Atomfisjon - Nuclear fission
| Kjernefysikk |
|---|
 |
| Nucleus · nukleoner ( p , n ) · Kjerne sak · Kjerne kraft · Kjerne struktur · kjernereaksjon |
Fisjon er en reaksjon hvori kjernen av et atom splittes i to eller flere mindre kjerner . Fisjonsprosessen produserer ofte gamma- fotoner , og frigjør en meget stor mengde av energi selv ved den energiske standarder for radioaktiv nedbrytning .
Nuklear fisjon av tunge grunnstoffer ble oppdaget 17. desember 1938 av den tyske kjemikeren Otto Hahn og hans assistent Fritz Strassmann i samarbeid med den østerriksk-svenske fysikeren Lise Meitner . Hahn forsto at det hadde skjedd et "utbrudd" av atomkjernene. Meitner forklarte det teoretisk i januar 1939 sammen med nevøen Otto Robert Frisch . Frisch navngav prosessen analogt med biologisk fisjon av levende celler. For tunge nuklider er det en eksoterm reaksjon som kan frigjøre store mengder energi både som elektromagnetisk stråling og som kinetisk energi til fragmentene ( oppvarming av bulkmaterialet der fisjonen finner sted). Som kjernefusjon må den totale bindingsenergien til de resulterende elementene være større enn for startelementet for at fisjonen skal produsere energi .
Fisjon er en form for kjernefysisk transmutasjon fordi de resulterende fragmentene (eller datteratomer) ikke er det samme elementet som det opprinnelige moderatomet. De to (eller flere) kjernene som produseres er oftest av sammenlignbare, men litt forskjellige størrelser, vanligvis med et masseforhold av produkter på omtrent 3 til 2, for vanlige fissile isotoper . De fleste fisjoner er binære fisjoner (som produserer to ladede fragmenter), men noen ganger (2 til 4 ganger per 1000 hendelser) produseres tre positivt ladede fragmenter i en ternær fisjon . Den minste av disse fragmenter i ternære prosesser varierer i størrelse fra et proton til en argon kjerne.
Bortsett fra fisjon indusert av et nøytron, utnyttet og utnyttet av mennesker, blir en naturlig form for spontant radioaktivt forfall (som ikke krever et nøytron) også referert til som fisjon, og forekommer spesielt i isotoper med svært store mengder. Spontan fisjon ble oppdaget i 1940 av Flyorov , Petrzhak og Kurchatov i Moskva, i et eksperiment som hadde til hensikt å bekrefte at, uten bombardement av nøytroner, var fisjonraten for uran ubetydelig, som forutsagt av Niels Bohr ; det var ikke ubetydelig.
Den uforutsigbare sammensetningen av produktene (som varierer i en bred sannsynlighet og litt kaotisk måte) skiller fisjon fra rent kvantetunnelingsprosesser som protonemisjon , alfa -forfall og klyngefall , som gir de samme produktene hver gang. Nukleær fisjon produserer energi til kjernekraft og driver eksplosjonen av atomvåpen . Begge bruksområdene er mulige fordi visse stoffer som kalles atombrensel gjennomgår fisjon når de treffes av fisjonenøytroner, og igjen avgir nøytroner når de brytes fra hverandre. Dette gir en selvbærende kjedereaksjonen mulig, frigjør energi ved en kontrollert hastighet i en kjernereaktor eller i en meget hurtig, ukontrollert hastighet i et kjernevåpen.
Mengden fri energi som finnes i atombrensel er millioner av ganger mengden fri energi som finnes i en lignende masse kjemisk drivstoff som bensin , noe som gjør kjernefysisjon til en veldig tett energikilde. Produkter fra kjernefysiske fisjoner er imidlertid i gjennomsnitt langt mer radioaktive enn de tunge elementene som normalt spaltes som drivstoff, og forblir det i betydelige mengder tid, noe som gir opphav til et atomavfallsproblem . Bekymringer for kjerneavfallsakkumulering og atomvåpenens destruktive potensial er en motvekt til det fredelige ønsket om å bruke fisjon som energikilde .
Fysisk oversikt
Mekanisme
Radioaktivt forfall
Nukleær fisjon kan oppstå uten nøytronbombardement som en type radioaktivt forfall . Denne typen fisjon (kalt spontan fisjon ) er sjelden bortsett fra i noen få tunge isotoper.
Kjernefysisk reaksjon
I konstruerte kjernefysiske enheter forekommer i hovedsak all atomfisjon som en " kjernefysisk reaksjon "-en bombarderingsdrevet prosess som skyldes kollisjon av to subatomære partikler. I atomreaksjoner kolliderer en subatomær partikkel med en atomkjerne og forårsaker endringer i den. Kjernefysiske reaksjoner er dermed drevet av mekanikken for bombardement, ikke av det relativt konstante eksponensielle forfallet og halveringstiden som er karakteristisk for spontane radioaktive prosesser.
Mange typer kjernefysiske reaksjoner er for tiden kjent. Nuklear fisjon skiller seg viktigere fra andre typer kjernefysiske reaksjoner, ved at den kan forsterkes og noen ganger kontrolleres via en kjernekjedereaksjon (en type generell kjedereaksjon ). I en slik reaksjon kan frie nøytroner som frigis av hver fisjonhendelse utløse enda flere hendelser, som igjen frigjør flere nøytroner og forårsaker mer fisjon.
Det kjemiske elementet isotoper som kan opprettholde en fisjonskjedereaksjon kalles atombrensel , og sies å være splittede . De vanligste atombrenslene er 235 U (isotopen til uran med massenummer 235 og som brukes i atomreaktorer) og 239 Pu (isotopen til plutonium med massenummer 239). Disse drivstoffene brytes fra hverandre til et bimodalt utvalg av kjemiske elementer med atommasser sentrert nær 95 og 135 u ( fisjonprodukter ). De fleste nukleære brensel gjennomgå spontan fisjon bare meget langsomt, råtnende i stedet hovedsakelig via en alfa - beta nedbrytningskjeden over perioder på årtusener i uminnelige tider . I en atomreaktor eller atomvåpen blir det overveldende flertallet av fisjonhendelser indusert av bombardement med en annen partikkel, et nøytron, som selv er produsert av tidligere fisjonhendelser.
Nukleær fisjon i fissilt brensel er resultatet av kjernefysisk eksitasjonsenergi som produseres når en fissil kjerne fanger et nøytron. Denne energien, som følge av nøytronfangst, er et resultat av den attraktive atomkraften som virker mellom nøytron og kjerne. Det er nok å deformere kjernen til en dobbelt-flikket "dråpe", til det punktet at atomfragmenter overstiger avstandene som atomkraften kan holde to grupper ladede nukleoner sammen, og når dette skjer, fullfører de to fragmentene separasjonen og blir deretter drevet videre fra hverandre av sine gjensidig frastøtende ladninger, i en prosess som blir irreversibel med større og større avstand. En lignende prosess forekommer i spaltbare isotoper (for eksempel uran-238), men for å fisjonere krever disse isotopene ekstra energi levert av raske nøytroner (for eksempel de som produseres ved kjernefusjon i termonukleære våpen ).
