29-3 Štiepny U-235

29-1 Objav štiepenia jadier; 29-2 Štiepne neutróny; 29-3 Štiepny U-235 ; 29-4 Fermiho jadrový reaktor; 29-5 Kritické množstvo; 29-6 Jadrové reaktory; 29-7 Atómová bomba; 29-8 Fúzne reaktory;

Úlohy

29-2 Štiepne neutróny

29-3 Štiepny $_{}^{235} U$

Uránová ruda obsahuje v prírode dva izotopy uránu $_{}^{238} U$ a $_{}^{235} U$ , ktorých zastúpenie je 99,3 % a 0,7 %. Pri bombardovaní neutrónmi sa tieto izotopy nechovajú rovnako. Zistilo sa, že $_{}^{235} U$ sa štiepy „ochotnejšie“, než častejšie sa vyskytujúci $_{}^{238} U$ . Kým $_{}^{238} U$ sa štiepi pokiaľ energia bombardujúceho neutrónu je približne $1, 2 MeV$ , tak zatiaľ $_{}^{235} U$ sa štiepi aj vtedy, pokiaľ energia neutrónu je výrazne nižšia, ba dokonca, pravdepodobnosť štiepenia rastie poklesom rýchlosti (energie) bombardujúcich neutrónov.

Neutróny, ktoré majú nižšiu energiu, než je potrebná k štiepeniu jadra $_{}^{238} U$ , sú jadrom uránu pohltené bez toho, že by vyvolali štiepenie⁵. V prírodnej uránovej rude je $_{}^{235} U$ veľmi zriedené jadrami $_{}^{238} U,$ vyskytujú sa spolu, nie oddelene od seba, preto prirodzená uránová ruda je z pohľadu reťazovej reakcie nezaujímavá – akoby sme chceli založiť táborák mokrým drevom. Neutróny, vznikajúce pri štiepení $_{}^{235} U$ a sú pohltené jadrami $_{}^{238} U$ uránovej rudy, ktoré sú vo výraznej väčšine, sú pohltené bez odozvy a vypadávajú z hry.

V úvodnej fáze projektu Mahnattan⁶ robili veľké úsilie na oddelenie izotopu $_{}^{235} U$ od „neužitočného“ izotopu $_{}^{238} U$ – tento proces sa nazýva „obohacovaním uránu“. Nakoľko chemické vlastnosti izotopov toho istého prvku sú rovnaké, bežné chemické procesy na ich oddelenie nemohli prísť ani do úvahy. Problém nakoniec vyriešili pomocou metódy „difúzneho rozdelenia“, ktorej podstatou je, že ľahšie atómy $_{}^{235} U$ (a ich rôzne chemické zlúčeniny) difundujú drobnými otvormi porézneho filtra rýchlejšie, ako ťažšie atómy $_{}^{238} U$ . Výsledkom procesu stále bola zmes oboch izotopov, ale koncentrácia $_{}^{235} U$ sa zvýšila, a mnohonásobným opakovaním procesu sa podarilo separovať väčšie množstvo $_{}^{235} U .$ ⁷

⁵presnejšie, je $1 0^{5}$ -krát pravdepodobnejšie, že po pohltení nedôjde k štiepeniu, než že dôjde k štiepeniu, čo prakticky znamená, čo sme povedali;

⁶Vojenský projekt USA, Veľkej Británie a Kanady počas druhej svetovej vojny mal za cieľ vyrobiť atómovú bombu skôr, než v nacistickom Nemecku. Projekt začal ešte v roku 1939, po dopise Alberta Einsteina. Dopis bol nápadom Leó Szilárda, ktorý Einsteina presvedčil, Eugen Wigner dopis pomohol skoncipovať – v dopise upozornili prezidenta F.D. Roosevelta na možnosť vytvorenia bomby nezmernej sily, ktorú by mohli na základe objavu Otto Hahna zostrojiť aj nacisti. Začiatky projektu boli skromné. Projekt riadil major generál Leslie Groves, a po spomínaných nesmelých začiatkoch v roku 1939 nakoniec zamestnal 130 tisíc ľudí v novo postavených továrňach na 30 rôznych miestach po celom území USA, ale aj v Kanade a vo veľkej Británii. Bol to najdrahší projekt tej doby, a predstavoval na dnešné peniaze 28 mld. dolárov, skoro 3 % HDP (ročného hrubej domácej produkcie roku 1940) USA. Z nákladov 90 % išlo na vybudovanie nových tovární a „obohatenie“ uránu, a len 10 % na vývoj samotnej zbrane

⁷V skutočnosti fyzici navrhli ešte dva procesy, ktoré by mohli viesť k úspechu – urýchlená sedimentácia v centrifúgach, a rozdeľovanie v cyklotrónoch (na ktorý dohliadal priamo Lawrence). Generál Groves nechcel riskovať, preto továrne sa stavali na všetky tri procesy. Projekt pracoval najvyšším utajením, a zo 130 tisíc pracovníkov málokto vedel na čom sa vlastne pracuje.

29-4 Fermiho jadrový reaktor

29-3 Štiepny U-235

29-3 Štiepny 235U<math display="inline" xmlns="https://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mstyle class="text"><mtext></mtext><mstyle class="math"><msubsup><mrow></mrow><mrow></mrow><mrow><mn>235</mn></mrow></msubsup><mstyle class="text"><mtext>U</mtext></mstyle></mstyle><mtext></mtext></mstyle></math>

29-3 Štiepny $_{}^{235} U$