Natural fission chain-reactors on Earth

Although nuclear fission reactors are often thought of as being solely a product of modern technology, the first nuclear fission reactors were in fact naturally occurring. A natural nuclear fission reactor can occur under certain circumstances that mimic the conditions in a constructed reactor. Fifteen natural fission reactors have so far been found in three separate ore deposits at the Oklo mine in Gabon, West Africa. First discovered in 1972 by French physicist Francis Perrin, they are collectively known as the Oklo Fossil Reactors. Self-sustaining nuclear fission reactions took place in these reactors approximately 1.5 billion years ago, and ran for a few hundred thousand years, averaging 100 kW of power output during that time. The concept of a natural nuclear reactor was theorized as early as 1956 by Paul Kuroda at the University of Arkansas.

Such reactors can no longer form on Earth: radioactive decay over this immense time span has reduced the proportion of ²³⁵U in naturally occurring uranium to below the amount required to sustain a chain reaction.

The natural nuclear reactors formed when a uranium-rich mineral deposit became inundated with groundwater that acted as a neutron moderator, and a strong chain reaction took place. The water moderator would boil away as the reaction increased, slowing it back down again and preventing a meltdown. The fission reaction was sustained for hundreds of thousands of years.

These natural reactors are extensively studied by scientists interested in geologic radioactive waste disposal. They offer a case study of how radioactive isotopes migrate through the Earth's crust. This is a significant area of controversy as opponents of geologic waste disposal fear that isotopes from stored waste could end up in water supplies or be carried into the environment.

Ядерное деление

В ядерной физики и ядерной химии, ядерное деление определяет либо ядерную реакцию или процесс радиоактивного распада, в которой ядро атома распадается на более мелкие части ( более легких ядер ) . Процесс деления часто приводит к образованию свободных нейтронов и фотонов ( в виде гамма-лучей) , и выпуская очень большое количество энергии, даже по стандартам энергетической радиоактивного распада.

Деления ядер тяжелых элементов было обнаружено в 1938 году Лиза Мейтнер , Отто Ган , Фриц Штрассман , и Отто Фриш Роберта . Он был назван по аналогии с биологическим деления живых клеток. Это является экзотермической реакцией, при которой можно выпускать большое количество энергии и в виде электромагнитного излучения и в виде кинетической энергии осколков (нагрев сыпучего материала, где происходит деление ). Для того, чтобы деление производило энергию , полная энергия полученной элементов должна быть больше, чем у исходного элемента.

Деление это форма ядерной транс мутации, потому что в результате фрагменты не тот же элемент ,оригинальные атомы. Эти два ядра производятся чаще всего сопоставимых, но немного разных размеров, обычно при массовом отношении продуктов примерно от 3 до 2 , для общих расщепляющихся изотопов. Большинство бинарных делений ( производство двух заряженных фрагментов ) , но иногда (от 2 до 4 раз в 1000 событий ), три положительно заряженных фрагмента производится в тройном делении. Самый маленький из этих фрагментов в тройных процессах колеблется в размере от протона к ядру аргона .

Деление, с которыми столкнулись в современном мире , как правило, сознательно созданные искусственные ядерные реакции, вызванной нейтронами. Это меньше, часто встречающихся как естественная форма спонтанного радиоактивного распада (не требующие нейтрона) , происходящее особенно в очень высоких массовых числах изотопов. Непредсказуемый состав продуктов ( которые изменяются в широкой вероятности и несколько хаотично ) отличается от деления чисто квантовых туннельных - процессов, таких как испускание протонов , альфа-распад и кластерного распада , которые дают те же продукты каждый раз. Ядерное деление производит энергию для атомной энергетики, а также направляет взрыв ядерного оружия. Оба применения возможны потому, что некоторые вещества, называемые ядерным топливом делиться при поражении нейтронов делением , и в свою очередь испускают нейтроны , когда они распадаются . Это делает возможным самоподдерживающейся цепной ядерной реакции , которая высвобождает энергию с контролируемой скоростью в ядерном реакторе или в очень быстром неконтролируемой скоростью в ядерном оружии .

Количество свободной энергии, содержащейся в ядерном топливе в миллионы раз больше количества свободной энергии, содержащейся в аналогичной массе химического топлива, такие как бензин, в результате чего ядерное деление очень плотный источник энергии. Продукты ядерного деления, однако, в среднем гораздо более радиоактивны, чем тяжелые элементы , которые обычно расщепляются в качестве топлива , и остаются таковым в течение значительного количества времени , что приводит к ядерной проблеме отходов. Обеспокоенность по поводу ядерного накопления отходов и более разрушительный потенциал ядерного оружия могут уравновешивать желательные качества деления в качестве источника энергии , а также возникновению продолжающихся политических дебатов по ядерной энергетике.

