Цепная ядерная реакция – это процесс деления тяжелых ядер, при котором деление воспроизводится снова и снова.
Два атома заставили двигаться синхронно на расстоянии 33 км
Реакция деления атомных ядер под действием так называемых медленных нейтронов лежит в основе работы ядерных реакторов. РУВИКИ: Интернет-энциклопедия — Деление ядра — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. Газ, скапливающийся в ядерном топливе в результате реакций деления, может быстро выходить из него благодаря давлению атомов топлива. входящие в G7, договорились объединиться с целью вытеснить Россию с международного рынка а Смотрите видео онлайн «Деление атома: перспективы международного рынка.
Видео-стенд "Магия Деления ядра урана" в парке "Патриот"
Он показывает, за какой промежуток времени от начального числа части останется примерно половина. Для каждого радиоактивного элемента период полураспада свой — от долей секунды для калифорния до сотен тысяч лет для урана и цезия. Но существует и вынужденная радиоактивность. Если ядра атомов бомбардировать протонами или альфа-частицами ядрами гелия с высокой кинетической энергией, то они могут «расколоться». Механизм превращения, конечно, отличается от того, как разбивается любимая мамина ваза. Однако некая аналогия прослеживается. Энергия атома Пока что мы не ответили на вопрос практического характера: откуда при делении ядра берется энергия.
Для начала надо пояснить, что при образовании ядра действуют особые ядерные силы, которые называются сильным взаимодействием. Так как ядро состоит из множества положительных протонов, остается вопрос, как они держатся вместе, ведь электростатические силы должны достаточно сильно отталкивать их друг от друга. Ответ одновременно и прост, и нет: ядро держится за счет очень быстрого обмена между нуклонами особыми частицами — пи-мезонами. Эта связь живет невероятно мало. Как только прекращается обмен пи-мезонами, ядро распадается. Также точно известно, что масса ядра меньше суммы всех составляющих его нуклонов.
Этот феномен получил название дефекта масс. Фактически недостающая масса — это энергия, которая затрачивается на поддержание целостности ядра. Как только от ядра атома отделяется какая-то часть, эта энергия выделяется и на атомных электростанциях преобразуется в тепло. То есть энергия деления ядра — это наглядная демонстрация знаменитой формулы Эйнштейна. Теория и практика Теперь расскажем, как это сугубо теоретическое открытие используется в жизни для получения гигаватт электроэнергии. Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер.
Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро. Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву.
Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС. Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение ядерной реакции составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц электроны, протоны, альфа-частицы. Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада.
Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы.
Охлажденный атом затем удерживался в оптической ловушке луча света другого лазера. Известно, что ядро атома моет вращаться в одном из двух направлений, в зависимости от направления вращения свет лазера толкает ядро вправо или влево. Но, при этом, атом все еще является целым объектом" - рассказывает ученый-физик Андреас Штеффен.
Таким образом, ядро атома, части которого вращаются в противоположных направлениях, может быть расколото лучом лазера на две части и эти части атома могут быть разнесены на значительное расстояние, что и удалось реализовать ученым в ходе своего эксперимента. Ученые утверждают, что используя подобный метод, можно создавать так называемые "квантовые мосты", являющиеся проводниками квантовой информации. Атом вещества разделяется на половинки, которые разводятся в стороны, пока не войдут в соприкосновение со смежными атомами.
Примером сплошного спектра является спектр белого света, в котором каждый цвет плавно переходит в другой без темных промежутков. Спектр подразделяется на три области: инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую. Они относятся различным диапазонам частот или длин волн. Спектры отличают способами их получения. Нагревая тела, их можно заставить испускать лучи, относящихся к различным областям излучения в зависимости от температуры нагрева. Спектры, полученные нагревом тел, называются спектрами испускания. Они бывают сплошными, линейчатыми и полосатыми. Есть другой способ получения спектра. Пропускают пары газов твердого тела через прозрачные тела. При этом прозрачное тело поглощает часть проходящего через него излучения, спектр, полученный таким способом, называется спектром поглощения.
