Rozszczepienia jądrowego - Nuclear fission

Indukowana reakcja rozszczepienia. Neutronów jest pochłaniana przez uranu 235 jądra, przekształcając go na krótko w wzbudzeniu uranu 236 pierścienia, przy czym energię wzbudzenia dostarczonych przez kinetycznej energii neutronu plus Siły wiązania neutronu . Z kolei uran-236 dzieli się na szybko poruszające się lżejsze pierwiastki (produkty rozszczepienia) i uwalnia kilka wolnych neutronów, jeden lub więcej „szybkich promieni gamma ” (nie pokazano) i (proporcjonalnie) dużą ilość energii.

Rozszczepienia jądrowego jest reakcja , w której rdzeń o atomem dzieli się na dwie lub więcej mniejszych jąder . Proces rozszczepienia często wytwarza fotony gamma i uwalnia bardzo dużą ilość energii, nawet jak na energetyczne standardy rozpadu radioaktywnego .

Rozszczepienie jądrowe ciężkich pierwiastków zostało odkryte 17 grudnia 1938 r. przez niemieckiego chemika Otto Hahna i jego asystenta Fritza Strassmanna we współpracy z austriacko-szwedzkim fizykiem Lise Meitner . Hahn zrozumiał, że nastąpił „wybuch” jąder atomowych. Meitner wyjaśniła to teoretycznie w styczniu 1939 roku wraz ze swoim siostrzeńcem Otto Robertem Frischem . Frisch nazwał ten proces przez analogię do biologicznego rozszczepienia żywych komórek. W przypadku ciężkich nuklidów jest to reakcja egzotermiczna, która może uwolnić duże ilości energii zarówno w postaci promieniowania elektromagnetycznego, jak i energii kinetycznej fragmentów ( ogrzewanie materiału sypkiego, w którym następuje rozszczepienie). Podobnie jak w przypadku syntezy jądrowej , aby rozszczepienie wytworzyło energię, całkowita energia wiązania powstałych pierwiastków musi być większa niż pierwiastka wyjściowego.

Rozszczepienie jest formą transmutacji jądrowej, ponieważ powstałe fragmenty (lub atomy potomne) nie są tym samym pierwiastkiem, co pierwotny atom macierzysty. Wytwarzane dwa (lub więcej) jądra mają najczęściej porównywalne, ale nieco różne rozmiary, zwykle o stosunku masowym produktów około 3 do 2, dla powszechnych izotopów rozszczepialnych . Większość rozszczepień to rozszczepienia binarne (tworzące dwa naładowane fragmenty), ale czasami (2 do 4 razy na 1000 zdarzeń) powstają trzy dodatnio naładowane fragmenty w rozszczepieniu trójskładnikowym . Najmniejsze z tych fragmentów w procesach trójskładnikowych mają rozmiary od protonu do jądra argonu .

Oprócz rozszczepienia indukowanego przez neutron, ujarzmionego i wykorzystywanego przez człowieka, naturalna forma spontanicznego rozpadu promieniotwórczego (niewymagająca neutronu) jest również określana jako rozszczepienie i występuje zwłaszcza w izotopach o bardzo dużej masie. Spontaniczne rozszczepienie zostało odkryte w 1940 roku przez Flyorova , Petrzhaka i Kurchatova w Moskwie w eksperymencie mającym na celu potwierdzenie, że bez bombardowania neutronami szybkość rozszczepienia uranu była znikoma, jak przewidział Niels Bohr ; to nie było bez znaczenia.

Nieprzewidywalny skład produktów (który różni się w szeroki probabilistyczny i nieco chaotyczny sposób) odróżnia rozszczepienie od czysto kwantowych procesów tunelowych , takich jak emisja protonów , rozpad alfa i rozpad klastrowy , które za każdym razem dają te same produkty. Rozszczepienie jądrowe wytwarza energię do energetyki jądrowej i napędza eksplozję broni jądrowej . Oba zastosowania są możliwe, ponieważ pewne substancje zwane paliwami jądrowymi ulegają rozszczepieniu po uderzeniu przez neutrony rozszczepienia, a z kolei emitują neutrony, gdy się rozpadają. Umożliwia to samopodtrzymującą się reakcję łańcucha jądrowego , uwalniającą energię w kontrolowanym tempie w reaktorze jądrowym lub w bardzo szybkim, niekontrolowanym tempie w broni jądrowej.

Ilość darmowej energii zawartej w paliwie jądrowym jest miliony razy większa od ilości darmowej energii zawartej w podobnej masie paliwa chemicznego, takiego jak benzyna , co sprawia, że ​​rozszczepienie jądrowe jest bardzo gęstym źródłem energii. Produkty rozszczepienia jądrowego są jednak przeciętnie znacznie bardziej radioaktywne niż ciężkie pierwiastki, które normalnie są rozszczepiane jako paliwo i pozostają takie przez znaczną ilość czasu, powodując problem odpadów jądrowych . Obawy związane z gromadzeniem się odpadów nuklearnych i niszczycielskim potencjałem broni jądrowej stanowią przeciwwagę dla pokojowego pragnienia wykorzystania rozszczepienia jako źródła energii .

Przegląd fizyczny

Mechanizm

Wizualna reprezentacja indukowanego rozszczepienia jądra atomu, w którym wolno poruszający się neutron jest absorbowany przez jądro atomu uranu-235, które rozszczepia się na dwa szybko poruszające się lżejsze pierwiastki (produkty rozszczepienia) i dodatkowe neutrony. Większość uwolnionej energii ma postać prędkości kinetycznych produktów rozszczepienia i neutronów.
Masowe uzyski produktu rozszczepienia dla rozszczepienia neutronów termicznych U-235 , Pu-239 , kombinacji dwóch typowych dla obecnych reaktorów jądrowych, oraz U-233 stosowanego w cyklu toru .

Rozpad radioaktywny

Rozszczepienie jądrowe może zachodzić bez bombardowania neutronami jako rodzaj rozpadu radioaktywnego . Ten rodzaj rozszczepienia (zwany rozszczepieniem spontanicznym ) jest rzadki, z wyjątkiem kilku ciężkich izotopów.

Reakcja nuklearna

W skonstruowanych urządzeniach jądrowych zasadniczo całe rozszczepienie jądra zachodzi jako „ reakcja jądrowa ” — proces napędzany bombardowaniem, który powstaje w wyniku zderzenia dwóch cząstek subatomowych. W reakcjach jądrowych cząstka subatomowa zderza się z jądrem atomowym i powoduje w nim zmiany. Reakcje jądrowe są zatem napędzane przez mechanikę bombardowania, a nie przez stosunkowo stały rozpad wykładniczy i charakterystyczny okres półtrwania spontanicznych procesów radioaktywnych.

Obecnie znanych jest wiele rodzajów reakcji jądrowych . Rozszczepienie jądrowe różni się istotnie od innych rodzajów reakcji jądrowych tym, że może być wzmacniane, a czasem kontrolowane poprzez łańcuchową reakcję jądrową (jeden rodzaj ogólnej reakcji łańcuchowej ). W takiej reakcji wolne neutrony uwalniane przez każde zdarzenie rozszczepienia mogą wyzwalać jeszcze więcej zdarzeń, co z kolei uwalnia więcej neutronów i powoduje więcej rozszczepienia.

W pierwiastek chemiczny izotopy , utrzymujące reakcja łańcuchowa zwane paliw jądrowych , a mówi się, że rozszczepialne . Najpopularniejszymi paliwami jądrowymi są 235 U (izotop uranu o liczbie masowej 235 i stosowany w reaktorach jądrowych) oraz 239 Pu (izotop plutonu o liczbie masowej 239). Paliwa te rozpadają się na bimodalny zakres pierwiastków chemicznych o masach atomowych w pobliżu 95 i 135  u ( produkty rozszczepienia ). Większość paliw jądrowych ulega spontanicznemu rozszczepieniu bardzo powoli, zamiast tego rozpada się głównie poprzez łańcuch rozpadu alfa - beta przez okres od tysiącleci do eonów . W reaktorze jądrowym lub broni jądrowej przytłaczająca większość zdarzeń rozszczepienia jest indukowana przez bombardowanie inną cząstką, neutronem, który sam jest wytwarzany przez wcześniejsze zdarzenia rozszczepienia.

