Prova n. 5
opzione 1
Il fenomeno della radioattività, scoperto da Becquerel, indica che...
B. La composizione dell'atomo include elettroni.
B. L'atomo ha una struttura complessa.
D. Questo fenomeno è caratteristico solo dell'uranio.
Chi ha proposto il modello nucleare della struttura dell'atomo?
La figura mostra i diagrammi di quattro atomi. I punti neri sono elettroni. Quale schema corrisponde a un atomo 2 4 Non?
Un atomo è formato dalle seguenti particelle:
B. nucleoni ed elettroni.
B. protoni e neutroni.
D. Neutroni ed elettroni.
Qual è il numero di massa del nucleo di un atomo di manganese 25 55 Mn?
Quale delle seguenti reazioni viola la legge di conservazione della carica?
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.
^ nucleo atomicoè formato da protoni e neutroni. Tra quali coppie di particelle all'interno del nucleo agiscono le forze nucleari?
B. Protone-neutrone.
B. Neutrone-neutrone.
D. In tutte le coppie di A-B.
Le masse del protone e del neutrone...
B. Più o meno lo stesso.
B. Rapporto come 1:1836.
D. Approssimativamente uguale a zero.
nel nucleo dell'atomo di calcio 20 40 Sa contiene...
B. 40 neutroni e 20 elettroni.
B. 20 protoni e 40 elettroni.
D. 20 protoni e 20 neutroni.
^ In quale dispositivo viene resa visibile la traccia del movimento di una particella a carica rapida in un gas (come risultato della condensazione di vapore supersaturo sugli ioni)?
B. Nella camera a nebbia.
G. Nella camera a bolle.
^ Determina il secondo prodotto X in una reazione nucleare: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Il nucleo atomico è costituito da Z protoni e N neutroni. Massa di neutroni liberi m n , protone libero m P . Quale delle seguenti condizioni è soddisfatta per la massa del nucleo m G ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. Condizione A per nuclei stabili, condizione B per nuclei radioattivi.
Calcola ∆m (difetto di massa) del nucleo di un atomo 3 7 Li (in amu).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. D. ∆m ≈ 0,2.
14 In quali unità deve essere espresso il valore di massa quando si calcola l'energia di legame dei nuclei atomici utilizzando la formula ∆E= ∆m*c 2 ?
R. In chilogrammi.
B. In grammi.
B. In unità di massa atomica.
G. In joule.
^ Qual è la massa critica in un reattore nucleare all'uranio?
B. La massa minima di uranio alla quale può essere effettuata una reazione a catena nel reattore.
B. Massa aggiuntiva di uranio introdotta nel reattore per avviarlo.
D. Massa aggiuntiva di sostanza introdotta nel reattore per spegnerlo in casi critici.
^ Che tipo radiazioni radioattive più pericoloso per l'esposizione umana esterna?
B. radiazioni gamma.
B. Radiazione alfa.
^ Compito aggiuntivo.
Qualunque cosa elementi chimici esistono come due o più isotopi. Determinare la differenza nella composizione dei nuclei degli isotopi 17 35 Cl e 17 37 cl.
B. l'isotopo 17 37 Cl ha 2 protoni in meno nel nucleo di 17 35 Cl.
L'isotopo V. 17 37 Cl ha 2 neutroni in più nel nucleo rispetto a 17 35 Cl.
G. l'isotopo 17 37 Cl ha 2 neutroni in meno nel nucleo di 17 35 Cl.
18. Nel decadimento alfa dei nuclei atomici ...
il numero di massa viene conservato e la carica viene aumentata di uno.
B. Il numero di massa diminuisce di 4, ma la carica rimane invariata.
B. Il numero di massa diminuisce di 4 e la carica aumenta di 2.
D. Il numero di massa diminuisce di 4, anche la carica diminuisce di 2.
^ 19. L'energia viene rilasciata o assorbita in una reazione nucleare. 3 6 Li+ 1 1 H→ 2 4 Non + 2 3 Non? Masse di nuclei e particelle in a. m. sono rispettivamente pari a: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 H= 1,00728, m 2 4 Non = 4,00260, m 2 3 Non = 3.01602.
R. Assorbito, perché. ∆m
B. Si distingue perché ∆m
B. Assorbito, tk. ∆m > 0.
G. Si distingue perché ∆m > 0.
20. Quando l'isotopo 5 10 V viene bombardato da neutroni, una particella alfa viene espulsa dal nucleo formato. Usando le leggi di conservazione del numero di massa e della carica, così come la tavola periodica degli elementi, annota la reazione nucleare.
Prova n. 5
sul tema "La struttura dell'atomo e il nucleo atomico"
opzione 2
^ 1. La composizione della radiazione radioattiva può includere ...
R. Solo elettroni.
B. Solo neutroni.
B. Solo particelle alfa.
D. Particelle beta, particelle alfa, quanti gamma.
^ 2. Con l'aiuto di esperimenti, Rutherford ha scoperto che ...
R. La carica positiva è distribuita uniformemente in tutto il volume dell'atomo.
B. La carica positiva è concentrata al centro dell'atomo e occupa un volume molto piccolo.
B. La composizione dell'atomo include elettroni.
D. Un atomo non ha struttura interna.
^ La figura mostra i diagrammi di quattro atomi. Gli elettroni sono mostrati come punti neri.
Il nucleo contiene le seguenti particelle:
B. Protoni ed elettroni.
B. Protoni e neutroni
D. Neutroni ed elettroni.
^ 5. Qual è la carica nucleare dell'atomo di stronzio 38 88 sr?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
In quale delle seguenti equazioni delle reazioni nucleari viene violata la legge di conservazione del numero di massa?
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 Non
D. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. forze nucleari agendo tra nucleoni...
R. Sono molte volte maggiori delle forze gravitazionali e agiscono tra particelle cariche.
B. Sono molte volte superiori a tutti i tipi di forze e agiscono a qualsiasi distanza.
B. Sono molte volte superiori a tutti gli altri tipi di forze, ma agiscono solo a distanze paragonabili alla dimensione del nucleo.
D. Sono molte volte maggiori delle forze gravitazionali e agiscono tra qualsiasi particella.
Le masse del protone e dell'elettrone...
B. Più o meno lo stesso.
B. Riferirsi come 1: 1836.
D. Circa zero.
^ 8. Nel nucleo di un atomo di ferro 26 56 Fe contiene:
A. 26 neutroni e 56 protoni.
B. 56 neutroni e 26 protoni.
C. 26 protoni e 56 elettroni.
D. 26 protoni e 30 neutroni.
In quale dispositivo l'origine di una particella ionizzante viene registrata dalla comparsa di un impulso corrente elettrica a seguito dell'emergenza autoscarica a gas?
B. In un contatore Geiger.
B. In un contatore a scintillazione.
G. Nella camera a bolle.
^ Determina il secondo prodotto X della reazione nucleare:
A. Particella alfa (2 4 He).
B. Neutrone.
V. Protone.
G. Elettrone.
^ 12. Un nucleo atomico è costituito da Z protoni e N neutroni. Massa di neutroni liberi m n , protone libero m P . Quale delle seguenti condizioni è soddisfatta per la massa del nucleo m io ?
A. m io Z*m p + m n ; B. m io \u003d Z * m p + N * m n
D. Per nuclei stabili, condizione A, per nuclei radioattivi, condizione B.
^ 13. Calcolare il difetto di massa (∆ m) in a. e.m. Nuclei dell'atomo 2 3 Non. Le masse delle particelle e del nucleo, espresse in a. e.m., rispettivamente, sono pari a: m n = 1,00866; m P = 1,00728;
m io = 3,01602.