Механика

Деление ядер может происходить без нейтронного облучения, как тип радиоактивного распада. Этот тип деления (так называемые спонтанного деления ) является редким исключением нескольких тяжелых изотопов. В инженерных ядерные устройства, по существу, все ядерное деление происходит как " ядерная реакция "-бомбардировка управляемый процесс, который является результатом столкновения двух субатомных частиц. В ядерных реакциях, субатомная частица сталкивается с атомным ядром и вызывает изменения. Ядерные реакции, таким образом, обусловлены механикой бомбардировки, а не относительно постоянной экспоненциального распада и полураспада, характеристика спонтанного радиоактивного процесса.

Многие типы ядерных реакций известны на данный момент. Ядерное деление отличается важно с другими типами ядерных реакций, поскольку оно может быть усилено, а иногда и управляется с помощью цепной реакции (один вид общего цепной реакции). В такой реакции свободные нейтроны высвобождаемые каждым делением, событие может инициировать еще несколько событий , которые в свою очередь выпускают больше нейтронов и вызывают больше делений .

Изотопы химических элементов, которые могут поддерживать цепную реакцию деления называются ядерным топливом , и , как говорят, делящиеся . Наиболее распространенными является ядерное топливо 235U (изотоп урана с атомной массой 235 и использования в ядерных реакторах ) и 239Pu (изотоп плутония с атомной массой 239) . Эти виды топлива распадаются на бимодальный спектр химических элементов с атомными массами центрирования около 95 и 135 U ( продукты деления ) .

Большинство ядерного топлива родвергается спонтанному делению только очень медленно, а не распадается в основном через альфа / бета-цепи распада в течение периодов тысячелетий и эпох. В ядерном реакторе или ядерном оружии , подавляющее большинство актов деления индуцированные бомбардировки с другой частицей , нейтрон , который сам по себе производится по предварительному делению .

Ядерное деление в расщепляющихся топливах является результатом энергии возбуждения ядра , возникающего при делящемся ядре захватывает нейтрон . Эта энергия , в результате захвата нейтронов , является результатом привлекательной ядерной силы , действующей между нейтроном и ядром. Достаточно, чтобы деформировать ядра в двойной -лопастные "капля ", до того, что ядерные фрагменты превысят расстояния, при которых ядерная сила может содержать две заряженных группы нуклонов вместе, и когда это произойдет ,два фрагмента завершат их разделения , а затем приводятся дальше друг от друга по их взаимно отталкивающих обвинений, в процессе, который становится необратимым со все большим и большим расстоянием. Аналогичный процесс происходит в делящихся изотопах (например, урана-238 ), но для того, чтобы деление, эти изотопы требуют дополнительной энергии, на быстрых нейтронах (например, производства ядерного синтеза в термоядерном оружии ) .

Капельной модели атомного ядра предсказывает равного размера продуктов деления, в качестве механического результата деформации ядра . Более сложные модели ядерных оболочек необходимы, чтобы объяснить механистически маршрут к энергетически более благоприятным исходам , в котором один продукт деления немного меньше, чем другой.

Наиболее распространенный процесс деления бинарного деления, и оно производит продукты деления отмечалось выше, при температуре 95 ± 15 и 135 ± 15 мкм. Тем не менее, бинарный процесс происходит только потому, что он является наиболее вероятным. В любом месте от 2 до 4 делений в 1000 в ядерном реакторе, этот процесс называется тройное деление производит три положительно заряженных фрагмента (плюс нейтроны) и самый маленький из этого диапазона может от столь малого зарядом и массой как протон (Z = 1) , как большой фрагмент , как аргон (Z = 18). Наиболее распространенные небольшие фрагменты, однако, состоят из 90% гелия-4 ядер с большим количеством энергии , чем альфа-частицы с альфа-распадом (так называемые "длинные альфа диапазона" при ~ 16 МэВ) , а также гелий- 6 ядер и тритонов ( ядер трития ) . Тройные процессы встречаются реже , но все же заканчивает создавать значительное гелия -4 и газообразного трития накопления в топливных стержнях современных ядерных реакторов.