Fisión nuclear
Acerca de este escuelas selección Wikipedia
Esta selección wikipedia ha sido elegido por los voluntarios que ayudan Infantil SOS de Wikipedia para esta Selección Wikipedia para las escuelas. SOS Children trabaja en 45 países africanos; puede ayudar a un niño en África ?
| Física nuclear |
|---|
 |
| Núcleo · Nucleones ( p , n ) · Fuerza nuclear · Reacción nuclear |
Modelos nucleares y la estabilidad
Gota líquida · Shell Nuclear · Estructura nuclear Energía de unión Línea de goteo · Estabilidad Island |
La desintegración radiactiva Α Alpha · Β beta ( 2β, β +) · K / L captura · Isómeras ( Γ Gamma · La conversión interna) · Fisión espontánea · Decaimiento Cluster · Emisión de neutrones · Emisión de protones Energía Decay · Cadena de desintegración · Producto de la desintegración · Nucleido radiogénica |
| Fisión nuclear ( espontánea · productos) |
La captura de procesos La captura de electrones · Captura de neutrones r · es · p · Rp |
Procesos de alta energía Espalación ( por los rayos cósmicos) · Fotodesintegración |
Temas nucleosíntesis Fusión nuclear Procesos: Stellar · Big Bang Supernova Nucleidos: Primordial · Cosmogénico · Artificial |
Los científicos Becquerel · Davisson · Bethe · Sklodowska-Curie · Fr.Curie · Ir.Curie · Pi.Curie · Fermi · Rutherford · JJ Thomson · Chadwick · Oliphant · Szilárd · Lawrence · Yukawa · Proca · Mayer · Bothe · Jensen · Alvarez · Yukawa · Soddy · Rabi · Geiger · Richards · Brockhouse · Meitner · Strassmann · Hahn · Purcell · Walton · Cockcroft · Thomson · Shull |
En la física nuclear y química nuclear, la fisión nuclear es o bien un reacción nuclear o una proceso de desintegración radiactiva en la que el núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas (más claro núcleos ), a menudo produciendo libres neutrones y fotones (en la forma de rayos gamma), y la liberación de una cantidad muy grande de energía , incluso para los estándares energéticos de desintegración radiactiva. Los dos núcleos producidos son lo más a menudo de tamaños comparables, pero ligeramente diferentes, típicamente con una relación de masa de los productos de alrededor de 3 a 2, para común fisionables isótopos . La mayoría de fisiones son fisiones binarias (produciendo dos fragmentos cargadas), pero ocasionalmente (2 a 4 veces por 1.000 eventos), tres fragmentos cargados positivamente se producen, en una fisión ternaria. El más pequeño de estos fragmentos en los procesos ternarios rangos de tamaño de un protón a un núcleo de argón.
Fisión como encontró en el mundo moderno es generalmente un hecho por el hombre producen de manera voluntaria reacción nuclear inducida por un neutrón. Se encontró menos comúnmente como una forma natural de espontánea decaimiento radiactivo (que no requiere un neutrón), que se producen sobre todo en muy isótopos de gran masa de números. La composición impredecible de los productos (que varían de manera amplia probabilístico y algo caótica) distingue la fisión de los procesos puramente cuántico-túneles como emisión de protones, desintegración alfa y decaimiento clúster, que dan los mismos productos cada vez.
La fisión nuclear de elementos pesados fue descubierto en 1938 por Meitner, Hahn y Frisch, y nombrado por analogía con fisión biológica de las células vivas. Es un reacción exotérmica que puede liberar grandes cantidades de energía tanto como la radiación electromagnética y, como energía cinética de los fragmentos ( calentando el material a granel donde tiene lugar la fisión). A fin de que la fisión para producir energía, el total energía de los elementos resultantes de unión debe ser mayor que la del elemento de partida. La fisión es una forma de Transmutación porque los fragmentos resultantes no son el mismo elemento como el átomo originales.
La fisión nuclear produce energía para la energía nuclear y para conducir la explosión de armas nucleares . Ambos usos son posibles debido a ciertas sustancias llamadas combustibles nucleares sometidos a la fisión cuando es golpeado por neutrones de fisión, y, a su vez emiten neutrones cuando se rompen. Esto hace posible un auto-sostenible reacción nuclear en cadena que libera la energía a una velocidad controlada en una reactor nuclear oa una velocidad incontrolada muy rápido de un arma nuclear .
La cantidad de energía libre contenido en el combustible nuclear es millones de veces la cantidad de energía libre contenido en una masa similar de combustible químico tal como la gasolina, por lo que la fisión nuclear una fuente muy densa de energía. Los productos de la fisión nuclear, sin embargo, son en promedio mucho más radiactivo que los elementos pesados que normalmente se fisionado como combustible, y permanecen así por una cantidad significativa de tiempo, dando lugar a un problema de los residuos nucleares. La preocupación por la acumulación de los residuos nucleares y sobre el potencial destructivo de las armas nucleares puede contrarrestar las cualidades deseables de fisión como fuente de energía , y dar lugar a curso político el debate sobre la energía nuclear .
Descripción general física
Mecánica
La fisión nuclear puede ocurrir sin neutrones bombardeo, como un tipo de la desintegración radiactiva. Este tipo de fisión (llamado fisión espontánea) es rara, excepto en algunos isótopos pesados. En los dispositivos nucleares de ingeniería, esencialmente toda la fisión nuclear se produce como un " reacción nuclear "-. un proceso de bombardeo impulsado que resulta de la colisión de dos partículas subatómicas En las reacciones nucleares, una partícula subatómica choca con un núcleo atómico y provoca cambios en él reacciones nucleares están por lo tanto impulsados por la mecánica del bombardeo, no por. la relativamente constante decaimiento exponencial y la vida media característica de los procesos radiactivos espontáneas.
Muchos tipos de reacciones nucleares son conocidos actualmente. La fisión nuclear importante difiere de otros tipos de reacciones nucleares, en las que se puede amplificar y, a veces controlado a través de una la reacción en cadena nuclear (un tipo de general reacción en cadena). En tal reacción, libres neutrones liberados por cada evento de fisión pueden provocar aún más eventos, que a su vez liberan más neutrones y causan más fisiones.
Los elementos químicos isótopos que pueden sostener una reacción de fisión en cadena se denominan combustibles nucleares, y se dice que son fisionable. Los combustibles nucleares más comunes son 235 U (el isótopo de uranio con un masa atómica de 235 y del uso en reactores nucleares) y 239 Pu (el isótopo de plutonio con una masa atómica de 239). Estos combustibles se separan en un rango bimodal de los elementos químicos con masas atómicas centrado cerca de 95 y 135 u ( productos de fisión). La mayoría de los combustibles nucleares se someten fisión espontánea sólo muy lentamente, en descomposición en lugar principalmente a través de una alfa / beta cadena de desintegración durante períodos de milenios para eones . En un reactor nuclear o un arma nuclear, la abrumadora mayoría de los eventos de fisión son inducidas por el bombardeo con otra partícula, un neutrón, que es en sí producida por eventos de fisión anteriores.
