当时的困境
1938 年 12 月，哈恩与斯特拉斯曼在柏林用中子轰击铀，本以为会造出比铀更重的元素。产物里却出现了钡——一种质量只有铀一半的元素。
哈恩是当时最好的放射化学家之一，他反复确认这不是污染，但作为化学家他不敢相信自己的结果：铀核怎么可能被一颗能量不高的中子劈成两半？他写信给刚因犹太身份逃往瑞典的长期合作者莉泽·迈特纳。
迈特纳与外甥弗里施在圣诞假期的雪地散步中算出了答案。他们用玻尔的液滴模型：重原子核像一滴液体，表面张力使它保持球形，而质子之间的静电斥力要撑开它。铀核大到两者几乎势均力敌，一颗中子的扰动就足以让它拉长、断裂。
他们还算了能量：两块碎片的质量之和比原来的铀核少了约五分之一个质子的质量，按 ，每次裂变释放约 200 MeV——比化学反应大几千万倍。
弗里施借用细胞分裂的说法，给它起名 fission（裂变）。
真正要命的是随后的发现：裂变还会放出两三个新的中子。
如果这些中子能去劈开下一批铀核，反应就能自我维持，甚至指数式放大。西拉德早在 1933 年就设想过链式反应（据他本人晚年回忆，是在伦敦街头等红灯、过马路时想到的），当时找不到合适的反应。现在找到了。
时间是 1939 年初，欧洲战云密布。
但没有人知道链式反应能否真的自持。理论上有两个拦路虎：铀-235 只占天然铀的 0.7%，而占绝大多数的铀-238 会吸收中子却不裂变；而且裂变放出的是快中子，快中子被铀-238 吸收的概率很高，容易把链掐断。
洞见时刻
费米的方案朴素得惊人，核心是一件他自己 1934 年在罗马就发现过的事。
那年他用中子轰击各种元素，偶然注意到把中子源和样品放在石蜡上，产生的放射性会强几十倍。他当天中午就想通了原因：石蜡里的氢原子质量与中子相近，中子撞上去会大幅减速；而慢中子被原子核俘获的概率反而高得多。
（这是一个反直觉的事实：跑得慢的中子在核附近停留的时间长，被抓住的机会大。）
把这一点用到反应堆上：需要一种慢化剂，让裂变放出的快中子在遇到铀-238 之前先慢下来，慢中子就能高效地引发铀-235 裂变。
慢化剂必须满足两个条件：能有效减速（原子量要小），又不能吸收中子。氢的减速效果最好但会吸收中子；重水很理想但当时几乎全部产自挪威、且已被德国控制。费米选了高纯度石墨——减速效果稍差，但吸收极低，前提是石墨里的硼杂质必须清除干净（这一点是西拉德坚持的，此前的实验之所以失败，正因为工业石墨含硼）。
控制的办法同样朴素：镉棒。镉吸收中子的能力极强，插进去反应就停，抽出来反应就起。
另一条线同时在推进：芝加哥那座堆是用来证明原理的，真正生产钚要靠功率大几万倍的机器，而那是维格纳领导的理论组在设计。他给汉福德的生产堆多留了一排管孔，被杜邦的工程师认为是浪费——投产后堆芯中毒、功率下滑，正是那排多出来的孔救了场。石墨在中子轰击下积蓄能量并变形的现象，后来以他的名字命名为维格纳效应。
结构上，费米把铀块与石墨砖一层层交替堆起来——反应堆至今在英文里叫 pile（堆），就是这么来的。这个”非均匀”布局本身也是关键：把铀集中成块而非均匀混在石墨里，能让中子在离开铀块后先在石墨里慢化，再进入下一块铀，避开铀-238 的吸收峰。
1942 年 12 月 2 日，芝加哥大学斯塔格球场看台下的壁球馆里，CP-1 堆到第 57 层。当天下午，控制棒一寸寸抽出，中子计数器的咔嗒声越来越密。3 点 25 分，计数不再随控制棒位置稳定下来，而是自行持续增长——反应达到了自持。
费米让它运行了约 28 分钟，功率约半瓦，然后插回控制棒。
（现场的安全措施今天看来近乎儿戏：一根用绳子吊着的镉棒，绳子旁站着一个拿斧头的人，必要时砍断绳子让棒落下；还有三个人端着镉盐溶液站在堆顶，准备往下浇。）
传往华盛顿的电话暗语是：意大利航海家已在新大陆登陆。对方问土著是否友好，答：非常友好。
涟漪效应
CP-1 直接通向曼哈顿计划。三年不到，核武器在广岛与长崎夺去数以十万计的生命。链式反应从此成为悬在人类头顶的双刃剑，也催生了延续至今的军备控制努力——《不扩散核武器条约》、国际原子能机构的保障监督体系，都是这条线的产物。
参与者的态度并不一致。西拉德是最早推动美国研制原子弹的人（1939 年那封给罗斯福的信是他起草、请爱因斯坦签名的），也是最早反对使用它的人之一，1945 年起草请愿书，请杜鲁门在公布对日条件、日本仍拒绝投降之前不要使用原子弹。费米则相对沉默。
民用一侧同样深远。1951 年美国的 EBR-I 首次用核能点亮灯泡，1954 年苏联奥布宁斯克电站首次并网，此后核电成为若干国家的电力支柱。研究堆则源源不断生产医用同位素，并提供中子束——中子不带电、能穿透材料、且对轻元素敏感，成为”透视”物质内部结构的独特探针。
如果没有它
电力：今天全球约一成的电力来自核电，法国的比例超过六成。在气候议题下，它是少数能大规模提供稳定低碳电力的方式，也因此重新成为争论的焦点。
医学：医院每年数千万人次的核医学检查依赖反应堆生产的同位素，最常用的锝-99m 半衰期只有六小时，无法储存，必须持续生产。全球供应一度因几座老旧研究堆同时检修而告急。
材料与生命科学：中子散射用于测定电池材料里锂离子的分布、合金内部的残余应力、蛋白质中氢原子的位置——这些是 X 射线做不到的。
动力：核动力潜艇与破冰船获得近乎无限的续航，深空探测器则用放射性同位素热电机（旅行者号至今仍在供电）。
1942 年那阵咔嗒声之后，火种与烈焰一起交到了我们手上。