Fission nucléaire
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En physique nucléaire et chimie nucléaire, la fission nucléaire est soit un réaction nucléaire ou d'un processus de désintégration radioactive dans lequel le noyau d'un atome se divise en parties plus petites (plus légers des noyaux ), produisant souvent gratuits neutrons et photons (sous la forme de rayons gamma), et libérant une très grande quantité d' énergie , même selon les normes énergétiques de la désintégration radioactive. Les deux noyaux produits sont le plus souvent de dimensions légèrement différents mais comparables, typiquement avec un rapport de masse de produits de l'ordre de 3 à 2, pour commune fissiles isotopes . La plupart des fissions sont fissions binaires (produisant deux fragments chargés), mais de temps en temps (2-4 fois par 1 000 événements), trois fragments chargés positivement sont produits, dans un fission ternaire. La plus petite de ces fragments dans les processus ternaires gammes de taille à partir d'un proton à un noyau d'argon.
Fission que rencontré dans le monde moderne est généralement un homme fait-produite de manière délibérée réaction nucléaire provoquée par un neutron. Il est moins fréquemment rencontré comme une forme naturelle de spontanée désintégration radioactive (ne nécessitant pas un neutron), se produisant surtout dans de très haute masse numéro isotopes. La composition imprévisible des produits (qui varient de manière large probabiliste et quelque peu chaotique) distingue la fission de processus purement quantique tunneling tels que émission de protons, désintégration alpha et pôle décroissance, qui donnent les mêmes produits à chaque fois.
La fission nucléaire d'éléments lourds a été découvert en 1938 par Meitner, Hahn et Frisch, et nommé par analogie avec fission biologique des cellules vivantes. C'est un réaction exothermique qui peut libérer de grandes quantités de l'énergie à la fois comme un rayonnement électromagnétique et que l'énergie cinétique des fragments ( chauffer le matériau en vrac, où se déroule la fission). Pour la fission pour produire de l'énergie, le total énergie des éléments de liaison résultant doit être supérieure à celle de l'élément de départ. La fission est une forme de transmutation nucléaire parce que les fragments résultants ne sont pas le même élément que l'atome d'origine.
La fission nucléaire produit de l'énergie pour l'énergie nucléaire et à conduire l'explosion d' armes nucléaires . Les deux utilisations sont possibles parce que certaines substances appelées combustibles nucléaires subissent la fission lorsqu'ils sont frappés par des neutrons de fission, et à son tour émettent des neutrons quand ils se brisent. Cela rend possible une auto-entretenue réaction nucléaire en chaîne qui libère de l'énergie à une vitesse contrôlée dans un réacteur nucléaire ou à un taux très rapide incontrôlée dans une arme nucléaire .
La quantité de l'énergie libre contenue dans le combustible nucléaire est des millions de fois la quantité d'énergie libre contenue dans une masse similaire de carburant chimique tel que l'essence, ce qui rend la fission nucléaire une source d'énergie très dense. Les produits de fission nucléaire, cependant, sont en moyenne beaucoup plus radioactif que les éléments lourds qui sont normalement fissionné comme combustible, et restent donc pour beaucoup de temps, donnant lieu à un problème des déchets nucléaires. Les inquiétudes sur accumulation de déchets nucléaires et sur la potentiel destructeur des armes nucléaires peut contrebalancer les qualités souhaitables de fission comme une source d'énergie , et donner lieu à des cours politique débat sur l'énergie nucléaire .
Présentation physique
Mécanique
La fission nucléaire peut se produire sans neutrons bombardement, comme un type de désintégration radioactive. Ce type de fission (appelé fission spontanée) est rare, sauf dans quelques isotopes lourds. Dans les dispositifs nucléaires ingénierie, la quasi-totalité de la fission nucléaire se produit comme un " réaction nucléaire. »- un processus conduit de bombardement qui résulte de la collision de deux particules subatomiques dans les réactions nucléaires, une particule subatomique entre en collision avec un noyau atomique et provoque des changements à elle réactions nucléaires sont ainsi entraînés par la mécanique de bombardement, non pas par. le relativement constante décroissance exponentielle et la demi-vie caractéristique du processus radioactives spontanées.
De nombreux types de réactions nucléaires sont actuellement connus. La fission nucléaire diffère de façon importante des autres types de réactions nucléaires, en ce qu'il peut être amplifié et parfois contrôlé via un réaction nucléaire en chaîne (un type de général chain reaction). Dans une telle réaction, libres neutrons libérés par la fission de chaque événement peuvent déclencher encore plus d'événements, qui à son tour libèrent plus de neutrons et causer plus de fissions.
Les éléments chimiques isotopes qui peuvent soutenir une réaction de fission en chaîne sont appelés combustibles nucléaires, et sont dites fissiles. Les combustibles nucléaires les plus courants sont 235 U (l'isotope de l'uranium avec une masse atomique de 235 et de l'utilisation dans les réacteurs nucléaires) et 239 Pu (l'isotope du plutonium avec un masse atomique de 239). Ces combustibles se brisent dans une gamme bimodale des éléments chimiques avec des masses atomiques centrage près de 95 et 135 u ( produits de fission). La plupart des combustibles nucléaires subissent fission spontanée que très lentement, en décomposition au lieu principalement via un alpha / bêta chaîne de désintégration sur des périodes de millénaires pour des éons . Dans un réacteur nucléaire ou d'une arme nucléaire, la grande majorité des événements de fission sont induites par bombardement avec une autre particule, un neutron, qui est lui-même produit par les événements de fission antérieur.
Fissions nucléaires dans les combustibles fissiles sont le résultat de l'énergie d'excitation nucléaire produite quand un noyau fissile capture un neutron. Cette énergie, résultant de la capture des neutrons, est le résultat de la attirant force nucléaire agissant entre le neutron et du noyau. Il suffit de déformer le noyau dans une double-lobes "chute", au point que des fragments nucléaires dépassent les distances auxquelles la force nucléaire peut contenir deux groupes de nucléons chargés ensemble, et quand cela arrive, les deux fragments complète leur séparation puis sont entraînés plus éloignés par leurs charges répulsives mutuellement, dans un processus qui devient irréversible et avec une plus grande distance plus grande. Un processus similaire se produit dans isotopes fissiles (comme l'uranium-238), mais pour la fission, ces isotopes ont besoin d'énergie supplémentaire fournie par neutrons rapides (par exemple, produit par la fusion nucléaire dans armes thermonucléaires).
Le modèle de la goutte de liquide de noyau atomique prédit produits de fission de même taille en tant que résultat de la déformation mécanique nucléaire. Le plus sophistiqué Modèle en couches est nécessaire pour expliquer mécaniquement la route à l'issue plus favorable énergétiquement, dans lequel un produit de fission est légèrement plus petit que l'autre.
