Kdyby dnešní odborníci na jadernou bezpečnost měli dohlížet na stavbu prvního atomového reaktoru, museli by se leknout. Vznikal ze stavebního řeziva, grafitových cihel, oxidů přírodního uranu a nevelkého množství kovových slitků stejného kovu a na squashovém kurtu Chicagské univerzity, navíc rukama zcela neproškoleného personálu.
Velkou část manuální práce jako svého druhu sousedskou výpomoc odvedli mladí hráči amerického fotbalu, kteří v rámci zvyšování tělesné kondice odtahali na zádech a v rukách podstatnou část materiálu z nákladních aut na místo určení. Přestože to byli většinou univerzitní studenti, neměli sportovci ani nejmenší tušení, s čím přítomným vědátorům na stadionu pomáhají. Účel uranového milíře, jak pokusný reaktor fyzici tehdy nazývali, byl důsledně skrýván.
Ještě mnohem vyššímu stupni utajení podléhal samotný vědecký a technický cíl experimentu. Pokus měl zejména prakticky prověřit průběh řízené štěpné řetězové reakce v uranu. Zúčastněným odborníkům ale vůbec nešlo o případné využití získaných poznatků v energetice nebo pro pohon strojů. Průmyslový reaktor, který zamýšleli na základě prvotního pokusu následně postavit, měl být především zdrojem neutronů pro jadernou přeměnu atomů uranu 238 na izotop plutonia 239.
Nový jen uměle připravitelný prvek periodické soustavy se jevil teoretikům jako velmi vhodná štěpná látka pro využití v atomové bombě. Na počátku 2. světové války, kdy se navíc armádám spojenců na frontách od Pacifiku přes Afriku až po západní břeh Volhy u Stalingradu vůbec nedařilo, bylo takové vědecké zadání plně oprávněné nejen z vojenského, ale i z morálního hlediska.
Nikdo nejde sám
Ke správnému i prakticky využitelnému poznání složení hmoty vesmíru lidstvo směřovalo až od počátku 20. století. V roce 1919 britský fyzik Ernest Rutherford přeměnil ozařováním jader dusíku částicemi alfa (jádra atomů prvku helia) výchozí prvek na kyslík. Další objevy související s jadernými reakcemi na sebe nenechaly dlouho čekat. Roku 1932 byl objeven neutron a v roce 1938 skupina vědců v Německu (Lise Meitner, Ida Noddack, Otto Hahn) odhalila schopnost zmíněné elementární částice rozštěpit atom izotopu uranu 235.
Tým jaderných vědců a techniků, kteří se podíleli na sestrojení prvního jaderného reaktoru na světě. Zadní řada zleva: Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill, Robert Nobles, Warren Nyer, a Marvin Wilkening. Prostřední ve stejném pořadí: Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger, Leona Woods a Leo Szilard. Nejbližší zleva: Enrico Fermi, Walter Zinn, Albert Wattenberg a Herbert Anderson.
Jaderná reakce byla pozoruhodná zejména mimořádně vysokým ziskem energie. Přední jaderní fyzici vzápětí naznačili vnímavé odborné veřejnosti, kterou v tom čase představovali především vůdčí politici a vojáci, možnost využít řetězového štěpení uranu k sestrojení výbušných zařízení nesmírné síly. Otázkou atomových zbraní se v SSSR začal zabývat v roce 1942 Igor Vasiljevič Kurčatov, v Německu se současně rozběhl Uranový projekt a v USA souběžně započaly práce bezprostředně spojené s vývojem jaderné bomby pod krycím názvem Projekt Manhattan.
Nejlepší evropští vědci pracovali pro USA
Pozoruhodným rysem dějin vědy i vojenství v době upevňování moci autokratických režimů v Německu i v Itálii v letech 1935 až 1940 je nevratné vypuzení podstatné části nejschopnějších fyziků i chemiků z evrospkého kontinentu do Spojených států.
Osobní zášť Adolfa Hitlera k Židům se změnila v krátké době ve státní ideologii, která přerostla v bezuzdné potírání a posléze vyvražďování všech příslušníků tohoto národa. Samozřejmě bez jakýchkoliv ohledů k jejich odborným schopnostem.