Den flytende dråpe modell av atomkjernen forutsier med lik størrelse fisjonsprodukter som et resultat av kjernefysisk deformasjon. Den mer sofistikerte kjernefysiske skallmodellen er nødvendig for mekanisk å forklare ruten til det mer energisk gunstige resultatet, der det ene fisjonproduktet er litt mindre enn det andre. En fisjonsteori basert på skallmodellen er formulert av Maria Goeppert Mayer .
Den vanligste fisjoneringsprosessen er binær fisjon, og den produserer fisjonproduktene som er nevnt ovenfor, ved 95 ± 15 og 135 ± 15 u . Imidlertid skjer den binære prosessen bare fordi den er den mest sannsynlige. I alt fra 2 til 4 fisjoner per 1000 i en atomreaktor, produserer en prosess som kalles ternær fisjon tre positivt ladede fragmenter (pluss nøytroner), og den minste av disse kan variere fra en så liten ladning og masse som et proton ( Z = 1) , til et så stort fragment som argon ( Z = 18). De vanligste små fragmentene består imidlertid av 90% helium-4-kjerner med mer energi enn alfapartikler fra alfa-forfall (såkalte "langdistanse-alfa" ved ~ 16 MeV), pluss helium-6-kjerner og tritoner ( kjerne av tritium ). Den ternære prosessen er mindre vanlig, men ender likevel opp med å produsere betydelig helium-4 og tritiumgass i drivstoffstengene til moderne atomreaktorer.
Energi
Inngang
Fisjonen til en tung kjerne krever en total inngangsenergi på omtrent 7 til 8 millioner elektronvolt (MeV) for først å overvinne atomkraften som holder kjernen i en sfærisk eller nesten sfærisk form, og derfra deformere den til en to- flikete ("peanøtt") form der lappene kan fortsette å skille seg fra hverandre, presset av deres gjensidige positive ladning, i den vanligste prosessen med binær fisjon (to positivt ladede fisjonprodukter + nøytroner). Når kjernelappene er blitt presset til en kritisk avstand, utover hvilken den sterke kraften på kort avstand ikke lenger kan holde dem sammen, fortsetter separasjonsprosessen fra energien til (lengre rekkevidde) elektromagnetisk frastøtning mellom fragmentene. Resultatet er to fisjonfragmenter som beveger seg bort fra hverandre ved høy energi.
Omtrent 6 MeV av fisjoninngangsenergien tilføres ved enkel binding av et ekstra nøytron til den tunge kjernen via den sterke kraften; i mange spaltbare isotoper er imidlertid denne energimengden ikke nok for fisjon. Uran-238, for eksempel, har et tverrsnitt på nesten null fisjon for nøytroner på mindre enn en MeV-energi. Hvis ingen annen energi tilføres av en annen mekanisme, vil kjernen ikke fisjonere, men bare absorbere nøytronet, slik som skjer når U-238 absorberer sakte og til og med en brøkdel av raske nøytroner, for å bli U-239. Den gjenværende energien for å starte fisjon kan tilføres av to andre mekanismer: en av disse er mer kinetisk energi fra det innkommende nøytronet, som i økende grad er i stand til å fisjonere en spaltbar tung kjerne ettersom den overstiger en kinetisk energi på en MeV eller mer (så kalt raske nøytroner ). Slike høyenergienøytroner er i stand til å fisjonere U-238 direkte (se termonukleære våpen for anvendelse, der de raske nøytronene tilføres ved kjernefusjon ). Imidlertid kan denne prosessen ikke skje i stor grad i en atomreaktor, ettersom for liten brøkdel av fisjonenøytronene som produseres av alle typer fisjoner har nok energi til effektivt å fisjonere U-238 (fisjonenøytroner har en modusenergi på 2 MeV, men en median på bare 0,75 MeV, noe som betyr at halvparten av dem har mindre enn denne utilstrekkelige energien).
Blant de tunge aktinidelementene binder imidlertid de isotoper som har et oddetall antall nøytroner (for eksempel U-235 med 143 nøytroner) et ekstra nøytron med ytterligere 1 til 2 MeV energi over en isotop av det samme elementet med en jevn antall nøytroner (for eksempel U-238 med 146 nøytroner). Denne ekstra bindingsenergien blir gjort tilgjengelig som et resultat av mekanismen for nøytronparringseffekter . Denne ekstra energien skyldes at Pauli -ekskluderingsprinsippet tillater at et ekstra nøytron opptar den samme atombanen som det siste nøytronet i kjernen, slik at de to danner et par. I slike isotoper er det derfor ikke nødvendig med nøytronkinetisk energi, for all nødvendig energi tilføres ved absorpsjon av et nøytron, enten av den langsomme eller raske varianten (førstnevnte brukes i modererte atomreaktorer, og sistnevnte brukes i raske nøytronreaktorer og i våpen). Som nevnt ovenfor, undergruppen av spaltbare elementer som kan være fissioned effektivt med sine egne fisjons nøytroner (og dermed potensielt forårsake en atomkjedereaksjon er i forholdsvis små mengder av rent materiale) kalt " spaltbart ". Eksempler på fissile isotoper er uran-235 og plutonium-239.
Produksjon
Typiske fisjonhendelser frigjør omtrent to hundre millioner eV (200 MeV) energi, tilsvarende omtrent> 2 billioner kelvin, for hver fisjonhendelse. Den eksakte isotopen som er spaltet, og om den er spaltbar eller splittet, har bare en liten innvirkning på mengden energi som frigjøres. Dette kan lett sees ved å undersøke kurven for bindingsenergi (bildet nedenfor), og merke seg at gjennomsnittlig bindingsenergi for aktinidnuklidene som begynner med uran er rundt 7,6 MeV per nukleon. Når man ser lenger til venstre på kurven for bindingsenergi, hvor fisjonproduktene klynges, blir det lett observert at bindingsenergien til fisjonproduktene har en tendens til å sentrere rundt 8,5 MeV per nukleon. Således frigjøres omtrent 0,9 MeV per nukleon i startelementet i enhver fisjonstilfelle av en isotop i aktinidets masseområde. Fisjonen av U235 ved et sakte nøytron gir nesten identisk energi til fisjonen til U238 av et raskt nøytron. Denne energifrigivelsesprofilen gjelder også for thorium og de forskjellige mindre aktinidene.
Derimot frigjør de fleste kjemiske oksidasjonsreaksjoner (for eksempel brennende kull eller TNT ) høyst noen få eV per hendelse. Så kjernefysisk drivstoff inneholder minst ti millioner ganger mer brukbar energi per masseenhet enn kjemisk drivstoff. Kerneklyvningsenergien frigjøres som kinetisk energi til fisjonproduktene og fragmentene, og som elektromagnetisk stråling i form av gammastråler ; i en atomreaktor blir energien omdannet til varme når partiklene og gammastrålene kolliderer med atomene som utgjør reaktoren og dens arbeidsvæske , vanligvis vann eller tidvis tungt vann eller smeltede salter .
