Test br. 5
Opcija 1
Fenomen radioaktivnosti, koji je otkrio Becquerel, ukazuje da ...
B. Sastav atoma uključuje elektrone.
B. Atom ima složenu strukturu.
D. Ova pojava je karakteristična samo za uranijum.
Ko je predložio nuklearni model strukture atoma?
Na slici su prikazani dijagrami četiri atoma. Crne tačke su elektroni. Koja shema odgovara atomu 2 4 Ne?
Atom se sastoji od sljedećih čestica:
B. nukleoni i elektroni.
B. protoni i neutroni.
D. Neutroni i elektroni.
Koliki je maseni broj jezgra atoma mangana 25 55 Mn?
Koja od sljedećih reakcija krši zakon održanja naboja?
B. 3 6 Li + 1 1 H → 2 4 He + 2 3 He.
B. 2 3 He + 2 3 He → 2 4 He + 1 1 H + 1 1 H.
D. 3 7 Li + 2 4 He → 5 10 V + 0 1 n.
^ atomsko jezgro sastoji se od protona i neutrona. Između kojih parova čestica unutar jezgra djeluju nuklearne sile?
B. Proton-neutron.
B. Neutron-neutron.
D. U svim parovima A-B.
Mase protona i neutrona...
B. Otprilike isto.
B. Odnos kao 1:1836.
D. Približno jednako nuli.
u jezgru atoma kalcijuma 20 40 Sa sadrži...
B. 40 neutrona i 20 elektrona.
B. 20 protona i 40 elektrona.
D. 20 protona i 20 neutrona.
^ U kojem uređaju je vidljiv trag kretanja brzo nabijene čestice u plinu (kao rezultat kondenzacije prezasićene pare na jonima)?
B. U komori oblaka.
G. U mjehurastoj komori.
^ Odredite drugi proizvod X u nuklearnoj reakciji: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Atomsko jezgro se sastoji od Z protona i N neutrona. Masa slobodnog neutrona m n , slobodni proton m str . Koji od sljedećih uslova je zadovoljen za masu jezgra m g ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. Uslov A za stabilna jezgra, uslov B za radioaktivna jezgra.
Izračunajte ∆m (defekt mase) jezgra atoma 3 7 Li (u amu).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. D. ∆m ≈ 0,2.
14 U kojim jedinicama treba izraziti vrijednost mase kada se računa energija veze atomskih jezgara pomoću formule ∆E= ∆m*c 2 ?
ODGOVOR: U kilogramima.
B. U gramima.
B. U jedinicama atomske mase.
G. U džulima.
^ Koja je kritična masa u nuklearnom reaktoru uranijuma?
B. Minimalna masa uranijuma pri kojoj se lančana reakcija može izvesti u reaktoru.
B. Dodatna masa uranijuma uvedena u reaktor da bi se pokrenuo.
D. Dodatna masa supstance uvedena u reaktor da bi se u kritičnim slučajevima zatvorio.
^ Koja vrsta radioaktivnog zračenja najopasniji za spoljašnju izloženost ljudi?
B. gama zračenje.
B. Alfa zračenje.
^ Dodatni zadatak.
Sve hemijski elementi postoje kao dva ili više izotopa. Odredite razliku u sastavu jezgri izotopa 17 35 Cl and 17 37 Cl.
B. izotop 17 37 Cl ima 2 protona manje u jezgru od 17 35 Cl.
V. izotop 17 37 Cl ima 2 neutrona više u jezgru od 17 35 Cl.
G. izotop 17 37 Cl ima 2 neutrona manje u jezgru od 17 35 Cl.
18. U alfa raspadu atomskih jezgara ...
maseni broj je očuvan i naboj se povećava za jedan.
B. Maseni broj se smanjuje za 4, ali naboj ostaje nepromijenjen.
B. Maseni broj se smanjuje za 4, a naboj se povećava za 2.
D. Maseni broj se smanjuje za 4, naboj se također smanjuje za 2.
^ 19. Energija se oslobađa ili apsorbira u nuklearnoj reakciji. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 Ne + 2 3 Ne? Mase jezgara i čestica u a. m, odnosno jednaki su: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 H= 1,00728, m 2 4 Ne = 4,00260, m 2 3 Ne = 3,01602.
ODGOVOR: Apsorbovan, jer. ∆m
B. Ističe se jer ∆m
B. Apsorbirano, tk. ∆m > 0.
G. Ističe se jer ∆m > 0.
20. Kada je izotop 5 10 V bombardiran neutronima, alfa čestica se izbacuje iz formiranog jezgra. Koristeći zakone održanja masenog broja i naboja, kao i periodni sistem elemenata, zapišite nuklearnu reakciju.
Test br. 5
na temu "Struktura atoma i atomskog jezgra"
Opcija 2
^ 1. Sastav radioaktivnog zračenja može uključivati ...
A. Samo elektroni.
B. Samo neutroni.
B. Samo alfa čestice.
D. Beta čestice, alfa čestice, gama kvanti.
^ 2. Uz pomoć eksperimenata, Rutherford je otkrio da ...
A. Pozitivni naboj je raspoređen ravnomjerno po volumenu atoma.
B. Pozitivan naboj je koncentrisan u centru atoma i zauzima vrlo mali volumen.
B. Sastav atoma uključuje elektrone.
D. Atom nema unutrašnju strukturu.
^ Na slici su prikazani dijagrami četiri atoma. Elektroni su prikazani kao crne tačke.
Jezgro sadrži sljedeće čestice:
B. Protoni i elektroni.
B. Protoni i neutroni
D. Neutroni i elektroni.
^ 5. Koliki je nuklearni naboj atoma stroncijuma 38 88 Sr?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
U kojoj je od sljedećih jednadžbi nuklearnih reakcija prekršen zakon održanja masenog broja?
B. 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H
B. 7 14 N + 1 1 H → 5 11 B + 2 4 Ne
D. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. nuklearne snage djeluju između nukleona...
O. One su mnogo puta veće od gravitacionih sila i djeluju između nabijenih čestica.
B. Višestruko su superiorniji od svih vrsta snaga i djeluju na bilo kojoj udaljenosti.
B. Mnogostruko su superiornije od svih drugih vrsta sila, ali djeluju samo na udaljenostima uporedivim s veličinom jezgra.
D. One su mnogo puta veće od gravitacionih sila i djeluju između bilo koje čestice.
Mase protona i elektrona...
B. Otprilike isto.
B. Odnosi se na 1: 1836.
D. Otprilike nula.
^ 8. U jezgru atoma gvožđa 26 56 Fe sadrži:
A. 26 neutrona i 56 protona.
B. 56 neutrona i 26 protona.
C. 26 protona i 56 elektrona.
D. 26 protona i 30 neutrona.
U kom uređaju se poreklo jonizujuće čestice beleži pojavom impulsa električna struja kao rezultat nastanka samopražnjenje u gasu?
B. U Geigerovom brojaču.
B. U scintilacionom brojaču.
G. U mjehurastoj komori.
^ Odredite drugi proizvod X nuklearne reakcije:
A. Alfa čestica (2 4 He).
B. Neutron.
V. Proton.
G. Elektron.
^ 12. Atomsko jezgro se sastoji od Z protona i N neutrona. Masa slobodnog neutrona m n , slobodni proton m str . Koji od sljedećih uslova je zadovoljen za masu jezgra m I ?
A. m i Z*m p + m n ; B. m i \u003d Z * m p + N * m n
D. Za stabilna jezgra, uslov A, za radioaktivna jezgra, uslov B.
^ 13. Izračunajte defekt mase (∆ m) u a. e. m. Jezgra atoma 2 3 Ne. Mase čestica i jezgra, izražene u a. e. m., respektivno, jednaki su: m n = 1,00866; m str = 1,00728;
m I = 3,01602.
A. ∆m ≈ 0,072 B. ∆m ≈ 0,0072 C. ∆m ≈ -0,0072 D.∆m ≈ 0
^ 14. U kojim jedinicama će se dobiti energetska vrijednost pri izračunavanju energije veze atomskih jezgara po formuli ∆E=m*c 2 ?
A. U elektronskim voltima (eV).
B. U megaelektron voltima (MeV)
B. U džulima.
G. U a. jesti.
^ 15. U nuklearnom reaktoru, supstance poput grafita ili vode koriste se kao takozvani moderatori. Šta bi trebali usporiti i zašto?
O. Oni usporavaju neutrone kako bi smanjili vjerovatnoću da dođe do reakcije nuklearne fisije.
B. Usporite neutrone kako biste povećali vjerovatnoću reakcije nuklearne fisije.
B. Usporite lančanu reakciju fisije kako biste lakše kontrolirali reaktor.
D. Usporiti fragmente jezgara nastalih kao rezultat fisije uranijuma, for praktična upotreba njima kinetička energija.
^ 16. Koja vrsta radioaktivnog zračenja je najopasnija za unutrašnje izlaganje ljudi?
A. Beta zračenje.
B. Gama zračenje.
B. Alfa zračenje.
D. Sve tri vrste zračenja: alfa, beta, gama.
^ Dodatni zadatak.
Svi hemijski elementi postoje kao dva ili više izotopa. Odredi razliku u sastavu jezgara izotopa 10 20 Ne i 10 22 Ne
B. izotop 10 20 Ne ima 2 protona manje u jezgru od 10 22 Ne
B. izotop 10 22 Ne ima 2 neutrona više u jezgru od 10 20 Ne
G. izotop 10 22 Ne ima 2 neutrona manje u jezgru od 10 20 Ne
18. Tokom beta raspada atomskih jezgara ...
A. Masa jezgra ostaje praktično nepromenjena, tako da je maseni broj očuvan i naelektrisanje raste.
B. Maseni broj se povećava za 1, a naboj se smanjuje za 1.
B. Maseni broj je očuvan i naboj se smanjuje za 1.
D. Maseni broj se smanjuje za 1, naboj je očuvan.
19. Da li se energija oslobađa ili apsorbuje u nuklearnoj reakciji 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Mase jezgara i čestica (u am.) su respektivno jednake: m 7 14 N = 14,00307, m 2 4 He = 4,00260, m 8 17 O = 16,99913, 0 1 0 1 0 m
ODGOVOR: Apsorbovan, jer. ∆m
B. Ističe se jer ∆m
B. Apsorbirano, tk. ∆m > 0.
G. Ističe se jer ∆m > 0.
20. Koristeći zakone održanja masenog broja i naboja, kao i periodični sistem elemenata, napišite nuklearnu reakciju koja nastaje kada se bombardira sa 5 11 V alfa čestica i koja je praćena izbacivanjem neutrona
^ List s odgovorima
to kontrolni rad № 5
na temu "Struktura atoma i atomskog jezgra"
Razred _____________
Opcija _______| № ass | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Odgovori | |||||||||||||||||||||
| № dodati. zadataka | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Odgovori | |||||||||||||||||||||
^ List s odgovorima
na kontrolni rad br.5
na temu "Struktura atoma i atomskog jezgra"
Datum: ___________________20__
Razred _____________
PUNO IME ________________________________
Opcija _______| № ass | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Odgovori | |||||||||||||||||||||
| № dodati. zadataka | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Odgovori | |||||||||||||||||||||
^ Šifre tačnih odgovora.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| U 1 | IN | G | IN | B | G | ALI | G | B | G | B | ALI | B | ALI | ALI | B | IN | IN | G | B |
| U 2 | G | B | IN | IN | B | IN | IN | ALI | G | B | B | ALI | ALI | IN | IN | IN | IN | ALI | B |
#20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 OPCIJA)
5 11 V + 2 4 Ne → 7 14 N + 1 1 N (OPCIJA 2)
^ Tabela za pretvaranje broja tačnih odgovora na obavezna pitanja u bodovanje na skali od pet poena.
