Ядерное деление

«Расщепление атома» перенаправляется сюда. Чтобы узнать об альбоме Noisia, см. Split the Atom .

Не путать с ядерным синтезом .

Вызванная реакция деления. Нейтрон нейтрон поглощается ядром урана-235 , превращая его на короткое время в возбужденное ядро ​​урана-236 , при этом энергия возбуждения обеспечивается кинетической энергией нейтрона плюс силами, связывающими . Уран-236, в свою очередь, распадается на быстро движущиеся более легкие элементы (продукты деления) и высвобождает несколько свободных нейтронов, одно или несколько «мгновенных гамма-лучей » (не показано) и (пропорционально) большое количество кинетической энергии.

Деление ядра — это реакция в которой ядро ​​атома , распадается на два или более меньших ядра. В процессе деления часто образуются гамма- фотоны и выделяется очень большое количество энергии даже по энергетическим стандартам радиоактивного распада .

Деление ядра было открыто химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом, а также физиками Лизой Мейтнер и Отто Робертом Фришем . Хан и Штрассман доказали, что 19 декабря 1938 года произошла реакция деления, а Мейтнер и ее племянник Фриш теоретически объяснили ее в январе 1939 года. Фриш назвал этот процесс «делением» по аналогии с биологическим делением живых клеток. В своей второй публикации о делении ядра в феврале 1939 года Хан и Штрассман предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления, открыв возможность ядерной цепной реакции .

Для тяжелых нуклидов это экзотермическая реакция , которая может выделять большое количество энергии как в виде электромагнитного излучения , так и в виде кинетической энергии фрагментов ( нагревание объемного материала, при котором происходит деление). Как и в случае с ядерным синтезом , для того, чтобы деление давало энергию, общая энергия связи образующихся элементов должна быть больше, чем у исходного элемента.

Деление — это форма ядерной трансмутации , поскольку образующиеся фрагменты (или дочерние атомы) не являются тем же элементом, что и исходный родительский атом. Образующиеся два (или более) ядра чаще всего имеют сопоставимые, но немного разные размеры, обычно с массовым соотношением продуктов примерно 3 к 2 для обычных делящихся изотопов . Большинство делений являются бинарными (с образованием двух заряженных фрагментов), но иногда (от 2 до 4 раз на 1000 событий) три образуются положительно заряженных фрагмента при тройном делении . Наименьший из этих фрагментов в тройных процессах имеет размеры от протона до ядра аргона .

Помимо деления, вызванного нейтроном, используемого и используемого людьми, естественная форма спонтанного радиоактивного распада (не требующая нейтрона) также называется делением и происходит особенно в изотопах с очень большим массовым числом. Спонтанное деление было открыто в 1940 году Флёровым , Петржаком и Курчатовым. в Москве в эксперименте, призванном подтвердить, что без бомбардировки нейтронами скорость деления урана была незначительной, как предсказывал Нильс Бор ; это не было незначительным.

Непредсказуемый состав продуктов (которые варьируются в широком вероятностном и несколько хаотичном порядке) отличает деление от чисто квантовых туннельных процессов, таких как испускание протонов , альфа-распад и кластерный распад , которые каждый раз дают одни и те же продукты. Ядерное деление производит энергию для ядерной энергетики и приводит к взрыву ядерного оружия . Оба варианта использования возможны, поскольку некоторые вещества, называемые ядерным топливом, подвергаются делению при ударе нейтронами деления и, в свою очередь, испускают нейтроны при распаде. Это делает возможной самоподдерживающуюся цепная ядерная реакция , высвобождающая энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или с очень высокой, неконтролируемой скоростью в ядерном оружии.

Количество свободной энергии, выделяющейся при делении эквивалентного количества ²³⁵
U в миллион раз больше, чем выделяется при сгорании метана или водородных топливных элементах .

Однако продукты ядерного деления в среднем гораздо более радиоактивны , чем тяжелые элементы, которые обычно расщепляются в качестве топлива, и остаются таковыми в течение значительного периода времени, что приводит к возникновению проблемы ядерных отходов . Однако семь долгоживущих продуктов деления составляют лишь небольшую часть продуктов деления. Поглощение нейтронов , не приводящее к делению, дает плутоний (из ²³⁸
U ) и минорные актиниды (из обоих ²³⁵
У и ²³⁸
U ), радиотоксичность которых значительно выше, чем у долгоживущих продуктов деления. Обеспокоенность по поводу накопления ядерных отходов и разрушительного потенциала ядерного оружия является противовесом мирному желанию использовать деление ядер в качестве источника энергии . Ториевый топливный цикл практически не производит плутония и гораздо меньше второстепенных актинидов, но ²³²
U , а точнее продукты его распада, являются основным излучателем гамма-излучения. Все актиниды являются воспроизводящими или делящимися , и быстрые реакторы-размножители могут расщеплять их все, хотя и только в определенных конфигурациях. Ядерная переработка направлена ​​на восстановление пригодного к использованию материала из отработанного ядерного топлива , чтобы обеспечить более длительный срок службы поставок урана (и тория) и уменьшить количество «отходов». Промышленный термин для обозначения процесса, в ходе которого расщепляются все или почти все актиниды, называется « замкнутым топливным циклом ».

Физический обзор

Механизм

Юнес и Лавленд определяют деление как «...совместное движение протонов и нейтронов, составляющих ядро, и как таковое оно отличается от других явлений, разрушающих ядро. Деление ядра представляет собой крайний пример явления с большой амплитудой . коллективное движение, которое приводит к разделению родительского ядра на два или более осколочных ядра. Процесс деления может происходить спонтанно или может быть вызван падающей частицей». Энергия реакции деления вырабатывается продуктами деления , хотя большая ее часть, около 85 процентов, находится в кинетической энергии фрагментов , а около 6 процентов каждый из них приходится на первоначальные нейтроны и гамма-лучи, а также те, которые испускаются после бета-распада . плюс около 3 процентов от нейтрино как продукта такого распада.

Визуальное представление события вынужденного ядерного деления, при котором медленно движущийся нейтрон поглощается ядром атома урана-235, который делится на два быстродвижущихся более легких элемента (продукта деления) и дополнительные нейтроны. Большая часть выделяемой энергии имеет форму кинетических скоростей продуктов деления и нейтронов.

Выход продуктов деления по массе для тепловых нейтронов деления урана-235 , плутония-239 , комбинации двух типичных современных ядерных энергетических реакторов, и урана-233 , используемого в ториевом цикле .

Радиоактивный распад

Деление ядра может происходить без нейтронной бомбардировки как разновидность радиоактивного распада. Этот тип деления называется спонтанным делением и впервые наблюдался в 1940 году.

