stringtranslate.com

Ядерное деление

Реакция индуцированного деления. Нейтрон поглощается ядром урана-235 , превращая его на короткое время в возбужденное ядро ​​урана-236 , причем энергия возбуждения обеспечивается кинетической энергией нейтрона плюс силы, которые связывают нейтрон . Уран-236, в свою очередь, распадается на быстро движущиеся более легкие элементы (продукты деления) и высвобождает несколько свободных нейтронов, один или несколько «мгновенных гамма-лучей » (не показаны) и (пропорционально) большое количество кинетической энергии.

Ядерное деление — это реакция , в которой ядро ​​атома расщепляется на два или более меньших ядра. Процесс деления часто производит гамма- фотоны и высвобождает очень большое количество энергии даже по энергетическим стандартам радиоактивного распада .

Ядерное деление было открыто химиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом и физиками Лизой Мейтнер и Отто Робертом Фришем . Ган и Штрассман доказали, что реакция деления имела место 19 декабря 1938 года, а Мейтнер и ее племянник Фриш теоретически объяснили ее в январе 1939 года. Фриш назвал процесс «делением» по аналогии с биологическим делением живых клеток. В своей второй публикации о ядерном делении в феврале 1939 года Ган 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 осколков ( нагревая основную массу материала, где происходит деление). Как и в случае ядерного синтеза , для того, чтобы деление производило энергию, общая энергия связи полученных элементов должна быть больше, чем у исходного элемента.

Деление является формой ядерной трансмутации , поскольку полученные фрагменты (или дочерние атомы) не являются тем же элементом , что и исходный родительский атом. Два (или более) полученных ядер чаще всего имеют сопоставимые, но немного отличающиеся размеры, как правило, с массовым соотношением продуктов около 3 к 2 для обычных делящихся изотопов . [1] [2] Большинство делений являются бинарными делениями (производящими два заряженных фрагмента), но иногда (от 2 до 4 раз на 1000 событий) производятся три положительно заряженных фрагмента в тройном делении . Наименьший из этих фрагментов в тройных процессах имеет размер от протона до ядра аргона .

Помимо деления, вызванного нейтроном, освоенного и эксплуатируемого людьми, естественная форма спонтанного радиоактивного распада (не требующая нейтрона) также называется делением и происходит, в частности, в изотопах с очень большим массовым числом. Спонтанное деление было открыто в 1940 году Флёровым , Петржаком и Курчатовым [3] в Москве в эксперименте, призванном подтвердить, что без бомбардировки нейтронами скорость деления урана была ничтожно мала, как и предсказывал Нильс Бор ; она не была ничтожно мала. [3]

Непредсказуемый состав продуктов (которые изменяются 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 в действие взрыв ядерного оружия . Оба варианта использования возможны, поскольку определенные вещества, называемые ядерным топливом, подвергаются делению при ударе нейтронами деления и, в свою очередь, испускают нейтроны при распаде. Это делает возможной самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию , высвобождающую энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или с очень быстрой, неконтролируемой скоростью в ядерном оружии.

Количество свободной энергии, выделяющейся при делении эквивалентного количества235
U в миллион раз больше, чем выделяется при сгорании метана или из водородных топливных элементов . [4]

Однако продукты ядерного деления в среднем гораздо более радиоактивны , чем тяжелые элементы, которые обычно делятся в качестве топлива, и остаются таковыми в течение значительного количества времени, что приводит к проблеме ядерных отходов . Однако семь долгоживущих продуктов деления составляют лишь малую часть продуктов деления. Поглощение нейтронов , которое не приводит к делению, производит плутоний (из238
U ) и второстепенные актиниды (из обоих235
У и238
U ), радиотоксичность которого намного выше, чем у долгоживущих продуктов деления. Опасения по поводу накопления ядерных отходов и разрушительного потенциала ядерного оружия являются противовесом мирному желанию использовать деление в качестве источника энергии . Ториевый топливный цикл практически не производит плутоний и гораздо меньше второстепенных актинидов, но232U — или, скорее, продукты его распада — являются основным источником гамма-излучения. Все актиниды являются воспроизводящими или делящимися , и быстрые реакторы-размножители могут делить их все, хотя и только в определенных конфигурациях. Ядерная переработка направлена ​​на извлечение пригодного к использованию материала из отработанного ядерного топлива , чтобы обеспечить более длительный срок службы запасов урана (и тория) и сократить количество «отходов». Промышленный термин для процесса, в котором делятся все или почти все актиниды, — « замкнутый топливный цикл ».

Физический обзор

Механизм

Юнес и Лавленд определяют деление как «...коллективное движение протонов и нейтронов, составляющих ядро, и как таковое оно отличается от других явлений, которые разбивают ядро. Ядерное деление является экстремальным примером коллективного движения большой амплитуды , которое приводит к разделению родительского ядра на два или более фрагментарных ядер. Процесс деления может происходить спонтанно или может быть вызван падающей частицей». Энергия от реакции деления вырабатывается продуктами деления , хотя большая ее часть, около 85 процентов, находится в кинетической энергии фрагментов , в то время как около 6 процентов исходит от начальных нейтронов и гамма-лучей и тех, которые испускаются после бета-распада , плюс около 3 процентов от нейтрино как продукта такого распада. [4] : 21–22, 30 

Визуальное представление события индуцированного ядерного деления, когда медленно движущийся нейтрон поглощается ядром атома урана-235, который делится на два быстро движущихся более легких элемента (продукты деления) и дополнительные нейтроны. Большая часть высвобождаемой энергии находится в форме кинетических скоростей продуктов деления и нейтронов.
Выходы продуктов деления по массе для деления тепловыми нейтронами урана-235 , плутония-239 , комбинации двух типичных для современных ядерных энергетических реакторов, и урана-233 , используемого в ториевом цикле .

Радиоактивный распад

Ядерное деление может происходить без нейтронной бомбардировки как тип радиоактивного распада. Этот тип деления называется спонтанным делением и был впервые обнаружен в 1940 году. [4] : 22 

Ядерная реакция

Во время вынужденного деления образуется составная система после слияния падающей частицы с мишенью. Результирующая энергия возбуждения может быть достаточной для испускания нейтронов или гамма-лучей и ядерного разрыва. Деление на два фрагмента называется бинарным делением и является наиболее распространенной ядерной реакцией . Реже всего встречается тройное деление , при котором испускается третья частица. Эта третья частица обычно является α-частицей . [4] : 21–24  Поскольку при ядерном делении ядро ​​испускает больше нейтронов, чем поглощает, возможна цепная реакция . [5] : 291, 296 

Бинарное деление может производить любой из продуктов деления, при 95±15 и 135±15 дальтон . Однако бинарный процесс происходит просто потому, что он наиболее вероятен. В любом месте от двух до четырех делений на 1000 в ядерном реакторе тройное деление может производить три положительно заряженных фрагмента (плюс нейтроны), и наименьший из них может варьироваться от такого малого заряда и массы, как протон ( Z  = 1), до такого большого фрагмента, как аргон ( Z  = 18). Однако наиболее распространенные небольшие фрагменты состоят из 90% ядер гелия-4 с большей энергией, чем альфа-частицы от альфа-распада (так называемые «дальнодействующие альфа-частицы» при ~16 мегаэлектронвольт (МэВ)), плюс ядра гелия-6 и тритоны (ядра трития ). Хотя этот процесс встречается реже, чем бинарное деление, он все же приводит к значительному накоплению гелия-4 и трития в топливных стержнях современных ядерных реакторов. [6]