Так оно и было в действительности, как об этом через несколько недель узнал изумленный мир. Но Ган и Штрассман были химиками и хорошо знали, что в соответствии с общепринятыми концепциями физики расщепление атома урана было невероятным. Для них, химиков, было слишком большой самоуверенностью бросать вызов таким прославленным именам в области физики, как Эйнштейн, Планк, Бор и Ферми. Как через несколько лет сказал мне Ган, «физики бы этого не позволили». Однако как химики они были уверены, что радиоактивные изотопы бария, лантана и церия, безусловно, созданы в результате бомбардировки урана нейтронами, хотя их истинная природа все еще оставалась неясной для физиков. Как бы то ни было, Ган и Штрассман сознавали, что сделали великое открытие, которое должно проложить путь к новым областям знаний. И они отдавали себе отчет в том, что соревнуются со своим старым соперником — Ирен Жолио-Кюри, которая в любую минуту может понять свою ошибку и объявить всему миру, что она получила лантан из урана и, возможно, расщепила атом урана. Поэтому, даже не закончив полностью свои опыты, Ган и Штрассман подготовили детальный научный доклад о проведенных ими эпохальных опытах, проявляя при этом большую осторожность, чтобы не наступить на пятки своим коллегам-физикам. Описав свое открытие, ученые сделали заключение, которое являлось одним из самых странных в анналах истории науки, что они лишь сообщают результаты своих наблюдений, но отказываются делать из них какие-либо выводы. В сущности, Ган и Штрассман заявили, что как химики они могут лишь сообщить, что три элемента, которые ранее принимали за радий, на деле являются барием, лантаном и церием. Однако добавили, проявляя тем самым пример интеллектуальной осторожности, что «как ядерные химики, тесно примыкающие к физикам», они не могут заставить себя «совершить этот скачок, столь противоречащий всем явлениям, до сих пор наблюдавшимся в ядерной физике». Оградив себя, таким образом, от любой насмешки со стороны ядерщиков, они все же решили поспешить с утверждением своего приоритета на открытие. Поэтому 22 декабря 1938 г. Ган и Штрассман направили свой исторический доклад в немецкий научный еженедельник «Ди Натюрвиссеншафтен». Чтобы убедиться в том, что доклад будет напечатан в самом скором времени, Ган позвонил директору издательства, доктору Паулю Розбауду, своему личному другу. Доктор заверил его, что статья появится в выпуске от 6 января 1939 г. Этот срок был значительно короче срока, обычного для научных публикаций, но для Гана он показался бесконечным. Ведь за эти две недели Ирен Жолио-Кюри в любой день могла перехватить великий приз из его рук! Прежде чем рассказать о своем изумительном открытии кому бы то ни было, Ган написал Лизе Мейтнер в Стокгольм, подробно сообщая ей о своих экспериментах и невероятных результатах, с которыми столкнулись он и Штрассман. С волнением он ждал ее ответа — ведь она была одним из ведущих физиков мира, наблюдательным аналитиком и острым критиком.
Физика деления атомных ядер : Сборник статей
| Деление ядра атома урана | Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции (см. §226). |
| Открыт механизм вращения осколков деления ядер атомов | В отличие от Европы США не собираются отказываться от мирного атома и по мере сил восстанавливают пробелы. |
| Цепная ядерная реакция: что это за процесс, виды цепных ядерных реакций | Недавно в атомной энергетике произошло событие, которое можно сравнить разве что с созданием вечного двигателя: четвертый энергоблок Белоярской АЭС с реактором. |
Теория деления ядер
- Части атома
- - Аналитика. Деление атома
- Физика. 9 класс
- Деление атомных ядер
- Что такое деление ядра
- Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция
Описание документа
- Ядерный синтез
- Ответы : правда, что если расщепить атом то будет взрыв, почему? он ведь маленький
- Ядерное деление
- Сделай Сам: Как Разделить Атомы На Кухне
- СОДЕРЖАНИЕ
Открытие ядерного деления
Атомный взрыв возможен при расщеплении нестабильных атомов (в основном радиоактивные вещества) А более стойкие атомы расщепить почти невозможно, слишком много энергии. Возникшие после деления «осколки» (атомные ядра других химических элементов) разлетаются с большой скоростью, выделяя в ней тепловую энергию распада. Новости, полученные от Гана, были равносильны атомному взрыву в мозгу Лизы Мейтнер. Деление атомных ядер — их распад на 2-3 осколка с высвобождением энергии. Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. входящие в G7, договорились объединиться с целью вытеснить Россию с международного рынка а Смотрите видео онлайн «Деление атома: перспективы международного рынка.