Rozszczepienie jądrowe w paliwach rozszczepialnych jest wynikiem jądrowej energii wzbudzenia wytwarzanej, gdy jądro rozszczepialne wychwytuje neutron. Ta energia, wynikająca z wychwytywania neutronów, jest wynikiem przyciągania siły jądrowej działającej między neutronem a jądrem. Wystarczy zdeformować jądro w dwupłatową „kroplę”, do tego stopnia, że ​​fragmenty jądrowe przekraczają odległości, na których siła jądrowa może trzymać razem dwie grupy naładowanych nukleonów i gdy to nastąpi, oba fragmenty dopełniają swojego rozdzielenia a następnie oddalają się od siebie przez wzajemnie odpychające ładunki, w procesie, który z coraz większym dystansem staje się nieodwracalny. Podobny proces zachodzi w izotopach rozszczepialnych (takich jak uran-238), ale do rozszczepienia izotopy te wymagają dodatkowej energii dostarczanej przez szybkie neutrony (takie jak te wytwarzane przez fuzję jądrową w broni termojądrowej ).

Ciecz wzór spadek z jądra atomowego przewiduje jednakowej wielkości produktów rozszczepienia jako wyniku odkształcenia jądrowego. Potrzebny jest bardziej zaawansowany model powłoki jądrowej , aby mechanicznie wyjaśnić drogę do bardziej korzystnego energetycznie wyniku, w którym jeden produkt rozszczepienia jest nieco mniejszy od drugiego. Teorię rozszczepienia opartą na modelu powłokowym sformułowała Maria Goeppert Mayer .

Najczęstszym procesem rozszczepienia jest rozszczepienie binarne, które wytwarza produkty rozszczepienia wymienione powyżej, przy 95±15 i 135±15  u . Jednak proces binarny dzieje się tylko dlatego, że jest najbardziej prawdopodobny. W dowolnym miejscu od 2 do 4 rozszczepień na 1000 w reaktorze jądrowym proces zwany rozszczepieniem trójskładnikowym wytwarza trzy dodatnio naładowane fragmenty (plus neutrony), a najmniejszy z nich może mieć tak mały ładunek i masę jak proton ( Z  = 1) , do tak dużego fragmentu jak argon ( Z  = 18). Najczęściej spotykane małe fragmenty składają się jednak w 90% z jąder helu-4 o większej energii niż cząstki alfa z rozpadu alfa (tzw. „alfa dalekiego zasięgu” przy ~16 MeV), a także jądra helu-6 i trytony ( jądra trytu ). Proces trójskładnikowy jest mniej powszechny, ale nadal kończy się wytwarzaniem znacznego nagromadzenia gazu helu-4 i trytu w prętach paliwowych nowoczesnych reaktorów jądrowych.

Energetyka

Wejście

Etapy rozszczepienia binarnego w modelu kropli cieczy. Doprowadzanie energii deformuje jądro w kształt grubego „cygara”, następnie w kształt „orzeszki”, po którym następuje rozszczepienie binarne, gdy dwa płaty przekraczają odległość przyciągania sił jądrowych krótkiego zasięgu , a następnie są rozsuwane i odsuwane przez ich ładunek elektryczny. W modelu kropli cieczy przewiduje się, że dwa fragmenty rozszczepienia mają ten sam rozmiar. Model powłoki jądrowej pozwala na ich różną wielkość, co zwykle obserwuje się eksperymentalnie.

Rozszczepienie ciężkiego jądra wymaga całkowitej energii wejściowej około 7 do 8 milionów elektronowoltów (MeV), aby początkowo pokonać siłę jądrową, która utrzymuje jądro w kulistym lub prawie kulistym kształcie, a następnie zdeformować je w dwu- płatkowaty („orzechowy”) kształt, w którym płaty są w stanie dalej oddzielać się od siebie, popychane przez ich wzajemny ładunek dodatni, w najczęstszym procesie rozszczepienia binarnego (dwa dodatnio naładowane produkty rozszczepienia + neutrony). Gdy płaty jądrowe zostaną zepchnięte na odległość krytyczną, poza którą siła silna krótkiego zasięgu nie może już ich utrzymać razem, proces ich rozdzielania przebiega z energii odpychania elektromagnetycznego (o większym zasięgu) pomiędzy fragmentami. W rezultacie dwa fragmenty rozszczepienia oddalają się od siebie z dużą energią.

Około 6 MeV wejściowej energii rozszczepienia jest dostarczane przez proste wiązanie dodatkowego neutronu z ciężkim jądrem za pomocą silnej siły; jednak w wielu rozszczepialnych izotopach ta ilość energii nie wystarcza do rozszczepienia. Na przykład uran-238 ma prawie zerowy przekrój rozszczepienia dla neutronów o energii poniżej jednego MeV. Jeśli żadna dodatkowa energia nie zostanie dostarczona przez żaden inny mechanizm, jądro nie rozszczepi się, a jedynie pochłonie neutron, jak to się dzieje, gdy U-238 absorbuje powolne, a nawet pewną część szybkich neutronów, stając się U-239. Pozostała energia potrzebna do zainicjowania rozszczepienia może być dostarczana przez dwa inne mechanizmy: jednym z nich jest większa energia kinetyczna przychodzącego neutronu, który jest w coraz większym stopniu zdolny do rozszczepiania rozszczepialnego ciężkiego jądra, ponieważ przekracza energię kinetyczną jednego MeV lub więcej (tak zwane prędkimi neutronami ). Takie wysokoenergetyczne neutrony są w stanie bezpośrednio rozszczepiać U-238 (zobacz zastosowanie broni termojądrowej , gdzie neutrony prędkie są dostarczane przez fuzję jądrową ). Sposób ten jednak nie może się w znacznym stopniu w reaktorze jądrowym, ponieważ zbyt mała część neutronów rozszczepienia wytworzone przez jakiegokolwiek rodzaju rozszczepienia mają wystarczającą energię, aby skutecznie rozszczepienie U-238 (rozszczepienie neutrony mają trybu energii z 2 MeV ale mediana tylko 0,75 MeV, co oznacza, że ​​połowa z nich ma mniej niż ta niewystarczająca energia).

Jednak wśród ciężkich pierwiastków aktynowych te izotopy, które mają nieparzystą liczbę neutronów (takie jak U-235 ze 143 neutronami), wiążą dodatkowy neutron z dodatkową energią 1 do 2 MeV nad izotopem tego samego pierwiastka o parzystej liczba neutronów (np. U-238 ze 146 neutronami). Ta dodatkowa energia wiązania jest udostępniana w wyniku mechanizmu efektów parowania neutronów . Ta dodatkowa energia wynika z zasady wykluczenia Pauliego, która umożliwia dodatkowemu neutronowi zajmowanie tego samego orbitalu jądrowego, co ostatni neutron w jądrze, tak że oba tworzą parę. Dlatego w takich izotopach nie jest potrzebna energia kinetyczna neutronów, ponieważ cała niezbędna energia jest dostarczana przez absorpcję dowolnego neutronu, zarówno wolnego, jak i szybkiego (pierwsze stosuje się w moderowanych reaktorach jądrowych, a drugie w szybkich reaktory neutronowe oraz w broni). Jak wspomniano powyżej, podgrupa pierwiastków rozszczepialnych, które można skutecznie rozszczepiać za pomocą własnych neutronów rozszczepienia (a zatem potencjalnie powodując reakcję łańcuchową jądrową w stosunkowo niewielkich ilościach czystego materiału), określa się jako „ rozszczepialny ”. Przykładami izotopów rozszczepialnych są uran-235 i pluton-239.

Wyjście

Typowe zdarzenia rozszczepienia uwalniają około dwieście milionów eV (200 MeV) energii, co odpowiada około 2 bilionom kelwinów na każde rozszczepienie. Dokładny izotop, który ulega rozszczepieniu oraz to, czy jest rozszczepialny czy rozszczepialny, ma tylko niewielki wpływ na ilość uwalnianej energii. Można to łatwo zauważyć, badając krzywą energii wiązania (rysunek poniżej) i zauważając, że średnia energia wiązania nuklidów aktynowców zaczynających się od uranu wynosi około 7,6 MeV na nukleon. Patrząc dalej w lewo na krzywej energii wiązania, gdzie skupiają się produkty rozszczepienia , łatwo zauważyć, że energia wiązania produktów rozszczepienia ma tendencję do skupiania się wokół 8,5 MeV na nukleon. Tak więc, w każdym przypadku rozszczepienia izotopu w zakresie masy aktynowca, około 0,9 MeV jest uwalniane na nukleon pierwiastka wyjściowego. Rozszczepienie U235 przez powolny neutron daje prawie identyczną energię jak rozszczepienie U238 przez szybki neutron. Ten profil uwalniania energii odnosi się również do toru i różnych mniejszych aktynowców.

