Kärnfission
 |
| Kärnfysik |
|---|
| Kärna · Nukleoner ( p , n ) · Kärnämne · Kärnkraft · Kärnstruktur · Kärnreaktion |
Kärnklyvning är en reaktion där kärnan i en atom delas i två eller flera mindre kärnor . Klyvningsprocessen producerar ofta gammafotoner och frigör en mycket stor mängd energi även med de energiska normerna för radioaktivt sönderfall .
Kärnklyvning av tunga grundämnen upptäcktes måndagen den 19 december 1938 i Berlin av den tyske kemisten Otto Hahn och hans assistent Fritz Strassmann i samarbete med den österrikisk-svenska fysikern Lise Meitner . Hahn förstod att en "sprängning" av atomkärnorna hade inträffat. Meitner förklarade det teoretiskt i januari 1939 tillsammans med sin brorson Otto Robert Frisch . Frisch kallade processen i analogi med biologisk klyvning av levande celler. I sin andra publikation om kärnklyvning i februari 1939 förutspådde Hahn och Strassmann förekomsten och frigörandet av ytterligare neutroner under klyvningsprocessen, vilket öppnade möjligheten för en kärnkedjereaktion .
För tunga nuklider är det en exoterm reaktion som kan frigöra stora mängder energi både som elektromagnetisk strålning och som kinetisk energi från fragmenten ( värmer upp bulkmaterialet där klyvning äger rum). Liksom kärnfusion , för att fission ska producera energi, måste den totala bindningsenergin för de resulterande elementen vara större än den för startelementet.
Fission är en form av kärntransmutation eftersom de resulterande fragmenten (eller dotteratomerna) inte är samma element som den ursprungliga moderatomen. De två (eller flera) kärnorna som produceras är oftast av jämförbara men något olika storlekar, typiskt med ett massförhållande av produkter på cirka 3 till 2, för vanliga klyvbara isotoper . De flesta klyvningar är binära klyvningar (som producerar två laddade fragment), men ibland (2 till 4 gånger per 1000 händelser), produceras tre positivt laddade fragment, i en ternär klyvning . Det minsta av dessa fragment i ternära processer varierar i storlek från en proton till en argonkärna .
Förutom fission inducerad av en neutron, utnyttjad och utnyttjad av människor, kallas en naturlig form av spontant radioaktivt sönderfall (som inte kräver en neutron) även fission, och förekommer särskilt i isotoper med mycket stora massatal. Spontan klyvning upptäcktes 1940 av Flyorov , Petrzhak och Kurchatov i Moskva, i ett experiment avsett att bekräfta att, utan bombardering av neutroner, var klyvningshastigheten för uran försumbar, som förutspåtts av Niels Bohr ; det var inte försumbart.
Den oförutsägbara sammansättningen av produkterna (som varierar på ett brett probabilistiskt och något kaotiskt sätt) skiljer fission från rena kvanttunnelprocesser som protonemission , alfa-sönderfall och klusternedbrytning , som ger samma produkter varje gång. Kärnklyvning producerar energi för kärnkraft och driver explosionen av kärnvapen . Båda användningarna är möjliga eftersom vissa ämnen som kallas kärnbränsle genomgår klyvning när de träffas av klyvningsneutroner, och i sin tur avger neutroner när de går sönder. Detta möjliggör en självförsörjande kärnkedjereaktion , som frigör energi med en kontrollerad hastighet i en kärnreaktor eller med en mycket snabb, okontrollerad hastighet i ett kärnvapen.
Mängden fri energi som finns i kärnbränsle är miljontals gånger mängden fri energi som finns i en liknande massa kemiskt bränsle som bensin , vilket gör kärnklyvning till en mycket tät energikälla. Produkterna från kärnklyvning är dock i genomsnitt mycket mer radioaktiva än de tunga grundämnen som normalt klyvs som bränsle, och förblir så under betydande tider, vilket ger upphov till ett kärnavfallsproblem . De sju långlivade fissionsprodukterna utgör dock endast en liten del av fissionsprodukterna. Neutronabsorption som inte leder till klyvning producerar Plutonium (från 238
U ) och mindre aktinider (från både 235
U och 238
U ) vars radiotoxicitet är mycket högre än de långlivade fissionsprodukterna. Oron för ansamling av kärnavfall och kärnvapenens destruktiva potential är en motvikt till den fredliga önskan att använda fission som energikälla . Toriumbränslecykeln producerar praktiskt taget inget plutonium och mycket mindre mindre aktinider, men 232 U
- eller snarare dess sönderfallsprodukter - är en stor gammastrålare . Alla aktinider är fertila eller klyvbara och snabbuppfödningsreaktorer kan klyva dem alla om än bara i vissa konfigurationer. Kärnteknisk upparbetning syftar till att återvinna användbart material från använt kärnbränsle för att både göra det möjligt för uran (och torium) att hålla längre och för att minska mängden "avfall". Branschbeteckningen för en process som klyver alla eller nästan alla aktinider är en " sluten bränslecykel" .
Fysisk överblick
Mekanism
Radioaktivt avfall
Kärnklyvning kan ske utan neutronbombardement som en typ av radioaktivt sönderfall . Denna typ av fission (kallad spontan fission ) är sällsynt förutom i några få tunga isotoper.
Kärnreaktion
I konstruerade kärntekniska anordningar sker i princip all kärnklyvning som en " kärnreaktion " - en bombardemangsdriven process som är resultatet av kollisionen mellan två subatomära partiklar. I kärnreaktioner kolliderar en subatomär partikel med en atomkärna och orsakar förändringar i den. Kärnreaktioner drivs alltså av bombardementets mekanik, inte av det relativt konstanta exponentiella förfallet och halveringstiden som är karakteristiska för spontana radioaktiva processer.
Många typer av kärnreaktioner är för närvarande kända. Kärnklyvning skiljer sig väsentligt från andra typer av kärnreaktioner, genom att den kan förstärkas och ibland kontrolleras via en kärnkedjereaktion (en typ av allmän kedjereaktion) . I en sådan reaktion kan fria neutroner som frigörs av varje fissionshändelse utlösa ännu fler händelser, som i sin tur frigör fler neutroner och orsakar mer fission.
De kemiska isotoper som kan upprätthålla en klyvningskedjereaktion kallas kärnbränslen och sägs vara " klyvbara ". De vanligaste kärnbränslena är 235 U (isotopen av uran med massnummer 235 och för användning i kärnreaktorer) och 239 Pu (isotopen av plutonium med massnummer 239). Dessa bränslen bryts isär i en bimodal rad kemiska grundämnen med atommassor centrerade nära 95 och 135 u ( klyvningsprodukter) . De flesta kärnbränslen genomgår spontan fission endast mycket långsamt, och sönderfaller istället huvudsakligen via en alfa - beta- sönderfallskedja under perioder av årtusenden till eoner . I en kärnreaktor eller kärnvapen induceras den överväldigande majoriteten av fissionshändelser av bombardement med en annan partikel, en neutron, som själv produceras av tidigare fissionshändelser.
