Fizikai Szemle 1995/6. 191.o.
WIGNER JENŐ, AZ ELSŐ NUKLEÁRIS MÉRNÖK
Alvin Weinberg
Oak Ridge, USA
Mi fizikusok általában úgy gondolunk Wigner Jenőre, mint egyre a 20. század legnagyobb elméleti fizikusai közül - mint aki először hangsúlyozta a szimmetria fontosságát és a csoportelmélet kiemelkedő hatékonyságát az akkor új kvantummechanikában, mint aki megírta “Az inhomogén Lorentz-csoport unitér-reprezentációjáról" című monumentális munkát, aki Gregory Breittel együtt felfedezte a magreakciók rezonanciaabszorpciójának Breit-Wigner-képletét.
Ez csak néhány legfontosabb eredményei közül; Jenő valójában nagyon sók olyan felfedezés mögött ott volt, amelynek szerzőségére soha nem tartott igényt: kérdést tett fel, bíráló megjegyzést tett; az atomfizikusok között szokássá vált mondás: “Mielőtt publikálod, nézesd meg Jenővel". Ő egyfajta örököse volt a Paulinak, aki döntőbíróként képes volt eldönteni, hogy mi a jó és mi nem az. Jenő minden tudományos eredményét megtalálhatjuk összefoglalva a Wightman és Mehra által kiadott “Wigner Jenő összegyűjtött munkái" című műben.
Azt, hogy milyen hatalmas szerepet játszott a nukleáris energetika fejlődésében, csak azok tudhatják, akik egyszerre tagjai a nukleáris közösségnek és a fizikus közösségnek. Én magam gyakran hivatkoztam rá úgy, mint a nukleáris mérnöki tudományok megalapozójára. Megpróbálom igazolni ezt a látszólag fellengzős állítást.
Az 1930-as években Wigner - éppen a maghasadás 1938-ban bekövetkezett felfedezése előtt - barátjával, Szilárd Leóval vitatkozott a nukleáris láncreakcióról. Szilárd szabadalmaztatta a Be9 (n,2n) 2He4 típusú láncreakció ötletét. Wigner emlékirataiban ezzel kapcsolatban megjegyzi:
... Szilárd ötleteit nagy érdeklődéssel követtem. Nem tudtam elhinni azt, hogy sikerülhet reakcióinak minden részlete, de éreztem, hogy a nukleáris energia termelése valahogy megvalósítható. A láncreakció létrehozását csak egy olyan alapvető természeti törvény tilthatta volna meg, - mint például az energiamegmaradás tétele - aminek a létezésében nem hittem. Ezért ügy gondoltam, hogy a nukleáris energia hasznosítása csak idő kérdése. Ezt az álláspontomat kifejtettem 1935-ben a General Electric képviselőinek, és természetesen több baráti beszélgetés közben is. Később, 1936 tavaszán rövid népszerűsítő előadást tartottam a Wisconsini Madisonban a Gamma Alfa Társaságban, és körülbelül öt évre becsültem a nukleáris energiatermelés megvalósításához szükséges időt. Semmi alapom nem volt ezt kijelenteni. "
Azért idéztem Wigner emlékezéseiből ezt a passzust, hogy megmutassam, Wigner - éppúgy, mint Szilárd szellemileg egyedülállóan felkészülten várta a maghasadás felfedezését. Mindehhez Wigner legfontosabb hozzájárulása valószínűleg annak felismerése volt - Tellerrel és Szilárddal együtt -, hogy a szabad világ a maghasadás felfedezésével halálos veszélybe kerülhet, ha először Hitler kezébe kerül a bomba.
A háborús évek alatt a Chicagói Metallurgiai Laboratóriumban végig ezen - később hibásnak bizonyult - feltevés alapján cselekedett, de ez látszott az egyedül biztonságos választásnak.