V průběhu války se pak ukázalo, že morální příprava zejména příslušníků německých (ale i japonských) ozbrojených sil, jejich odhodlanost třeba i padnout za vůdce či císaře, neobstála v boji s protivníkem vyzbrojeným modernějšími a dokonalejšími zbraněmi i technickými prostředky. Pár brilantně myslících vědeckých mozků dokázalo víc než vyvážit počáteční německou nebo japonskou taktickou převahu. Geniům navíc zdatně sekundovaly tisíce "obyčejných" špičkových pěšáků vědy a techniky.
Jaderní fyzici, ale i matematici a přírodovědci se zároveň ukázali jako lidé schopní uvažovat v širokých společenských souvislostech. Většina intelektuálního evropského výkvětu židovského původu nezvolila za místo pobytu demokratické státy na starém kontinentu (Francie, Velká Británie) pro jejich zjevnou vojenskou slabost i projevovanou chabou vůli k odporu vůči německému nacionálnímu socialismu, a přesídlila rovnou do Spojených států.
Pragmatičtí Američané si vždycky cenili jedinců nadaných hledat a nacházet neprobádané cesty k poznání světa bez ohledu na jejich politické přesvědčení či rasu nebo náboženské vyznání.
Ke škodě zejména poválečné evropské vědy široce pojaté osobní i hospodářské svobody uplatňované v USA už před válkou zapříčinily změnu původně dočasného pobytů Evropanů za oceánem v trvalý stav. Do Evropy se během činorodého věku vrátil jen malý zlomek badatelů a badatelek. Mimořádně šťavnaté plody vyspělé evropské vzdělanosti z první poloviny 20. století proto sklidili američtí průmyslníci, podnikatelé a bankéři.
Teorie štěpení
Jedním z uprchlíků z rozvrácené Evropy byl i italský vědec Enrico Fermi (nar. 29. září 1901, zemřel 28. listopadu 1954), který správně vytušil, že jeho manželka židovského původu je ve vlasti ohrožena na životě. V roce 1939 přesídlil do Spojených států amerických, kde mu okamžitě pět univerzit nabídlo práci.
Byl to právě Fermi, který experimentoval v roce 1934 s indukovanou radioaktivitou různých prvků vystavených neutronovému záření. Postřehl, že pokusy prováděné na dřevěném stole mají poněkud lepší výsledky, než ty samé uskutečněné na kovové pracovní desce. Kladl proto mezi zdroj neutronového záření a stříbrnou folii, ve které vyvolával pohlcováním neutronů v jádře atomů umělou radioaktivitu, různé látky. Stříbro zářilo nejsilněji (tedy pojalo nejvíc neutronů), prošly-li tyto částice nejprve vrstvou vosku nebo vody.
Fermi správně rozpoznal, že neutron srážkami s jádry atomů lehkých prvků zpomaluje svůj let a kupodivu tím získává vyšší schopnost zachytit se v jádře atomů. Ze známých a v normálních podmínkách "nezářících" prvků uměle připravil celou řadu radioaktivních izotopů (tj. variant jednoho prvku s jiným počtem neutronů v jádře). Fermiho přínos vědě byl v roce 1938 oceněn udělením Nobelovy ceny za fyziku.
V lednu 1939 Ital vyslovil myšlenku na využití neutronů uvolňovaných při rozpadu atomů uranu 235 k dalšímu štěpení atomových jader stejného izotopu uranu. V tehdejších učebnicích fyziky se ale nepsalo nic o poměru uvolňovaných neutronů k počtu rozpadů. Podíl bylo třeba nejprve stanovit pokusy. Lavinovitá reakce štěpení hmoty byla teoreticky možná jen v případě, že na jeden rozpad jádra uranu 235 připadá víc než jeden uvolněný neutron.
Pokusy s podkritickými soubory oxidů uranu vedené Herbertem L. Andersenem v červnu roku 1942 ustanovily obecný koeficient násobení počtu neutronů během štěpení atomů uranu 235 na hodnotu větší jedné. Záhy Fermi vypracoval teorii funkčního jaderného reaktoru složeného z kysličníků přírodního neobohaceného uranu (palivo) a grafitu (moderátor – zpomalovač), kterou současně převedl do strojírensko tesařských stavebních výkresů. Lidstvu se tím na podzim čtvrtého kalendářního roku 2. světové války otevřela cesta k sestrojení nukleárního reaktoru a později atomové bomby.
Nákres zadní strany jaderného milíře. Kresba zachycuje vzducholodní obal, trámové ostění, grafitové cihly, vstupy řídících tyčí a jednoduchou zdviž s plošinou v dolní poloze.