Le processus de fission est la plus courante fission binaire, et il produit des produits de fission mentionnés ci-dessus, à 95 ± 15 et 135 ± 15 u. Toutefois, le processus binaire arrive simplement parce qu'elle est la plus probable. Dans ne importe où de 2 à 4 fissions par 1000 dans un réacteur nucléaire, un processus appelé fission ternaire produit trois fragments chargés positivement (et de neutrons) et le plus petit d'entre eux peuvent varier d'un si petit charge et la masse comme un proton (Z = 1), au plus grand fragment tel que l'argon (Z = 18). Les petits fragments les plus courants, cependant, sont composées de 90% d'hélium-4 noyaux avec plus d'énergie que les particules alpha de désintégration alpha (dits "à longue portée alphas" à ~ 16 MeV), plus hélium-six noyaux, et tritons ( les noyaux de tritium). Procédé ternaire est moins fréquent, mais finit par produire une accumulation significative de l'hélium-4 et de tritium gaz dans les barres de combustible des réacteurs nucléaires modernes.
Énergétique
Contribution
La fission d'un noyau lourd nécessite un apport d'énergie totale d'environ 7-8000000 électronvolts (MeV) à surmonter d'abord la force forte qui détient le noyau dans une forme sphérique ou presque sphérique, et de là, se déforment en un ("arachides") forme deux lobes dont les lobes sont en mesure de continuer à séparer de l'autre, poussés par leur charge positive mutuelle, dans le procédé le plus courant de la fission binaire (deux chargés positivement des produits de fission + neutrons). Une fois les lobes nucléaires ont été poussé à une distance critique, au-delà duquel la gamme courte force forte ne peut plus les tenir ensemble, le processus de leur séparation procède de l'énergie de la (longue portée) électromagnétique répulsion entre les fragments. Le résultat est deux fragments de fission en se éloignant de l'autre, à haute énergie.
Environ 6 MeV de l'énergie de fission entrée est fourni par le simple liaison d'un neutron supplémentaire au noyau lourd par la force forte; Cependant, dans de nombreux isotopes fissiles, cette quantité d'énergie ne est pas assez pour la fission. Uranium-238, par exemple, a une section transversale proche de zéro la fission pour les neutrons de moins d'une énergie de MeV. Si aucune énergie supplémentaire est fournie par tout autre mécanisme, le noyau ne sera pas la fission, mais simplement absorber les neutrons, comme cela arrive quand U-238 absorbe fraction lente et même certains des neutrons rapides, pour devenir U-239. L'énergie restante pour initier fission peut être fourni par deux autres mécanismes: une d'entre elles est l'énergie cinétique plus du neutron entrant, qui est de plus en plus capables de fission un noyau lourd fissile, car il dépasse une énergie cinétique d'un MeV ou plus (soi-disant neutrons rapides). Ces neutrons de haute énergie sont capables de fission U-238 directement (voir Bombe H pour l'application, où les neutrons rapides sont fournis par la fusion nucléaire). Cependant, ce processus ne peut pas arriver dans une grande mesure dans un réacteur nucléaire, comme trop petite fraction des neutrons de fission produits par ne importe quel type de la fission assez d'énergie pour efficacement fission U-238 (neutrons de fission ont une médiane énergie de 2 MeV, mais le mode de seulement 0,75 MeV, ce qui signifie la moitié d'entre eux ont moins de cette énergie insuffisante).
Parmi les éléments actinides lourds, cependant, ces isotopes qui ont un nombre impair de neutrons (tels que U-235 avec 143 neutrons) lier un neutron supplémentaire avec un supplément de 1-2 MeV d'énergie sur un isotope du même élément avec un même nombre de neutrons (tels que U-238 avec 146 neutrons). Cette énergie supplémentaire de liaison est rendu disponible par suite du mécanisme de neutrons effets d'appariement. Le résultat de cette énergie supplémentaire de la Principe d'exclusion de Pauli un neutron supplémentaire permettant d'occuper la même orbitale nucléaire comme le dernier neutron dans le noyau, de sorte que les deux forment une paire. Dans ces isotopes, par conséquent, aucune neutrons énergie cinétique est nécessaire, pour toute l'énergie nécessaire est fournie par l'absorption de toute neutrons, soit de la variété lente ou rapide (les premiers sont utilisés dans les réacteurs nucléaires modérés, et ces derniers sont utilisés dans réacteurs à neutrons rapides, et des armes). Comme indiqué plus haut, le sous-groupe d'éléments fissiles qui peuvent être scindés de manière efficace avec leurs propres neutrons de fission (donc potentiellement provoquer un nucléaire réaction en chaîne en quantités relativement petites de la matière pure) sont appelés " fissiles. »Des exemples d'isotopes fissiles sont U-235 et le plutonium-239.
Sortie
Les événements de fission typiques libérer environ deux myriades de myriades eV (200 MeV) d'énergie pour chaque événement de fission. L'isotope exacte qui est la fission, et si elle est ou non fissiles ou fissiles, n'a qu'un faible impact sur la quantité d'énergie libérée. Ceci peut être facilement vu en examinant la courbe de énergie de liaison (image ci-dessous), et notant que l'énergie de liaison moyenne des actinides nucléides à commencer par l'uranium est d'environ 7,6 MeV par nucléon. À plus à gauche sur la courbe de l'énergie de liaison, où le produits de fission cluster, il est facile de remarquer que l'énergie de liaison des produits de fission a tendance à se centrer autour de 8,5 MeV par nucléon. Ainsi, dans tous les cas de fission d'un isotope dans la gamme de masse de la actinides, environ 0,9 MeV par nucléon est libéré de l'élément de départ. La fission de U235 par un neutron lent donne l'énergie presque identique à la fission de U238 par un neutron rapide. Ce profil de libération d'énergie est vrai pour le thorium et les actinides mineurs différents également.
En revanche, la plupart chimique réactions d'oxydation (telles que la combustion de charbon ou TNT) la libération au plus quelques eV par événement. Ainsi, le combustible nucléaire contient au moins dix millions de fois plus énergie utilisable par unité de masse de carburant que ne le fait chimique. L'énergie de fission nucléaire est libérée sous forme d'énergie cinétique des produits de fission et des fragments, et en tant que rayonnement électromagnétique sous la forme de les rayons gamma; dans un réacteur nucléaire, l'énergie est convertie en chaleur que les particules et les rayons gamma entrent en collision avec les atomes qui composent le réacteur et son le fluide de travail, habituellement de l'eau ou à l'occasion eau lourde.