W przeciwieństwie do tego, większość reakcji utleniania chemicznego (takich jak spalanie węgla lub TNT ) uwalnia co najwyżej kilka eV na zdarzenie. Tak więc paliwo jądrowe zawiera co najmniej dziesięć milionów razy więcej użytecznej energii na jednostkę masy niż paliwo chemiczne. Energia rozszczepienia jądrowego jest uwalniana jako energia kinetyczna produktów rozszczepienia i fragmentów oraz jako promieniowanie elektromagnetyczne w postaci promieni gamma ; w reaktorze jądrowym energia jest przekształcana w ciepło, gdy cząstki i promienie gamma zderzają się z atomami tworzącymi reaktor i jego płyn roboczy , zwykle wodę lub czasami ciężką wodę lub stopione sole .

Animacja eksplozji kulombowskiej w przypadku skupiska dodatnio naładowanych jąder, podobnego do skupiska fragmentów rozszczepienia. Odcień koloru jest proporcjonalny do (większego) ładunku jądra. Elektrony (mniejsze) w tej skali czasu są widoczne tylko stroboskopowo, a poziom odcienia to ich energia kinetyczna

Kiedy jądro uranu rozszczepia się na dwa fragmenty jądra potomnego, około 0,1% masy jądra uranu pojawia się jako energia rozszczepienia ~200 MeV. Dla uranu-235 (całkowita średnia energia rozszczepienia 202,79 MeV), zwykle ~169 MeV pojawia się jako energia kinetyczna jąder potomnych , które rozlatują się z prędkością około 3% prędkości światła, z powodu odpychania kulombowskiego . Ponadto emitowane jest średnio 2,5 neutronów, ze średnią energią kinetyczną na neutron ~2 MeV (łącznie 4,8 MeV). Reakcja rozszczepienia uwalnia również ~7 MeV w szybkich fotonach promieniowania gamma . Ta ostatnia liczba oznacza, że ​​eksplozja jądrowa lub wypadek krytyczny emitują około 3,5% swojej energii w postaci promieni gamma, mniej niż 2,5% swojej energii w postaci szybkich neutronów (łącznie obu rodzajów promieniowania ~ 6%), a resztę w postaci promieniowania kinetycznego. energia fragmentów rozszczepienia (pojawia się niemal natychmiast, gdy fragmenty uderzają w otaczającą materię, jako zwykłe ciepło ). W bombie atomowej ciepło to może służyć do podniesienia temperatury jądra bomby do 100 milionów kelwinów i spowodować wtórną emisję miękkiego promieniowania rentgenowskiego, które zamienia część tej energii na promieniowanie jonizujące. Jednak w reaktorach jądrowych energia kinetyczna fragmentu rozszczepienia pozostaje jako ciepło niskotemperaturowe, co samo w sobie powoduje niewielką lub żadną jonizację.

Skonstruowano tak zwane bomby neutronowe (broń o wzmocnionym promieniowaniu), które uwalniają większą część swojej energii w postaci promieniowania jonizującego (w szczególności neutronów), ale wszystkie są to urządzenia termojądrowe, które polegają na etapie fuzji jądrowej w celu wytworzenia dodatkowego promieniowania. Dynamika energetyczna bomb czystego rozszczepienia zawsze pozostaje na poziomie około 6% całkowitego promieniowania, jako szybki wynik rozszczepienia.

Całkowita energia szybkiego rozszczepienia wynosi około 181 MeV lub ~ 89% całkowitej energii, która jest ostatecznie uwalniana przez rozszczepienie w czasie. Pozostałe ~ 11% jest uwalniane w rozpadach beta, które mają różne okresy półtrwania, ale rozpoczynają się natychmiast jako proces w produktach rozszczepienia; oraz w opóźnionych emisjach gamma związanych z tymi rozpadami beta. Na przykład w uranie-235 ta opóźniona energia dzieli się na około 6,5 MeV w beta, 8,8 MeV w antyneutrinach (uwalnianych w tym samym czasie co beta), a na koniec dodatkowe 6,3 MeV w opóźnionej emisji gamma z wzbudzonego beta- produkty rozpadu (ogółem średnio ok. 10 emisji promieniowania gamma na rozszczepienie). Tak więc około 6,5% całkowitej energii rozszczepienia jest uwalniane jakiś czas po zdarzeniu, jako promieniowanie jonizujące niepowstrzymane lub opóźnione, a energia jonizacji opóźnionej jest mniej więcej równo podzielona między energię promieniowania gamma i beta.

W reaktorze, który działa od jakiegoś czasu, radioaktywne produkty rozszczepienia nagromadzą się do stężeń w stanie ustalonym, tak że ich szybkość rozpadu jest równa szybkości tworzenia, tak że ich ułamkowy całkowity wkład w ciepło reaktora (poprzez rozpad beta ) jest taki sam jak te radioizotopowe ułamkowe wkłady do energii rozszczepienia. W tych warunkach 6,5% rozszczepienia, które pojawia się jako opóźnione promieniowanie jonizujące (opóźnione gamma i beta z radioaktywnych produktów rozszczepienia), przyczynia się do stacjonarnego wytwarzania ciepła w reaktorze pod wpływem energii. Jest to ta frakcja wyjściowa, która pozostaje, gdy reaktor zostanie nagle wyłączony (poddawany przebudzeniu ). Z tego powodu moc cieplna z rozpadu reaktora zaczyna się przy 6,5% pełnej mocy rozszczepienia reaktora w stanie ustalonym, po wyłączeniu reaktora. Jednak w ciągu kilku godzin, z powodu rozpadu tych izotopów, moc wyjściowa rozpadu jest znacznie mniejsza. Zobacz rozkład ciepła dla szczegółów.

Pozostała część energii opóźnionej (8,8 MeV/202,5 ​​MeV = 4,3% całkowitej energii rozszczepienia) jest emitowana jako antyneutrina, które w praktyce nie są uważane za „promieniowanie jonizujące”. Powodem jest to, że energia uwalniana jako antyneutrina nie jest wychwytywana przez materiał reaktora w postaci ciepła i ucieka bezpośrednio przez wszystkie materiały (w tym Ziemię) z prędkością bliską prędkości światła, do przestrzeni międzyplanetarnej (ilość pochłonięta jest znikoma). Promieniowanie neutrinowe zwykle nie jest klasyfikowane jako promieniowanie jonizujące, ponieważ jest prawie całkowicie nie absorbowane i dlatego nie wywołuje efektów (chociaż bardzo rzadkie zdarzenie neutrinowe to jonizacja). Prawie cała reszta promieniowania (6,5% opóźnionego promieniowania beta i gamma) jest ostatecznie przekształcana w ciepło w rdzeniu reaktora lub jego osłonie.

Niektóre procesy z udziałem neutronów są godne uwagi ze względu na pochłanianie lub ostateczne wytwarzanie energii — na przykład energia kinetyczna neutronów nie daje natychmiast ciepła, jeśli neutron jest wychwytywany przez atom uranu-238 w celu rozmnożenia plutonu-239, ale energia ta jest emitowana, jeśli pluton-239 jest później rozszczepiony. Z drugiej strony tak zwane opóźnione neutrony emitowane jako produkty rozpadu promieniotwórczego o okresie połowicznego rozpadu do kilku minut, z córek rozszczepienia, są bardzo ważne dla sterowania reaktorem , ponieważ dają charakterystyczny czas „reakcji” dla całkowitej reakcji jądrowej podwoić rozmiar, jeśli reakcja przebiega w strefie „ opóźnionego krytycznego ”, która celowo polega na tych neutronach w nadkrytycznej reakcji łańcuchowej (takiej, w której każdy cykl rozszczepienia daje więcej neutronów niż pochłania). Bez ich istnienia jądrowa reakcja łańcuchowa byłaby natychmiastowo krytyczna i powiększałaby się szybciej, niż mogłaby być kontrolowana przez interwencję człowieka. W tym przypadku pierwsze eksperymentalne reaktory atomowe uciekłyby do niebezpiecznej i niechlujnej „natychmiastowej krytycznej reakcji”, zanim ich operatorzy mogliby je ręcznie wyłączyć (z tego powodu projektant Enrico Fermi zastosował pręty sterujące wyzwalane promieniowaniem, zawieszone przez elektromagnesy, które mogłyby automatycznie wpaść do centrum Chicago Pile-1 ). Jeśli te opóźnione neutrony zostaną wychwycone bez rozszczepienia, wytwarzają również ciepło.