A. ∆m ≈ 0,072 B. ∆m ≈ 0,0072 C. ∆m ≈ -0,0072 D.∆m ≈ 0
^ 14. In quali unità si otterrà il valore dell'energia calcolando l'energia di legame dei nuclei atomici usando la formula ∆E=m*c 2 ?
A. In elettronvolt (eV).
B. In megaelettronvolt (MeV)
B. In joule.
G. In a. mangiare.
^ 15. In un reattore nucleare, sostanze come la grafite o l'acqua vengono utilizzate come cosiddetti moderatori. Cosa dovrebbero rallentare e perché?
R. Rallentano i neutroni per ridurre la probabilità che si verifichi una reazione di fissione nucleare.
B. Rallentare i neutroni per aumentare la probabilità che si verifichi una reazione di fissione nucleare.
B. Rallentare la reazione a catena di fissione per facilitare il controllo del reattore.
D. Rallentare i frammenti di nuclei formatisi a seguito della fissione dell'uranio, per uso pratico loro energia cinetica.
^ 16. Quale tipo di radiazione radioattiva è la più pericolosa per l'esposizione umana interna?
A. Radiazione beta.
B. Radiazione gamma.
B. Radiazione alfa.
D. Tutti e tre i tipi di radiazione: alfa, beta, gamma.
^ Compito aggiuntivo.
Tutti gli elementi chimici esistono come due o più isotopi. Determina la differenza nella composizione dei nuclei degli isotopi 10 20 Ne e 10 22 Ne
B. l'isotopo 10 20 Ne ha 2 protoni in meno nel nucleo di 10 22 Ne
B. l'isotopo 10 22 Ne ha 2 neutroni in più nel nucleo di 10 20 Ne
G. l'isotopo 10 22 Ne ha 2 neutroni in meno nel nucleo di 10 20 Ne
18. Durante il decadimento beta dei nuclei atomici ...
R. La massa del nucleo rimane praticamente invariata, quindi il numero di massa si conserva e la carica aumenta.
B. Il numero di massa aumenta di 1 e la carica diminuisce di 1.
B. Si conserva il numero di massa e si riduce l'addebito di 1.
D. Il numero di massa diminuisce di 1, la carica viene conservata.
19. L'energia viene rilasciata o assorbita nella reazione nucleare 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Le masse di nuclei e particelle (in a.m.) sono rispettivamente uguali: m 7 14 N \u003d 14.00307, m 2 4 He \u003d 4.00260, m 8 17 O \u003d 16.99913, m 1 1 H \u003d 1.00728.
R. Assorbito, perché. ∆m
B. Si distingue perché ∆m
B. Assorbito, tk. ∆m > 0.
G. Si distingue perché ∆m > 0.
20. Usando le leggi di conservazione del numero di massa e della carica, così come il sistema periodico degli elementi, scrivi una reazione nucleare che si verifica quando viene bombardata con 5 particelle alfa da 11 V ed è accompagnata dall'eliminazione dei neutroni
^ Foglio delle risposte
a lavoro di controllo № 5
sul tema "La struttura dell'atomo e il nucleo atomico"
Classe _____________
Opzione _______| № culo | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Risposta | |||||||||||||||||||||
| № Inserisci. compiti | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Risposta | |||||||||||||||||||||
^ Foglio delle risposte
per controllare il lavoro n. 5
sul tema "La struttura dell'atomo e il nucleo atomico"
Data: _________________20__
Classe _____________
NOME E COGNOME ________________________________
Opzione _______| № culo | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
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| Risposta | |||||||||||||||||||||
| № Inserisci. compiti | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Risposta | |||||||||||||||||||||
^ Codici di risposte corrette.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| IN 1 | IN | G | IN | B | G | MA | G | B | G | B | MA | B | MA | MA | B | IN | IN | G | B |
| IN 2 | G | B | IN | IN | B | IN | IN | MA | G | B | B | MA | MA | IN | IN | IN | IN | MA | B |
#20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 OPZIONE)
5 11 V + 2 4 Non → 7 14 N + 1 1 N (OPZIONE 2)
^ Tabella per convertire il numero di risposte corrette alle domande obbligatorie in un punteggio su una scala di cinque punti.
Per un funzionamento sicuro con sostanze fissili pericolose nucleari, i parametri dell'apparecchiatura devono essere meno che critici. Come parametri normativi della sicurezza nucleare vengono utilizzati: quantità, concentrazione e volume di materiale fissile nucleare pericoloso; diametro dell'attrezzatura di forma cilindrica; spessore dello strato piatto per apparecchiature a forma di piastra. Il parametro normativo viene impostato in base al parametro consentito, che è inferiore a quello critico e non deve essere superato durante il funzionamento dell'apparecchiatura. Allo stesso tempo, è necessario che le caratteristiche che incidono sui parametri critici rientrino in limiti rigorosamente definiti. Vengono utilizzati i seguenti parametri validi: numero di M add , volume V add , diametro D add , spessore strato t add .
Utilizzando la dipendenza dei parametri critici dalla concentrazione di un nuclide fissile nucleare pericoloso, si determina un tale valore del parametro critico, al di sotto del quale, a qualsiasi concentrazione, SCRD è impossibile. Ad esempio, per soluzioni di sali di plutonio e uranio arricchito, la massa critica, il volume, il diametro di un cilindro infinito, lo spessore di uno strato piatto infinito hanno un minimo nella regione di decelerazione ottimale. Per le miscele di uranio arricchito metallico con acqua, la massa critica, come per le soluzioni, ha un minimo pronunciato nella regione di decelerazione ottimale, e il volume critico, il diametro di un cilindro infinito e lo spessore di uno strato piano infinito ad alta l'arricchimento (>35%) ha valori minimi in assenza di un moderatore (r n /r 5 =0); per un arricchimento inferiore al 35%, i parametri critici della miscela hanno un minimo a decelerazione ottimale. È evidente che i parametri impostati sulla base dei parametri minimi critici garantiscono la sicurezza su tutto il range di concentrazione. Questi parametri sono chiamati sicuri, sono inferiori ai parametri critici minimi. Vengono utilizzati i seguenti parametri di sicurezza: quantità, concentrazione, volume, diametro, spessore dello strato.
Quando si garantisce la sicurezza nucleare del sistema, la concentrazione del nuclide fissile (a volte la quantità di moderatore) è necessariamente limitata dal parametro consentito, mentre allo stesso tempo, quando si utilizza il parametro sicuro, non vengono imposte restrizioni alla concentrazione ( o sulla quantità di moderatore).
2 MASSA CRITICA
Lo sviluppo o meno di una reazione a catena dipende dall'esito della competizione di quattro processi:
(1) Espulsione di neutroni dall'uranio,
(2) cattura di neutroni da parte dell'uranio senza fissione,
(3) cattura di neutroni da parte di impurità.
(4) cattura di neutroni da parte dell'uranio con fissione.
Se la perdita di neutroni nei primi tre processi è inferiore al numero di neutroni rilasciati nel quarto, si verifica una reazione a catena; altrimenti è impossibile. Ovviamente, se dei primi tre processi è molto probabile, allora l'eccesso di neutroni rilasciati durante la fissione non sarà in grado di garantire la prosecuzione della reazione. Ad esempio, nel caso in cui la probabilità del processo (2) (cattura da parte dell'uranio senza fissione) sia molto maggiore della probabilità di cattura con fissione, una reazione a catena è impossibile. Un'ulteriore difficoltà è introdotta dall'isotopo dell'uranio naturale: è costituito da tre isotopi: 234 U, 235 U e 238 U, i cui contributi sono rispettivamente 0,006, 0,7 e 99,3%. È importante che le probabilità dei processi (2) e (4) siano diverse per i diversi isotopi e dipendano in modo diverso dall'energia del neutrone.