Fisiones nucleares en los combustibles fisionables son el resultado de la energía de excitación nuclear producido cuando un núcleo fisionable captura un neutrón. Esta energía, resultante de la captura de neutrones, es un resultado de la atractiva fuerza nuclear que actúa entre el neutrón y el núcleo. Es suficiente para deformar el núcleo en una doble lobulado "gota", hasta el punto de que los fragmentos nucleares superan las distancias a las que la fuerza nuclear puede contener dos grupos de nucleones cargados juntos, y cuando esto sucede, los dos fragmentos completa su separación y luego son conducidos más separados por sus cargas mutuamente repulsivas, en un proceso que se convierte en irreversible con mayor y mayor distancia. Un proceso similar se produce en isótopos fisionables (tales como el uranio-238), pero con el fin de fisión, estos isótopos requieren energía adicional proporcionada por neutrones rápidos (tales como producido por la fusión nuclear en armas termonucleares).
El modelo de la gota líquida del núcleo atómico predice productos de fisión de igual tamaño como un resultado de la deformación mecánica nuclear. El más sofisticado Se necesita modelo de capas nuclear para explicar mecánicamente la ruta para el resultado más energéticamente favorable, en el que uno de productos de fisión es ligeramente más pequeño que el otro.
El proceso de fisión más común es la fisión binaria, y produce los productos de fisión mencionados anteriormente, a 95 ± 15 y 135 ± 15 u. Sin embargo, el proceso binario sucede simplemente porque es la más probable. En cualquier lugar de 2 a 4 fisiones por 1000 en un reactor nuclear, un proceso llamado fisión ternaria produce tres fragmentos cargados positivamente (y neutrones) y el más pequeño de estos pueden variar desde tan pequeño como carga y la masa de un protón (Z = 1), a tan grande como un fragmento de argón (Z = 18). Los pequeños fragmentos más comunes, sin embargo, se componen de 90% de helio-4 núcleos con más energía que las partículas alfa de desintegración alfa (la denominada "alfas de largo alcance" a ~ 16 MeV), además de helio-6 núcleos, y tritones ( los núcleos de tritio). El proceso ternario es menos común, pero todavía termina produciendo significativa acumulación de helio-4 y el tritio gas en las barras de combustible de los reactores nucleares modernos.
Energéticos
Entrada
La fisión de un núcleo pesado requiere una energía de entrada total de alrededor de 7-8000000 electrón-voltios (MeV) para superar inicialmente la fuerza fuerte que mantiene unido el núcleo en una forma esférica o casi esférica, y desde allí, se deforman en un ("cacahuete") forma dos lóbulos en la que los lóbulos son capaces de continuar para separar el uno del otro, empujado por su carga positiva mutua, en el proceso más común de fisión binaria (dos cargado positivamente productos de fisión + neutrones). Una vez que los lóbulos nucleares han sido empujados a una distancia crítica, más allá del cual el de corto alcance la fuerza fuerte ya no puede mantenerlos juntos, el proceso de su separación procede de la energía de la (rango más largo) electromagnética de repulsión entre los fragmentos. El resultado es dos fragmentos de fisión alejándose el uno del otro, a alta energía.
Cerca de 6 MeV de la energía de fisión-entrada es suministrada por la sencilla unión de un neutrón extra a la fuerte núcleo a través de la fuerza fuerte; Sin embargo, en muchos isótopos fisionables, esta cantidad de energía no es suficiente para la fisión. El uranio-238, por ejemplo, tiene una sección transversal casi cero para los neutrones de fisión de menos de una energía MeV. Si no se suministra energía adicional por cualquier otro mecanismo, el núcleo no lo hará de fisión, pero se limita a absorber el neutrón, como sucede cuando U-238 absorbe lenta e incluso alguna fracción de los neutrones rápidos, para convertirse en U-239. La energía restante para iniciar la fisión puede ser suministrado por otros dos mecanismos: uno de ellos es más energía cinética del neutrón entrante, que es cada vez más capaz de fisión un núcleo pesado fisionables que excede una energía cinética de una MeV o más (los llamados neutrones rápidos). Tales neutrones de alta energía son capaces de fisión T-238 directamente (ver arma termonuclear para la aplicación, donde los neutrones rápidos son suministrados por fusión nuclear). Sin embargo, este proceso no puede ocurrir en gran medida en un reactor nuclear, como demasiado pequeña una fracción de los neutrones de fisión producidos por cualquier tipo de fisión tener suficiente energía de manera eficiente la fisión U-238 (neutrones de fisión tienen una mediana de energía de 2 MeV, sino un modo de sólo 0.75 MeV, es decir, la mitad de ellos tienen menos de esta energía insuficiente).
Entre los elementos actínidos pesados, sin embargo, esos isótopos que tienen un número impar de neutrones (tales como U-235 con 143 neutrones) enlazar un neutrón adicional con un adicional de 1 a 2 MeV de energía sobre un isótopo del mismo elemento con una aún número de neutrones (tales como U-238 con 146 neutrones). Esta energía extra de unión se hizo disponible como resultado del mecanismo de efectos de emparejamiento de neutrones. Este adicionales energía resulta de la Principio de exclusión de Pauli permitiendo que un neutrón adicional para ocupar el mismo orbital nuclear como el último de neutrones en el núcleo, de modo que las dos forman un par. En tales isótopos, por lo tanto, no se necesita de neutrones de energía cinética, por toda la energía necesaria es suministrada por absorción de cualquier neutrones, ya sea de la variedad lento o rápido (Los primeros se utilizan en los reactores nucleares moderados, y el segundo se utilizan en reactores de neutrones rápidos, y en armas). Como se señaló anteriormente, el subgrupo de elementos fisionables que pueden ser fisionado eficientemente con sus propios neutrones de fisión (por tanto, potencialmente causando una nuclear reacción en cadena en cantidades relativamente pequeñas del material puro) se denominan " fisible. "Los ejemplos de isótopos fisibles son T-235 y el plutonio-239.
Salida
Eventos de fisión típicos liberan aproximadamente doscientos millones eV (200 MeV) de energía para cada evento de fisión. El isótopo exacta que se fisionado, y si es o no fisionable o fisionable, tiene sólo un pequeño impacto en la cantidad de energía liberada. Esto puede verse fácilmente mediante el examen de la curva de (imagen de abajo) la energía de enlace, y observando que la energía de enlace media de los actínidos nucleidos comenzando con uranio es de alrededor de 7.6 MeV por nucleón. Mirando a la izquierda más allá de la curva de energía de enlace, en el que el productos de fisión clúster, se observa fácilmente que la energía de enlace de los productos de fisión tiende a centrarse alrededor de 8,5 MeV por nucleón. Por lo tanto, en cualquier caso, la fisión de un isótopo en la gama de la actínidos de la masa, aproximadamente 0,9 Mev es liberado por nucleón del elemento de partida. La fisión del U235 por un neutrones lentos produce energía casi idéntica a la fisión de U238 por un neutrón rápido. Este perfil de liberación de energía es válido para el torio y los diferentes actínidos menores también.
