Fission nucl??aire
?? propos de ce ??coles s??lection Wikipedia
Cette s??lection de wikipedia a ??t?? choisi par des b??n??voles aidant les enfants SOS de Wikipedia pour cette s??lection Wikipedia pour les ??coles. SOS Children travaille dans 45 pays africains; pouvez-vous aider un enfant en Afrique ?
| Physique nucl??aire |
|---|
 |
| Nucleus ?? Nucl??ons ( p , n ) ?? Force nucl??aire ?? R??action nucl??aire |
Mod??les nucl??aires et la stabilit??
Goutte de liquide ?? Enveloppe nucl??aire ?? Structure nucl??aire ??nergie de liaison ?? ligne de goutte ?? goutte ?? ??le de stabilit?? |
La d??croissance radioactive α Alpha ?? β (b??ta 2β, β +) ?? K / L capture ?? Isom??re ( Gamma γ ?? Conversion interne) ?? Fission spontan??e ?? Radioactivit?? de clusters ?? ??mission de neutrons ?? Proton ??mission ??nergie Decay ?? cha??ne de d??sint??gration ?? Produit Decay ?? Radiog??nique |
| Fission nucl??aire ( spontan??e ?? produits) |
Processus Capture Capture d'??lectrons ?? Capture de neutrons r ?? s ?? p ?? Rp |
Processus de haute ??nergie Spallation ( par rayons cosmiques) ?? Photod??sint??gration |
Sujets nucl??osynth??se La fusion nucl??aire Processus: Stellar ?? Big Bang Supernova Nucl??ides: Primordial ?? Cosmog??nique ?? Artificiel |
Les scientifiques Becquerel ?? Davisson ?? Bethe ?? Sklodowska-Curie ?? Fr.Curie ?? Ir.Curie ?? Pi.Curie ?? Fermi ?? Rutherford ?? JJ Thomson ?? Chadwick ?? Oliphant ?? Szil??rd ?? Laurent ?? Yukawa ?? Proca ?? Mayer ?? Bothe ?? Jensen ?? Alvarez ?? Yukawa ?? Soddy ?? Rabi ?? Geiger ?? Richards ?? Brockhouse ?? Meitner ?? Strassmann ?? Hahn ?? Purcell ?? Walton ?? Cockcroft ?? Thomson ?? Shull |
En physique nucl??aire et chimie nucl??aire, la fission nucl??aire est soit un r??action nucl??aire ou d'un processus de d??sint??gration radioactive dans lequel le noyau d'un atome se divise en parties plus petites (plus l??gers des noyaux ), produisant souvent gratuits neutrons et photons (sous la forme de rayons gamma), et lib??rant une tr??s grande quantit?? d' ??nergie , m??me selon les normes ??nerg??tiques de la d??sint??gration radioactive. Les deux noyaux produits sont le plus souvent de dimensions l??g??rement diff??rents mais comparables, typiquement avec un rapport de masse de produits de l'ordre de 3 ?? 2, pour commune fissiles isotopes . La plupart des fissions sont fissions binaires (produisant deux fragments charg??s), mais de temps en temps (2-4 fois par 1 000 ??v??nements), trois fragments charg??s positivement sont produits, dans un fission ternaire. La plus petite de ces fragments dans les processus ternaires gammes de taille ?? partir d'un proton ?? un noyau d'argon.
Fission que rencontr?? dans le monde moderne est g??n??ralement un homme fait-produite de mani??re d??lib??r??e r??action nucl??aire provoqu??e par un neutron. Il est moins fr??quemment rencontr?? comme une forme naturelle de spontan??e d??sint??gration radioactive (ne n??cessitant pas un neutron), se produisant surtout dans de tr??s haute masse num??ro isotopes. La composition impr??visible des produits (qui varient de mani??re large probabiliste et quelque peu chaotique) distingue la fission de processus purement quantique tunneling tels que ??mission de protons, d??sint??gration alpha et p??le d??croissance, qui donnent les m??mes produits ?? chaque fois.
La fission nucl??aire d'??l??ments lourds a ??t?? d??couvert en 1938 par Meitner, Hahn et Frisch, et nomm?? par analogie avec fission biologique des cellules vivantes. C'est un r??action exothermique qui peut lib??rer de grandes quantit??s de l'??nergie ?? la fois comme un rayonnement ??lectromagn??tique et que l'??nergie cin??tique des fragments ( chauffer le mat??riau en vrac, o?? se d??roule la fission). Pour la fission pour produire de l'??nergie, le total ??nergie des ??l??ments de liaison r??sultant doit ??tre sup??rieure ?? celle de l'??l??ment de d??part. La fission est une forme de transmutation nucl??aire parce que les fragments r??sultants ne sont pas le m??me ??l??ment que l'atome d'origine.
La fission nucl??aire produit de l'??nergie pour l'??nergie nucl??aire et ?? conduire l'explosion d' armes nucl??aires . Les deux utilisations sont possibles parce que certaines substances appel??es combustibles nucl??aires subissent la fission lorsqu'ils sont frapp??s par des neutrons de fission, et ?? son tour ??mettent des neutrons quand ils se brisent. Cela rend possible une auto-entretenue r??action nucl??aire en cha??ne qui lib??re de l'??nergie ?? une vitesse contr??l??e dans un r??acteur nucl??aire ou ?? un taux tr??s rapide incontr??l??e dans une arme nucl??aire .
La quantit?? de l'??nergie libre contenue dans le combustible nucl??aire est des millions de fois la quantit?? d'??nergie libre contenue dans une masse similaire de carburant chimique tel que l'essence, ce qui rend la fission nucl??aire une source d'??nergie tr??s dense. Les produits de fission nucl??aire, cependant, sont en moyenne beaucoup plus radioactif que les ??l??ments lourds qui sont normalement fissionn?? comme combustible, et restent donc pour beaucoup de temps, donnant lieu ?? un probl??me des d??chets nucl??aires. Les inqui??tudes sur accumulation de d??chets nucl??aires et sur la potentiel destructeur des armes nucl??aires peut contrebalancer les qualit??s souhaitables de fission comme une source d'??nergie , et donner lieu ?? des cours politique d??bat sur l'??nergie nucl??aire .
Pr??sentation physique
M??canique
La fission nucl??aire peut se produire sans neutrons bombardement, comme un type de d??sint??gration radioactive. Ce type de fission (appel?? fission spontan??e) est rare, sauf dans quelques isotopes lourds. Dans les dispositifs nucl??aires ing??nierie, la quasi-totalit?? de la fission nucl??aire se produit comme un " r??action nucl??aire. ??- un processus conduit de bombardement qui r??sulte de la collision de deux particules subatomiques dans les r??actions nucl??aires, une particule subatomique entre en collision avec un noyau atomique et provoque des changements ?? elle r??actions nucl??aires sont ainsi entra??n??s par la m??canique de bombardement, non pas par. le relativement constante d??croissance exponentielle et la demi-vie caract??ristique du processus radioactives spontan??es.
De nombreux types de r??actions nucl??aires sont actuellement connus. La fission nucl??aire diff??re de fa??on importante des autres types de r??actions nucl??aires, en ce qu'il peut ??tre amplifi?? et parfois contr??l?? via un r??action nucl??aire en cha??ne (un type de g??n??ral chain reaction). Dans une telle r??action, libres neutrons lib??r??s par la fission de chaque ??v??nement peuvent d??clencher encore plus d'??v??nements, qui ?? son tour lib??rent plus de neutrons et causer plus de fissions.
