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 19 декабря 1938 года в Берлине немецкими химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом . Физики Лиза Мейтнер и ее племянник Отто Роберт Фриш теоретически объяснили это в январе 1939 года. Фриш назвал 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 ( нагрев объемного материала, при котором происходит деление). Как и в случае с ядерным синтезом , для того, чтобы при делении производилась энергия, 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 . [1] [2] Большинство делений являются бинарными (с образованием двух заряженных фрагментов), но иногда (от 2 до 4 раз на 1000 событий) образуются три 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 обнаружено в 1940 году Флёровым , Петржаком и Курчатовым [3] в Москве в эксперименте, призванном подтвердить, что без бомбардировки нейтронами скорость деления урана была незначительной, как предсказывал Нильс Бор ; это не было незначительным. [3]
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 количества235
U в миллион раз больше, чем выделяется при сгорании метана или водородных топливных элементах . [4]
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 (из238
U ) и минорные актиниды (из обоих235
У и238
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, но232U , 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 « замкнутый топливный цикл ».
Юнес и Лавленд определяют деление как «...коллективное движение протонов и нейтронов, составляющих ядро, и поэтому его можно отличить от других явлений, разрушающих ядро. Деление ядра является крайним примером процесса 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». Большая часть энергии деления, около 85 процентов, находится в кинетической энергии осколков , в то время как около 6 процентов приходится на начальные нейтроны и гамма-лучи, затем нейтроны бета-распада и гамма-лучи, плюс около 3 процентов от нейтрино β-распада . [4] : 21–22, 30.
Деление ядра может происходить без нейтронной бомбардировки как разновидность радиоактивного распада. Этот тип деления называется спонтанным делением и впервые наблюдался в 1940 году [4] : 22.
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 осколка, бинарное деление, является наиболее распространенной ядерной реакцией . Реже всего происходит тройное деление, при котором испускается третья частица. Эта третья частица обычно является α-частицей. [4] : 21–24 Поскольку при делении ядра ядро испускает больше нейтронов, чем поглощает, возможна цепная реакция . [5] : 291, 296
Наиболее распространенным процессом деления является бинарное деление, в результате которого образуются отмеченные выше продукты деления при 95±15 и 135±15 u . Однако бинарный процесс происходит лишь потому, что он наиболее вероятен. При от 2 до 4 делений на 1000 в ядерном реакторе процесс, называемый тройным делением , производит три положительно заряженных фрагмента (плюс нейтроны), и наименьший из них может иметь заряд и массу, равные протону ( Z = 1). , до такого же крупного фрагмента, 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» при ~ 16 МэВ), а также ядер гелия-6 и тритонов ( ядра трития ). Тройной процесс менее распространен, но все равно приводит к образованию значительного количества гелия-4 и газообразного трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов. [6]
Бор и Уилер использовали свою модель жидкой капли , кривую доли упаковки Артура Джеффри Демпстера и оценки Юджина Финберга радиуса ядра и поверхностного натяжения, чтобы оценить разницу масс родительских и дочерних ядер при делении. Затем они приравняли эту разницу масс к энергии, используя формулу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна . 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. [4] : 10–11 [7] [8] Согласно Джону Лилли, «Энергия, необходимая для преодоления барьера деления, называется энергией активации или барьером деления и составляет около 6 МэВ для A ~ 240. Установлено, что энергия активации уменьшается с увеличением A. В конце концов, достигается точка, в которой энергия активации полностью исчезает... происходит очень быстрое спонтанное деление». [9]
Позже Мария Гепперт Майер предложила модель ядерной оболочки ядра. Изотопы химических элементов , которые могут поддерживать цепную реакцию деления, называются ядерным топливом и считаются « делящимися ». 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 набор химических элементов с атомными массами около 95 и 135 единиц ( 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 делении238
Вы достаточно быстры, чтобы вызвать еще одно деление238
Большинство из них — нет, то есть они никогда не смогут достичь критичности. Хотя существует очень малая (хотя и ненулевая) вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление в238
U , поглощение нейтронов на порядки более вероятно.