Por el contrario, la mayoría químico reacciones de oxidación (como la quema de carbón o TNT) de liberación a lo sumo unos pocos eV por evento. Así, el combustible nuclear contiene al menos diez millones de veces más energía útil por unidad de masa que hace de combustible químico. La energía de la fisión nuclear se libera como energía cinética de los productos de fisión y fragmentos, y como la radiación electromagnética en la forma de rayos gamma; en un reactor nuclear, la energía se convierte en calor como las partículas y rayos gamma chocan con los átomos que componen el reactor y su fluido de trabajo, por lo general agua o de vez en cuando agua pesada.
Cuando un uranio núcleo fisiones en fragmentos de núcleos hija dos, aproximadamente 0,1 por ciento de la masa del núcleo de uranio aparece como la energía de fisión de ~ 200 MeV. Por uranio-235 (total de la fisión de energía media 202,5 MeV), típicamente ~ 169 MeV aparece como la energía cinética de los núcleos hijos, que vuelan aparte en alrededor del 3% de la velocidad de la luz, debido a la repulsión de Coulomb . Además, un promedio de 2,5 neutrones se emiten, con una media de energía cinética por neutrones de ~ 2 MeV (un total de 4,8 MeV). La reacción de fisión también libera ~ 7 MeV en símbolo de rayos gamma fotones . Esta última cifra significa que una explosión de fisión nuclear o accidente de criticidad emite alrededor de 3,5% de su energía en forma de rayos gamma, a menos de 2,5% de su energía en forma de neutrones rápidos (total de ambos tipos de radiación ~ 6%), y el resto como cinética la energía de los fragmentos de fisión (esto parece casi de inmediato cuando el impacto fragmentos de la materia circundante, tan simple calor ). En una bomba atómica, este calor puede servir para elevar la temperatura del núcleo de bomba a 100 millones de grados Kelvin y causar la emisión secundaria de rayos X blandos, que convierten la parte de esta energía a la radiación ionizante. Sin embargo, en los reactores nucleares, la energía cinética de fragmentos de fisión permanece como calor de baja temperatura, que a su vez provoca poca o ninguna ionización.
Llamado bombas de neutrones (armas mejoradas de radiación) se han construido que liberan una mayor fracción de su energía en forma de radiación (específicamente, los neutrones) ionizante, pero estos son todos los dispositivos termonucleares que se basan en la etapa de la fusión nuclear para producir la radiación extra. La dinámica de energía de las bombas de fisión pura siempre se mantienen en alrededor del 6% de rendimiento del total de la radiación, como consecuencia inmediata de la fisión.
Las cantidades de energía de fisión símbolo del total de unos 181 MeV, o ~ 89% de la energía total que se libera finalmente por fisión en el tiempo. El restante 11% se ~ lanzado en beta decae cuales tienen diversas vidas medias, pero comenzar como un proceso en los productos de fisión de inmediato; y en emisiones gamma retardados asociados con estas desintegraciones beta. Por ejemplo, en el uranio-235 esta energía retrasado se divide en cerca de 6.5 MeV en betas, 8.8 MeV en antineutrinos (liberados al mismo tiempo que las betas) y, por último, un adicional de 6.3 MeV en emisión gamma retardada de los productos de desintegración beta excitados (para un total media de ~ emisiones de rayos gamma 10 por fisión, en total). Por lo tanto, un 6% adicional del total de energía de la fisión también es liberado finalmente en forma de radiación ionizante no rápido, y esto se acerca uniformemente dividido entre gamma y energía de rayos beta. El resto es antineutrinos.
El 8,8 MeV / 202,5 MeV = 4,3% de la energía que se libera como antineutrinos no es capturado por el material de reactor en forma de calor, y se escapa directamente a través de todos los materiales (incluyendo la Tierra) a casi la velocidad de la luz, y en el espacio interplanetario ( la cantidad absorbida es minúscula). Radiación Neutrino ordinariamente no está clasificado como radiación ionizante, ya que es casi en su totalidad no se absorbe y por lo tanto no produce efectos. Casi todo el resto de la radiación (radiación beta y gamma) es finalmente convertida en calor en un núcleo del reactor o su blindaje.
Algunos procesos relativos a neutrones son notables para absorber o finalmente libera energía - por ejemplo de neutrones de energía cinética no produce calor inmediatamente si el neutrón es capturado por un átomo de uranio-238 para criar plutonio-239, pero esta energía se emite si el plutonio-239 más tarde se fisionado. Por otra parte, el llamado neutrones retardados emitidos como productos de desintegración radiactiva con vidas medias hasta varios minutos, a partir de la fisión-hijas, son muy importantes para de control del reactor, porque dan un tiempo característico "reacción" para la reacción nuclear total se duplique en tamaño, si la reacción se realiza en un " zona retardada-crítico ", que se basa deliberadamente en estos neutrones de una reacción en cadena supercrítico (una en la que cada ciclo de fisión produce más neutrones que lo absorbe). Sin su existencia, la reacción en cadena nuclear sería pronta crítico y aumento en el tamaño más rápido de lo que podría ser controlado por la intervención humana. En este caso, los primeros reactores atómicos experimentales habrían escapado a una "pronta reacción crítica" peligroso y sucio antes de que sus operadores podrían tener cerrar manualmente hacia abajo (por esta razón, diseñador Enrico Fermi incluye barras de control de radiación contra-desencadenada, suspendidos mediante electroimanes, lo que podría soltar automáticamente en el centro de Chicago Pile-1). Si se capturan estos neutrones retardados sin producir fisiones, que producen calor también.
Núcleos de productos y energía de enlace
En la fisión hay una preferencia para producir fragmentos con números pares de protones, que se llama el efecto par-impar en los fragmentos de distribución de carga. Sin embargo, ningún efecto extraño, incluso se observa en la distribución del número de masa fragmento. Este resultado se atribuye a nucleón par de ruptura.
En las pruebas nucleares de fisión de los núcleos pueden romperse en cualquier combinación de núcleos más ligeros, pero el caso más común no es la fisión a la igualdad de los núcleos de masas de alrededor de masa 120; el evento más común (dependiendo de isótopo y el proceso) es una fisión ligeramente desigual en la que un núcleo hija tiene una masa de aproximadamente 90 a 100 U y el otro el resto de 130 a 140 u. Fisiones desiguales son energéticamente más favorable porque esto permite que un producto a estar más cerca del mínimo energético cerca de la masa 60 u (sólo un cuarto de la masa fisionable promedio), mientras que el otro núcleo con masa 135 u es todavía no muy fuera de la gama de los núcleos más fuertemente unido (otra declaración de este, es que la atómica unión curva de energía es ligeramente más pronunciada a la izquierda de masa 120 U que a la derecha de la misma).