Ядерное деление
Благо наши месторождения позволяют применять метод скважинного выщелачивания, замечательно отработанный и самый низкий по стоимости. Что же осталось от этого сейчас? Остались урановые месторождения, потихоньку превращенные в совместные с канадцами, французами, японцами, а теперь и китайцами предприятия. И еще с российскими добытчиками, у которых, кстати, самая большая среди иностранцев доля и одни из лучших месторождений. И остался простаивающий УМЗ, лишенный поставок исходного материала из России. Но это мало помогало, поскольку для производства таблеток нужен заказчик, для которого их делать. Но именно в этом году совершается принципиальный перелом: на УМЗ запускается крупное производство не просто таблеток, а готовых топливных сборок со стопроцентной отгрузкой их в Китай. Однако, внимание, исходный гексафторид для загрузки китайских АЭС... И это такая технологически и политически красивая линия: казахстанская добыча - российское обогащение - казахстанское топливное производство - китайский атомно-энергетический цикл. А там, глядишь, и не только топливного.
Появляется возможность ускорить ядерные реакции, облучая пробу вещества нейтронами. В результате таких исследований в 1938 г О. Ганом и Ф. Штрассманом было установлено, что при облучении урана нейтронами образуются боле легкие элементы, с массовыми числами меньше, чем массовое число урана, как правило, в полтора раза, в основном четвертого-пятого периодов таблицы Менделеева.
Были построены уравнения таких ядерных реакций, описаны их энергетические параметры. Открытие деления ядер урана. Механизм деления ядра В 1939 г физиками О. Фришем и Л.
Мейтнером была предложена капельная модель ядра, в рамках которой был описан процесс деления ядра атома урана.
Сравните с хайпом квантовых вычислений. Квантовым вычислениям приписываются некие фантастические качества, якобы основанные на квантовом преимуществе квантовых компьютеров. Квантовое преимущество описывается как 1 использование квантовой суперпозиции и 2 квантовой запутанности. Смотрим, что такое квантовая суперпозиция. Квантовая суперпозиция — это постулат, математическое допущение, не требующее доказательств, костыль, призванный помочь решить задачу определения состояния кванта в условиях принципиальной невозможности его измерить без изменения состояния кванта. На самом же деле квантовая суперпозиция кванту не нужна — он просто пребывает в каждый момент времени в каком-то своем конкретном состоянии, которое человек измерить не может и потому говорит о вероятностном состоянии кванта в какой-то момент. Поскольку в реальности квантовой суперпозиции не существует, никакого квантового преимущества она обеспечить не может, коль скоро именно ее описывают как один из столпов такого преимущества.
Смотрим, что такое квантовая запутанность.
Однако, никто не знал в какой именно момент времени происходит данное явление. Сейчас же специалисты смогли объяснить данный процесс подробно. Понять детально данный принцип помогло расщепление ядер. Учёные взяли два радиоактивных элемента Торий-232 и Уран-238. Учёные знали, что ядра элементов при расщеплении удлиняются и образуют «шейку», которая в свою очередь тоже удлиняется и расщепляется.
Исследования
- про деление атомов и ядерных взрывах!!!
- Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда
- Проблемы при протекании ЦЯРД
- История открытия и строение
- Популярное
1.2.2. Деление атомных ядер
| HuoBO-SS • Квантовые вычисления - красная ртуть XXI века | Эти нейтроны могут инициировать деление уже нескольких ядер – возникает цепная реакция. |
| Ядерное деление - Образование - 2024 | Ведь деление ядер поистине поразительное явление: оносопровождается сильной радио-активностью, а полная ионизация от осколков деления превосходит в десятки раз ионизацию. |
Открытие ядерного деления
Видео-стенд из светодиодных панелей для экспозиции "Магия деления ядра Урана" в павильоне "Атом на службе Родины" парка "Патриот". В пересчете на один атом деление урана дает в 50–100 миллионов раз больше энергии, чем любая химическая реакция. В ТЕКСТЕ ОГОВОРКА: У ГРАФИТА НЕ 6 АТОМНАЯ МАССА, А 12!Для донатов и вопросов: ДЛЯ ДОНАТОВ ИСПОЛЬЗОВАТЬ. Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжёлых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие всё новые и новые ядра.
КАК РАБОТАЕТ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ?
Впрочем, на изотопные источники питания её иногда хватает. А таких атомов раз-два - и обчёлся - это прежде всего уран-325 и плутоний-239. LeonidВысший разум 388973 2 года назад А-а, ну да, конечно. Leonid, ответ спустя 13 лет.
Во-первых, необходимо отметить, что в управляемых реакциях используется вынужденное деление ядер. Чаще всего это уран или полоний, которые бомбардируется быстрыми нейтронами. Во-вторых, нельзя не понимать, что деление ядер сопровождается созданием новых нейтронов. В результате количество нейтронов в зоне реакции способно нарастать очень быстро.
Каждый нейтрон сталкивается с новыми, еще целыми ядрами, расщепляет их, что приводит к росту выделения тепла. Это и есть цепная реакция деления ядер. Неконтролируемый рост количества нейтронов в реакторе способен привести к взрыву. Именно это и произошло в 1986 году на Чернобыльской АЭС.
Поэтому в зоне реакции всегда присутствует вещество, которое поглощает лишние нейтроны, предотвращая катастрофу. Это графит в форме длинных стержней. Скорость деления ядер можно замедлить, погружая стрежни в зону реакции. Уравнение ядерной реакции составляется конкретно для каждого действующего радиоактивного вещества и бомбардирующих его частиц электроны, протоны, альфа-частицы.
Уравнение ядерной реакции также показывает, какое вещество получается в результате распада. Здесь не приведены изотопы химических элементов, однако это важно. Например, существует целых три возможности деления урана, при которых образуются различные изотопы свинца и неона. Почти в ста процентах случаев реакция деления ядра дает радиоактивные изотопы.
То есть при распаде урана получается радиоактивный торий. Торий способен распасться до протактиния, тот — до актиния, и так далее. Радиоактивными в этом ряду могут быть и висмут, и титан. Даже водород, содержащий в ядре два протона при норме один протон , называется иначе — дейтерий.
Вода, образованная с таким водородом, называется тяжелой и заполняет первый контур в ядерных реакторах. Немирный атом Такие выражения, как «гонка вооружений», «холодная война», «ядерная угроза» современному человеку могут показаться историческими и неактуальными. Но когда-то каждый выпуск новостей почти по всему миру сопровождался репортажами о том, сколько изобретено видов ядерного оружия и как надо с этим бороться. Люди строили подземные бункеры и делали запасы на случай ядерной зимы.
Целые семьи работали на создание убежища. Даже мирное использование реакций деления ядер может привести к катастрофе. Казалось бы, Чернобыль научил человечество аккуратности в этой сфере, но стихия планеты оказалась сильнее: землетрясение в Японии повредило весьма надежные укрепления АЭС «Фукусима». Энергию ядерной реакции использовать для разрушения гораздо легче.
Технологам необходимо лишь ограничить силу взрыва, чтобы не разрушить ненароком всю планету. Наиболее «гуманные» бомбы, если их можно так назвать, не загрязняют окрестности радиацией. В целом чаще всего они используют неконтролируемую цепную реакцию. То, чего на атомных электростанциях стремятся всеми силами избежать, в бомбах добиваются весьма примитивным способом.
