75 år sedan världen gick in i atomåldern

2017-12-02 07:00  

Det var inte lätt att få igång en kedjereaktion i en kärnreaktor på 1940-talet. Men försöket blev starten för både kärnvapen och kärnkraft.

På kvällen den 13 juli 1954 kördes Sveriges första kärnreaktor igång i ett bergrum under KTH i Stockholm. R1, som reaktorn kallades var en tungvattenmodererad experimentreaktor laddad med naturligt uran.

Det tunga vattnet pumpades upp i reaktorn, och under tystnad bevakade teknikerna sina instrument. Vid sextiden började visarnålarna röra sig, och en timme senare hade man uppnått kriticitet. En kontrollerad kedjereaktion hade åstadkommits i reaktorn och Sverige hade inträtt i atomåldern.

Men låt oss gå 75 år tillbaka i tiden och se hur det hela började.

Det är den 2 december år 1942 och vi befinner oss i Chicago. Närmare bestämt i ett rum under västra läktaren på Chicagouniversitetets fotbollsarena Stagg Field.

Läs mer:

Läs mer: Tjernobyl: Den omöjliga katastrofen

Större delen av lokalen upptas av en stor trave med vad som närmast ser ut som svarta tegelstenar. I resten av lokalen trängs en stor mängd människor. Vissa är forskare, andra verkar vara militärer, regeringstjänstemän eller jobba för säkerhetstjänsten.

– Detta är alltså stapeln. Chicago Pile 1, säger en man med tydlig italiensk brytning. Som ni ser blev det en rejäl hög. Den innehåller 6 ton rent uran, 34 ton uranoxid och 400 ton grafit.

Jag känner omedelbart igen honom från tidningarnas fotografier för några år sedan. Det är ju den italienske fysikern Enrico Fermi, 1938 års Nobelpristagare i fysik. Han som har bombarderat periodiska systemets alla grundämnen med neutroner och upptäckt att långsamma neutroner har lättare än snabba att nå in i atomkärnorna och skapa nya grundämnen.

Så det är här han hamnade, tänker jag. Han reste aldrig hem till Mussolinis Italien efter att han mottagit sitt Nobelpris, utan från Stockholm reste han och hans familj direkt vidare till USA.

– Allora vediamo, säger Fermi. Sorlet i lokalen tystnar när konrollstavarna sakta dras ut ur stapeln. Fermi betraktar spänt några mätinstrument. Så börjar en nål sakta röra sig.

– Vi har ökat neutronflux, ropar en tekniker. Och temperaturen stiger. Vi har kriticitet!

– Ja, säger Fermi. Mina damer och herrar, för första gången i världshistorien har vi lyckats skapa en artificiell och kontrollerad kedjereaktion i en uranstapel.

Nu bryter jublet loss bland åskådarna. Alla dunkar varandra i ryggen, och från ingenstans uppenbarar sig glas med mousserande italienskt vin. Men i ett hörn vid stapeln står en bister man med en yxa i handen, beredd att hugga av ett rep. Vad gör han där?

– Yxmannen här garanterar vår säkerhet, säger Fermi. Om det av någon anledning skulle uppstå något oväntat problem och neutronbildningen i stapeln skulle börja skena hugger han av repet så att kontrollstavar av kadmium faller ner i uppborrade hål i stapeln. Kadmiumet fungerar som "neutron poison", det suger åt sig neutronerna så att kedjereaktionen upphör.

Läs mer:

Läs mer: Tjernobyl: Den omöjliga katastrofen

Atomstapeln CP-1 var resultatet av ett forcerat arbete som innefattade en stor mängd forskare och tekniker från en rad länder, däribland Fermi. Egentligen hade det börjat julen 1938. Två tyska fysiker, Otto Hahn och hans elev Fritz Strassmann, hade bombarderat uranatomer med långsamma neutroner för att förhoppningsvis få fram tyngre grundämnen, men deras resultat var tvetydiga.

De fann spår av en rad olika medeltunga atomslag som inte borde ha funnits där. Allt var mycket egendomligt.