Origen de la energía activa y la curva de la energía de enlace
La fisión nuclear de elementos pesados produce energía porque la específica energía de enlace (energía de enlace por masa) de núcleos de masa intermedia con números atómicos y masas atómicas cerca de 62 Ni y Fe 56 es mayor que la energía de enlace-nucleon específica de núcleos muy pesados, por lo que se libera energía cuando los núcleos pesados se rompen. Las masas de descanso totales de los productos de fisión (MP) a partir de una única reacción es menor que la masa del núcleo de combustible original (M). El exceso de masa Delta M = M - Mp es el masa invariante de la energía que se libera como fotones ( rayos gamma) y la energía cinética de los fragmentos de fisión, de acuerdo con la masa-energía fórmula de equivalencia E = mc 2.
La variación en la energía de unión específica con número atómico es debido a la interacción de los dos fundamentales fuerzas que actúan sobre el componente nucleones ( protones y neutrones ) que componen el núcleo. Los núcleos están obligados por una atractiva fuerza nuclear entre nucleones, que supera el repulsión electrostática entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear actúa sólo en rangos relativamente corto (unos pocos diámetros nucleón), ya que sigue un decaimiento exponencial Yukawa potencial que hace que sea insignificante a distancias más largas. La repulsión electrostática es de mayor alcance, ya que se descompone por una regla del cuadrado inverso, de modo que los núcleos más grandes que cerca de 12 nucleones de diámetro llegan a un punto en que la repulsión electrostática totales supera la fuerza nuclear y hace que sean espontáneamente inestable. Por la misma razón, los núcleos más grandes (más de unos ocho nucleones de diámetro) están menos fuertemente unidas por unidad de masa que son los núcleos más pequeños; romper un gran núcleo en dos o más núcleos de tamaño intermedio libera energía. El origen de esta energía es la fuerza nuclear, que los núcleos de tamaño intermedio permite actuar de manera más eficiente, ya que cada nucleón tiene más vecinos que están dentro de la atracción de corto alcance de esta fuerza. Por lo tanto se necesita menos energía en los núcleos más pequeños y la diferencia con el estado antes de que se puso en libertad.
También debido a la corta distancia de la fuerza de unión fuerte, grandes núcleos estables deben contener proporcionalmente más neutrones que hacer los elementos más ligeros, que son más estables con una relación 1 a 1 de protones y neutrones. Los núcleos que tienen más de 20 protones no puede ser estable a menos que tengan más de un número igual de neutrones. Neutrones extra estabilizan elementos pesados, ya que añadir a la unión (que actúa entre los nucleones) fuerte fuerza sin añadir a la repulsión protón-protón. Los productos de fisión tienen, en promedio, aproximadamente la misma proporción de neutrones y protones como su núcleo principal, y por lo tanto suelen ser inestables a la desintegración beta (que cambia neutrones a protones) porque tienen proporcionalmente demasiados neutrones en comparación con isótopos estables de masa similar.
Esta tendencia de los núcleos de productos de fisión a la desintegración beta es la causa fundamental del problema de radioactivo residuos de alta actividad de los reactores nucleares. Los productos de fisión tienden a ser emisores beta, emitiendo en rápido movimiento electrones para conservar la carga eléctrica , ya que el exceso de neutrones se convierten en protones en los átomos de productos de fisión. Ver Los productos de fisión (por elemento) para una descripción de los productos de fisión ordenados por elemento.
Las reacciones en cadena
Varios elementos pesados, como el uranio , torio y plutonio , sufren tanto fisión espontánea, una forma de decaimiento radiactivo y la fisión inducida, una forma de reacción nuclear. Isótopos elementales que se someten a la fisión inducida al ser golpeado por un país libre de neutrones se llaman fisionable; isótopos que se someten a la fisión al ser golpeado por un térmica, neutrón de movimiento lento también se llaman fisionable. Unos isótopos fisionables particularmente, fácil de obtener (en particular 233 U, 235 U y 239 Pu) se denominan combustibles nucleares, ya que pueden sostener una reacción en cadena y se pueden obtener en cantidades suficientemente grandes para ser útil.
Todos los isótopos fisionables y fisionables se someten a una pequeña cantidad de fisión espontánea que libera unos pocos neutrones libres en cualquier muestra de combustible nuclear. Tales neutrones podrían escapar rápidamente del combustible y convertirse en un neutrón libre , con una significar vida útil de unos 15 minutos antes de decaer a protones y partículas beta. Sin embargo, los neutrones casi invariablemente impactan y son absorbidos por otros núcleos en la zona de mucho antes de que esto sucede (neutrones de fisión de nueva creación se mueven a aproximadamente el 7% de la velocidad de la luz, y los neutrones incluso moderadas se mueven a alrededor de 8 veces la velocidad del sonido). Algunos neutrones tendrán un impacto en los núcleos de combustible e inducir más fisiones, liberando aún más neutrones. Si suficiente combustible nuclear se monta en un lugar, o si los neutrones que escapan están contenidas suficientemente, entonces estos neutrones recién emitidas superan en número a los neutrones que se escapan de la asamblea, y una reacción nuclear en cadena sostenida se llevarán a cabo.
Un conjunto que soporta una reacción nuclear en cadena sostenida se denomina una conjunto crítico o, si el conjunto está casi enteramente hecha de un combustible nuclear, un masa crítica. La palabra "crítica" se refiere a un cúspide en el comportamiento de la ecuación diferencial que gobierna el número de neutrones libres presentes en el combustible: si menos de una masa crítica está presente, entonces la cantidad de neutrones se determina por la desintegración radiactiva, pero si una masa crítica o más está presente, entonces la cantidad de neutrones se controla no por la física de la reacción en cadena. El actual masa de una masa crítica de combustible nuclear depende fuertemente de la geometría y los materiales circundantes.
No todos los isótopos fisionables pueden sostener una reacción en cadena. Por ejemplo, 238 U, la forma más abundante de uranio, es fisionable pero no fisionable: se somete a la fisión inducida cuando impactado por un neutrón enérgica con más de 1 MeV de energía cinética. Sin embargo, muy pocos de los neutrones producidos por 238 U fisión son lo suficientemente enérgico para inducir más fisiones en 238 U, así que no hay reacción en cadena es posible con este isótopo. En su lugar, bombardeando 238 U con neutrones lentos hace que se absorba ellos (convirtiéndose 239 U) y la decadencia por emisión beta a 239 Np que luego se descompone de nuevo por el mismo proceso para 239 Pu; este proceso se utiliza para fabricar 239 Pu en reactores reproductores. In-situ de producción de plutonio también contribuye a la reacción en cadena de neutrones en otros tipos de reactores después de suficiente plutonio-239 ha sido producido, ya que el plutonio-239 es también un elemento fisionable que sirve como combustible. Se estima que hasta la mitad de la energía producida por una norma "no obtentor" reactor se produce por la fisión del plutonio-239 producido en su lugar, sobre el ciclo de vida total de una carga de combustible.
