Kärnfission - Nuclear fission

Inducerad klyvningsreaktion. En neutron absorberas av en uran-235- kärna, vilket gör den kortvarig till en upphetsad uran-236- kärna, med excitationsenergin från neutronens kinetiska energi plus krafterna som binder neutronen . Uran-236 delas i sin tur upp i snabbt rörliga lättare element (klyvningsprodukter) och släpper ut flera fria neutroner, en eller flera "snabba gammastrålar " (visas inte) och en (proportionellt) stor mängd energi.

Kärnklyvning är en reaktion , i vilken kärnan av en atom delas i två eller flera mindre kärnor . Klyvningsprocessen producerar ofta gammafotoner , och släpper en mycket stor mängd energi även av de energetiska normer för radioaktivt sönderfall .

Kärnklyvning av tunga element upptäcktes den 17 december 1938 av den tyska kemisten Otto Hahn och hans assistent Fritz Strassmann i samarbete med den österrikisk-svenske fysikern Lise Meitner . Hahn förstod att en "burst" av atomkärnorna hade inträffat. Meitner förklarade det teoretiskt i januari 1939 tillsammans med sin brorson Otto Robert Frisch . Frisch namngav processen analogt med biologisk klyvning av levande celler. För tunga nuklider är det en exoterm reaktion som kan släppa ut stora mängder energi både som elektromagnetisk strålning och som kinetisk energi för fragmenten ( uppvärmning av bulkmaterialet där klyvning sker). Liksom kärnfusion måste den totala bindningsenergin för de resulterande elementen vara större än för startelementet för att klyvning ska producera energi .

Fission är en form av kärntransmutation eftersom de resulterande fragmenten (eller dotteratomerna) inte är samma element som den ursprungliga moderatomen. De två (eller flera) kärnor 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 fissioner är binära fissioner (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 sträcker sig i storlek från en proton till en argonkärna .

Bortsett från klyvning inducerad av en neutron, utnyttjad och utnyttjad av människor, kallas en naturlig form av spontant radioaktivt sönderfall (som inte kräver en neutron) också som klyvning, och förekommer särskilt i isotoper med mycket hög massa. 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 Niels Bohr förutspådde ; det var inte försumbart.

Den oförutsägbara sammansättningen av produkterna (som varierar på ett stort probabilistiskt och något kaotiskt sätt) skiljer klyvning från rent kvanttunnelprocesser som protonemission , alfa -sönderfall och klusterförfall , 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 kärnbränslen genomgår klyvning när de träffas av klyvningsneutroner och i sin tur avger neutroner när de går sönder. Detta gör en självunderhållande nukleär kedjereaktion möjligt, frigör energi med en kontrollerad hastighet i en kärnreaktor eller i mycket snabb, okontrollerad hastigheten 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 emellertid i genomsnitt mycket mer radioaktiva än de tunga elementen som normalt klyvs som bränsle, och förblir så under betydande mängder tid, vilket ger upphov till ett kärnavfallsproblem . Oro över ackumulering av kärnavfall och kärnvapenens destruktiva potential är en motvikt till den fredliga önskan att använda klyvning som energikälla .

Fysisk översikt

Mekanism

En visuell representation av en inducerad kärnklyvningshändelse där en långsamt rörlig neutron absorberas av kärnan i en uran-235-atom, som splittras i två snabbt rörliga lättare element (klyvningsprodukter) och ytterligare neutroner. Det mesta av den frigjorda energin är i form av de kinetiska hastigheterna för klyvningsprodukterna och neutronerna.
Klyvningsprodukt ger massprocent för termisk neutronfission av U-235 , Pu-239 , en kombination av de två typiska för nuvarande kärnkraftsreaktorer och U-233 som används i thoriumcykeln .

Radioaktivt avfall

Kärnklyvning kan uppstå utan neutronbombardemang som en typ av radioaktivt sönderfall . Denna typ av klyvning (kallad spontan fission ) är sällsynt utom i några få tunga isotoper.

Kärnreaktion

I konstruerade kärnkraftsanordningar sker i huvudsak all kärnklyvning som en " kärnreaktion "-en bombarderingsdriven process som resulterar från kollisionen mellan två subatomära partiklar. I kärnreaktioner kolliderar en subatomär partikel med en atomkärna och orsakar förändringar av den. Kärnreaktioner drivs alltså av mekaniken för bombardemang, inte av det relativt konstanta exponentiella sönderfallet och halveringstiden som kännetecknar spontana radioaktiva processer.

Många typer av kärnreaktioner är för närvarande kända. Kärnklyvning skiljer sig viktigare 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 klyvningshändelse utlösa ännu fler händelser, som i sin tur frigör fler neutroner och orsakar mer klyvning.

Det kemiska grundämnet isotoper som kan upprätthålla en klyvningskedjereaktion kallas kärnbränslen och sägs vara klyvbart . De vanligaste kärnbränslen är 235 U (isotopen av uran med massnummer 235 och som används i kärnreaktorer) och 239 Pu (isotopen av plutonium med massnummer 239). Dessa bränslen bryts sönder till ett bimodalt intervall av kemiska grundämnen med atommassor centrerade nära 95 och 135  u ( klyvningsprodukter ). De flesta kärnbränslen undergår spontan fission endast mycket långsamt, ruttnande istället huvudsakligen via en alfa - beta sönderfallskedjan under perioder av årtusenden till eoner . I en kärnreaktor eller kärnvapen induceras den överväldigande majoriteten av klyvningshändelser av bombardering med en annan partikel, en neutron, som i sig produceras av tidigare klyvningshändelser.

