E. Fermi – genialusis atominės energetikos pionierius

1942 metų gruodžio 2 dieną pirmą kartą buvo gauta grandininė branduolių dalijimosi reakcija ir išbandytas pirmasis branduolinis reaktorius. Toks pirmasis įrenginys, pavadintas pirmuoju Čikagos rentiniu arba katilu (angl. pile), buvo sudarytas iš urano ir grafito blokų. Dauguma darbų siejama su garsaus italų fiziko Enrico Fermi vardu.

Mokslinės prielaidos

1932 metais anglų fizikas Jamesas Chadwickas atrado neutronus, neutralias branduolio daleles. Buvo sukurti neutronų šaltiniai ir su jais atliekami bandymai. Enrico Fermi, įžymus italų fizikas, padarė prielaidą, kad smūgiuojant neutronais galima gauti sunkesnius elementų izotopus. Neutronas neturi elektros krūvio, todėl gali įsiskverbti į labai įelektrintą branduolio struktūrą ir padidinti branduolio masę, t.y. sukurti izotopą. Tai įvyksta daug paprasčiau, negu bombarduojant teigiamomis alfa dalelėmis (helio atomo branduoliais), su kuriomis analogiškus bandymus darė Fredericas Joliot ir Irene Joliot-Curie Paryžiuje.

E. Fermi su bendradarbiais bombardavo gamtinį uraną neutronais Romoje, o jo idėjos sudominti vokiečių mokslininkai Lisa Meitner, Otto Hahnas ir Fritzas Strassmannas tokius bandymus 4 metus darė Berlyne. Jie patvirtino E. Fermi atradimą, nustatė ir aprašė, kad susidaro ne tik švitinamų elementų sunkesni izotopai, bet ir nauji, gamtoje nesutinkami cheminiai elementai, neptūnis ir plutonis. Didelę nuostabą sukėlė faktas, kad tarp atsiradusių nuklidų yra ir maždaug dvigubai lengvesnio elemento bario. 1939 metų vasarį buvo patvirtintas faktas, kad neutronai padalina urano branduolius į du dalijimosi fragmentus. Šiuo metu yra žinoma iki dviejų tūkstančių dalijimosi produktų.

E. Fermi atrado, kad neutronų šaltinį apsupus medžiaga, turinčia daug vandenilio, parafinu ar vašku, neutronų sąveika su branduoliais labai sustiprėja. Jis padarė išvadą, kad emituoti iš šaltinio greitieji neutronai, yra sulėtinami vykstant pakartotiniems susidūrimams su parafino vandenilio branduoliais – protonais. Taip išaiškėjo, kad sulėtinti neutronai geriau sąveikauja su branduoliais negu greitieji. Po urano branduolio dalijimosi atradimo, daugelis mokslininkų pradėjo nagrinėti besidauginančiosios grandininės branduolių dalijimosi reakcijos galimybę.

1939 metų pradžioje E. Fermi paskelbė išvadą, kad branduoliams dalijantis yra tikėtinas greitųjų neutronų išspinduliavimas, o grandininė reakcija vyks, jeigu pavyks pasiekti, kad naujai atsirandančių neutronų skaičius būtų ne mažesnis už sugertųjų. Tada dalijimosi reakcija plėsis, apimdama vis naujus branduolius ir neutronų skaičiaus daugėjimo koeficientas bus didesnis už vienetą, nes kiekvieno dalijimosi metu išlekia 2-3 neutronai. Tokių greitų neutronų susekimui nedelsiant buvo atliktas eksperimentas, kuris davė teigiamus rezultatus. Tokius rezultatus gavo ir kitos laboratorijos JAV ir kitose šalyse.

Nobelio premijų lietus

Atradimai branduolio ir neutronų fizikos srityje buvo pažymėti Nobelio premijomis.