Kärnklyvning i klyvbart bränsle är resultatet av den nukleära excitationsenergin som produceras när en klyvbar kärna fångar en neutron. Denna energi, som härrör från neutroninfångningen, är ett resultat av den attraktiva kärnkraften som verkar mellan neutronen och kärnan. Det räcker med att deformera kärnan till en dubbelflik "droppe", till den grad att kärnfragment överskrider de avstånd vid vilka kärnkraften kan hålla ihop två grupper av laddade nukleoner och, när detta händer, fullbordar de två fragmenten sin separation och drivs sedan längre isär av sina ömsesidigt frånstötande laddningar, i en process som blir irreversibel med allt större avstånd. En liknande process inträffar i klyvbara isotoper (som uran-238), men för att klyva kräver dessa isotoper ytterligare energi som tillhandahålls av snabba neutroner (som de som produceras av kärnfusion i termonukleära vapen ). Medan några av neutronerna som frigörs från klyvningen av 238
U är tillräckligt snabba för att inducera ytterligare en klyvning i 238
U , är de flesta inte det, vilket betyder att de aldrig kan uppnå kritikalitet. Även om det finns en mycket liten (om än icke-noll) chans att en termisk neutron inducerar fission i 238
U , är neutronabsorption storleksordningar mer sannolikt.
Vätskedroppemodellen för atomkärnan förutsäger lika stora fissionsprodukter som ett resultat av kärndeformation . Den mer sofistikerade kärnskalsmodellen behövs för att mekanistiskt förklara vägen till det mer energimässigt gynnsamma resultatet, där den ena klyvningsprodukten är något mindre än den andra. En teori om fission baserad på skalmodellen har formulerats av Maria Goeppert Mayer .
Den vanligaste klyvningsprocessen är binär klyvning, och den producerar klyvningsprodukterna som anges ovan, vid 95±15 och 135±15 u . Den binära processen sker dock bara för att den är den mest sannolika. I allt från 2 till 4 klyvningar per 1000 i en kärnreaktor producerar en process som kallas ternär klyvning tre positivt laddade fragment (plus neutroner) och den minsta av dessa kan variera från så liten laddning och massa som en proton ( Z = 1) till ett lika stort fragment som argon ( Z = 18). De vanligaste små fragmenten är dock sammansatta av 90 % helium-4 kärnor med mer energi än alfapartiklar från alfasönderfall (så kallade "long range alphas" vid ~ 16 MeV), plus helium-6 kärnor och tritoner ( kärnorna av tritium ). Den ternära processen är mindre vanlig, men slutar fortfarande med att producera betydande helium-4- och tritiumgasuppbyggnad i bränslestavarna i moderna kärnreaktorer.
Energetik
Inmatning
Klyvningen av en tung kärna kräver en total ingångsenergi på cirka 7 till 8 miljoner elektronvolt (MeV) för att initialt övervinna kärnkraften som håller kärnan i en sfärisk eller nästan sfärisk form, och därifrån deformera den till en två- flikformad ("jordnöt") form där loberna kan fortsätta att separera från varandra, drivna av sin inbördes positiva laddning, i den vanligaste processen med binär fission (två positivt laddade fissionsprodukter + neutroner). När kärnloberna har tryckts till ett kritiskt avstånd, bortom vilket den korta starka kraften inte längre kan hålla dem samman, fortsätter processen för deras separation från energin från den (längre räckvidden) elektromagnetiska repulsionen mellan fragmenten. Resultatet är två fissionsfragment som rör sig bort från varandra, med hög energi.
Cirka 6 MeV av fissionsingångsenergin tillförs genom den enkla bindningen av en extra neutron till den tunga kärnan via den starka kraften; Men i många klyvbara isotoper räcker inte denna mängd energi för klyvning. Uran-238, till exempel, har en fissionstvärsnitt nära noll för neutroner med mindre än 1 MeV energi. Om ingen ytterligare energi tillförs av någon annan mekanism kommer kärnan inte att klyvas, utan kommer bara att absorbera neutronen, vilket händer när 238 U absorberar långsamma och till och med en del av snabba neutroner, för att bli 239 U. Den återstående energin för att initiera fission kan tillföras av två andra mekanismer: en av dessa är mer kinetisk energi hos den inkommande neutronen, som i allt högre grad kan klyva en klyvbar tung kärna eftersom den överstiger en kinetisk energi på 1 MeV eller mer (så kallade snabba neutroner ). Sådana högenergineutroner kan klyva 238 U direkt (se termonukleärt vapen för tillämpning, där de snabba neutronerna tillförs genom kärnfusion ). Denna process kan dock inte ske i stor utsträckning i en kärnreaktor, eftersom en för liten del av fissionsneutronerna som produceras av någon typ av fission har tillräckligt med energi för att effektivt fissionera 238 U (fissionsneutroner har en modenergi på 2 MeV , men en median på endast 0,75 MeV, vilket betyder att hälften av dem har mindre än denna otillräckliga energi).
Bland de tunga aktinidelementen binder dock de isotoper som har ett udda antal neutroner (som 235 U med 143 neutroner) en extra neutron med ytterligare 1 till 2 MeV energi över en isotop av samma grundämne med ett jämnt tal av neutroner (såsom 238 U med 146 neutroner). Denna extra bindningsenergi görs tillgänglig som ett resultat av mekanismen för neutronparningseffekter . Denna extra energi är ett resultat av Paulis uteslutningsprincip som tillåter en extra neutron att ockupera samma kärnorbital som den sista neutronen i kärnan, så att de två bildar ett par. I sådana isotoper behövs därför ingen kinetisk neutronenergi, ty all nödvändig energi tillförs genom absorption av någon neutron, antingen av den långsamma eller snabba sorten (de förra används i modererade kärnreaktorer, och de senare används i snabba -neutronreaktorer och i vapen). Som nämnts ovan kallas undergruppen av klyvbara element som kan klyvas effektivt med sina egna klyvningsneutroner (och därmed potentiellt orsaka en kärnkedjereaktion i relativt små mängder av det rena materialet) " klyvbara ". Exempel på klyvbara isotoper är uran-235 och plutonium-239.
Produktion
Typiska fissionshändelser frigör cirka tvåhundra miljoner eV (200 MeV) energi, motsvarande ungefär >2 biljoner kelvin, för varje fissionshändelse. Den exakta isotopen som klyvs, och om den är klyvbar eller klyvbar eller inte, har bara en liten inverkan på mängden energi som frigörs. Detta kan enkelt ses genom att undersöka kurvan för bindningsenergi (bilden nedan), och notera att den genomsnittliga bindningsenergin för aktinidnukliderna som börjar med uran är cirka 7,6 MeV per nukleon. Tittar man längre till vänster på kurvan för bindningsenergi, där klyvningsprodukterna samlas, är det lätt att observera att klyvningsprodukternas bindningsenergi tenderar att centreras runt 8,5 MeV per nukleon. Sålunda, i varje fissionshändelse av en isotop i aktinidmassområdet, frigörs ungefär 0,9 MeV per nukleon av startelementet. Klyvningen av 235 U av en långsam neutron ger nästan identisk energi som klyvningen av 238 U av en snabb neutron. Denna energifrisättningsprofil gäller även för torium och de olika mindre aktiniderna.
