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Fissão nuclear

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Uma reação de fissão induzida. Um neutrões é absorvida por um núcleo de urânio-235, transformando-o brevemente em um animado urânio-236 núcleo, com a energia de excitação fornecida pela energia cinética do nêutron mais as forças que ligam o nêutron. O urânio-236, por sua vez, se divide em rápido movimento elementos mais leves (produtos de fissão) e em liberações três nêutrons livres. Ao mesmo tempo, um ou mais "pronta raios gama "(não mostrado) são produzidos, bem como.

Na física nuclear e química nuclear, a fissão nuclear é ou um ou uma reacção nuclear processo de desintegração radioactiva em que o núcleo de um átomo se divide em partes menores (mais leves núcleos ), produzindo muitas vezes gratuitos nêutrons e fótons (sob a forma de raios gama), e liberando uma quantidade muito grande de energia , mesmo pelos padrões energéticos da deterioração radioativa. Os dois núcleos produzidos são mais frequentemente de tamanhos comparáveis mas ligeiramente diferentes, tipicamente com um rácio de massa de produtos de cerca de 3 a 2, para comum físseis os isótopos . A maioria de fissão são fissão binária (produzindo dois fragmentos carregados), mas ocasionalmente (2 a 4 vezes por eventos 1000), três fragmentos carregados positivamente são produzidos, numa fissão ternária. O mais pequeno destes fragmentos em processos ternárias varia em tamanho a partir de um protão a um núcleo de árgon.

Fissão como encontrada no mundo moderno é geralmente um homem-feito deliberadamente produzido reação nuclear induzida por um nêutron. É menos comumente encontrado como uma forma natural de espontânea decaimento radioativo (que não exige um nêutron), ocorrendo especialmente nas próprias isótopos de alta massa-número. A composição imprevisível dos produtos (que variam de uma forma ampla probabilística e um tanto caótica) distingue a fissão dos processos puramente quantum-escavação de um túnel tais como emissão de protões, decaimento alfa e decadência cluster, que dão os mesmos produtos cada vez.

Fissão nuclear de elementos pesados foi descoberto em 1938 por Meitner, Hahn e Frisch, e nomeado por analogia com fissão biológica de células vivas. É um reação exotérmica que pode liberar grandes quantidades de energia , tanto como a radiação eletromagnética e como a energia cinética dos fragmentos ( aquecendo o material a granel, onde a fissão ocorre). Para que a fissão para produzir energia, o total energia dos elementos de ligação resultantes deve ser maior do que a do elemento de partida. Fissão é uma forma de transmutação porque os fragmentos resultantes não são o mesmo elemento que o átomo original.

A fissão nuclear produz a energia para potência nuclear e para conduzir a explosão de armas nucleares . Ambos os usos são possíveis porque determinadas substâncias chamadas combustíveis nucleares sofrer fissão quando golpeadas por nêutrons de fissão, e por sua vez emite nêutrons quando quebram distante. Isso torna possível uma auto-sustentável reacção em cadeia que liberta energia a uma taxa controlada numa reactor nuclear ou em uma taxa descontrolada muito rápida 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 similar do combustível químico tal como gasolina, fazendo a 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 permanecem assim para as quantidades significativas de tempo, dando origem a um problema dos resíduos nucleares. Preocupações sobre acumulação de resíduos nucleares e sobre o potencial destrutivo de armas nucleares podem contrabalançar as qualidades desejáveis da fissão como fonte de energia , e dar origem a contínua política o debate sobre a energia nuclear .

Resumo Física

Mecânica

Uma representação visual de um evento fissão nuclear induzida, onde um nêutron lento é absorvido pelo núcleo de um átomo de urânio-235, que fissões em dois elementos que se movem rapidamente isqueiro (produtos de fissão) e nêutrons adicionais. A maior parte da energia libertada é sob a forma de as velocidades cinéticas dos produtos de cisão e os neutrões.
Rendimentos de produtos de cisão em massa para fissão de nêutrons térmicos de U-235, Pu-239, uma combinação dos dois típico dos reactores actuais nucleares, e L-233 utilizado no ciclo de tório.

Fissão nuclear pode ocorrer sem nêutrons bombardeio, como um tipo de decaimento radioativo. Este tipo de fissão (chamada fissão espontânea) é rara exceto em alguns isótopos pesados. Em dispositivos nucleares de engenharia, essencialmente toda a fissão nuclear ocorre como um " reação nuclear. "- um processo impulsionado pelo bombardeio que resulta da colisão de duas partículas subatômicas Em reações nucleares, uma partícula subatômica colide com um núcleo atômico e provoca alterações nele reações nucleares são, portanto, impulsionado pela mecânica do bombardeio, não por. relativamente constante decaimento exponencial e meia-vida característica dos processos radioactivas espontâneas.

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

Os elementos químicos isótopos que podem sustentar uma reação em cadeia de fissão são chamados combustíveis nucleares, e são referidos como sendo físsil. Os combustíveis nucleares mais comuns são 235 U (o isótopo de urânio com um 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 quebrar em uma gama bimodal de elementos químicos com massas atômicas centralização em torno de 95 e 135 u ( produtos de fissão). A maioria dos combustíveis nucleares submetidos a fissão espontânea muito lentamente, em vez decadente principalmente através de um alpha / beta cadeia de decaimento durante períodos de milênios para eras . Em um reactor nuclear ou armas nucleares, a esmagadora maioria dos eventos de fissão são induzidas por bombardeamento com outra partícula, um nêutron, que é em si produzido pela fissão eventos anteriores.