Kärnklyvning i klyvbara bränslen är resultatet av den kärnkrafts excitationsenergi som produceras när en klyvbar kärna fångar en neutron. Denna energi, som härrör från neutronfångst, är ett resultat av den attraktiva kärnkraft som verkar mellan neutronen och kärnan. Det räcker att deformera kärnan till en dubbel-flikig "droppe", till den grad att kärnfragment överstiger avstånden vid vilka kärnkraften kan hålla två grupper av laddade nukleoner tillsammans och, när detta händer, slutför de två fragmenten sin separation och drivs sedan längre isär av sina ömsesidigt frånstötande laddningar, i en process som blir oåterkallelig med större och större avstånd. En liknande process sker i klyvbara isotoper (som uran-238), men för att klyva kräver dessa isotoper ytterligare energi från snabba neutroner (som de som produceras genom kärnfusion i termonukleära vapen ).

Den modell vätskedroppe av atomkärnan förutsäger lika stora klyvningsprodukter som ett resultat av kärn deformation. Den mer sofistikerade kärnkraftsmodellen behövs för att mekaniskt förklara vägen till det mer energiskt gynnsamma resultatet, där den ena klyvningsprodukten är något mindre än den andra. En fissionsteori baserad på skalmodellen har formulerats av Maria Goeppert Mayer .

Den vanligaste klyvningsprocessen är binär klyvning, och den producerar de klyvningsprodukter 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 fissioner per 1000 i en kärnreaktor producerar en process som kallas ternär klyvning tre positivt laddade fragment (plus neutroner) och de minsta av dessa kan sträcka sig från så liten laddning och massa som en proton ( Z  = 1) , till ett lika stort fragment som argon ( Z  = 18). De vanligaste små fragmenten består dock av 90% helium-4-kärnor med mer energi än alfa-partiklar från alfa-sönderfall (så kallade "long range alphas" vid ~ 16 MeV), plus helium-6-kärnor och tritoner ( kärnorna i tritium ). Den ternära processen är mindre vanlig, men slutar ändå producera betydande helium-4- och tritiumgasuppbyggnad i bränslestavarna i moderna kärnreaktorer.

Energi

Inmatning

Stegen för binär klyvning i en vätskedroppsmodell. Energiinmatning deformerar kärnan till en fet "cigarr" -form, sedan en "jordnöt" -form, följt av binär klyvning när de två loberna överskrider kärnkraftsattraktionsavståndet med kort räckvidd , skjuts sedan isär och bort genom sin elektriska laddning. I vätskedroppsmodellen förutses de två klyvningsfragmenten vara lika stora. Kärnkraftsmodellen gör att de kan skilja sig åt i storlek, som vanligtvis experimentellt observerats.

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- flikad ("jordnöts") form där loberna kan fortsätta att separera från varandra, drivna av sin ömsesidiga positiva laddning, i den vanligaste processen med binär klyvning (två positivt laddade klyvningsprodukter + neutroner). När kärnloben väl har skjutits till ett kritiskt avstånd, utöver vilket den starka kraften inom kort räckvidd inte längre kan hålla ihop dem, fortsätter deras separationsprocess från energin i det (längre intervallet) elektromagnetiska avstötningen mellan fragmenten. Resultatet är två klyvningsfragment som rör sig bort från varandra med hög energi.

Cirka 6 MeV av klyvningsenergin levereras genom enkel bindning av en extra neutron till den tunga kärnan via den starka kraften; i många klyvbara isotoper räcker denna mängd energi dock inte för klyvning. Uran-238, till exempel, har ett nära noll fissionstvärsnitt för neutroner med mindre än en MeV-energi. Om ingen ytterligare energi tillförs av någon annan mekanism, kommer kärnan inte att klyva, utan bara absorbera neutronen, som händer när U-238 absorberar långsam och till och med en del av snabba neutroner, för att bli U-239. Den återstående energin för att initiera klyvning kan levereras av två andra mekanismer: en av dessa är mer kinetisk energi från den inkommande neutronen, som allt mer kan klyva en klyvbar tung kärna eftersom den överstiger en kinetisk energi på en MeV eller mer (så kallas snabba neutroner ). Sådana högenergin neutroner kan fission U-238 direkt (se termonukleära vapen för tillämpning, där de snabba neutronerna levereras genom kärnfusion ). Emellertid kan denna process inte hända i stor utsträckning i en kärnreaktor, som en för liten fraktion av de fissionsneutroner produceras av någon typ av fission har tillräckligt med energi för att effektivt fission U-238 (fissionsneutroner har en mod energi av 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 U-235 med 143 neutroner) en extra neutron med ytterligare 1 till 2 MeV energi över en isotop av samma element med en jämn antal neutroner (som U-238 med 146 neutroner). Denna extra bindande energi görs tillgänglig som ett resultat av mekanismen för neutronparningseffekter . Denna extra energi härrör från Pauli -uteslutningsprincipen som tillåter en extra neutron att uppta samma kärnkraftsorbital som den sista neutronen i kärnan, så att de två bildar ett par. I sådana isotoper behövs därför ingen neutronkinetisk energi, eftersom all nödvändig energi levereras genom absorption av någon neutron, antingen av den långsamma eller snabba varianten (den förra används i modererade kärnreaktorer, och den senare används i snabb neutronreaktorer och i vapen). Som nämnts ovan benämns undergruppen av klyvbara element som kan klyvas effektivt med sina egna klyvningsneutroner (vilket potentiellt kan orsaka en kärnkedjereaktion i relativt små mängder av det rena materialet) " klyvbart ". Exempel på klyvbara isotoper är uran-235 och plutonium-239.

