Поттикнато цепење: при бомбардирање јадро на 235U со бавен неутрон го апсорбира, преминувајќи во нестабилно јадро 236U. За многу кусо се цепи на полесни елементи (производи), а се ослободуваат и 2-3 слободни неутрони и гама-зрачење.
Цепењето на тешки елементи е откриена на 17 декември 1938 г. од Ото Хан и неговиот помошник Фриц Штрасман, а теоретски ја објаснила Лиза Мајтнер со внукот Ото Роберт Фриш во јануари следната година. Името на овој процес му го дал Фриш според простата делба на клетката. Цепењето е егзотермна реакција при која можат да се ослободат големи количества енергија и како електромагнетно зрачење и како кинетичка енергија на деловите (загревање на материјата). За цепењето да резултира со ослободување енергија, вкупната енергија на сврзување на добиените елементи мора да биде понегативна (повисока) од онаа на почетниот хемиски елемент.
Цепењето е вид јадрена трансмутација поради тоа што добиените хемиски елементи се разликуваат од првобитниот атом. Двете нови јадра имаат мали разлики во големината, со однос меѓу масите 3:2 кај честите фосилниизотопи.[1][2] Најголемиот дел од јадрените цепења се бинарни (се расцепуваат два наелектризирани дела), но повремено (2 до 4 пати на 1000 случаи), се добиваат три нови (позитивно наелектризирани) јадра со третично цепење. Големината на најмалото од нив се движи меѓу онаа на протон и јадро на аргон.
Како јадрено цепење се класифицира и спонтаната природна радиоактивност кај изотопи со многу висок масен број. Спонтаното цепење го откриле Фљоров, Петржак и Курчатов во 1940 година во Москва, кога решиле да ја потврдат претпоставката на Бор дека стапката на цепење на ураниумот без неутронско бомбардирање е занемарливо мала, но се покажало спротивното.[3]
Непредвидливиот состав на производите го издвојува цепењето од чисто квантно-тунелските процеси како протонско распаѓање, алфа-распаѓање и распаѓање на тешки честички, при кои секогаш се добиваат истите производи. Со јадреното цепење се добива јадрена енергија која управува со експлозијата на јадреното оружје. Двете употреби ги овозможува својството на т.н. јадрени горива да подлегнат на цепење при судир со неутрони, па како што се распаѓаат емитираат други неутрони. На овој начин се овозможуваат самоодржувачки верижни јадрени реакции кои ослободуваат енергија во јадрен реактор со контролирано темпо или во јадрено оружје, неконтролирано.
Количината на слободна енергија во јадрено гориво е милиони пати поголема од онаа која се содржи во иста маса хемиско гориво (како бензинот), значи јадреното цепење е солиден извор на енергија. Меѓутоа, производите на јадреното цепење се многу порадиоактивни и тоа значително подолго време од тешките елементи кои се добиваат со цепење на хемиските горива, што значи дека се штетни за околината. Сепак, зголемената загриженост за натрупувањето јадрен отпад и деструктивниот потенцијал на јадреното оружје ги засенуваат квалитетите на цепењето како енергетски извор. Тоа истовремено предизвикува постојана политичка дебата околу спорноста на јадрената енергија.
Remove ads
Механизам
Поттикнато цепење - бавните неутрони се апсорбирани од јадрото 235U, кое се цепи на 2 брзи полесни елементи (производи) и неутрони. Енергијата најмногу се ослободува како кинетичка енергија на производите и неутроните
Јадреното цепење може да настане без бомбардирање, како вид радиоактивно распаѓање, а наречена е спонтана. Спонтаното цепењето е ретко — се јавува само кај одредени тешки изотопи. Затоа сите јадрени цепења во јадрените направи функционираат на основа на јадрени реакции т.е. процес на бомбардирање кој се јавува како резултат на судир меѓу две субатомски честички или судир на една со јадрото. Тоа значи дека јадрените реакции зависат само од механиката на бомбардирањето, а не од константното експоненцијално распаѓање и периодот на полураспаѓање на спонтаните радиоактивни реакции.
Познати се многу видови јадрени реакции. Меѓутоа, јадреното цепење се разликува поради можноста за засилување, па дури и контролирање преку верижна јадрена реакција (вид верижна реакција). Притоа, неутроните одделени со секое цепење можат да предизвикаат понатамошни цепења и одделување неутрони.
Изотопите на елементите кои го одржуваат цепењето се нарекуваат (фосилни) јадрени горива. Најчесто употребувани меѓу нив се 235U (во јадрени реактори) и 239Pu. Горивата се разделуваат на бимодален опсег од елементи, чии два максимума на атомска маса се движат околу 95 и 135u (цепни производи). Најголем дел од горивата многу бавно поминуваат низ спонтана делба (цепење) преку алфа/бета-синџир на радиоактивно распаѓање кој трае со милениуми, дури и еони. Во јадрените реактори и јадреното оружје цепењето се одвива со честичка-проектил, неутрон, и самиот настанат со цепење кое му претходело на она за кое станува збор.
Производи на цепењето според масата, за цепење со топлински неутрон на 235U, 239Pu (типични за денешните реактори) и на 233U (во ториум реактори).
Цепењето во цепните горива е резултат на енергијата на возбуденост на јадрото која се создава при заробувањето неутрон, поради привлечната (резидуална јака) јадрена сила меѓу него и јадрото. Доаѓа до деформирање на јадрото во вид на двојна „капка“, сè додека деловите не се оддалечат еден од друг на растојание каде веќе не дејствуваат јадрените сили. Тогаш двете купчиња нуклеони, со нереверзибилен процес, целосно се раздвојуваат и под дејство на одбивните сили (поради истоимениот позитивен полнеж) уште повеќе се оддалечуваат едно од друго. Слично се случува и со фисибилните изотопи (како ураниум-238), каде за цепење е потребна дополнителна енергија. Неа ја добиваат од брзите неутрони (како оние одделени со јадрено соединување во термојадрените бомби).
Според моделот на капка на јадрото, производите на јадреното цепење по деформацијата треба да бидат со еднакви големини. За објаснување на патот до енергетски поефикасниот исход, кога едниот производ на цепењето е малку помал од другиот, се користи пософистицираниот модел на орбити. Врз основа на овој модел е поставена и теорија за цепењето од страна на Марија Геперт-Маер.