Бор и Уилер использовали свою модель жидкой капли , кривую упаковочной фракции Артура Джеффри Демпстера и оценки радиуса ядра и поверхностного натяжения Юджина Финберга, 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 бомбардировки нейтронами была аналогична колебаниям жидкой капли, с поверхностным натяжением и кулоновской силой в противовес. Построив график суммы этих двух энергий как функции вытянутой формы, они определили, что результирующая энергетическая поверхность имела форму седла. Седло обеспечивало энергетический барьер, называемый критическим энергетическим барьером. Энергия около 6 МэВ, предоставленная падающим нейтроном, была необходима для преодоления этого барьера и приведения ядра к делению. [4] : 10–11  [7] [8] По словам Джона 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 по мере увеличения A. В конце концов достигается точка, в которой энергия активации исчезает совсем... он подвергнется очень быстрому спонтанному делению». [9]

Мария Гепперт Майер позже предложила модель ядерной оболочки для ядра. Нуклиды, которые могут поддерживать цепную реакцию деления, подходят 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). Эти виды топлива распадаются на бимодальный ряд химических элементов с атомными массами, центрированными около 95 и 135 дальтон ( продукты деления ). Большинство видов ядерного топлива подвергаются спонтанному делению очень медленно, распадаясь вместо этого в основном через цепочку альфа - бета -распада в течение периодов от тысячелетий до эпох . В ядерном реакторе или ядерном оружии подавляющее большинство событий деления вызвано бомбардировкой другой частицей, нейтроном, который сам по себе производится предыдущими событиями деления.

Делящиеся изотопы, такие как уран-238, требуют дополнительной энергии, обеспечиваемой быстрыми нейтронами (такими, как те, которые производятся при ядерном синтезе в термоядерном оружии ). В то время как некоторые из нейтронов, высвобождаемых при делении238
U достаточно быстры, чтобы вызвать еще одно деление238
U , большинство не являются, то есть он никогда не сможет достичь критичности. Хотя существует очень малая (хотя и ненулевая) вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление в238
U , поглощение нейтронов на порядки более вероятно.

Энергетика

Вход

Стадии бинарного деления в модели жидкой капли. Ввод энергии деформирует ядро ​​в форму толстой «сигары», затем в форму «арахиса», после чего следует бинарное деление, когда две доли превышают расстояние притяжения ядерной силы ближнего действия , а затем раздвигаются и удаляются своим электрическим зарядом. В модели жидкой капли два фрагмента деления, как предсказывают, будут иметь одинаковый размер. Модель ядерной оболочки допускает, что они различаются по размеру, что обычно наблюдается экспериментально.

Сечения деления являются измеримым свойством, связанным с вероятностью того, что деление произойдет в ядерной реакции. Сечения являются функцией энергии падающего нейтрона, а те, что для235
У и239
Pu в миллион раз выше, чем238
U на более низких уровнях энергии нейтрона. Поглощение любого нейтрона делает доступной ядру энергию связи около 5,3 МэВ.238
U нуждается в быстром нейтроне, чтобы обеспечить дополнительный 1 МэВ, необходимый для преодоления критического энергетического барьера для деления. В случае235
Однако эта дополнительная энергия предоставляется, когда235
U подстраивается от нечетной массы к четной. По словам Юнеса и Лавлейс, «...поглощение нейтрона на235
U- образная мишень образует236
Ядро U с энергией возбуждения больше критической энергии деления, тогда как в случае n +238
U , полученный239
Ядро U имеет энергию возбуждения ниже критической энергии деления." [4] : 25–28  [5] : 282–287  [10] [11]

Около 6 МэВ энергии деления поступает за счет простого связывания дополнительного нейтрона с тяжелым ядром посредством сильного взаимодействия; однако во многих расщепляющихся изотопах этого количества энергии недостаточно для деления. Например, уран-238 имеет почти нулевое сечение деления для нейтронов с энергией менее 1 МэВ. Если никакой дополнительной энергии не поступает от какого-либо другого механизма, ядро ​​не будет делиться, а просто поглотит нейтрон, как это происходит, когда238
U поглощает медленные и даже некоторую часть быстрых нейтронов, становясь239
U . Оставшаяся энергия для начала деления может быть предоставлена ​​двумя другими механизмами: один из них — большая кинетическая энергия входящего нейтрона, который все больше способен расщеплять делящееся тяжелое ядро, поскольку он превышает кинетическую энергию 1 МэВ или более (так называемые быстрые нейтроны). Такие высокоэнергетические нейтроны способны делить238
U напрямую (см. термоядерное оружие для применения, где быстрые нейтроны поставляются ядерным синтезом). Однако этот процесс не может происходить в значительной степени в ядерном реакторе, так как слишком малая доля нейтронов деления, произведенных любым типом деления, имеет достаточно энергии для эффективного деления238
U (нейтроны деления имеют модовую энергию 2 МэВ, но медиану всего 0,75 МэВ, что означает, что у половины из них энергия меньше этой недостаточной энергии). [12]

Однако среди тяжелых актинидных элементов те изотопы, которые имеют нечетное число нейтронов (например, 235 U со 143 нейтронами), связывают дополнительный нейтрон с дополнительными 1–2 МэВ энергии 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 , который сам по себе вызван принципом исключения Паули , позволяя 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 обеспечивается поглощением любого нейтрона, как медленного, так и быстрого типа (первые используются в замедлительных ядерных реакторах, а вторые — в реакторах на быстрых нейтронах и в оружии).

По словам Юнеса и Лавленда, «актиниды, подобные235
U , которые легко делятся после поглощения теплового (0,25 мэВ) нейтрона, называются делящимися , тогда как такие, как238
U , который не делится легко, когда поглощает тепловой нейтрон, называется делящимся ." [4] : 25 

Выход

После того, как падающая частица слилась с родительским ядром, если энергия возбуждения достаточна, ядро ​​распадается на фрагменты. Это называется расщеплением и происходит примерно через 10−20 секунд . Фрагменты могут испускать мгновенные нейтроны между 10−18 и 10−15 секундами . Примерно через 10−11 секунд фрагменты могут испускать гамма-лучи. Через 10−3 секунды из продуктов распада испускаются β-распад, β- запаздывающие нейтроны и гамма-лучи . [4] : 23–24 

Типичные события деления высвобождают около двухсот миллионов эВ (200 МэВ) энергии, что эквивалентно примерно >2 триллионам кельвинов, для каждого события деления. Точный изотоп, который делится, и является ли он делящимся или нет, оказывает лишь небольшое влияние на количество высвобождаемой энергии. Это можно легко увидеть, изучив кривую энергии связи (изображение ниже) и отметив, что средняя энергия связи актиноидных нуклидов, начиная с урана, составляет около 7,6 МэВ на нуклон. Глядя дальше влево на кривую энергии связи, где кластеризуются продукты деления, легко заметить, что энергия связи продуктов деления имеет тенденцию центрироваться около 8,5 МэВ на нуклон. Таким образом, в любом событии деления изотопа в диапазоне масс актиноида высвобождается примерно 0,9 МэВ на нуклон исходного элемента. Деление 235 U медленным нейтроном дает почти такую ​​же энергию, как и деление 238 U быстрым нейтроном. Этот профиль выделения энергии справедлив также для тория и различных младших актинидов. [13]

Анимация кулоновского взрыва в случае кластера положительно заряженных ядер, похожего на кластер осколков деления. Уровень оттенка цвета пропорционален (большему) заряду ядра. Электроны (меньшие) в этой временной шкале видны только стробоскопически, а уровень оттенка — это их кинетическая энергия.