Les ??l??ments chimiques isotopes qui peuvent soutenir une r??action de fission en cha??ne sont appel??s combustibles nucl??aires, et sont dites fissiles. Les combustibles nucl??aires les plus courants sont 235 U (l'isotope de l'uranium avec une masse atomique de 235 et de l'utilisation dans les r??acteurs nucl??aires) et 239 Pu (l'isotope du plutonium avec un masse atomique de 239). Ces combustibles se brisent dans une gamme bimodale des ??l??ments chimiques avec des masses atomiques centrage pr??s de 95 et 135 u ( produits de fission). La plupart des combustibles nucl??aires subissent fission spontan??e que tr??s lentement, en d??composition au lieu principalement via un alpha / b??ta cha??ne de d??sint??gration sur des p??riodes de mill??naires pour des ??ons . Dans un r??acteur nucl??aire ou d'une arme nucl??aire, la grande majorit?? des ??v??nements de fission sont induites par bombardement avec une autre particule, un neutron, qui est lui-m??me produit par les ??v??nements de fission ant??rieur.
Fissions nucl??aires dans les combustibles fissiles sont le r??sultat de l'??nergie d'excitation nucl??aire produite quand un noyau fissile capture un neutron. Cette ??nergie, r??sultant de la capture des neutrons, est le r??sultat de la attirant force nucl??aire agissant entre le neutron et du noyau. Il suffit de d??former le noyau dans une double-lobes "chute", au point que des fragments nucl??aires d??passent les distances auxquelles la force nucl??aire peut contenir deux groupes de nucl??ons charg??s ensemble, et quand cela arrive, les deux fragments compl??te leur s??paration puis sont entra??n??s plus ??loign??s par leurs charges r??pulsives mutuellement, dans un processus qui devient irr??versible et avec une plus grande distance plus grande. Un processus similaire se produit dans isotopes fissiles (comme l'uranium-238), mais pour la fission, ces isotopes ont besoin d'??nergie suppl??mentaire fournie par neutrons rapides (par exemple, produit par la fusion nucl??aire dans armes thermonucl??aires).
Le mod??le de la goutte de liquide de noyau atomique pr??dit produits de fission de m??me taille en tant que r??sultat de la d??formation m??canique nucl??aire. Le plus sophistiqu?? Mod??le en couches est n??cessaire pour expliquer m??caniquement la route ?? l'issue plus favorable ??nerg??tiquement, dans lequel un produit de fission est l??g??rement plus petit que l'autre.
Le processus de fission est la plus courante fission binaire, et il produit des produits de fission mentionn??s ci-dessus, ?? 95 ?? 15 et 135 ?? 15 u. Toutefois, le processus binaire arrive simplement parce qu'elle est la plus probable. Dans ne importe o?? de 2 ?? 4 fissions par 1000 dans un r??acteur nucl??aire, un processus appel?? fission ternaire produit trois fragments charg??s positivement (et de neutrons) et le plus petit d'entre eux peuvent varier d'un si petit charge et la masse comme un proton (Z = 1), au plus grand fragment tel que l'argon (Z = 18). Les petits fragments les plus courants, cependant, sont compos??es de 90% d'h??lium-4 noyaux avec plus d'??nergie que les particules alpha de d??sint??gration alpha (dits "?? longue port??e alphas" ?? ~ 16 MeV), plus h??lium-six noyaux, et tritons ( les noyaux de tritium). Proc??d?? ternaire est moins fr??quent, mais finit par produire une accumulation significative de l'h??lium-4 et de tritium gaz dans les barres de combustible des r??acteurs nucl??aires modernes.
??nerg??tique
Contribution
La fission d'un noyau lourd n??cessite un apport d'??nergie totale d'environ 7-8000000 ??lectronvolts (MeV) ?? surmonter d'abord la force forte qui d??tient le noyau dans une forme sph??rique ou presque sph??rique, et de l??, se d??forment en un ("arachides") forme deux lobes dont les lobes sont en mesure de continuer ?? s??parer de l'autre, pouss??s par leur charge positive mutuelle, dans le proc??d?? le plus courant de la fission binaire (deux charg??s positivement des produits de fission + neutrons). Une fois les lobes nucl??aires ont ??t?? pouss?? ?? une distance critique, au-del?? duquel la gamme courte force forte ne peut plus les tenir ensemble, le processus de leur s??paration proc??de de l'??nergie de la (longue port??e) ??lectromagn??tique r??pulsion entre les fragments. Le r??sultat est deux fragments de fission en se ??loignant de l'autre, ?? haute ??nergie.
Environ 6 MeV de l'??nergie de fission entr??e est fourni par le simple liaison d'un neutron suppl??mentaire au noyau lourd par la force forte; Cependant, dans de nombreux isotopes fissiles, cette quantit?? d'??nergie ne est pas assez pour la fission. Uranium-238, par exemple, a une section transversale proche de z??ro la fission pour les neutrons de moins d'une ??nergie de MeV. Si aucune ??nergie suppl??mentaire est fournie par tout autre m??canisme, le noyau ne sera pas la fission, mais simplement absorber les neutrons, comme cela arrive quand U-238 absorbe fraction lente et m??me certains des neutrons rapides, pour devenir U-239. L'??nergie restante pour initier fission peut ??tre fourni par deux autres m??canismes: une d'entre elles est l'??nergie cin??tique plus du neutron entrant, qui est de plus en plus capables de fission un noyau lourd fissile, car il d??passe une ??nergie cin??tique d'un MeV ou plus (soi-disant neutrons rapides). Ces neutrons de haute ??nergie sont capables de fission U-238 directement (voir Bombe H pour l'application, o?? les neutrons rapides sont fournis par la fusion nucl??aire). Cependant, ce processus ne peut pas arriver dans une grande mesure dans un r??acteur nucl??aire, comme trop petite fraction des neutrons de fission produits par ne importe quel type de la fission assez d'??nergie pour efficacement fission U-238 (neutrons de fission ont une m??diane ??nergie de 2 MeV, mais le mode de seulement 0,75 MeV, ce qui signifie la moiti?? d'entre eux ont moins de cette ??nergie insuffisante).
Parmi les ??l??ments actinides lourds, cependant, ces isotopes qui ont un nombre impair de neutrons (tels que U-235 avec 143 neutrons) lier un neutron suppl??mentaire avec un suppl??ment de 1-2 MeV d'??nergie sur un isotope du m??me ??l??ment avec un m??me nombre de neutrons (tels que U-238 avec 146 neutrons). Cette ??nergie suppl??mentaire de liaison est rendu disponible par suite du m??canisme de neutrons effets d'appariement. Le r??sultat de cette ??nergie suppl??mentaire de la Principe d'exclusion de Pauli un neutron suppl??mentaire permettant d'occuper la m??me orbitale nucl??aire comme le dernier neutron dans le noyau, de sorte que les deux forment une paire. Dans ces isotopes, par cons??quent, aucune neutrons ??nergie cin??tique est n??cessaire, pour toute l'??nergie n??cessaire est fournie par l'absorption de toute neutrons, soit de la vari??t?? lente ou rapide (les premiers sont utilis??s dans les r??acteurs nucl??aires mod??r??s, et ces derniers sont utilis??s dans r??acteurs ?? neutrons rapides, et des armes). Comme indiqu?? plus haut, le sous-groupe d'??l??ments fissiles qui peuvent ??tre scind??s de mani??re efficace avec leurs propres neutrons de fission (donc potentiellement provoquer un nucl??aire r??action en cha??ne en quantit??s relativement petites de la mati??re pure) sont appel??s " fissiles. ??Des exemples d'isotopes fissiles sont U-235 et le plutonium-239.