Најчесто е двоичното цепење, со која се добиваат производите споменати погоре, со 95±15 и 135±15u, но само затоа што е најверојатен процес. Сепак, од 1000 цепења во јадрен реактор, 2-4 се третични, значи одделуваат три нови позитивно наелектризирани јадра (со големина од протон (Z=1) до аргон (Z=18)) и три неутрони. Најмалите делови кои најчесто се добиваат се состојат од 90% хелиум-4 јадра (со повеќе енергија од алфа-честичката), хелиум-6 јадра) и тритони (јадра на трициум). Третичното цепење е поретко, но истата ги произведува хелиум-4 и трициум значајни кај јадрените реактори.[4]
Енергетика
Влезна енергија
Двоичното цепење во модел на капка: Внесената енергија го деформира јадрото прво во форма на дебела пура, па на кикиритка, по што двата дела се одделуваат и оддалечуваат. Според моделот на капка деловите се еднакви (во пракса едното јадро е малку помало).
За цепење на тешки јадра потребна е влезна енергија од 7-8MeV за да се совлада јадрената сила (која го држи јадрото во сфер(оид)на форма) и да се оддалечат производите на цепење. Откако растојанието меѓу нив ќе стане преголемо за дејство на јаката јадрена сила, за раздвојување на јадрата се користи енергијата на електромагнетното одбивање на истоимени полнежи. Така се добиваат производи на цепење кои се оддалечуваат еден од друг, со висока енергија.
Околу 6MeV од влезната енергија се добива само со сврзувањето на дополнителен неутрон за тешкото јадро со силната сила, но кај многу од цепните изотопи не е доволна за одвивање на цепењето. Така, ураниум-238 речиси нема јадрен ударен пресек со неутрони чија енергија е помала од 1MeV, па ако не се донесе дополнителна енергија, нема да дојде до цепење, туку само до апсорбирање на неутронот (238U со апсорбирање бавен неутрон само преминува во 239U). Остатокот од потребната енергија за започнување на процесот на цепење се добива со еден од два механизми. Првиот е поголема кинетичка енергија на неутронот-проектил која надминува 1MeV (брз неутрон) и овозможува цепење на фисибилни тешки јадра (на пример, цепење на 238U (видете водородна бомба)). Меѓутоа, ваква реакција многу тешко може да се постигне во јадрен реактор бидејќи и премногу мал дел од неутроните-производи поседува доволно енергија за делотворно цепење на 238U (цепните неутрони имаат мод на енергија од 2MeV, но медијана од само 0.75MeV, од каде следува дека половина од нив немаат доволно енергија).[5]
Меѓу тешките актиноиди постојат изотопи со непарен број неутрони (пр. 235U со 143 неутрони) кои сврзуваат дополнителен неутрон со 1-2MeV енергија повеќе од изотопите со парен број неутрони (пр. 238U со 146). Оваа дополнителна енергија на сврзување е достапна поради механизмот на спарување неутрони. Според Паулиевиот принцип на исклучување, на надворешен неутрон му се дозволува да заземе место во истата јадрена орбитала како последниот неутрон од јадрото така што двата неутрона формираат пар. Поради тоа во ваквите изотопи нема потреба од кинетичка енергија на неутронот бидејќи потребната енергија е веќе добиена со апсорпцијата на брз/бавен неутрон. Подгрупата фисибилни елементи кои можат успешно да извршат цепење со сопствените цепни неутрони (можеби започнувајќи и верижна јадрена реакција) се наречени „цепни.“ Пример за цепни изотопи се 235U и плутониум-239.
Излезна енергија
Со еден процес на типично цепење се ослободуваат приближно 200 000 000 eV (200MeV) енергија. Кој изотоп трпи цепење и дали е фисибилен или фисилен има мал удел во количеството ослободена енергија. Тоа го покажува и кривата на енергијата на сврзување (подолу), каде просечната енергија на сврзување на актиноидите, започнувајќи од ураниум, изнесува 7,6MeV по нуклеон. Од истата се забележува и дека енергијата на сврзување на производите на цепењето (кои како помали јадра се наоѓаат полево на кривата) се движи околу 8,5MeV по нуклеон. Значи при секое цепење на изотоп од редот на актиноидите се ослободуваат 0,9MeV енергија по нуклеон од почетниот елемент. При цепењето на 235U со бавен неутрон се добива енергија идентична со онаа при цепење на 238U со брз неутрон. Истото е точно и за ториум и нижите актиноиди.[6]
Спротивно на ова, при една хемиска реакција на оксидација (пр. горење јаглен или ТНТ) се ослободуваат максимум неколку електронволти. Од тука следува дека јадреното гориво има барем 10 милиони пати повеќе употреблива енергија на единица маса од хемиското. Енергијата на цепење се ослободува во вид на кинетичка енергија на производите и фрагментите на цепењето, но и како електромагнетно зрачење (гама-зрачење). Во јадрените реактори оваа енергија се претвора во топлина при судирот на гама-зраците со атомите на реакторот и неговата работна течност (вода, тешка вода или стопена сол).
При цепење на јадро на ураниум на две јадра-ќерки, околу 0,1% од неговата маса[7] се ослободува како енергија на цепење од ~200MeV. Кај ураниум-235 (чија вкупна ослободена енергија е 202,5MeV), приближно 169MeV преминува во кинетичка енергија на јадрата-ќерки, кои меѓусебно се оддалечуваат со брзина кој изнесува 3% од брзината на светлината, поради силите на одбивање. Се емитираат и просечно 2.5неутрони, со ~2MeV кинетичка енергија по нуклеон (од вкупните 4,8MeV).[8] Околу 7MeV се ослободуваат како гама-зрачење. Очигледно при експлозивно јадрено цепење од добиената енергија: 3,5% се ослободува како гама-зрачење, помалку од 2,5% како брзи неутрони (значи вкупно околу 6% е во вид на зрачење), а преостанатиот дел преминува во кинетичка енергија на производите на цепење, која во вид на топлина се дејствува речиси веднаш при контакт со околната материја. Во атомска бомба оваа температура служи за зголемување на нејзината јадрена температура до 100милиони келвини и предизвикува секундарна емисија на меки X-зраци, кои дел од енергијата ја претвораат во јонизирачко зрачење. Во јадрените реактори, пак, кинетичката енергија останува како топлина со ниска температура, па може да предизвика само малку или воопшто да не предизвика јонизирачко зрачење.
