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Kernspaltung

  Ein induziertes Kernspaltungsereignis. Ein thermisches (langsames) Neutron wird vom Kern eines Uran-235-Atoms absorbiert, das sich wiederum in sich schnell bewegende leichtere Elemente (Spaltprodukte) und freie Neutronen aufspaltet. Die einzelnen Elemente und die Anzahl der Neutronen, die von jedem einzelnen Spaltungsereignis erzeugt werden, sind zufällig.   Vergrößern Ein induziertes Kernspaltungsereignis. Ein thermisches (langsames) Neutron wird vom Kern eines Uran-235-Atoms absorbiert, das sich wiederum in sich schnell bewegende leichtere Elemente (Spaltprodukte) und freie Neutronen aufspaltet. Die einzelnen Elemente und die Anzahl der Neutronen, die von jedem einzelnen Spaltungsereignis erzeugt werden, sind zufällig.

Kernspaltung – auch bekannt als Atomspaltung – ist ein Prozess in der Kernphysik und Kernchemie, bei dem sich der Kern eines Atoms in zwei oder mehr kleinere Kerne als Spaltprodukte und normalerweise einige Nebenproduktpartikel aufspaltet. Daher ist die Spaltung eine Form der elementaren Transmutation. Die Nebenprodukte sind kostenlos Neutronen , Photonen normalerweise in Form von Gammastrahlen und anderen Kernfragmenten wie Beta-Teilchen und Alpha-Teilchen. Die Spaltung schwerer Elemente ist eine exotherme Reaktion und kann erhebliche Mengen nützlicher Stoffe freisetzen Energie sowohl als Gammastrahlen als auch als kinetische Energie der Fragmente ( Heizung das Schüttgut, in dem die Spaltung stattfindet).

Kernspaltung erzeugt Energie für Atomkraft und Explosion von zu fahren Atomwaffen . Die Spaltung ist als Energiequelle nützlich, da einige Materialien, die als Kernbrennstoffe bezeichnet werden, sowohl Neutronen als Teil des Spaltungsprozesses erzeugen als auch eine getriggerte Spaltung erfahren, wenn sie von einem freien Neutron getroffen werden. Kernbrennstoffe können Teil einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion sein, die Energie mit einer kontrollierten Rate in einem Kernreaktor oder mit einer sehr schnellen unkontrollierten Rate in einem Kernreaktor freisetzt Nuklearwaffe .

Die Menge an freier Energie, die in Kernbrennstoff enthalten ist, ist millionenfach so groß wie die Menge an freier Energie, die in einer ähnlichen Masse eines chemischen Brennstoffs wie Benzin enthalten ist, was die Kernspaltung zu einer sehr verlockenden Energiequelle macht; Die Abfallprodukte der Kernspaltung sind jedoch hochgradig radioaktiv und bleiben dies über Jahrtausende, was zu einem Atommüllproblem führt. Bedenken hinsichtlich der Anhäufung von Atommüll und des immensen Zerstörungspotentials von Atomwaffen gleichen die wünschenswerten Qualitäten der Kernspaltung als Energiequelle aus und führen zu intensiven Bemühungen politisch Debatte über Atomkraft.



Physischer Überblick

Die Kernspaltung unterscheidet sich von anderen Formen des radioaktiven Zerfalls dadurch, dass sie über eine Kettenreaktion genutzt und kontrolliert werden kann: Freie Neutronen, die bei jedem Spaltungsereignis freigesetzt werden, können noch mehr Ereignisse auslösen, die wiederum mehr Neutronen freisetzen und mehr Spaltungen verursachen. Chemisch Isotope, die eine Spaltkettenreaktion aufrechterhalten können, werden als Kernbrennstoffe bezeichnet und gelten als spaltbar. Die häufigsten Kernbrennstoffe sind 235 U (das Isotop von Uran mit einer Atommasse von 235) und 239 Pu (das Isotop von Plutonium mit einer Atommasse von 239). Diese Brennstoffe zerfallen in eine Reihe chemischer Elemente mit Atommassen nahe 100 (Spaltprodukte). Die meisten Kernbrennstoffe werden nur sehr langsam spontan gespalten und zerfallen hauptsächlich über eine Alpha/Beta-Zerfallskette über Zeiträume von Jahrtausenden bis zu Äonen. In einem Kernreaktor oder einer Kernwaffe werden die meisten Spaltungsereignisse durch Bombardierung mit einem anderen Teilchen wie einem Neutron induziert.