Når en urankjerne fisjoneres i to datterkjernefragmenter, vises omtrent 0,1 prosent av urankjernens masse som fisjonenergi på ~ 200 MeV. For uran-235 (total gjennomsnittlig fisjonenergi 202,79 MeV) vises vanligvis ~ 169 MeV som den kinetiske energien til datterkjernene, som flyr fra hverandre med omtrent 3% av lysets hastighet, på grunn av Coulomb-frastøtning . Det sendes også ut gjennomsnittlig 2,5 nøytroner, med en gjennomsnittlig kinetisk energi per nøytron på ~ 2 MeV (totalt 4,8 MeV). Fisjonsreaksjon også utgivelser ~ 7 MeV i rask gammastråle- fotoner . Sistnevnte betyr at en eksplosjon eller en kritisk ulykke med atomspaltning avgir omtrent 3,5% av energien som gammastråler, mindre enn 2,5% av energien som raske nøytroner (totalt begge typer stråling ~ 6%), og resten som kinetisk energi av fisjonfragmenter (dette vises nesten umiddelbart når fragmentene påvirker omgivende materie, som enkel varme ). I en atombombe kan denne varmen tjene til å heve temperaturen på bombekjernen til 100 millioner kelvin og forårsake sekundær utslipp av myke røntgenstråler, som omdanner noe av denne energien til ioniserende stråling. I atomreaktorer forblir imidlertid den kinetiske energien i fisjonfragmentet som lavtemperaturvarme, noe som i seg selv forårsaker liten eller ingen ionisering.
Såkalte nøytronbomber (forsterkede strålingsvåpen) er konstruert som frigjør en større brøkdel av energien som ioniserende stråling (spesifikt nøytroner), men disse er alle termonukleære enheter som er avhengige av atomfusjonsfasen for å produsere den ekstra strålingen. Energidynamikken til rene fisjonbomber forblir alltid på omtrent 6% utbytte av totalstrålingen, som et raskt resultat av fisjon.
Den totale hurtige fisjonenergien utgjør omtrent 181 MeV, eller ~ 89% av den totale energien som til slutt frigjøres ved fisjon over tid. De resterende ~ 11% frigjøres i beta-forfall som har forskjellige halveringstider, men begynner som en prosess i fisjonproduktene umiddelbart; og ved forsinkede gamma -utslipp forbundet med disse beta -forfallene. For eksempel, i uran-235 er denne forsinkede energien delt inn i ca 6,5 MeV i beta, 8,8 MeV i antineutrinoer (frigitt samtidig med betas), og til slutt ytterligere 6,3 MeV i forsinket gamma-utslipp fra den opphissede beta- forfallsprodukter (for en gjennomsnittlig total på ~ 10 gammastråleutslipp per fisjon, i alt). Således frigjøres omtrent 6,5% av den totale fisjonenergien en tid etter hendelsen, som ikke-hurtig eller forsinket ioniserende stråling, og den forsinkede ioniserende energien er omtrent jevnt fordelt mellom gamma- og betastråleenergi.
I en reaktor som har vært i drift en stund, vil de radioaktive fisjonproduktene ha opparbeidet seg til steady state -konsentrasjoner slik at forfallshastigheten er lik formasjonshastigheten, slik at deres brøkdelte totale bidrag til reaktorvarme (via beta -forfall ) er det samme som disse radioisotopiske fraksjonelle bidragene til fisjonenergien. Under disse forholdene bidrar 6,5% av fisjonen som fremstår som forsinket ioniserende stråling (forsinket gammas og betas fra radioaktive fisjonprodukter) til steady-state reaktorvarme under strøm. Det er denne utgangsfraksjonen som gjenstår når reaktoren plutselig slås av (gjennomgår svindel ). Av denne grunn begynner reaktorens henfallsvarmeutgang ved 6,5% av fisjonens reaksjonskraft ved full reaksjon når reaktoren er slått av. Innen timer, på grunn av forfall av disse isotopene, er imidlertid forfallseffekten langt mindre. Se forfallsvarme for detaljer.
Resten av den forsinkede energien (8,8 MeV/202,5 MeV = 4,3% av total fisjonenergi) sendes ut som antineutrinoer, som praktisk sett ikke regnes som "ioniserende stråling". Årsaken er at energi som frigjøres som antineutrinos ikke fanges opp av reaktormaterialet som varme, og rømmer direkte gjennom alle materialer (inkludert jorden) med nesten lysets hastighet, og inn i interplanetarisk rom (mengden absorbert er liten). Nøytrino -stråling er vanligvis ikke klassifisert som ioniserende stråling, fordi den nesten ikke absorberes og derfor ikke gir effekter (selv om den svært sjeldne nøytrinohendelsen er ioniserende). Nesten all resten av strålingen (6,5% forsinket beta- og gammastråling) blir til slutt omdannet til varme i en reaktorkjerne eller dens skjerming.
Noen prosesser som involverer nøytroner er bemerkelsesverdige for å absorbere eller til slutt gi energi-for eksempel gir nøytron kinetisk energi ikke varme umiddelbart hvis nøytronet fanges opp av et uran-238 atom for å avle plutonium-239, men denne energien sendes ut hvis plutonium-239 blir senere splittet. På den annen side er såkalte forsinkede nøytroner som sendes ut som radioaktive forfallsprodukter med halveringstid opptil flere minutter, fra fisjon-døtre, svært viktige for reaktorkontroll , fordi de gir en karakteristisk "reaksjonstid" for den totale atomreaksjonen å doble i størrelse, hvis reaksjonen kjøres i en " forsinket-kritisk " sone som bevisst er avhengig av disse nøytronene for en superkritisk kjedereaksjon (en der hver fisjon syklus gir flere nøytroner enn den absorberer). Uten deres eksistens ville kjernekjedereaksjonen være hurtig kritisk og øke i størrelse raskere enn den kunne kontrolleres av menneskelig inngrep. I dette tilfellet ville de første eksperimentelle atomreaktorene ha stukket av til en farlig og rotete "hurtig kritisk reaksjon" før operatørene kunne ha stengt dem manuelt (av denne grunn inkluderte designer Enrico Fermi stråle-mot-utløste kontrollstenger, suspendert av elektromagneter, som automatisk kan falle ned i sentrum av Chicago Pile-1 ). Hvis disse forsinkede nøytronene fanges opp uten å produsere fisjoner, produserer de også varme.
Produktkjerner og bindingsenergi
I fisjon er det en preferanse å gi fragmenter med partall med proton, som kalles odd-even effekten på fragmenters ladningsfordeling. Det er imidlertid ikke odd-selv effekt observert på fragmentet massenummer fordeling. Dette resultatet tilskrives brudd på nukleonpar .