Создадени се т.н. неутронски бомби (оружје со засилено зрачење) кои голем дел од енергијата ја ослободуваат како јонизирачко зрачење (во овој случај неутрони). Но, тие се термојадрени направи кои се потпираат на јадрено соединување за дополнително зрачење затоа што бомбите кои се темелат на чисто цепење не можат да надминат зрачење од 6%.
Вкупната енергија на „брзото цепење“ изнесува околу 181MeV, односно 89% од вкупната енергија ослободена во текот на целиот процес. Останатите 11% се ослободуваат преку бета-распаѓање со различни периоди на полураспаѓање, кое започнува во производите на цепењето веднаш со нивното формирање, а кое е проследено со гама-зрачење. Така, кај ураниум-235 задоцнетата енергија се дели на 6,5MeV во бета-зраци, 8,8MeV во честичките антинеутрино (се ослободуваат истовремено со бета-зраците) и 6,3MeV во задоцнетите гама-зраци од производите добиени со бета-распаѓањето (вкупно околу 10 емисии на гама-зрачење по цепење. Следува дека 6,5% од вкупната енергија на цепењето се ослободува во периодот по процесот, како задоцнето јонизирачко зрачење, чија енергија е речиси еднакво поделена меѓу гама и бета-зраците.
Во реактор кој работи подолго време производите на цепење се застапени со стабилна концентрација така што нивната стапка на распаѓање е еднаква со стапката на нивно создавање, па придонесот за топлината на реакторот (преку бета-распаѓање) е ист како радиоизотопскиот придонес за енергијата на цепење. При вакви услови, тие 6,5% од цепењето кои се застапени како задоцнето јонизирачко зрачење придонесуваат за стабилноста на производството на топлина, па останува и при ненадеен прекин на работата на реакторот. Иако топлината ослободена при распаѓањето започнува на 6,5% од вкупната цепна енергија на реакторот при негово гасење, сепак по неколку часа неактивност повеќекратно опаѓа.
Остатокот од задоцнетата енергија (8,8MeV/202,5MeV= 4,3% од вкупната енергија на цепењето) се емитува како антинеутрина, кои не се сметаат за јонизирачко зрачење. Причина за тоа е што енергијата која ја ослободуваат реакторот не ја заробува како топлина, па таа „бега“ директно низ секаква материја (дури и Земјата) со брзина близу онаа на светлината во меѓупланетарниот простор. Апсорбиран е занемарливо мал дел, затоа зрачењето на неутрина не се класифицира како јонизирачко зрачење. Ако енергијата не може да се апсорбира, тогаш не може ни да има никакви ефекти (иако реткото неутрино-зрачење е јонизирачко). Речиси сето преостанато зрачење (6,5% задоцнето бета и гама-зрачење) на крајот се претвора во топлина во јадрото на реакторот.
Некои процеси во кои учество имаат неутроните се значајни по впивањето или крајното произведување енергија – така, кинетичката енергија на неутронот не создава топлина веднаш кога неутронот е заробен од ураниум-238 за добивање плутониум-239, туку таа се емитува при подоцнежно цепење на јадрото на плутониум-239. Задоцнетите неутрони, пак, кои се оддаваат како производи на распаѓањето на цепни производи со период на полураспаѓање од неколку минути, се важни за контролирање на реакторите. Даваат карактеристично реакционо време за удвојување на јадрената реакција во случај кога таа се одвива во задоцнето-критична зона, при што истата се потпира токму на неутроните за суперкритична верижна реакција (каде при секое цепење се одделуваат повеќе неутрони од апсорбираните). Ако не беа неутроните, верижната јадрена реакција ќе беше брза критична реакција и ќе се прошируваше со брзина поголема од онаа која може да ја контролира човекот. Да бил таков случајот со првите експериментални атомски реактори, тие ќе довеле до опасни брзи критични реакции пред да можат мануелно да се прекинат. Затоа дизајнерот Енрико Ферми измислил и додал контролни рачки, кои се активирале од мерачи на зрачење, поткрепени со електромагнети кои автоматски паѓале во центарот на првиот вештачки реактор CP-1. Иако задоцнетите неутрони можат да се заробат без притоа да предизвикаат цепење, сепак ослободуваат топлина.[9]
Јадра-производи и енергија на сврзување
Главна статија: Цепни приизводи
Постојат докази дека при цепење поголема веројатност за образување како производи имаат јадрата со парен број протони. Ова е наречено непарно-парен ефект на распределба на полнежот меѓу фрагментите. Меѓутоа, овој ефект не е присутен и при меѓусебната распределба на масениот број. Ваквиот исход му се припишува на раскинувањето на нуклеонските парови.
При јадреното цепење јадрото може да се раздели во било која комбинација од полесни јадра, но најчест случај не е цепење на јадра со еднаква маса од околу 120u. Највообичаен настан (во зависност од изотопот и процесот) е нееднакво цепење на јадра-ќерки, од кои едното има малку помала маса, од 90 до 100u, а другото ги содржи преостанатите 130-140u.[10] Нееднаквото цепење е енергетски поповолна затоа што му дозволува на едното јадро-производ да биде поблиску до енергетскиот минимум од 60u (четвртина од просечната фисибилна маса), а другото јадро (m=135u), пак, не е далеку од најцврсто сврзаните јадра – кривата на атомската енергијата на сврзување е „пострмна“ лево од 120u отколку десно).
Потекло на активната енергија и крива на енергијата на сврзување
„Крива на енергијата на сврзување“ - графикон на специфичната енергија на сврзување на вообичаени изотопи.
Со цепење на тешки елементи се ослободува енергија поради тоа што специфичната енергија на сврзување (енергија на сврзување врз масен број) на јадрата со средни големини на масата (со редни броеви и маси блиски до 62Ni и 56Fe) е поголема од специфичната енергија на сврзување на тешките јадра и при цепење на овие тешки јадра се ослободува таа енергија. Вкупната маса на мирување на производите на цепењето (Mп) од една реакција е помала од масата на првобитното горивно јадро (M). Вишокот маса Δm=M–Mп е всушност масата на мирување на енергијата ослободена како фотони (гама-зрачење) и кинетичка енергија на производите на цепењето, според формулата за еднаквост на масата и енергијата: E=mc2.
