Physics

A Golf Ball With the Power of a City

#081 · 5 min read

A golf ball with a radioactive symbol sits atop a golden tee, next to a mound of coal, symbolizing the immense energy contained in a small amount of uranium compared to coal.

A piece of uranium the size of a golf ball stores more energy than a thousand tons of coal. In December 1938, two refugee physicists working out the arithmetic on a snowbound Swedish walk realised what that meant — and what could be done with it.

In December 1938, in a laboratory in the Berlin suburb of Dahlem, the chemist Otto Hahn ran a routine separation on a sample of uranium that had been bombarded with neutrons. He was looking for transuranic elements — atoms heavier than uranium, which physicists then believed neutrons could build. Instead he found barium, an element about half uranium's weight. He could not explain it. He wrote that night to his collaborator of thirty years, Lise Meitner, who had fled Berlin five months earlier to escape the Nuremberg Laws.

Meitner read the letter on Christmas Eve at a guesthouse in Kungälv, on the Swedish coast. Her nephew Otto Frisch had come up from Copenhagen for the holiday. They worked out the arithmetic on a scrap of paper during a walk in the snow. The uranium nucleus, struck by a neutron, had not absorbed it — it had broken in two. The two halves, repelling each other electrically, flew apart with the energy of a falling raindrop, which for a single atom is an enormous amount. Frisch borrowed a word from biology and called it fission.

The mass of the two halves, added up, was slightly less than the mass of the uranium they came from. About a fifth of a percent. Einstein had published the equation linking mass and energy in 1905; nobody had ever seen it cash out so cleanly. The missing mass became heat and radiation, governed by the c² that turns a single gram into roughly the yield of the Hiroshima bomb.

The chain

Five years earlier, the Hungarian physicist Leo Szilard had been crossing a London street when he imagined a neutron-driven chain reaction. He patented the idea, assigned it to the British Admiralty, and hoped it would stay theoretical. After Hahn and Meitner, it did not.

A tabletop nuclear physics demonstration uses polished metal spheres Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Uranium-235 is the rare isotope — seven parts in a thousand of natural uranium, the rest being the nearly inert U-238. When a U-235 nucleus absorbs a slow neutron, it splits and emits two or three new neutrons. If at least one of those finds another U-235 nucleus, the reaction sustains itself. If more than one finds another, it grows. The growth is exponential, and the time between generations of neutrons is measured in microseconds.

ONE OF THE MOST IGNORANT TESTS EVER--NOT MY PHOTO roberthuffstutter · BY 2.0

On 2 December 1942, in a converted squash court under the west grandstand of Stagg Field in Chicago, Enrico Fermi's team assembled forty thousand graphite blocks and six tons of uranium metal into a lattice they called Chicago Pile-1. At 3:25 p.m., a single cadmium control rod was withdrawn the final few inches. The pile went critical. It ran for twenty-eight minutes at half a watt. The first self-sustaining nuclear chain reaction in the world made no sound and gave off no visible light.

Two and a half years later, at the Trinity test site in the New Mexico desert, the same physics released the equivalent of twenty-one thousand tons of TNT in a single second. Three weeks after that, Hiroshima.

A 1938 chemistry bench in Dahlem holds uranium samples Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The brake

A reactor and a bomb are the same reaction with different geometry. A bomb is engineered so that each fission triggers, on average, well more than one further fission, until the assembly tears itself apart. A reactor is engineered so the number is held at exactly one. The instrument of holding is the control rod: a stick of boron or cadmium or hafnium, lowered into the core, that drinks neutrons before they find new uranium.

Chemical unit holds wartime decontamination exercise Aberdeen Proving Ground · BY 2.0

A single ceramic pellet of enriched uranium oxide, the size of a pencil eraser and weighing about seven grams, contains the heat of a ton of coal. A bundle of three hundred such pellets, sealed in a zirconium tube four metres long, is one fuel rod. A commercial reactor holds tens of thousands of them. The pellets stay in the core for four or five years and emerge a hundred million times more radioactive than when they went in. That waste does not stop being dangerous on any human timescale. The Finnish repository at Onkalo, the only one under construction in the world, is engineered for a hundred thousand years.

Inside the squash court pile beneath a stadium Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What we still don't know

We do not know whether a deep geological repository will, in fact, hold for a hundred thousand years. Onkalo begins accepting spent fuel in the late 2020s. The American equivalent at Yucca Mountain was defunded in 2010 and has not restarted.

Nuclear weapon yield Fastfission · Public domain

We do not know whether the next generation of reactors — small modular designs, molten-salt thorium cycles, fast breeders — will be built at scale before the climate problem they could mitigate has done its damage. The economics have so far refused to cooperate.

We do not know what a fully decommissioned Chernobyl looks like. The New Safe Confinement arch, slid over the ruined Reactor 4 in 2016, is designed to last a century. The fuel-containing masses underneath it will be radioactive for tens of thousands of years after that.

A modern research reactor hall shows control rods suspended above a calm pool of deep blue Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

And we do not know, in the deeper sense, whether a species that learned to release the binding energy of the atomic nucleus in 1938 and used it against a city in 1945 can be trusted with it indefinitely. There have been close calls — Stanislav Petrov in 1983, the Soviet submarine B-59 in 1962 — and there are now nine nuclear-weapon states.

A uranium atom is heavy because it was assembled in the last minutes of a dying star, when shockwaves drove neutrons onto smaller nuclei faster than the new isotopes could decay. We are not making the energy when we split a uranium nucleus; we are letting out what the supernova put in. The ore in the ground is old starlight, banked.

Una pieza de uranio del tamaño de una pelota de golf almacena más energía que mil toneladas de carbón. En diciembre de 1938, dos físicos refugiados que trabajaban sus cálculos en un paseo sueco sepultado por la nieve comprendieron lo que eso significaba — y lo que era posible hacer con ello.

En diciembre de 1938, en un laboratorio del suburbio berlinés de Dahlem, el químico Otto Hahn realizó una separación rutinaria en una muestra de uranio que había sido bombardeada con neutrones. Buscaba elementos transuránicos —átomos más pesados que el uranio, que los físicos de entonces creían que los neutrones podían construir. En su lugar encontró bario, un elemento que pesa aproximadamente la mitad que el uranio. No podía explicarlo. Esa misma noche le escribió a su colaboradora de treinta años, Lise Meitner, quien había huido de Berlín cinco meses antes para escapar de las Leyes de Núremberg.

Meitner leyó la carta en Nochebuena en una casa de huéspedes de Kungälv, en la costa sueca. Su sobrino Otto Frisch había llegado desde Copenhague para las fiestas. Trabajaron los cálculos en un trozo de papel durante un paseo en la nieve. El núcleo de uranio, golpeado por un neutrón, no lo había absorbido —se había partido en dos. Las dos mitades, repeliéndose eléctricamente, salieron disparadas con la energía de una gota de lluvia al caer, lo que para un solo átomo es una cantidad enorme. Frisch tomó prestada una palabra de la biología y llamó al proceso fisión.

La masa de las dos mitades, sumadas, era ligeramente inferior a la masa del uranio del que provenían. Aproximadamente una quinta parte del uno por ciento. Einstein había publicado en 1905 la ecuación que vincula masa y energía; nadie la había visto concretarse con tanta nitidez. La masa faltante se convirtió en calor y radiación, gobernada por ese c² que transforma un solo gramo en un rendimiento equivalente, aproximadamente, al de la bomba de Hiroshima.

La cadena

Cinco años antes, el físico húngaro Leo Szilard cruzaba una calle de Londres cuando imaginó una reacción en cadena impulsada por neutrones. Patentó la idea, la cedió al Almirantazgo británico y esperaba que se quedara en el terreno de la teoría. Después de Hahn y Meitner, eso ya no fue posible.

El uranio-235 es el isótopo escaso —siete partes por cada mil del uranio natural; el resto es el U-238, casi inerte. Cuando un núcleo de U-235 absorbe un neutrón lento, se divide y emite dos o tres neutrones nuevos. Si al menos uno de ellos encuentra otro núcleo de U-235, la reacción se sostiene a sí misma. Si más de uno encuentra otro, crece. El crecimiento es exponencial, y el tiempo entre generaciones de neutrones se mide en microsegundos.

El 2 de diciembre de 1942, en una cancha de squash reconvertida bajo la tribuna oeste del Stagg Field de Chicago, el equipo de Enrico Fermi ensambló cuarenta mil bloques de grafito y seis toneladas de uranio metálico en una retícula que llamaron Chicago Pile-1. A las 3:25 de la tarde, se retiró una única barra de control de cadmio los últimos centímetros. La pila alcanzó la criticalidad. Funcionó durante veintiocho minutos a medio vatio. La primera reacción nuclear en cadena autosustentada del mundo no hizo ningún ruido y no emitió luz visible.

Dos años y medio después, en el emplazamiento de Trinity test, en el desierto de Nuevo México, la misma física liberó el equivalente a veintiún mil toneladas de TNT en un solo segundo. Tres semanas después, Hiroshima.

El freno

Un reactor y una bomba son la misma reacción con distinta geometría. Una bomba está diseñada para que cada fisión desencadene, en promedio, bastante más de una fisión ulterior, hasta que el conjunto se destroza a sí mismo. Un reactor está diseñado para que ese número se mantenga exactamente en uno. El instrumento de control es la barra de control: una varilla de boro, cadmio o hafnio que se introduce en el núcleo y que absorbe neutrones antes de que encuentren nuevo uranio.

Una sola pastilla cerámica de óxido de uranio enriquecido, del tamaño de una goma de borrar y con un peso de unos siete gramos, contiene el calor equivalente a una tonelada de carbón. Un conjunto de trescientas de estas pastillas, encerradas en un tubo de circonio de cuatro metros de largo, es una barra de combustible. Un reactor comercial contiene decenas de miles de ellas. Las pastillas permanecen en el núcleo durante cuatro o cinco años y emergen cien millones de veces más radiactivas que cuando entraron. Esos residuos no dejan de ser peligrosos en ninguna escala de tiempo humana. El repositorio finlandés de Onkalo, el único en construcción en el mundo, está diseñado para cien mil años.

Lo que aún no sabemos

No sabemos si un repositorio geológico profundo aguantará, en efecto, cien mil años. Onkalo comenzará a aceptar combustible gastado a finales de la década de 2020. El equivalente estadounidense en Yucca Mountain fue desfinanciado en 2010 y no se ha retomado.

No sabemos si la próxima generación de reactores —diseños modulares pequeños, ciclos de torio en sales fundidas, reproductores rápidos— se construirá a escala antes de que el problema climático que podrían mitigar haya causado ya su daño. La economía, hasta ahora, se ha negado a cooperar.

No sabemos qué aspecto tiene un Chernóbil completamente desmantelado. El arco del Nuevo Confinamiento Seguro, deslizado sobre el Reactor 4 en ruinas en 2016, está diseñado para durar un siglo. Las masas que contienen combustible debajo de él serán radiactivas durante decenas de miles de años después de eso.

Y no sabemos, en el sentido más profundo, si una especie que aprendió a liberar la energía de enlace del núcleo atómico en 1938 y la usó contra una ciudad en 1945 puede ser considerada su custodio indefinido. Ha habido situaciones límite —Stanislav Petrov en 1983, el submarino soviético B-59 en 1962— y ahora hay nueve estados poseedores de armas nucleares.