Lorsqu'un uranium noyau fissions en fragments deux noyaux filles, environ 0,1 pour cent de la masse du noyau d'uranium semble que l'énergie de fission de 200 MeV ~. Pour l'uranium-235 (total fission moyenne énergétique 202,5 MeV), typiquement ~ 169 MeV apparaît comme l' énergie cinétique des noyaux filles, qui volent en dehors d'environ 3% de la vitesse de la lumière, en raison de la répulsion de Coulomb . En outre, une moyenne de 2,5 neutrons sont émis, avec une moyenne d'énergie cinétique par neutrons de ~ 2 MeV (total de 4,8 MeV). La réaction de fission libère également ~ 7 MeV dans invite gamma ray photons . Ce dernier chiffre signifie qu'une explosion de la fission nucléaire ou d'un accident de criticité émet environ 3,5% de l'énergie sous forme de rayons gamma, à moins de 2,5% de son énergie des neutrons rapides (total des deux types de rayonnement ~ 6%), et le reste sous forme cinétique l'énergie de fragments de fission (cela semble presque immédiatement lorsque l'impact des fragments matière environnante, aussi simple chaleur ). Dans une bombe atomique, cette chaleur peut servir à augmenter la température du noyau de la bombe à 100 millions de degrés Kelvin et provoquer une émission secondaire de rayons X mous, qui convertissent une partie de cette énergie à un rayonnement ionisant. Cependant, dans les réacteurs nucléaires, l'énergie cinétique des fragments de fission reste sous forme de chaleur à basse température, qui provoque elle-même que peu ou pas d'ionisation.
Soi-disant bombes à neutrons (armes de rayonnement améliorés) ont été construits qui libèrent une plus grande fraction de leur énergie sous forme de rayonnement (en particulier, des neutrons) ionisants, mais ce sont tous les appareils thermonucléaires qui se appuient sur la scène de la fusion nucléaire pour produire le rayonnement supplémentaire. La dynamique de l'énergie de bombes de fission pures restent toujours à environ 6% de rendement du total du rayonnement, à la suite rapide de fission.
Le montant total de l'énergie de fission invite à environ 181 MeV, ou ~ 89% de l'énergie totale qui est finalement libérée par la fission au fil du temps. Le solde de ~ 11% est publié en version bêta désintégrations qui ont des demi-vies différentes, mais commencer comme un processus dans les produits de fission immédiatement; et des émissions de gamma retardés associés à ces désintégrations bêta. Par exemple, dans l'uranium-235 retardé cette énergie est divisé en environ 6,5 MeV à 8,8 MeV bêtas, dans antineutrinos (publié en même temps que les versions bêta), et enfin, un 6,3 MeV supplémentaires en retard émission gamma des produits de désintégration bêta excités (pour un total moyenne de ~ 10 émissions de rayons gamma par fission, en tout). Ainsi, un montant supplémentaire de 6% de l'énergie totale de la fission est également libéré par la suite sous forme de rayonnement ionisant non-rapide, et ce est à peu près également divisée entre l'énergie bêta rayons gamma et. Le reste est antineutrinos.
Le 8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% de l'énergie qui est libérée comme antineutrinos ne est pas capturé par le matériau du réacteur sous forme de chaleur, et se échappe directement à travers tous les matériaux (y compris la Terre) presque à la vitesse de la lumière, et dans l'espace interplanétaire ( la quantité absorbée est minuscule). rayonnement de neutrinos est habituellement pas classé comme rayonnements ionisants, car il est presque entièrement absorbé pas et donc ne produit pas d'effets. La quasi-totalité du reste du rayonnement (rayonnement bêta et gamma) est éventuellement convertie en chaleur dans un coeur de réacteur ou son blindage.
Certains processus impliquant neutrons sont remarquables pour absorber ou cédant enfin l'énergie - par exemple neutrons énergie cinétique ne donne pas de chaleur immédiatement si le neutron est capturé par un atome d'uranium 238 à produire du plutonium-239, mais cette énergie est émis si le plutonium-239 est ensuite scindés. D'un autre côté, que l'on appelle neutrons retardés émis en tant que produits de désintégration radioactive avec des demi-vies jusqu'à plusieurs minutes, à partir de fission-filles, sont très importants pour commande du réacteur, car ils donnent une "réaction" temps caractéristique pour la réaction nucléaire total de doubler de taille, si la réaction est conduite dans un " zone retardée-critique »qui se appuie délibérément sur ces neutrons pour une réaction en chaîne supercritique (celui dans lequel chaque cycle de fission donne plus qu'elle ne en absorbe les neutrons). Sans leur existence, la réaction en chaîne nucléaire serait invite critique et augmentation de la taille plus vite qu'il ne peut être contrôlée par l'intervention humaine. Dans ce cas, les premiers réacteurs atomiques expérimentales auraient enfuir à une "réaction rapide critique" dangereuse et désordonnée devant leurs opérateurs pourraient avoir les fermer manuellement vers le bas (pour cette raison, concepteur Enrico Fermi inclus barres de commande de contre-rayonnement déclenché, suspendus par des électro-aimants, ce qui pourrait déposer automatiquement dans le centre de Chicago Pile-1). Si ces neutrons retardés sont capturés sans produire fissions, ils produisent de la chaleur ainsi.
noyaux de produit et énergie de liaison
Dans la fission il ya une préférence pour obtenir des fragments avec des numéros même proton, qui est appelé l'effet bizarre-même sur les fragments facturent distribution. Cependant, aucun effet pair-impair est observée sur la distribution du nombre de masse de fragment. Ce résultat est imputable à paire de nucléons rupture.
Dans les épreuves de fission nucléaires les noyaux peuvent percer dans ne importe quelle combinaison des noyaux plus légers, mais l'événement le plus commun ne est pas à égaler la fission des noyaux de masse d'environ 120 masse; le cas le plus courant (en fonction de l'isotope et processus) est une fission légèrement inégale dans lequel un noyau fils a une masse d'environ 90 à 100 u et l'autre le reste 130 à 140 u. Fissions inégales sont énergétiquement plus favorable parce que cela permet un produit pour se rapprocher au minimum énergique près de masse 60 u (seulement un quart de la masse fissile moyenne), tandis que l'autre noyau de masse 135 u ne est pas encore loin de la gamme de les noyaux les plus étroitement liés (une autre déclaration de cette, ce est que le atomique courbe d'énergie de liaison est légèrement plus raide à la gauche de la masse 120 u que de la droite de celui-ci).
Origine de l'énergie active et la courbe de l'énergie de liaison
La fission nucléaire d'éléments lourds produit de l'énergie parce que le spécifique énergie de liaison des noyaux de masse intermédiaire (énergie massique de liaison) avec des numéros atomiques et masses atomiques 62 à proximité de Ni et Fe 56 est supérieure à l'énergie de liaison spécifique de nucléons des noyaux très lourds, de sorte que l'énergie est libérée lorsque les noyaux lourds sont décomposés. Le total des masses des produits de fission (PF) à partir d'une seule réaction de repos est inférieure à la masse du noyau de carburant d'origine (M). L'excès de masse Δm = M - Mp est la masse invariante de l'énergie qui est libérée que photons ( les rayons gamma) et l'énergie cinétique des fragments de fission, en fonction de la masse-énergie formule d'équivalence E = mc 2.