Для любого естественно радиоактивного элемента существует некоторая критическая масса чистого вещества, в котором цепная реакция зарождается сама собой. Для урана, например, это всего пятьдесят килограммов.
Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I II по замкнутым циклам. Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций.
Изображение из открытых источников Тяжелые элементы также могут быть созданы путем ядерного синтеза. Самым «тяжелым» из них является железо с 26 протонами и 30 нейтронами. Ранее предполагалось, что более тяжелые элементы образовывались в редких сверхновых или при слиянии двух нейтронных звезд.
Нейтронные звезды образуются, когда у массивных звезд заканчиваются запасы топлива, необходимого для ядерного синтеза. Их собственная гравитация заставляет их разрушаться. Звезды, масса которых в два раза превышает массу Солнца, сжимаются до размеров сферы диаметром около 20 километров. Этот коллапс происходит так быстро, что электроны и протоны сбиваются вместе настолько плотно, что образуются нейтроны, что и дало название новой звезде.
Основы строения атома. Просто о сложном
Так ли это плохо? Хотя хранящиеся ядерные отходы не представляют непосредственной угрозы, если они хорошо изолированы, вопросы долгосрочного обращения с ними, а также возможность неправильного обращения и несчастных случаев делают хранение растущего количества ядерных отходов неоднозначной проблемой. Массивные контейнеры хранят отработанное ядерное топливо в надёжных и безопасных сухих хранилищах Одним из видов отходов можно считать и выбросы углерода. Хотя процесс деления и преобразования ядерной энергии в электричество относительно свободен от выбросов углерода, общий бюджет углерода, связанный с добычей и переработкой руды, необходимой для деления, и строительством конкретной электростанции, не равен нулю. По некоторым оценкам , этот показатель значительно выше - от 10 до 130 граммов CO2 в отдельных случаях. Таким образом, замена угольных электростанций на атомные позволит ежегодно сберегать в атмосфере несколько миллионов тонн CO2, не говоря уже о твёрдых частицах и других загрязняющих веществах. Углеродный след солнечных и ветряных электростанций более или менее сопоставим с нижним пределом для атомной энергетики.
В целом, атомная энергия в лучшем случае не содержит столько же углерода, сколько солнечная и ветровая, хотя и связана с непопулярной проблемой отходов, которую мало кто хочет иметь у себя под боком. Риски Прошло более трёх десятилетий с тех пор, как советская Украина дала миру представление о том, как может выглядеть наихудший сценарий ядерной аварии. Чернобыльская АЭС, расплавившаяся во время технических испытаний в 1986 году, превратилась в радиоактивные руины на фоне отравленного радиоактивными осадками ландшафта. Саркофаг над остатками четвёртого блока Чернобыльской АЭС В 2011 году после землетрясения в Японии произошла авария на атомной станции "Фукусима". Подобные разрушительные события достаточно редки, чтобы о них можно было писать в шокирующих заголовках. Однако, по некоторым оценкам , такие аварии могут происходить раз в 10-20 лет, что в каждом случае чревато распространением радиоактивных веществ на сотни и даже тысячи километров.
Насколько это может быть опасно? Трудно сказать, это зависит от множества факторов, связанных с плотностью населения, степенью облучения и концентрацией изотопов. По данным Всемирной организации здравоохранения, «перемещённое население Фукусимы страдает от психосоциальных и психических последствий переезда, разрыва социальных связей людей, потерявших жильё и работу, разрыва семейных связей и стигматизации».
Она продлится несколько месяцев. Все должно закончиться тем, что сами ядерщики называют «биением атомного сердца». Так называемый физический пуск символизирует его рождение нового реактора. Но деление атомов сразу после церемонии не начнется.
Это только первая сборка с ядерным топливом, и нужно загрузить еще 162 комплекта.