Un átomo de uranio es pesado porque fue ensamblado en los últimos minutos de una estrella moribunda, cuando las ondas de choque impulsaron neutrones sobre núcleos más pequeños con mayor rapidez de lo que los nuevos isótopos podían desintegrarse. No estamos generando la energía cuando dividimos un núcleo de uranio; estamos liberando lo que la supernova depositó en él. El mineral en el suelo es antigua luz de estrellas, guardada.

一块高尔夫球大小的铀，储存的能量胜过千吨煤炭。1938年12月，两位流亡的物理学家在白雪皑皑的瑞典小径上散步，心算着那串数字，猛然明白了这意味着什么——以及人类能用它做什么。

1938年12月，在柏林郊区达勒姆的一间实验室里，化学家Otto Hahn对一份经中子轰击的铀样本进行了例行分离实验。他在寻找超铀元素——比铀更重的原子，当时的物理学家认为中子可以构建出这类元素。他找到的却是钡——一种质量约为铀之半的元素。他无法解释这一发现。当晚，他写信给合作了三十年的同事Lise Meitner——她五个月前为逃避《纽伦堡法案》已出走柏林。

迈特纳在平安夜于瑞典海岸小城孔艾尔夫的一家招待所里读到了这封信。她的外甥Otto Frisch专程从哥本哈根赶来过节。两人在雪中散步时，在一张废纸上算出了其中的数字。铀核受中子撞击，并未将其吸收，而是一分为二。两个碎片在静电斥力的作用下飞散而开，携带着相当于一滴雨水坠落的能量——对单个原子而言，这已是极为巨大的数量。弗里施借用了生物学中的一个词，将其称为裂变。

两个碎片的质量之和，略小于原来那块铀的质量。差了约千分之二。爱因斯坦于1905年发表了联系质量与能量的方程；从未有人见过它如此清晰地兑现。消失的质量化为热与辐射，受那个c²支配——正是这个c²，将区区一克物质转化为相当于广岛原子弹的爆炸当量。

链

五年前，匈牙利物理学家Leo Szilard正穿行于伦敦街头，忽然设想出一种由中子驱动的链式反应。他为这一构想申请了专利，将其转让给英国海军部，并希望它永远停留在理论层面。哈恩与迈特纳的发现之后，这一愿望落了空。

铀-235是稀有同位素——天然铀中每千份仅含七份，其余几乎全是近乎惰性的铀-238。铀-235核吸收一个慢中子后，会裂分并释放两至三个新中子。若其中至少一个找到另一个铀-235核，反应便可自持；若不止一个找到，反应便会增殖。增殖呈指数级增长，中子代际之间的时间以微秒计。

1942年12月2日，在芝加哥斯塔格球场西侧看台下改建而成的壁球场里，Enrico Fermi的团队将四万块石墨砖和六吨金属铀砌成一个点阵结构，命名为Chicago Pile-1。下午3时25分，一根镉控制棒被抽出最后几英寸。堆达到临界状态。以半瓦功率运行了二十八分钟。世界上第一次自持核链式反应，无声无息，不发出任何可见的光。

两年半后，在新墨西哥州沙漠的Trinity test试验场，同样的物理原理在一秒钟内释放出相当于两万一千吨TNT的当量。三周后，广岛。

制动

反应堆与炸弹，是同一种反应，只是几何构型不同。炸弹的设计使每次裂变平均引发远多于一次的后续裂变，直至整个组件将自身炸碎。反应堆的设计则将这一数值精确保持在一。实现这一控制的工具是控制棒：一根由硼、镉或铪制成的棒材，插入堆芯，在中子找到新的铀之前将其吞噬。

一颗富集氧化铀陶瓷芯块，大小如铅笔橡皮头，重约七克，蕴含的热量相当于一吨煤。三百颗这样的芯块，封装在一根四米长的锆合金管中，构成一根燃料棒。一座商业反应堆容纳数万根这样的燃料棒。芯块在堆芯驻留四至五年，取出时的放射性是入堆时的一亿倍。这些废料在任何人类可衡量的时间尺度内都不会停止危险。芬兰的Onkalo储存库是世界上唯一在建的深地质处置库，工程设计寿命为十万年。

我们仍不知晓的

我们不知道深地质储存库是否真能保持稳定长达十万年。Onkalo将于2020年代末开始接收乏燃料。美国对应的尤卡山项目于2010年被撤销资金，至今未能重启。

我们不知道下一代反应堆——小型模块化设计、熔盐钍循环、快中子增殖堆——能否在其本可缓解的气候问题造成无可挽回的破坏之前大规模建成。经济层面的账至今难以算通。

我们不知道切尔诺贝利完全退役后是什么模样。2016年滑入并覆盖已毁的四号反应堆的新安全隔离拱，设计寿命为一百年。其下方含有核燃料的物质，在此之后将继续保持放射性长达数万年。

更深层次上，我们不知道：一个在1938年学会释放原子核结合能、并于1945年将其用于轰炸一座城市的物种，是否能够被永远托付以这种力量。其间不乏险象环生的时刻——1983年的Stanislav Petrov，1962年的苏联潜艇B-59——而如今拥有核武器的国家已有九个。

铀原子之所以沉重，是因为它诞生于一颗濒死恒星的最后时刻——那时，冲击波将中子以超过新同位素衰变速率的速度驱入较小的原子核之中。我们裂解铀核时，并非在创造能量；我们不过是释放超新星当年注入其中的那份力量。地下的矿石，是古老的星光，蛰伏于此。

À peine plus grosse qu'une balle de golf, une masse d'uranium renferme davantage d'énergie que mille tonnes de charbon. En décembre 1938, deux physiciens réfugiés, faisant leurs calculs lors d'une promenade enneigée en Suède, comprirent ce que cela impliquait — et ce qu'on pourrait en faire.

En décembre 1938, dans un laboratoire de la banlieue berlinoise de Dahlem, le chimiste Otto Hahn procéda à une séparation de routine sur un échantillon d'uranium bombardé de neutrons. Il cherchait des éléments transuraniens — des atomes plus lourds que l'uranium, que les physiciens croyaient alors pouvoir être construits par les neutrons. Il trouva à la place du baryum, un élément pesant environ la moitié de l'uranium. Il ne sut l'expliquer. Il écrivit le soir même à sa collaboratrice de trente ans, Lise Meitner, qui avait fui Berlin cinq mois plus tôt pour échapper aux lois de Nuremberg.

Meitner lut la lettre la veille de Noël dans une pension de famille à Kungälv, sur la côte suédoise. Son neveu Otto Frisch était venu de Copenhague pour les fêtes. Ils firent les calculs sur un bout de papier au cours d'une promenade dans la neige. Le noyau d'uranium, frappé par un neutron, ne l'avait pas absorbé — il s'était brisé en deux. Les deux moitiés, se repoussant électriquement, s'éloignèrent l'une de l'autre avec l'énergie d'une goutte de pluie tombant, ce qui pour un seul atome représente une quantité considérable. Frisch emprunta un mot à la biologie et l'appela fission.

La masse des deux moitiés, additionnée, était légèrement inférieure à la masse de l'uranium dont elles étaient issues. Environ un cinquième de pour cent. Einstein avait publié l'équation reliant la masse à l'énergie en 1905 ; personne ne l'avait jamais vue se vérifier avec une telle netteté. La masse manquante se convertit en chaleur et en rayonnement, régie par le c² qui transforme un seul gramme en quelque chose d'équivalent à la puissance de la bombe d'Hiroshima.

La chaîne

Cinq ans plus tôt, le physicien hongrois Leo Szilard traversait une rue de Londres lorsqu'il imagina une réaction en chaîne pilotée par des neutrons. Il déposa un brevet sur l'idée, la céda à l'Amirauté britannique et espéra qu'elle resterait théorique. Après Hahn et Meitner, ce ne fut plus le cas.

L'uranium-235 est l'isotope rare — sept parties pour mille de l'uranium naturel, le reste étant l'U-238, quasi inerte. Lorsqu'un noyau d'U-235 absorbe un neutron lent, il se scinde et émet deux ou trois nouveaux neutrons. Si au moins l'un d'eux rencontre un autre noyau d'U-235, la réaction s'entretient. Si plus d'un en rencontre un autre, elle s'emballe. La croissance est exponentielle, et le temps séparant deux générations de neutrons se mesure en microsecondes.

Le 2 décembre 1942, dans un court de squash reconverti sous la tribune ouest du Stagg Field à Chicago, l'équipe d'Enrico Fermi assembla quarante mille blocs de graphite et six tonnes d'uranium métal en un réseau qu'ils appelèrent Chicago Pile-1. À 15 h 25, une unique barre de contrôle en cadmium fut retirée des derniers centimètres. La pile atteignit la criticité. Elle fonctionna vingt-huit minutes à un demi-watt. La première réaction en chaîne nucléaire autonome au monde ne fit aucun bruit et n'émit aucune lumière visible.

Deux ans et demi plus tard, sur le site du Trinity test dans le désert du Nouveau-Mexique, la même physique libéra l'équivalent de vingt et un mille tonnes de TNT en une seule seconde. Trois semaines plus tard, Hiroshima.

Le frein

Un réacteur et une bombe sont la même réaction avec une géométrie différente. Une bombe est conçue de façon que chaque fission déclenche, en moyenne, bien plus d'une fission supplémentaire, jusqu'à ce que l'assemblage se déchire. Un réacteur est conçu de façon que ce nombre soit maintenu à exactement un. L'instrument de ce maintien est la barre de contrôle : un barreau de bore, de cadmium ou d'hafnium, descendu dans le cœur, qui boit les neutrons avant qu'ils ne trouvent de nouvel uranium.

Une seule pastille de céramique d'oxyde d'uranium enrichi, de la taille d'une gomme et pesant environ sept grammes, contient la chaleur d'une tonne de charbon. Un faisceau de trois cents de ces pastilles, scellées dans un tube de zirconium de quatre mètres de long, constitue une barre de combustible. Un réacteur commercial en contient des dizaines de milliers. Les pastilles demeurent dans le cœur quatre ou cinq ans et en ressortent cent millions de fois plus radioactives qu'à leur entrée. Ces déchets ne cessent d'être dangereux sur aucune échelle de temps humaine. Le site de stockage finlandais d'Onkalo, le seul en construction dans le monde, est conçu pour durer cent mille ans.

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas si un dépôt géologique profond tiendra, en réalité, cent mille ans. Onkalo commencera à accueillir du combustible usé à la fin des années 2020. L'équivalent américain à Yucca Mountain a été privé de financement en 2010 et n'a pas repris.

Nous ne savons pas si la prochaine génération de réacteurs — petits modèles modulaires, cycles thorium à sels fondus, surrégénérateurs rapides — sera construite à grande échelle avant que le problème climatique qu'elle pourrait atténuer n'ait fait ses ravages. L'économie s'est, jusqu'ici, refusée à coopérer.

Nous ne savons pas à quoi ressemble un Tchernobyl entièrement démantelé. L'arche du Nouveau Confinement Sûr, glissée au-dessus du réacteur 4 en ruine en 2016, est conçue pour durer un siècle. Les masses contenant du combustible qui se trouvent en dessous seront radioactives pendant des dizaines de milliers d'années après cela.