Fissões nucleares em combustíveis cindíveis são o resultado da energia de excitação nuclear produzido quando um núcleo físsil capta um neutrão. Esta energia, resultante da captura de neutrões, é um resultado da atraente força nuclear agindo entre o nêutron e núcleo. É o suficiente para deformar o núcleo em um duplo lóbulos "gota", a ponto de fragmentos nucleares exceder as distâncias em que a força nuclear pode conter dois grupos de núcleos carregados juntos, e quando isso acontece, os dois fragmentos completa 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 isótopos físseis (como o urânio-238), mas, a fim de fissão, estes isótopos requerem energia adicional fornecida por neutrões rápidos (tal como produzido pela a fusão nuclear em armas termonucleares).

O modelo da gota de líquido do núcleo atômico prevê produtos de fissão igual porte como um resultado da deformação mecânica nuclear. O mais sofisticado modelo de escudo 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.

O processo de fissão mais comum é fissão binária, e que produz os produtos de cisão observados acima, a 95 ± 15 e 135 ± 15 u. No entanto, o processo de binário acontece simplesmente porque é o mais provável. Em lugar de 2 a 4 por fissões 1000 num reactor nuclear, um processo chamado fissão ternária 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), como um fragmento grande como 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 de alfa decaimento alfa (a chamada "alfas de longo alcance" a ~ 16 MeV), além de hélio-6, e os núcleos (Tritons os núcleos de trítio). O processo ternário é menos comum, mas ainda acaba produzindo significativo acúmulo de gás hélio-4 e trítio nas barras de combustível de reatores nucleares modernos.

Energética

Entrada

Os estágios de fissão binária em um modelo da gota de líquido. Entrada de energia deforma o núcleo em uma gordura "charuto" forma, em seguida, um "amendoim" forma, seguido por fissão binária como os dois lóbulos exceder o curto alcance distância forte força de atração, em seguida, são empurrados para além e longe pela sua carga elétrica. Note-se que, neste modelo, os dois fragmentos de fissão são do mesmo tamanho.

A cisão de um núcleo pesado requer uma energia total de cerca de 7-8000000 de entrada electrões-volt (MeV) inicialmente para superar a força forte que mantém o núcleo para uma forma esférica ou quase esférica, e a partir daí, deformá-la em um ("amendoim") forma de dois lóbulos 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 carregado positivamente + neutrões). Uma vez que os lóbulos nucleares ter sido empurrado para uma distância crítica, para além do qual o curto intervalo uma forte força já não pode segurá-los em conjunto, o processo de sua separação prossegue a partir da energia da (maior alcance) electromagnética de repulsão entre os fragmentos. O resultado são dois fragmentos de fissão afastando-se um do outro, a alta energia.

Cerca de 6 MeV da energia de cisão de entrada é fornecido pela simples ligação de um neutrão adicional para o núcleo pesado através da força forte; no entanto, em muitos isótopos físseis, essa quantidade de energia não é suficiente para a fissão. O urânio-238, por exemplo, tem uma secção transversal quase zero fissão para nêutrons 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 se tornar 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 núcleo pesado cindível que excede uma energia cinética de um ou mais MeV (chamada 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 pela fusão nuclear). No entanto, este processo não pode acontecer, em grande medida em um reator nuclear, como demasiado pequena fração dos nêutrons de fissão produzidos por qualquer tipo de fissão tem energia suficiente para eficientemente fissão U-238 (nêutrons de fissão têm uma média de energia de 2 MeV, mas um modo de apenas 0,75 MeV, ou seja, metade delas com menos de esta energia insuficiente).

Entre os elementos actinídeos pesados, no entanto, esses isótopos que têm um número ímpar de nêutrons (tais como L-235 com 143 nêutrons) se ligar um nêutron extra com um adicional de 1 a 2 MeV de energia ao longo de um isótopo do mesmo elemento com um mesmo número de nêutrons (tais como L-238 com 146 nêutrons). Esta energia adicional de ligação é disponibilizado como um resultado do mecanismo de efeitos de emparelhamento de nêutrons. Este extras energia resulta da Princípio de exclusão de Pauli permitindo uma neutrões extra para ocupar o mesmo orbital nuclear como o último neutrões no núcleo, de modo que os dois formam um par. Em tais isótopos, por conseguinte, não é necessária qualquer energia cinética de neutrões, para toda a energia necessária é fornecida por absorção de qualquer neutrões, quer da variedade lenta ou rápida (os primeiros são utilizados em reactores nucleares moderados, e estes últimos são utilizados em reatores de nêutrons rápidos, e em armas). Como observado acima, o subgrupo de elementos físseis que podem ser fissioned eficientemente com os seus próprios neutrões de fissão (portanto, potencialmente provocando uma nuclear reacção em cadeia em relativamente pequenas quantidades do material puro) são denominados " físsil. "Exemplos de isótopos físseis são U-235 e plutônio-239.

