ensimmäiset atomipaalut

pian sen jälkeen, kun ydinfission löytymisestä ilmoitettiin vuonna 1939, löydöstä kertoneissa lehtiartikkeleissa mainittiin mahdollisuus, että fissioketjureaktiota voitaisiin hyödyntää voimanlähteenä. Toinen maailmansota alkoi kuitenkin Euroopassa saman vuoden syyskuussa, ja fissiotutkimuksen fyysikot käänsivät ajatuksensa ketjureaktion käyttöön atomipommissa. Yhdysvalloissa Pres. Tri Franklin D. Albert Einsteinin kirje sai Rooseveltin suostuteltua käynnistämään tätä tarkoitusta varten omistetun salaisen projektin. Manhattan-hankkeeseen kuului uraanin rikastustyötä uraani-235: n saamiseksi korkeina pitoisuuksina ja myös reaktorikehityksen tutkimusta. Tavoite oli kaksijakoinen: saada lisää tietoa pommin suunnittelun ketjureaktiosta ja kehittää menetelmä uuden alkuaineen, plutoniumin, valmistamiseksi, jonka oletettiin olevan fissiiliä ja joka voitaisiin eristää uraanista kemiallisesti.

reaktorin kehittäminen asetettiin aikakauden johtavan kokeellisen ydinfyysikon Enrico Fermin valvontaan. Fermin projekti alkoi Columbian yliopistossa, ja se esiteltiin ensimmäisen kerran Chicagon yliopistossa keskittyen grafiittijäähdytteisen reaktorin suunnitteluun. Joulukuuta 1942 Fermi ilmoitti saaneensa aikaan ensimmäisen itseään ylläpitävän ketjureaktion. Hänen reaktorinsa, jota myöhemmin kutsuttiin nimellä Chicago Pile No. 1 (CP-1), oli valmistettu puhtaasta grafiitista, jossa uraanimetallietanoita lastattiin keskustaa kohti reunojen ympärillä olevilla uraanioksidikimpaleilla. Laitteessa ei ollut jäähdytysjärjestelmää, sillä sitä odotettiin käytettävän puhtaasti kokeellisiin tarkoituksiin hyvin pienellä teholla (noin 10 kilowattia lämpöenergiaa). Tämän jälkeen CP-1 purettiin ja rakennettiin uudelleen Chicagon esikaupunkialueella sijaitsevaan uuteen laboratoriokohteeseen, joka oli nykyisen Argonne National Laboratoryn alkuperäinen päämaja. Laite jatkoi palvelustaan tutkimusreaktorina, kunnes se poistettiin lopullisesti käytöstä vuonna 1953. (KS.taulukkoa, jossa luetellaan merkittäviä varhaisia ydinreaktoreita.)

onnistuneen CP-1-kokeen kannoilla laadittiin nopeasti suunnitelmat ensimmäisten tuotantoreaktorien rakentamiseksi (atomipommissa käytettävän plutoniumin tuottamiseksi). Nämä olivat Hanfordin Washingtonin varhaisia reaktoreita, jotka olivat grafiittimoderoituja, luonnonuraania polttoaineenaan käyttäviä, vesijäähdytteisiä laitteita. Varaprojektina rakennettiin ilmajäähdytteinen tuotantoreaktori Oak Ridgeen Tennesseehen. Kun Hanfordin laitokset osoittautuivat menestyksekkäiksi, tämä reaktori valmistui X-10-reaktoriksi nykyiseen Oak Ridge National Laboratoryyn. Ensimmäinen rikastettua polttoainetta käyttävä tutkimusreaktori valmistui Los Alamosiin New Mexicoon vuonna 1944, kun rikastettua uraani-235: tä alettiin käyttää tutkimustarkoituksiin. Kaikki nämä ponnistelut huipentuivat Trinityssä, atomiräjähteen ensimmäisessä kokeessa, joka tehtiin Alamogordossa New Mexicossa 16.heinäkuuta 1945.

jo ennen sotaa oli tunnustettu, että raskas vesi oli erinomainen neutronimoderaattori ja sitä voitiin helposti käyttää reaktorin suunnittelussa. Manhattan-projektin aikana tämä mahdollinen suunnitteluominaisuus annettiin kanadalaiselle tutkimusryhmälle, koska Kanadassa oli jo olemassa raskasveden tuotantolaitoksia. Vuoden 1945 lopulla, pian sodan päättymisen jälkeen, Canadian project onnistui rakentamaan raskasvesimoderoidun, luonnonuraania polttoaineenaan käyttävän tutkimusreaktorin, niin sanotun ZEEP: n (Zero-Energy Experimental Pile), Chalk Riveriin Ontarioon.

koska uraani-235-erotustekniikoista ei ollut tietoa, Britannian ensimmäiset sotien jälkeen toteutetut toimet keskittyivät luonnonuraanin käyttöön polttoaineena. Vuonna 1947 rakennettiin graphite Low Energy Experimental Pile (Graphite Low Energy Experimental Pile), ilmajäähdytteinen reaktori, jossa oli grafiitin moderaattori ja uraanimetallipolttoaine, joka oli päällystetty alumiinilla, ja se meni kriittiseksi Harwellissa, Berkshiressä, Englannissa, tuottaen 100 kilowattia lämpöenergiaa. Seuraavana vuonna Pariisin lähelle Châtilloniin rakennettiin ranskalainen vastaavantehoinen reaktori, joka tunnetaan nimellä EL-1 (sanoista ”heavy water 1”) tai Zoé (sanoista ”zero power, uraanioksidi, heavy water”). Myös ranskalainen reaktori käytti polttoaineessaan rikastamatonta uraania.

vuonna 1943 Neuvostoliitto aloitti muodollisen tutkimusohjelman, jonka tarkoituksena oli luoda hallittu fissioreaktio, tutkia isotooppien erottelua ja tutkia atomipommin suunnitelmia. Sodan jälkeen ohjelma alkoi edistyä merkittävästi kohti fissioaseen suunnittelua; samanaikaisesti suunniteltiin reaktoreita, joiden tarkoituksena oli tuottaa asekelpoista plutoniumia. Neuvostoliiton ensimmäinen ketjureaktio tapahtui Moskovassa loppuvuodesta 1946 käyttäen kokeellista grafiittimoderoitua luonnonuraanikasaa, joka tunnetaan nimellä F-1. Ensimmäinen plutoniumin tuotantoreaktori otettiin käyttöön Tšeljabinsk – 40-kompleksissa Uralvuoristossa Venäjällä vuonna 1948.