Ústav pro atomovou fyziku České akademie věd a umění: začátky poválečného jaderného výzkumu v Československu

Transkript

1 Ústav pro atomovou fyziku České akademie věd a umění: začátky poválečného jaderného výzkumu v Československu Simáně Čestmír Ustav jaderné fyziky AVČR, Řež u Prahy Krátce po výbuších atomových bomb nad japonskými městy dostal se do Československa tak zvaný Smythův report, v kterém byly dosti podrobně popsány principy uvolňování jaderné energie a cesta, kterou ke konstrukci atomových bomb dospěly Spojené státy. Už z tohoto reportu však bylo zřejmé, že jadernou energii lze uvolňovat také řízené (ostatně v hanfordských reaktorech pro výrobu plutonia štěpná reakce již tenkráte takto probíhala) a že tedy jadernou energii bude možno využívat pro krytí energetických potřeb lidstva. Pravděpodobně tímto reportem byli profesoři Karlovy university Augustin Žáček, Viktor Trkal a Václav Petržilka a z Českého vysokého učení technického v Praze profesor Řezníček inspirováni k myšlence započít v poválečném Československu s výzkumem v oblasti jaderné fyziky, v oboru do té doby u nás nepěstovaném. Na zasedání II. třídy České akademie věd a umění v červnu 1946 byl profesor Žáček vyzván, aby spolu s profesorem Trkal em a s tehdy jednačtyřicetiletým profesorem Petržilkou, který byl bezesporu spiritus movens veškerého dění kolem jaderných oborů, připravili návrh na zřízení Ústavu pro atomovou fysiku České akademie věd a uměni. Výsledek jejich práce je obsahem memoranda, které se uchovalo v archivu ČAVU. V tomto memorandu byl již v roce 1946 předvídán význam, kterého nabude v budoucnu mírové využívání jaderné energie. Naděje vkládané světovou veřejností - a to i naší- do tohoto nového zdroje energie, byly nesmírné a tomu v poválečných letech odpovídal i zájem široké veřejnosti, podporovaný navíc tehdejšími mediálními prostředky. Naše generace byla totiž až do objevu jaderného zdroje vychovávána v přesvědčení, že po vyčerpání fosilních zdrojů budou jiné zdroje energie, dnes nazývané alternativními, naprosto nepostačující pro základní pokrytí rostoucích potřeb energie a navíc, že fosilních paliv musí být šetřeno především jako surovin pro chemický průmysl. Jaderná energie představovala východisko z této situace. Do této, pro jadernou energii příznivé atmosféry, se tedy rodil v roce 1946 první atomový ústav pod Českou akademii věd a umění. V oné době jediným pracovníkem u nás, který měl předválečné zkušenosti se studiem jaderných reakcí, byl profesor Petržilka. Ten pracoval krátce před vypuknutím druhé světové války v Cavendishově laboratoří v Anglii, kde spolu s S. C. Curranem a P. I. Deem studoval jaderné reakce při ostřelování vybraných lehkých jader protony urychlenými na kaskádním urychlovači. U nás se práce s radioaktivitou omezovaly před válkou jen na přirozeně radioaktivní látky. Jaderné reakce s urychlenými lehkými jádry ani s neutrony nikdo nestudoval a tedy nebyla v tomto směru výzkumu žádná tradice. Prvním krokem Přípravného výboru ustaveného v ČAVU pro řízení ústavu, bylo proto vypsání dvou stipendií pro mladé pracovníky na pobyt v zahraničních laboratořích k nabytí potřebných zkušeností. Jedno z nich k profesorovi Joliotovi-Curie do jeho Laboratoře jaderné chemie na College de France jsem získal na doporučení profesora Zahradníčka, vedoucího ústavu experimentální fyziky na přírodovědecké fakultě v Brně, u něhož jsem byl asistentem. Druhé stipendium k profesorovi Siegbahnovi do Švédska dostal Josef Beneš, asistent profesora Žáčka na přírodovědecké fakultě University Karlovy. Během svého pobytu ve Francii na College de France jsem měl možnost sledovat práce nejen u cyklotronu a na projektech urychlovačů pro Saclay, ale také v pevnosti Chatillon se seznamovat s problematikou jaderných technologií potřebných k vytvoření materielní báze jaderné energetiky, což byly zkušenosti, kterých jsem mohl později doma bohatě využít. Josef Beneš, pozdější profesor na Fakultě technické a jaderné fyziky, využil svého pobytu ve Švédsku k vývoji elektronic- 5