Per valutare la concorrenza di vari processi dal punto di vista dello sviluppo di un processo a catena di fissione nucleare in una sostanza, viene introdotto il concetto di "massa critica".
Massa criticaè la massa minima di materiale fissile che assicura il flusso di una reazione a catena di fissione nucleare autosufficiente. La massa critica è minore, minore è l'emivita di fissione e maggiore è l'arricchimento dell'elemento di lavoro con un isotopo fissile.
Massa critica - la quantità minima di materiale fissile richiesta per avviare una reazione a catena di fissione autosufficiente. Il fattore di moltiplicazione dei neutroni in una tale quantità di materia è uguale all'unità.
Massa criticaè la massa del materiale fissile del reattore, che si trova in uno stato critico.
Dimensioni critiche di un reattore nucleare- le dimensioni più piccole del nocciolo del reattore, a cui è ancora possibile effettuare una reazione di fissione autosufficiente del combustibile nucleare. Di solito sotto la dimensione critica prendi il volume critico della zona attiva.
Volume critico di un reattore nucleare- il volume del nocciolo del reattore in stato critico.
Il numero relativo di neutroni emessi dall'uranio può essere ridotto modificando le dimensioni e la forma. In una sfera, gli effetti di superficie sono proporzionali al quadrato e gli effetti di volume sono proporzionali al cubo del raggio. La fuga di neutroni dall'uranio è un effetto di superficie, a seconda delle dimensioni della superficie; la cattura con fissione avviene nell'intero volume occupato dal materiale, e quindi è
effetto volumetrico. Maggiore è la quantità di uranio, meno è probabile che l'emissione di neutroni dal volume di uranio prevalga sulle catture con fissione e impedisca una reazione a catena. La perdita di neutroni per catture non di fissione è un effetto di massa, simile al rilascio di neutroni nella cattura di fissione, quindi l'aumento delle dimensioni non cambia la loro importanza relativa.
Le dimensioni critiche di un dispositivo contenente uranio possono essere definite come le dimensioni alle quali il numero di neutroni rilasciati durante la fissione è esattamente uguale alla loro perdita per emissione e cattura che non sono accompagnate da fissione. In altre parole, se le dimensioni sono meno che critiche, allora, per definizione, non può svilupparsi una reazione a catena.
Solo isotopi dispari possono formare una massa critica. Solo 235 U si trovano in natura e 239 Pu e 233 U sono artificiali, si formano in un reattore nucleare (come risultato della cattura di neutroni da parte di 238 nuclei di U
e 232 Th seguiti da due successivi β-decadimenti).
IN nell'uranio naturale, una reazione a catena di fissione non può svilupparsi con alcuna quantità di uranio, tuttavia, in isotopi come Il processo a catena 235 U e 239 Pu si ottiene in modo relativamente semplice. In presenza di un moderatore di neutroni, si verifica anche una reazione a catena nell'uranio naturale.
Una condizione necessaria per l'implementazione di una reazione a catena è la presenza di una quantità sufficientemente grande di materiale fissile, poiché in campioni di piccole dimensioni, la maggior parte dei neutroni vola attraverso il campione senza colpire alcun nucleo. Quando si verifica una reazione a catena di un'esplosione nucleare
materiale fissile di una certa massa critica.
Sia un pezzo di materia capace di fissione, ad esempio 235 U, in cui entra un neutrone. Questo neutrone o causerà la fissione, oppure sarà inutilmente assorbito dalla sostanza, oppure, essendosi diffuso, uscirà attraverso la superficie esterna. È importante cosa accadrà nella fase successiva: il numero medio di neutroni diminuirà o diminuirà, ad es. indebolire o sviluppare una reazione a catena, ad es. se il sistema sarà in uno stato subcritico o supercritico (esplosivo). Poiché l'emissione di neutroni è controllata dalla dimensione (per una palla, dal raggio), sorge il concetto di dimensione critica (e massa). Affinché l'esplosione si sviluppi, la dimensione deve essere maggiore di quella critica.
La dimensione critica di un sistema fissile può essere stimata se è nota la lunghezza del percorso dei neutroni nel materiale fissile.
Il neutrone, volando attraverso la sostanza, occasionalmente si scontra con il nucleo, sembra vederne la sezione trasversale. La dimensione della sezione trasversale del nucleo σ=10-24 cm2 (fienile). Se N è il numero di core in centimetro cubo, allora la combinazione L =1/N σ dà lunghezza media range del neutrone rispetto alla reazione nucleare. La lunghezza del percorso del neutrone è l'unico valore dimensionale che può servire come punto di partenza per valutare la dimensione critica. In qualsiasi teoria fisica vengono utilizzati metodi di somiglianza, che, a loro volta, sono costruiti da combinazioni adimensionali di quantità dimensionali, caratteristiche del sistema e materia. Così adimensionale
il numero è il rapporto tra il raggio di un pezzo di materiale fissile e la lunghezza del percorso dei neutroni in esso. Se assumiamo che il numero adimensionale sia dell'ordine dell'unità e la lunghezza del percorso ad un valore tipico di N = 1023, L = 10 cm
(per σ = 1) (di solito σ è solitamente molto maggiore di 1, quindi la massa critica è inferiore alla nostra stima). La massa critica dipende dalla sezione trasversale della reazione di fissione di un particolare nuclide. Sì, per creare bomba atomica sono necessari circa 3 kg di plutonio o 8 kg di 235 U (con uno schema implosivo e nel caso di 235 U puro) Con uno schema a botte di una bomba atomica sono necessari circa 50 kg di uranio per armi (Con una densità di uranio di 1.895 104 kg/m 5 cm, che è sorprendentemente in linea con la nostra stima
R \u003d L \u003d 10 cm).
Ricaviamo ora una formula più rigorosa per calcolare la dimensione critica di un pezzo di materiale fissile.
Come è noto, il decadimento di un nucleo di uranio produce numerosi neutroni liberi. Alcuni di essi lasciano il campione e altri vengono assorbiti da altri nuclei, causandone la fissione. Una reazione a catena si verifica se il numero di neutroni in un campione inizia a crescere come una valanga. L'equazione della diffusione dei neutroni può essere utilizzata per determinare la massa critica:
∂C |
D C + β C |
||
∂t |
|||
dove C è la concentrazione di neutroni, β>0 è la costante di velocità della reazione di moltiplicazione dei neutroni (simile alla costante di decadimento radioattivo ha la dimensione 1/sec, D è il coefficiente di diffusione dei neutroni,
Sia il campione sferico di raggio R. Allora dobbiamo trovare una soluzione all'equazione (1) che soddisfi la condizione al contorno: C (R,t )=0.
Facciamo la modifica C = ν e β t , allora
∂C |
∂ν |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v = D |
+ βν e |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
∂t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Abbiamo ottenuto la classica equazione di conduzione del calore: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∂ν |
D v |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
La soluzione di questa equazione è ben nota |
π 2 n 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ν(r, t)= |
peccato n re |
||||||||||||||||||||||||||||||||
π 2 n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
β − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
C(r, t) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
peccato n re |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
r n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
La reazione a catena andrà sotto la condizione (cioè, |
C(r, t) |
t →∞ → ∞ ) che per almeno un n il coefficiente in |
|||||||||||||||||||||||||||||||
esponente è positivo. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Se β − π 2 n 2 D > 0, |
quindi β > π 2 n 2 D e il raggio critico della sfera: |
R = n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Se π |
≥ R , allora per ogni n non ci sarà esponente crescente |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Se π |
< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ci limitiamo al primo membro della serie, n = 1: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
R = π |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Massa critica: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
M = ρV = ρ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Valore minimo viene chiamato il raggio della palla in corrispondenza del quale si verifica una reazione a catena
raggio critico , e la massa della palla corrispondente è massa critica.