Fisionables, isótopos no fisibles se pueden utilizar como fuente de energía de fisión incluso sin una reacción en cadena. El bombardeo de 238 U con neutrones rápidos induce fisiones, la liberación de energía, siempre y cuando la fuente externa de neutrones está presente. Este es un efecto importante en todos los reactores de neutrones rápidos desde donde el isótopo fisible pueden causar la fisión de U 238 se encuentra cerca de los núcleos, lo que significa que una pequeña parte de la U 238 es "-up quemado" en todos los combustibles nucleares, especialmente en reproductor rápido reactores que operan con neutrones de alta energía. Ese mismo efecto rápido de fisión se utiliza para aumentar la energía liberada por moderna armas termonucleares, por jacketing el arma con 238 U para reaccionan con neutrones liberados por la fusión nuclear en el centro del dispositivo.
Reactores de fisión
Los reactores de fisión críticos son el tipo más común de reactor nuclear. En un reactor de fisión crítico, neutrones producidos por fisión de átomos de combustible se utilizan para inducir aún más fisiones, para sostener una cantidad controlable de liberación de energía. Dispositivos que producen diseñados pero no auto-sostenible reacciones de fisión son los reactores de fisión subcríticas. Tales dispositivos utilizan desintegración radiactiva o aceleradores de partículas para activar fisiones.
Los reactores de fisión críticos se construyen para tres propósitos principales, que normalmente implican diferentes ingeniería compensaciones para aprovechar bien el calor o los neutrones producidos por la reacción de fisión en cadena:
- los reactores de potencia están destinadas a producir calor para la energía nuclear, ya sea como parte de una estación de generación o de un sistema de poder local, como un submarino nuclear.
- reactores de investigación están destinadas a producir neutrones y / o activar fuentes radiactivas con fines científicos, médicos, ingeniería, u otros fines de investigación.
- reactores reproductores están destinadas a la producción de combustibles nucleares en grandes cantidades a más abundantes isótopos . El más conocido reactor reproductor rápido hace 239 Pu (combustible nuclear) de la forma natural muy abundante 238 U (no es un combustible nuclear). Reactores reproductores térmicos previamente probados usando 232 Th criar el isótopo fisible 233 U ( ciclo de combustible de torio) continúan siendo estudiado y desarrollado.
Si bien, en principio, todos los reactores de fisión puede actuar en todas las tres capacidades, en la práctica las tareas conducen a objetivos en conflicto de ingeniería y la mayoría de los reactores se han construido con sólo una de las tareas anteriores en mente. (Hay varios contraejemplos tempranos, como el Hanford Reactor N, ahora fuera de servicio). Reactores de potencia generalmente convierten la energía cinética de los productos de fisión en calor, que se utiliza para calentar una fluido de trabajo y conducir un motor de calor que genera energía mecánica o eléctrica. El fluido de trabajo es normalmente agua con una turbina de vapor, pero algunos diseños utilizan otros materiales tales como gaseosa de helio . Los reactores de investigación producen neutrones que se utilizan de diversas maneras, con el calor de la fisión ser tratado como un producto de desecho inevitable. Los reactores reproductores son una forma especializada de reactor de investigación, con la advertencia de que la muestra se irradia suele ser el combustible en sí, una mezcla de 238 U y 235 U. Para una descripción más detallada de los principios de la física y de operación de los reactores de fisión críticos, ver física de reactores nucleares. Para una descripción de sus aspectos sociales, políticos y ambientales, consulte la energía nuclear .
Bombas de fisión
Una clase de armas nucleares , una bomba de fisión (que no debe confundirse con la bomba de fusión ), también conocida como una bomba atómica o la bomba atómica , es un reactor de fisión diseñada para liberar tanta energía como sea posible lo más rápidamente posible, antes de la largada energía hace que el reactor a explotar (y la reacción en cadena para detener). El desarrollo de armas nucleares fue la motivación detrás de las primeras investigaciones en la fisión nuclear: el Proyecto Manhattan del Ejército de Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial llevó a cabo la mayor parte de los primeros trabajos científicos sobre las reacciones en cadena de fisión, que culminó con la Trinidad bomba de prueba y la Little Boy y Fat bombas hombre que se explotaron sobre las ciudades de Hiroshima y Nagasaki, Japón en agosto de 1945.
Incluso las primeras bombas de fisión eran miles de veces más explosivo que una masa comparable de explosivo químico. Por ejemplo, Little Boy pesa un total de cerca de cuatro toneladas (de las cuales 60 kg fue de combustible nuclear) y tenía 11 pies (3,4 m) de largo; también produjo una explosión equivalente a alrededor de 15 kilotones de TNT, la destrucción de una gran parte de la ciudad de Hiroshima. armas nucleares modernos (que incluyen un termonuclear de fusión , así como una o más etapas de fisión) son cientos de veces más energéticas para su peso que la bombas atómicas de fisión primeramente pura (ver el rendimiento de armas nucleares), de modo que una moderna bomba sola ojiva del misil que pesa menos de 1/8 tanto como Little Boy (véase, por ejemplo W88) tiene un rendimiento de 475 mil toneladas de TNT, y podría llevar a la destrucción a cerca de 10 veces el área de la ciudad.
Mientras que la física fundamental de la fisión reacción en cadena en un arma nuclear es similar a la física de un reactor nuclear controlada, los dos tipos de dispositivo deben ser diseñados de manera muy diferente (ver la física reactor nuclear). Una bomba nuclear está diseñado para liberar toda su energía a la vez, mientras que un reactor está diseñado para generar un suministro constante de energía útil. Mientras que el sobrecalentamiento de un reactor puede conducir a, y ha llevado a, meltdown y vapor explosiones, el mucho más bajo de enriquecimiento de uranio hace que sea imposible para un reactor nuclear explotara con el mismo poder destructivo como un arma nuclear. También es difícil de extraer energía útil a partir de una bomba nuclear, aunque al menos un sistema de propulsión de cohetes, Proyecto Orión, tenía la intención de trabajar por la explosión de bombas de fisión detrás de una nave espacial de forma masiva acolchado y blindado.