Däremot frigör de flesta kemiska oxidationsreaktioner (såsom förbränning av kol eller TNT ) högst några få eV per händelse. Så kärnbränsle innehåller minst tio miljoner gånger mer användbar energi per massenhet än kemiskt bränsle. Kärnklyvningsenergin frigörs som kinetisk energi av klyvningsprodukterna och fragmenten, och som elektromagnetisk strålning i form av gammastrålar ; i en kärnreaktor omvandlas energin till värme när partiklarna och gammastrålningen kolliderar med atomerna som utgör reaktorn och dess arbetsvätska , vanligtvis vatten eller ibland tungt vatten eller smälta salter .
När en urankärna klyvs i två dotterkärnfragment uppträder cirka 0,1 procent av massan av urankärnan som klyvningsenergin på ~200 MeV. För uran-235 (total medelklyvningsenergi 202,79 MeV) visas typiskt ~169 MeV som den kinetiska energin hos dotterkärnorna, som flyger isär med cirka 3 % av ljusets hastighet, på grund av Coulomb-repulsion . Dessutom emitteras i genomsnitt 2,5 neutroner, med en genomsnittlig kinetisk energi per neutron på ~2 MeV (totalt 4,8 MeV). Klyvningsreaktionen frigör också ~7 MeV i snabba gammastrålefotoner . Den senare siffran betyder att en kärnklyvningsexplosion eller kritisk olycka avger cirka 3,5 % av sin energi som gammastrålar, mindre än 2,5 % av sin energi som snabba neutroner (totalt av båda typerna av strålning ~6 %), och resten som kinetisk energi av fissionsfragment (detta visas nästan omedelbart när fragmenten påverkar omgivande materia, som enkel värme ). I en atombomb kan denna värme tjäna till att höja temperaturen på bombkärnan till 100 miljoner kelvin och orsaka sekundär emission av mjuka röntgenstrålar, som omvandlar en del av denna energi till joniserande strålning. Men i kärnreaktorer förblir fissionsfragmentets kinetiska energi som lågtemperaturvärme, vilket i sig orsakar liten eller ingen jonisering.
Så kallade neutronbomber (förstärkta strålningsvapen) har konstruerats som frigör en större del av sin energi som joniserande strålning (särskilt neutroner), men dessa är alla termonukleära enheter som förlitar sig på kärnfusionssteget för att producera den extra strålningen. Energidynamiken för rena fissionsbomber ligger alltid kvar på cirka 6 % utbyte av den totala strålningen, som ett snabbt resultat av fission.
Den totala snabba fissionsenergin uppgår till cirka 181 MeV, eller ~89% av den totala energin som så småningom frigörs genom fission över tiden. De återstående ~11% frigörs i beta-sönderfall som har olika halveringstider, men börjar som en process i fissionsprodukterna omedelbart; och i fördröjda gammaemissioner associerade med dessa beta-sönderfall. Till exempel, i uran-235 är denna fördröjda energi uppdelad i cirka 6,5 MeV i beta, 8,8 MeV i antineutrinos (frisätts samtidigt som beta) och slutligen ytterligare 6,3 MeV i fördröjd gammaemission från den exciterade beta- sönderfallsprodukter (för totalt cirka 10 gammastrålningsutsläpp per klyvning, totalt). Således frigörs cirka 6,5 % av den totala energin av fission en tid efter händelsen, som icke-prompt eller fördröjd joniserande strålning, och den fördröjda joniserande energin är ungefär jämnt fördelad mellan gamma- och beta-strålningsenergi.
I en reaktor som har varit i drift under en tid kommer de radioaktiva klyvningsprodukterna att ha byggts upp till steady state-koncentrationer så att deras sönderfallshastighet är lika med deras bildningshastighet, så att deras fraktionerade totala bidrag till reaktorvärme (via beta-sönderfall) ) är samma som dessa radioisotopiska fraktionerade bidrag till fissionsenergin. Under dessa förhållanden bidrar de 6,5 % av fissionen som uppträder som fördröjd joniserande strålning (fördröjd gamma och beta från radioaktiva fissionsprodukter) till reaktorns värmeproduktion under kraft. Det är denna utgående fraktion som återstår när reaktorn plötsligt stängs av (genomgår scram ). Av denna anledning börjar reaktorns sönderfallsvärmeeffekt vid 6,5 % av hela reaktorns stationära fissionseffekt, när reaktorn stängs av. Men inom några timmar, på grund av sönderfall av dessa isotoper, är sönderfallseffekten mycket mindre. Se sönderfallsvärme för detaljer.
Resten av den fördröjda energin (8,8 MeV/202,5 MeV = 4,3 % av den totala fissionsenergin) sänds ut som antineutriner, som rent praktiskt inte anses vara "joniserande strålning". Anledningen är att energi som frigörs som antineutrinos inte fångas upp av reaktormaterialet som värme, utan flyr direkt genom alla material (inklusive jorden) med nästan ljusets hastighet och in i det interplanetära rymden (mängden som absorberas är minimal). Neutrinostrålning klassas vanligtvis inte som joniserande strålning, eftersom den nästan helt inte absorberas och därför inte ger effekter (även om den mycket sällsynta neutrinohändelsen är joniserande). Nästan all resten av strålningen (6,5 % fördröjd beta- och gammastrålning) omvandlas så småningom till värme i en reaktorhärd eller dess skärmning.
Vissa processer som involverar neutroner är anmärkningsvärda för att absorbera eller slutligen ge energi - till exempel neutronkinetisk energi ger inte värme omedelbart om neutronen fångas upp av en uran-238-atom för att avla plutonium-239, men denna energi avges om plutonium-239 är senare klyvd. Å andra sidan är så kallade fördröjda neutroner som emitteras som radioaktiva sönderfallsprodukter med halveringstider på upp till flera minuter, från fission-döttrar, mycket viktiga för reaktorkontroll , eftersom de ger en karakteristisk "reaktions"tid för den totala kärnreaktionen fördubblas i storlek, om reaktionen körs i en " fördröjd-kritisk " zon som medvetet förlitar sig på dessa neutroner för en superkritisk kedjereaktion (en där varje fissionscykel ger fler neutroner än den absorberar). Utan deras existens skulle den nukleära kedjereaktionen vara kritisk och öka i storlek snabbare än den skulle kunna kontrolleras av mänskligt ingripande. I det här fallet skulle de första experimentella atomreaktorerna ha sprungit iväg till en farlig och rörig "snabb kritisk reaktion" innan deras operatörer kunde ha stängt av dem manuellt (av denna anledning inkluderade designern Enrico Fermi strålningsmotutlösta kontrollstavar , suspenderade av elektromagneter, som automatiskt kan falla in i centrum av Chicago Pile-1 ). Om dessa fördröjda neutroner fångas utan att producera klyvningar, producerar de också värme.
