Kritická hmota v jaderné fyzice

Od konce nejhorší války v dějinách lidstva trvalo něco málo přes dva měsíce. A pak 16. července 1945 americká armáda testovala první jadernou bombu a o měsíc později byly v atomovém ohni zabity tisíce japonských měst. Od té doby se jaderné zbraně, stejně jako prostředky k jejich plnění cílům, neustále zlepšovaly již více než půl století.

Vojáci se chtěli dostat k dispozici jako superpowerful munice, zametat celé města a země s jednou kartou, stejně jako super-malé, které se hodí do kufříku. Takové zařízení by vedlo podvratnou válku na nebývalou úroveň. Jak s prvním, tak s druhým byly nepřekonatelné obtíže. Blahopře vše, tzv. Kritické množství. Nicméně, všechno v pořádku.

Takové výbušné jádro

Abychom porozuměli pořadí provozu jaderných zařízení a pochopili, co se nazývá kritický objem, vrátíme se krátce na stůl. Ze školní fyziky si pamatujeme jednoduché pravidlo: jako náboje jsou odpuzovány. Na stejném místě se studenti na středních školách dozvěděli o struktuře atomového jádra sestávajícího z neutronů, neutrálních částic a protonů nabitých pozitivně. Ale jak je to možné? Pozitivně nabité částice jsou umístěny tak blízko sebe, odpuzující síly musí být kolosální.

Věda plně nezná povahu intranukleárních sil, které drží protóny společně, i když vlastnosti těchto sil byly studovány celkem dobře. Síly působí jen velmi blízko. Ale stojí za to alespoň trochu rozdělit protony do vesmíru, jak začnou převládat odpuzující síly a jádro je rozptýleno na kousky. A moc takové expanze je skutečně obrovská. Je známo, že síla dospělého člověka by nebyla dost pro udržení protonů jediného jediného jádra atomu olova.

Co vyděsilo Rutherforda

Jádra většiny prvků periodické tabulky jsou stabilní. Avšak s růstem atomového čísla tato stabilita klesá. Je to velikost jader. Představte si jádro atomu uranu, které se skládá z 238 nuklidů, z nichž 92 jsou protony. Ano, protony jsou v těsném kontaktu a intranukleární síly bezpečně tmelí celou strukturu. Ale odpuzující síla protonů na opačných koncích jádra se stává znatelnou.

Co udělal Rutherford? Produkoval neutronovou bombardování atomů (elektron prochází elektronického pláště atomu, a kladně nabitý proton není schopen dosáhnout jádro v důsledku odpudivých sil). Neutron, který spadá do jádra atomu, způsobil jeho rozdělení. Dvě oddělené poloviny a dva nebo tři volné neutrony rozptýlené po stranách.

Tento úpadek byl kvůli obrovským rychlostem rozptýlených částic doprovázen uvolněním obrovské energie. Bylo pověst, že Rutherford dokonce chtěl skrýt svůj objev, vystrašený z možných důsledků pro lidstvo, ale to nejspíš není nic víc než pohádka.

Odkud pochází masa a proč je to kritické?

Takže co? Jak lze ozařovat dostatečné množství radioaktivního kovu protónovým paprskem, abyste získali silný výbuch? A co je kritická masa? Je to všechno o několika málo volných elektronů, které vystupují z bombardovaného atomového jádra, které, stejně jako se srazí s jinými jádry, způsobí jejich rozdělení. Takzvané řetězové jaderné reakce. Bude však velmi obtížné jej spustit.

Uveďte měřítko. Pokud se v jádře atomu vzít jablko na našem stole, aby se představit jádro sousedního atomu, stejně bude muset nosit jablko a dát na stůl, a to ani ve vedlejší místnosti, ahellip- vedle. Neutron bude mít velikost třešňových kostí.

Aby se zajistilo, že uvolněné neutrony se nedostanou do odpadu za ingotu v uranu a více než 50% z nich se ocitne ve formě atomových jader, měl by mít tento ingot odpovídající rozměry. To je to, co se nazývá kritická hmota uranu, hmota, při níž se více než polovina neutronů emituje s ostatními jádry.

Ve skutečnosti se to stalo v okamžiku. Počet rozštěpených jader se zvětšuje jako lavina, jejich fragmenty spěchají ve všech směrech rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla, roztržením vzduchu, vodou, jakýmkoli jiným médiem. Z jejich srážky s molekulami životního prostředí se oblast výbuchu okamžitě ohřívá až na milióny stupňů, vyzařuje teplo, které zničí vše v okolí několika kilometrů.

Velmi teplý vzduch okamžitě zvětšuje a vytváří silný rázovou vlnu, která fouká od stavebních základů, otáčí a rozdrtí vše, co v jeho putihellip- je obraz jaderného výbuchu.

Jak to vypadá v praxi

Návrh atomové bomby je překvapivě jednoduchý. Existují dva ingoty uranu (nebo jiný radioaktivní kov), hmotnost každého z nich je o něco menší než kritická. Jeden z ingotů je vyroben ve formě kužele, druhý - koule s kuželovitým otvorem. Jak si dokážete představit, když kombinujete dvě poloviny, dostanete míč, který dosáhne kritického množství. Jedná se o standardní jednoduchou jadernou bombu. Připojte obě poloviny obvyklým nábojem TNT (kužele se natáhne do koule).

Ale nemyslete si, že takové zařízení může být sestaveno "na koleni" někým. Celý trik je, že uran, takže bomba vybuchne z něj, musí být velmi čistá, přítomnost nečistot je prakticky nulová.

Proč neexistuje atomová bomba o velikosti balení cigaret

Vše ze stejného důvodu. Kritická hmotnost nejběžnějšího izotopu uranu 235 je asi 45 kg. Výbuch takového množství jaderného paliva je již katastrofou. A není možné vyrobit výbušné zařízení s méně látkou - prostě to nebude fungovat.

Ze stejného důvodu, že se nepodařilo vytvořit super-sílu a atomové obvinění z uranu nebo jiných radioaktivních kovů. Chcete-li bomba byla velmi silná, to přece tucet bary, které jsou při trhacích detonační poplatků spěchal do centra, jako spojovací segmenty pomeranče.

Ale co se opravdu děje? Pokud se z nějakého důvodu tyto dva prvky setkaly před ostatními dvěma tisíci sekundy, kritická hmotnost byla dosažena rychleji, než by ostatní dosáhly, výbuch nevznikl ve stejné kapacitě, jakou očekávali designéři. Problém nadpřirozené jaderné munice byl řešen pouze s příchodem termonukleárních zbraní. Ale je to trochu jiný příběh.

Ale jak funguje mírový atom?

Jaderná elektrárna je v podstatě stejná jaderná bomba. Pouze v tomto „bomba“ palivových článků (palivových tyčí), z uranu, který se nachází v určité vzdálenosti od sebe, že nebrání tomu, aby jim sdílet neutronových „rány“.

TVEL jsou vyráběny ve formě tyčí, mezi kterými jsou řídicí tyče vyrobené z materiálu, který dobře absorbuje neutrony. Princip fungování je jednoduchý:

• regulační (absorpční) tyče se zavádějí do prostoru mezi uranovými tyčemi - reakce se zpomaluje nebo úplně zastaví;
• regulační tyče jsou z oblasti odstraněny - radioaktivní prvky jsou aktivně vyměňovány neutrony, jaderná reakce probíhá intenzivněji.

Ve skutečnosti se ukázalo, že atomová bomba, v němž je kritická hmotnost dosahuje tak hladce a přesně řízen tak, že to nevede k explozi, ale pouze k ohřevu chladicí kapaliny.

I když, bohužel, v praxi není vždy lidský génius je schopen potlačit tento obrovský a destruktivní energii - energii atomového jádra.