I kjernefysiske hendelser kan kjernene bryte seg inn i en hvilken som helst kombinasjon av lettere kjerner, men den vanligste hendelsen er ikke fisjon til like masse kjerner på omtrent masse 120; den vanligste hendelsen (avhengig av isotop og prosess) er en litt ulik fisjon der den ene datterkjernen har en masse på omtrent 90 til 100 u og den andre de resterende 130 til 140 u . Ulike fisjoner er energisk gunstigere fordi dette gjør at ett produkt kan være nærmere det energiske minimumet nær masse 60 u (bare en fjerdedel av den gjennomsnittlige fisjonable massen), mens den andre kjernen med masse 135 u fortsatt ikke er langt utenfor området for de tett bundet kjerner (en annen oppstilling av denne, er at atombindingsenergi kurve er noe brattere mot venstre av massen 120 u enn på høyre side av det).
Opprinnelsen til den aktive energien og kurven for bindende energi
Nukleær fisjon av tunge grunnstoffer produserer utnyttbar energi fordi den spesifikke bindingsenergien (bindingsenergi per masse) av mellomliggende massekjerner med atomnummer og atommasser nær 62 Ni og 56 Fe er større enn den nukleonspesifikke bindingsenergien til svært tunge kjerner , slik at energi frigjøres når tunge kjerner brytes fra hverandre. Den totale hvilemassen av fisjonproduktene ( Mp ) fra en enkelt reaksjon er mindre enn massen til den opprinnelige drivstoffkjernen ( M ). Den overskytende masse Δm = M - Mp er invariant masse av den energi som frigjøres som fotoner ( gammastråler ) og kinetisk energi av de fisjonsfragmentene, i henhold til masseenergiloven formelen E = mc 2 .
Variasjonen i spesifikke bindingsenergi med atomnummer skyldes samspillet mellom de to grunnleggende krefter som virker på komponent nukleoner ( protoner og nøytroner ) som utgjør kjernen. Kjerner er bundet av en attraktiv kjernekraft mellom nukleoner, som overvinner den elektrostatiske frastøtningen mellom protoner. Atomkraften virker imidlertid bare over relativt korte områder (noen få nukleondiametere ), siden den følger et eksponentielt forfallende Yukawa -potensial som gjør det ubetydelig på lengre avstander. Den elektrostatiske frastøtningen er av lengre rekkevidde, siden den forfaller med en invers-kvadratisk regel, slik at kjerner større enn omtrent 12 nukleoner i diameter når et punkt at den totale elektrostatiske frastøtingen overvinner kjernekraften og får dem til å være spontant ustabile. Av samme grunn er større kjerner (mer enn omtrent åtte nukleoner i diameter) mindre tett bundet per masseenhet enn mindre kjerner; bryte en stor kjerne i to eller flere mellomstore kjerner frigjør energi.
På grunn av den korte bindingsstyrkens korte rekkevidde må store, stabile kjerner inneholde proporsjonalt flere nøytroner enn de letteste elementene, som er mest stabile med et 1 til 1 forhold mellom protoner og nøytroner. Kjerner som har mer enn 20 protoner kan ikke være stabile med mindre de har mer enn like mange nøytroner. Ekstra nøytroner stabiliserer tunge elementer fordi de øker bindingen med sterk kraft (som virker mellom alle nukleoner) uten å legge til proton-proton frastøtning. Fisjonprodukter har i gjennomsnitt omtrent det samme forholdet mellom nøytroner og protoner som deres overordnede kjerne, og er derfor vanligvis ustabile for beta -forfall (som endrer nøytroner til protoner) fordi de har proporsjonalt for mange nøytroner sammenlignet med stabile isotoper med lignende masse.
Denne tendensen for fisjonproduktkjerner til å gjennomgå beta-forfall er den grunnleggende årsaken til problemet med radioaktivt høyt nivå avfall fra atomreaktorer. Fisjonprodukter har en tendens til å være beta-emittere , som sender ut elektroner i rask bevegelse for å spare elektrisk ladning , ettersom overflødige nøytroner konverterer til protoner i fisjonproduktatomer. Se Fisjonprodukter (etter element) for en beskrivelse av fisjonprodukter sortert etter element.
Kjedereaksjoner
Flere tunge grunnstoffer, som uran , thorium og plutonium , gjennomgår både spontan fisjon , en form for radioaktivt forfall og indusert fisjon , en form for atomreaksjon . Elementære isotoper som gjennomgår indusert fisjon når de treffes av et fritt nøytron kalles fisjonable ; isotoper som gjennomgår fisjon når de treffes av et langsomt bevegelig termisk nøytron kalles også fissile . Noen få spesielt splittelige og lett tilgjengelige isotoper (særlig 233 U, 235 U og 239 Pu) kalles atombrensel fordi de kan opprettholde en kjedereaksjon og kan oppnås i store nok mengder til å være nyttige.
Alle splittbare og splittelige isotoper gjennomgår en liten mengde spontan fisjon som frigjør noen få frie nøytroner i en hvilken som helst prøve av kjernebrensel. Slike nøytroner ville rømme raskt fra drivstoffet og bli et fritt nøytron , med en gjennomsnittlig levetid på omtrent 15 minutter før de forfalt til protoner og betapartikler . Imidlertid påvirker nøytroner nesten alltid og absorberes av andre kjerner i nærheten lenge før dette skjer (nyopprettede fisjonenøytroner beveger seg med omtrent 7% av lysets hastighet, og til og med modererte nøytroner beveger seg med omtrent 8 ganger lydens hastighet). Noen nøytroner vil påvirke drivstoffkjerner og indusere ytterligere fisjoner og frigjøre enda flere nøytroner. Hvis nok kjernebrensel er samlet på ett sted, eller hvis nøytronene som rømmer er tilstrekkelig inneholdt, er disse nyutsendte nøytronene flere enn nøytronene som rømmer fra forsamlingen, og en vedvarende atomkjedereaksjon vil finne sted.
En forsamling som støtter en vedvarende kjernekjedereaksjon kalles en kritisk forsamling eller, hvis enheten nesten helt er laget av kjernefysisk brensel, en kritisk masse . Ordet "kritisk" refererer til et høydepunkt i oppførselen til differensialligningen som styrer antall frie nøytroner som er tilstede i drivstoffet: hvis mindre enn en kritisk masse er tilstede, blir mengden nøytroner bestemt av radioaktivt forfall , men hvis en kritisk masse eller mer er tilstede, så styres mengden nøytroner i stedet av kjedenes reaksjon. Den faktiske massen av en kritisk masse kjernebrensel avhenger sterkt av geometrien og omgivende materialer.
Ikke alle splittbare isotoper kan opprettholde en kjedereaksjon. For eksempel er 238 U, den vanligste formen for uran, spaltbar, men ikke splittbar: den gjennomgår indusert fisjon når den påvirkes av et energisk nøytron med over 1 MeV kinetisk energi. Imidlertid er for få av nøytronene som produseres av 238 U -fisjoner energiske nok til å indusere ytterligere fisjoner i 238 U, så ingen kjedereaksjon er mulig med denne isotopen. I stedet får bombardering av 238 U med sakte nøytroner den til å absorbere dem (bli 239 U) og forfalle ved beta -utslipp til 239 Np som deretter forfaller igjen ved samme prosess til 239 Pu; denne prosessen brukes til å produsere 239 Pu i oppdretterreaktorer . Plutoniumproduksjon på stedet bidrar også til nøytronkjedereaksjonen i andre reaktortyper etter at tilstrekkelig plutonium-239 er produsert, siden plutonium-239 også er et fissilt element som fungerer som drivstoff. Det anslås at opptil halvparten av kraften produsert av en standard "ikke-oppdretter" reaktor er produsert ved fisjon av plutonium-239 produsert på plass, over den totale livssyklusen til en drivstoffbelastning.