Produktion

Typiska klyvningshändelser släpper ut cirka tvåhundra miljoner eV (200 MeV) energi, motsvarande ungefär> 2 biljoner kelvin, för varje klyvningshändelse. Den exakta isotop som klyvs, och om den är klyvbar eller klyvbar eller inte, har bara en liten inverkan på mängden energi som släpps ut. Detta kan lätt 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. När man tittar längre till vänster på kurvan för bindningsenergi, där klyvningsprodukternas kluster, kan det lätt observeras att bindningsenergin för klyvningsprodukterna tenderar att centreras runt 8,5 MeV per nukleon. Således frigörs grovt 0,9 MeV per nukleon i startelementet vid varje klyvningshändelse av en isotop i aktinidens massintervall. Klyvningen av U235 med en långsam neutron ger nästan identisk energi med klyvningen av U238 med en snabb neutron. Denna energifrigivande profil gäller även thorium och de olika mindre aktiniderna.

Däremot frigör de flesta kemiska oxidationsreaktioner (såsom brinnande kol eller TNT ) högst några eV per händelse. Så, kärnbränsle innehåller minst tio miljoner gånger mer användbar energi per massenhet än kemiskt bränsle. Kärnklyvningens energi frigörs som kinetisk energi från klyvningsprodukterna och fragmenten, och som elektromagnetisk strålning i form av gammastrålning ; i en kärnreaktor omvandlas energin till värme när partiklarna och gammastrålarna kolliderar med atomerna som bildar reaktorn och dess arbetsvätska , vanligtvis vatten eller ibland tungt vatten eller smälta salter .

Animering av en Coulomb -explosion i fallet med ett kluster av positivt laddade kärnor, liknande ett kluster av klyvningsfragment. Nyans färgnivå är proportionell mot (större) kärnladdning. Elektroner (mindre) i denna tidsskala ses endast stroboskopiskt och nyansnivån är deras rörelseenergi

När en urankärna splittras i två dotterkärnfragment framträder cirka 0,1 procent av urankärnans massa som klyvningsenergi på ~ 200 MeV. För uran-235 (total genomsnittlig klyvningsenergi 202,79 MeV) förekommer typiskt ~ 169 MeV som kinetisk energi för dotterkärnorna, som flyger isär med cirka 3% av ljusets hastighet, på grund av Coulomb-avstötning . Dessutom avges i genomsnitt 2,5 neutroner, med en genomsnittlig kinetisk energi per neutron på ~ 2 MeV (totalt 4,8 MeV). Fissionsreaktionen också släpper ~ 7 MeV i promptgammastrålningsfotoner . Den senare siffran innebär att en kärnklyvningsexplosion eller kritikalitetsolycka avger cirka 3,5% av sin energi som gammastrålar, mindre än 2,5% av sin energi som snabba neutroner (totalt båda typerna av strålning ~ 6%), och resten som kinetisk energi från klyvningsfragment (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 klyvningsfragmentets kinetiska energi som lågtemperaturvärme, vilket i sig orsakar liten eller ingen jonisering.

Så kallade neutronbomber (förstärkta strålningsvapen) har konstruerats som frigör en större bråkdel av deras energi som joniserande strålning (specifikt neutroner), men dessa är alla termonukleära enheter som förlitar sig på kärnfusionsstadiet för att producera den extra strålningen. Energidynamiken för rena klyvningsbomber ligger alltid på cirka 6% avkastning av totalen i strålning, som ett snabbt resultat av klyvning.

Den totala snabba fissionsenergin uppgår till cirka 181 MeV, eller ~ 89% av den totala energin som så småningom frigörs genom klyvning över tid. Resterande ~ 11% frigörs i betaförfall som har olika halveringstider, men börjar som en process i klyvningsprodukterna omedelbart; och vid fördröjda gamma -utsläpp i samband med dessa betaförfall. Till exempel, i uran-235 är denna fördröjda energi uppdelad i cirka 6,5 ​​MeV i betor, 8,8 MeV i antineutrinos (släpps samtidigt som betorna), och slutligen, ytterligare 6,3 MeV i fördröjd gammastrålning från den upphetsade beta- sönderfallsprodukter (för en genomsnittlig total ~ 10 gammastrålning per fission, totalt). Således frigörs cirka 6,5% av den totala klyvningsenergin någon tid efter händelsen, som icke-snabb eller fördröjd joniserande strålning, och den fördröjda joniseringsenergin är ungefär jämnt fördelad mellan gamma- och betastrålenergi.

I en reaktor som har varit i drift under en tid kommer de radioaktiva klyvningsprodukterna att ha byggt upp till steady state -koncentrationer så att deras förfallshastighet är lika med deras bildningshastighet, så att deras fraktionerade totala bidrag till reaktorvärme (via beta -sönderfall) ) är samma som dessa radioisotopiska fraktionella bidrag till klyvningsenergin. Under dessa förhållanden bidrar 6,5% av klyvningen som framstår som fördröjd joniserande strålning (fördröjd gammas och betas från radioaktiva klyvningsprodukter) till den reaktorvärmeproduktion som uppstår under drift. Det är denna utmatningsfraktion som återstår när reaktorn plötsligt stängs av (genomgår scram ). Av denna anledning, reaktorresteffekten börjar utgång till 6,5% av hela reaktor steady state fissionskraft, när reaktorn är avstängd. Men inom några timmar, på grund av förfall av dessa isotoper, är sönderfallseffekten mycket mindre. Se sönderfallsvarma för detaljer.

Resten av den fördröjda energin (8,8 MeV/202,5 ​​MeV = 4,3% av den totala klyvningsenergin) avges som antineutrinos, som i praktiken inte anses vara "joniserande strålning". Orsaken är att energi som släpps ut som antineutrinos inte fångas upp av reaktormaterialet som värme och flyr direkt genom alla material (inklusive jorden) med nästan ljusets hastighet och in i interplanetära rymden (den absorberade mängden är liten). Neutrino strålning klassificeras 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 reaktorkärna eller dess avskärmning.