Sortie
Les ??v??nements de fission typiques lib??rer environ deux myriades de myriades eV (200 MeV) d'??nergie pour chaque ??v??nement de fission. L'isotope exacte qui est la fission, et si elle est ou non fissiles ou fissiles, n'a qu'un faible impact sur la quantit?? d'??nergie lib??r??e. Ceci peut ??tre facilement vu en examinant la courbe de ??nergie de liaison (image ci-dessous), et notant que l'??nergie de liaison moyenne des actinides nucl??ides ?? commencer par l'uranium est d'environ 7,6 MeV par nucl??on. ?? plus ?? gauche sur la courbe de l'??nergie de liaison, o?? le produits de fission cluster, il est facile de remarquer que l'??nergie de liaison des produits de fission a tendance ?? se centrer autour de 8,5 MeV par nucl??on. Ainsi, dans tous les cas de fission d'un isotope dans la gamme de masse de la actinides, environ 0,9 MeV par nucl??on est lib??r?? de l'??l??ment de d??part. La fission de U235 par un neutron lent donne l'??nergie presque identique ?? la fission de U238 par un neutron rapide. Ce profil de lib??ration d'??nergie est vrai pour le thorium et les actinides mineurs diff??rents ??galement.
En revanche, la plupart chimique r??actions d'oxydation (telles que la combustion de charbon ou TNT) la lib??ration au plus quelques eV par ??v??nement. Ainsi, le combustible nucl??aire contient au moins dix millions de fois plus ??nergie utilisable par unit?? de masse de carburant que ne le fait chimique. L'??nergie de fission nucl??aire est lib??r??e sous forme d'??nergie cin??tique des produits de fission et des fragments, et en tant que rayonnement ??lectromagn??tique sous la forme de les rayons gamma; dans un r??acteur nucl??aire, l'??nergie est convertie en chaleur que les particules et les rayons gamma entrent en collision avec les atomes qui composent le r??acteur et son le fluide de travail, habituellement de l'eau ou ?? l'occasion eau lourde.
Lorsqu'un uranium noyau fissions en fragments deux noyaux filles, environ 0,1 pour cent de la masse du noyau d'uranium semble que l'??nergie de fission de 200 MeV ~. Pour l'uranium-235 (total fission moyenne ??nerg??tique 202,5 MeV), typiquement ~ 169 MeV appara??t comme l' ??nergie cin??tique des noyaux filles, qui volent en dehors d'environ 3% de la vitesse de la lumi??re, en raison de la r??pulsion de Coulomb . En outre, une moyenne de 2,5 neutrons sont ??mis, avec une moyenne d'??nergie cin??tique par neutrons de ~ 2 MeV (total de 4,8 MeV). La r??action de fission lib??re ??galement ~ 7 MeV dans invite gamma ray photons . Ce dernier chiffre signifie qu'une explosion de la fission nucl??aire ou d'un accident de criticit?? ??met environ 3,5% de l'??nergie sous forme de rayons gamma, ?? moins de 2,5% de son ??nergie des neutrons rapides (total des deux types de rayonnement ~ 6%), et le reste sous forme cin??tique l'??nergie de fragments de fission (cela semble presque imm??diatement lorsque l'impact des fragments mati??re environnante, aussi simple chaleur ). Dans une bombe atomique, cette chaleur peut servir ?? augmenter la temp??rature du noyau de la bombe ?? 100 millions de degr??s Kelvin et provoquer une ??mission secondaire de rayons X mous, qui convertissent une partie de cette ??nergie ?? un rayonnement ionisant. Cependant, dans les r??acteurs nucl??aires, l'??nergie cin??tique des fragments de fission reste sous forme de chaleur ?? basse temp??rature, qui provoque elle-m??me que peu ou pas d'ionisation.
Soi-disant bombes ?? neutrons (armes de rayonnement am??lior??s) ont ??t?? construits qui lib??rent une plus grande fraction de leur ??nergie sous forme de rayonnement (en particulier, des neutrons) ionisants, mais ce sont tous les appareils thermonucl??aires qui se appuient sur la sc??ne de la fusion nucl??aire pour produire le rayonnement suppl??mentaire. La dynamique de l'??nergie de bombes de fission pures restent toujours ?? environ 6% de rendement du total du rayonnement, ?? la suite rapide de fission.
Le montant total de l'??nergie de fission invite ?? environ 181 MeV, ou ~ 89% de l'??nergie totale qui est finalement lib??r??e par la fission au fil du temps. Le solde de ~ 11% est publi?? en version b??ta d??sint??grations qui ont des demi-vies diff??rentes, mais commencer comme un processus dans les produits de fission imm??diatement; et des ??missions de gamma retard??s associ??s ?? ces d??sint??grations b??ta. Par exemple, dans l'uranium-235 retard?? cette ??nergie est divis?? en environ 6,5 MeV ?? 8,8 MeV b??tas, dans antineutrinos (publi?? en m??me temps que les versions b??ta), et enfin, un 6,3 MeV suppl??mentaires en retard ??mission gamma des produits de d??sint??gration b??ta excit??s (pour un total moyenne de ~ 10 ??missions de rayons gamma par fission, en tout). Ainsi, un montant suppl??mentaire de 6% de l'??nergie totale de la fission est ??galement lib??r?? par la suite sous forme de rayonnement ionisant non-rapide, et ce est ?? peu pr??s ??galement divis??e entre l'??nergie b??ta rayons gamma et. Le reste est antineutrinos.
Le 8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% de l'??nergie qui est lib??r??e comme antineutrinos ne est pas captur?? par le mat??riau du r??acteur sous forme de chaleur, et se ??chappe directement ?? travers tous les mat??riaux (y compris la Terre) presque ?? la vitesse de la lumi??re, et dans l'espace interplan??taire ( la quantit?? absorb??e est minuscule). rayonnement de neutrinos est habituellement pas class?? comme rayonnements ionisants, car il est presque enti??rement absorb?? pas et donc ne produit pas d'effets. La quasi-totalit?? du reste du rayonnement (rayonnement b??ta et gamma) est ??ventuellement convertie en chaleur dans un coeur de r??acteur ou son blindage.
Certains processus impliquant neutrons sont remarquables pour absorber ou c??dant enfin l'??nergie - par exemple neutrons ??nergie cin??tique ne donne pas de chaleur imm??diatement si le neutron est captur?? par un atome d'uranium 238 ?? produire du plutonium-239, mais cette ??nergie est ??mis si le plutonium-239 est ensuite scind??s. D'un autre c??t??, que l'on appelle neutrons retard??s ??mis en tant que produits de d??sint??gration radioactive avec des demi-vies jusqu'?? plusieurs minutes, ?? partir de fission-filles, sont tr??s importants pour commande du r??acteur, car ils donnent une "r??action" temps caract??ristique pour la r??action nucl??aire total de doubler de taille, si la r??action est conduite dans un " zone retard??e-critique ??qui se appuie d??lib??r??ment sur ces neutrons pour une r??action en cha??ne supercritique (celui dans lequel chaque cycle de fission donne plus qu'elle ne en absorbe les neutrons). Sans leur existence, la r??action en cha??ne nucl??aire serait invite critique et augmentation de la taille plus vite qu'il ne peut ??tre contr??l??e par l'intervention humaine. Dans ce cas, les premiers r??acteurs atomiques exp??rimentales auraient enfuir ?? une "r??action rapide critique" dangereuse et d??sordonn??e devant leurs op??rateurs pourraient avoir les fermer manuellement vers le bas (pour cette raison, concepteur Enrico Fermi inclus barres de commande de contre-rayonnement d??clench??, suspendus par des ??lectro-aimants, ce qui pourrait d??poser automatiquement dans le centre de Chicago Pile-1). Si ces neutrons retard??s sont captur??s sans produire fissions, ils produisent de la chaleur ainsi.
noyaux de produit et ??nergie de liaison
Dans la fission il ya une pr??f??rence pour obtenir des fragments avec des num??ros m??me proton, qui est appel?? l'effet bizarre-m??me sur les fragments facturent distribution. Cependant, aucun effet pair-impair est observ??e sur la distribution du nombre de masse de fragment. Ce r??sultat est imputable ?? paire de nucl??ons rupture.