La estratégica importancia de las armas nucleares es una razón importante por la tecnología de la fisión nuclear es políticamente sensible. Viables diseños de bombas de fisión son, sin duda, dentro de las capacidades de muchos de ser relativamente simple desde el punto de vista de la ingeniería. Sin embargo, la dificultad de obtener el material nuclear fisible para realizar los diseños, es la clave de la falta de disponibilidad relativa de las armas nucleares a todos pero modernos gobiernos industrializados con programas especiales para la producción de materiales fisionables (véase el enriquecimiento de uranio y el ciclo del combustible nuclear).
Historia
Descubrimiento de la fisión nuclear
El descubrimiento de la fisión nuclear se produjo en 1938, después de casi cinco décadas de trabajo en la ciencia de la radiactividad y la elaboración de nuevos física nuclear que describen los componentes de los átomos . En 1911, Ernest Rutherford propuso un modelo del átomo en el que un muy pequeño, denso y cargado positivamente núcleo de protones (el neutrón todavía no había sido descubierto) estaba rodeado de órbita, con carga negativa electrones (el modelo de Rutherford). Niels Bohr mejoró sobre esto en 1913 por reconciliar el comportamiento cuántico de los electrones (el modelo de Bohr). El trabajo de Henri Becquerel, Marie Curie , Pierre Curie y Rutherford explicó, además, que el núcleo, aunque fuertemente unido, podría someterse a diferentes formas de desintegración radiactiva, y de ese modo transmutar en otros elementos. (Por ejemplo, por la desintegración alfa: la emisión de una partícula alfa-dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a una helio núcleo.)
Algunos trabajan en transmutación nuclear se había hecho. En 1917, Rutherford fue capaz de lograr la transmutación de nitrógeno en oxígeno, utilizando partículas alfa dirigidas a nitrógeno 14 N + α → 17 O + p. Esta fue la primera observación de una reacción nuclear, es decir, una reacción en la que las partículas de un decaimiento se utilizan para transformar otro núcleo atómico. Finalmente, en 1932, una reacción nuclear totalmente artificial y transmutación se logró por los colegas de Rutherford Ernest Walton y John Cockcroft, que utilizaron los protones acelerados artificialmente en contra de litio-7, para partir de este núcleo en dos partículas alfa. La hazaña fue conocida popularmente como "la división del átomo", aunque no fue la reacción de fisión nuclear moderna tarde descubierto en elementos pesados, que se discute a continuación. Mientras tanto, la posibilidad de la combinación de núcleos-nucleares de fusión habían sido estudiados en relación con la comprensión de los procesos que poder estrellas . La primera reacción de fusión artificial se había logrado por Marcos Oliphant en 1932, utilizando acelerado núcleos de deuterio (cada uno formado por un solo protón unido a un solo neutrón) para crear una núcleos de helio.
Tras el físico Inglés James Chadwick descubrió el neutrón en 1932, Enrico Fermi y sus colegas en Roma estudiaron los resultados de uranio bombardear con neutrones en 1934. Fermi concluyó que sus experimentos habían creado nuevos elementos con los 93 y 94 protones, que el grupo denominado ausonium y hesperium. Sin embargo, no todos estaban convencidos por análisis de Fermi de sus resultados. El químico alemán Ida Noddack sugirió en particular en la impresión en 1934 que en lugar de crear un nuevo elemento, más pesado 93, que "es concebible que el núcleo se rompe en varios fragmentos grandes." Sin embargo, la conclusión de Noddack no fue perseguido en el momento.
Después de la publicación de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner, y Fritz Strassmann comenzó la realización de experimentos similares en Berlín . Meitner, un Judio austriaco, perdió su ciudadanía con el " Anschluss ", la ocupación y la anexión de Austria a la Alemania nazi en 1938, pero huyó a Suecia y comenzó una correspondencia por correo con Hahn en Berlín. Por coincidencia, su sobrino Otto Robert Frisch, también refugiado, también estaba en Suecia cuando Meitner recibió una carta de Hahn de 20 de diciembre que describe su prueba química que algunos de los productos del bombardeo de uranio con neutrones era de bario . Hahn sugirió una explosión del núcleo, pero que no estaba seguro de lo que fuera la base física para los resultados. Bario tenía una masa atómica 40% menos que el uranio, y no hay métodos previamente conocidos de desintegración radiactiva podría representar una gran diferencia en la masa del núcleo. Frisch era escéptico, pero confió en la capacidad de Meitner Hahn como químico. Marie Curie había estado separando de bario de radio durante muchos años, y las técnicas fueron bien conocida. Según Frisch:
¿Fue un error? No, dijo Lise Meitner; Hahn era demasiado bueno un químico para eso. Pero, ¿cómo se podría formar bario de uranio? Sin fragmentos más grandes que los protones o núcleos de helio (partículas alfa) nunca habían saltado lejos de núcleos, y que rompa un gran número no lo suficiente energía disponible. Tampoco era posible que el núcleo de uranio podría haberse escindido justo enfrente. Un núcleo no era como un sólido quebradizo que puede escindirse o roto; George Gamow había sugerido desde el principio, y Bohr había dado buenos argumentos de que un núcleo fue mucho más como una gota de líquido. Tal vez una gota podría dividirse en dos gotas más pequeñas de una manera más gradual, por primera convirtiendo alargada, a continuación, constreñida, y finalmente siendo rasgado en lugar de roto en dos? Sabíamos que había fuerzas fuertes que resistir un proceso de este tipo, al igual que la tensión superficial de una gota líquida ordinaria tiende a resistirse a su división en dos más pequeños. Pero núcleos difieren de gotas ordinarias en un aspecto importante: estaban cargadas eléctricamente, y que era conocido para contrarrestar la tensión superficial.
La carga de un núcleo de uranio, encontramos, era de hecho lo suficientemente grande como para superar el efecto de la tensión superficial casi completamente; por lo que el núcleo de uranio podría de hecho se asemejan a una caída muy inestable tambaleante, listo para dividirse a la menor provocación, como el impacto de un solo neutrón. Pero había otro problema. Después de la separación, las dos gotas serían impulsados además por su repulsión eléctrica mutua y adquirirían alta velocidad y, por tanto, una energía muy grande, unos 200 MeV en todos; donde podría provenir de esa energía? ... Lise Meitner ... calculó que los dos núcleos formados por la división de un núcleo de uranio en conjunto serían más ligero que el núcleo de uranio original de aproximadamente una quinta parte de la masa de un protón. Ahora cada vez que desaparece la masa se crea la energía, de acuerdo con Einstein fórmula E = mc 2 , y una quinta parte de una masa de protones era sólo equivalente a 200MeV. Así que aquí era la fuente de esa energía; todo equipado!
En resumen, Meitner y Frisch habían interpretado correctamente los resultados de Hahn en el sentido de que el núcleo de uranio se había dividido más o menos a la mitad. Frisch sugirió el proceso de ser nombrado "fisión nuclear", por analogía con el proceso de vivir la división celular en dos células, que entonces se llamaba fisión binaria. igual que la "reacción en cadena" nuclear plazo más tarde ser tomado de la química, por lo que el término "fisión" fue tomado de la biología.