Saída

Eventos de fissão típicos libertar cerca de duzentos milhões eV (200 MeV) da energia para cada evento de fissão. O isótopo exata que está fissioned, e se é ou não cindível ou cindível, tem apenas um pequeno impacto sobre a quantidade de energia liberada. Isto pode ser facilmente visto através da análise da curva de (imagem abaixo) energia de ligação, e observando que a energia de ligação média dos actinídeos nuclides começando com urânio é de cerca de 7,6 MeV por núcleon. Olhando mais à esquerda na curva de ligação de energia, onde o produtos de fissão de cluster, é facilmente observado que a energia de ligação dos produtos de fissão tende a girar em torno de 8,5 MeV por núcleon. Assim, em qualquer caso, a fissão de um isótopo na faixa do actinide de massa, cerca de 0,9 MeV é liberado por núcleo do elemento de partida. A fissão do U235 por um nêutron lento produz energia quase idêntica à fissão do U238 por um nêutron rápido. Este perfil de libertação de energia vale para tório e os vários actinídeos menores também.

Em contraste, a maioria química reações de oxidação (tais como a queima de carvão ou TNT) de libertação no máximo alguns eV por evento. Assim, o 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 os raios gama e partículas colidem com os átomos que formam o reactor e os seus fluido de trabalho, geralmente água ou ocasionalmente água pesada.

Quando um urânio núcleo fissões em dois fragmentos de núcleos filha, 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 (total média de energia de fissão 202,5 MeV), tipicamente ~ 169 MeV aparece como a energia cinética dos núcleos filhos, que voam para além de cerca de 3% da velocidade da luz, devido a repulsão de Coulomb . Além disso, uma média de 2,5 nêutrons são emitidos, com uma média de energia cinética por neutrões de ~ 2 MeV (total de 4,8 MeV). A reação de fissão também libera ~ 7 MeV em linha raios gama fótons . Este último valor significa que uma explosão de fissão nuclear ou acidente de criticidade emite cerca de 3,5% da sua energia como raios gama, menos de 2,5% de sua energia como nêutrons rápidos (total de ambos os tipos de radiação ~ 6%), eo resto como cinética energia de fragmentos de fissão (esta aparece quase imediatamente quando o impacto fragmentos de matéria circundante, tão simples de calor ). Em uma bomba atómica, este calor pode servir para aumentar a temperatura do núcleo da bomba a 100 milhões de Kelvin e provoca a emissão secundária de raios X suaves, que convertem uma parte dessa energia à radiação ionizante. No entanto, em reactores nucleares, a energia cinética fragmento da cisão 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 avançados) foram construídos que liberam uma fração maior de sua energia na forma de 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 em cerca de 6% de rendimento do total em radiação, como resultado imediato de fissão.

Os valores totais de energia de fissão pronta 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 começa como um processo nos produtos de fissão imediatamente; e das emissões gama atrasados, associados com esses decaimentos beta. Por exemplo, em urânio-235 esta energia atrasado 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 emissões gama retardada dos produtos de decaimento beta-excitado (para um total médio de ~ emissões de raios gama 10 por fissão, no total). Assim, um adicional de 6% do total de energia da fissão também é liberado eventualmente, como radiação ionizante não-pronto, e isso é quase igualmente dividida entre gama e energia de raios beta. O restante é antineutrinos.

A 8,8 MeV / 202,5 = 4,3 MeV% da energia que é 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 minúsculo). Radiação Neutrino ordinariamente não é classificada como a radiação ionizante, uma vez que é quase inteiramente absorvida e não, portanto, não produzem efeitos. Quase todo o resto da radiação (radiação beta e gama) é eventualmente convertida em calor no núcleo do reactor ou a sua protecção.

Alguns processos envolvendo nêutrons são notáveis para absorver ou finalmente produzindo energia - por exemplo nêutrons energia cinética não produz calor imediatamente se o nêutron é capturado por um átomo de urânio-238 para produzir plutônio-239, mas essa energia é emitida se o plutônio-239 é mais tarde fissioned. Por outro lado, os chamados nêutrons atrasados emitidos como produtos de decaimento radioativo com uma meia-vida até vários minutos, a partir da fissão-filhas, são muito importantes para controlo do reactor, porque eles dão uma característica "reacção" tempo para a reacção nuclear total a duplicar em tamanho, se a reacção é realizada num " zona retardada-crítico "que se baseia deliberadamente nesses nêutrons para uma reação em cadeia supercrítico (aquele em que cada ciclo de fissão produz mais nêutrons do que absorve). Sem a sua existência, a reação em cadeia nuclear seria linha crítica e aumentam de tamanho mais rapidamente do que poderia ser controlado por intervenção humana. Neste caso, os primeiros reatores atômicos experimentais teria fugido para uma "rápida reacção crítica" perigoso e confuso diante de seus operadores poderia ter desligar manualmente-los para baixo (por esta razão, o designer Enrico Fermi incluído hastes de controle-radiação contador acionado, suspensas por eletroímãs, que poderiam cair automaticamente para o centro de Chicago Pile-1). Se esses nêutrons retardados são capturados sem produzir fissões, eles produzem calor também.