Dans les ??preuves de fission nucl??aires les noyaux peuvent percer dans ne importe quelle combinaison des noyaux plus l??gers, mais l'??v??nement le plus commun ne est pas ?? ??galer la fission des noyaux de masse d'environ 120 masse; le cas le plus courant (en fonction de l'isotope et processus) est une fission l??g??rement in??gale dans lequel un noyau fils a une masse d'environ 90 ?? 100 u et l'autre le reste 130 ?? 140 u. Fissions in??gales sont ??nerg??tiquement plus favorable parce que cela permet un produit pour se rapprocher au minimum ??nergique pr??s de masse 60 u (seulement un quart de la masse fissile moyenne), tandis que l'autre noyau de masse 135 u ne est pas encore loin de la gamme de les noyaux les plus ??troitement li??s (une autre d??claration de cette, ce est que le atomique courbe d'??nergie de liaison est l??g??rement plus raide ?? la gauche de la masse 120 u que de la droite de celui-ci).
Origine de l'??nergie active et la courbe de l'??nergie de liaison
La fission nucl??aire d'??l??ments lourds produit de l'??nergie parce que le sp??cifique ??nergie de liaison des noyaux de masse interm??diaire (??nergie massique de liaison) avec des num??ros atomiques et masses atomiques 62 ?? proximit?? de Ni et Fe 56 est sup??rieure ?? l'??nergie de liaison sp??cifique de nucl??ons des noyaux tr??s lourds, de sorte que l'??nergie est lib??r??e lorsque les noyaux lourds sont d??compos??s. Le total des masses des produits de fission (PF) ?? partir d'une seule r??action de repos est inf??rieure ?? la masse du noyau de carburant d'origine (M). L'exc??s de masse Δm = M - Mp est la masse invariante de l'??nergie qui est lib??r??e que photons ( les rayons gamma) et l'??nergie cin??tique des fragments de fission, en fonction de la masse-??nergie formule d'??quivalence E = mc 2.
La variation d'??nergie de liaison sp??cifique avec le num??ro atomique est d?? ?? l'interaction des deux fondamentaux forces agissant sur le composant nucl??ons ( protons et neutrons ) qui constituent le noyau. Noyaux sont li??s par un attrayant force nucl??aire entre nucl??ons, qui surmonte la la r??pulsion ??lectrostatique entre les protons. Cependant, la force nucl??aire ne agit que sur des plages relativement courtes (quelques diam??tres de nucl??ons), car il suit une d??croissance exponentielle Potentiel Yukawa qui rend insignifiant au plus longues distances. La r??pulsion ??lectrostatique est de plus longue port??e, car il se d??sint??gre en une r??gle du carr?? inverse, de sorte que les noyaux sup??rieure ?? environ 12 nucl??ons de diam??tre atteignent un point que la r??pulsion ??lectrostatique totale surmonte la force nucl??aire et les am??ne ?? ??tre spontan??ment instable. Pour la m??me raison, les noyaux plus grands (plus de huit nucl??ons de diam??tre) sont moins ??troitement li??s par unit?? de masse que sont les petits noyaux; briser un gros noyau en deux ou plusieurs noyaux de taille interm??diaire lib??re de l'??nergie. L'origine de cette ??nergie est la force nucl??aire, qui noyaux de taille interm??diaire permet d'agir plus efficacement, parce que chaque nucl??on a plus de voisins qui sont dans l'attraction ?? courte port??e de cette force. Ainsi moins d'??nergie est n??cessaire dans les petits noyaux et la diff??rence ?? l'??tat avant est mis en libert??.
Aussi en raison de la courte port??e de la force de liaison forte, de grands noyaux stables doivent contenir proportionnellement plus de neutrons que ne le font les ??l??ments les plus l??gers, qui sont le plus stable avec un rapport 1 ?? 1 de protons et de neutrons. Les noyaux qui ont plus de 20 protons ne peuvent pas ??tre stable ?? moins qu'ils ne ont plus que un nombre ??gal de neutrons. Neutrons suppl??mentaires stabilisent ??l??ments lourds, car ils ajoutent ?? la liaison (qui agit entre les nucl??ons) forte force sans ajouter ?? proton-proton r??pulsion. Les produits de fission ont, en moyenne, environ la m??me proportion de neutrons et de protons que leur noyau de parent, et sont donc habituellement instables ?? la d??sint??gration b??ta (qui change neutrons ?? protons) parce qu'ils ont proportionnellement trop de neutrons par rapport aux isotopes stables de masse similaire.
Cette tendance pour les noyaux de produits de fission ?? d??sint??gration b??ta est la cause fondamentale du probl??me de radioactif d??chets de haute activit?? provenant des r??acteurs nucl??aires. Les produits de fission ont tendance ?? ??tre les ??metteurs b??ta, ??mettant en mouvement rapide des ??lectrons de conserver charge ??lectrique , les neutrons exc??dentaires se convertissent ?? protons dans les atomes de produits de fission. Voir Les produits de fission (par ??l??ment) pour une description des produits de fission tri??es par ??l??ment.
Les r??actions en cha??ne
Plusieurs ??l??ments lourds, tels que l'uranium , le thorium et le plutonium , sont soumis ?? la fois fission spontan??e, une forme de la d??croissance radioactive et la fission induite, une forme de r??action nucl??aire. Isotopes ??l??mentaires qui subissent la fission induits lorsqu'il a ??t?? frapp?? par un libre neutrons sont appel??s fissiles; isotopes qui subissent la fission lorsqu'il a ??t?? frapp?? par un thermique, lente neutrons mobile sont ??galement appel??s fissiles. Quelques isotopes fissiles et particuli??rement faciles ?? obtenir (notamment 233 U, 235 U et 239 Pu) sont appel??s combustibles nucl??aires parce qu'ils peuvent soutenir une r??action en cha??ne et peuvent ??tre obtenus en quantit??s suffisantes pour ??tre utile.
Tous les isotopes fissiles et fissiles subissent une petite quantit?? de fission spontan??e qui lib??re quelques neutrons libres dans ne importe quel ??chantillon de combustible nucl??aire. Ces neutrons seraient ??chapper rapidement du carburant et devenir un neutron libre , avec un dur??e de vie d'environ 15 minutes avant de se d??sint??grer signifie ?? protons et particules b??ta. Cependant, les neutrons incidence presque invariablement et sont absorb??s par d'autres noyaux dans les environs ?? long avant que cela arrive (neutrons de fission nouvellement cr????s se d??placent ?? environ 7% de la vitesse de la lumi??re, et de neutrons, m??me mod??r??s se d??placent ?? environ 8 fois la vitesse du son). Certains auront un impact neutrons des noyaux du combustible et provoquer de nouvelles fissions, lib??rant encore plus de neutrons. Si suffisamment de combustible nucl??aire est assembl?? en un seul endroit, ou si les neutrons qui se ??chappent sont suffisamment contenaient, ces neutrons fra??chement ??mis sont plus nombreuses que les neutrons qui se ??chappent de l'assembl??e, et une r??action nucl??aire en cha??ne soutenue auront lieu.
