Nükleer fisyon - Nuclear fission
| Nükleer Fizik |
|---|
 |
| Çekirdek · Nükleonlar ( p , n ) · Nükleer madde · Nükleer kuvvet · Nükleer yapı · Nükleer reaksiyon |
Nükleer fizyon a, reaksiyon içinde çekirdeği , bir ait atomu , iki ya da daha çok daha küçük böler çekirdekleri . Fisyon süreci genellikle gama fotonları üretir ve radyoaktif bozunmanın enerjik standartlarına göre bile çok büyük miktarda enerji açığa çıkarır .
Ağır elementlerin nükleer fisyonu, 17 Aralık 1938'de Alman kimyager Otto Hahn ve asistanı Fritz Strassmann tarafından Avusturyalı-İsveçli fizikçi Lise Meitner ile işbirliği içinde keşfedildi . Hahn, atom çekirdeğinde bir "patlama" meydana geldiğini anlamıştı. Meitner bunu teorik olarak Ocak 1939'da yeğeni Otto Robert Frisch ile birlikte açıkladı . Frisch, süreci canlı hücrelerin biyolojik bölünmesine benzeterek adlandırdı . Ağır için nüklitlerin , bir bir ekzotermik reaksiyon büyük miktarlarda serbest bırakabilir enerji hem elektromanyetik radyasyon gibi kinetik enerji (fragmanlarının ısıtılmasını fizyon gerçekleşir dökme malzeme). Gibi nükleer füzyon , üretmek enerji reaksiyonu için sırayla, toplam bağlanma enerjisi elde edilen elemanların başlangıç elemanının daha büyük olmalıdır.
Fisyon, bir nükleer transmutasyon şeklidir, çünkü ortaya çıkan fragmanlar (veya yavru atomlar) , orijinal ana atomla aynı element değildir . Üretilen iki (veya daha fazla) çekirdek çoğunlukla karşılaştırılabilir ancak biraz farklı boyutlardadır, tipik olarak ortak bölünebilir izotoplar için yaklaşık 3 ila 2 ürün kütle oranına sahiptir . En fissions ikili fissions (iki yüklü fragmanları üreten), fakat zaman zaman (1000 olay başına 2 ila 4 kez), olan üç bir pozitif yüklü fragmanları üretilir üçlü fisyon . Üçlü süreçlerdeki bu parçaların en küçüğü, bir protondan bir argon çekirdeğine kadar boyut olarak değişir .
Bir nötron tarafından indüklenen, insanlar tarafından kullanılan ve kullanılan fisyonun yanı sıra, doğal bir spontan radyoaktif bozunma biçimi (nötron gerektirmeyen) fisyon olarak da adlandırılır ve özellikle çok yüksek kütleli izotoplarda meydana gelir. Kendiliğinden fisyon 1940'ta Moskova'da Flyorov , Petrzhak ve Kurchatov tarafından, Niels Bohr'un tahmin ettiği gibi, nötron bombardımanı olmadan uranyumun fisyon oranının ihmal edilebilir olduğunu doğrulamayı amaçlayan bir deneyde keşfedildi ; önemsiz değildi.
Ürünlerin öngörülemeyen bileşimi (geniş bir olasılık ve biraz kaotik bir şekilde değişir), fisyon, her seferinde aynı ürünleri veren proton emisyonu , alfa bozunması ve küme bozunması gibi tamamen kuantum tünelleme işlemlerinden ayırır . Nükleer fisyon, nükleer güç için enerji üretir ve nükleer silahların patlamasını sağlar . Her iki kullanım da mümkündür, çünkü nükleer yakıtlar olarak adlandırılan bazı maddeler , fisyon nötronları tarafından vurulduğunda fisyona uğrar ve parçalandıklarında nötronlar yayarlar. Bu, bir nükleer reaktörde kontrollü bir oranda veya bir nükleer silahta çok hızlı, kontrolsüz bir oranda enerji salarak, kendi kendini idame ettiren bir nükleer zincir reaksiyonunu mümkün kılar .
Miktarı serbest enerji nükleer yakıt içerdiği gibi serbest enerji miktarı kimyasal yakıtın benzer kütle içinde bulunan milyonlarca kat benzin nükleer fizyon enerjisi çok yoğun kaynak yapma. Bununla birlikte, nükleer fisyon ürünleri, normalde yakıt olarak fisyona uğrayan ağır elementlerden ortalama olarak çok daha fazla radyoaktiftir ve önemli bir süre boyunca böyle kalır ve nükleer atık sorununa yol açar . Nükleer atık birikimi ve nükleer silahların yıkıcı potansiyeli konusundaki endişeler, fisyonun bir enerji kaynağı olarak kullanılmasına yönelik barışçıl arzuya karşı bir denge oluşturuyor .
Fiziksel genel bakış
mekanizma
Radyoaktif bozunma
Nükleer fisyon, bir tür radyoaktif bozunma olarak nötron bombardımanı olmadan gerçekleşebilir . Bu tür fisyon ( spontan fisyon olarak adlandırılır ), birkaç ağır izotop dışında nadirdir.
Nükleer reaksiyon
Tasarlanmış nükleer cihazlarda, esasen tüm nükleer fisyon, bir " nükleer reaksiyon " olarak meydana gelir - iki atom altı parçacığın çarpışmasından kaynaklanan bombardımana dayalı bir süreç. Nükleer reaksiyonlarda, bir atom altı parçacık bir atom çekirdeği ile çarpışır ve onda değişikliklere neden olur. Nükleer reaksiyonlar, bu nedenle , kendiliğinden radyoaktif süreçlerin nispeten sabit üstel bozulma ve yarı ömür özelliği tarafından değil, bombardıman mekaniği tarafından yönlendirilir .
Şu anda birçok nükleer reaksiyon türü bilinmektedir. Nükleer fisyon, diğer nükleer reaksiyon türlerinden önemli ölçüde farklıdır, çünkü bir nükleer zincir reaksiyonu (bir tür genel zincir reaksiyonu ) yoluyla büyütülebilir ve bazen kontrol edilebilir . Böyle bir reaksiyonda, her bir fisyon olayı tarafından salınan serbest nötronlar , daha fazla olayı tetikleyebilir ve bu da daha fazla nötron salarak daha fazla fisyona neden olabilir.
Kimyasal element izotopları Bir fizyon zincir reaksiyonu sürdürmek adlandırılır nükleer yakıt , ve olduğu söylenmektedir bölünebilir . En yaygın nükleer yakıtlardır 235 U (izotop uranyum ile kütle numarasından ve 235 ve nükleer reaktörlerde kullanım) 239 Pu (izotop plütonyum kütle numarası 239 ile). Bu yakıtlar, atom kütleleri 95 ve 135 u ( fisyon ürünleri ) civarında merkezlenen iki modlu bir kimyasal element aralığına ayrılır . En nükleer yakıtlar maruz kendiliğinden fizyon bir ile yerine esas olarak çürüyen, sadece çok yavaş bir alfa - Beta çürümesi zinciri arasında süreler boyunca bin için eons . Bir nükleer reaktörde veya nükleer silahta, fisyon olaylarının ezici çoğunluğu, kendisi önceki fisyon olayları tarafından üretilen bir nötron olan başka bir parçacıkla bombardıman tarafından indüklenir.
Bölünebilir yakıtlarda nükleer fisyon, bölünebilir bir çekirdeğin bir nötron yakaladığı zaman üretilen nükleer uyarma enerjisinin sonucudur. Nötron yakalanmasından kaynaklanan bu enerji, nötron ve çekirdek arasındaki çekici nükleer kuvvetin bir sonucudur . Çekirdeği, nükleer kuvvetin iki yüklü nükleon grubunu bir arada tutabileceği mesafeleri aştığı ve bu gerçekleştiğinde, iki parçanın ayrılmalarını tamamladığı noktaya kadar çift loblu bir "damla" şeklinde deforme etmek yeterlidir. ve daha sonra, gittikçe daha fazla mesafe ile geri döndürülemez hale gelen bir süreçte, karşılıklı itici yükleri tarafından daha da uzaklaştırılırlar. Benzer bir işlem gerçekleşir bölünebilir (örneğin uranyum-238 gibi) izotoplar, ancak bölünme için, bu izotopların tarafından sağlanan ek enerjiye ihtiyaç hızlı nötronlar (örneğin tarafından üretilenler gibi nükleer füzyon olarak termonükleer silah ).