2 fi kého čítače, za což získal darem jeden exemplář, který dlouhou dobu byl v našem ústavu jediným zařízením pro čítání impulsů z detektorů záření. Z mého pobytu se mně zachovala pouze fotografie, na které jsem - ještě s bohatými vlasy - zachycen u pařížského cyklotronu mezi vedoucím skupiny cyklotronu Ing. P. Debrainem a Ing. Barriotem, jak spolu pozorujeme svazek deuteronů vycházejících výstupním oknem do vzduchu. Dnes by pracovníkům dohlížejícím na dodržování bezpečnostních předpisů u zdrojů záření vstávaly při tomto pohledu vlasy na hlavě, tenkrát to ale bylo běžné, i když dávky, později zpětně odhadované, byly docela slušné. Obr. 1 : Z pobytu na College de France v Paříži v roce Seance u cyklotronu, pozorování vystupujícího svazku deuteronů. Druhý zprava autor. Po svém návratu z Francie jsem se stal prvním zaměstnancem Ústavu pro atomovou fyziku, jehož vedením byl pověřen profesor Petržilka. Ten spolu s profesorem Řezníčkem objednal u firmy Haefely ve Švýcarsku kaskádní urychlovač do 1 MeV. Pro ústav byla získána část objektu bývalého hostivařského parního mlýna bratří Fingerů, patřícího v oné době hostivařským filmovým ateliérům za symbolický pronájem 10 Kčs ročně. Tato budova, dílo architekta Fragnera, byla sice zařazena mezi památky technické architektury a na jejím vnějším vzhledu se nesmělo nic měnit, měla však velikou přednost před jinými objekty, které jsme navštívili, v tom, že měla dostatečně velikou halu pro umístění urychlovače. Tato hala měla také dostatečně nosnou podlahu z doby, kdy na ní stály těžké mlýnské stroje. Po instalaci urychlovače v roce 1951 bylo započato s výzkumnými pracemi. Připraven byl beryliový terč pro ostřelování deuterony, který dával více než neutronů za sekundu, které po zpomalení v parafmo-

3 vém bloku byly využity pro přípravu umělých radioisotopů, především radiojodu, radiosodíku a radioarsenu s využitím Szillard-Chalmersova efektu. Ještě dříve však byly prováděny práce s radioaktivním fosforem, sírou a sodíkem ze dvou dodávek z Francie, připravených v reaktoru ZOE, jejichž dodání bylo zásluhou profesora Joliota a po jeho sesazení z funkce vysokého komisaře francouzského Komisariátu pro atomovou energii jeho sekretáře profesora Biquarda. Od počátku padesátých let však začaly pravidelně docházet radioisotopy ze Sovětského svazu, jejichž první distribuce i školení uživatelů zajišťovala hostivařská laboratoř, Obr. 2 : Budova hostivařského mlýna ve filmových ateliérech, v jehož zadní části byl instalován kaskádní generátor s urychlovací trubicí do 1 milion voltů. ústav profesora Petržilky na přírodovědecké fakultě University Karlovy a pracovníci Výzkumného ústavu pro elektrotechnickou fyziku (VÚPEF). V prvé polovině padesátých let se u nás využívání radioisotopů dodávaných pravidelně Sovětským svazem značně rozšířilo a tak na Ženevské konferenci o mírovém využití jaderné energie v roce 1955 jsme mohli představit poměrně širokou škálu aplikací v nejrůznějších oblastech. Vedle prací spojených s využitím urychlovače započaly také práce v jaderné spektroskopii na spektrometrech navržených a zkonstruovaných v hostivařské laboratoři. Prakticky veškerou elektronickou aparaturu bylo nutno