Et nous ne savons pas, dans un sens plus profond, si une espèce qui a appris à libérer l'énergie de liaison du noyau atomique en 1938 et l'a utilisée contre une ville en 1945 peut en être dépositaire indéfiniment. Il y a eu des frôlements de catastrophe — Stanislav Petrov en 1983, le sous-marin soviétique B-59 en 1962 — et il existe aujourd'hui neuf États dotés de l'arme nucléaire.

Un atome d'uranium est lourd parce qu'il a été assemblé dans les dernières minutes d'une étoile mourante, lorsque des ondes de choc forçaient les neutrons sur des noyaux plus petits plus vite que les nouveaux isotopes ne pouvaient se désintégrer. Nous ne créons pas l'énergie en divisant un noyau d'uranium ; nous libérons ce que la supernova y a déposé. Le minerai dans la terre est de la vieille lumière d'étoile, mise en réserve.

Um fragmento de urânio do tamanho de uma bola de golfe encerra mais energia do que mil toneladas de carvão. Em dezembro de 1938, dois físicos refugiados, acertando os cálculos durante uma caminhada pela neve sueca, compreenderam o que aquilo significava — e o que poderia ser feito com isso.

Em dezembro de 1938, num laboratório no subúrbio berlinense de Dahlem, o químico Otto Hahn realizou uma separação de rotina numa amostra de urânio bombardeada com nêutrons. Procurava elementos transurânicos — átomos mais pesados que o urânio, que os físicos acreditavam então que os nêutrons poderiam construir. Em vez disso, encontrou bário, um elemento com cerca de metade do peso do urânio. Não conseguia explicar. Naquela noite, escreveu à sua colaboradora de trinta anos, Lise Meitner, que havia fugido de Berlim cinco meses antes para escapar das Leis de Nuremberg.

Meitner leu a carta na véspera de Natal numa pousada em Kungälv, na costa sueca. O sobrinho Otto Frisch viera de Copenhague para as festas. Fizeram os cálculos num pedaço de papel durante um passeio na neve. O núcleo de urânio, atingido por um nêutron, não o havia absorvido — havia se partido em dois. As duas metades, repelindo-se eletricamente, se separaram com a energia de uma gota de chuva em queda, que para um único átomo é uma quantidade enorme. Frisch tomou emprestada uma palavra da biologia e batizou o processo de fissão.

A soma das massas das duas metades era ligeiramente menor que a massa do urânio de origem. Cerca de um quinto de um por cento. Einstein havia publicado a equação que relaciona massa e energia em 1905; ninguém jamais a havia visto se concretizar com tanta limpidez. A massa faltante converteu-se em calor e radiação, governada pelo c² que transforma um único grama em algo equivalente, grosso modo, à potência da bomba de Hiroshima.

A cadeia

Cinco anos antes, o físico húngaro Leo Szilard atravessava uma rua em Londres quando imaginou uma reação em cadeia movida a nêutrons. Patenteou a ideia, cedeu-a ao Almirantado britânico e esperou que ela permanecesse teórica. Após Hahn e Meitner, não permaneceu.

O urânio-235 é o isótopo raro — sete partes em cada mil do urânio natural, sendo o restante o U-238, quase inerte. Quando um núcleo de U-235 absorve um nêutron lento, ele se divide e emite dois ou três nêutrons novos. Se pelo menos um deles encontrar outro núcleo de U-235, a reação se sustenta. Se mais de um encontrar outro, ela cresce. O crescimento é exponencial, e o intervalo entre gerações de nêutrons é medido em microssegundos.

Em 2 de dezembro de 1942, numa quadra de squash convertida sob a arquibancada oeste do Stagg Field, em Chicago, a equipe de Enrico Fermi empilhou quarenta mil blocos de grafite e seis toneladas de urânio metálico numa estrutura reticulada que chamaram de Chicago Pile-1. Às 15h25, uma única barra de controle de cádmio foi retirada os últimos centímetros. A pilha atingiu a criticalidade. Funcionou por vinte e oito minutos a meio watt. A primeira reação em cadeia nuclear autossustentada do mundo não fez nenhum som e não emitiu nenhuma luz visível.

Dois anos e meio depois, no local do teste Trinity test, no deserto do Novo México, a mesma física liberou o equivalente a vinte e uma mil toneladas de TNT em um único segundo. Três semanas depois, Hiroshima.

O freio

Um reator e uma bomba são a mesma reação com geometrias diferentes. Uma bomba é projetada de modo que cada fissão desencadeie, em média, bem mais de uma fissão adicional, até que o conjunto se despedace. Um reator é projetado para que esse número seja mantido em exatamente um. O instrumento de controle é a barra de controle: um bastão de boro, cádmio ou háfnio, introduzido no núcleo, que absorve nêutrons antes que eles encontrem novo urânio.

Uma única pastilha cerâmica de óxido de urânio enriquecido, do tamanho de uma borracha de lápis e pesando cerca de sete gramas, contém o calor de uma tonelada de carvão. Um feixe de trezentas dessas pastilhas, selado num tubo de zircônio de quatro metros de comprimento, é uma barra de combustível. Um reator comercial abriga dezenas de milhares delas. As pastilhas permanecem no núcleo por quatro ou cinco anos e saem cem milhões de vezes mais radioativas do que quando entraram. Esses resíduos não cessam de ser perigosos em qualquer escala de tempo humana. O repositório finlandês em Onkalo, o único em construção no mundo, é projetado para durar cem mil anos.

O que ainda não sabemos

Não sabemos se um repositório geológico profundo resistirá, de fato, por cem mil anos. Onkalo começa a receber combustível irradiado no final dos anos 2020. O equivalente americano, em Yucca Mountain, teve seu financiamento cancelado em 2010 e não foi retomado.

Não sabemos se a próxima geração de reatores — projetos modulares de pequeno porte, ciclos de tório em sal fundido, reprodutores rápidos — será construída em escala antes que o problema climático que poderiam mitigar tenha causado seu estrago. A economia se recusou, até agora, a cooperar.

Não sabemos como seria um Chernobyl totalmente desativado. O arco da Nova Contenção Segura, deslizado sobre o Reator 4 em ruínas em 2016, está projetado para durar um século. As massas contendo combustível abaixo dele permanecerão radioativas por dezenas de milhares de anos depois disso.

E não sabemos, num sentido mais profundo, se uma espécie que aprendeu a liberar a energia de ligação do núcleo atômico em 1938 e a usou contra uma cidade em 1945 pode ser confiada com ela indefinidamente. Houve momentos de quase catástrofe — Stanislav Petrov em 1983, o submarino soviético B-59 em 1962 — e hoje existem nove estados com armas nucleares.

Um átomo de urânio é pesado porque foi formado nos últimos minutos de uma estrela moribunda, quando ondas de choque empurravam nêutrons para núcleos menores mais depressa do que os novos isótopos conseguiam decair. Não estamos criando energia quando dividimos um núcleo de urânio; estamos liberando o que a supernova nele depositou. O minério no solo é luz de estrela antiga, represada.

核融合ゴルフボールほどの大きさのウランに、石炭千トン分のエネルギーが眠っている。1938年12月、雪に閉ざされたスウェーデンの道を歩きながら計算を解いた二人の亡命物理学者は、その意味に——そして、それで何ができるかに——気づいてしまった。

1938年12月、ベルリン郊外ダーレムの研究室で、化学者Otto Hahnは中性子を照射したウランの試料に対して、いつもと変わらぬ分離実験を行った。彼が探していたのは超ウラン元素——当時の物理学者たちが、中性子によって生成できると信じていたウランより重い原子——だった。ところが見つかったのはバリウム、ウランの約半分の質量しかない元素だった。説明がつかなかった。その夜、彼は三十年来の共同研究者Lise Meitnerに手紙を書いた。彼女はニュルンベルク法を逃れるため、五ヶ月前にベルリンを脱出していた。

マイトナーはクリスマス・イブ、スウェーデン沿岸のクングエルブにある宿でその手紙を読んだ。甥のOtto Frischがコペンハーゲンから休暇のために訪ねてきていた。ふたりは雪の中を散歩しながら、一枚の紙切れに計算を書き記した。中性子を受けたウランの原子核は、それを吸収したのではなかった——二つに割れていたのだ。電気的に反発し合う二つの破片は、一粒の雨滴が落下するときのエネルギーで弾け飛んだ——単一の原子にとっては途方もない量である。フリッシュは生物学から言葉を借りて、それを「核分裂」と名付けた。

二つの破片の質量を合計すると、もとのウランの質量よりわずかに小さかった。約五千分の一ほど。アインシュタインが質量とエネルギーを結ぶ方程式を発表したのは1905年のことだが、それがこれほど明快に現れた例は、それまで誰も目にしたことがなかった。消えた質量は熱と放射線になった——たった一グラムを広島の原爆の爆発力にほぼ相当するエネルギーへと変えてしまうc²の支配のもとで。

連鎖

その五年前、ハンガリー出身の物理学者Leo Szilardは、ロンドンの通りを横断しながら中性子による連鎖反応を思い描いた。彼はその着想を特許として取得し、英国海軍省に譲渡して、あくまで理論の域にとどまることを願った。ハーンとマイトナーの発見の後、その願いは叶わなかった。

ウラン235は希少な同位体で、天然ウランの千分の七しか存在しない。残りのほとんどは、反応しにくいU-238である。U-235の原子核が低速中性子を吸収すると、核分裂を起こして二つないし三つの新たな中性子を放出する。そのうち少なくとも一つが別のU-235原子核に当たれば、反応は持続する。一つを超える数が当たれば、反応は増大する。増大は指数関数的で、中性子の世代から世代への時間はマイクロ秒単位で測られる。

1942年12月2日、シカゴのスタッグ・フィールド西スタンド下の、スカッシュコートを改造した空間で、Enrico Fermiのチームは四万個の黒鉛ブロックと六トンのウラン金属を、Chicago Pile-1と呼んだ格子状の構造に組み上げた。午後3時25分、一本のカドミウム製制御棒が最後の数インチだけ引き抜かれた。炉は臨界に達した。0.5ワットの出力で二十八分間動作した。世界初の自立的な核連鎖反応は、音もなく、目に見える光も発しなかった。

それから二年半後、ニューメキシコ砂漠のTrinity test実験場で、同じ物理法則が一秒のうちにTNT二万一千トン相当のエネルギーを解き放った。その三週間後、広島。

制御

原子炉と爆弾は、形状の異なる同一の反応である。爆弾は、それ自体が崩壊するまで、一回の核分裂が平均で一を大きく超える次の核分裂を誘発するよう設計されている。原子炉は、その数がちょうど一に保たれるよう設計されている。それを維持する道具が制御棒だ——ホウ素かカドミウムかハフニウムでできた棒が炉心に挿し込まれ、中性子が新たなウランを見つける前に吸い取る。

