Kritična masa jedrske fizike

Od konca najhujše vojne v zgodovini človeštva je trajalo le malo več kot dva meseca. In potem 16. julija 1945 je ameriška vojska testirala prvo jedrsko bombo, mesec dni kasneje pa je v atomski vročini umrlo na tisoče japonskih mest. Od takrat so se jedrsko orožje in sredstva za doseganje ciljev že več kot pol stoletja nenehno izboljševale.

Vojska si je želela na razpolago kot super-močno strelivo, ki je oddaljila vsa mesta in države z eno karto, pa tudi super-majhne, ​​ki se prilegajo kitu. Takšna naprava bi vodila subverzivno vojno na raven brez primere. Oba s prvim in z drugo sta bila nepremostljiva težava. Krivite vse, tako imenovana kritična masa. Vendar o vsem, kar je v redu.

Tako eksplozivno jedro

Da bi razumeli vrstni red delovanja jedrskih naprav in razumeli, kaj se imenuje kritična masa, se bomo na kratko vrnili na mizo. Iz šolskega tečaja fizike se spominjamo preprostega pravila: kot so odklonjene obtožbe. Na istem mestu se učenci v srednji šoli seznanijo s strukturo atomskega jedra, ki sestoji iz nevtronov, nevtralnih delcev in protonov, ki se zaračunavajo pozitivno. Toda kako je to mogoče? Pozitivno nabiti delci so nameščeni tako blizu drugemu, odbojne sile pa morajo biti ogromne.

Znanost ne pozna popolnoma narave intranuklearnih sil, ki imajo protone skupaj, čeprav so bile lastnosti teh sil preučene precej dobro. Sile delujejo le v zelo bližnjem obsegu. Vendar pa je vredno vsaj deliti protone v vesolju, ko začnejo prevladujoče sile prevladovati, jedro pa se razprši na koščke. In moč takšne širitve je resnično ogromna. Znano je, da moč odraslega človeka ne bi zadoščala za ohranjanje protona enega samega jedra svinčevega atoma.

Kaj je prestrašil Rutherforda

Jedrci večine elementov periodične tabele so stabilni. Vendar se z rastjo atomskega števila ta stabilnost zmanjšuje. To je velikost jedra. Predstavljajte si jedro uranovega atoma, sestavljenega iz 238 nuklidov, od katerih je 92 protone. Da, protoni so v tesnem stiku med seboj in intranuklearne sile varno cementirajo celotno strukturo. Toda odbojna sila protona na nasprotnih koncih jedra postane opazna.

Kaj je storil Rutherford? On je bombardiral atome z nevtroni (elektron ne poteka skozi elektronsko lupino atoma, pozitivno napolnjeni proton pa se ne more približati jedru zaradi odbojnih sil). Nevtron, ki je padel v jedro atoma, je povzročil njegovo delitev. Dve ločeni polovici in dva ali tri prosti nevtroni, razpršeni na straneh.

To propadanje je zaradi velikih hitrosti razpršenih delcev spremljalo sproščanje ogromne energije. Bilo je govorice, da je Rutherford želel skriti svoje odkritje in prestrašiti njegovih možnih posledic za človeštvo, toda to najverjetneje ni nič drugega kot pravljica.

Od kod prihaja masa in zakaj je kritična?

Torej, kaj? Kako lahko zadostno količino radioaktivnih kovin obsevajo s protonskim žarkom, da bi dobili močno eksplozijo? In kaj je kritična masa? Gre le za nekaj brezplačnih elektronov, ki izvirajo iz bombardiranega atomskega jedra, ki pa se bodo, prav tako kot se srečujejo z drugimi jedri, povzročili njihovo delitev. Tako imenovani veriga jedrske reakcije. Vendar bo zelo težko zagnati.

Navedimo lestvico. Če vzamemo jabolko na mizo za jedro atoma, potem, da bi si predstavljali jedro sosednjega atoma, bo treba isto jabolko nositi in postaviti na mizo, niti v naslednjo sobo, temveč v naslednji hiši. Nevtron bo velikost češenjskih kosti.

Da bi zagotovili, da sproščeni nevtroni ne presežejo uranovega ingota in se več kot 50% nahaja v obliki atomskih jeder, mora ta ingot ustreznih dimenzij. To je tisto, kar se imenuje kritična masa urana, masa, pri kateri se več kot polovica oddanih nevtronov trči z drugimi jedri.

Dejansko se to zgodi v trenutku. Število razcepljenih jeder se povečuje kot plaz, njihovi drobci v vseh smereh hitijo s hitrostjo, ki je primerljiva s hitrostjo svetlobe, sipanjem zraka, vode in katerega koli drugega medija. Od trkov z molekulami okolja, območje eksplozije takoj segreje na milijone stopinj, ki izžareva vročino, ki zbrise vse v okolici več kilometrov.

Ožar ogrevanega zraka takoj povečuje velikost, ustvarja močan udarni val, ki piha od temeljev stavbe, obrača in stisne vse na poti - to je slika atomske eksplozije.

Kako izgleda v praksi

Oblika atomske bombe je presenetljivo preprosta. Obstajata dve ingoti urana (ali drugi radioaktivna kovina), katerih masa je nekoliko manjša od kritične. Eden od ingotov je narejen v obliki stožca, drugi pa kroglica s stožčasto luknjo. Kot si lahko predstavljate, ko združite obe polovici, dobite žogo, ki doseže kritično maso. To je standardna preprosta jedrska bomba. Povežite obe polovici z običajnim nabojom TNT (stožec poganjki v kroglo).

Toda ne mislite, da bi lahko takšno napravo sestavljali "na kolenu" kdorkoli. Celoten trik je, da je uran, tako da bomba eksplodira od nje, mora biti zelo čista, prisotnost nečistoč je praktično nič.

Zakaj ni atomske bombe velikost škatle cigaret

Vsi iz istega razloga. Kritična masa najobičajnejšega izotopa urana 235 je okoli 45 kg. Eksplozija takšne količine jedrskega goriva je že katastrofa. In z eksplozivno napravo je nemogoče narediti manj snovi - to ne bo delovalo.

Iz istega razloga ni uspelo ustvariti super-močnih atomskih nabojih iz urana ali drugih radioaktivnih kovin. Da bi bila bomba zelo močna, je bila izdelana iz ducata ingotov, ki so, ko so vžgali detonacijske obtoke, zbrale v središče in se združile kot pomarančne rezine.

Toda kaj se je res zgodilo? Če sta se iz dveh razlogov oba elementa srečala s tisočino sekunde pred ostalimi, je bila kritična masa dosežena hitreje, kot bi prišli drugi, eksplozija pa ni bila enaka kot pričakovalci. Problem super-močnega jedrskega streliva je bil rešen le s pojavom termonuklearnega orožja. Toda to je nekoliko drugačna zgodba.

Toda kako deluje miren atom?

Jedrska elektrarna je v bistvu ista jedrska bomba. Samo ta "gorivo" TVEL (gorivni elementi) iz urana je med seboj razdalje, kar jim ne preprečuje izmenjave nevtronskih "udarcev".

TVEL so izdelani v obliki palic, med katerimi so krmilne palice iz materiala, ki dobro absorbira nevtronov. Načelo delovanja je preprosto:

• regulirne (vpojne) palice se vnesejo v prostor med uranovimi palicami - reakcija se počasi ustavi ali ustavi;
• Regulatorne palice se odstranijo iz območja - radioaktivni elementi aktivno izmenjujejo nevtroni, jedrska reakcija se nadaljuje intenzivneje.

Dejansko se pridobi ista atomska bomba, v kateri se kritična masa doseže tako gladko in je tako jasno naravnana, da ne povzroči eksplozije, temveč zgolj ogrevanju hladilne tekočine.

Čeprav, žal, kot kaže praksa, ni vedno človeški genij sposoben omejiti to veliko in uničujočo energijo - energijo propadanja atomskega jedra.