Sıvı damla modeli arasında atom çekirdeği nükleer deformasyon bir sonucu olarak eşit büyüklükte füzyon ürünleri öngörür. Bir fisyon ürününün diğerinden biraz daha küçük olduğu daha enerjik olarak daha uygun sonuca giden yolu mekanik olarak açıklamak için daha karmaşık nükleer kabuk modeline ihtiyaç vardır. Kabuk modeline dayalı bir fisyon teorisi, Maria Goeppert Mayer tarafından formüle edilmiştir .
En yaygın fisyon işlemi ikili fisyon, ve 95 ± 15 ve 135 ± 15, yukarıda belirtildiği fizyon ürünleri üreten u . Bununla birlikte, ikili süreç yalnızca en olası olduğu için gerçekleşir. Bir nükleer reaktörde her 1000'de 2 ila 4 fisyonda, üçlü fisyon adı verilen bir süreç, pozitif yüklü üç parça (artı nötron) üretir ve bunların en küçüğü çok küçük bir yük ve bir proton kadar kütle ( Z = 1) arasında değişebilir. , argon kadar büyük bir parçaya ( Z = 18). Bununla birlikte, en yaygın küçük parçalar, alfa bozunmasından (~ 16 MeV'de "uzun menzilli alfalar" olarak adlandırılır) gelen alfa parçacıklarından daha fazla enerjiye sahip %90 helyum-4 çekirdeği, artı helyum-6 çekirdeği ve tritonlardan oluşur ( trityum çekirdekleri ). Üçlü süreç daha az yaygındır, ancak yine de modern nükleer reaktörlerin yakıt çubuklarında önemli miktarda helyum-4 ve trityum gazı birikmesi üretir.
enerjik
Giriş
Ağır bir çekirdeğin bölünmesi , çekirdeği küresel veya neredeyse küresel bir şekle sokan nükleer kuvvetin başlangıçta üstesinden gelmek ve oradan ikiye deforme etmek için yaklaşık 7 ila 8 milyon elektron volt (MeV) toplam girdi enerjisi gerektirir. En yaygın ikili fisyon işleminde (iki pozitif yüklü fisyon ürünü + nötron) lobların birbirlerinden ayrılmaya devam edebildikleri, karşılıklı pozitif yükleri tarafından itilen loblu ("fıstık") şekli. Nükleer loblar, kısa menzilli güçlü kuvvetin artık onları bir arada tutamayacağı kritik bir mesafeye itildiğinde , ayrılma süreci , parçalar arasındaki (daha uzun menzilli) elektromanyetik itmenin enerjisinden başlar . Sonuç, yüksek enerjide birbirinden uzaklaşan iki fisyon parçacığıdır.
Fisyon giriş enerjisinin yaklaşık 6 MeV'si, güçlü kuvvet yoluyla ekstra bir nötronun ağır çekirdeğe basit bir şekilde bağlanmasıyla sağlanır; ancak birçok bölünebilir izotopta bu miktarda enerji fisyon için yeterli değildir. Örneğin Uranyum-238, bir MeV enerjisinden daha az nötronlar için sıfıra yakın bir fisyon kesitine sahiptir. Başka herhangi bir mekanizma tarafından ek enerji sağlanmazsa, çekirdek fisyon yapmaz, ancak U-238 yavaş ve hatta hızlı nötronların bir kısmını emdiğinde olduğu gibi, U-239 olmak için nötronu emer. Fisyon başlatmak için kalan enerji, diğer iki mekanizma tarafından sağlanabilir: bunlardan biri, gelen nötronun daha fazla kinetik enerjisidir; bu , bir MeV veya daha fazla kinetik enerjiyi aştığında bölünebilir bir ağır çekirdeği giderek daha fazla parçalayabilmektedir (böylece- hızlı nötronlar denir ). Bu tür yüksek enerjili nötronlar, U-238'i doğrudan parçalayabilir ( hızlı nötronların nükleer füzyonla sağlandığı uygulama için termonükleer silaha bakın ). Bununla birlikte, herhangi bir tür fisyon tarafından üretilen fisyon nötronlarının çok küçük bir kısmı, U-238'i verimli bir şekilde fisyon için yeterli enerjiye sahip olduğundan (fisyon nötronlarının mod enerjisi 2 MeV'dir). ancak medyan yalnızca 0.75 MeV'dir, yani yarısının bu yetersiz enerjiden daha azına sahip olduğu anlamına gelir).
Bununla birlikte, ağır aktinit elementler arasında, tek sayıda nötrona sahip olan izotoplar (143 nötronlu U-235 gibi), aynı elementin bir izotopu üzerinde ek 1 ila 2 MeV enerji ile fazladan bir nötron bağlar. nötron sayısı (146 nötronlu U-238 gibi). Bu ekstra bağlanma enerjisi, nötron eşleştirme etkilerinin mekanizmasının bir sonucu olarak sağlanır . Bu ekstra enerji , fazladan bir nötronun çekirdekteki son nötron ile aynı nükleer yörüngeyi işgal etmesine izin veren Pauli dışlama ilkesinden kaynaklanır , böylece ikisi bir çift oluşturur. Bu nedenle, bu tür izotoplarda, hiçbir nötron kinetik enerjisine ihtiyaç yoktur, çünkü gerekli tüm enerji, yavaş veya hızlı çeşitlerden herhangi bir nötronun absorpsiyonu ile sağlanır (ilkileri ılımlı nükleer reaktörlerde kullanılır ve ikincisi hızlı kullanılır. nötron reaktörlerinde ve silahlarda). Yukarıda belirtildiği gibi, kendi fisyon nötronlarıyla verimli bir şekilde bölünebilen (böylece saf malzemenin nispeten küçük miktarlarında potansiyel olarak nükleer zincir reaksiyonuna neden olan) bölünebilir elementlerin alt grubuna " bölünebilir " denir . Bölünebilir izotop örnekleri uranyum-235 ve plütonyum-239'dur.
Çıktı
Tipik fisyon olayları , her fisyon olayı için yaklaşık 2 trilyon kelvin'e eşdeğer olan yaklaşık iki yüz milyon eV (200 MeV) enerji açığa çıkarır. Bölünen tam izotop ve bölünebilir veya bölünebilir olup olmadığı, salınan enerji miktarı üzerinde yalnızca küçük bir etkiye sahiptir. Bu, bağlanma enerjisi eğrisi (aşağıdaki resim) incelenerek ve uranyum ile başlayan aktinit nüklidlerinin ortalama bağlanma enerjisinin nükleon başına yaklaşık 7,6 MeV olduğuna dikkat edilerek kolayca görülebilir . Fisyon ürünlerinin kümelendiği bağlanma enerjisi eğrisinde daha sola bakıldığında, fisyon ürünlerinin bağlanma enerjisinin nükleon başına 8,5 MeV civarında merkezlenme eğiliminde olduğu kolayca gözlemlenir. Böylece, aktinit kütle aralığındaki bir izotopun herhangi bir fisyon olayında, başlangıç elementinin nükleon başına kabaca 0.9 MeV salınır. U235'in yavaş bir nötron tarafından fisyonlanması, U238'in hızlı bir nötron tarafından fisyonuyla neredeyse aynı enerjiyi verir. Bu enerji salma profili, toryum ve çeşitli küçük aktinitler için de geçerlidir.
Buna karşılık, çoğu kimyasal oksidasyon reaksiyonu (yanan kömür veya TNT gibi ), olay başına en fazla birkaç eV salmaktadır . Dolayısıyla nükleer yakıt, birim kütle başına kimyasal yakıttan en az on milyon kat daha fazla kullanılabilir enerji içerir . Nükleer fisyon enerjisi , fisyon ürünlerinin ve parçalarının kinetik enerjisi olarak ve gama ışınları şeklinde elektromanyetik radyasyon olarak salınır ; bir nükleer reaktörde, parçacıklar ve gama ışınları reaktörü oluşturan atomlar ve çalışma sıvısı , genellikle su veya bazen ağır su veya erimiş tuzlar ile çarpıştıkça enerji ısıya dönüştürülür .