Vissa processer som involverar neutroner är anmärkningsvärda för att absorbera eller slutligen ge energi-till exempel neutron kinetisk energi ger inte värme omedelbart om neutronen fångas upp av en uran-238 atom för att föda upp plutonium-239, men denna energi avges om plutonium-239 klyvs senare. Å andra sidan är så kallade fördröjda neutroner som avges som radioaktiva sönderfallsprodukter med halveringstider upp till flera minuter, från klyvningsdöttrar, mycket viktiga för reaktorkontroll , eftersom de ger en karakteristisk "reaktionstid" för den totala kärnreaktionen att fördubblas i storlek, om reaktionen körs i en " fördröjd-kritisk " zon som avsiktligt förlitar sig på dessa neutroner för en superkritisk kedjereaktion (en där varje klyvningscykel ger fler neutroner än den absorberar). Utan deras existens skulle kärnkedjereaktionen vara snabb 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 strålningskontrollerade styrstavar, upphängda av elektromagneter, som automatiskt skulle kunna hamna i mitten av Chicago Pile-1 ). Om dessa fördröjda neutroner fångas utan att producera klyvningar, producerar de också värme.

Produktkärnor och bindningsenergi

I klyvning finns det en preferens att ge fragment med jämna protonnummer, vilket kallas för udda-jämn effekt på fragmentens laddningsfördelning. Dock är ingen udda-even effekt har observerats på fragment masstal distribution. Detta resultat tillskrivs brytning av nukleonpar .

I kärnklyvningshändelser kan kärnorna bryta in i valfri kombination av lättare kärnor, men den vanligaste händelsen är inte klyvning till lika stora masskärnor med cirka 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 gynnsammare eftersom detta gör att en produkt kan vara närmare det energiska minimumet nära massan 60  u (endast en fjärdedel av den genomsnittliga klyvbara massan), medan den andra kärnan med massa 135  u fortfarande inte är långt utanför intervallet för de hårt bundna kärnor (ett annat uttalande av detta är att atombindningsenergikurvan är något brantare åt vänster av massan 120  u än till höger om den).

Ursprung för den aktiva energin och kurvan för bindande energi

"Kurvan för bindande energi": En graf över bindningsenergi per nukleon av vanliga isotoper.

Kärnklyvning av tunga element producerar exploaterbar energi eftersom den specifika bindningsenergin (bindningsenergi per massa) för mellanmassakärnor 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. Den totala vilomassan för klyvningsprodukterna ( Mp ) från en enda reaktion är mindre än massan för den ursprungliga bränslekärnan ( M ). Överskottet massan Am  =  M  -  Mp är Vilomassa av den energi som frigörs som fotoner ( gammastrålar ) och kinetiska energin hos de klyvningsfragment, enligt E = Mc² formeln E  =  mc 2 .

Variationen i specifik bindningsenergi med atomnummer beror på samspelet mellan de två fundamentala krafter som verkar på komponent nukleonerna ( protoner och neutroner ) som utgör kärnan. Kärnor är bundna av en attraktiv kärnkraft mellan nukleoner, som övervinner den elektrostatiska avstötningen mellan protoner. Kärnkraften verkar emellertid endast över relativt korta avstånd (några nukleondiametrar ), eftersom den följer en exponentiellt avtagande Yukawa -potential som gör den obetydlig på längre avstånd. Den elektrostatiska avstötningen är av längre räckvidd, eftersom den sönderfaller med en invers-kvadratisk regel, så att kärnor större än cirka 12 nukleoner i diameter når en punkt där den totala elektrostatiska avstötningen övervinner kärnkraften och får dem att vara spontant instabila. Av samma anledning är större kärnor (mer än cirka åtta nukleoner i diameter) mindre tätt bundna per massenhet än mindre kärnor; bryta en stor kärna i två eller flera mellanstora kärnor frigör energi.

På grund av det korta intervallet för den starka bindningskraften måste stora stabila kärnor innehålla proportionellt fler neutroner än de lättaste elementen, som är mest stabila med ett förhållande 1 till 1 av protoner och neutroner. Kärnor som har mer än 20 protoner kan inte vara stabila om de inte har mer än lika många neutroner. Extra neutroner stabiliserar tunga element eftersom de ökar bindningen med stark kraft (som verkar mellan alla nukleoner) utan att öka proton-proton frånstötning. Klyvningsprodukter har i genomsnitt ungefär samma förhållande neutroner och protoner som deras föräldrakärna och är därför vanligtvis instabila för betaförfall (som förändrar neutroner till protoner) eftersom de har proportionellt för många neutroner jämfört med stabila isotoper med liknande massa.

Denna tendens för klyvningsproduktkärnor att genomgå betaförfall är den grundläggande orsaken till problemet med radioaktivt högnivåavfall från kärnreaktorer. Klyvningsprodukter tenderar att vara betasändare , som avger snabba elektroner för att bevara elektrisk laddning , eftersom överskott av neutroner omvandlas till protoner i klyvningsproduktatomerna. Se Klyvningsprodukter (efter element) för en beskrivning av klyvningsprodukter sorterade efter element.

Kedjereaktioner

En schematisk kärnreaktion med kärnklyvning. 1. En uran-235- atom absorberar en neutron och klyvs i två nya atomer (klyvningsfragment), vilket frigör tre nya neutroner och viss bindningsenergi. 2. En av dessa neutroner absorberas av en atom av uran-238 och fortsätter inte reaktionen. En annan neutron är helt enkelt förlorad och kolliderar inte med någonting, inte heller fortsätter reaktionen. Den ena neutronen kolliderar dock med en atom av uran-235, som sedan fissionerar och släpper ut två neutroner och lite bindande energi. 3. Båda dessa neutroner kolliderar med uran-235 atomer, som var och en fissionerar och frigör mellan en och tre neutroner, som sedan kan fortsätta reaktionen.