Sostituendo il valore con R , otteniamo la formula per il calcolo della massa critica:
M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β
Il valore della massa critica dipende dalla forma del campione, dal fattore di moltiplicazione dei neutroni e dal coefficiente di diffusione dei neutroni. La loro determinazione è un problema sperimentale complesso, pertanto la formula risultante viene utilizzata per determinare i coefficienti indicati, ei calcoli effettuati sono la prova dell'esistenza di una massa critica.
Il ruolo della dimensione del campione è ovvio: al diminuire della dimensione, la percentuale di neutroni emessi attraverso la sua superficie aumenta, così che a dimensioni del campione piccole (al di sotto della criticità!), una reazione a catena diventa impossibile anche con un rapporto favorevole tra i processi di assorbimento e produzione di neutroni.
Per l'uranio altamente arricchito, la massa critica è di circa 52 kg, per il plutonio per armi, 11 kg. I documenti normativi per la protezione dei materiali nucleari dal furto indicano masse critiche: 5 kg di 235 U o 2 kg di plutonio (per lo schema dell'implosione della bomba atomica). Per lo schema del cannone, le masse critiche sono molto più grandi. Sulla base di questi valori si costruisce l'intensità della protezione delle sostanze fissili dagli attacchi terroristici.
Commento. La massa critica di un sistema di uranio metallico arricchito al 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) è 52 kg senza riflettore e 8,9 kg quando il sistema è circondato da un riflettore di neutroni di ossido di berillio. La massa critica di una soluzione acquosa di uranio è di circa 5 kg.
Il valore della massa critica dipende dalle proprietà della sostanza (come le sezioni d'urto di fissione e cattura delle radiazioni), dalla densità, dalla quantità di impurità, dalla forma del prodotto e anche dall'ambiente. Ad esempio, la presenza di riflettori di neutroni può ridurre notevolmente la massa critica. Per un particolare materiale fissile, la quantità di materiale che costituisce la massa critica può variare in un ampio intervallo e dipende dalla densità, dalle caratteristiche (tipo di materiale e spessore) del riflettore e dalla natura e percentuale di eventuali diluenti inerti (come ossigeno in ossido di uranio, 238 U in 235 U parzialmente arricchiti o impurità chimiche).
A scopo di confronto, ecco le masse critiche delle sfere senza riflettore per diversi tipi di materiali con una densità standard.
Per confronto, diamo i seguenti esempi di masse critiche: 10 kg 239 Pu, metallo in fase alfa
(densità 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), metallo (densità 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)
ad una densità di forma cristallina 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) a densità in cristallino
sotto forma di 11,4 g/cm3. Le soluzioni di sali di nuclidi fissili puri in acqua con un riflettore di neutroni ad acqua hanno la massa critica più bassa. Per 235 U la massa critica è 0,8 kg, per 239 Pu è 0,5 kg, per 251 Cf è
La massa critica M è correlata alla lunghezza critica l: M lx , dove x dipende dalla forma del campione e varia da 2 a 3. La dipendenza dalla forma è correlata alla fuoriuscita di neutroni attraverso la superficie: maggiore è la superficie, maggiore è la massa critica. Il campione con la massa critica minima è sferico. Tab. 5. Principali caratteristiche stimate degli isotopi puri capaci di fissione nucleare
neutroni |
||||||||
Ricevuta |
critico |
Densità |
Temperatura |
Dissipazione di calore |
spontaneo |
|||
metà vita |
||||||||
(una fonte) |
g/cm³ |
punto di fusione °C |
||||||
T 1/2 |
105 (kg s) |
|||||||
231Pa |
||||||||
232U |
Reattore acceso |
|||||||
neutroni |
||||||||
233U |
||||||||
235U |
Naturale |
7.038×108 anni |
||||||
236U |
2.3416×107 anni? kg |
|||||||
237Np |
2,14×107 anni |
|||||||
236Pu |
||||||||
238Pu |
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239Pu |
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240Pu |
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241Pu |
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242Pu |
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241 Am |
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242mAmm |
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243mAmm |
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243 Am |
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243 cm |
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244 cm |
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245 cm |
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246 cm |
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247 cm |
1,56×107 anni |
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248 cm |
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249 Cfr |
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250 Cfr |
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251 Cfr |
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252 Cfr |
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Soffermiamoci più in dettaglio sui parametri critici degli isotopi di determinati elementi. Cominciamo con l'uranio.
Come è stato più volte ricordato, 235 U (0,72% clarke) è di particolare importanza, poiché si fissione sotto l'azione dei neutroni termici (σ f = 583 barn), rilasciando un “equivalente di energia termica” di 2 × 107 kWh / K. Poiché, oltre all'α-decadimento, anche 235 U si divide spontaneamente (T 1/2 \u003d 3,5 × 1017 anni), i neutroni sono sempre presenti nella massa dell'uranio, il che significa che è possibile creare condizioni per il verificarsi di una reazione a catena di fissione autosufficiente. Per l'uranio metallico con un arricchimento del 93,5%, la massa critica è: 51 kg senza riflettore; 8,9 kg con riflettore in ossido di berillio; 21,8 kg con deflettore d'acqua pieno. Vengono forniti i parametri critici di miscele omogenee di uranio e suoi composti
Parametri critici degli isotopi del plutonio: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = da 12 a 7,45 kg. Di maggiore interesse sono le miscele di isotopi: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. L'elevato rilascio di energia specifica di 238 Pu porta all'ossidazione del metallo nell'aria, pertanto è molto probabile che venga utilizzato sotto forma di ossidi. Alla ricezione di 238 Pu, l'isotopo di accompagnamento è 239 Pu. Il rapporto di questi isotopi nella miscela determina sia il valore dei parametri critici sia la loro dipendenza dalla modifica del contenuto del moderatore. Varie stime della massa critica per una sfera di metallo nudo di 238 Pu danno valori da 12 a 7,45 kg rispetto alla massa critica per 239 Pu di 9,6 kg. Poiché il nucleo 239 Pu contiene un numero dispari di neutroni, la massa critica diminuirà quando l'acqua viene aggiunta al sistema. La massa critica di 238 Pu aumenta con l'aggiunta di acqua. Per una miscela di questi isotopi, l'effetto netto dell'aggiunta di acqua dipende dal rapporto isotopico. Quando il contenuto di massa di 239 Pu è pari o inferiore al 37%, la massa critica della miscela di isotopi 239 Pu e 238 Pu non diminuisce quando si aggiunge acqua al sistema. In questo caso, la quantità consentita di 239 Pu-238 Pu diossidi è di 8 kg. Con altri
rapporti di 238 Pu e 239 Pu diossidi, il valore minimo della massa critica varia da 500 g per 239 Pu puro a 24,6 kg per 238 Pu puro.
Tab. Fig. 6. Dipendenza della massa critica e del volume critico dell'uranio dall'arricchimento di 235 U.
Nota. I - miscela omogenea di uranio metallico e acqua; II - miscela omogenea di biossido di uranio e acqua; III - soluzione di fluoruro di uranile in acqua; IV - soluzione di nitrato di uranile in acqua. * Dati ottenuti mediante interpolazione grafica.