Bir uranyum çekirdeği iki yavru çekirdek parçasına bölündüğünde, uranyum çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık yüzde 0.1'i ~200 MeV'lik fisyon enerjisi olarak görünür. Uranyum-235 için (toplam ortalama fisyon enerjisi 202.79 MeV), tipik olarak ~169 MeV , Coulomb itmesi nedeniyle ışık hızının yaklaşık % 3'ünde ayrı uçan yavru çekirdeklerin kinetik enerjisi olarak görünür . Ayrıca, nötron başına ortalama kinetik enerji ~2 MeV (toplam 4.8 MeV) ile ortalama 2.5 nötron yayılır . Fisyon reaksiyonu ayrıca ani gama ışını fotonlarında ~7 MeV serbest bırakır . İkinci rakam, bir nükleer fisyon patlaması veya kritiklik kazasının enerjisinin yaklaşık %3,5'ini gama ışınları olarak, enerjisinin %2,5'inden azını hızlı nötronlar olarak (her iki radyasyon türünün toplamı ~ %6) ve geri kalanını kinetik olarak yaydığı anlamına gelir. fisyon parçalarının enerjisi (bu, parçalar çevreleyen maddeyi basit ısı olarak etkilediğinde hemen ortaya çıkar ). Bir atom bombasında bu ısı, bomba çekirdeğinin sıcaklığını 100 milyon kelvin'e yükseltmeye ve bu enerjinin bir kısmını iyonlaştırıcı radyasyona dönüştüren ikincil yumuşak X-ışınları emisyonuna neden olabilir. Bununla birlikte, nükleer reaktörlerde, fisyon fragmanı kinetik enerjisi, düşük sıcaklıktaki ısı olarak kalır ve bu, iyonlaşmanın çok az olmasına veya hiç olmamasına neden olur.
Sözde nötron bomba (geliştirilmiş radyasyon silah) radyasyon (spesifik olarak, nötron) iyonlaştırıcı olarak daha büyük bir enerji kısmını bırakan inşa edilmiştir, ancak bu ilave radyasyon oluşturmak için nükleer füzyon aşaması kullanan tüm termonükleer cihazlardır. Saf fisyon bombalarının enerji dinamikleri, fisyonun hızlı bir sonucu olarak her zaman toplam radyasyon veriminin yaklaşık %6'sında kalır.
Toplam hızlı fisyon enerjisi, yaklaşık 181 MeV veya zamanla fisyon tarafından serbest bırakılan toplam enerjinin ~% 89'u kadardır. Geriye kalan ~ %11'lik kısım ise çeşitli yarı ömürleri olan, ancak fisyon ürünlerinde hemen bir süreç olarak başlayan beta bozunmalarında salınır; ve bu beta bozunmaları ile ilişkili gecikmiş gama emisyonlarında. Örneğin, uranyum-235'te bu gecikmiş enerji betalarda yaklaşık 6.5 MeV, antinötrinolarda 8.8 MeV ( betalarla aynı zamanda salınır) ve son olarak uyarılmış beta- bozunma ürünleri (toplamda fisyon başına ortalama toplam ~10 gama ışını emisyonu için). Böylece, toplam fisyon enerjisinin yaklaşık %6.5'i, olaydan bir süre sonra, anında olmayan veya gecikmeli iyonlaştırıcı radyasyon olarak salınır ve gecikmiş iyonlaştırıcı enerji, gama ve beta ışını enerjisi arasında yaklaşık olarak eşit olarak bölünür.
Bir süredir çalışmakta olan bir reaktörde, radyoaktif fisyon ürünleri, bozunma hızları oluşum hızlarına eşit olacak şekilde kararlı durum konsantrasyonları oluşturacak ve böylece reaktör ısısına kısmi toplam katkıları (beta bozunması yoluyla) olacaktır. ) fisyon enerjisine bu radyoizotopik fraksiyonel katkılarla aynıdır. Bu koşullar altında, gecikmeli iyonlaştırıcı radyasyon (radyoaktif fisyon ürünlerinden gelen gecikmeli gamalar ve betalar) olarak görünen fisyonun %6.5'i, güç altında kararlı hal reaktör ısı üretimine katkıda bulunur. Reaktör aniden kapatıldığında ( scram geçtiğinde) kalan bu çıktı fraksiyonudur . Bu nedenle, reaktör kapatıldıktan sonra reaktör bozunma ısısı çıkışı, tam reaktör sabit durum fisyon gücünün %6.5'inde başlar. Bununla birlikte, saatler içinde, bu izotopların bozunması nedeniyle, bozunma gücü çıkışı çok daha azdır. Ayrıntılar için bozunma ısısına bakın .
Gecikmiş enerjinin geri kalanı (8,8 MeV/202,5 MeV = toplam fisyon enerjisinin %4,3'ü) antinötrinolar olarak yayılır ve pratik bir mesele olarak "iyonlaştırıcı radyasyon" olarak kabul edilmez. Bunun nedeni, antinötrinolar olarak salınan enerjinin reaktör materyali tarafından ısı olarak yakalanmaması ve tüm materyallerden (Dünya dahil) neredeyse ışık hızında ve gezegenler arası boşluğa (soğurulan miktar çok küçük) kaçmasıdır. Nötrino radyasyonu normalde iyonlaştırıcı radyasyon olarak sınıflandırılmaz, çünkü neredeyse tamamen emilmez ve bu nedenle etki üretmez (çok nadir nötrino olayı iyonlaştırıcı olmasına rağmen). Radyasyonun geri kalanının neredeyse tamamı (%6.5 gecikmeli beta ve gama radyasyonu) sonunda bir reaktör çekirdeğinde veya onun kalkanında ısıya dönüştürülür.
Nötronları içeren bazı işlemler, enerjiyi emmek veya sonunda enerji vermek için dikkate değerdir - örneğin, nötron uranyum-238 atomu tarafından plütonyum-239'u üretmek için yakalanırsa nötron kinetik enerjisi hemen ısı vermez, ancak bu enerji plütonyum-239 ise yayılır. daha sonra parçalanır. Öte yandan, fisyon kızlarından yarılanma ömrü birkaç dakikaya kadar olan radyoaktif bozunma ürünleri olarak yayılan gecikmiş nötronlar , reaktör kontrolü için çok önemlidir , çünkü toplam nükleer reaksiyon için karakteristik bir "reaksiyon" süresi verirler. Reaksiyon, süperkritik bir zincir reaksiyonu için kasıtlı olarak bu nötronlara dayanan (her bir fisyon döngüsünün emdiğinden daha fazla nötron verdiği bir) " gecikmeli kritik " bir bölgede yürütülürse, boyutu iki katına çıkar . Onların varlığı olmadan, nükleer zincirleme reaksiyon çok kritik olacak ve insan müdahalesiyle kontrol edilebileceğinden daha hızlı boyutta artacaktır. Bu durumda, ilk deneysel atomik reaktörler, operatörleri onları manuel olarak kapatamadan önce tehlikeli ve dağınık bir "acil kritik reaksiyona" kaçarlardı (bu nedenle tasarımcı Enrico Fermi , radyasyona karşı tetiklenen kontrol çubuklarını askıya aldı, otomatik olarak Chicago Pile-1'in merkezine düşebilecek elektromıknatıslarla ). Bu gecikmiş nötronlar, fisyon oluşturmadan yakalanırsa, ısı da üretirler.
Ürün çekirdekleri ve bağlanma enerjisi
Fisyonda, parçaların yük dağılımı üzerindeki tek-çift etkisi olarak adlandırılan, proton sayıları çift olan parçalar elde etme tercihi vardır. Bununla birlikte, parça kütle numarası dağılımı üzerinde hiçbir tek-çift etkisi gözlenmemiştir . Bu sonuç, nükleon çiftinin kırılmasına bağlanmaktadır .
Nükleer fisyon olaylarında çekirdekler, daha hafif çekirdeklerin herhangi bir kombinasyonuna bölünebilir, ancak en yaygın olay, yaklaşık 120 kütleli eşit kütleli çekirdeklere fisyon değildir; en yaygın olay (izotop ve sürece bağlı olarak), bir yavru çekirdeğin yaklaşık 90 ila 100 u ve diğerinin geri kalan 130 ila 140 u arasında bir kütleye sahip olduğu biraz eşit olmayan bir fisyondur . Eşit olmayan fisyonlar enerjisel olarak daha elverişlidir çünkü bu, bir ürünün 60 u kütlesine yakın enerjik minimuma (ortalama bölünebilir kütlenin sadece dörtte biri) daha yakın olmasına izin verirken, 135 u kütleli diğer çekirdek hala aralığın çok dışında değildir. en sıkı bağlı çekirdekler (bunun bir başka ifadesi, atomik bağlanma enerjisi eğrisinin, 120 u kütlesinin solunda , sağındakinden biraz daha dik olmasıdır).