La variation d'énergie de liaison spécifique avec le numéro atomique est dû à l'interaction des deux fondamentaux forces agissant sur le composant nucléons ( protons et neutrons ) qui constituent le noyau. Noyaux sont liés par un attrayant force nucléaire entre nucléons, qui surmonte la la répulsion électrostatique entre les protons. Cependant, la force nucléaire ne agit que sur des plages relativement courtes (quelques diamètres de nucléons), car il suit une décroissance exponentielle Potentiel Yukawa qui rend insignifiant au plus longues distances. La répulsion électrostatique est de plus longue portée, car il se désintègre en une règle du carré inverse, de sorte que les noyaux supérieure à environ 12 nucléons de diamètre atteignent un point que la répulsion électrostatique totale surmonte la force nucléaire et les amène à être spontanément instable. Pour la même raison, les noyaux plus grands (plus de huit nucléons de diamètre) sont moins étroitement liés par unité de masse que sont les petits noyaux; briser un gros noyau en deux ou plusieurs noyaux de taille intermédiaire libère de l'énergie. L'origine de cette énergie est la force nucléaire, qui noyaux de taille intermédiaire permet d'agir plus efficacement, parce que chaque nucléon a plus de voisins qui sont dans l'attraction à courte portée de cette force. Ainsi moins d'énergie est nécessaire dans les petits noyaux et la différence à l'état avant est mis en liberté.
Aussi en raison de la courte portée de la force de liaison forte, de grands noyaux stables doivent contenir proportionnellement plus de neutrons que ne le font les éléments les plus légers, qui sont le plus stable avec un rapport 1 à 1 de protons et de neutrons. Les noyaux qui ont plus de 20 protons ne peuvent pas être stable à moins qu'ils ne ont plus que un nombre égal de neutrons. Neutrons supplémentaires stabilisent éléments lourds, car ils ajoutent à la liaison (qui agit entre les nucléons) forte force sans ajouter à proton-proton répulsion. Les produits de fission ont, en moyenne, environ la même proportion de neutrons et de protons que leur noyau de parent, et sont donc habituellement instables à la désintégration bêta (qui change neutrons à protons) parce qu'ils ont proportionnellement trop de neutrons par rapport aux isotopes stables de masse similaire.
Cette tendance pour les noyaux de produits de fission à désintégration bêta est la cause fondamentale du problème de radioactif déchets de haute activité provenant des réacteurs nucléaires. Les produits de fission ont tendance à être les émetteurs bêta, émettant en mouvement rapide des électrons de conserver charge électrique , les neutrons excédentaires se convertissent à protons dans les atomes de produits de fission. Voir Les produits de fission (par élément) pour une description des produits de fission triées par élément.
Les réactions en chaîne
Plusieurs éléments lourds, tels que l'uranium , le thorium et le plutonium , sont soumis à la fois fission spontanée, une forme de la décroissance radioactive et la fission induite, une forme de réaction nucléaire. Isotopes élémentaires qui subissent la fission induits lorsqu'il a été frappé par un libre neutrons sont appelés fissiles; isotopes qui subissent la fission lorsqu'il a été frappé par un thermique, lente neutrons mobile sont également appelés fissiles. Quelques isotopes fissiles et particulièrement faciles à obtenir (notamment 233 U, 235 U et 239 Pu) sont appelés combustibles nucléaires parce qu'ils peuvent soutenir une réaction en chaîne et peuvent être obtenus en quantités suffisantes pour être utile.
Tous les isotopes fissiles et fissiles subissent une petite quantité de fission spontanée qui libère quelques neutrons libres dans ne importe quel échantillon de combustible nucléaire. Ces neutrons seraient échapper rapidement du carburant et devenir un neutron libre , avec un durée de vie d'environ 15 minutes avant de se désintégrer signifie à protons et particules bêta. Cependant, les neutrons incidence presque invariablement et sont absorbés par d'autres noyaux dans les environs à long avant que cela arrive (neutrons de fission nouvellement créés se déplacent à environ 7% de la vitesse de la lumière, et de neutrons, même modérés se déplacent à environ 8 fois la vitesse du son). Certains auront un impact neutrons des noyaux du combustible et provoquer de nouvelles fissions, libérant encore plus de neutrons. Si suffisamment de combustible nucléaire est assemblé en un seul endroit, ou si les neutrons qui se échappent sont suffisamment contenaient, ces neutrons fraîchement émis sont plus nombreuses que les neutrons qui se échappent de l'assemblée, et une réaction nucléaire en chaîne soutenue auront lieu.
Un ensemble qui prend en charge une réaction nucléaire en chaîne soutenue est appelé assemblage critique ou, si l'ensemble est presque entièrement constitué d'un combustible nucléaire, masse critique. Le mot «critique» se réfère à un aube dans le comportement de l' équation différentielle qui régit le nombre de neutrons libres présents dans le combustible: si moins d'un masse critique est présent, alors la quantité de neutrons est déterminée par désintégration radioactive, mais si une masse critique ou plus est présent, alors la quantité de neutrons est contrôlé à la place par le physique de la réaction en chaîne. La réelle de masse d'une masse critique de combustible nucléaire dépend fortement de la géométrie et les matériaux environnants.
Pas tous les isotopes fissiles peuvent soutenir une réaction en chaîne. Par exemple, 238 U, la forme la plus abondante d'uranium, est fissile mais pas fissile: il subit la fission induite en cas de choc par un neutron énergique avec plus de 1 MeV d'énergie cinétique. Cependant, trop peu de neutrons produits par la fission U 238 sont assez énergique pour induire d'autres fissions en 238 U, donc pas de réaction en chaîne est possible avec cet isotope. Au lieu de cela, bombardant 238 U avec des neutrons lents amène à les absorber (devenant 239 U) et de la décomposition par émissions beta à 239 Np qui se désintègre puis à nouveau par le même processus à 239 Pu; ce procédé est utilisé pour fabriquer 239 Pu en surgénérateurs. In situ production de plutonium contribue également à la réaction en chaîne de neutrons dans d'autres types de réacteurs suffisante après plutonium-239 a été produit, étant donné que le plutonium 239 est aussi un élément fissile qui sert de carburant. On estime que jusqu'à la moitié de l'énergie produite par une norme "non-éleveur" réacteur est produite par la fission du plutonium-239 produit en place, sur le cycle de vie total d'une charge de carburant.