Un altro isotopo con un numero dispari di neutroni è 241 Pu. Il valore minimo della massa critica per 241 Pu si ottiene in soluzioni acquose alla concentrazione di 30 g/l ed è di 232 kg. Al ricevimento di 241 Pu da combustibile irraggiato, è sempre accompagnato da 240 Pu, che non lo supera in contenuto. Con un uguale rapporto di nuclidi in una miscela di isotopi, la massa critica minima di 241 Pu supera la massa critica di 239 Pu. Pertanto, rispetto alla massa critica minima, l'isotopo 241 Pu a
239 Pu può essere sostituito con 239 Pu se la miscela di isotopi contiene quantità uguali
241 Pu e 240 Pu.
Tab. 7. Parametri critici minimi dell'uranio con arricchimento del 100% in 233 U.
Consideriamo ora le caratteristiche critiche degli isotopi di americio. La presenza di isotopi 241 Am e 243 Am nella miscela aumenta la massa critica di 242 m Am. Per soluzione acquosa esiste un rapporto isotopico tale che il sistema è sempre subcritico. Quando il contenuto di massa di 242 m Am in una miscela di 241 Am e 242 m Am è inferiore al 5%, il sistema rimane subcritico fino alla concentrazione di americio in soluzioni e miscele meccaniche di biossido con acqua pari a 2500 g/L. Aumenta anche 243 Am misto a 242m Am
la massa critica della miscela, ma in misura minore, poiché la sezione d'urto di cattura dei neutroni termici per 243 Am è un ordine di grandezza inferiore a quella per 241 Am
Tab. 8. Parametri critici di assiemi sferici omogenei di plutonio (239 Pu+240 Pu).
Tab. 9. Dipendenza della massa critica e del volume dei composti del plutonio* dalla composizione isotopica del plutonio
* Il nuclide principale è 94 239 Pu.
Nota. I - miscela omogenea di plutonio metallico e acqua; II - miscela omogenea di biossido di plutonio e acqua; III miscela omogenea di ossalato di plutonio e acqua; IV - soluzione di nitrato di plutonio in acqua.
Tab. Fig. 10. Dipendenza della massa critica minima di 242 m Am dal suo contenuto in una miscela di 242 m Am e 241 Am (la massa critica è stata calcolata per AmO2 + H2 O in geometria sferica con riflettore d'acqua):
Massa critica 242 m Am, g |
|
Con una piccola frazione di massa di 245 Cm, va tenuto conto che 244 Cm ha anche una massa critica finita nei sistemi senza moderatori. Altri isotopi di curio con un numero dispari di neutroni hanno una massa critica minima parecchie volte maggiore di 245 Cm. In una miscela di CmO2 + H2O, l'isotopo 243 Cm ha una massa critica minima di circa 108 g e 247 Cm - circa 1170 g.
massa critica, possiamo supporre che 1 g di 245 Cm equivalga a 3 g di 243 Cm o 30 g di 247 Cm. Massa critica minima 245 Cm, g, a seconda del contenuto di 245 Cm in una miscela di isotopi 244 Cm e 245 Cm per СmО2 +
H2O è descritto abbastanza bene dalla formula
Mcr = 35,5 + |
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ξ + 0,003 |
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dove ξ - frazione di massa 245 Cm in una miscela di isotopi di curio.
La massa critica dipende dalla sezione trasversale della reazione di fissione. Durante la creazione di armi, tutti i tipi di trucchi possono ridurre la massa critica richiesta per un'esplosione. Quindi, per creare una bomba atomica, sono necessari 8 kg di uranio-235 (con uno schema di implosione e nel caso di uranio-235 puro; quando si usa il 90% di uranio-235 e con uno schema a stelo di una bomba atomica, almeno sono necessari 45 kg di uranio per armi). La massa critica può essere significativamente ridotta circondando il campione di materiale fissile con uno strato di materiale che riflette i neutroni, come il berillio o l'uranio naturale. Il riflettore restituisce una parte significativa dei neutroni emessi attraverso la superficie del campione. Ad esempio, se si utilizza un riflettore di 5 cm di spessore, realizzato con materiali come uranio, ferro, grafite, la massa critica sarà la metà della massa critica della "palla nuda". Riflettori più spessi riducono la massa critica. Il berillio è particolarmente efficace, fornendo una massa critica di 1/3 della massa critica standard. Il sistema a neutroni termici ha il volume critico più grande e la massa critica più piccola.
Un ruolo importante è svolto dal grado di arricchimento nel nuclide fissile. L'uranio naturale contenente lo 0,7% di 235 U non può essere utilizzato per la fabbricazione di armi atomiche, poiché il resto dell'uranio (238 U) assorbe intensamente i neutroni, impedendo lo sviluppo del processo a catena. Pertanto, gli isotopi dell'uranio devono essere separati, il che è un compito complesso e che richiede tempo. La separazione deve essere effettuata a gradi di arricchimento in 235 U superiori al 95%. Lungo la strada, è necessario eliminare le impurità degli elementi con un'elevata sezione d'urto di cattura dei neutroni.
Commento. Nella preparazione dell'uranio per armi, non solo eliminano le impurità non necessarie, ma le sostituiscono con altre impurità che contribuiscono al processo a catena, ad esempio, introducono elementi: allevatori di neutroni.
Il livello di arricchimento dell'uranio ha un effetto significativo sul valore della massa critica. Ad esempio, la massa critica dell'uranio arricchito con 235 U 50% è 160 kg (3 volte la massa dell'uranio 94%) e la massa critica dell'uranio 20% è 800 kg (cioè, ~15 volte maggiore della massa critica massa 94% uranio). Analoghi coefficienti di dipendenza dal livello di arricchimento sono applicabili all'ossido di uranio.
La massa critica è inversamente proporzionale al quadrato della densità del materiale, M a ~1/ρ 2 , . Pertanto, la massa critica del plutonio metallico nella fase delta (densità 15,6 g/cm3) è di 16 kg. Questa circostanza viene presa in considerazione quando si progetta una bomba atomica compatta. Poiché la probabilità di cattura dei neutroni è proporzionale alla concentrazione dei nuclei, un aumento della densità del campione, ad esempio a causa della sua compressione, può portare alla comparsa nel campione condizione critica. Negli ordigni esplosivi nucleari, una massa di materiale fissile che si trova in uno stato subcritico sicuro viene trasferita in uno stato supercritico esplosivo utilizzando un'esplosione diretta che sottopone la carica a un alto grado di compressione.
Nel prossimo anniversario del badaboom su Hiroshima e Nagasaki, ho deciso di setacciare Internet per domande sulle armi nucleari, dove perché e come fosse stato creato mi interessava poco (lo sapevo già) - ero più interessato a come 2 i pezzi di plutonio non si sciolgono ma fanno un grosso disco.
Tieni d'occhio gli ingegneri: iniziano con una seminatrice e finiscono con una bomba atomica.
La fisica nucleare è una delle aree più scandalose del venerabile Scienze naturali. È in questa zona che da mezzo secolo l'umanità getta miliardi di dollari, sterline, franchi e rubli, come nella fornace locomotiva di un treno in ritardo. Ora il treno sembra non essere più in ritardo. Le fiamme furiose dei beni in fiamme e delle ore lavorative si sono placate. Proviamo a capire brevemente che tipo di treno chiamato "fisica nucleare" è.
Isotopi e radioattività
Come sai, tutto ciò che esiste è composto da atomi. Gli atomi, a loro volta, sono costituiti da gusci di elettroni che vivono secondo le loro strabilianti leggi e dal nucleo. La chimica classica è completamente disinteressata al nucleo e alla sua vita privata. Per lei, un atomo sono i suoi elettroni e la loro capacità di scambiare interazione. E dal nucleo della chimica, è necessaria solo la sua massa per calcolare le proporzioni dei reagenti. A sua volta, alla fisica nucleare non frega niente degli elettroni. È interessata a un minuscolo granello di polvere (100mila volte più piccolo del raggio delle orbite degli elettroni) all'interno di un atomo, in cui è concentrata quasi tutta la sua massa.