Ядерная реакция

При вынужденном делении сложная система образуется после слияния падающей частицы с мишенью. Полученной энергии возбуждения может быть достаточно для испускания нейтронов или гамма-лучей и разрыва ядра. Деление на два фрагмента называется бинарным делением и является наиболее распространенной ядерной реакцией . Реже всего происходит тройное деление , при котором испускается третья частица. Эта третья частица обычно является α-частицей . Поскольку при делении ядра ядро ​​испускает больше нейтронов, чем поглощает, цепная реакция . возможна

При бинарном делении могут образовываться любые продукты деления с энергией 95±15 и 135±15 дальтон . Однако бинарный процесс происходит лишь потому, что он наиболее вероятен. При двух-четырех делениях на 1000 в ядерном реакторе тройное деление может производить три положительно заряженных фрагмента (плюс нейтроны), причем заряд и масса наименьшего из них могут варьироваться от столь малого заряда и массы, как у протона ( Z = 1), до такой же крупный фрагмент, как аргон ( Z = 18). Однако наиболее распространенные небольшие фрагменты на 90% состоят из ядер гелия-4 с большей энергией, чем альфа-частицы в результате альфа-распада (так называемые «дальние альфа-частицы» с энергией ~ 16 мегаэлектронвольт (МэВ)), плюс ядра гелия-6. и тритоны (ядра трития ). Хотя оно и менее распространено, чем бинарное деление, оно все же приводит к значительному накоплению гелия-4 и трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов.

Бор и Уиллер использовали свою модель жидкой капли , кривую фракции упаковки Артура Джеффри Демпстера и оценки Юджина Финберга радиуса ядра и поверхностного натяжения, чтобы оценить разницу масс родительских и дочерних ядер при делении. Эйнштейна Затем они приравняли эту разницу масс к энергии, используя формулу эквивалентности массы и энергии . Стимуляция ядра после нейтронной бомбардировки была аналогична колебаниям капли жидкости, при этом поверхностное натяжение и сила Кулона противодействовали. Построив график суммы этих двух энергий как функцию вытянутой формы, они определили, что результирующая энергетическая поверхность имеет седловидную форму. Седло создавало энергетический барьер, называемый критическим энергетическим барьером. Энергия около 6 МэВ, обеспечиваемая падающим нейтроном, была необходима, чтобы преодолеть этот барьер и вызвать деление ядра. По словам Джона Лилли, «Энергия, необходимая для преодоления барьера деления, называется энергией активации или барьером деления и составляет около 6 МэВ для A ≈ 240. Обнаружено, что энергия активации уменьшается с увеличением A. В конце концов, точка достигнет места, где энергия активации полностью исчезает... он подвергнется очень быстрому спонтанному делению».

Позже Мария Гепперт Майер предложила модель ядерной оболочки ядра. Нуклиды, способные поддерживать цепную реакцию деления, пригодны для использования в качестве ядерного топлива . Наиболее распространенными видами ядерного топлива являются ²³⁵ U (изотоп урана с массовым числом 235, используемый в ядерных реакторах) и ²³⁹ Pu (изотоп плутония с массовым числом 239). Это топливо распадается на бимодальный диапазон химических элементов с атомными массами около 95 и 135 дальтон ( продукты деления ). Большинство видов ядерного топлива подвергаются самопроизвольному делению очень медленно, вместо этого распадаясь в основном по цепочке альфа - бета -распада в течение периодов от тысячелетий до эонов . В ядерном реакторе или ядерном оружии подавляющее большинство событий деления вызывается бомбардировкой другой частицей, нейтроном, которая сама образуется в результате предыдущих событий деления.

Делящиеся изотопы, такие как уран-238, требуют дополнительной энергии, обеспечиваемой быстрыми нейтронами (например, теми, которые производятся в результате ядерного синтеза в термоядерном оружии ). Хотя часть нейтронов, выделившихся при делении ²³⁸
Вы достаточно быстры, чтобы вызвать еще одно деление ²³⁸
них Большинство из — нет, то есть они никогда не смогут достичь критичности. Хотя существует очень малая (хотя и ненулевая) вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление в ²³⁸
U , поглощение нейтронов на порядки более вероятно.

Энергетика

Вход

Стадии бинарного деления в модели жидкой капли. ближнего действия Подводимая энергия деформирует ядро ​​в форму толстой «сигары», затем в форму «арахиса», после чего следует бинарное деление, когда две доли превышают расстояние притяжения ядерной силы , а затем раздвигаются и отталкиваются своим электрическим зарядом. В модели жидкой капли предполагается, что два осколка деления будут иметь одинаковый размер. Модель ядерной оболочки позволяет им различаться по размеру, что обычно наблюдается экспериментально.

деления Сечения — это измеримое свойство, связанное с вероятностью того, что деление произойдет в результате ядерной реакции. Сечения являются функцией энергии падающего нейтрона, а сечения для ²³⁵
У и ²³⁹
Pu в миллион раз выше, чем ²³⁸
U на более низких энергетических уровнях нейтронов. Поглощение любого нейтрона дает ядру энергию связи около 5,3 МэВ. ²³⁸
U нужен быстрый нейтрон, чтобы обеспечить дополнительный 1 МэВ, необходимый для преодоления критического энергетического барьера деления. В случае ²³⁵
Однако эта дополнительная энергия обеспечивается, когда ²³⁵
U меняет нечетную массу на четную. По словам Юнеса и Лавлейса, «...поглощение нейтронов на ²³⁵
Цель U образует ²³⁶
Ядро U с энергией возбуждения, большей критической энергии деления, тогда как в случае n + ²³⁸
U , в результате ²³⁹
Ядро U имеет энергию возбуждения ниже критической энергии деления».

Около 6 МэВ энергии деления обеспечивается простым связыванием дополнительного нейтрона с тяжелым ядром посредством сильного взаимодействия; однако у многих делящихся изотопов этого количества энергии недостаточно для деления. Уран-238, например, имеет почти нулевое сечение деления для нейтронов с энергией менее 1 МэВ. Если никакая дополнительная энергия не передается каким-либо другим механизмом, ядро ​​не будет делиться, а просто поглотит нейтрон, как это происходит, когда ²³⁸
U поглощает медленные и даже некоторую часть быстрых нейтронов, становясь ²³⁹
У. ​Оставшаяся энергия для инициирования деления может быть получена двумя другими механизмами: один из них — это увеличение кинетической энергии входящего нейтрона, способность которого к делению делящегося тяжелого ядра возрастает, поскольку его кинетическая энергия превышает 1 МэВ или более (т. е. называемые быстрыми нейтронами). Нейтроны такой высокой энергии способны делиться. ²³⁸
U напрямую (применение см. в термоядерном оружии , где быстрые нейтроны получаются путем ядерного синтеза). Однако этот процесс не может произойти в ядерном реакторе в значительной степени, поскольку слишком малая часть нейтронов деления, образующихся при любом типе деления, имеет достаточно энергии для эффективного деления. ²³⁸
U (нейтроны деления имеют энергию моды 2 МэВ, но медиану всего 0,75 МэВ, что означает, что половина из них имеет энергию меньше этой недостаточной).

Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов (например, ²³⁵ U со 143 нейтронами) связывают дополнительный нейтрон с дополнительной энергией от 1 до 2 МэВ над изотопом того же элемента с четным числом нейтронов (например, ²³⁸ U со 146 нейтронами). Эта дополнительная энергия связи становится доступной в результате механизма эффектов спаривания нейтронов , который сам по себе вызван принципом Паули , позволяющим дополнительному нейтрону занимать ту же ядерную орбиталь, что и последний нейтрон в ядре. Таким образом, в таких изотопах не требуется кинетическая энергия нейтрона, поскольку вся необходимая энергия поступает за счет поглощения любого нейтрона, как медленного, так и быстрого (первые используются в ядерных реакторах замедленного действия, а вторые - в быстрых). -нейтронные реакторы и в оружии).

По мнению Юнеса и Лавленда, «Актиниды, подобные ²³⁵
U , которые легко делятся после поглощения теплового (0,25 мэВ) нейтрона, называются делящимися , тогда как такие, как ²³⁸
U , который с трудом делится при поглощении теплового нейтрона, называется делящимся ».

Выход

После слияния налетающей частицы с родительским ядром, если энергии возбуждения достаточно, ядро ​​распадается на фрагменты. Это называется разрывом и происходит примерно через 10 ⁻²⁰ секунды. Осколки могут испускать мгновенные нейтроны на расстоянии от 10 ⁻¹⁸ и 10 ⁻¹⁵ секунды. Около 10 ⁻¹¹ секунд, осколки могут излучать гамма-лучи. В 10 ⁻³ секунды β-распада, β- запаздывающие нейтроны испускаются из продуктов распада и гамма-лучи .

Типичные события деления выделяют около двухсот миллионов эВ (200 МэВ) энергии, что эквивалентно примерно более 2 триллионов кельвинов, для каждого события деления. Точный изотоп, который делится, а также то, расщепляется он или нет, оказывает лишь незначительное влияние на количество выделяемой энергии. В этом легко убедиться, изучив кривую энергии связи (изображение ниже) и отметив, что средняя энергия связи актинидных нуклидов, начиная с урана, составляет около 7,6 МэВ на нуклон. Глядя дальше влево на кривую энергии связи, где скапливаются продукты деления, легко заметить, что энергия связи продуктов деления имеет тенденцию концентрироваться около 8,5 МэВ на нуклон. Таким образом, в любом акте деления изотопа в диапазоне масс актинида на нуклон исходного элемента выделяется примерно 0,9 МэВ. Расщепление ²³⁵ U медленным нейтроном дает почти ту же энергию, что и деление ²³⁸ U быстрым нейтроном. Этот профиль энерговыделения справедлив также для тория и различных второстепенных актинидов.

Анимация кулоновского взрыва в случае скопления положительно заряженных ядер, похожего на скопление осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален (большему) заряду ядра. Электроны (меньшие по размеру) в этом временном масштабе видны только стробоскопически, а уровень оттенка — это их кинетическая энергия.

Когда ядро ​​урана делится на два фрагмента дочерних ядер, около 0,1 процента массы ядра урана появляется как энергия деления ~200 МэВ. Для урана-235 (полная средняя энергия деления 202,79 МэВ ), обычно ~169 МэВ появляется как кинетическая энергия дочерних ядер, которые разлетаются со скоростью около 3% скорости света из-за кулоновского отталкивания . Кроме того, испускается в среднем 2,5 нейтрона со средней кинетической энергией на нейтрон ~ 2 МэВ (всего 4,8 МэВ). Реакция деления также выделяет ~7 МэВ в виде мгновенных фотонов гамма-излучения . Последняя цифра означает, что ядерный взрыв или авария критичности излучает около 3,5% своей энергии в виде гамма-лучей, менее 2,5% своей энергии в виде быстрых нейтронов (сумма обоих видов излучения ~6%), а остальная часть - в виде кинетических энергия осколков деления (она появляется практически сразу при воздействии осколков на окружающее вещество в виде простого тепла).

Некоторые процессы с участием нейтронов отличаются поглощением или, в конечном итоге, выделением энергии — например, кинетическая энергия нейтрона не сразу выделяет тепло, если нейтрон захватывается атомом урана-238 с образованием плутония-239, но эта энергия выделяется, если плутоний-239 позже расщепляется. С другой стороны, так называемые запаздывающие нейтроны , испускаемые в виде продуктов радиоактивного распада с периодом полураспада до нескольких минут от дочерей деления, очень важны для управления реактором , поскольку они дают характерное время «реакции» для полной ядерной реакции. увеличиться вдвое, если реакция протекает в « критической с задержкой » зоне, которая намеренно использует эти нейтроны для сверхкритической цепной реакции (той, в которой каждый цикл деления дает больше нейтронов, чем поглощает). Без их существования цепная ядерная реакция могла бы стать критической и увеличиваться в размерах быстрее, чем ее можно было бы контролировать вмешательством человека. В этом случае первые экспериментальные атомные реакторы сбежали бы в опасную и беспорядочную «мгновенную критическую реакцию» прежде, чем операторы смогли бы их вручную остановить (по этой причине конструктор Энрико Ферми включал в себя управляющие стержни с противоизлучением, подвешенные на электромагнитах, которые могли автоматически опускаться в центр Чикагской сваи-1 ). Если эти запаздывающие нейтроны захватываются без деления, они также выделяют тепло.

Энергия связи

«Кривая энергии связи»: график энергии связи на нуклон обычных изотопов.

Энергия связи ядра — это разница между энергией массы покоя ядра и энергией массы покоя нуклонов нейтрона и протона. Формула энергии связи включает в себя члены объема, поверхности и кулоновской энергии, которые включают эмпирически полученные коэффициенты для всех трех, а также отношения энергий деформированного ядра по отношению к сферической форме для поверхности и кулоновские члены. Для улучшения оценки можно включить дополнительные термины, такие как симметрия, спаривание, конечный диапазон ядерной силы и распределение заряда внутри ядер. Обычно энергию связи называют и отображают на графике как среднюю энергию связи на нуклон.