Úgy emlékszem, mintha tegnap lett volna, hogy találkoztunk Arthur Compton, Enrico Fermi, Wigner Jenő és én (mint Jenő asszisztense). Ez valószínűleg 1942 vagy 1943 nyarán történt. A kérdés az volt, mikorra várható a nácik bombája. Jenő elment az igazgatósághoz, és becslést készített, mennyi idő alatt lehet reaktort tervezni, mennyi idő kell a plutónium kiválasztásához, mennyi időbe telik a bombát elkészíteni - következtetése szerint mindehhez a találkozásunk időpontjától számítva körülbelül 9 hónapra van szükség. Jenő ott hibázott, hogy feltételezte: az egész német programot csupa Wigner-klón hajtja végre.
Wigner Chicagóban nekigyürkőzött, hogy kikísérletezze és megtervezze az első nagyteljesítményű nukleáris reaktorokat, amiket a DuPont cég épített Hanfordban. Benne egyesült a reaktorfizika feletti tökéletes uralom sok olyan algoritmust fedezett fel, amit a mai napig használnak a reaktortervezésben - a különleges tehetséggel és a részletek iránt tanúsított mérnöki szeretettel. Mindezt erősítette az, hogy a német bomba megvalósításától való félelmében teljesen az ügynek szentelte magát.
Még mielőtt Fermi létrehozta az első láncreakciót 1942. december másodikán, chicagói fizikusok és mérnökök, mint Szilárd és Wigner már tervezték a nagyteljesítményű plutóniumtermelő reaktort. A fő vonal ebben az időben a grafitmoderátor és héliumhűtés volt - hélium azért, mert nem fogta be a neutronokat és mi ebben az időben nemigen tudtuk, hogy a grafit - természetes urán “máglya" neutronsokszorozási állandója nagyobb-e, mint 1. Ezért a neutronok megőrzése volt a legfőbb tervezési követelmény. Ebben a döntésben Szilárd és Wigner nagyon nem értett egyet. A héliumhűtésű, nagyteljesítményű reaktor a vörösizzás hőmérsékletén működött volna, ebben félelmetesek voltak az anyagtechnológiai problémák, és azok is maradtak.
Szilárd a maga mindig eredeti módján kicsit őrült megoldást javasolt, folyékony bizmutot (alacsony elnyelési hatáskeresztmetszet, alacsony gőznyomás). Az, hogy a korrózióról kevés ismeretünk volt, Szilárdot nem nagyon zavarta - az ő sajátos felfogása szerint az elvek ismerete elég - a részletek majdcsak megoldódnak maguktól.
Wigner teljesen gyakorlati, mérnöki megközelítés alapján vízhűtést javasolt, még akkor is vizet, ha az alumíniumcsövek és a fűtőelemek burkolata körülbelül 3 % k-ba került (a teljes
= 1,08 értéken kívül). Wigner volt az egyetlen ember az egész programban, akiben egyszerre volt meg a reaktorfizika teljes ismerete (így ő tudta, hogy az optimalizált H2O hűtésű grafitmoderált-reaktor képes a láncreakcióra), és a mérnöki szemlélet. Biztos vagyok benne, hogy Fermi szintén meg tudta volna tervezni az első nagyteljesítményű reaktort, de nagyon el volt foglalva az első nukleáris láncreakció létrehozásával, a chicagói kísérleti atommáglya építésével, így Wigner átvállalta a hanfordi tervezőmunkát.
Wigner nemcsak megtervezte az 500000 kW-os (később a DuPont 250000 kW-ra csökkentette a teljesítményt) hanfordi reaktorokat, hanem meggyőzte a Metallurgiai Laboratóriumot, a DuPont céget és Groves tábornokot arról, hogy a héliumhűtés helyett vízhűtést kell használni. Ez nem volt kis feladat, még azzal a logikával, fölényes tudással, rendkívüli kitartással sem, amivel Wigner rendelkezett. A DuPont által épített hanfordi reaktorokat (egy fontos részlet kivételével) Wigner és kis csoportja tervezte.