Spaltbare, ikke-fissile isotoper kan brukes som fisjonenergikilde selv uten en kjedereaksjon. Bombardering av 238 U med raske nøytroner induserer fisjoner og frigjør energi så lenge den eksterne nøytronkilden er tilstede. Dette er en viktig effekt i alle reaktorer der raske nøytroner fra den splittelige isotopen kan forårsake fisjon av 238 U-kjerner i nærheten, noe som betyr at en liten del av 238 U er "oppbrent" i alt kjernebrensel, spesielt i raske oppdrettere reaktorer som opererer med nøytroner med høyere energi. Den samme hurtigfisjonseffekten brukes til å øke energien som frigjøres av moderne termonukleære våpen , ved å jakke våpenet med 238 U for å reagere med nøytroner som frigjøres ved kjernefusjon i midten av enheten. Men de eksplosive effektene av kjernefysiske kjedereaksjoner kan reduseres ved å bruke stoffer som moderatorer som reduserer hastigheten til sekundære nøytroner.
Fisjonreaktorer
Kritiske fisjonreaktorer er den vanligste typen atomreaktorer . I en kritisk fisjonreaktor brukes nøytroner produsert ved fisjon av drivstoffatomer for å indusere enda flere fisjoner, for å opprettholde en kontrollerbar mengde energifrigjøring. Enheter som produserer konstruerte, men ikke-selvbærende fisjonreaksjoner, er subkritiske fisjonreaktorer . Slike enheter bruker radioaktivt forfall eller partikkelakseleratorer for å utløse fisjoner.
Kritiske fisjonreaktorer er bygget for tre hovedformål, som vanligvis involverer forskjellige tekniske avveininger for å dra nytte av enten varmen eller nøytronene som produseres av fisjonskjedereaksjonen:
- kraftreaktorer er ment å produsere varme til kjernekraft, enten som en del av en generasjonsstasjon eller et lokalt kraftsystem som en atomubåt .
- forskningsreaktorer er ment å produsere nøytroner og/eller aktivere radioaktive kilder for vitenskapelige, medisinske, ingeniørfaglige eller andre forskningsformål.
- oppdretterreaktorer er ment å produsere kjernefysiske brensler i bulk fra mer rikelige isotoper . Den mer kjente hurtigoppdretterreaktoren lager 239 Pu (et kjernefysisk brensel) fra den naturlig svært store 238 U (ikke et kjernefysisk brensel). Termiske oppdretterreaktorer som tidligere er testet ved bruk av 232 Th for å avle den splittelige isotopen 233 U ( thorium drivstoffsyklus ) fortsetter å bli studert og utviklet.
Selv om alle fisjonreaktorer i prinsippet kan virke i alle tre kapasitetene, fører oppgavene i praksis til motstridende ingeniørmål, og de fleste reaktorer er bygget med bare en av de ovennevnte oppgavene i tankene. (Det er flere tidlige moteksempler, for eksempel Hanford N-reaktoren , som nå er tatt ut). Kraftreaktorer konverterer generelt den kinetiske energien til fisjonprodukter til varme, som brukes til å varme et arbeidsfluid og drive en varmemotor som genererer mekanisk eller elektrisk kraft. Arbeidsvæsken er vanligvis vann med en dampturbin, men noen design bruker andre materialer som gassformig helium . Forskningsreaktorer produserer nøytroner som brukes på forskjellige måter, hvor fisjonens varme blir behandlet som et uunngåelig avfallsprodukt. Oppdretterreaktorer er en spesialisert form for forskningsreaktor, med forbehold om at prøven som bestråles vanligvis er selve drivstoffet, en blanding av 238 U og 235 U. For en mer detaljert beskrivelse av fysikk og driftsprinsipper for kritiske fisjonreaktorer, se atomreaktor fysikk . For en beskrivelse av deres sosiale, politiske og miljømessige aspekter, se atomkraft .
Fisjonbomber
En atomvåpenklasse , en fisjonbombe (for ikke å forveksle med fusjonsbomben ), ellers kjent som atombombe eller atombombe , er en fisjonreaktor designet for å frigjøre så mye energi som mulig så raskt som mulig, før den slippes ut energi får reaktoren til å eksplodere (og kjedereaksjonen stopper). Utvikling av atomvåpen var motivasjonen bak tidlig forskning på atomfisjon som Manhattan -prosjektet under andre verdenskrig (1. september 1939 - 2. september 1945) utførte det meste av det tidlige vitenskapelige arbeidet med fisjonskjedereaksjoner, og kulminerte med de tre hendelsene som involverer fisjonbomber som skjedde under krigen. Den første fisjonbomben, kodenavnet "The Gadget", ble detonert under treenighetstesten i ørkenen i New Mexico 16. juli 1945. To andre fisjonbomber, kodenavnet " Little Boy " og " Fat Man ", ble brukt i kamp mot de japanske byene Hiroshima og Nagasaki henholdsvis 6. og 9. august 1945.
Selv de første fisjonbombene var tusenvis av ganger mer eksplosive enn en sammenlignbar masse kjemisk sprengstoff . For eksempel veide Little Boy totalt omtrent fire tonn (hvorav 60 kg var atombrensel) og var 3,4 m lang. det ga også en eksplosjon som tilsvarer omtrent 15 kiloton TNT , og ødela en stor del av byen Hiroshima. Moderne atomvåpen (som inkluderer en termonukleær fusjon så vel som ett eller flere fisjonstrinn) er hundrevis av ganger mer energiske for vekten enn de første rene fisjonatombombene (se atomvåpenutbytte ), slik at en moderne enkelt missilstridshodebombe veier mindre enn 1/8 så mye som Little Boy (se for eksempel W88 ) har et utbytte på 475 kiloton TNT, og kan bringe ødeleggelse til omtrent 10 ganger byområdet.
Mens den grunnleggende fysikk for fisjonskjedereaksjon i et kjernevåpen er lik fysikken i en kontrollert kjernereaktor, må de to apparattyper være konstruert ganske forskjellig (se kjernereaktor fysikk ). En atombombe er designet for å frigjøre all sin energi samtidig, mens en reaktor er designet for å generere en jevn tilførsel av nyttig kraft. Selv om overoppheting av en reaktor kan føre til og har ført til nedsmeltning og dampeksplosjoner , gjør den mye lavere uranberikelsen det umulig for en atomreaktor å eksplodere med samme ødeleggende kraft som et atomvåpen. Det er også vanskelig å ta ut anvendbar energi fra en atombombe, selv om minst ett rakettfremdriftssystem, Prosjekt Orion , var ment å arbeide med eksploderende fisjons bomber bak et massivt polstret og skjermet romfartøy.