Когда ядро ​​урана делится на два дочерних ядра-фрагмента, 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 в виде кинетической энергии дочерних ядер, которые разлетаются со скоростью около 3% от скорости света из-за кулоновского отталкивания . Кроме того, в среднем испускается 2,5 нейтрона со средней кинетической энергией на нейтрон ~2 МэВ (всего 4,8 МэВ). [16] Реакция деления также высвобождает ~7 МэВ в виде мгновенных гамма- фотонов . Последняя цифра означает, что ядерный взрыв деления или авария с возникновением критичности испускает около 3,5% своей энергии в виде гамма-лучей, менее 2,5% своей энергии в виде быстрых нейтронов (сумма обоих типов излучения ~6%), а остальное в виде кинетической энергии осколков деления (она появляется почти сразу, когда осколки сталкиваются с окружающим веществом, в виде простого тепла). [17] [18]

Некоторые процессы с участием нейтронов примечательны тем, что поглощают или в конечном итоге выдают энергию — например, кинетическая энергия нейтрона не выделяет тепло немедленно, если нейтрон захватывается атомом урана-238 для получения плутония-239, но эта энергия выделяется, если плутоний-239 позже делится. С другой стороны, так называемые запаздывающие нейтроны , испускаемые в виде радиоактивных продуктов распада с периодами полураспада до нескольких минут, от дочерних продуктов деления, очень важны для управления реактором , поскольку они дают характерное время «реакции» для удвоения общей ядерной реакции, если реакция протекает в « запаздывающей критической » зоне, которая намеренно полагается на эти нейтроны для сверхкритической цепной реакции (той, в которой каждый цикл деления дает больше нейтронов, чем поглощает). Без их существования ядерная цепная реакция была бы мгновенной критической и увеличивалась бы в размерах быстрее, чем ее можно было бы контролировать с помощью человеческого вмешательства. В этом случае первые экспериментальные атомные реакторы вышли бы из-под контроля и перешли бы в опасную и грязную «быструю критическую реакцию» до того, как их операторы смогли бы вручную их остановить (по этой причине конструктор Энрико Ферми включил в конструкцию стержни управления, противодействующие излучению, подвешенные на электромагнитах, которые могли бы автоматически падать в центр Чикагской поленницы-1 ). Если эти задержанные нейтроны захватываются без образования делений, они также производят тепло. [19]

Энергия связи

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

Энергия связи ядра — это разница между энергией покоя ядра и энергией покоя нейтрона и протона. Формула энергии связи включает в себя объемные, поверхностные и кулоновские энергетические члены, которые включают эмпирически полученные коэффициенты для всех трех, а также энергетические отношения деформированного ядра относительно сферической формы для поверхностных и кулоновских членов. Для улучшения оценки могут быть включены дополнительные члены, такие как симметрия, спаривание, конечный диапазон ядерной силы и распределение заряда внутри ядра. [4] : 46–50  Обычно энергия связи обозначается и отображается как средняя энергия связи на нуклон. [9]

Согласно Лилли, «энергия связи ядра B — это энергия, необходимая для его разделения на составляющие его нейтроны и протоны». [9] 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 единицах энергии с использованием соотношения эквивалентности массы и энергии Эйнштейна . Энергия связи также дает оценку полной энергии, выделяемой при делении. [9]

Кривая энергии связи характеризуется широким максимумом вблизи массового числа 60 при 8,6 МэВ, затем постепенно уменьшается до 7,6 МэВ при самых высоких массовых числах. Массовые числа выше 238 редки. На более легком конце шкалы пики отмечены для гелия-4 и кратных, таких как бериллий-8, углерод-12, кислород-16, неон-20 и магний-24. Энергия связи из-за ядерной силы приближается к постоянному значению для больших A , в то время как кулон действует на большем расстоянии, так что электрическая потенциальная энергия на протон растет с увеличением Z. Энергия деления выделяется, когда A больше 120 фрагментов ядра. Энергия синтеза выделяется, когда объединяются более легкие ядра. [9]

Полуэмпирическая формула массы Карла Фридриха фон Вайцзеккера может быть использована для выражения энергии связи в виде суммы пяти членов, а именно: объемной энергии, поверхностной поправки, кулоновской энергии, члена симметрии и члена спаривания: [9]

где энергия связи ядра пропорциональна объему ядра, в то время как нуклоны вблизи поверхности взаимодействуют с меньшим количеством нуклонов, уменьшая эффект члена объема. Согласно Лилли, «для всех встречающихся в природе ядер доминирует член поверхностной энергии, и ядро ​​существует в состоянии равновесия». Отрицательный вклад кулоновской энергии возникает из-за отталкивающей электрической силы протонов. Член симметрии возникает из-за того, что эффективные силы в ядре сильнее для разнородных пар нейтрон-протон, а не для однородных пар нейтрон-нейтрон или протон-протон. Член спаривания возникает из-за того, что однородные нуклоны образуют пары со спином ноль в одном и том же пространственном состоянии. Спаривание положительно, если N и Z оба четные, что добавляется к энергии связи. [9]

При делении предпочтение отдается фрагментам деления с четным Z , что называется эффектом нечетно-четного распределения заряда фрагментов. Это можно увидеть в эмпирических данных по выходу фрагментов для каждого продукта деления, поскольку продукты с четным Z имеют более высокие значения выхода. Однако нечетно-четный эффект не наблюдается в распределении фрагментов на основе их A . Этот результат приписывается разрыву пары нуклонов .

В ходе ядерного деления ядра могут распадаться на любую комбинацию более легких ядер, но наиболее распространенным событием является не деление на ядра с одинаковой массой около 120; наиболее распространенным событием (в зависимости от изотопа и процесса) является слегка неравное деление, при котором одно дочернее ядро ​​имеет массу около 90–100 дальтон, а другое — оставшиеся 130–140 дальтон. [20]

Стабильные ядра и нестабильные ядра с очень длинными периодами полураспада следуют тенденции стабильности, очевидной при построении графика Z против N. Для более легких ядер, меньших N = 20, линия имеет наклон N = Z , в то время как более тяжелым ядрам требуются дополнительные нейтроны, 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 слабой ядерной силы, процесса, известного как бета-распад . [9]

Деление U-235 под действием нейтронов выделяет общую энергию 207 МэВ, из которых около 200 МэВ можно извлечь. Осколки мгновенного деления составляют 168 МэВ, которые легко останавливаются долей миллиметра. Мгновенные нейтроны составляют 5 МэВ, и эта энергия извлекается в виде тепла посредством рассеяния в реакторе. Однако многие осколки деления богаты нейтронами и распадаются посредством β - излучения. По словам Лилли, «энергия радиоактивного распада из цепочек деления является вторым высвобождением энергии из-за деления. Она намного меньше мгновенной энергии, но это значительная величина, и именно поэтому реакторы должны продолжать охлаждаться после того, как они были остановлены, и почему с отходами следует обращаться с большой осторожностью и хранить их безопасно». [9]

Цепные реакции

Схема цепной реакции деления ядра. 1. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два новых атома (осколка деления), высвобождая 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 реакцию. 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 высвобождает от одного до трех нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию.