A kivétel a reaktorok mérete volt. Compton felkérve Wignert a vízhűtésű, 500000 kW teljesítményű reaktor tervezésére, a határt 200 tonna uránban határozta meg. Az uránhoz ebben az időben nagyon nehezen lehetett hozzájutni. Ekkor lépett a DuPont színre, 1942 késő őszén, három reaktorra való uránkészlettel a kezében, mindegyikre 270 tonnát számolva. John Wheeler és George Groves javasolta ezeket a nagyobb reaktorokat, és a méret növelése kifizetődött. A maghasadás 135Xenont termelt, hatalmas neutronbefogási hatáskeresztmetszettel (3 x 106 barn = 3 x 10-22 m2), ezért 102 % feletti értékű
-re volt szükség, melyet csak a DuPont által épített nagyobb reaktorok tudtak meghaladni.
Wigner óriási felelősségérzetéről tett tanúbizonyságot a DuPont terveinek felülvizsgálata során. Ha nem értett egyet a DuPont-nal, az általa szükségesnek vélt változtatásokhoz mindig ragaszkodott - és az ő álláspontja a Metallurgiai Laboratórium hivatalos álláspontjává vált, aminek vétót jelentő hatalma volt a DuPont felett.
Hanford volt Wigner mérnöki tevékenységének koronája, és ez egymagában elegendő bizonyíték arra az állításomra, hogy ő volt az első nukleáris mérnök, vagy e szakma megalapítója. A háború hátralévő ideje alatt, és utána még néhány évig Wigner folytatta az új reaktorok tervezését. Összesen 37 szabadalma volt. Ezek a szabadalmak magukban foglalják a legtöbb reaktortípust, amelyek az azóta eltelt ötven évben kereskedelmi sikereket értek el, és azokat is, amelyek a széles skálájú mérnöki fejlesztés bázisai voltak.
A könnyűvizes reaktor
Wignert bátran nevezhetjük a nyomottvizes reaktorok nagypapájának, azokénak, amelyeket ma is használunk. A könnyűvíz hűtőközegként és moderátorként való használata többek felismerése volt (például von Halboné) már az atomenergia korai napjaiban. Wigner eredeti hozzájárulása annak felismerése volt, hogy a 240Pu, ami neutronbefogással keletkezik a 239Pu-ból, nagy valószínűséggel spontán hasad. A reaktorban előállított plutóniumból készített ágyú-típusú nukleáris fegyver két töltete gyújtáskor túl lassan egyesül ahhoz, hogy számottevő nukleáris hozam jöjjön létre. (Ez még az összenyomás implóziós módszerének Los Alamos-beli kifejlesztése előtt történt.)
1. ábra. Az első nagyfluxusú kutatóreaktor, Idahóban épült
1952-ben.
Wigner ekkor azt javasolta, hogy a 239Pu-ot könnyűvizes átalakítókban 233U-ná alakítsák át, mert az ötlet szerint a 233U alapú ágyú-típusú bomba már nem hajlamos az előrobbanásra. Wigner 239Pu-232Th-233U átalakítója egyszerű plutóniumbevonatú alumíniumlemezekből állt, amelyeket tóriumburkolat vett körül, és az egész közönséges vízbe merült.
Wigner konvertere végül is magában foglalta az első nagy fluxusú kutatóreaktort, az Anyagvizsgáló Reaktort (Materials Testing Reactor, MTR)
(1. ábra). Az MTR-t, amit Idahóban épített meg az Oak Ridge-i és Argonne-i kutatócsoport 1952-ben, Wigner fejlesztette ki 1946-ban, amikor az Oak Ridge-i Nemzeti Laboratórium kutatási igazgatója volt.