Flera tunga element, såsom uran , thorium och plutonium , genomgår både spontan fission , en form av radioaktivt sönderfall och inducerad fission , en form av kärnreaktion . Elementära isotoper som genomgår inducerad klyvning när de träffas av en fri neutron kallas klyvbara ; isotoper som genomgår fission när de träffas av en långsamt rörlig termisk neutron kallas också klyvbara . Några särskilt klyvbara och lättillgängliga isotoper (särskilt 233 U, 235 U och 239 Pu) kallas kärnbränslen 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 genomsnittlig livslängd på cirka 15 minuter innan de förfaller till protoner och betapartiklar . Men neutroner påverkar nästan alltid och absorberas av andra kärnor i närheten långt innan detta händer (nyskapade klyvningsneutroner rör sig med cirka 7% av ljusets hastighet, och till och med modererade neutroner rör sig med cirka 8 gånger ljudets hastighet). Vissa neutroner kommer att påverka bränslekärnor och framkalla ytterligare klyvningar och frigöra ännu fler neutroner. Om tillräckligt med kärnbränsle är monterat på ett ställe, eller om de neutroner som rymmer tillräckligt, är dessa nyutstrålade neutroner fler än de neutroner som flyr från enheten, och en ihållande kärnkedjereaktion kommer att äga rum.

En enhet som stöder en ihållande kärnkedjereaktion kallas en kritisk enhet eller, om enheten nästan helt är gjord av ett kärnbränsle, en kritisk massa . Ordet "kritisk" hänvisar till en höjdpunkt i beteendet hos differentialekvationen som styr antalet fria neutroner som finns i bränslet: om mindre än en kritisk massa är närvarande, bestäms mängden neutroner genom radioaktivt sönderfall , men om en kritisk massa eller mer är närvarande, styrs mängden neutroner istället av kedjereaktionens fysik. Den faktiska massan av en kritisk massa kärnbränsle beror starkt på geometrin och omgivande material.

Alla klyvbara isotoper kan inte upprätthålla en kedjereaktion. Till exempel är 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 rörelseenergi. Men för få av de neutroner 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 orsakar bombardering av 238 U med långsamma neutroner att den absorberar dem (blir 239 U) och sönderfaller genom beta -emission till 239 Np som sedan förfaller igen med samma process till 239 Pu; den processen används för att tillverka 239 Pu i uppfödarreaktorer . Plutoniumproduktion på plats bidrar också till neutronkedjereaktionen i andra typer av reaktorer efter att tillräckligt med plutonium-239 har producerats, eftersom plutonium-239 också är ett klyvbart element som fungerar som bränsle. Det uppskattas att upp till hälften av den effekt som produceras av en standardreaktor av icke-uppfödare produceras genom klyvning av plutonium-239 som produceras på plats under den totala livscykeln för en bränslebelastning.

Spaltbara, icke klyvbara isotoper kan användas som klyvningsenergikälla även utan kedjereaktion. Att bombardera 238 U med snabba neutroner inducerar fissioner och frigör energi så länge som den yttre neutronkällan finns. Detta är en viktig effekt i alla reaktorer där snabba neutroner från den klyvbara isotopen kan orsaka klyvning av närliggande 238 U-kärnor, vilket innebär att en liten del av 238 U "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 jacka vapnet med 238 U för att reagera med neutroner som frigörs genom kärnfusion i enhetens centrum. Men de explosiva effekterna av kärnklyvskedjereaktioner kan minskas genom att använda ämnen som moderatorer som saktar ner hastigheten på sekundära neutroner.

Klyvningsreaktorer

Kritiska klyvningsreaktorer är den vanligaste typen av kärnreaktorer . I en kritisk klyvningsreaktor används neutroner som produceras genom klyvning av bränsleatomer för att framkalla ännu fler klyvningar, för att upprätthålla en kontrollerbar mängd energiutsläpp. Enheter som producerar konstruerade men icke-självbärande klyvningsreaktioner är subkritiska klyvningsreaktorer . Sådana anordningar använder radioaktivt sönderfall eller partikelacceleratorer för att utlösa fissioner.

Kritiska klyvningsreaktorer är byggda för tre primära ändamål, som vanligtvis involverar olika tekniska avvägningar för att dra nytta av antingen värmen eller neutronerna som produceras av klyvningskedjereaktionen:

Även om alla klyvningsreaktorer i princip kan agera i alla tre kapaciteter, leder praktiken 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, till exempel Hanford N-reaktorn , nu avvecklad). Kraftreaktorer omvandlar i allmänhet fissionsprodukternas kinetiska energi 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. Uppfödarreaktorer är en specialiserad form av forskningsreaktor, med förbehållet om att provet som bestrålas vanligtvis är själva bränslet, en blandning av 238 U och 235 U. För en mer detaljerad beskrivning av fysik och driftsprinciper för kritiska klyvningsreaktorer, se kärnreaktor fysik . För en beskrivning av deras sociala, politiska och miljöaspekter, se kärnkraft .

Fission bomber

Den svampmoln av atombomben föllNagasaki, Japan den 9 augusti 1945 steg över 18 kilometer (11 mi) över bomben s Hypocentrum . Uppskattningsvis 39 000 människor dödades av atombomben, varav 23 145–28 113 var japanska fabriksarbetare, 2 000 var koreanska slavarbetare och 150 var japanska stridande.

En klass av kärnvapen , en klyvningsbomb (som inte ska förväxlas med fusionsbomben ), annars känd som atombomb eller atombomb , är en klyvningsreaktor som är utformad för att frigöra så mycket energi som möjligt så snabbt som möjligt, innan den släpps energi får reaktorn att explodera (och kedjereaktionen stannar). Utvecklingen av kärnvapen var motivationen bakom tidig forskning om kärnklyvning som Manhattanprojektet under andra världskriget (1 september 1939 - 2 september 1945) genomförde det mesta av det tidiga vetenskapliga arbetet med klyvningskedjereaktioner, som kulminerade i de tre händelserna med klyvningsbomber som inträffade under kriget. Den första klyvningsbomben, kodnamnet "The Gadget", detonerades under Treenighetstestet i öknen i New Mexico den 16 juli 1945. Två andra klyvningsbomber, 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 klyvningsbomberna 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) långt; det gav också en explosion motsvarande cirka 15 kiloton TNT och förstörde en stor del av staden Hiroshima. Moderna kärnvapen (som inkluderar en termonukleär fusion samt ett eller flera klyvningssteg) är hundratals gånger mer energiska för sin vikt än de första rena klyvda atombomberna (se kärnvapenutbyte ), så att en modern enkel missilstridsspetsbomb väger mindre än 1/8 så mycket som Little Boy (se till exempel W88 ) har en avkastning på 475 kiloton TNT och kan medföra förstörelse till cirka 10 gånger stadsområdet.

Medan den grundläggande fysik klyvningskedjereaktion i ett kärnvapen liknar fysiken av en kontrollerad kärnreaktor måste de två typerna av anordningen vara konstruerad helt annorlunda (se kärnreaktor fysik ). En kärnbomb är utformad för att släppa ut 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 smältning och ångsexplosioner , 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 atombomb, även om minst ett raketdrivsystem , Project Orion , var avsett att fungera genom att explodera klyvningsbomber bakom ett massivt vadderat och skärmad rymdfarkoster.

Den strategiska betydelsen av kärnvapen är en viktig orsak till varför tekniken för kärnklyvning är politiskt känsliga. Livskraftiga klyvningsbombkonstruktioner ligger utan tvekan inom många, och är relativt enkla ur en teknisk synvinkel. Svårigheten att erhålla klyvbart kärnmaterial för att förverkliga konstruktionerna är dock nyckeln till den relativa otillgängligheten av kärnvapen för alla utom moderna industrialiserade regeringar med särskilda program för att producera klyvbara material (se urananrikning och kärnbränslecykel).

Historia

Upptäckt av kärnklyvning

Hahn och Meitner 1912

Upptäckten av kärnklyvning inträffade 1938 i byggnaderna hos 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 i atomer . År 1911 föreslog Ernest Rutherford en modell av atomen där en mycket liten, tät och positivt laddad kärna av protoner omgavs av kretsande, negativt laddade elektroner ( Rutherford -modellen ). Niels Bohr förbättrade detta 1913 genom att förena elektronernas kvantbeteende ( Bohr -modellen ). Arbete av Henri Becquerel , Marie Curie , Pierre Curie och Rutherford utarbetade vidare att kärnan, även om den var tätt bunden, kunde genomgå olika former av radioaktivt sönderfall och därmed förvandlas till andra element. (Till exempel genom alfa -förfall : utsläpp av en alfapartikel - två protoner och två neutroner bundna till en partikel som är identisk med en heliumkärna .)

En del arbete med kärnkraftsöverföring hade utförts. År 1917 kunde Rutherford åstadkomma omvandling av kväve till syre med hjälp av 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 transformera 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 denna kärna i två alfapartiklar. Bedriften var allmänt känd som "splittring av atomen" och skulle vinna dem Nobelpriset i fysik 1951 för "Omvandling av atomkärnor med artificiellt accelererade atompartiklar" , även om det inte var kärnfissionsreaktionen som senare upptäcktes i tunga element.

Efter att den engelska fysikern James Chadwick upptäckte neutronen 1932 studerade Enrico Fermi och hans kollegor i Rom resultatet av bombardering av uran med neutroner 1934. Fermi drog slutsatsen att hans experiment hade skapat nya element med 93 och 94 protoner, som gruppen kallade ausonium och hesperium . Men alla var inte övertygade av Fermis analys av hans resultat, även om han skulle vinna Nobelpriset i fysik 1938 för sina "demonstrationer av förekomsten av nya radioaktiva element som produceras genom neutronbestrålning och för hans relaterade upptäckt av kärnreaktioner som orsakats av långsamma neutroner ". Den tyska kemisten Ida Noddack föreslog särskilt i tryck 1934 att istället för att skapa ett nytt, tyngre element 93, att "det är tänkbart att kärnan bryts upp i flera stora fragment." Noddacks slutsats följdes dock inte då.

Experimentella apparater liknande den som Otto Hahn och Fritz Strassmann upptäckte kärnklyvning 1938. Apparaten skulle inte ha legat på samma bord eller i samma rum.

Efter Fermi -publiceringen började Otto Hahn , Lise Meitner och Fritz Strassmann utföra liknande experiment i Berlin . Meitner, en österrikisk jud, förlorade sitt österrikiska medborgarskap med Anschluss , unionen mellan Österrike och Tyskland i mars 1938, men hon flydde i juli 1938 till Sverige och inledde en korrespondens via post med Hahn i Berlin. Av en slump var hennes brorson Otto Robert Frisch , också han flykting, också i Sverige när Meitner fick ett brev från Hahn av den 19 december som beskriver hans kemiska bevis på att en del av produkten av bombardemanget av uran med neutroner var barium . Hahn föreslog en bristning av kärnan, men han var osäker på vad den fysiska grunden för resultaten var. Barium hade en atommassa 40% mindre än uran, och inga tidigare kända metoder för radioaktivt sönderfall skulle kunna stå för 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 då Hahns resultat korrekt så att urankärnan hade delats ungefär i hälften. Frisch föreslog att processen skulle heta "kärnklyvning", analogt med processen för levande celldelning i två celler, som sedan kallades binär klyvning . Precis som termen kärnkraft "kedjereaktion" senare skulle lånas från kemi, så lånades termen "klyvning" från biologin.