El 22 de diciembre de 1938, Hahn y Strassmann enviaron un manuscrito a Naturwissenschaften informes que habían descubierto el elemento de bario después de bombardear uranio con neutrones . Al mismo tiempo, se comunicaron los resultados a Meitner en Suecia. Ella y Frisch interpretado correctamente los resultados como evidencia de la fisión nuclear. Frisch confirmó experimentalmente el 13 de enero de 1939. Para demostrar que el bario que resulta de su bombardeo de uranio con neutrones fue el producto de la fisión nuclear, Hahn fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1944 (el único destinatario) "por su descubrimiento de la la fisión de núcleos pesados ". (El premio fue realmente dado a Hahn en 1945, "el Comité Nobel de Química decidió que ninguna de las nominaciones del año cumplió con los criterios como se indica en el testamento de Alfred Nobel." En tales casos, el estatuto de la Fundación Nobel permiten que el premio del año reservarse hasta el año siguiente.)
Noticias extendió rápidamente del nuevo descubrimiento, que fue visto correctamente como un efecto físico totalmente nuevo con grandes posibilidades científicas-prácticos y potencialmente. La interpretación de Meitner y Frisch del descubrimiento de Hahn y Strassmann cruzó el Océano Atlántico con Niels Bohr , que iba a dar una conferencia en la Universidad de Princeton . II Rabi y Willis Lamb, dos Físicos de la Universidad de Columbia que trabajan en Princeton, escucharon la noticia y lo llevaron de vuelta a Colombia. Rabi dijo que dijo Enrico Fermi; Fermi dio crédito a Cordero. Bohr poco después pasó de Princeton a Columbia para ver Fermi. no encontrar Fermi en su oficina, Bohr fue al ciclotrón área y encontró Herbert L. Anderson. Bohr lo agarró por el hombro y le dijo: ". Joven, deja que te explique algo nuevo y emocionante en la física" Estaba claro a una serie de científicos de Columbia que pusieran a prueba para detectar la energía liberada en la fisión nuclear de uranio a partir de bombardeo de neutrones. El 25 de enero de 1939, un equipo de la Universidad de Columbia realizó el primer experimento de fisión nuclear en los Estados Unidos, que se hizo en el sótano de Pupin Hall; los miembros del equipo fueron Herbert L. Anderson, Eugene T. Booth, John R. Dunning, Enrico Fermi, G. Norris Glasoe, y Francis G. Slack. el experimento colocando involucrados óxido de uranio en el interior de una cámara de ionización y la irradiación con neutrones, y la medición de la energía así liberada. Los resultados confirmaron que la fisión se estaba produciendo y dio a entender claramente que era el isótopo de uranio 235, en particular, que se fisión. Al día siguiente, la Quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica comenzó en Washington, DC , bajo los auspicios conjuntos de la Universidad George Washington y el Instituto Carnegie de Washington. Allí, las noticias sobre la fisión nuclear se extendió aún más, lo que fomentó muchas manifestaciones experiencias más avanzadas.
Durante este período, el físico húngaro Leo Szilard, que residía en los Estados Unidos en ese momento, se dio cuenta de que la fisión de neutrones impulsada de átomos pesados podría ser utilizado para crear un reacción nuclear en cadena. Tal reacción usando neutrones fue una idea que había formulado por primera vez en 1933 , tras la lectura de comentarios despectivos de Rutherford sobre la generación de energía a partir de 1932 el experimento de su equipo usando los protones para dividir litio. Sin embargo, Szilárd no había sido capaz de lograr una reacción en cadena de neutrones impulsada con átomos ligeros ricos en neutrones. En teoría, si en una reacción en cadena de neutrones impulsada por el número de neutrones secundarios producidos era mayor que uno, entonces cada uno de tales reacción podría desencadenar múltiples reacciones adicionales, produciendo un número exponencialmente creciente de reacciones. Fue de este modo la posibilidad de que la fisión del uranio podría producir grandes cantidades de energía para fines civiles o militares (es decir, la generación de energía eléctrica o bombas atómicas ).
Szilard ahora instó Fermi (en Nueva York) y Frédéric Joliot-Curie (en París) que se abstengan de publicar sobre la posibilidad de una reacción en cadena, no sea que el gobierno nazi tomar conciencia de las posibilidades en la víspera de lo que más tarde sería conocido como Mundo Guerra II . Con algunas dudas Fermi acordó autocensurarse. Pero Joliot-Curie no lo hizo, y en abril de 1939 su equipo en París, incluidos Hans von Halban y Lew Kowarski, publicado en la revista Naturaleza que el número de neutrones emitidos con la fisión nuclear de la 235 U fue luego informó al 3,5 por fisión. (Más tarde se corrigen esto a 2,6 por fisión.) El trabajo simultáneo por Szilard y Walter Zinn confirmaron estos resultados. Los resultados sugieren la posibilidad de la construcción de reactores nucleares (primera llamados "reactores neutrónicas" por Szilard y Fermi) e incluso bombas nucleares. Sin embargo, mucho era aún desconocido sobre los sistemas de reacción de fisión y de la cadena.
Reacción en cadena de fisión
" Reacciones en cadena "en ese momento eran un fenómeno conocido enla química, pero el proceso análogo en la física nuclear, utilizando neutrones, se había previsto ya en 1933 por Szilárd, aunque Szilárd en ese momento no tenía ni idea de lo que los materiales del proceso puede ser iniciado . Szilárd considera que los neutrones sería ideal para tal situación, ya que carecían de una carga electrostática.
Con la noticia de neutrones de fisión de la fisión del uranio, Szilárd comprendió de inmediato la posibilidad de una reacción nuclear en cadena utilizando uranio. En el verano, Fermi y Szilard propusieron la idea de un reactor nuclear (pila) para mediar en este proceso. La pila usaría uranio natural como combustible. Fermi había mostrado mucho antes de que los neutrones fueron capturados con mucha más eficacia por átomos de si eran de baja energía (llamada "lento" o neutrones "térmicos"), ya que por razones cuántica hizo los átomos parecen objetivos mucho más grandes a los neutrones . Por lo tanto para frenar los neutrones secundarios liberados por los núcleos de uranio fisión, Fermi y Szilard propusieron un "moderador", grafito, contra los que los de alta energía neutrones secundarios rápidas chocarían, frenando efectivamente hacia abajo. Con suficiente uranio y grafito-lo suficientemente puro, su "pila" en teoría podría sostener una reacción en cadena lenta de neutrones. Esto daría lugar a la producción de calor, así como la creación de radioactivo productos de fisión.