Ezt a 2 x 1014 neutron/cm2/s fluxusú reaktort, miután működni kezdett, az egész világ irigyelte. Az első vízmoderátoros erőművi reaktor - Rickover NAUTILUS prototípusa - az MTR nyomás alatt működő változata volt. Az eltelt ötven évben a nyomottvizes reaktor uralkodóvá vált a kereskedelmi energiatermelésben és a tengerészeti hajtóművek között. Wignert kell ezen reaktorfajta nagyapjának tekintenünk.
Más reaktorok
Amikor a hanfordi fejlesztések 1944-ben befejeződtek, Wigner figyelme más reaktortípusok felé fordult. Érdeklődése kiterjedt a nehézvíz moderálta reaktorokra (ilyen például a kanadai CANDU reaktor) és a tenyésztőreaktorokra. Wigner azzal érvelt, hogy ha az uránkészlet olyan kicsi, mint abban az időben látszott (kevesebb, mint 100000 tonna) a tenyésztőreaktorok kifejlesztése nélkül az atomenergia nem lesz elegendő. Harry Soodakkal együtt nekilátott a Pu-U cikluson alapuló gyors tenyésztőreaktor kifejlesztésének
(2. ábra). Ebben az időben Wigner a termikus neutronokkal működő tenyésztőket részesítette előnyben a Th-233U cikluson alapulókkal szemben, mint inherensen biztonságosabbakat, mert kevesebb hasadóanyag képezte a bennük kritikus tömeget, mint a gyors tenyésztőkben. Wigner úgy képzelte, hogy a termikus tenyésztőreaktorok a hasadóanyagok gyakori reprocesszálását követelik meg - és ez aligha érhető el anélkül, hogy a hasadóanyagok ne oldott állapotban legyenek
(3. ábra). Én ebben az időben erősen meg voltam fertőzve a homogén reaktor ötletével. Oak Ridge-ben négy különböző reaktorkísérlet folyt folyékony halmazállapotú üzemanyagokkal, például UO2SO4 vizes oldatával, vagy olvadt uránfluoridokkal. Ezeket a kísérleti reaktorokat 1950. és 1970. között építették. Többen közülünk ma is úgy hiszik, hogy a fluoridos rendszerek nagy szerepet játszhatnak a második atomkorban.
|
2. ábra. Soodakkal fejlesztett Pu-U cikluson alapuló
tenyésztőreaktor.
|
3. ábra. Oldott állapotú hasadóanyag Wigner tenyésztőreaktorában.
|
A neutronos láncreaktorok fizikai elmélete és az Oak Ridge Nukleáris Technikai Iskola
Wigner életéből - 1940-től 1947-ig - hét évet töltött a reaktorok fizikájának és technikájának fejlesztésével. Ezért aztán nem volt túl nehéz rábeszélnem őt arra, írja le amit a reaktorok fizikájáról tudott, 1958-ban közöltük “A neutronos láncreaktorok fizikai elmélete" című munkát. Wigner ragaszkodott az alfabetikus sorrendhez (Weinberg, Wigner), bár ő sokkal tekintélyesebb szerző volt. A könyv máig a témakör alapműve maradt, annak ellenére, hogy a számítógépek megjelenése előtt keletkezett. Az első hat fejezet, amit Wigner írt, még mindig használható összefoglalását alkotja a nukleáris reaktorok nukleáris fizikájának.
Wigner 1946-47-ben az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium kutatási igazgatója volt. Úgy képzelte, hogy az ORNL a nukleáris reaktorkutatások központjává válhat, de tudatában volt, hogy az atomenergia sok olyan tudóst és mérnököt igényel, akik eddig a Manhattan Program laboratóriumaiban tanultak. Ezért rábeszélte egykori diákját, Frederick Seitzet, akivel Chicagóban dolgozott együtt, szervezze meg azt, ami végül az Oak Ridge Reaktortechnikai Iskola lett. A tanári kart Wigner chicagói csapata alkotta. Körülbelül 30 egykori diákjuk közül sok az atomenergia-fejlesztés vezetőivé vált. A leghíresebb hallgató egy tengernagy - abban az időben kapitány volt, H.G. Rickover. Harold Etherington, Rickover támogatásával lefektette a NAUTILUS alapvető terveit ebben az időben Oak Ridge-ben. Az Oak Ridge Nukleáris Technikai Iskola (ORSORT) a reaktortechnika első iskolájává válva, például szolgált több, hamarosan megalakuló egyetemi fakultás és tengerészeti iskola számára.