Джон Лилли утверждает: «... деление, вызванное нейтронами, генерирует дополнительные нейтроны, которые могут вызвать дальнейшие деления в следующем поколении и так далее в цепной реакции. Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k , который определяется как отношение числа нейтронов в одном поколении к числу в предыдущем поколении. Если в реакторе k меньше единицы, реактор находится в подкритическом состоянии, 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 считается критическим. Достичь критичности в реакторе, использующем природный уран в качестве топлива, можно при условии, что нейтроны были эффективно замедлены до тепловой энергии». Замедлители включают легкую воду, тяжелую воду и графит . [9] : 269, 274 

По словам Джона С. Ли, «Для всех ядерных реакторов, находящихся в эксплуатации и в стадии разработки, ядерный топливный цикл основан на одном из трех расщепляющихся материалов, 235 U, 233 U и 239 Pu, и связанных с ними изотопных цепях. Для нынешнего поколения LWR обогащенный U содержит 2,5~4,5 % по весу 235 U, который изготавливается в топливные стержни UO 2 и загружается в топливные сборки». [21]

Ли утверждает: «Одним важным сравнением для трех основных делящихся нуклидов, 235 U, 233 U и 239 Pu, является их потенциал воспроизводства. Размножитель по определению является реактором, который производит больше делящегося материала, чем потребляет, и требует минимум двух нейтронов, произведенных на каждый нейтрон, поглощенный делящимся ядром. Таким образом, в общем случае коэффициент преобразования (CR) определяется как отношение произведенного делящегося материала к уничтоженному ... когда CR больше 1,0, он называется коэффициентом воспроизводства (BR)... 233 U предлагает превосходный потенциал воспроизводства как для тепловых, так и для быстрых реакторов, в то время как 239 Pu предлагает превосходный потенциал воспроизводства для быстрых реакторов». [21]

Реакторы деления

Градирни АЭС Филиппсбург в Германии

Критические реакторы деления являются наиболее распространенным типом ядерного реактора. В критическом реакторе деления нейтроны, полученные при делении атомов топлива, используются для того, чтобы вызвать еще больше делений, чтобы поддерживать контролируемое количество высвобождения энергии. Устройства, которые производят сконструированные, но не самоподдерживающиеся реакции деления, называются подкритическими реакторами деления . Такие устройства используют радиоактивный распад или ускорители частиц для запуска делений.

Критические реакторы деления строятся для трех основных целей, которые обычно подразумевают различные инженерные компромиссы для использования либо тепла, либо нейтронов, образующихся в результате цепной реакции деления:

Хотя в принципе все реакторы деления могут работать во всех трех режимах, на практике эти задачи приводят к конфликтующим инженерным целям, и большинство реакторов были построены с учетом только одной из вышеперечисленных задач. (Существует несколько ранних контрпримеров, таких как реактор Hanford N , ныне выведенный из эксплуатации).

По состоянию на 2019 год 448 атомных электростанций по всему миру обеспечивали мощность 398 ГВт , причем около 85% из них были реакторами с легководным охлаждением, такими как реакторы с водой под давлением или реакторы с кипящей водой . Энергия от деления передается посредством проводимости или конвекции в теплоноситель ядерного реактора , затем в теплообменник , а полученный в результате пар используется для привода турбины или генератора. [21] : 1–4 

Бомбы деления

Грибовидное облако атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки, Япония , 9 августа 1945 года, поднялось на 18 километров (11 миль) над эпицентром бомбы . По оценкам, атомная бомба унесла жизни 39 000 человек, [22] из которых 23 145–28 113 были японскими рабочими фабрик, 2 000 были корейскими рабами и 150 были японскими бойцами. [23] [24] [25]

Цель атомной бомбы — создать устройство, согласно Серберу, «... в котором энергия высвобождается в результате быстрой цепной реакции нейтронов в одном или нескольких материалах, известных как материалы, способные к делению ядер». По словам Родса, «неутрамбованное ядро ​​бомбы, даже если его масса вдвое больше критической, полностью расщепит менее 1 процента своего ядерного материала, прежде чем оно расширится достаточно, чтобы остановить цепную реакцию. Утрамбовка всегда увеличивала эффективность: она отражала нейтроны обратно в ядро, а его инерция... замедляла расширение ядра и помогала удерживать поверхность ядра от разлета». Перераспределение подкритических компонентов материала ядра должно было происходить 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 бериллием — к другой, чтобы они сталкивались и распыляли нейтроны, когда части соединялись, чтобы начать цепную реакцию». Однако любая бомба «потребует обнаружения, добычи и переработки сотен тонн урановой руды...», в то время как разделение U-235 или производство Pu-239 потребует дополнительных промышленных мощностей. [5] : 460–463 

История

Открытие ядерного деления

Отто Хан и Лиза Мейтнер в 1912 году.

Открытие ядерного деления произошло в 1938 году в зданиях Общества кайзера Вильгельма по химии, сегодня являющегося частью Свободного университета Берлина , после более чем четырех десятилетий работы над наукой 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 отрицательно заряженными электронами ( модель Резерфорда ). [26] Нильс Бор улучшил ее в 1913 году, примирив квантовое поведение электронов ( модель Бора ). В 1928 году Георг Гамов предложил модель жидкой капли , которая стала существенной для понимания физики деления. [5] : 49–51, 70–77, 228  [4] : 6–7 

В 1896 году Анри Беккерель открыл, а Мария Кюри назвала радиоактивность. В 1900 году Резерфорд и Фредерик Содди , исследуя радиоактивный газ, выделяющийся из тория , «пришли к потрясающему и неизбежному выводу, что элемент торий медленно и спонтанно превращается в газ аргон!» [5] : 41–43 

В 1919 году, следуя более ранней аномалии, отмеченной Эрнестом Марсденом в 1915 году, Резерфорд попытался «разбить атом». Резерфорду удалось осуществить первую искусственную трансмутацию 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 из одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. Это также предложило новый способ изучения ядра. Затем Резерфорд и Джеймс Чедвик использовали альфа-частицы для «разложения» бора, фтора, натрия, алюминия и фосфора, прежде чем достигли 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 принес им Нобелевскую премию по физике 1951 года 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 за протонами, выбитыми из нескольких элементов излучением бериллия, продолжая более ранние наблюдения, сделанные Жолио-Кюри . По словам Чедвика, «...Чтобы объяснить большую проникающую способность излучения, мы должны далее предположить, что частица не имеет чистого заряда...» Существование нейтрона было впервые постулировано Резерфордом в 1920 году, и по словам Чедвика, «...как, черт возьми, вы собирались построить большое ядро ​​с большим положительным зарядом? И ответом была нейтральная частица». [5] : 153–165  Впоследствии он сообщил о своих открытиях более подробно. [29]

