“堆出”核反应——“芝加哥一号”反应堆
1934年伊始，年仅33岁的恩里科·费米已是意大利小有名气的物理学家。他26岁成为罗马大学教授，29岁成为意大利科学院院士，研究目光始终关注着小小的原子核。就在不久前，他发现的β衰变理论对理论物理学做出了巨大贡献。
同年，距离罗马不远的法国巴黎，同样30多岁的物理学家约里奥·居里夫妇宣布，他们使用α粒子轰击铝、硼，人工创造了新的放射性元素，但是产生率很低。密切关注着研究动向的恩里科·费米立即行动起来。
1934年3月20日晚上，费米完成了实验前的各项准备工作。第二天早上，他得到了第一个中子源，开始进行中子轰击实验。
费米使用过的中子源（现保存于华盛顿史密森学会现代物理学收藏馆）
与人们口口相传的历史不同，氢并不是第一种中子被轰击的物质，费米的笔记本第18页清晰记录着他的试验经过。第一个是铂，但没有成功，第二个是铝，完全成功。
在接下来对铀的轰击中，费米认为他们得到了一种新的元素。1934年6月他宣布了这个发现，但并没意识到在这个实验中可能引起了铀的裂变。
费米记录慢中子实验的笔记本（来源于奥斯卡·达戈斯蒂诺基金会藏品）
1934年10月，费米的团队成员发现，在某些情况下，慢中子比快中子可以更有效地引起放射性。正如后来所理解的那样，原子核确实比快中子更容易捕获慢中子。将石蜡或水等其他氢化物质在放置在中子源和待活化样品之间时，可以有效地减缓中子的速度，比如在中子源和银之间放置石蜡，竟能够使银的放射强度增强几百倍之多。
怎样解释这种现象？费米提出慢中子效应：中子轰击含有大量氢的物质时，和质子发生碰撞，速度变慢了，更容易被银原子核所俘获，所以产生的人工放射性更强。按照他的原话，“就像一个飞快的高尔夫球可能从球洞跳过去，而一个慢慢滚着的高尔夫球却有更好的机会进入球洞一样。”
1938年12月，在慢中子实验中取得成功的费米，带着家人前往瑞典首都斯德哥尔摩接受诺贝尔奖的颁奖。
但在颁奖典礼结束后，这位37岁的诺贝尔奖得主并没有返回他的故乡意大利，而是选择前往美国哥伦比亚大学。因为当时的意大利正处于墨索里尼独裁统治时期，意大利法西斯政府颁布出一套粗暴对待犹太人的法律，同时秘密组织警察对所有持不同政见的公民进行监视和搜捕，而费米的妻子正是犹太人。虽然费米早年曾被迫加入意大利法西斯党，但本人却是一位坚定的反独裁主义者，这都使得他在意大利的生活和研究变得困难与危险。与此同时，哥伦比亚大学向他抛出了橄榄枝，于是费米便带着家人飞向了大西洋彼岸，在结束了他在哥伦比亚大学的任期之后，他来到了芝加哥大学，在这里他将从事一项足以改变人类命运的秘密任务。
慢中子与快中子
慢中子又称“热中子”，通常指动能约为0.025电子伏特（速度约2.2千米/秒）的自由中子。裂变反应产生的中子与由较轻的元素组成的减速剂发生碰撞，将一部分能量转移给被撞核，中子本身被反弹，同时能量减少。经过几次碰撞后，中子的动能就会减小到与热运动能量相当，从而成为热中子。
回忆一下这样的场景：公交车从远处疾驰而来，直到快靠近站台时才减慢速度，你站在路边，总要等公交车停稳之后才会排队上车。试图跳上一辆在道路上飞驰的汽车，是一件困难的事情。同样的，在一般反应堆中，与铀燃料发生裂变反应的中子就像“飞驰的汽车”，科学家们发现“慢中子”有利于与原子核发生反应。
如果裂变产生的高能中子不经过上述慢化过程，便称之为“快中子”，利用快中子的特性可以研制快中子反应堆。
费米（右一）与家人于1939年抵达美国
1939年，一大批物理学家与化学家，从美国的东西海岸汇聚到哥伦比亚大学，开始了自持链式反应的研究，后来这项研究转移到了芝加哥大学的“冶金实验室”（Metallurgical Laboratory）。虽说名字中带有“冶金”，但这个实验室却并不是为了增加钢铁产量，它成立的目的是论证受控核裂变的可行性，同时生产钚，并且尝试建造一个用于支持核反应的模型，这个模型就是“芝加哥一号”。钚是用于生产核武器的重要原料，这个实验室也为日后的曼哈顿计划（Manhattan Project）打下了基础。