Wigner utolsó aktív hozzájárulása a reaktortechnika fejlesztéséhez 1950-ben volt, amikor több hónapot dolgozott a DuPont tanácsadójaként a “Savannah River" nehézvízmoderált trícium- és plutóniumtermelő reaktorok tervezésén. A háború ideje alatt Wigner, a Hanford reaktorok alkotója és a DuPont, a reaktorok építője gyakran hadilábon álltak egymással. Baráti együttműködésük a Savannah Riveren egyszerre mutatta meg Wigner képességét arra, hogy eltekintsen a múltbéli sérelmektől, és a DuPont felismerését, hogy Wigner milyen hatalmas intellektuális erővel rendelkezik.
Wigner Jenő és a bomba
Wigner attitűdjét a nukleáris fegyverekkel kapcsolatban döntően elsősorban az befolyásolta, hogy halálosan félt attól, hogy a náciknak előbb lesz bombája, mint a demokráciáknak, másodszor pedig, a hidegháború alatt abbéli hite, hogy a totalitárius, kommunista rendszerek a nukleáris fegyverek ezreivel felszerelve komoly fenyegetést jelentenek a szabad világ számára.
Wigner, Szilárddal és Tellerrel együtt volt a “felelős" a híres Einstein-levélért Roosevelt elnökhöz, amiben ösztönözte azt, hogy az Egyesült Államok vágjon bele az atombomba-programba. (A tényleges levelet Einstein diktálta németül, Wigner fordította angolra, és az általa fordított változat maradt fönn.)
Valójában az első próbálkozásuk arra, hogy az Egyesült Államokat rávegyék, komolyan fogjon neki a bomba fejlesztésének, megfeneklett. A bürokrácia egyszerűen nem értette meg a három magyar szilárd meggyőződését, sem azt a kemény technikai elemzést, ami Wigner számításain alapulva a bomba megvalósíthatóságát jelezte. Breit és Wigner kiszámolta a bombához szükséges kritikus tömeget. A minimum-méret a lefojtott 235U eszközre körülbelül 2 kg volt, nem messze attól, amit ma is korrektnek tekintünk. (Mellesleg ebben a cikkben Breit és Wigner sorbafejtette a neutronfluxust gömbi harmonikusokra. Ahogy én tudom, ez az első eset, hogy a gömbi harmonikus sorfejtést a bomba-programban használták.)
1945 nyarán sokat beszéltek, vitatkoztak Chicagóban a bomba bevetéséről. A Franck-bizottság azt ajánlotta, hogy a bombát mutassák be, ne használják emberek ellen. Körülbelül ugyanebben az időben Wigner és Szilárd egy petíciót körözött Chicagóban és Oak Ridge-ben arra ösztönözve, hogy a bombát ne használják fel. (Emlékszem a petíció aláírására, bár el kell ismernem, hogy Hirosima után, a háború befejezése által kiváltott lelkesedés és büszkeség elnyomta minden bűntudatunkat.)