По словам Ричарда Роудса , говоря о нейтроне, «Он, следовательно, будет служить новым ядерным зондом с превосходящей проникающей способностью». Филип Моррисон заявил: «Пучок тепловых нейтронов , движущийся со скоростью, близкой к скорости звука... производит ядерные реакции во многих материалах гораздо легче, чем пучок протонов... движущихся в тысячи раз быстрее». По словам Роудса, «Замедление нейтрона давало ему больше времени в непосредственной близости от ядра, и это давало ему больше времени для захвата». Группа Ферми, изучающая радиационный захват, который представляет собой испускание гамма-излучения после захвата нейтрона ядром, изучила шестьдесят элементов, вызвав радиоактивность в сорока. В ходе этого процесса 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 его эксперименты создали новые элементы с 93 и 94 протонами, которые группа назвала аузением и гесперием . Однако не все были убеждены анализом Ферми его результатов, хотя он и получил Нобелевскую премию по физике 1938 года за свои «демонстрации существования новых радиоактивных элементов, полученных нейтронным облучением, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами». Немецкий химик Ида Ноддак в 1934 году, в частности, предположила, что вместо создания нового, более тяжелого элемента 93, «можно предположить, что ядро ​​распадается на несколько больших фрагментов». [31] Однако процитированное возражение идет немного дальше и было лишь одним из нескольких пробелов, которые она отметила в заявлении Ферми. Хотя Ноддак была известным химиком-аналитиком, ей не хватало знаний в области физики, чтобы оценить масштабность ее предложения. [32]

Экспозиция ядерного деления в Немецком музее в Мюнхене . Стол и приборы являются оригинальными, [33] [34], но они не могли находиться вместе в одном помещении.

После публикации Ферми Отто Ган , Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман начали проводить подобные эксперименты в Берлине . Мейтнер, австрийская еврейка, потеряла австрийское гражданство с аншлюсом , объединением Австрии с Германией в марте 1938 года, но в июле 1938 года она бежала в Швецию и начала переписку по почте с Ганом в Берлине. По совпадению, ее племянник Отто Роберт Фриш , также беженец, также был в Швеции, когда Мейтнер получила письмо от Гана от 19 декабря, в котором описывалось его химическое доказательство того, что часть продукта бомбардировки урана нейтронами представляет собой барий . Ган предположил взрыв ядра, но он не был уверен в физической основе результатов. Барий имел атомную массу на 40% меньше, чем уран, и ни один ранее известный метод радиоактивного распада не мог объяснить такую ​​большую разницу в массе ядра. Фриш был настроен скептически, но Мейтнер доверяла способностям Гана как химика. Мария Кюри уже много лет занималась разделением бария и радия, и методы были хорошо известны. Мейтнер и Фриш затем правильно интерпретировали результаты Гана, означающие, что ядро ​​урана разделилось примерно пополам. Фриш предложил назвать этот процесс «ядерным делением», по аналогии с процессом деления живой клетки на две клетки, который тогда называли бинарным делением . Так же, как термин «ядерная цепная реакция» позже был заимствован из химии, так и термин «деление» был заимствован из биологии. [35]

Новости о новом открытии быстро распространились, и оно было справедливо воспринято как совершенно новый физический эффект с большими научными и потенциально практическими возможностями. Интерпретация Мейтнер и Фриша открытия Гана и Штрассмана пересекла Атлантический океан с Нильсом Бором, который должен был читать лекции в Принстонском университете . Раби и Уиллис Лэмб , два физика из Колумбийского университета , работавшие в Принстоне, услышали эту новость и привезли ее обратно в Колумбию. Раби сказал, что рассказал Энрико Ферми; Ферми отдал должное Лэмбу. Вскоре после этого Бор отправился из Принстона в Колумбию, чтобы увидеть Ферми. Не найдя Ферми в его офисе, 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 захватывающее в физике». [36]

Для ряда ученых в Колумбии было ясно, что они должны попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при ядерном делении урана при бомбардировке нейтронами. 25 января 1939 года группа ученых Колумбийского университета провела первый эксперимент по ядерному делению в Соединенных Штатах, [37] который был проведен в подвале Pupin Hall . Эксперимент включал помещение оксида урана в ионизационную камеру и облучение его нейтронами, а также измерение выделяемой таким образом энергии. Результаты подтвердили, что деление происходит, и настоятельно намекнули, что именно изотоп уран 235 делится. На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия, под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Института Карнеги в Вашингтоне началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике . Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало проведению многих других экспериментальных демонстраций. [38] В статье Хана и Штрассмана от 6 января 1939 года было объявлено об открытии деления. В своей второй публикации о ядерном делении в феврале 1939 года Ган и Штрассман впервые использовали термин Uranspaltung (деление урана) и предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления, что открыло возможность ядерной цепной реакции. [39] В статье от 11 февраля 1939 года Мейтнер и Фриш сравнили этот процесс с делением жидкой капли и оценили выделяющуюся энергию в 200 МэВ. [40] В статье от 1 сентября 1939 года Бор и Уилер использовали эту модель жидкой капли для количественной оценки деталей деления, включая выделяющуюся энергию, оценили поперечное сечение деления, вызванного нейтронами, и вывели235
U внес основной вклад в это поперечное сечение и деление на медленных нейтронах. [41] [5] : 262, 311  [4] : 9–13 

Реализована цепная реакция деления

В этот период венгерский физик Лео Силард понял, что деление тяжелых атомов под действием нейтронов может быть использовано для создания цепной ядерной реакции. Такая реакция с использованием нейтронов была идеей, которую он впервые сформулировал в 1933 году, прочитав пренебрежительные замечания Резерфорда о получении энергии из столкновений нейтронов. Однако Силард не смог добиться цепной реакции под действием нейтронов с использованием бериллия. Силард заявил: «...если бы мы могли найти элемент, который расщепляется нейтронами и который испускал бы два нейтрона при поглощении одного нейтрона, такой элемент, если бы был собран в достаточно большой массе, мог бы поддерживать цепную ядерную реакцию». 25 января 1939 года, узнав об открытии Гана от Юджина Вигнера , Силард отметил: «...если испускается достаточно нейтронов... то, конечно, должно быть возможно поддерживать цепную реакцию. Все, что предсказывал Герберт Уэллс, внезапно показалось мне реальным». После публикации статьи Гана-Штрассмана Силард отметил в письме Льюису Штраусу , что во время деления урана «энергия, высвобождаемая в этой новой реакции, должна быть намного выше, чем во всех ранее известных случаях...», что может привести к «крупномасштабному производству энергии и радиоактивных элементов, а также, к сожалению, возможно, и к атомным бомбам». [42] [5] : 26–28, 203–204, 213–214, 223–225, 267–268 

Теперь Сцилард настоятельно просил Ферми (в Нью-Йорке) и Фредерика Жолио-Кюри (в Париже) воздержаться от публикации информации о возможности цепной реакции, чтобы нацистское правительство не узнало о возможностях накануне того, что позже будет известно как Вторая мировая война . С некоторыми колебаниями Ферми согласился на самоцензуру. Но Жолио-Кюри этого не сделал, и в апреле 1939 года его команда в Париже, включая Ганса фон Хальбана и Льва Коварски , сообщила в журнале Nature , что число нейтронов, испускаемых при ядерном делении урана, тогда составляло 3,5 на одно деление. [43] Сцилард и Вальтер Цинн обнаружили, что «... число нейтронов, испускаемых при делении, составляет около двух». Ферми и Андерсон оценили «выход около двух нейтронов на каждый захваченный нейтрон». [5] : 290–291, 295–296 

Чертеж первого искусственного реактора «Чикагская поленница-1» .