Núcleos de produtos e energia de ligação

Na fissão há uma preferência para produzir fragmentos com números ainda prótons, que é chamado o efeito estranho, mesmo nos fragmentos de distribuição de carga. No entanto, nenhum efeito estranho, mesmo se observa sobre a distribuição de número de massa do fragmento. Este resultado é atribuída a nucleon 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 fissão para igualar núcleos de massa de cerca de 120 massa; 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 para ser mais perto do mínimo energético perto massa 60 u (apenas um quarto da massa físsil média), enquanto o outro núcleo com massa 135 u ainda não está muito fora da faixa de os núcleos mais fortemente vinculado (outra instrução deste, é que o atômica vinculativo curva de energia é ligeiramente mais acentuada à esquerda de massa 120 u do que para a direita dela).

Origem da energia ativa ea curva de energia de ligação

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

Fissão nuclear de elementos pesados produz energia porque o específico energia de ligação dos núcleos intermediário-massa (energia por massa de ligação) com números atômicos e massas atómicas perto de 62 Ni e Fe 56 é maior do que a energia de ligação específica núcleons de núcleos muito pesados, de modo que a energia é libertada quando os núcleos pesados são quebrados. As massas dadas 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 = M - Mp é o massa invariante da energia que é liberada como fótons ( raios gama) e a energia cinética dos fragmentos de fissão, de acordo com o massa-energia fórmula de equivalência E = mc 2.

A variação na energia de ligação específica com o número atómico é devida à interacção dos dois fundamentais forças que actuam sobre o componente núcleons ( prótons e nêutrons ) que compõem o núcleo. Núcleos estão vinculados por uma atraente força nuclear entre nucleões, que supera o repulsão eletrostática entre prótons. No entanto, a força nuclear age apenas em intervalos relativamente curtos (alguns diâmetros nucleônicas), uma vez que segue um decaindo exponencialmente Potencial de Yukawa que torna insignificante em distâncias mais longas. A repulsão eletrostática é de maior alcance, uma vez que 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 que a repulsão eletrostática 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; a quebra de um grande núcleo em dois ou mais núcleos de tamanho intermediário libera energia. A origem dessa energia é a força nuclear, que núcleos de tamanho intermediário permite atuar de forma mais eficiente, porque cada nucleon tem mais vizinhos que estão dentro do curto intervalo de atração dessa força. Assim, é necessário menos energia nos núcleos menores ea diferença para o estado é antes de libertar.

Também por causa da curta distância da força de ligação forte, grandes núcleos estáveis deve conter proporcionalmente mais nêutrons do que os elementos mais leves, que são mais estáveis com uma proporção 1: 1 de prótons e nêutrons. 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 eles adicionar à ligação (que atua entre todos os núcleos) forte força sem aumentar a repulsão próton-próton. Produtos de fissão têm, em média, aproximadamente a mesma proporção de prótons e nêutrons como seu núcleo pai, e, portanto, são geralmente instáveis para decaimento beta (que muda de nêutrons para prótons), porque eles têm proporcionalmente muitos nêutrons em comparação com isótopos estáveis de massa similar.

Esta tendência para núcleos de produtos de cisão para decaimento beta é a causa fundamental do problema de radioativo resíduos de alto nível a partir de reatores nucleares. Produtos de fissão tendem a ser emissores beta, emitindo em rápido movimento de elétrons para conservar a carga elétrica , como o excesso de nêutrons converter para prótons nos átomos de fissão-produto. Ver Produtos de fissão (por elemento) para uma descrição de produtos de fissão ordenados por elemento.

Reações em cadeia

A reação em cadeia de fissão nuclear esquemático. 1. Um átomo de urânio-235 absorve um nêutron e fissões em dois novos átomos (fragmentos de fissão), liberando três novos nêutrons e um pouco de energia de ligação. 2. Um desses neutrões é absorvida por um átomo de urânio-238 e não continuar a reação. Outra nêutron é simplesmente perdido e não colidir com qualquer coisa, também não continuar a reação. No entanto, um nêutron colide com um átomo de urânio-235, que, em seguida, 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, como o urânio , tório e de plutónio , sofrem tanto fissão espontânea, uma forma de decaimento radioativo e fissão induzida, uma forma de reação nuclear. Isótopos elementares que sofrer fissão induzida ao ser atingido por um livre de nêutrons são chamados físsil; isótopos que se submetem à fissão quando atingido por um térmico, lento movimento de nêutrons são também chamados físsil. Alguns isótopos físseis particularmente, de fácil obtenção (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 nêutrons escaparia rapidamente do combustível e se tornar um nêutron livre , com um tempo de vida de cerca de 15 minutos significa antes de decair para prótons e partículas beta. No entanto, quase invariavelmente neutrões 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 mesmo neutrões moderados mover-se a cerca de 8 vezes a velocidade do som). Alguns nêutrons terá impacto núcleos de combustível e induzir novos fissões, liberando ainda mais nêutrons. Se o combustível nuclear suficiente é montado em um lugar, ou se os nêutrons escapam são suficientemente contida, então esses nêutrons recém-emitidas superam os nêutrons que escapam da montagem, e uma reação nuclear em cadeia sustentada terá lugar.