По словам Лилли, «энергия связи ядра B — это энергия, необходимая для разделения его на составляющие его нейтроны и протоны». $$m(\mathbf {A} ,\mathbf {Z} )=\mathbf {Z} m_{H}+\mathbf {N} m_{n}-\mathbf {B} /c^{2}$$где A — массовое число , Z — атомный номер , m _H — атомная масса атома водорода, m _n — масса нейтрона, а c — скорость света . Таким образом, масса атома меньше массы составляющих его протонов и нейтронов, если предположить, что средняя энергия связи его электронов пренебрежимо мала. Энергия связи B выражается в энергетических единицах с использованием соотношения эквивалентности массы и энергии Эйнштейна . Энергия связи также дает оценку полной энергии, выделяющейся при делении.

Кривая энергии связи характеризуется широким максимумом вблизи массового числа 60 при 8,6 МэВ, затем постепенно снижается до 7,6 МэВ при самых высоких массовых числах. Массовые числа выше 238 встречаются редко. На более светлом конце шкалы пики отмечаются для гелия-4, а также для таких кратных, как бериллий-8, углерод-12, кислород-16, неон-20 и магний-24. Энергия связи из-за ядерных сил приближается к постоянному значению при больших A , в то время как кулоновские силы действуют на большем расстоянии, так что электрическая потенциальная энергия на протон растет с Z. увеличением Энергия деления выделяется, когда A превышает 120 фрагментов ядра. Энергия термоядерного синтеза высвобождается при объединении более легких ядер.

Карла Фридриха фон Вайцзеккера Полуэмпирическая формула массы может использоваться для выражения энергии связи как суммы пяти членов: объемной энергии, поверхностной поправки, кулоновской энергии, члена симметрии и члена спаривания:

$$B=a_{v}\mathbf {A} -a_{s}\mathbf {A} ^{2/3}-a_{c}{\frac {\mathbf {Z} ^{2}}{\mathbf {A} ^{1/3}}}-a_{a}{\frac {(\mathbf {N} -\mathbf {Z} )^{2}}{\mathbf {A} }}\pm \Delta$$ где энергия связи ядра пропорциональна объему ядра, а нуклоны вблизи поверхности взаимодействуют с меньшим количеством нуклонов, уменьшая влияние объемного члена. По словам Лилли, «для всех природных ядер доминирует термин поверхностной энергии, и ядро ​​существует в состоянии равновесия». Отрицательный вклад кулоновской энергии возникает из-за электрической силы отталкивания протонов. Термин симметрии возникает из-за того, что эффективные силы в ядре сильнее для разнородных пар нейтрон-протон, чем для пар нейтрон-нейтрон или протон-протон. Термин спаривания возникает из-за того, что одинаковые нуклоны образуют пары спин-нуль в одном и том же пространственном состоянии. Спаривание является положительным, если N и Z четны, что увеличивает энергию связи.

При делении наблюдается предпочтение осколков деления с четным Z , что называется нечетно-четным влиянием на распределение заряда осколков. Это видно по эмпирическим данным о выходе фрагментов для каждого продукта деления, поскольку продукты с четным Z имеют более высокие значения выхода. Однако нечетно-четного эффекта на распределение фрагментов по их A не наблюдается . Этот результат объясняется разрывом пары нуклонов .

В событиях ядерного деления ядра могут распадаться на любую комбинацию более легких ядер, но наиболее распространенным событием не является деление до ядер равной массы с массой около 120; наиболее распространенным событием (в зависимости от изотопа и процесса) является слегка неравномерное деление, при котором одно дочернее ядро ​​имеет массу от 90 до 100 дальтон, а другое - от 130 до 140 дальтон.

Стабильные ядра и нестабильные ядра с очень длительным периодом полураспада следуют тенденции стабильности, очевидной, когда отображается на графике в зависимости от N. Z Для более легких ядер меньше N = 20 линия имеет наклон N = Z , тогда как более тяжелые ядра требуют дополнительных нейтронов, чтобы оставаться стабильными. Ядра, богатые нейтронами или протонами, имеют избыточную энергию связи для стабильности, и избыточная энергия может преобразовать нейтрон в протон или протон в нейтрон посредством слабого ядерного взаимодействия, процесса, известного как бета-распад .

Нейтронно-индуцированное деление U-235 излучает суммарную энергию 207 МэВ, из которых восстанавливается около 200 МэВ. Мгновенные осколки деления составляют 168 МэВ, которые легко останавливаются с помощью долей миллиметра. Общая энергия мгновенных нейтронов составляет 5 МэВ, и эта энергия восстанавливается в виде тепла путем рассеяния в реакторе. Однако многие осколки деления богаты нейтронами и распадаются через β. ^- выбросы. По словам Лилли, «Энергия радиоактивного распада цепочек деления представляет собой второе выделение энергии в результате деления. Она намного меньше, чем мгновенная энергия, но это значительная величина, и именно поэтому реакторы необходимо продолжать охлаждать после того, как они был остановлен, и почему с отходами следует обращаться очень осторожно и хранить их безопасно».

Цепные реакции

Схематическая цепная реакция ядерного деления. 1. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два новых атома (осколки деления), выделяя три новых нейтрона и некоторую энергию связи. 2. Один из этих нейтронов поглощается атомом урана-238 и не продолжает реакцию. Другой нейтрон просто теряется и ни с чем не сталкивается, также не продолжая реакции. Однако один нейтрон сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и некоторую энергию связи. 3. Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и выделяет от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию.

Основная статья: Цепная ядерная реакция

Джон Лилли утверждает: «... нейтронно-индуцированное деление генерирует дополнительные нейтроны, которые могут вызвать дальнейшие деления в следующем поколении и так далее в виде цепной реакции. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k , который определяется как соотношение числа нейтронов в одном поколении к числу в предыдущем поколении. Если в реакторе k меньше единицы, то реактор является подкритическим, число нейтронов уменьшается и цепная реакция затухает. Если k > 1, Реактор является сверхкритическим, и цепная реакция расходится. Это ситуация в бомбе деления, где рост происходит с взрывной скоростью. Если k равно единице, реакции протекают с постоянной скоростью, и реактор называется критическим. возможно достичь критичности в реакторе, использующем природный уран в качестве топлива, при условии, что нейтроны будут эффективно замедлены до тепловой энергии». Модераторы включают легкую воду, тяжелую воду и графит .

По словам Джона К. Ли: «Для всех действующих и разрабатываемых ядерных реакторов ядерный топливный цикл основан на одном из трех расщепляющихся материалов: ²³⁵ В, ²³³ У, и ²³⁹ Pu и связанные с ним изотопные цепочки. Для текущего поколения LWR обогащенный U содержит 2,5~4,5 % масс. ²³⁵ U, из которого изготавливают _{UO 2} твэлы и загружают в ТВС».