Aktif enerjinin kökeni ve bağlanma enerjisinin eğrisi
Atom numaraları ve atom kütleleri 62 Ni ve 56 Fe'ye yakın olan orta kütleli çekirdeklerin özgül bağlanma enerjisi (kütle başına bağlanma enerjisi), çok ağır çekirdeklerin nükleona özgü bağlanma enerjisinden daha büyük olduğu için , ağır elementlerin nükleer fisyonundan yararlanılabilir enerji üretilir. , böylece ağır çekirdekler parçalandığında enerji açığa çıkar. Tek bir reaksiyondan fisyon ürünlerinin ( Mp ) toplam durgun kütleleri , orijinal yakıt çekirdeğinin kütlesinden ( M ) daha azdır . Fazla kütle Amc = M - Erime noktası olduğu değişmez kütle olarak enerji salınır foton ( gama ışınları göre) ve fisyon parçalarının kinetik enerjisi kütle-enerji denkliği Formül E = mc 2 .
Atom numarası ile özgül bağlanma enerjisindeki değişim , çekirdeği oluşturan bileşen nükleonlar ( protonlar ve nötronlar ) üzerinde etkili olan iki temel kuvvetin etkileşiminden kaynaklanmaktadır . Çekirdekler, protonlar arasındaki elektrostatik itmeyi yenen nükleonlar arasında çekici bir nükleer kuvvetle bağlanır . Bununla birlikte, nükleer kuvvet sadece nispeten kısa mesafelerde (birkaç nükleon çapı) etki eder, çünkü üstel olarak azalan Yukawa potansiyelini takip eder ve bu da onu daha uzun mesafelerde önemsiz kılar. Elektrostatik itme daha uzun menzillidir, çünkü bir ters kare kuralıyla bozunur, böylece çapı yaklaşık 12 nükleondan daha büyük olan çekirdekler, toplam elektrostatik itmenin nükleer kuvveti yendiği ve kendiliğinden kararsız olmalarına neden olduğu bir noktaya ulaşır. Aynı nedenle, daha büyük çekirdekler (çapı yaklaşık sekiz nükleondan fazla), birim kütle başına daha küçük çekirdeklere göre daha az sıkı bağlanır; büyük bir çekirdeği iki veya daha fazla orta büyüklükte çekirdeğe bölmek enerji açığa çıkarır.
Ayrıca, güçlü bağlanma kuvvetinin kısa aralığı nedeniyle, büyük kararlı çekirdekler, 1'e 1 proton ve nötron oranıyla en kararlı olan en hafif elementlerden orantılı olarak daha fazla nötron içermelidir . 20'den fazla protonu olan çekirdekler, eşit sayıda nötrona sahip olmadıkça kararlı olamazlar. Ekstra nötronlar, proton-proton itmesine katkıda bulunmadan (tüm nükleonlar arasında etkili olan) güçlü kuvvet bağlanmasına katkıda bulundukları için ağır elementleri stabilize eder. Fisyon ürünleri, ortalama olarak, ana çekirdekleriyle yaklaşık olarak aynı nötron ve proton oranına sahiptir ve bu nedenle, benzer kütleye sahip kararlı izotoplarla karşılaştırıldığında orantılı olarak çok fazla nötrona sahip oldukları için (nötronları protonlara değiştiren) beta bozunmasına karşı genellikle kararsızdır.
Fisyon ürünü çekirdeklerinin beta bozunmasına uğrama eğilimi , nükleer reaktörlerden kaynaklanan yüksek seviyeli radyoaktif atık sorununun temel nedenidir . Bölünme ürün olma eğilimi beta yayıcılar , yayıcı hızlı hareket eden elektronlar korumak için elektrik yükü fazla nötronlar fisyon ürünün atomlarının proton dönüştürme gibi. Bkz (element olarak) Bölünme ürünleri fizyon ürünleri bir açıklaması için eleman tarafından kriteri.
zincirleme reaksiyonlar
Gibi çeşitli ağır elementler, uranyum , toryum ve plütonyum , her iki maruz kendiliğinden fizyon , bir form , radyoaktif bozunma ve indüklenen fizyon , bir form nükleer reaksiyon . Serbest çarptığı zaman fizyon neden maruz Element izotoplar nötron adlandırılır bölünebilir ; Yavaş hareket eden bir termal nötron tarafından çarpıldığında fisyona uğrayan izotoplara da bölünebilir denir . Birkaç özellikle bölünebilen ve kolayca elde edilebilen izotoplar (özellikle 233 U, 235 U ve 239 Pu), bir zincirleme reaksiyonu sürdürebildikleri ve faydalı olacak kadar büyük miktarlarda elde edilebildikleri için nükleer yakıtlar olarak adlandırılır .
Tüm bölünebilir ve bölünebilir izotoplar, herhangi bir nükleer yakıt örneğine birkaç serbest nötron salan az miktarda kendiliğinden fisyona uğrar. Bu tür nötronlar, yakıttan hızla kaçacak ve protonlara ve beta parçacıklarına bozunmadan önce ortalama 15 dakikalık bir ömürle serbest bir nötron haline gelecektir . Bununla birlikte, nötronlar neredeyse değişmez bir şekilde etki eder ve bu gerçekleşmeden çok önce çevredeki diğer çekirdekler tarafından emilir (yeni oluşturulan fisyon nötronları, ışık hızının yaklaşık %7'sinde hareket eder ve hatta ılımlı nötronlar, ses hızının yaklaşık 8 katı hızda hareket eder). Bazı nötronlar, yakıt çekirdeklerini etkileyecek ve daha fazla nötron salarak daha fazla fisyona neden olacaktır. Tek bir yerde yeterli nükleer yakıt toplanırsa veya kaçan nötronlar yeterince içerilirse, o zaman yeni yayılan bu nötronlar, montajdan kaçan nötronlardan daha fazladır ve sürekli bir nükleer zincir reaksiyonu gerçekleşir.
Sürekli bir nükleer zincirleme reaksiyonu destekleyen bir düzeneğe kritik bir düzenek veya düzeneğin neredeyse tamamı nükleer yakıttan yapılmışsa kritik bir kütle denir . "Kritik" kelimesi , yakıtta bulunan serbest nötronların sayısını yöneten diferansiyel denklemin davranışındaki bir zirveyi ifade eder : eğer kritik bir kütleden daha az varsa, nötron miktarı radyoaktif bozunma ile belirlenir , ancak eğer kritik bir kütle veya daha fazlası mevcutsa, nötron miktarı bunun yerine zincirleme reaksiyon fiziği tarafından kontrol edilir. Kritik bir nükleer yakıt kütlesinin gerçek kütlesi , geometriye ve çevreleyen malzemelere büyük ölçüde bağlıdır.
Tüm bölünebilir izotoplar bir zincirleme reaksiyonu sürdüremez. Örneğin , en bol bulunan uranyum formu olan 238 U, bölünebilir ancak bölünemez: 1 MeV'den fazla kinetik enerjiye sahip enerjik bir nötron tarafından etkilendiğinde indüklenmiş fisyona uğrar. Bununla birlikte, üretilen nötronların çok az 238 U fisyon de fissions verecek kadar enerjik 238 bir zincir reaksiyonu bu izotopla mümkün olacak şekilde, U. Bunun yerine, bombardıman 238 yavaş nötron ile U bunları absorbe neden olur (olma 239 U) tarafından çürüme beta emisyonu için 239 daha sonra aynı işlemle tekrar çürüklerini Np 239 Pu; bu işlem damızlık reaktörlerde 239 Pu üretmek için kullanılır . Yerinde plütonyum üretimi, yeterli plütonyum-239 üretildikten sonra diğer reaktör tiplerinde nötron zincir reaksiyonuna da katkıda bulunur, çünkü plütonyum-239 aynı zamanda yakıt görevi gören bölünebilir bir elementtir. Standart bir "yetiştirici olmayan" reaktör tarafından üretilen gücün yarısına kadarının, bir yakıt yükünün toplam yaşam döngüsü boyunca yerinde üretilen plütonyum-239'un fisyonuyla üretildiği tahmin edilmektedir.