Un ensemble qui prend en charge une r??action nucl??aire en cha??ne soutenue est appel?? assemblage critique ou, si l'ensemble est presque enti??rement constitu?? d'un combustible nucl??aire, masse critique. Le mot ??critique?? se r??f??re ?? un aube dans le comportement de l' ??quation diff??rentielle qui r??git le nombre de neutrons libres pr??sents dans le combustible: si moins d'un masse critique est pr??sent, alors la quantit?? de neutrons est d??termin??e par d??sint??gration radioactive, mais si une masse critique ou plus est pr??sent, alors la quantit?? de neutrons est contr??l?? ?? la place par le physique de la r??action en cha??ne. La r??elle de masse d'une masse critique de combustible nucl??aire d??pend fortement de la g??om??trie et les mat??riaux environnants.
Pas tous les isotopes fissiles peuvent soutenir une r??action en cha??ne. Par exemple, 238 U, la forme la plus abondante d'uranium, est fissile mais pas fissile: il subit la fission induite en cas de choc par un neutron ??nergique avec plus de 1 MeV d'??nergie cin??tique. Cependant, trop peu de neutrons produits par la fission U 238 sont assez ??nergique pour induire d'autres fissions en 238 U, donc pas de r??action en cha??ne est possible avec cet isotope. Au lieu de cela, bombardant 238 U avec des neutrons lents am??ne ?? les absorber (devenant 239 U) et de la d??composition par ??missions beta ?? 239 Np qui se d??sint??gre puis ?? nouveau par le m??me processus ?? 239 Pu; ce proc??d?? est utilis?? pour fabriquer 239 Pu en surg??n??rateurs. In situ production de plutonium contribue ??galement ?? la r??action en cha??ne de neutrons dans d'autres types de r??acteurs suffisante apr??s plutonium-239 a ??t?? produit, ??tant donn?? que le plutonium 239 est aussi un ??l??ment fissile qui sert de carburant. On estime que jusqu'?? la moiti?? de l'??nergie produite par une norme "non-??leveur" r??acteur est produite par la fission du plutonium-239 produit en place, sur le cycle de vie total d'une charge de carburant.
Isotopes fissiles, non fissiles peuvent ??tre utilis??s comme source d'??nergie de fission, m??me sans une r??action en cha??ne. 238 U bombardant avec des neutrons rapides induit fissions, lib??rant de l'??nergie tant que la source de neutrons externe est pr??sent. Ce est un effet important dans tous les r??acteurs o?? les neutrons rapides de l'isotope fissile peuvent provoquer la fission de proximit?? 238 noyaux U, ce qui signifie qu'une petite partie de la 238 U est ??br??l??e?? dans tous les combustibles nucl??aires, en particulier dans les surr??g??n??rateurs r??acteurs qui fonctionnent avec des neutrons de haute ??nergie. Ce m??me effet rapide fission est utilis?? pour augmenter l'??nergie lib??r??e par moderne armes thermonucl??aires, par chemisage l'arme avec 238 U de r??agir avec des neutrons lib??r??s par la fusion nucl??aire au centre du dispositif.
les r??acteurs ?? fission
R??acteurs de fission critiques sont le type le plus commun de r??acteur nucl??aire. Dans un r??acteur de fission critique, les neutrons produits par la fission des atomes de carburant sont utilis??s pour induire encore plus de fissions, afin de maintenir une quantit?? contr??lable de lib??ration d'??nergie. Dispositifs qui produisent des pi??ces mais non auto-entretien des r??actions de fission sont r??acteurs de fission sous-critiques. De tels dispositifs utilisent d??sint??gration radioactive ou acc??l??rateurs de particules pour d??clencher fissions.
R??acteurs de fission critiques sont construites pour trois objectifs principaux, qui impliquent g??n??ralement ing??nierie diff??rents compromis pour profiter de la chaleur soit ou les neutrons produits par la r??action de fission en cha??ne:
- r??acteurs de puissance sont destin??s ?? produire de la chaleur pour l'??nergie nucl??aire, soit dans le cadre d'un centrale ou un r??seau ??lectrique local, comme un sous-marin nucl??aire.
- r??acteurs de recherche sont destin??s ?? produire des neutrons et / ou d'activer les sources radioactives ?? des fins scientifiques, m??dicaux, de l'ing??nierie, ou d'autres fins de recherche.
- surg??n??rateurs sont destin??s ?? produire des combustibles nucl??aires en vrac de plus abondantes isotopes . Le mieux connu surg??n??rateur fait 239 Pu (un combustible nucl??aire) de l'naturellement tr??s abondante 238 U (pas un combustible nucl??aire). Surg??n??rateurs thermiques pr??alablement test??s en utilisant 232 Th se reproduire l'isotope fissile U 233 ( cycle du combustible de thorium) continuent d'??tre ??tudi?? et d??velopp??.
Bien que, en principe, tous les réacteurs de fission peut agir dans les trois capacités, dans la pratique, les tâches conduisent à objectifs contradictoires d'ingénierie et de la plupart des réacteurs ont été construits avec un seul des tâches ci-dessus à l'esprit. (Il ya plusieurs contre-exemples précoces, comme le Hanford réacteur N, maintenant hors service). Les réacteurs de puissance convertissent généralement l'énergie cinétique des produits de fission en chaleur, qui est utilisé pour chauffer un fluide de travail et d'entraînement un moteur thermique qui produit de l'énergie mécanique ou électrique. Le fluide de travail est habituellement de l'eau avec une turbine à vapeur, mais certaines conceptions utiliser d'autres matériaux tels que le gaz hélium . Les réacteurs de recherche produisent des neutrons qui sont utilisés de différentes manières, avec la chaleur de fission qui est traité comme un déchet inévitable. surgénérateurs sont une forme spécialisée de réacteur de recherche, avec l'avertissement que l'échantillon irradié est habituellement le combustible lui-même, un mélange de 238 U et 235 U. Pour une description plus détaillée des principes de physique et d'exploitation des réacteurs de fission critiques, voir physique des réacteurs nucléaires. Pour une description de leurs aspects sociaux, politiques et environnementaux, voir l'énergie nucléaire .
Les bombes à fission
Une classe de l'arme nucl??aire , une bombe de fission (?? ne pas confondre avec la bombe de fusion ), autrement connu comme une bombe atomique ou la bombe atomique, est un r??acteur ?? fission con??u pour lib??rer autant d'??nergie que possible aussi rapidement que possible, avant la sorti ??nergie provoque l'explosion du r??acteur (et la r??action en cha??ne pour arr??ter). D??veloppement d'armes nucl??aires ??tait la motivation derri??re premi??res recherches sur la fission nucl??aire: la Projet Manhattan de la Arm??e am??ricaine pendant la Seconde Guerre mondiale r??alis?? la plupart des travaux scientifiques t??t r??actions de fission en cha??ne, culminant dans la Trinit?? bombe d'essai et la Little Boy et Bombes de gros homme qui ont ??t?? explos?? sur les villes Hiroshima, et Nagasaki, le Japon en Ao??t 1945.
M??me les premi??res bombes de fission ??taient des milliers de fois plus explosive qu'une masse comparable explosif chimique. Par exemple, Little Boy pesait un total d'environ quatre tonnes (dont 60 kg ??tait de combustible nucl??aire) et ??tait de 11 pieds (3,4 m) de long; Il a ??galement donn?? une explosion ??quivalente ?? environ 15 kilotonnes de TNT, d??truisant une grande partie de la ville de Hiroshima. Armes nucl??aires modernes (qui comprennent une fusion thermonucl??aire ainsi que une ou plusieurs ??tapes de fission) sont des centaines de fois plus d'??nergie pour leur poids que les bombes atomiques premi??re fission pur (voir le rendement de l'arme nucl??aire), de sorte que d'une ogive de missile seule bombe moderne pesant moins de 1/8 autant que Little Boy (voir par exemple W88) a un rendement de 475 000 tonnes de TNT, et pourrait apporter la destruction d'environ 10 fois la superficie de la ville.