Uranový milíř
Fermi se rozhodl k rychlému otestování teoretických představ využít všech dostupných surovin. K použití měl 5,6 tuny kovového uranu, jehož slitky zamýšlel uložit do jádra aktivní zóny. Okolo jejího středu plánoval rozmístit koule oxidu uraničitého celkem 33 tuny a 3,7 tuny U3O8. Za látku zpomalující neutrony byl vybrán vysoce čistý grafit, který nesměl obsahovat ani stopy bóru nebo kadmia. Oba prvky by místo žádoucího zpomalení neutrony jen nežádoucím způsobem pohlcovaly. Ke stavbě milíře bylo připraveno celkem 350 tun tuhy.
Italský vědec se obával nepříznivého působení atmosférického dusíku v reaktoru na rozptyl a pohlcování neutronů. Proto ve vzducholodním oddělení firmy Goodyear nechal vyrobit plášť ve tvaru velké krychle, který pak měl být během pokusu případně naplněn vhodnějším plynem, než byla přirozená dusíková atmosféra Země. Zavěšením obalu pod strop kurtu stavba reaktoru započala.
Volně skládané stavebniny držela pohromadě mimořádně bytelná kostra sroubená z dřevěných trámů. Aktivní zónu tvořily vrstvy grafitových cihel, které se ze suroviny zhotovovaly přímo v místě na dřevoobráběcím stroji. Mastný černý prach brzy zamořil celé staveniště a vědci i jejich pomocníci na konci směny vypadali spíše jako horníci než jaderní fyzici.
Ve středu reaktoru bylo rozmísťováno štěpné palivo, které mělo vytvořit kulovitou sféru o poloměru 3,7 metru. Koule z lisovaných oxidů uranu byly ukládány vždy ob jednu vrstvu do průsečíků pomyslné krychlové mřížky. Zbytek výplně tvořil grafit.
Průběžná měření ukázala, že kritického stavu dosáhne reaktor i při nižším než zamýšleném množství vloženého uranu. Ústřední sféra proto nebyla pravidelná. Vertikální rozměr reakční zóny čítal ve skutečnosti jen necelých šest metrů výšky, místo zamýšlených 7,4 metru.
Autentická fotografie sedmé čistě grafitové vrstvy milíře názorně ukazuje horizontální průřez reaktorem a zejména konstrukci dřevěných hrání, které podpíraly tuny materiálu použitého na výstavbu aktivní zóny.
Snímek desáté vrstvy velmi přehledně zachytil uspořádání koulí z oxidů uranu v matrici grafitového moderátoru v reaktoru CP-1.
K řízení průběhu štěpení uranu byl milíř vybaven řídícími tyčemi z kadmia a oceli s přísadou boru. Obě látky pohlcují pomalé neutrony o dva až tři řády, tedy i tisíckrát lépe, než ostatní elementy. Kadmium pak čtyřikrát až třináctkrát účinněji než bor.
Mimo regulační tyče byla s předstihem připravena i automatická nouzová soustava zastavení štěpných procesů v reaktoru. Konstruktéři mysleli i na případné selhání samočinného ochranného systému a havarijní tyč bylo možné zasunout do reaktoru ručně přeříznutím provazu, na kterém jinak držela. Poslední záchranou brzdou byli muži na zdvíhací plošině vysunuté nad horní úroveň milíře. Na pokyn ředitele pokusu měli do reaktoru vylít vodu s rozpuštěnými solemi kadmia.
Kritický stav
Fermiho pokusný reaktor nebyl opatřen chlazením ani prvky biologické ochrany. Délka trvání samoudržující se štěpné reakce neměla ale přesáhnout dobu několika desítek minut. Krotké vlastnosti milíře charakterizuje rovněž velmi nízký multiplikační (násobivý) faktor neutronů vyjádřený hodnotou 1,0006. Z deseti tisíc současně proběhlých rozpadů atomů izotopu uranu 235 se do následného štěpení zapojilo jen 10006 neutronů, tedy jen šest navíc. Ostatní částice byly buď pohlceny okolní hmotou, nebo unikly z aktivní zóny bez účinku.
Výkon se zvětšoval jen velmi pomalu a bylo ho proto možné plně řídit i jen ručním ovládáním podle údajů měřících přístrojů neutronového toku. Výkon reaktoru se zdvojnásoboval během celé jedné minuty a to jen při plném vytažení všech regulačních tyčích.