Сечение деления — это измеримое свойство, связанное с вероятностью того, что деление произойдет в ядерной реакции. Сечения являются функцией энергии падающих нейтронов, а сечения для U-235 и Pu-239 в миллион раз выше, чем для U-238 на более низких уровнях энергии нейтронов. Поглощение любого нейтрона дает ядру энергию связи около 5,3 МэВ. U238 нужен быстрый нейтрон, чтобы обеспечить дополнительный 1 МэВ, необходимый для преодоления критического энергетического барьера деления. Однако в случае U235 эта дополнительная энергия обеспечивается, когда U235 переходит от нечетной массы к четной. По словам Юнеса и Лавлейса, «...поглощение нейтронов на235
Цель U образует236
Ядро U с энергией возбуждения, большей критической энергии деления, тогда как в случае n +238
U , в результате239
Ядро U имеет энергию возбуждения ниже критической энергии деления». [4] : 25–28 [5] : 282–287 [10] [11]
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, превращаясь в 239 U. Оставшаяся энергия для инициирования деления может быть обеспечено двумя другими механизмами: одним из них является увеличение кинетической энергии входящего нейтрона, который все больше способен расщеплять делящееся тяжелое ядро, поскольку его кинетическая энергия превышает 1 МэВ или более (так называемые быстрые нейтроны ). Нейтроны такой высокой энергии способны напрямую расщеплять 238 U (применение см. в термоядерном оружии , где быстрые нейтроны получаются путем ядерного синтеза). Однако этот процесс не может происходить в ядерном реакторе в значительной степени, поскольку слишком малая часть нейтронов деления, образующихся при любом типе деления, обладает достаточной энергией для эффективного деления 238 U (нейтроны деления имеют модовую энергию 2 МэВ, но медиана всего 0,75 МэВ, что означает , что половина из них имеет энергию меньше этой недостаточной). [12]
Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов (например, 235 U с 143 нейтронами), связывают дополнительный нейтрон с дополнительной энергией от 1 до 2 МэВ по сравнению с 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 . Эта дополнительная энергия возникает из-за принципа исключения Паули , позволяющего дополнительному нейтрону занимать ту же ядерную орбиталь, что и последний нейтрон в ядре, так что они образуют пару. 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 с замедленным режимом, а вторые - в быстрых) . -нейтронные реакторы и в оружии).
По мнению Юнеса и Лавленда, « актиниды похожи на235
U , которые легко делятся после поглощения теплового (0,25 мэВ) нейтрона, называются делящимися , тогда как такие, как238
U , который с трудом делится при поглощении теплового нейтрона, называется делящимся ». [4] : 25
После слияния налетающей частицы с родительским ядром, если энергии возбуждения достаточно, ядро распадается на фрагменты. Это называется разрывом и происходит примерно через 10–20 секунд . Фрагменты могут испускать мгновенные нейтроны за период от 10–18 до 10–15 секунд . Примерно через 10–11 секунд осколки могут излучать гамма-лучи. Через 10–3 секунды из продуктов распада испускаются β-распад, β- запаздывающие нейтроны и гамма-лучи . [4] : 23–24
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. Деление 235 U медленным нейтроном дает почти ту же энергию, что и деление 238 U быстрым нейтроном. Этот профиль энерговыделения справедлив и для тория, и для различных второстепенных актинидов. [13]
При делении ядра урана на два фрагмента дочерних ядер около 0,1 процента массы ядра урана [14] появляется в виде энергии деления ~200 МэВ. Для урана-235 (общая средняя энергия деления 202,79 МэВ [15] ) 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). [16] 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 почти сразу при воздействии осколков на окружающее вещество, как простое тепло ). [17] [18]
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 начали бы опасную и беспорядочную «мгновенную критическую реакцию» прежде, чем их операторы смогли бы вручную остановить их (по этой причине конструктор Энрико Ферми включил в него подвешенные регулирующие стержни, противодействующие радиации). электромагнитами, которые могут автоматически упасть в центр Чикагской сваи-1 ). Если эти запаздывающие нейтроны захватываются без деления, они также выделяют тепло. [19]