stavět vlastními silami, protože její dovoz ze zahraničí byl nerealisovatelný. Byl postaven spektrometr beta s krátkou magnetickou čočkou a po něm následovala stavba dalších spektrometrů dosahující velmi dobrých parametrů, srovnatelných se zahraničními. Začala se rozvíjet také spektrometrie gama s využitím scintilačních detektorů, a později postaven první mnohokanálový analyzátor s magnetostrikční pamětí. Po zrušení České akademie věd a umění byl Ústav atomové fysiky od počátku roku 1953 převeden pod Československou akademii věd, nikoliv však jako ústav, ale vzhledem ke své velikosti jen jako Laboratoř jaderné fysiky. Početní stav pracovníků se počal zvyšovat a rovněž materielní zabezpečení prací se podstatně zlepšilo. 7

4 8 Obr. 3 : Kaskádní urychlovač v době, kdy původní rtuťové usměrňovače firmy Philips již byly nahrazeny kenotrony z pozdější Chirany - Modřany

5 Obr. 4 : Spektrometr beta s krátkou magnetickou čočkou postavený v hostivařské laboratoři Z. Plajnerem. Jde o první přístroj tohoto druhu v Československu. Od roku 1953 jsme se začali v hostivařské laboratoři vážně zabývat přípravou na stavbu malého experimentálního reaktoru typu francouzského ZOE. Byli přijati chemici, kteří připravili první kovový uran v čistotě potřebné pro stavbu reaktoru s těžkou vodou jako moderátorem. V roce 1954 byl navázán kontakt s nedávno zesnulým Ing. Janem Neumanem, náměstkem ministra chemického průmyslu, nezapomenutelným nadšencem pro jadernou techniku a organizátorem jejího rozvoje, pozdějším dlouholetým předsedou Československé komise pro atomovou energii. Ten již v roce 1954 zřídil v rámci Chemoprojektu speciální útvar pro jadernou techniku, navazující úzce na výsledky hostivařské laboratoře. Práce začaly přecházet do stadia projektování poloprovozní výroby jaderných materiálů potřebných ke stavbě reaktoru a hostivařská laboratoř se připravovala na poloprovozní výrobu čistého kovového uranu.

6 Doba nazrávala k tomu, abychom dospěli, ovšem se značným zpožděním, přece jen ke stavbě vlastního reaktoru i k výrobě základních jaderných materiálů, kovového uranu, těžké vody a nukleárního grafitu. V podstatě opakování francouzské cesty. Jiná možnost neexistovala, protože až do poloviny roku 1955 byly kontakty se západními, ale i sovětskými výzkumnými centry až na sporadicky docházející literaturu nulové. Vedle poloprovozní výroby nukleárně čistého přírodního kovového uranu začala se zajišťovat výroba těžké vody, která měla být přidružena k výrobě čpavku v ostravských dusíkárnách a výroba čistého grafitu ze zemního plynu. Po spuštění první atomové elektrárny v Obninsku v Sovětském svazu uvědomili si naši politici význam jaderné energetiky a hostivařská laboratoř dostala od akademie šanci na zřízení většího ústavu, pro který se začal shánět vhodný objekt. V laboratoři byly uspořádány první kurzy pro externí zájemce o jadernou techniku. Současně se začal zvětšovat počet pracovníků laboratoře, který v roce 1955 dosáhl 50 zaměstnanců, z nichž asi 12 byli již vysokoškolsky vzdělaní odborníci v jaderné fyzice a v radiochemii. Profesor Petržilka byl vedoucím hostivařské laboratoře až do roku 1953, kdy se vedení vzdal a já jsem nastoupil na jeho místo. I pak však stále vedl skupinu kosmického záření, zabývající se oblastí výzkumu, v které začal pracovat již před válkou. Pracovníci této skupiny byli jak na jeho katedře na fakultě, tak i ve stavu hostivařské laboratoře. Ve spolupráci s profesorem D. Ilkovičem z Bratislavy a spolu se Slovenskou akademií věd organizoval výstavbu stanice pro výzkum kosmického záření na Lomnickém štítě. Navázal na svou dobu rozsáhlou