鉛筆の消しゴム程度の大きさで約七グラムの濃縮酸化ウランのペレット一個に、石炭一トン分の熱量が宿っている。そのペレット三百個を四メートルのジルコニウム管に封入したものが、一本の燃料棒である。商業用原子炉にはその燃料棒が数万本収められている。ペレットは四年から五年間、炉心に留まり、取り出されるときには投入時の一億倍もの放射能を帯びている。その廃棄物が危険でなくなる時点は、いかなる人間的な時間軸においても訪れない。世界で唯一建設中の地層処分場であるフィンランドのOnkaloは、十万年を想定して設計されている。

まだ知らないこと

深地層処分場が実際に十万年間もつかどうか、私たちは知らない。オンカロは2020年代後半に使用済み核燃料の受け入れを開始する。アメリカのユッカマウンテンにおける同等の施設は2010年に資金を打ち切られ、再開されていない。

次世代の原子炉——小型モジュール炉、溶融塩トリウム炉、高速増殖炉——が、それらによって軽減できるはずの気候問題が取り返しのつかない損害をもたらす前に、大規模に建設されるかどうか、私たちは知らない。経済的条件はいまのところ、その実現に協力しようとしていない。

完全に廃炉となったチェルノブイリがどのような姿になるのか、私たちは知らない。2016年に崩壊した4号炉の上を覆うように設置された新安全閉じ込めアーチは、百年の耐久性をもって設計されている。その下に眠る燃料含有物質は、その後も数万年にわたって放射能を持ち続ける。

そして、より根本的な意味で、私たちは知らない——1938年に原子核の結合エネルギーを解き放つことを学び、1945年にそれを都市に対して使用した種族が、それを無期限に託されるに値するかどうかを。危機一髪の場面は存在した——1983年のStanislav Petrov、1962年のソ連潜水艦B-59——そして現在、核兵器保有国は九カ国に上る。

ウランの原子が重いのは、ある星の最後の瞬間に組み上げられたからだ。衝撃波が、新たに生成される同位体が崩壊するより速く、より小さな原子核の上に中性子を叩き込んだその瞬間に。私たちはウラン原子核を割るとき、エネルギーを作り出しているのではない——超新星が封じ込めたものを解き放しているのだ。地中の鉱石は、蓄えられた古い星の光である。

Sepotong uranium sebesar bola golf menyimpan lebih banyak energi dari seribu ton batu bara. Pada Desember 1938, dua fisikawan pengungsi yang tengah mengurai hitungan dalam sebuah jalan kaki di Swedia yang tertutup salju menyadari apa artinya semua itu — dan apa yang bisa dilakukan dengannya.

Pada Desember 1938, di sebuah laboratorium di pinggiran kota Berlin bernama Dahlem, kimiawan Otto Hahn melakukan pemisahan rutin pada sampel uranium yang telah dibombardir dengan neutron. Ia sedang mencari unsur-unsur transuranium — atom-atom yang lebih berat dari uranium, yang pada saat itu diyakini para fisikawan dapat dibentuk oleh neutron. Yang ia temukan justru barium, sebuah unsur dengan berat sekitar setengah uranium. Ia tidak dapat menjelaskannya. Malam itu ia menulis surat kepada rekan kerjanya selama tiga puluh tahun, Lise Meitner, yang telah melarikan diri dari Berlin lima bulan sebelumnya untuk menghindari Undang-Undang Nuremberg.

Meitner membaca surat itu pada Malam Natal di sebuah penginapan di Kungälv, di pesisir Swedia. Keponakannya, Otto Frisch, telah datang dari Kopenhagen untuk merayakan hari libur bersama. Mereka mengerjakan perhitungannya di atas secarik kertas saat berjalan-jalan di tengah salju. Inti uranium yang tertumbuk oleh neutron ternyata tidak menyerapnya — melainkan terbelah menjadi dua. Kedua bagian itu saling tolak secara listrik, melejit saling menjauh dengan energi setara tetesan hujan yang jatuh — yang bagi sebuah atom tunggal merupakan jumlah yang luar biasa besar. Frisch meminjam sebuah kata dari biologi dan menamakannya fisi.

Massa kedua bagian itu, jika dijumlahkan, sedikit lebih kecil dari massa uranium asalnya. Sekitar seperlima persen. Einstein telah mempublikasikan persamaan yang menghubungkan massa dan energi pada 1905; belum pernah ada yang menyaksikannya terbayarkan sejelas ini. Massa yang hilang berubah menjadi panas dan radiasi, diatur oleh c² yang mengubah satu gram saja menjadi kira-kira setara dengan daya ledak bom Hiroshima.

Rantai

Lima tahun sebelumnya, fisikawan Hungaria Leo Szilard sedang menyeberangi sebuah jalan di London ketika ia membayangkan sebuah reaksi berantai yang digerakkan neutron. Ia mematenkan gagasan itu, menyerahkannya kepada Admiralitas Inggris, dan berharap gagasan itu akan tetap bersifat teoretis. Setelah Hahn dan Meitner, harapan itu pupus.

Uranium-235 adalah isotop yang langka — tujuh bagian dari setiap seribu uranium alam, selebihnya adalah U-238 yang hampir inert. Ketika inti U-235 menyerap neutron lambat, ia membelah dan memancarkan dua atau tiga neutron baru. Jika setidaknya satu di antaranya menemukan inti U-235 lain, reaksi itu bertahan dengan sendirinya. Jika lebih dari satu yang menemukan inti lain, reaksi itu berkembang. Pertumbuhannya bersifat eksponensial, dan selang waktu antargenerasi neutron diukur dalam mikrodetik.

Pada 2 Desember 1942, di sebuah lapangan squash yang diubah fungsinya di bawah tribun barat Stagg Field di Chicago, tim Enrico Fermi merakit empat puluh ribu balok grafit dan enam ton logam uranium menjadi sebuah kisi yang mereka namakan Chicago Pile-1. Pukul 15.25, sebuah batang kendali kadmium tunggal ditarik keluar sejauh beberapa inci terakhir. Tumpukan itu mencapai titik kritis. Ia beroperasi selama dua puluh delapan menit pada setengah watt. Reaksi berantai nuklir mandiri pertama di dunia tidak mengeluarkan suara apa pun dan tidak memancarkan cahaya yang tampak.

Dua setengah tahun kemudian, di lokasi uji coba Trinity test di padang pasir New Mexico, fisika yang sama melepaskan energi setara dua puluh satu ribu ton TNT dalam satu detik. Tiga minggu setelah itu, Hiroshima.

Rem

Reaktor dan bom adalah reaksi yang sama dengan geometri berbeda. Bom dirancang sedemikian rupa sehingga setiap fisi memicu, rata-rata, jauh lebih dari satu fisi berikutnya, hingga rakitan itu menghancurkan dirinya sendiri. Reaktor dirancang agar angkanya terjaga tepat pada satu. Alat pengendalinya adalah batang kendali: sebatang boron, kadmium, atau hafnium yang diturunkan ke dalam inti reaktor, yang menelan neutron sebelum neutron-neutron itu menemukan uranium baru.

Sebutir pelet keramik tunggal dari uranium oksida yang diperkaya, seukuran penghapus pensil dan beratnya sekitar tujuh gram, menyimpan panas setara satu ton batu bara. Satu bundel tiga ratus pelet seperti itu, disegel dalam tabung zirkonium sepanjang empat meter, adalah satu batang bahan bakar. Sebuah reaktor komersial menampung puluhan ribu batang. Pelet-pelet itu tinggal di dalam inti selama empat atau lima tahun dan keluar dengan tingkat radioaktivitas seratus juta kali lebih tinggi dibanding saat masuk. Limbah itu tidak berhenti berbahaya dalam skala waktu manusia mana pun. Repositori Finlandia di Onkalo, satu-satunya yang sedang dibangun di dunia, dirancang untuk bertahan selama seratus ribu tahun.

Yang Masih Belum Kita Ketahui

Kita tidak tahu apakah sebuah repositori geologi dalam akan, pada kenyataannya, bertahan selama seratus ribu tahun. Onkalo mulai menerima bahan bakar bekas pada akhir tahun 2020-an. Padanannya di Amerika, Yucca Mountain, kehilangan dana pada 2010 dan belum dimulai kembali.

Kita tidak tahu apakah generasi reaktor berikutnya — desain modular kecil, siklus thorium garam cair, pembiak cepat — akan dibangun dalam skala besar sebelum masalah iklim yang dapat mereka mitigasi menimbulkan kerusakannya. Ekonomi, sejauh ini, menolak untuk bekerja sama.

Kita tidak tahu seperti apa Chernobyl yang sepenuhnya dinonaktifkan itu nantinya. Lengkungan New Safe Confinement, yang digeser menutupi Reaktor 4 yang hancur pada 2016, dirancang untuk bertahan satu abad. Massa-massa yang mengandung bahan bakar di bawahnya akan tetap radioaktif selama puluhan ribu tahun setelah itu.

Dan kita tidak tahu, dalam arti yang lebih dalam, apakah sebuah spesies yang belajar melepaskan energi ikat inti atom pada 1938 dan menggunakannya untuk menghancurkan sebuah kota pada 1945 dapat dipercaya dengan kemampuan itu selamanya. Ada momen nyaris bencana — Stanislav Petrov pada 1983, kapal selam Soviet B-59 pada 1962 — dan kini ada sembilan negara bersenjata nuklir.

Atom uranium itu berat karena ia dirakit dalam menit-menit terakhir bintang yang sekarat, ketika gelombang kejut mendorong neutron ke inti yang lebih kecil lebih cepat dari yang dapat diluruhkan oleh isotop-isotop baru itu. Kita tidak menciptakan energi saat membelah inti uranium; kita melepaskan apa yang dimasukkan oleh supernova. Bijih di dalam tanah adalah cahaya bintang purba, tersimpan.

في حجم كرة الغولف، تختزن قطعة من اليورانيوم طاقةً تفوق ما تحمله ألف طن من الفحم. في ديسمبر عام ١٩٣٨، أدرك فيزيائيان لاجئان — وهما يتمشيان حساباتهما وسط ثلوج السويد — ما الذي يعنيه هذا الرقم، وما الذي يمكن صنعه منه.

في ديسمبر 1938، في مختبر بضاحية داهلم من ضواحي برلين، أجرى الكيميائي Otto Hahn عملية فصل اعتيادية على عينة من اليورانيوم كانت قد قُصفت بالنيوترونات. كان يبحث عن عناصر ما بعد اليورانيوم — ذرات أثقل من اليورانيوم، كان الفيزيائيون يعتقدون آنذاك أن النيوترونات قادرة على بنائها. غير أنه وجد الباريوم بدلاً من ذلك، وهو عنصر لا يبلغ وزنه نصف وزن اليورانيوم. لم يكن قادراً على تفسير ذلك. فكتب في تلك الليلة إلى شريكته في العمل لثلاثين عاماً، Lise Meitner، التي كانت قد فرّت من برلين قبل خمسة أشهر هرباً من قوانين نورمبرغ.

قرأت مايتنر الرسالة في ليلة عيد الميلاد في دار ضيافة بكونغالف، على الساحل السويدي. وكان ابن أختها Otto Frisch قد قدم من كوبنهاغن ليقضي معها العطلة. أجريا حساباتهما على قصاصة ورق خلال نزهة في الثلج. نواة اليورانيوم، حين ضربها النيوترون، لم تمتصه — بل انشطرت إلى نصفين. وتطاير النصفان متنافرَين كهربياً بطاقة تعادل طاقة قطرة مطر تسقط، وهو مقدار هائل بالنسبة لذرة واحدة. استعار فريش مصطلحاً من علم الأحياء وأطلق عليه الانشطار.

