والتر زين

والتر هنري زين (10 ديسمبر 1906 - 14 فبراير 2000) فيزيائي نووي أمريكي من أصل كندي ، شغل منصب أول مدير لمختبر أرغون الوطني من عام 1946 إلى عام 1956. عمل في مختبر المعادن التابع لمشروع مانهاتن خلال الحرب العالمية الثانية ، وأشرف على بناء مفاعل شيكاغو بايل-1 ، أول مفاعل نووي في العالم ، والذي وصل إلى حالة التشغيل الحرجة في 2 ديسمبر 1942 بجامعة شيكاغو . في أرغون، صمم وبنى العديد من المفاعلات الجديدة، بما في ذلك مفاعل التوليد التجريبي الأول ، أول مفاعل نووي يزود مبنى بالطاقة الكهربائية، والذي بدأ تشغيله في 20 ديسمبر 1951.

وُلد والتر هنري زين في برلين (التي تُعرف الآن باسم كيتشنر)، أونتاريو ، في 10 ديسمبر 1906، وهو ابن جون زين، الذي كان يعمل في مصنع للإطارات، وماريا آنا ستوسكوف. وكان لديه أخ أكبر يُدعى ألبرت، والذي أصبح هو الآخر عاملاً في مصنع. ^{[ 1 ]}

التحق زين بجامعة كوينز ، حيث حصل على درجة البكالوريوس في الرياضيات عام 1927 ودرجة الماجستير عام 1930. ثم التحق بجامعة كولومبيا عام 1930، حيث درس الفيزياء، ^{[ 1 ]} وكتب أطروحته لنيل درجة الدكتوراه بعنوان "دراسة ثنائية البلورة لبنية وعرض حدود امتصاص الأشعة السينية K". ^{[ 2 ]} وقد نُشرت هذه الأطروحة لاحقًا في مجلة Physical Review . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

لإعالة نفسه، درّس زين في جامعة كوينز من عام ١٩٢٧ إلى ١٩٢٨، وفي جامعة كولومبيا من عام ١٩٣١ إلى ١٩٣٢. وأصبح محاضراً في كلية مدينة نيويورك عام ١٩٣٢. وخلال دراسته في كوينز، التقى بزميلته جيني أ. (جين) سميث. وتزوجا عام ١٩٣٣، ورُزقا بولدين، جون إريك وروبرت جيمس. وفي عام ١٩٣٨، حصل زين على الجنسية الأمريكية. ^{[ ١ ]}

في عام ١٩٣٩، كانت مختبرات بوبين للفيزياء في جامعة كولومبيا، حيث كان زين يعمل، مركزًا لأبحاث مكثفة حول خصائص اليورانيوم والانشطار النووي ، الذي اكتشفه مؤخرًا كل من ليز مايتنر وأوتو هان وفريتز ستراسمان . في كولومبيا، بحث زين وإنريكو فيرمي وهربرت ل . أندرسون وجون ر. دانينغ وليو زيلارد فيما إذا كان اليورانيوم-٢٣٨ ينشطر بالنيوترونات البطيئة، كما اعتقد فيرمي، أم بنظير اليورانيوم-٢٣٥ فقط ، كما زعم نيلز بور . ولأن اليورانيوم-٢٣٥ النقي لم يكن متوفرًا، اختار فيرمي وزيلارد العمل باليورانيوم الطبيعي. وكانوا مهتمين بشكل خاص بإمكانية بدء تفاعل نووي متسلسل . وهذا يتطلب انبعاث أكثر من نيوترون واحد في المتوسط ​​لكل انشطار للحفاظ على استمرار التفاعل المتسلسل. بحلول مارس 1939، توصلوا إلى أن حوالي اثنين ينبعثان في المتوسط ​​لكل انشطار. وكان التأخير بين امتصاص الذرة للنيوترون وحدوث الانشطار هو المفتاح للتحكم في التفاعل المتسلسل. ^{[ 4 ]}