Cosa sappiamo del nucleo? Sì, è composto da protoni carichi positivamente e neutroni elettricamente privi di carica. Tuttavia, questo non è del tutto vero. Il nucleo non è una manciata di palline di due colori, come in un'illustrazione da un libro di testo scolastico. Ci sono leggi completamente diverse all'opera qui chiamate interazione forte, che trasformano sia i protoni che i neutroni in una sorta di pasticcio indistinguibile. Tuttavia, la carica di questo pasticcio è esattamente uguale alla carica totale dei protoni che vi entrano, e la massa quasi (ripeto, quasi) coincide con la massa dei neutroni e dei protoni che compongono il nucleo.
A proposito, il numero di protoni di un atomo non ionizzato coincide sempre con il numero di elettroni che hanno l'onore di circondarlo. Ma con i neutroni, la questione non è così semplice. A rigor di termini, il compito dei neutroni è quello di stabilizzare il nucleo, perché senza di essi protoni con una carica simile non andrebbero d'accordo nemmeno per microsecondi.
Prendiamo l'idrogeno per certezza. L'idrogeno più comune Il suo dispositivo è ridicolmente semplice: un protone circondato da un elettrone orbitale. L'idrogeno nell'universo alla rinfusa. Possiamo dire che l'universo è costituito principalmente da idrogeno.
Ora aggiungiamo con attenzione un neutrone al protone. Chimicamente è ancora idrogeno. Ma dal punto di vista della fisica, no. Avendo scoperto due diversi idrogeni, i fisici si sono preoccupati e hanno immediatamente avuto l'idea di chiamare l'idrogeno ordinario protium e l'idrogeno con un neutrone con un protone - deuterio.
Diventiamo audaci e diamo al nucleo un altro neutrone. Ora abbiamo un altro idrogeno, ancora più pesante: il trizio. Anche in questo caso, dal punto di vista della chimica, praticamente non differisce dagli altri due idrogeni (beh, tranne che ora entra nella reazione un po' meno volentieri). Voglio avvertirvi subito: nessuno sforzo, minaccia ed esortazione potrà aggiungere un neutrone in più al nucleo di trizio. Le leggi locali sono molto più severe di quelle umane.
Quindi, protio, deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno. La loro massa atomica è diversa, ma la loro carica no. Ma è la carica del nucleo che determina la posizione in cui si trova sistema periodico elementi. Ecco perché gli isotopi sono chiamati isotopi. Tradotto dal greco, significa "occupare lo stesso posto". A proposito, la famosa acqua pesante è la stessa acqua, ma con due atomi di deuterio invece del protio. Di conseguenza, l'acqua superpesante contiene trizio invece di protium.
Diamo un'occhiata ai nostri idrogeni. Quindi... Protium è a posto, deuterio è a posto... E chi altro è questo? Dov'è finito il mio trizio e da dove viene l'elio-3? Nel nostro trizio, uno dei neutroni si è chiaramente annoiato, ha deciso di cambiare professione ed è diventato un protone. Così facendo, diede alla luce un elettrone e un antineutrino. La perdita di trizio è, ovviamente, deludente, ma ora sappiamo che è instabile. Nutrire i neutroni non è stato vano.
Quindi, come capisci, gli isotopi sono stabili e instabili. Ci sono molti isotopi stabili intorno a noi, ma, grazie a Dio, non ce ne sono praticamente di instabili. Cioè, sono disponibili, ma in uno stato così disperso che devono essere ottenuti a costo di una manodopera molto grande. Ad esempio, l'uranio-235, che ha causato così tanti problemi a Oppenheimer, è solo lo 0,7% dell'uranio naturale.
Metà vita
Tutto è semplice qui. L'emivita di un isotopo instabile è il periodo di tempo durante il quale esattamente la metà degli atomi dell'isotopo decade e si trasforma in altri atomi. Il trizio, già a noi familiare, ha un'emivita di 12,32 anni. Questo è un isotopo di breve durata, anche se rispetto al francio-223, che ha un'emivita di 22,3 minuti, il trizio sembrerà un aksakal dalla barba grigia.
Nessun fattore esterno macroscopico (pressione, temperatura, umidità, stato d'animo del ricercatore, quantità di allocazioni, posizione delle stelle) influisce sull'emivita. Meccanica quantistica insensibile a simili sciocchezze.
Meccanico di esplosione popolare
L'essenza di ogni esplosione è il rapido rilascio di energia che prima era in uno stato non libero e legato. L'energia rilasciata viene dissipata, trasformandosi principalmente in calore (l'energia cinetica del movimento disordinato delle molecole), un'onda d'urto (c'è anche movimento, ma già ordinato, nella direzione dal centro dell'esplosione) e radiazione - da morbida quanti da infrarosso a duro a lunghezza d'onda corta.
In un'esplosione chimica, tutto è relativamente semplice. Una reazione energeticamente favorevole si verifica quando determinate sostanze interagiscono tra loro. Solo gli strati elettronici superiori di alcuni atomi partecipano alla reazione e l'interazione non va più in profondità. È facile intuire che c'è molta più energia latente in ogni sostanza. Ma qualunque siano le condizioni dell'esperimento, non importa quanto siano efficaci i reagenti che scegliamo, non importa come regoliamo le proporzioni, la chimica non ci permetterà di andare più a fondo nell'atomo. Un'esplosione chimica è un fenomeno primitivo, inefficace e, dal punto di vista della fisica, oscenamente debole.
La reazione a catena nucleare ti consente di scavare un po' più a fondo, includendo non solo gli elettroni, ma anche i nuclei. Questo suona davvero pesante, forse, solo per un fisico, e al resto darò una semplice analogia. Immagina un peso gigante, attorno al quale svolazzano particelle di polvere elettrizzate a una distanza di diversi chilometri. Questo è un atomo, il "peso" è il nucleo e le "particelle di polvere" sono gli elettroni. Qualunque cosa tu faccia con queste particelle di polvere, non daranno nemmeno un centesimo dell'energia che può essere ottenuta da un peso pesante. Soprattutto se, per qualche ragione, si divide e frammenti enormi si disperdono in direzioni diverse a grande velocità.
Un'esplosione nucleare attiva il potenziale di legame delle particelle pesanti che compongono il nucleo. Ma questo è lontano dal limite: c'è molta più energia latente nella materia. E il nome di questa energia è massa. Ancora una volta, per un non fisico, questo suona un po' insolito, ma la massa è energia, solo estremamente concentrata. Ogni particella: un elettrone, un protone, un neutrone: tutti questi sono piccoli grumi di energia incredibilmente densa, che per il momento rimane a riposo. Probabilmente conoscete la formula E=mc2, tanto amata dagli autori di battute, dai redattori di giornali murali e dai progettisti delle aule scolastiche. Si tratta di questo, ed è lei che postula la massa come nient'altro che una forma di energia. E dà anche una risposta alla domanda su quanta energia si può ottenere al massimo da una sostanza.
Il processo di transizione completa della massa, cioè dell'energia legata, nell'energia libera è chiamato annientamento. Dalla radice latina "nihil" è facile intuire la sua essenza: questa è una trasformazione in "nulla", o meglio, in radiazione. Per chiarezza, alcuni numeri.
Esplosione TNT equivalente Energia (J)
Granata F-1 60 grammi 2,50*105
Bomba sganciata su Hiroshima da 16 kilotoni 6,70*1013
Annientamento di un grammo di materia 21,5 kilotoni 8,99*1013
Un grammo di qualsiasi materia (solo la massa è importante) darà più energia durante l'annientamento di una piccola bomba nucleare. Rispetto a un tale ritorno, gli esercizi dei fisici sulla scissione del nucleo sembrano ridicoli, e ancor di più gli esperimenti dei chimici con i reagenti attivi.