Автор оригинала: ScienceAlert Деление ядер - это расщепление ядра атома с образованием двух или более лёгких элементов. Хотя в изотопах некоторых тяжёлых элементов, таких как торий и уран, оно может происходить спонтанно, обычно оно запускается нейтроном с нужной энергией, ударяющим по ядру. Внезапная «переполненность» ядра делает сгусток протонов и нейтронов неустойчивым и склонным к разрыву, в результате которого не только образуются ядра меньшего размера, или делящиеся продукты, но и выбрасывается ещё больше свободных нейтронов, а также происходит всплеск высокоэнергетических фотонов в виде гамма-излучения. Энергия, выделяемая при разделении ядерных частиц, используется в качестве источника энергии с середины XX века. Хотя при производстве энергии не выделяются такие же опасные парниковые газы, как при сжигании ископаемого топлива, опасения по поводу риска расплавления , опасных отходов долговременного хранения и стоимости строительства означают, что атомное будущее, о котором многие мечтали в прошлом, может оказаться недостижимым. Как деление ядер используется для получения атомной энергии? Проведённые в 1930-х годах эксперименты по бомбардировке атомов ядерными частицами привели к созданию моделей деления, которые обещали, что из нужных изотопов тяжёлых элементов, таких как уран, может высвобождаться значительное количество энергии. Теория предсказывала, что уран-235 с гораздо большей вероятностью подвергнется делению, чем другие изотопы, особенно если нейтроны, ударяющие в его ядро, движутся с относительно низкой скоростью. Выделение дополнительных нейтронов в процессе деления может привести к тому, что другие близлежащие атомы урана-235 также начнут распадаться.
Для возникновения такой цепной реакции необходима относительно высокая плотность атомов урана-235, которую называют «критической массой» материала. К концу 1930-х годов физики разработали методы замедления нейтронов, достаточные для захвата и обогащения смесей изотопов урана из природных ресурсов с образованием критической массы урана-235. Они также придумали, как контролировать цепную реакцию, чтобы экспоненциальное производство нейтронов не вышло из-под контроля, в случае чего процесс мог бы стать взрывоопасным. В течение последующего десятилетия технологические достижения в области деления ядер использовались для создания новых классов супероружия. Только после Второй мировой войны инженеры вновь обратили внимание на возможность использования процесса деления ядер для устойчивого производства тепла, пригодного для выработки электроэнергии. Подобно тому, как пар, получаемый при сжигании ископаемого топлива в котле, вращает турбину, соединённую с электрогенератором, пар из «ядерного котла» также можно использовать для выработки электроэнергии. Градирни атомной электростанции во Франции С течением времени совершенствование технологий позволило повысить эффективность и безопасность, в некоторых случаях отказаться от замедления нейтронов, чтобы расщепляющийся материал мог захватывать более быстрые частицы.
Хотя перегрев реактора может привести и привел к расплавлению и паровым взрывам , гораздо меньшее обогащение урана делает невозможным взрыв ядерного реактора с такой же разрушительной силой, как у ядерного оружия.
Также трудно извлечь полезную мощность из ядерной бомбы, хотя, по крайней мере, одна ракетная двигательная установка, Проект Орион , была предназначена для работы путем взрыва бомб деления за массивно защищенным и защищенным космическим кораблем. Стратегическое значение ядерного оружия является одной из основных причин , почему технология ядерного деления является политически чувствительным. Жизнеспособные конструкции бомб деления, возможно, под силу многим, будучи относительно простыми с инженерной точки зрения. Однако сложность получения расщепляющегося ядерного материала для реализации проектов является ключом к относительной недоступности ядерного оружия для всех, кроме современных промышленно развитых правительств, имеющих специальные программы по производству расщепляющихся материалов см. Обогащение урана и ядерный топливный цикл. История Основная статья: Открытие ядерного деления Хан и Мейтнер в 1912 году Открытие ядерного деления произошло в 1938 году в зданиях Химического общества кайзера Вильгельма , ныне являющегося частью Свободного университета Берлина , после более чем четырех десятилетий работы в области науки о радиоактивности и разработки новой ядерной физики , описывающей компоненты атомы. В 1911 годе Эрнест Резерфорд предложил модель атома , в которой очень маленькие, плотные и положительно заряженные ядра из протонов были окружены орбитой, отрицательно заряженные электроны на модели Резерфорда. Нильс Бор улучшил это в 1913 году, согласовав квантовое поведение электронов модель Бора.
