Der erste Atomreaktor

Kurz nachdem die Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1939 angekündigt wurde, erwähnten Zeitungsartikel, die über die Entdeckung berichteten, die Möglichkeit, dass eine Spaltkettenreaktion als Energiequelle genutzt werden könnte. Der Zweite Weltkrieg begann jedoch im September dieses Jahres in Europa, und Physiker in der Spaltforschung wandten ihre Gedanken der Verwendung der Kettenreaktion in einer Atombombe zu. In den USA, Pres. Franklin D. Roosevelt wurde durch einen Brief von Albert Einstein überredet, ein geheimes Projekt zu diesem Zweck zu initiieren. Das Manhattan-Projekt umfasste Arbeiten zur Urananreicherung zur Gewinnung von Uran-235 in hohen Konzentrationen sowie Forschungen zur Reaktorentwicklung. Das Ziel war zweifach: Mehr über die Kettenreaktion für das Bombendesign zu erfahren und eine Methode zur Herstellung eines neuen Elements, Plutonium, zu entwickeln, von dem erwartet wurde, dass es spaltbar ist und chemisch aus Uran isoliert werden kann.

Die Reaktorentwicklung wurde unter die Aufsicht des führenden experimentellen Kernphysikers dieser Zeit, Enrico Fermi, gestellt. Fermis Projekt begann an der Columbia University und wurde erstmals an der University of Chicago demonstriert. Am 2. Dezember 1942 berichtete Fermi, dass er die erste selbsterhaltende Kettenreaktion hervorgebracht hatte. Sein Reaktor, später Chicago Pile No. 1 (CP-1) genannt, bestand aus reinem Graphit, in dem Uranmetallschnecken zur Mitte hin mit Uranoxidklumpen an den Rändern beladen waren. Dieses Gerät hatte kein Kühlsystem, da es zu rein experimentellen Zwecken mit sehr geringer Leistung (etwa 10 Kilowatt Wärmeenergie) betrieben werden sollte. CP-1 wurde anschließend demontiert und an einem neuen Laborstandort in den Vororten von Chicago, dem ursprünglichen Hauptsitz des heutigen Argonne National Laboratory, rekonstruiert. Das Gerät wurde als Forschungsreaktor weiter betrieben, bis es 1953 endgültig stillgelegt wurde. (Siehe die Tabelle, die bemerkenswerte frühe Kernreaktoren auflistet.)

Nach dem erfolgreichen CP-1-Experiment wurden schnell Pläne für den Bau der ersten Produktionsreaktoren (zur Herstellung des Plutoniums für die Atombombe) entworfen. Dies waren die frühen Hanford, Washington, Reaktoren, Das waren graphitmoderiert, mit natürlichem Uran betriebene, wassergekühlte Geräte. Als Backup-Projekt wurde in Oak Ridge, Tennessee, ein Produktionsreaktor in luftgekühlter Bauweise gebaut. Als sich die Hanford-Anlagen als erfolgreich erwiesen, wurde dieser Reaktor fertiggestellt, um als X-10-Reaktor im heutigen Oak Ridge National Laboratory zu dienen. Der erste Forschungsreaktor mit angereichertem Brennstoff wurde 1944 in Los Alamos, New Mexico, fertiggestellt, als angereichertes Uran-235 für Forschungszwecke verfügbar wurde. All diese Bemühungen gipfelten in Trinity, dem ersten Test eines atomaren Sprengkörpers, der am 16.Juli 1945 in Alamogordo, New Mexico, stattfand.

Schon vor dem Krieg hatte man erkannt, dass schweres Wasser ein ausgezeichneter Neutronenmoderator war und leicht in einem Reaktordesign eingesetzt werden konnte. Während des Manhattan-Projekts wurde dieses mögliche Konstruktionsmerkmal einem kanadischen Forschungsteam zugewiesen, da in Kanada bereits Schwerwasserproduktionsanlagen existierten. Ende 1945, kurz nach Kriegsende, gelang es dem kanadischen Projekt, in Chalk River, Ontario, einen schwerwassermoderierten, mit natürlichem Uran betriebenen Forschungsreaktor, den sogenannten ZEEP (Zero-Energy Experimental Reactor), zu bauen.

Aufgrund mangelnder Informationen über Uran-235-Trenntechniken konzentrierten sich die ersten britischen Bemühungen nach dem Krieg auf die Verwendung von natürlichem Uran als Brennstoff. Im Jahr 1947 wurde GLEEP (Graphite Low Energy Experimental Pile), ein luftgekühlter Reaktor mit einem Graphitmoderator und Uranmetallbrennstoff, der mit Aluminium verkleidet war, in Harwell, Berkshire, England, gebaut und kritisch und erzeugte 100 Kilowatt Wärmeenergie. Im folgenden Jahr wurde ein französischer Reaktor ähnlicher Leistung, bekannt als EL-1 (für „schweres Wasser 1“) oder Zoé (für „Null Leistung, Uranoxid, schweres Wasser“), in Châtillon in der Nähe von Paris gebaut. Auch der französische Reaktor verwendete nicht angereichertes Uran als Brennstoff.Im Jahr 1943 begann die Sowjetunion ein formelles Forschungsprogramm, um eine kontrollierte Spaltreaktion zu erzeugen, die Isotopentrennung zu erforschen und Atombombenentwürfe zu untersuchen. Nach dem Krieg begann das Programm bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung einer Spaltwaffe zu machen; Im Tandem wurden Reaktoren zur Herstellung von waffenfähigem Plutonium entwickelt. Die erste sowjetische Kettenreaktion fand Ende 1946 in Moskau unter Verwendung eines experimentellen graphitmoderierten natürlichen Uranpfahls namens F-1 statt. Der erste Plutoniumproduktionsreaktor wurde 1948 im Tscheljabinsk-40-Komplex im russischen Ural in Betrieb genommen.