في هذه المرحلة، بدأ زين العمل لدى فيرمي، حيث قام ببناء شبكات تجريبية من اليورانيوم . ^{[ 1 ]} يتطلب إبطاء النيوترونات استخدام مُعدِّل للنيوترونات . كان الماء الخيار الأول لفيرمي، ولكنه كان يميل إلى امتصاص النيوترونات بالإضافة إلى إبطائها. في يوليو، اقترح زيلارد استخدام الكربون ، على شكل جرافيت . ^{[ 4 ]} تم حساب نصف القطر الحرج للمفاعل الكروي على النحو التالي: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle R_{crit}=-{\frac {\pi M}{\sqrt {k-1}}}}$

لكي يحدث تفاعل نووي متسلسل مستدام ذاتيًا ، كان لا بد من أن تكون قيمة k أكبر من 1. ولتكوين مفاعل عملي، كان لا بد من أن تكون أعلى بنسبة 3 أو 4 بالمئة على الأقل؛ ^{[ 5 ]} ولكن في أغسطس 1941، أشارت تجارب زين الأولية إلى قيمة مخيبة للآمال بلغت 0.87. وعلق فيرمي آماله في الحصول على نتيجة أفضل على تكوين مُحسَّن، ويورانيوم وجرافيت أنقى. ^{[ 1 ]}

في أوائل عام 1942، ومع انخراط الولايات المتحدة في الحرب العالمية الثانية ، ركّز آرثر كومبتون فرق مشروع مانهاتن المختلفة العاملة على البلوتونيوم في مختبر المعادن بجامعة شيكاغو . ^{[ 6 ]} استعان زين بالرياضيين لبناء التكوينات التجريبية المتزايدة الضخامة لمرصد فيرمي تحت مدرجات ملعب ستاغ المهجور . ^{[ 1 ]} في يوليو 1942، قاس فيرمي قيمة ثابت معدل انتقال الحرارة (k) تساوي 1.007 من شبكة أكسيد اليورانيوم . وقد أثار هذا الاكتشاف آمالًا في أن اليورانيوم النقي سيعطي قيمة مناسبة لثابت معدل انتقال الحرارة . ^{[ 7 ]}

بحلول ديسمبر 1942، كان زين وأندرسون قد جهّزا التصميم الجديد في قاعدة ستاغ. بلغ طوله وعرضه حوالي 7.3 متر، وارتفاعه 5.8 متر ، واحتوى على 391.7 طنًا من الجرافيت و 47.2 طنًا من معدن اليورانيوم وأكسيد اليورانيوم. [ ^{8 ] عند} إجراء التجربة بعد ظهر يوم 2 ديسمبر 1942، وصل المفاعل، المعروف باسم " مفاعل شيكاغو-1" ، إلى حالة التشغيل الحرجة دون أي حوادث. ^{[ 1 ]} ولأن المفاعل لم يكن مزودًا بدرع واقٍ من الإشعاع ، فقد تم تشغيله بقدرة قصوى تبلغ 200 واط فقط، وهي كافية لتشغيل مصباح كهربائي (لكنه لم يكن مزودًا بمولد كهربائي)، واستمر تشغيله لمدة ثلاثة أشهر فقط. تم إيقاف تشغيله في 28 فبراير 1943، لأن الجيش الأمريكي لم يرغب في المخاطرة بوقوع حادث بالقرب من وسط مدينة شيكاغو المكتظة بالسكان. ^{[ 8 ]}     