Nobelio premijos buvo įteiktos Henri Bequereliui 1903 metais už radioaktyvumo reiškinio atradimą, Ernestui Rutherfordui 1908 metais už atomo branduolio buvimo įrodymą, Marie Curie 1911 metais už radžio ir polonio atradimą ir cheminį išskyrimą, 1921 metais Frederickui Soddy už izotopų atradimą ir branduolių skilimo tyrimą, 1927 metais Charlesui Wilsonui už kameros dalelių pėdsakams stebėti išradimą, 1935 metais J. Chadwickui už neutrono atradimą, 1935 metais I. Joliot-Curie ir F. Joliot už dirbtinio radioaktyvumo atradimą, 1938 Enrico Fermi už įrodymą, kad apšvitinus neutronais, gaunami nauji radioaktyvūs elementai ir lėtųjų neutronų vaidmenį branduolinėms reakcijoms, 1939 Ernestui Lawrence'ui už ciklotrono sukūrimą, 1944 metais O. Hahnui už sunkiųjų branduolių dalijimosi atradimą, 1951 metais Glennui Seaborgui už transuraninių elementų tyrimo rezultatus.

Eksponentiniai bandymai

Buvo nustatyta, kad geras neutronų lėtiklis yra paprastas vanduo. Tačiau jis ne tik lėtina, bet kartu ir sugeria neutronus, todėl jų mažiau lieka urano branduoliams dalinti. Šiuo požiūriu geresnis lėtiklis yra sunkusis vanduo ir nesunkiai gaunamas grafitas. Fermis tyrė grandininės dalijimosi reakcijos atsiradimo sąlygas, naudojant daliąją medžiagą uraną ir lėtinančią medžiagą grafitą, ir sukūrė grandininės reakcijos urano ir grafito gardelėje teoriją. Svarbu, kad iš urano išlėkę greitieji neutronai patektų į grafitą, ten sulėtėtų ir vėl patekę į uraną, sėkmingai dalintų jo branduolius. Taip veikia dauguma šiuolaikinių reaktorių. Neutronų sugėrimą labai padidina medžiagose esančios priemaišos, todėl naudojamos medžiagos turi būti kuo grynesnės.

Neutronus dauginančių struktūrų tyrimui bei medžiagų grynumui įvertinti buvo pasitelkti taip vadinami eksponentiniai bandymai. Šių bandymų esmė ta, kad į neutronų šaltinio lauką įnešamos medžiagos ir su neutronų detektoriais matuojama, kaip tos medžiagos keičia neutronų srautą. Buvo atlikti eksperimentai, kuriuose buvo keičiamas grafito gardelės dydis ir urano kiekis atskirame narelyje. Per vieną ar dvi dienas buvo pastatomas eksponentinis rentinys. Dar po paros arba dviejų būdavo baigti neutroniniai matavimai jame. Matavimo rezultatai buvo pateikiami E. Fermi, kuris po kelių valandų pranešdavo gautą neutronų daugėjimo koeficiento reikšmę. Toks skaičiavimo fenomenas buvo galimas, nes dar statant eksponentinį rentinį, E. Fermi surasdavo visus pataisos koeficientus ir paruošdavo lygtis. Įdomu, kad skaičiavimai buvo atliekami su to laikmečio technika: su logaritmine liniuote ir su staline mechanine skaičiavimo mašinėle.

Buvo atlikta maždaug 30 skirtingų eksponentinių bandymų. 1942 metų liepos mėnesį matavimo paklaidų ribose buvo gautas daugėjimo koeficientas didesnis už vienetą. Taip įrodyta, kad pakankamai didelėje gardelėje iš urano ir grafito galima gauti grandininę dalijimosi reakciją. Tuo metu ir prasidėjo pirmojo reaktoriaus statyba.