Узнав о нейтронах деления от деления урана, Сцилард сразу понял возможность ядерной цепной реакции с использованием урана. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора (котла) для осуществления этого процесса. Котл использовал бы в качестве топлива природный уран. Ферми гораздо раньше показал, что нейтроны гораздо эффективнее захватываются атомами, если они имеют низкую энергию (так называемые «медленные» или «тепловые» нейтроны), поскольку по квантовым причинам это делает атомы похожими на гораздо более крупные цели для нейтронов. Таким образом, чтобы замедлить вторичные нейтроны, испускаемые делящимися ядрами урана, Ферми и Сцилард предложили графитовый «замедлитель», с которым будут сталкиваться быстрые, высокоэнергетические вторичные нейтроны, эффективно замедляя их. При достаточном количестве урана и достаточно чистом графите их «котл» теоретически мог бы поддерживать цепную реакцию медленных нейтронов. Это привело бы к выделению тепла, а также созданию радиоактивных продуктов деления. [5] : 291, 298–302 

В августе 1939 года Силард, Теллер и Вигнер подумали, что немцы могут использовать цепную реакцию деления , и были подстрекаемы попытаться привлечь внимание правительства Соединенных Штатов к этой проблеме. С этой целью они убедили Альберта Эйнштейна предоставить свое имя для письма, направленного президенту Франклину Рузвельту . 11 октября письмо Эйнштейна-Сциларда было доставлено через Александра Сакса . Рузвельт быстро понял последствия, заявив: «Алекс, то, что вы хотите, это убедиться, что нацисты не взорвут нас». Рузвельт приказал сформировать Консультативный комитет по урану . [5] : 303–309, 312–317 

В феврале 1940 года, поддержанный Ферми и Джоном Р. Даннингом , Альфред О.К. Нир смог отделить U-235 и U-238 от тетрахлорида урана в стеклянном масс-спектрометре . Впоследствии Даннинг, бомбардируя образец U-235 нейтронами, полученными на циклотроне Колумбийского университета , подтвердил, что «U-235 был ответственен за деление урана медленными нейтронами». [5] : 297–298, 332 

В Бирмингемском университете Фриш объединился с Пайерлсом , который работал над формулой критической массы. Предполагая, что разделение изотопов возможно, они рассмотрели 235 U, поперечное сечение которого еще не было определено, но которое, как предполагалось, было 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 полученный взрыв создаст температуру выше, чем внутренняя часть Солнца, и давление выше, чем в центре Земли. Кроме того, затраты на разделение изотопов «будут незначительными по сравнению со стоимостью войны». К марту 1940 года, воодушевленные Марком Олифантом , они написали меморандум Фриша–Пайерлса в двух частях: «О создании «супербомбы» на основе ядерной цепной реакции в уране» и «Меморандум о свойствах радиоактивной «супербомбы». 10 апреля 1940 года состоялось первое заседание Комитета MAUD . [5] : 321–325, 330–331, 340–341 

В декабре 1940 года Франц Саймон в Оксфорде написал свою работу «Оценка размера реальной разделительной установки». Саймон предложил газовую диффузию как лучший метод разделения изотопов урана. [5] : 339, 343 

28 марта 1941 года Эмилио Сегре и Глен Сиборг сообщили о «весомых признаках того, что 239 Pu подвергается делению с медленными нейтронами». Это означало, что химическое разделение было альтернативой разделению изотопов урана. Вместо этого ядерный реактор, работающий на обычном уране, мог производить изотоп плутония в качестве ядерного взрывчатого вещества, заменяющего 235 U. В мае они продемонстрировали, что поперечное сечение плутония в 1,7 раза больше, чем у U235. Когда было измерено поперечное сечение плутония для быстрого деления, которое оказалось в десять раз больше, чем у U238, плутоний стал приемлемым вариантом для бомбы. [5] : 346–355, 366–368 

В октябре 1941 года MAUD опубликовал свой окончательный отчет правительству США. В отчете говорилось: «Мы пришли к выводу, что будет возможно 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 диффузии через газовый барьер. 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 Комитета по урану: Гарольд Юри разрабатывал газовую диффузию, Лоуренс — электромагнитное разделение, Эгер В. Мерфри — 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) подверглась нейтронной бомбардировке в циклотроне Вашингтонского университета в Сент-Луисе . 27 июля облученный UNH был готов для команды Гленна Т. Сиборга . 20 августа, используя методы ультрамикрохимии, они успешно извлекли плутоний. [5] : 408–415 

В апреле 1939 года создание цепной реакции в природном уране стало целью Ферми и Силарда, в отличие от разделения изотопов. Их первые усилия включали пятьсот фунтов оксида урана из Eldorado Radium Corporation. Упаковав в пятьдесят две банки диаметром два дюйма и длиной два фута в баке с марганцевым раствором, они смогли подтвердить, что было испущено больше нейтронов, чем поглощено. Однако водород в воде поглощал медленные нейтроны, необходимые для деления. Затем рассматривался углерод в форме графита из-за его меньшего поперечного сечения захвата. В апреле 1940 года Ферми смог подтвердить потенциал углерода для цепной реакции с медленными нейтронами, после того как получил графитовые кирпичи National Carbon Company в своих лабораториях Pupin . В августе и сентябре команда Колумбийского университета расширила измерения поперечного сечения, сделав серию экспоненциальных «куч». Первые котлы состояли из уран-графитовой решетки, состоящей 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, при этом значение 1,0 обозначало устойчивую цепную реакцию. В сентябре 1941 года команда Ферми смогла достичь только значения ak, равного 0,87. В апреле 1942 года, до того как проект был централизован в Чикаго, они достигли 0,918, удалив влагу из оксида. В мае 1942 года Ферми спланировал полномасштабный котел с цепной реакцией, Chicago Pile-1, после того как один из экспоненциальных котлов в Stagg Field достиг ak, равного 0,995. Между 15 сентября и 15 ноября Герберт Л. Андерсон и Уолтер Зинн построили шестнадцать экспоненциальных котлов. Получение более чистых форм графита, без следов бора и с большим поперечным сечением, стало первостепенным. Также важным было получение высокоочищенных форм оксида от Mallinckrodt Chemical Works. Наконец, получение чистого металлического урана из процесса Эймса означало замену оксидных псевдосфер на «яйца» Фрэнка Спеддинга . Начиная с 16 ноября 1942 года, Ферми заставил Андерсона и Зинна работать в две двенадцатичасовые смены, построив кучу, которая в конечном итоге достигла 57 слоев к 1 декабря. Окончательная куча состояла из 771 000 фунтов графита, 80 590 фунтов оксида урана и 12 400 фунтов металлического урана с десятью кадмиевыми регулирующими стержнями . Интенсивность нейтронов измерялась с помощью трифторида борасчетчик, с удаленными стержнями управления, после окончания каждой смены. 2 декабря 1942 года, когда k приближался к 1,0, Ферми удалил все стержни управления, кроме одного, и постепенно удалил последний. Щелчки счетчика нейтронов увеличились, как и самописец, когда Ферми объявил: «Котел стал критическим». Они достигли ak 1,0006, что означало, что интенсивность нейтронов удваивалась каждые две минуты, в дополнение к размножению плутония. [5] : 298–301, 333–334, 394–397, 400–401, 428–442 