Энергия связи ядра — это разница между энергией массы покоя ядра и энергией 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. [4] : 46–50 Обычно энергия связи обозначается и отображается как средняя энергия связи на нуклон. [9]
По словам Лилли, «энергия связи ядра B — это энергия, необходимая для разделения его на составляющие его нейтроны и протоны». [9]
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 отмечены 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 увеличением Z. Энергия деления выделяется, когда количество фрагментов ядра A превышает 120. Энергия термоядерного синтеза высвобождается при объединении более легких ядер. [9]
Полуэмпирическая формула массы Карла Фридриха фон Вайцзеккера может использоваться для выражения энергии связи как суммы пяти членов, которые включают объемную энергию, поверхностную поправку, кулоновскую энергию, член симметрии и спаривающий член: [9]
При делении наблюдается предпочтение образованию фрагментов с четным числом протонов, что называется нечетно-четным эффектом на распределение заряда фрагментов. Однако нечетно-четного влияния на распределение массового числа фрагментов не наблюдается . Этот результат объясняется разрывом пар 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 единиц , а другое - от 130 до 140 единиц . [20]
Стабильные ядра и нестабильные ядра с очень длительными периодами полураспада следуют тенденции стабильности, очевидной, когда Z отображается на графике в зависимости от N. Для более легких ядер меньше N pf 20 линия имеет наклон n = Z , тогда как более тяжелые ядра требуют дополнительных нейтронов для сохранения стабильности. Ядра, богатые нейтронами или протонами, имеют избыточную энергию связи для стабильности, и избыточная энергия может преобразовать нейтрон в протон или нейтрон в протон посредством слабого ядерного взаимодействия. [9]
Нейтронно-индуцированное деление U-235 излучает общую энергию 207 МэВ, из которых восстанавливается около 200 МэВ. Мгновенные осколки деления составляют 168 МэВ, которые легко останавливаются долями 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 посредством β - излучения. 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». [9]
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 находится в сверхкритическом состоянии, и цепная реакция расходится. Это ситуация в бомбе деления, где рост происходит со взрывной скоростью. Если k точно равно единице, реакции протекают с постоянной скоростью, и реактор называется критическим. Это 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 . [9] : 269, 274
По словам Джона К. Ли: «Для всех действующих и разрабатываемых ядерных реакторов ядерный топливный цикл основан на одном из трех делящихся материалов: 235 U, 233 U и 239 Pu и связанных с ними изотопных цепочек. В нынешнем поколении LWR обогащенный уран содержит 2,5~4,5 мас.% 235 U , из которого изготавливают топливные стержни UO 2 и загружают в топливные сборки». [21]
Ли заявляет: «Одним из важных сравнений трех основных делящихся нуклидов, 235 U, 233 U и 239 Pu, является их потенциал воспроизводства. Размножитель по определению представляет собой реактор, который производит больше делящегося материала, чем потребляет, и ему требуется как минимум два нейтронов, производимых на каждый нейтрон, поглощенный делящимся ядром.Таким образом, в целом коэффициент конверсии (CR) определяется как отношение произведенного делящегося материала к уничтоженному ... когда CR больше 1,0, это называется воспроизводством соотношение (BR)... 233 U предлагает превосходный потенциал воспроизводства как для тепловых, так и для быстрых реакторов, тогда как 239 Pu предлагает превосходный потенциал воспроизводства для быстрых реакторов». [21]
Критические реакторы деления являются наиболее распространенным типом ядерных реакторов. В критическом реакторе деления нейтроны, образующиеся в результате деления атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще больше делений и поддерживать контролируемое выделение 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:
Хотя, в принципе, все реакторы деления могут выполнять все три функции, на практике эти задачи приводят к противоречивым инженерным целям, и большинство реакторов были построены 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. [21] : 1–4
Более подробное описание физики и принципов работы критических реакторов деления см. в разделе « Физика ядерных реакторов» . Описание их социальных, политических и экологических аспектов см. в разделе «Ядерная энергетика».