Ли заявляет: «Одно важное сравнение трех основных делящихся нуклидов, ²³⁵ В, ²³³ У, и ²³⁹ Pu – их потенциал размножения. Размножитель по определению — это реактор, который производит больше делящегося материала, чем потребляет, и ему требуется минимум два нейтрона, производимых на каждый нейтрон, поглощенный делящимся ядром. Таким образом, в целом коэффициент конверсии (CR) определяется как соотношение произведенного делящегося материала к уничтоженному ... когда CR больше 1,0, это называется коэффициентом воспроизводства (BR)... ²³³ U предлагает превосходный потенциал воспроизводства как для тепловых, так и для быстрых реакторов, в то время как ²³⁹ Пу предлагает превосходный потенциал для размножения быстрых реакторов».

Реакторы деления

Смотрите также: Физика ядерных реакторов

Градирни . АЭС Филипсбург в Германии

Критические реакторы деления являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся в результате деления атомов топлива, используются для стимулирования еще большего количества делений и поддержания контролируемого количества энергии. Устройства, которые производят спроектированные, но несамоподдерживающиеся реакции деления, представляют собой подкритические реакторы деления . Такие устройства используют радиоактивный распад или ускорители частиц для запуска деления.

Критические реакторы деления строятся для трех основных целей, которые обычно включают в себя различные инженерные компромиссы, позволяющие использовать либо тепло, либо нейтроны, образующиеся в результате цепной реакции деления:

• Энергетические реакторы предназначены для производства тепла для ядерной энергетики либо в составе электростанции , либо в местной энергосистеме, например, на атомной подводной лодке .
• исследовательские реакторы предназначены для производства нейтронов и/или активации радиоактивных источников для научных, медицинских, инженерных или других исследовательских целей.
• Реакторы-размножители предназначены для производства ядерного топлива в больших количествах из более распространенных изотопов . Более известный быстрый реактор-размножитель делает ²³⁹ Pu (ядерное топливо) из очень распространенного в природе ²³⁸ U (не ядерное топливо). Реакторы-терморазмножители, ранее испытанные с использованием ²³² Чтобы развести делящийся изотоп ²³³ U ( ториевый топливный цикл ) продолжает изучаться и разрабатываться.

Хотя в принципе все реакторы деления могут выполнять все три функции, на практике эти задачи приводят к противоречивым инженерным целям, и большинство реакторов строились с учетом только одной из вышеперечисленных задач. (Есть несколько ранних контрпримеров, таких как реактор Hanford N , который сейчас выведен из эксплуатации).

По состоянию на 2019 год 448 атомных электростанций по всему миру обеспечивали мощность 398 ГВЭ , из которых около 85% составляли легководные реакторы, такие как реакторы с водой под давлением или реакторы с кипящей водой . Энергия деления передается посредством проводимости или конвекции теплоносителю ядерного реактора , затем в теплообменник , а образующийся в результате пар используется для привода турбины или генератора.

Бомбы деления

Грибообразное облако атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки, Япония бомбы , 9 августа 1945 года, поднялось на высоту более 18 километров (11 миль) над эпицентром . По оценкам, в результате атомной бомбы погибло 39 000 человек. из них 23 145–28 113 были японскими фабричными рабочими, 2 000 - корейскими рабами и 150 - японскими комбатантами.

Целью атомной бомбы, по словам Сербера, является создание устройства, «...в котором энергия высвобождается в результате цепной реакции быстрых нейтронов в одном или нескольких материалах, которые, как известно, демонстрируют ядерное деление». По словам Роудса, «неуправляемое ядро ​​бомбы, даже если его масса вдвое превышает критическую массу , полностью расщепит менее 1 процента ее ядерного материала, прежде чем оно расширится настолько, чтобы остановить продолжение цепной реакции. Тампер всегда повышает эффективность: он отражает нейтроны обратно. в ядро, и его инерция... замедлила расширение ядра и помогла удержать поверхность ядра от сдувания». Перестановку подкритических компонентов основного материала необходимо будет провести как можно быстрее, чтобы обеспечить эффективную детонацию. Кроме того, был необходим третий базовый компонент: «...инициатор — источник Ra + Be или, лучше, источник Po + Be, с радием или полонием, прикрепленным, возможно, к одной части ядра, а бериллий — к другой. , чтобы сталкиваться и распылять нейтроны, когда части соединяются, чтобы начать цепную реакцию». Однако любая бомба «потребует найти, добыть и переработать сотни тонн урановой руды…», а выделение U-235 или производство Pu-239 потребует дополнительных промышленных мощностей.

История

Открытие ядерного деления

Основная статья: Открытие ядерного деления

Отто Хан и Лиза Мейтнер в 1912 году.

Открытие ядерного деления произошло в 1938 году в зданиях общества кайзера Вильгельма Химического , сегодня являющегося частью Свободного университета Берлина , после более чем четырех десятилетий работы в области науки о радиоактивности и разработки новой ядерной физики, описывающей компоненты. атомов. В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил модель атома, в которой очень маленькое, плотное и положительно заряженное ядро ​​протонов было окружено вращающимися вокруг него отрицательно заряженными электронами ( модель Резерфорда ). Нильс Бор улучшил это в 1913 году, согласовав квантовое поведение электронов ( модель Бора ). В 1928 году Георгий Гамов предложил модель капли жидкости , которая стала важной для понимания физики. деления.

В 1896 году Анри Беккерель открыл, а Мария Кюри назвала радиоактивность. В 1900 году Резерфорд и Фредерик Содди , исследуя радиоактивный газ, исходящий из тория , «пришли к огромному и неизбежному выводу, что элемент торий медленно и самопроизвольно трансмутирует себя в газ аргон!»

В 1919 году, развивая более раннюю аномалию, отмеченную Эрнестом Марсденом в 1915 году, Резерфорд попытался «разрушить атом». Резерфорду удалось осуществить первое искусственное превращение азота в кислород, используя альфа-частицы, направленные на азот. ¹⁴ Н + а → ¹⁷ О+п. Резерфорд заявил: «...мы должны заключить, что атом азота распался», в то время как газеты утверждали, что он расщепил атом . Это было первое наблюдение ядерной реакции, то есть реакции, в которой частицы одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. Он также предложил новый способ изучения ядра. Затем Резерфорд и Джеймс Чедвик использовали альфа-частицы для «расщепления» бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора, прежде чем достичь ограничения, связанного с энергией его источника альфа-частиц. осуществили полностью искусственную ядерную реакцию и ядерную трансмутацию В конце концов, в 1932 году коллеги Резерфорда Эрнест Уолтон и Джон Кокрофт , которые использовали искусственно ускоренные протоны против лития-7, чтобы разделить это ядро ​​на две альфа-частицы. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома», и в 1951 году он принес им Нобелевскую премию по физике за «Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами» , хотя это не была реакция ядерного деления, позже обнаруженная в тяжелых элементах.

Английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году. Чедвик использовал ионизационную камеру , чтобы наблюдать протоны, выбитые из нескольких элементов. бериллиевым излучением, развивая более ранние наблюдения Жолио-Кюри . По словам Чедвика: «…Чтобы объяснить огромную проникающую способность излучения, мы должны далее предположить, что частица не имеет суммарного заряда…» Существование нейтрона было впервые постулировано Резерфордом в 1920 году, а в По словам Чедвика, «...как же вы собирались построить большое ядро ​​с большим положительным зарядом? И ответом была нейтральная частица». Впоследствии он более подробно рассказал о своих выводах.

По словам Ричарда Роудса , говоря о нейтроне, «поэтому он послужит новым ядерным зондом с превосходящей проникающей способностью». Филип Моррисон заявил: «Луч тепловых нейтронов, движущийся примерно со скоростью звука... вызывает ядерные реакции во многих материалах гораздо легче, чем пучок протонов... движущийся в тысячи раз быстрее». По словам Родса, «замедление нейтрона дало ему больше времени нахождения вблизи ядра, а это дало ему больше времени для захвата». Команда Ферми, изучающая радиационный захват, то есть испускание гамма-излучения после захвата ядром нейтрона, изучила шестьдесят элементов, вызывая радиоактивность у сорока. В процессе они обнаружили способность водорода замедлять нейтроны.

Энрико Ферми и его коллеги в Риме изучали результаты бомбардировки урана нейтронами в 1934 году. Ферми пришел к выводу, что в его экспериментах были созданы новые элементы с 93 и 94 протонами, которые группа назвала аузением и гесперием . Однако не всех убедил анализ результатов, проведенный Ферми, хотя в 1938 году он получил Нобелевскую премию по физике за «демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, а также за связанное с ним открытие ядерных реакций, вызываемых нейтронным облучением». медленные нейтроны». Немецкий химик Ида Ноддак , в частности, предположила в 1934 году, что вместо создания нового, более тяжелого элемента 93, «вполне возможно, что ядро ​​распадается на несколько крупных фрагментов». Тем не менее, цитируемое возражение является лишь одним из нескольких пробелов, которые она отметила в утверждении Ферми. Хотя Ноддак была известным химиком-аналитиком, ей не хватало физического образования, чтобы оценить масштабность того, что она предлагала.

Экспозиция ядерного деления в Немецком музее в Мюнхене . Стол и инструменты оригинальные. но не были бы вместе в одной комнате.

После публикации Ферми Отто Хан , Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман начали проводить подобные эксперименты в Берлине . Мейтнер, австрийская еврейка, потеряла австрийское гражданство в результате аншлюса , союза Австрии с Германией в марте 1938 года, но в июле 1938 года бежала в Швецию и начала переписку по почте с Ханом в Берлине. По совпадению, ее племянник Отто Роберт Фриш , также беженец, также находился в Швеции, когда Мейтнер получила письмо от Хана от 19 декабря с описанием его химического доказательства того, что часть продукта бомбардировки урана нейтронами была барием . Хан предположил взрыв ядра, но не был уверен в том, какова физическая основа полученных результатов. Атомная масса бария была на 40% меньше, чем урана, и никакие ранее известные методы радиоактивного распада не могли объяснить столь большую разницу в массе ядра. Фриш был настроен скептически, но Мейтнер доверяла способностям Хана как химика. Мария Кюри уже много лет отделяла барий от радия, и методы были хорошо известны. Затем Мейтнер и Фриш правильно интерпретировали результаты Хана как означающие, что ядро ​​урана раскололось примерно пополам. Фриш предложил назвать этот процесс «делением ядра» по аналогии с процессом деления живой клетки на две клетки, который тогда назвали бинарное деление . Подобно тому, как термин ядерная «цепная реакция» позже будет заимствован из химии, так и термин «деление» был заимствован из биологии.

Новости о новом открытии, которое правильно рассматривалось как совершенно новый физический эффект с огромными научными и потенциально практическими возможностями, быстро распространились. Интерпретация Мейтнер и Фришем открытия Хана и Штрасмана пересекла Атлантический океан вместе с Нильсом Бором, который должен был читать лекции в Принстонском университете . И.И. Раби и Уиллис Лэмб , два физики Колумбийского университета , работавшие в Принстоне, услышали эту новость и привезли ее обратно в Колумбию. Лави сказал, что рассказал об этом Энрико Ферми; Ферми отдал должное Лэмбу. Вскоре после этого Бор поехал из Принстона в Колумбию, чтобы встретиться с Ферми. Не найдя Ферми в его кабинете, Бор спустился в зону циклотрона и нашел Герберта Л. Андерсона . Бор схватил его за плечо и сказал: «Молодой человек, позвольте мне объяснить вам кое-что новое и интересное в физике».

Ряду учёных в Колумбии было ясно, что им следует попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при ядерном делении урана в результате нейтронной бомбардировки. 25 января 1939 года команда Колумбийского университета провела первый в США эксперимент по расщеплению ядерного оружия. что было сделано в подвале Пупин-холла . Эксперимент заключался в помещении оксида урана в ионизационную камеру, облучении его нейтронами и измерении высвободившейся при этом энергии. Результаты подтвердили, что деление происходит, и убедительно намекнули на то, что изотоп урана-235 делился именно началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике . На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия, под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Вашингтонского института Карнеги . Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало появлению множества экспериментальных демонстраций. В статье Хана и Страссмана от 6 января 1939 года было объявлено об открытии деления. использовали термин Uranspaltung В своей второй публикации о делении ядра в феврале 1939 года Хан и Штрассман впервые (деление урана) и предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления, открыв возможность цепной ядерной реакции. . В статье Мейтнер и Фриша от 11 февраля 1939 года этот процесс сравнивался с разделением капли жидкости и оценивалась выделяемая энергия в 200 МэВ. В статье Бора и Уиллера от 1 сентября 1939 года эта модель капель жидкости использовалась для количественной оценки деталей деления, включая выделяемую энергию, оценки сечения деления, индуцированного нейтронами, и вывода ²³⁵
U внес основной вклад в это сечение и деление медленных нейтронов.

Реализована цепная реакция деления

В этот период венгерский физик Лео Силард понял, что нейтронное деление тяжелых атомов можно использовать для создания цепной ядерной реакции. Идею такой реакции с использованием нейтронов он впервые сформулировал в 1933 году, прочитав пренебрежительные замечания Резерфорда о выработке энергии за счет столкновений нейтронов. Однако Сциларду не удалось добиться цепной реакции, управляемой нейтронами, с использованием бериллия. Сцилард заявил: «... если бы мы могли найти элемент, который расщепляется нейтронами и который испускает два нейтрона при поглощении одного нейтрона, такой элемент, если он собран в достаточно большую массу, мог бы поддерживать цепную ядерную реакцию». года, узнав об открытии Хана от Юджина Вигнера , Сцилард заметил: «... если испускается достаточное количество нейтронов... тогда, конечно, должно быть возможным поддерживать цепную реакцию. 25 января 1939 Предсказание Уэллса внезапно показалось мне реальным». После публикации статьи Хана-Штрассмана Сцилард отметил в письме к Льюиса Штрауса , что при делении урана «энергия, выделяющаяся в этой новой реакции, должна быть намного выше, чем во всех ранее известных случаях...», что может привести к «крупномасштабному производству энергии и радиоактивных элементов, к сожалению, также возможно, к атомным бомбам».