Den strategiske betydningen av atomvåpen er en viktig årsak til at teknologien for atomfisjon er politisk sensitiv. Levedyktige fisjonbomedesigner er uten tvil innenfor manges evner og er relativt enkle fra et teknisk synspunkt. Vanskeligheten med å skaffe spaltbart kjernefysisk materiale for å realisere designene er imidlertid nøkkelen til den relative utilgjengeligheten av atomvåpen for alle unntatt moderne industrialiserte regjeringer med spesielle programmer for å produsere splittelige materialer (se urananrikning og atombrenselsyklus).
Historie
Oppdagelse av atomfisjon
Oppdagelsen av atomfisjon skjedde i 1938 i bygningene til Kaiser Wilhelm Society for Chemistry, i dag en del av Free University of Berlin , etter over fire tiår med arbeid med vitenskapen om radioaktivitet og utarbeidelse av ny kjernefysikk som beskrev komponentene i atomer . I 1911 foreslo Ernest Rutherford en modell av atomet der en veldig liten, tett og positivt ladet kjerne av protoner var omgitt av kretsende, negativt ladede elektroner ( Rutherford -modellen ). Niels Bohr forbedret dette i 1913 ved å forene kvanteatferden til elektroner ( Bohr -modellen ). Arbeid av Henri Becquerel , Marie Curie , Pierre Curie og Rutherford utdypet videre at kjernen, selv om den var tett bundet, kunne gjennomgå forskjellige former for radioaktivt forfall og derved overføre til andre elementer. (For eksempel ved alfa -forfall : utslipp av en alfapartikkel - to protoner og to nøytroner bundet sammen til en partikkel som er identisk med en heliumkjerne .)
Noe arbeid med atomtransmutasjon hadde blitt utført. I 1917 var Rutherford i stand til å oppnå transmutasjon av nitrogen til oksygen ved å bruke alfapartikler rettet mot nitrogen 14 N + α → 17 O + p. Dette var den første observasjonen av en atomreaksjon , det vil si en reaksjon der partikler fra ett forfall brukes til å transformere en annen atomkjerne. Til slutt, i 1932, ble en fullstendig kunstig kjernefysisk reaksjon og atomtransmutasjon oppnådd av Rutherfords kolleger Ernest Walton og John Cockcroft , som brukte kunstig akselererte protoner mot litium-7, for å dele denne kjernen i to alfapartikler. Bragden ble populært kjent som "splittelse av atomet", og ville vinne dem Nobelprisen i fysikk fra 1951 for "Transmutasjon av atomkjerner med kunstig akselererte atompartikler" , selv om det ikke var kjernefysjonsreaksjonen som senere ble oppdaget i tunge grunnstoffer.
Etter at engelsk fysiker James Chadwick oppdaget nøytronet i 1932, studerte Enrico Fermi og hans kolleger i Roma resultatene av bombardering av uran med nøytroner i 1934. Fermi konkluderte med at eksperimentene hans hadde skapt nye grunnstoffer med 93 og 94 protoner, som gruppen kalte ausonium og hesperium . Imidlertid var ikke alle overbevist av Fermis analyse av resultatene, selv om han ville vinne Nobelprisen i fysikk i 1938 for sine "demonstrasjoner av eksistensen av nye radioaktive elementer produsert ved nøytronbestråling, og for hans relaterte oppdagelse av atomreaksjoner forårsaket av sakte nøytroner ". Den tyske kjemikeren Ida Noddack foreslo spesielt på trykk i 1934 at i stedet for å lage et nytt, tyngre element 93, at "det kan tenkes at kjernen brytes opp i flere store fragmenter." Imidlertid ble Noddacks konklusjon ikke forfulgt den gangen.
Etter Fermi -publikasjonen begynte Otto Hahn , Lise Meitner og Fritz Strassmann å utføre lignende eksperimenter i Berlin . Meitner, en østerriksk jøde, mistet sitt østerrikske statsborgerskap med Anschluss , unionen mellom Østerrike og Tyskland i mars 1938, men hun flyktet i juli 1938 til Sverige og startet en korrespondanse via post med Hahn i Berlin. Ved en tilfeldighet var nevøen Otto Robert Frisch , også han flyktning, også i Sverige da Meitner mottok et brev fra Hahn datert 19. desember som beskrev hans kjemiske bevis på at noe av produktet av bombardementet av uran med nøytroner var barium . Hahn foreslo en sprengning av kjernen, men han var usikker på hva det fysiske grunnlaget for resultatene var. Barium hadde en atommasse på 40% mindre enn uran, og ingen tidligere kjente metoder for radioaktivt forfall kunne utgjøre en så stor forskjell i kjernemassen. Frisch var skeptisk, men Meitner stolte på Hahns evne som kjemiker. Marie Curie hadde skilt barium fra radium i mange år, og teknikkene var velkjente. Meitner og Frisch tolket deretter Hahns resultater korrekt til at betydningen av at kjernen til uran hadde delt seg omtrent i to. Frisch foreslo at prosessen ble kalt "atom fission", analogt med prosessen med levende celledeling i to celler, som da ble kalt binær fisjon . Akkurat som begrepet kjernefysisk "kjedereaksjon" senere skulle lånes fra kjemi, så ble begrepet "fisjon" lånt fra biologi.
Nyheter spredte seg raskt om den nye oppdagelsen, som riktig ble sett på som en helt ny fysisk effekt med store vitenskapelige - og potensielt praktiske - muligheter. Meitners og Frischs tolkning av oppdagelsen av Hahn og Strassmann krysset Atlanterhavet med Niels Bohr , som skulle forelese ved Princeton University . II Rabi og Willis Lamb , to fysikere ved Columbia University som jobbet på Princeton, hørte nyheten og bar den tilbake til Columbia. Rabi sa at han fortalte Enrico Fermi ; Fermi ga æren til Lamb. Bohr dro kort tid etter fra Princeton til Columbia for å se Fermi. Bohr fant ikke Fermi på kontoret og dro ned til syklotronområdet og fant Herbert L. Anderson . Bohr tok ham i skulderen og sa: "Unge mann, la meg forklare deg om noe nytt og spennende innen fysikk." Det var klart for en rekke forskere ved Columbia at de skulle prøve å oppdage energien som frigjøres i atomfisjonen av uran fra nøytronbombardement. Januar 1939 gjennomførte et team fra Columbia University det første kjernefysiske eksperimentet i USA, som ble utført i kjelleren i Pupin Hall . Eksperimentet innebar å plassere uranoksid inne i et ioniseringskammer og bestråle det med nøytroner, og måle energien som frigjøres. Resultatene bekreftet at fisjon forekom og antydet sterkt at det var isotopen uran 235 spesielt som var fisjonering. Dagen etter begynte den femte Washington -konferansen om teoretisk fysikk i Washington, DC i felles regi av George Washington University og Carnegie Institution of Washington . Der ble nyhetene om atomfisjon spredt enda lenger, noe som fremmet mange flere eksperimentelle demonstrasjoner.