Варијациите на специфичната енергија на сврзување со атомскиот број е поради дејството на две фундаментални сили врз нуклеоните од јадрото (протони и неутрони). Јадрото се држи во целина благодарение на привлечната резидуална јака јадрена сила меѓу нуклеоните, која ја совладува одбивноста меѓу протоните. Меѓутоа, оваа јадрена сила дејствува на многу мали растојанија (во пречник од неколку нуклеони) - следејќи го експоненцијалното намалување според Јукавиниот потенцијал, не дејствува надвор од јадрото. Електростатичкото одбивање меѓу протоните, пак, дејствува и на поголеми растојанија поради обратната квадратна зависност. Значи кај јадрата со повеќе од 12 нуклеони во пречник електростатичките одбивни сили ја надвладуваат јадрената, па јадрото е доста нестабилно. Затоа и големите јадра (со 8+ нуклеони во пречник) се послабо сврзани на единица маса од помалите јадра, а со нивно цепење се ослободува енергија. Таа енергија потекнува од јадрената сила која кај јадрата со средна големина, каде секој нуклеон има повеќе блиски „соседи“, е поефикасна. За разлика од тоа, за држење на помалите јадра потребна е помала сила, та и помала енергија.
Поради краткиот опсег на силната јадрена сила, големите стабилни јадра мораат да содржат пропорционално повеќе неутрони од протони од помалите (каде најстабилниот однос е 1:1). Јадрата со над 20 протони не можат да бидат стабилни освен ако имаат повеќе од еднаквиот број неутрони. Дополнителните неутрони ги стабилизираат тешките елементи поради зголемувањето на привлечната јадрена сила паралелно со константната големина на одбивната сила меѓу протоните. Производите на цепењето главно имаат ист однос протони-неутрони како родителското јадро, па затоа се нестабилни за бета-распаѓање (неутрони се претвораат во протони) поради преголемиот број неутрони во споредба со стабилните изотопи со слична маса.
Ваквата тенденција кон бета-распаѓањето е главниот проблем за радиоактивен отпад на високо ниво од реакторите. Производите на цепењето тежнеат кон бета-зрачење и испуштање брзи електрони при претворањето на неутроните во протони.
Верижна реакција
Шематски приказ на верижна јадрена реакција:
(1.) Ураниум-235 апсорбира неутрон и фисира на два нови атома, ослободувајќи три неутрона и енергија на сврзување
(2.) Еден ослободен неутрон е апсорбиран од ураниум-238, а друг не се судира со ништо – не ја продолжуваат реакцијата. Меѓутоа, еден неутрон се судира со ураниум-235, кој фисира и ослободува два неутрона и енергија.
(3.) Двата неутрона се судираат со атоми на ураниум-235, кој фисира и ослободува 1-3 неутрона кои можат да ја продолжат реакцијата.
Главна статија: Верижна јадрена реакција
Неколку тешки елементи (ураниум, ториум, плутониум) можат да подлегнат и на „спонтано цепење“ (вид радиоактивно распаѓање) и на „поттикнато цепење“ (вид јадрена реакција). Изотопите на елементите кои при судир со слободен неутрон минуваат низ поттикнато цепење се викаат фисибилни. Оние, пак, кои фисираат при судир со бавни, топлински неутрони се наречени цепни материјали. Одредени цепни изотопи кои можат готови да се најдат во природата (233U, 235U, 239Pu) се наречени јадрени горива поради способноста за самоодржување на верижна реакција и изобилното присуство.
Сите цепни и фисибилни изотопи можат да претрпат мала количина спонтано цепење со што се ослободуваат неутрони во секое јадрено гориво, од кое брзо „бегаат“, станувајќи слободни неутрони со среден животен век од 15 минути. Потоа се распаѓаат на протони и бета-честички. Меѓутоа, поверојатно е неутроните да бидат апсорбирани од блиско јадро при судир уште пред да дојде до нивно распаѓање (новодобиените цепни неутрони се движат со брзина која е 7% од брзината на светлината, а дури и просечните неутрони се движат 8 пати побрзо од звукот). Некои неутрони може да поттикнуваат понатамошни цепни реакции во горивото што ќе резултира со нови неутрони. Ако се собере доволна количина јадрено гориво на едно место или ако „избеганите“ неутрони соодветно се затворат, новоослободените неутрони ќе станат побројни од „избеганите“ и ќе дојде до континуирана верижна јадрена реакција.
Конструкцијата која одржува континуирана верижна јадрена реакција се нарекува критична конструкција, а ако истата речиси целосно се состои од јадрено гориво, тогаш станува збор за критична маса. „Критична“ се однесува на темето (точка) во однесувањето на диференцијалната равенка која раководи со бројот на присутни неутрони во горивото. Критична маса е минималната маса при која се одржува верижната реакција. Ако е присутна помала (поткритична) маса, тогаш бројот на неутрони се утврдува со радиоактивното распаѓање. Ако, пак, има критична или наткритична маса, тогаш неутронскиот број е под контрола на физиката на верижната реакција. Точната маса на „критичната маса“ на горивото зависи од геометријата и материјалот на околината.
Одржувањето на верижни реакции не важи за сите фисибиллни изотопи. Така, најзастапената форма на ураниум - 238U е фисибилна, но не и фисилна, значи може да биде предмет на поттикнато цепење при судир со неутрон со над 1MeV кинетичка енергија. Но, од неутроните добиени со ова цепење многу малку имаат доволно енергија за да ја продолжат верижната реакција на цепење на 238U. Затоа наместо тоа, со бомбардирање на 238U со бавни неутрони кои ќе ги апсорбира (станувајќи 239U) доаѓа до бета-распаѓање, преку 239Np до 239Pu со истиот процес и тоа во реактори за размножување. Производството на плутониум in situ (лат. на лице место) придонесува за верижна реакција и кај другите видови реактори бидејќи плутониум-239 е фисилен елемент и се користи како гориво. Се проценува дека дури половина од енергијата произведена од „неразмножувачки“ реактор е резултат на цепење на плутониум-239 во текот на целиот животен циклус на горивото.
