Uppfinningen av kärnreaktorn var ett av 1900-talets avgörande ögonblick. Atomålderns gryning inleddes kanske med det första kärnvapnets detonation, men fröet till detta ögonblick och de enorma samhällspolitiska förändringar som följde hade lagts flera år tidigare av forskare som Enrico Fermi.

Fermi, en italiensk fysiker som då arbetade i USA som en nyckelfigur i Manhattanprojektet, gjorde sitt avgörande genombrott 1942, då han åstadkom den första av människan skapade kedjereaktionen på en squashplan vid universitetet i Chicago. Fermis reaktor var det avgörande testet som möjliggjorde utvecklingen av Manhattanprojektet, vilket ledde till Trinity-testet (den första detonationen av ett kärnvapen).i New Mexico) tre år senare och naturligtvis bombningarna av Hiroshima och Nagasaki som avslutade andra världskriget.

Ett ungt underbarn

Enrico Fermi föddes i Rom 1901 och hans intresse för fysik och matematik väcktes i tonåren när han hittade en gammal 900-sidig bok som presenterade matematik, klassisk mekanik, astronomi, optik och akustik så som man förstod dem vid tiden för publiceringen 1840. Denna begynnande fascination uppmärksammades av en vän till hans far, Adolfo Amidei, som visste tillräckligt mycket om vetenskap för attAmidei beskrev Fermi som "ett underbarn, åtminstone när det gäller geometri" och tog på sig att odla Fermis intellekt genom att erbjuda mentorskap och massor av böcker.

Den unge Enrico Fermi 1917

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

Amideis förväntningar infriades snabbt. Fermi tog examen från gymnasiet i juli 1918, efter att ha hoppat över det tredje året helt och hållet, och fick ett stipendium från Scuola Normale Superiore i Pisa. Efter att ha fått sin laurea (doktorsexamen) vid ovanligt ung ålder av 20 år inledde Fermi en formidabel akademisk karriär. 1926 upptäckte han de statistiska lagarna (som idag är kända som "Fermistatistik") som styr de partiklar som omfattas av Paulis uteslutningsprincip (nu kända som fermioner). Ett år senare valdes han till professor i teoretisk fysik vid universitetet i Rom.

I slutet av sin tid i Rom hade hans banbrytande studier av atomkärnan lett till ett antal viktiga genombrott, inte minst hans förslag från 1934 om att neutroner (som hade upptäckts av James Chadwick två år tidigare) skulle kunna användas för att klyva atomer. 1938 mottog Fermi, som bara var 37 år gammal, nobelpriset i fysik för sina "demonstrationer av förekomsten av nya radioaktivagrundämnen som produceras genom neutronbestrålning, och för hans relaterade upptäckt av kärnreaktioner som orsakas av långsamma neutroner".

Flykt från det fascistiska Italien

Att få Nobelpriset är ett viktigt ögonblick i någons liv, men i Enrico Fermis historia fick det extra stor betydelse. När han tilldelades priset 1938, på gränsen till andra världskriget, begränsade Benito Mussolinis regim resandet för italienare vars arbete ansågs vara viktigt för den nationella säkerheten. Men Fermis utmärkelse var tillräckligt viktig för att han fick tillstånd att besökaSverige för att ta emot sitt pris.

Fermi hade varit medlem av det fascistiska partiet, men hade blivit besviken 1938 och han var en högljudd kritiker av de rasreformer som infördes det året. Bland annat var Fermis fru Laura judinna och riskerade troligen att bli förföljd. När han fick chansen att resa till Sverige tog han Laura och deras två barn med sig. De återvände aldrig.

Benito Mussolini, ledare för det fascistiska kungariket Italien.