Isotopes fissiles, non fissiles peuvent être utilisés comme source d'énergie de fission, même sans une réaction en chaîne. 238 U bombardant avec des neutrons rapides induit fissions, libérant de l'énergie tant que la source de neutrons externe est présent. Ce est un effet important dans tous les réacteurs où les neutrons rapides de l'isotope fissile peuvent provoquer la fission de proximité 238 noyaux U, ce qui signifie qu'une petite partie de la 238 U est «brûlée» dans tous les combustibles nucléaires, en particulier dans les surrégénérateurs réacteurs qui fonctionnent avec des neutrons de haute énergie. Ce même effet rapide fission est utilisé pour augmenter l'énergie libérée par moderne armes thermonucléaires, par chemisage l'arme avec 238 U de réagir avec des neutrons libérés par la fusion nucléaire au centre du dispositif.
les réacteurs à fission
Réacteurs de fission critiques sont le type le plus commun de réacteur nucléaire. Dans un réacteur de fission critique, les neutrons produits par la fission des atomes de carburant sont utilisés pour induire encore plus de fissions, afin de maintenir une quantité contrôlable de libération d'énergie. Dispositifs qui produisent des pièces mais non auto-entretien des réactions de fission sont réacteurs de fission sous-critiques. De tels dispositifs utilisent désintégration radioactive ou accélérateurs de particules pour déclencher fissions.
Réacteurs de fission critiques sont construites pour trois objectifs principaux, qui impliquent généralement ingénierie différents compromis pour profiter de la chaleur soit ou les neutrons produits par la réaction de fission en chaîne:
- réacteurs de puissance sont destinés à produire de la chaleur pour l'énergie nucléaire, soit dans le cadre d'un centrale ou un réseau électrique local, comme un sous-marin nucléaire.
- réacteurs de recherche sont destinés à produire des neutrons et / ou d'activer les sources radioactives à des fins scientifiques, médicaux, de l'ingénierie, ou d'autres fins de recherche.
- surgénérateurs sont destinés à produire des combustibles nucléaires en vrac de plus abondantes isotopes . Le mieux connu surgénérateur fait 239 Pu (un combustible nucléaire) de l'naturellement très abondante 238 U (pas un combustible nucléaire). Surgénérateurs thermiques préalablement testés en utilisant 232 Th se reproduire l'isotope fissile U 233 ( cycle du combustible de thorium) continuent d'être étudié et développé.
Bien que, en principe, tous les réacteurs de fission peut agir dans les trois capacités, dans la pratique, les tâches conduisent à objectifs contradictoires d'ingénierie et de la plupart des réacteurs ont été construits avec un seul des tâches ci-dessus à l'esprit. (Il ya plusieurs contre-exemples précoces, comme le Hanford réacteur N, maintenant hors service). Les réacteurs de puissance convertissent généralement l'énergie cinétique des produits de fission en chaleur, qui est utilisé pour chauffer un fluide de travail et d'entraînement un moteur thermique qui produit de l'énergie mécanique ou électrique. Le fluide de travail est habituellement de l'eau avec une turbine à vapeur, mais certaines conceptions utiliser d'autres matériaux tels que le gaz hélium . Les réacteurs de recherche produisent des neutrons qui sont utilisés de différentes manières, avec la chaleur de fission qui est traité comme un déchet inévitable. surgénérateurs sont une forme spécialisée de réacteur de recherche, avec l'avertissement que l'échantillon irradié est habituellement le combustible lui-même, un mélange de 238 U et 235 U. Pour une description plus détaillée des principes de physique et d'exploitation des réacteurs de fission critiques, voir physique des réacteurs nucléaires. Pour une description de leurs aspects sociaux, politiques et environnementaux, voir l'énergie nucléaire .
Les bombes à fission
Une classe de l'arme nucléaire , une bombe de fission (à ne pas confondre avec la bombe de fusion ), autrement connu comme une bombe atomique ou la bombe atomique, est un réacteur à fission conçu pour libérer autant d'énergie que possible aussi rapidement que possible, avant la sorti énergie provoque l'explosion du réacteur (et la réaction en chaîne pour arrêter). Développement d'armes nucléaires était la motivation derrière premières recherches sur la fission nucléaire: la Projet Manhattan de la Armée américaine pendant la Seconde Guerre mondiale réalisé la plupart des travaux scientifiques tôt réactions de fission en chaîne, culminant dans la Trinité bombe d'essai et la Little Boy et Bombes de gros homme qui ont été explosé sur les villes Hiroshima, et Nagasaki, le Japon en Août 1945.
Même les premières bombes de fission étaient des milliers de fois plus explosive qu'une masse comparable explosif chimique. Par exemple, Little Boy pesait un total d'environ quatre tonnes (dont 60 kg était de combustible nucléaire) et était de 11 pieds (3,4 m) de long; Il a également donné une explosion équivalente à environ 15 kilotonnes de TNT, détruisant une grande partie de la ville de Hiroshima. Armes nucléaires modernes (qui comprennent une fusion thermonucléaire ainsi que une ou plusieurs étapes de fission) sont des centaines de fois plus d'énergie pour leur poids que les bombes atomiques première fission pur (voir le rendement de l'arme nucléaire), de sorte que d'une ogive de missile seule bombe moderne pesant moins de 1/8 autant que Little Boy (voir par exemple W88) a un rendement de 475 000 tonnes de TNT, et pourrait apporter la destruction d'environ 10 fois la superficie de la ville.
Alors que la physique fondamentale de la fission réaction en chaîne dans une arme nucléaire est similaire à la physique d'un réacteur nucléaire contrôlée, les deux types d'appareils doivent être conçus très différemment (voir physique des réacteurs nucléaires). Une bombe nucléaire est conçu pour libérer toute son énergie à la fois, tandis qu'un réacteur est conçu pour générer un approvisionnement régulier de puissance utile. Alors que la surchauffe d'un réacteur peut conduire à, et a conduit à, meltdown et vapeur explosions, le beaucoup plus faible enrichissement de l'uranium, il est impossible pour un réacteur nucléaire pour exploser avec la même puissance destructrice comme une arme nucléaire. Il est également difficile d'extraire la puissance utile d'une bombe nucléaire, même si au moins un système de propulsion de fusée, Projet Orion, a été conçu pour fonctionner en faisant exploser des bombes de fission derrière un vaisseau spatial massivement rembourré et blindé.
Le stratégique importance des armes nucléaires est une raison majeure pour laquelle la technologie de la fission nucléaire est politiquement sensible. Viables conceptions fission à la bombe sont, sans doute, dans les capacités d'un grand nombre étant relativement simple d'un point de vue de l'ingénierie. Cependant, la difficulté d'obtenir des matières nucléaires fissiles pour réaliser les dessins, est la clé de l'indisponibilité relative des armes nucléaires à tous, mais modernes gouvernements industrialisés avec des programmes spéciaux pour produire des matières fissiles (voir enrichissement d'uranium et cycle du combustible nucléaire).
Histoire
Découverte de la fission nucléaire
La découverte de la fission nucléaire est survenu en 1938, après près de cinq décennies de travail sur la science de la radioactivité et l'élaboration de nouvelles physique nucléaire qui décrivent les composantes de atomes . En 1911, Ernest Rutherford a proposé un modèle de l'atome dans laquelle une très petite, dense et chargé positivement noyau de protons (le neutron n'a pas encore été découvert) a été entouré par orbite, chargés négativement électrons (le modèle de Rutherford). Niels Bohr améliorée sur cette en 1913 par le rapprochement entre le comportement quantique des électrons (le modèle Bohr). Les travaux de Henri Becquerel, Marie Curie , Pierre Curie et Rutherford en outre précisé que le noyau, si étroitement lié, pourrait subir différentes formes de désintégration radioactive, et ainsi transmuter en d'autres éléments. (Par exemple, par la désintégration alpha: l'émission d'une particule alpha-deux protons et deux neutrons liés ensemble dans une particule identique à un hélium noyau).
