مقدمة تاريخي
داستان كشف و گسترش انرژي هسته‌اي،
كه در مفهوم اين پژوهش انرژي‌اي است كه در اثر شكافت اوارنيم و احتمالاً عناصر
سنگين ديگر آزاد مي‌شود، به سال 1311/1932، كه چادويك در آزمايشگاه كاونديش، واقع
در كمبريج، نوترون را شناسايي كرد، بر مي‌گردد.
اين كشف از چند نظر داراي اهميت
بود. اولاً، تشريح ساختار اتم به شكل قابل قبول‌تري امكان پذير شد و نشان داده شد
كه هر عنصر بخصوص ممكن است چندين ايزوتوپ مختلف، يعني گونه‌هاي مختلفي كه تعداد
نوترون‌هاي آنها فرق مي‌كند، داشته باشد. ثانياً، نوترون ذرة جديدي بود كه براي
بمباران هستة اتم و ايجاد واكنشهاي مصنوعي در اختيار دانشمندان فيزيك اتمي قرار مي‌گرفت.
در سالهاي قبل از آن، دانشمندان براي اين منظور از ذرات پروتون و آلفا (هستة عنصر
هليم) استفاده مي‌كردند، اما بلافاصله بعد از كشف نوترون اين دانشمندان، بخصوص
دانشمند ايتاليايي فرمي كه در رم كار مي‌كرد، دريافتند كه اين ذره به علت بي‌بار
بودن (برخلاف پروتون و ذرة آلفا) آسان‌تر به درون سد پتاسيل هستة اتم نفوذ كرده با
آن برهم كنش مي‌كند.
چند سال بعد، فرمي و همكارانش در رم
عناصر طبيعي زيادي را با نوترون بمباران كردند و فرآورده‌هاي واكنشهاي حاصل را
مورد مطالعه قرار دادند. در بسياري موارد فرمي دريافت كه ايزوتوپ‌هاي پرتوازي عنصر
اصلي توليد مي‌شدند، و وقتي اين ايزوتوپ‌ها
وا مي‌پاشيدند عناصر ديگري، كمي سنگين‌تر از عناصر اصلي است، توليد مي‌شدند.
با اين روش اورانيم، سنگين‌ترين عنصر طبيعي، در اثر بمباران با نوترون به عناصر
سنگين‌تر فرا اوارنيم، كه به صورت طبيعي روي زمين يافت نمي‌شدند، تبديل شد. در اين
برهه، فرمي دو كشف بزرگ ديگر هم صورت داد، يكي اينكه نوترون‌هاي كم انرژي بطور كلي
براي توليد واكنشهاي هسته‌اي مؤثرند از نوترون‌هاي پر انرژي هستند، و ديگر
اينكه مؤثرترين راه كند كردن نوترون‌هاي
پر انرژي پراكندگيهاي متوالي آنها از عناصر سبك مثل هيدروژن در تركيباتي مثل آب و
پارافين است. نقش مهم اين دو كشف در گسترش انرژي هسته‌اي در سالهاي بعد به ثبوت
رسيد.
آزمايشهاي فرمي روي اورانيم توسط دو
شيميدان آلماني به نامهاي هان و استراسمن تكرار شد. اين دو نفر در سال 1317/1938
كشف كردند كه يكي از فراورده‌هاي برهم كنش نوترون با اورانيم، باريم است كه عنصري
است در ميانة جدول تناوبي. ظاهراً واكنشي رخ داده بود كه در آن هستة سنگين
اورانيوم، در اثر بمباران با نوترون، به دو هستة با جرم متوسط تقسيم شده بود. دو
فيزيكدان، به نامهاي مايتنر و فريش، با شنيدن خبر اين كشف و بر مبني مدل قطره ـ
مايعي هستة اتم توضيحي براي اين فرايند پيدا و محاسبه كردند كه انرژي بسيار زيادي
(خيلي بيش از آنچه كه در فرايندهاي شناخته شدة پيش از آن ديده شده بود) از اين
فرايند كه نام شكافت بر آن گذاشته شد آزاد مي‌شود.
جلوه‌هاي مهم ديگري از شكافت در
ماههاي بعد كشف شد. ژوليو و همكاران او در فرانسه نشان دادند كه در فرايند شكافت
چند نوترون هم گسيل مي‌شود، و بعداً معلوم شد كه اين نوترون‌ها انرژي خيلي بالايي
دارند. به اين ترتيب اين امكان وجود داشت كه فرايند شكافت، كه با يك نوترون آغاز
مي‌شد و دو يا سه نوترون توليد مي‌كرد، در صورت بروز شكافت ديگري توسط اين نوترون‌هاي
جديد، ادامه پيدا كند. زنجيره ـ واكنش خود ـ نگهداري كه به اين ترتيب ايجاد مي‌شد
قادر بود مقدار فوق‌العاده زيادي انرژي ايجاد كند.
دو نوع واكنش زنجيره‌يا شكافت
متمايز در پيش رو بود: يكي آنكه فرايند شكافت با آهنگ پايا و كنترل شده‌اي انجام
مي‌شد و به صورت پايا و پيوسته‌اي انرژي آزاد مي‌كرد؛ و ديگر اينكه آهنگ شكافت به
حدي سريع و كنترل نشده مي‌بود كه، واقعاً، يك انفجار هسته‌اي با توان تخريب خيلي
زياد توليد مي‌كرد. با اين همه، پيش از اينكه اين ايده‌ها مي‌توانستند به واقعيت
حتي نزديك بشوند، مجهولات و مشكلات زيادي بايد حل مي‌شد. در ميان اين مجهولات، سطح
مقطع شكافت اوارنيم 235 (ميزان احتمال انجام اين نوع واكنش) بود، و تا اين كميت
مشخص نمي‌شد هيچ راهي وجود نداشت كه بگوييم آيا واكنش زنجيره‌اي ممكن هست يا خير،
و اگر امكان داشت جرم بحراني اورانيم لازم چه مقدار بود. همچنين معلوم شده بود كه
براي دستيابي به يك واكنش زنجيره‌اي در انواع مشخصي از سيستم‌هايي كه براي توليد
پايا و پيوستة انرژي طراحي مي‌شدند لازم بود انرژي نوترون‌هايي كه توسط شكافت
توليد مي‌شدند به مشخص نمي‌شد هيچ راهي وجود نداشت كه بگوييم آيا واكنش زنجيره‌اي
ممكن هست يا خير، و اگر امكان داشت جرم بحراني اورانيم لازم چه مقدار بود. همچنين
معلوم شده بود كه براي دستيابي به يك واكنش زنجيره‌اي در انواع مشخصي از سيستم‌هايي
كه براي توليد پايا و پيوستة انرژي طراحي مي‌شدند لازم بود انرژي نوترون‌هايي كه
توسط شكافت توليد مي‌شدند به انرژي‌هاي خيلي پايين‌تري كاهش مي‌يافتند تا، همان
طور كه فرمي نشان داده بود، شكافتهاي بيشتر را آسان‌تر باعث مي‌شدند. ماده‌اي كه
براي حصول اين فرايند كند شدگي لازم بود كند كننده نام گرفت، و يكي از كند كننده‌هاي
اوليه‌اي كه در آزمايشها مورد استفاده قرار گرفت آب سنگين بود، كه در زمان مورد
بحث در اروپا فقط در يك جا پيدا مي‌شد – شركت هيدرو
الكتريك (برق ـ آب= برقاب) نروژ، و تمام موجودي آن را در 1319/1940 فرانسه خريداري
كرد.