تولد عصر اتم: از «شیکاگو پایل» تا بمب اتم

نویسنده: حسن فتاحی - در اوایل دسامبر ۱۹۴۲، گروهی از فیزیک‌دانان به رهبری انریکو فرمی نخستین واکنش زنجیره‌ای کنترل‌شده‌ی هسته‌ای را در زیر زمین یک سالن اسکواش دانشگاه شیکاگو به‌راه انداختند. این رویداد (Chicago Pile-1) نقطه‌ی عطفی در تاریخ علم بود: از سویی وعده‌ی منبع جدید انرژی را می‌داد و از سوی دیگر راهِ تولید مواد و فناوریِ بمبِ اتمی را هموار کرد. در پی این موفقیت، برنامه‌های صنعتی گسترده در هنفورد، اوک‌ریج و برکلی برای تولید پلوتونیوم و غنی‌سازی اورانیوم اجرا شدند. سه روش جداسازی ایزوتوپی (نفوذ گازی، سانتریفیوژ گازی، طیف‌سنج جرمی) همگی عملی و مؤثر شناخته شدند و نیروی کار عظیمی — حدود ۱۵۰، ۰۰۰ نفر — در پروژه‌ی منهتن به‌کار گرفته شد. در کنار دستاورد فناورانه، محاسبات نظری نشان داد که جرم بحرانی لازم برای بمب می‌تواند بسیار کم (در حدود چند کیلوگرم) باشد که این مسأله ماهیتی انفجاری و نظامی برای تکنولوژی هسته‌ای ایجاد کرد.

ساخت «توده» و شرایط فنیِ شگفت‌انگیز

برای ساخت نخستین «پایل» یا توده‌ی واکنش‌گر، فرمی با مشکلات عملی روبه‌رو بود: سالن اسکواشِ انتخاب‌شده ارتفاع کافی نداشت و افزودن لایه‌های اضافی در صورتِ خطا ممکن نبود. برای کاهش جذب نوترون توسط هوا (نیتروژن)، یک بالون لاستیکی مکعب‌شکل عظیم از شرکت گودیر سفارش داده شد تا توده داخل آن ساخته شود و در صورت لزوم، هوا را از داخل آن تخلیه کنند؛ عملی که در نهایت انجام نشد اما نشان‌دهنده‌ی احتیاط سازندگان بود. شبکه‌ی عظیم گرافیت و بلوک‌های اورانیوم به‌صورت کروی چیده شد؛ کارگران را گردِ گرافیت پوشانده بود و شرایط کار از نظر ایمنی بسیار ابتدایی بود.

در روز تاریخی، تیم تقریباً مطابقِ برنامه و با اندازه‌گیری‌های مرحله‌ای میله‌های کنترل (از جنس کادمیم، جذب‌کننده‌ی قوی نوترون) را بیرون کشید تا شار نوترونی را افزایش دهد. حرکت میله‌ها با واحد «فوت» اندازه‌گیری می‌شد (هر فوت ≈ 0.3048 متر) و تغییرات شار با شمارنده‌های گایگر روی نوار ثبت می‌گردید. واکنش به‌آرامی افزایش یافت — به‌علت کندشدن نوترون‌های سریع به نوترون‌های حرارتی توسط گرافیت — تا اینکه پس از ۲۸ دقیقه در نقطه‌ی موردنظر، میله‌ها دوباره فرو برده شدند و آزمایش با پیروزی و آرامش خاتمه یافت.

احتیاط‌ها، نقش انسانی و علامت‌شناسیِ لحظه توصیف لحظه‌به‌لحظه نشان می‌دهد فرمی گرچه از نظر نظری مطمئن بود، با نهایت احتیاط رفتار کرد: اندازه‌گیری مرحله‌ای، حضور «گروه انتحاری» (سه نفر با محلول کادمیم به‌عنوان آخرین چاره) و ثبت پیوسته داده‌ها. این ترکیب علم، تجربه‌ی فنی و مسئولیت‌پذیری اخلاقی بود. پس از قطع موفق واکنش، اوژن/یوجین ویگنر بطری شراب را بیرون آورد و حضار، در سکوت، جرعه‌ای نوشیدند — نمادی رقیق از جشنِ علمیِ آرام در برابر پیامدهای پرابهامِ دستاوردشان.