Fisjonskjedereaksjon realisert
I løpet av denne perioden innså den ungarske fysikeren Leó Szilárd at den nøytrondrevne fisjonen av tunge atomer kunne brukes til å skape en kjernekjedereaksjon . En slik reaksjon ved bruk av nøytroner var en idé han først formulerte i 1933, da han leste Rutherfords nedsettende bemerkninger om å generere kraft fra teamets eksperiment fra 1932 ved bruk av protoner for å dele litium. Szilárd hadde imidlertid ikke klart å oppnå en nøytrondrevet kjedereaksjon med nøytronrike lysatomer. I teorien, hvis antallet sekundære nøytroner som produseres i en nøytrondrevet kjedereaksjon var større enn én, kan hver slik reaksjon utløse flere tilleggsreaksjoner, noe som gir et eksponentielt økende antall reaksjoner. Det var dermed en mulighet for at fisjon av uran kunne gi enorme mengder energi til sivile eller militære formål (dvs. elektrisk kraftproduksjon eller atombomber ).
Szilard oppfordret nå Fermi (i New York) og Frédéric Joliot-Curie (i Paris) til å avstå fra å publisere om muligheten for en kjedereaksjon, slik at den nazistiske regjeringen blir klar over mulighetene på tampen til det som senere skulle bli kjent som World 2. krig . Med noen nøling sa Fermi ja til å selvsensurere. Men det gjorde ikke Joliot-Curie, og i april 1939 rapporterte teamet hans i Paris, inkludert Hans von Halban og Lew Kowarski , i tidsskriftet Nature at antallet nøytroner som slippes ut med kjernefysjonering av uran da ble rapportert til 3,5 per fisjon. (De korrigerte dette senere til 2,6 per fisjon.) Samtidig arbeid av Szilard og Walter Zinn bekreftet disse resultatene. Resultatene antydet muligheten for å bygge atomreaktorer (først kalt "nøytroniske reaktorer" av Szilard og Fermi) og til og med atombomber. Imidlertid var mye fremdeles ukjent om fisjon og kjedereaksjonssystemer.
Kjedereaksjoner på den tiden var et kjent fenomen innen kjemi , men den analoge prosessen i kjernefysikk, ved bruk av nøytroner, hadde blitt forutsett allerede i 1933 av Szilárd, selv om Szilárd på den tiden ikke hadde noen anelse om hvilke materialer prosessen kunne startes. Szilárd mente at nøytroner ville være ideelle for en slik situasjon, siden de manglet en elektrostatisk ladning.
Med nyheten om fisjon nøytroner fra uran fisjon, forsto Szilárd umiddelbart muligheten for en atomkjedereaksjon ved bruk av uran. I sommer foreslo Fermi og Szilard ideen om en atomreaktor (haug) for å formidle denne prosessen. Bunken ville bruke naturlig uran som drivstoff. Fermi hadde vist mye tidligere at nøytroner ble langt mer effektivt fanget av atomer hvis de var av lav energi (såkalte "langsomme" eller "termiske" nøytroner), fordi det av kvante årsaker fikk atomene til å se ut som mye større mål for nøytronene . For å bremse de sekundære nøytronene som frigis av urankjernene i fisjon, foreslo Fermi og Szilard en grafitt "moderator", mot hvilken de raske, høyenergiske sekundære nøytronene ville kollidere, noe som effektivt bremset dem. Med nok uran, og med ren nok grafitt, kunne deres "haug" teoretisk sett opprettholde en langsom nøytronkjedereaksjon. Dette vil resultere i produksjon av varme, samt opprettelse av radioaktive fisjonprodukter .
I august 1939 trodde Szilard og andre ungarske flyktningfysikere Teller og Wigner at tyskerne kan gjøre bruk av fisjonskjedereaksjonen og ble ansporet til å prøve å tiltrekke seg USAs regjering til saken. Mot dette overtalte de den tysk-jødiske flyktningen Albert Einstein til å låne navnet sitt til et brev rettet til president Franklin Roosevelt . Den Einstein-Szilárd brev antydet muligheten for en uran bombe leveransen av skipet, som ville ødelegge "en hel havnen og mye av det omkringliggende landskapet". Presidenten mottok brevet 11. oktober 1939 - kort tid etter at andre verdenskrig begynte i Europa, men to år før USA kom inn i det. Roosevelt beordret at en vitenskapelig komité ble autorisert for å føre tilsyn med uranarbeid og tildelte en liten sum penger til haugforskning.
I England foreslo James Chadwick en atombombe som brukte naturlig uran, basert på et papir av Rudolf Peierls med massen som trengs for kritisk tilstand på 30–40 tonn. I Amerika trodde J. Robert Oppenheimer at en terning med urandeuterid 10 cm på en side (ca. 11 kg uran) kan "blåse seg til helvete". I denne konstruksjonen ble det fortsatt antatt at en moderator måtte brukes til atombombe -fisjon (dette viste seg ikke å være tilfelle hvis den splittelige isotopen ble separert). I desember leverte Werner Heisenberg en rapport til det tyske krigsdepartementet om muligheten for en uranbombe. De fleste av disse modellene var fortsatt under antagelsen om at bombene ville bli drevet av sakte nøytronreaksjoner - og dermed ligner en reaktor som gjennomgår en kritisk kraftutflukt .
I Birmingham i England slo Frisch seg sammen med Peierls , en tysk-jødisk flyktning. De hadde ideen om å bruke en renset masse av uranisotopen 235 U, som hadde et tverrsnitt som ennå ikke var bestemt, men som antas å være mye større enn det for 238 U eller naturlig uran (som er 99,3% sistnevnte isotop) . Forutsatt at tverrsnittet for hurtig nøytronfisjon på 235 U var det samme som for langsom nøytronfisjon, bestemte de at en ren 235 U-bombe kunne ha en kritisk masse på bare 6 kg i stedet for tonn, og at den resulterende eksplosjonen ville være enormt. (Mengden viste seg faktisk å være 15 kg, selv om denne mengden flere ganger ble brukt i selve uranbomben ( Little Boy )). I februar 1940 leverte de Frisch - Peierls -notatet . Ironisk nok ble de fremdeles offisielt ansett som "fiendtlige romvesener" på den tiden. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl og italiensk-jødisk flyktning Emilio Segrè oppdaget kort tid etter 239 Pu i forfallsproduktene til 239 U produsert ved å bombardere 238 U med nøytroner, og bestemte at det var et splittbart materiale, som 235 U .
Muligheten for å isolere uran-235 var teknisk skremmende, fordi uran-235 og uran-238 er kjemisk identiske, og varierer i sin masse med bare vekten av tre nøytroner. Imidlertid, hvis en tilstrekkelig mengde uran-235 kunne isoleres, ville det muliggjøre en rask nøytronfisjonskjedereaksjon. Dette ville være ekstremt eksplosivt, en sann "atombombe". Oppdagelsen av at plutonium-239 kan produseres i en atomreaktor pekte mot en annen tilnærming til en rask nøytronfisjonbombe. Begge tilnærmingene var ekstremt nye og ennå ikke godt forstått, og det var betydelig vitenskapelig skepsis ved tanken på at de kunne utvikles på kort tid.