В работах Анри Беккереля , Марии Кюри , Пьера Кюри и Резерфорда было уточнено, что ядро, хотя и тесно связано, может подвергаться различным формам радиоактивного распада и тем самым превращаться в другие элементы. Например, при альфа-распаде : испускание альфа-частицы - двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия. Была проделана некоторая работа по ядерной трансмутации. Это было первое наблюдение ядерной реакции , то есть реакции, в которой частицы одного распада используются для преобразования другого атомного ядра. Этот подвиг был широко известен как «расщепление атома» и принес им Нобелевскую премию по физике 1951 года за «Трансмутацию атомных ядер искусственно ускоренными атомными частицами» , хотя это не была реакция ядерного деления, позже обнаруженная в тяжелых элементах. После того, как английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году, Энрико Ферми и его коллеги в Риме изучили результаты бомбардировки урана нейтронами в 1934 году. Ферми пришел к выводу, что в его экспериментах были созданы новые элементы с протонами 93 и 94, которые группа назвала аузонием и геспериум. Однако не всех убедил анализ Ферми его результатов, хотя он выиграл Нобелевскую премию 1938 года по физике за свои «демонстрации существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, а также за связанное с ним открытие ядерных реакций, вызванных воздействием нейтронного излучения.
Однако в то время к выводу Ноддака не пришли. Экспериментальный прибор, подобный тому, с помощью которого Отто Хан и Фриц Штрассманн открыли ядерное деление в 1938 году. Аппарат не находился бы на том же столе или в одной комнате. Мейтнер, австрийская еврейка, потеряла австрийское гражданство в результате аншлюса , союза Австрии с Германией в марте 1938 года, но в июле 1938 года бежала в Швецию и начала переписку по почте с Ханом в Берлине. По совпадению, ее племянник Отто Роберт Фриш , тоже беженец, также был в Швеции, когда Мейтнер получила письмо от Хана от 19 декабря, в котором описывалось его химическое доказательство того, что одним из продуктов бомбардировки урана нейтронами был барий. Hahn предложил разрывать ядра, но он не был уверен , что была физическая основа для результатов. Фриш был настроен скептически, но Мейтнер доверяла способностям Хана как химика. Мария Кюри много лет отделяла барий от радия, и эти методы были хорошо известны.
Фриш предложил назвать этот процесс «ядерным делением» по аналогии с процессом деления живой клетки на две клетки, которое затем было названо бинарным делением. Как термин ядерная «цепная реакция» позже был заимствован из химии, так и термин «деление» был заимствован из биологии. Новости быстро распространились о новом открытии, которое было правильно расценено как совершенно новый физический эффект с большими научными - и потенциально практическими - возможностями. Интерпретация Мейтнер и Фриш открытия Гана и Штрассмана пересекла Атлантический океан вместе с Нильсом Бором , который должен был читать лекции в Принстонском университете. Раби и Уиллис Лэмб , два физика из Колумбийского университета, работающие в Принстоне, услышали эту новость и отнесли ее в Колумбию. Лави сказал, что сказал Энрико Ферми ; Ферми отдал должное Лэмбу. Вскоре после этого Бор отправился из Принстона в Колумбию, чтобы увидеть Ферми. Не найдя Ферми в его офисе, Бор спустился в зону циклотрона и нашел Герберта Л.
Бор схватил его за плечо и сказал: «Молодой человек, позвольте мне объяснить вам кое-что новое и захватывающее в физике». Некоторым ученым из Колумбии было ясно, что они должны попытаться обнаружить энергию, выделяющуюся при ядерном делении урана при бомбардировке нейтронами. Эксперимент включал помещение оксида урана внутрь ионизационной камеры и облучение нейтронами, а также измерение выделяемой таким образом энергии. Результаты подтвердили, что происходит деление, и убедительно намекали на то, что делится, в частности, изотоп уран-235. На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия , началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике под совместной эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Вашингтонского института Карнеги. Там новости о ядерном делении распространились еще дальше, что способствовало большему количеству экспериментальных демонстраций. Реализована цепная реакция деления В этот период венгерский физик Лео Сцилард понял, что нейтронное деление тяжелых атомов можно использовать для создания цепной ядерной реакции. Такая реакция с использованием нейтронов была идеей, которую он впервые сформулировал в 1933 году, после прочтения уничижительных замечаний Резерфорда о выработке энергии в эксперименте 1932 года его команды с использованием протонов для расщепления лития.