mezinárodní spolupráci s ústavy, laboratořemi a vysokými školami v Maďarsku, Polsku, Itálii a Belgii. Jeho skupina se zapojila v roce 1954 do Mezinárodního geofyzikálního roku spoluprací na měření širokých spršek kosmického záření na Skalnatém plese, pro kterou byly v Hostivaři vyrobeny ve spolupráci s Fysikálním ústavem ČSAV velkoobjemové G.M. počítače a postavena příslušná elektronická aparatura. Tyto práce pokračovaly po řadu let a výsledky byly zasílány do celosvětového koordinačního centra. Zahraniční kontakty ve výzkumu kosmického záření byly snáze navazovány, protože tato oblast nepodléhala takovému utajování jako vlastní jaderná fyzika a technika. Hlavní zásluhou profesora Petržilky však byla výchova jaderných fyziků a to i v období konce čtyřicátých a počátků padesátých let minulého století, která příliš jaderné fyzice u nás nepřála. Velký počet jeho absolventů pracoval a stále ještě pracuje v řadě laboratoří jak u nás, tak i ve světových centrech výzkumu elementárních částic. Taková byla situace v jaderných oborech, když počátkem roku 1955 přišla nabídka pomoci Sovětského svazu při rozvoji jaderných oborů v Československu, nejprve fyziky a radiochemie, později však i v jaderných technologiích a dalších jaderných aplikacích doprovázená nabídkou dodání jaderného reaktoru, cyklotronu a Van de Graaffova generátoru Stáli jsme před rozhodnutím buď pokračovat ve vlastní dlouhodobé cestě k jaderné energii nebo využít plnou měrou této nabídky, navíc podporované politickou vůlí dát rozvoji jaderných oborů zelenou, čehož do té doby nebylo. Československo volilo druhou cestu. Při předsednictvu vlády byl ustaven Vládní výbor pro výzkum a mírové využití jaderné energie a pod ním založen nový Ústav jaderné fyziky, pro který byla akceptována nabídka dodávky pokusného reaktoru a cyklotronu (Van de Graaffův generátor později postavily Škodovy závody na základě částečné dokumentace, kterou jsem měl ještě z Francie). Vládní výbor při předsednictvu vlády měl neobyčejně široké pravomoci a díky jim byl Ústav jaderné fyziky, jehož ředitelem jsem byl jmenován, budován neobyčejně pružně a rychle v době, kdy realizace podobných projektů trvala dlouhé roky. Z celé řady uvažovaných lokalit byla pro výstavbu ústavu nakonec vybrána Řež, která nejlépe vyhovovala námi stanoveným kriteriím. Po zrušení Vládního výboru v roce 1956 přešel ústav opět pod Československou akademii věd, jeho výstavba však byla svěřena ministerstvu energetiky řízenému ministrem Vlasákem, které mělo silnou investiční organizaci a navíc sám ministr Vlasák rozvoj jaderné energetiky podporoval. V roce 1957 byl ústav přejmenován na Ústav jaderného výzkumu, protože jeho 10

7 činnost se již v oné době týkala nejen jaderné fyziky, ale i jaderné energetiky a jaderné chemie. Od okamžiku započetí prací na řežském teritoriu v druhé polovině roku 1955, do spuštění reaktoru v září roku 1957 uplynuly pouhé dva roky. Náplň činnosti ústavu, vypracovaná několika pracovníky hostivařské laboratoře, která byla do ústavu z Československé akademie věd v roce 1955 převedena a stala se jeho počáteční vědeckou základnou, se v podstatě kryla s oblastmi pěstovanými v dnešních dvou řežských ústavech, Ústavu jaderné fyziky AVČR a Ústavu jaderného výzkumu, a.s.. Samozřejmě muselo dojít ke změnám souvisejícím s ústupem od příliš ambiciózních cílů, které se v době zakládání ústavu zdály být reálnými, ale také s rozšířením programu na oblasti, jejichž potřeba vyvstala s rozvojem naší jaderné energetiky a v poslední době také se širokou mezinárodní spoluprací. Po uzavření dohody se Sovětským svazem v roce 1955 dostal