Per l'annientamento sono necessarie condizioni appropriate, cioè il contatto della materia con l'antimateria. E, a differenza del "mercurio rosso" o della "pietra filosofale", l'antimateria è più che reale - poiché le particelle a noi note esistono e sono state studiate antiparticelle simili e sono stati ripetutamente condotti esperimenti sull'annichilazione delle coppie "elettrone + positrone" in pratica. Ma per creare un'arma di annientamento, è necessario riunire una certa quantità significativa di antiparticelle, oltre a limitarle dal contatto con qualsiasi materia fino, appunto, all'uso in combattimento. Questa, pah-pah, è ancora una prospettiva lontana.
difetto di massa
L'ultima domanda che resta da chiarire riguardo alla meccanica dell'esplosione è da dove viene l'energia: la stessa che si sprigiona durante la reazione a catena? Anche qui c'è stata una messa. O meglio, senza il suo "difetto".
Fino al secolo scorso, gli scienziati credevano che la massa si conservasse in qualsiasi condizione e avevano ragione a modo loro. Quindi abbiamo abbassato il metallo in acido: la storta ha iniziato a bollire e bolle di gas sono salite attraverso lo spessore del liquido. Ma se pesiamo i reagenti prima e dopo la reazione, senza dimenticare il gas evoluto, la massa converge. E sarà sempre così, finché operiamo con chilogrammi, metri e reazioni chimiche.
Ma vale la pena approfondire il campo delle microparticelle, oltre alla massa anche le sorprese. Si scopre che la massa di un atomo potrebbe non essere esattamente uguale alla somma delle masse delle particelle che lo compongono. Quando si dividono in parti di un nucleo pesante (ad esempio, lo stesso uranio), i "frammenti" in totale pesano meno del nucleo prima della fissione. La "differenza", chiamata anche difetto di massa, è la responsabilità delle energie di legame all'interno del nucleo. Ed è questa differenza che va in calore e radiazione durante l'esplosione, il tutto secondo la stessa semplice formula: E=mc2.
Questo è interessante: è successo così che è energeticamente vantaggioso dividere nuclei pesanti e unire nuclei leggeri. Il primo meccanismo funziona in una bomba all'uranio o al plutonio, il secondo - in una bomba all'idrogeno. E non puoi fare una bomba di ferro con tutto il tuo desiderio: sta esattamente nel mezzo di questa linea.
Bomba nucleare
In ordine storico, diamo prima un'occhiata alle bombe nucleari e realizziamo il nostro piccolo progetto Manhattan. Non ti annoierò con metodi noiosi di separazione degli isotopi e calcoli matematici della teoria della reazione a catena di fissione. Abbiamo uranio, plutonio, altri materiali, istruzioni di montaggio e la necessaria quantità di curiosità scientifica.
Tutti gli isotopi dell'uranio sono in una certa misura instabili. Ma l'uranio-235 è in una posizione speciale. Durante il decadimento spontaneo del nucleo dell'uranio-235 (chiamato anche decadimento alfa), si formano due frammenti (i nuclei di altri elementi molto più leggeri) e diversi neutroni (solitamente 2-3). Se il neutrone formato durante il decadimento colpisce il nucleo di un altro atomo di uranio, si verificherà una normale collisione elastica, il neutrone rimbalzerà e continuerà a cercare avventure. Ma dopo qualche tempo sprecherà energia (le collisioni idealmente elastiche si verificano solo nei cavalli sferici nel vuoto) e il prossimo nucleo si rivelerà una trappola: il neutrone verrà assorbito da esso. A proposito, in fisica un tale neutrone è chiamato neutrone termico.
Guarda l'elenco degli isotopi conosciuti dell'uranio. Tra questi non c'è nessun isotopo con una massa atomica di 236. Sai perché? Un tale nucleo vive per frazioni di microsecondi e poi decade con il rilascio di un'enorme quantità di energia. Questo è chiamato decadimento forzato. Un isotopo con una tale durata è anche alquanto imbarazzante da chiamare un isotopo.
L'energia rilasciata durante il decadimento del nucleo di uranio-235 è l'energia cinetica di frammenti e neutroni. Se calcoliamo la massa totale dei prodotti di decadimento del nucleo di uranio e quindi la confrontiamo con la massa del nucleo originale, si scopre che queste masse non corrispondono: il nucleo originale era più grande. Questo fenomeno è chiamato difetto di massa e la sua spiegazione sta nella formula E0=mñ2. L'energia cinetica dei frammenti, divisa per il quadrato della velocità della luce, sarà esattamente uguale alla differenza di massa. I frammenti vengono decelerati nel reticolo cristallino dell'uranio, dando origine a raggi X, e i neutroni, dopo aver viaggiato, vengono assorbiti da altri nuclei di uranio o lasciano la colata di uranio, dove hanno luogo tutti gli eventi.
Se la colata di uranio è piccola, la maggior parte dei neutroni la lascerà senza avere il tempo di rallentare. Ma se ogni atto di decadimento forzato provoca almeno un altro dello stesso atto a causa del neutrone emesso, questa è già una reazione a catena di fissione autosufficiente.
Di conseguenza, se si aumenta la dimensione del getto, un numero crescente di neutroni provocherà atti di fissione forzata. E ad un certo punto la reazione a catena diventerà incontrollabile. Ma è ancora lontano da un'esplosione nucleare. Solo un'esplosione termica molto "sporca", in cui un gran numero di isotopi molto attivi e velenosi.
Una domanda abbastanza logica: quanto uranio-235 è necessario affinché la reazione a catena di fissione diventi una valanga? In realtà, non tutto è così semplice. Le proprietà del materiale fissile e il rapporto tra volume e superficie giocano un ruolo qui. Immagina una tonnellata di uranio-235 (prenoto subito - questo è molto), che esiste sotto forma di un filo sottile e molto lungo. Sì, un neutrone che vola lungo di esso, ovviamente, provocherà un atto di decadimento forzato. Ma la frazione di neutroni che volano lungo il filo si rivelerà così piccola che è semplicemente ridicolo parlare di una reazione a catena autosufficiente.
Pertanto, abbiamo deciso di considerare la massa critica per una colata sferica. Per l'uranio-235 puro, la massa critica è di 50 kg (questa è una palla con un raggio di 9 cm). Capisci che una palla del genere non durerà a lungo, però, come chi la lancia.
Se, d'altra parte, una palla di massa minore è circondata da un riflettore di neutroni (il berillio è perfetto per questo) e un materiale viene introdotto nella palla - un moderatore di neutroni (acqua, acqua pesante, grafite, lo stesso berillio) , allora la massa critica diventerà molto più piccola. Utilizzando i riflettori e moderatori di neutroni più efficienti, è possibile aumentare la massa critica a 250 grammi. Questo, ad esempio, può essere ottenuto ponendo una soluzione satura di sale di uranio-235 in acqua pesante in un contenitore sferico di berillio.
La massa critica esiste non solo per l'uranio-235. Esistono numerosi isotopi capaci di una reazione a catena di fissione. La condizione principale è che i prodotti di decadimento del nucleo debbano provocare atti di decadimento di altri nuclei.