Однако Сциларду не удалось добиться цепной реакции, управляемой нейтронами, с легкими атомами, богатыми нейтронами. Теоретически, если в цепной реакции, управляемой нейтронами, количество образовавшихся вторичных нейтронов было больше одного, то каждая такая реакция могла бы запускать несколько дополнительных реакций, вызывая экспоненциально увеличивающееся количество реакций. Таким образом, существует вероятность того, что деление урана может дать огромное количество энергии для гражданских или военных целей например, для производства электроэнергии или атомных бомб. Сциллард теперь убеждал Ферми в Нью-Йорке и Фредерика Жолио-Кюри в Париже воздержаться от публикаций о возможности цепной реакции, чтобы нацистское правительство не узнало о возможностях накануне того, что позже будет известно как Всемирный банк. Вторая война. С некоторыми колебаниями Ферми согласился на самоцензуру. Но Жолио-Кюри этого не сделал, и в апреле 1939 года его команда в Париже, включая Ханса фон Хальбана и Лью Коварски , сообщила в журнале Nature, что количество нейтронов, испускаемых при делении ядер урана, было тогда заявлено как 3,5 на деление. Позже они исправили это до 2,6 на деление.
Одновременная работа Сцилларда и Уолтера Зинна подтвердила эти результаты. Результаты предполагали возможность строительства ядерных реакторов впервые названных Сциллардом и Ферми «нейтронными реакторами» и даже ядерных бомб. Однако о системах деления и цепных реакций еще многое было неизвестно. Чертеж первого искусственного реактора Chicago Pile-1. Цепные реакции в то время были известным явлением в химии , но аналогичный процесс в ядерной физике с использованием нейтронов был предвиден еще в 1933 году Сцилардом, хотя Сцилард в то время не имел представления, с помощью каких материалов этот процесс может быть инициирован. Сцилард считал, что нейтроны были бы идеальными для такой ситуации, поскольку у них отсутствовал электростатический заряд. Узнав о нейтронах деления от деления урана, Силард сразу понял возможность ядерной цепной реакции с использованием урана. Летом Ферми и Сцилард предложили идею ядерного реактора котла для посредничества в этом процессе.
В качестве топлива котел будет использовать природный уран. Ферми намного раньше показал, что нейтроны гораздо более эффективно захватываются атомами, если они имеют низкую энергию так называемые «медленные» или «тепловые» нейтроны , потому что по квантовым причинам атомы выглядят для нейтронов гораздо более крупными мишенями. Таким образом, чтобы замедлить вторичные нейтроны, высвобождаемые делящимися ядрами урана, Ферми и Сциллард предложили графитовый «замедлитель», с которым будут сталкиваться быстрые вторичные нейтроны высокой энергии, эффективно замедляя их. Имея достаточное количество урана и достаточно чистый графит, их «куча» теоретически могла бы выдержать цепную реакцию с медленными нейтронами. Это приведет к выделению тепла, а также к образованию радиоактивных продуктов деления. В августе 1939 года Сциллард и его коллеги из венгерских физиков-беженцев Теллер и Вигнер подумали, что немцы могут использовать цепную реакцию деления, и были побуждены попытаться привлечь внимание правительства Соединенных Штатов к этой проблеме. С этой целью они убедили немецко-еврейского беженца Альберта Эйнштейна присвоить свое имя письму, адресованному президенту Франклину Рузвельту. В письме Эйнштейна-Сциларда высказывалась мысль о возможности доставки урановой бомбы на корабле, которая разрушила бы «всю гавань и большую часть окружающей сельской местности».