Produktkärnor och bindningsenergi
Vid fission föredras att ge fragment med jämna protontal, vilket kallas den udda-jämna effekten på fragmentens laddningsfördelning. Emellertid observeras ingen udda-jämn effekt på fragmentmassnummerfördelningen . Detta resultat tillskrivs nukleonpar brytning .
I kärnklyvningshändelser kan kärnorna bryta in i vilken kombination av lättare kärnor som helst, men den vanligaste händelsen är inte klyvning till lika massa kärnor med ungefär massa 120; den vanligaste händelsen (beroende på isotop och process) är en något ojämn klyvning där en dotterkärna har en massa på cirka 90 till 100 u och den andra de återstående 130 till 140 u . Ojämlika klyvningar är energimässigt mer gynnsamma eftersom detta gör att en produkt kan vara närmare det energetiska minimum nära massan 60 u (endast en fjärdedel av den genomsnittliga klyvbara massan), medan den andra kärnan med massan 135 u fortfarande inte ligger långt utanför intervallet för de mest tätt bundna kärnorna (ett annat påstående om detta är att atombindningsenergikurvan är något brantare till vänster om massan 120 u än till höger om den).
Ursprunget för den aktiva energin och kurvan för bindningsenergin
Kärnklyvning av tunga grundämnen producerar exploateringsbar energi eftersom den specifika bindningsenergin (bindningsenergi per massa) hos kärnor med medelmassa med atomnummer och atommassor nära 62 Ni och 56 Fe är större än den nukleonspecifika bindningsenergin för mycket tunga kärnor , så att energi frigörs när tunga kärnor bryts isär. De totala vilomassorna för klyvningsprodukterna ( ) från en enda reaktion är mindre än massan av den ursprungliga bränslekärnan ( ). Överskottsmassan är den oföränderliga massan av energin som frigörs som fotoner ( gammastrålar ) och kinetisk energi hos fissionsfragmenten, enligt mass- energiekvivalensformel E = mc 2 . _
Variationen i specifik bindningsenergi med atomnummer beror på samspelet mellan de två fundamentala krafterna som verkar på komponentnukleonerna ( protoner och neutroner ) som utgör kärnan. Kärnor är bundna av en attraktiv kärnkraft mellan nukleoner, som övervinner den elektrostatiska repulsionen mellan protoner. Kärnkraften verkar dock endast över relativt korta avstånd (några nukleondiametrar ), eftersom den följer en exponentiellt sönderfallande Yukawa-potential som gör den obetydlig på längre avstånd. Den elektrostatiska repulsionen är av längre räckvidd, eftersom den avtar av en omvänd kvadratisk regel, så att kärnor som är större än cirka 12 nukleoner i diameter når en punkt där den totala elektrostatiska repulsionen övervinner kärnkraften och gör att de blir spontant instabila. Av samma anledning är större kärnor (mer än cirka åtta nukleoner i diameter) mindre hårt bundna per massenhet än mindre kärnor; att bryta en stor kärna i två eller flera medelstora kärnor frigör energi.
Också på grund av den starka bindningskraftens korta räckvidd måste stora stabila kärnor innehålla proportionellt fler neutroner än de lättaste grundämnena, som är mest stabila med ett förhållande på 1 till 1 av protoner och neutroner. Kärnor som har fler än 20 protoner kan inte vara stabila om de inte har fler än lika många neutroner. Extra neutroner stabiliserar tunga grundämnen eftersom de bidrar till stark kraftbindning (som verkar mellan alla nukleoner) utan att öka proton-protonrepulsion. Klyvningsprodukter har i genomsnitt ungefär samma förhållande mellan neutroner och protoner som deras moderkärna och är därför vanligtvis instabila mot betasönderfall (vilket ändrar neutroner till protoner) eftersom de har proportionellt sett för många neutroner jämfört med stabila isotoper med liknande massa.
Denna tendens hos kärnor från klyvningsprodukter att genomgå beta-sönderfall är den grundläggande orsaken till problemet med radioaktivt högaktivt avfall från kärnreaktorer. Fissionsprodukter tenderar att vara beta-sändare , som sänder ut snabbrörliga elektroner för att bevara elektrisk laddning , eftersom överskott av neutroner omvandlas till protoner i fissionsproduktens atomer. Se Fissionsprodukter (efter element) för en beskrivning av fissionsprodukter sorterade efter element.
Kedjereaktioner
Flera tunga grundämnen, såsom uran , thorium och plutonium , genomgår både spontan klyvning , en form av radioaktivt sönderfall och inducerad klyvning , en form av kärnreaktion . Elementära isotoper som genomgår inducerad klyvning när de träffas av en fri neutron kallas klyvbara ; isotoper som genomgår klyvning när de träffas av en långsamt rörlig termisk neutron kallas också fissila . Ett fåtal särskilt klyvbara och lättillgängliga isotoper (särskilt 233 U, 235 U och 239 Pu) kallas kärnbränsle eftersom de kan upprätthålla en kedjereaktion och kan erhållas i tillräckligt stora mängder för att vara användbara.
Alla klyvbara och klyvbara isotoper genomgår en liten mängd spontan klyvning som släpper ut några fria neutroner i alla prov av kärnbränsle. Sådana neutroner skulle snabbt fly från bränslet och bli en fri neutron , med en medellivslängd på cirka 15 minuter innan de sönderfaller till protoner och beta-partiklar . Emellertid påverkar neutroner nästan undantagslöst och absorberas av andra kärnor i närheten långt innan detta händer (nyskapade fissionsneutroner rör sig med cirka 7 % av ljusets hastighet, och även modererade neutroner rör sig med cirka 8 gånger ljudets hastighet). Vissa neutroner kommer att påverka bränslekärnor och inducera ytterligare klyvningar, vilket frigör ännu fler neutroner. Om tillräckligt med kärnbränsle är samlat på ett ställe, eller om de utströmmande neutronerna är tillräckligt inneslutna, är dessa nyligen emitterade neutroner fler än de neutroner som kommer ut från enheten, och en ihållande kärnkedjereaktion kommer att äga rum .
En sammansättning som stöder en ihållande kärnkedjereaktion kallas en kritisk sammansättning eller, om enheten nästan helt är gjord av ett kärnbränsle, en kritisk massa . Ordet "kritisk" hänvisar till en spets i beteendet hos differentialekvationen som styr antalet fria neutroner som finns i bränslet: om det finns mindre än en kritisk massa, bestäms mängden neutroner av radioaktivt sönderfall , men om det finns mindre än en kritisk massa. en kritisk massa eller mer är närvarande, då styrs mängden neutroner istället av kedjereaktionens fysik. Den faktiska massan av en kritisk massa av kärnbränsle beror starkt på geometrin och omgivande material.
