Izum jedrskega reaktorja je bil eden od odločilnih trenutkov 20. stoletja. Atomska doba se je morda začela z detonacijo prvega jedrskega orožja, vendar so znanstveniki, kot je bil Enrico Fermi, seme za ta trenutek in velike družbeno-politične spremembe, ki so sledile, zasejali že leta prej.

Fermi, italijanski fizik, ki je takrat delal v Ameriki in bil ključna osebnost projekta Manhattan, je leta 1942 na igrišču za skvoš na Univerzi v Chicagu izvedel prvi jedrski reaktor, ki ga je izdelal človek. Fermijev reaktor je bil ključni preizkus, ki je omogočil napredek projekta Manhattan in pripeljal do poskusa Trinity (prva eksplozija jedrskega orožjav Novi Mehiki) tri leta pozneje in seveda bombardiranje Hirošime in Nagasakija, s katerim se je končala druga svetovna vojna.

Mladi čudežni deček

Enrico Fermi se je rodil leta 1901 v Rimu, zanimanje za fiziko in matematiko pa se je v njem prebudilo v zgodnjih najstniških letih, ko je našel staro 900 strani dolgo knjigo, ki je predstavljala matematiko, klasično mehaniko, astronomijo, optiko in akustiko, kot so jih razumeli v času izida leta 1840. To rastoče navdušenje je opazil očetov prijatelj Adolfo Amidei, ki je imel dovolj znanja o znanosti, daAmidei je Fermija opisal kot "čudežnega dečka, vsaj kar zadeva geometrijo" in se je zavzel, da bi gojil Fermijev intelekt, mu ponudil mentorstvo in veliko knjig.

Mladi Enrico Fermi leta 1917

Slika: G. Cerri, Public domain, via Wikimedia Commons

Amidejina pričakovanja so se hitro uresničila. Fermi je julija 1918 končal srednjo šolo, saj je v celoti preskočil tretji letnik, in dobil štipendijo na Scuola Normale Superiore v Pisi. Fermi je pri nenavadno mladih 20 letih prejel naziv laurea (doktor) in začel izjemno akademsko kariero. Leta 1926 je odkril statistične zakone (danes znane kot "Fermijevi zakonistatistika"), ki ureja delce, za katere velja Paulijevo izključitveno načelo (zdaj znani kot fermioni). Leto pozneje je bil izvoljen za profesorja teoretične fizike na Univerzi v Rimu.

Do konca svojega službovanja v Rimu je s svojim prelomnim raziskovanjem atomskega jedra dosegel številne pomembne rezultate, med drugim je leta 1934 predlagal, da bi nevtrone (ki jih je dve leti prej odkril James Chadwick) lahko uporabili za cepitev atomov. Leta 1938 je Fermi, ki je imel komaj 37 let, prejel Nobelovo nagrado za fiziko za "dokazovanje obstoja novih radioaktivnih elementov".elementov, ki nastanejo z obsevanjem z nevtroni, in s tem povezano odkritje jedrskih reakcij, ki jih povzročajo počasni nevtroni."

Pobeg iz fašistične Italije

Prejem Nobelove nagrade je dovolj pomemben trenutek v življenju vsakogar, vendar je imel v zgodbi Enrica Fermija poseben pomen. Ko je leta 1938, na pragu druge svetovne vojne, prejel nagrado, je režim Benita Mussolinija omejil potovanja Italijanov, katerih delo je bilo ključno za nacionalno varnost. Vendar je bilo Fermijevo priznanje dovolj pomembno, da je dobil dovoljenje za obiskŠvedska, kjer je prejel nagrado.

Fermi, ki je bil član fašistične stranke, se je leta 1938 razočaral in je bil glasen kritik rasnih reform, uvedenih tistega leta. Fermijeva žena Laura je bila Judinja, zato jo je verjetno čakalo preganjanje. Fermi je dobil priložnost, da odpotuje na Švedsko, zato je s seboj vzel Lauro in dva otroka. Nikoli se niso vrnili.