Bild: Okänd författare, Public domain, via Wikimedia Commons

Efter att ha fått sitt Nobelpris i Stockholm reste Fermi och hans familj till New York där han omedelbart erbjöds tjänster vid fem universitet. Han accepterade en tjänst vid Columbia och fortsatte sina studier av neutroner. Men det var en hektisk tid för alla som arbetade med atomfysik. Knappt hade Fermi hunnit finna sig tillrätta i sitt nya liv, när hans arbete skakades om av nyheter från Tyskland. I början av1939 Otto Hahn och Fritz Strassmann upptäckte grundämnet barium efter att ha bombarderat uran med neutroner, ett resultat som visade på möjligheten av kärnklyvning.

I viss mån var upptäckten pinsam för Fermi, som tre år tidigare hade avfärdat möjligheten av fission, men han insåg snabbt betydelsen av upptäckten och dess enorma konsekvenser. Drivet av den potentiella möjligheten av en kontrollerad nukleär kedjereaktion började han arbeta på en serie experiment som skulle leda till skapandet av den första kärnreaktorn.

Fermi insåg också snabbt att de tyska kemisternas upptäckt kunde komma att användas militärt och uttryckte sin oro i ett föredrag vid flottans ministerium den 18 mars 1939. Några månader senare undertecknade han tillsammans med Albert Einstein, Edward Teller och Eugene Wigner ett brev (tillsammans med fysikern Leo Szilard) till president Franklin D. Roosevelt, där han varnade för attTyskland skulle kunna utveckla atombomber och föreslog att USA skulle starta ett eget kärnvapenprogram.

Arkitekten för kärnkraftsåldern

I februari 1940 beviljade den amerikanska flottan Columbia University 6 000 dollar, varav Fermi och Szilard använde det mesta till att köpa grafit för att bygga en reaktor som de hoppades skulle kunna verifiera Hahns och Strassmanns arbete.

Ernest O. Lawrence, Fermi (i mitten) och Isidor Isaac Rabi

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

Två år av experiment följde, vilket innebar utgifter på över 6 000 dollar och byggandet av många "atomiska högar", men det var inte förrän Fermi skapade Chicago Pile-1 på Stagg Field, en i stort sett oanvänd amerikansk fotbollsplan i utkanten av Chicago, som Fermi äntligen lyckades åstadkomma en kärnteknisk kedjereaktion.

Fermi och hans team bestämde sig för platsen - ett utrymme under läktarna på Stagg Field som bara ibland användes som squash- och handbollsplan - eftersom det, till skillnad från de flesta universitetsägda fastigheter, låg i utkanten av Chicago. De ville undvika risken att bygga en fungerande reaktor i ett befolkat område.

Fermi övervakade byggandet av en reaktor som bestod av uran och uranoxid i ett kubiskt gitter inbäddat i grafit. Konstruktionen var innesluten i en 25-fots kubformad ballong så att luften inuti kunde ersättas med koldioxid. Med tanke på projektets omfattning var det ett ganska provisoriskt byggnadsjobb som utfördes med hjälp av 30 ungdomar som hoppade av gymnasiet.var angelägna om att tjäna lite pengar innan de blev inkallade till militären.

Det kritiska ögonblicket kom den 2 december 1942. På morgonen gick experimentet som vanligt - kontrollstavarna togs ut ur högen en efter en, vilket gav uppmuntrande resultat från geigermätaren... Tills det plötsliga stoppet kom. Den automatiska kontrollstaven hade satt in sig själv igen på grund av att dess utlösningsnivå var för lågt inställd. På tröskeln till ett historiskt genombrott beslöt Fermi att begära enlunchpaus.

Experimentet återupptogs efter lunch och morgonens hoppfulla framsteg bekräftades snart: Fermis reaktor uppnådde kriticitet och historien förändrades för alltid. Teamet öppnade en flaska Chianti och skålade för sitt genombrott med pappersmuggar.

Den särskilda projektledaren Arthur Compton registrerades när han meddelade James B. Conant, ordförande för National Defence Research Committee:

Compton: Den italienska navigatören har landat i den nya världen.

Conant: Hur var de infödda?

Compton: Mycket vänlig