كان مجموع كتلة النصفين أقل قليلاً من كتلة اليورانيوم التي نشآ منها. بفارق يبلغ نحو خُمس بالمئة. كان أينشتاين قد نشر معادلته التي تربط الكتلة بالطاقة عام 1905؛ لكن لم يسبق لأحد أن رأى تلك المعادلة تُصرَف بهذا الوضوح. الكتلة المفقودة تحوّلت إلى حرارة وإشعاع، محكومةً بذلك الـ c² الذي يحوّل غراماً واحداً إلى ما يعادل تقريباً قوة قنبلة هيروشيما.

السلسلة

قبل خمس سنوات من ذلك، كان الفيزيائي الهنغاري Leo Szilard يعبر أحد شوارع لندن حين تخيّل تفاعلاً متسلسلاً تحرّكه النيوترونات. سجّل الفكرة براءة اختراع وأحالها إلى الأميرالية البريطانية، متمنياً أن تبقى في دائرة النظرية. بعد هان ومايتنر، لم يكن لذلك أن يكون.

اليورانيوم-235 هو النظير النادر — سبعة أجزاء في الألف من اليورانيوم الطبيعي، أما الباقي فهو اليورانيوم-238 الخامل تقريباً. حين تمتص نواة يورانيوم-235 نيوتروناً بطيئاً، تنشطر وتُطلق نيوترونَين أو ثلاثة جديدة. فإذا وجد واحد منها على الأقل نواة يورانيوم-235 أخرى، تواصل التفاعل. وإذا وجد أكثر من واحد نواةً أخرى، نما التفاعل وتضاعف. والنمو أسيّ، والزمن بين أجيال النيوترونات يُقاس بالميكروثانية.

في الثاني من ديسمبر 1942، في ملعب إسكواش محوَّل تحت المدرج الغربي لملعب ستاغ فيلد في شيكاغو، جمع فريق Enrico Fermi أربعين ألف قالب جرافيت وستة أطنان من معدن اليورانيوم في شبكة أطلقوا عليها اسم Chicago Pile-1. في الساعة الثالثة وخمس وعشرين دقيقة بعد الظهر، سُحب قضيب تحكم وحيد من الكادميوم بضع بوصات في لحظاته الأخيرة. بلغت الكومة الحرجية. عملت ثمانية وعشرين دقيقة بنصف واط. أول تفاعل نووي متسلسل مكتفٍ بذاته في تاريخ العالم لم يُصدر صوتاً، ولم يُطلق ضوءاً مرئياً.

بعد عامين ونصف، في موقع تجربة Trinity test في صحراء نيو مكسيكو، أطلقت الفيزياء ذاتها ما يعادل أحداً وعشرين ألف طن من مادة TNT في ثانية واحدة. وبعد ثلاثة أسابيع من ذلك، هيروشيما.

الكابح

المفاعل والقنبلة هما التفاعل ذاته بهندسة مختلفة. القنبلة مُصمَّمة بحيث يُطلق كل انشطار في المتوسط أكثر من انشطار واحد لاحق، حتى تمزق المجموعة نفسها. أما المفاعل فمُصمَّم ليبقى هذا العدد عند واحد بالضبط. وأداة الإبقاء هي قضيب التحكم: قضيب من البورون أو الكادميوم أو الهافنيوم، يُخفَّض في القلب ليشرب النيوترونات قبل أن تجد يورانيوماً جديداً.

حبة خزفية واحدة من أكسيد اليورانيوم المخصَّب، بحجم ممحاة القلم الرصاص ووزنها نحو سبعة غرامات، تحتوي على طاقة حرارية تعادل طاقة طن من الفحم. وحزمة من ثلاثمئة حبة كهذه، مُحكمة في أنبوب من الزركونيوم طوله أربعة أمتار، هي قضيب وقود واحد. المفاعل التجاري يحوي عشرات الآلاف منها. تبقى الحبات في القلب أربع سنوات أو خمساً، وتخرج أكثر إشعاعاً بمئة مليون مرة مما كانت عليه حين دخلت. تلك النفايات لا تتوقف عن كونها خطرة في أي أفق زمني بشري. المستودع الفنلندي في Onkalo، الوحيد قيد الإنشاء في العالم، مُهندَس ليصمد مئة ألف عام.

ما لا نعرفه بعد

لا نعرف إن كان مستودع جيولوجي عميق سيصمد في الواقع مئة ألف عام. يبدأ أونكالو في قبول الوقود المستهلَك في أواخر عقد العشرينيات. أما النظير الأمريكي في جبل يوكا فقد جُرِّد من تمويله عام 2010 ولم يستأنف نشاطه.

لا نعرف إن كان الجيل القادم من المفاعلات — التصاميم المعيارية الصغيرة، ودورات الثوريوم بالأملاح المنصهرة، والمفاعلات السريعة المولِّدة — سيُبنى على نطاق واسع قبل أن تكون أضرار مشكلة المناخ التي يمكنها التخفيف منها قد وقعت بالفعل. والاقتصاد حتى الآن أبى التعاون.

لا نعرف كيف سيبدو تشيرنوبيل بعد إيقاف تشغيله الكامل. قوس الاحتواء الآمن الجديد، الذي أُزيح فوق المفاعل الرابع المحطَّم عام 2016، مُصمَّم ليدوم قرناً. أما الكتل الحاوية للوقود تحته فستظل مشعة لعشرات الآلاف من السنين بعد ذلك.

ولا نعرف، بالمعنى الأعمق، إن كان يمكن ائتمان نوع من الكائنات تعلّم إطلاق طاقة الربط النووي عام 1938 واستخدمها ضد مدينة عام 1945 على هذه الطاقة إلى الأبد. ثمة حالات كادت تنتهي بكارثة — Stanislav Petrov عام 1983، والغواصة السوفيتية B-59 عام 1962 — ويوجد الآن تسع دول تمتلك أسلحة نووية.

ذرة اليورانيوم ثقيلة لأنها تشكّلت في الدقائق الأخيرة من عمر نجم محتضر، حين دفعت موجات الصدمة النيوترونات نحو نوى أصغر بسرعة تفوق قدرة النظائر الجديدة على التحلل. حين نشطر نواة اليورانيوم لا نصنع الطاقة؛ بل نُفرج عما أودعه المستعر الأعظم فيها. الخام في باطن الأرض ضوء نجوم قديم، مدّخر في انتظاره.

एक गोल्फ की गेंद के आकार का यूरेनियम का टुकड़ा एक हज़ार टन कोयले से भी अधिक ऊर्जा समेटे रहता है। दिसंबर 1938 में, बर्फ़ से ढकी एक स्वीडिश पगडंडी पर टहलते हुए दो शरणार्थी भौतिकविदों ने यह हिसाब लगाया — और समझ गए कि इसका क्या अर्थ है, और इससे क्या किया जा सकता है।

दिसंबर 1938 में, बर्लिन के उपनगर दाहलेम की एक प्रयोगशाला में, रसायनशास्त्री Otto Hahn ने न्यूट्रॉनों से टकराए गए यूरेनियम के एक नमूने पर एक सामान्य पृथक्करण प्रयोग किया। वे ट्रांसयूरेनिक तत्वों की खोज में थे — यूरेनियम से भारी परमाणु, जिन्हें भौतिकविद तब मानते थे कि न्यूट्रॉन बना सकते हैं। इसके बजाय उन्हें बेरियम मिला — यूरेनियम के भार का लगभग आधा एक तत्व। वे इसे समझा नहीं सके। उस रात उन्होंने अपनी तीस वर्षों की सहयोगी Lise Meitner को पत्र लिखा, जो न्यूरेंबर्ग कानूनों से बचने के लिए पाँच महीने पहले बर्लिन छोड़कर भाग चुकी थीं।

मेइटनर ने वह पत्र क्रिसमस की पूर्वसंध्या पर स्वीडन के तट पर कुंगेल्व के एक गेस्टहाउस में पढ़ा। उनके भांजे Otto Frisch छुट्टियाँ मनाने कोपेनहेगन से आए थे। बर्फ़ में सैर के दौरान दोनों ने एक कागज़ के टुकड़े पर हिसाब लगाया। न्यूट्रॉन की चोट खाए यूरेनियम नाभिक ने उसे सोखा नहीं था — वह दो टुकड़ों में बँट गया था। दोनों टुकड़े, विद्युत बल से एक-दूसरे को दूर धकेलते हुए, एक गिरती हुई बूँद की ऊर्जा के साथ अलग हो गए — जो एकल परमाणु के लिए अत्यंत विशाल मात्रा है। फ्रिश ने जीव विज्ञान से एक शब्द उधार लेकर इसे 'फ़िशन' नाम दिया।

दोनों टुकड़ों का संयुक्त द्रव्यमान, मूल यूरेनियम के द्रव्यमान से थोड़ा कम निकला — लगभग एक-पाँचवाँ प्रतिशत। आइंस्टीन ने द्रव्यमान और ऊर्जा को जोड़ने वाला समीकरण 1905 में प्रकाशित किया था; इसे इतनी स्पष्टता से फलित होते किसी ने कभी नहीं देखा था। लापता द्रव्यमान ऊष्मा और विकिरण में बदल गया, उस c² द्वारा संचालित जो एक ग्राम को हिरोशिमा बम की उपज के लगभग बराबर ऊर्जा में बदल देता है।

श्रृंखला

पाँच साल पहले, हंगेरियाई भौतिकविद Leo Szilard लंदन की एक सड़क पार कर रहे थे जब उन्होंने न्यूट्रॉन-चालित श्रृंखला अभिक्रिया की कल्पना की। उन्होंने इस विचार का पेटेंट कराया, उसे ब्रिटिश नौसेना को सौंप दिया, और उम्मीद की कि यह सैद्धांतिक ही रहेगा। हान और मेइटनर के बाद, ऐसा न हुआ।

यूरेनियम-235 दुर्लभ समस्थानिक है — प्राकृतिक यूरेनियम में प्रति हज़ार में सात भाग, शेष लगभग निष्क्रिय U-238। जब U-235 नाभिक एक मंद न्यूट्रॉन सोखता है, तो वह विखंडित होता है और दो या तीन नए न्यूट्रॉन उत्सर्जित करता है। यदि उनमें से कम-से-कम एक किसी अन्य U-235 नाभिक तक पहुँच जाए, तो अभिक्रिया स्वयं को बनाए रखती है। यदि एक से अधिक पहुँचें, तो वह बढ़ती जाती है। यह वृद्धि घातांकीय होती है, और न्यूट्रॉन की पीढ़ियों के बीच का समय माइक्रोसेकंड में नापा जाता है।