Jądra produktu i energia wiązania

W rozszczepieniu preferuje się uzyskiwanie fragmentów o parzystej liczbie protonów, co nazywa się efektem nieparzysto-parzystym na rozkład ładunku fragmentów. Jednak nie obserwuje się efektu nieparzysto-parzystego na rozkład liczby mas fragmentów . Wynik ten przypisuje się zerwaniu par nukleonów .

W przypadku rozszczepienia jądrowego jądra mogą rozbić się na dowolną kombinację lżejszych jąder, ale najczęstszym zdarzeniem nie jest rozszczepienie jąder o równej masie o masie około 120; najczęstszym zdarzeniem (w zależności od izotopu i procesu) jest nieco nierówne rozszczepienie, w którym jedno jądro potomne ma masę około 90 do 100  u, a drugie pozostałe 130 do 140  u . Nierówne rozszczepienia są energetycznie korzystniejsze, ponieważ pozwala to jednemu produktowi zbliżyć się do minimum energetycznego w pobliżu masy 60  u (tylko jedna czwarta średniej masy rozszczepialnej), podczas gdy drugie jądro o masie 135  u nadal nie jest daleko poza zakresem najbardziej ciasno związane jądra (innym stwierdzeniem tego jest to, że krzywa energii wiązania atomów jest nieco bardziej stroma na lewo od masy 120  u niż na prawo od niej).

Pochodzenie energii czynnej i krzywa energii wiązania

„Krzywa energii wiązania”: wykres energii wiązania na nukleon wspólnych izotopów.

Rozszczepienie jądrowe ciężkich pierwiastków wytwarza energię, którą można wykorzystać, ponieważ specyficzna energia wiązania ( energia wiązania na masę) jąder o średniej masie o liczbie atomowej i masach atomowych bliskich 62 Ni i 56 Fe jest większa niż energia wiązania specyficznego dla nukleonu bardzo ciężkich jąder , dzięki czemu energia jest uwalniana, gdy ciężkie jądra są rozrywane. Całkowite masy spoczynkowe produktów rozszczepienia ( Mp ) z pojedynczej reakcji są mniejsze niż masa pierwotnego jądra paliwa ( M ). Nadmiar masy Δm  =  M  –  Mp jest niezmienną masą energii, która jest uwalniana w postaci fotonów ( promieni gamma ) i energią kinetyczną fragmentów rozszczepienia, zgodnie ze wzorem równoważności masy i energii E  =  mc 2 .

Zmienność specyficznej energii wiązania z liczbą atomową wynika z wzajemnego oddziaływania dwóch podstawowych sił działających na składowe nukleony ( protony i neutrony ), które tworzą jądro. Jądra są połączone przyciągającą siłą jądrową między nukleonami, która przezwycięża odpychanie elektrostatyczne między protonami. Jednak siła jądrowa działa tylko w stosunkowo krótkich zakresach (kilka średnic nukleonów ), ponieważ podąża za wykładniczo zanikającym potencjałem Yukawy, co sprawia, że ​​jest nieistotna na większych odległościach. Odpychanie elektrostatyczne ma większy zasięg, ponieważ zanika na zasadzie odwrotności kwadratu, tak że jądra o średnicy większej niż około 12 nukleonów osiągają punkt, w którym całkowite odpychanie elektrostatyczne pokonuje siłę jądrową i powoduje ich spontaniczną niestabilność. Z tego samego powodu większe jądra (o średnicy ponad około ośmiu nukleonów) są słabiej związane na jednostkę masy niż jądra mniejsze; rozbicie dużego jądra na dwa lub więcej jąder średniej wielkości uwalnia energię.

Również ze względu na krótki zasięg silnej siły wiążącej duże stabilne jądra muszą zawierać proporcjonalnie więcej neutronów niż najlżejsze pierwiastki, które są najbardziej stabilne ze stosunkiem protonów do neutronów 1 do 1 . Jądra, które mają więcej niż 20 protonów, nie mogą być stabilne, chyba że mają więcej niż taką samą liczbę neutronów. Dodatkowe neutrony stabilizują ciężkie pierwiastki, ponieważ przyczyniają się do silnego wiązania (które działa między wszystkimi nukleonami) bez zwiększania odpychania proton-proton. Produkty rozszczepienia mają średnio mniej więcej taki sam stosunek neutronów i protonów jak ich jądro macierzyste, a zatem są zwykle niestabilne w rozpadzie beta (który zmienia neutrony w protony), ponieważ mają proporcjonalnie zbyt wiele neutronów w porównaniu ze stabilnymi izotopami o podobnej masie.

Ta tendencja do rozpadu beta jąder produktów rozszczepienia jest podstawową przyczyną problemu radioaktywnych odpadów wysokoaktywnych z reaktorów jądrowych. Produkty rozszczepienia wydają się być emiterami beta , emitującymi szybko poruszające się elektrony w celu zachowania ładunku elektrycznego , ponieważ nadmiar neutronów przekształca się w protony w atomach będących produktem rozszczepienia. Zobacz produkty rozszczepienia (według elementu), aby uzyskać opis produktów rozszczepienia posortowanych według elementu.

Reakcje łańcuchowe

Schematyczna reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądra. 1. Atom uranu-235 absorbuje neutron i rozszczepia się na dwa nowe atomy (fragmenty rozszczepienia), uwalniając trzy nowe neutrony i pewną energię wiązania. 2. Jeden z tych neutronów jest pochłaniany przez atom uranu-238 i nie kontynuuje reakcji. Kolejny neutron po prostu ginie i nie koliduje z niczym, nie kontynuując reakcji. Jednak jeden neutron zderza się z atomem uranu-235, który następnie rozszczepia się i uwalnia dwa neutrony oraz pewną energię wiązania. 3. Oba te neutrony zderzają się z atomami uranu-235, z których każdy rozszczepia się i uwalnia od jednego do trzech neutronów, które mogą następnie kontynuować reakcję.

Kilka ciężkich pierwiastków, takich jak uran , tor i pluton , ulega zarówno spontanicznemu rozszczepieniu , formie rozpadu radioaktywnego, jak i rozszczepieniu indukowanemu, będącemu formą reakcji jądrowej . Izotopy pierwiastków, które ulegają indukowanemu rozszczepieniu po uderzeniu przez wolny neutron, nazywane są rozszczepialnymi ; izotopy, które ulegają rozszczepieniu po uderzeniu przez wolno poruszający się neutron termiczny, są również nazywane rozszczepialnym . Kilka szczególnie rozszczepialnych i łatwo dostępnych izotopów (zwłaszcza 233 U, 235 U i 239 Pu) nazywa się paliwami jądrowymi, ponieważ mogą one podtrzymywać reakcję łańcuchową i można je otrzymać w wystarczająco dużych ilościach, aby były użyteczne.

Wszystkie rozszczepialne i rozszczepialne izotopy podlegają niewielkiej ilości spontanicznego rozszczepienia, które uwalnia kilka wolnych neutronów do dowolnej próbki paliwa jądrowego. Takie neutrony szybko ulatniałyby się z paliwa i stałyby się wolnymi neutronami o średnim czasie życia około 15 minut przed rozpadem na protony i cząstki beta . Jednak neutrony prawie zawsze uderzają i są absorbowane przez inne jądra w pobliżu na długo przed tym, zanim to nastąpi (nowo utworzone neutrony rozszczepienia poruszają się z prędkością około 7% prędkości światła, a nawet neutrony moderowane poruszają się z prędkością około 8 razy większą niż prędkość dźwięku). Niektóre neutrony będą oddziaływać na jądra paliwa i indukować dalsze rozszczepienia, uwalniając jeszcze więcej neutronów. Jeśli wystarczająca ilość paliwa jądrowego zostanie zgromadzona w jednym miejscu lub jeśli uciekające neutrony są wystarczająco zabezpieczone, wówczas te świeżo wyemitowane neutrony przewyższają liczebnie neutrony, które uciekają z zespołu, i będzie miała miejsce ciągła reakcja łańcuchowa jądrowa .