Typische Spaltungsereignisse setzen bei jedem Spaltungsereignis mehrere hundert MeV Energie frei, weshalb die Kernspaltung als Energiequelle genutzt wird. Im Gegensatz dazu sind die meisten chemischen Oxidationsreaktionen (wie Verbrennen Kohle oder TNT) setzen höchstens einige zehn eV pro Ereignis frei, sodass Kernbrennstoff mindestens zehn Millionen Mal mehr nutzbare Energie enthält als chemischer Brennstoff. Die Energie der Kernspaltung wird als kinetische Energie der Spaltprodukte und Fragmente freigesetzt und als elektromagnetische Strahlung in Form von Gammastrahlen; in einem kernreaktor wird die energie umgewandelt Wärme da die Teilchen und Gammastrahlen normalerweise mit den Atomen kollidieren, aus denen der Reaktor und seine Arbeitsflüssigkeit bestehen Wasser oder gelegentlich schweres Wasser.

Die Kernspaltung schwerer Elemente erzeugt Energie, da die spezifische Bindungsenergie (Bindungsenergie pro Masse) von Kernen mittlerer Masse mit Ordnungszahlen und Atommassen nahe beieinander liegt 61 Ni und 56 Fe ist größer als die spezifische Bindungsenergie sehr schwerer Kerne, so dass beim Aufbrechen schwerer Kerne Energie freigesetzt wird.

Die Gesamtmasse der Spaltprodukte ( MP ) aus einer einzigen Reaktion, nachdem ihre kinetische Energie dissipiert wurde, kleiner ist als die Masse des ursprünglichen Brennstoffkerns. Die überschüssige Masse m ist der freigesetzten Energie zugeordnet, die sie nach Einsteins Beziehung E=mc² davonträgt, wo sich die Masse befindet m . Im Vergleich dazu sind die spezifischen Bindungsenergien vieler leichter Elemente [Elemente 1 (Wasserstoff) bis ungefähr 12 (Magnesium)] auch deutlich geringer als die von Kernen mittlerer Masse, wenn also die leichteren Elemente eine Kernfusion durchlaufen (das Gegenstück zur Kernspaltung ), setzt dieser Prozess auch Wärmeenergie frei (ist „exotherm“).

  E=M_{U^{235}}~c^2- M_P~c^2

Die Variation der spezifischen Bindungsenergie mit der Ordnungszahl ist auf das Zusammenspiel der beiden Grundschwingungen zurückzuführen Kräfte Einwirkung auf die Nukleonenkomponente ( Protonen und Neutronen ), die den Kern bilden. Kerne werden durch eine anziehende starke Kernkraft zwischen Nukleonen gebunden, die die elektrostatische Abstoßung zwischen Protonen überwindet. Die starke Kernkraft wirkt jedoch nur über extrem kurze Reichweiten, da sie einem Yukawa-Potential folgt. Aus diesem Grund sind große Kerne pro Masseneinheit weniger fest gebunden als kleine Kerne, und das Aufbrechen eines sehr großen Kerns in zwei oder mehr mittelgroße Kerne setzt Energie frei. In der Praxis erscheint, wie erwähnt, der größte Teil dieser Energie als kinetische Energie, da sich die beiden kleineren Kerne gegenseitig abstoßen und mit hoher Geschwindigkeit voneinander wegfliegen.

Bei Kernspaltungsereignissen können die Kerne in eine beliebige Kombination leichterer Kerne zerbrechen, aber das häufigste Ereignis ist keine Kernspaltung in Kerne gleicher Masse mit einer Masse von etwa 120; Das häufigste Ereignis (je nach Isotop und Prozess) ist eine leicht ungleiche Spaltung, bei der ein Tochterkern eine Masse von etwa 90 bis 100 hat in und der andere die restlichen 130 bis 140 in . Ungleiche Spaltungen sind energetisch günstiger, da dadurch ein Produkt näher am energetischen Minimum nahe der Masse 60 liegen kann in (nur ein Viertel der durchschnittlichen spaltbaren Masse), während der andere Kern eine Masse von 135 hat in noch nicht weit außerhalb des Bereichs der am stärksten gebundenen Kerne (eine weitere Aussage dazu ist, dass die Kurve der atomaren Bindungsenergie links von Masse 120 etwas steiler ist in als rechts davon).