أجّر الجيش الأمريكي ألف فدان (400 هكتار) من محميات غابات مقاطعة كوك، المعروفة باسم " الموقع أ "، لمشروع مانهاتن، و"النادي الريفي" لنحو مئة عالم وحارس وغيرهم ممن عملوا هناك. وتولى زين إدارة الموقع أ تحت إشراف فيرمي. تم تفكيك مفاعل شيكاغو بايل-1 وإعادة بنائه، هذه المرة مع درع واقٍ من الإشعاع، في الموقع أ. وعاد المفاعل، المعروف الآن باسم شيكاغو بايل-2، للعمل مجدداً في 20 مارس 1943. وفي غضون بضعة أشهر، بدأ فيرمي بتصميم مفاعل جديد، عُرف باسم شيكاغو بايل-3 . كان هذا المفاعل من نوع مختلف تماماً، إذ كان أصغر حجماً بكثير، حيث بلغ قطره 1.8 متر (6 أقدام ) وارتفاعه 2.7 متر (9 أقدام ) . كانت تُغذّى بـ 120 قضيبًا من اليورانيوم، وتُخفّف حرارتها بـ 1200 جالون أمريكي (4500 لتر؛ 1000 جالون إمبراطوري ) من الماء الثقيل . ^{[ 8 ]} ومرة ​​أخرى، تولّى زين مسؤولية البناء، الذي بدأ في رأس السنة الميلادية عام 1944. وصل مفاعل شيكاغو بايل-3 إلى حالة التشغيل الحرجة في 15 مايو 1944، وبدأ تشغيله في 23 يونيو بكامل طاقته البالغة 300 كيلوواط. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وعندما غادر فيرمي إلى موقع هانفورد ، أصبح زين المسؤول الوحيد في الموقع أ. ^{[ 8 ]}      

في 29 سبتمبر 1944، تلقى زين مكالمة عاجلة من صموئيل أليسون ، مدير مختبر المعادن. توقف مفاعل B في هانفورد عن العمل بعد فترة وجيزة من وصوله إلى طاقته الكاملة، ثم عاد للعمل مرة أخرى بعد بضع ساعات. اشتبه نورمان هيلبيري في أن سمًا نيوترونيًا هو السبب. إذا كان الأمر كذلك، فإن نصف عمره يبلغ حوالي 9.7 ساعات. كان لزينون-135 نصف عمر قريب من ذلك، لكن لم يتم رصده في أرجون أو بواسطة مفاعل الجرافيت X-10 في أوك ريدج، تينيسي . قام زين بسرعة بتشغيل مفاعل شيكاغو بايل-3 بكامل طاقته، وفي غضون اثنتي عشرة ساعة، أجرى سلسلة من القياسات التي أكدت نتائج هانفورد. ^{[ 10 ]}

خلال الأشهر التالية، تم نقل حوالي 175 من الفنيين من مختبر المعادن إلى هانفورد ولوس ألاموس . تم تقليص عدد العاملين في مختبر زين في أرجون إلى الحد الأدنى، لكن كومبتون لم يوافق على إغلاقه. ^{[ 11 ]}

في 11 يوليو 1946، أصبح مختبر أرغون رسميًا مختبر أرغون الوطني ، وكان زين أول مدير له. ^{[ 8 ]} وصف ألفين واينبرغ زين بأنه "نموذج لما يجب أن يكون عليه مدير المختبرات الوطنية الناشئة آنذاك: حساس لتطلعات كل من المتعاقد وممول المشروع، ولكنه واثق بما يكفي لتحقيق النجاح عند الضرورة". ^{[ 1 ]}

كانت إحدى أولى المشكلات التي واجهت زين هي مسألة توفير مكان مناسب. فقد وعدت الحكومة الفيدرالية بإعادة الموقع (أ) إلى محميات غابات مقاطعة كوك بعد الحرب، وعلى الرغم من تدخل وزير الحرب ، روبرت ب. باترسون ، فإن أقصى ما وافقت عليه لجنة محميات غابات مقاطعة كوك هو أن يستمر مختبر أرغون الوطني في شغل جزء من الموقع المستأجر إلى حين إيجاد موقع جديد. رفض زين مواقع بديلة خارج منطقة شيكاغو، ووجد الجيش موقعًا جديدًا للمقر الدائم للمختبر على بُعد حوالي 8 كيلومترات (5 أميال ) في مقاطعة دوبيج، إلينوي ، ^{[ 12 ]} والذي أصبح يُعرف باسم الموقع (د). ^{[ 8 ]} 

في عهد زين، تبنى مختبر أرغون الوطني ممارسات توظيف أكثر تقدمية من المؤسسات المعاصرة الأخرى. فقد تم توظيف ثلاث نساء أمريكيات من أصل أفريقي وسبعة رجال، ستة منهم عملوا في مشروع مانهاتن، في مجال البحث العلمي في أرغون، في وقت لم يكن فيه مختبر لوس ألاموس الوطني يضم أي علماء أمريكيين من أصل أفريقي. كما عيّن أرغون نساءً في مناصب قيادية، حيث شغلت ماريا غوبرت ماير منصب رئيسة قسم في شعبة الفيزياء النظرية، وهويلاند يونغ منصب مديرة قسم المعلومات التقنية. ^{[ 13 ]}