Otto Hahn skrev ett brev till sin tidigare medarbetare, österrikiskan Lise Meitner som vid den här tiden befann sig i exil i Sverige, närmare bestämt i Kungälv. Hon var av judisk börd och hade därför avskedats från Kaiser Wilhelm-institutet.

Efter Anschluss, den tyska annekteringen av Österrike sommaren 1938 var det bara en tidsfråga innan hon skulle fängslas och föras till något koncentrationsläger. Hahn och andra vänner hjälpte henne att i sista ögonblicket fly Tyskland till Nederländerna innan gränserna stängdes.

I Kungälv tolkade Lise Meitner resultaten av Hahns och Strassmanns experiment som att neutronerna hade fått uranatomerna att klyvas ungefär på mitten.

Men inte nog med det. Dessutom hade flera nya energirika neutroner avgetts vid klyvningen. Om nu dessa i sin tur skulle träffa och klyva ytterligare uranatomer skulle det teoretiskt sett kunna uppstå en kedjereaktion där mängden neutroner skulle växa lavinartat. Resultatet skulle bli en våldsam explosion

Nyheten om kärnfissionen spreds blixtsnabbt bland världens fysiker samtidigt som alla tecken tydde på att ett storkrig i Europa var på väg att bryta ut.

Ungraren Leo Szilard hade flytt Europa och gått i exil i USA. Han var en av dem som omedelbart förstod att kärnfysiken, som tidigare ansetts vara fullständigt harmlös vetenskap, i sig innehöll möjligheten att skapa det kraftigaste vapen som världen någonsin skådat. Han förstod också att den nation som först kunde framställa ett sådant vapen, ett kärnvapen, skulle avgå med segern i det kommande kriget.

Men skulle det verkligen gå att bygga en uranbomb? Saken var ju den att det bara var isotopen U-235 som lät sig klyvas. Och den utgjorde bara 0,7 procent av naturligt uran. Resten var oklyvbart U-238.

Att skilja ut det klyvbara uranet var ett så gott som oöverstigligt problem. Det gick inte att göra kemiskt utan man fick använda någon omständlig mekanisk metod som byggde på den lilla skillnaden i atomvikt mellan de båda isotoperna. Centrifugering eller gasdiffusion.

I Köpenhamn gjorde fysikern Niels Bohr ett överslag. Han kom fram till att det skulle bli så dyrt och ta så lång tid att få fram tillräckligt mycket klyvbart uran för att göra en bomb att ingen nation skulle klara det. Det skulle krävas hela landets industrikapacitet, och det hade ingen råd med. Och om man någonsin lyckades så skulle i vart fall kriget vara slut för länge sedan.

Men det skulle visa sig att Niels Bohr för en gångs skull hade fel.

Läs mer:

Läs mer: Bombflygen som hade reaktor ombord

Leo Szilard var bekymrad. Han hade upplevt nazismen på nära håll och visste precis vad som skulle hända om tyskarna lyckades bygga ett kärnvapen. Han beslutade sig för att skriva ett brev till den amerikanske presidenten, Franklin Roosevelt, och uppmana denne att sätta till alla klutar för att se till att nazisterna inte blev först med en atombomb.

Men skulle presidenten läsa ett brev från honom? En ungrare i exil med ett rykte som något av en bråkmakare?

Nej, knappast. Men om brevet kom från Albert Einstein, världens mest berömde vetenskapsman? Då skulle det nog väga tyngre.

I augusti 1939 bilade Leo Szilard ut till Einsteins bostad i Long Island utanför New York och övertalade denne om att underteckna brevet. Chaufför under bilturen var för övrigt en annan ungrare i exil vid namn Edward Teller.

Han skulle senare bli känd som vätebombens fader, men det är en annan historia. Hur som helst skickades brevet via informella kanaler till Vita Huset och nådde faktiskt till sist presidenten.

Det tog sin tid, men så småningom rullade vad som skulle gå under namnet Manhattanprojektet igång. Nu byggs inte ett kärnvapen på en kafferast. Det krävdes först gedigen grundforskning.

