanych przez powolne neutrony".

Ucieczka z faszystowskich Włoch

Otrzymanie Nagrody Nobla jest wystarczająco doniosłym momentem w życiu każdego człowieka, ale w przypadku Enrico Fermiego miało to dodatkowe znaczenie. Kiedy otrzymał nagrodę w 1938 roku, na progu II wojny światowej, reżim Benito Mussoliniego ograniczył podróże Włochów, których praca została uznana za kluczową dla bezpieczeństwa narodowego. Jednak wyróżnienie Fermiego było na tyle ważne, że pozwolono mu odwiedzićSzwecji, aby odebrać swoją nagrodę.

Będąc członkiem Partii Faszystowskiej, Fermi rozczarował się w 1938 r. i był gorącym krytykiem reform rasowych wprowadzonych w tym roku. Z jednej strony żona Fermiego, Laura, była Żydówką i prawdopodobnie groziły jej prześladowania. Mając możliwość wyjazdu do Szwecji, zabrał ze sobą Laurę i dwójkę ich dzieci. Nigdy nie wrócili.

Benito Mussolini, przywódca faszystowskiego Królestwa Włoch

Image Credit: Unknown author, Public domain, via Wikimedia Commons

Po otrzymaniu Nagrody Nobla w Sztokholmie Fermi wraz z rodziną udał się do Nowego Jorku, gdzie natychmiast zaproponowano mu pracę na pięciu uniwersytetach. Przyjął posadę na Columbii i kontynuował swoje badania nad neutronami. Był to jednak pracowity okres dla każdego, kto zajmował się fizyką atomową. Ledwie zdążył zaaklimatyzować się w nowym życiu, pracą Fermiego wstrząsnęły wieści z Niemiec. Na początku1939 Otto Hahn i Fritz Strassmann wykryli pierwiastek bar po zbombardowaniu uranu neutronami, co było wynikiem sygnalizującym możliwość rozszczepienia jądra.

Do pewnego stopnia odkrycie to wprawiło w zakłopotanie Fermiego, który trzy lata wcześniej odrzucił możliwość rozszczepienia jądra, ale szybko dostrzegł wagę odkrycia i jego ogromne implikacje. Zachęcony potencjalną realizacją kontrolowanej łańcuchowej reakcji jądrowej rozpoczął pracę nad serią eksperymentów, które miały doprowadzić do stworzenia pierwszego reaktora jądrowego.

Fermi również szybko dostrzegł potencjalne militarne zastosowanie odkrycia niemieckich chemików i wyraził swoje obawy w wykładzie w Departamencie Marynarki Wojennej 18 marca 1939 r. Kilka miesięcy później był współsygnatariuszem listu (wraz z Albertem Einsteinem, Edwardem Tellerem i Eugene Wignerem) napisanego przez fizyka Leo Szilarda i skierowanego do prezydenta Franklina D. Roosevelta. List ostrzegał, żeNiemcy mogą opracować bomby atomowe i sugerował, że Stany Zjednoczone powinny rozpocząć własny program nuklearny.

Architekt epoki nuklearnej

W lutym 1940 roku Marynarka Wojenna USA przyznała Uniwersytetowi Columbia fundusze w wysokości 6 000 dolarów, z których większość Fermi i Szilard przeznaczyli na zakup grafitu do budowy reaktora, który - jak mieli nadzieję - mógłby zweryfikować prace Hahna i Strassmanna.

Ernest O. Lawrence, Fermi (w środku) i Isidor Isaac Rabi

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

Dwa lata eksperymentów przyniosły wydatki w wysokości ponad 6 000 dolarów i wiązały się z budową wielu "stosów atomowych", ale dopiero przy tworzeniu stosu Chicago Pile-1 na Stagg Field, nieużywanym boisku do futbolu amerykańskiego na obrzeżach Chicago, Fermi uzyskał reakcję łańcuchową.

Fermi i jego zespół wybrali to miejsce - przestrzeń pod trybunami Stagg Field, która tylko okazjonalnie była używana jako boisko do squasha i piłki ręcznej - ponieważ, w przeciwieństwie do większości nieruchomości należących do uniwersytetu, znajdowała się na obrzeżach Chicago. Chcieli uniknąć ryzyka budowy działającego reaktora w zaludnionym obszarze.

Fermi nadzorował budowę reaktora, który składał się z uranu i tlenku uranu w sześciennej siatce osadzonej w graficie. Konstrukcja ta została zamknięta w balonie w kształcie sześcianu o średnicy 25 stóp, dzięki czemu powietrze w środku mogło zostać zastąpione dwutlenkiem węgla. Biorąc pod uwagę skalę przedsięwzięcia, była to dość prowizoryczna praca budowlana prowadzona z pomocą 30 uczniów szkoły średniej, którzychcieli zarobić trochę pieniędzy przed powołaniem do wojska.

Krytyczny moment nadszedł 2 grudnia 1942 r. Tego ranka eksperyment przebiegał jak zwykle - pręty kontrolne były wyjmowane ze stosu jeden po drugim, wywołując zachęcające wyniki z licznika Geigera... Aż do momentu nagłego zatrzymania. Automatyczny pręt kontrolny włożył się ponownie z powodu zbyt niskiego poziomu wyzwalania. W obliczu historycznego przełomu Fermi postanowił zwołaćprzerwa na lunch.

Eksperyment został wznowiony po obiedzie i poranne, kuszące nadzieje, zostały wkrótce zweryfikowane; reaktor Fermiego osiągnął stan krytyczny i historia zmieniła się na zawsze. Zespół otworzył butelkę Chianti i wzniósł toast za swój przełom papierowymi kubkami.

Kierownik projektu specjalnego Arthur Compton został nagrany, powiadamiając Jamesa B. Conanta, przewodniczącego Komitetu Badań nad Obroną Narodową:

Compton: Włoski nawigator wylądował w Nowym Świecie.

Conant: Jak wyglądali tubylcy?

Compton: Bardzo przyjazny