Certains travaillent dans transmutation avait été fait. En 1917, Rutherford était en mesure d'accomplir la transmutation de l'azote en oxygène, en utilisant des particules alpha visant à l'azote 14 N + α → 17 O + p. Ce fut la première observation d'une réaction nucléaire, qui est une réaction dans laquelle des particules d'une décroissance sont utilisés pour transformer un autre noyau atomique. Finalement, en 1932, une réaction nucléaire totalement artificielle et transmutation a été atteint par les collègues de Rutherford Ernest Walton et John Cockcroft, qui ont utilisé des protons accélérés artificiellement contre lithium-7, de scinder ce noyau en deux particules alpha. L'exploit a été populairement connu comme "fission de l'atome", même si elle n'a pas été la réaction de fission nucléaire moderne découvert plus tard en éléments lourds, dont il est question ci-dessous. Pendant ce temps, la possibilité de combiner les noyaux-nucléaires fusion avaient été étudiés dans le cadre de la compréhension des processus qui alimentent étoiles . La première réaction de fusion artificielle avait été réalisé par Mark Oliphant en 1932, en utilisant accélérée noyaux de deutérium (chacun constitué d'un seul proton lié à un seul neutron) pour créer un des noyaux d'hélium.
Après le physicien anglais James Chadwick a découvert le neutron en 1932, Enrico Fermi et ses collègues de Rome ont étudié les résultats de l'uranium avec des neutrons bombardant en 1934. Fermi a conclu que ses expériences ont créé de nouveaux éléments avec 93 et 94 protons, dont le groupe surnommé ausonium et hesperium. Cependant, tous ont été convaincu par l'analyse de Fermi de ses résultats. Le chimiste allemand Ida Noddack notamment suggéré sur papier en 1934 qu'au lieu de créer une nouvelle, élément plus lourd 93, qu '«il est concevable que le noyau se décompose en plusieurs grands fragments." Cependant, la conclusion de Noddack n'a pas été poursuivie à l'époque.
Après la publication de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann ont commencé la réalisation d'expériences similaires dans Berlin . Meitner, un Juif autrichien, a perdu sa citoyenneté avec le " Anschluss ", l'occupation et l'annexion de l'Autriche dans l'Allemagne nazie en 1938, mais elle a fui en Suède et a commencé une correspondance par mail avec Hahn à Berlin. Par coïncidence, son neveu Otto Frisch Robert, également réfugié, était aussi en Suède quand Meitner a reçu une lettre datée du 20 Décembre Hahn décrivant sa preuve chimique qui une partie du produit du bombardement de l'uranium avec des neutrons était baryum . Hahn a suggéré un éclatement du noyau, mais il était sûr de ce que la base physique pour les résultats étaient. Baryum avait une masse atomique 40% de moins que l'uranium, et aucun procédés déjà connus de la désintégration radioactive pourrait expliquer une telle différence dans la masse du noyau. Frisch était sceptique, mais Meitner confiance la capacité de Hahn en tant que chimiste. Marie Curie avait été sépare de baryum du radium pendant de nombreuses années, et les techniques ont été bien connue. Selon Frisch:
Était-ce une erreur? Non, dit Lise Meitner; Hahn était trop bon pour ce chimiste. Mais comment baryum pourrait être formée à partir de l'uranium? Fragments Pas plus grand que des protons ou des noyaux d'hélium (particules alpha) avaient déjà été rogné à partir de noyaux, et de détacher un grand nombre pas assez d'énergie était disponible. Ni était-il possible que le noyau d'uranium pourrait avoir été coupé juste en face. Un noyau était pas comme un solide fragile qui peut être clivée ou cassé; George Gamow avait suggéré dès le début, et Bohr avait donné de bons arguments qu'un noyau était beaucoup plus comme une goutte de liquide. Peut-être une baisse pourrait se diviser en deux gouttes plus petites d'une manière plus progressive, en commençant par devenir allongée, puis étranglée, et enfin se déchirer plutôt que cassé en deux? Nous savions qu'il y avait des forces puissantes qui résister à un tel processus, tout comme la tension de surface d'une goutte de liquide ordinaire tend à résister à sa division en deux plus petites. Mais noyaux différaient de gouttes ordinaires d'une façon importante: ils ont été chargées électriquement, et qui était connu pour contrecarrer la tension de surface.
La charge d'un noyau d'uranium, nous avons trouvé, était en effet assez grand pour surmonter l'effet de la tension de surface presque complètement; de sorte que le noyau d'uranium pourrait effectivement ressembler à une baisse très instable bancale, prête à se diviser à la moindre provocation, tels que l'impact d'un seul neutron. Mais il y avait un autre problème. Après séparation, les deux gouttes seraient entraînées en dehors de leur répulsion électrique mutuelle et acquerrait haute vitesse et donc une très grande énergie, à environ 200 MeV au total; où cette énergie pourrait provenir? ... Lise Meitner ... travaillé que les deux noyaux formés par la division d'un noyau d'uranium ensemble serait plus léger que le noyau d'uranium d'origine d'environ un cinquième de la masse d'un proton. Maintenant, quand la masse disparaît énergie est créée, selon Einstein formule E = mc 2 , et un cinquième d'une masse du proton était juste équivalent à 200 MeV. Donc ici était la source de cette énergie; tout équipé!
En bref, Meitner et Frisch avait correctement interprété les résultats de Hahn pour signifier que le noyau d'uranium avait divisé à peu près la moitié. Frisch a suggéré le processus nommé "fission nucléaire", par analogie avec le processus de la vie de la division cellulaire en deux cellules, qui a ensuite été appelés fission binaire. Tout comme le nucléaire terme "réaction en chaîne" allait plus tard être emprunté de la chimie, de sorte que le terme "fission" a été emprunté à la biologie.
Le 22 Décembre 1938, Hahn et Strassmann envoyé un manuscrit à Naturwissenschaften rapports qu'ils avaient découvert l'élément de baryum après avoir bombardé l'uranium avec des neutrons . Simultanément, ils ont communiqué ces résultats à Meitner en Suède. Elle et Frisch correctement interprété les résultats comme preuve de la fission nucléaire. Frisch a confirmé expérimentalement le 13 Janvier 1939. Pour prouver que le baryum résultant de son bombardement de l'uranium avec des neutrons était le produit de la fission nucléaire, Hahn a reçu le prix Nobel de chimie en 1944 (le seul destinataire) "pour sa découverte de la fission des noyaux lourds ". (Le prix a été effectivement donné à Hahn en 1945, "le Comité Nobel de chimie a décidé qu'aucun des nominations de l'année a rencontré les critères énoncés dans la volonté d'Alfred Nobel." Dans de tels cas, le statuts de la Fondation Nobel permettent que le prix de l'année être réservé jusqu'à l'année suivante.)