Veškeré poznatky o reaktoru měly v době před jeho uvedením do kritického stavu jen teoretický ráz. Přítomní fyzici byli tudíž mimořádně ostražití, protože dobře věděli, že příroda i technika dovedou občas nepříjemně překvapit. Nejzásadnější experiment atomového věku začal proto až následující den po dostavbě reaktoru.
Ve středu 2. prosince v 9:35 byla z reaktoru vytažena havarijní (pojistná) tyč. Následně byly obezřetně vysunovány z aktivní zóny reaktoru regulační tyče v kroku po jedné stopě, později po jedné polovině stejné délkové jednotky. Po každém pohybu byl měřen tok neutronů, který neustále mohutněl. Nedocházelo ale k jeho samovolnému zvyšování. Reaktor se dosud nacházel v podkritickém stavu.
Před polednem zapracovala příliš citlivě nastavená ochranná soustava a zasunula do reaktoru havarijní tyč. Pokus byl přerušen a vědci se odebrali na oběd.
Po přestávce pokračovalo skokové povytahování regulačních tyčí, ale i teď se růst neutronového toku postupně ustálil. Teprve v 15:36 začal stoupat exponenciálně. Reaktor dosáhl kritického stavu a pomalinku začal samovolně zvyšovat svůj tepelný výkon. V 15:53 automatické zařízení pokus zastavilo zasunutím neutrony pohlcující tyče do aktivní zóny. Vědci byli nadšení, přestože výkon reaktoru dosáhl špičkově hodnoty jen asi půl wattu. Právě dospěli k poznání, že řízená štěpná řetězová reakce není jen fantastickou představou, ale plně uskutečnitelným technickým procesem.
Po zpracování naměřených hodnot prvního experimentu byl reaktor CP-1 (Chicago Pile-1) do kritického stavu uveden znovu 12. prosince téhož roku. Pracoval 35 minut a dosáhl podstatně vyššího výkonu 200 wattů. Během pokusu se v jeho okolí značně zvýšila radiace. Bezprostředně u reaktoru dosahovala hodnoty 3 rentgeny za hodinu, dále v místnosti asi 0,4 rentgenu za hodinu (jako obvykle smrtící dávka záření se označuje kolem 100 rentgenů za hodinu po dobu několika hodin. Přirozená hodnota radiace v prostředí dosahuje naopak jen zhruba 0,1 rentgenu za celý rok, pozn. red.).
V únoru 1943 byl reaktor CP-1 demontován a jeho části byly použity ke konstrukci nového pokusného reaktoru CP-2. Později byl v Chicagu postaven i těžkovodní reaktor CP-3. Náklady vynaložené na materiál a stavbu CP-1 činily 2,7 milionu dolarů v tehdejší hodnotě měny, což odpovídá zhruba 40 milionům dolarů dnešních.
Jaderný věk
Praktickým výstupem Fermiho pokusů s uranovým milířem byla stavba atomových reaktorů pro průmyslovou přípravu zbrojního plutonia. Na území takzvaného Stanoviště Hanford (Hanford Site) v jižní části federálního státu Washington na pravém břehu řeky Columbia byly do konce války postaveny celkem tři atomové reaktory.
Na rozdíl od dnešních zvyklostí nesloužily vůbec k energetickým účelům, přestože každý měl tepelný výkon 200 megawattů. Jejich úkolem byla výhradně co nejrychlejší výroba štěpitelné nálože do atomové bomby. Na jaderné provozy navazovala chemická úpravna, která z vyhořelého paliva získávala kýžené plutonium.
Nukleární provoz na Hanford Site ve státu Washington, kde byly do konce 2. světové války postaveny celkem tři atomové reaktory výhradně pro vojenské účely.
Záběr na staveniště B reaktoru pro výrobu plutonia v Hanford Site
V současné době je v provozu na celém světě 435 energetických jaderných reaktorů v atomových elektrárnách, které vyrábí 12,3% elektrické energie využívané veškerým lidstvem (když započteme veškerou výrobu energie včetně tepla, pokrývají zhruba 6 procent z celkové spotřeby, pozn. red.). Další stovky reaktorů plní vzdělávací, pokusné a laboratorní účely nebo pohánějí válečná a výjimečně i civilní plavidla.
Jaderné inženýrství se tak během necelého tři čtvrtě století stalo neoddělitelnou součástí moderní lidské kultury, které veřejnost vnímá pouze v případě, když se něco nepovede. Což je ale naprosto běžné i u dalších výdobytků moderního věku.
Autor je publicista a ilustrátor.