28. juni 1941 ble Office of Scientific Research and Development dannet i USA for å mobilisere vitenskapelige ressurser og anvende forskningsresultater på nasjonalt forsvar. I september samlet Fermi sin første kjernefysiske "haug" eller reaktor, i et forsøk på å skape en langsom nøytronindusert kjedereaksjon i uran, men eksperimentet klarte ikke å oppnå kritikk, på grunn av mangel på riktige materialer, eller ikke nok av det riktige materialer som var tilgjengelige.
Å produsere en fisjonskjedereaksjon i naturlig uranbrensel ble funnet å være langt fra trivielt. Tidlige atomreaktorer brukte ikke isotopisk anriket uran, og som følge av dette måtte de bruke store mengder sterkt renset grafitt som neutronmoderasjonsmateriale. Bruk av vanlig vann (i motsetning til tungt vann ) i atomreaktorer krever beriket drivstoff - delvis separasjon og relativ berikelse av den sjeldne 235 U -isotopen fra den langt mer vanlige 238 U -isotopen. Vanligvis krever reaktorer også inkludering av ekstremt kjemisk rene nøytronmoderatormaterialer som deuterium (i tungt vann ), helium , beryllium eller karbon, sistnevnte vanligvis som grafitt . (Den høye renheten for karbon er nødvendig fordi mange kjemiske urenheter som bor-10- komponenten i naturlig bor , er veldig sterke nøytronabsorbere og dermed forgifter kjedereaksjonen og avslutter den for tidlig.)
Produksjon av slike materialer i industriell skala måtte løses for kjernekraftproduksjon og våpenproduksjon. Fram til 1940 var den totale mengden uranmetall produsert i USA ikke mer enn noen få gram, og selv dette var av tvilsom renhet; av metallisk beryllium ikke mer enn noen få kilo; og konsentrert deuteriumoksid ( tungt vann ) ikke mer enn noen få kilo. Til slutt hadde det aldri blitt produsert karbon i mengder med noe lignende renhet som kreves av en moderator.
Problemet med å produsere store mengder uran med høy renhet ble løst av Frank Spedding ved hjelp av termitten eller " Ames " -prosessen. Ames Laboratory ble opprettet i 1942 for å produsere de store mengder naturlig (uanriket) uranmetall som ville være nødvendig for at forskningen skulle komme. Den kritiske suksessen til atomkjede -reaksjonen til Chicago Pile-1 (2. desember 1942) som brukte uberiket (naturlig) uran, som alle atom "hauger" som produserte plutonium for atombomben, skyldtes også spesielt Szilards innse at veldig ren grafitt kan brukes til moderator av selv naturlige uran "hauger". I krigen i Tyskland førte manglende evne til å sette pris på egenskapene til veldig ren grafitt til reaktordesign som var avhengige av tungt vann, noe som igjen ble nektet tyskerne av allierte angrep i Norge, hvor det ble produsert tungt vann . Disse vanskelighetene - blant mange andre - forhindret nazistene i å bygge en atomreaktor som kunne kritisere under krigen, selv om de aldri la så mye innsats som USA i atomforskning, med fokus på andre teknologier (se tysk atomkraftprosjekt for flere detaljer ).
Manhattan Project og utover
I USA ble det påbegynt en omfattende innsats for å lage atomvåpen i slutten av 1942. Dette arbeidet ble overtatt av US Army Corps of Engineers i 1943, og kjent som Manhattan Engineer District. Det topphemmelige Manhattan-prosjektet , som det ble kjent i daglig tale, ble ledet av general Leslie R. Groves . Blant prosjektets dusinvis av steder var: Hanford Site i Washington, som hadde de første atomreaktorene i industriell skala og produserte plutonium ; Oak Ridge, Tennessee , som først og fremst var opptatt av uranberikelse ; og Los Alamos , i New Mexico, som var det vitenskapelige knutepunktet for forskning på bombeutvikling og -design. Andre steder, særlig Berkeley Radiation Laboratory og Metallurgical Laboratory ved University of Chicago, spilte viktige bidragende roller. Den generelle vitenskapelige retningen for prosjektet ble administrert av fysikeren J. Robert Oppenheimer .
I juli 1945 ble det første atomsprengstoffet, kalt " Trinity ", detonert i New Mexico -ørkenen. Det ble drevet av plutonium opprettet i Hanford. I august 1945 ble ytterligere to atomenheter-" Little Boy ", en uran-235-bombe og " Fat Man ", en plutoniumbombe- brukt mot de japanske byene Hiroshima og Nagasaki .
I årene etter andre verdenskrig var mange land involvert i den videre utviklingen av atomklyvninger for atomreaktorer og atomvåpen. Storbritannia åpnet det første kommersielle atomkraftverket i 1956. I 2013 var det 437 reaktorer i 31 land.
Naturlige fisjonskjede-reaktorer på jorden
Kritikk i naturen er uvanlig. Ved tre malmforekomster i Oklo i Gabon har seksten steder (de såkalte Oklo Fossil Reactors ) blitt oppdaget der selvbærende atomfisjon fant sted for omtrent 2 milliarder år siden. Ukjent til 1972 (men postulert av Paul Kuroda i 1956), da den franske fysikeren Francis Perrin oppdaget Oklo Fossil Reactors , ble det innsett at naturen hadde slått mennesker til stryk. Store naturlige uranfisjonkjedereaksjoner, moderert av normalt vann, hadde skjedd langt tidligere og ville ikke være mulig nå. Denne eldgamle prosessen var i stand til å bruke normalt vann som moderator bare fordi 2 milliarder år før nåtiden, var naturlig uran rikere på den kortsiktige fissile isotopen 235 U (ca. 3%) enn naturlig uran tilgjengelig i dag (som bare er 0,7 %, og må berikes til 3% for å kunne brukes i lettvannsreaktorer).
Se også
- Kald fisjon
- Splittbart materiale
- Hybrid fusjon/fisjon
- Kjernefysisk fusjon
- Kjernefysisk fremdrift
- Fotofisjon
Referanser
Videre lesning
- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 1 (PDF) . Det amerikanske energidepartementet . Januar 1993. Arkivert fra originalen (PDF) 2014-03-19 . Hentet 2012-01-03 .
- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volume 2 (PDF) . Det amerikanske energidepartementet. Januar 1993. Arkivert fra originalen (PDF) 2013-12-03 . Hentet 2012-01-03 .
- Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "Nuclear Fission Dynamics: Past, Present, Needs and Future" . Grenser i fysikk . 8 : 63. arXiv : 1912.00287 . Bibcode : 2020FrP ..... 8 ... 63B . doi : 10.3389/fphy.2020.00063 .
Eksterne linker
- Effekten av atomvåpen
- Kommentert bibliografi for atomfisjon fra Alsos Digital Library
- The Discovery of Nuclear Fission Historical -konto komplett med lyd og lærerguider fra American Institute of Physics History Center
- atomicarchive.com Nuclear Fission Forklaret
- Nuclear Files.org Hva er atomfisjon ?
- Nuclear Fission Animation