Nouvelles propager rapidement de la nouvelle découverte, qui a été correctement considéré comme un effet physique totalement nouvelle avec de grandes possibilités pratiques-scientifiques-et potentiellement. L'interprétation de Meitner et Frisch de la découverte de Hahn et Strassmann a traversé l'océan Atlantique avec Niels Bohr , qui devait donner des conférences à l'Université de Princeton . II Rabi et Willis Lamb, deux Les physiciens de l'Université Columbia de travail à Princeton, entendu les nouvelles et exécutés en arrière à Columbia. Rabi dit qu'il a dit Enrico Fermi; Fermi a donné du crédit à l'agneau. Bohr a peu de temps après de Princeton à-Britannique pour voir Fermi. Ne trouvant pas de Fermi dans son bureau, Bohr descendit au cyclotron région et trouvé Herbert L. Anderson. Bohr l'attrapa par l'épaule et lui dit: ". Jeune homme, laissez-moi vous expliquer quelque chose de nouveau et excitant en physique" Il était clair pour un certain nombre de scientifiques Britannique qu'ils devraient essayer de détecter l'énergie libérée dans la fission nucléaire de l'uranium à partir de bombardement neutronique. Le 25 Janvier 1939, une équipe de l'Université Columbia a effectué la première expérience de la fission nucléaire aux Etats-Unis, qui a été fait dans le sous-sol de Pupin mairie; les membres de l'équipe étaient Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, Enrico Fermi, G. Norris Glasoe, et Francis G. Slack. impliqués L'expérience plaçant oxyde d'uranium à l'intérieur d'une chambre d'ionisation et l'irradiant avec des neutrons, et la mesure de l'énergie ainsi libérée. Les résultats ont confirmé que la fission a été produit et a laissé entendre qu'il était fortement l'isotope uranium 235 en particulier qui a été fission. Le lendemain, la Cinquième Conférence de Washington sur la physique théorique a commencé en Washington, DC sous les auspices conjoints de l' Université George Washington et de la Carnegie Institution de Washington. Là, les nouvelles sur la fission nucléaire a été étendue encore plus loin, ce qui a favorisé de nombreuses manifestations plus expérimentales.
Pendant cette période, le physicien hongrois Leó Szilárd, qui résidait aux États-Unis à l'époque, a réalisé que la fission conduit neutrons des atomes lourds pourrait être utilisé pour créer une réaction nucléaire en chaîne. réaction telle aide neutrons a été une idée qu'il avait formulée pour la première en 1933 , à la lecture des remarques désobligeantes à propos de Rutherford générer de l'énergie à partir de 1932 l'expérience de son équipe en utilisant des protons de diviser lithium. Cependant, Szilárd avait pas été en mesure de parvenir à une réaction en chaîne entraînée neutrons avec des atomes légers riches en neutrons. En théorie, si dans une réaction en chaîne qui entraîne les neutrons, le nombre de neutrons produits secondaires est supérieur à un, alors chaque telle réaction pourrait déclencher plusieurs réactions supplémentaires, la production d'un nombre croissant de façon exponentielle de réactions. Il était donc possible que la fission de l'uranium pourrait céder de vastes quantités d'énergie à des fins civiles ou militaires (c.-à- génération d'énergie électrique ou des bombes atomiques ).
Szilard maintenant exhorté Fermi (à New York) et Frédéric Joliot-Curie (Paris) de ne pas publier sur la possibilité d'une réaction en chaîne, de peur que le gouvernement nazi prendre conscience des possibilités à la veille de ce qui allait être connu plus tard comme mondiale la Seconde Guerre . Avec une certaine hésitation Fermi convenu à l'auto-censure. Mais Joliot-Curie n'a pas, et en Avril 1939 son équipe à Paris, y compris Hans von Halban et Lew Kowarski, publiée dans la revue Nature que le nombre de neutrons émis par la fission nucléaire de 235 U a ensuite été signalé à 3,5 par fission. (Ils ont corrigé plus tard cette à 2,6 par fission.) Le travail simultané par Szilard et Walter Zinn ont confirmé ces résultats. Les résultats suggèrent la possibilité de construire des réacteurs nucléaires (premier appelés «réacteurs neutroniques" par Szilard et Fermi) et même des bombes nucléaires. Cependant, beaucoup était encore inconnu sur les systèmes de réaction de fission et de la chaîne.
réaction en chaîne de fission
" Les réactions en chaîne "à cette époque étaient un phénomène connu dansla chimie, mais le processus analogue en physique nucléaire, en utilisant des neutrons, avait été prévue dès 1933 par Szilárd, mais Szilárd avait à l'époque aucune idée de ce que les matériaux le processus pourrait être lancé . Szilárd considéré que les neutrons serait idéal pour une telle situation, car ils ne disposaient pas d'une charge électrostatique.
Avec les nouvelles de neutrons de fission issus de la fission de l'uranium, Szilárd a immédiatement compris la possibilité d'une réaction nucléaire en chaîne utilisant de l'uranium. En été, Fermi et Szilard proposé l'idée d'un réacteur nucléaire (pile) d'arbitrer ce processus. La pile serait utiliser l'uranium naturel comme combustible. Fermi avait montré beaucoup plus tôt que les neutrons ont été beaucoup plus efficacement capturés par des atomes si elles étaient de faible énergie (dite "lente" ou neutrons "thermiques"), parce que, pour des raisons quantique, il a fait les atomes ressemblent beaucoup plus à des cibles les neutrons . Ainsi, pour ralentir les neutrons secondaires libérés par les noyaux d'uranium fission, Fermi et Szilard proposé un «modérateur», graphite, contre laquelle les-haute énergie des neutrons rapides secondaires entreraient en collision, de manière efficace les ralentir. Avec suffisamment d'uranium et de graphite pur-suffisant, leur «pile» pourrait théoriquement soutenir une réaction en chaîne lente neutrons. Cela se traduirait par la production de chaleur, ainsi que la création d'radioactive produits de fission.
En Août 1939, Szilard et d'autres réfugiés hongrois physiciens Teller et Wigner pensaient que les Allemands pourraient faire usage de la réaction de fission en chaîne et ont été stimulés pour tenter d'attirer l'attention du gouvernement des États-Unis à la question. Vers cela, ils persuadés juif allemand réfugié Albert Einstein de prêter son nom à une lettre adressée au président Franklin Roosevelt . Le lettre d'Einstein-Szilárd suggéré la possibilité d'une bombe à l'uranium livrable par bateau, ce qui détruirait "un port entier et une grande partie de la la campagne environnante ". Le président a reçu la lettre le 11 Octobre 1939 - peu de temps après la Seconde Guerre mondiale a commencé en Europe, mais deux ans avant l'entrée des États-Unis en elle. Roosevelt a ordonné qu'un comité scientifique autorisée pour superviser le travail de l'uranium et a affecté une petite somme d'argent pour la recherche sur le tas.