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 одному куску ядра, а бериллий — к другому. , 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. [5] : 460–463
Открытие ядерного деления произошло в 1938 году в зданиях Химического общества кайзера Вильгельма , 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 ). [26] 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. [5] : 49–51, 70–77, 228 [4] : 6–7
В 1896 году Анри Беккерель открыл и 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!» [5] : 41–43
В 1919 году, развивая более раннюю аномалию, которую Эрнест Марсден заметил в 1915 году, Резерфорд попытался «разрушить атом». Резерфорду удалось совершить первое искусственное превращение азота в кислород, используя альфа-частицы, направленные на азот 14 N + α → 17 O + p. 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. [5] В конце концов, в 1932 году полностью искусственная ядерная реакция и ядерная трансмутация были достигнуты коллегами Резерфорда Эрнестом Уолтоном и Джоном Кокрофтом , 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. [27]
Английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году. [28] Чедвик использовал ионизационную камеру для наблюдения протонов, выбитых из нескольких элементов излучением бериллия, в развитие более ранних наблюдений, сделанных Жолио-Кюри . По словам Чедвика: «…Чтобы объяснить большую 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». [5] : 153–165 Впоследствии он изложил свои выводы более подробно. [29]
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. [5] : 165, 216–220.
Энрико Ферми и его коллеги в Риме изучали результаты бомбардировки урана нейтронами в 1934 году. [30] Ферми пришел к выводу, что в его экспериментах были созданы новые элементы с 93 и 94 протонами, которые группа назвала аузонием 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, и за связанное с ним открытие ядерных реакций, вызываемых нейтронным облучением». медленные нейтроны». Немецкий химик Ида Ноддак в 1934 году, в частности, предположила, что вместо создания нового, более тяжелого элемента 93, «ядро вполне возможно распадется на несколько крупных фрагментов». [31] Однако цитируемое возражение имеет несколько иной смысл и 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. [32]
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 частью продукта бомбардировки урана нейтронами был барий . Хан предположил взрыв ядра, но не был уверен в том, какова физическая основа полученных результатов. Барий имел атомную массу на 40% меньше, чем уран, 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 бинарным делением . Подобно тому, как термин ядерная «цепная реакция» позже был заимствован из химии, так и термин «деление» был заимствован из биологии. [35]
Новости о новом открытии, которое правильно рассматривалось как совершенно новый физический эффект с огромными научными и потенциально практическими возможностями, быстро распространились. Интерпретация Мейтнер и Фриша 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». [36]
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 ядерному делению [37] , который проводился 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 делился именно изотоп урана-235 . На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия, началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Вашингтонского института Карнеги . Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало появлению множества экспериментальных демонстраций. [38]
В статье Хана и Страссмана от 6 января 1939 года было объявлено об открытии деления. В своей второй публикации о делении ядра в феврале 1939 года Хан и Штрассман впервые использовали термин Uranspaltung (деление урана) и предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов во время процесса деления, открыв возможность цепной ядерной реакции. . [39] В статье Мейтнер и Фриша от 11 февраля 1939 года этот процесс сравнивался с разделением жидкой капли и оценивалась выделяемая энергия в 200 МэВ. [40] В статье Бора и Уиллера от 1 сентября 1939 года эта модель жидкой капли использовалась для количественной оценки деталей деления, включая выделяемую энергию, оценки сечения нейтронно -индуцированного деления и вывода235
U внес основной вклад в это сечение и деление медленных нейтронов. [41] [5] : 262, 311 [4] : 9–13
В этот период венгерский физик Лео Сцилард 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». 25 января 1939 года, узнав об открытии Хана от Юджина Вигнера , Сцилард заметил: «... если испускается достаточное количество нейтронов... тогда, конечно, должно быть возможным поддерживать цепную реакцию. Все то, о чем говорил Х.Г. Предсказание Уэллса внезапно показалось мне реальным». После публикации статьи Хана-Штрассмана Сцилард в письме Льюису Штраусу отметил , что во время деления урана «энергия, выделяющаяся в этой новой реакции, должна быть намного выше, чем во всех ранее известных случаях...», что могло приведет к «крупномасштабному производству энергии и радиоактивных элементов, к сожалению, возможно, также и к атомным бомбам». [42] [5] : 26–28, 203–204, 213–214, 223–225, 267–268.