se velký počet našich pracovníků do jeho výzkumných ústavů, kde se připravovali pro svou práci v Řeži. Historii Ústavu jaderné fysiky starší padesáti let bych zakončil vzpomínkou na enthousiasm, s kterým se do rozvoje jaderných oborů vrhali první pracovníci ústavu, více méně samouci a mladí posluchači a absolventi vysokých škol. Nebyl mezi nimi nikdo, kdo by pochyboval o významu jaderné fyziky, jaderné chemie a jaderné energetiky pro Československo. Toto přesvědčení však na rozdíl s dneškem sdílela tenkráte i celá československá veřejnost. Bylo to zřejmé z nesmírného zájmu o veřejné přednášky o jaderné energii, které byly ve velkém počtu pořádány a na nichž byla veřejnost formou přístupnou laikům seznamována se základy jaderné fyziky a techniky. Rovněž československý rozhlas věnoval této problematice řadu besed s odborníky. Nesmírný zájem mladých lidí o studium jaderných oborů se projevil v počtu přihlášek na studium na Fakultě technické a jaderné fysiky založené v roce Byla to prostě zcela jiná situace než jaká je dnes, kdy se jaderná energetika setkává s odporem, mnohdy pramenícím z nepochopení jejího významu, mnohdy podporovaném konkurenčními výrobci energie z fosilních zdrojů a nepochopitelným odporem ekologických hnutí, pro která by jaderná energie dnes i v budoucnu měla představovat zdroj nejméně zatěžující okolí skleníkovými plyny. Otázka radioaktivních odpadů, jejich dlouhodobé skladování i jejich likvidace, sloužící za podklad mnoha námitkám proti jaderné energetice, je problémem, na jehož řešení se dnes usilovně pracuje s reálnými vyhlídkami na úspěch. Nakonec bych se chtěl čtenářům omluvit za obsah tohoto příspěvku, který je opakováním řady mých dřívějších statí a vystoupení a zejména stručným výtahem části mé publikace vydané Ústavem jaderného výzkumu v Řeži, kde vše je popsáno mnohem šíře. Historie se však nedá opravovat, jen z ní vybírat to nejpodstatnější, o což jsem se zde pokusil. Institute of Atomic Physics of the Czech Academy of Sciences and Arts : the initial post-war period of the research in nuclear physics in Czechoslovakia Simáně Čestmír Nuclear Physics Institute, Academy of Sciences of the Czech Republic A short historical review is presented of the beginnings of nuclear physics activities after the first world war in the last century until the second half of fiftieth: - in 1946 a preparatory committee in the Czech Academy of Arts and Sciences has been constituted for founding the first Institute of Nuclear Physics in Czechoslovakia as an institute of the Academy on initiative of A. Žáček, V. Trkal and V. Petržilka, professors of the Charles University and professor Řezníček from the Czech Technical High School in Prague - in 1947 one young specialist sent to Joliot Curie Laboratory in Paris, another to Siegbahn in Sweden, to get acquainted with experimental techniques in nuclear physics - the Institute of Nuclear Physics founded in 1946 and headed by professor Petržilka was erected in a previous mill building in Hostivař, a Prague periphery 11

8 - installed and started in 1951 was the 1 MeV accelerator, purchased from Haefely as the basic apparatus for study of nuclear reactions with accelerated protons and deuterons - since 1951 the accelerator used as a neutron source from the reaction of deuterons on berylium, small quantities of radioisotopes of iodine, natrium and arsenic were produced, studied was Szillard Chalmers effect, - in 1950 first applications of radioisotopes of Na, S and P produced in the ZOE reactor in Chattillon, France, (two deliveries), later, from 1952, wide spread use of radioisotopes