Фисибилните, нецепни изотопи можат да послужат како извор за енергија и без верижните реакции. Бомбардирањето на 238U со брзи неутрони вклучува цепни реакции при кои се ослободува енергија сè додека е присутен надворешниот неутрон. Овој важен ефект се користи во реакторите каде брзите неутрони предизвикуваат цепење на блиските јадра 238U. Од тука следува дека мал дел од 238U „изгорува“ во сите јадрени горива, особено во реакторите за размножување (каде неутроните се со повисока енергија). Тој ефект на „брзо цепење“ ја зголемува енергијата која ја ослободува термојадреното оружје, така што 238U реагира со цепните неутрони. Експлозивните ефекти на верижното цепење можат да се намалат со супстанции како модератори на неутроните кои ги забавуваат секундарните неутрони.[11]
Цепни реактори
Кулите за ладење на Атомската централа Филипсбург, во Германија.
Критичните (самоодржувачки) цепни реактори се најчестиот вид јадрени реактори. Во нив неутроните кои се добиваат со цепење на атоми на гориво започнуваат верижна јадрена реакција, со што се одржува контролирана количината на ослободена енергија. Реакторите кај кои цепните реакции не се самоодржуваат се супкритични јадрени реактори, а кај нив постојани цепни реакции се поттикнуваат со радиоактивно распаѓање или забрзувач на честички.
Постојат три главни намени на критичните цепни реактори, а се однесуваат на искористување или на топлината или на неутроните-производи на верижната реакција.
Истражувачките реактори се наменети за создавање неутрони и/или активирање радиоактивни извори за научни, медицински, инженерски и други истражувачки цели.
Реакторите за размножување има за цел масивно производство на јадрени горива од изотопите застапени во обилни количини. Попознати се реакторите за брзо размножување кои создаваат 239Pu (јадрено гориво) од честиот 238U (кој не е гориво). Термалните реактори за размножување кои се тестираа за создавање на фосилниот изотоп 233U од 232Th се сè уште предмет на проучување и развој.
Во принцип сите три типа реактори би можеле да се користат за сите три намени, но во пракса се изработуваат реактори со само една намена. Меѓутоа, постојат и некои рани сенаменски примероци, како N-реакторот во Ханфордовиот комплекс, сега неактивен. Реакторите за производство на енергија ја претвораат кинетичката енергија на производите на цепење во топлинска, која, пак, ја загрева работната течност. Така се дава погон на топлотниот мотор кој создава механичка или електрична енергија. Истражувачките реактори, пак, создаваат неутрони кои се користат различно, а испуштената топлина се третира како отпад. Реакторите за размножување се специјализиран вид истражувачки реактори, со таа разлика што она што се озрачува е самото гориво, смеса од 238U и 235U.
Цепни бомби
Облак во форма на печурка од атомската бомба фрлена во Нагасаки, Јапонија, 1945 г., 18 км над хипоцентарот. Се проценува дека околу 39.000 луѓе загинале како последица на експлозијата на атомската бомба,[12] од кои од 23.145-28.113 биле јапонски фабрички работници, околу 2.000 биле корејски заробени работници и околу 150 биле јапонски војници.[13][14][15]
Една од класите на јадрено оружје е „цепната бомба“ (која се разликува од фузионата бомба), позната и како „атомска бомба “. Таа е цепен реактор конструиран со намера да ослободи најголема можна количина енергија најбрзо што може пред реакторот да експлодира, односно пред да престане верижната јадрена реакција. Мотивацијата за создавањето бомби се појавила со истражувањата на верижните цепни реакции во проектот Менхетен спроведен од вооружените сили на САД во текот на Втората светска војна. Истражувањата кулминирале со тест-бомбата „Тринити“ и бомбите фрлени над Хирошима и Нагасаки во Јапонија, на 6 и 9 август 1945 г.
Дури и првите цепни бомби биле илјадници пати поексполозивни од хемиските експлозиви. Така, бомбата „Литл бој“ (Little Boy, Малото момче) фрлена над Хирошима тежела 4 тона (60кг јадрено гориво) и била долга 3,4м, а произвела експлозија еквивалентна на онаа од 15 килотони ТНТ. Модерното јадрено оружје (кое користи термојадрено соединување и неколку фази на цепење) има стотици пати поголема енергија за неговата маса во споредба со првите чисто цепни бомби. Значи денешна бомба со маса која е 1/8 од масата на „Литл бој“ (на пр. W88) произведува експлозија како онаа на 475 000 тона ТНТ кој може да уништи десетпати поголем град од Хирошима (деструктивната моќ пораснала со растењето на произведената енергија за 2/3).
Основната физика на цепната верижна јадрена реакција во јадрено оружје е слична на физиката на контролиран реактор, иако овие две направи имаат различна конструкција и управување. Јадрената бомба е создадена така што сета енергија да ја ослободи одеднаш, а реакторот тоа го прави постепено за добиената енергија да може да се искористи. Иако реакторот може да дојде до топење на јадрото на јадрениот реактор и експлозија со пареа поради прегревање, помалата збогатеност на ураниумот не дозволува експлозијата на јадрен реактор да има иста разорна моќ како јадреното оружје. Исто толку тешко е и од атомска бомба да се извлече корисна енергија, иако барем еден ракетен погонски систем, проектот Орион, е наменет да работи преку експлозија на цепни бомби зад заштитено вселенско летало.
Технологијата на јадреното цепење е политички чувствителна тема поради денешната воено-стратешка важност на јадреното оружје. Конструкцијата на цепни бомби е едноставна во инженерски поглед, па може да ја остваи секој стручен во областа. Меѓутоа, клучно за истото е поседување на цепни материјали, та тоа го прави производството на овие бомби остварливо само за современите индустијализирани држави со специјални програми за производство на материјалите.
Remove ads
Откривање на јадреното цепење
Јадреното цепење била откриена во 1938 година по петдецениското истражување на радиоактивноста и продлабочување на знаењата од областа на јадрената физика. Откритието се случило во просториите за хемија на Друштвото Кајзер-Вилхелм, кои денес се дел од Слободниот универзитет во Берлин. Во 1911 г. Ернест Радерфорд го предложил планетарниот модел на атомот. Според овој модел, подоцна наречен Радерфордов, атомот се состоел од многу мало и густо, позитивно наелектризирано јадро од протони (неутронот сè уште не бил откриен), опкружено со орбита од негативно наелектризирани електрони.[16] Моделот бил подобрен во 1913 година од страна на Нилс Бор според квантното однесување на електроните (Боров модел на атомот). Подоцнежните трудови на Анри Бекерел, Марија Кири, Пјер Кири и Радерфорд подобро ја објасниле градбата на јадрото, кое иако цврсто се држи во целина, може да претрпи различни форми на радиоактивно распаѓање, а со тоа и трансмутација во други елементи (на пр. алфа-распадот).