Inte alla klyvbara isotoper kan upprätthålla en kedjereaktion. Till exempel 238 U, den vanligaste formen av uran, klyvbar men inte klyvbar: den genomgår inducerad klyvning när den påverkas av en energisk neutron med över 1 MeV kinetisk energi. Men för få av neutronerna som produceras av 238 U-klyvning är tillräckligt energiska för att inducera ytterligare klyvningar i 238 U, så ingen kedjereaktion är möjlig med denna isotop. Istället får bombardering av 238 U med långsamma neutroner att den absorberar dem (blir 239 U) och sönderfaller genom beta-emission till 239 Np som sedan sönderfaller igen genom samma process till 239 Pu; den processen används för att tillverka 239 Pu i förädlingsreaktorer . In-situ plutoniumproduktion bidrar även till neutronkedjereaktionen i andra typer av reaktorer efter att tillräckligt med plutonium-239 har producerats, eftersom plutonium-239 också är ett klyvbart grundämne som fungerar som bränsle. Det uppskattas att upp till hälften av den kraft som produceras av en standardreaktor som inte är förädlare produceras av klyvning av plutonium-239 som produceras på plats, under den totala livscykeln för en bränslelast.
Klyvbara, icke-klyvbara isotoper kan användas som klyvningsenergikälla även utan kedjereaktion. Att bombardera 238 U med snabba neutroner inducerar klyvningar, vilket frigör energi så länge som den externa neutronkällan är närvarande. Detta är en viktig effekt i alla reaktorer där snabba neutroner från den klyvbara isotopen kan orsaka klyvning av närliggande 238 U-kärnor, vilket gör att någon liten del av 238 U-enheten "bränns upp" i alla kärnbränslen, särskilt i snabbuppfödare. reaktorer som arbetar med neutroner med högre energi. Samma snabbklyvningseffekt används för att öka energin som frigörs av moderna termonukleära vapen , genom att mantlar vapnet med 238 U för att reagera med neutroner som frigörs genom kärnfusion i mitten av enheten. Men de explosiva effekterna av kärnklyvningskedjereaktioner kan minskas genom att använda ämnen som moderatorer som saktar ner hastigheten hos sekundära neutroner.
Fissionsreaktorer
Kritiska fissionsreaktorer är den vanligaste typen av kärnreaktorer . I en kritisk klyvningsreaktor används neutroner som produceras genom klyvning av bränsleatomer för att inducera ännu fler klyvningar, för att upprätthålla en kontrollerbar mängd energiutsläpp. Enheter som producerar konstruerade men icke-självförsörjande fissionsreaktioner är subkritiska fissionsreaktorer . Sådana enheter använder radioaktivt sönderfall eller partikelacceleratorer för att utlösa klyvningar.
Kritiska fissionsreaktorer är byggda för tre primära syften, som vanligtvis involverar olika tekniska kompromisser för att dra fördel av antingen värmen eller neutronerna som produceras av fissionskedjereaktionen:
- kraftreaktorer är avsedda att producera värme för kärnkraft, antingen som en del av en kraftverk eller ett lokalt kraftsystem som en kärnubåt .
- forskningsreaktorer är avsedda att producera neutroner och/eller aktivera radioaktiva källor för vetenskapliga, medicinska, tekniska eller andra forskningsändamål.
- uppfödningsreaktorer är avsedda att producera kärnbränsle i bulk från mer rikliga isotoper . Den mer kända snabbförädlarreaktorn gör 239 Pu (ett kärnbränsle) från det naturligt mycket rikliga 238 U (inte ett kärnbränsle). Termiska förädlingsreaktorer som tidigare testats med 232 Th för att avla den klyvbara isotopen 233 U ( toriumbränslecykeln) fortsätter att studeras och utvecklas.
Medan i princip alla fissionsreaktorer kan agera i alla tre kapaciteterna leder uppgifterna i praktiken till motstridiga tekniska mål och de flesta reaktorer har byggts med endast en av ovanstående uppgifter i åtanke. (Det finns flera tidiga motexempel, såsom Hanford N-reaktorn , nu avvecklad). Kraftreaktorer omvandlar i allmänhet den kinetiska energin hos klyvningsprodukter till värme, som används för att värma en arbetsvätska och driva en värmemotor som genererar mekanisk eller elektrisk kraft. Arbetsvätskan är vanligtvis vatten med en ångturbin, men vissa konstruktioner använder andra material som gasformigt helium . Forskningsreaktorer producerar neutroner som används på olika sätt, där klyvningsvärmen behandlas som en oundviklig avfallsprodukt. Uppfödningsreaktorer är en specialiserad form av forskningsreaktor, med förbehållet att provet som bestrålas vanligtvis är själva bränslet, en blandning av 238 U och 235 U. För en mer detaljerad beskrivning av fysiken och driftsprinciperna för kritiska fissionsreaktorer, se kärnreaktorns fysik . För en beskrivning av deras sociala, politiska och miljömässiga aspekter, se kärnkraft .
Fissionsbomber
En klass av kärnvapen , en klyvningsbomb (inte att förväxla med fusionsbomben ), annars känd som en atombomb eller atombomb , är en klyvningsreaktor utformad för att frigöra så mycket energi som möjligt så snabbt som möjligt, innan den släpps energi gör att reaktorn exploderar (och kedjereaktionen stannar). Utveckling av kärnvapen var motivationen bakom tidig forskning om kärnklyvning som Manhattanprojektet under andra världskriget (1 september 1939 – 2 september 1945) utförde det mesta av det tidiga vetenskapliga arbetet med klyvningskedjereaktioner, som kulminerade i de tre händelserna involverade fissionsbomber som inträffade under kriget. Den första fissionsbomben, med kodnamnet "The Gadget", detonerades under Trinity Test i öknen i New Mexico den 16 juli 1945. Två andra fissionsbomber, med kodnamnet " Little Boy " och " Fat Man ", användes i strid mot de japanska städerna Hiroshima och Nagasaki den 6 respektive 9 augusti 1945.
Även de första fissionsbomberna var tusentals gånger mer explosiva än en jämförbar massa kemiskt sprängämne . Till exempel vägde Little Boy totalt cirka fyra ton (varav 60 kg var kärnbränsle) och var 11 fot (3,4 m) lång; det gav också en explosion motsvarande cirka 15 kiloton TNT , som förstörde en stor del av staden Hiroshima. Moderna kärnvapen (som inkluderar en termonukleär fusion såväl som ett eller flera fissionssteg) är hundratals gånger mer energiska för sin vikt än de första rena fissionsatombomberna (se kärnvapenutbyte ), så att en modern bomb med en enda missilstridsspets väger mindre än 1/8 så mycket som Little Boy (se t.ex. W88 ) har en avkastning på 475 kiloton TNT, och kan orsaka förstörelse till cirka 10 gånger stadens yta.
Medan den grundläggande fysiken för klyvningskedjereaktionen i ett kärnvapen liknar fysiken i en kontrollerad kärnreaktor, måste de två typerna av anordningar konstrueras helt olika (se kärnreaktorfysik) . En kärnvapenbomb är utformad för att frigöra all sin energi på en gång, medan en reaktor är utformad för att generera en stadig tillförsel av användbar kraft. Även om överhettning av en reaktor kan leda till, och har lett till, härdsmälta och ångexplosioner , gör den mycket lägre urananrikningen det omöjligt för en kärnreaktor att explodera med samma destruktiva kraft som ett kärnvapen. Det är också svårt att utvinna användbar kraft från en kärnvapenbomb, även om åtminstone ett raketframdrivningssystem , Project Orion , var tänkt att fungera genom att explodera fissionsbomber bakom en massivt vadderad och avskärmad rymdfarkost.