Aufgrund der kurzen Reichweite der starken Bindungskraft müssen große Kerne proportional mehr Neutronen enthalten als leichte Elemente, die bei einem Verhältnis von Protonen und Neutronen von 1:1 am stabilsten sind. Zusätzliche Neutronen stabilisieren schwere Elemente, da sie zur starken Bindung beitragen, ohne zur Proton-Proton-Abstoßung beizutragen. Spaltprodukte haben im Durchschnitt etwa das gleiche Verhältnis von Neutronen und Protonen wie ihr Mutterkern und sind daher normalerweise instabil, weil sie im Vergleich zu stabilen Isotopen ähnlicher Masse proportional zu viele Neutronen haben. Dies ist die grundlegende Ursache des Problems radioaktiver hochradioaktiver Abfälle aus Kernreaktoren. Spaltprodukte sind in der Regel Betastrahler, die sich schnell bewegen Elektronen konservieren elektrische Ladung wenn sich überschüssige Neutronen im Kern der Spaltproduktatome in Protonen umwandeln.

Die gängigsten Kernbrennstoffe, 235 U und 239 Pu, stellen an sich keine große radiologische Gefahr dar: 235 U hat eine Halbwertszeit von ungefähr 700 Millionen Jahren, und obwohl 239 Pu hat eine Halbwertszeit von nur etwa 24.000 Jahren, es ist ein reiner Alpha-Partikel-Emitter und daher nicht besonders gefährlich, wenn es nicht eingenommen wird. Sobald ein Brennelement verwendet wurde, wird das verbleibende Brennmaterial innig mit hochradioaktiven Spaltprodukten vermischt, die energetische Betateilchen und Gammastrahlen emittieren. Einige Spaltprodukte haben Halbwertszeiten von nur wenigen Sekunden; andere haben Halbwertszeiten von Zehntausenden von Jahren und erfordern eine langfristige Lagerung in Einrichtungen wie dem Berg Yucca, bis die Spaltprodukte in nicht radioaktive stabile Isotope zerfallen.

Spontane und induzierte Spaltung; Kettenreaktionen

Viele schwere Elemente, wie z Uran , Thorium , und Plutonium , durchlaufen beide spontane Spaltung, eine Form des radioaktiven Zerfalls und induzierte Spaltung , eine Form der Kernreaktion. Elementare Isotope, die einer induzierten Spaltung unterliegen, wenn sie von einem freien getroffen werden Neutron werden als spaltbar bezeichnet; Isotope, die gespalten werden, wenn sie von einem thermischen, sich langsam bewegenden Neutron getroffen werden, werden auch als spaltbar bezeichnet. Einige besonders spaltbare und leicht erhältliche Isotope (insbesondere 235 U und 239 Pu) werden Kernbrennstoffe genannt, weil sie eine Kettenreaktion aufrechterhalten können und in ausreichend großen Mengen erhalten werden können, um nützlich zu sein.

Alle spaltbaren und spaltbaren Isotope durchlaufen eine kleine Menge spontaner Spaltung, die einige wenige freie Neutronen in jede Probe von Kernbrennstoff freisetzt. Die Neutronen entweichen normalerweise schnell aus dem Brennstoff und werden zu freien Neutronen mit einer Halbwertszeit von etwa 15 Minuten, bevor sie in Protonen und Betastrahlen zerfallen. Die Neutronen treffen normalerweise auf andere Kerne in der Nähe und werden von ihnen absorbiert, bevor dies geschieht. Einige Neutronen werden jedoch auf Brennstoffkerne einwirken und weitere Spaltungen induzieren, wodurch noch mehr Neutronen freigesetzt werden. Wenn genügend Kernbrennstoff an einem Ort zusammengebaut ist oder wenn die austretenden Neutronen ausreichend zurückgehalten werden, dann überwiegen diese frisch erzeugten Neutronen die Neutronen, die aus der Anordnung austreten, und a anhaltende nukleare Kettenreaktion wird stattfinden.

Eine Baugruppe, die eine anhaltende nukleare Kettenreaktion unterstützt, wird als kritische Baugruppe oder, wenn die Baugruppe fast vollständig aus Kernbrennstoff besteht, als kritische Masse bezeichnet. Das Wort „kritisch“ bezieht sich auf eine Spitze im Verhalten des Differentialgleichung die die Anzahl der im Brennstoff vorhandenen freien Neutronen bestimmt: Wenn weniger als eine kritische Masse vorhanden ist, wird die Menge an Neutronen durch radioaktiven Zerfall bestimmt, aber wenn eine kritische Masse oder mehr vorhanden ist, wird stattdessen die Menge an Neutronen gesteuert durch die Physik der Kettenreaktion. Die tatsächliche Masse von a kritische Masse des Kernbrennstoffs hängt stark von der Geometrie und den umgebenden Materialien ab.