En agosto de 1939, Szilard y compañeros refugiados húngaros físicos Teller y Wigner pensaban que los alemanes podrían hacer uso de la reacción en cadena de fisión y se estimularon para tratar de atraer la atención del gobierno de los Estados Unidos a la cuestión. Hacia esto, persuadieron judío alemán refugiado Albert Einstein a prestar su nombre a una carta dirigida al presidente Franklin Roosevelt . La carta de Einstein-Szilárd sugirieron la posibilidad de un entregable bomba de uranio por barco, lo que destruiría "todo un puerto y gran parte de la campo de los alrededores ". El Presidente recibió la carta el 11 de octubre 1939 - poco después de la Segunda Guerra Mundial comenzó en Europa, pero dos años antes de la entrada de Estados Unidos en el mismo. Roosevelt ordenó que un comité científico se autorizará de supervisar el trabajo de uranio y asigna una pequeña suma de dinero para la investigación pila.
En Inglaterra, James Chadwick propuso una bomba atómica utilizando uranio natural, basado en un trabajo de Rudolf Peierls con la masa necesaria para ser estado crítico 30-40 toneladas. En Estados Unidos, Robert Oppenheimer pensó que un cubo de uranio deuteruro 10 cm en un lado (unos 11 kg de uranio) podría "estallar en sí al infierno." En este diseño todavía se pensaba que necesitaría un moderador que se utilizará para la fisión bomba nuclear (esto resultó no ser el caso si el isótopo fisible fue separado). En Diciembre, Werner Heisenberg presentó un informe al Ministerio de Guerra alemana sobre la posibilidad de una bomba de uranio. La mayoría de estos modelos estaban aún bajo el supuesto de que las bombas serían alimentados por neutrones lentos reacciones-y por lo tanto ser similar a un reactor de sufrir un colapso.
La producción de una reacción en cadena de fisión en el combustible uranio natural se encontró que era lejos de ser trivial. Los primeros reactores nucleares no utilizaron uranio isotópicamente enriquecido, y, en consecuencia, se les exigía el uso de grandes cantidades de grafito altamente purificada como materiales de moderación de neutrones. El uso de agua ordinaria (en oposición a agua pesada) en los reactores nucleares requiere combustible enriquecido - la separación parcial y el enriquecimiento relativo de la rara 235 isótopo U de la mucho más común 238 U isótopo. Por lo general, los reactores también requieren la inclusión de extremadamente químicamente puros materiales moderador de neutrones, como el deuterio (en agua pesada), el helio , berilio , o carbono, esta última por lo general como grafito. (se requiere la alta pureza de carbono debido a que muchas impurezas químicas como el boro 10 componentes de los recursos naturales de boro , son absorbentes de neutrones muy fuertes y por lo tanto envenenan la reacción en cadena y terminan prematuramente.)
La producción de dichos materiales a escala industrial tuvo que ser resuelto para la generación de energía nuclear y la producción de armas para llevarse a cabo. Hasta 1940, la cantidad total de uranio metálico producidos en los EE.UU. era no más de unos pocos gramos, e incluso esto era de pureza dudosa; de berilio metálico no más de unos pocos kilogramos; y óxido de deuterio concentrada ( agua pesada) no más de unos pocos kilogramos. Por último, el carbono no se había producido en cantidad con algo parecido a la pureza requerida de un moderador.
El problema de la producción de grandes cantidades de uranio muy pureza fue resuelto por Frank Spedding utilizando la termita o " proceso de Ames ". Ames Laboratorio se creó en 1942 para producir las grandes cantidades de (enriquecido) de metal de uranio natural que serían necesarios para la investigación para venir. El éxito de reacción en cadena nuclear crítico del Chicago Pile-1 (2 de diciembre 1942), que utiliza no enriquecido uranio (natural), al igual que todas las "pilas" atómicas que produjeron el plutonio para la bomba atómica, también se debió específicamente a Szilard de comprensión de que el grafito muy puro podría ser utilizado para el moderador de incluso "pilas" naturales de uranio. En tiempo de guerra Alemania, incapacidad para apreciar las cualidades de grafito muy puro condujo a diseños de reactores que dependen de agua pesada, que a su vez se les niega a los alemanes por ataques aliados en Noruega, donde se produjo el agua pesada. Estas dificultades -entre muchos otros- impidieron que los nazis desde la construcción de un reactor nuclear capaz de criticidad durante la guerra, a pesar de que nunca se pusieron tanto esfuerzo como los Estados Unidos en la investigación nuclear, centrándose en otras tecnologías (ver proyecto de energía nuclear alemán para más detalles).
Proyecto Manhattan y más allá
En los Estados Unidos, se inició un esfuerzo total para la fabricación de armas atómicas a finales de 1942. Esta obra fue adquirida por la EE.UU. Cuerpo de Ingenieros del Ejército en 1943 y conocido como el Ingeniero de Distrito de Manhattan. El ultra secreto Proyecto Manhattan, como lo fue coloquialmente conocida, fue dirigido por el general Leslie R. Groves. Entre docenas del proyecto de sitios fueron: Hanford Site, en el estado de Washington, que tuvo la primera a escala industrial reactores nucleares; de Oak Ridge, Tennessee, que era principalmente con el enriquecimiento de uranio, y Los Alamos, en Nuevo México, que fue el centro científico para la investigación sobre la bomba desarrollo y diseño. Otros sitios, especialmente el Laboratorio de Radiación de Berkeley y el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, jugaron importantes papeles que contribuyen. Dirección científica general del proyecto fue dirigido por el físico J. Robert Oppenheimer .
En julio de 1945, la primera bomba atómica, apodada " Trinidad ", fue detonada en el desierto de Nuevo México. Fue alimentado por plutonio creado en Hanford. En agosto de 1945, dos más atómica bombs- " Little Boy ", una bomba de uranio-235, y" Fat Man ", una bomba de plutonio-fueron utilizados contra las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.
En los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, muchos países han participado en el desarrollo de la fisión nuclear a los efectos de los reactores nucleares y armas nucleares.
Fisión natural de cadena reactores en la Tierra
Criticidad en la naturaleza es poco común. A los tres depósitos de mineral en Oklo en Gabón , dieciséis sitios (los llamados Reactores fósiles Oklo) se han descubierto en el que la fisión nuclear autosostenida tuvo lugar hace aproximadamente 2 millones de años. Desconocido hasta 1972 (pero postulada por Paul Kuroda en 1956), cuando el físico francés Francis Perrin descubrió los reactores fósiles Oklo, se dio cuenta de que la naturaleza había golpeado los seres humanos con el punzón. Reacciones en cadena de fisión del uranio natural, a gran escala, moderado por agua corriente, se han producido lejos en el pasado y no sería posible ahora. Este antiguo proceso fue capaz de utilizar agua normal, como moderador sólo por dos mil millones años antes del presente, el uranio natural era más rica en la duración más corta del isótopo fisionable 235 U (alrededor del 3%), que el uranio natural disponible hoy (que es sólo el 0,7% y debe ser enriquecido al 3% para ser utilizable en reactores de agua ligera).