Den strategiska betydelsen av kärnvapen är en stor anledning till att kärnklyvningstekniken är politiskt känslig. Livskraftiga fissionsbombkonstruktioner är, utan tvekan, inom mångas kapacitet, och är relativt enkla ur teknisk synvinkel. Men svårigheten att få tag på klyvbart kärnmaterial för att förverkliga designen är nyckeln till den relativa otillgängligheten av kärnvapen för alla utom moderna industrialiserade regeringar med speciella program för att producera klyvbart material (se urananrikning och kärnbränslecykeln).
Historia
Upptäckten av kärnklyvning
Upptäckten av kärnklyvning inträffade 1938 i byggnaderna av Kaiser Wilhelm Society for Chemistry, idag en del av Free University of Berlin , efter över fyra decenniers arbete med vetenskapen om radioaktivitet och utarbetandet av ny kärnfysik som beskrev komponenterna av atomer . 1911 Ernest Rutherford en modell av atomen där en mycket liten, tät och positivt laddad kärna av protoner var omgiven av kretsande, negativt laddade elektroner (Rutherford- modellen ). Niels Bohr förbättrade detta 1913 genom att förena elektronernas kvantbeteende ( Bohr-modellen) . Verk av Henri Becquerel , Marie Curie , Pierre Curie och Rutherford utvecklade vidare att kärnan, även om den är hårt bunden, kunde genomgå olika former av radioaktivt sönderfall och därmed omvandlas till andra element. (Till exempel genom alfasönderfall : emission av en alfapartikel - två protoner och två neutroner bundna till en partikel som är identisk med en heliumkärna .)
En del arbete med nukleär transmutation hade gjorts. År 1917 [ citat behövs ] kunde Rutherford åstadkomma omvandling av kväve till syre genom att använda alfapartiklar riktade mot kväve 14 N + α → 17 O + p. Detta var den första observationen av en kärnreaktion , det vill säga en reaktion där partiklar från ett sönderfall används för att omvandla en annan atomkärna. Så småningom, 1932, uppnåddes en helt artificiell kärnreaktion och kärntransmutation av Rutherfords kollegor Ernest Walton och John Cockcroft , som använde artificiellt accelererade protoner mot litium-7, för att dela upp denna kärna i två alfapartiklar. Bragden var populärt känd som "att splittra atomen", och skulle ge dem 1951 års Nobelpris i fysik för " transmutation av atomkärnor genom artificiellt accelererade atompartiklar", även om det inte var den kärnklyvningsreaktion som senare upptäcktes i tunga grundämnen.
Efter att den engelske fysikern James Chadwick upptäckte neutronen 1932 studerade Enrico Fermi och hans kollegor i Rom resultaten av att bombardera uran med neutroner 1934. Fermi drog slutsatsen att hans experiment hade skapat nya grundämnen med 93 och 94 protoner, som gruppen kallade ausonium och hesperium . Emellertid var inte alla övertygade av Fermis analys av hans resultat, även om han skulle vinna 1938 års Nobelpris i fysik för sina "demonstrationer av existensen av nya radioaktiva grundämnen som producerats av neutronbestrålning, och för hans relaterade upptäckt av kärnreaktioner orsakade av långsamma neutroner". Den tyska kemisten Ida Noddack föreslog särskilt i tryck 1934 att istället för att skapa ett nytt, tyngre grundämne 93, att "det är tänkbart att kärnan bryts upp i flera stora fragment." Noddacks slutsats fullföljdes dock inte vid den tidpunkten.
Efter Fermi-publikationen började Otto Hahn , Lise Meitner och Fritz Strassmann utföra liknande experiment i Berlin . Meitner, en österrikisk jude, förlorade sitt österrikiska medborgarskap med Anschluss, Österrikes förbund med Tyskland i mars 1938, men hon flydde i juli 1938 till Sverige och startade en brevväxling med Hahn i Berlin. Av en slump var även hennes brorson Otto Robert Frisch , även han flykting, i Sverige när Meitner fick ett brev från Hahn daterat den 19 december som beskrev hans kemiska bevis på att en del av produkten från bombarderingen av uran med neutroner var barium . Hahn föreslog en sprängning av kärnan, men han var osäker på vad den fysiska grunden för resultaten var. Barium hade en atommassa som var 40 % mindre än uran, och inga tidigare kända metoder för radioaktivt sönderfall kunde förklara en så stor skillnad i kärnans massa. Frisch var skeptisk, men Meitner litade på Hahns förmåga som kemist. Marie Curie hade separerat barium från radium i många år, och teknikerna var välkända. Meitner och Frisch tolkade sedan Hahns resultat korrekt som att kärnan av uran hade delat sig ungefär på mitten. Frisch föreslog att processen skulle kallas "kärnklyvning", i analogi med processen av levande celldelning i två celler, som då kallades binär klyvning . Precis som termen kärnkraft "kedjereaktion" senare skulle lånas från kemi, så var termen "klyvning" lånat från biologi.
Nyheten spreds snabbt om den nya upptäckten, som korrekt sågs som en helt ny fysisk effekt med stora vetenskapliga – och potentiellt praktiska – möjligheter. Meitners och Frischs tolkning av upptäckten av Hahn och Strassmann korsade Atlanten med Niels Bohr , som skulle föreläsa vid Princeton University . II Rabi och Willis Lamb , två fysiker från Columbia University som arbetar vid Princeton, hörde nyheten och bar den tillbaka till Columbia. Rabi sa att han berättade för Enrico Fermi ; Fermi gav äran till Lamb. Bohr gick strax därefter från Princeton till Columbia för att träffa Fermi. När Bohr inte hittade Fermi på sitt kontor gick han ner till cyklotronområdet och hittade Herbert L. Anderson . Bohr tog honom i axeln och sa: "Ung man, låt mig förklara för dig om något nytt och spännande inom fysiken." Det stod klart för ett antal forskare vid Columbia att de skulle försöka upptäcka den energi som frigörs vid kärnklyvningen av uran från neutronbombardement. Den 25 januari 1939 genomförde ett team från Columbia University det första kärnklyvningsexperimentet i USA, vilket gjordes i källaren i Pupin Hall . Experimentet gick ut på att placera uranoxid inuti en joniseringskammare och bestråla den med neutroner och mäta den energi som frigjordes. Resultaten bekräftade att klyvning förekom och antydde starkt att det var isotopen uran 235 i synnerhet som klyvde. Nästa dag började den femte Washington-konferensen om teoretisk fysik i Washington, DC under gemensam överinseende av George Washington University och Carnegie Institution of Washington . Där spreds nyheterna om kärnklyvning ytterligare, vilket ledde till många fler experimentella demonstrationer.