2 दिसंबर 1942 को, शिकागो के स्टैग फ़ील्ड के पश्चिमी स्टैंड के नीचे एक रूपांतरित स्क्वॉश कोर्ट में, Enrico Fermi की टीम ने चालीस हज़ार ग्रेफ़ाइट खंडों और छह टन यूरेनियम धातु को एक जालिका में जमाया जिसे उन्होंने Chicago Pile-1 कहा। दोपहर 3 बजकर 25 मिनट पर, एकमात्र कैडमियम नियंत्रण छड़ को अंतिम कुछ इंच पीछे खींचा गया। पाइल क्रांतिक हो गया। वह आधे वाट पर अट्ठाईस मिनट तक चला। दुनिया की पहली स्व-निर्वाहक नाभिकीय श्रृंखला अभिक्रिया ने न कोई आवाज़ की, न कोई दृश्य प्रकाश दिया।

ढाई साल बाद, न्यू मेक्सिको के रेगिस्तान में Trinity test स्थल पर, उसी भौतिकी ने एक ही सेकंड में इक्कीस हज़ार टन टीएनटी के समतुल्य ऊर्जा मुक्त की। उसके तीन सप्ताह बाद, हिरोशिमा।

नियंत्रण

एक रिएक्टर और एक बम एक ही अभिक्रिया हैं — केवल ज्यामिति भिन्न है। बम को इस प्रकार अभियांत्रित किया जाता है कि प्रत्येक विखंडन औसतन एक से कहीं अधिक नए विखंडन को जन्म दे, जब तक कि संयोजन स्वयं को तोड़ न दे। रिएक्टर को इस प्रकार अभियांत्रित किया जाता है कि यह संख्या ठीक एक बनी रहे। नियंत्रण का साधन है नियंत्रण छड़: बोरॉन, कैडमियम या हेफ़नियम की एक छड़, जिसे क्रोड में उतारा जाता है, और जो न्यूट्रॉनों को नए यूरेनियम तक पहुँचने से पहले ही निगल लेती है।

संवर्धित यूरेनियम ऑक्साइड की एक अकेली सिरेमिक गोली — पेंसिल की रबर के आकार की, लगभग सात ग्राम भारी — एक टन कोयले की ऊष्मा अपने भीतर समेटे है। ऐसी तीन सौ गोलियों का एक बंडल, चार मीटर लंबी जिर्कोनियम नली में बंद, एक ईंधन छड़ है। एक व्यावसायिक रिएक्टर में ऐसी दसियों हज़ार छड़ें होती हैं। गोलियाँ चार-पाँच वर्षों तक क्रोड में रहती हैं और जब बाहर निकलती हैं तो जितनी रेडियोधर्मी थीं उससे दस करोड़ गुना अधिक हो चुकी होती हैं। यह कचरा किसी मानवीय कालमान पर खतरनाक होना बंद नहीं करता। फ़िनलैंड का Onkalo भंडार — दुनिया में निर्माणाधीन एकमात्र — एक लाख वर्षों के लिए अभियांत्रित किया गया है।

जो हम अभी भी नहीं जानते

हम नहीं जानते कि एक गहरा भूवैज्ञानिक भंडार वास्तव में एक लाख वर्षों तक टिकेगा या नहीं। ओंकालो 2020 के दशक के अंत में व्यय ईंधन स्वीकार करना शुरू करेगा। अमेरिका का समकक्ष भंडार युक्का माउंटेन पर 2010 में वित्तपोषण से वंचित हो गया और तब से शुरू नहीं हुआ।

हम नहीं जानते कि अगली पीढ़ी के रिएक्टर — छोटे मॉड्यूलर अभिकल्प, पिघले नमक के थोरियम चक्र, तीव्र प्रजनक — उस जलवायु समस्या के अपना नुकसान करने से पहले बड़े पैमाने पर बनाए जाएँगे या नहीं, जिसे वे कम करने में सक्षम हो सकते थे। अर्थशास्त्र ने अब तक साथ देने से इनकार किया है।

हम नहीं जानते कि पूरी तरह सेवामुक्त किया गया चेर्नोबिल कैसा दिखेगा। न्यू सेफ़ कन्फाइनमेंट चाप, जो 2016 में ध्वस्त रिएक्टर 4 के ऊपर खिसकाया गया, एक शताब्दी तक चलने के लिए अभियांत्रित है। उसके नीचे ईंधन-युक्त पिंड उसके बाद भी दसियों हज़ार वर्षों तक रेडियोधर्मी रहेंगे।

और हम गहरे अर्थ में नहीं जानते कि क्या एक ऐसी प्रजाति पर — जिसने 1938 में परमाणु नाभिक की बंधन ऊर्जा मुक्त करना सीखा और 1945 में इसे एक शहर के विरुद्ध प्रयोग किया — अनिश्चित काल तक भरोसा किया जा सकता है। कई बार बाल-बाल बचाव हुए हैं — 1983 में Stanislav Petrov, 1962 में सोवियत पनडुब्बी B-59 — और अब नौ परमाणु-हथियार संपन्न देश हैं।

यूरेनियम का परमाणु भारी है क्योंकि वह एक मरते तारे की अंतिम घड़ियों में गढ़ा गया था, जब आघात-तरंगें न्यूट्रॉनों को छोटे नाभिकों पर इतनी तेज़ी से धकेल रही थीं कि नवनिर्मित समस्थानिक क्षय होने का समय नहीं पाते थे। जब हम यूरेनियम नाभिक को विखंडित करते हैं, तो हम ऊर्जा बना नहीं रहे होते; हम वह बाहर निकाल रहे होते हैं जो सुपरनोवा ने भीतर डाला था। ज़मीन में दबा अयस्क तारों का पुराना प्रकाश है — संचित।

Кусок урана размером с мяч для гольфа хранит больше энергии, чем тысяча тонн угля. В декабре 1938 года два физика-беженца, разбирая цифры во время прогулки по заснеженной Швеции, поняли, что это означает — и что из этого можно сделать.

В декабре 1938 года в лаборатории берлинского пригорода Далем химик Otto Hahn провёл рутинное разделение образца урана, подвергшегося бомбардировке нейтронами. Он искал трансурановые элементы — атомы тяжелее урана, которые, по тогдашним представлениям физиков, нейтроны были способны синтезировать. Вместо этого он обнаружил барий — элемент примерно вдвое легче урана. Объяснить это он не мог. В ту же ночь он написал своей коллеге, с которой проработал бок о бок тридцать лет, Lise Meitner, бежавшей из Берлина пятью месяцами ранее, спасаясь от Нюрнбергских законов.

Мейтнер прочла письмо в сочельник в гостевом доме в Кунгэльве, на шведском побережье. Её племянник Otto Frisch приехал на праздники из Копенгагена. Во время прогулки по снегу они набросали расчёты на клочке бумаги. Ядро урана, поражённое нейтроном, не поглотило его — оно раскололось надвое. Два осколка, электрически отталкиваясь друг от друга, разлетелись с энергией падающей дождевой капли — для одного атома это колоссальная величина. Фриш позаимствовал слово из биологии и назвал это явление делением.

Суммарная масса двух осколков оказалась чуть меньше массы исходного урана. Примерно на одну пятую процента. Эйнштейн опубликовал уравнение, связывающее массу и энергию, в 1905 году; прежде никому не доводилось видеть, как оно работает столь наглядно. Исчезнувшая масса превратилась в тепло и излучение — всё в соответствии с тем самым c², которое превращает один грамм вещества примерно в мощность хиросимской бомбы.

Цепная реакция

Пятью годами раньше венгерский физик Leo Szilard, переходя лондонскую улицу, мысленно представил нейтронную цепную реакцию. Он запатентовал эту идею, передал патент Британскому адмиралтейству и надеялся, что всё останется на бумаге. После Гана и Мейтнер — не осталось.

Уран-235 — редкий изотоп: семь частей из тысячи в природном уране, остальное — почти инертный U-238. Когда ядро U-235 поглощает медленный нейтрон, оно расщепляется и испускает два-три новых нейтрона. Если хотя бы один из них находит другое ядро U-235, реакция поддерживает сама себя. Если таких нейтронов окажется больше одного — реакция нарастает. Нарастание экспоненциальное, а время между поколениями нейтронов измеряется микросекундами.

2 декабря 1942 года в переоборудованном корте для сквоша под западной трибуной стадиона Стэгг-Филд в Чикаго команда под руководством Enrico Fermi собрала сорок тысяч графитовых блоков и шесть тонн металлического урана в решётчатую конструкцию, которую назвали Chicago Pile-1. В 15:25 единственный кадмиевый регулирующий стержень был извлечён на последние несколько дюймов. Реактор достиг критичности. Он проработал двадцать восемь минут при мощности в полватта. Первая в мире самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция не издала ни звука и не дала никакого видимого света.

Два с половиной года спустя на площадке испытания Trinity test в пустыне Нью-Мексико та же физика высвободила эквивалент двадцати одной тысячи тонн тротила за одну секунду. Три недели спустя — Хиросима.

Тормоз

Реактор и бомба — это одна и та же реакция при разной геометрии. Бомба устроена так, чтобы каждое деление вызывало в среднем значительно более одного последующего — пока сборка не разнесёт сама себя. Реактор устроен так, чтобы это число удерживалось ровно на единице. Инструмент удержания — регулирующий стержень: прут из бора, кадмия или гафния, опускаемый в активную зону, который поглощает нейтроны прежде, чем те находят новый уран.

Одна керамическая таблетка обогащённого оксида урана — размером с ластик карандаша, весом около семи граммов — содержит тепловую энергию тонны угля. Связка из трёхсот таких таблеток, запаянных в циркониевую трубку длиной четыре метра, — один топливный стержень. Промышленный реактор содержит десятки тысяч таких стержней. Таблетки остаются в активной зоне четыре-пять лет, а извлекаются в сто миллионов раз более радиоактивными, чем были загружены. Эти отходы не перестают быть опасными ни на каком человеческом временном горизонте. Финское хранилище Onkalo — единственное строящееся в мире — рассчитано на сто тысяч лет.

Чего мы по-прежнему не знаем

Мы не знаем, удержит ли глубинное геологическое хранилище свои запасы на самом деле сто тысяч лет. Онкало начнёт принимать отработавшее топливо в конце 2020-х годов. Американский аналог на горе Юкка лишился финансирования в 2010 году и так и не был возобновлён.

Мы не знаем, будет ли следующее поколение реакторов — малые модульные установки, расплавно-солевые ториевые циклы, быстрые размножители — построено в промышленных масштабах прежде, чем климатический кризис, который они могли бы смягчить, нанесёт свой ущерб. Экономика пока отказывается сотрудничать.

Мы не знаем, как будет выглядеть полностью выведенный из эксплуатации Чернобыль. Арка «Новое безопасное укрытие», надвинутая над разрушенным четвёртым реактором в 2016 году, рассчитана на столетие. Топливосодержащие массы под ней будут оставаться радиоактивными ещё десятки тысяч лет после этого.

И мы не знаем — в более глубоком смысле, — способен ли вид, научившийся высвобождать энергию связи атомного ядра в 1938 году и обративший её против города в 1945-м, нести это бремя бессрочно. Мир уже не раз был на краю — Stanislav Petrov в 1983 году, советская подводная лодка Б-59 в 1962-м — а ядерных держав насчитывается ныне девять.

Атом урана тяжёл потому, что был собран в последние мгновения гибнущей звезды, когда ударные волны загоняли нейтроны в более лёгкие ядра быстрее, чем новые изотопы успевали распасться. Расщепляя ядро урана, мы не создаём энергию — мы высвобождаем ту, что вложила в него сверхновая. Руда в земле — это древний звёздный свет, положенный на хранение.