Bölünebilir, bölünemez izotoplar, zincirleme reaksiyon olmadan bile fisyon enerji kaynağı olarak kullanılabilir. 238 U'yu hızlı nötronlarla bombardıman etmek, fisyonları indükler ve harici nötron kaynağı mevcut olduğu sürece enerjiyi serbest bırakır. Bu, bölünebilir izotoptan gelen hızlı nötronların yakındaki 238 U çekirdeğinin fisyonuna neden olabileceği tüm reaktörlerde önemli bir etkidir; bu, 238 U'nun küçük bir kısmının tüm nükleer yakıtlarda, özellikle hızlı çoğaltıcılarda "yandığı" anlamına gelir. yüksek enerjili nötronlarla çalışan reaktörler. Aynı hızlı fisyon etkisi, modern termonükleer silahlar tarafından salınan enerjiyi arttırmak için , silahı 238 U ile kaplayarak, cihazın merkezinde nükleer füzyon tarafından salınan nötronlarla reaksiyona girmek için kullanılır. Ancak nükleer fisyon zincir reaksiyonlarının patlayıcı etkileri, ikincil nötronların hızını yavaşlatan moderatörler gibi maddeler kullanılarak azaltılabilir.
fisyon reaktörleri
Kritik fisyon reaktörleri en yaygın nükleer reaktör tipidir . Kritik bir fisyon reaktöründe, yakıt atomlarının fisyonuyla üretilen nötronlar, kontrol edilebilir miktarda enerji salınımını sürdürmek için daha fazla fisyon indüklemek için kullanılır. Tasarlanmış ancak kendi kendine devam etmeyen fisyon reaksiyonları üreten cihazlar, kritik altı fisyon reaktörleridir . Bu tür cihazlar, fisyonları tetiklemek için radyoaktif bozunma veya parçacık hızlandırıcıları kullanır.
Kritik fisyon reaktörleri, fisyon zincir reaksiyonu tarafından üretilen ısıdan veya nötronlardan yararlanmak için tipik olarak farklı mühendislik ödünleşimlerini içeren üç ana amaç için inşa edilmiştir:
- güç reaktörlerinin , ya bir üretim istasyonunun parçası olarak ya da nükleer denizaltı gibi yerel bir güç sistemininparçası olarak nükleer güç için ısı üretmesi amaçlanmıştır.
- araştırma reaktörleri , bilimsel, tıbbi, mühendislik veya diğer araştırma amaçları için nötron üretmeyi ve/veya radyoaktif kaynakları etkinleştirmeyi amaçlar.
- damızlık reaktörler , daha bol izotoplardan toplu olarak nükleer yakıt üretmeyi amaçlamaktadır. Daha iyi bilinen hızlı üretici reaktör , doğal olarak çok bol bulunan 238 U'dan (nükleer yakıt değil) 239 Pu (bir nükleer yakıt)üretir. Daha öncebölünebilir izotop 233 U'yu ( toryum yakıt çevrimi )üretmek için 232 Thkullanılarak test edilen termal ıslah reaktörleri üzerinde çalışılmaya ve geliştirilmeye devam edilmektedir.
Prensipte, tüm fisyon reaktörleri her üç kapasitede de hareket edebilirken, pratikte görevler çelişkili mühendislik hedeflerine yol açar ve çoğu reaktör, yukarıdaki görevlerden yalnızca biri düşünülerek inşa edilmiştir. ( Artık hizmet dışı bırakılan Hanford N reaktörü gibi birkaç erken karşı örnek var ). Güç reaktörleri genellikle fisyon ürünlerinin kinetik enerjisini, çalışan bir sıvıyı ısıtmak ve mekanik veya elektriksel güç üreten bir ısı motorunu çalıştırmak için kullanılan ısıya dönüştürür . Çalışma sıvısı genellikle buhar türbinli sudur, ancak bazı tasarımlar gazlı helyum gibi diğer malzemeleri kullanır . Araştırma reaktörleri, fisyon ısısının kaçınılmaz bir atık ürün olarak işlenmesiyle çeşitli şekillerde kullanılan nötronlar üretir. Damızlık reaktörleri, ışınlanan numunenin genellikle yakıtın kendisi, 238 U ve 235 U karışımı olduğu uyarısı ile özel bir araştırma reaktörü şeklidir . Kritik fisyon reaktörlerinin fiziği ve çalışma ilkelerinin daha ayrıntılı bir açıklaması için, bkz. nükleer reaktör fiziği . Sosyal, politik ve çevresel yönlerinin bir açıklaması için bkz. nükleer güç .
fisyon bombaları
Bir nükleer silah sınıfı , bir fisyon bombası ( füzyon bombası ile karıştırılmamalıdır ), aksi takdirde atom bombası veya atom bombası olarak bilinir , serbest bırakılmadan önce mümkün olduğunca hızlı bir şekilde enerjiyi serbest bırakmak için tasarlanmış bir fisyon reaktörüdür. enerji reaktörün patlamasına (ve zincirleme reaksiyonun durmasına) neden olur. Nükleer silahların geliştirilmesi nükleer fizyon içine erken araştırmaların arkasındaki motivasyon oldu Manhattan Projesi sırasında Dünya Savaşı üç olayları sonuçlanan fisyon zincir reaksiyonları erken bilimsel çalışmaların çoğu yürütülen - (1945 Eylül 2 1 Eylül 1939'da) savaş sırasında meydana gelen fisyon bombalarını içeriyor. "Gadget" kod adlı ilk atom bombası, sırasında patlatıldı Trinity Testi çölünde New Mexico , 16 Temmuz 1945 Diğer iki fizyon bombası üzerine "kod adlı Little Boy " ve " Şişman Adam kullanıldı," muharebe karşı Japon şehirleri Hiroşima ve Nagazaki'ye sırasıyla 6 Ağustos ve 9, 1945 yılında.
Hatta ilk fisyon bombaları binlerce kez daha vardı patlayıcı bir karşılaştırılabilir kitle daha kimyasal patlayıcının . Örneğin, Küçük Çocuk toplam yaklaşık dört ton ağırlığındaydı (ki bunun 60 kg'ı nükleer yakıttı) ve 11 fit (3.4 m) uzunluğundaydı; ayrıca Hiroşima şehrinin büyük bir bölümünü yok eden yaklaşık 15 kiloton TNT'ye eşdeğer bir patlamaya neden oldu . (Termonükleer dahil Modern nükleer silah füzyon yanı sıra bir veya daha fazla fisyon aşamaları) ilk saf fisyon atom bombaları (bkz daha kilolarına yüzlerce kez daha enerjik nükleer silah verimi böylece modern tek füze savaş başlığı bomba ağırlığında olduğunu,) Little Boy'un (örneğin W88'e bakınız ) 1/8'den daha azı 475 kiloton TNT'ye sahiptir ve şehir alanının yaklaşık 10 katına kadar yıkım getirebilir.
Bir nükleer silahtaki zincirleme fisyon reaksiyonunun temel fiziği, kontrollü bir nükleer reaktörün fiziğine benzer olsa da, iki tür cihaz oldukça farklı şekilde tasarlanmalıdır (bkz. nükleer reaktör fiziği ). Bir nükleer bomba tüm enerjisini bir kerede serbest bırakmak için tasarlanırken, bir reaktör sürekli bir faydalı güç kaynağı üretmek için tasarlanmıştır. Bir reaktörün aşırı ısınması, erime ve buhar patlamalarına yol açabilir ve yol açmış olsa da, çok daha düşük uranyum zenginleştirmesi , bir nükleer reaktörün nükleer bir silahla aynı yıkıcı güçle patlamasını imkansız hale getirir . Bir nükleer bombadan faydalı güç elde etmek de zordur, ancak en az bir roket tahrik sistemi, Project Orion , büyük ölçüde yastıklı ve korumalı bir uzay aracının arkasında fisyon bombalarını patlatarak çalışmak üzere tasarlanmıştı.
Stratejik nükleer silahların önemi açan bir etmen olduğu teknoloji nükleer fisyon politik duyarlıdır. Uygulanabilir fisyon bombası tasarımları, tartışmalı bir şekilde, mühendislik açısından nispeten basit olan birçok kişinin yetenekleri dahilindedir. Bununla birlikte, tasarımları gerçekleştirmek için bölünebilir nükleer malzeme elde etmenin zorluğu, bölünebilir malzemeler üretmek için özel programlara sahip modern sanayileşmiş hükümetler dışında herkes için nükleer silahların göreceli olarak kullanılamamasının anahtarıdır (bkz. uranyum zenginleştirme ve nükleer yakıt döngüsü).
