Narodziny pierwszego kontrolowanego reaktora jądrowego

Jak Enrico Fermi ujarzmił atom?

Jeśli kiedykolwiek odwiedziłeś sztolnie Kowary i poczułeś charakterystyczny chłód podziemnych korytarzy, to być może przemknęła Ci przez myśl historia uranu – metalu, który w Sudetach krył się w skale na długo przed tym, zanim ktokolwiek wiedział, do czego może posłużyć. Żeby zrozumieć, jak z górniczego surowca stał się paliwem dla jednej z największych rewolucji w dziejach ludzkości, warto przenieść się na chwilę o ponad 80 lat wstecz. Do dnia, w którym Enrico Fermi – genialny fizyk – ujarzmił atom.

2 grudnia 1942 roku, daleko od europejskich złóż uranu, w piwnicy stadionu University of Chicago, w miejscu bardziej przypominającym zaplecze teatru niż laboratorium naukowe, po raz pierwszy w historii zapanowano nad reakcją łańcuchową. Paradoks? Trochę tak.
W końcu to nie Chicago kojarzy się z uranem, a raczej takie miejsca jak kopalnia uranu w Kowarach, gdzie od początku XX wieku pozyskiwano rudy uranu, które później trafiały do laboratoriów i hut na całym świecie. A jednak to właśnie Fermi potrafił z wiedzy o tym niepozornym pierwiastku stworzyć coś, co zmieniło bieg historii.

Od skał Sudetów do teorii fizycznych – jak świat poznał moc uranu

Droga do pierwszego reaktora zaczęła się dużo wcześniej, kiedy naukowcy tacy jak Becquerel czy Maria Skłodowska-Curie pokazali, że niektóre pierwiastki – w tym uran – potrafią spontanicznie emitować energię. Skały, jakie dziś oglądamy w kowarskich sztolniach, były wtedy dla badaczy zagadką: świeciły nie w sensie dosłownym, ale w sensie naukowym – promieniowały.

Uranowe złoża Sudetów były zresztą jednym z pierwszych miejsc w Polsce, gdzie prowadzono pomiary naturalnej radioaktywności. A to, co dla górników było ciekawostką, dla fizyków stało się bazą teoretyczną do zrozumienia przemian jądrowych.

Kiedy w 1938 roku Otto Hahn i Fritz Strassmann zauważyli, że jądro uranu potrafi pęknąć, było to jak odkrycie nowej epoki. Lise Meitner, interpretując ich wyniki, podsumowała to słowami:

„W fizyce jądrowej doświadczyliśmy już tylu niespodzianek, że nie można bezwarunkowo powiedzieć: ‘To niemożliwe’.”

Te słowa mogłyby pasować również do historii regionu: kto sto lat temu przypuszczałby, że skały kopalni uranu w Kowarach odegrają rolę w wielkiej narracji o energii atomowej?

Enrico Fermi – człowiek, który potrafił patrzeć inaczej

Fermi miał niezwykłą cechę: potrafił połączyć intuicję badacza, cierpliwość inżyniera i wyobraźnię wizjonera. Już w latach 30. eksperymentował z neutronami i zauważył, że najlepiej działają, gdy są… spowolnione.
To trochę tak, jak z chodzeniem w ciemnej sztolni: biegnąc, można minąć wejście; idąc spokojnie, łatwiej coś zauważyć. Spowolnione neutrony dużo skuteczniej „trafiają” w jądra uranu.

W Sudetach natura robiła to od milionów lat bez świadków. Fermi natomiast postanowił zrobić to świadomie – i przewidywalnie.

Chicago Pile-1 – sterta grafitu większa niż wagon rudy

Pierwszy reaktor jądrowy, CP-1, był konstrukcyjnie czymś niesamowicie prostym. Wyobraź sobie stos drewna, tylko zamiast drewna są grafitowe bloki i cegiełki wzbogaconego uranu. Całość – wielka kula o średnicy prawie ośmiu metrów – wyglądała jak przeogromna podziemna „piramidomiska”, którą równie dobrze można by spotkać gdzieś w hali górniczej, nie w centrum wielkiego miasta.