Uma montagem que suporta uma reação nuclear em cadeia sustentada é chamado de conjunto crítico ou, se o conjunto é quase inteiramente feita de um combustível nuclear, um massa crítica. A palavra "crítica" refere-se a um 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 pela decaimento radioativo, mas se uma massa crítica ou mais está presente, então a quantidade de nêutrons é controlado não por a física do reação em cadeia. O real massa de uma massa crítica de combustível nuclear depende fortemente a geometria e os materiais circundantes.

Nem todos os isótopos físseis pode sustentar uma reação em cadeia. Por exemplo, 238 U, a forma mais abundante de urânio, é físsil, mas não físsil: ele sofre fissão induzida quando impactado por um nêutron energizado com mais de 1 MeV de energia cinética. No entanto, muito poucos dos nêutrons produzidos por 238 U fissão são energéticos suficiente para induzir novos fissões em 238 L, de forma nenhuma reação em cadeia é possível com este isótopo. Em vez disso, bombardeando 238 U com nêutrons lentos faz com que ele para absorvê-los (tornando-se 239 U) e decadência por emissão beta a 239 Np que depois decai novamente pelo mesmo processo a 239 Pu; esse processo é usado para fabricar 239 em Pu reactores reprodutores. In-situ a produção de plutónio também contribui para a reacção em cadeia de neutrões em outros tipos de reactores após suficiente plutónio-239 foi obtido, uma vez que 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 cindível pode ser usado como fonte de energia de cisão, mesmo sem uma reacção em cadeia. Bombardeando 238 U com nêutrons rápidos induz fissões, liberando energia, desde que a fonte de nêutrons externo está presente. Este é um efeito importante em todos os reactores em que os neutrões rápidos do isótopo cindível pode causar a fissão de 238U próximas núcleos, o que significa que uma pequena parte do 238 U é "queimado-up" em todos os combustíveis nucleares, especialmente no regenerador rápido reatores que operam com nêutrons de alta energia. Esse mesmo efeito fast-fissão é utilizada para aumentar a energia liberada pela moderna armas termonucleares, por encamisamento a arma com 238 L de reagir com neutrões libertados pela fusão nuclear no centro do dispositivo.

Reatores de fissão

O torres de arrefecimento do Philippsburg Nuclear Power Plant, naAlemanha.

Reatores de fissão críticos são o tipo mais comum de reator nuclear. Em um reactor de fissão crítica, 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 engenharia, mas não auto-sustentação reações de fissão são reatores de fissão subcricas. Tais dispositivos usam decaimento radioativo ou aceleradores de partículas para provocar cisões.

Reatores de fissão críticos são construídas para três propósitos principais, que tipicamente envolvem diferentes de engenharia trade-offs para aproveitar tanto o calor ou os nêutrons produzidos pela reação em cadeia de fissão:

  • reatores de energiase destinam a produzir calor para a energia nuclear, quer como parte de umaestação geradora ou um sistema de energia local, como umsubmarino nuclear.
  • reactores de investigaçãose destinam a produzir nêutrons e / ou ativar fontes radioactivas para outros fins de investigação científica, médica, engenharia ou.
  • reactores reprodutores se destinam a produzir combustíveis nucleares em grandes quantidades a partir de mais abundantes isótopos . O mais conhecido reactor reprodutor rápido faz 239 Pu (um combustível nuclear) a partir do natural muito abundante 238 U (não um combustível nuclear). reactores reprodutores térmico previamente testado usando 232 Th para produzir o isótopo físsil 233 U ( ciclo do combustível de tório) continuam a ser estudados e desenvolvidos .

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 ea maioria dos reatores foram construídos com apenas uma das tarefas acima em mente. (Existem vários contra-exemplos adiantados, como o Hanford N reactor, desarmado agora). Reactores de energia geralmente converter a energia cinética dos produtos de fissão em calor, que é usado para aquecer uma 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 . Reactores de investigação produzir neutrões que são utilizados em várias formas, com o calor de fissão a ser tratado como um produto residual inevitável. Reactores reprodutores são uma forma especializada de reator de pesquisa, com a ressalva de que a amostra a ser irradiada geralmente é o próprio combustível, uma mistura de 238 L e 235 U. Para uma descrição mais detalhada dos princípios físicos e de funcionamento de reatores de fissão críticos, consulte física reactor nuclear. Para uma descrição de seus aspectos sociais, políticos e ambientais, consulte a energia nuclear .

Bombas de fissão

O cogumelo atómico dabomba atômica lançada sobre Nagasaki, Japão, em 1945 aumentou cerca de 18 quilômetros (11 milhas) acima da bomba hipocentro.A bomba matou pelo menos 60.000 pessoas.

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 primeiras pesquisas em fissão nuclear: o Projeto Manhattan da Militares dos EUA durante a Segunda Guerra Mundial realizado a maior parte do trabalho científico no início reações em cadeia de fissão, culminando no Trinity bomba eo teste Little Boy e Bombas homem gordo que foram explodidas sobre as cidades Hiroshima, e Nagasaki, Japão em agosto de 1945.