골프공만 한 우라늄 한 덩어리에는 석탄 천 톤보다 많은 에너지가 잠들어 있다. 1938년 12월, 눈 덮인 스웨덴의 산책로를 걷던 두 망명 물리학자가 그 수식을 풀어내는 순간 — 그것이 무엇을 의미하는지, 그리고 무엇이 가능해지는지를 깨달았다.

1938년 12월, 베를린 교외 달렘의 한 연구실에서 화학자 Otto Hahn은 중성자 충격을 받은 우라늄 시료를 대상으로 일상적인 분리 실험을 진행했다. 그는 초우라늄 원소, 즉 물리학자들이 중성자를 이용해 만들 수 있다고 믿었던 우라늄보다 무거운 원자들을 찾고 있었다. 그러나 그가 발견한 것은 바륨이었다 — 우라늄 질량의 절반 정도밖에 되지 않는 원소. 그는 이것을 설명할 수 없었다. 그날 밤, 한은 30년 지기 공동 연구자 Lise Meitner에게 편지를 썼다. 마이트너는 뉘른베르크 법을 피해 다섯 달 전 베를린을 떠난 상태였다.

마이트너는 스웨덴 해안의 쿵엘브에 있는 여관에서 크리스마스 이브에 그 편지를 읽었다. 조카 Otto Frisch가 연휴를 맞아 코펜하겐에서 올라와 있었다. 두 사람은 눈 속을 걸으며 종이 한 장에 계산을 풀어냈다. 중성자에 맞은 우라늄 핵은 그것을 흡수한 것이 아니었다 — 둘로 쪼개진 것이었다. 두 조각은 전기적으로 서로 반발하며 튀어 나갔는데, 그 에너지는 떨어지는 빗방울과 맞먹는다. 단일 원자에게는 실로 막대한 양이다. 프리슈는 생물학에서 단어를 하나 빌려 이를 핵분열(fission)이라 불렀다.

두 조각의 질량을 합치면 원래 우라늄의 질량보다 약간 적었다. 약 0.2퍼센트. 아인슈타인은 1905년 질량과 에너지를 잇는 방정식을 발표했지만, 그 등식이 이토록 선명하게 결산되는 것을 본 사람은 아무도 없었다. 사라진 질량은 열과 방사선이 되었다. c²라는 계수가 1그램을 히로시마 원폭의 폭발력에 맞먹는 에너지로 바꾸어놓는 것이다.

연쇄반응

5년 전, 헝가리 출신의 물리학자 Leo Szilard는 런던의 한 거리를 건너던 중 중성자에 의한 연쇄반응을 머릿속에 그렸다. 그는 그 아이디어로 특허를 내고 영국 해군성에 양도한 뒤, 이것이 이론으로만 남기를 바랐다. 한과 마이트너의 발견 이후, 그 소망은 물거품이 되었다.

우라늄-235는 희소한 동위원소다 — 천연 우라늄의 천분의 칠이며, 나머지는 거의 반응하지 않는 U-238이다. U-235 핵이 느린 중성자를 흡수하면 분열하면서 두세 개의 새로운 중성자를 방출한다. 그 중 하나 이상이 또 다른 U-235 핵을 찾으면 반응은 지속된다. 둘 이상이 찾으면 증폭된다. 증가는 기하급수적이고, 중성자 세대 간격은 마이크로초 단위로 측정된다.

1942년 12월 2일, 시카고 스태그 필드의 서쪽 그랜드스탠드 아래 개조된 스쿼시 코트에서 Enrico Fermi의 팀은 흑연 블록 4만 개와 우라늄 금속 6톤을 Chicago Pile-1이라 부르는 격자 구조로 조립했다. 오후 3시 25분, 마지막 몇 인치가 남은 카드뮴 제어봉 하나가 완전히 빠져나왔다. 파일은 임계상태에 도달했다. 0.5와트로 스물여덟 분간 가동되었다. 세계 최초의 자립 핵연쇄반응은 아무런 소리도 내지 않았고 가시광선도 내뿜지 않았다.

그로부터 2년 반 뒤, 뉴멕시코 사막의 Trinity test 실험 장소에서 같은 물리학이 단 1초 만에 TNT 2만 1천 톤에 해당하는 에너지를 방출했다. 그로부터 3주 후, 히로시마.

제동 장치

원자로와 폭탄은 기하학적 구성만 다를 뿐 같은 반응이다. 폭탄은 각각의 분열이 평균적으로 하나를 훌쩍 넘는 추가 분열을 유발하도록 설계되어 있으며, 조립체가 스스로 해체될 때까지 반응이 이어진다. 원자로는 그 수가 정확히 1로 유지되도록 설계된다. 그 균형을 잡는 도구가 제어봉이다 — 붕소, 카드뮴, 또는 하프늄으로 만든 막대를 노심에 삽입해, 중성자가 새 우라늄을 찾기 전에 그것을 빨아들인다.

농축 산화우라늄으로 만든 세라믹 펠릿 하나는 연필 지우개 크기에 무게 약 7그램으로, 석탄 1톤의 열량을 품고 있다. 그런 펠릿 3백 개를 4미터 길이의 지르코늄 튜브에 밀봉하면 연료봉 하나가 된다. 상업용 원자로에는 수만 개의 연료봉이 들어간다. 펠릿은 4~5년간 노심에 머물다 빠져나올 때는 처음보다 1억 배나 높은 방사능을 띤다. 그 폐기물이 인간의 시간 척도 안에서 위험을 멈추는 일은 없다. 세계에서 유일하게 건설 중인 핀란드의 지층 처분장 Onkalo는 10만 년을 견디도록 설계되어 있다.

우리가 여전히 모르는 것

우리는 깊은 지층 처분장이 실제로 10만 년을 버텨낼 수 있는지 모른다. 온칼로는 2020년대 후반 사용 후 핵연료를 받아들이기 시작할 예정이다. 미국의 유카 마운틴 처분장은 2010년 예산이 삭감된 이후 재개되지 않고 있다.

우리는 차세대 원자로 — 소형 모듈식 설계, 용융염 토륨 순환, 고속증식로 — 가 그것이 완화할 수 있는 기후 문제가 피해를 입히기 전에 충분한 규모로 건설될 수 있는지 모른다. 경제성은 지금까지 협조를 거부해 왔다.

우리는 완전히 해체된 체르노빌의 모습이 어떤 것인지 모른다. 파손된 4호기 위로 2016년 밀어 넣은 새 안전 격납 아치는 1세기를 버티도록 설계되어 있다. 그 아래 있는 핵연료 함유 물질들은 그 이후로도 수만 년 동안 방사능을 띨 것이다.

그리고 우리는, 더 깊은 의미에서, 1938년 원자핵의 결합 에너지를 방출하는 법을 터득하고 1945년 그것을 도시 하나에 사용한 종(種)이 그것을 무한정 신뢰받을 수 있는지 모른다. 아슬아슬한 순간들이 있었다 — 1983년의 Stanislav Petrov, 1962년의 소련 잠수함 B-59 — 그리고 지금 핵무기 보유국은 아홉 나라다.

우라늄 원자가 무거운 것은 죽어가는 별의 마지막 순간에 만들어졌기 때문이다. 그때 충격파가 새로운 동위원소가 붕괴할 틈도 없이 작은 핵들에 중성자를 몰아붙였다. 우리는 우라늄 핵을 쪼갤 때 에너지를 만드는 것이 아니다 — 초신성이 거기 가두어놓은 것을 꺼내는 것이다. 땅속의 광석은 오래된 별빛이 고스란히 담긴 것이다.

Ein Stück Uran von der Größe eines Golfballs speichert mehr Energie als tausend Tonnen Kohle. Im Dezember 1938 begriffen zwei geflüchtete Physiker auf einem verschneiten Spaziergang in Schweden, als sie die Rechnung aufmachten, was das bedeutete — und was sich damit anstellen ließ.

Im Dezember 1938 führte der Chemiker Otto Hahn in einem Labor im Berliner Vorort Dahlem eine routinemäßige Trennung an einer Uranprobe durch, die mit Neutronen beschossen worden war. Er suchte nach transuranen Elementen — Atomen schwerer als Uran, von denen Physiker damals glaubten, Neutronen könnten sie aufbauen. Stattdessen fand er Barium, ein Element mit etwa der halben Atommasse des Urans. Er konnte es sich nicht erklären. Noch in derselben Nacht schrieb er an Lise Meitner, seine Mitarbeiterin seit dreißig Jahren, die Berlin fünf Monate zuvor geflohen war, um den Nürnberger Gesetzen zu entkommen.

Meitner las den Brief am Heiligabend in einem Gasthaus in Kungälv an der schwedischen Küste. Ihr Neffe Otto Frisch war für die Feiertage aus Kopenhagen angereist. Bei einem Spaziergang im Schnee rechneten sie auf einem Papierfetzen nach. Der Urankern, von einem Neutron getroffen, hatte es nicht absorbiert — er war entzwei gebrochen. Die beiden Hälften, einander elektrisch abstoßend, flogen mit der Energie eines fallenden Regentropfens auseinander, was für ein einzelnes Atom eine enorme Menge ist. Frisch entlehnte einen Begriff aus der Biologie und nannte es Spaltung.

Die Masse der beiden Hälften zusammengenommen war etwas geringer als die Masse des Urans, aus dem sie stammten. Etwa ein Fünftel eines Prozents. Einstein hatte 1905 die Gleichung veröffentlicht, die Masse und Energie verknüpft; niemand hatte je erlebt, wie sie sich so sauber einlöste. Die fehlende Masse wurde zu Wärme und Strahlung, regiert vom c², das ein einziges Gramm in etwa die Sprengkraft der Hiroshima-Bombe verwandelt.

Die Kette

Fünf Jahre zuvor hatte der ungarische Physiker Leo Szilard beim Überqueren einer Londoner Straße eine neutronengetriebene Kettenreaktion vor Augen gehabt. Er ließ die Idee patentieren, übertrug sie der britischen Admiralität und hoffte, sie würde theoretisch bleiben. Nach Hahn und Meitner blieb sie es nicht.

Uran-235 ist das seltene Isotop — sieben Teile von tausend des natürlichen Urans, der Rest das nahezu inerte U-238. Wenn ein U-235-Kern ein langsames Neutron absorbiert, spaltet er sich und gibt zwei oder drei neue Neutronen ab. Wenn mindestens eines davon einen weiteren U-235-Kern trifft, erhält die Reaktion sich selbst aufrecht. Wenn mehr als eines einen anderen findet, wächst sie. Das Wachstum ist exponentiell, und die Zeit zwischen den Neutronengenerationen wird in Mikrosekunden gemessen.

Am 2. Dezember 1942 schichtete das Team von Enrico Fermi in einem umgebauten Squashplatz unter der Westtribüne des Stagg Field in Chicago vierzigtausend Graphitblöcke und sechs Tonnen Uranmetall zu einem Gitter auf, das sie Chicago Pile-1 nannten. Um 15:25 Uhr wurde ein einzelner Cadmium-Regelstab um die letzten paar Zentimeter herausgezogen. Der Reaktor wurde kritisch. Er lief achtundzwanzig Minuten lang bei einem halben Watt. Die erste selbsttragende nukleare Kettenreaktion der Welt machte kein Geräusch und gab kein sichtbares Licht ab.