Alors que la physique fondamentale de la fission réaction en chaîne dans une arme nucléaire est similaire à la physique d'un réacteur nucléaire contrôlée, les deux types d'appareils doivent être conçus très différemment (voir physique des réacteurs nucléaires). Une bombe nucléaire est conçu pour libérer toute son énergie à la fois, tandis qu'un réacteur est conçu pour générer un approvisionnement régulier de puissance utile. Alors que la surchauffe d'un réacteur peut conduire à, et a conduit à, meltdown et vapeur explosions, le beaucoup plus faible enrichissement de l'uranium, il est impossible pour un réacteur nucléaire pour exploser avec la même puissance destructrice comme une arme nucléaire. Il est également difficile d'extraire la puissance utile d'une bombe nucléaire, même si au moins un système de propulsion de fusée, Projet Orion, a été conçu pour fonctionner en faisant exploser des bombes de fission derrière un vaisseau spatial massivement rembourré et blindé.
Le stratégique importance des armes nucléaires est une raison majeure pour laquelle la technologie de la fission nucléaire est politiquement sensible. Viables conceptions fission à la bombe sont, sans doute, dans les capacités d'un grand nombre étant relativement simple d'un point de vue de l'ingénierie. Cependant, la difficulté d'obtenir des matières nucléaires fissiles pour réaliser les dessins, est la clé de l'indisponibilité relative des armes nucléaires à tous, mais modernes gouvernements industrialisés avec des programmes spéciaux pour produire des matières fissiles (voir enrichissement d'uranium et cycle du combustible nucléaire).
Histoire
Découverte de la fission nucléaire
La découverte de la fission nucléaire est survenu en 1938, après près de cinq décennies de travail sur la science de la radioactivité et l'élaboration de nouvelles physique nucléaire qui décrivent les composantes de atomes . En 1911, Ernest Rutherford a proposé un modèle de l'atome dans laquelle une très petite, dense et chargé positivement noyau de protons (le neutron n'a pas encore été découvert) a été entouré par orbite, chargés négativement électrons (le modèle de Rutherford). Niels Bohr améliorée sur cette en 1913 par le rapprochement entre le comportement quantique des électrons (le modèle Bohr). Les travaux de Henri Becquerel, Marie Curie , Pierre Curie et Rutherford en outre précisé que le noyau, si étroitement lié, pourrait subir différentes formes de désintégration radioactive, et ainsi transmuter en d'autres éléments. (Par exemple, par la désintégration alpha: l'émission d'une particule alpha-deux protons et deux neutrons liés ensemble dans une particule identique à un hélium noyau).
Certains travaillent dans transmutation avait été fait. En 1917, Rutherford était en mesure d'accomplir la transmutation de l'azote en oxygène, en utilisant des particules alpha visant à l'azote 14 N + ?? ??? 17 O + p. Ce fut la première observation d'une réaction nucléaire, qui est une réaction dans laquelle des particules d'une décroissance sont utilisés pour transformer un autre noyau atomique. Finalement, en 1932, une réaction nucléaire totalement artificielle et transmutation a été atteint par les collègues de Rutherford Ernest Walton et John Cockcroft, qui ont utilisé des protons accélérés artificiellement contre lithium-7, de scinder ce noyau en deux particules alpha. L'exploit a été populairement connu comme "fission de l'atome", même si elle n'a pas été la réaction de fission nucléaire moderne découvert plus tard en éléments lourds, dont il est question ci-dessous. Pendant ce temps, la possibilité de combiner les noyaux-nucléaires fusion avaient été étudiés dans le cadre de la compréhension des processus qui alimentent étoiles . La première réaction de fusion artificielle avait été réalisé par Mark Oliphant en 1932, en utilisant accélérée noyaux de deutérium (chacun constitué d'un seul proton lié à un seul neutron) pour créer un des noyaux d'hélium.
Après le physicien anglais James Chadwick a découvert le neutron en 1932, Enrico Fermi et ses collègues de Rome ont étudié les résultats de l'uranium avec des neutrons bombardant en 1934. Fermi a conclu que ses expériences ont créé de nouveaux éléments avec 93 et 94 protons, dont le groupe surnommé ausonium et hesperium. Cependant, tous ont été convaincu par l'analyse de Fermi de ses résultats. Le chimiste allemand Ida Noddack notamment suggéré sur papier en 1934 qu'au lieu de créer une nouvelle, élément plus lourd 93, qu '«il est concevable que le noyau se décompose en plusieurs grands fragments." Cependant, la conclusion de Noddack n'a pas été poursuivie à l'époque.
Après la publication de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner et Fritz Strassmann ont commencé la réalisation d'expériences similaires dans Berlin . Meitner, un Juif autrichien, a perdu sa citoyenneté avec le " Anschluss ", l'occupation et l'annexion de l'Autriche dans l'Allemagne nazie en 1938, mais elle a fui en Suède et a commencé une correspondance par mail avec Hahn à Berlin. Par coïncidence, son neveu Otto Frisch Robert, également réfugié, était aussi en Suède quand Meitner a reçu une lettre datée du 20 Décembre Hahn décrivant sa preuve chimique qui une partie du produit du bombardement de l'uranium avec des neutrons était baryum . Hahn a suggéré un éclatement du noyau, mais il était sûr de ce que la base physique pour les résultats étaient. Baryum avait une masse atomique 40% de moins que l'uranium, et aucun procédés déjà connus de la désintégration radioactive pourrait expliquer une telle différence dans la masse du noyau. Frisch était sceptique, mais Meitner confiance la capacité de Hahn en tant que chimiste. Marie Curie avait été sépare de baryum du radium pendant de nombreuses années, et les techniques ont été bien connue. Selon Frisch:
Était-ce une erreur? Non, dit Lise Meitner; Hahn était trop bon pour ce chimiste. Mais comment baryum pourrait être formée à partir de l'uranium? Fragments Pas plus grand que des protons ou des noyaux d'hélium (particules alpha) avaient déjà été rogné à partir de noyaux, et de détacher un grand nombre pas assez d'énergie était disponible. Ni était-il possible que le noyau d'uranium pourrait avoir été coupé juste en face. Un noyau était pas comme un solide fragile qui peut être clivée ou cassé; George Gamow avait suggéré dès le début, et Bohr avait donné de bons arguments qu'un noyau était beaucoup plus comme une goutte de liquide. Peut-être une baisse pourrait se diviser en deux gouttes plus petites d'une manière plus progressive, en commençant par devenir allongée, puis étranglée, et enfin se déchirer plutôt que cassé en deux? Nous savions qu'il y avait des forces puissantes qui résister à un tel processus, tout comme la tension de surface d'une goutte de liquide ordinaire tend à résister à sa division en deux plus petites. Mais noyaux différaient de gouttes ordinaires d'une façon importante: ils ont été chargées électriquement, et qui était connu pour contrecarrer la tension de surface.
La charge d'un noyau d'uranium, nous avons trouvé, était en effet assez grand pour surmonter l'effet de la tension de surface presque complètement; de sorte que le noyau d'uranium pourrait effectivement ressembler à une baisse très instable bancale, prête à se diviser à la moindre provocation, tels que l'impact d'un seul neutron. Mais il y avait un autre problème. Après séparation, les deux gouttes seraient entraînées en dehors de leur répulsion électrique mutuelle et acquerrait haute vitesse et donc une très grande énergie, à environ 200 MeV au total; où cette énergie pourrait provenir? ... Lise Meitner ... travaillé que les deux noyaux formés par la division d'un noyau d'uranium ensemble serait plus léger que le noyau d'uranium d'origine d'environ un cinquième de la masse d'un proton. Maintenant, quand la masse disparaît énergie est créée, selon Einstein formule E = mc 2 , et un cinquième d'une masse du proton était juste équivalent à 200 MeV. Donc ici était la source de cette énergie; tout équipé!