Zespół, który wspiera trwałą reakcję łańcucha jądrowego, nazywany jest zespołem krytycznym lub, jeśli zespół jest prawie w całości wykonany z paliwa jądrowego, masą krytyczną . Słowo „krytyczny” odnosi się do przełomu w zachowaniu równania różniczkowego, które rządzi liczbą wolnych neutronów obecnych w paliwie: jeśli występuje masa mniejsza niż masa krytyczna, to ilość neutronów jest określana przez rozpad radioaktywny , ale jeśli masa krytyczna lub większa, to ilość neutronów jest kontrolowana przez fizykę reakcji łańcuchowej. Rzeczywista masa z masy krytycznej paliwa jądrowego silnie zależy od geometrii i otaczających materiałów.

Nie wszystkie rozszczepialne izotopy mogą podtrzymać reakcję łańcuchową. Na przykład 238 U, najbardziej rozpowszechniona forma uranu, jest rozszczepialna, ale nie rozszczepialna: ulega indukowanemu rozszczepieniu pod wpływem energetycznego neutronu o energii kinetycznej ponad 1 MeV. Jednak zbyt mało neutronów wytwarzanych w wyniku rozszczepienia 238 U ma wystarczającą energię, aby wywołać dalsze rozszczepienia w 238 U, więc reakcja łańcuchowa z tym izotopem nie jest możliwa. Zamiast tego bombardowanie 238 U wolnymi neutronami powoduje ich absorpcję (stając się 239 U) i rozpad poprzez emisję beta do 239 Np, który następnie rozpada się ponownie w tym samym procesie do 239 Pu; proces ten jest wykorzystywany do produkcji 239 Pu w reaktorach reprodukcyjnych . Produkcja plutonu in situ przyczynia się również do reakcji łańcuchowej neutronów w innych typach reaktorów po wytworzeniu wystarczającej ilości plutonu-239, ponieważ pluton-239 jest również pierwiastkiem rozszczepialnym, który służy jako paliwo. Szacuje się, że nawet połowa mocy wytwarzanej przez standardowy reaktor „nierozmnażający” jest wytwarzana w wyniku rozszczepienia plutonu-239 wytwarzanego w miejscu, w całym cyklu życia ładunku paliwa.

Rozszczepialne, nierozszczepialne izotopy mogą być stosowane jako źródło energii rozszczepienia nawet bez reakcji łańcuchowej. Bombardowanie 238 U szybkimi neutronami indukuje rozszczepienia, uwalniając energię, dopóki obecne jest zewnętrzne źródło neutronów. Jest to ważny efekt we wszystkich reaktorach, w których neutrony prędkie z izotopu rozszczepialnego mogą powodować rozszczepienie pobliskich jąder 238 U, co oznacza, że ​​niewielka część 238 U jest „spalana” we wszystkich paliwach jądrowych, zwłaszcza w reaktorach prędkich. reaktory działające z neutronami o wyższej energii. Ten sam efekt szybkiego rozszczepienia jest wykorzystywany do zwiększania energii uwalnianej przez nowoczesną broń termojądrową , poprzez nałożenie na broń 238 U w celu reagowania z neutronami uwalnianymi przez fuzję jądrową w centrum urządzenia. Jednak wybuchowe skutki łańcuchowych reakcji rozszczepienia jądrowego można zmniejszyć, stosując substancje takie jak moderatory, które spowalniają prędkość neutronów wtórnych.

Reaktory rozszczepienia

Krytyczne reaktory rozszczepienia są najczęstszym typem reaktora jądrowego . W krytycznym reaktorze rozszczepienia neutrony wytwarzane przez rozszczepienie atomów paliwa są wykorzystywane do indukowania jeszcze większej liczby rozszczepień, aby utrzymać kontrolowaną ilość uwalnianej energii. Urządzenia, które wytwarzają zaprojektowane, ale niesamodzielne reakcje rozszczepienia, to podkrytyczne reaktory rozszczepienia . Takie urządzenia wykorzystują rozpad radioaktywny lub akceleratory cząstek do wywołania rozszczepienia.

Krytyczne reaktory rozszczepienia są budowane w trzech podstawowych celach, które zazwyczaj wiążą się z różnymi kompromisami inżynieryjnymi, aby wykorzystać ciepło lub neutrony wytwarzane w reakcji łańcuchowej rozszczepienia:

Chociaż w zasadzie wszystkie reaktory rozszczepienia mogą działać we wszystkich trzech zdolnościach, w praktyce zadania prowadzą do sprzecznych celów inżynieryjnych i większość reaktorów została zbudowana z myślą tylko o jednym z powyższych zadań. (Istnieje kilka wczesnych kontrprzykładów, takich jak reaktor Hanford N , obecnie wycofany z eksploatacji). Reaktory energetyczne zazwyczaj przekształcają energię kinetyczną produktów rozszczepienia w ciepło, które jest wykorzystywane do podgrzewania płynu roboczego i napędzania silnika cieplnego, który wytwarza energię mechaniczną lub elektryczną. Płynem roboczym jest zwykle woda z turbiną parową, ale niektóre konstrukcje wykorzystują inne materiały, takie jak gazowy hel . Reaktory badawcze wytwarzają neutrony, które są wykorzystywane na różne sposoby, a ciepło rozszczepienia jest traktowane jako nieunikniony produkt odpadowy. Reaktory rozrodcze są wyspecjalizowaną formą reaktora badawczego, z zastrzeżeniem, że napromieniana próbka jest zwykle samym paliwem, mieszaniną 238 U i 235 U. Aby uzyskać bardziej szczegółowy opis fizyki i zasad działania krytycznych reaktorów rozszczepienia, zobacz fizyka reaktora jądrowego . Aby zapoznać się z opisem ich aspektów społecznych, politycznych i środowiskowych, patrz energia jądrowa .

Bomby rozszczepialne

Grzyb chmura o bombie atomowej spadła na Nagasaki, w Japonii w dniu 9 sierpnia 1945 roku wzrosła ponad 18 kilometrów (11 mil) powyżej bomby hipocentrum . Szacuje się, że bomba atomowa zginęła 39 000 osób, z czego 23 145–28 113 to japońscy robotnicy fabryczni, 2000 to koreańscy robotnicy przymusowi, a 150 to japońscy kombatanci.

Jedna z klas broni jądrowej , bomba rozszczepienia (nie mylić z bombą fuzyjną ), inaczej zwana bombą atomową lub bombą atomową , to reaktor rozszczepienia zaprojektowany w celu uwolnienia jak największej ilości energii tak szybko, jak to możliwe, przed uwolnieniem energia powoduje wybuch reaktora (i zatrzymanie reakcji łańcuchowej). Rozwój broni jądrowej był motywacją wczesnych badań nad rozszczepieniem jądrowym, które Projekt Manhattan podczas II wojny światowej (1 września 1939 r. – 2 września 1945 r.) przeprowadził większość wczesnych prac naukowych nad łańcuchowymi reakcjami rozszczepienia, których kulminacją były trzy wydarzenia z udziałem bomb rozszczepialnych, które miały miejsce podczas wojny. Pierwsza bomba atomowa o kryptonimie „The Gadget” została zdetonowana podczas próby Trinity na pustyni w Nowym Meksyku 16 lipca 1945 roku. Dwie inne bomby atomowe, o kryptonimie „ Little Boy ” i „ Fat Man ”, zostały użyte w walce przeciwko na japońskie miasta Hiroszimę i Nagasaki w dniu 6 sierpnia 1945 i 9, odpowiednio.