Tarih
Nükleer fisyonun keşfi
Nükleer fisyonun keşfi, 1938'de , bugün Berlin Hür Üniversitesi'nin bir parçası olan Kaiser Wilhelm Kimya Derneği'nin binalarında , radyoaktivite bilimi ve bileşenlerini tanımlayan yeni nükleer fiziğin detaylandırılması üzerine kırk yılı aşkın bir çalışmanın ardından gerçekleşti . atomlar . 1911 yılında, Ernest Rutherford , çok küçük, yoğun ve pozitif yüklü olan atomu bir modeli ileri çekirdeği bir proton , negatif yüklü yörüngede ile çevrili elektronlar ( Rutherford modeli ). Niels Bohr , 1913'te elektronların kuantum davranışını ( Bohr modeli ) uzlaştırarak bunu geliştirdi . Tarafından yapılan çalışma, Henri Becquerel , Marie Curie , Pierre Curie ve Rutherford ayrıca çekirdeği sıkı bir şekilde bağlanmış olsa da, farklı biçimlerini altına alınabilmesi özenli radyoaktif bozunma ve böylece dönüştürmek için diğer elemanlar halinde. (Örneğin, alfa bozunması ile : bir alfa parçacığının emisyonu — iki proton ve iki nötron, bir helyum çekirdeğine özdeş bir parçacık halinde birbirine bağlanır .)
Nükleer dönüşümde bazı çalışmalar yapılmıştı. 1917'de Rutherford, nitrojen 14 N + α → 17 O + p'ye yönlendirilen alfa parçacıkları kullanarak nitrojenin oksijene dönüşümünü başardı . Bu, bir nükleer reaksiyonun ilk gözlemiydi , yani bir bozunmadan gelen parçacıkların başka bir atom çekirdeğini dönüştürmek için kullanıldığı bir reaksiyon. Sonunda, 1932'de, bu çekirdeği iki alfa parçacığına bölmek için lityum-7'ye karşı yapay olarak hızlandırılmış protonlar kullanan Rutherford'un meslektaşları Ernest Walton ve John Cockcroft tarafından tamamen yapay bir nükleer reaksiyon ve nükleer dönüşüm elde edildi . Bu başarı halk arasında "atomu bölmek" olarak biliniyordu ve daha sonra ağır elementlerde keşfedilen nükleer fisyon reaksiyonu olmasa da "atom çekirdeğinin yapay olarak hızlandırılmış atom parçacıkları tarafından dönüştürülmesi" için 1951 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı .
İngiliz fizikçi sonra James Chadwick keşfetti nötronu 1932 yılında, Enrico Fermi ve arkadaşları Roma Fermi yaptığı deneyler 93 ve 94 proton, grup dublajlı ile yeni unsurlar yaratmıştı sonucuna 1934'te nötron ile bombardıman uranyum sonuçlarını okudu ausonium ve hesperium . Bununla birlikte, Fermi'nin sonuçlarıyla ilgili analiziyle hepsi ikna olmadı, ancak "nötron ışınlaması tarafından üretilen yeni radyoaktif elementlerin varlığının gösterilmesi ve bunun getirdiği nükleer reaksiyonların keşfi için 1938 Nobel Fizik Ödülü'nü kazanacaktı. yavaş nötronlar". Alman kimyager Ida Noddack , 1934'te basılmış olarak özellikle yeni, daha ağır bir element 93 yaratmak yerine "çekirdeğin birkaç büyük parçaya ayrılmasının mümkün olduğunu" öne sürdü. Ancak, Noddack'ın vardığı sonuç o sırada takip edilmedi.
Fermi yayınından sonra, Otto Hahn , Lise Meitner ve Fritz Strassmann , Berlin'de benzer deneyler yapmaya başladılar . Avusturyalı bir Yahudi olan Meitner, Avusturya vatandaşlığını Mart 1938'de Avusturya'nın Almanya ile birliği olan Anschluss ile kaybetti , ancak Temmuz 1938'de İsveç'e kaçtı ve Berlin'de Hahn ile posta yoluyla bir yazışma başlattı. Meitner, 19 Aralık'ta Hahn'dan, uranyumun nötronlarla bombalanmasının ürününün bir kısmının baryum olduğuna dair kimyasal kanıtını açıklayan bir mektup aldığında, yine bir mülteci olan yeğeni Otto Robert Frisch de İsveç'teydi . Hahn çekirdeğin patlamasını önerdi , ancak sonuçların fiziksel temelinin ne olduğundan emin değildi. Baryumun atom kütlesi uranyumdan %40 daha azdı ve daha önce bilinen hiçbir radyoaktif bozunma yöntemi, çekirdeğin kütlesindeki bu kadar büyük bir farkı açıklayamazdı. Frisch şüpheciydi, ancak Meitner, Hahn'ın bir kimyager olarak yeteneğine güveniyordu. Marie Curie uzun yıllardır baryumu radyumdan ayırıyordu ve teknikler iyi biliniyordu. Meitner ve Frisch daha sonra Hahn'ın sonuçlarını, uranyum çekirdeğinin kabaca yarıya bölünmüş olduğu anlamına gelecek şekilde doğru bir şekilde yorumladı. Frisch, canlı hücrenin daha sonra ikili fisyon olarak adlandırılan iki hücreye bölünmesi sürecine benzer şekilde, sürecin "nükleer fisyon" olarak adlandırılmasını önerdi . Nasıl nükleer "zincirleme reaksiyon" terimi daha sonra kimyadan ödünç alındıysa, "fisyon" terimi de biyolojiden ödünç alındı.
Büyük bilimsel ve potansiyel olarak pratik olasılıklarla tamamen yeni bir fiziksel etki olarak doğru bir şekilde görülen yeni keşifle ilgili haberler hızla yayıldı. Meitner ve Frisch'in Hahn ve Strassmann'ın keşfine ilişkin yorumu , Princeton Üniversitesi'nde ders verecek olan Niels Bohr ile Atlantik Okyanusu'nu geçti . Princeton'da çalışan Columbia Üniversitesi'nden iki fizikçi olan II Rabi ve Willis Lamb , haberi duydu ve Columbia'ya geri taşıdı. Rabi, Enrico Fermi'ye söylediğini söyledi ; Fermi, Lamb'e kredi verdi. Bohr kısa süre sonra Fermi'yi görmek için Princeton'dan Columbia'ya gitti. Fermi'yi ofisinde bulamayan Bohr, siklotron alanına indi ve Herbert L. Anderson'ı buldu . Bohr onu omzundan tuttu ve şöyle dedi: "Genç adam, sana fizikte yeni ve heyecan verici bir şeyi açıklamama izin ver." Columbia'daki bir dizi bilim insanı, uranyumun nükleer fisyonunda nötron bombardımanından salınan enerjiyi tespit etmeye çalışmaları gerektiği konusunda açıktı. 25 Ocak 1939'da, Columbia Üniversitesi'nden bir ekip, Amerika Birleşik Devletleri'nde Pupin Hall'un bodrum katında yapılan ilk nükleer fisyon deneyini gerçekleştirdi . Deney, uranyum oksitin bir iyonizasyon odasının içine yerleştirilmesini ve nötronlarla ışınlanmasını ve bu şekilde salınan enerjinin ölçülmesini içeriyordu . Sonuçlar , fisyonun meydana geldiğini doğruladı ve özellikle fisyon olanın izotop uranyum 235 olduğunu güçlü bir şekilde ima etti . Ertesi gün, George Washington Üniversitesi ve Washington Carnegie Enstitüsü'nün ortak himayesinde Washington DC'de Beşinci Washington Teorik Fizik Konferansı başladı . Orada, nükleer fisyonla ilgili haberler daha da yayıldı ve bu da daha birçok deneysel gösteriyi teşvik etti.