استبدلت لجنة الطاقة الذرية مشروع مانهاتن في 1 يناير 1947، ^{[ 14 ]} وفي 1 يناير 1948 أعلنت أن مختبر أرغون الوطني سيركز بشكل أساسي على مشاكل تطوير المفاعلات. ^{[ 15 ]} لم يسعَ زين إلى تحمل هذه المسؤولية الإضافية، إذ أدرك أنها ستُحوّل تركيز المختبر عن البحث العلمي، وتُبعده عن مسؤوليات أخرى، مثل تصميم مفاعل التوليد السريع . حتى أنه حصل على تأكيد كتابي من كارول ل. ويلسون ، المدير العام للجنة الطاقة الذرية، بأن ذلك لن يحدث. ولذلك، كان على استعداد للتعاون مع ألفين واينبرغ للسماح لمختبر أوك ريدج الوطني بالبقاء مشاركًا في تصميم المفاعلات . ^{[ 16 ]} ومع ذلك، شكّلت أبحاث المفاعلات ما يقرب من نصف ميزانية المختبر في عام 1949، وكان 84% من أبحاثه مصنفًا. ^{[ 17 ]}

لم تكن علاقة زين جيدة مع الكابتن هايمان جي. ريكوفر ، مدير المفاعلات البحرية في البحرية الأمريكية ، ومع ذلك، ساهم مختبر أرجون في تطوير أنظمة الدفع النووي البحرية ، ^{[ 18 ]} حيث أنتج في نهاية المطاف مفاعلين، نموذجًا أوليًا أرضيًا من طراز مارك 1 ومفاعل دفع من طراز مارك 2. ^{[ 19 ]} وقد زوّد مفاعل الماء المضغوط STR (المفاعل الحراري للغواصات) الذي صُمم في أرجون أول غواصة تعمل بالطاقة النووية ، وهي يو إس إس نوتيلوس ، بالطاقة ، وأصبح أساسًا لجميع المفاعلات تقريبًا التي تم تركيبها في السفن الحربية. ^{[ 20 ] [ 21 ]} 

كان فرع تطوير المفاعلات الآخر في مختبر أرغون الوطني، والأقرب إلى قلب زين، هو مفاعل التوليد السريع. في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن اليورانيوم مورد نادر، لذا كان من الحكمة استغلاله على النحو الأمثل. صُممت مفاعلات التوليد لإنتاج مواد انشطارية أكثر مما تستهلك. ^{[ 1 ]} بحلول عام 1948، اقتنع زين بأنه من غير الحكمة بناء مفاعلات تجريبية كبيرة بالقرب من شيكاغو، فاستحوذت هيئة الطاقة الذرية على أراضٍ حول أركو، أيداهو ، والتي أصبحت مركزًا تابعًا لأرغون. ^{[ 17 ]} كان مفاعل التوليد التجريبي الأول (EBR-I، المعروف في أرغون باسم "ZIP" - مفاعل زين الجهنمي) أول مفاعل يُبرد بالمعدن السائل، ^{[ 22 ]} وأول مفاعل يُنتج الكهرباء. ^{[ 23 ]} أثبت هذا المفاعل صحة مفهوم التوليد. ^{[ 22 ]} وصفه رئيس هيئة الطاقة الذرية، غوردون دين، بأنه علامة فارقة في تاريخ الطاقة النووية. ^{[ 24 ]}

كانت تجارب البوراكس سلسلة من الاختبارات التدميرية لمفاعلات الماء المغلي ، أجراها مختبر أرغون الوطني في ولاية أيداهو. أُجري اختبار البوراكس-1 تحت إشراف زين عام 1954. قام زين بإزالة قضبان التحكم لإثبات إمكانية إيقاف تشغيل المفاعل دون مشاكل، لكنه انفجر على الفور مصحوبًا بدوي هائل وعمود طويل من الدخان الأسود، وهو ما لم يكن يتوقعه. ^{[ 25 ]} صرخ زين في هارولد ليشتنبرغ لإعادة قضبان التحكم، لكن ليشتنبرغ أشار إلى أن أحدها كان يطير في الهواء. اضطر زين لاحقًا للإدلاء بشهادته حول التجربة أمام اللجنة المشتركة للطاقة الذرية . ^{[ 25 ]}