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

Enquanto a física fundamentais da fissão reação em cadeia em uma arma nuclear é semelhante à física de um reator nuclear controlada, os dois tipos de aparelho devem ser projetados de forma bastante diferente (ver física reactor nuclear). Uma bomba nuclear é projetado para liberar toda a sua energia de uma só vez, enquanto um reator é projetado para gerar um fornecimento estável de energia útil. Enquanto o sobreaquecimento de um reactor pode conduzir a, e levou a, meltdown e explosões de vapor, os muito mais baixos enriquecimento de urânio torna impossível para um reactor nuclear para explodir com o mesmo poder destrutivo como uma arma nuclear. É também difícil de extrair energia útil a partir de uma bomba nuclear, embora pelo menos um sistema de propulsão do foguete, Projeto Orion, destinava-se 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 razão importante pela qual a tecnologia de fissão nuclear é politicamente sensível. Projetos fissão bomba viáveis ​​são, sem dúvida, dentro das capacidades de muitos serem 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, mas a todos os governos modernos industrializados com programas especiais para a produção de materiais físseis (ver enriquecimento de urânio e ciclo do combustível nuclear).

História

Descoberta da fissão nuclear

A descoberta da fissão nuclear ocorreu em 1938, após quase cinco décadas de trabalho sobre a ciência da radioatividade ea elaboração de novos física nuclear que descreviam os componentes de átomos . Em 1911, Ernest Rutherford propôs um modelo do átomo em que uma muito pequena, denso e carregado positivamente núcleo de protões (o nêutron ainda não tinha sido descoberto) foi cercado orbitando, carregadas negativamente elétrons (o modelo de Rutherford). Niels Bohr melhorado em cima deste em 1913 por conciliar o comportamento quântico dos elétrons (o modelo de Bohr). Trabalho por Henri Becquerel, Marie Curie , Pierre Curie, e Rutherford mais elaborado que o núcleo, embora fortemente ligada, pode sofrer diferentes formas de decaimento radioativo, e, assim, transmutar em outros elementos. (Por exemplo, por decaimento alfa: a emissão de uma partícula de alfa-dois protões 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 nitrogênio em oxigênio, 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 reação nuclear completamente artificial e transmutação foi alcançado por colegas de Rutherford Ernest Walton e John Cockcroft, que usaram prótons acelerados artificialmente contra lítio-7, para dividir esse núcleo em duas partículas alfa. A façanha foi popularmente conhecido como "divisão do átomo", embora não tenha sido a reação de fissão nuclear moderno descoberto mais tarde em elementos pesados, o que é discutido abaixo. Enquanto isso, a possibilidade de combinar núcleos-nucleares de fusão tinha sido estudada em conexão com a compreensão dos processos que o poder estrelas . A primeira reação de fusão artificial tinha sido alcançado por Mark Oliphant em 1932, usando acelerado núcleos de deutério (cada uma composta por um único próton vinculado a um único nêutron) para criar um hélio núcleos.

Após Inglês físico James Chadwick descobriu o nêutron em 1932, Enrico Fermi e seus colegas em Roma estudaram os resultados do bombardeando o urânio com nêutrons em 1934. Fermi concluiu que seus experimentos criara 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. O químico alemão Ida Noddack nomeadamente sugerido na imprensa em 1934, que em vez de criar um novo elemento, mais pesado 93, que "é concebível que o núcleo se divide em vários fragmentos grandes." No entanto, a conclusão de Noddack não foi perseguido na época.

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 para a Alemanha nazista em 1938, mas ela fugiu para a Suécia e começou uma correspondência por Static Wikipedia - Euskera 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 20 de Dezembro descrevendo sua prova química que alguns dos produtos do bombardeio de urânio com nêutrons foi bário . Hahn sugeriu um estouro do núcleo, mas ele não tinha certeza de 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 tinha sido separação de bário a partir de rádio, durante muitos anos, e foram bem conhecidas as técnicas. De acordo com Frisch:

Foi um erro? Não, disse Lise Meitner; Hahn era bom demais para que um químico. Mas como poderia ser formado a partir de bário urânio? Fragmentos não maiores do que prótons ou núcleos de hélio (partículas alfa) tinha sido sempre lascados longe de núcleos, e pegue um grande número não energia suficiente estava disponível. Também não era possível que o núcleo de urânio poderiam ter sido cindido em frente. Um núcleo não era como um sólido frágil que pode ser clivada ou quebrados; 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, em vez de ser rasgado quebrado em dois? Nós sabia que havia forças fortes que resistem a tal processo, tal como a tensão de superfície de uma gota de líquido comum tende a resistir à sua divisão em dois mais pequenos. Mas núcleos diferia gotas ordinárias de uma maneira importante: eles estavam eletricamente carregados, e que era conhecido para 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 pode de fato se assemelham a uma queda instável muito vacilante, prestes a dividir-se à menor provocação, tais como o impacto de um único nêutron. Mas havia outro problema. Após a separação, as duas gotas seriam expulsos para além por sua repulsão mútua e eléctrico iria adquirir alta velocidade e, portanto, uma energia muito grande, de cerca de 200 MeV em todos; onde poderia essa energia vem? ... 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 por cerca de um quinto da massa de um próton. Agora, sempre massa desaparece energia é criado, de acordo com a de Einstein fórmula E = mc 2 , e um quinto de uma massa de protões era equivalente a apenas 200MeV. Então, aqui foi a fonte para que a energia; tudo montado!