Fisyon zincir reaksiyonu gerçekleşti
Bu dönemde Macar fizikçi Leó Szilárd , ağır atomların nötron güdümlü fisyonunun bir nükleer zincir reaksiyonu oluşturmak için kullanılabileceğini fark etti . Nötronları kullanan böyle bir reaksiyon, ilk olarak 1933'te, Rutherford'un ekibinin lityumu ayırmak için protonları kullanarak 1932 deneyinden güç üretme konusundaki aşağılayıcı sözlerini okuduktan sonra formüle ettiği bir fikirdi. Ancak Szilárd, nötronca zengin hafif atomlarla nötron güdümlü bir zincir reaksiyonu gerçekleştirememişti. Teoride, nötron güdümlü bir zincir reaksiyonunda, üretilen ikincil nötronların sayısı birden fazlaysa, bu tür reaksiyonların her biri, katlanarak artan sayıda reaksiyon üreterek birden fazla ek reaksiyonu tetikleyebilir. Bu nedenle, uranyum fisyonunun sivil veya askeri amaçlar için (örneğin, elektrik enerjisi üretimi veya atom bombaları ) çok büyük miktarlarda enerji üretebilmesi bir olasılıktı .
Szilard şimdi Fermi'yi (New York'ta) ve Frédéric Joliot-Curie'yi (Paris'te) bir zincirleme reaksiyon olasılığını yayınlamaktan kaçınmaya çağırdı , yoksa Nazi hükümeti daha sonra Dünya olarak bilinecek olan şeyin arifesinde olasılıkların farkına varır. II . Savaş . Fermi biraz tereddüt ederek otosansür yapmayı kabul etti. Ancak Joliot-Curie yapmadı ve Nisan 1939'da Hans von Halban ve Lew Kowarski'nin de aralarında bulunduğu Paris'teki ekibi Nature dergisinde uranyumun nükleer fisyonuyla yayılan nötronların sayısının fisyon başına 3.5 olarak rapor edildiğini bildirdi. (Daha sonra bunu fisyon başına 2,6 olarak düzelttiler.) Szilard ve Walter Zinn'in eş zamanlı çalışması bu sonuçları doğruladı. Sonuçlar nükleer reaktörler (ilk olarak Szilard ve Fermi tarafından "nötronik reaktörler" olarak adlandırıldı) ve hatta nükleer bombalar inşa etme olasılığını önerdi . Bununla birlikte, fisyon ve zincir reaksiyon sistemleri hakkında hala çok şey bilinmiyordu.
O zamanlar zincir reaksiyonları kimyada bilinen bir fenomendi , ancak nükleer fizikte, nötronları kullanan benzer süreç, 1933 gibi erken bir tarihte Szilárd tarafından öngörülmüştü, ancak o sırada Szilárd'ın sürecin hangi malzemelerle başlatılabileceği hakkında hiçbir fikri yoktu. Szilárd, nötronların elektrostatik yükleri olmadığı için böyle bir durum için ideal olacağını düşündü.
Uranyum fisyonundan fisyon nötronlarının haberiyle Szilárd, uranyum kullanarak bir nükleer zincir reaksiyonu olasılığını hemen anladı. Yaz aylarında, Fermi ve Szilard, bu sürece aracılık etmek için bir nükleer reaktör (kazık) fikrini önerdiler . Yığın yakıt olarak doğal uranyumu kullanacak. Fermi, çok daha önce, düşük enerjili ("yavaş" veya "termal" nötronlar olarak adlandırılırlar) nötronların atomlar tarafından çok daha etkili bir şekilde yakalandığını göstermişti, çünkü kuantum nedenlerle atomları nötronlar için çok daha büyük hedefler gibi gösteriyordu. . Böylece, bölünen uranyum çekirdekleri tarafından salınan ikincil nötronları yavaşlatmak için Fermi ve Szilard, hızlı, yüksek enerjili ikincil nötronların çarpışacağı ve onları etkili bir şekilde yavaşlatacağı bir grafit "moderatör" önerdi. Yeterli uranyum ve yeterince saf grafit ile, onların "yığı" teorik olarak yavaş bir nötron zincir reaksiyonunu sürdürebilir. Bu, ısı üretiminin yanı sıra radyoaktif fisyon ürünlerinin yaratılmasıyla sonuçlanacaktır .
Ağustos 1939'da, Szilard ve diğer Macar mülteci fizikçiler Teller ve Wigner , Almanların fisyon zincirleme reaksiyonundan yararlanabileceğini düşündüler ve Birleşik Devletler hükümetinin dikkatini konuya çekmeye teşebbüs etmeye teşvik edildiler. Bunun için Alman-Yahudi mülteci Albert Einstein'ı Başkan Franklin Roosevelt'e gönderilen bir mektuba adını vermeye ikna ettiler . Einstein-Szilárd mektup yok "bütün bir liman ve çok çevredeki kırsal edeceğini" gemi tarafından bir uranyum bombası teslim edilebilir, olasılığını önerdi. Başkan mektubu 11 Ekim 1939'da - İkinci Dünya Savaşı'nın Avrupa'da başlamasından kısa bir süre sonra, ancak ABD'nin savaşa girmesinden iki yıl önce aldı. Roosevelt, uranyum çalışmalarını denetlemek için bir bilimsel komiteye yetki verilmesini emretti ve yığın araştırmaları için küçük bir miktar para tahsis etti.
İngiltere'de James Chadwick , Rudolf Peierls'in kritik durum için gereken kütlenin 30-40 ton olduğu bir makalesine dayanarak, doğal uranyum kullanan bir atom bombası önerdi . Amerika'da J. Robert Oppenheimer , bir kenarı 10 cm'lik bir uranyum döteryum küpünün (yaklaşık 11 kg uranyum) "kendini cehenneme çevirebileceğini" düşündü. Bu tasarımda hala nükleer bomba fisyonunda bir moderatör kullanılması gerektiği düşünülüyordu (bölünebilir izotop ayrılmışsa durumun böyle olmadığı ortaya çıktı). Aralık ayında Werner Heisenberg , Alman Savaş Bakanlığı'na bir uranyum bombası olasılığı hakkında bir rapor sundu. Bu modellerin çoğu hala bombaların yavaş nötron reaksiyonlarıyla güçlendirileceği varsayımı altındaydı ve bu nedenle kritik bir güç değişimi geçiren bir reaktöre benziyordu .
İngiltere, Birmingham'da Frisch , bir Alman-Yahudi mültecisi olan Peierls ile birlikte çalıştı . Kesiti henüz belirlenmemiş, ancak 238 U veya doğal uranyumdan çok daha büyük olduğuna inanılan uranyum izotopu 235 U'nun saflaştırılmış bir kütlesini kullanma fikrine sahiptiler. . 235 U'luk hızlı nötron fisyonunun enine kesitinin yavaş nötron fisyonununkiyle aynı olduğunu varsayarak, saf bir 235 U bombasının kritik kütlenin ton yerine sadece 6 kg olabileceğini ve ortaya çıkan patlamanın şöyle olacağını belirlediler. muazzam. (Gerçek uranyum ( Little Boy ) bombasında bu miktarın birkaç kez kullanılmasına rağmen, aslında miktarın 15 kg olduğu ortaya çıktı ). Şubat 1940'ta Frisch-Peierls muhtırasını teslim ettiler . İronik olarak, o zamanlar hala resmi olarak "düşman uzaylılar" olarak kabul ediliyorlardı. Glenn Seaborg , Joseph W. Kennedy , Arthur Wahl ve İtalyan-Yahudi mülteci Emilio Segre kısa bir süre sonra 238 U'nun nötronlarla bombardıman edilmesiyle üretilen 239 U'nun bozunma ürünlerinde 239 Pu keşfettiler ve bunun 235 U gibi bölünebilir bir malzeme olduğunu belirlediler. .
Uranyum-235'i izole etme olasılığı teknik olarak göz korkutucuydu, çünkü uranyum-235 ve uranyum-238 kimyasal olarak aynıdır ve kütleleri yalnızca üç nötronun ağırlığı kadar değişir. Bununla birlikte, yeterli miktarda uranyum-235 izole edilebilirse, hızlı bir nötron fisyon zincir reaksiyonuna izin verecektir. Bu son derece patlayıcı, gerçek bir "atom bombası" olurdu. Plütonyum-239'un bir nükleer reaktörde üretilebileceğinin keşfi, hızlı bir nötron fisyon bombasına başka bir yaklaşıma işaret etti. Her iki yaklaşım da son derece yeniydi ve henüz iyi anlaşılmamıştı ve kısa sürede geliştirilebilecekleri fikrinde önemli bilimsel şüphecilik vardı.
