Kritična masa u nuklearnoj fizici

Od kraja najstrašnijeg rata u povijesti čovječanstva, bilo je potrebno nešto više od dva mjeseca. A onda je 16. srpnja 1945. američka vojska testirala prvu nuklearnu bombu, a mjesec dana kasnije tisuće japanskih gradova ubijene su u atomskoj vrućini. Od tada, nuklearno oružje, kao i sredstva za isporuku ciljevima, kontinuirano se poboljšavaju tijekom više od pola stoljeća.

Vojska je željela dobiti na raspolaganju kao superpilotni streljivo, brišući cijele gradove i zemlje s jednom karticom, kao i super-male koje se uklapaju u aktovku. Takav uređaj vodio bi subverzivni rat na neviđenu razinu. Oba su bila prva, a drugi su bili nepremostive poteškoće. Krivi sve, tzv. Kritičnu masu. Međutim, o svemu u redu.

Takva eksplozivna jezgra

Da bismo razumjeli redoslijed rada nuklearnih uređaja i razumjeli ono što se naziva kritičnom masom, kratko ćemo se vratiti za stol. Iz školskog kolegija fizike sjetimo se jednostavnog pravila: kao što su optužbe odbijene. Na istom mjestu, u srednjoškolcima se govori o strukturi atomske jezgre, koji se sastoji od neutrona, neutralnih čestica i protona koji se pozitivno naplaćuju. Ali kako je to moguće? Pozitivno nabijene čestice su tako blizu jedna drugoj, odbojne sile moraju biti kolosalne.

Znanost u potpunosti ne poznaje prirodu intranuklearnih sila koje zajedno drže protone, iako su svojstva ovih sila dobro proučavana. Snage djeluju samo na vrlo blizu. Ali vrijedi barem malo podijeliti protone u svemiru, jer otporne sile počinju prevladavati, a jezgra je razbijena u komadiće. A moć takve ekspanzije doista je ogromna. Poznato je da snaga odraslog čovjeka ne bi bila dovoljna da zadrži protone samo jedne jezgre atoma olova.

Što je uplašio Rutherford

Jezgre većine elemenata periodičke tablice su stabilne. Međutim, s rastom atomskog broja, ova se stabilnost smanjuje. To je veličina jezgri. Zamislite jezgru atoma urana koji se sastoji od 238 nuklida, od kojih su 92 protoni. Da, protoni su u bliskom međusobnom kontaktu, a intranuklearne sile čvrsto cementiraju cijelu strukturu. Ali odbojna sila protona na suprotnim krajevima jezgre postaje vidljiva.

Što je učinio Rutherford? Bombardirao je atome s neutronima (elektron ne prolazi kroz elektronsku školjku atoma, a pozitivno nabijen proton ne može pristupiti jezgri zbog odbojnih snaga). Neutron, koji pada u jezgru atoma, izazvao je podjelu. Dvije odvojene polovice i dva ili tri slobodna neutrona raspršena na strane.

Ovo propadanje, zbog ogromnih brzina raspršenih čestica, pratilo je oslobađanje ogromne energije. Bilo je glasine da je Rutherford čak želio sakriti svoje otkriće, preplašene zbog mogućih posljedica za čovječanstvo, ali to je najvjerojatnije ništa više od bajke.

Odakle dolazi masu i zašto je kritična?

Pa što onda? Kako se dovoljna količina radioaktivnog metala može ozračiti s protonskim snopom kako bi se dobila moćna eksplozija? A što je kritična masa? Riječ je o nekoliko slobodnih elektrona koji izlaze iz bombardirane atomske jezgre, koji zauzvrat, baš kao što se sudaraju s drugim jezgrama, uzrokovat će njihovu podjelu. Takozvani nuklearnu reakciju lanca. Međutim, bit će iznimno teško pokrenuti.

Navedimo veličinu. Ako u jezgri atoma da se jabuka na naš stol, kako bi se zamisliti jezgru susjednom atomu, isti će morati nositi jabuku i stavio na stol, čak ni u susjednoj sobi, ahellip- pokraj vrata. Neutron je veličine trešnje kamena.

Kako bi se naglasila neutrona ne odleti za ništa izvan urana ingota, a više od 50% od njih su našli svoju svrhu u obliku atomskih jezgri, bar mora biti izveden u skladu s tim. To je ono što se naziva kritična masa urana - misu na kojoj više od polovice emitiranih neutrona sudariti s drugim jezgrama.

Zapravo, to se događa u trenu. Broj cijepanje jezgri raste poput lavine, njihovi ulomci stada u svim smjerovima brzinama usporedive s brzinom svjetlosti, izvrsno zraka, vode, bilo koji drugi medij. Po njihovim sudaranjem s molekulama okoliš području eksplozije odmah zagrijana na milijune stupnjeva, zrači toplinu, pištanje svima u susjedstvu nekoliko kilometara.

Vrlo topao zrak odmah povećava u veličini, stvarajući snažan udarni val koji puše s temeljima zgrade, pretvara i ruši sve što je u njegovoj putihellip- je slika nuklearne eksplozije.

Kako to izgleda u praksi

Dizajn atomske bombe iznenađujuće je jednostavan. Postoje dva ingota urana (ili drugog radioaktivni metal), masa svake od njih je nešto manja od kritične. Jedan od ingota je napravljen u obliku konusa, a druga - lopta s rupom u obliku konusa. Kao što možete zamisliti, kada kombinirate dvije polovice, dobivate loptu koja postiže kritičnu masu. Ovo je standardna jednostavna nuklearna bomba. Spojite dvije polovice uobičajenim TNT punjenjem (konus puca u kuglu).

Ali nemojte misliti da se takav uređaj može sastaviti "na koljeno" od bilo koga. Cijeli trik je da uran, tako da bomba eksplodira iz nje, mora biti vrlo čista, prisutnost nečistoća je praktički nula.

Zašto nema atomske bombe veličine paketa cigareta

Sve iz istog razloga. Kritična masa najčešćeg izotopa urana 235 je oko 45 kg. Eksplozija takve količine nuklearnog goriva već je katastrofa. I nemoguće je napraviti eksplozivnu napravu s manje supstance - to jednostavno neće funkcionirati.

Iz istog razloga, nije uspjela stvoriti super-moć i atomske troškove urana i drugih radioaktivnih metala. Za bomba je bila vrlo moćna, što je učinio od desetak barova koji su na miniranje detoniranje troškove požurio u centru, kao i povezanih segmenata od naranče.

Ali što se doista dogodilo? Ako se iz nekog razloga dva elementa susreću tisućitom sekundom prije ostalih, kritična masa je postignuta brže nego što su ostali došli, eksplozija se nije dogodila u istom kapacitetu kao što su to planeri očekivali. Problem super-moćnih nuklearnih streljiva riješen je samo s pojavom termonuklearnog oružja. Ali ovo je malo drugačija priča.

Ali kako djeluje mirni atom?

Nuklearna elektrana je bitno ista nuklearna bomba. Samo u ovom „bomba” gorivnih elemenata (šipke goriva) izrađenih od urana, koji se nalazi na nekoj udaljenosti jedni od drugih, da se ne sprječava ih da dijele neutronske „udarce”.

TVEL-ovi su izrađeni u obliku šipki, između kojih su kontrolne šipke izrađene od materijala koji dobro apsorbira neutrone. Načelo rada je jednostavno:

• regulirajuće (apsorbirajuće) šipke se uvode u prostor između šipki urana - reakcija se usporava ili potpuno zaustavlja;
• regulirajuće šipke su uklonjene iz zone - radioaktivni elementi aktivno se izmjenjuju pomoću neutrona, nuklearna reakcija nastavlja intenzivnije.

Zapravo, dobiva se ista atomska bomba u kojoj se kritična masa postiže tako glatko i tako se prilagođava da ne dovodi do eksplozije, već samo za zagrijavanje rashladne tekućine.

Iako, na žalost, kako praksa pokazuje, ne uvijek ljudsko genije može zaustaviti ovu veliku i destruktivnu energiju - energiju propadanja atomske jezgre.