芝加哥大学的“冶金实验室”(https://www.daowen.com)
“芝加哥一号”被建设在芝加哥大学一个废弃的球场的地下室里（Stagg Field）。选在这地方建造，是因为费米想要把它建在一个隐蔽且安静的地方，这样万一出了事故，对环境的影响也不会很大。
在阴暗的地下室里，工人们在木头底座上一层一层地堆叠石墨块，这也是核反应堆为什么叫反应“堆”的其中一个原因。“芝加哥一号”堆真的是堆出来的，费米曾说过：“远远看过去，它就像是一堆木材和黑砖罢了。”
芝加哥大学废弃的球场看台，这里正是“芝加哥一号”的诞生地
“芝加哥一号”堆叠的石墨块清晰可见
石墨是中子慢化剂，用来控制核裂变的反应性。部分石墨块留有空洞，用以安置核燃料。同时，部分核燃料由铀-238制成，来展现能否实现铀到钚的转变（铀-238在中子轰击下转化为钚-239）。镉棒作为控制棒控制反应堆的速率和启停。
整个反应堆在1942年12月1日完工。虽然有了石墨和镉棒可以控制反应性，人们依然还是担心反应堆的安全性，毕竟这是人类历史上首次尝试人工控制的核裂变反应。
费米的学生曾问过费米：“如果反应堆失控怎么办？”
费米悠闲地说道：“我会从容地离开。”
费米之所以这样说，是因为他同时设计了一套应急系统，他安排了几位科学家拿着装有氧化镉的容器全程参与实验，一旦反应失控就把氧化镉倒进反应堆。他还专门找来了诺曼·希尔贝里（Norman Hilberry）教授，让他拿好一把斧子，如果反应堆失去控制，就让他砍断连着控制棒的绳子，绳子割断之后控制棒依靠重力落进反应堆，切断链式反应。希尔贝里教授之后也成为美国阿贡国家实验室的主任。虽然这套应急系统看似非常粗糙和草率，但这套设计逻辑成为后世现代反应堆的设计基础，一直被沿用至今。
美国核物理学家诺曼·希尔贝里教授
美国阿贡国家实验室今昔对比（美国能源局）
1942年12月2日的下午，科学家们汇集一堂进行试验，部分工作人员在地面上负责操作、记录和应急。费米和其他科学家在高台上观察记录。
工作人员按照费米的指示有条不紊地拉出镉棒。利用盖革计数器，科学家们密切监测了反应的k值，即有效中子倍增因子，这是将引起另一个反应的裂变中子的平均数。足够高的k值将表明反应可以自我维持。午餐休息后，费米命令将最后一根镉棒从堆中再拉出12英寸。通过观测记录仪器的示数，科学家们计算了k值达到了1.0006，“芝加哥一号”堆实现了自持的链式反应。
物理学家赫伯特·安德森（Herbert Anderson）在他的回忆录中写道：“刚开始你能听到中子计数器的声音，咔哒—咔哒—，咔哒—咔哒—，随后声音变得越来越频繁，过了一会已经响成一片，计数器已经跟不上频率了。是时候开启图表记录器了。当转换到记录器之后，每个人在突然的安静中看着记录器的绘制上下起伏的线条。那瞬间的沉默，每个人都意识到了切换至记录器的重要性，我们现在处于高强度区域甚至中子计数器都无法跟上现在的情况了。一次又一次，我们要更改记录器的刻度，以适应高速提升的中子强度。突然间费米举起了他的手宣布‘反应堆达到临界了’。现场所有人都表示赞同。”
“芝加哥一号”达到临界时的庆功酒酒瓶
在启动后的不到五分钟，费米命令停堆，镉棒被插入反应堆。在反应堆停止反应后，费米打开了一瓶他从意大利老家带来的红酒作为庆功酒。在场的科学家和工作人员用芝加哥大学的纸杯痛饮了庆功酒，并在酒瓶上签名留念，这个酒瓶被保存在阿贡国家实验室。
也许你已经注意到，核裂变也好，核聚变也罢，它们都有一个共同点，那就是从一种原子核变化为另一种原子核，并且都伴随着巨大的能量释放。
“芝加哥一号”反应堆的成功，标志着人类能够制造并控制核裂变反应。如果跳出物理学的范畴，“能量”就意味着“威力”，这样的联想，让人们很快意识到核能在军事上的价值，也让人类的手伸向了危险的边缘，这也就是前文中提到的“曼哈顿计划”。