Фокусиран на истражување на јадрената трансмутација, во 1917 година Радерфорд успеал да постигне трансмутација на азот во кислород со помош на алфа-честички 14N + α → 17O + p. Тоа воедно било и првото набљудување на јадрена реакција. Во 1932 година, Радерфордовите колеги Ернест Валтон и Џон Кокрофт постигнале целосно вештачка јадрена реакција и трансмутација – насочувајќи забрзани протони кон литиум-7 неговото јадро го поделиле на две алфа-честички (хелиумови јадра). Постапката се прославила како „делење на атомот“ иако не било цепење како што се дефинира денес, а која подоцна била откриена кај тешките елементи.[17] Истовремено се проучувала можноста за „спојување јадра“ (јадрено соединување) во врска со разбирање на процесите кои ги одржуваат ѕвездите. Првата вештачка реакција на соединување ја извел Марк Олифант во 1932 година, спојувајќи две забрзани јадра на деутериум (2H) за да добие хелиумово јадро.[18]
По откритието на неутронот од Џејмс Чедвик во 1932 година,[19]Енрико Ферми и неговите соработници во 1934 година во Рим ги проучувале резултатите од бомбардирање ураниум со неутрони.[20] Ферми заклучил дека со експериментот создал нови елементи со атомски броеви 93 и 94, кои ги нарекле аусониум и хеспериум. Меѓутоа, анализата на Ферми за резултатите од експериментот не ги уверила сите. Германката Ида Нодак во 1934 година во печатот објавила дека „при бомбардирање на тешко јадро прифатливо е тоа да се расцепи на неколку големи фрагменти, нормално - изотопи на познати елементи, но не и соседни елементи на озрачениот“.[21][22]
Експерименталната апаратура со помош на која Ото Хан и Фриц Штрасман го откриле јадреното цепење (1938 г.)
По публикацијата на Ферми, Ото Хан, Лиза Мајтнер и Фриц Штрасман започнале со слични експерименти во Берлин. По аншлусот, австриската Еврејка Мајтнер, која избегала во Шведска, започнала кореспонденција преку пошта со Хан во јули 1938 г. Случајно и нејзиниот внук, исто бегалец, Ото Роберт Фриш бил присутен кога таа добила писмо од Хан на 19 декември. Во писмото биле наведени хемиски докази дека при неутронско бомбардирање на ураниум дел од производите бил бариумот. Хан предлагал „пукање“ на јадрото, но не бил сигурен за физичката основа на резултатите. Бариумот имал 40% помала маса од ураниумот, а дотогаш не биле познати случаи на распаѓање при кои се добива производ со толкава разлика во масата од метата. Фриш бил скептичен, но Мајтнер им верувала на хемиските способности на Хан. Марија Кири со години одделувала бариум од радиум, а техниките биле доста познати. Според Фриш:
„Дали беше грешка? Не, рече Лиза Мајтнер. Хан е премногу добар хемичар за тоа. Но, како е можно да се добие бариум од ураниум? Од јадрата никогаш не биле одделени делови поголеми од протони и хелиумови јадра, а за одделување голем број немало доволно енергија. Ниту, пак, било возможно ураниумовото јадро да се расцепи речиси на половина. Јадрото не е цврста материја која може да се расцепи или скрши - Георги Гамов претходно има предложено, а Бор аргументирано дека јадрото наликува на капка течност. Дали капката може да се подели на две помали капки постепено, со издолжување, стеснување и на крај одвојување наместо расцепување? Знаевме дека постојат силни сили кои би се противеле на таков процес, како што површинскиот напон на обична капка се противи на нејзино разделување на две помали капки. Меѓутоа, јадрата се разликуваат од капките по нивниот електричен полнеж, кој дејствува како противтежа на површинскиот напон.“
Делење на капка вода
„Откривме дека полнежот на ураниумовото јадро навистина е доволно голем за речиси целосно да го совлада ефектот на површинскиот напон, значи неговото јадро можеби навистина е налик разнишана, нестабилна капка која може да се раздели при најмала провокација, како што е судирот со само еден неутрон. Меѓутоа, постоеше уште еден проблем. По раздвојувањето двете „капки“ се одбиваа и оддалечуваа една од друга, добивајќи голема брзина, а со тоа и огромна енергија, околу 200MeV вкупно; од каде ли доаѓа таа енергија? ...Лиза Мајтнер... сфати дека двете јадра оформени со делбата на ураниумовото заедно би имале маса помала од онаа на првобитното ураниумово за петтина од масата на протонот. Кога и да снема маса се создава енергија, според Ајнштајновата формула E = mc2, а петтина од протонската маса соодветствува на 200MeV енергија. Значи тоа беше изворот на таа енергија; сè се совпадна!“[23]
Накратко, Мајтнер и Фриш правилно ги протолкувале Хановите резултати, заклучувајќи дека јадрото на ураниумот се поделило речиси на половина. Фриш предложил процесот да се нарече „јадрено цепење“, аналогно на процесот на клеточна делба кој тогаш се нарекувал двојно цепење. Значи поимот „цепење“ бил позајмен од биологијата, како што подоцна „верижна реакција“ бил позајмен од хемијата.