بعد مغادرته مختبر أرغون الوطني عام 1956، انتقل زين إلى فلوريدا، حيث أسس شركته الاستشارية الخاصة، "جنرال نيوكلير إنجينيرينغ" ^{[ 26 ]} ، ومقرها في مدينة دونيدين بولاية فلوريدا . تخصصت الشركة في تصميم وبناء مفاعلات الماء المضغوط. ^{[ 1 ]} استحوذت عليها شركة "كومبشن إنجينيرينغ" عام 1964، وأصبح زين نائبًا للرئيس ورئيسًا لقسمها النووي. ^{[ 27 ]} تنحى عن هذا المنصب عام 1970، لكنه ظل عضوًا في مجلس الإدارة حتى عام 1986. ^{[ 28 ]} شغل منصب عضو في اللجنة الاستشارية العلمية للرئيس من عام 1960 إلى عام 1962، وعضوًا في اللجنة الاستشارية العامة لهيئة الطاقة الذرية وخليفتها، إدارة أبحاث وتطوير الطاقة ، من عام 1972 إلى عام 1975. ^{[ 27 ]}

على مر السنين، حصل زين على العديد من الجوائز تقديرًا لعمله، بما في ذلك شهادة تقدير خاصة من هيئة الطاقة الذرية عام 1956، وجائزة الذرات من أجل السلام عام 1960، ^{[ 26 ]} وجائزة إنريكو فيرمي عام 1969، ^{[ 29 ]} وميدالية إليوت كريسون من معهد فرانكلين عام 1970. ^{[ 30 ]} وفي عام 1955، انتُخب أول رئيس للجمعية النووية الأمريكية . ^{[ 31 ]}

توفيت زوجة زين، جين، عام ١٩٦٤. ^{[ ٢٦ ]} تزوج من ماري تيريزا برات عام ١٩٦٦، وأصبح لديه ابنان بالتبني، وارن وروبرت جونسون. ^{[ ١ ]} توفي في مستشفى ميز كاونتريسايد في سيفيتي هاربور، فلوريدا ، في ١٤ فبراير ٢٠٠٠، إثر إصابته بجلطة دماغية. وخلفه زوجته ماري، وابناه جون وروبرت، وابن زوجته وارن. وكان روبرت قد أصبح أستاذًا لعلم الفلك في جامعة ييل . ^{[ ٢٦ ] [ ٣٢ ]}

منذ عام 1976، يقدم قسم العمليات والطاقة التابع للجمعية النووية الأمريكية جائزة والتر إتش زين سنوياً تقديراً لشخص "لإسهامه البارز والمستمر في صناعة الطاقة النووية والذي لم يحظَ بالتقدير الكافي". ^{[ 33 ] [ 34 ]}

• هيوليت، ريتشارد ج .؛ أندرسون، أوسكار إي. (1962). "العالم الجديد، 1939-1946" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء اليوم . 15 (12): 62. رمز Bibcode : 1962PhT....15l..62H . doi : 10.1063/1.3057919 . ISBN 978-0-520-07186-5. OCLC 637004643 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 مارس 2013 . {{cite journal}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
• هول، جاك م.؛ هيوليت، ريتشارد ج .؛ هاريس، روث ر. (1997). مختبر أرغون الوطني، 1946-1996 . شيكاغو: مطبعة جامعة إلينوي. ISBN 978-0-252-02341-5.
• واينبرغ، ألفين (1994). "العصر النووي الأول: حياة وأزمنة مُصلِح تكنولوجي". فيزياء اليوم . 48 (10): 63-64 . Bibcode : 1995PhT....48j..63W . doi : 10.1063/1.2808209 . ISBN 978-1-56396-358-2.