Reaktoriaus konstrukcija

Reaktoriui statyti buvo numatytas naujas pastatas, tačiau jo statyba vėlavo dėl profsąjungų streiko. E. Fermi pasiūlė statyti reaktorių po Čikagos universitetinio miestelio stadiono vakarinėmis tribūnomis. Jo sprendimu reaktoriaus išmatavimai buvo numatyti tokie dideli, kokius leido turima erdvė, kad būtų galima pasiekti kritiškumą, pridedant papildomą medžiagų kiekį. Net ir oras sugeria neutronus, todėl E. Fermi išreikalavo, kad būtų numatytas atmosferinio azoto (neutronų sugėrėjo) pašalinimas, pakeičiant orą heliu, jeigu tai būtų reikalinga. Tuo tikslu rentinys buvo talpinamas gigantinėje palapinėje iš aerostatų apvalkalų medžiagos. Audinio gamintojai buvo apstulbinti, kai buvo užsakytas kvadratinio skerspjūvio aerostatas. Priežasties jiems neaiškino, nes reaktorius buvo statomas slapta.

1942 metų lapkričio 16-ą dieną po stadiono tribūnomis buvo prapjautas aerostato medžiagos apvalkalas ir jo viduje pradėtas statyti reaktorius. Reaktoriaus rėmas buvo konstruojamas iš medinių sijų. Buvo klojami sluoksniai iš grafito blokelių ir urano intarpų. Buvo dirbama ir dieną, ir naktį. Kiekvieną dieną buvo pranešama E. Fermi apie reaktoriaus statybos eigą. Pats E. Fermi daug laiko skyrė skaičiavimams.

Svarbus klausimas buvo neutronų srauto valdymas. Buvo siekiama, kad valdymo strypai būtų išdėstyti po visą reaktoriaus tūrį. Buvo pasirinkta paprasta konstrukcija: prie plokščio medinio tašelio buvo prikalama neutronus sugeriančio kadmio skarda. Toks valdymo elementas buvo įstatomas rankiniu būdu į kiaurymę, padarytą grafito sluoksnyje. Šie valdymo strypai paprastai buvo laikomi pilnai sukišti, išskyrus tuos atvejus, kai buvo matuojamas reaktoriaus reaktyvumas (neutronų daugėjimo koeficientas). Jie buvo užrakinami su kabančia spyna, o raktai buvo tik pas brigadų vadovus.

Buvo pagamintas vienas specialus valdymo strypas pavadintas ,,momentiniu“: Prieš paleidžiant reaktorių šį strypą derėjo ištraukti į viršų ir pritvirtinti virve. Staigaus stabdymo atveju virvę reikėjo nukirsti ir tada ,,momentinis“ strypas, svorio jėgos veikiamas, įkristų į savo vietą rentinio viduje ir grandininė reakcija būtų sustabdyta.

Nuo penkiolikto sluoksnio buvo pradėtas matuoti neutronų srautas fiksuotoje reaktoriaus vietoje. Paklojus vieną sluoksnį, buvo matuojama, o matavimo rezultatai buvo pranešami Fermiui, kuris palygindavo juos su savo skaičiavimo rezultatais. Pagal tai buvo nustatyta, kad padengus 57 sluoksnius, reaktorius pasieks kritiškumą. Kitos dienos, gruodžio 2-os rytą, vadovavimą tiesiogiai perėmė pats E. Fermi.

Pirmojo reaktoriaus bandymas

Prieš paleidžiant reaktorių, buvo imtasi papildomų saugumo priemonių. Vienas darbuotojas buvo paskirtas pagal komandą nukirsti momentinio valdymo strypo virvę ir taip sustabdyti grandininę reakciją. Trys bendradarbiai budėjo ant reaktoriaus viršaus su kibirais, pripildytais kadmio druska, kurią būtų tekę supilti į reaktoriaus vidų, jei momentinio strypo stabdymui nepakaktų. Visi kiti stovėjo balkone, šalia reaktoriaus.

Prie kritiškumo buvo artėjama pagal E. Fermi iš anksto paruoštą programą. Paskirtas darbuotojas, stovėdamas šalia reaktoriaus, palaipsniui, žingsnis po žingsnio, traukė iš jo paskutinį kadmio strypą. Kiekvieną kartą buvo matuojamas neutronų srauto didėjimas, o E. Fermi palygindavo rezultatus su teorinėmis prielaidomis, paremtomis ankstesniais matavimais. Jo kišeninė logaritminė liniuotė visą laiką buvo jo rankose. Kai tik paskutinis kadmio strypas buvo išimtas, reaktorius tapo kritiniu. Išsilaikanti grandininė reakcija buvo gauta. Tą patvirtino eksponentiškai didėjantys neutronų detektoriaus parodymai.