from regular deliveries from USSR - R & D of detectors of radiation and nuclear electronic devises, construction of magnetic spectrometers, start of the beta and gamma spectroscopy - cosmic rays studies with the use of nuclear emulsions, erection of the cosmic ray station in High Tatra mountains on initiative of V. Petržilka together with the Slovak Academy of Sciences (professor D. Ilkovič) - in 1953 the Institute of Nuclear Physics in Hostivař incorporated into the new Czechoslovak Academy of Sciences as Laboratory of Nuclear Physics - in 1954 laboratory production of high purity uranium metal, proposal of construction of a natural uranium, heavy water moderated low power experimental reactor, studies of feasibility of heavy water and graphite production from own resources - in 1955 conclusion of the contract with USSR of delivery of an 2 MW experimental reactor and a cyclotron, inclusive education and training of specialists in universities and research institutes in USSR - constitution of the Governmental Committee for Research and Peaceful Uses of Atomic Energy and founding under this Committee in 1955 of a new Institute of Nuclear Physics situated in Řež near Prague, the Hostivař laboratory having been overtaken into this institute - in 1957 incorporation of the institute into the Czechoslovak Academy of Sciences - 2 MW reactor critical in september Nové možnosti jaderných analytických metod s využitím urychlovače Tandetron 4130MC na pracovišti ÚJF AVČR Macková Anna, Hnatowicz Vladimír Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež u Prahy Svazky urychlených iontů se využívají k modifikaci povrchových vrstev pevných látek a pro analýzu jejich složení a struktury. Tyto metody mají řadu unikátních vlastností, pro které nemohou být nahrazeny jinými alternativními postupy. V Ústavu jaderné fyziky AVČR (ÚJF) se pro tyto účely zatím využívá elektrostatický urychlovač Van de Graaffova typu. V průběhu posledních 10 let byly v ÚJF vybudovány aparatury pro analýzy metodami protonové fluorescenční analýzy (PIXE), pružného rozptylu nabitých částic (RBS, ERDA) a různými jadernými reakcemi (PIGE, NRM) a byly získány značné praktické zkušenosti s využitím těchto analytických postupů v základním a aplikovaném výzkumu. Široce pojatý interdisciplinární výzkum se provádí v těsné spolupráci se specializovanými pracovišti v ČR a v zahraničí. Dosavadní činnost je zaměřena zejména na sledování procesů vytváření tenkých vrstev a vrstevnatých struktur s význačnými mechanickými, elektrickými, magnetickými, optickými, chemickými a biologickými vlastnostmi a na studium fyzikálních a chemických procesů, které v nich probíhají. Pozornost se věnuje analýze vzorků životního prostředí, biologických objektů a vzorků pro lékařský výzkum. Při využití iontových svazků pro analýzy a modifikaci látek dosahuje ÚJF srovnatelné mezinárodní úrovně. Skupina jaderných analytických metod ÚJF AVČR se systematicky podílí na studiu syntézy, struktury a vlastností progresivních materiálů pro mikroelektroniku, optiku, optoelektroniku, kryogeniku a materiálů s význačnými vlastnostmi (mikrotvrdost 1 ' 2, chemická odolnost, biokompatibilita a pod.) 3 ' 4. Povrchové struktury a systémy připravované ve spolupráci s našimi a zahraničními pracovišti různými metodami (epitaxní růst, Czochralskiho metoda, iontová implantace 5, plasmová deposice 6, chemická deposice, CVD, magnetronové naprašování, atp.) jsou na našem pracovišti analyzovány různými metodami poskytujícími komplexní informaci o jejich struktuře a vlastnostech. Analýzy prováděné v ÚJF jsou nepostradatelné pro vývoj no- 12