Uran, którego użyto, pochodził głównie z Afryki, ale w Europie wiele laboratoriów pracowało wtedy na rudach z miejsc takich jak Kowary. Paradoksalnie więc reaktor w Chicago i kopalnia uranu w Sudetach były dwiema stacjami na jednej linii – choć oddzielonymi oceanem.

Co było w CP-1?

400 ton grafitu jako moderatora,
6 ton metalicznego uranu,
52 tony tlenku uranu (UO₂).

Współczesny turysta patrząc na skały w dawnych sztolniach może zobaczyć minerały z UO₂ – naturalne odpowiedniki tego, co Fermi ułożył w idealną, kontrolowaną formę.

2 grudnia 1942 – chwila absolutnej ciszy

Pod stadionem Stagg Field zebrał się niewielki zespół naukowców. Nie mieli komputerów, laserów ani elektroniki.
Mieli linijki, suwaki logarytmiczne, ręczne mierniki i drewniane drabiny.
Gdy stopniowo wysuwali pręty kontrolne, detektory zaczęły wskazywać, że reakcja łańcuchowa właśnie się rozpoczęła – i nie wymyka się spod kontroli.

Herbert Anderson zapamiętał tę chwilę tak:

„W tej chwili wszyscy wiedzieliśmy, że patrzymy na początek nowej ery. Nie było okrzyków – tylko absolutna cisza.”

Jeśli byłeś kiedyś w kopalnianym korytarzu, wiesz, jak brzmi cisza pod ziemią. Ta w Chicago była podobna — ciężka, gęsta, symboliczna.

W tej ciszy atom stał się posłuszny człowiekowi.

Jak działał reaktor?

Do działania reaktora niezbędne jest spełnienie trzech warunków:

1. Spowolnienie neutronów

Fermi użył czystego grafitu. W naturze podobną rolę pełnią minerały zawierające węgiel lub wodór. W niektórych sztolniach Kowar geolodzy obserwowali ślady takich procesów.

2. Odpowiednia geometria paliwa

To jak ułożone są cegiełki uranu, ma ogromne znaczenie. Zbyt gęsto – reakcja wybucha. Zbyt rzadko – obumiera.

W naturalnej skale Karkonoszy uran jest rozproszony, dlatego tło promieniowania jest tak niskie i bezpieczne dla turysty.

3. Pręty kontrolne

Kadm pochłania neutrony. To najstarszy i wciąż najlepszy sposób na kontrolowanie reakcji.
Gdyby przenieść tę analogię do sztolni – to trochę jak zamknięcie lub otwarcie bocznych korytarzy, by kontrolować przepływ powietrza.

Dlaczego to osiągnięcie było tak ważne dla świata?

Reaktor CP-1 nie produkował energii elektrycznej. Nie miał turbin. Był dowodem matematycznym i praktycznym na to, że atom da się uspokoić, kontrolować i wykorzystać w cywilizowany sposób.

Od Fermiego zaczęła się:

energetyka jądrowa,
nowoczesna medycyna nuklearna,
techniki wykrywania metali i minerałów (także pomocne w górnictwie),
standardy ochrony radiologicznej stosowane dziś w muzeach i trasach turystycznych w kopalniach.

Dlatego kiedy turysta odwiedza kopalnię uranu w Kowarach, patrzy nie tylko na historię górnictwa, ale na surowiec, który był „ziarnem” jednej z największych rewolucji technologicznych XX wieku.

Podsumowanie – od surowej skały do ujarzmionego atomu

Skały Kowar kryją w sobie historię geologiczną, która zaczęła się na długo przed człowiekiem. Enrico Fermi — tysiące kilometrów dalej, ale w tej samej intelektualnej przestrzeni — odkrył, jak tę energię okiełznać.

To niezwykłe, że losy podziemnych korytarzy w Sudetach i piwnicy stadionu w Chicago spotykają się w jednym punkcie: w opowieści o uranie i o tym, jak człowiek nauczył się korzystać z jego mocy z rozwagą, odpowiedzialnością i odwagą.

Dziś turysta, mijając tablice informacyjne w sztolniach, może spojrzeć na uran nie jak na zagadkowy pierwiastek, lecz jak na element historii, która prowadzi prosto do Fermiego — człowieka, który ujarzmił atom.