Benito Mussolini, vodja fašistične Kraljevine Italije

Slika: Neznani avtor, javna domena, prek Wikimedia Commons

Po prejemu Nobelove nagrade v Stockholmu na Švedskem je Fermi z družino odpotoval v New York, kjer so mu takoj ponudili delovna mesta na petih univerzah. Sprejel je mesto na Kolumbijski univerzi in nadaljeval študij nevtronov. Vendar je bil to naporen čas za vse, ki so se ukvarjali z atomsko fiziko. Komaj se je Fermi ustalil v novem življenju, je njegovo delo pretresla novica iz Nemčije.1939 Otto Hahn in Fritz Strassmann sta po bombardiranju urana z nevtroni odkrila element barij, kar je pomenilo možnost jedrske cepitve.

Odkritje je Fermija, ki je tri leta prej zavrnil možnost cepitve, do neke mere spravilo v zadrego, vendar je hitro spoznal pomen odkritja in njegove velike posledice. Zaradi možnosti uresničitve nadzorovane jedrske verižne reakcije je začel delati na vrsti poskusov, ki so pripeljali do izdelave prvega jedrskega reaktorja.

Fermi je prav tako hitro prepoznal možnost vojaške uporabe odkritja nemških kemikov in svoje pomisleke izrazil v predavanju na ministrstvu za mornarico 18. marca 1939. Nekaj mesecev pozneje je sopodpisal pismo (skupaj z Albertom Einsteinom, Edwardom Tellerjem in Eugenom Wignerjem) fizika Lea Szilarda, naslovljeno na predsednika Franklina D. Roosevelta.Nemčija bi lahko razvila atomsko bombo, in je predlagal, naj Združene države začnejo svoj jedrski program.

Arhitekt jedrske dobe

Februarja 1940 je ameriška mornarica Univerzi Columbia dodelila 6.000 dolarjev sredstev, ki sta jih Fermi in Szilard porabila za nakup grafita za gradnjo reaktorja, za katerega sta upala, da bo potrdil delo Hahna in Strassmanna.

Ernest O. Lawrence, Fermi (v sredini) in Isidor Isaac Rabi

Slika: National Archives at College Park, javna domena, prek Wikimedia Commons

Sledila sta dve leti poskusov, ki so prinesli precej več kot 6.000 dolarjev stroškov in gradnjo številnih "atomskih pilotov", vendar je Fermi končno dosegel jedrsko verižno reakcijo šele s postavitvijo čikaškega pilota 1 na Stagg Field, večinoma neuporabljenem igrišču za ameriški nogomet na obrobju Chicaga.

Fermi in njegova ekipa so se odločili za lokacijo - prostor pod tribunami na igrišču Stagg Field, ki je bil le občasno uporabljen kot igrišče za skvoš in rokomet -, ker je bil v nasprotju z večino nepremičnin v lasti univerz na obrobju Chicaga. Želeli so se izogniti tveganju gradnje delujočega reaktorja na naseljenem območju.

Fermi je nadzoroval gradnjo reaktorja, ki je bil sestavljen iz urana in uranovega oksida v kockasti mreži, vdelani v grafit. Ta konstrukcija je bila zaprta v 25-metrskem balonu v obliki kocke, tako da je zrak v njej lahko nadomestil ogljikov dioksid. Glede na obsežnost projekta je šlo za precej provizorično gradnjo, ki jo je opravilo 30 srednješolcev, ki soso želeli zaslužiti nekaj denarja, preden so bili vpoklicani v vojsko.

Odločilni trenutek je prišel 2. decembra 1942. Tisto jutro je poskus potekal kot običajno - kontrolne palice so bile ena za drugo odstranjene s kupa, Geigerjev števec pa je dajal spodbudne rezultate ... Dokler se postopek ni nenadoma ustavil. Avtomatska kontrolna palica se je zaradi prenizko nastavljene ravni sprožitve ponovno vstavila. Na pragu zgodovinskega preboja se je Fermi odločil sklicatiodmor za kosilo.

Poskus se je nadaljeval po kosilu in jutranji napredek, ki je vzbujal upanje, se je kmalu potrdil; Fermijev reaktor je dosegel kritičnost in zgodovina se je za vedno spremenila. Ekipa je odprla steklenico Chiantija in nazdravila svojemu preboju s papirnatimi skodelicami.

Vodja posebnega projekta Arthur Compton je o tem obvestil Jamesa B. Conanta, predsednika Nacionalnega odbora za obrambne raziskave:

Compton: Italijanski navigator je pristal v Novem svetu.

Conant: Kakšni so bili domačini?

Compton: Zelo prijazno