Проект «Манхэттен» и далее

В Соединенных Штатах всеобъемлющие усилия по созданию атомного оружия были начаты в конце 1942 года. Эта работа была передана Инженерному корпусу армии США в 1943 году и известна как Манхэттенский инженерный округ. Сверхсекретный Манхэттенский проект , как его называли в разговорной речи, возглавлял генерал Лесли Р. Гроувс . Среди десятков площадок проекта были: Ханфордская площадка в Вашингтоне, где были первые промышленные ядерные реакторы и производился плутоний ; Ок-Ридж, Теннесси , который в основном занимался обогащением урана ; и Лос-Аламос в Нью-Мексико, который был научным центром исследований по разработке и проектированию бомб. Другие площадки, в частности, Радиационная лаборатория Беркли и Металлургическая лаборатория Чикагского университета, сыграли важную роль. Общее научное направление проекта возглавлял физик Дж. Роберт Оппенгеймер .

В июле 1945 года первое атомное взрывное устройство, получившее название «The Gadget», было взорвано в пустыне Нью-Мексико в ходе испытания Trinity . Оно работало на плутонии, созданном в Ханфорде. В августе 1945 года еще два атомных устройства — « Little Boy », бомба из урана-235, и « Fat Man », бомба из плутония — были использованы против японских городов Хиросима и Нагасаки .

Естественные реакторы цепного деления на Земле

Критичность в природе встречается редко. На трех рудных месторождениях в Окло в Габоне было обнаружено шестнадцать участков (так называемых реакторов на ископаемом топливе Окло ), на которых самоподдерживающееся ядерное деление произошло примерно 2 миллиарда лет назад. Французский физик Франсис Перрен открыл реакторы на ископаемом топливе Окло в 1972 году, но это было постулировано Полем Куродой в 1956 году. [44] Крупномасштабные цепные реакции деления природного урана, замедляемые обычной водой, происходили далеко в прошлом и невозможны сейчас. 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 должен быть обогащен до 3%, чтобы его можно было использовать в легководных реакторах).