A háború után Wigner visszatért a témára, izgatta a bomba megvalósítása után lehetséges következő kérdés: Milyen védekezés lehetséges az atombomba ellen? A kölcsönös elrettentés elvét a béke fenntartásának morálisan elfogadhatatlan módjának tekintette mindig. Az ötlet, hogy 100 millió ártatlan életét bosszú fenyegesse egyszerűen túl szörnyű volt. Így vált Wigner - néhány társával együtt, mint Teller Ede, Edward Dyson és Don Brennan - az elv tükörképének javaslójává, a kölcsönösen biztosított túlélésé. Wigner ezért a polgári védelmet a legfontosabb feladatnak tekintette, amit a nemzetnek vállalnia kell. 1963 elejétől az a csaknem megoldhatatlan feladat kötötte le majdnem minden idejét, hogy elemezze a védekezés lehetőségét egy olyan támadás ellen, amelyben 10000 robbanófej támad. Ezeket a tanulmányokat Oak Ridge-ben folytatta, és Wigner az 1965-ös évet a polgári védelmi program megszervezésével töltötte.
Wigner ismételten belevetette magát a polgári védelmi munkába közmondásos technikai tudásával, és egyedülálló odaadásával. Nagyon zavarta, hogy életében a polgári védelmet Amerikában soha nem vették elég komolyan, mivel a kommunizmust egy monolitikus és permanens fenyegetésnek érezte - amit megcáfoltak az utóbbi 6 év eseményei. Másrészt a mai világban sokkal kevesebb a nukleáris fegyver, ami indokolttá teheti egy kölcsönösen biztosított biztonságra (Mutually Assured Safety, MAS) alapozott világ végiggondolását. A Sivatagi Vihar (öbölháború) alatt Izrael polgárai az aktív és passzív védelmet egyaránt fontosnak ítélték. Azt hiszem, egy olyan új világhoz értünk, amelyben esetleg néhány száz, nem pedig néhány tízezer nukleáris fegyver létezik, ekkor pedig valamilyen védelmi rendszer - beleértve a polgári védelmet is - jelentős tényezővé válhat. Ezt figyelembe véve Wigner makacs (sokak szerint irreális) ragaszkodása a polgári védelem kifejlesztéséhez talán nem is volt annyira bolondság.
Búcsú Wigner Jenőtől
1950-ben a Fortune folyóirat Wigner Jenőt egy “nyugodt géniuszként" írta le, aki a modern fizika jelentős részét alkotta meg. Mint akit Jenő mélyen befolyásolt, mint aki neki köszönhetem karrierem jelentós részét, talán túl közel vagyok hozzá, hogy tárgyilagosan értékeljem hozzájárulását a nukleáris energetikához. Mégis; minden előítéletem ellenére, azt merem mondani, hogy Wigner Jenő volt "a nukleáris mérnöktudomány atyja". Az a műszaki színvonal, az a felelősségtudat és az a kemény munka, amit 1940. és 1947. közt felmutatott ezen a területen, szintúgy a fizikában, olyan szintet jelentett nekünk, ami felé nekünk, nála kisebbeknek törekednünk lehet és kell.
Manapság az atomenergia a világ sok részén rossz napokat él át. Mi, a nukleáris közösség gyakran a környezetvédő aktivistákat és a kormányzat hivatalnokait vagyunk hajlamosak vádolni az események ilyen fordulatáért. Én azt gondolom, mi is vétkesek vagyunk az események ilyen fordulatában, Néhány a reaktoraink közül tervezési hibáktól terhelt, gondoljunk például a csernobili reaktor pozitív üregtényezőjére, a Three Mile Island-i reaktor kétértelmű vízszintjelzőjére. Szeretném John Wheeler szavait e helyzetre alkalmazni: Az atomenergia újjászületéséhez a nukleáris közösség szigorú és aprólékos figyelmére van szükség a minőségi és biztonsági követelmények tekintetében és arra az intellektuális felelősségérzetre, ami az atommérnöki szakma megalapítóját, Wigner Jenőt jellemezte.
________________________________
Alvin Weinberg, a nyomottvizes reaktor megalkotója ezt a megemlékezését az Acta Physica Hungarica Wigner-emlékkötetébe küldte. Fordította: Ujváry Sándor