En Angleterre, James Chadwick a proposé une bombe atomique utilisant de l'uranium naturel, basé sur un document rédigé par Rudolf Peierls avec la masse nécessaire pour l'état critique étant de 30-40 tonnes. En Amérique, J. Robert Oppenheimer pense qu'un cube d'uranium deutérure 10 cm sur un côté (environ 11 kg d'uranium) pourraient "se faire sauter à l'enfer." Dans cette conception, il était toujours pensé que un modérateur devrait être utilisé pour la bombe à fission nucléaire (cette avéré ne pas être le cas si l'isotope fissile a été séparée). En Décembre, Werner Heisenberg a remis un rapport au ministère allemand de la guerre sur la possibilité d'une bombe à l'uranium. La plupart de ces modèles étaient encore sous l'hypothèse que les bombes seraient alimentés par des neutrons lents réactions-et donc être semblable à un réacteur de subir une crise.
Produire une réaction en chaîne de fission dans l'uranium naturel a été trouvé loin d'être trivial. Les premiers réacteurs nucléaires ne pas utiliser l'uranium enrichi isotopiquement, et en conséquence ils ont été obligés d'utiliser de grandes quantités de graphite hautement purifié comme matières neutrons de modération. L'utilisation de l'eau ordinaire (par opposition à eau lourde) dans les réacteurs nucléaires nécessite combustible enrichi - la séparation partielle et l'enrichissement relatif de la rare 235 isotope U de la beaucoup plus fréquent 238 isotope U. Typiquement, les réacteurs exigent également l'inclusion des très chimiquement purs matériaux de modérateur de neutrons tels que le deutérium (dans l'eau lourde), l'hélium , le béryllium ou le carbone, ce dernier généralement que graphite. (La haute pureté pour le carbone est nécessaire parce que de nombreuses impuretés chimiques tels que le bore 10 composante naturelle du bore , sont des absorbeurs de neutrons très forts et donc empoisonnent la réaction en chaîne et se terminent prématurément.)
La production de ces matériaux à l'échelle industrielle ont dû être résolus pour la production d'énergie nucléaire et la production d'armes à accomplir. Jusqu'à 1940, le montant total de l'uranium métal produite aux Etats-Unis n'a pas plus de quelques grammes, et même cela était d'une pureté douteuse; de béryllium métallique pas plus de quelques kilogrammes; et de l'oxyde de deutérium concentré ( eau lourde) pas plus de quelques kilogrammes. Enfin, le carbone n'a jamais été produit en quantité avec quelque chose comme la pureté requise d'un modérateur.
Le problème de la production de grandes quantités d'uranium hautement pureté a été résolu par Frank Spedding en utilisant la thermite ou « processus Ames ". Ames Laboratory a été créé en 1942 pour produire les grandes quantités de naturel (non enrichi) uranium métal qui seraient nécessaires pour que la recherche venir. Le succès chaîne de réaction nucléaire critique du Chicago Pile-1 (2 Décembre, 1942) qui a utilisé non enrichi de l'uranium (naturel), comme tous les "piles" atomiques qui ont produit du plutonium pour la bombe atomique, est également attribuable spécifiquement à Szilard de la réalisation que le graphite très pur peut être utilisé pour le modérateur de même l'uranium "piles" naturelles. En Allemagne, guerre, incapacité à apprécier les qualités de graphite très pur conduit à des conceptions qui dépendent de l'eau lourde du réacteur, qui à son tour a été refusé par les Allemands attaques alliées en Norvège, où l'eau lourde a été produit. Ces difficultés parmi beaucoup d'autres--empêché les nazis de construire un réacteur nucléaire capable de criticité pendant la guerre, bien qu'ils ne jamais mis autant d'efforts que les Etats-Unis dans la recherche nucléaire, en mettant l'accent sur d'autres technologies (voir projet d'énergie nucléaire allemand pour plus détails).
Projet Manhattan et au-delà
Aux États-Unis, un effort tous azimuts pour la fabrication d'armes atomiques a commencé à la fin de 1942. Ce travail a été repris par le US Army Corps of Engineers en 1943, et connu comme l'ingénieur de district de Manhattan. Le top-secret Manhattan Project, comme il était familièrement connue, a été dirigée par le général Leslie R. Groves. Parmi les dizaines de sites du projet étaient: Hanford site dans l'état de Washington, qui avait le premier à l'échelle industrielle réacteurs nucléaires; Oak Ridge, Tennessee, qui portait principalement sur l'enrichissement d'uranium; et Los Alamos, au Nouveau-Mexique, qui était le centre scientifique pour la recherche sur la bombe le développement et la conception. D'autres sites, notamment le Radiation Laboratory de Berkeley et le laboratoire métallurgique de l'Université de Chicago, ont joué des rôles importants contribuant. Direction scientifique globale du projet a été géré par le physicien J. Robert Oppenheimer .
En Juillet 1945, la première bombe atomique, baptisé " Trinity ", a explosé dans le désert du Nouveau-Mexique. Il a été alimenté par du plutonium créé à Hanford. En Août 1945, deux autres atomique bombs- " Little Boy ", une bombe de l'uranium-235, et" Fat Man ", une bombe au plutonium-ont été utilisés contre les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki.
Dans les années après la Seconde Guerre mondiale, de nombreux pays ont été impliqués dans la poursuite du développement de la fission nucléaire à des fins de réacteurs nucléaires et les armes nucléaires.
Fission naturelle chaîne réacteurs sur Terre
Criticité dans la nature est rare. À trois gisements de minerai à Oklo dans Gabon , seize sites (les soi-disant Réacteurs fossiles Oklo) ont été découverts au cours de laquelle la fission nucléaire auto-entretenue a eu lieu il ya environ 2 milliards d'années. Inconnu jusqu'en 1972 (mais postulée par Paul Kuroda en 1956), lorsque le physicien français Francis Perrin a découvert les fossiles réacteurs d'Oklo, on a réalisé que la nature avait battu les humains pour le punch. Réactions en chaîne de fission de l'uranium naturel à grande échelle, animée par l'eau normale, avaient eu lieu loin dans le passé et ne serait pas possible maintenant. Ce processus antique était en mesure d'utiliser l'eau normale comme modérateur seulement parce 2000000000 années avant le présent, l'uranium naturel était plus riche dans la durée plus courte isotope fissile 235 U (environ 3%), que l'uranium naturel disponibles aujourd'hui (qui est seulement de 0,7% , et doit être enrichi à 3% pour être utilisable dans les réacteurs à eau légère).