Bandymas tęsėsi 28 minutes. Didžiausia galia, saugumo sumetimais, buvo lygi pusei vato. Reaktorius buvo sustabdytas, E. Fermi nurodžius nuleisti momentinį valdymo strypą.

Paleidime dalyvavo maždaug 40 žmonių, daugiausia mokslininkai, dalyvavę darbe. Taip pat dalyvavo firmos atstovai, kuriems buvo pavesta toliau tobulinti reaktorius, kad jie įsitikintų, kad prielaidos apie reaktoriaus veikimą yra absoliučiai tikslios.

Viso projekto vadovo žymaus mokslininko Arthuro Comptono prisiminimuose rašoma, kad eksperimento metu E. Fermi veide nesimatė jaudulio, jis buvo ramus ir užtikrintas, nes tikėjo savo skaičiavimais ir matavimais.

Pirmasis reaktorius buvo naudojamas du mėnesius. Pirmame etape buvo nagrinėjamos jo charakteristikos ir mokomasi tą branduolinį rentinį eksploatuoti. Pasirodė, kad patogu sekti jo darbą bei jį naudoti kiekybiniams matavimams pagal reaktyvumo kitimą. Į reaktorių būdavo talpinami bandiniai ir buvo nustatomas būtinas kompensuojantis valdančiojo strypo postūmis. Taip buvo išmatuoti įvairių medžiagų sąveikos su neutronais skerspjūviai ir nustatytos reaktorinių medžiagų priemaišos, sugeriančios neutronus.

E. Fermi puikiai išmanė neutroninius procesus ir beveik visada teisingai numatydavo poveikį reaktoriui, kurį darydavo tiriami bandiniai. Kai kuriems jaunesniems fizikams tai sumažindavo norą atlikti matavimus, nes jų rezultatus iš anksto žinodavo „visažinis“ E. Fermi iš teorinių skaičiavimų. Tačiau kai kurie išmoko E. Fermi pamoką: visada apskaičiuoti laukiamą rezultatą. E. Fermi ir A. Comptonas buvo tokie svarbūs valstybei, kad jiems buvo draudžiama skristi lėktuvais.

Atominės eros pradžia

Pirmojo reaktoriaus paleidimo eksperimentas laikomas atominės eros pradžia. Nuo to laiko branduolinės technologijos pakilo į neregėtas aukštumas. Pasaulyje šiuo metu veikia 435 branduoliniai energetiniai reaktoriai, 67 yra statomi ir 167 planuojami (http://www.world-nuclear.org/info/). Branduolinius reaktorius stato arba planuoja statyti beveik visi mūsų kaimynai. Pasaulinė praktika rodo, kad pati pigiausia bazinė elektros energija gaminama anglimis kūrenamose elektrinėse ir branduolinėse elektrinėse. Tačiau branduolinė energija išsiskiria tuo, kad ji neteršia aplinkos šiltnamio efektą ir rūgščius lietus sukeliančiomis dujomis, nepriklauso nuo gamtos sąlygų ir kuro kainų, pastoviai mėnesių mėnesiais gamina bazinę elektros energiją, skirtingai nuo saulės ir vėjo energetikos.