Nawet pierwsze bomby rozszczepialne były tysiące razy bardziej wybuchowe niż porównywalna masa chemicznego materiału wybuchowego . Na przykład Little Boy ważył w sumie około czterech ton (z czego 60 kg stanowiło paliwo jądrowe) i miał 11 stóp (3,4 m) długości; spowodował również eksplozję równoważną około 15 kilotonom trotylu , niszcząc dużą część miasta Hiroszima. Nowoczesna broń jądrowa (obejmująca syntezę termojądrową, a także jeden lub więcej etapów rozszczepienia) jest setki razy bardziej energetyczna ze względu na swoją wagę niż pierwsze bomby atomowe z czystym rozszczepieniem (patrz wydajność broni jądrowej ), tak że nowoczesna bomba z pojedynczą głowicą mniej niż 1/8 tego, co Little Boy (patrz na przykład W88 ) ma wydajność 475 kiloton trotylu i może spowodować zniszczenie około 10 razy większej powierzchni miasta.

Podczas gdy podstawowa fizyka łańcuchowej reakcji rozszczepienia w broni jądrowej jest podobna do fizyki kontrolowanego reaktora jądrowego, oba typy urządzeń muszą być zaprojektowane zupełnie inaczej (patrz fizyka reaktora jądrowego ). Bomba atomowa jest zaprojektowana tak, aby uwolnić całą swoją energię na raz, podczas gdy reaktor jest zaprojektowany tak, aby generować stały dopływ użytecznej energii. Podczas gdy przegrzanie reaktora może prowadzić i doprowadziło do stopienia i eksplozji pary , znacznie niższe wzbogacenie uranu uniemożliwia reaktorowi jądrowemu wybuch z taką samą siłą niszczącą jak broń jądrowa. Trudno jest również wydobyć użyteczną moc z bomby atomowej, chociaż przynajmniej jeden system napędu rakietowego , Projekt Orion , miał działać poprzez eksplodowanie bomb rozszczepieniowych za potężnie wyściełanym i osłoniętym statkiem kosmicznym.

Strategiczne znaczenie broni jądrowej jest głównym powodem, dla którego technologia rozszczepienia jądrowego jest politycznie wrażliwe. Realne projekty bomb rozszczepialnych są prawdopodobnie w zakresie możliwości wielu osób, ponieważ są stosunkowo proste z inżynieryjnego punktu widzenia. Jednak trudność w uzyskaniu rozszczepialnego materiału jądrowego do realizacji projektów jest kluczem do względnej niedostępności broni jądrowej dla wszystkich poza nowoczesnymi rządami uprzemysłowionymi ze specjalnymi programami produkcji materiałów rozszczepialnych (patrz wzbogacanie uranu i jądrowy cykl paliwowy).

Historia

Odkrycie rozszczepienia jądrowego

Hahn i Meitner w 1912 r.

Odkrycie rozszczepienia jądrowego miało miejsce w 1938 r. w budynkach Towarzystwa Chemicznego im. Kaisera Wilhelma , dziś będącego częścią Wolnego Uniwersytetu w Berlinie , po ponad czterech dekadach prac nad nauką o promieniotwórczości i opracowaniu nowej fizyki jądrowej, która opisuje składniki atomy . W 1911 roku, Ernest Rutherford, zaproponowano model atomu, w której bardzo małe, zwarte i dodatnio naładowany rdzeń z protonów otoczonego orbicie ujemnie naładowane elektrony (na modelu Rutherford ). Niels Bohr poprawił to w 1913 r., pogodziwszy kwantowe zachowanie elektronów ( model Bohra ). W pracy Henri Becquerela , Marie Curie , Pierre Curie i Rutherforda dalej wyjaśniono, że jądro, choć ściśle związane, może podlegać różnym formom rozpadu promieniotwórczego , a tym samym przemieniać się w inne pierwiastki. (Na przykład, przez rozpad alfa : emisja cząstki alfa — dwóch protonów i dwóch neutronów połączonych razem w cząstkę identyczną z jądrem helu .)

Wykonano pewne prace związane z transmutacją jądrową . W 1917 Rutherford był w stanie dokonać transmutacji azotu w tlen, używając cząstek alfa skierowanych na azot 14 N + α → 17 O + p. Była to pierwsza obserwacja reakcji jądrowej , czyli reakcji, w której cząstki z jednego rozpadu są wykorzystywane do przekształcenia innego jądra atomowego. Ostatecznie w 1932 roku koledzy Rutherforda Ernest Walton i John Cockcroft osiągnęli w pełni sztuczną reakcję jądrową i transmutację jądrową , którzy użyli sztucznie przyspieszonych protonów przeciwko litowi-7, aby podzielić to jądro na dwie cząstki alfa. Wyczyn ten był powszechnie znany jako „rozszczepienie atomu” i zapewnił im Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1951 r. za „Transmutację jąder atomowych przez sztucznie przyspieszane cząstki atomowe” , chociaż nie była to reakcja rozszczepienia jądrowego odkryta później w ciężkich pierwiastkach.

Po tym, jak angielski fizyk James Chadwick odkrył neutron w 1932 roku, Enrico Fermi i jego koledzy w Rzymie zbadali wyniki bombardowania uranu neutronami w 1934 roku. Fermi doszedł do wniosku, że jego eksperymenty stworzyły nowe pierwiastki z 93 i 94 protonami, które grupa nazwała ausonium i hesperium . Jednak nie wszystkich przekonała analiza jego wyników przeprowadzona przez Fermiego, chociaż w 1938 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za „demonstracje istnienia nowych pierwiastków promieniotwórczych wytwarzanych przez napromieniowanie neutronami oraz za związane z tym odkrycie reakcji jądrowych wywołanych przez wolne neutrony". Niemiecka chemiczka Ida Noddack zasugerowała w druku z 1934 r., że zamiast tworzyć nowy, cięższy pierwiastek 93, „możliwe jest, że jądro rozpadnie się na kilka dużych fragmentów”. Jednak konkluzja Noddacka nie była wówczas kontynuowana.

Aparatura eksperymentalna podobna do tej, za pomocą której Otto Hahn i Fritz Strassmann odkryli rozszczepienie jądrowe w 1938 roku. Aparatura nie byłaby na tym samym stole ani w tym samym pomieszczeniu.

Po publikacji Fermiego Otto Hahn , Lise Meitner i Fritz Strassmann zaczęli przeprowadzać podobne eksperymenty w Berlinie . Meitner, austriacka Żydówka, straciła obywatelstwo austriackie w Anschlussie , unii Austrii z Niemcami w marcu 1938, ale w lipcu 1938 uciekła do Szwecji i rozpoczęła korespondencję pocztową z Hahnem w Berlinie. Zbiegiem okoliczności jej siostrzeniec Otto Robert Frisch , również uchodźca, był również w Szwecji, kiedy Meitner otrzymał list od Hahna z dnia 19 grudnia opisujący jego chemiczny dowód, że częścią produktu bombardowania uranu neutronami był bar . Hahn zasugerował pęknięcie jądra, ale nie był pewien, jaka była fizyczna podstawa wyników. Bar miał masę atomową o 40% mniejszą niż uran i żadna wcześniej znana metoda rozpadu radioaktywnego nie mogła wyjaśnić tak dużej różnicy w masie jądra. Frisch był sceptyczny, ale Meitner ufał zdolnościom Hahna jako chemikowi. Marie Curie od wielu lat oddzielała bar od radu, a techniki te były dobrze znane. Meitner i Frisch następnie poprawnie zinterpretowali wyniki Hahna, aby oznaczać, że jądro uranu podzieliło się mniej więcej na pół. Frisch zasugerował, aby proces ten nazwać „rozszczepieniem jądrowym”, przez analogię do procesu podziału żywej komórki na dwie komórki, który został wówczas nazwany rozszczepieniem binarnym . Tak jak termin jądrowa „reakcja łańcuchowa” został później zapożyczony z chemii, tak termin „rozszczepienie” został zapożyczony z biologii.