Сцилард теперь призвал Ферми (в Нью-Йорке) и Фредерика Жолио-Кюри (в Париже) воздержаться от публикаций о возможности цепной реакции, чтобы нацистское правительство не осознало возможности накануне того, что позже будет известно как Всемирный день. Вторая война . С некоторыми колебаниями Ферми согласился на самоцензуру. Но Жолио-Кюри этого не сделал, и в апреле 1939 года его команда в Париже, в которую входили Ганс фон Гальбан и Лью Коварски , сообщила в журнале Nature , что число нейтронов, испускаемых при делении ядер урана, тогда сообщалось на уровне 3,5 на одно деление. Сцилард и Уолтер Зинн обнаружили, что «...число нейтронов, испускаемых при делении, составляет около двух». Ферми и Андерсон оценили «выход примерно в два нейтрона на каждый захваченный нейтрон».

Чертеж первого искусственного реактора Chicago Pile-1 .

Узнав о нейтронах деления в результате деления урана, Сцилард сразу понял возможность ядерной цепной реакции с использованием урана. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора (коробки) как посредника в этом процессе. В качестве топлива котел будет использовать природный уран. Гораздо раньше Ферми показал, что нейтроны гораздо эффективнее захватываются атомами, если они имеют низкую энергию (так называемые «медленные» или «тепловые» нейтроны), потому что по квантовым причинам атомы кажутся гораздо более крупными мишенями для нейтронов. . Таким образом, чтобы замедлить вторичные нейтроны, выделяемые делящимися ядрами урана, Ферми и Сцилард предложили графитовый «замедлитель», с которым будут сталкиваться быстрые вторичные нейтроны высокой энергии, эффективно замедляя их. При наличии достаточного количества урана и достаточно чистого графита их «куча» теоретически могла бы поддерживать цепную реакцию медленных нейтронов. Это приведет к выделению тепла, а также к образованию радиоактивных продуктов деления.

В августе 1939 года Сцилард, Теллер и Вигнер подумали, что немцы могут использовать цепную реакцию деления , и были вынуждены попытаться привлечь внимание правительства Соединенных Штатов к этой проблеме. Для этого они убедили Альберта Эйнштейна указать свое имя в письме, направленном президенту Франклину Рузвельту . 11 октября письмо Эйнштейна-Сциларда было доставлено через Александра Сакса . Рузвельт быстро понял последствия, заявив: «Алекс, ваша цель — проследить, чтобы нацисты нас не взорвали». Рузвельт приказал сформировать Консультативный комитет по урану .

В феврале 1940 года, при поддержке Ферми и Джона Р. Даннинга , Альфред О.К. Ниер смог отделить U-235 и U-238 от тетрахлорида урана в стеклянном масс-спектрометре . Впоследствии Даннинг, бомбардируя образец U-235 нейтронами, генерируемыми циклотроном Колумбийского университета , подтвердил, что «U-235 ответственен за медленное нейтронное деление урана».

В Университете Бирмингема Фриш объединился с Пайерлсом , который работал над формулой критической массы. предполагая, что разделение изотопов возможно, они считали ²³⁵ которого U, сечение еще не определено, но предполагалось, что оно намного больше, чем у природного урана. Они подсчитали, что всего один или два фунта в объеме, меньшем, чем мяч для гольфа, приведут к цепной реакции быстрее, чем испарение, и в результате взрыва возникнет температура, превышающая внутреннюю часть Солнца, и давление выше, чем в центре Земли. . Кроме того, затраты на разделение изотопов «будут незначительными по сравнению с затратами на войну». К марту 1940 года, поощряемые Марком Олифантом , они написали меморандум Фриша-Пайерлса, состоящий из двух частей: «О создании «супербомбы, основанной на цепной ядерной реакции в уране» и «Меморандум о свойствах радиоактивного вещества». «супербомба». ". первое заседание комитета МАУД . 10 апреля 1940 г. состоялось

В декабре 1940 года Франц Саймон из Оксфорда написал свою «Оценку размера реальной установки по разделению». Саймон предложил газовую диффузию как лучший метод разделения изотопов урана.

28 марта 1941 года Эмилио Сегре и Глен Сиборг сообщили о «веских признаках того, что ²³⁹ Pu подвергается делению медленными нейтронами». Это означало, что химическое разделение было альтернативой разделению изотопов урана. Вместо этого ядерный реактор, питаемый обычным ураном, мог производить изотоп плутония в качестве замены ядерного взрывчатого вещества. ²³⁵ У. В мае они продемонстрировали, что сечение плутония в 1,7 раза больше, чем у U235. Когда сечение быстрого деления плутония оказалось в десять раз больше, чем у U238, плутоний стал жизнеспособным вариантом для бомбы.

В октябре 1941 года MAUD опубликовала свой окончательный отчет правительству США. В отчете говорилось: «Теперь мы пришли к выводу, что можно будет создать эффективную урановую бомбу... Материал для первой бомбы может быть готов к концу 1943 года...»

В ноябре 1941 года Джон Даннинг и Юджин Т. Бут смогли продемонстрировать обогащение урана посредством газовой барьерной диффузии. 27 ноября Буш представил Национальной академии наук Рузвельту третий доклад . В докладе, среди прочего, содержался призыв к параллельной разработке всех систем разделения изотопов. 6 декабря Буш и Конант реорганизовали задачи Уранового комитета: Гарольд Юри разработал газовую диффузию, Лоуренс разработал электромагнитное разделение, Эгер В. Мерфри разработал центрифуги, а Артур Комптон отвечал за теоретические исследования и проектирование.

23 апреля 1942 года ученые Met Lab обсудили семь возможных способов извлечения плутония из облученного урана и решили продолжить исследование всех семи. 17 июня первая партия гексагидрата нитрата урана (UNH) подвергалась нейтронной бомбардировке на циклотроне Вашингтонского университета в Сент-Луисе . 27 июля облученный UNH был готов принять Гленна Т. Сиборга команду . 20 августа с помощью методов ультрамикрохимии они успешно извлекли плутоний.