Nicht alle spaltbaren Isotope können eine Kettenreaktion aufrechterhalten. Zum Beispiel, 238 U, die häufigste Form von Uran, ist spaltbar, aber nicht spaltbar: Es unterliegt einer induzierten Spaltung, wenn es von einem energiereichen Neutron mit über 1 MeV kinetischer Energie getroffen wird. Aber zu wenige der Neutronen produziert durch 238 U-Spaltung sind energisch genug, um weitere Spaltungen zu induzieren 238 U, also ist mit diesem Isotop keine Kettenreaktion möglich. Stattdessen Bombardierung 238 U mit langsamen Neutronen bewirkt, dass es sie absorbiert (wird 239 U) und Zerfall durch Beta-Emission zu 239 Pu; Dieser Prozess wird zur Herstellung verwendet 239 Pu in Brutreaktoren, trägt aber nicht zu einer Neutronenkettenreaktion bei.

Spaltbare, nicht spaltbare Isotope können auch ohne Kettenreaktion als Spaltenergiequelle genutzt werden. Bombardierung 238 U mit schnellen Neutronen induziert Spaltungen, wobei Energie freigesetzt wird, solange die externe Neutronenquelle vorhanden ist. Dieser Effekt wird verwendet, um die von modernen thermonuklearen Waffen freigesetzte Energie zu erhöhen, indem die Waffe damit ummantelt wird 238 U, um mit Neutronen zu reagieren, die durch Kernfusion im Zentrum des Geräts freigesetzt werden.

Spaltungsreaktoren

Kritische Spaltreaktoren sind die am weitesten verbreitete Art von Kernreaktoren. In einem kritischen Spaltungsreaktor werden Neutronen, die durch die Spaltung von Brennstoffatomen erzeugt werden, verwendet, um noch mehr Spaltungen zu induzieren, um eine kontrollierbare Menge an Energiefreisetzung aufrechtzuerhalten. Geräte, die konstruierte, aber nicht selbsterhaltende Spaltreaktionen erzeugen, sind Unterkritische Kernspaltungsreaktoren . Solche Geräte verwenden radioaktiven Zerfall oder Teilchenbeschleuniger, um Spaltungen auszulösen.

Kritische Spaltreaktoren werden für drei Hauptzwecke gebaut, die typischerweise verschiedene technische Kompromisse beinhalten, um entweder die Wärme oder die Neutronen zu nutzen, die durch die Spaltkettenreaktion erzeugt werden:

  • Leistungsreaktoren Wärme für die Kernenergie erzeugen sollen, entweder als Teil eines Kraftwerks oder eines lokalen Energiesystems wie einem Atom-U-Boot.
  • Forschungsreaktoren sind dazu bestimmt, Neutronen zu erzeugen und/oder radioaktive Quellen für wissenschaftliche, medizinische, technische oder andere Forschungszwecke zu aktivieren.
  • Brutreaktoren sollen Kernbrennstoffe in großen Mengen aus häufiger vorkommenden Isotopen herstellen. Die häufigste Art macht 239 Pu (ein Kernbrennstoff) ist von Natur aus sehr reichlich vorhanden 238 U (kein Kernbrennstoff).

Während im Prinzip alle Spaltreaktoren in allen drei Kapazitäten arbeiten können, führen die Aufgaben in der Praxis zu widersprüchlichen technischen Zielen, und die meisten Reaktoren wurden nur mit Blick auf eine der oben genannten Aufgaben gebaut. (Es gibt mehrere frühe Gegenbeispiele, wie den jetzt stillgelegten Reaktor Hanford N). Leistungsreaktoren wandeln im Allgemeinen die kinetische Energie von Spaltprodukten in Wärme um, die verwendet wird, um ein Arbeitsfluid zu erhitzen und eine Wärmekraftmaschine anzutreiben, die mechanische oder elektrische Energie erzeugt. Das Arbeitsmedium ist normalerweise Wasser bei einer Dampfturbine, aber einige Konstruktionen verwenden andere Materialien, wie z. B. gasförmige Helium . Forschungsreaktoren produzieren Neutronen, die vielfältig genutzt werden, wobei die Spaltwärme als unvermeidbares Abfallprodukt behandelt wird. Brutreaktoren sind eine spezialisierte Form von Forschungsreaktoren, mit der Einschränkung, dass die zu bestrahlende Probe normalerweise der Brennstoff selbst ist, eine Mischung aus 238 U und 235 IN.

Für eine detailliertere Beschreibung der Physik und der Funktionsprinzipien kritischer Spaltreaktoren siehe Kernreaktorphysik. Für eine Beschreibung ihrer sozialen, politischen und ökologischen Aspekte siehe Kernreaktor.

Kernspaltungsbomben

Eine Klasse von Nuklearwaffe , a Spaltbombe (nicht zu verwechseln mit Fusionsbombe ), auch bekannt als ein Atombombe oder Atombombe , ist ein Spaltreaktor, der darauf ausgelegt ist, so schnell wie möglich so viel Energie wie möglich freizusetzen, bevor die freigesetzte Energie den Reaktor zur Explosion bringt (und die Kettenreaktion stoppt). Die Entwicklung von Atomwaffen war die Motivation für die frühe Erforschung der Kernspaltung: das Manhattan-Projekt des US-Militärs während Zweiter Weltkrieg führte die meisten frühen wissenschaftlichen Arbeiten zu Spaltkettenreaktionen durch, die in den Bomben von Little Boy und Fat Man gipfelten, die über Hiroshima und Nagasaki explodierten, Japan im August 1945.

Schon die ersten Spaltbomben waren tausendmal explosiver als eine vergleichbare Masse chemischer Sprengstoffe. Zum Beispiel wog Little Boy insgesamt etwa vier Tonnen (davon 60 kg Kernbrennstoff) und erzeugte eine Explosion, die etwa 15.000 Tonnen TNT entsprach und einen großen Teil der Stadt Hiroshima zerstörte. Moderne Atomwaffen (darunter ein thermonukleares Verschmelzung sowie eine oder mehrere Spaltungsstufen) sind für ihr Gewicht buchstäblich hundertmal energiereicher als die ersten reinen Kernspaltungs-Atombomben, so dass eine moderne Einzelraketen-Sprengkopfbombe weniger als 1/8 so viel wiegt wie Little Boy (siehe z W88) hat eine Ausbeute von 475.000 Tonnen TNT und könnte die zehnfache Stadtfläche zerstören.

Während die grundlegende Physik der Spaltungskettenreaktion in einer Kernwaffe der Physik eines kontrollierten Kernreaktors ähnelt, müssen die beiden Gerätetypen ganz unterschiedlich konstruiert werden (siehe Kernreaktorphysik). Es wäre extrem schwierig, einen Kernreaktor so umzubauen, dass er eine echte nukleare Explosion verursacht (obwohl Brennstoffschmelzen und Dampfexplosionen aufgetreten sind), und ähnlich schwierig wäre es, nützliche Energie aus einem nuklearen Sprengstoff zu extrahieren (obwohl mindestens ein Raketenantriebssystem, Projekt Orion, sollte durch explodierende Spaltbomben hinter einem massiv gepolsterten Fahrzeug funktionieren!).

Die strategische Bedeutung von Atomwaffen ist ein wesentlicher Grund dafür Technologie der Kernspaltung ist politisch heikel. Realisierbare Konstruktionen von Spaltbomben liegen im Bereich der Fähigkeiten von begabten Studenten (siehe John Aristotle Phillips), aber es wird angenommen, dass Kernbrennstoff zur Realisierung der Konstruktionen schwer zu bekommen ist (siehe Urananreicherung und Kernbrennstoffkreislauf).

Geschichte

Die Ergebnisse des Beschusses von Uran durch Neutronen hatten sich als interessant und rätselhaft erwiesen. Erstmals 1934 von Enrico Fermi und seinen Kollegen untersucht, wurden sie erst einige Jahre später richtig interpretiert.

Am 16. Januar 1939, Nils Bohr von Kopenhagen , Dänemark , angekommen in der Vereinigte Staaten einige Monate in Princeton, New Jersey, zu verbringen, und war besonders darauf bedacht, einige abstrakte Probleme mit ihm zu besprechen Albert Einstein . (Vier Jahre später sollte Bohr nach Schweden fliehen Nazi- -besetzte Dänemark in einem kleinen Boot, zusammen mit Tausenden anderer dänischer Juden, in großem Maßstab.) Kurz bevor Bohr Dänemark verließ, hatten ihm zwei seiner Kollegen, Otto Robert Frisch und Lise Meitner (beide Flüchtlinge aus Deutschland), ihre Vermuten Sie, dass die Absorption eines Neutrons durch einen Urankern manchmal dazu führte, dass sich dieser Kern unter Freisetzung enormer Energiemengen in ungefähr gleiche Teile spaltete, ein Prozess, den Frisch als ' Kernspaltung ' ( Fission , wie bisher verwendet, war ein Begriff, der aus der Biologie entlehnt war, wo er verwendet wurde und wird, um die Aufspaltung einer lebenden Zelle in zwei zu beschreiben). 1939 reichten Frisch und Meitner ihren Artikel 'Desintegration von Uranium durch Neutronen: eine neue Art von Kernreaktion' bei der wissenschaftlichen Zeitschrift ein Natur .

Anlass für diese Hypothese war die grundlegende und historisch bedeutsamste Entdeckung von Otto Hahn und Fritz Strassmann in Deutschland (veröffentlicht in ihrem ersten berühmten Artikel in Naturwissenschaften , 6. Januar 1939), die bewiesen, dass ein Isotop von Barium durch Neutronenbeschuss von Uran erzeugt wurde. Bohr hatte versprochen, die Meitner/Frisch-Interpretation bis zur Veröffentlichung ihrer Arbeit geheim zu halten, um die Priorität zu wahren, aber auf dem Boot diskutierte er sie mit Léon Rosenfeld, vergaß jedoch, ihm zu sagen, dass er sie geheim halten solle. Rosenfeld teilte gleich nach der Ankunft allen mit Princeton Universität , und von ihnen verbreitete sich die Nachricht durch Mundpropaganda an benachbarte Physiker, darunter Enrico Fermi von der Columbia University. Als Ergebnis von Gesprächen zwischen Fermi, John R. Dunning und G. B. Pegram wurde in Columbia nach den starken Ionisationsimpulsen gesucht, die von den fliegenden Fragmenten der zu erwarten wären Uran Kern. Am 26. Januar 1939 fand eine Konferenz über Theoretische Physik statt Washington, D.C. , gemeinsam gesponsert von der George Washington University und der Carnegie Institution of Washington.

Fermi verließ New York, um an diesem Treffen teilzunehmen, bevor die Columbia-Spaltungsexperimente versucht worden waren. Bei dem Treffen diskutierten Bohr und Fermi das Problem der Spaltung, und insbesondere erwähnte Fermi die Möglichkeit, dass während des Prozesses Neutronen emittiert werden könnten. Obwohl dies nur eine Vermutung war, implizierte es die Möglichkeit einer nuklear Kettenreaktion war offensichtlich. „Kettenreaktionen“ waren damals ein bekanntes Phänomen Chemie , aber der analoge Prozess in der Kernphysik unter Verwendung von Neutronen war bereits 1933 von Leo Szilard vorhergesehen worden, obwohl Szilard damals keine Ahnung hatte, mit welchen Materialien der Prozess initiiert werden könnte. Jetzt, mit der Entdeckung der neutroneninduzierten Spaltung schwerer Elemente, wurden in der Presse eine Reihe sensationeller Artikel zum Thema nukleare Kettenreaktionen veröffentlicht. Bevor das Treffen in Washington zu Ende war, waren mehrere andere Experimente zur Bestätigung der Spaltung eingeleitet worden, und am 15. Februar 1939 wurde von vier Laboratorien (Columbia University, Carnegie Institution of Washington, Johns Hopkins University, University of California) eine positive experimentelle Bestätigung gemeldet , Ausgabe der Physical Review. Zu diesem Zeitpunkt hatte Bohr gehört, dass ähnliche Experimente in seinem Labor in Kopenhagen um den 15. Januar herum durchgeführt worden waren. (Brief von Frisch an Nature vom 16. Januar 1939 und erschienen in der Ausgabe vom 18. Februar.) Frédéric Joliot in Paris hatte auch seine ersten Ergebnisse in der veröffentlicht Berichte vom 30. Januar 1939. Von diesem Zeitpunkt an gab es einen stetigen Strom von Artikeln zum Thema Spaltung, so dass L. A. Turner aus Princeton zu der Zeit (6. Dezember 1939) einen Übersichtsartikel zu diesem Thema in den Reviews of Modern schrieb Physik waren fast hundert Artikel erschienen. Eine vollständige Analyse und Diskussion dieser Papiere ist in Turners Artikel und anderswo erschienen.

Ein Hauptaugenmerk der frühen Kernspaltungsforschung lag auf der Erzeugung einer kontrollierbaren nuklearen Kettenreaktion, die die erste Nutzbarmachung der Kernenergie darstellen würde. Dies führte zur Entwicklung von Chicago Pile-1, dem weltweit ersten künstlichen kritischen Kernreaktor (der verwendet wurde Uran , der einzige natürliche Kernbrennstoff, der in makroskopischen Mengen verfügbar ist), und dann zum Manhattan-Projekt zur Entwicklung einer Atomwaffe.

Die Erzeugung einer Spaltkettenreaktion in Uranbrennstoff ist alles andere als trivial. Frühe Kernreaktoren verwendeten kein isotopenangereichertes Uran, und folglich mussten sie große Mengen an hochreinem Graphit als Neutronenmoderationsmaterialien verwenden. Die Verwendung von gewöhnlichem Wasser (im Gegensatz zu schwerem Wasser) in Kernreaktoren erfordert angereicherten Brennstoff – die teilweise Trennung und relative Anreicherung des seltenen 235 U-Isotop von weitaus häufiger 238 U-Isotop. Typischerweise erfordern Reaktoren auch den Einbau von extrem chemisch reinen Neutronenmoderatormaterialien wie Deuterium (in schwerem Wasser), Helium , Beryllium , oder Kohlenstoff, normalerweise als Graphit (Die hohe Reinheit ist erforderlich, da viele chemische Verunreinigungen wie die Bor-10-Komponente von Natural Bor , sind sehr starke Neutronenabsorber und vergiften damit die Kettenreaktion).

Die Produktion solcher Materialien im industriellen Maßstab musste gelöst werden, um die Kernenergieerzeugung und Waffenproduktion zu erreichen. Bis 1940 betrug die Gesamtmenge an Uranmetall, die in den USA produziert wurde, nicht mehr als ein paar Gramm und selbst dieses war von zweifelhafter Reinheit; metallisches Beryllium nicht mehr als einige Kilogramm; konzentriertes Deuteriumoxid ( schweres Wasser) nicht mehr als ein paar Kilogramm; und schließlich war Kohlenstoff noch nie in Mengen mit der für einen Moderator erforderlichen Reinheit hergestellt worden.

Das Problem, große Mengen an hochreinem Uran herzustellen, wurde von Frank Spedding mit dem Thermit-Verfahren gelöst. Das Ames Laboratory wurde 1942 gegründet, um die großen Mengen an natürlichem (nicht angereichertem) Uran zu produzieren, die für die zukünftige Forschung benötigt würden. Der Erfolg des Chicago Pile-1, der nicht angereichertes (natürliches) Uran verwendete, wie alle atomaren 'Haufen', die das Plutonium für die Atombombe produzierten, war auch speziell auf Szilards Erkenntnis zurückzuführen, dass sehr reiner Graphit für den Moderator verwendet werden konnte von sogar natürlichen Uran-'Haufen'. In Kriegszeiten in Deutschland führte das Versäumnis, die Qualitäten von sehr reinem Graphit zu schätzen, zu Reaktorkonstruktionen, die von schwerem Wasser abhängig waren, was wiederum den Deutschen durch alliierte Angriffe in Norwegen, wo schweres Wasser produziert wurde, verweigert wurde. Diese Schwierigkeiten hinderten die Nazis daran, während des Krieges einen kritischen Kernreaktor zu bauen.

Unbekannt bis 1972, als der französische Physiker Francis Perrin die Oklo Fossil Reactors entdeckte, hatte die Natur die Menschen vor etwa 2.000 Millionen Jahren durch groß angelegte Kettenreaktionen der Uranspaltung geschlagen. Dieser uralte Prozess konnte nur normales Wasser als Moderator verwenden, weil natürliches Uran vor 2.000 Millionen Jahren mit dem kurzlebigeren spaltbaren Isotop „angereichert“ wurde 235 U, verglichen mit dem heute verfügbaren natürlichen Uran.

Für weitere Einzelheiten über die frühe Entwicklung von Kernreaktoren und Atomwaffen , siehe Manhattan-Projekt.