از منبع انرژی تا سلاح: مسیر اجتناب‌ناپذیر

هر فناوری انرژی‌زا در خود پتانسیل منفعت و تهدید را دارد. طبق نظریه‌ی بور–ویلر، پلوتونیوم-۲۳۹ همانند اورانیوم-۲۳۵ برای شکافت مناسب است؛ روش تولید پلوتونیوم در داخل توده‌های فعال (با جذب نوترون توسط اورانیوم-۲۳۸ و تبدیل بعدی) به‌این معنی بود که به‌جای دشواری جداسازی ایزوتوپ، می‌توان از تولید شیمیایی پلوتونیوم بهره گرفت. این روش در سایت هنفورد در مقیاس صنعتی انجام شد و چهار راکتور بزرگ برای تولید پلوتونیوم و خنک‌کاری با آب رودخانه‌ی کلمبیا ساخته شدند.

هم‌زمان سه روش جداسازی ایزوتوپی برای غنی‌سازی اورانیوم توسعه یافت: نفوذ گازی (gaseous diffusion)، سانتریفیوژهای گازی پرسرعت و طیف‌سنج جرمی. هر سه اثبات شد کارآمدند؛ کارخانه‌ی عظیم نفوذ گازی در اوک‌ریج زیرِ نظر هارولد اوری احداث شد و در برکلی لارنس سیکلوترون را به طیف‌سنج جرمی تبدیل کرد.

نیروی انسانیِ عظیم و سطح بالای محرمانگی (تنها شمار کمی از کارکنان کل هدف پروژه را می‌دانستند) بیانگر وسعت و پیچیدگی برنامه‌ی منهتن است. در همین حال، محاسبات فریش و پی‌یرلز نشان داد که جرم بحرانی برای انفجار ممکن است در حدود چند کیلوگرم باشد؛ گردآوری ناگهانی این جرم منجر به انفجار هسته‌ای می‌شود زیرا نیازی به کندشدن نوترون‌ها نیست و تراکم هسته‌ها کارآیی را جبران می‌کند.

پیامدها و ملاحظات اخلاقی–اجتماعی

حادثه‌ی شیکاگو پایل و پروژه‌های بعدی، «عصراتم» را بنیان نهادند: عصرِ منبع جدیدِ انرژی و هم‌زمانِ سلاحِ فاجعه‌بار. نکات مهم برای مخاطب دانشگاهی و عمومی عبارت‌اند از:

• دوگانه‌ی فناوری: کاربردهای سودمند و تهدیدهای نظامی همپا جلو آمدند.

• شفافیت و مسئولیت علمی: تیم فرمی نمونه‌ای از احتیاط تجربی و سنجش‌پذیری ارائه داد؛ اما تصمیم‌های مهندسی و صنعتیِ بعدی (مثل تولیدِ بمب) پرسش‌های اخلاقی بزرگی پیش آورد.

• سرمایه‌ی انسانی و محرمانگی: استفاده‌ی گسترده از نیروی کار و تقسیم کار به‌همراه مخفی‌کاری نشان‌دهنده‌ی هزینه‌های اجتماعی توسعه‌ی فناوری نظامی است.

• پیامد بلندمدت برای جامعه‌ی مدنی: کنترل و انتشار فناوری هسته‌ای به سیاست، اقتصاد و اخلاق عمومی پیوند خورد؛ پرسش‌هایی که تا امروز ادامه دارند.

نتیجه‌گیریِ کوتاه

لحظه‌ی آغاز واکنش زنجیره‌ای در شیکاگو نمادی است از قدرت دانش و دشواریِ پیامدهای آن. از یک‌سو نوید انرژی نو و پیشرفت علمی؛ از سوی دیگر راهی که به تولید سلاح جمعی انجامید. درسِ تاریخی این است که علمِ بزرگ-مقیاس همیشه با پرسش‌های بزرگ اخلاقی و اجتماعی همراه است؛ پرسش‌هایی که پاسخ‌شان نیازمند مشارکتِ هم‌زمانِ دانش، سیاست و جامعه‌ی مدنی است.