I sin andra publikation om kärnklyvning i februari 1939 använde Hahn och Strassmann termen Uranspaltung (uranklyvning) för första gången och förutspådde förekomsten och frigörandet av ytterligare neutroner under klyvningsprocessen, vilket öppnade möjligheten för en kärnklyvning . reaktion .
Fissionskedjereaktion realiserad
Under denna period insåg den ungerske fysikern Leó Szilárd att den neutrondrivna klyvningen av tunga atomer kunde användas för att skapa en kärnkedjereaktion . En sådan reaktion med neutroner var en idé som han först formulerade 1933, när han läste Rutherfords nedsättande kommentarer om att generera kraft från hans teams experiment från 1932 med protoner för att dela litium. Szilárd hade dock inte kunnat åstadkomma en neutrondriven kedjereaktion med neutronrika lätta atomer. I teorin, om antalet sekundära neutroner som produceras i en neutrondriven kedjereaktion var större än en, skulle varje sådan reaktion kunna utlösa flera ytterligare reaktioner, vilket ger ett exponentiellt ökande antal reaktioner. Det var således en möjlighet att klyvningen av uran kunde ge stora mängder energi för civila eller militära ändamål (dvs. elkraftproduktion eller atombomber ).
Szilard uppmanade nu Fermi (i New York) och Frédéric Joliot-Curie (i Paris) att avstå från att publicera om möjligheten till en kedjereaktion, så att den nazistiska regeringen inte blir medveten om möjligheterna inför vad som senare skulle kallas World Andra kriget . Med viss tvekan gick Fermi med på att självcensurera. Men Joliot-Curie gjorde det inte, och i april 1939 rapporterade hans team i Paris, inklusive Hans von Halban och Lew Kowarski , i tidskriften Nature att antalet neutroner som emitterades vid kärnklyvning av uran rapporterades till 3,5 per fission. (De korrigerade senare detta till 2,6 per fission.) Samtidigt arbete av Szilard och Walter Zinn bekräftade dessa resultat. Resultaten antydde möjligheten att bygga kärnreaktorer (först kallade "neutroniska reaktorer" av Szilard och Fermi) och till och med kärnvapenbomber. Mycket var dock fortfarande okänt om fissions- och kedjereaktionssystem.
Kedjereaktioner på den tiden var ett känt fenomen inom kemin , men den analoga processen inom kärnfysik, med användning av neutroner, hade förutsetts redan 1933 av Szilárd, även om Szilárd vid den tiden inte hade någon aning om vilka material processen kunde initieras. Szilárd ansåg att neutroner skulle vara idealiska för en sådan situation, eftersom de saknade en elektrostatisk laddning.
Med nyheten om klyvningsneutroner från uranklyvning, förstod Szilárd omedelbart möjligheten av en kärnkedjereaktion med uran. På sommaren föreslog Fermi och Szilard idén om en kärnreaktor (hög) för att förmedla denna process. Högen skulle använda naturligt uran som bränsle. Fermi hade visat mycket tidigare att neutroner fångades mycket mer effektivt av atomer om de hade låg energi (så kallade "långsamma" eller "termiska" neutroner), eftersom det av kvantskäl fick atomerna att se ut som mycket större mål för neutronerna . För att bromsa de sekundära neutroner som frigörs av de klyvande urankärnorna föreslog Fermi och Szilard en grafit-"moderator", mot vilken de snabba, högenergetiska sekundära neutronerna skulle kollidera och effektivt sakta ner dem. Med tillräckligt med uran och med tillräckligt ren grafit skulle deras "hög" teoretiskt kunna upprätthålla en långsam neutronkedjereaktion. Detta skulle resultera i produktion av värme, såväl som skapandet av radioaktiva fissionsprodukter .
I augusti 1939 trodde Szilard och andra ungerska flyktingfysiker Teller och Wigner att tyskarna kunde använda sig av kedjereaktionen med klyvning och sporrades att försöka locka den amerikanska regeringens uppmärksamhet på frågan. Mot detta övertalade de den tysk-judiske flyktingen Albert Einstein att låna ut hans namn till ett brev riktat till president Franklin Roosevelt . Einstein -Szilárd-brevet föreslog möjligheten att en uranbomb skulle levereras med fartyg, som skulle förstöra "en hel hamn och mycket av den omgivande landsbygden". Presidenten mottog brevet den 11 oktober 1939 — kort efter att andra världskriget började i Europa, men två år innan USA:s inträde i det. Roosevelt beordrade att en vetenskaplig kommitté skulle auktoriseras för att övervaka uranarbete och tilldelade en liten summa pengar för pålforskning.
I England föreslog James Chadwick en atombomb med naturligt uran, baserat på ett papper av Rudolf Peierls med en massa som behövs för ett kritiskt tillstånd på 30–40 ton. I Amerika J. Robert Oppenheimer att en kub av urandeuterid 10 cm på en sida (ca 11 kg uran) kunde "spränga sig själv till helvetet". I denna design ansågs det fortfarande att en moderator skulle behöva användas för klyvning av kärnvapen. (Detta visade sig inte vara fallet om den klyvbara isotopen separerades.) I december Werner Heisenberg en rapport till det tyska krigsministeriet om möjligheten till en uranbomb. De flesta av dessa modeller var fortfarande under antagandet att bomberna skulle drivas av långsamma neutronreaktioner - och därmed likna en reaktor som genomgick en kritisk kraftexkursion .
I Birmingham, England, slog Frisch sig ihop med Peierls , en tysk-judisk flykting. De hade idén att använda en renad massa av uranisotopen 235 U, som hade ett tvärsnitt som ännu inte bestämts, men som ansågs vara mycket större än det för 238 U eller naturligt uran (vilket är 99,3 % av den senare isotopen) . Under antagandet att tvärsnittet för snabb neutronklyvning på 235 U var detsamma som för långsam neutronklyvning, bestämde de att en ren 235 U bomb kunde ha en kritisk massa på endast 6 kg istället för ton, och att den resulterande explosionen skulle vara enorm. (Mängden visade sig faktiskt vara 15 kg, även om denna mängd flera gånger användes i själva uranbomben ( Little Boy ).) I februari 1940 levererade de Frisch–Peierls-memorandumet . Ironiskt nog betraktades de fortfarande officiellt som "fiendeutomjordingar" på den tiden. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl och den italiensk-judiske flyktingen Emilio Segrè upptäckte kort därefter 239 Pu i sönderfallsprodukterna av 239 U producerade genom att bombardera 238 U med neutroner, och fastställde att det var ett klyvbart material, som 235 U .
Möjligheten att isolera uran-235 var tekniskt skrämmande, eftersom uran-235 och uran-238 är kemiskt identiska och varierar i sin massa med bara vikten av tre neutroner. Men om en tillräcklig mängd uran-235 kunde isoleras, skulle det möjliggöra en snabb neutronklyvningskedjereaktion. Detta skulle vara extremt explosivt, en sann "atombomb". Upptäckten att plutonium-239 kunde produceras i en kärnreaktor pekade mot ett annat tillvägagångssätt för en snabb neutronklyvningsbomb. Båda tillvägagångssätten var extremt nya och ännu inte väl förstådda, och det fanns en betydande vetenskaplig skepsis mot tanken att de skulle kunna utvecklas på kort tid.