Za siguran rad sa nuklearno opasnim fisionim supstancama, parametri opreme moraju biti manji od kritičnih. Kao regulatorni parametri za nuklearnu sigurnost koriste se: količina, koncentracija i zapremina nuklearno opasnog fisionog materijala; prečnik opreme cilindričnog oblika; debljina ravnog sloja za opremu u obliku ploča. Normativni parametar se postavlja na osnovu dozvoljenog parametra, koji je manji od kritičnog i ne bi trebalo da se prekorači tokom rada opreme. Istovremeno, neophodno je da karakteristike koje utiču na kritične parametre budu u strogo definisanim granicama. Koriste se sljedeći važeći parametri: broj M add , volumen V add , prečnik D add , debljina sloja t add .
Koristeći ovisnost kritičnih parametara o koncentraciji nuklearno opasnog fisivnog nuklida, određuje se takva vrijednost kritičnog parametra ispod koje je SCRD nemoguć pri bilo kojoj koncentraciji. Na primjer, za rastvore soli plutonijuma i obogaćenog uranijuma, kritična masa, zapremina, prečnik beskonačnog cilindra, debljina beskonačnog ravnog sloja imaju minimum u oblasti optimalnog usporavanja. Za mješavine metalno obogaćenog uranijuma s vodom, kritična masa, kao i za rješenja, ima izražen minimum u području optimalnog usporavanja, a kritični volumen, prečnik beskonačnog cilindra i debljina beskonačnog ravnog sloja pri visokim obogaćivanje (>35%) imaju minimalne vrijednosti u odsustvu moderatora (r n /r 5 =0); za obogaćivanje ispod 35%, kritični parametri smeše imaju minimum pri optimalnom usporavanju. Očigledno je da parametri postavljeni na osnovu minimalnih kritičnih parametara osiguravaju sigurnost u cijelom rasponu koncentracija. Ovi parametri se nazivaju sigurnim, manji su od minimalnih kritičnih parametara. Koriste se sledeći sigurni parametri: količina, koncentracija, zapremina, prečnik, debljina sloja.
Prilikom osiguravanja nuklearne sigurnosti sistema, koncentracija fisijskog nuklida (ponekad i količina moderatora) je nužno ograničena dozvoljenim parametrom, dok se u isto vrijeme, kada se koristi sigurnosni parametar, ne nameću ograničenja na koncentraciju ( ili o količini moderatora).
2 KRITIČNA MASA
Da li će se lančana reakcija razviti ili ne zavisi od ishoda konkurencije četiri procesa:
(1) Izbacivanje neutrona iz uranijuma,
(2) hvatanje neutrona uranijumom bez fisije,
(3) hvatanje neutrona nečistoćama.
(4) hvatanje neutrona uranijumom fisijom.
Ako je gubitak neutrona u prva tri procesa manji od broja neutrona oslobođenih u četvrtom, tada dolazi do lančane reakcije; inače je nemoguće. Očigledno, ako je od prva tri procesa vrlo vjerojatan, onda višak neutrona oslobođenih tijekom fisije neće moći osigurati nastavak reakcije. Na primjer, u slučaju kada je vjerovatnoća procesa (2) (zahvatanje uranijumom bez fisije) mnogo veća od vjerovatnoće zarobljavanja fisijom, lančana reakcija je nemoguća. Dodatnu poteškoću predstavlja izotop prirodnog uranijuma: sastoji se od tri izotopa: 234U, 235U i 238U, čiji doprinosi iznose 0,006, 0,7, odnosno 99,3%. Važno je da su vjerovatnoće procesa (2) i (4) različite za različite izotope i različito zavise od energije neutrona.
Za procjenu konkurencije različitih procesa sa stanovišta razvoja lančanog procesa nuklearne fisije u supstanci, uvodi se koncept "kritične mase".
Kritična masa je minimalna masa fisionog materijala koja osigurava tok samoodržive lančane reakcije nuklearne fisije. Kritična masa je manja, kraći je poluživot fisije i što je veće obogaćivanje radnog elementa fisijskim izotopom.
Kritična masa - minimalna količina fisionog materijala potrebna za pokretanje samoodržive lančane reakcije fisije. Faktor umnožavanja neutrona u takvoj količini materije jednak je jedinici.
Kritična masa je masa fisionog materijala reaktora koji je u kritičnom stanju.
Kritične dimenzije nuklearnog reaktora- najmanjih dimenzija jezgre reaktora, na kojima se još uvijek može izvesti samoodrživa reakcija fisije nuklearnog goriva. Obično se pod kritičnom veličinom uzima kritični volumen aktivne zone.
Kritični volumen nuklearnog reaktora- zapremina jezgra reaktora u kritičnom stanju.
Relativni broj neutrona koji se emituju iz uranijuma može se smanjiti promjenom veličine i oblika. U sferi, površinski efekti su proporcionalni kvadratu, a efekti zapremine su proporcionalni kocki poluprečnika. Izlazak neutrona iz uranijuma je površinski efekat, ovisno o veličini površine; hvatanje sa fisijom događa se u cijelom volumenu koji zauzima materijal, i stoga je
volumetrijski efekat. Što je veća količina uranijuma, manja je vjerovatnoća da će emisija neutrona iz zapremine uranijuma prevladati nad zarobljavanjem fisijom i spriječiti lančanu reakciju. Gubitak neutrona zbog nefisijskog hvatanja je masovni efekat, sličan oslobađanju neutrona u hvatanju fisije, tako da povećanje veličine ne mijenja njihovu relativnu važnost.
Kritične dimenzije uređaja koji sadrži uranijum mogu se definisati kao dimenzije pri kojima je broj neutrona oslobođenih tokom fisije tačno jednak njihovom gubitku usled emisije i hvatanja koja nisu praćena fisijom. Drugim riječima, ako su dimenzije manje od kritične, tada se, po definiciji, ne može razviti lančana reakcija.
Samo neparni izotopi mogu formirati kritičnu masu. U prirodi se nalazi samo 235 U, a 239 Pu i 233 U su umjetni, nastaju u nuklearnom reaktoru (kao rezultat hvatanja neutrona od strane 238 U jezgara
i 232 Th nakon čega slijede dva naredna β-raspada).
IN u prirodnom uranijumu, lančana reakcija fisije se ne može razviti s bilo kojom količinom uranijuma, međutim, u izotopima kao što su 235 U i 239 Pu lančani proces se postiže relativno lako. U prisustvu moderatora neutrona, lančana reakcija se dešava i u prirodnom uranijumu.
Neophodan uslov za sprovođenje lančane reakcije je prisustvo dovoljno velike količine fisionog materijala, jer u uzorcima malih veličina većina neutrona leti kroz uzorak bez udaranja u jezgro. Lančana reakcija nuklearne eksplozije nastaje kada
fisioni materijal neke kritične mase.
Neka postoji komad materije sposoban za fisiju, na primjer, 235 U, u koji ulazi neutron. Ovaj neutron će ili izazvati fisiju, ili će ga supstanca beskorisno apsorbovati, ili će, nakon difuzije, izaći kroz vanjsku površinu. Bitno je šta će se desiti u sledećoj fazi – da li će se prosečni broj neutrona smanjiti ili smanjiti, tj. oslabiti ili razviti lančanu reakciju, tj. da li će sistem biti u subkritičnom ili superkritičnom (eksplozivnom) stanju. Pošto se emisija neutrona kontroliše veličinom (za kuglu, radijusom), javlja se koncept kritične veličine (i mase). Da bi se eksplozija razvila, veličina mora biti veća od kritične.
Kritična veličina fisijskog sistema može se procijeniti ako je poznata dužina puta neutrona u fisivnom materijalu.
Neutron, leteći kroz supstancu, povremeno se sudara sa jezgrom, čini se da vidi njegov poprečni presek. Veličina poprečnog presjeka jezgre σ=10-24 cm2 (štala). Ako je N broj jezgara u kubni centimetar, onda kombinacija L =1/N σ daje prosečna dužina raspon neutrona u odnosu na nuklearnu reakciju. Dužina puta neutrona je jedina dimenzionalna vrijednost koja može poslužiti kao polazna tačka za procjenu kritične veličine. U svakoj fizičkoj teoriji koriste se metode sličnosti, koje se, zauzvrat, grade od bezdimenzionalnih kombinacija dimenzionalnih veličina, karakteristika sistema i materije. Tako bezdimenzionalno
broj je omjer polumjera komada fisijskog materijala i dužine putanje neutrona u njemu. Ako pretpostavimo da je bezdimenzionalni broj reda jedinice, a dužina putanje na tipičnoj vrijednosti od N = 1023, L = 10 cm
(za σ = 1) (obično je σ obično mnogo veći od 1, tako da je kritična masa manja od naše procjene). Kritična masa ovisi o poprečnom presjeku reakcije fisije određenog nuklida. Da, za stvaranje atomska bomba potrebno je oko 3 kg plutonijuma ili 8 kg 235 U (sa implozivnom shemom iu slučaju čistog 235 U) Sa bačvom šeme atomske bombe, potrebno je približno 50 kg uranijuma za oružje (sa gustinom uranijuma od 1.895 104 kg/m 5 cm, što je iznenađujuće dobro u skladu s našom procjenom
R \u003d L = 10 cm).
Hajde da sada izvedemo rigorozniju formulu za izračunavanje kritične veličine komada fisijskog materijala.
Kao što je poznato, raspad jezgra uranijuma proizvodi nekoliko slobodnih neutrona. Neki od njih napuštaju uzorak, a dio ih apsorbiraju druga jezgra, uzrokujući njihovu fisiju. Lančana reakcija nastaje ako broj neutrona u uzorku počne rasti poput lavine. Jednačina neutronske difuzije može se koristiti za određivanje kritične mase:
∂C |
D C + β C |
||
∂t |
|||
gdje je C koncentracija neutrona, β>0 je konstanta brzine reakcije umnožavanja neutrona (slično konstanti radioaktivnog raspada ima dimenziju 1/sec, D je koeficijent difuzije neutrona,
Neka uzorak bude sferni poluprečnika R. Zatim moramo pronaći rješenje jednačine (1) koje zadovoljava granični uvjet: C (R,t )=0.
Onda napravimo promjenu C = ν e β t
∂C |
∂ν |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v = D |
+ βν e |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
∂t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Dobili smo klasičnu jednačinu provođenja toplote: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∂ν |
D v |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Rješenje ove jednačine je dobro poznato |
π 2 n 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ν(r, t)= |
sin n re |
||||||||||||||||||||||||||||||||
π 2 n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
β − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
C(r, t) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
sin n re |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
r n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Lančana reakcija će se odvijati pod uslovom (tj. |
C(r, t) |
t →∞ → ∞ ) da je za barem jedan n koeficijent in |
|||||||||||||||||||||||||||||||
eksponent je pozitivan. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Ako je β − π 2 n 2 D > 0, |
tada β > π 2 n 2 D i kritični polumjer sfere: |
R = n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Ako je π |
≥ R , tada za bilo koje n neće biti rastućeg eksponenta |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ako je π |
< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ograničavamo se na prvog člana niza, n = 1: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
R = π |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Kritična masa: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
M = ρ V = ρ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Minimalna vrijednost poluprečnik lopte na kojoj dolazi do lančane reakcije naziva se
kritični radijus , a masa odgovarajuće lopte je kritična masa.
Zamjenom vrijednosti za R dobijamo formulu za izračunavanje kritične mase:
M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β
Vrijednost kritične mase ovisi o obliku uzorka, faktoru umnožavanja neutrona i koeficijentu neutronske difuzije. Njihovo određivanje je složen eksperimentalni problem, pa se dobijena formula koristi za određivanje naznačenih koeficijenata, a izvršeni proračuni dokaz su postojanja kritične mase.
Uloga veličine uzorka je očigledna: sa smanjenjem veličine raste procenat neutrona koji se emituju kroz njegovu površinu, tako da pri malim (ispod kritičnih!) veličinama uzorka lančana reakcija postaje nemoguća čak i uz povoljan odnos između procesa apsorpcije i procesa apsorpcije. proizvodnju neutrona.
Za visoko obogaćeni uranijum kritična masa je oko 52 kg, za plutonijum za oružje 11 kg. Regulatorni dokumenti o zaštiti nuklearnih materijala od krađe ukazuju na kritične mase: 5 kg 235 U ili 2 kg plutonija (za shemu implozije atomske bombe). Za topovsku šemu, kritične mase su mnogo veće. Na osnovu ovih vrijednosti gradi se intenzitet zaštite fisionih supstanci od terorističkih napada.
Komentar. Kritična masa metalnog sistema obogaćenog uranijuma sa 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) je 52 kg bez reflektora i 8,9 kg kada je sistem okružen neutronskim reflektorom od berilijum oksida. Kritična masa vodenog rastvora uranijuma je približno 5 kg.
Vrijednost kritične mase ovisi o svojstvima tvari (kao što su poprečni presjeci fisije i hvatanja zračenja), o gustoći, količini nečistoća, obliku proizvoda, a također i o okolišu. Na primjer, prisustvo reflektora neutrona može uvelike smanjiti kritičnu masu. Za određeni fisioni materijal, količina materijala koja čini kritičnu masu može varirati u širokom rasponu i ovisi o gustoći, karakteristikama (vrsta materijala i debljine) reflektora, te prirodi i postotku bilo kojeg inertnog razrjeđivača (kao što je npr. kiseonik u uranijum oksidu, 238 U u delimično obogaćenom 235 U ili hemijske nečistoće).
Radi poređenja, ovdje su kritične mase kuglica bez reflektora za nekoliko vrsta materijala sa nekom standardnom gustinom.
Za poređenje dajemo sljedeće primjere kritičnih masa: 10 kg 239 Pu, metal u alfa fazi
(gustina 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), metal (gustina 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)
u gustini od kristalni oblik 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) pri gustini u kristalnom obliku
u obliku 11,4 g/cm3. Najmanju kritičnu masu imaju otopine soli čistih fisilnih nuklida u vodi sa reflektorom vodenih neutrona. Za 235 U kritična masa je 0,8 kg, za 239 Pu je 0,5 kg, za 251 Cf je
Kritična masa M povezana je s kritičnom dužinom l: M lx , gdje x zavisi od oblika uzorka i kreće se od 2 do 3. Ovisnost oblika povezana je sa curenjem neutrona kroz površinu: što je veća površina, što je veća kritična masa. Uzorak sa minimalnom kritičnom masom je sferičan. Tab. 5. Glavne procijenjene karakteristike čistih izotopa sposobnih za nuklearnu fisiju
Neutroni |
||||||||
Potvrda |
kritičan |
Gustina |
Temperatura |
Odvođenje topline |
spontano |
|||
poluživot |
||||||||
(izvor) |
g/cm³ |
tačka topljenja °C |
||||||
T 1/2 |
105 (kg s) |
|||||||
231Pa |
||||||||
232U |
Reaktor uključen |
|||||||
neutroni |
||||||||
233U |
||||||||
235U |
Prirodno |
7.038×108 godina |
||||||
236U |
2,3416×107 godina? kg |
|||||||
237Np |
2,14×107 godina |
|||||||
236Pu |
||||||||
238Pu |
||||||||
239Pu |
||||||||
240Pu |
||||||||
241Pu |
||||||||
242Pu |
||||||||
241am |
||||||||
242mAm |
||||||||
243mAm |
||||||||
243am |
||||||||
243cm |
||||||||
244cm |
||||||||
245cm |
||||||||
246cm |
||||||||
247cm |
1,56×107 godina |
|||||||
248cm |
||||||||
249Cf |
||||||||
250Cf |
||||||||
251Cf |
||||||||
252Cf |
||||||||
Zaustavimo se detaljnije na kritičnim parametrima izotopa nekih elemenata. Počnimo sa uranijumom.
Kao što je više puta spominjano, 235 U (0,72% klarka) je od posebne važnosti, jer se cijepa pod djelovanjem termičkih neutrona (σ f = 583 barn), a pritom oslobađa „ekvivalent toplotne energije“ od 2 × 107 kWh/ k. Budući da se pored α-raspada spontano dijeli i 235 U (T 1/2 = 3,5 × 1017 godina), neutroni su uvijek prisutni u masi uranijuma, što znači da je moguće stvoriti uslove za nastanak samoodrživa lančana reakcija fisije. Za metalni uranijum sa obogaćenjem od 93,5%, kritična masa je: 51 kg bez reflektora; 8,9 kg sa reflektorom od berilijum oksida; 21,8 kg sa punom pregradom za vodu. Dati su kritični parametri homogenih smjesa uranijuma i njegovih spojeva
Kritični parametri izotopa plutonijuma: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = od 12 do 7,45 kg. Najveći interes su mješavine izotopa: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Visoko specifično oslobađanje energije 238 Pu dovodi do oksidacije metala u zraku, stoga se najvjerovatnije koristi u obliku oksida. Po prijemu 238 Pu, prateći izotop je 239 Pu. Odnos ovih izotopa u smeši određuje i vrednost kritičnih parametara i njihovu zavisnost od promene sadržaja moderatora. Različite procjene kritične mase za golu metalnu kuglu od 238 Pu daju vrijednosti od 12 do 7,45 kg u poređenju sa kritičnom masom za 239 Pu od 9,6 kg. Budući da jezgro 239 Pu sadrži neparan broj neutrona, kritična masa će se smanjiti kada se u sistem doda voda. Kritična masa od 238 Pu raste sa dodatkom vode. Za mješavinu ovih izotopa, neto učinak dodavanja vode ovisi o omjeru izotopa. Kada je maseni sadržaj 239 Pu 37% ili manji, kritična masa mješavine izotopa 239 Pu i 238 Pu se ne smanjuje kada se u sistem doda voda. U ovom slučaju, dozvoljena količina 239 Pu-238 Pu dioksida je 8 kg. Sa drugima
u odnosu 238 Pu i 239 Pu dioksida, minimalna vrijednost kritične mase varira od 500 g za čisti 239 Pu do 24,6 kg za čisti 238 Pu.
Tab. Slika 6. Zavisnost kritične mase i kritične zapremine uranijuma od obogaćivanja 235 U.
Bilješka. I - homogena mješavina metalnog uranijuma i vode; II - homogena mešavina uranijum dioksida i vode; III - rastvor uranil fluorida u vodi; IV - rastvor uranil nitrata u vodi. * Podaci dobijeni grafičkom interpolacijom.
Drugi izotop sa neparnim brojem neutrona je 241 Pu. Minimalna vrijednost kritične mase za 241 Pu postiže se u vodenim otopinama pri koncentraciji od 30 g/l i iznosi 232 kg. Po prijemu 241 Pu iz ozračenog goriva, uvijek ga prati 240 Pu, koji ga sadržajno ne prelazi. Uz jednak omjer nuklida u mješavini izotopa, minimalna kritična masa od 241 Pu premašuje kritičnu masu od 239 Pu. Dakle, s obzirom na minimalnu kritičnu masu, izotop 241 Pu na
239 Pu može biti zamijenjen 239 Pu ako mješavina izotopa sadrži jednake količine
241 Pu i 240 Pu.
Tab. 7. Minimalni kritični parametri uranijuma sa 100% obogaćenjem u 233 U.
Razmotrimo sada kritične karakteristike izotopa americijuma. Prisustvo izotopa 241 Am i 243 Am u mješavini povećava kritičnu masu od 242 m Am. Za vodeni rastvori postoji omjer izotopa takav da je sistem uvijek podkritičan. Kada je maseni sadržaj 242 m Am u mješavini 241 Am i 242 m Am manji od 5%, sistem ostaje podkritičan do koncentracije americijuma u otopinama i mehaničkim mješavinama dioksida sa vodom jednake 2500 g/L. 243 Am pomiješano sa 242m Am također raste
kritičnu masu mješavine, ali u manjoj mjeri, budući da je poprečni presjek hvatanja toplinskih neutrona za 243 Am za red veličine manji od onog za 241 Am
Tab. 8. Kritični parametri sfernih sklopova homogenog plutonijuma (239 Pu+240 Pu).
Tab. 9. Ovisnost kritične mase i zapremine za jedinjenja plutonijuma* o izotopskom sastavu plutonijuma
* Glavni nuklid je 94 239 Pu.
Bilješka. I - homogena mešavina metalnog plutonijuma i vode; II - homogena mešavina plutonijum dioksida i vode; III homogena mešavina plutonijum oksalata i vode; IV - rastvor plutonijum nitrata u vodi.
Tab. Slika 10. Zavisnost minimalne kritične mase od 242 m Am od njenog sadržaja u mešavini 242 m Am i 241 Am (kritična masa je izračunata za AmO2 + H2O u sfernoj geometriji sa vodenim reflektorom):
Kritična masa 242 m Am, g |
|
Uz mali maseni udio od 245 Cm, treba uzeti u obzir da 244 Cm također ima konačnu kritičnu masu u sistemima bez moderatora. Ostali izotopi kurijuma sa neparnim brojem neutrona imaju minimalnu kritičnu masu nekoliko puta veću od 245 cm. U mješavini CmO2 + H2O, izotop 243 Cm ima minimalnu kritičnu masu od oko 108 g, a 247 Cm - oko 1170 g.
kritične mase, možemo pretpostaviti da je 1 g od 245 Cm ekvivalentan 3 g od 243 Cm ili 30 g od 247 Cm. Minimalna kritična masa 245 Cm, g, u zavisnosti od sadržaja 245 Cm u mešavini 244 Cm i 245 Cm izotopa za SmO2 +
H2O se prilično dobro opisuje formulom
M cr = 35,5 + |
||||
ξ + 0,003 |
||||
gdje je ξ - maseni udio 245 cm u mješavini izotopa kurijuma.
Kritična masa ovisi o poprečnom presjeku reakcije fisije. Prilikom stvaranja oružja, sve vrste trikova mogu smanjiti kritičnu masu potrebnu za eksploziju. Dakle, za stvaranje atomske bombe potrebno je 8 kg uranijuma-235 (sa implozijskom shemom iu slučaju čistog uranijuma-235; kada se koristi 90% uranijuma-235 i sa stablom atomske bombe, najmanje potrebno je 45 kg uranijuma za oružje). Kritična masa se može značajno smanjiti ako se uzorak fisionog materijala okruži slojem materijala koji reflektuje neutrone, kao što je berilijum ili prirodni uranijum. Reflektor vraća značajan dio neutrona emitovanih kroz površinu uzorka. Na primjer, ako koristite reflektor debljine 5 cm, napravljen od materijala kao što su uran, željezo, grafit, kritična masa će biti polovina kritične mase "gole lopte". Deblji reflektori smanjuju kritičnu masu. Berilijum je posebno efikasan, pružajući kritičnu masu od 1/3 standardne kritične mase. Sistem termalnih neutrona ima najveću kritičnu zapreminu i najmanju kritičnu masu.
Važnu ulogu igra stepen obogaćenja fisivnog nuklida. Prirodni uranijum koji sadrži 0,7% 235 U ne može se koristiti za proizvodnju atomskog oružja, jer ostatak uranijuma (238 U) intenzivno apsorbuje neutrone, sprečavajući razvoj lančanog procesa. Stoga se izotopi uranijuma moraju odvojiti, što je složen i dugotrajan zadatak. Odvajanje se mora izvršiti do stepena obogaćenja u 235 U iznad 95%. Usput, potrebno je osloboditi se nečistoća elemenata sa visokim presjekom hvatanja neutrona.
Komentar. Prilikom pripreme uranijuma za oružje, ne samo da se oslobađaju nepotrebnih nečistoća, već ih zamjenjuju drugim nečistoćama koje doprinose lančanom procesu, na primjer, uvode elemente - oplemenjivače neutrona.
Nivo obogaćenja uranijuma ima značajan uticaj na vrijednost kritične mase. Na primjer, kritična masa uranijuma obogaćenog sa 235U 50% je 160 kg (3 puta veća od mase 94% uranijuma), a kritična masa od 20% uranijuma je 800 kg (to jest, ~15 puta veća od kritične mase 94% uranijuma). Slični koeficijenti zavisnosti od stepena obogaćivanja primenjivi su i na uranijum oksid.
Kritična masa je obrnuto proporcionalna kvadratu gustine materijala, M do ~1/ρ 2 , . Dakle, kritična masa metalnog plutonijuma u delta fazi (gustina 15,6 g/cm3) iznosi 16 kg. Ova se okolnost uzima u obzir pri dizajniranju kompaktne atomske bombe. Budući da je vjerovatnoća hvatanja neutrona proporcionalna koncentraciji jezgara, povećanje gustoće uzorka, na primjer, kao rezultat njegove kompresije, može dovesti do pojave u uzorku kritično stanje. U nuklearnim eksplozivnim napravama, masa fisionog materijala koja je u sigurnom podkritičnom stanju se prenosi u eksplozivno superkritično stanje pomoću usmjerene eksplozije koja podvrgava punjenje visokom stupnju kompresije.
Na sljedeću godišnjicu badaboom-a na Hirošimi i Nagasakiju, odlučio sam da pretražim internet u potrazi za pitanjima nuklearnog oružja, gdje me nije zanimalo zašto i kako je stvoreno (već sam znao) - više me je zanimalo kako 2 komadi plutonijuma se ne tope već prave velike šiške.
Pripazite na inženjere - oni počinju sa sijačom, a završavaju sa atomskom bombom.
Nuklearna fizika je jedna od najskandaloznijih oblasti poštovane prirodna nauka. Upravo u ovo područje čovječanstvo već pola vijeka baca milijarde dolara, funti, franaka i rubalja, kao u lokomotivnu peć zakašnjelog voza. Sada se čini da voz više ne kasni. Razjareni plamen zapaljene imovine i radnih sati su se smirili. Pokušajmo ukratko shvatiti kakav je to vlak koji se zove "nuklearna fizika".
Izotopi i radioaktivnost
Kao što znate, sve što postoji sastoji se od atoma. Atomi se zauzvrat sastoje od elektronskih ljuski koje žive u skladu sa svojim zapanjujućim zakonima i jezgra. Klasična hemija je potpuno nezainteresovana za nukleus i njegov privatni život. Za nju, atom su njegovi elektroni i njihova sposobnost razmjene interakcije. A iz jezgre hemije, potrebna je samo njegova masa za izračunavanje proporcija reagensa. Zauzvrat, nuklearna fizika ne mari za elektrone. Nju zanima sićušno (100 hiljada puta manje od radijusa elektronskih orbita) zrno prašine unutar atoma, u kojem je koncentrisana gotovo sva njegova masa.
Šta znamo o jezgru? Da, sastoji se od pozitivno nabijenih protona i električno nenabijenih neutrona. Međutim, to nije sasvim tačno. Jezgro nije šaka loptica od dvije boje, kao na ilustraciji iz školskog udžbenika. Ovdje su na djelu potpuno drugačiji zakoni koji se nazivaju jaka interakcija, koji pretvaraju i protone i neutrone u neku vrstu nerazlučivog nereda. Međutim, naboj ovog nereda je potpuno jednak ukupnom naboju protona koji ulaze u njega, a masa se skoro (ponavljam, skoro) poklapa s masom neutrona i protona koji čine jezgro.
Inače, broj protona nejonizovanog atoma uvek se poklapa sa brojem elektrona koji imaju čast da ga okružuju. Ali sa neutronima stvar nije tako jednostavna. Strogo govoreći, zadatak neutrona je da stabiliziraju jezgro, jer bez njih slično nabijeni protoni se ne bi slagali ni mikrosekunde.
Uzmimo vodonik za određenost. Najčešći vodonik Njegov uređaj je smiješno jednostavan - jedan proton okružen jednim orbitalnim elektronom. Vodonik u svemiru u rinfuzi. Možemo reći da se univerzum sastoji uglavnom od vodonika.
Sada pažljivo dodajmo neutron protonu. Hemijski, to je i dalje vodonik. Ali sa stanovišta fizike, ne. Otkrivši dva različita vodonika, fizičari su se zabrinuli i odmah su došli na ideju da obični vodik nazovu protij, a vodik s neutronom sa protonom - deuterijum.
Hajde da se odvažimo i nahranimo jezgro još jednim neutronom. Sada imamo još jedan vodonik, još teži - tricijum. Opet, sa stanovišta hemije, praktično se ne razlikuje od druga dva vodonika (dobro, samo što sada malo manje voljno ulazi u reakciju). Odmah vas želim upozoriti - nikakvi napori, prijetnje i nagovore neće moći dodati još jedan neutron jezgru tricijuma. Lokalni zakoni su mnogo stroži od ljudskih.
Dakle, protij, deuterijum i tricijum su izotopi vodonika. Njihova atomska masa je drugačija, ali njihov naboj nije. Ali naboj jezgre određuje lokaciju u njoj periodični sistem elementi. Zbog toga se izotopi nazivaju izotopi. Prevedeno s grčkog, ovo znači "zauzeti isto mjesto". Inače, dobro poznata teška voda je ista voda, ali sa dva atoma deuterijuma umjesto protijuma. Shodno tome, superteška voda sadrži tricijum umesto protijuma.
Pogledajmo ponovo naše vodonike. Dakle... Procijum je na mestu, deuterijum je na mestu... A ko je još ovo? Gde je nestao moj tricijum i odakle je došao helijum-3? U našem tricijumu se jednom od neutrona očito dosadilo, odlučio je promijeniti profesiju i postao proton. Pritom je rodio elektron i antineutrino. Gubitak tricijuma je, naravno, razočaravajući, ali sada znamo da je nestabilan. Hranjenje neutrona nije bilo uzaludno.
Dakle, kao što razumijete, izotopi su stabilni i nestabilni. Oko nas ima puno stabilnih izotopa, ali, hvala Bogu, praktički nema nestabilnih. Odnosno, oni su dostupni, ali u toliko raspršenom stanju da se moraju nabaviti po cijenu vrlo velikog rada. Na primjer, uran-235, koji je izazvao toliko problema Oppenheimeru, čini samo 0,7% prirodnog uranijuma.
Poluživot
Ovdje je sve jednostavno. Poluživot nestabilnog izotopa je vremenski period tokom kojeg se tačno polovina atoma izotopa raspada i pretvara u neke druge atome. Tricijum, koji nam je već poznat, ima poluživot od 12,32 godine. Ovo je prilično kratkotrajan izotop, iako će u poređenju sa francijem-223, koji ima poluživot od 22,3 minuta, tricijum izgledati kao sijedobradi aksakal.
Nikakvi makroskopski vanjski faktori (pritisak, temperatura, vlažnost, raspoloženje istraživača, količina izdvajanja, lokacija zvijezda) ne utiču na vrijeme poluraspada. Kvantna mehanika neosjetljivi na takve gluposti.
Popularni mehaničar eksplozije
Suština svake eksplozije je brzo oslobađanje energije koja je prethodno bila u neslobodnom, vezanom stanju. Oslobođena energija se raspršuje, uglavnom se pretvara u toplinu (kinetička energija nesređenog kretanja molekula), udarni val (postoji i kretanje, ali već uređeno, u smjeru od centra eksplozije) i zračenje - iz mekog infracrvene do tvrde kratkotalasne kvante.
U hemijskoj eksploziji sve je relativno jednostavno. Energetski povoljna reakcija nastaje kada određene tvari međusobno djeluju. U reakciji učestvuju samo gornji elektronski slojevi nekih atoma, a interakcija ne ide dublje. Lako je pretpostaviti da u bilo kojoj supstanci ima mnogo više latentne energije. Ali bez obzira na uslove eksperimenta, bez obzira na to koliko uspješne reagense odaberemo, bez obzira na to kako prilagodimo proporcije, hemija nam neće dozvoliti da uđemo dublje u atom. Hemijska eksplozija je primitivna pojava, neefikasna i, sa stanovišta fizike, opsceno slaba.
Nuklearna lančana reakcija omogućava vam da kopate malo dublje, uključujući ne samo elektrone, već i jezgre. Ovo zvuči zaista teško, možda, samo za fizičara, a ostalom ću dati jednostavnu analogiju. Zamislite ogromnu težinu oko koje naelektrisane čestice prašine lepršaju na udaljenosti od nekoliko kilometara. Ovo je atom, "težina" je jezgro, a "čestice prašine" su elektroni. Šta god da radite s ovim česticama prašine, one neće dati ni stoti dio energije koja se može dobiti iz teške težine. Pogotovo ako se iz nekog razloga rascijepi, a masivni fragmenti se velikom brzinom raspršuju u različitim smjerovima.
Nuklearna eksplozija aktivira potencijal vezivanja teških čestica koje čine jezgro. Ali ovo je daleko od granice: u materiji je mnogo više latentne energije. A ime ove energije je masa. Opet, za nefizičara ovo zvuči malo neobično, ali masa je energija, samo izuzetno koncentrirana. Svaka čestica: elektron, proton, neutron - sve su to sićušne nakupine nevjerovatno guste energije, koje za sada miruju. Vjerovatno znate formulu E = mc2, koju su toliko voljeli autori viceva, urednici zidnih novina i dizajneri školskih učionica. Radi se o tome, a ona je ta koja postulira masu kao ništa drugo do oblik energije. A također daje odgovor na pitanje koliko se energije može dobiti iz supstance do maksimuma.
Proces potpunog prelaska mase, odnosno vezane energije, u slobodnu energiju naziva se anihilacija. Iz latinskog korijena "nihil" lako je pogoditi njegovu suštinu - ovo je transformacija u "ništa", odnosno u zračenje. Radi jasnoće, nekoliko brojeva.
Energija eksplozije TNT (J)
F-1 granata 60 grama 2,50*105
Bomba bačena na Hirošimu 16 kilotona 6,70*1013
Anihilacija jednog grama materije 21,5 kilotona 8,99*1013
Jedan gram bilo koje materije (važna je samo masa) će dati više energije tokom uništenja od male nuklearne bombe. U usporedbi s takvim povratkom, vježbe fizičara o cijepanju jezgre izgledaju smiješno, a još više eksperimenti kemičara s aktivnim reagensima.
Za anihilaciju su potrebni odgovarajući uslovi, odnosno kontakt materije sa antimaterijom. A, za razliku od "crvene žive" ili "kamena filozofa", antimaterija je više nego stvarna - za čestice koje su nam poznate, slične antičestice postoje i proučavane su, a eksperimenti o anihilaciji parova "elektron + pozitron" su više puta izvođeni. u praksi. Ali da bi se stvorilo oružje za uništavanje, potrebno je spojiti određenu značajnu količinu antičestica, kao i ograničiti ih od kontakta sa bilo kojom materijom do, zapravo, borbene upotrebe. Ovo je, pah-pah, još uvijek daleka perspektiva.
defekt mase
Poslednje pitanje koje ostaje da se razjasni u vezi sa mehanikom eksplozije je odakle dolazi energija: ista ona koja se oslobađa tokom lančane reakcije? Opet je bila masa. Ili bolje rečeno, bez svog "defekta".
Sve do prošlog veka naučnici su verovali da se masa čuva pod bilo kojim uslovima, i bili su u pravu na svoj način. Tako smo metal spustili u kiselinu - retorta je počela da ključa, a mjehurići plina jurili su kroz debljinu tečnosti. Ali ako odmjerimo reaktante prije i poslije reakcije, ne zaboravljajući na razvijeni plin, masa konvergira. I uvijek će tako biti, sve dok operišemo kilogramima, metrima i hemijskim reakcijama.
Ali vrijedi uroniti u područje mikročestica, kao i masa također iznenađuje. Ispostavilo se da masa atoma možda nije baš jednaka zbiru masa čestica koje ga čine. Kada se dijele na dijelove teškog jezgra (na primjer, isti uran), "fragmenti" ukupno teže manje od jezgra prije fisije. "Razlika", koja se još naziva i defekt mase, je odgovornost energija veze unutar jezgra. I upravo ta razlika prelazi u toplotu i zračenje tokom eksplozije, a sve po istoj jednostavnoj formuli: E=mc2.
Ovo je zanimljivo: dogodilo se da je energetski korisno podijeliti teška jezgra, a ujediniti laka jezgra. Prvi mehanizam radi u uranijumskoj ili plutonijumskoj bombi, drugi - u hidrogenskoj bombi. I ne možete napraviti bombu od gvožđa sa svom svojom željom: ona stoji tačno u sredini u ovoj liniji.
Nuklearna bomba
Istorijskim redom, hajde da prvo pogledamo nuklearne bombe i uradimo naš mali projekat Manhattan. Neću vas zamarati dosadnim metodama razdvajanja izotopa i matematičkim proračunima teorije lančane reakcije fisije. Imamo uranijum, plutonijum, druge materijale, uputstva za sastavljanje i potrebnu količinu naučne radoznalosti.
Svi izotopi uranijuma su do određenog stepena nestabilni. Ali uranijum-235 je u posebnom položaju. Tokom spontanog raspada jezgra uranijuma-235 (naziva se i alfa raspad), formiraju se dva fragmenta (jezgra drugih, mnogo lakših elemenata) i nekoliko neutrona (obično 2-3). Ako neutron nastao tokom raspadanja udari u jezgro drugog atoma uranijuma, doći će do običnog elastičnog sudara, neutron će se odbiti i nastaviti da traži avanture. Ali nakon nekog vremena će trošiti energiju (idealno elastični sudari se događaju samo kod sfernih konja u vakuumu), a sljedeće jezgro će se pokazati kao zamka - neutron će apsorbirati. Inače, takav neutron se u fizici naziva termalnim neutronom.
Pogledajte listu poznatih izotopa uranijuma. Među njima nema izotopa sa atomskom masom 236. Znate li zašto? Takvo jezgro živi djeliće mikrosekundi, a zatim se raspada oslobađanjem ogromne količine energije. Ovo se zove prisilno raspadanje. Izotop s takvim životnim vijekom čak je pomalo neugodno nazvati izotopom.
Energija koja se oslobađa tokom raspada jezgra uranijuma-235 je kinetička energija fragmenata i neutrona. Ako izračunamo ukupnu masu produkata raspada jezgre urana, a zatim je uporedimo sa masom originalnog jezgra, ispada da se te mase ne poklapaju - originalno jezgro je bilo veće. Ovaj fenomen se naziva defekt mase, a njegovo objašnjenje leži u formuli E0=ms2. Kinetička energija fragmenata, podijeljena s kvadratom brzine svjetlosti, bit će točno jednaka razlici masa. Fragmenti se usporavaju u kristalnoj rešetki uranijuma, što dovodi do x-zrake, a neutroni, nakon putovanja, bivaju apsorbirani od strane drugih jezgara uranijuma ili napuštaju uranijumski odljevak, gdje se odvijaju svi događaji.
Ako je odljevak uranijuma mali, tada će ga većina neutrona napustiti bez vremena da se uspori. Ali ako svaki čin prisilnog raspada uzrokuje barem još jedan isti čin zbog emitiranog neutrona, to je već samoodrživa lančana reakcija fisije.
U skladu s tim, ako povećate veličinu odljevka, sve veći broj neutrona će uzrokovati aktove prisilne fisije. I u nekom trenutku lančana reakcija će postati nekontrolisana. Ali još je daleko od nuklearne eksplozije. Samo vrlo "prljava" termička eksplozija, u kojoj veliki broj vrlo aktivni i otrovni izotopi.
Sasvim logično pitanje - koliko je uranijuma-235 potrebno da lančana reakcija fisije postane lavina? U stvari, nije sve tako jednostavno. Svojstva fisionog materijala i omjer volumena i površine ovdje igraju važnu ulogu. Zamislite tonu uranijuma-235 (odmah ću rezervisati - ovo je puno), koji postoji u obliku tanke i vrlo dugačke žice. Da, neutron koji leti duž njega, naravno, će izazvati čin prisilnog raspada. Ali udio neutrona koji lete duž žice ispostavit će se tako mali da je jednostavno smiješno govoriti o samoodrživoj lančanoj reakciji.
Stoga smo se složili da uzmemo u obzir kritičnu masu za sferni odljevak. Za čisti uranijum-235 kritična masa je 50 kg (ovo je lopta poluprečnika 9 cm). Shvaćate da takva lopta neće dugo trajati, kao oni koji je bacaju.
Ako se, pak, lopta manje mase okruži reflektorom neutrona (berilij je savršen za to), a u loptu se unese materijal - moderator neutrona (voda, teška voda, grafit, isti berilij) , tada će kritična masa postati mnogo manja. Koristeći najefikasnije neutronske reflektore i moderatore, moguće je povećati kritičnu masu na 250 grama. To se, na primjer, može postići stavljanjem zasićene otopine soli uranijuma-235 u tešku vodu u sferni kontejner s berilijem.
Kritična masa ne postoji samo za uranijum-235. Postoji veliki broj izotopa sposobnih za lančanu reakciju fisije. Glavni uslov je da proizvodi raspada jezgra moraju izazvati činove raspada drugih jezgara.
Dakle, imamo dva poluloptasta uranijumska odlivaka od po 40 kg. Dokle god su na međusobnoj udaljenosti, sve će biti mirno. A ako ih počnete polako pomicati? Suprotno uvriježenom mišljenju, neće se dogoditi ništa poput gljiva. Samo će se komadići početi zagrijavati kako se približavaju, a onda će se, ako se na vrijeme ne predomislite, zagrijati. Na kraju će se jednostavno istopiti i raširiti, a svi koji su pomjerili odljevke dat će hrast od neutronskog zračenja. A oni koji su ovo gledali sa zanimanjem će zalepiti peraje.
Šta ako je brže? Rastopite brže. Čak i brže? Rastopite još brže. Smiri se? Da, čak ga spustite u tečni helijum - neće biti smisla. A ako gađate jedan komad u drugi? O! Trenutak istine. Upravo smo smislili shemu uranijumskog topa. Međutim, nemamo se čime posebno ponositi, ova shema je najjednostavnija i najneumjetnija od svih mogućih. Da, i hemisfere će morati biti napuštene. Oni, kao što je praksa pokazala, nemaju tendenciju da se ravnomjerno drže zajedno s avionima. Najmanje izobličenje - i dobićete vrlo skupu "gomilku", nakon čega će trebati dosta vremena za čišćenje.
Bilo bi bolje napraviti kratku debelozidnu uranijum-235 cijev mase 30-40 kg, na čiju rupu ćemo pričvrstiti čeličnu cijev visoke čvrstoće istog kalibra, napunjenu cilindrom istog kalibra. uranijum približno iste mase. Okružimo uranijumsku metu berilijumskim neutronskim reflektorom. Sada, ako ispalite uranijumski "metak" u uranijumsku "cev" - biće puna "cev". Odnosno, doći će do nuklearne eksplozije. Samo treba ozbiljno pucati, tako da njuška brzina uranijumskog projektila bude najmanje 1 km / s. U suprotnom, opet će biti "gomila", ali glasnije. Činjenica je da kada se projektil i meta približe jedan drugome, toliko se zagrijavaju da počinju intenzivno isparavati s površine, usporavajući ih nadolazećim tokovima plina. Štoviše, ako je brzina nedovoljna, postoji šansa da projektil jednostavno neće doći do cilja, već će na putu ispariti.
Raspršiti do takve brzine disk težak nekoliko desetina kilograma, a na segmentu od nekoliko metara, izuzetno je težak zadatak. Zato vam neće trebati barut, već snažan eksploziv sposoban da stvori odgovarajući pritisak gasa u buretu za vrlo kratko vreme. I onda ne morate čistiti bure, ne brinite.
Bomba Mk-I "Little Boy" bačena na Hirošimu dizajnirana je tačno prema šemi topa.
Ima, naravno, sitnih detalja koje nismo uzeli u obzir u našem projektu, ali se nismo potpuno ogrešili o sam princip.
Dakle. Detonirali smo uranijumsku bombu. Uživao u pečurkama. Sada ćemo dići u vazduh plutonijum. Samo nemojte ovdje vući metu, projektil, cijev i ostalo smeće. Ovaj broj sa plutonijumom neće raditi. Čak i ako gađamo jedan komad u drugi brzinom od 5 km/s, superkritični sklop i dalje neće raditi. Plutonijum-239 će imati vremena da se zagrije, ispari i pokvari sve oko sebe. Njegova kritična masa je nešto više od 6 kg. Možete zamisliti koliko je aktivniji u smislu hvatanja neutrona.
Plutonijum je neobičan metal. U zavisnosti od temperature, pritiska i nečistoća postoji u šest modifikacija kristalna rešetka. Postoje čak i modifikacije u kojima se skuplja kada se zagrije. Prelazi iz jedne faze u drugu mogu se vršiti naglo, dok se gustina plutonijuma može promeniti i za 25%.Hajde da kao i svi normalni heroji zaobiđemo. Podsjetimo da je kritična masa određena, posebno, omjerom volumena i površine. U redu, imamo loptu podkritične mase, koja ima minimalnu površinu za dati volumen. Recimo 6 kg. Poluprečnik kuglice je 4,5 cm.A ako je ova kugla stisnuta sa svih strana? Gustoća će se povećati proporcionalno kocki linearne kompresije, a površina će se smanjiti proporcionalno kvadratu. I to se dešava: atomi plutonijuma će postati gušći, odnosno smanjiće se zaustavni put neutrona, što znači da će se povećati verovatnoća njegove apsorpcije. Ali, opet, komprimiranje željenom brzinom (oko 10 km / s) i dalje neće raditi. Slijepa ulica? A ovdje nije.
Na 300°C nastupa takozvana delta faza - najlabavija. Ako se plutonijum dopira galijumom, zagreje na ovu temperaturu, a zatim polako ohladi, tada delta faza može postojati i na sobnoj temperaturi. Ali neće biti stabilno. Pri visokom pritisku (reda desetina hiljada atmosfera) doći će do naglog prelaska u vrlo gustu alfa fazu.
Postavimo plutonijumsku kuglu u veliku (prečnika 23 cm) i tešku (120 kg) šuplju kuglu od uranijuma-238. Ne brinite, nema kritičnu masu. Ali savršeno reflektuje brze neutrone. I još će nam biti od koristi. Mislite da su to digli u vazduh? Kako god. Plutonijum je pakleno hirovit entitet. Još treba raditi. Napravimo dvije hemisfere plutonijuma u delta fazi. Formiramo sfernu šupljinu u centru. I u ovu šupljinu smjestit ćemo kvintesenciju misli o nuklearnom oružju - pokretač neutrona. Ovo je tako mala šuplja berilijumska kugla prečnika 20 i debljine 6 mm. Unutar njega je još jedna kugla od berilija prečnika 8 mm. Na unutrašnjoj površini šuplje lopte nalaze se duboki žljebovi. Sve je to izdašno niklovano i prekriveno zlatom. Polonijum-210 se postavlja u žljebove, koji aktivno emituje alfa čestice. Ovo je čudo tehnologije. Kako to radi? Čekaj malo. Moramo još nekoliko stvari da uradimo.
Okružimo uranijumsku školjku još jednom, napravljenom od legure aluminijuma sa borom. Debljina mu je oko 13 cm. Ukupno je naša "matrjoška" sada narasla do pola metra i oporavila se sa 6 na 250 kg.
Sada napravimo implozijske "leće". Zamislite fudbalsku loptu. Klasična, koja se sastoji od 20 šesterokuta i 12 pentagona. Napravit ćemo takvu „kuglu“ od eksploziva, a svaki segment ćemo snabdjeti sa nekoliko električnih detonatora. Debljina segmenta je oko pola metra. U proizvodnji "leća" također ima puno suptilnosti, ali ako su opisane, onda neće biti dovoljno mjesta za sve ostalo. Glavna stvar je maksimalna preciznost sočiva. Najmanja greška - i ceo sklop će biti smrvljen od eksplozije eksploziva. Kompletan sklop sada ima prečnik od oko jedan i po metar i masu od 2,5 tone. Dizajn je upotpunjen električnim krugom, čiji je zadatak da raznese detonatore u strogo definiranom nizu s tačnošću od mikrosekunde.
Sve. Pred nama je šema implozije plutonijuma.
A sada - najzanimljivije.
Prilikom detonacije, eksploziv sabija sklop, a aluminijumski "gurač" ne dozvoljava da se raspad udarnog talasa širi, šireći se prema unutra iza njegove prednje strane. Prošavši kroz uranijum kontrabrzinom od oko 12 km/s, talas kompresije će kondenzovati i njega i plutonijum. Plutonijum pri pritiscima u zoni kompresije reda stotina hiljada atmosfera (efekat fokusiranja fronta eksploziva) će skočiti u alfa fazu. Za 40 mikrosekundi, sklop uranijum-plutonijum opisan ovde će postati ne samo superkritičan, već nekoliko puta veći od kritične mase.
Došavši do inicijatora, val kompresije će zdrobiti cijelu njegovu strukturu u monolit. U tom slučaju, zlato-nikl izolacija će biti uništena, polonij-210 će prodrijeti u berilij zbog difuzije, alfa čestice koje on emituje prolazeći kroz berilijum će izazvati kolosalni tok neutrona koji će pokrenuti lančanu reakciju fisije u cijelom volumenu plutonijuma, a tok "brzih" neutrona nastao raspadom plutonijuma će izazvati eksploziju uranijuma-238. Gotovo, uzgojili smo drugu gljivu, ništa lošiju od prve.
Primjer šeme implozije plutonijuma je bomba Mk-III "Fatman" bačena na Nagasaki.
Svi ovdje opisani trikovi su potrebni da bi se izazvala reakcija maksimalni iznos atomska jezgra plutonijuma. Glavni zadatak je zadržati naboj u kompaktnom stanju što je duže moguće, ne dozvoliti da se rasprši u oblak plazme, u kojem će se lančana reakcija momentalno zaustaviti. Ovdje je svaka dobijena mikrosekunda povećanje za jedan ili dva kilotona snage.
termonuklearna bomba
Uvriježeno je vjerovanje da je nuklearna bomba osigurač za termonuklearnu. U principu, sve je mnogo komplikovanije, ali suština je ispravno uhvaćena. Oružje zasnovano na principima termonuklearna fuzija, omogućio je postizanje takve snage eksplozije koja se ni pod kojim okolnostima ne može postići lančanom reakcijom fisije. Ali jedini izvor energije do sada koji vam omogućava da "zapalite" reakciju termonuklearne fuzije je nuklearna eksplozija.
Sjećate se kako smo ti i ja "hranili" jezgro vodonika neutronima? Dakle, ako pokušate spojiti dva protona zajedno na ovaj način, ništa neće biti od toga. Protoni se neće držati zajedno zbog Coulombovih odbojnih sila. Ili će se razletjeti, ili će doći do beta raspada i jedan od protona će postati neutron. Ali helijum-3 postoji. Zahvaljujući jednom neutronu, koji čini protone prilagodljivijim jedni drugima.
U principu, na osnovu sastava jezgra helijuma-3, može se zaključiti da se jedno jezgro helijuma-3 može u potpunosti sastaviti od jezgara protijuma i deuterijuma. Teoretski, to je tačno, ali takva reakcija se može dogoditi samo u dubinama velikih i vrućih zvijezda. Štaviše, u dubinama zvijezda, čak i samo iz protona, helijum se može prikupiti, pretvarajući neke od njih u neutrone. Ali to su pitanja astrofizike, a za nas moguća opcija je da spojimo dva jezgra deuterijuma ili deuterijuma i tricijuma.
Nuklearna fuzija zahtijeva jedan vrlo specifičan uslov. Ovo je veoma visoka (109 K) temperatura. Tek kada je prosječna kinetička energija jezgara 100 kiloelektronvolti, one su u stanju da se približe udaljenosti na kojoj jaka interakcija počinje da savladava Kulonovsku.
Sasvim legitimno pitanje - zašto ograditi ovu baštu? Činjenica je da se tokom sinteze lakih jezgara oslobađa energija reda veličine 20 MeV. Naravno, uz prisilnu fisiju jezgra uranijuma, ova energija je 10 puta veća, ali postoji jedno upozorenje - uz najveće trikove, punjenje urana kapaciteta čak 1 megatona je nemoguće. Čak i za napredniju plutonijumsku bombu, dostižni energetski prinos nije veći od 7-8 kilotona po kilogramu plutonijuma (sa teoretskim maksimumom od 18 kilotona). I ne zaboravite da je jezgro uranijuma skoro 60 puta teže od dva jezgra deuterijuma. Ako uzmemo u obzir specifični energetski prinos, onda je termonuklearna fuzija primjetno naprijed.
Pa ipak - za termonuklearni naboj ne postoje ograničenja kritične mase. On to jednostavno nema. Postoje, međutim, i druga ograničenja, ali o njima - u nastavku.
U principu, pokretanje termonuklearne reakcije kao izvora neutrona je prilično lako. Mnogo je teže voditi ga kao izvor energije. Ovdje smo suočeni s takozvanim Lawsonovim kriterijem, koji određuje energetsku prednost termonuklearne reakcije. Ako je proizvod gustine reagujućih jezgara i vremena njihovog zadržavanja na udaljenosti fuzije veći od 1014 sec/cm3, energija data fuzijom će premašiti energiju unesenu u sistem.
Postizanju ovog kriterijuma bili su posvećeni svi termonuklearni programi.
Prva ideja Edvarda Telera za termonuklearnu bombu bila je poput pokušaja da se napravi plutonijumska bomba od dizajna topa. Odnosno, čini se da je sve ispravno, ali ne funkcionira. "Klasični super" uređaj - tečni deuterijum u koji je uronjena plutonijumska bomba - bio je zaista klasičan, ali daleko od super.
Ideja o eksploziji nuklearnog naboja u mediju tekućeg deuterija pokazala se kao slijepa ulica od samog početka. U takvim uslovima, mali energetski prinos termonuklearne fuzije mogao bi se postići detonacijom nuklearnog punjenja snage 500 kt. A o postizanju Lawsonovog kriterija uopće nije trebalo govoriti.
Telleru je pala na pamet i ideja da se nuklearni okidač-naboj okruži slojevima termonuklearnog goriva, prošaranog uranijumom-238 kao toplotnim izolatorom i pojačivačem eksplozije. I ne samo njemu. Po ovoj shemi izgrađene su prve sovjetske termonuklearne bombe. Princip je bio prilično jednostavan: nuklearno punjenje zagrijava termonuklearno gorivo do temperature početka fuzije, a brzi neutroni nastali tokom fuzije raznose slojeve uranijuma-238. Međutim, ograničenje je ostalo isto – na temperaturi koju nuklearni okidač može pružiti, samo mješavina jeftinog deuterija i nevjerovatno skupog tritijuma može ući u reakciju fuzije.
Teller je kasnije došao na ideju da koristi jedinjenje litij-6 deuterida. Ova odluka omogućila je napuštanje skupih i nezgodnih kriogenih posuda s tekućim deuterijem. Osim toga, kao rezultat zračenja neutronima, litijum-6 je pretvoren u helijum i tricijum, koji su ušli u reakciju fuzije sa deuterijumom.
Nedostatak ove sheme bila je ograničena snaga - samo je ograničeni dio termonuklearnog goriva koji okružuje okidač imao vremena da uđe u reakciju fuzije. Ostalo je, koliko god da je, otišlo u kanalizaciju. Maksimalna snaga punjenja dobivena korištenjem "puffa" bila je 720 kt (bomba British Orange Herald). Očigledno je to bio "plafon".
Već smo govorili o istoriji razvoja Teller-Ulam šeme. Pogledajmo sada tehničke detalje ove sheme, koja se također naziva "dvostepena" ili "šema kompresije zračenja".
Naš zadatak je zagrijati fuzijsko gorivo i zadržati ga u određenoj zapremini kako bi se ispunio Lawsonov kriterij. Ostavljajući po strani američke vježbe sa kriogenim shemama, uzmimo litijum-6 deuterid koji nam je već poznat kao termonuklearno gorivo.
Odaberimo uran-238 kao materijal posude za termonuklearni naboj. Kontejner je cilindričan. Duž ose kontejnera unutar njega postavljamo cilindrični štap od uranijuma-235, koji ima subkritičnu masu.
Napomena: neutronska bomba koja je tada napravila prskanje je ista Teller-Ulamova shema, ali bez uranijumske šipke duž ose kontejnera. Poenta je da se obezbedi snažan tok brzih neutrona, ali da se ne dozvoli sagorevanje celog termonuklearnog goriva, koje će trošiti neutrone.
Ostatak slobodnog prostora kontejnera će biti ispunjen litij-6 deuteridom. Kontejner ćemo postaviti na jedan kraj tijela buduće bombe (ovo će nam biti druga faza), a na drugi kraj ćemo montirati uobičajeno punjenje plutonijuma kapaciteta nekoliko kilotona (prva faza). Između nuklearnog i termonuklearnog punjenja ugradićemo pregradu od uranijuma-238, koja sprečava prerano zagrevanje litij-6 deuterida. Popunimo ostatak slobodnog prostora unutar tijela bombe čvrstim polimerom. u osnovi, termonuklearna bomba spreman.
Kada se nuklearno punjenje detonira, 80% energije se oslobađa u obliku rendgenskih zraka. Brzina njegovog širenja je mnogo veća od brzine širenja fisijskih fragmenata plutonijuma. Nakon stotinki mikrosekunde, uranijumski ekran isparava, a rendgensko zračenje počinje da se intenzivno apsorbuje uranijumom iz posude termonuklearnog punjenja. Kao rezultat takozvane ablacije (ablacije mase sa površine zagrijane posude), nastaje reaktivna sila koja sabija posudu 10 puta. Taj efekat se naziva radijaciona implozija ili kompresija zračenjem. U ovom slučaju, gustina termonuklearnog goriva se povećava za faktor od 1000. Kao rezultat kolosalnog pritiska radijacijske implozije, centralni štap uranijuma-235 je također podvrgnut kompresiji, iako u manjoj mjeri, i prelazi u superkritično stanje. Do tog trenutka termonuklearnu jedinicu bombarduju brzi neutroni od nuklearne eksplozije. Nakon prolaska kroz litijum-6 deuterid, usporavaju se i intenzivno se apsorbuju uranijumskom šipkom.
Lančana reakcija fisije počinje u štapu, što brzo dovodi do nuklearne eksplozije unutar kontejnera. Budući da je litij-6 deuterid podvrgnut ablativnoj kompresiji izvana i pritisku nuklearne eksplozije iznutra, njegova gustina i temperatura se još više povećavaju. Ovaj trenutak je početak početka fuzijske reakcije. Njegovo daljnje održavanje ovisi o tome koliko dugo će kontejner zadržati termonuklearne procese u sebi, bez ispuštanja toplinske energije. To je ono što određuje postizanje Lawsonovog kriterija. Izgaranje termonuklearnog goriva ide od ose cilindra do njegove ivice. Temperatura prednjeg sagorevanja dostiže 300 miliona kelvina. Potpuni razvoj eksplozije do izgaranja fuzionog goriva i uništenja kontejnera traje nekoliko stotina nanosekundi - dvadeset miliona puta brže nego što ste pročitali ovu frazu.
Pouzdan rad dvostepenog kruga ovisi o preciznoj montaži spremnika i sprječavanju njegovog preranog zagrijavanja.
Snaga termonuklearnog naboja za Teller-Ulam šemu ovisi o snazi nuklearnog okidača, koji osigurava efikasnu kompresiju zračenjem. Međutim, sada postoje i višestepene sheme u kojima se energija prethodne faze koristi za kompresiju sljedeće. Primjer trostepene sheme je već spomenuta "Kuzkinova majka" od 100 megatona.
Prošlo je nešto više od dva mjeseca od završetka najstrašnijeg rata u istoriji čovječanstva. I tako je 16. jula 1945. američka vojska testirala prvu nuklearnu bombu, a mjesec dana kasnije hiljade stanovnika japanskih gradova umiru u atomskom paklu. Od tada se oružje, kao i sredstva za njegovo dopremanje do ciljeva, kontinuirano usavršavaju više od pola stoljeća.
Vojska je htela da stavi na raspolaganje i super-moćnu municiju, koja jednim udarcem briše čitave gradove i zemlje sa mape, i ultra-malu koja stane u aktovku. Takav uređaj bi doveo sabotažni rat na nivo bez presedana. I sa prvim i sa drugim bilo je nepremostivih poteškoća. Razlog tome je takozvana kritična masa. Međutim, prvo prvo.
Tako eksplozivno jezgro
Da bismo razumjeli redoslijed rada nuklearnih uređaja i razumjeli šta se zove kritična masa, vratimo se malo na stol. Iz školskog kursa fizike sjećamo se jednostavnog pravila: naboji istog imena se međusobno odbijaju. Tamo, unutra srednja škola učenicima se govori o strukturi atomskog jezgra, koje se sastoji od neutrona, neutralnih čestica i pozitivno nabijenih protona. Ali kako je to moguće? Pozitivno nabijene čestice su toliko blizu jedna drugoj da odbojne sile moraju biti kolosalne.
Nauka ne razumije u potpunosti prirodu intranuklearnih sila koje drže protone zajedno, iako su svojstva ovih sila prilično dobro proučavana. Sile deluju samo na veoma bliskim udaljenostima. Ali čim se protoni makar malo razdvoje u prostoru, sile odbijanja počinju da prevladavaju, a jezgro se raspada u komade. A snaga takve ekspanzije je zaista kolosalna. Poznato je da snaga odraslog muškarca ne bi bila dovoljna da zadrži protone samo jednog jezgra olovnog atoma.
Čega se Rutherford bojao?
Jezgra većine elemenata periodnog sistema su stabilna. Međutim, kako se atomski broj povećava, ta stabilnost se smanjuje. Radi se o veličini jezgara. Zamislite jezgro atoma uranijuma, koje se sastoji od 238 nuklida, od kojih su 92 protona. Da, protoni su u bliskom kontaktu jedni s drugima, a intranuklearne sile sigurno cementiraju cijelu strukturu. Ali odbojna sila protona smještenih na suprotnim krajevima jezgre postaje primjetna.
Šta je Rutherford uradio? On je bombardovao atome neutronima (elektron neće proći kroz elektronsku ljusku atoma, a pozitivno nabijeni proton neće moći da se približi jezgru zbog odbojnih sila). Neutron koji ulazi u jezgro atoma uzrokuje njegovu fisiju. Dvije odvojene polovine i dva ili tri slobodna neutrona su se razletjele.
Ovo raspadanje, zbog ogromnih brzina letećih čestica, bilo je praćeno oslobađanjem ogromne energije. Pričalo se da je Rutherford čak želio da sakrije svoje otkriće, plašeći se njegovih mogućih posljedica po čovječanstvo, ali ovo najvjerovatnije nije ništa drugo do bajka.
Pa kakve veze masa ima s tim i zašto je kritična
Pa šta? Kako se može ozračiti dovoljno radioaktivnog metala strujom protona da proizvede snažnu eksploziju? A šta je kritična masa? Sve se radi o onih nekoliko slobodnih elektrona koji izlete iz "bombardovanog" atomskog jezgra, a oni će, zauzvrat, sudarajući se s drugim jezgrima, uzrokovati njihovu fisiju. Počeće tzv., ali će ga biti izuzetno teško pokrenuti.
Hajde da preciziramo skalu. Ako uzmemo jabuku na našem stolu kao jezgro atoma, onda da bismo zamislili jezgro susjednog atoma, istu jabuku će morati nositi i staviti na stol čak ni u susjednoj prostoriji, već... u susjednoj kući. Neutron će biti veličine koštice trešnje.
Kako emitovani neutroni ne bi uzalud odletjeli van uranijumskog ingota, a više od 50% njih bi svoju metu našlo u obliku atomskih jezgara, ovaj ingot mora imati odgovarajuće dimenzije. To je ono što se zove kritična masa uranijuma - masa pri kojoj se više od polovine emitovanih neutrona sudara sa drugim jezgrima.
U stvari, to se dešava u trenu. Broj razdvojenih jezgara raste poput lavine, njihovi fragmenti jure u svim smjerovima brzinom usporedivom sa brzinom svjetlosti, razdirući zrak, vodu i bilo koji drugi medij. Od njihovih sudara sa molekulima okruženje Područje eksplozije se trenutno zagrije na milione stupnjeva, zračeći toplinu koja spaljuje sve u susjedstvu od nekoliko kilometara.
Naglo zagrijani zrak trenutno se povećava u veličini, stvarajući snažan udarni val koji raznosi zgrade s temelja, prevrće i uništava sve što mu se nađe na putu... takva je slika atomske eksplozije.
Kako to izgleda u praksi
Uređaj atomske bombe je iznenađujuće jednostavan. Postoje dva ingota uranijuma (ili drugog, od kojih je masa nešto manja od kritične. Jedan od ingota je napravljen u obliku stošca, drugi je napravljen u obliku lopte sa stošcem -u obliku rupe.Kao što možete pretpostaviti, kada spojite obje polovine, dobijete loptu koja dostiže kritičnu masu.Ovo je standardna najjednostavnija nuklearna bomba.Dvije polovine su povezane pomoću konvencionalnog TNT naboja (konus se ispaljuje u kuglu) .
Ali nemojte misliti da takav uređaj bilo ko može sastaviti "na koljenu". Čitav trik je u tome da uranijum, da bi bomba eksplodirala iz njega, mora biti veoma čist, prisustvo nečistoća je praktično nula.
Zašto ne postoji atomska bomba veličine kutije cigareta
Sve iz istog razloga. Kritična masa najčešćeg izotopa uranijuma 235 je oko 45 kg. Eksplozija takve količine nuklearnog goriva već je katastrofa. A nemoguće je napraviti s manjom količinom tvari - jednostavno neće uspjeti.
Iz istog razloga nije bilo moguće stvoriti super-moćne atomske naboje od uranijuma ili drugih radioaktivnih metala. Da bi bomba bila veoma moćna, napravljena je od desetak ingota, koji su pri detoniranju detonirajućih punjenja jurili u centar spajajući se kao kriške narandže.
Ali šta se zapravo dogodilo? Ako su se, iz nekog razloga, dva elementa srela za hiljaditi dio sekunde ranije od ostalih, kritična masa je dostigla brže nego što bi ostali „stigli na vrijeme“, eksplozija nije bila one snage koju su projektanti očekivali. Problem super-moćnog nuklearnog oružja riješen je tek pojavom termonuklearnog oružja. Ali to je malo drugačija priča.
Kako radi miroljubivi atom?
Nuklearna elektrana je u suštini ista nuklearna bomba. Samo ova “bomba” ima gorivne šipke (gorivne elemente) napravljene od uranijuma smještene na određenoj udaljenosti jedna od druge, što ih ne sprječava da razmjenjuju neutronske “udare”.
Gorivne šipke se izrađuju u obliku šipki, između kojih se nalaze upravljačke šipke od materijala koji dobro upija neutrone. Princip rada je jednostavan:
- regulacioni (apsorbujući) štapovi se uvode u prostor između uranijumskih šipki - reakcija se usporava ili potpuno zaustavlja;
- kontrolne šipke se uklanjaju iz zone - radioaktivni elementi aktivno razmjenjuju neutrone, nuklearna reakcija teče intenzivnije.
Zaista, ispada ista atomska bomba, u kojoj se kritična masa postiže tako glatko i regulirana je tako jasno da ne dovodi do eksplozije, već samo do zagrijavanja rashladne tekućine.
Iako, nažalost, kako praksa pokazuje, ljudski genije nije uvijek u stanju obuzdati ovu ogromnu i destruktivnu energiju - energiju raspada atomskog jezgra.
1. Šta se zove lančana reakcija?ALI. Reakcija u kojoj nastaje lanac atomskih jezgara. B. reakcija nuklearne fisije. IN. Reakcija nuklearne fuzije. G. Reakcija u kojoj dolazi do raspada jezgara. D. Reakcija u kojoj se čestice koje je uzrokuju formiraju kao produkti te reakcije.
2. Reakcija fisije teških jezgara odvija se kao lančana reakcija zbog emisije određenih čestica. Navedite koje su čestice u datoj reakciji:. ALI. dva protona. B. Jedan proton i jedan neutron. IN. Tri neutrona. G. Dva neutrona. D. Jedan proton i dva neutrona.
3. Atomsko jezgro bizmuta kao rezultat niza radioaktivnih transformacija pretvorilo se u jezgro olova 
. Koje vrste radioaktivnih transformacija je doživjela?ALI. Alfa raspad. B. Beta plus raspad. IN. Beta minus raspad. G Beta plus raspad i alfa raspad. D. Beta minus raspad i alfa raspad.
4. Nukleus emituje g-kvant. Odaberite ispravnu od sljedećih tvrdnji. Serijski broj elementa: ALI. Povećanje. B. Smanjuje. IN. Ne menja se.
5. Jezgro emituje elektron. Od tvrdnji navedenih u tabeli odaberite tačan.
Precrtajte nepotrebno.
6. Prilikom provođenja reakcije nuklearne fisije jezgri uranijuma oslobađa se oko 165 MeV u obliku kinetičke energije kretanja nuklearnih fragmenata. Koje sile daju ubrzanje fragmentima jezgra, povećavajući njihovu kinetičku energiju?ALI. Kulonove sile. B. gravitacionih sila. IN. Nuklearne snage. G. Sile slabe interakcije. D. Sile nepoznate prirode. E. elektromagnetne sile.
7. Koji je uslov neophodan da bi došlo do nuklearne lančane reakcije: 1) masa uranijuma ili plutonijuma mora biti najmanje kritična masa; 2) dostupnost visoke temperature; 3) masa uranijuma ili plutonijuma mora biti manja od kritične mase?ALI. Samo 1. B. Samo 2. IN. 1 i 2. G. Samo 3. D. 2 i 3.
8. Kako se zove kritična masa u nuklearnom reaktoru uranijuma?ALI. Maksimalna masa uranijuma u reaktoru pri kojoj može raditi bez eksplozije. B. Minimalna masa uranijuma u reaktoru pri kojoj se može izvesti lančana reakcija. IN. Dodatna masa uranijuma uvedena je u reaktor da bi se pokrenuo. G. Dodatna masa supstance uvedena je u reaktor kako bi se u kritičnim slučajevima isključio.
9. Koje se od navedenih supstanci najčešće koriste u nuklearnim reaktorima kao apsorberi neutrona: 1) uranijum; 2) grafit; 3) kadmijum; 4) teška voda; 5) bor; 6) plutonijum.(Izaberi tačan odgovor).
10. Koje se od navedenih supstanci najčešće koriste u nuklearnim reaktorima kao moderatori neutrona: 1) uranijum; 2) grafit; 3) kadmijum; 4) teška voda; 5) bor; 6) plutonijum.(Izaberi tačan odgovor).
11. Koje se od navedenih supstanci najčešće koriste u nuklearnim reaktorima kao nuklearno gorivo: 1) uranijum; 2) grafit; 3) kadmijum; 4) teška voda; 5) bor; 6) plutonijum.(Izaberi tačan odgovor).
12. Koje se od navedenih supstanci obično koriste u nuklearnim reaktorima kao rashladna sredstva: 1) uranijum; 2) grafit; 3) kadmijum; 4) obična voda; 5) tečni natrijum; 6) plutonijum; 7) teška voda.(Izaberi tačan odgovor).
13. Kako se zove nuklearni reaktor - ovo je uređaj, u koji... ALI. nuklearna energija se pretvara u električnu energiju. B. odvija se kontrolisana reakcija nuklearne fisije. IN. dolazi do nuklearne fuzije. G. dolazi do nuklearnog raspada. D. odvija se hemijska reakcija.