Szybko rozeszły się wieści o nowym odkryciu, które słusznie było postrzegane jako całkowicie nowy efekt fizyczny o wielkich naukowych – i potencjalnie praktycznych – możliwościach. Interpretacja Meitnera i Frischa dotycząca odkrycia Hahna i Strassmanna przepłynęła Ocean Atlantycki z Nielsem Bohrem , który miał wykładać na Uniwersytecie Princeton . II Rabi i Willis Lamb , dwaj fizycy z Columbia University pracujący w Princeton, usłyszeli tę wiadomość i zanieśli ją z powrotem do Kolumbii. Rabi powiedział, że powiedział Enrico Fermi ; Fermi dał kredyt Lambowi. Wkrótce potem Bohr udał się z Princeton do Kolumbii, aby zobaczyć Fermiego. Nie znajdując Fermiego w swoim biurze, Bohr zszedł do obszaru cyklotronu i znalazł Herberta L. Andersona . Bohr złapał go za ramię i powiedział: „Młody człowieku, pozwól, że wyjaśnię ci coś nowego i ekscytującego w fizyce”. Dla wielu naukowców z Kolumbii było jasne, że powinni spróbować wykryć energię uwolnioną w rozszczepieniu jądrowym uranu podczas bombardowania neutronami. 25 stycznia 1939 r. zespół z Columbia University przeprowadził pierwszy eksperyment dotyczący rozszczepienia jądrowego w Stanach Zjednoczonych, który przeprowadzono w piwnicy Pupin Hall . Eksperyment polegał na umieszczeniu tlenku uranu w komorze jonizacyjnej i napromieniowaniu go neutronami oraz pomiarze uwolnionej w ten sposób energii. Wyniki potwierdziły, że zachodziło rozszczepienie i wyraźnie wskazywały, że to w szczególności izotop uranu 235 ulegał rozszczepieniu. Następnego dnia, pod wspólnym auspicjami George Washington University i Carnegie Institution of Washington, rozpoczęła się w Waszyngtonie piąta waszyngtońska konferencja na temat fizyki teoretycznej . Tam wiadomość o rozszczepieniu jądrowym rozeszła się jeszcze dalej, co sprzyjało wielu demonstracjom eksperymentalnym.

Zrealizowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia

W tym okresie węgierski fizyk Leó Szilárd zdał sobie sprawę, że napędzane neutronami rozszczepienie ciężkich atomów może zostać wykorzystane do wywołania reakcji łańcuchowej w jądrze . Taka reakcja z użyciem neutronów była pomysłem, który po raz pierwszy sformułował w 1933 roku, po przeczytaniu pogardliwych uwag Rutherforda o generowaniu energii z eksperymentu jego zespołu z 1932 roku przy użyciu protonów do rozszczepienia litu. Jednak Szilárd nie był w stanie osiągnąć napędzanej neutronami reakcji łańcuchowej z bogatymi w neutrony atomami lekkimi. Teoretycznie, jeśli w napędzanej neutronami reakcji łańcuchowej liczba wytworzonych neutronów wtórnych jest większa niż jeden, to każda taka reakcja może wywołać wiele dodatkowych reakcji, wytwarzając wykładniczo rosnącą liczbę reakcji. Istniała więc możliwość, że rozszczepienie uranu może przynieść ogromne ilości energii do celów cywilnych lub wojskowych (tj. wytwarzanie energii elektrycznej lub bomby atomowe ).

Szilard wezwał teraz Fermiego (w Nowym Jorku) i Frédérica Joliot-Curie (w Paryżu), aby powstrzymali się od publikacji na temat możliwości reakcji łańcuchowej, aby nazistowski rząd nie dowiedział się o możliwościach w przededniu tego, co później będzie znane jako Świat II wojna . Z pewnym wahaniem Fermi zgodził się na autocenzurę. Ale Joliot-Curie tego nie zrobił, aw kwietniu 1939 roku jego zespół w Paryżu, w tym Hans von Halban i Lew Kowarski , doniósł w czasopiśmie Nature, że liczba neutronów emitowanych w wyniku rozszczepienia jądrowego uranu wynosiła 3,5 na rozszczepienie. (Później poprawili to do 2,6 na rozszczepienie.) Jednoczesna praca Szilarda i Waltera Zinna potwierdziła te wyniki. Wyniki sugerowały możliwość budowy reaktorów jądrowych (zwanych najpierw przez Szilarda i Fermiego „reaktorami neutronicznymi”), a nawet bomb atomowych. Jednak nadal wiele nie wiadomo na temat systemów rozszczepienia i reakcji łańcuchowej.

Rysunek pierwszego sztucznego reaktora, Chicago Pile-1 .

Reakcje łańcuchowe były w tym czasie znanym zjawiskiem w chemii , ale analogiczny proces w fizyce jądrowej, wykorzystujący neutrony, został przewidziany już w 1933 roku przez Szilárda, chociaż Szilárd nie miał wówczas pojęcia, z jakich materiałów można ten proces zainicjować. Szilárd uważał, że neutrony byłyby idealne w takiej sytuacji, ponieważ nie miały ładunku elektrostatycznego.

Z wiadomością o rozszczepieniu neutronów z rozszczepienia uranu Szilárd natychmiast zrozumiał możliwość reakcji łańcuchowej jądrowej z wykorzystaniem uranu. Latem Fermi i Szilard zaproponowali ideę reaktora jądrowego (palu), aby pośredniczyć w tym procesie. Stos wykorzystywałby naturalny uran jako paliwo. Fermi wykazał znacznie wcześniej, że neutrony są znacznie skuteczniej wychwytywane przez atomy, jeśli mają niską energię (tzw. „powolne” lub „termiczne” neutrony), ponieważ z powodów kwantowych atomy wyglądały na znacznie większe cele dla neutronów . Tak więc, aby spowolnić neutrony wtórne uwalniane przez rozszczepiające się jądra uranu, Fermi i Szilard zaproponowali grafitowy „moderator”, z którym zderzałyby się szybkie, wysokoenergetyczne neutrony wtórne, skutecznie je spowalniając. Przy wystarczającej ilości uranu i wystarczająco czystym graficie ich „stos” mógłby teoretycznie podtrzymać powolną reakcję łańcuchową neutronów. Spowodowałoby to wytwarzanie ciepła, a także tworzenie radioaktywnych produktów rozszczepienia .

W sierpniu 1939 r. Szilard i koledzy węgierscy fizycy-uchodźcy Teller i Wigner myśleli, że Niemcy mogą wykorzystać reakcję łańcuchową rozszczepienia i zostali zachęceni do próby zwrócenia na ten problem uwagi rządu Stanów Zjednoczonych. W tym celu przekonali niemiecko-żydowskiego uchodźcę Alberta Einsteina, aby użyczył swojego nazwiska listowi skierowanemu do prezydenta Franklina Roosevelta . List Einsteina-Szilárd zasugerował możliwość elementem wynikowym uran bomby statkiem, który zniszczy „cały port i wiele okolicę”. Prezydent otrzymał list 11 października 1939 r. — krótko po wybuchu II wojny światowej w Europie, ale dwa lata przed wejściem do niej Stanów Zjednoczonych. Roosevelt zarządził upoważnienie komitetu naukowego do nadzorowania prac nad uranu i przeznaczył niewielką sumę pieniędzy na badania stosów.

W Anglii James Chadwick zaproponował bombę atomową wykorzystującą naturalny uran, na podstawie artykułu Rudolfa Peierlsa, o masie potrzebnej do stanu krytycznego wynoszącej 30–40 ton. W Ameryce J. Robert Oppenheimer uważał, że kostka deuterku uranu o boku 10 cm (około 11 kg uranu) może „samodzielnie wpaść w piekło”. W tym projekcie nadal uważano, że do rozszczepienia bomby jądrowej trzeba będzie użyć moderatora (okazało się, że nie jest tak w przypadku rozdzielenia izotopu rozszczepialnego). W grudniu Werner Heisenberg przekazał niemieckiemu Ministerstwu Wojny raport o możliwości zrzucenia bomby uranowej. Większość z tych modeli nadal zakładała, że ​​bomby będą zasilane przez powolne reakcje neutronowe – a zatem będą podobne do reaktora przechodzącego krytyczny skok mocy .

W Birmingham w Anglii Frisch połączył siły z Peierlsem , innym uchodźcą niemiecko-żydowskim. Wpadli na pomysł wykorzystania oczyszczonej masy izotopu uranu 235 U, którego przekrój poprzeczny nie został jeszcze określony, ale który uważano za znacznie większy niż 238 U lub naturalny uran (który stanowi 99,3% tego ostatniego izotopu). . Zakładając, że przekrój poprzeczny dla rozszczepienia szybkich neutronów 235 U jest taki sam, jak dla wolnego rozszczepiania neutronów, ustalili, że czysta bomba 235 U może mieć masę krytyczną tylko 6 kg zamiast ton, a wynikająca z tego eksplozja będzie ogromny. (W rzeczywistości ilość ta wynosiła 15 kg, chociaż kilkakrotnie ta ilość została zużyta w rzeczywistej bombie uranowej ( Little Boy ). W lutym 1940 r. przekazali memorandum Frischa–Peierlsa . Jak na ironię, w tamtym czasie nadal byli oficjalnie uważani za „wrogich kosmitów”. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl i włosko-żydowski uchodźca Emilio Segre wkrótce potem odkryto 239 Pu w produktach rozpadu 239 U produkowanych przez bombardowanie 238 U z neutronów i ustalił, że jest to materiał rozszczepialny, jak 235 U .