На 22 декември 1938 година Хан и Штрасман испратиле ракопис до „Naturwissenschaften“ во кој истакнале дека при неутронско бомбардирање на ураниум го добиле елементот бариум.[24] Резултатите истовремено ги испратиле до Мајтнер во Шведска, каде таа и Фриш точно ги протолкувале резултатите како доказ за јадрено цепење.[25] Фриш тоа и експериментално го потврдил на 13 јануари 1939 г.[26][27] За доказот дека бариумот добиен при оваа реакција е производ на јадрено цепење, Хан добил Нобелова награда за хемија во 1944 (сам) „за откритието на цепење на тешки јадра“ (наградата му била врачена во 1945 година поради неисполнетите критериуми од тестаментот на Алфред Нобел: „Во таков случај годинешните статуи на Нобеловата фондација дозволено е да се доделат следната година.“)[28]
Вестите за новото откритие брзо се прошириле и отвориле огромен број научни и потенцијално практични можности. Интерпретацијата на Мајтнер и Фриш на откритието се прочула и на другиот крај на Атлантикот, преку предавањата на Нилс Бор на Принстон. Раби и Лем, физичари од универзитетот Колумбија кои тогаш работеле во Принстон, откако ги слушнале вестите ги пренеле назад во Колумбија. Раби му кажал на Ферми, кој, пак, му оддал признание на Лем, а наскоро требало да биде посетен и од Бор. Бидејќи не го нашол, Бор го фатил Херберт Л. Андерсон за рамо, велејќи: „Млад човеку, дозволи ми да ти објаснам за нешто ново и возбудливо во физиката.“[29]
На многу научници од Колумбија им било јасно дека треба да се детектира енергијата која се ослободува при цепењето на ураниум. На 25 јануари 1939 г., тим од универзитетот го извеле првиот експеримент за цепење во САД,[30] во подрумот. Тоа биле Херберт Л. Андерсон, Јуџин Т. Бут, Џон Р. Данинг, Ферми, Г.Н. Глазоу и Френсис Г. Слек. Ураниум оксид бил поставен во јонизациона комора и озрачен со неутрони, при што се мерела ослободената енергија. Се потврдило дека се одвивало цепење и тоа токму на ураниум-235. Утредента, вестите за јадреното цепење се прошириле уште повеќе, на Петтата конференција во Вашингтон, а со тоа се вршело сè повеќе експериментирање.[31]
За тоа време, унгарскиот физичар Лео Силард во САД сфатил дека со помош на цепење контролирана од неутрони може да се создаде верижна јадрена реакција. Оваа идеја првпат се појавила кај него во 1933 година, по прочитаниот труд на Радерфорд. Меѓутоа, Силард не можел да предизвика таква реакција кај лесни атоми богати со неутрони. Теоретски ако бројот на добиените секундарни неутрони е поголем од еден, тогаш секоја реакција ќе предизвика дополнителни цепења. Значи една од можностите било цепењето да биде извор за енергија која може да се користи во цивилни или воени цели, односно како генератор или атомска бомба.
Силард настојувал Ферми (во Њујорк) и Жолио-Кири (во Париз) да не објавуваат ништо за можностите за верижна реакција, за Германците да не дознаат и да не го искористат тоа бидејќи на повидок била Втората светска војна. Иако се двоумел Ферми одлучил да го послуша, но не и Жолио-Кири. Тој во журналот „Nature“, заедно со Ханс фон Хаблан и Лев Коварски, во април 1939 година објавил дека „бројот на емитирани неутрони при цепење на 235U е проценет на 3,5 по цепење“[32] (подоцна е поправено на 2,6 неутрони по цепење). Работата на Силард и Волтер Зин ги потврдила резултатите, кои расветлиле можност за создавање јадрени реактори (првобитно наречени „неутронски реактори“), та и јадрени бомби. Меѓутоа, сè уште се знаело малку за цепење и верижната реакција.
Воочување на цепната верижна реакција
Цртеж на првиот вештачки реактор Чикаго пајл-1.
„Верижните реакции“ биле веќе познат феномен во хемијата, но постоењето аналоген процес во јадрената физика било претпоставено дури во 1933 година од Силард, иако тој тогаш не знаел како треба да се поттикне процесот. Претпоставил дека поради електронеутралноста идеални „активатори“ би биле неутроните.
Силард веднаш по откривањето на цепењето ја увидел можноста за верижна јадрена реакција со ураниум. Летото, заедно со Ферми предложиле реактор да биде посредник во процесот, чие гориво би бил ураниумот. Ферми одамна покажал дека неутроните најефективно се заробуваат кога се „бавни“ (топлински) поради тоа што од квантна гледна точка атомот е многу поголема мета. Затоа за забавување на секундарните (цепни) неутрони Ферми и Силард предложиле „модератор“ кој при судир би ги забавувал неутроните. Со доволно ураниумово гориво и доволно чист графит нивниот реактор, теоретски, би одржувал верижна реакција со бавни неутрони, та би се создавале цепните производи и би се ослободувала топлина.
Во август 1939 година, Силард, Телер и Вигнер решиле да го привлечат вниманието на САД пред Германците да го искористат цепењето за извојување победа. Со таа намера го убедиле Алберт Ајнштајн да го стави својот потпис на писмо до Рузвелт, кое претседателот го добил на 11 октомври 1939 година. Во писмото ја изнеле можноста за пренос на ураниумска бомба со брод која „може да уништи цело пристаниште со околината“. Рузвелт одредил мала сума за истражување на ураниумот и јадрените реактори.
Во Англија Џејмс Чедвик предложил создавање атомска бомба со природен ураниум, за која потребната критична маса би била 30-40 тона. Во Америка, пак, Опенхајмер сметал дека коцка со страна 10цм и 11кг ураниум може да предизвика огромна експлозија. Во дизајнот на таа бомба бил вклучен модератор затоа што сè уште не се знаело дека нема потреба од него ако се издвои цепниот изотоп. Вернер Хајзенберг во декември го известил германското Министерство за војна за можноста за производство ураниумови бомби. Моделите на бомбите кои се правеле во оваа почетна фаза го користеле методот на бавни неутрони, па истите се прегревале и топеле.
Фриш и Рудолф Пајерлс, во Бирмингам, февруари 1940 г., дошле до идејата за користење прочистена маса изотопот 235U, кому само што му бил определен јадрениот ударен пресек со неутрон - многу поголем од оној на 238U, кој сочинува 99,3% од природниот ураниум. Под претпоставка дека ударниот пресек на 235U со брзите е еднаков со оној на бавните неутрони, утврдиле декабомба со чист 235U ќе има критична маса од само 6 кг, а нејзината експлозија ќе биде со огромни размери (испаднало дека критичната маса е всушност 15кг). Глен Сиборг, Џозеф Вилијам Кенеди, Артур Вал и Емилио Сегре откриле 239Pu во производите од цепењето 239U (добиен со бомбардирање 238U), откривајќи дека како и 235U и тој е фисилен.
Изолирањето на ураниум-235 изгледало технички застрашувачко поради неговата хемиска идентичност со ураниум-238 и масената разлика од само 3 неутрона. Ама, доволна количина изолиран ураниум-235 би дозволила верижна реакција со брзи неутрони, а со тоа и „вистинска“ атомска бомба. Откритието дека во реактор може да се добие плутониум-239 открило нов пристап кон создавањето делотворна бомба. И двата пристапи биле нови и недоволно разјаснети, та нормално постоела и голема скептичност дека идеите ќе се реализираат за толку кратко време.
На 28 јуни 1941 година САД започнале да мобилизираат научни ресурси за подобрување на воената одбрана. Во септември Ферми го составил првиот реактор наменет за предизвикување верижна реакција на ураниум со бавни неутрони, кој не достигнал критичност поради недостаток од соодветните материјали.
Предизвикување верижна реакција во природен ураниум не било едноставна работа зашто тогаш не знаеле за изотопски збогатен ураниум, та морале да користат големи количини прочистен графит за забавување на неутроните. Во реакторот обичната вода, за разлика од тешката вода, бара збогатено гориво – делумно збогатување со изделување на реткиот 235U од изотопот 238U. Покрај тоа, потребни се хемиски чисти материи (како деутериум) за модераторот.
Потребно било индустриско производство на материјалите за задоволување на производствотот на јадрена енергија и оружје. До 1949 година во САД биле произведени само неколку грама ураниум и тоа не сосем чист, неколку килограми берилиум и деутериум оксид (тешка вода). Не бил произведен ниту јаглерод доволно чист за потребите на модераторот.
Овој производствен проблем го решил Френк Спединг со употреба на процесот со термит (Ејмс процес). Лабораторијата во Ејмс, Ајова, била основана во 1942 година за производство големи количини природен, незбогатен ураниум потребен за истражувањата. Успешната критична верижна реакција на реакторот Чикаго пајл-1 (2.12.1942) со незбогатен ураниум, која продуцирала плутониум за бомбата, се должи на Силард, којшто сфатил дека графитот може да биде модератор и за реакторите со природен ураниум.
Германија, занемарувајќи ги квалитетите на графитот, дизајнирала реактори зависни од тешка вода, до која, пак, не можеле да стигнат поради нападите од Сојузниците врз Норвешка, центарот на производство на водата. Овие тешкотии, но и помалку вложените напори во споредба со САД, го оневозможиле создавањето критичен реактор од страна на Германците во текот на војната. Тие биле фокусирани на „Германскиот јадрен проект“.
Во САД кон крајот на во 1942 година започнале големи напори за изработка на атомско оружје. Следната година задачата била преземена од USACE. Строго доверливиот проект Менхетен, како што го нарекувал народот, го водел генерал Лесли Гроувс. Меѓу десетиците актуелни места биле комплексот во Вашингтон, со првите јадрени реактори со индустриска големина; Оук Риџ (Тенеси), каде првобитно се занимавале со збогатен ураниум и Лос Аламос, Ново Мексико, кој бил главен истражувачки центар за дизајн и производство на бомби. И другите места дале голем придонес, особено Националната лабораторија Лоренс Беркли и Металуршката лабораторија во Чикаго. Со научните аспекти на проектот раководел физичарот Роберт Опенхајмер.
Првата атомска бомба под името Тринити, чие гориво бил плутониумот, била детонирана во јули 1945 година во пустината во Ново Мексико. На 6 и 9 август истата 1945 година, две атомски бомби – „Малечок“, бомба со ураниум-235 и „Дебелко“, бомба со плутониум – биле фрлени над Хирошима и Нагасаки.
По Втората светска војна, голем број на држави се зафатиле со развој и производство на јадрени реактори и оружје со помош на јадреното цепење. Првата нуклеарка била отворена во Велика Британија во 1956 година, а до 2013 – 437 реактори во 31 земја.
Природни цепни верижни реакции на Земјата
Критичноста во природата не е вообичаена појава. На три рудни наоѓалишта во Окло, Габон, откриени се 16 наоѓалишта каде околу 2 милијарди години се одвивала самоодржувачко јадрено цепење. Познати се како „фосилните реактори во Окло“. Дека постојат природни реактори се открило дури во 1972 година, иако Пол Курода го претпоставил тоа уште во 1956 година[33]). Францускиот физичар Фрaнсис Перeн бил тој кој ги открил „фосилните реактори во Окло“. Улогата на неутронски модератор на природните верижни цепни реакции на ураниум ја играла обичната вода, а процесот се одвивал во минатото и не е можен сега. Водата била модератор бидејќи пред 2 милијарди години природниот ураниум бил околу 3% побогат со цепниот изотоп 235U од денешниот (кој има само 0,7% и мора да се збогати до 3% за да може да се користи во реактори).
Петржак, Константин (1989). „Как было открыто спонтанное деление“ [Како било откриено спонтаното распаѓање]. Во Черникова, Вера (уред.). Краткий Миг Торжества — О том, как делаются научные открытия[Краток момент на триумф — во врска со научните откритија] (руски). Наука. стр.108–112. ISBN5-02-007779-8.
Nuke-Rebuke: Writers & Artists Against Nuclear Energy & Weapons (The Contemporary anthology series). The Spirit That Moves Us Press. May 1, 1984. pp. 22–29.
Nagasaki 1945: the first full-length eyewitness account of the atomic bomb attack on Nagasaki, 1985, page 134-137, Tatsuichirō Akizuki and Gordon Honeycombe.
E. Fermi, E. Amaldi, O. D'Agostino, F. Rasetti, and E. Segrè (1934) "Radioattività provocata da bombardamento di neutroni III," La Ricerca Scientifica, vol. 5, no. 1, pages 452–453.
O. Hahnl; F. Strassmann (1939). „Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle“. Naturwissenschaften. 27 (1): 11–15. Bibcode:1939NW.....27...11H. doi:10.1007/BF01488241.
H. Von Halban; F. Joliot & L. Kowarski (1939). "Number of Neutrons Liberated in the Nuclear Fission of Uranium". Nature143 (3625): 680. Bibcode:1939Natur.143..680V.doi:10.1038/143680a0.