Tam tikrą poveikį technologijų vystymuisi padarė branduolinių jėgainių avarijos ir jų analizė. Viena žinomiausių – avarija Trijų mylių salos elektrinėje JAV. Joje veikė du suslėgtojo vandens reaktoriai, sutrumpintai žymimi PWR. Jie sudaryti iš dviejų kontūrų, todėl buvo laikomi saugesniais už vienkontūrius. Reaktoriaus aktyvioji zona yra pirmame kontūre, o turbina – antrajame. Kontūrus jungia šilumokaitis. 1979 metų kovo 28 dieną viename reaktoriuje dėl aušinančio skysčio praradimo antrame kontūre, įvyko dalinis aktyviosios zonos išsilydymas. PWR reaktoriai turi apsauginius konteinmentus, todėl į aplinką pasklido nežymūs radioaktyviųjų dujų ir jodo kiekiai. Net kelios komisijos nustatė, kad tai nepaveikė žmonių sveikatos. Šis įvykis parodė, kad apsauginis konteinmentas yra būtinas bet kokio reaktoriaus elementas ir kad PWR reaktorių vamzdynų sistema yra per sudėtinga patikimam valdymui. Todėl modernaus šiuolaikinio Westinghouse firmos PWR reaktoriaus AP1000 konstruktorių įgyvendintas šūkis – kuo mažiau vamzdynų, tuo saugesnis reaktorius.

Konteinmento reikalingumą dar kartą parodė Černobylio reaktoriaus avarija. Ten buvę RBMK tipo reaktoriai konteinmentų neturi. Todėl į uždaromų reaktorių sąrašą buvo įtraukti ir to paties tipo Ignalinos AE reaktoriai. Dar griežtesni reikalavimai avariniam reaktorių aušinimui iškilo po Fukušimos reaktorių avarijos, sukeltos 6 metrų aukščio vandenyno vandens bangos ir nutrūkus elektros tiekimui. Dar neišmokta Fukušimos pamoka yra ta, kad ne bet kur galima statyti branduolinius reaktorius. Šiuo požiūriu Visagino atominės elektrinės vieta yra labai gera, nes šalia didelis gėlo vandens ežeras, išplėtota infrastruktūra. Planuojamas modernizuotas verdančiojo tipo ABWR reaktorius yra paprastos ir patikimos konstrukcijos su keliais hermetiniais apsauginiais barjerais ir patikimu konteinmentu. Tuo tarpu Lietuvos kaimynų statomų rusiškų reaktorių vietos parinktos netinkamai. Nei Rusijos, nei Baltarusijos atstovai neatsako į Lietuvos ekspertų klausimą, kaip jie gesintų savo pastatytus reaktorius, įvykus panašiai nelaimei, nes Neries ir Nemuno vanduo, kuriuo bus aušinami reaktoriai, yra dešimčia metrų žemiau ir nutolęs per dešimtį kilometrų.

E. Fermi mokslo pasekėjai

Neutronų elgesį E. Fermi suprato intuityviai. Jo spėjimai apie neutronų difuziją beveik visada buvo tikslūs, todėl nereikėjo gremėzdiškų skaičiavimų. Nepaisant to, jis visada skaičiuodavo laukiamą rezultatą ir lygindavo savo paprastas ir apytiksles teorijas su eksperimentiniais rezultatais. Tokiu būdu jis sukaupė milžinišką kiekį žinių, kurių griežta tvarka leido lengvai jas surasti esant pirmam poreikiui.

Šiuo metu visas E. Fermi ir kitų žymių fizikų mokslo lobynas yra sudėtas į universitetinių modulių turinį. Šio išsišakojusio mokslo ir technologijų medžio žinias studijuoja Kauno technologijos universiteto ir Vilniaus universiteto studentai, pasirinkę branduolio ir neutronų fizikos, branduolinių reaktorių ir branduolinės energetikos, radiacinių matavimų ir radiacinės saugos kryptis.

Vien pastaraisiais metais daugiau kaip šimtas jaunuolių baigė arba dar studijuoja šias valstybei ypač reikalingas specialybes ir jų vis daugėja. Jų darbo ir praktikos vietos yra Ignalinos ir Visagino atominėse elektrinėse, Lietuvos energetikos institute Kaune ir Fizikos institute Vilniuje, Valstybinės atominės energetikos saugos inspekcijoje, Radiacinės saugos centre, Radioaktyviųjų atliekų tvarkymo agentūroje. Lietuvos akademinis jaunimas suinteresuotas sėkmingu Visagino atominės elektrinės projekto įgyvendinimu, nes tai sukurtų daug aukštos technologijos darbo vietų, užtikrintų geras sąlygas naujų investicijų pritraukimui.