Den 28 juni 1941 bildades Office of Scientific Research and Development i USA för att mobilisera vetenskapliga resurser och tillämpa forskningsresultaten på det nationella försvaret. I september satte Fermi ihop sin första kärnkraftshög eller reaktor, i ett försök att skapa en långsam neutroninducerad kedjereaktion i uran, men experimentet lyckades inte uppnå kritik, på grund av brist på lämpligt material, eller inte tillräckligt med rätt material. material som fanns tillgängligt.
Att producera en klyvningskedjereaktion i naturligt uranbränsle visade sig vara långt ifrån trivialt. Tidiga kärnreaktorer använde inte isotopiskt anrikat uran, och följaktligen var de tvungna att använda stora mängder högrenad grafit som neutronmodererande material. Användning av vanligt vatten (i motsats till tungt vatten ) i kärnreaktorer kräver anrikat bränsle - den partiella separationen och relativa anrikningen av den sällsynta 235 U-isotopen från den mycket vanligare 238 U-isotopen. Vanligtvis kräver reaktorer också inkludering av extremt kemiskt rena neutronmoderatormaterial som deuterium (i tungt vatten ), helium , beryllium eller kol, det senare vanligtvis som grafit . (Den höga renheten för kol krävs eftersom många kemiska föroreningar, såsom bor-10- komponenten i naturligt bor , är mycket starka neutronabsorbenter och därmed förgiftar kedjereaktionen och avslutar den i förtid.)
Produktion av sådana material i industriell skala måste lösas för att kärnkraftsproduktion och vapenproduktion skulle kunna genomföras. Fram till 1940 var den totala mängden uranmetall som producerades i USA inte mer än några gram, och även denna var av tveksam renhet; av metalliskt beryllium högst några få kg; och koncentrerad deuteriumoxid ( tungt vatten ) inte mer än några kilogram. Slutligen hade kol aldrig producerats i kvantitet med något liknande den renhet som krävs av en moderator.
Problemet med att producera stora mängder högrent uran löstes av Frank Spedding med hjälp av termit- eller " Ames "-processen. Ames Laboratory grundades 1942 för att producera de stora mängder naturlig (obeberikad) uranmetall som skulle behövas för att forskningen skulle komma. Den kritiska kärnkedjereaktionsframgången för Chicago Pile-1 (2 december 1942) som använde oberikat (naturligt) uran, liksom alla atomhögarna som producerade plutoniumet till atombomben, berodde också specifikt på Szilards insikten om att mycket ren grafit skulle kunna användas för moderator av till och med naturligt uran "högar". I krigstida Tyskland ledde misslyckande med att uppskatta egenskaperna hos mycket ren grafit till reaktorkonstruktioner beroende av tungt vatten, vilket i sin tur nekades tyskarna av allierade attacker i Norge, där tungt vatten producerades. Dessa svårigheter – bland många andra – hindrade nazisterna från att bygga en kärnreaktor som var kapabel till kritik under kriget, även om de aldrig ansträngde sig lika mycket som USA för kärnkraftsforskning, med fokus på andra teknologier (se tyskt kärnenergiprojekt för mer information ).
Manhattan Project och vidare
I USA påbörjades en allomfattande ansträngning för att tillverka atomvapen i slutet av 1942. Detta arbete togs över av US Army Corps of Engineers 1943, och känt som Manhattan Engineer District. Det topphemliga Manhattan-projektet , som det kallades i folkmun, leddes av general Leslie R. Groves . Bland projektets dussintals platser var: Hanford Site i Washington, som hade de första kärnreaktorerna i industriell skala och producerade plutonium ; Oak Ridge, Tennessee , som främst handlade om urananrikning ; och Los Alamos , i New Mexico, som var det vetenskapliga navet för forskning om bombutveckling och design. Andra platser, särskilt Berkeley Radiation Laboratory och Metallurgical Laboratory vid University of Chicago, spelade viktiga bidragande roller. Den övergripande vetenskapliga ledningen av projektet leddes av fysikern J. Robert Oppenheimer .
detonerades den första atomsprängladdningen, kallad " Trinity ", i New Mexicos öken. Det drevs av plutonium skapat i Hanford. I augusti 1945 användes ytterligare två atomanordningar - " Little Boy ", en uran-235-bomb och " Fat Man ", en plutoniumbomb - mot de japanska städerna Hiroshima och Nagasaki .
Under åren efter andra världskriget var många länder involverade i vidareutvecklingen av kärnklyvning för kärnreaktorer och kärnvapen. Storbritannien öppnade det första kommersiella kärnkraftverket 1956. År 2013 fanns det 437 reaktorer i 31 länder.
Naturliga kedjereaktorer för klyvning på jorden
Kritik i naturen är ovanligt. Vid tre malmfyndigheter vid Oklo i Gabon har sexton platser (de så kallade Oklo Fossil Reactors ) upptäckts där självförsörjande kärnklyvning ägde rum för cirka 2 miljarder år sedan. Okänd fram till 1972 (men postulerade av Paul Kuroda 1956), när den franske fysikern Francis Perrin upptäckte Oklos fossilreaktorer , insåg man att naturen hade slagit människor till ända. Storskaliga naturliga kedjereaktioner av klyvning av uran, modererade av normalt vatten, hade förekommit långt tidigare och skulle inte vara möjliga nu. Denna uråldriga process kunde använda normalt vatten som moderator bara för att naturligt uran 2 miljarder år före nutiden var rikare på den kortlivade klyvbara isotopen 235 U (cirka 3 %) än naturligt uran som finns tillgängligt idag (vilket bara är 0,7). % och måste anrikas till 3 % för att kunna användas i lättvattenreaktorer).
Se även
- Kall fission
- Klyvbart material
- Fissionsfragmentreaktor
- Hybrid fusion/fission
- Kärnfusion
- Nukleär framdrivning
- Photofission
Vidare läsning
- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volym 1 (PDF) . US Department of Energy . Januari 1993. Arkiverad från originalet (PDF) 2014-03-19 . Hämtad 2012-01-03 .
- DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory Volym 2 (PDF) . US Department of Energy. Januari 1993. Arkiverad från originalet (PDF) 2013-12-03 . Hämtad 2012-01-03 .
- Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "Kärnklyvningsdynamik: dåtid, nutid, behov och framtid" . Gränser i fysik . 8 : 63. arXiv : 1912.00287 . Bibcode : 2020FrP.....8...63B . doi : 10.3389/fphy.2020.00063 .
externa länkar
- Effekterna av kärnvapen
- Kommenterad bibliografi för kärnklyvning från Alsos Digital Library
- The Discovery of Nuclear Fission Arkiverad 2010-02-16 på Wayback Machine Historical konto komplett med ljud och lärarguider från American Institute of Physics History Center
- atomicarchive.com Nuclear Fission Explained
- Nuclear Files.org Vad är kärnklyvning?
- Nuclear Fission Animation
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nationalbibliotek | |
|---|---|
| Övrig | |