Możliwość wyodrębnienia uranu-235 była technicznie zniechęcająca, ponieważ uran-235 i uran-238 są chemicznie identyczne i różnią się masą tylko o wagę trzech neutronów. Jednakże, gdyby można było wyizolować wystarczającą ilość uranu-235, umożliwiłoby to szybką reakcję łańcuchową rozszczepienia neutronów. Byłaby to niezwykle wybuchowa, prawdziwa „bomba atomowa”. Odkrycie, że pluton-239 może być wytwarzany w reaktorze jądrowym, wskazało na inne podejście do bomby rozszczepienia neutronów prędkich. Oba podejścia były niezwykle nowatorskie i nie zostały jeszcze dobrze zrozumiane, a pomysł, że można je opracować w krótkim czasie, był sceptycyzmem naukowym.

28 czerwca 1941 r. w USA utworzono Biuro Badań Naukowych i Rozwoju, które ma zmobilizować zasoby naukowe i zastosować wyniki badań w obronie narodowej. We wrześniu Fermi zmontował swój pierwszy jądrowy „stos” lub reaktor, próbując wywołać powolną reakcję łańcuchową indukowaną neutronami w uranie, ale eksperyment nie osiągnął krytyczności z powodu braku odpowiednich materiałów lub niewystarczającej ilości właściwych materiały, które były dostępne.

Stwierdzono, że wywołanie łańcuchowej reakcji rozszczepienia w naturalnym paliwie uranowym nie jest trywialne. Wczesne reaktory jądrowe nie wykorzystywały izotopowo wzbogaconego uranu, co w konsekwencji wymagało stosowania dużych ilości wysoko oczyszczonego grafitu jako materiałów moderujących neutrony. Stosowanie zwykłej wody (w przeciwieństwie do ciężkiej wody ) w reaktorów wymaga wzbogaconego paliwa - częściowe oddzielenie i względne wzbogacenie rzadkich 235 U izotopu z znacznie częściej 238 U izotopu. Zazwyczaj reaktory wymagają również włączenia wyjątkowo czystych chemicznie materiałów moderujących neutrony , takich jak deuter (w ciężkiej wodzie ), hel , beryl lub węgiel, ten ostatni zwykle w postaci grafitu . (Wysoka czystość węgla jest wymagana, ponieważ wiele zanieczyszczeń chemicznych, takich jak bor-10 składnik naturalnego boru , jest bardzo silnym pochłaniaczem neutronów, a tym samym zatruwa reakcję łańcuchową i przedwcześnie ją kończy.)

Produkcja takich materiałów na skalę przemysłową musiała zostać rozwiązana, aby można było osiągnąć wytwarzanie energii jądrowej i produkcję broni. Do 1940 r. całkowita ilość metalicznego uranu wyprodukowanego w USA nie przekraczała kilku gramów, a nawet to było wątpliwej czystości; metalicznego berylu nie więcej niż kilka kilogramów; oraz stężony tlenek deuteru ( ciężka woda ) nie więcej niż kilka kilogramów. Wreszcie węgiel nigdy nie był produkowany w ilościach o czystości wymaganej od moderatora.

Problem wytwarzania dużych ilości uranu o wysokiej czystości został rozwiązany przez Franka Speddinga przy użyciu termitu lub procesu „ Amesa ”. Laboratorium Amesa zostało założone w 1942 roku w celu produkcji dużych ilości naturalnego (niewzbogaconego) uranu metalicznego, które byłyby niezbędne do przyszłych badań. Kluczowy sukces reakcji łańcuchowej jądrowej Chicago Pile-1 (2 grudnia 1942 r.), który wykorzystywał niewzbogacony (naturalny) uran, podobnie jak wszystkie „stosy” atomowe, które wyprodukowały pluton do bomby atomowej, był również spowodowany konkretnie przez Szilarda. uświadomienie sobie, że bardzo czysty grafit może być użyty jako moderator nawet naturalnych „skupów” uranu. W czasie wojny w Niemczech niedocenienie właściwości bardzo czystego grafitu doprowadziło do projektowania reaktorów uzależnionych od ciężkiej wody, czego z kolei odmówiły Niemcom ataki alianckie w Norwegii, gdzie produkowano ciężką wodę . Te trudności – między innymi – uniemożliwiły nazistom zbudowanie reaktora jądrowego zdolnego do krytycznego działania w czasie wojny, chociaż nigdy nie wkładali oni tyle wysiłku w badania jądrowe, co Stany Zjednoczone, koncentrując się na innych technologiach ( więcej szczegółów w niemieckim projekcie energetyki jądrowej ).

Projekt Manhattan i nie tylko

W Stanach Zjednoczonych pod koniec 1942 r. rozpoczęto szeroko zakrojone wysiłki na rzecz produkcji broni atomowej. Prace te zostały przejęte przez Korpus Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych w 1943 r. i znane jako Manhattan Engineer District. Ściśle tajny Projekt Manhattan , jak go potocznie nazywano, kierował generał Leslie R. Groves . Wśród kilkudziesięciu lokalizacji projektu znalazły się: Hanford Site w Waszyngtonie, gdzie znajdowały się pierwsze reaktory jądrowe na skalę przemysłową i produkowały pluton ; Oak Ridge, Tennessee , która zajmowała się głównie wzbogacaniem uranu ; oraz Los Alamos w Nowym Meksyku, który był ośrodkiem naukowym badań nad rozwojem i projektowaniem bomb. Inne placówki, w szczególności Laboratorium Promieniowania Berkeley i Laboratorium Metalurgiczne na Uniwersytecie w Chicago, odegrały ważną rolę. Ogólnym kierownictwem naukowym projektu kierował fizyk J. Robert Oppenheimer .

W lipcu 1945 roku na pustyni w Nowym Meksyku zdetonowano pierwszy atomowy ładunek wybuchowy, nazwany „ Trinity ”. Był zasilany przez pluton wytworzony w Hanford. W sierpniu 1945 roku dwa kolejne urządzenia atomowe – „ Little Boy ” – bomba uranowa-235 i „ Fat Man ” – bomba plutonowa – zostały użyte przeciwko japońskim miastom Hiroszima i Nagasaki .

W latach po II wojnie światowej wiele krajów było zaangażowanych w dalszy rozwój rozszczepienia jądrowego na potrzeby reaktorów jądrowych i broni jądrowej. Wielka Brytania otworzyła pierwszą komercyjną elektrownię jądrową w 1956 roku. Do 2013 roku istniało 437 reaktorów w 31 krajach.

Naturalne reaktory łańcuchowe rozszczepienia na Ziemi

Krytyczność w naturze jest rzadkością. W trzech złożach rudy w Oklo w Gabonie odkryto szesnaście miejsc (tzw. Oklo Fossil Reactors ), w których około 2 miliardy lat temu miało miejsce samopodtrzymujące się rozszczepienie jądrowe. Nieznane aż do 1972 (ale postulowane przez Paula Kurodę w 1956), kiedy francuski fizyk Francis Perrin odkrył reaktory skamieniałości Oklo , zdano sobie sprawę, że natura pokonała ludzi. Naturalne reakcje łańcuchowe rozszczepienia uranu na dużą skalę, moderowane przez normalną wodę, miały miejsce dawno w przeszłości i nie będą teraz możliwe. Ten starożytny proces był w stanie wykorzystać zwykłą wodę jako moderator tylko dlatego, że 2 miliardy lat przed teraźniejszością naturalny uran był bogatszy w krócej żyjący izotop rozszczepialny 235 U (około 3%), niż naturalny uran dostępny dzisiaj (który wynosi tylko 0,7 i musi być wzbogacony do 3%, aby nadawał się do wykorzystania w reaktorach lekkowodnych).

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki