Ficão nuclear - Nuclear fission


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Reacção de fissão induzida. Um neutrões é absorvido por uma urânio-235 núcleo, transformando-o rapidamente para um animado urânio-236 núcleo, com a energia de excitação fornecida pela energia cinética do neutrão mais as forças que se ligam a neutrões . O urânio-236, por sua vez, se divide em rápido movimento elementos mais leves (produtos de fissão) e libera uma pequena quantidade de nêutrons livres. Ao mesmo tempo, um ou mais "prompt raios gama " (não mostrados) são produzidos, bem como.

Em física nuclear e química nuclear , fissão nuclear é ou uma reacção nuclear ou um decaimento radioactivo processo em que o núcleo de um átomo divide-se em partes mais pequenas (mais leves núcleos ). O processo de fissão frequentemente produz livres neutrões e gama fotões , e liberta uma quantidade muito grande de energia , mesmo pelos padrões energéticos de decaimento radioactivo.

Fissão nuclear de elementos pesados foi descoberto em 17 de dezembro de 1938 pelo alemão Otto Hahn e seu assistente Fritz Strassmann , e explicou, teoricamente, em janeiro de 1939 por Lise Meitner e seu sobrinho Otto Robert Frisch . Frisch chamado o processo por analogia com a fissão biológica das células vivas. Para pesados nuclídeos , é uma reacção exotérmica que possa libertar grandes quantidades de energia , tanto como radiação electromagnética e como energia cinética dos fragmentos ( o aquecimento do material a granel, onde tem lugar cisão). A fim de fissão para produzir energia, o total de energia de ligação dos elementos resultantes deve ser mais negativo (maior energia de ligação) do que a do elemento de partida.

Cisão é uma forma de transmutação porque os fragmentos resultantes não são o mesmo elemento como o átomo originais. Os dois núcleos produzidos são na maioria das vezes de tamanhos comparáveis, mas ligeiramente diferentes, tipicamente com um rácio de massa de produtos de cerca de 3 a 2, para comuns cindíveis isótopos . A maioria das fissões são fissões binários (produzindo dois fragmentos carregados), mas ocasionalmente (2 a 4 vezes por eventos 1000), três fragmentos carregados positivamente são produzidos, em uma fissão ternário . O mais pequeno destes fragmentos em processos ternários varia em tamanho a partir de um protão a um árgon núcleo.

Além de fissão induzida por um neutrão, aproveitado e explorado pelos seres humanos, de uma forma natural da espontânea decaimento radioactivo (não exigindo um neutrão) é também referida como a fissão, e ocorre sobretudo em muito isótopos de alta massa-numéricas. Fissão espontânea foi descoberto em 1940 por Flyorov , Petrzhak e Kurchatov em Moscou, quando decidiram confirmar que, sem bombardeio de nêutrons, a taxa de fissão do urânio era realmente insignificante, como previsto por Niels Bohr ; não era.

A composição imprevisível dos produtos (que variam de uma forma ampla probabilística e um pouco caótico) distingue cisão de processos puramente quântico-encapsulamento, tais como a emissão de protões , alfa decaimento , e deterioração do conjunto , que dão os mesmos produtos cada vez. Fissão nuclear produz energia para a energia nuclear e dirige a explosão de armas nucleares . Ambos os usos são possíveis porque certas substâncias chamadas combustíveis nucleares sofrer fissão quando golpeado por nêutrons de fissão, e por sua vez emite nêutrons quando eles quebram. Isto faz uma auto-sustentável reacção em cadeia nuclear de energia possível, libertando a uma taxa controlada num reactor nuclear ou a uma taxa muito rápida e descontrolada em uma arma nuclear .

A quantidade de energia livre contida no combustível nuclear é milhões de vezes a quantidade de energia livre contida em uma massa semelhante de combustível químico, como a gasolina , tornando fissão nuclear uma fonte muito densa de energia. Os produtos da fissão nuclear, no entanto, são em média muito mais radioativa do que os elementos pesados que são normalmente fissioned como combustível, e permanecer assim por quantidades significativas de tempo, dando origem a um resíduo nuclear problema. Preocupações sobre resíduos nucleares acumulação e sobre o potencial destrutivo das armas nucleares são um contrapeso para o desejo pacífica para utilizar a fissão como fonte de energia .

visão geral física

Mecanismo

Uma representação visual de um evento de cisão nuclear induzida onde um de neutrões lentos é absorvido pelo núcleo de um átomo de urânio-235, que fissões em dois elementos que se movem rapidamente isqueiro (produtos de fissão) e neutrões adicionais. A maior parte da energia liberada é na forma das velocidades cinéticas dos produtos de fissão e os nêutrons.
Os rendimentos do produto de cisão por massa para neutrões térmicos de fissão de U-235 , Pu-239 , uma combinação dos dois típico de reactores nucleares actuais, e L-233 utilizada no ciclo de tório .

Decaimento radioativo

Fissão nuclear pode ocorrer sem nêutrons bombardeio como um tipo de decaimento radioativo . Este tipo de fissão (chamado fissão espontânea ) é rara, exceto em alguns isótopos pesados.

Reação nuclear

Em dispositivos nucleares modificadas, essencialmente toda a fissão nuclear ocorre como uma " reacção nuclear " - um processo orientado por bombardeamento que resulta da colisão de duas partículas subatómicas. Em reacções nucleares, uma partícula subatômica colide com um núcleo atómico e provoca alterações. Reacções nucleares são, assim, conduzido pela mecânica de bombardeamento, não pela relativamente constante de decaimento exponencial e uma meia-vida característica dos processos radioactivos espontâneas.

Muitos tipos de reações nucleares são atualmente conhecidos. Fissão nuclear difere importante a partir de outros tipos de reacções nucleares, na medida em que podem ser amplificados e, por vezes, controlados através de uma reacção em cadeia nuclear (um tipo de geral de reacção em cadeia ). Em tal reação, livres nêutrons liberados por cada evento de fissão pode provocar ainda mais eventos, que por sua vez liberam mais nêutrons e causar mais fissão.

Os elementos químicos isótopos que podem suportar uma reacção de cisão em cadeia são chamados combustíveis nucleares , e são referidos como sendo físsil . Os combustíveis nucleares mais comuns são 235 U (o isótopo de urânio com uma massa atômica de 235 e de uso em reatores nucleares) e 239 Pu (o isótopo de plutônio com uma massa atômica de 239). Estes combustíveis separar em uma gama bimodal de elementos químicos com massas atómicas de centragem perto de 95 e 135  u ( produtos de cisão ). A maioria dos combustíveis nucleares sofrer cisão espontânea muito lentamente, em decomposição em vez principalmente por meio de uma alfa - beta cadeia de desintegração ao longo de períodos de milênios para eras . Num reactor nuclear ou arma nuclear, a grande maioria dos acontecimentos de cisão são induzidos através de bombardeamento com uma outra partícula, um neutrão, o que é em si produzidos por fissão eventos anteriores.

Fissão nuclear em combustíveis físseis são o resultado da energia de excitação nuclear produzido quando um núcleo físsil captura um nêutron. Esta energia, resultante da captura de nêutrons, é um resultado da atraente força nuclear agindo entre o nêutron e núcleo. É suficiente para deformar o núcleo em um duplo lóbulos "queda", a ponto de fragmentos nucleares exceder as distâncias a que a força nuclear pode conter dois grupos de núcleos carregados em conjunto e, quando isso acontece, os dois fragmentos de completa a sua separação e, em seguida são conduzidos mais afastados por suas cargas mutuamente repulsivas, num processo que se torna irreversível, com cada vez maior distância. Um processo semelhante ocorre na cindíveis isótopos (tais como o urânio-238), mas, a fim de fissão, estes isótopos requer energia adicional fornecida por neutrões rápidos (tais como as produzidas por fusão nuclear em armas termonucleares ).

O modelo da gota de líquido do núcleo atômico prevê produtos de fissão mesmo tamanho como um resultado da deformação nuclear. O mais sofisticado modelo shell nuclear é necessária para explicar mecanicamente a rota para o resultado mais energeticamente favorável, em que um produto de fissão é ligeiramente menor do que o outro. A teoria da fissão com base no modelo shell foi formulado por Maria Goeppert Mayer .

O processo de fissão mais comum é fissão binária, e que produz os produtos de cisão observados acima, em 95 ± 15 e 135 ± 15  u . No entanto, o processo binário acontece simplesmente porque é o mais provável. Em qualquer lugar a partir de 2 a 4 fissões por 1000 num reactor nuclear, um processo chamado de fissão ternário produz três fragmentos carregados positivamente (e neutrões) e o menor deles pode variar de tão pequeno uma carga e massa, como um protões (Z = 1) , até tão grandes como um fragmento de árgon (Z = 18). Os pequenos fragmentos mais comuns, no entanto, são compostas por 90% de hélio-4 núcleos com mais energia do que as partículas alfa de alfa decaimento (o chamado "alfas de longo alcance" a ~ 16 MeV), além de hélio-6 núcleos, e tritons ( os núcleos de trítio ). O processo ternário é menos comum, mas ainda significativa acaba produzindo hélio-4 e trítio acumulação de gás nas barras de combustível de reactores nucleares modernas.

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Energética

Entrada

Os estágios de fissão binária em um modelo gota de líquido. Entrada de energia deforma o núcleo em forma de gordura "charuto", em seguida, um "amendoim" forma, seguido por divisão binária como os dois lóbulos exceder o de curto alcance força nuclear atração distância, em seguida, são empurrados para além e longe de sua carga elétrica. No modelo de gota de líquido, os dois fragmentos de fissão está previsto para ser o mesmo tamanho. O modelo shell nuclear permite que eles diferem em tamanho, como habitualmente observados experimentalmente.

A cisão de um núcleo pesado requer uma energia de entrada total de cerca de 7 a 8 milhões de electrões-volt (MeV) para superar inicialmente a força nuclear que mantém o núcleo numa forma esférica ou quase esférica, e a partir daí, deformar-se-o em um de dois lobulado ( "amendoim") forma em que os lóbulos são capazes de continuar a separar uns dos outros, empurrada pela sua carga positiva mútuo, no processo mais comum de fissão binária (dois produtos de fissão carregados positivamente + neutrões). Uma vez que os lóbulos nucleares ter sido empurrado para uma distância crítica, para além do qual o curto intervalo de força forte já não pode segurá-los em conjunto, o processo de sua separação prossegue a partir da energia da (gama mais) electromagnéticas de repulsão entre os fragmentos. O resultado é dois fragmentos de fissão se afastando umas das outras, a altas energias.

Cerca de 6 MeV de energia a fissão de entrada é fornecido pela simples ligação de um neutrão adicional para o núcleo pesada através da força forte; no entanto, em muitos isótopos físseis, esta quantidade de energia não é suficiente para a fissão. O urânio-238, por exemplo, tem um corte transversal quase zero fissão de neutrões de menos de uma energia MeV. Se nenhuma energia adicional é fornecido por qualquer outro mecanismo, o núcleo não vai fissão, mas apenas irá absorver nêutrons, como acontece quando U-238 absorve lento e até mesmo uma fração de nêutrons rápidos, para tornar-se U-239. A energia restante para iniciar fissão pode ser fornecido por outros dois mecanismos: um deles é a energia cinética mais do neutrão de entrada, que é cada vez mais capazes de fissão um físsil núcleo pesado, uma vez que excede uma energia cinética de um ou mais MeV (so- chamado nêutrons rápidos ). Tais nêutrons de alta energia são capazes de fissão U-238 directamente (ver arma termonuclear para aplicação, onde os nêutrons rápidos são fornecidos por fusão nuclear ). No entanto, este processo não pode acontecer, em grande medida num reactor nuclear, como muito pequeno uma fracção dos neutrões de fissão produzidos por qualquer tipo de cisão tem energia suficiente para eficientemente fissão de U-238 (neutrões de fissão tem um modo de energia de 2 MeV, mas uma média de apenas 0,75 MeV, ou seja, metade delas com menos de esta energia insuficiente).

Entre os pesados actinídeos elementos, no entanto, aqueles isótopos que têm um número ímpar de neutrões (tais como L-235 com 143 neutrões) ligar um neutrão adicional com um adicional de 1 a 2 MeV de energia ao longo de um isótopo do mesmo elemento com uma sequer número de neutrões (tais como L-238 146 com neutrões). Esta energia extra ligação é disponibilizado como um resultado do mecanismo de nêutrons emparelhamento efeitos. Esta cobertura extra energia resulta do princípio de exclusão de Pauli permitindo uma neutrões extra para ocupar o mesmo orbital nuclear como o último de neutrões no núcleo, de modo que os dois formam um par. Em tais isótopos, por conseguinte, não é necessário nenhum neutrões de energia cinética, para toda a energia necessária é fornecida por absorção de qualquer neutrões, quer da variedade lento ou rápido (o anterior são utilizados em reactores nucleares moderados, e estes últimos são utilizados em rápido reactores de neutrões , e em armas). Como observado acima, o subgrupo de elementos físseis que podem ser fissioned de forma eficiente com os seus próprios neutrões de fissão (portanto, potencialmente causando um nuclear reacção em cadeia em relativamente pequenas quantidades do material puro) são denominados " físsil ." Exemplos de isótopos cindíveis são urânio-235 e plutónio-239.

Saída

Eventos de fissão típicos liberar cerca de duzentos milhões eV (200 MeV) da energia, o equivalente a cerca de> 2 trilhões Kelvin, para cada evento de fissão. O isótopo exata que está fissioned, e se é ou não é físsil ou físsil, tem apenas um pequeno impacto sobre a quantidade de energia liberada. Isso pode ser facilmente visto através da análise da curva de energia de ligação (imagem abaixo), e observando que a energia de ligação média dos nuclides actinídeos começando com urânio é de cerca de 7,6 MeV por nucleão. Olhando mais à esquerda na curva de ligação de energia, onde a produtos de fissão aglomerado, é facilmente observado que a energia de ligação dos produtos de fissão tende a centrar cerca de 8,5 MeV por núcleo. Assim, em qualquer evento de cisão de um isótopo na gama da dos actinídeos de massa, cerca de 0,9 MeV é libertado por núcleo do elemento de partida. A fissão de U235 por um nêutron lento produz energia quase idêntica à fissão do U238 por um nêutron rápido. Este perfil de liberação de energia é válido para o tório e os vários actinídeos menores também.

Em contraste, a maioria dos produtos químicos de oxidação reacções (tais como queima carvão ou TNT ) de libertação no máximo alguns eV por evento. Então, combustível nuclear contém pelo menos dez milhões de vezes mais energia utilizável por unidade de massa do que o combustível químico. A energia de fissão nuclear é libertado como energia cinética dos produtos de fissão e fragmentos, e como a radiação electromagnética na forma de raios gama ; num reactor nuclear, a energia é convertida em calor como as partículas de raios gama e colidem com os átomos que formam o reactor e o seu fluido de trabalho , geralmente água ou ocasionalmente água pesada ou sais fundidos .

Animação de uma explosão de Coulomb , no caso de um conjunto de núcleos positivamente carregada, semelhante a um conjunto de fragmentos de fissão. Hue nível de cor é proporcional à (maior) responsável núcleos. Elétrons (menor) nesta escala de tempo são vistos apenas estroboscópico, eo nível de matiz é a sua energia cinética

Quando um urânio núcleo fissões em dois fragmentos filha núcleos, cerca de 0,1 por cento da massa do núcleo de urânio aparece como a energia de cisão de ~ 200 MeV. No caso do urânio-235 (média total da energia de fissão 202,79 MeV), tipicamente ~ 169 MeV aparece como a energia cinética dos núcleos filha, que voam à parte a cerca de 3% da velocidade da luz, devido a Coulomb repulsão . Além disso, uma média de 2,5 neutrões são emitidos, com uma média de energia cinética por neutrões de ~ 2 MeV (no total de 4,8 MeV). A reacção de cisão também liberta ~ 7 MeV em rápidas raios gama fotões . Este último valor significa que uma explosão de fissão nuclear ou acidente criticalidade emite cerca de 3,5% da sua energia, como raios gama, menos do que 2,5% da sua energia de neutrões rápidos (total de ambos os tipos de radiação ~ 6%), e o resto como cinética energia dos fragmentos de fissão (este aparece quase imediatamente quando a fragmentos de impacto em torno matéria, tão simples de calor ). Em uma bomba atómica, este calor pode servir para aumentar a temperatura do núcleo da bomba para 100 milhões de Kelvin e provoca a emissão secundária de raios X suaves, que convertem uma parte dessa energia de radiação ionizante. No entanto, em reactores nucleares, a energia cinética fragmento fissão permanece na forma de calor de baixa temperatura, que por sua vez provoca pouca ou nenhuma ionização.

Os chamados bombas de nêutrons (armas de radiação aumentado) foram construídos que liberam uma fração maior de sua energia como radiação (especificamente, nêutrons) ionizante, mas estes são todos os dispositivos termonucleares que dependem da fase de fusão nuclear para produzir a radiação extra. A dinâmica de energia de bombas de fissão puros sempre permanecer a cerca de 6% de rendimento do total de radiação, como um resultado imediato da fissão.

O total de fissão prompt de quantidades de energia para cerca de 181 MeV, ou ~ 89% da energia total que é finalmente lançado por fissão ao longo do tempo. Os restantes ~ 11% é lançado em beta decai que têm várias meias-vidas, mas começam como um processo nos produtos de fissão imediatamente; e em emissões gama atrasados, associados com estes emissão beta. Por exemplo, em urânio-235 esta energia retardada é dividido em cerca de 6,5 MeV em betas, 8,8 MeV em antineutrinos (libertados, ao mesmo tempo que as beta), e finalmente, um adicional de 6,3 MeV em emissão gama retardada da beta- animado produtos de decaimento (para um total médio de ~ emissões de raios gama 10 por fissão, no total). Assim, cerca de 6,5% do total da energia de fissão é libertado algum tempo após o evento, como não-linha ou radiação ionizante atrasada, e a energia de ionização retardada é quase igualmente dividida entre gama e energia de raios beta.

Num reactor que tem estado a funcionar durante algum tempo, os produtos de fissão radioactiva terá construído até concentrações de estado estacionário de tal modo que a sua taxa de decaimento é igual à sua taxa de formação, de modo que a sua contribuição total fraccionada para o reactor de calor (através de decaimento beta ) é o mesmo que essas contribuições fracionários radioisótopos para a energia de fissão. Sob estas condições, a 6,5% de fissão que aparece (gamas e betas retardados a partir de produtos de fissão radioactiva) radiação ionizante como retardada contribui para o estado estacionário a produção de calor do reactor sob a potência. É esta fracção de saída que permanece quando o reactor é desligado repentinamente (sofre sumir ). Por esta razão, o reactor de calor de decaimento de saída começa a 6,5% do total de energia do reactor de fissão em estado estacionário, uma vez que o reactor é desligado. No entanto, em poucas horas, devido à decadência desses isótopos, a potência de saída de decaimento é muito menos. Veja calor de decaimento para o detalhe.

O restante da energia retardada (8,8 MeV / 202,5 ​​MeV = 4,3% do total da energia de fissão) é emitida como antineutrinos, que, como uma questão prática, não são considerados como "radiação ionizante". A razão é que a energia libertada como antineutrinos não é captado pelo material do reactor na forma de calor, e escapa directamente através de todos os materiais (incluindo a terra) quase à velocidade da luz, e para o espaço interplanetário (a quantidade absorvida é minúscula). radiação Neutrino normalmente não é classificado como radiação ionizante, porque é quase inteiramente não absorvidos e, portanto, não produz efeitos (embora o evento neutrino muito raro é ionizante). Quase todo o resto da radiação (6,5% de beta retardada e radiação gama) é eventualmente convertida em calor em um núcleo do reactor ou a sua blindagem.

Alguns processos que envolvam neutrões são notáveis para absorver ou finalmente produzindo energia - por exemplo de neutrões de energia cinética não cede calor imediatamente se a neutrões é capturada por um átomo de urânio-238 para produzir plutónio-239, mas esta energia é emitida se o plutónio-239 Mais tarde é fissioned. Por outro lado, os chamados nêutrons atrasados emitidos como produtos de decaimento radioativo com meia-vidas até vários minutos, a partir da fissão-filhas, são muito importantes para reator de controle , porque eles dão um tempo característico "reação" para a reação nuclear total de para o dobro em tamanho, se a reacção é realizada em um " delayed-crítico zona" que se baseia deliberadamente sobre estes neutrões para uma cadeia-reacção supercrítico (um em que cada ciclo de cisão resulta em mais do que absorve neutrões). Sem a sua existência, a cadeia-reacção nuclear seria linha crítica e aumentam de tamanho mais rapidamente do que poderia ser controlado por intervenção humana. Neste caso, os primeiros reactores nucleares experimentais teria fugir a uma "reacção crítica linha" perigoso e confuso antes seus operadores poderiam ter manualmente fechá-los (por esta razão, desenhador Enrico Fermi incluídas barras de controlo por radiação-contador disparado, suspensas por electroímans, o que pode cair automaticamente para o centro de Chicago Pile-1 ). Se estes nêutrons retardados são capturados sem produzir fissões, eles produzem calor também.

núcleos de produtos e energia de ligação

Na fissão, há uma preferência para se obter fragmentos com números pares de protões, que é chamado o efeito estranho, mesmo na distribuição de carga dos fragmentos. No entanto, nenhum efeito estranho, mesmo é observado no fragmento de número de massa distribuição. Este resultado é atribuída a nucleão par de ruptura .

Em eventos de fissão nuclear dos núcleos pode quebrar em qualquer combinação de núcleos mais leves, mas o evento mais comum não é de fissão para igualar núcleos de massa de cerca de massa 120; o acontecimento mais comum (dependendo do isótopo e processo) é uma fissão ligeiramente desigual no qual um núcleo filha tem uma massa de cerca de 90 a 100  u e o outro dos restantes 130 a 140  u . Fissões desiguais são energeticamente mais favorável, porque isto permite que um produto a ser mais perto do mínimo energético perto massa 60  L (apenas um quarto da massa físsil média), enquanto o outro núcleo com massa 135  u é ainda não muito longe para fora do intervalo de os núcleos mais fortemente ligadas (outra indicação desta, é que o atómica energia de ligação curva é ligeiramente mais acentuada para o lado esquerdo de massa 120  u que para a direita do mesmo).

Origem da energia activa e a curva de energia de ligao

A "curva de energia de ligação": Um gráfico da energia de ligação por núcleo de isótopos comuns.

Fissão nuclear de elementos pesados produz energia explorável porque o específico energia de ligação de núcleos de massa intermediária com (energia por massa de ligao) números atómicos e massas atómicas perto de 62 Ni e 56 Fe é maior do que a energia de ligação específica núcleons de núcleos muito pesados , de modo que a energia é liberada quando núcleos pesados são quebrados. As massas totais resto dos produtos de fissão ( Mp ) de um único reacção é menor do que a massa do núcleo combustível original ( M ). O excesso de massa Dm  =  H  -  Mp é a massa invariante da energia que é libertada como fótons ( raios gama ) e a energia cinética dos fragmentos de fissão, de acordo com a equivalência massa-energia fórmula E  =  mc 2 .

A variação na energia de ligação específica com número atômico é devido à interação das duas fundamentais forças que actuam sobre os componentes nucleons ( prótons e nêutrons ) que compõem o núcleo. Os núcleos são ligadas por um atraente força nuclear entre núcleos, que supera a repulsão electrostática entre protões. No entanto, a força nuclear actua apenas ao longo de intervalos relativamente curtos (algumas nucleônicas diâmetros), uma vez que resulta um decaimento exponencial potencial Yukawa que torna insignificante em distâncias mais longas. A repulsão electrostática é de maior alcance, desde que ele decai por uma regra do inverso do quadrado, de modo que os núcleos maiores do que cerca de 12 núcleos de diâmetro chegar a um ponto em que a repulsão electrostática total de supera a força nuclear e faz com que sejam espontaneamente instável. Pela mesma razão, os núcleos maiores (mais do que cerca de oito núcleos de diâmetro) são menos fortemente ligado por unidade de massa do que os núcleos menores; quebrando um grande núcleo em dois ou mais núcleos de tamanho intermediário liberta energia.

Também por causa do curto alcance da força de ligação, grandes núcleos estáveis deve conter proporcionalmente mais neutrões do que os elementos mais leves, que são mais estável com uma proporção 1: 1 de protões e neutrões. Os núcleos que têm mais de 20 protões não podem ser estáveis a menos que tenham mais do que um número igual de neutrões. Nêutrons extras estabilizar elementos pesados porque adicionam à ligação (que atua entre todos os núcleos) forte força sem aumentar a repulsão próton-próton. Produtos de cisão tem, em média, aproximadamente a mesma proporção de neutrões e protões como seu núcleo pai, e são, portanto, geralmente instável para o decaimento beta (que muda de neutrões para protões), porque eles têm proporcionalmente demasiados neutrões em comparação com isótopos estáveis de massa semelhante.

Esta tendência para núcleos de produtos de fissão para beta-decaimento é a causa fundamental do problema da radioativa resíduos de alto nível de reatores nucleares. Produtos de cisão tendem a ser emissores beta , emissores de luz em movimento rápido electrões para conservar a carga eléctrica , tal como excesso de neutrões converter a protões nos átomos-produtos de fissão. Veja produtos de fissão (por elemento) para uma descrição de produtos de fissão classificadas por elemento.

reacções em cadeia

Uma reacção em cadeia de fissão nuclear esquemática. 1. Um urânio-235 átomo absorve um neutrão e fissões em duas novas átomos (fragmentos de fissão), libertando três novos neutrões e alguma energia de ligação. 2. Um desses neutrões é absorvida por um átomo de urânio-238 e não continua a reacção. Outra nêutrons é simplesmente perdido e não colidir com nada, também não continuar a reação. No entanto, a um nêutron colide com um átomo de urânio-235, que então fissões e libera dois nêutrons e um pouco de energia de ligação. 3. Ambos os neutrões colidem com átomos de urânio-235, cada um dos quais fissões e liberta entre um e três neutrões, que podem, em seguida, continuar a reacção.

Vários elementos pesados, tais como urânio , tório , e plutónio , sofrem tanto de fissão espontânea , uma forma de decaimento radioactivo e fissão induzida , uma forma de reacção nuclear . Isótopos elementares que sofrem induzidas fissão quando atingido por uma livre de neutrões são chamados cindível ; isótopos que se submetem a fissão quando atingida por um movimento lento de neutrões térmico são também chamados físsil . Alguns isótopos particularmente cindíveis e prontamente obteníveis (nomeadamente 233 U, 235 U e 239 PU) são chamados combustíveis nucleares porque podem suportar uma reacção em cadeia e pode ser obtido em grandes quantidades suficientes para ser útil.

Todos os isótopos físseis e físseis passar por uma pequena quantidade de fissão espontânea que libera alguns nêutrons livres em qualquer amostra de combustível nuclear. Tais neutrões escapariam rapidamente a partir do combustível e tornar-se um neutrão livre , com um tempo de vida médio de cerca de 15 minutos antes de decair para protões e partículas beta . No entanto, neutrões quase invariavelmente impacto e são absorvidos por outros núcleos na vizinhança muito antes de isso acontecer (neutrões de fissão recém-criadas mover a cerca de 7% da velocidade da luz, e neutrões mesmo moderados mover-se a cerca de 8 vezes a velocidade do som). Alguns nêutrons terá impacto núcleos de combustível e induzir novas fissões, liberando ainda mais nêutrons. Se o combustível nuclear suficiente é montado em um local, ou se os neutrões que escapam são suficientemente contida, em seguida, estes neutrões emitidos recentemente superam os neutrões que se escapam do conjunto, e uma reacção em cadeia nuclear sustentada terá lugar.

Um conjunto que suporta uma reação nuclear em cadeia sustentada é chamado de um conjunto crítico ou, se o conjunto é quase inteiramente feita de um combustível nuclear, uma massa crítica . A palavra "crítica" refere-se a uma cúspide no comportamento da equação diferencial que regula o número de neutrões livres presentes no combustível: se menos de uma massa crítica está presente, então a quantidade de neutrões é determinada por decaimento radioactivo , mas se uma massa crítica ou mais está presente, então a quantidade de neutrões é controlada em vez pela física da reacção em cadeia. O real massa de uma massa crítica de combustível nuclear depende fortemente da geometria e materiais circundantes.

Nem todos os isótopos físseis pode sustentar uma reacção em cadeia. Por exemplo, 238 L, a forma mais abundante de urânio, é físsil, mas não físseis: ele sofre induzida fissão quando impactado por um nêutron energizado com mais de 1 MeV de energia cinética. No entanto, muito poucos dos neutrões produzidos por 238 L de cisão são suficientemente energéticas para induzir mais fissões em 238 L, de modo que nenhuma reacção em cadeia é possível com este isótopo. Em vez disso, bombardeando 238 U com nêutrons lentos faz com que ele absorvê-los (tornando-se 239 L) e decadência por emissão beta para 239 Np que então decai novamente pelo mesmo processo para 239 Pu; esse processo é usado para fabricar 239 Pu em reactores regeneradores . In-situ de produção de plutónio também contribui para a reacção em cadeia de neutrões em outros tipos de reactores após suficiente plutónio-239 tem sido produzidos, uma vez que o plutónio-239 é também um elemento físsil, que serve como combustível. Estima-se que até metade da potência produzida por um padrão "não-criador" reactor é produzido pela fissão de plutónio-239 produzido no lugar, durante o ciclo de vida total de uma carga de combustível.

Cindíveis, isótopos não cindíveis podem ser utilizados como fonte de energia de cisão, mesmo sem uma reacção em cadeia. Bombardeando 238 L com neutrões rápidos induz fissões, libertando energia, desde que a fonte de neutrões externo está presente. Este é um efeito importante em todos os reatores onde nêutrons rápidos do isótopo físsil pode causar a fissão dos próximos 238 U núcleos, o que significa que uma pequena parte do 238 U é "queimado-up" em todos os combustíveis nucleares, especialmente no criador rápido reactores que operam com neutrões de energia mais alta. Esse mesmo efeito fast-fissão é utilizada para aumentar a energia liberada por modernas armas termonucleares , por encamisamento a arma com 238 U para reagir com nêutrons liberados por fusão nuclear no centro do dispositivo. Mas os efeitos explosivos de reações em cadeia de fissão nuclear pode ser reduzido pelo uso de substâncias como moderadores que retardam a velocidade de nêutrons secundários.

reatores de fissão

Reactores de cisão críticos são o tipo mais comum de reactor nuclear . Em um reactor de fissão crítico, neutrões produzidos por fissão de átomos de combustível são utilizados para induzir ainda mais fissões, para sustentar uma quantidade controlável de libertação de energia. Dispositivos que produzem reacções de fissão modificadas mas não auto-sustentáveis são reactores de cisão subcríticas . Esses dispositivos utilizam radioactivos de decaimento ou partículas aceleradores para desencadear fissões.

reactores de cisão críticos são construídos para três fins primárias, que tipicamente envolvem diferentes engenharia compensações para tirar partido de qualquer calor ou os neutrões produzidos pela reacção em cadeia de fissão:

Embora, em princípio, todos os reatores de fissão pode atuar em todas as três capacidades, na prática, as tarefas de levar a metas conflitantes de engenharia e a maioria dos reatores foram construídos com apenas uma das tarefas acima em mente. (Existem vários contra-exemplos precoces, tais como o Hanford reactor de N , agora desactivados). Reactores de potência geralmente converter a energia cinética dos produtos de fissão em calor, o qual é utilizado para aquecer um fluido de trabalho e dirigir um motor de calor que gera energia mecânica ou eléctrica. O fluido de trabalho é normalmente água, com uma turbina a vapor, mas alguns modelos usar outros materiais, tais como gasosa de hélio . Reatores de pesquisa produzir nêutrons que são usados de várias maneiras, com o calor da fissão ser tratado como um produto de resíduos inevitáveis. Reactores regeneradores são uma forma especializada de reator de pesquisa, com a ressalva de que a amostra a ser irradiada é normalmente o próprio combustível, uma mistura de 238 L e 235 U. Para uma descrição mais detalhada dos física e de funcionamento de reactores de cisão princípios fundamentais, ver física reactor nuclear . Para uma descrição de seus aspectos sociais, políticos e ambientais, consulte a energia nuclear .

bombas de fissão

A nuvem de cogumelo da bomba atômica lançada sobre Nagasaki, Japão em 9 de agosto de 1945, aumentou mais de 18 km (11 milhas) acima da bomba hipocentro . Estima-se que 39.000 pessoas foram mortas pela bomba atômica, dos quais 23,145-28,113 eram trabalhadores da fábrica japonesa, 2.000 eram trabalhadores escravos coreanos, e 150 eram combatentes japoneses.

Uma classe de arma nuclear , uma bomba de fissão (não deve ser confundida com a bomba de fusão ), também conhecido como uma bomba atômica ou bomba atômica , é um reator de fissão projetado para liberar tanta energia quanto possível, tão rapidamente quanto possível, antes do liberado energia faz com que o reactor para expandir (e a reacção em cadeia para parar). Desenvolvimento de armas nucleares foi a motivação por trás da pesquisa cedo em fissão nuclear que o Projeto Manhattan durante a Segunda Guerra Mundial (01 de setembro de 1939 - 02 de setembro de 1945) realizou a maior parte do trabalho científico no início reações em cadeia de fissão, culminando com os três eventos envolvendo bombas de fissão que ocorreram durante a guerra. A primeira bomba de fissão, de codinome "The Gadget", foi detonada durante o Teste Trinity no deserto do Novo México em 16 de julho de 1945. Duas outras bombas de fissão, de codinome " Little Boy " e " Fat Man ", foram usados em combate contra os japoneses cidades de Hiroshima e Nagasaki em em 6 de agosto e 9 de 1945, respectivamente.

Mesmo as primeiras bombas de fissão eram milhares de vezes mais explosivo do que uma massa comparável de explosivo químico . Por exemplo, Little Boy pesava um total de cerca de quatro toneladas (dos quais 60 kg foi de combustível nuclear) e era de 11 pés (3,4 m) de comprimento; ele também produziu um equivalente explosão a cerca de 15 quilotons de TNT , destruindo uma grande parte da cidade de Hiroshima. Armas nucleares modernos (que incluem uma termonuclear de fusão , bem como um ou mais estágios de fissão) são centenas de vezes mais energético para o seu peso do que as bombas atômicas primeira fissão pura (veja rendimento arma nuclear ), de modo que uma moderna bomba única ogiva de míssil pesa menos de 1/8 tanto quanto Little Boy (ver, por exemplo W88 ) tem um rendimento de 475.000 toneladas de TNT, e poderia levar à destruição de cerca de 10 vezes a área da cidade.

Enquanto a física fundamental da fissão reacção em cadeia de uma arma nuclear é similar à física de um reactor nuclear controlada, os dois tipos de dispositivo tem de ser manipulada de forma bastante diferente (ver física reactor nuclear ). Uma bomba nuclear é projetado para liberar toda a sua energia de uma vez, enquanto um reator é projetado para gerar um fornecimento estável de energia útil. Enquanto o superaquecimento de um reator pode levar a, e levou a, fusão e vapor explosões , o muito menor enriquecimento de urânio torna impossível para um reator nuclear a explodir com o mesmo poder destrutivo como uma arma nuclear. Também é difícil para extrair energia útil a partir de uma bomba nuclear, embora pelo menos um foguete sistema de propulsão, Projeto Orion , foi destinado a trabalhar pela explosão de bombas de fissão atrás de uma nave espacial maciçamente acolchoado e blindados.

A estratégica importância das armas nucleares é uma das principais razões por que a tecnologia de fissão nuclear é politicamente sensível. Projetos fissão bomba viáveis são, sem dúvida, dentro das capacidades de muitos, sendo relativamente simples do ponto de vista da engenharia. No entanto, a dificuldade de obtenção de material nuclear físsil para realizar os projetos é a chave para a indisponibilidade relativa de armas nucleares para todos, mas modernos governos industrializados com programas especiais para a produção de materiais físseis (veja o enriquecimento de urânio e ciclo do combustível nuclear).

História

Descoberta da fissão nuclear

A descoberta da fissão nuclear ocorrido em 1938 nos edifícios da Sociedade Kaiser Wilhelm de Química, hoje parte da Universidade Livre de Berlim , após quase cinco décadas de trabalho sobre a ciência da radioatividade ea elaboração de nova física nuclear que descreveu os componentes de átomos .

Em 1911, Ernest Rutherford proposto um modelo do átomo em que uma muito pequena, densa e carregado positivamente núcleo de protões (a neutrões ainda não tinha sido descoberto) foi rodeada por órbita, carregados negativamente electrões (o modelo de Rutherford ). Niels Bohr melhorado deste em 1913 por conciliar o comportamento quântico de electrões (o modelo de Bohr ). Trabalho por Henri Becquerel , Marie Curie , Pierre Curie , e Rutherford elaborada ainda que o núcleo, apesar de firmemente ligados, pode submeter-se a diferentes formas de decaimento radioactivo , e assim transmutar em outros elementos. (Por exemplo, por decaimento alfa : a emissão de uma partícula alfa protões -dois e dois neutrões ligados em conjunto numa partícula idêntica a uma hélio núcleo).

Alguns trabalham em transmutação tinha sido feito. Em 1917, Rutherford foi capaz de realizar a transmutação de azoto para oxigénio, utilizando partículas alfa dirigidas ao azoto 14 N + α → 17 o + p. Esta foi a primeira observação de uma reacção nuclear , ou seja, uma reacção na qual as partículas de uma deterioração são utilizados para transformar outro núcleo atómico. Finalmente, em 1932, uma reacção nuclear totalmente artificial e transmutação foi conseguida por colegas de Rutherford Ernest Walton e John Cockcroft , que usaram protões acelerados artificialmente contra lítio-7, para dividir este núcleo em duas partículas alfa. A façanha foi popularmente conhecido como "divisão do átomo", e iria ganhar-lhes o Prêmio Nobel 1951 em Física para "Transmutação de núcleos atômicos por partículas atômicas aceleração artificial" , embora não tenha sido o moderno reação de fissão nuclear descoberto mais tarde em elementos pesados, o qual é discutido abaixo.

Enquanto isso, a possibilidade de combinar nuclei- fusão nuclear -tinha sido estudado em conexão com a compreensão dos processos que poder estrelas . A primeira reacção de fusão artificial tinha sido conseguida por Mark Oliphant em 1932, utilizando dois aceleradas deutério núcleos (cada um constituído por um só protão ligado a uma única neutrões) para criar um hélio-3 núcleo.

Após Inglês físico James Chadwick descobriu o nêutron em 1932, Enrico Fermi e seus colegas em Roma estudaram os resultados de bombardeando urânio com nêutrons em 1934. Fermi concluiu que seus experimentos havia criado novos elementos com 93 e 94 prótons, que o grupo apelidado ausonium e hesperium . No entanto, nem todos estavam convencidos pela análise de seus resultados do Fermi, embora ele iria ganhar 1938 Prêmio Nobel de Física por suas "demonstrações da existência de novos elementos radioativos produzidos por irradiação de nêutrons, e por sua descoberta relacionada de reações nucleares provocada por nêutrons lentos".

O químico alemão Ida Noddack nomeadamente sugerido na imprensa em 1934 que, em vez de criar uma nova, elemento mais pesado 93, que "é concebível que o núcleo divide-se em vários fragmentos grandes." No entanto, a conclusão de Noddack não foi perseguido no momento.

O aparato experimental com a qual Otto Hahn e Fritz Strassmann descobriu a fissão nuclear em 1938

Após a publicação Fermi, Otto Hahn , Lise Meitner e Fritz Strassmann começou a realizar experimentos semelhantes em Berlim . Meitner, um judeu austríaco, perdeu sua cidadania com o " Anschluss ", a ocupação e anexação da Áustria na Alemanha nazista , em março de 1938, mas ela fugiu em julho de 1938 para a Suécia e começou uma correspondência por e-mail com Hahn em Berlim. Por coincidência, seu sobrinho Otto Robert Frisch , também um refugiado, também foi na Suécia quando Meitner recebeu uma carta de Hahn de 19 de Dezembro descrevendo sua prova química que alguns dos produtos do bombardeio de urânio com nêutrons foi de bário . Hahn sugeriu um estouro do núcleo, mas ele não tinha certeza do que a base física para os resultados foram. Bário tinha uma massa atómica de 40% menos do que o urânio, e não há métodos anteriormente conhecidos de decaimento radioactivo poderia ser responsável por uma grande diferença na massa do núcleo. Frisch era cético, mas Meitner confiável capacidade de Hahn como químico. Marie Curie foi a separação de bário de rádio por muitos anos, e as técnicas eram bem conhecidos. De acordo com Frisch:

Foi um erro? Não, disse Lise Meitner; Hahn era bom demais um químico para isso. Mas como bário poderia ser formado a partir de urânio? Fragmentos não maior do que protões ou núcleos de hélio (partículas alfa) já tinha sido quebrado longe de núcleos, e para lascar fora um grande número não energia suficiente estava disponível. Nem era possível que o núcleo de urânio poderia ter sido clivada do outro lado. Um núcleo não era como um sólido quebradiço que pode ser clivada ou quebrado; George Gamow tinha sugerido no início, e Bohr tinha dado bons argumentos que um núcleo era muito mais como uma gota de líquido. Talvez uma queda pode dividir-se em duas gotas mais pequenas de um modo mais gradual, em primeiro lugar, tornar-se alongado, em seguida, apertada, e, finalmente, sendo rasgado em vez de quebrado em dois? Nós sabia que havia forças fortes que resistem a um tal processo, assim como a tensão de superfície de uma gota de líquido comum tende a resistir à sua divisão em dois mais pequenos. Mas núcleos diferiam gotas comuns em uma maneira importante: eles foram carregadas electricamente, e que era conhecido por neutralizar a tensão superficial.

A carga de um núcleo de urânio, encontramos, foi de facto suficientemente grande para superar o efeito da tensão superficial quase completamente; de modo que o núcleo de urânio poderia de fato se assemelham a uma queda instável muito instável, pronto para dividir-se à menor provocação, tais como o impacto de um único nêutron. Mas havia outro problema. Após a separação, as duas gotas iria ser accionado para além por sua repulsão mútua eléctrico e iria adquirir alta velocidade e, portanto, uma muito grande de energia, cerca de 200 MeV em tudo; onde essa energia poderia vir de? ... Lise Meitner ... trabalhou-se que os dois núcleos formados pela divisão de um núcleo de urânio juntos seria mais leve que o núcleo de urânio original de cerca de um quinto da massa de um próton. Agora, sempre massa desaparece é criada energia, de acordo com a de Einstein fórmula E = mc 2 , e um quinto de uma massa de protões era apenas equivalente a 200 MeV. Então, aqui foi a fonte para que a energia; tudo montado!

Em suma, Meitner e Frisch tinha interpretado corretamente os resultados de Hahn para significar que o núcleo de urânio tinha dividido aproximadamente pela metade. Frisch sugeriu o processo de ser chamado "fissão nuclear", por analogia com o processo de viver a divisão celular em duas células, que era então chamado de fissão binária . Assim como a "reação em cadeia" termo nuclear viria a ser emprestado de química, de modo que o termo "fissão" foi emprestado da biologia.

Em 22 de dezembro de 1938, Hahn e Strassmann enviou um manuscrito a Naturwissenschaften relatando que tinham descoberto o elemento bário após bombardeando urânio com nêutrons . Ao mesmo tempo, eles se comunicavam esses resultados a Meitner, na Suécia. Ela e Frisch interpretado corretamente os resultados como evidência da fissão nuclear. Frisch confirmou esta experimentalmente em 13 de janeiro de 1939. Para provar que o bário resultante da sua bombardeio de urânio com nêutrons foi o produto da fissão nuclear, Hahn foi agraciado com o Prêmio Nobel de Química em 1944 (o único destinatário) "por sua descoberta do fissão de núcleos pesados". (O prêmio foi realmente dado a Hahn em 1945, "o Comité Nobel de Química decidiu que nenhuma das nomeações do ano preencheram os critérios conforme descrito no testamento de Alfred Nobel". Em tais casos, a Fundação Nobel estatutos permitem que prêmio do ano ser reservados até o ano seguinte.)

Selo alemão honrar Otto Hahn e sua descoberta da fissão nuclear (1979)

Notícia se espalhou rapidamente da nova descoberta, que foi visto corretamente como um efeito físico inteiramente novo, com grandes práticos-possibilidades científicas e potencialmente. Meitner de e interpretação de Frisch da descoberta de Hahn e Strassmann cruzou o Oceano Atlântico com Niels Bohr , que era para lecionar na Universidade de Princeton . II Rabi e Willis Lamb , dois da Universidade de Columbia físicos que trabalham na Universidade de Princeton, ouviu a notícia e levou-a de volta para Columbia. Rabi disse que disse Enrico Fermi ; Fermi deu crédito à Cordeiro. Bohr logo em seguida passou de Princeton para Columbia para ver Fermi. Não encontrando Fermi em seu escritório, Bohr descemos para a área do ciclotron e encontrou Herbert L. Anderson . Bohr o agarrou pelo ombro e disse: “O homem novo, deixe-me explicar-lhe sobre algo novo e excitante na física” Ficou claro para um número de cientistas da Columbia que eles deveriam tentar detectar a energia liberada na fissão nuclear de urânio do bombardeio de nêutrons. Em 25 de Janeiro de 1939, uma equipe da Universidade de Columbia realizou o primeiro experimento de fissão nuclear nos Estados Unidos, o que foi feito no porão de Pupin Salão ; os membros da equipe foram Herbert L. Anderson , Eugene T. Booth , John R. Dunning , Enrico Fermi , G. Norris Glasoe , e Francis G. Slack . A expericia envolveu a colocação de óxido de urânio no interior de uma câmara de ionização e irradiando-o com neutrões, e a medição da energia assim libertado. Os resultados confirmaram que a fissão estava a ocorrer e sugeriu fortemente que era o isótopo urânio 235 , em particular, que foi fissionar. No dia seguinte, a Conferência Washington Quinta em Física Teórica começou em Washington, DC , sob os auspícios conjuntos da Universidade George Washington e do Instituto Carnegie de Washington . Não, a notícia sobre a fissão nuclear foi espalhado ainda mais, o que fomentou muitas manifestações mais experimentais.

Durante este período, o físico húngaro Leo Szilard , que residia nos Estados Unidos na época, percebeu que a fissão-driven de neutrões de átomos pesados poderia ser usado para criar uma reação nuclear em cadeia . Tais uma reação por meio de neutrões era uma idéia que ele tinha formulado pela primeira vez em 1933, ao ler comentários depreciativos de Rutherford sobre a geração de energia a partir de experiência de sua equipe 1932 com prótons para dividir lítio. No entanto, Szilárd não tinha sido capaz de alcançar uma reacção em cadeia accionada por neutrões com átomos de luz rica em neutrões. Em teoria, se numa reacção em cadeia accionada por neutrões o número de neutrões secundários produzidos era maior do que um, em seguida, cada reacção tal poderia provocar múltiplas reacções adicionais, a produção de um número cada vez mais crescente de reacções. Foi, portanto, a possibilidade de que a fissão do urânio poderia produzir grandes quantidades de energia para fins civis ou militares (ou seja, a geração de energia elétrica ou bombas atômicas ).

Szilard agora pediu Fermi (em Nova York) e Frédéric Joliot-Curie (em Paris) a abster-se de publicar sobre a possibilidade de uma reação em cadeia, para que o governo nazista se tornam conscientes das possibilidades na véspera do que viria a ser conhecido como Mundial War II . Com alguma hesitação Fermi concordou em auto-censura. Mas Joliot-Curie não, e em abril de 1939 sua equipe em Paris, incluindo Hans von Halban e Lew Kowarski , relatado na revista Nature que o número de nêutrons emitidos com a fissão nuclear de 235 L foi então relatada em 3,5 por fissão. (Mais tarde, corrigiu este para 2,6 por fissão.) O trabalho simultâneo por Szilard e Walter Zinn confirmou estes resultados. Os resultados sugerem a possibilidade de construir reatores nucleares (primeiro chamado de "reatores neutrônico" por Szilard e Fermi) e até mesmo bombas nucleares. No entanto, muito ainda era desconhecido sobre os sistemas de reação de fissão e cadeia.

reacção de cisão em cadeia realizada

Desenho do primeiro reactor artificial, Chicago Pile-1 .

" Reacções em cadeia " naquela época eram um fenômeno conhecido em química , mas o processo análogo na física nuclear, utilizando nêutrons, tinha sido prevista já em 1933 por Szilárd, embora Szilárd naquela época não tinha idéia de com que materiais o processo pode ser iniciado. Szilárd considerou que nêutrons seria o ideal para tal situação, uma vez que eles não tinham uma carga eletrostática.

Com a notícia de nêutrons de fissão de fissão do urânio, Szilárd compreendeu imediatamente a possibilidade de uma reação nuclear em cadeia usando urânio. No verão, Fermi e Szilard propôs a ideia de um reactor nuclear (pilha) para mediar este processo. A pilha usaria urânio natural como combustível. Fermi tinha mostrado muito mais cedo do que os nêutrons foram muito mais eficaz capturados por átomos se fossem de baixa energia (os chamados "lento" ou nêutrons "térmicas"), porque por razões quântica fez os átomos de olhar como alvos muito maiores para os nêutrons . Assim, para retardar os nêutrons secundários liberados pelos núcleos de urânio fissão, Fermi e Szilard propôs um "moderador", grafite contra o qual os rápidos, nêutrons secundários de alta energia iria colidir, efetivamente abrandar-los. Com urânio suficiente, e com grafite pura o suficiente, a sua "pilha" poderia teoricamente sustentar uma reacção em cadeia lento-neutrões. Isso resultaria na produção de calor, bem como a criação de radioativos produtos de fissão .

Em agosto de 1939, Szilard e colegas físicos Húngaro refugiados Teller e Wigner achava que os alemães poderiam fazer uso da reação em cadeia de fissão e foram estimulados a tentativa de atrair a atenção do governo dos Estados Unidos para a questão. Para isso, eles convenceram refugiado judeu-alemão Albert Einstein para emprestar seu nome a uma carta dirigida ao presidente Franklin Roosevelt . A carta de Einstein-Szilárd sugeriu a possibilidade de uma entrega bomba de urânio por navio, o que destruiria "um porto inteiro e grande parte da paisagem circundante." O Presidente recebeu a carta em 11 de Outubro 1939 - logo após a Segunda Guerra Mundial começou na Europa, mas dois anos antes da entrada dos Estados Unidos nele. Roosevelt ordenou que uma comissão científica ser autorizada pela supervisão do trabalho de urânio e alocados uma pequena soma de dinheiro para a pesquisa pilha.

Na Inglaterra, James Chadwick propôs uma bomba atômica utilização de urânio natural, com base em um artigo de Rudolf Peierls com a massa necessária para estado crítico sendo 30-40 toneladas. Na América, J. Robert Oppenheimer pensou que um cubo de urânio deuterídio 10 cm em um lado (cerca de 11 kg de urânio) pode "explodir-se para o inferno." Neste projeto ele ainda pensava-se que um moderador terá de ser usado para a fissão bomba nuclear (este acabou por não ser o caso se o isótopo físsil foi separado). Em dezembro, Werner Heisenberg entregou um relatório ao Ministério da Guerra alemã sobre a possibilidade de uma bomba de urânio. A maior parte destes modelos ainda estavam sob a suposição de que as bombas seria alimentado por neutrões lentos reacções-e, assim, ser semelhante a um reactor da sofrer um colapso .

Em Birmingham, Inglaterra, Frisch juntou-se com Peierls , um refugiado judeu-alemão companheiro. Eles tiveram a ideia de utilizar uma massa purificada do isótopo urânio 235 L, o qual tinha uma secção transversal apenas determinada, e que era muito maior do que o de 238 L ou urânio natural (que é de 99,3% do último isótopo). Partindo do princípio de que a secção transversal de fissão a neutrões rápidos de 235 L foi o mesmo que para a fissão de neutrões lentos, que determinou que um puro 235 L bomba pode ter uma massa crítica de apenas 6 kg, em vez de toneladas, e que a explosão resultante seria tremenda. (O montante efectivamente acabou por ser 15 kg, embora várias vezes este montante foi usado no urânio real ( Little Boy ) bomba). Em fevereiro de 1940, entregou o memorando Frisch-Peierls . Ironicamente, eles ainda eram consideradas oficialmente "inimigos estrangeiros" no momento. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl , e de refugiados ítalo-judaico Emilio Segrè pouco depois descobriu 239 Pu nos produtos de decaimento do 239 U produzidos bombardeando 238 U com nêutrons, e determinou que ele seja um material físsil, como 235 L .

A possibilidade de isolar urânio-235 foi tecnicamente difícil, porque o urânio-235 e urânio-238 são quimicamente idênticos, e variam na sua massa por apenas o peso de três neutrões. No entanto, se uma quantidade suficiente de urânio-235 poderia ser isolado, que permitiria uma reacção em cadeia de fissão de neutrões rápidos. Isso seria extremamente explosivo, uma verdadeira "bomba atômica". A descoberta de que o plutónio-239 pode ser produzido num reactor nuclear apontou para uma outra abordagem para uma bomba de fissão de neutrões rápidos. Ambas as abordagens foram extremamente nova e ainda não bem compreendido, e não havia ceticismo científico considerável na idéia de que eles poderiam ser desenvolvidos em um curto espaço de tempo.

Em 28 de junho de 1941, o Escritório de Pesquisa e Desenvolvimento Científico foi formado nos EUA para mobilizar recursos científicos e aplicar os resultados da investigação para a defesa nacional. Em Setembro de Fermi montado sua primeira "pilha" nuclear ou reactor, em uma tentativa para criar uma reacção em cadeia induzidas por neutrões lentos em urânio, mas a experiência não conseguiu alcançar criticalidade, devido à falta de materiais adequados, ou não o suficiente do adequada materiais que estavam disponíveis.

Produzindo uma reação em cadeia de fissão no combustível de urânio natural foi encontrado para ser longe de ser trivial. Reactores nucleares precoces não utilizar urânio isotopicamente enriquecido, e em consequência eles foram obrigados a utilizar grandes quantidades de grafite altamente purificada como materiais de neutrões de moderação. O uso de água comum (em oposição à água pesada ) em reactores nucleares requer combustível enriquecido - a separação parcial e enriquecimento relativo da rara 235 L isótopo do extremo mais comum 238 L isótopo. Tipicamente, os reactores também exigem a inclusão de extremamente quimicamente puros neutrões moderador materiais, tais como o deutério (em água pesada ), hélio , berílio , ou de carbono, este último normalmente como grafite . (O elevado grau de pureza para o carbono é necessário porque muitas impurezas químicas, tais como o boro-10 componente de naturais de boro , são muito fortes absorventes de neutrões e, assim, envenenar a reacção em cadeia e terminar prematuramente.)

A produção de tais materiais em escala industrial tinha de ser resolvido para geração de energia nuclear e produção de armas a ser realizado. Até 1940, a quantidade total de metal de urânio produzido nos EUA foi não mais do que alguns gramas, e mesmo este era de pureza duvidosa; de berílio metálico não mais do que alguns quilos; e óxido de deutério concentrado ( água pesada ) não mais do que alguns quilogramas. Finalmente, carbono nunca tinha sido produzida em quantidade com nada parecido com a pureza necessária de um moderador.

O problema de produzir grandes quantidades de urânio altamente pureza foi resolvido por Frank Spedding usando o thermite ou " Ames processo". Ames Laboratory foi criada em 1942 para produzir as grandes quantidades de naturais de metal (unenriched) de urânio que seriam necessárias para a pesquisa por vir. O sucesso de crítica reação em cadeia nuclear do Chicago Pile-1 (2 de dezembro de 1942) que usou unenriched (natural) de urânio, como todos os atômicas "pilhas" que produziu o plutônio para a bomba atômica, foi também devido especificamente para Szilard de percepção de que muito puro grafite poderia ser usado para o moderador do mesmo naturais "pilhas" de urânio. Em tempo de guerra a Alemanha, a incapacidade de apreciar as qualidades de grafite muito pura levou a projetos de reatores dependentes de água pesada, que por sua vez foi negado os alemães por ataques Aliados na Noruega, onde a água pesada foi produzido. Estas dificuldades-entre muitos outros- impedido os nazistas desde a construção de um reator nuclear capaz de criticidade durante a guerra, embora eles nunca colocar tanto esforço como os Estados Unidos na pesquisa nuclear, concentrando-se em outras tecnologias (ver projeto de energia nuclear alemão para mais detalhes ).

Projeto Manhattan e além

Nos Estados Unidos, um esforço all-out para a fabricação de armas atômicas foi iniciada no final de 1942. Este trabalho foi assumida por o US Army Corps of Engineers , em 1943, e conhecido como o Distrito Engenheiro Manhattan. O ultra-secreto Projeto Manhattan , como era popularmente conhecido, foi liderado pelo general Leslie R. Groves . Entre dezenas do projeto de sites foram: Hanford Site no estado de Washington, que teve os primeiros escala industrial reatores nucleares ; Oak Ridge, Tennessee , que estava especialmente preocupado com o enriquecimento de urânio ; e Los Alamos , no Novo México, que foi o centro científico para pesquisa sobre o desenvolvimento de bombas e design. Outros locais, nomeadamente o Laboratório de Radiação Berkeley e do Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago, desempenharam papéis que contribuem importantes. Direção científica global do projecto foi gerido pelo físico J. Robert Oppenheimer .

Em julho de 1945, o primeiro dispositivo explosivo atômico, apelidado de " Trinity ", foi detonada no deserto do Novo México. Ele foi alimentado por plutônio criado em Hanford. Em agosto de 1945, mais dois dispositivos atômicos - " Little Boy ", a bomba de urânio-235, e " Fat Man ", uma bomba de plutônio - foram usados contra as cidades japonesas de Hiroshima e Nagasaki .

Nos anos após a Segunda Guerra Mundial, muitos países estavam envolvidos no desenvolvimento da fissão nuclear para fins de reatores nucleares e armas nucleares. O Reino Unido abriu a primeira usina de energia nuclear comercial em 1956. Em 2013, havia 437 reatores em 31 países.

fissão Natural cadeias de reatores na Terra

Criticidade na natureza é incomum. Em três depósitos de minério em Oklo no Gabão , dezesseis sites (os chamados Oklo Reatores fósseis ) foram descobertos em que a fissão nuclear auto-sustentável ocorreu aproximadamente 2 bilhões de anos atrás. Desconhecido até 1972 (mas postulada por Paul Kuroda em 1956), quando o físico francês Francis Perrin descobriu os reatores fósseis Oklo , percebeu-se que a natureza tinha batido os seres humanos para o soco. Reações urânio natural em cadeia de fissão em larga escala, moderado por água normal, tinha ocorrido muito no passado e não seria possível agora. Este processo antigo era capaz de usar a água normal como um moderador só porque 2 bilhões de anos antes do presente, urânio natural era mais rico no mais curto duração físsil isótopo 235 U (cerca de 3%), do que o urânio natural disponível hoje (que é apenas 0,7 %, e deve ser enriquecido a 3% para ser utilizável em reactores de-água leve).

Veja também

Referências

Outras leituras

links externos