Nyheter sprids 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 vid Columbia University, som arbetar på Princeton, hörde nyheterna och bar tillbaka dem till Columbia. Rabi sa att han berättade för Enrico Fermi ; Fermi gav kredit till Lamb. Bohr åkte strax därefter från Princeton till Columbia för att träffa Fermi. Bohr hittade inte Fermi på sitt kontor och gick 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 var klart för ett antal forskare vid Columbia att de skulle försöka upptäcka den energi som frigörs i kärnklyvningen av uran från neutronbombardemang. Den 25 januari 1939 genomförde ett team från Columbia University det första kärnklyvningsexperimentet i USA, vilket gjordes i källaren i Pupin Hall . Experimentet innebar att uranoxid placerades inuti en joniseringskammare och bestrålades med neutroner och mättes på så sätt frigjord energi. Resultaten bekräftade att klyvning inträffade och antydde starkt att det var isotopen uran 235 i synnerhet som klyvning. Dagen efter började den femte Washington -konferensen om teoretisk fysik i Washington, DC under gemensam regi av George Washington University och Carnegie Institution of Washington . Där spreds nyheterna om kärnklyvning ännu längre, vilket främjade många fler experimentella demonstrationer.

Fissionskedjereaktion realiserad

Under denna period insåg den ungerska fysikern Leó Szilárd att den neutrondrivna klyvningen av tunga atomer kan 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 lags experiment från 1932 med protoner för att dela litium. Szilárd hade dock inte kunnat åstadkomma en neutrondriven kedjereaktion med neutronrika ljusatomer. I teorin, om antalet sekundära neutroner som producerades i en neutrondriven kedjereaktion var större än en, kan varje sådan reaktion utlösa flera ytterligare reaktioner, vilket ger ett exponentiellt ökande antal reaktioner. Det var således en möjlighet att klyvningen av uran kunde ge enorma mängder energi för civila eller militära ändamål (dvs. elproduktion 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 världskriget . Med viss tvekan gick Fermi med på att självcensurera. Men det gjorde inte Joliot-Curie, och i april 1939 rapporterade hans team i Paris, inklusive Hans von Halban och Lew Kowarski , i tidskriften Nature att antalet neutroner som släpptes ut med kärnklyvning av uran rapporterades då till 3,5 per klyvning. (De korrigerade senare detta till 2,6 per klyvning.) Samtidigt arbete av Szilard och Walter Zinn bekräftade dessa resultat. Resultaten föreslog möjligheten att bygga kärnreaktorer (först kallade "neutronreaktorer" av Szilard och Fermi) och till och med kärnvapen. Mycket var dock fortfarande okänt om klyvnings- och kedjereaktionssystem.

Ritning av den första artificiella reaktorn, Chicago Pile-1 .

Kedjereaktioner vid den tiden var ett känt fenomen inom kemi , men den analoga processen i kärnfysik, med hjälp av neutroner, hade förutspåtts redan 1933 av Szilárd, även om Szilárd vid den tiden inte hade någon aning om vilka material processen skulle kunna initieras. Szilárd ansåg att neutroner skulle vara idealiska för en sådan situation, eftersom de saknade en elektrostatisk laddning.

Med nyheterna om klyvningsneutroner från uranfission förstod Szilárd omedelbart möjligheten till 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 var mycket mer effektivt fångade av atomer om de hade låg energi (så kallade "långsamma" eller "termiska" neutroner), eftersom det av kvantiska skäl fick atomerna att se ut som mycket större mål för neutronerna . För att bromsa de sekundära neutronerna som frigörs av urankärnorna i klyvning föreslog Fermi och Szilard en grafit "moderator", mot vilken de snabba, högenergiska sekundära neutronerna skulle kollidera och effektivt sakta ner dem. Med tillräckligt med uran och med tillräckligt stor grafit kan deras "hög" teoretiskt upprätthålla en långsam neutronkedjereaktion. Detta skulle resultera i produktion av värme, liksom skapandet av radioaktiva klyvningsprodukter .

I augusti 1939 trodde Szilard och andra ungerska flyktingfysiker Teller och Wigner att tyskarna kan använda sig av klyvningskedjereaktionen och uppmanades att försöka locka USA: s regerings uppmärksamhet till frågan. Mot detta övertalade de den tysk-judiska flyktingen Albert Einstein att låna sitt namn till ett brev riktat till president Franklin Roosevelt . I Einstein – Szilárd -brevet föreslogs möjligheten att en uranbomb levereras med fartyg, vilket skulle förstöra "en hel hamn och mycket av den omgivande landsbygden". Presidenten fick brevet den 11 oktober 1939 - strax efter andra världskrigets början i Europa, men två år innan USA gick in i det. Roosevelt beordrade att en vetenskaplig kommitté skulle auktoriseras för att övervaka uranarbete och tilldelade en liten summa pengar för högforskning.

I England föreslog James Chadwick en atombomb som använde naturligt uran, baserat på ett papper av Rudolf Peierls med massan som behövdes för kritiskt tillstånd 30–40 ton. I Amerika trodde J. Robert Oppenheimer att en kub av urandeuterid 10 cm på en sida (cirka 11 kg uran) kan "blåsa sig åt helvete". I denna konstruktion trodde man fortfarande att en moderator skulle behöva användas för kärnvapenbombning (detta visade sig inte vara fallet om den klyvbara isotopen separerades). I december levererade Werner Heisenberg en rapport till det tyska krigsdepartementet 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 genomgår en kritisk kraftutflykt .

I Birmingham, England, samarbetade Frisch med Peierls , en tysk-judisk flykting. De hade tanken att använda en renad massa av uranisotopen 235 U, som ännu inte hade bestämt ett tvärsnitt , men som antogs vara mycket större än 238 U eller naturligt uran (vilket är 99,3% den senare isotopen) . Om vi ​​antar att tvärsnittet för snabb neutronfission på 235 U var detsamma som för långsam neutronsplitning, 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 -promemorian . Ironiskt nog ansågs de fortfarande officiellt vara "fiendens utomjordingar" på den tiden. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl och italiensk-judiska flykting Emilio Segrè upptäckte kort därefter 239 Pu i sönderfallsprodukterna från 239 U producerade genom att bomba 238 U med neutroner och bestämde 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 endast vikten av tre neutroner. Men om en tillräcklig mängd uran-235 skulle kunna isoleras skulle det möjliggöra en snabb neutronfissionskedjereaktion. Detta skulle vara extremt explosivt, en sann "atombomb". Upptäckten att plutonium-239 kan produceras i en kärnreaktor pekade på ett annat tillvägagångssätt för en snabb neutronsplittringsbomb. Båda tillvägagångssätten var extremt nya och ännu inte väl förstådda, och det fanns stor vetenskaplig skepsis vid tanken på 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 nationellt försvar. I september monterade Fermi sin första kärnkraftiga "hög" eller reaktor i ett försök att skapa en långsam neutroninducerad kedjereaktion i uran, men experimentet misslyckades med att uppnå kritik, på grund av brist på rätt material, eller inte tillräckligt med korrekt tillgängliga material.

Att producera en klyvningskedjereaktion i naturligt uranbränsle befanns vara långt ifrån trivialt. Tidiga kärnreaktorer använde inte isotopiskt anrikat uran, och följaktligen var de tvungna att använda stora mängder mycket renad grafit som neutronmoderationsmaterial. Användning av vanligt vatten (i motsats till tungt vatten ) i kärnreaktorer kräver anrikat bränsle - delvis separation och relativ anrikning av den sällsynta 235 U -isotopen från den mycket vanligare 238 U -isotopen. Typiskt kräver reaktorer också införande av extremt kemiskt rena neutronmoderatormaterial såsom 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 neutronabsorberare och därmed förgiftar kedjereaktionen och avslutar den i förtid.)

Produktion av sådana material i industriell skala måste lösas för kärnkraftsproduktion och vapenproduktion. Fram till 1940 var den totala mängden uranmetall som producerades i USA inte mer än några gram, och även detta var av tvivelaktig renhet; av metalliskt beryllium inte mer än några kilo; och koncentrerad deuteriumoxid ( tungt vatten ) högst några kilo. Slutligen hade kol aldrig producerats i kvantitet med något liknande den renhet som krävs av en moderator.

Problemet med att producera stora mängder uran med hög renhet löstes av Frank Spedding med hjälp av termit- eller " Ames " -processen. Ames Laboratory grundades 1942 för att producera de stora mängder naturlig (icke berikad) uranmetall som skulle vara nödvändiga för att forskningen skulle komma. Den kritiska framgången med kärnkedjereaktionen för Chicago Pile-1 (2 december 1942) som använde anrikat (naturligt) uran, liksom alla atom "högar" som producerade plutonium för atombomben, berodde också specifikt på Szilards inser att mycket ren grafit kan användas för moderator av även naturliga uran "högar". Under krigstidens Tyskland ledde det till att man inte uppskattade egenskaperna hos mycket ren grafit till reaktordesign som var 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 kunde kritisera under kriget, även om de aldrig ansträngde sig så mycket som USA för kärnkraftsforskning, med fokus på annan teknik (se tyska kärnkraftsprojekt för mer information ).

Manhattan Project och bortom

I USA påbörjades en heltäckande insats för att göra atomvapen i slutet av 1942. Detta arbete övertogs av US Army Corps of Engineers 1943 och kallades Manhattan Engineer District. Det topphemliga Manhattan-projektet , som det var i folkmun, leddes av general Leslie R. Groves . Bland projektets dussintals platser fanns: Hanford Site i Washington, som hade de första kärnreaktorerna i industriell skala och producerade plutonium ; Oak Ridge, Tennessee , som främst sysslade med anrikning av uran ; 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. Övergripande vetenskaplig inriktning av projektet sköts av fysikern J. Robert Oppenheimer .

I juli 1945 detonerades den första atombomben, kallad " Trinity ", i öknen i New Mexico. Det drevs av plutonium som skapades i Hanford. I augusti 1945 användes ytterligare två atomenheter-" 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 inblandade i den vidare utvecklingen av kärnklyvning för kärnreaktorer och kärnvapen. Storbritannien öppnade det första kommersiella kärnkraftverket 1956. År 2013 fanns det 437 reaktorer i 31 länder.

Naturliga klyvningsreaktorer på jorden

Kritik i naturen är ovanlig. Vid tre malmfyndigheter i Oklo i Gabon har sexton platser (de så kallade Oklo Fossil Reactors ) upptäckts där självbärande kärnklyvning ägde rum för ungefär 2 miljarder år sedan. Okänt fram till 1972 (men postulerat av Paul Kuroda 1956), när den franske fysikern Francis Perrin upptäckte Oklo Fossil Reactors , insåg man att naturen hade slagit människor till stryk. Storskaliga naturliga uranfissionskedjereaktioner, modererade av normalt vatten, hade inträffat långt tidigare och skulle inte vara möjligt nu. Denna uråldriga process kunde endast använda vanligt vatten som moderator eftersom naturligt uran 2 miljarder år före nuet var rikare i den kortsiktiga klyvbara isotopen 235 U (cirka 3%) än naturligt uran som finns tillgängligt idag (vilket är bara 0,7 % och måste berikas till 3% för att kunna användas i lättvattenreaktorer).

Se även

Referenser

Vidare läsning

externa länkar