Em suma, Meitner e Frisch havia resultados de Hahn interpretados corretamente no sentido de que o núcleo de urânio tinha dividido mais ou menos pela metade. Frisch sugeriu que o processo seja chamado "fissão nuclear", por analogia com o processo de viver a divisão celular em duas células, que era então chamado fissão binária. Assim como a nuclear termo "reação em cadeia" 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 de bário após bombardeando o urânio com nêutrons . Ao mesmo tempo, eles se comunicavam esses resultados a Meitner, na Suécia. Ela e Frisch interpretado corretamente os resultados como prova de fissão nuclear. Frisch confirmou esta experimentalmente em 13 de janeiro de 1939. Para provar que o bário , resultante do seu bombardeamento de urânio com nêutrons foi o produto da fissão nuclear, Hahn foi agraciado com o Prêmio Nobel de Química em 1944 (o único destinatário) "pela descoberta da 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 preenchiam os critérios, conforme descrito no testamento de Alfred Nobel." Nesses casos, o estatuto da Fundação Nobel permitir que prêmio do ano ser reservados até o ano seguinte.)

Notícias espalhou-se rapidamente da nova descoberta, que foi corretamente vista como um efeito físico totalmente novo, com excelentes práticas-possibilidades científicas e potencialmente. A interpretação de de Meitner e 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 Físicos da Universidade de Columbia que trabalham em Princeton, ouviu a notícia e levou-a de volta para Columbia. Rabi disse que disse Enrico Fermi; Fermi deu crédito ao Cordeiro. Bohr logo em seguida passou de Princeton para Columbia para ver Fermi. Não encontrando Fermi em seu escritório, Bohr desceu ao ciclotrão área 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 devem tentar detectar a energia liberada na fissão nuclear do urânio de bombardeamento 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. O experimento envolveu a colocação de óxido de urânio dentro de uma câmara de ionização e irradiando-o com os nêutrons, e medindo a energia assim liberada. Os resultados confirmaram que a fissão estava ocorrendo e sugeriu fortemente que era o isótopo urânio 235, em especial, que foi fissionar. No dia seguinte, a Conferência de Washington Quinta em Física Teórica começou em Washington, DC , sob os auspícios conjuntos da Universidade George Washington e da Carnegie Institution de Washington. Lá, as notícias sobre a fissão nuclear foi espalhado ainda mais, o que fomentou muitas manifestações mais experimentais.

Durante este período, o físico húngaro Leo Szilard, que estava residindo 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 foi 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 1932 a experiência de sua equipe usando prótons para dividir lítio. No entanto, Szilárd não tinha sido capaz de alcançar uma reação em cadeia-driven de nêutrons com átomos leves ricos em nêutrons. Em teoria, se uma reacção em cadeia accionado a neutrões o número de neutrões secundários produzidos era maior do que um, então cada um desses reacção pode desencadear reacções múltiplas adicionais, a produção de um número cada vez maior de reacções de forma exponencial. Foi, assim, uma possibilidade de que a fissão de urânio poderia produzir grandes quantidades de energia para fins civis ou militares (ou seja, a geração de energia elétrica ou bombas atômicas ).

Szilard pediu agora 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 U foi, então, relatada em 3,5 por fissão. (Mais tarde, eles corrigido isso para 2.6 por fissão.) O trabalho simultâneo por Szilard e Walter Zinn confirmaram esses resultados. Os resultados sugerem a possibilidade de construção de reatores nucleares (primeiro chamado "reactores neutrônico" por Szilard e Fermi) e até mesmo bombas nucleares. No entanto, muito ainda era desconhecido sobre sistemas de reação de fissão e de cadeia.

Reação em cadeia de fissão

Desenho do primeiro reactor artificial,Chicago Pile-1.

" Reações em cadeia "naquela época eram um fenômeno conhecido emquímica, mas o processo análogo na física nuclear, utilizando nêutrons, tinha sido previsto a partir de 1933 por Szilárd, embora Szilárd naquela época não tinha idéia 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 idéia de um reactor nuclear (pilha) para mediar este processo. A pilha usaria urânio natural como combustível. Fermi tinha mostrado muito mais cedo que os nêutrons foram muito mais eficaz capturados por átomos se fossem de baixa energia (o chamado "lento" ou nêutrons "térmicas"), porque por razões quântica fez os átomos parecer metas 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 a qual os nêutrons secundários rápidos de alta energia iria colidir, efetivamente abrandar-los. Com urânio suficiente, e com grafite puro-suficiente, a sua "pilha" poderia teoricamente sustentar uma reação em cadeia de nêutrons-lenta. Isto resultaria na produção de calor, bem como a criação de radioactivos produtos de fissão.

Em agosto de 1939, Szilard e colegas refugiados húngaros físicos 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 persuadiram judeu alemão refugiado Albert Einstein para emprestar seu nome a uma carta dirigida ao presidente Franklin Roosevelt . O Einstein-Szilárd carta sugeriu a possibilidade de uma entrega bomba de urânio por navio, o que destruiria "um porto inteiro e grande parte do paisagem circundante. " O Presidente recebeu a carta de 11 de Outubro 1939 - logo após a Segunda Guerra Mundial começou na Europa, mas dois anos antes da entrada dos EUA nele. Roosevelt ordenou que uma comissão científica ser autorizada pela supervisão do trabalho de urânio e atribuída 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 trabalho 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 deutereto 10 centímetros em um lado (cerca de 11 kg de urânio) pode "explodir em si para o inferno." Neste projeto ele ainda pensava-se que um moderador teria de ser utilizado para a fissão nuclear bomba (isso 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 maioria destes modelos ainda estavam sob o pressuposto de que as bombas seriam alimentados por nêutrons lentos reações-e, assim, ser semelhante a um reactor passando por uma crise.