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 Мировой 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. [43] 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». [5] : 290–291, 295–296.
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 сталкивались 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. [5] : 291, 298–302.
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 . [5] : 303–309, 312–317.
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». [5] : 297–298, 332.
В Университете Бирмингема Фриш объединился с Пайерлсом , который работал над формулой критической массы. предполагая, что разделение изотопов возможно, они рассмотрели 235 U, сечение которого 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». ". 10 апреля 1940 г. состоялось первое заседание комитета МАУД . [5] : 321–325, 330–331, 340–341.
В декабре 1940 года Франц Саймон в Оксфорде написал свою «Оценку размера реальной установки по разделению». В ней Саймон предложил газовую диффузию как лучший метод разделения изотопов урана. [5] : 339, 343
28 марта 1941 года Эмилио Сегре и Глен Сиборг сообщили о «веских признаках того, что 94 239 подвергается делению медленными нейтронами». Это означало, что химическое разделение было альтернативой разделению изотопов урана. Вместо этого ядерный реактор, питаемый обычным ураном, мог бы производить изотоп плутония в качестве ядерного взрывчатого заменителя урана -235 . В мае они продемонстрировали, что поперечное сечение плутония в 1,7 раза больше, чем у урана-235. Когда сечение быстрого деления плутония оказалось в десять раз больше, чем у U238, плутоний стал жизнеспособным вариантом для бомбы. [5] : 346–355, 366–368.
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...» [ 5] : 368–369
В ноябре 1941 года Джон Даннинг и Юджин Т. Бут смогли продемонстрировать обогащение урана посредством газовой барьерной диффузии. 27 ноября Буш представил Рузвельту третий доклад Национальной академии наук . 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. [5] : 381, 387–388.
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 команду Гленна Т. Сиборга . 20 августа с помощью методов ультрамикрохимии они успешно извлекли плутоний. [5] : 408–415.
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 графитовых кирпичей Национальной углеродной компании 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 со значением 1,0, обозначающим 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 большого сечения. Также важным было приобретение высокоочищенных форм оксида у Mallinckrodt Chemical Works. Наконец, получение чистого металлического урана в процессе Эймса означало замену оксидных псевдосфер «яйцами» Фрэнка Спеддинга . 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. из металлического урана с десятью кадмиевыми регулирующими стержнями . Интенсивность нейтронов измерялась с помощью трифторида бора.счетчик, со снятыми тягами 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, равного 1,0006, что означало, что интенсивность нейтронов удваивалась каждые две минуты, помимо образования плутония. [5] : 298–301, 333–334, 394–397, 400–401, 428–442.
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 .
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. Неизвестный до 1972 года (но постулированный Полом Куродой в 1956 году [44] ), когда французский физик Фрэнсис Перрен обнаружил ископаемые реакторы Окло , стало понятно, что природа опередила людей. 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 короткоживущим делящимся изотопом 235 U (около 3%), чем природный уран, доступный сегодня (который составляет всего 0,7%). % и должны быть обогащены до 3%, чтобы их можно было использовать в легководных реакторах).
{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)Газета была составлена на основе нескольких междугородных телефонных звонков, поскольку Лиза Мейтнер тем временем вернулась в Стокгольм. Я спросил американского биолога, который работал с Хевеши, как они называют процесс деления одной клетки надвое; «деление», — сказал он, поэтому в этой статье я использовал термин «расщепление ядра». Плачек был настроен скептически; не мог бы я провести несколько экспериментов, чтобы доказать существование этих быстро движущихся фрагментов ядра урана? Как ни странно, эта мысль мне не пришла в голову, но теперь я быстро приступил к работе, и эксперимент (который действительно был очень легким) был выполнен за два дня, а короткая записка о нем была отправлена в Природу вместе с остальными. записку, которую я написал по телефону с Лизой Мейтнер.