En bref, Meitner et Frisch avait correctement interprété les résultats de Hahn pour signifier que le noyau d'uranium avait divisé à peu près la moitié. Frisch a suggéré le processus nommé "fission nucléaire", par analogie avec le processus de la vie de la division cellulaire en deux cellules, qui a ensuite été appelés fission binaire. Tout comme le nucléaire terme "réaction en chaîne" allait plus tard être emprunté de la chimie, de sorte que le terme "fission" a été emprunté à la biologie.
Le 22 Décembre 1938, Hahn et Strassmann envoyé un manuscrit à Naturwissenschaften rapports qu'ils avaient découvert l'élément de baryum après avoir bombardé l'uranium avec des neutrons . Simultanément, ils ont communiqué ces résultats à Meitner en Suède. Elle et Frisch correctement interprété les résultats comme preuve de la fission nucléaire. Frisch a confirmé expérimentalement le 13 Janvier 1939. Pour prouver que le baryum résultant de son bombardement de l'uranium avec des neutrons était le produit de la fission nucléaire, Hahn a reçu le prix Nobel de chimie en 1944 (le seul destinataire) "pour sa découverte de la fission des noyaux lourds ". (Le prix a été effectivement donné à Hahn en 1945, "le Comité Nobel de chimie a décidé qu'aucun des nominations de l'année a rencontré les critères énoncés dans la volonté d'Alfred Nobel." Dans de tels cas, le statuts de la Fondation Nobel permettent que le prix de l'année être réservé jusqu'à l'année suivante.)
Nouvelles propager rapidement de la nouvelle découverte, qui a été correctement considéré comme un effet physique totalement nouvelle avec de grandes possibilités pratiques-scientifiques-et potentiellement. L'interprétation de Meitner et Frisch de la découverte de Hahn et Strassmann a traversé l'océan Atlantique avec Niels Bohr , qui devait donner des conférences à l'Université de Princeton . II Rabi et Willis Lamb, deux Les physiciens de l'Universit?? Columbia de travail ?? Princeton, entendu les nouvelles et ex??cut??s en arri??re ?? Columbia. Rabi dit qu'il a dit Enrico Fermi; Fermi a donn?? du cr??dit ?? l'agneau. Bohr a peu de temps apr??s de Princeton ??-Britannique pour voir Fermi. Ne trouvant pas de Fermi dans son bureau, Bohr descendit au cyclotron région et trouvé Herbert L. Anderson. Bohr l'attrapa par l'épaule et lui dit: ". Jeune homme, laissez-moi vous expliquer quelque chose de nouveau et excitant en physique" Il était clair pour un certain nombre de scientifiques Britannique qu'ils devraient essayer de détecter l'énergie libérée dans la fission nucléaire de l'uranium à partir de bombardement neutronique. Le 25 Janvier 1939, une équipe de l'Université Columbia a effectué la première expérience de la fission nucléaire aux Etats-Unis, qui a été fait dans le sous-sol de Pupin mairie; les membres de l'équipe étaient Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, Enrico Fermi, G. Norris Glasoe, et Francis G. Slack. impliqués L'expérience plaçant oxyde d'uranium à l'intérieur d'une chambre d'ionisation et l'irradiant avec des neutrons, et la mesure de l'énergie ainsi libérée. Les résultats ont confirmé que la fission a été produit et a laissé entendre qu'il était fortement l'isotope uranium 235 en particulier qui a été fission. Le lendemain, la Cinquième Conférence de Washington sur la physique théorique a commencé en Washington, DC sous les auspices conjoints de l' Université George Washington et de la Carnegie Institution de Washington. Là, les nouvelles sur la fission nucléaire a été étendue encore plus loin, ce qui a favorisé de nombreuses manifestations plus expérimentales.
Pendant cette période, le physicien hongrois Leó Szilárd, qui résidait aux États-Unis à l'époque, a réalisé que la fission conduit neutrons des atomes lourds pourrait être utilisé pour créer une r??action nucl??aire en cha??ne. réaction telle aide neutrons a été une idée qu'il avait formulée pour la première en 1933 , à la lecture des remarques désobligeantes à propos de Rutherford générer de l'énergie à partir de 1932 l'expérience de son équipe en utilisant des protons de diviser lithium. Cependant, Szilárd avait pas été en mesure de parvenir à une réaction en chaîne entraînée neutrons avec des atomes légers riches en neutrons. En théorie, si dans une réaction en chaîne qui entraîne les neutrons, le nombre de neutrons produits secondaires est supérieur à un, alors chaque telle réaction pourrait déclencher plusieurs réactions supplémentaires, la production d'un nombre croissant de façon exponentielle de réactions. Il était donc possible que la fission de l'uranium pourrait céder de vastes quantités d'énergie à des fins civiles ou militaires (c.-à- génération d'énergie électrique ou des bombes atomiques ).
Szilard maintenant exhorté Fermi (à New York) et Frédéric Joliot-Curie (Paris) de ne pas publier sur la possibilité d'une réaction en chaîne, de peur que le gouvernement nazi prendre conscience des possibilités à la veille de ce qui allait être connu plus tard comme mondiale la Seconde Guerre . Avec une certaine hésitation Fermi convenu à l'auto-censure. Mais Joliot-Curie n'a pas, et en Avril 1939 son équipe à Paris, y compris Hans von Halban et Lew Kowarski, publiée dans la revue Nature que le nombre de neutrons émis par la fission nucléaire de 235 U a ensuite été signalé à 3,5 par fission. (Ils ont corrigé plus tard cette à 2,6 par fission.) Le travail simultané par Szilard et Walter Zinn ont confirmé ces résultats. Les résultats suggèrent la possibilité de construire des réacteurs nucléaires (premier appelés «réacteurs neutroniques" par Szilard et Fermi) et même des bombes nucléaires. Cependant, beaucoup était encore inconnu sur les systèmes de réaction de fission et de la chaîne.
réaction en chaîne de fission
" Les réactions en chaîne "à cette époque étaient un phénomène connu dansla chimie, mais le processus analogue en physique nucléaire, en utilisant des neutrons, avait été prévue dès 1933 par Szilárd, mais Szilárd avait à l'époque aucune idée de ce que les matériaux le processus pourrait être lancé . Szilárd considéré que les neutrons serait idéal pour une telle situation, car ils ne disposaient pas d'une charge électrostatique.
Avec les nouvelles de neutrons de fission issus de la fission de l'uranium, Szilárd a immédiatement compris la possibilité d'une réaction nucléaire en chaîne utilisant de l'uranium. En été, Fermi et Szilard proposé l'idée d'un réacteur nucléaire (pile) d'arbitrer ce processus. La pile serait utiliser l'uranium naturel comme combustible. Fermi avait montré beaucoup plus tôt que les neutrons ont été beaucoup plus efficacement capturés par des atomes si elles étaient de faible énergie (dite "lente" ou neutrons "thermiques"), parce que, pour des raisons quantique, il a fait les atomes ressemblent beaucoup plus à des cibles les neutrons . Ainsi, pour ralentir les neutrons secondaires libérés par les noyaux d'uranium fission, Fermi et Szilard proposé un «modérateur», graphite, contre laquelle les-haute énergie des neutrons rapides secondaires entreraient en collision, de manière efficace les ralentir. Avec suffisamment d'uranium et de graphite pur-suffisant, leur «pile» pourrait théoriquement soutenir une réaction en chaîne lente neutrons. Cela se traduirait par la production de chaleur, ainsi que la création d'radioactive produits de fission.