Zweieinhalb Jahre später setzte dieselbe Physik am Testgelände Trinity test in der Wüste von New Mexico das Äquivalent von einundzwanzigtausend Tonnen TNT in einer einzigen Sekunde frei. Drei Wochen danach Hiroshima.

Die Bremse

Ein Reaktor und eine Bombe sind dieselbe Reaktion mit unterschiedlicher Geometrie. Eine Bombe ist so konstruiert, dass jede Spaltung im Durchschnitt deutlich mehr als eine weitere auslöst, bis sich die Anordnung selbst zerreißt. Ein Reaktor ist so konstruiert, dass diese Zahl genau bei eins gehalten wird. Das Instrument dazu ist der Regelstab: ein Stab aus Bor, Cadmium oder Hafnium, der in den Kern abgesenkt wird und Neutronen schluckt, bevor sie auf neues Uran treffen.

Ein einzelnes Keramikpellet aus angereichertem Uranoxid, so groß wie der Radiergummi an einem Bleistift und etwa sieben Gramm schwer, enthält die Wärmeenergie einer Tonne Kohle. Ein Bündel aus dreihundert solcher Pellets, versiegelt in einem vier Meter langen Zirkoniumrohr, ist ein Brennstab. Ein kommerzieller Reaktor enthält Zehntausende davon. Die Pellets verbleiben vier oder fünf Jahre im Kern und kommen hundert Millionen Mal radioaktiver heraus, als sie hineingegangen sind. Dieser Abfall hört auf keiner menschlichen Zeitskala auf, gefährlich zu sein. Das finnische Endlager Onkalo, das einzige weltweit, das sich im Bau befindet, ist für hunderttausend Jahre ausgelegt.

Was wir noch nicht wissen

Wir wissen nicht, ob ein tiefes geologisches Endlager tatsächlich hunderttausend Jahre halten wird. Onkalo beginnt in den späten 2020er Jahren mit der Aufnahme abgebrannter Brennelemente. Dem amerikanischen Pendant am Yucca Mountain wurde 2010 die Finanzierung gestrichen; es hat seitdem keinen Neustart erlebt.

Wir wissen nicht, ob die nächste Reaktorgeneration — kleine modulare Reaktorkonzepte, Thorium-Flüssigsalzzyklen, schnelle Brüter — im großen Maßstab gebaut werden wird, bevor das Klimaproblem, das sie lindern könnten, seinen Schaden angerichtet hat. Die Wirtschaftlichkeit hat bisher nicht mitgespielt.

Wir wissen nicht, wie ein vollständig dekontaminiertes Tschernobyl aussieht. Die Neue Sichere Einhüllung, die 2016 über den zerstörten Reaktor 4 geschoben wurde, ist für eine Lebensdauer von einem Jahrhundert ausgelegt. Die darunter liegenden brennstoffhaltigen Massen werden noch Zehntausende von Jahren danach radioaktiv sein.

Und wir wissen nicht, in einem tieferen Sinne, ob man einer Spezies, die 1938 gelernt hat, die Bindungsenergie des Atomkerns freizusetzen, und davon 1945 gegen eine Stadt Gebrauch gemacht hat, dies auf Dauer anvertrauen kann. Es gab Beinaheunfälle — Stanislav Petrov 1983, das sowjetische U-Boot B-59 im Jahr 1962 — und heute gibt es neun Atomwaffenstaaten.

Ein Uranatom ist schwer, weil es in den letzten Minuten eines sterbenden Sterns entstanden ist, als Schockwellen Neutronen schneller auf kleinere Kerne trieben, als die neuen Isotope zerfallen konnten. Wir erzeugen keine Energie, wenn wir einen Urankern spalten; wir lassen heraus, was die Supernova hineingelegt hat. Das Erz im Boden ist altes Sternenlicht, aufgespart.

Image sources & licenses (7)

B-53 Gravity Bomb — brewbooks, BY-SA 2.0. Source (openverse)
ONE OF THE MOST IGNORANT TESTS EVER--NOT MY PHOTO — roberthuffstutter, BY 2.0. Source (openverse)
Chemical unit holds wartime decontamination exercise — Aberdeen Proving Ground, BY 2.0. Source (openverse)
Nuclear weapon yield — Fastfission, Public domain. Source (wikipedia)
Logarithmic scatterplot comparing the yield (in kilotons) and weight (in kilograms) of all nuclear weapons developed by the United States, 1 — Fastfission, Public domain. Source (commons)
Logarithmic scatterplot comparing the yield (in kilotons) and weight (in kilograms) of all nuclear weapons developed by the United States, 1 — Fastfission, Public domain. Source (commons)
Logarithmic scatterplot comparing the yield (in kilotons) and weight (in kilograms) of all nuclear weapons developed by the United States, 1 — Fastfission, Public domain. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

Rhodes, Richard (1986). The Making of the Atomic Bomb. Simon & Schuster.
Meitner, L. and Frisch, O. R. (1939). "Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction." Nature 143, 239–240.
Hahn, O. and Strassmann, F. (1939). "Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle." Die Naturwissenschaften 27, 11–15.
Fermi, E. (1952). "Experimental Production of a Divergent Chain Reaction." American Journal of Physics 20, 536–558.
Posiva Oy (2021). Safety Case for the Disposal of Spent Nuclear Fuel at Olkiluoto. Posiva Report 2021-10.

Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

A piece of uranium the size of a golf ball has more energy than 1,000 tons of coal. We learned to release it—and nearly destroyed ourselves. This is nuclear fission—the splitting of atoms. Uranium-235 is unstable. Fire a neutron at it, and it splits into smaller atoms. This releases three neutrons, gamma radiation, and enormous energy. Those three neutrons can hit three more uranium atoms, each releasing three more neutrons. Nine, twenty-seven, eighty-one—it multiplies exponentially. This is a chain reaction. Uncontrolled, it's an atomic bomb. In a single kilogram of uranium, when atoms split, they lose a tiny amount of mass. Einstein showed us why that matters: E equals mc squared. A tiny loss of mass times the speed of light squared equals massive energy. That missing mass becomes the fire of nuclear weapons. Controlled, the same reaction powers cities. Nuclear plants use control rods to absorb excess neutrons, preventing runaway reactions. One uranium fuel pellet the size of a pencil eraser produces energy equal to one ton of coal, 150 gallons of oil, or 17,000 cubic feet of natural gas. We cracked open the atom and found the most concentrated energy source in the universe. The power that stars use to shine is now in our hands. What we do with it defines what we are.

HI script

Golf ball jitna uranium piece mein 1,000 tons coal se zyada energy hai. Humne isse release karna seekha—aur almost khud ko destroy kar diya.

Golf ball jitna uranium piece mein 1,000 tons coal se zyada energy hai. Humne isse release karna seekha—aur almost khud ko destroy kar diya. Ye hai nuclear fission—atoms ka split hona. Uranium-235 unstable hai. Ek neutron maaro isse, aur ye chhote atoms mein split ho jaata hai. Ye teen neutrons release karta hai, gamma radiation, aur enormous energy. Wo teen neutrons teen aur uranium atoms ko hit kar sakte hain, har ek teen aur neutrons release karta hai. Nau, sattaees, ekaasi—ye exponentially multiply hota hai. Ye hai chain reaction. Uncontrolled, ye atomic bomb hai. Ek kilogram uranium mein, jab atoms split hote hain, wo thodi si mass lose karte hain. Einstein ne humein dikhaya ye kyun matters: E equals mc squared. Thodi si mass loss times speed of light squared equals massive energy. Wo missing mass nuclear weapons ki aag banti hai. Controlled, same reaction cities power karti hai. Nuclear plants control rods use karti hain excess neutrons absorb karne ke liye, runaway reactions rokne ke liye. Ek uranium fuel pellet pencil eraser jitni ek ton coal, 150 gallons oil, ya 17,000 cubic feet natural gas jitni energy produce karti hai. Humne atom crack kar ke universe mein sabse concentrated energy source dhoondha. Wo power jo stars use karte hain shine karne ke liye ab humare haathon mein hai. Hum iske saath kya karte hain wo define karta hai hum kya hain.

01
A small machined sphere of dull silvery uranium rests in a thick glass handling dish on a heavy laboratory table, lit by a single hard lamp. Behind it, a cart holds dark coal chunks piled high in burlap sacks, giving the energy contrast a tactile scale through mass, dust, and volume. Add gloved hands, tongs, lead bricks, and polished metal reflections, all clean and unmarked. Compose as sober macro scientific photography with shallow depth of field, precise surface texture, and the uneasy quiet of matter holding enormous stored energy.
02
A tabletop nuclear physics demonstration uses polished metal spheres, clear acrylic tracks, and tiny ball bearings to suggest one neutron striking a uranium nucleus. The impact is captured as a burst of separated beads, springs, and scattered fragments inside a darkened laboratory bell jar, with bright side lighting making motion physical rather than symbolic. Include gloved researchers at the edge of frame, brass clamps, glassware, and matte black shielding blocks. The scene should feel controlled, exact, and consequential, with all apparatus faces blank and all surfaces unmarked.
03
A 1938 chemistry bench in Dahlem holds uranium samples, porcelain dishes, reagent bottles, pipettes, and a small neutron source arranged for careful separation work. The room feels ordinary: tiled walls, worn wood, glass condensers, a balance, and a chemist leaning close under warm lamps. Use period documentary realism to make the discovery emerge from routine handling of matter, not spectacle. Powder residue, metal tweezers, and cloudy glass carry the drama. Keep notebooks closed or turned away, with every visible surface plain.
04
Inside the squash court pile beneath a stadium, graphite blocks rise in a dark, carefully stacked lattice while a scientist's hand eases a cadmium control rod a few inches from its slot. The moment is nearly silent: heavy masonry, rough graphite, wood scaffolding, cables, coats, and watchful faces lit by work lamps. Show the birth of a self-sustaining chain reaction through posture and material arrangement rather than glow. Use restrained historical realism, tactile carbon dust, close human scale, and the compressed stillness of a room waiting for measurement.
05
A modern research reactor hall shows control rods suspended above a calm pool of deep blue water, with clean gantries, stainless rails, and technicians moving slowly in protective clothing. The energy is visibly disciplined through symmetry, cooling water, valves, and thick concrete, not through explosive imagery. Soft overhead light reflects off the pool surface and polished metal. Include blank instrument panels, plain binders, and unmarked safety equipment. Compose as peaceful industrial science photography, emphasizing containment, patience, and heat turned into useful power.
06
A future reactor workshop displays compact fuel assemblies, ceramic samples, molten-salt test loops, heat exchangers, and prototype shielding on separate benches under bright inspection lights. Engineers examine corrosion coupons and pump housings with gloved hands, suggesting small modular and advanced reactor paths through physical hardware. Outside a high window, a hazy industrial skyline sits beyond cooling towers in soft daylight. Keep the mood practical and hopeful, with durable metal, glass, salt-stained tubing, and clean blank surfaces carrying the climate-energy tension.