В апреле 1939 года целью Ферми и Сциларда стало создание цепной реакции в природном уране, а не разделение изотопов. Их первые усилия включали пятьсот фунтов оксида урана от корпорации «Эльдорадо Радиум». Упакованные в пятьдесят две банки диаметром два дюйма и длиной два фута в резервуаре с раствором марганца, они смогли подтвердить, что нейтронов испускается больше, чем поглощается. Однако водород в воде поглотил медленные нейтроны, необходимые для деления. Тогда рассматривался углерод в форме графита из-за его меньшего сечения захвата. В апреле 1940 года Ферми смог подтвердить потенциал углерода для цепной реакции медленных нейтронов после получения Национальной углеродной компании графитовых кирпичей в их лабораториях Пупина . В августе и сентябре команда Колумбии расширила измерения поперечного сечения, создав серию экспоненциальных «свай». Первые штабели представляли собой уран-графитовую решетку, состоящую из 288 банок, каждая из которых содержала 60 фунтов оксида урана, окруженных графитовыми кирпичами. Целью Ферми было определить критическую массу, необходимую для поддержания генерации нейтронов. Ферми определил коэффициент воспроизводства k для оценки цепной реакции, причем значение 1,0 обозначает устойчивую цепную реакцию. В сентябре 1941 года команде Ферми удалось достичь значения ak лишь 0,87. В апреле 1942 года, еще до того, как проект был централизован в Чикаго, они достигли показателя 0,918 за счет удаления влаги из оксида. В мае 1942 года Ферми запланировал создание полномасштабного котла с цепной реакцией, Чикаго-Пайл-1, после того, как один из экспоненциальных котлов на Стагг-Филд достиг значения ak 0,995. В период с 15 сентября по 15 ноября Герберт Л. Андерсон и Уолтер Зинн построили шестнадцать экспоненциальных свай. Первостепенной задачей стало приобретение более чистых форм графита, без следов бора и с большим поперечным сечением. Также важным было приобретение высокоочищенных форм оксида у Mallinckrodt Chemical Works. Наконец, получение чистого металлического урана в процессе Эймса означало замену оксидных псевдосфер Фрэнка Спеддинга «яйцами» . Начиная с 16 ноября 1942 года Ферми поручил Андерсону и Зинну работать в две двенадцатичасовые смены, сооружая кучу, которая к 1 декабря в конечном итоге достигла 57 слоев. Последняя груда состояла из 771 000 фунтов графита, 80 590 фунтов оксида урана и 12 400 фунтов. металлического урана с десятью кадмиями стержни управления . Интенсивность нейтронов измерялась счетчиком трифторида бора при снятых стержнях управления после окончания каждой смены. 2 декабря 1942 года, когда k приближалось к 1,0, Ферми удалил все стержни управления, кроме одного, и постепенно удалил последний. Щелчки нейтронного счетчика усилились, как и самописец, когда Ферми объявил: «Куча достигла критического уровня». Они достигли значения ak 1,0006, что означало, что интенсивность нейтронов удваивалась каждые две минуты, помимо образования плутония.

Манхэттенский проект и не только

См. Также: Манхэттенский проект

В Соединенных Штатах всесторонние усилия по созданию атомного оружия были начаты в конце 1942 года. В 1943 году эту работу взял на себя Инженерный корпус армии США , известный как Манхэттенский инженерный округ. Сверхсекретный Манхэттенский проект , как его в просторечии называли, возглавлял генерал Лесли Р. Гроувс . Среди десятков площадок проекта были: Хэнфордская площадка в Вашингтоне, где располагались первые ядерные реакторы промышленного масштаба и производился плутоний ; Ок-Ридж, штат Теннесси , который в первую очередь занимался обогащением урана ; и Лос-Аламос в Нью-Мексико, который был научным центром исследований в области разработки и проектирования бомб. Другие объекты, в частности Радиационная лаборатория Беркли и Металлургическая лаборатория Чикагского университета, сыграли важную роль. Общее научное руководство проектом возглавил физик Дж. Роберт Оппенгеймер .

В июле 1945 года первое атомное взрывное устройство, получившее название «Гаджет», было взорвано в пустыне Нью-Мексико во время испытания «Тринити » . Он работал на плутонии, созданном в Хэнфорде. В августе 1945 года еще два атомных устройства — « Маленький мальчик », бомба с ураном-235, и « Толстяк », плутониевая бомба — были применены против японских городов Хиросима и Нагасаки .

Цепные реакторы естественного деления на Земле

Критичность в природе встречается редко. На трех рудных месторождениях Окло в Габоне обнаружено шестнадцать участков (так называемые ископаемые реакторы Окло ), на которых примерно 2 миллиарда лет назад происходило самоподдерживающееся деление ядер. Французский физик Фрэнсис Перрен открыл ископаемые реакторы Окло в 1972 году, но постулировал это Пол Курода в 1956 году. Крупномасштабные цепные реакции деления природного урана, замедляемые обычной водой, происходили в далеком прошлом и сейчас были бы невозможны. Этот древний процесс мог использовать обычную воду в качестве замедлителя только потому, что за 2 миллиарда лет до настоящего времени природный уран был богаче короткоживущими делящимися изотопами. ²³⁵ U (около 3%), чем природный уран, доступный сегодня (который составляет всего 0,7% и должен быть обогащен до 3%, чтобы его можно было использовать в легководных реакторах).

См. также

• Холодное деление
• Делящийся материал
• Реактор осколков деления
• Гибридный синтез/деление
• Ядерный синтез
• Ядерная двигательная установка
• Фотоделение

Дальнейшее чтение

• Справочник Министерства энергетики США по основам ядерной физики и теории реакторов, том 1 (PDF) . Министерство энергетики США . Январь 1993 г. Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2014 г. Проверено 03 января 2012 г.
• Справочник Министерства энергетики США по основам ядерной физики и теории реакторов, том 2 (PDF) . Министерство энергетики США. Январь 1993 г. Архивировано из оригинала (PDF) 3 декабря 2013 г. Проверено 03 января 2012 г.
• Булгач, Аурел; Джин, Ши; Стецку, Ионел (2020). «Динамика ядерного деления: прошлое, настоящее, потребности и будущее» . Границы в физике . 8 : 63. arXiv : 1912.00287 . Бибкод : 2020FrP.....8...63B . дои : 10.3389/fphy.2020.00063 .

Внешние ссылки

• Эффекты ядерного оружия
• Аннотированная библиография по ядерному делению из цифровой библиотеки Алсос.
• Открытие ядерного деления. Архивировано 16 февраля 2010 г. в историческом отчете Wayback Machine с аудиоматериалами и руководствами для учителей из Центра истории Американского института физики.
• Atomicarchive.com Объяснение ядерного деления
• Nuclear Files.org. Архивировано 8 марта 2018 г. на Wayback Machine. Что такое ядерное деление?
• Анимация ядерного деления