När kriget bröt ut hade en lång rad framstående forskare flytt Europa och gått i exil i USA. Många lät sig värvas eller sökte sig till Manhattanprojektets olika delar. Däribland Fermi och Szilard. Det var de som låg bakom atomstapeln under fotbollsläktaren i Chicago.

Fermi visste att det inte skulle bli lätt att få till en nukleär kedjereaktion. Eftersom han hade visat att långsamma neutroner hade lättare att tränga in i uranatomerna gällde det att bromsa dem genom att låta dem som biljardkulor studsa mot andra atomer tills de blev termiska, fick samma hastighet som atomerna och molekylerna i omgivningen.

Som bromsmaterial, moderator, fungerade lätta atomer bäst. Men varje gång en neutron träffade en annan atom kunde den råka ut för att bli fångad av atomen och upptagen i dess kärna (något som för övrigt till sist inträffar med alla neutroner).

Fermi hade funnit att vissa grundämnen, som kadmium och hafnium, formligen slukade neutroner. Däremot visade det sig att tungt vatten, deuteriumoxid, och rent kol, grafit, bromsade neutronerna bra utan att äta upp alltför många.

Fermi beslutade sig för att använda grafit. Det var billigare än tungt vatten, det fanns på marknaden och det kunde levereras snabbt.

Men det måste vara rent kol. Alla föroreningar var nämligen potentiella neutronätare som skulle bromsa kedjereaktionen. Många neutroner skulle också försvinna ut ur själva stapeln till ingen nytta.

Slutligen gällde det att ha så mycket klyvbart uran tätt samlat att man fick ett tillräckligt högt neutronflux i mitten så att en kedjereaktion kunde äga rum. Därför blev stapeln så stor.

Den 2 december 1942 hade Fermi äntligen lyckats med sitt projekt. Han hade fått igång en kontrollerad kedjereaktion i sin uranstapel som dels producerade energi, om än mycket lite, men framför allt gjorde det möjligt att producera ett nytt fissilt ämne som gick att använda till ett kärnvapen – plutonium.

För en del av neutronerna som bildades i stapeln togs upp av atomer av uranisotopen U-238. Uranatomen genomgick då en reaktion där den först genom att spotta ut en elektron ombildades till det kortlivade radioaktiva ämnet neptunium 239 som sedan spottade ut en elektron till och bildade plutonium 239.

Och det är, precis som uran 235 klyvbart. Det kan användas till kärnvapen, och det kan lätt (nåja) på kemisk väg skiljas ut från andra grundämnen.

Genom att låta uranet i stapeln, eller reaktorn, genomgå en tid av kedjereaktioner kan man alltså få fram bombmaterial. Det är lättare att brygga plutonium i en kärnreaktor än att anrika klyvbart uran. Fermis stapel var alltså startpunkten både för den civila kärnkraften och för dagens kärnvapen.

Den 16 juli 1945 gjordes det första provet med en plutoniumbomb i öknen vid Alamogordo i New Mexico, USA. Inte ens en månad senare, den 6 augusti, exploderade den första atombomben, en uranbomb, över Hiroshima med 100 000 döda och en enorm förödelse som följd. Och den 9 augusti fälldes en plutoniumbomb över Nagasaki. En vecka senare kapitulerade Japan.

Kärnvapnen tog hela världen på sängen. Hur kunde det finnas en så destruktiv kraft i atomerna?

Inte bara i USA utan också i Tyskland och Japan hade man under kriget försökt utveckla kärnvapen, men med betydligt mindre framgång. I Tyskland leddes arbetet av Werner Heisenberg, men på grund av brist på uran och tungt vatten lyckades man aldrig få igång en kedjereaktion. Och det var väl bra det. Samma sak gäller de halvhjärtade försöken i Japan.

Efter krigsslutet gjorde sig en rad länder redo för att också skaffa kärnvapen. Först ut blev Sovjetunionen, som gjorde sin första provsprängning 1949. Sedan Storbritannien 1954, Frankrike 1962 och Kina 1964. Därefter kom Sydafrika (som sedan la ner sitt program), Israel, Indien, Pakistan och till sist Nordkorea.

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

Här är reglerna för kommentarerna på NyTeknik

  Kommentarer

Aktuellt inom

Debatt