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芝加哥大学的第一个自持链式核反应堆是如何建立的? 1

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每个领域都有其独特的传奇故事,其中之一就是关于恩里科·费米如何在芝加哥大学斯塔格运动场看台底下的网球室内建立了世界上第一个自持链式核反应堆的故事。1942年12月2日,他的“芝加哥1号堆”(CP-1)首次实现了自持铀裂变链式反应。

镄的基本数据

如今,每位到芝加哥观光的游客都可以在芝加哥大学校园里的一座古堡式灰色外墙上看到一块金属匾额,上面写着:“1942年12月2日,人类在这里实现了第一次自持链式反应,从而开辟了受控释放核能的道路。”

在之前介绍元素锿(99)时已经提到,当一个中子击中一个重原子核并使其发生裂变时,就会开始一个链式核反应。这个反应会释放更多的中子,这些中子继续使更多的原子核发生裂变。然而,要实现持续的链式反应并不简单。

铀裂变后发射出的中子速度非常高,而铀原子核只有在被速度较慢的中子击中时才会发生裂变。此外,除非铀块非常大,否则中子很可能在击中任何物体之前就逃逸了。因此,尽管每个铀原子核裂变可以释放2个或3个中子,但大多数中子不会导致进一步的裂变,也就是说中子增殖率远低于1。为了解决这个问题,可以使用大量的铀,或者使用一种特别敏感的同位素,也可以使用能够减慢中子速度的减速剂,甚至可以将上述方法结合起来。

在建造CP-1时,使用了6吨金属铀、46吨氧化铀和1000多吨高纯度石墨(作为减速剂)。这些材料交替组成了一个巨大的矩形堆,宽9米、长近10米、高6.5米。费米经过精确计算,认为这个反应堆的中子增殖率会大于1,从而使链式反应可以持续进行。

为了使链式反应可控,反应堆中插入了包有镉(48)皮的木棒(即控制棒)。由于镉可以吸收中子,通过调节控制棒的插入深度,可以调整中子的增殖率,从而控制链式反应的进行或停止。为了安全起见,费米还安排了一个人手持斧头,准备在反应失控时砍断备用紧急控制棒的绳子。

反应堆建成后,费米的团队慢慢地拉出控制棒,小心地监测从反应堆发射出的中子数。通过一次又一次的实验,证实将控制棒重新插入反应堆后,中子数确实降低了。1942年12月2日下午3时25分,反应堆中的中子增殖率达到了1.0006,并成功运行了28分钟。尽管这个反应堆最初的功率只有0.5瓦,但足以让恩里科·费米在原子能的传奇中永垂不朽。

当然,所有这些与元素镄完全无关,它和其他18个元素一样,没有任何实际用途。

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