28 Haziran 1941'de ABD'de bilimsel kaynakları harekete geçirmek ve araştırma sonuçlarını ulusal savunmaya uygulamak için Bilimsel Araştırma ve Geliştirme Ofisi kuruldu. Eylül ayında Fermi, uranyumda nötron kaynaklı yavaş bir zincirleme reaksiyon yaratmak amacıyla ilk nükleer "yığını" veya reaktörünü bir araya getirdi, ancak deney, uygun malzemelerin veya uygun malzemelerin yeterli olmaması nedeniyle kritikliğe ulaşamadı. mevcut olan malzemelerdi.
Doğal uranyum yakıtında bir fisyon zinciri reaksiyonu üretmenin önemsiz olmaktan uzak olduğu bulundu. Erken nükleer reaktörler izotopik olarak zenginleştirilmiş uranyum kullanmadılar ve sonuç olarak nötron düzenleyici malzemeler olarak büyük miktarlarda yüksek oranda saflaştırılmış grafit kullanmaları gerekiyordu. Nükleer reaktörlerde sıradan suyun ( ağır suyun aksine ) kullanımı, zenginleştirilmiş yakıt gerektirir - nadir 235 U izotopunun çok daha yaygın olan 238 U izotopundan kısmi olarak ayrılması ve görece zenginleştirilmesi . Tipik olarak, reaktörler ayrıca döteryum ( ağır suda ), helyum , berilyum veya karbon gibi son derece kimyasal olarak saf nötron moderatör malzemelerinin dahil edilmesini gerektirir , ikincisi genellikle grafittir . (Karbon için yüksek saflık gereklidir, çünkü doğal borun boron-10 bileşeni gibi birçok kimyasal safsızlık çok güçlü nötron emicilerdir ve bu nedenle zincirleme reaksiyonu zehirler ve zamanından önce bitirir.)
Nükleer enerji üretimi ve silah üretiminin gerçekleştirilmesi için bu tür malzemelerin endüstriyel ölçekte üretilmesinin çözülmesi gerekiyordu. 1940'a kadar ABD'de üretilen toplam uranyum metali miktarı birkaç gramdan fazla değildi ve bunun bile saflığı şüpheliydi; birkaç kilogramdan fazla olmayan metalik berilyum; ve birkaç kilogramdan fazla olmayan konsantre döteryum oksit ( ağır su ). Son olarak, karbon hiçbir zaman bir moderatörün gerektirdiği saflığa sahip bir miktarda üretilmemiştir.
Büyük miktarlarda yüksek saflıkta uranyum üretme sorunu, Frank Spedding tarafından termit veya " Ames " işlemi kullanılarak çözüldü . Ames Laboratuvarı , 1942 yılında, araştırma için gerekli olacak büyük miktarlarda doğal (zenginleştirilmemiş) uranyum metali üretmek üzere kuruldu. Atom bombası için plütonyum üreten tüm atom "yığınları" gibi, zenginleştirilmemiş (doğal) uranyum kullanan Chicago Pile-1'in (2 Aralık 1942) kritik nükleer zincir reaksiyon başarısı da özellikle Szilard'ın çok saf grafitin, doğal uranyum "yığınlarının" bile moderatörü olarak kullanılabileceğinin anlaşılması. Savaş zamanı Almanya'sında, çok saf grafitin niteliklerini takdir edememek, ağır suya bağımlı reaktör tasarımlarına yol açtı ve bu da ağır suyun üretildiği Norveç'teki Müttefik saldırıları tarafından Almanlar tarafından reddedildi . Diğer pek çok zorluğun yanı sıra bu zorluklar, diğer teknolojilere odaklanarak nükleer araştırmalara ABD kadar çaba sarf etmeseler de, Nazilerin savaş sırasında kritik öneme sahip bir nükleer reaktör inşa etmesini engelledi ( daha fazla ayrıntı için Alman nükleer enerji projesine bakın). ).
Manhattan Projesi ve ötesi
Amerika Birleşik Devletleri'nde, 1942'nin sonlarında atom silahları yapmak için topyekün bir çaba başladı. Bu çalışma, 1943'te ABD Ordusu Mühendisler Birliği tarafından devralındı ve Manhattan Mühendis Bölgesi olarak biliniyordu. Halk arasında bilindiği gibi çok gizli Manhattan Projesi , General Leslie R. Groves tarafından yönetiliyordu . Projenin düzinelerce tesisi arasında şunlar vardı: Washington'daki Hanford Sitesi , endüstriyel ölçekte ilk nükleer reaktörlere sahip olan ve plütonyum üreten ; öncelikle uranyum zenginleştirme ile ilgilenen Oak Ridge, Tennessee ; ve bomba geliştirme ve tasarımı araştırmalarının bilimsel merkezi olan New Mexico'daki Los Alamos . Diğer siteler, özellikle Berkeley Radyasyon Laboratuvarı ve Chicago Üniversitesi'ndeki Metalurji Laboratuvarı , önemli katkı sağlayan roller oynadı. Projenin genel bilimsel yönü fizikçi J. Robert Oppenheimer tarafından yönetildi .
Temmuz 1945'te, " Trinity " olarak adlandırılan ilk atom bombası New Mexico çölünde patlatıldı. Hanford'da oluşturulan plütonyum tarafından körüklendi. Ağustos 1945'te Japon şehirleri Hiroşima ve Nagazaki'ye karşı iki atom cihazı daha kullanıldı - " Küçük Çocuk ", bir uranyum-235 bombası ve " Şişman Adam ", bir plütonyum bombası .
Dünya Savaşı'ndan sonraki yıllarda, birçok ülke nükleer reaktörler ve nükleer silahlar amacıyla nükleer fisyonun daha da geliştirilmesinde yer aldı. İngiltere ilk ticari nükleer santrali 1956'da açtı. 2013 itibariyle 31 ülkede 437 reaktör vardı.
Dünyadaki doğal fisyon zincir reaktörleri
Doğada kritiklik nadirdir. Gabon'daki Oklo'daki üç cevher yatağında, yaklaşık 2 milyar yıl önce kendi kendine devam eden nükleer fisyonun gerçekleştiği on altı bölge ( Oklo Fosil Reaktörleri olarak adlandırılır ) keşfedildi. Fransız fizikçi Francis Perrin'in Oklo Fosil Reaktörlerini keşfettiği 1972'ye kadar bilinmiyor (ancak 1956'da Paul Kuroda tarafından öne sürülüyordu) , doğanın insanları yumrukla yendiği anlaşıldı. Normal su tarafından yönetilen büyük ölçekli doğal uranyum fisyon zinciri reaksiyonları çok geçmişte meydana geldi ve şimdi mümkün olmayacaktı. Bu eski süreç, normal suyu moderatör olarak kullanabildi, çünkü günümüzden 2 milyar yıl önce, doğal uranyum, bugün mevcut olan doğal uranyumdan (sadece 0,7 olan) daha kısa ömürlü bölünebilir izotop 235 U (yaklaşık %3) açısından daha zengindi. ve hafif su reaktörlerinde kullanılabilmesi için %3'e kadar zenginleştirilmelidir).
Ayrıca bakınız
Referanslar
daha fazla okuma
- DOE Temelleri El Kitabı: Nükleer Fizik ve Reaktör Teorisi Cilt 1 (PDF) . ABD Enerji Bakanlığı . Ocak 1993. Arşivlenmiş orijinal (PDF) 2014-03-19 tarihinde . 2012-01-03 alındı .
- DOE Temelleri El Kitabı: Nükleer Fizik ve Reaktör Teorisi Cilt 2 (PDF) . ABD Enerji Bakanlığı. Ocak 1993. Arşivlenmiş orijinal (PDF) 2013-12-03 tarihinde . 2012-01-03 alındı .
- Bulgaç, Aurel; Jin, Shi; Stetçu, İyonel (2020). "Nükleer Fisyon Dinamiği: Dünü, Bugünü, İhtiyaçları ve Geleceği" . Fizikte Sınırlar . 8 : 63. arXiv : 1912.00287 . Bibcode : 2020FrP.....8...63B . doi : 10.3389/fphy.2020.00063 .
Dış bağlantılar
- Nükleer Silahların Etkileri
- Alsos Dijital Kütüphanesinden nükleer fisyon için açıklamalı kaynakça
- Nükleer Fisyonun Keşfi Tarihsel hesap, Amerikan Fizik Enstitüsü Tarih Merkezi'nden sesli ve öğretmen kılavuzlarıyla tamamlandı
- atomicarchive.com Nükleer Fisyon Açıklaması
- Nükleer Files.org Nükleer Fisyon Nedir?
- Nükleer Fisyon Animasyonu