En Août 1939, Szilard et d'autres réfugiés hongrois physiciens Teller et Wigner pensaient que les Allemands pourraient faire usage de la réaction de fission en chaîne et ont été stimulés pour tenter d'attirer l'attention du gouvernement des États-Unis à la question. Vers cela, ils persuadés juif allemand réfugié Albert Einstein de prêter son nom à une lettre adressée au président Franklin Roosevelt . Le lettre d'Einstein-Szilárd suggéré la possibilité d'une bombe à l'uranium livrable par bateau, ce qui détruirait "un port entier et une grande partie de la la campagne environnante ". Le président a reçu la lettre le 11 Octobre 1939 - peu de temps après la Seconde Guerre mondiale a commencé en Europe, mais deux ans avant l'entrée des États-Unis en elle. Roosevelt a ordonné qu'un comité scientifique autorisée pour superviser le travail de l'uranium et a affecté une petite somme d'argent pour la recherche sur le tas.
En Angleterre, James Chadwick a proposé une bombe atomique utilisant de l'uranium naturel, basé sur un document rédigé par Rudolf Peierls avec la masse nécessaire pour l'état critique étant de 30-40 tonnes. En Amérique, J. Robert Oppenheimer pense qu'un cube d'uranium deutérure 10 cm sur un côté (environ 11 kg d'uranium) pourraient "se faire sauter à l'enfer." Dans cette conception, il était toujours pensé que un modérateur devrait être utilisé pour la bombe à fission nucléaire (cette avéré ne pas être le cas si l'isotope fissile a été séparée). En D??cembre, Werner Heisenberg a remis un rapport au ministère allemand de la guerre sur la possibilité d'une bombe à l'uranium. La plupart de ces modèles étaient encore sous l'hypothèse que les bombes seraient alimentés par des neutrons lents réactions-et donc être semblable à un réacteur de subir une crise.
Produire une réaction en chaîne de fission dans l'uranium naturel a été trouvé loin d'être trivial. Les premiers réacteurs nucléaires ne pas utiliser l'uranium enrichi isotopiquement, et en conséquence ils ont été obligés d'utiliser de grandes quantités de graphite hautement purifié comme matières neutrons de modération. L'utilisation de l'eau ordinaire (par opposition à eau lourde) dans les réacteurs nucléaires nécessite combustible enrichi - la séparation partielle et l'enrichissement relatif de la rare 235 isotope U de la beaucoup plus fréquent 238 isotope U. Typiquement, les réacteurs exigent également l'inclusion des très chimiquement purs matériaux de modérateur de neutrons tels que le deutérium (dans l'eau lourde), l'hélium , le béryllium ou le carbone, ce dernier généralement que graphite. (La haute pureté pour le carbone est nécessaire parce que de nombreuses impuretés chimiques tels que le bore 10 composante naturelle du bore , sont des absorbeurs de neutrons très forts et donc empoisonnent la réaction en chaîne et se terminent prématurément.)
La production de ces matériaux à l'échelle industrielle ont dû être résolus pour la production d'énergie nucléaire et la production d'armes à accomplir. Jusqu'à 1940, le montant total de l'uranium métal produite aux Etats-Unis n'a pas plus de quelques grammes, et même cela était d'une pureté douteuse; de béryllium métallique pas plus de quelques kilogrammes; et de l'oxyde de deutérium concentré ( eau lourde) pas plus de quelques kilogrammes. Enfin, le carbone n'a jamais été produit en quantité avec quelque chose comme la pureté requise d'un modérateur.
Le problème de la production de grandes quantités d'uranium hautement pureté a été résolu par Frank Spedding en utilisant la thermite ou « processus Ames ". Ames Laboratory a été créé en 1942 pour produire les grandes quantités de naturel (non enrichi) uranium métal qui seraient nécessaires pour que la recherche venir. Le succès chaîne de réaction nucléaire critique du Chicago Pile-1 (2 Décembre, 1942) qui a utilisé non enrichi de l'uranium (naturel), comme tous les "piles" atomiques qui ont produit du plutonium pour la bombe atomique, est également attribuable spécifiquement à Szilard de la réalisation que le graphite très pur peut être utilisé pour le modérateur de même l'uranium "piles" naturelles. En Allemagne, guerre, incapacité à apprécier les qualités de graphite très pur conduit à des conceptions qui dépendent de l'eau lourde du réacteur, qui à son tour a été refusé par les Allemands attaques alliées en Norvège, où l'eau lourde a été produit. Ces difficultés parmi beaucoup d'autres--empêché les nazis de construire un réacteur nucléaire capable de criticité pendant la guerre, bien qu'ils ne jamais mis autant d'efforts que les Etats-Unis dans la recherche nucléaire, en mettant l'accent sur ??????d'autres technologies (voir projet d'énergie nucléaire allemand pour plus détails).
Projet Manhattan et au-delà
Aux États-Unis, un effort tous azimuts pour la fabrication d'armes atomiques a commencé à la fin de 1942. Ce travail a été repris par le US Army Corps of Engineers en 1943, et connu comme l'ingénieur de district de Manhattan. Le top-secret Manhattan Project, comme il était familièrement connue, a été dirigée par le général Leslie R. Groves. Parmi les dizaines de sites du projet étaient: Hanford site dans l'état de Washington, qui avait le premier à l'échelle industrielle r??acteurs nucl??aires; Oak Ridge, Tennessee, qui portait principalement sur ??????l'enrichissement d'uranium; et Los Alamos, au Nouveau-Mexique, qui était le centre scientifique pour la recherche sur la bombe le développement et la conception. D'autres sites, notamment le Radiation Laboratory de Berkeley et le laboratoire métallurgique de l'Université de Chicago, ont joué des rôles importants contribuant. Direction scientifique globale du projet a été géré par le physicien J. Robert Oppenheimer .
En Juillet 1945, la première bombe atomique, baptisé " Trinity ", a explosé dans le désert du Nouveau-Mexique. Il a été alimenté par du plutonium créé à Hanford. En Août 1945, deux autres atomique bombs- " Little Boy ", une bombe de l'uranium-235, et" Fat Man ", une bombe au plutonium-ont été utilisés contre les villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki.
Dans les années après la Seconde Guerre mondiale, de nombreux pays ont été impliqués dans la poursuite du développement de la fission nucléaire à des fins de réacteurs nucléaires et les armes nucléaires.
Fission naturelle chaîne réacteurs sur Terre
Criticité dans la nature est rare. À trois gisements de minerai à Oklo dans Gabon , seize sites (les soi-disant Réacteurs fossiles Oklo) ont été découverts au cours de laquelle la fission nucléaire auto-entretenue a eu lieu il ya environ 2 milliards d'années. Inconnu jusqu'en 1972 (mais postulée par Paul Kuroda en 1956), lorsque le physicien français Francis Perrin a découvert les fossiles réacteurs d'Oklo, on a réalisé que la nature avait battu les humains pour le punch. Réactions en chaîne de fission de l'uranium naturel à grande échelle, animée par l'eau normale, avaient eu lieu loin dans le passé et ne serait pas possible maintenant. Ce processus antique était en mesure d'utiliser l'eau normale comme modérateur seulement parce 2000000000 années avant le présent, l'uranium naturel était plus riche dans la durée plus courte isotope fissile 235 U (environ 3%), que l'uranium naturel disponibles aujourd'hui (qui est seulement de 0,7% , et doit être enrichi à 3% pour être utilisable dans les réacteurs à eau légère).