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 U, que tinha uma secção transversal apenas determinada, e que era muito maior do que a de 238 U ou de urânio natural (que é 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 enorme. (O montante efectivamente acabou por ser de 15 kg, embora várias vezes esse montante foi utilizado 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-judaica Emilio Segrè pouco depois descobriu 239 Pu nos produtos de decaimento de 239 U produzidos bombardeando 238 U com nêutrons, e determinou que ele seja um material físsil, como 235 U.

A possibilidade de isolar o urânio-235 foi tecnicamente difícil, porque o urânio-235 e urânio-238 são quimicamente idênticas, e variam em sua massa por apenas o peso de três nêutrons. No entanto, se uma quantidade suficiente de urânio-235 poderia ser isolado, que permitiria uma neutrões rápidos reacção de cisão em cadeia. 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 novo 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 em os EUA a mobilizar recursos científicos e aplicar os resultados da investigação para a defesa nacional. Em setembro, Fermi montado seu primeiro "pilha" nuclear reactor ou, em uma tentativa de criar uma reação em cadeia lenta induzida por nêutrons no urânio, mas a experiência não conseguiu alcançar criticidade, devido à falta de materiais adequados, ou não o suficiente para o bom materiais que estavam disponíveis.

Produzindo uma reação em cadeia de fissão no combustível de urânio natural, foi encontrado para ser longe de ser trivial. Os primeiros reatores nucleares não utilizar urânio enriquecimento isotópico, e em conseqüência, eles foram obrigados a usar grandes quantidades de grafite altamente purificada como materiais de moderação de nêutrons. O uso de água comum (em oposição a água pesada) em reatores nucleares requer combustível enriquecido - a separação parcial e enriquecimento relativo dos raros 235 U isótopo do muito mais comum 238 isótopo U. Tipicamente, os reactores também exigem a inclusão de extremamente quimicamente puros materiais moderador de neutrões tal como o deutério (em água pesada), hélio , berílio , ou de carbono, este último geralmente como grafite. (O elevado grau de pureza para o carbono é necessário porque muitas impurezas químicas, tais como o sem boro 10 componente dos recursos naturais de boro , são muito fortes absorventes de neutrões e, assim, envenenar a reação em cadeia e terminá-la prematuramente.)

A produção de tais materiais em escala industrial teve que ser resolvido para geração de energia nuclear e produção de armas a ser realizado. Até 1940, a quantidade total de urânio metálico produzido nos EUA não era 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 quilos. Finalmente, carbono nunca tinha sido produzida em quantidade com qualquer coisa como 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 " processo de Ames ". laboratório de Ames foi criada em 1942 para produzir as grandes quantidades de naturais (unenriched) de metal de urânio que seriam necessárias para a pesquisa de vir. O sucesso de reação em cadeia nuclear crítico do Chicago Pile-1 (2 de dezembro de 1942) que usou unenriched (natural) de urânio, como todas as "pilhas" atômicos que produziu o plutônio para a bomba atômica, foi também devido especificamente para Szilard de percepção de que grafite muito puro pode ser utilizado para o moderador de urânio mesmo naturais "pilhas". Em tempo de guerra a Alemanha, a incapacidade de apreciar as qualidades de grafite muito puro levou a projetos de reator de água pesada dependentes, 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 colocou tanto esforço como os Estados Unidos em investigação nuclear, concentrando-se em outras tecnologias (ver projeto de energia nuclear alemã 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 retomado pelo 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 Groves R.. Entre dezenas do projeto de sites foram: Hanford Site no estado de Washington, que teve a primeira em 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 a investigação sobre bomba desenvolvimento e design. Outros sites, nomeadamente o Laboratório de Radiação Berkeley e do Laboratório de Engenharia Metalúrgica da Universidade de Chicago, desempenharam papéis importantes que contribuem. Direção científica global do projecto foi gerido pelo físico J. Robert Oppenheimer .

Em julho de 1945, a primeira bomba atômica, apelidada de " Trinity ", foi detonado no deserto do Novo México. Ele foi alimentado por plutônio criado em Hanford. Em agosto de 1945, mais dois atômica bombs- " 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.

Fissão Natural cadeia reatores na Terra-

Criticidade na natureza é incomum. Aos três depósitos de minério em Oklo no Gabão , dezesseis sites (os chamados Reatores fósseis Oklo) foram descobertos em que a fissão nuclear auto-sustentável ocorreu cerca de 2 bilhões de anos atrás. Desconhecido até 1972 (mas postulada por Paul Kuroda em 1956), quando o físico francês Francis Perrin descobriu os fósseis Reatores Oklo, percebeu-se que a natureza tinha batido os seres humanos para o soco. Reações em cadeia de fissão urânio natural em grande escala, moderados 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 2000 milhões anos antes do presente, o urânio natural era mais rico no menor duração isótopo físsil 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 usado em reatores de água leve).

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