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ MG Arora & M. Singh (1994). Ядерная химия. Anmol Publications. стр. 202. ISBN 81-261-1763-X.
  2. ^ Гопал Б. Саха (1 ноября 2010 г.). Основы ядерной фармации. Springer. стр. 11–. ISBN 978-1-4419-5860-0.
  3. ^ аб Петржак, Константин (1989). «Как было открыто спонтанное деление». В Черниковой Вера (ред.). Краткий Миг Торжества — О том, как делаются научные исследования [ Краткий момент триумфа — О совершении научных открытий ] (на русском языке). Наука. стр. 108–112. ISBN 5-02-007779-8.
  4. ^ abcdefghijk Younes, Walid; Loveland, Walter (2021). Введение в ядерное деление . Springer. стр. 28–30. ISBN 9783030845940.
  5. ^ abcdefghijklmnopqrstu Родс, Ричард (1986). Создание атомной бомбы . Нью-Йорк: Simon & Schuster Paperbacks. С. 135–138. ISBN 9781451677614.
  6. ^ S. Vermote и др. (2008) «Сравнительное исследование эмиссии тройных частиц в 243-Cm (nth,f) и 244-Cm(SF)» в Dynamical aspects of nuclear fission: материалы 6-й Международной конференции. J. Kliman, MG Itkis, S. Gmuca (ред.). World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Сингапур. ISBN 9812837523 . 
  7. ^ Демпстер, А. Дж. (1938). «Атомные массы тяжелых элементов». Physical Review . 53 (1). Американское физическое общество: 64–75. Bibcode : 1938PhRv...53...64D. doi : 10.1103/PhysRev.53.64 . Получено 9 октября 2023 г.
  8. ^ Feenberg, eugene (1939). «О форме и стабильности тяжелых ядер». Physical Review . 55 (5). American Physical Society: 504–505. Bibcode : 1939PhRv...55..504F. doi : 10.1103/PhysRev.55.504.2 . Получено 9 октября 2023 г.
  9. ^ abcdefghij Лилли, Джон (2001). Ядерная физика: принципы и применение . John Wiley & Sons, Ltd. стр. 7–9, 13–14, 38–43, 265–267. ISBN 9780471979364.
  10. ^ Бор, Н. (1939). «Резонанс в распадах урана и тория и явление ядерного деления». Physical Review . 55 (4). Американское физическое общество: 418–419. Bibcode :1939PhRv...55..418B. doi :10.1103/PhysRev.55.418.2 . Получено 9 октября 2023 г. .
  11. ^ "Essential cross sections". Библиотека LibreTexts . Июль 2022 г. Получено 9 октября 2023 г.
  12. ^ Дж. Бирн (2011) Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, стр. 259, ISBN 978-0-486-48238-5 . 
  13. ^ Марион Брюнглингхаус. "Ядерное деление". Европейское ядерное общество. Архивировано из оригинала 2013-01-17 . Получено 2013-01-04 .
  14. ↑ Ганс А. Бете (апрель 1950 г.), «Водородная бомба», Бюллетень ученых-атомщиков , стр. 99.
  15. ^ В, Копейкин; Л, Микаэлян и; В, Синев (2004). "Реактор как источник антинейтрино: энергия теплового деления". Physics of Atomic Nuclei . 67 (10): 1892. arXiv : hep-ph/0410100 . Bibcode :2004PAN....67.1892K. doi :10.1134/1.1811196. S2CID  18521811.
  16. ^ Эти нейтроны деления имеют широкий энергетический спектр, от 0 до 14 МэВ, со средним значением 2 МэВ и модой 0,75 МэВ. См. Byrne, op. cite.
  17. ^ "ЯДЕРНЫЕ СОБЫТИЯ И ИХ ПОСЛЕДСТВИЯ Института Бордена..."приблизительно 82% энергии деления выделяется в виде кинетической энергии двух крупных осколков деления. Эти осколки, будучи массивными и сильно заряженными частицами, легко взаимодействуют с веществом. Они быстро передают свою энергию окружающим оружейным материалам, которые быстро нагреваются"" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 января 2017 г.
  18. ^ "Обзор ядерной техники. Различные энергии, выделяемые при делении, стр. 4. "167 МэВ" выделяется посредством отталкивательной электростатической энергии между двумя дочерними ядрами, которая принимает форму "кинетической энергии" продуктов деления, эта кинетическая энергия приводит как к последующему взрыву, так и к тепловым эффектам. "5 МэВ" выделяется в мгновенном или начальном гамма-излучении, "5 МэВ" в мгновенном нейтронном излучении (99,36% от общего числа), "7 МэВ" в энергии запаздывающих нейтронов (0,64%) и "13 МэВ" в бета-распаде и гамма-распаде (остаточное излучение)" (PDF) . Технический университет Вены. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2018 г.
  19. ^ "Ядерное деление и синтез, и ядерные взаимодействия". Национальная физическая лаборатория. Архивировано из оригинала 2010-03-05 . Получено 2013-01-04 .
  20. ^ L. Bonneau; P. Quentin (2005). "Микроскопические расчеты поверхностей потенциальной энергии: свойства деления и слияния" (PDF) . Труды конференции AIP . 798 : 77–84. Bibcode :2005AIPC..798...77B. doi :10.1063/1.2137231. Архивировано из оригинала 29 сентября 2006 г. Получено 28 июля 2008 г.{{cite journal}}: CS1 maint: unfit URL (link)
  21. ^ abc Ли, Джон С. (2020). Физика и инжиниринг ядерных реакторов . John Wiley & Sons, Inc. стр. 324, 327–329. ISBN 9781119582328.
  22. ^ Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. Архивировано 2002-10-07 на archive.today.atomicarchive.com
  23. ^ Nuke-Rebuke: Писатели и художники против ядерной энергии и оружия (серия антологии The Contemporary) . The Spirit That Moves Us Press. 1 мая 1984 г. стр. 22–29. ISBN 0930370155.
  24. ↑ Тацуитиро Акизуки; Гордон Хоникомб (март 1982 г.). Нагасаки 1945 г.: первый полный рассказ очевидца об атомной бомбардировке Нагасаки. Quartet Books. стр. 134–137. ISBN 978-0-7043-3382-6.
  25. ↑ Воздействие атомной бомбы, Хиросима и Нагасаки, 1945–85. Iwanami Shoten. 1 января 1985. С. 56–78. ISBN 978-4-00-009766-6.
  26. ^ Э. Резерфорд (1911). «Рассеяние α- и β-частиц материей и структура атома» (PDF) . Philosophical Magazine . 21 (4): 669–688. Bibcode :2012PMag...92..379R. doi :10.1080/14786435.2011.617037. S2CID  126189920.
  27. ^ "Кокрофт и Уолтон расщепляют литий с помощью высокоэнергетических протонов, апрель 1932 г.". Outreach.phy.cam.ac.uk. 1932-04-14. Архивировано из оригинала 2012-09-02 . Получено 2013-01-04 .
  28. ^ Дж. Чедвик (1932). «Возможное существование нейтрона» (PDF) . Nature . 129 (3252): 312. Bibcode : 1932Natur.129Q.312C. doi : 10.1038/129312a0 . S2CID  4076465.
  29. ^ Чедвик, Дж. (1932). «Существование нейтрона». Труды Королевского общества A. 136 ( 830): 692–708. Bibcode :1932RSPSA.136..692C. doi : 10.1098/rspa.1932.0112 .и Чедвик, Дж. (1933). «Бейкерианская лекция: нейтрон». Труды Королевского общества A. 142 ( 846): 1–25. Bibcode : 1933RSPSA.142....1C. doi : 10.1098/rspa.1933.0152 .
  30. ^ Э. Ферми, Э. Амальди, О. Д'Агостино, Ф. Разетти и Э. Сегре (1934) «Radioattività provocata da Bombardamento di Neutroni III», La Ricerca Scientifica , vol. 5, нет. 1, страницы 452–453.
  31. ^ Ида Ноддак (1934). «Убер дас Элемент 93». Zeitschrift für Angewandte Chemie . 47 (37): 653. Бибкод :1934АнгЧ..47..653Н. дои : 10.1002/ange.19340473707.
  32. ^ Хук, Эрнест Б. (2002). «Междисциплинарный диссонанс и преждевременность: предположение Иды Ноддак о ядерном делении». В Хук, Эрнест Б. (ред.). Преждевременность в научном открытии: о сопротивлении и пренебрежении . Беркли и Лос-Анджелес: Издательство Калифорнийского университета. стр. 124–148. ISBN 978-0-520-23106-1. OCLC  883986381.
  33. ^ "Originalgeräte zur Entdeckung der Kernspaltung, "Hahn-Meitner-Straßmann-Tisch"" .
  34. ^ "Entdeckung der Kernspaltung 1938, Veruchsaufbau, Немецкий музей, Мюнхен | Музей увлечений" . Ютуб . 7 июля 2015 г.
  35. ^ Фриш, Отто Роберт (1980). Что я помню немногого . Cambridge University Press. С. 114–117. ISBN 0-52-128010-9. Статья была составлена ​​в результате нескольких междугородних телефонных звонков, Лиза Мейтнер в это время вернулась в Стокгольм. Я спросил американского биолога, работавшего с Хевеши, как они называют процесс, посредством которого отдельные клетки делятся надвое; «деление», сказал он, поэтому я использовал термин «деление ядра» в той статье. Плачек был настроен скептически; не мог бы я провести несколько экспериментов, чтобы показать существование этих быстро движущихся фрагментов ядра урана? Как ни странно, эта мысль не приходила мне в голову, но теперь я быстро принялся за работу, и эксперимент (который был действительно очень простым) был проделан за два дня, и короткая заметка о нем была отправлена ​​в Nature вместе с другой заметкой, которую я составил по телефону с Лизой Мейтнер.
  36. ^ Ричард Родс. (1986) Создание атомной бомбы , Саймон и Шустер, стр. 268, ISBN 0-671-44133-7 . 
  37. ^ HL Anderson; ET Booth; JR Dunning; E. Fermi; GN Glasoe & FG Slack (1939). "Деление урана". Physical Review . 55 (5): 511. Bibcode : 1939PhRv...55..511A. doi : 10.1103/PhysRev.55.511.2.
  38. ^ Ричард Родс (1986). Создание атомной бомбы , Саймон и Шустер, стр. 267–270, ISBN 0-671-44133-7 . 
  39. ^ Хан, О.; Штрассманн, Ф. (февраль 1939 г.). «Nachweis der Entstehung aktiver Bariumisotope aus Uran und Thorium durch Neutronenbestrahlung; Nachweis weiterer aktiver Bruchstücke bei der Uranspaltung». Naturwissenschaften . 27 (6): 89–95. Бибкод : 1939NW.....27...89H. дои : 10.1007/BF01488988. S2CID  33512939.
  40. ^ Мейтнер, Лиза; Фриш, О. Р. (1939). «Распад урана нейтронами: новый тип ядерной реакции». Nature . 143 (3615): 239–240. Bibcode :1939Natur.143..239M. doi :10.1038/143239a0. S2CID  4113262 . Получено 20 сентября 2023 г. .
  41. ^ Бор, Нильс; Уилер, Джон (1939). «Механизм ядерного деления». Physical Review . 56 (5): 426–450. Bibcode :1939PhRv...56..426B. doi : 10.1103/PhysRev.56.426 .
  42. ^ Zoellner, Tom (2009). Уран . Viking Penguin. С. 28–30. ISBN 978-0-670-02064-5.
  43. ^ H. Von Halban; F. Joliot & L. Kowarski (1939). "Число нейтронов, освобожденных при делении ядра урана". Nature . 143 (3625): 680. Bibcode :1939Natur.143..680V. doi : 10.1038/143680a0 . S2CID  4089039.
  44. ^ PK Kuroda (1956). "О ядерной физической стабильности урановых минералов" (PDF) . Журнал химической физики . 25 (4): 781. Bibcode : 1956JChPh..25..781K. doi : 10.1063/1.1743058.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки