5. sz. teszt
1.opció
A Becquerel által felfedezett radioaktivitás jelensége azt jelzi, hogy ...
B. Az atom összetétele elektronokat tartalmaz.
B. Az atom összetett szerkezetű.
D. Ez a jelenség csak az uránra jellemző.
Ki javasolta az atom szerkezetének nukleáris modelljét?
Az ábrán négy atom diagramja látható. A fekete pontok elektronok. Milyen séma felel meg egy atomnak 2 4 Nem?
Egy atom a következő részecskékből áll:
B. nukleonok és elektronok.
B. protonok és neutronok.
D. Neutronok és elektronok.
Mennyi a mangán atom magjának tömegszáma 25 55 Mn?
Az alábbi reakciók közül melyik sérti a töltés megmaradásának törvényét?
B. 3 6 Li + 1 1 H → 2 4 Ő + 2 3 Ő.
B. 2 3 Ő + 2 3 Ő → 2 4 Ő + 1 1 H + 1 1 H.
D. 3 7 Li + 2 4 He → 5 10 V + 0 1 n.
^ atommag protonokból és neutronokból áll. Milyen részecskepárok között hatnak az atommagban az atomerők?
B. Proton-neutron.
B. Neutron-neutron.
D. Minden A-B párban.
A proton és a neutron tömege...
B. Körülbelül ugyanaz.
B. Arány: 1:1836.
D. Körülbelül nulla.
a kalcium atom magjában 20 40 Sa tartalmaz...
B. 40 neutron és 20 elektron.
B. 20 proton és 40 elektron.
D. 20 proton és 20 neutron.
^ Milyen eszközben teszik láthatóvá a gyors töltésű részecske mozgásának nyomát egy gázban (a túltelített gőz ionokon történő lecsapódása következtében)?
B. A felhőkamrában.
G. A buborékkamrában.
^ Határozzuk meg a második X terméket egy magreakcióban: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Az atommag Z protonból és N neutronból áll. Szabad neutron tömege m n , szabad proton m p . Az alábbi feltételek közül melyik teljesül az atommag tömegére? m g ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. A feltétel a stabil magokhoz, B feltétel a radioaktív magokhoz.
Számítsuk ki egy atommag ∆m értékét (tömeghibát). 3 7 Li (amuban).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. D. ∆m ≈ 0,2.
14 Milyen mértékegységekben kell kifejezni a tömegértéket az atommagok kötési energiájának kiszámításakor a ∆E= ∆m*c képlettel 2 ?
A. Kilogrammban.
B. grammban.
B. Atomi tömegegységekben.
G. Joule-ban.
^ Mekkora a kritikus tömeg egy urán atomreaktorban?
B. Az urán minimális tömege, amelynél a reaktorban láncreakciót lehet végrehajtani.
B. További urántömeg bevezetése a reaktorba annak elindításához.
D. További anyagtömeg bevezetése a reaktorba annak leállításához kritikus esetekben.
^ Miféle radioaktív sugárzás a legveszélyesebb a külső emberi expozíció szempontjából?
B. gamma-sugárzás.
B. Alfa-sugárzás.
^ Kiegészítő feladat.
Minden kémiai elemek két vagy több izotópként léteznek. Határozza meg az izotópmagok összetételének különbségét! 17 35 Cl és 17 37 Cl.
B. a 17 37 Cl izotóp 2 protonnal kevesebb a magban, mint a 17 35 Cl.
A 17 37 Cl V. izotóp 2-vel több neutront tartalmaz az atommagban, mint a 17 35 Cl.
G. a 17 37 Cl izotóp 2 neutronnal kevesebb az atommagban, mint a 17 35 Cl.
18. Az atommagok alfa-bomlásában ...
a tömegszám megmarad és a töltés eggyel nő.
B. A tömegszám 4-gyel csökken, de a töltés változatlan marad.
B. A tömegszám 4-gyel csökken, a töltés pedig 2-vel nő.
D. A tömegszám 4-gyel, a töltés is 2-vel csökken.
^ 19. Magreakció során energia szabadul fel vagy nyel el. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 Nem + 2 3 Nem? Magok és részecskék tömegei a. m egyenlő a következőkkel: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 H=1,00728, m 2 4 Nem = 4,00260, m 2 3 Nem = 3,01602.
A. Felszívódott, mert. ∆m
B. Kiemelkedik, mert ∆m
B. Felszívódott, tk. ∆m > 0.
G. Kiemelkedik, mert ∆m > 0.
20. Amikor az 5 10 V izotópot neutronok bombázzák, a kialakult magból egy alfa-részecske kilökődik. A tömegszám és a töltés megmaradásának törvényei, valamint az elemek periódusos rendszere segítségével írja le a magreakciót!
5. sz. teszt
"Az atom és az atommag szerkezete" témában
2. lehetőség
^ 1. A radioaktív sugárzás összetétele tartalmazhat ...
A. Csak elektronok.
B. Csak neutronok.
B. Csak alfa-részecskék.
D. Béta-részecskék, alfa-részecskék, gamma-kvantumok.
^ 2. Rutherford kísérletek segítségével megállapította, hogy ...
V. A pozitív töltés egyenletesen oszlik el az atom teljes térfogatában.
B. A pozitív töltés az atom közepén koncentrálódik, és nagyon kis térfogatot foglal el.
B. Az atom összetétele elektronokat tartalmaz.
D. Az atomnak nincs belső szerkezete.
^ Az ábrán négy atom diagramja látható. Az elektronok fekete pontokként jelennek meg.
A mag a következő részecskéket tartalmazza:
B. Protonok és elektronok.
B. Protonok és neutronok
D. Neutronok és elektronok.
^ 5. Mekkora a stroncium atom magtöltése? 38 88 Sr?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
Az alábbi magreakcióegyenletek közül melyikben sérül meg a tömegszám megmaradásának törvénye?
B. 7 14 N + 2 4 Ő → 8 17 O + 1 1 H
B. 7 14 N + 1 1 H → 5 11 B + 2 4 Nem
D. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. nukleáris erők nukleonok között hat...
V. Sokszor nagyobbak, mint a gravitációs erők, és a töltött részecskék között hatnak.
B. Sokszor felülmúlják az összes típusú erőt, és bármilyen távolságban hatnak.
B. Sokszor felülmúlják az összes más típusú erőt, de csak az atommag méretéhez mérhető távolságban hatnak.
D. Sokszor nagyobbak, mint a gravitációs erők, és bármely részecskék között hatnak.
A proton és az elektron tömege...
B. Körülbelül ugyanaz.
B. Relate as 1: 1836.
D. Körülbelül nulla.
^ 8. A vasatom magjában 26 56 A Fe tartalmaz:
A. 26 neutron és 56 proton.
B. 56 neutron és 26 proton.
C. 26 proton és 56 elektron.
D. 26 proton és 30 neutron.
Melyik készülékben rögzítik az ionizáló részecske eredetét egy impulzus megjelenésével elektromos áram a felbukkanás következtében önkisülés gázban?
B. Geiger-számlálóban.
B. Szcintillációs számlálóban.
G. A buborékkamrában.
^ Határozzuk meg a magreakció második X termékét:
A. Alfa részecske (2 4 He).
B. Neutron.
V. Proton.
G. Electron.
^ 12. Egy atommag Z protonból és N neutronból áll. Szabad neutron tömege m n , szabad proton m p . Az alábbi feltételek közül melyik teljesül az m mag tömegére? én ?
A. m i Z*m p + m n ; B. m i \u003d Z * m p + N * m n
D. Stabil magokhoz A feltétel, radioaktív magokhoz B feltétel.
^ 13. Számítsa ki a tömeghibát (∆ m) a-ban! e. m. Az atommagok 2 3 Nem. A részecskék és az atommag tömege a-ban kifejezve. e. m., illetve egyenlő: m n = 1,00866; m p = 1,00728;
m én = 3,01602.
A. ∆m ≈ 0,072 B. ∆m ≈ 0,0072 C. ∆m ≈ -0,0072 D. ∆m ≈ 0
^ 14. Milyen mértékegységekben kapjuk meg az energiaértéket az atommagok kötési energiájának kiszámításakor a ∆E=m*c képlettel 2 ?
A. Elektronvoltban (eV).
B. Megaelektron voltban (MeV)
B. Joule-ban.
G. Az a. eszik.
^ 15. Egy atomreaktorban úgynevezett moderátorként olyan anyagokat használnak, mint a grafit vagy a víz. Mit kell lassítaniuk és miért?
V. Lelassítják a neutronokat, hogy csökkentsék a maghasadási reakció bekövetkezésének valószínűségét.
B. A neutronok lassítása a maghasadási reakció bekövetkezésének valószínűségének növelése érdekében.
B. Lassítsa le a hasadási láncreakciót, hogy megkönnyítse a reaktor vezérlését.
D. Lassítsd le az uránhasadás eredményeként képződött magtöredékeket, mert gyakorlati használatőket kinetikus energia.
^ 16. Milyen típusú radioaktív sugárzás a legveszélyesebb az emberi belső sugárterhelésre?
A. Béta sugárzás.
B. Gamma-sugárzás.
B. Alfa-sugárzás.
D. Mindhárom típusú sugárzás: alfa, béta, gamma.
^ Kiegészítő feladat.
Minden kémiai elem két vagy több izotópként létezik. Határozza meg a különbséget a 10 20 Ne és a 10 22 Ne izotópok magjai között
B. a 10 20 Ne izotóp 2 protonnal kevesebb az atommagban, mint a 10 22 Ne
B. a 10 22 Ne izotóp 2-vel több neutront tartalmaz az atommagban, mint a 10 20 Ne
G. a 10 22 Ne izotóp 2 neutronnal kevesebb az atommagban, mint a 10 20 Ne
18. Az atommagok béta-bomlása során ...
V. Az atommag tömege gyakorlatilag változatlan marad, így a tömegszám megmarad és a töltés növekszik.
B. A tömegszám 1-gyel nő, a töltés pedig 1-gyel csökken.
B. A tömegszám megmarad, és a töltés 1-gyel csökken.
D. A tömegszám 1-gyel csökken, a töltés megmarad.
19. A magreakció során energia szabadul fel vagy nyelődik el 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Az atommagok és a részecskék tömege (am.-ban) egyenlő: m 7 14 N \u003d 14,00307, m 2 4 He = 4,00260, m 8 17 O \u003d 16,99913, H .100313, m .10038
A. Felszívódott, mert. ∆m
B. Kiemelkedik, mert ∆m
B. Felszívódott, tk. ∆m > 0.
G. Kiemelkedik, mert ∆m > 0.
20. A tömegszám és a töltés megmaradásának törvényei, valamint az elemek periodikus rendszerének felhasználásával írjon fel egy magreakciót, amely 5 db 11 V-os alfa-részecskékkel való bombázáskor megy végbe, és neutronok kiütésével jár.
^ Válaszlap
nak nek ellenőrzési munka № 5
"Az atom és az atommag szerkezete" témában
Osztály _____________
Választási lehetőség _______| № szamár | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Válasz | |||||||||||||||||||||
| № add hozzá. feladatokat | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Válasz | |||||||||||||||||||||
^ Válaszlap
5. számú munka ellenőrzésére
"Az atom és az atommag szerkezete" témában
Dátum: _______________________20__
Osztály _____________
TELJES NÉV ________________________________
Választási lehetőség _______| № szamár | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Válasz | |||||||||||||||||||||
| № add hozzá. feladatokat | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Válasz | |||||||||||||||||||||
^ A helyes válaszok kódjai.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| AZ 1-BEN | BAN BEN | G | BAN BEN | B | G | DE | G | B | G | B | DE | B | DE | DE | B | BAN BEN | BAN BEN | G | B |
| IN 2 | G | B | BAN BEN | BAN BEN | B | BAN BEN | BAN BEN | DE | G | B | B | DE | DE | BAN BEN | BAN BEN | BAN BEN | BAN BEN | DE | B |
#20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 Ő (1 LEHETŐSÉG)
5 11 V + 2 4 Nem → 7 14 N + 1 1 N (2. OPCIÓ)
^ Táblázat a kötelező kérdésekre adott helyes válaszok számának pontszámmá konvertálásához ötfokú skálán.
A nukleáris veszélyes hasadóanyagokkal való biztonságos üzemeltetéshez a berendezés paramétereinek a kritikusnál kisebbnek kell lenniük. A nukleáris biztonság normatív paramétereiként a következőket használják: a nukleáris veszélyes hasadóanyag mennyisége, koncentrációja és térfogata; henger alakú berendezés átmérője; lapos rétegvastagság lemez alakú berendezésekhez. A normatív paraméter beállítása a megengedett paraméter alapján történik, amely kisebb, mint a kritikus, és nem szabad túllépni a berendezés működése során. Ugyanakkor szükséges, hogy a kritikus paramétereket befolyásoló jellemzők szigorúan meghatározott határokon belül legyenek. A következő érvényes paraméterek használatosak: az M add száma, a térfogat V add , az átmérő D add , a rétegvastagság a t add .
A kritikus paraméterek nukleáris veszélyes hasadó nuklid koncentrációjától való függését felhasználva meghatározzuk a kritikus paraméternek azt az értékét, amely alatt az SCRD bármilyen koncentrációban lehetetlen. Plutónium sók és dúsított urán oldatok esetében például egy végtelen henger kritikus tömege, térfogata, átmérője, végtelen lapos réteg vastagsága az optimális lassulás tartományában van. Fémesen dúsított urán és víz keveréke esetén a kritikus tömegnek, akárcsak az oldatoknak, van egy kifejezett minimuma az optimális lassulás tartományában, a kritikus térfogat, a végtelen henger átmérője és a végtelen lapos réteg vastagsága pedig magas. a dúsítás (>35%) minimális értékekkel rendelkezik moderátor hiányában (r n /r 5 =0); 35% alatti dúsítás esetén a keverék kritikus paraméterei az optimális lassulásnál minimálisak. Nyilvánvaló, hogy a minimális kritikus paraméterek alapján beállított paraméterek biztonságot nyújtanak a teljes koncentráció-tartományban. Ezeket a paramétereket biztonságosnak nevezzük, kisebbek a minimális kritikus paramétereknél. A következő biztonságos paramétereket alkalmazzuk: mennyiség, koncentráció, térfogat, átmérő, rétegvastagság.
A rendszer nukleáris biztonságának biztosításánál a hasadó nuklid koncentrációját (esetenként a moderátor mennyiségét) szükségszerűen korlátozza a megengedett paraméter, ugyanakkor a biztonságos paraméter használatakor a koncentrációt nem korlátozzák ( vagy a moderátor létszámáról).
2 KRITIKUS TÖMEG
Az, hogy kialakul-e láncreakció, négy folyamat versengésének eredményétől függ:
(1) Neutronok kilökése uránból,
(2) neutronok befogása uránnal hasadás nélkül,
(3) neutronok befogása szennyeződésekkel.
(4) neutronok befogása uránnal hasadással.
Ha az első három folyamatban a neutronveszteség kisebb, mint a negyedikben felszabaduló neutronok száma, akkor láncreakció lép fel; különben lehetetlen. Nyilvánvalóan, ha az első három folyamat közül nagyon valószínű, akkor a hasadás során felszabaduló neutrontöbblet nem fogja tudni biztosítani a reakció folytatódását. Például abban az esetben, ha a (2) folyamat (hasadás nélküli uránbefogás) valószínűsége sokkal nagyobb, mint a hasadással történő befogás valószínűsége, a láncreakció lehetetlen. További nehézséget jelent a természetes urán izotópja: három izotópból áll: 234 U, 235 U és 238 U, amelyek hozzájárulása 0,006, 0,7 és 99,3%. Fontos, hogy a (2) és (4) folyamatok valószínűsége különböző izotópokra eltérő, és eltérően függjön a neutron energiájától.
A különböző folyamatok versengésének értékeléséhez az anyagban a maghasadás láncfolyamatának fejlődése szempontjából, bevezetik a „kritikus tömeg” fogalmát.
Kritikus tömeg a hasadóanyag minimális tömege, amely biztosítja az önfenntartó maghasadási láncreakció lefolyását. Minél kisebb a kritikus tömeg, annál rövidebb a hasadási felezési idő és annál nagyobb a munkaelem hasadó izotóppal való dúsítása.
Kritikus tömeg - az önfenntartó hasadási láncreakció elindításához szükséges minimális hasadóanyag mennyiség. A neutronsokszorozó tényező ekkora anyagmennyiségben egyenlő az egységgel.
Kritikus tömeg a reaktor kritikus állapotú hasadóanyagának tömege.
Az atomreaktor kritikus méretei- a reaktormag azon legkisebb méretei, amelyeknél a nukleáris üzemanyag önfenntartó hasadási reakciója még végrehajtható. Általában a kritikus méret alá vegyük az aktív zóna kritikus térfogatát.
Az atomreaktor kritikus térfogata- a reaktormag térfogata kritikus állapotban.
Az uránból kibocsátott neutronok relatív száma a méret és az alak megváltoztatásával csökkenthető. Egy gömbben a felületi hatások a négyzettel, a térfogathatások pedig a sugár kockájával arányosak. A neutronok kiszökése az uránból felületi hatás, a felület méretétől függően; a hasadással történő befogás az anyag által elfoglalt teljes térfogatban történik, ezért az
térfogati hatás. Minél nagyobb az urán mennyisége, annál kevésbé valószínű, hogy az urántérfogatból származó neutronok kibocsátása felülmúlja a hasadásos befogást, és megakadályozza a láncreakciót. A neutronok elvesztése a nem hasadásos befogás során ömlesztett hatás, hasonlóan a neutronok felszabadulásához a hasadási befogás során, így a méret növekedése nem változtat relatív fontosságukon.
Az uránt tartalmazó eszköz kritikus méretei olyan méretekként határozhatók meg, amelyeknél a hasadás során felszabaduló neutronok száma pontosan megegyezik a maghasadással nem járó emisszióból és befogásból eredő veszteségükkel. Más szóval, ha a méretek kisebbek a kritikusnál, akkor értelemszerűen nem alakulhat ki láncreakció.
Csak páratlan izotópok alkothatnak kritikus tömeget. Csak 235 U található a természetben, és 239 Pu és 233 U mesterséges, atomreaktorban keletkeznek (238 U atommag általi neutronbefogás eredményeként
és 232 Th, amit két egymást követő β-bomlás követ).
BAN BEN a természetes uránban hasadási láncreakció nem alakulhat ki semmilyen mennyiségű uránnal, azonban az izotópokban, mint pl. A 235 U és 239 Pu láncos eljárás viszonylag könnyen megvalósítható. Neutron moderátor jelenlétében a természetes uránban is láncreakció megy végbe.
A láncreakció megvalósításának szükséges feltétele a kellően nagy mennyiségű hasadóanyag jelenléte, mivel kis méretű mintákban a legtöbb neutron átrepül a mintán anélkül, hogy magot találna. A nukleáris robbanás láncreakciója akkor következik be, amikor
valamilyen kritikus tömegű hasadóanyag.
Legyen egy hasadásra képes anyagdarab, például 235 U, amelybe egy neutron lép be. Ez a neutron vagy hasadást okoz, vagy haszontalanul elnyeli az anyag, vagy szétszóródva a külső felületen keresztül jön ki. Fontos, hogy mi fog történni a következő szakaszban - csökken-e vagy csökken-e az átlagos neutronszám, pl. legyengüljön vagy láncreakció alakuljon ki, pl. hogy a rendszer szubkritikus vagy szuperkritikus (robbanásveszélyes) állapotban lesz-e. Mivel a neutronok kibocsátását a méret (golyónál a sugár) szabályozza, felmerül a kritikus méret (és tömeg) fogalma. A robbanás kialakulásához a méretnek nagyobbnak kell lennie, mint a kritikus.
Egy hasadó rendszer kritikus mérete megbecsülhető, ha ismert a neutron út hossza a hasadóanyagban.
Az anyagon átrepülő neutron időnként ütközik az atommaggal, úgy tűnik, látja a keresztmetszetét. A mag keresztmetszetének mérete σ=10-24 cm2 (pajta). Ha N a benne lévő magok száma köbcentiméter, akkor az L =1/N σ kombináció adja átlagos hossz a neutron tartománya a magreakcióhoz képest. A neutron úthossza az egyetlen méretérték, amely kiindulási pontként szolgálhat a kritikus méret becsléséhez. Bármely fizikai elméletben hasonlósági módszereket használnak, amelyek viszont a méretmennyiségek, a rendszer jellemzői és az anyag dimenzió nélküli kombinációiból épülnek fel. Olyan mérettelen
a szám egy darab hasadóanyag sugarának és a benne lévő neutronok útjának hosszának aránya. Ha feltételezzük, hogy a dimenzió nélküli szám egység nagyságrendű, az úthossz pedig tipikus N = 1023 értéknél, akkor L = 10 cm
(σ = 1 esetén) (általában σ általában jóval nagyobb, mint 1, tehát a kritikus tömeg kisebb, mint a becslésünk). A kritikus tömeg egy adott nuklid hasadási reakciójának keresztmetszetétől függ. Igen, alkotni atombomba kb 3 kg plutóniumra vagy 8 kg 235 U-ra van szükség (robbanékony sémával és tiszta 235 U esetén) Egy atombomba hordóvázlatánál kb. 50 kg fegyverminőségű uránra van szükség (Sűrűséggel 1,895 104 kg/m 5 cm urán, ami meglepően jól összhangban van becslésünkkel
R = L \u003d 10 cm).
Vezessünk most egy szigorúbb képletet a hasadóanyag kritikus méretének kiszámításához.
Mint ismeretes, az uránmag bomlása során több szabad neutron keletkezik. Némelyikük elhagyja a mintát, néhányukat pedig más magok abszorbeálják, ami a hasadást okozza. Láncreakció következik be, ha a mintában lévő neutronok száma lavinaszerűen növekedni kezd. A neutron diffúziós egyenlet felhasználható a kritikus tömeg meghatározására:
∂C |
D C + β C |
||
∂t |
|||
ahol C a neutronkoncentráció, β>0 a neutronszaporodási reakció sebességi állandója (hasonlóan a radioaktív bomlási állandóhoz, amelynek mérete 1/sec, D a neutron diffúziós együtthatója,
Legyen a minta gömb alakú, R sugarú. Ekkor olyan megoldást kell találnunk az (1) egyenletre, amely kielégíti a peremfeltételt: C (R,t )=0.
Végezzük el a C = ν e β t változtatást, akkor
∂C |
∂ν |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v = D |
+ βν e |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
∂t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Megkaptuk a hővezetés klasszikus egyenletét: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∂ν |
D v |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Ennek az egyenletnek a megoldása jól ismert |
π 2 n 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ν(r, t)= |
sin n re |
||||||||||||||||||||||||||||||||
π 2 n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
β − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
C(r, t) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
sin n re |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
r n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
A láncreakció a feltételek mellett megy végbe (azaz |
C(r,t) |
t →∞ → ∞ ), hogy legalább egy n-re az együttható in |
|||||||||||||||||||||||||||||||
kitevő pozitív. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Ha β − π 2 n 2 D > 0, |
akkor β > π 2 n 2 D és a gömb kritikus sugara: |
R = n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Ha π |
≥ R , akkor bármely n esetén nem lesz növekvő kitevő |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ha π |
< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Korlátozzuk magunkat a sorozat első tagjára, n = 1: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
R = π |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Kritikus tömeg: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
M = ρ V = ρ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Minimális érték a labda sugarát, amelynél láncreakció lép fel, ún
kritikus sugár , és a megfelelő golyó tömege kritikus tömeg.
Az R értékét behelyettesítve megkapjuk a kritikus tömeg kiszámításának képletét:
M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β
A kritikus tömeg értéke a minta alakjától, a neutronszorzótényezőtől és a neutron diffúziós együtthatótól függ. Meghatározásuk összetett kísérleti probléma, ezért a kapott képlet segítségével határozzuk meg a feltüntetett együtthatókat, és az elvégzett számítások a kritikus tömeg meglétét igazolják.
A mintanagyság szerepe nyilvánvaló: a méret csökkenésével nő a felületén keresztül kibocsátott neutronok százalékos aránya, így kis (kritikus alatti!) mintaméreteknél a láncreakció lehetetlenné válik még az abszorpciós folyamatok és az abszorpciós folyamatok közötti kedvező arány mellett is. neutronok termelése.
A nagymértékben dúsított urán esetében a kritikus tömeg körülbelül 52 kg, a fegyveres minőségű plutónium esetében 11 kg. A nukleáris anyagok lopás elleni védelmére vonatkozó szabályozási dokumentumok kritikus tömegeket jeleznek: 5 kg 235 U vagy 2 kg plutónium (az atombomba robbanási sémájához). Az ágyús séma esetében a kritikus tömegek sokkal nagyobbak. Ezen értékek alapján épül fel a hasadóanyagok terrortámadásokkal szembeni védelmének intenzitása.
Megjegyzés. A 93,5%-ban dúsított uránfém rendszer (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) kritikus tömege reflektor nélkül 52 kg, ha a rendszert berillium-oxid neutron reflektor veszi körül, 8,9 kg. Az urán vizes oldatának kritikus tömege körülbelül 5 kg.
A kritikus tömeg értéke függ az anyag tulajdonságaitól (például a hasadási és sugárzásbefogási keresztmetszetek), a sűrűségtől, a szennyeződések mennyiségétől, a termék alakjától, valamint a környezettől. Például a neutron reflektorok jelenléte nagymértékben csökkentheti a kritikus tömeget. Egy adott hasadóanyag esetében a kritikus tömeget alkotó anyag mennyisége széles tartományban változhat, és függ a reflektor sűrűségétől, jellemzőitől (anyagtípus és vastagság), valamint az inert hígítószerek (pl. oxigén urán-oxidban, 238 U részlegesen dúsított 235 U vagy kémiai szennyeződések).
Összehasonlítás céljából íme a reflektor nélküli golyók kritikus tömege többféle szabványos sűrűségű anyaghoz.
Összehasonlításképpen a következő példákat adjuk a kritikus tömegekre: 10 kg 239 Pu, fém alfa fázisban
(sűrűsége 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), fém (sűrűség 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)
sűrűségnél kristályos forma 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) kristályos sűrűségben
11,4 g/cm3 formában. A tiszta hasadó nuklidok sóinak vizes oldatai vízneutron reflektorral rendelkeznek a legalacsonyabb kritikus tömeggel. 235 U-nál a kritikus tömeg 0,8 kg, 239 Pu-nál 0,5 kg, 251 Cf-nél ez
Az M kritikus tömeg az l kritikus hosszhoz kapcsolódik: M lx , ahol x a minta alakjától függ, és 2-től 3-ig terjed. Az alakfüggés a neutronok felületen keresztüli szivárgásával függ össze: minél nagyobb a felület, annál nagyobb a kritikus tömeg. A minimális kritikus tömegű minta gömb alakú. Tab. 5. A maghasadásra képes tiszta izotópok főbb becsült jellemzői
Neutronok |
||||||||
Nyugta |
kritikai |
Sűrűség |
Hőfok |
Hőleadás |
spontán |
|||
fél élet |
||||||||
(egy forrás) |
g/cm³ |
olvadáspont °C |
||||||
T 1/2 |
105 (kg s) |
|||||||
231Pa |
||||||||
232U |
A reaktor bekapcsolva |
|||||||
neutronok |
||||||||
233U |
||||||||
235U |
Természetes |
7.038×108 év |
||||||
236U |
2,3416×107 év? kg |
|||||||
237 Np |
2,14×107 év |
|||||||
236Pu |
||||||||
238Pu |
||||||||
239Pu |
||||||||
240 Pu |
||||||||
241Pu |
||||||||
242Pu |
||||||||
241 am |
||||||||
242 mAm |
||||||||
243 mAm |
||||||||
243 am |
||||||||
243 cm |
||||||||
244 cm |
||||||||
245 cm |
||||||||
246 cm |
||||||||
247 cm |
1,56×107 év |
|||||||
248 cm |
||||||||
249Vö |
||||||||
250Vö |
||||||||
251Vö |
||||||||
252Vö |
||||||||
Nézzük meg részletesebben néhány elem izotópjának kritikus paramétereit. Kezdjük az uránnal.
Mint már többször említettük, a 235 U (0,72% clarke) különösen fontos, mivel termikus neutronok hatására hasad (σ f = 583 barn), miközben 2 × 107 kWh / „hőenergia-egyenértéket” bocsát ki. k. Mivel az α-bomláson kívül 235 U is spontán osztódik (T 1/2 \u003d 3,5 × 1017 év), a neutronok mindig jelen vannak az urán tömegében, ami azt jelenti, hogy meg lehet teremteni a feltételeket az urán előfordulásához önfenntartó hasadási láncreakció. A 93,5%-os dúsítású fémurán esetében a kritikus tömeg: 51 kg reflektor nélkül; 8,9 kg berillium-oxid reflektorral; 21,8 kg teljes vízterelővel. Az urán és vegyületei homogén keverékeinek kritikus paraméterei a következőkben vannak megadva
A plutónium izotópok kritikus paraméterei: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = 12-7,45 kg. A legérdekesebbek az izotópok keverékei: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. A 238 Pu nagy fajlagos energiafelszabadulása a fém levegőben történő oxidációjához vezet, ezért nagy valószínűséggel oxidok formájában kerül felhasználásra. A 238 Pu beérkezésekor a kísérő izotóp a 239 Pu. Ezen izotópok aránya a keverékben meghatározza mind a kritikus paraméterek értékét, mind a moderátortartalom változásától való függést. A 238 Pu-os csupasz fémgömb kritikus tömegére vonatkozó különféle becslések 12-7,45 kg-os értékeket adnak, szemben a 239 Pu-hoz tartozó 9,6 kg-os kritikus tömeggel. Mivel a 239 Pu atommag páratlan számú neutront tartalmaz, a kritikus tömeg csökkenni fog, ha vizet adunk a rendszerhez. A 238 Pu kritikus tömege víz hozzáadásával nő. Ezen izotópok keveréke esetén a víz hozzáadásának nettó hatása az izotóparánytól függ. Ha a 239 Pu tömegtartalma 37% vagy kevesebb, a 239 Pu és 238 Pu izotópok keverékének kritikus tömege nem csökken, amikor vizet adnak a rendszerhez. Ebben az esetben a 239 Pu-238 Pu-dioxid megengedett mennyisége 8 kg. Másokkal
238 Pu és 239 Pu-dioxid arányok esetén a kritikus tömeg minimális értéke a tiszta 239 Pu esetében 500 g és a tiszta 238 Pu esetében 24,6 kg között változik.
Tab. 6. ábra: Az urán kritikus tömegének és kritikus térfogatának függősége a 235 U dúsítástól.
Jegyzet. I - fémurán és víz homogén keveréke; II - urán-dioxid és víz homogén keveréke; III - uranil-fluorid vizes oldata; IV - uranil-nitrát vizes oldata. * Grafikus interpolációval nyert adatok.
Egy másik páratlan számú neutron izotóp a 241 Pu. A 241 Pu kritikus tömegének minimális értéke 30 g/l koncentrációjú vizes oldatokban érhető el, és 232 kg. A besugárzott üzemanyagból 241 Pu átvételekor mindig 240 Pu jár hozzá, ami tartalmilag nem haladja meg azt. Ha az izotópok keverékében lévő nuklidok egyenlő arányban vannak jelen, a 241 Pu minimális kritikus tömege meghaladja a 239 Pu kritikus tömegét. Ezért a minimális kritikus tömegre tekintettel a 241 Pu izotóp at
A 239 Pu helyettesíthető a 239 Pu-val, ha az izotópkeverék azonos mennyiségben tartalmaz
241 Pu és 240 Pu.
Tab. 7. A 100%-os dúsítású urán minimális kritikus paraméterei 233 U-ban.
Nézzük most az americium izotópok kritikus jellemzőit. A 241 Am és 243 Am izotópok jelenléte a keverékben növeli a 242 m Am kritikus tömeget. Mert vizes oldatok van olyan izotóparány, hogy a rendszer mindig szubkritikus. Ha a 241 m Am és 242 m Am keverékben a 242 m Am tömegtartalom kevesebb, mint 5%, a rendszer szubkritikus marad az amerícium oldatokban és 2500 g/l mechanikus dioxid-vízkeverékekben lévő koncentrációjáig. 243 Am keverve 242m Am is nő
a keverék kritikus tömege, de kisebb mértékben, mivel a termikus neutron befogási keresztmetszete 243 Am esetén egy nagyságrenddel kisebb, mint 241 Am esetén
Tab. 8. Homogén plutónium (239 Pu+240 Pu) gömb alakú összeállítások kritikus paraméterei.
Tab. 9. A plutóniumvegyületek* kritikus tömegének és térfogatának függése a plutónium izotóp-összetételétől
* A fő nuklid 94 239 Pu.
Jegyzet. I - fémes plutónium és víz homogén keveréke; II - plutónium-dioxid és víz homogén keveréke; III plutónium-oxalát és víz homogén keveréke; IV - plutónium-nitrát vizes oldata.
Tab. 10. ábra A 242 m Am minimális kritikus tömegének a tartalomtól való függése 242 m Am és 241 Am keverékben (a kritikus tömeget AmO2 + H2 O-ra számítottuk gömbgeometriában vízvisszaverővel):
Kritikus tömeg 242 m Am, g |
|
Kis, 245 cm-es tömeghányadnál figyelembe kell venni, hogy a 244 cm-nek is véges kritikus tömege van moderátor nélküli rendszerekben. Más, páratlan számú neutronnal rendelkező kúrium izotópok minimális kritikus tömege többszöröse 245 cm-nél. CmO2 + H2O keverékben a 243 cm-es izotóp minimális kritikus tömege körülbelül 108 g, a 247 cm-es pedig körülbelül 1170 g.
kritikus tömeg esetén feltételezhetjük, hogy 1 g 245 cm 3 g 243 cm-nek vagy 30 g 247 cm-nek felel meg. Minimális kritikus tömeg 245 cm, g, 245 cm tartalomtól függően 244 cm és 245 cm izotópok keverékében СmО2 +
A H2O-t elég jól leírja a képlet
Mcr=35,5+ |
||||
ξ + 0,003 |
||||
ahol ξ - tömeghányad 245 cm kúrium izotópok keverékében.
A kritikus tömeg a hasadási reakció keresztmetszetétől függ. Fegyverek készítésekor mindenféle trükkel csökkenthető a robbanáshoz szükséges kritikus tömeg. Tehát egy atombomba létrehozásához 8 kg urán-235 szükséges (implóziós sémával és tiszta urán-235 esetén; 90% urán-235 alkalmazásakor és atombomba szársémája esetén legalább 45 kg fegyverminőségű urán szükséges). A kritikus tömeg jelentősen csökkenthető, ha a hasadóanyag mintáját neutronokat visszaverő anyagréteggel, például berilliummal vagy természetes uránnal veszik körül. A reflektor visszaadja a minta felületén keresztül kibocsátott neutronok jelentős részét. Például, ha 5 cm vastag, uránból, vasból, grafitból készült reflektort használ, a kritikus tömeg a „csupasz labda” kritikus tömegének fele lesz. A vastagabb reflektorok csökkentik a kritikus tömeget. A berillium különösen hatékony, mivel a standard kritikus tömeg 1/3-ának megfelelő kritikus tömeget biztosít. A termikus neutronrendszer rendelkezik a legnagyobb kritikus térfogattal és a legkisebb kritikus tömeggel.
Fontos szerepet játszik a hasadó nuklid dúsítási foka. A 0,7% 235 U tartalmú természetes urán nem használható atomfegyverek gyártására, mivel az urán maradék része (238 U) intenzíven nyeli el a neutronokat, megakadályozva a láncfolyamat kialakulását. Ezért az uránizotópokat szét kell választani, ami összetett és időigényes feladat. Az elválasztást 95% feletti dúsítási fokig kell végrehajtani 235 U-ban. Útközben meg kell szabadulni a nagy neutronbefogási keresztmetszetű elemek szennyeződéseitől.
Megjegyzés. A fegyverminőségű urán előkészítése során nemcsak megszabadulnak a szükségtelen szennyeződésektől, hanem más szennyeződésekkel helyettesítik azokat, amelyek hozzájárulnak a láncfolyamathoz, például elemeket - neutrontenyésztőket - vezetnek be.
Az urándúsítás mértéke jelentős hatással van a kritikus tömeg értékére. Például a 235 U 50%-os uránnal dúsított urán kritikus tömege 160 kg (a 94%-os urán tömegének háromszorosa), a 20%-os urán kritikus tömege pedig 800 kg (azaz kb. 15-ször nagyobb a kritikusnál). tömeg 94% urán). A dúsítási szinttől való hasonló függőségi együtthatók érvényesek az urán-oxidra is.
A kritikus tömeg fordítottan arányos az anyag sűrűségének négyzetével, M ~1/ρ 2 , . Így a fémes plutónium kritikus tömege a delta fázisban (sűrűsége 15,6 g/cm3) 16 kg. Ezt a körülményt a kompakt atombomba tervezésekor figyelembe veszik. Mivel a neutronbefogás valószínűsége arányos az atommagok koncentrációjával, a minta sűrűségének növekedése, például annak összenyomódása következtében, a mintában való megjelenéshez vezethet. Kritikus állapotban. A nukleáris robbanószerkezetekben a biztonságos szubkritikus állapotban lévő hasadóanyag tömegét irányított robbanás segítségével, a töltetet nagymértékű kompressziónak kitéve, robbanásveszélyes szuperkritikus állapotba juttatják.
A Hirosimán és Nagaszakiban bekövetkezett badaboom következő évfordulóján úgy döntöttem, hogy felkutatom az internetet a nukleáris fegyverekkel kapcsolatos kérdések után, mivel az, hogy miért és hogyan jött létre, nem érdekelt (már tudtam) – jobban érdekelt, hogyan 2 A plutónium darabok nem olvadnak meg, hanem nagy méretűek.
Tartsa szemmel a mérnököket – vetőgéppel kezdik, és atombombával érnek véget.
Az atomfizika a tiszteletreméltó egyik legbotrányosabb területe természettudomány. Ezen a területen az emberiség fél évszázada dollár-, font-, frank- és rubelmilliárdokat dobál be, mint egy kései vonat mozdonykemencéjébe. Most úgy tűnik, hogy a vonat már nem késik. Az égő eszközök és munkaórák tomboló lángjai alábbhagytak. Próbáljuk meg röviden megérteni, hogy milyen vonat az „atomfizika”.
Izotópok és radioaktivitás
Mint tudják, minden, ami létezik, atomokból áll. Az atomok pedig elektronhéjakból állnak, amelyek észbontó törvényeik szerint élnek, és az atommagból. A klasszikus kémiát teljesen érdektelen az atommag és annak magánélete. Számára az atom az elektronja és a kölcsönhatáscsere képessége. A kémia magjából pedig csak a tömege szükséges a reagensek arányának kiszámításához. A magfizika viszont nem törődik az elektronokkal. Érdekli egy apró (az elektronpályák sugaránál 100 ezerszer kisebb) porszemcse az atomon belül, amelyben szinte teljes tömege koncentrálódik.
Mit tudunk a magról? Igen, pozitív töltésű protonokból és elektromosan töltetlen neutronokból áll. Ez azonban nem teljesen igaz. A mag nem egy maroknyi kétszínű golyó, mint egy iskolai tankönyv illusztrációján. Itt teljesen más törvények működnek, úgynevezett erős kölcsönhatások, amelyek mind a protonokat, mind a neutronokat valami megkülönböztethetetlen zűrzavarba változtatják. Ennek a zűrzavarnak a töltése azonban pontosan megegyezik a bekerülő protonok össztöltésével, és a tömeg majdnem (ismétlem, majdnem) egybeesik az atommagot alkotó neutronok és protonok tömegével.
Egyébként egy nem ionizált atom protonjainak száma mindig egybeesik azon elektronok számával, amelyeknek megtiszteltetésük van, hogy körülvegyék. De a neutronokkal a dolog nem ilyen egyszerű. Szigorúan véve a neutronok feladata az atommag stabilizálása, mert nélkülük a hasonló töltésű protonok mikroszekundumokra sem férnének ki egymással.
Vegyük a hidrogént a határozottság kedvéért. A leggyakoribb hidrogén Készüléke nevetségesen egyszerű – egy protont egy orbitális elektron vesz körül. Hidrogén az univerzumban ömlesztve. Elmondhatjuk, hogy az univerzum főleg hidrogénből áll.
Most óvatosan adjunk hozzá egy neutront a protonhoz. Kémiailag még mindig hidrogén. De a fizika szempontjából nem. Miután két különböző hidrogént fedeztek fel, a fizikusok aggódtak, és azonnal felmerült az az ötlet, hogy közönséges hidrogén protiumnak, és egy protonnal rendelkező neutronos hidrogént - deutériumnak nevezzenek.
Legyünk merészek, és tápláljuk az atommagot egy másik neutronnal. Most van egy másik hidrogénünk, még nehezebb - a trícium. Ismétlem, kémiai szempontból gyakorlatilag nem különbözik a másik két hidrogéntől (jó, kivéve, hogy most egy kicsit kevésbé szívesen lép be a reakcióba). Azonnal figyelmeztetni szeretném Önt – semmilyen erőfeszítés, fenyegetés és buzdítás nem lesz képes még egy neutronnal hozzáadni a trícium atommagot. A helyi törvények sokkal szigorúbbak, mint az emberi törvények.
Tehát a protium, a deutérium és a trícium a hidrogén izotópjai. Az atomtömegük eltérő, de a töltésük nem. De az atommag töltése határozza meg a helyét periodikus rendszer elemeket. Ezért nevezik az izotópokat izotópoknak. Görögről lefordítva ez azt jelenti, hogy "ugyanazon a helyen elfoglalni". A jól ismert nehézvíz egyébként ugyanaz a víz, de protium helyett két deutériumatommal. Ennek megfelelően a szupernehéz víz protium helyett tríciumot tartalmaz.
Nézzük újra a hidrogéneinket. Szóval... A Protium a helyén, a deutérium a helyén... És ez ki más? Hová lett a trícium, és honnan jött a hélium-3? A mi tríciumunkban az egyik neutron egyértelműen megunta, úgy döntött, szakmát vált, és proton lett. Ennek során egy elektront és egy antineutrínót szült. A trícium elvesztése természetesen kiábrándító, de most már tudjuk, hogy instabil. A neutronok táplálása nem volt hiábavaló.
Tehát, amint érti, az izotópok stabilak és instabilak. Rengeteg stabil izotóp van körülöttünk, de instabilok hála Istennek gyakorlatilag nincsenek. Azaz elérhetőek, de olyan szétszórt állapotban, hogy nagyon nagy munka árán kell beszerezni. Például az urán-235, amely annyi gondot okozott Oppenheimernek, a természetes uránnak csak 0,7%-a.
Fél élet
Itt minden egyszerű. Az instabil izotóp felezési ideje az az időtartam, amely alatt az izotóp atomjainak pontosan fele bomlik el, és más atomokká alakul. A számunkra már ismerős trícium felezési ideje 12,32 év. Ez egy meglehetősen rövid életű izotóp, bár a francium-223-hoz képest, amelynek felezési ideje 22,3 perc, a trícium szürke szakállas aksakalnak tűnik.
A felezési időt semmilyen makroszkopikus külső tényező (nyomás, hőmérséklet, páratartalom, a kutató hangulata, az allokációk mennyisége, a csillagok helyzete) nem befolyásolja. Kvantummechanikaérzéketlen az ilyen hülyeségekre.
Népszerű robbanásszerelő
Minden robbanás lényege a korábban nem szabad, kötött állapotban lévő energia gyors felszabadulása. A felszabaduló energia disszipálódik, főként hővé (a molekulák rendezetlen mozgásának kinetikus energiája), lökéshullámmá (mozgás is van, de már elrendelt, a robbanás középpontjától indulva) és sugárzás - lágyból. infravöröstől kemény rövidhullámú kvantumig.
Egy kémiai robbanásban minden viszonylag egyszerű. Energetikailag kedvező reakció akkor következik be, amikor bizonyos anyagok kölcsönhatásba lépnek egymással. Egyes atomoknak csak a felső elektronrétegei vesznek részt a reakcióban, és a kölcsönhatás nem megy mélyebbre. Könnyű kitalálni, hogy minden anyagban sokkal több látens energia van. De bármilyenek is legyenek a kísérlet körülményei, bármilyen sikeres reagenst választunk, hiába állítjuk be az arányokat, a kémia nem engedi, hogy mélyebbre hatoljunk az atomban. A kémiai robbanás primitív jelenség, hatástalan és a fizika szempontjából obszcén gyenge.
A nukleáris láncreakció lehetővé teszi, hogy egy kicsit mélyebbre ássunk, beleértve nemcsak az elektronokat, hanem az atommagokat is. Ez talán csak egy fizikus számára hangzik igazán súlyosan, a többihez pedig egy egyszerű hasonlatot adok. Képzeljünk el egy óriási súlyt, amely körül több kilométeres távolságban felvillanyozott porszemcsék csapkodnak. Ez egy atom, a „súly” az atommag, a „porrészecskék” pedig elektronok. Bármit is csinál ezekkel a porrészecskékkel, még egy századot sem adnak annak az energiának, amit egy súlyos súlyból nyerhetünk. Főleg, ha valamilyen oknál fogva felhasad, és a hatalmas töredékek nagy sebességgel szóródnak szét különböző irányokba.
A nukleáris robbanás aktiválja az atommagot alkotó nehéz részecskék kötési potenciálját. De ez még messze van a határtól: sokkal több látens energia van az anyagban. És ennek az energiának a neve tömeg. Megint egy nem fizikus számára ez kissé szokatlanul hangzik, de a tömeg energia, csak rendkívül koncentrált. Minden részecske: egy elektron, egy proton, egy neutron – ezek mind hihetetlenül sűrű energia apró csomói, amelyek egyelőre nyugalmi állapotban maradnak. Valószínűleg ismeri az E = mc2 képletet, amelyet annyira szerettek a viccek szerzői, a faliújságok szerkesztői és az iskolai tantermek tervezői. Erről van szó, és ő az, aki a tömeget nem másnak tekinti, mint az energia egy formáját. És választ ad arra a kérdésre is, hogy egy anyagból mennyi energiát lehet maximálisan nyerni.
A tömeg, azaz a kötött energia szabad energiává való teljes átalakulásának folyamatát megsemmisülésnek nevezzük. A latin „nihil” gyökből könnyen kitalálható a lényege - ez „semmivé”, vagy inkább sugárzássá való átalakulás. Az érthetőség kedvéért néhány szám.
Robbanásos TNT egyenértékű energia (J)
F-1 gránát 60 grammos 2,50*105
Hirosimára dobott bomba 16 kilotonna 6,70*1013
Egy gramm anyag megsemmisítése 21,5 kilotonna 8,99*1013
Egy gramm anyag (csak a tömeg a fontos) több energiát ad a megsemmisítés során, mint egy kis atombomba. Egy ilyen visszatéréshez képest nevetségesnek tűnnek a fizikusok maghasadási gyakorlatai, és még inkább a kémikusok aktív reagensekkel végzett kísérletei.
A megsemmisítéshez megfelelő feltételek szükségesek, nevezetesen az anyag érintkezése antianyaggal. És a "vörös higannyal" vagy a "bölcsek kövével" ellentétben az antianyag több, mint valódi - az általunk ismert részecskék esetében léteznek hasonló antirészecskék, amelyeket tanulmányoztak, és többször is végeztek kísérleteket az "elektron + pozitron" párok megsemmisítésére. gyakorlatban. De ahhoz, hogy megsemmisítő fegyvert hozzunk létre, bizonyos jelentős mennyiségű antirészecskét kell összehozni, és korlátozni kell őket bármilyen anyaggal való érintkezéstől egészen a harci használatig. Ez, pá-páh, még távoli kilátás.
tömeghiba
Az utolsó tisztázandó kérdés a robbanás mechanikájával kapcsolatban az, hogy honnan származik az energia: ugyanabból, amelyik a láncreakció során felszabadul? Itt megint mise volt. Illetve a "hibája" nélkül.
A tudósok egészen a múlt századig azt hitték, hogy a tömeg minden körülmények között megmarad, és a maguk módján igazuk volt. Így a fémet savvá engedtük – a retorta forrni kezdett, és gázbuborékok rohantak fel a folyadék vastagságán. De ha a reakció előtt és után lemérjük a reagenseket anélkül, hogy megfeledkeznénk a fejlődő gázról, akkor a tömeg konvergál. És ez mindig így lesz, amíg kilogrammal, méterekkel és kémiai reakciókkal operálunk.
De érdemes elmélyedni a mikrorészecskék területén, valamint a tömeg is meglep. Kiderül, hogy egy atom tömege nem feltétlenül egyenlő az őt alkotó részecskék tömegének összegével. Amikor egy nehéz mag részeire osztják (például ugyanazon uránra), a "töredékek" összességében kisebb súlyúak, mint a maghasadás előtti mag. A „különbség”, amelyet tömeghibának is neveznek, a magon belüli kötési energiák felelősei. És ez a különbség az, ami a robbanás során hőbe és sugárzásba megy át, mindezt ugyanazon egyszerű képlet szerint: E=mc2.
Ez érdekes: így történt, hogy energetikailag előnyös a nehéz atommagok felosztása, a könnyű atommagok egyesítése. Az első mechanizmus urán- vagy plutóniumbombában működik, a második - hidrogénbombában. És nem lehet minden vágyaddal vasból bombát csinálni: pontosan a közepén áll ebben a sorban.
Atombomba
Történelmi sorrendben először nézzük meg az atombombákat, és végezzük el a mi kis Manhattan projektünket. Nem untatlak az izotópszétválasztás unalmas módszereivel és a hasadási láncreakció elméletének matematikai számításaival. Rendelkezünk uránnal, plutóniummal, egyéb anyagokkal, összeszerelési útmutatóval és a szükséges tudományos kíváncsisággal.
Az urán összes izotópja bizonyos fokig instabil. Az urán-235 azonban különleges helyzetben van. Az urán-235 atommag spontán bomlása során (alfa-bomlásnak is nevezik) két fragmentum (más, sokkal könnyebb elemek magjai) és több neutron (általában 2-3) keletkezik. Ha a bomlás során keletkezett neutron egy másik uránatom magjába ütközik, akkor közönséges rugalmas ütközés következik be, a neutron visszapattan és tovább keresi a kalandokat. De egy idő után energiát pazarol (ideális esetben rugalmas ütközések csak gömb alakú lovakban fordulnak elő vákuumban), és a következő atommag csapda lesz - a neutron elnyeli. Egyébként az ilyen neutront a fizikában termikus neutronnak nevezik.
Tekintse meg az urán ismert izotópjainak listáját. Köztük nincs 236 atomtömegű izotóp. Tudod miért? Egy ilyen mag a mikroszekundumok töredékéig él, majd hatalmas mennyiségű energia felszabadulásával bomlik le. Ezt kényszervesztésnek nevezik. Egy ilyen élettartamú izotópot még kissé kínos izotópnak nevezni.
Az urán-235 atommag bomlása során felszabaduló energia a töredékek és neutronok kinetikai energiája. Ha kiszámítjuk az uránmag bomlástermékeinek teljes tömegét, majd összehasonlítjuk az eredeti atommag tömegével, akkor kiderül, hogy ezek a tömegek nem egyeznek - az eredeti atommag nagyobb volt. Ezt a jelenséget tömeghibának nevezzük, és magyarázata az E0=mс2 képletben rejlik. A töredékek kinetikus energiája osztva a fénysebesség négyzetével pontosan egyenlő lesz a tömegkülönbséggel. A töredékek lelassulnak az urán kristályrácsában, amitől röntgensugarak, és a neutronok az utazás után más uránmagokban elnyelődnek, vagy elhagyják az uránöntvényt, ahol minden esemény játszódik.
Ha az uránöntvény kicsi, akkor a neutronok többsége anélkül hagyja el, hogy lenne ideje lelassulni. De ha minden kényszerű bomlási aktus legalább még egyet okoz a kibocsátott neutron miatt, az már önfenntartó hasadási láncreakció.
Ennek megfelelően, ha növeljük az öntvény méretét, a növekvő számú neutron kényszerhasadást okoz. És egy ponton a láncreakció irányíthatatlanná válik. De ez még messze van a nukleáris robbanástól. Csak egy nagyon "piszkos" hőrobbanás, amiben nagyszámú nagyon aktív és mérgező izotópok.
Egészen logikus kérdés - mennyi urán-235 szükséges ahhoz, hogy a hasadási láncreakció lavinává váljon? Valójában nem minden olyan egyszerű. Itt a hasadóanyag tulajdonságai, a térfogat és a felület aránya játszanak szerepet. Képzeljünk el egy tonna urán-235-öt (azonnal lefoglalom - ez sok), amely vékony és nagyon hosszú vezeték formájában létezik. Igen, a mellette repülő neutron természetesen kényszerbomlást fog okozni. De a vezeték mentén repülő neutronok hányada olyan kicsinek bizonyul, hogy egyszerűen nevetséges önfenntartó láncreakcióról beszélni.
Ezért megállapodtunk abban, hogy figyelembe vesszük a gömböntvény kritikus tömegét. A tiszta urán-235 esetében a kritikus tömeg 50 kg (ez egy 9 cm sugarú golyó). Megérted, hogy egy ilyen labda nem tart sokáig, mint azok, akik eldobják.
Ha viszont egy kisebb tömegű labdát neutronreflektorral veszünk körül (berillium tökéletes neki), és a golyóba valamilyen anyagot - neutronmoderátort (víz, nehézvíz, grafit, ugyanaz a berillium) viszünk , akkor a kritikus tömeg sokkal kisebb lesz. A leghatékonyabb neutronreflektorok és moderátorok használatával a kritikus tömeg 250 grammra növelhető. Ezt például úgy érhetjük el, hogy urán-235 só telített oldatát nehézvízben helyezzük egy gömb alakú berilliumtartályba.
A kritikus tömeg nem csak az urán-235 esetében létezik. Számos olyan izotóp létezik, amelyek képesek hasadási láncreakcióra. A fő feltétel az, hogy az atommag bomlástermékei más atommagok bomlási aktusait idézzék elő.
Tehát van két félgömb alakú uránöntvényünk, amelyek súlya 40 kg. Amíg tiszteletteljes távolságra vannak egymástól, minden nyugodt lesz. És ha lassan elkezdi mozgatni őket? A közhiedelemmel ellentétben semmi gombaszerű nem fog történni. Csak arról van szó, hogy a darabok, ahogy közelednek, elkezdenek felmelegedni, majd ha nem gondolod meg időben, felforrósodnak. A végén egyszerűen megolvadnak és szétterülnek, és mindenki, aki az öntvényeket mozgatta, tölgyfát ad a neutronsugárzástól. Aki pedig ezt érdeklődéssel nézte, az összeragasztja a békalábukat.
Mi van, ha gyorsabb? Olvadjon gyorsabban. Még gyorsabban? Még gyorsabban megolvad. Nyugodj le? Igen, még engedje le folyékony héliumba - nem lesz értelme. És ha egy darabot lő a másikra? RÓL RŐL! Az igazság pillanata. Most találtunk ki egy uránágyús tervet. Azonban nincs mire különösebben büszkének lennünk, ez a séma a lehető legegyszerűbb és legművészetetlenebb. Igen, és a féltekéket el kell hagyni. A gyakorlat azt mutatja, hogy nem tapadnak egyenletesen a síkokhoz. A legkisebb torzítás - és kapsz egy nagyon drága "csomót", amely után hosszú ideig tart a tisztítás.
Jobb lenne egy rövid, 30-40 kg tömegű, vastag falú urán-235 csövet készíteni, aminek a furatához egy azonos kaliberű, nagy szilárdságú acélhordót rögzítünk, megrakva egy ugyanolyan hengerrel. megközelítőleg azonos tömegű urán. Vegyük körül az uráncélpontot berillium neutron reflektorral. Nos, ha urán "golyót" lősz egy urán "csőre" - akkor lesz egy teljes "cső". Vagyis atomrobbanás lesz. Csak komolyan kell lőnie, hogy az uránlövedék torkolati sebessége legalább 1 km / s legyen. Ellenkező esetben ismét „csokor” lesz, de hangosabb. A helyzet az, hogy amikor a lövedék és a célpont közeledik egymáshoz, annyira felmelegednek, hogy intenzíven elpárolognak a felszínről, és lelassítják őket a szembejövő gázáramlások. Sőt, ha a sebesség nem megfelelő, akkor fennáll annak az esélye, hogy a lövedék egyszerűen nem éri el a célt, hanem elpárolog az út során.
Egy több tíz kilogramm súlyú korongot egy pár méteres szakaszon ilyen sebességre szétszórni rendkívül nehéz feladat. Éppen ezért nem puskaporra lesz szükség, hanem egy erős robbanóanyagra, amely nagyon rövid időn belül képes megfelelő gáznyomást létrehozni a hordóban. És akkor nem kell tisztítania a hordót, ne aggódjon.
A Hirosimára ledobott Mk-I "Little Boy" bombát pontosan az ágyúvázlat szerint tervezték.
Természetesen vannak apró részletek, amelyeket nem vettünk figyelembe projektünkben, de nem vétettünk teljesen magával az elvvel szemben.
Így. Felrobbantottuk az uránbombát. Élvezte a gombát. Most felrobbantjuk a plutóniumot. Csak céltáblát, lövedéket, csövet és egyéb szemetet ne húzz ide. Ez a szám plutóniummal nem fog működni. Még ha 5 km/s sebességgel lövöldözünk is egy darabot a másikra, a szuperkritikus szerelvény mégsem fog működni. A Plutónium-239-nek lesz ideje felmelegedni, elpárologni és mindent elrontani. Kritikus tömege alig több, mint 6 kg. Képzelheti, mennyivel aktívabb a neutronbefogás szempontjából.
A plutónium szokatlan fém. Hőmérséklettől, nyomástól és szennyeződésektől függően hat változatban létezik kristályrács. Vannak még olyan módosítások is, amelyeknél melegítéskor összezsugorodik. Az egyik fázisból a másikba hirtelen átmenetek történhetnek, míg a plutónium sűrűsége 25%-kal változhat.Tegyünk egy kitérőt, mint minden normális hős. Emlékezzünk vissza, hogy a kritikus tömeget különösen a térfogat és a felület aránya határozza meg. Oké, van egy szubkritikus tömegű golyónk, amelynek van egy minimális felülete egy adott térfogathoz. Mondjuk 6 kiló. A labda sugara 4,5 cm És ha ez a labda minden oldalról össze van nyomva? A sűrűség a lineáris kompressziós kocka arányában nő, a felület pedig a négyzetével arányosan csökken. És ez történik: a plutónium atomok sűrűbbé válnak, vagyis csökken a neutron féktávolsága, ami azt jelenti, hogy nő abszorpciójának valószínűsége. De ismét a kívánt sebességgel (körülbelül 10 km / s) történő tömörítés továbbra sem fog működni. Zsákutca? És itt nincs.
300°C-on beáll az úgynevezett delta fázis – a leglazább. Ha a plutóniumot galliummal adalékolják, erre a hőmérsékletre melegítik, majd lassan lehűtik, akkor a delta fázis szobahőmérsékleten is létezhet. De nem lesz stabil. Nagy nyomáson (nagyságrendileg több tízezer atmoszféra) hirtelen átmenet megy végbe egy nagyon sűrű alfa fázisba.
Tegyünk egy plutóniumgolyót egy nagy (23 cm átmérőjű) és nehéz (120 kg) üreges urán-238 golyóba. Ne aggódjon, nincs kritikus tömege. De tökéletesen tükrözi a gyors neutronokat. És továbbra is hasznosak lesznek számunkra.Azt hiszed, hogy felrobbantották? Bármennyire. A plutónium egy pokolian szeszélyes entitás. Még dolgozni kell. Készítsünk két félgömböt plutóniumból a delta fázisban. A közepén alakítsunk ki egy gömb alakú üreget. És ebben az üregben helyezzük el a nukleáris fegyverek gondolatának kvintesszenciáját - egy neutron iniciátort. Ez egy ilyen kis üreges berillium golyó, amelynek átmérője 20 és vastagsága 6 mm. Benne van egy másik 8 mm átmérőjű berilliumgolyó. Az üreges golyó belső felületén mély hornyok vannak. Mindez nagyvonalúan nikkelezett és arannyal borított. A hornyokba polónium-210 kerül, amely aktívan bocsát ki alfa-részecskéket. Ez a technika csodája. Hogyan működik? Várjunk csak. Van még néhány dolgunk.
Vegyük körbe az uránhéjat egy másikkal, amely bórtartalmú alumíniumötvözetből készül. Vastagsága körülbelül 13 cm. Összességében a „matrjoskánk” mára fél métert hízott, és 6-ról 250 kg-ra gyógyult.
Most készítsük el az implóziós "lencséket". Képzelj el egy futballlabdát. Klasszikus, 20 hatszögből és 12 ötszögből áll. Ilyen „labdát” készítünk robbanóanyagból, és mindegyik szegmenset több elektromos detonátorral látjuk el. A szegmens vastagsága körülbelül fél méter. A "lencsék" gyártásában is sok finomság van, de ha leírják, akkor nem lesz elég hely minden másra. A lényeg a lencsék maximális pontossága. A legkisebb hiba - és az egész szerelvény összetörik a robbanóanyagok robbantási hatásától. A teljes szerelvény átmérője most körülbelül másfél méter, tömege pedig 2,5 tonna. A tervezést egy elektromos áramkör teszi teljessé, melynek feladata a detonátorok szigorúan meghatározott sorrendben, akár mikroszekundumos pontossággal történő felfújása.
Minden. Előttünk egy plutónium becsapódási séma.
És most - a legérdekesebb.
A robbanás során a robbanóanyag összenyomja a szerelvényt, és az alumínium "toló" nem engedi, hogy a robbanáshullám csillapítása elterjedjen, a frontja után befelé terjed. Az uránon körülbelül 12 km/s ellensebességgel áthaladva a kompressziós hullám mind azt, mind a plutóniumot kondenzálja. A több százezer atmoszférájú kompressziós zónában lévő plutónium (a robbanásveszélyes front fókuszálásának hatása) az alfa fázisba ugrik. 40 mikroszekundum alatt az itt leírt urán-plutónium szerelvény nemcsak szuperkritikus lesz, hanem többszöröse is lesz a kritikus tömegnek.
Miután elérte az iniciátort, a kompressziós hullám a teljes szerkezetét monolittá zúzza. Ebben az esetben az arany-nikkel szigetelés megsemmisül, a polónium-210 diffúzió miatt behatol a berilliumba, az általa kibocsátott alfa részecskék a berilliumon áthaladva kolosszális neutronáramot okoznak, ami a teljes térfogatban hasadási láncreakciót indít el. plutónium, és a "gyors" neutronok fluxusa a plutónium bomlása során az urán-238 robbanását okozza. Elkészült, megneveltük a második gombát, nem rosszabb, mint az első.
Példa a plutónium becsapódási tervére a Nagaszakira ledobott Mk-III "Fatman" bomba.
Az itt leírt összes trükkre szükség van a reakció kikényszerítéséhez maximális összeget a plutónium atommagjai. A fő feladat, hogy a töltést minél tovább kompakt állapotban tartsuk, ne engedjük, hogy plazmafelhőbe szóródjon, amiben a láncreakció azonnal leáll. Itt minden megszerzett mikroszekundum egy vagy két kilotonnás teljesítménynövekedést jelent.
termonukleáris bomba
A közhiedelem szerint az atombomba a termonukleáris biztosítéka. Elvileg minden sokkal bonyolultabb, de a lényeget helyesen ragadják meg. Fegyverek alapelvek alapján termonukleáris fúzió, olyan robbanóerő elérését tette lehetővé, amely semmilyen körülmények között nem érhető el hasadási láncreakcióval. Ám az egyetlen energiaforrás, amely lehetővé teszi a termonukleáris fúziós reakció "begyújtását", egy nukleáris robbanás.
Emlékszel, hogyan "etettük" te és én a hidrogénatomot neutronokkal? Tehát, ha két protont próbálnak meg ilyen módon összekapcsolni, akkor semmi sem lesz belőle. A protonok nem tapadnak össze a Coulomb taszító erők miatt. Vagy szétrepülnek, vagy béta-bomlás következik be, és az egyik proton neutronná válik. De hélium-3 létezik. Egyetlen neutronnak köszönhetően a protonok jobban alkalmazkodnak egymáshoz.
Elvileg a hélium-3 mag összetétele alapján megállapítható, hogy egy hélium-3 mag teljesen összeállítható protium és deutérium magokból. Elméletileg ez igaz, de ilyen reakció csak nagy és forró csillagok mélyén mehet végbe. Sőt, a csillagok mélyén még csak protonokból is össze lehet gyűjteni héliumot, némelyiküket neutronná alakítva. De ezek asztrofizikai kérdések, és a számunkra elérhető lehetőség két deutériummag vagy deutérium és trícium egyesítése.
A magfúzióhoz egy nagyon specifikus feltétel szükséges. Ez nagyon magas (109 K) hőmérséklet. Csak az atommagok átlagos kinetikus energiája mellett, 100 kiloelektronvolt képesek megközelíteni azt a távolságot, amelynél az erős kölcsönhatás elkezdi legyőzni a Coulomb-kölcsönhatást.
Teljesen jogos kérdés - miért kerítsék be ezt a kertet? A helyzet az, hogy a könnyű atommagok szintézise során 20 MeV nagyságrendű energia szabadul fel. Természetesen az uránmag kényszerhasadásával ez az energia 10-szer nagyobb, de van egy figyelmeztetés - a legnagyobb trükkökkel akár 1 megatonna kapacitású urántöltés lehetetlen. Még egy fejlettebb plutóniumbomba esetében sem haladja meg a 7-8 kilotonnát a plutónium kilogrammonként (az elméleti maximum 18 kilotonna). És ne felejtsük el, hogy egy uránmag majdnem 60-szor nehezebb, mint két deutériummag. Ha a fajlagos energiahozamot vesszük figyelembe, akkor a termonukleáris fúzió érezhetően előrébb tart.
És mégis - a termonukleáris töltetnél nincs korlátozás a kritikus tömegre. Egyszerűen nincs neki. Vannak azonban más korlátozások is, de ezekről - alább.
Elvileg egy termonukleáris reakció neutronforrásként történő elindítása meglehetősen egyszerű. Sokkal nehezebb energiaforrásként működtetni. Itt az úgynevezett Lawson-kritériummal állunk szemben, amely a termonukleáris reakció energetikai előnyét határozza meg. Ha a reagáló atommagok sűrűségének és a fúziós távolságon való tartózkodási idejének szorzata nagyobb, mint 1014 mp/cm3, akkor a fúzió által adott energia meghaladja a rendszerbe bevitt energiát.
Valamennyi termonukleáris program ennek a kritériumnak a teljesítése volt.
Edward Teller első ötlete a termonukleáris bombára olyan volt, mintha ágyúkonstrukcióból próbálna építeni egy plutóniumbombát. Vagyis úgy tűnik, hogy minden rendben van, de nem működik. A „klasszikus szuper” eszköz – folyékony deutérium, amelybe plutóniumbombát merítenek – valóban klasszikus volt, de távolról sem szuper.
A nukleáris töltet folyékony deutérium közegben történő felrobbanásának ötlete kezdettől fogva zsákutcának bizonyult. Ilyen körülmények között egy 500 kt teljesítményű nukleáris töltés felrobbantásával kis mennyiségű termonukleáris fúziós energiahozam érhető el. És egyáltalán nem kellett a Lawson-kritérium eléréséről beszélni.
Tellerben is felmerült az ötlet, hogy a nukleáris indítótöltetet termonukleáris üzemanyag rétegekkel vegyék körül, hőszigetelőként és robbanáserősítőként urán-238-cal tarkítva. És nem csak neki. Az első szovjet termonukleáris bombákat e séma szerint építették. Az elv nagyon egyszerű volt: a nukleáris töltés a termonukleáris üzemanyagot a fúzió kezdeti hőmérsékletére melegíti, a fúzió során megszületett gyors neutronok pedig felrobbantják az urán-238 rétegeit. A korlátozás azonban változatlan maradt - azon a hőmérsékleten, amelyet egy nukleáris trigger biztosíthat, csak az olcsó deutérium és a hihetetlenül drága trícium keveréke léphet be fúziós reakcióba.
Teller később előállt egy lítium-6 deuterid vegyület használatának ötletével. Ez a döntés lehetővé tette a drága és kényelmetlen folyékony deutériumot tartalmazó kriogén tartályok elhagyását. Ezenkívül a neutronokkal végzett besugárzás eredményeként a lítium-6 héliummá és tríciummal alakult, amelyek fúziós reakcióba léptek a deutériummal.
Ennek a sémának a hátránya a korlátozott teljesítmény volt – a kioldót körülvevő termonukleáris üzemanyagnak csak korlátozott részének volt ideje belépni a fúziós reakcióba. A többi, akármennyi volt is, a lefolyóba került. A "puff" használatával elért maximális töltési teljesítmény 720 kt volt (British Orange Herald bomba). Nyilvánvalóan a "plafon" volt.
A Teller-Ulam séma kialakulásának történetéről már szóltunk. Most nézzük meg ennek a sémának a technikai részleteit, amelyet „kétlépcsős” vagy „sugárzássűrítési sémának” is neveznek.
Feladatunk a fúziós tüzelőanyag felmelegítése és bizonyos térfogatban tartása a Lawson-kritérium teljesítése érdekében. Ha eltekintünk az amerikai kriogén gyakorlatoktól, vegyük a nálunk már termonukleáris üzemanyagként ismert lítium-6 deuteridot.
A termonukleáris töltet tartályának anyagául válasszuk az urán-238-at. A tartály hengeres. A benne lévő tartály tengelye mentén egy hengeres urán-235 rudat helyezünk el, amelynek szubkritikus tömege van.
Megjegyzés: a neutronbomba, amely akkoriban kifröccsent, ugyanaz a Teller-Ulam séma, de uránrúd nélkül a tartály tengelye mentén. A lényeg az, hogy erőteljes gyors neutronáramot biztosítsunk, de ne engedjük az összes termonukleáris üzemanyag kiégését, ami neutronokat fogyaszt.
A tartály többi szabad részét lítium-6 deuteriddel töltik ki. A leendő bomba testének egyik végére helyezzük el a tartályt (ez lesz számunkra a második fokozat), a másik végére pedig a szokásos, több kilotonnás kapacitású plutónium töltetet szereljük fel (az első fokozat). A nukleáris és termonukleáris töltetek közé urán-238 válaszfalat építünk, amely megakadályozza a lítium-6 deuterid idő előtti felmelegedését. Töltsük meg a bombatest belsejében lévő szabad helyet szilárd polimerrel. Alapvetően, termonukleáris bomba kész.
A nukleáris töltés felrobbantásakor az energia 80%-a röntgensugarak formájában szabadul fel. Terjedésének sebessége sokkal nagyobb, mint a plutónium hasadási töredékeinek terjedési sebessége. Századmikromásodperc elteltével az uránszűrő elpárolog, és a röntgensugárzást elkezdi intenzíven elnyelni a termonukleáris töltéstartály uránja. Az úgynevezett abláció (a fűtött tartály felületéről tömegeltávolítás) eredményeként olyan reaktív erő keletkezik, amely 10-szer összenyomja a tartályt. Ezt a hatást nevezik sugárzási implóziónak vagy sugárzás általi kompressziónak. Ebben az esetben a termonukleáris üzemanyag sűrűsége 1000-szeresére nő. A sugárzási becsapódás kolosszális nyomása következtében az urán-235 központi rúdja is összenyomódik, bár kisebb mértékben, és szuperkritikus állapotba kerül. A termonukleáris egységet ekkorra már egy nukleáris robbanásból származó gyors neutronok bombázzák. Miután áthaladtak a lítium-6 deuteridon, lelassulnak, és intenzíven felszívódnak az uránrúdban.
Hasadási láncreakció indul be a rúdban, ami gyorsan nukleáris robbanáshoz vezet a tartály belsejében. Mivel a lítium-6 deuteridot kívülről ablatív kompressziónak, belülről pedig egy nukleáris robbanás nyomásának vetik alá, sűrűsége és hőmérséklete még jobban megnő. Ez a pillanat a fúziós reakció kezdete. További karbantartását az határozza meg, hogy a tartály mennyi ideig tartja magában a termonukleáris folyamatokat anélkül, hogy hőenergiát engedne ki. Ez határozza meg a Lawson-kritérium teljesítését. A termonukleáris üzemanyag elégetése a henger tengelyétől a széle felé halad. Az égési front hőmérséklete eléri a 300 millió kelvint. A robbanás teljes kifejlődése a fúziós üzemanyag kiégéséig és a tartály megsemmisítéséig néhány száz nanoszekundumot vesz igénybe – húszmilliószor gyorsabban, mint ahogy ezt a mondatot olvassa.
A kétfokozatú áramkör megbízható működése a tartály pontos összeszerelésétől és idő előtti felmelegedésének megakadályozásától függ.
A termonukleáris töltés teljesítménye a Teller-Ulam séma esetében a nukleáris trigger teljesítményétől függ, amely biztosítja a hatékony sugárzás általi kompressziót. Mára azonban léteznek többlépcsős sémák is, amelyekben az előző szakasz energiáját használják fel a következő összenyomására. A háromlépcsős rendszerre példa a már említett 100 megatonnás „Kuzkin anyja”.
Valamivel több mint két hónap telt el az emberiség történetének legszörnyűbb háborújának vége óta. 1945. július 16-án pedig az első atombombát tesztelte az amerikai hadsereg, majd egy hónappal később japán városok lakóinak ezrei halnak meg az atompokolban. Azóta több mint fél évszázada folyamatosan fejlesztik a fegyvereket, valamint a célpontokhoz juttatásának módjait.
A katonaság egyszerre akart rendelkezésükre bocsátani a szupererős lőszereket, amelyek egy csapással egész városokat és országokat söpörtek le a térképről, és ultrakicsiket is, amelyek egy aktatáskában is elférnek. Egy ilyen eszköz soha nem látott szintre emelné a szabotázsháborút. Az elsővel és a másodikkal is leküzdhetetlen nehézségek adódtak. Ennek oka az úgynevezett kritikus tömeg. Azonban először a dolgok.
Egy ilyen robbanékony mag
Ahhoz, hogy megértsük a nukleáris eszközök működési sorrendjét és megértsük az úgynevezett kritikus tömeget, térjünk vissza egy kicsit az íróasztalhoz. Az iskolai fizikatanfolyamról egy egyszerű szabályra emlékszünk: az azonos nevű töltések taszítják egymást. Ott, be Gimnázium a tanulóknak a neutronokból, semleges részecskékből és pozitív töltésű protonokból álló atommag felépítéséről mesélnek. De hogyan lehetséges ez? A pozitív töltésű részecskék olyan közel vannak egymáshoz, hogy a taszító erők óriásiak.
A tudomány nem teljesen érti a protonokat összetartó magon belüli erők természetét, bár ezeknek az erőknek a tulajdonságait elég jól tanulmányozták. Az erők csak nagyon közelről hatnak. Ám amint a protonok egy kicsit is elkülönülnek a térben, a taszító erők kezdenek érvényesülni, és az atommag darabokra törik. Az ilyen terjeszkedés ereje pedig valóban kolosszális. Köztudott, hogy egy felnőtt férfi ereje nem lenne elég ahhoz, hogy az ólomatom egyetlen magjának protonjait megtartsa.
Mitől félt Rutherford?
A periódusos rendszer legtöbb elemének magja stabil. Az atomszám növekedésével azonban ez a stabilitás csökken. A magok méretéről van szó. Képzeld el egy uránatom magját, amely 238 nuklidból áll, amelyek közül 92 proton. Igen, a protonok szorosan érintkeznek egymással, és az intranukleáris erők biztonságosan cementálják az egész szerkezetet. De észrevehetővé válik az atommag ellentétes végein található protonok taszító ereje.
Mit csinált Rutherford? Az atomokat neutronokkal bombázta (az elektron nem fog áthaladni az atom elektronhéján, a pozitív töltésű proton pedig a taszító erők miatt nem tudja megközelíteni az atommagot). Az atommagba belépő neutron okozza annak hasadását. Két külön fél és két-három szabad neutron repült szét.
Ez a bomlás a repülő részecskék óriási sebessége miatt óriási energia felszabadulásával járt. Volt egy pletyka, miszerint Rutherford el akarta rejteni felfedezését, félve annak az emberiségre gyakorolt lehetséges következményeitől, de ez nagy valószínűséggel nem más, mint egy tündérmese.
Tehát mi köze ehhez a tömegnek és miért kritikus
És akkor mi van? Hogyan lehet annyi radioaktív fémet besugározni protonárammal, hogy erőteljes robbanást idézzen elő? És mi a kritikus tömeg? Az egész arról a néhány szabad elektronról szól, amelyek kirepülnek a "lebombázott" atommagból, ezek viszont más atommagokkal ütközve okozzák a hasadásukat. Megkezdődik az ún., de rendkívül nehéz lesz elindítani.
Finomítsuk a skálát. Ha egy almát az asztalunkra vesszük, mint egy atommagot, akkor ahhoz, hogy elképzeljük egy szomszédos atom magját, ugyanazt az almát kell vinni és letenni az asztalra, nem is a szomszéd szobában, hanem .. a szomszéd házban. A neutron akkora lesz, mint egy cseresznyemag.
Annak érdekében, hogy a kibocsátott neutronok ne repüljenek el hiába az uránöntvényen kívül, és több mint 50%-uk atommag formájában találja meg célját, ennek az öntvénynek megfelelő méretűnek kell lennie. Ezt hívják az urán kritikus tömegének – az a tömeg, amelynél a kibocsátott neutronok több mint fele ütközik más atommagokkal.
Valójában ez egy pillanat alatt megtörténik. A kettéhasadt magok száma lavinaszerűen nő, töredékeik fénysebességgel összemérhető sebességgel rohannak minden irányba, felhasítva a szabad levegőt, a vizet és bármilyen más közeget. A molekulákkal való ütközéseikből környezet a robbanás területe azonnal több millió fokra melegszik fel, olyan hőt sugározva, amely több kilométeres körzetben mindent eléget.
Az élesen felhevült levegő mérete azonnal megnövekszik, erős lökéshullámot keltve, amely lelövi az épületeket az alapokról, felborul és elpusztít mindent, ami az útjába kerül... ilyen egy atomrobbanás képe.
Hogy néz ki a gyakorlatban
Az atombomba szerkezete meglepően egyszerű. Két urán tuskó van (vagy egy másik, mindegyiknek a tömege valamivel kisebb, mint a kritikusé. Az egyik tuskó kúp alakú, a másik gömb alakú kúppal) -alakú lyuk.Mint sejthető, ha mindkét felét kombináljuk, akkor kapunk egy labdát, ami eléri a kritikus tömeget.Ez a szabványos legegyszerűbb atombomba Két fél egy hagyományos TNT töltettel van összekötve (a kúpot labdává lövik).
De ne gondolja, hogy egy ilyen eszközt bárki "térdre" szerelhet. Az egész trükk az, hogy az uránnak nagyon tisztanak kell lennie ahhoz, hogy bomba robbanjon belőle, a szennyeződések jelenléte gyakorlatilag nulla.
Miért nincs akkora atombomba, mint egy doboz cigaretta
Mind ugyanazért. Az urán 235 leggyakoribb izotópjának kritikus tömege körülbelül 45 kg. Ekkora mennyiségű nukleáris üzemanyag felrobbanása már katasztrófa. És lehetetlen kisebb mennyiségű anyaggal elkészíteni - egyszerűen nem fog működni.
Ugyanezen okból nem lehetett uránból vagy más radioaktív fémekből szupererős atomtöltéseket létrehozni. Annak érdekében, hogy a bomba nagyon erős legyen, egy tucat rúdból készült, amelyek robbanó töltetek felrobbantásakor a középpontba rohantak, és narancsszeletekként kapcsolódtak össze.
De mi történt valójában? Ha valamilyen oknál fogva két elem ezredmásodperccel korábban találkozott, mint a többi, akkor a kritikus tömeget gyorsabban érte el, mint ahogy a többi „időben megérkezne”, a robbanás nem a tervezők által várt erővel történt. A szupererős nukleáris fegyverek problémája csak a termonukleáris fegyverek megjelenésével oldódott meg. De ez egy kicsit más történet.
Hogyan működik egy békés atom?
Az atomerőmű lényegében ugyanaz az atombomba. Csak ebben a „bombában” helyezkednek el egymástól bizonyos távolságra az uránból készült TVEL-ek (fűtőelemek), ami nem akadályozza meg őket abban, hogy neutron „csapást” cseréljenek.
Az üzemanyagrudak rudak formájában készülnek, amelyek között a neutronokat jól elnyelő anyagból készült vezérlőrudak találhatók. A működés elve egyszerű:
- szabályozó (elnyelő) rudakat vezetnek be az uránrudak közötti térbe - a reakció lelassul vagy teljesen leáll;
- A vezérlőrudakat eltávolítják a zónából - a radioaktív elemek aktívan cserélik a neutronokat, a nukleáris reakció intenzívebben megy végbe.
Valójában ugyanaz az atombomba, amelyben a kritikus tömeget olyan simán érik el, és olyan világosan szabályozzák, hogy ez nem vezet robbanáshoz, hanem csak a hűtőfolyadék felmelegítéséhez.
Bár sajnos, amint azt a gyakorlat mutatja, az emberi zseni nem mindig képes megfékezni ezt a hatalmas és pusztító energiát - az atommag bomlásának energiáját.
1. Mit nevezünk láncreakciónak?DE. Olyan reakció, amelyben atommagok lánca képződik. B. maghasadási reakció. BAN BEN. Atomfúziós reakció. G. Az a reakció, amelyben az atommagok bomlása következik be. D. Olyan reakció, amelyben az azt okozó részecskék a reakció termékeiként képződnek.
2. A nehéz atommagok hasadási reakciója láncreakcióként megy végbe bizonyos részecskék kibocsátása következtében. Adja meg, hogy mely részecskék vannak az adott reakcióban:. DE. két proton. B. Egy proton és egy neutron. BAN BEN. Három neutron. G. Két neutron. D. Egy proton és két neutron.
3. A bizmut atommagja radioaktív átalakulások sorozata eredményeként ólommaggá változott 
. Milyen típusú radioaktív átalakulásokat tapasztalt?DE. Alfa bomlás. B. Béta plusz bomlás. BAN BEN. Béta mínusz bomlás. G Béta plusz bomlás és alfa bomlás. D. Béta mínusz bomlás és alfa bomlás.
4. A mag kibocsát g-kvantum. Válassza ki a megfelelőt a következő állítások közül! Az elem sorozatszáma: DE. Növekvő. B. Csökken. BAN BEN. Nem változik.
5. Az atommag elektront bocsát ki. Válassza ki a megfelelőt a táblázatban felsorolt állítások közül!
Húzd át a feleslegeseket.
6. Az uránmagok maghasadási reakciójának végrehajtása során körülbelül 165 MeV szabadul fel a magtöredékek mozgásának kinetikai energiája formájában. Milyen erők gyorsítják az atommag töredékeit, növelve azok mozgási energiáját?DE. Coulomb-erők. B. gravitációs erők. BAN BEN. Nukleáris erők. G. Gyenge kölcsönhatás erői. D. Ismeretlen természetű erők. E. elektromágneses erők.
7. Milyen feltételek szükségesek a nukleáris láncreakció létrejöttéhez: 1) az urán vagy plutónium tömegének legalább a kritikus tömegnek kell lennie; 2) elérhetőség magas hőmérsékletű; 3) az urán vagy a plutónium tömegének kisebbnek kell lennie a kritikus tömegnél?DE. Csak 1. B. Csak 2. BAN BEN. 1. és 2. G. Csak 3. D. 2. és 3.
8. Mit nevezünk kritikus tömegnek egy urán atomreaktorban?DE. Az urán maximális tömege a reaktorban, amelynél az robbanás nélkül tud működni. B. Az urán minimális tömege a reaktorban, amelynél láncreakciót lehet végrehajtani. BAN BEN. A reaktorba bevezetett urán többlettömegének elindítása. G. A reaktorba bevezetett további anyagtömeg kritikus esetekben leállítja azt.
9. Az alábbi anyagok közül melyeket használják általánosan atomreaktorokban neutronelnyelőként: 1) urán; 2) grafit; 3) kadmium; 4) nehéz víz; 5) bór; 6) plutónium.(Válaszd ki a megfelelő választ).
10. Az alábbi anyagok közül melyeket használják általánosan atomreaktorokban neutronmoderátorként: 1) urán; 2) grafit; 3) kadmium; 4) nehéz víz; 5) bór; 6) plutónium.(Válaszd ki a megfelelő választ).
11. Az alábbi anyagok közül melyeket használják általánosan nukleáris reaktorokban nukleáris üzemanyagként: 1) urán; 2) grafit; 3) kadmium; 4) nehéz víz; 5) bór; 6) plutónium.(Válaszd ki a megfelelő választ).
12. Az alábbi anyagok közül melyeket általában az atomreaktorokban használnak hűtőközegként: 1) urán; 2) grafit; 3) kadmium; 4) közönséges víz; 5) folyékony nátrium; 6) plutónium; 7) nehéz víz.(Válaszd ki a megfelelő választ).
13. Mi a neve az Atomreaktornak - ez egy eszköz, in melyik... DE. az atomenergiát elektromos energiává alakítják. B. szabályozott maghasadási reakció megy végbe. BAN BEN. magfúzió történik. G. nukleáris szétesés következik be. D. kémiai reakció megy végbe.