Quindi, abbiamo due getti emisferici di uranio del peso di 40 kg ciascuno. Finché saranno a rispettosa distanza l'uno dall'altro, tutto sarà calmo. E se inizi a muoverli lentamente? Contrariamente alla credenza popolare, non accadrà nulla di simile a un fungo. È solo che i pezzi inizieranno a riscaldarsi man mano che si avvicinano e poi, se non cambi idea in tempo, si scalderanno. Alla fine, si scioglieranno e si diffonderanno semplicemente e tutti coloro che hanno spostato i getti daranno quercia dall'irradiazione di neutroni. E coloro che hanno guardato questo con interesse incolleranno le loro pinne.
E se fosse più veloce? Sciogliere più velocemente. Ancora più veloce? Sciogliere ancora più velocemente. Calmati? Sì, anche abbassarlo in elio liquido: non avrà senso. E se spari un pezzo all'altro? DI! Il momento della verità. Abbiamo appena escogitato uno schema di cannoni all'uranio. Tuttavia, non abbiamo nulla di cui essere particolarmente orgogliosi, questo schema è il più semplice e ingenuo possibile. Sì, e gli emisferi dovranno essere abbandonati. Come ha dimostrato la pratica, non tendono ad aderire uniformemente agli aerei. La minima distorsione - e ottieni un "mazzo" molto costoso, dopo di che ci vorrà molto tempo per ripulire.
Sarebbe meglio realizzare un tubo corto di uranio-235 a pareti spesse con una massa di 30-40 kg, al cui foro attaccheremo una canna d'acciaio ad alta resistenza dello stesso calibro, caricata con un cilindro dello stesso uranio di massa approssimativamente uguale. Cerchiamo di circondare il bersaglio di uranio con un riflettore di neutroni al berillio. Ora, se spari un "proiettile" di uranio contro un "tubo" di uranio, ci sarà un "tubo" pieno. Cioè, ci sarà un'esplosione nucleare. Devi solo sparare seriamente, in modo che la velocità iniziale del proiettile di uranio sia di almeno 1 km / s. Altrimenti, ci sarà di nuovo un "mazzo", ma più forte. Il fatto è che quando il proiettile e il bersaglio si avvicinano, si riscaldano così tanto che iniziano a evaporare intensamente dalla superficie, rallentati dai flussi di gas in arrivo. Inoltre, se la velocità è insufficiente, c'è la possibilità che il proiettile semplicemente non raggiunga il bersaglio, ma evapori lungo il percorso.
Disperdere a una tale velocità un disco del peso di diverse decine di chilogrammi e su un segmento di un paio di metri è un compito estremamente difficile. Ecco perché non avrai bisogno di polvere da sparo, ma di un potente esplosivo in grado di creare la giusta pressione del gas nella canna in brevissimo tempo. E poi non devi pulire la canna, non preoccuparti.
La bomba Mk-I "Little Boy" sganciata su Hiroshima è stata progettata esattamente secondo lo schema del cannone.
Ci sono, ovviamente, piccoli dettagli di cui non abbiamo tenuto conto nel nostro progetto, ma non abbiamo peccato completamente contro il principio stesso.
Così. Abbiamo fatto esplodere la bomba all'uranio. Mi è piaciuto il fungo. Ora faremo esplodere il plutonio. Basta non trascinare un bersaglio, proiettili, barili e altri rifiuti qui. Questo numero con plutonio non funzionerà. Anche se spariamo da un pezzo all'altro a una velocità di 5 km / s, un assemblaggio supercritico non funzionerà comunque. Il plutonio-239 avrà il tempo di riscaldarsi, evaporare e rovinare tutto ciò che lo circonda. La sua massa critica è di poco superiore ai 6 kg. Puoi immaginare quanto sia più attivo in termini di cattura dei neutroni.
Il plutonio è un metallo insolito. A seconda della temperatura, della pressione e delle impurità, esiste in sei modifiche reticolo cristallino. Ci sono anche modifiche in cui si restringe quando riscaldato. Le transizioni da una fase all'altra possono essere effettuate bruscamente, mentre la densità del plutonio può cambiare del 25%, facciamo una deviazione, come tutti i normali eroi. Ricordiamo che la massa critica è determinata, in particolare, dal rapporto tra volume e superficie. Ok, abbiamo una palla di massa subcritica, che ha una superficie minima per un dato volume. Diciamo 6 chili. Il raggio della palla è di 4,5 cm E se questa palla fosse compressa da tutti i lati? La densità aumenterà in proporzione al cubo di compressione lineare e la superficie diminuirà in proporzione al suo quadrato. Ed ecco cosa succede: gli atomi di plutonio diventeranno più densi, cioè si ridurrà la distanza di arresto del neutrone, il che significa che aumenterà la probabilità del suo assorbimento. Ma, ancora una volta, la compressione alla velocità desiderata (circa 10 km / s) non funzionerà ancora. Senza uscita? E qui non lo è.
A 300°C si instaura la cosiddetta fase delta, la più libera. Se il plutonio viene drogato con gallio, riscaldato a questa temperatura e quindi raffreddato lentamente, la fase delta può esistere anche a temperatura ambiente. Ma non sarà stabile. Ad alta pressione (dell'ordine di decine di migliaia di atmosfere) ci sarà una brusca transizione verso una fase alfa molto densa.
Mettiamo una palla di plutonio in una palla cava grande (diametro 23 cm) e pesante (120 kg) di uranio-238. Non preoccuparti, non ha massa critica. Ma riflette perfettamente i neutroni veloci. E ci saranno ancora utili, pensi che l'abbiano fatto saltare in aria? Non importa come. Il plutonio è un'entità infernale e capricciosa. Devo ancora lavorare. Facciamo due emisferi di plutonio nella fase delta. Formiamo una cavità sferica al centro. E in questa cavità collocheremo la quintessenza del pensiero sulle armi nucleari: un iniziatore di neutroni. Questa è una piccola palla di berillio cava con un diametro di 20 e uno spessore di 6 mm. Al suo interno c'è un'altra palla di berillio con un diametro di 8 mm. Ci sono profonde scanalature sulla superficie interna della sfera cava. Tutto questo è generosamente nichelato e ricoperto d'oro. Il polonio-210 è posizionato nelle scanalature, che emette attivamente particelle alfa. Questo è il miracolo della tecnologia. Come funziona? Aspetta un secondo. Abbiamo ancora alcune cose da fare.
Cerchiamo di circondare il guscio di uranio con un altro, fatto di lega di alluminio con boro. Il suo spessore è di circa 13 cm In totale, la nostra "matrioska" è ora ingrassata fino a mezzo metro e recuperata da 6 a 250 kg.
Ora rendiamo "lenti" l'implosione. Immagina un pallone da calcio. Classico, composto da 20 esagoni e 12 pentagoni. Faremo una tale "palla" da esplosivi e forniremo a ciascuno dei segmenti diversi detonatori elettrici. Lo spessore del segmento è di circa mezzo metro. Nella produzione di "lenti" ci sono anche molte sottigliezze, ma se vengono descritte, non ci sarà abbastanza spazio per tutto il resto. La cosa principale è la massima precisione degli obiettivi. Il minimo errore - e l'intero gruppo sarà schiacciato dall'azione esplosiva degli esplosivi. L'assieme completo ha ora un diametro di circa un metro e mezzo e una massa di 2,5 tonnellate. Il progetto è completato da un circuito elettrico, il cui compito è quello di far esplodere i detonatori in una sequenza rigorosamente definita con una precisione di un microsecondo.
Qualunque cosa. Davanti a noi c'è uno schema di implosione del plutonio.
E ora - il più interessante.
Durante la detonazione, l'esplosivo comprime l'assieme e lo "spintatore" di alluminio non consente al decadimento dell'onda d'urto di diffondersi, propagandosi verso l'interno dopo il suo fronte. Dopo aver attraversato l'uranio con una controvelocità di circa 12 km/s, l'onda di compressione condenserà sia esso che il plutonio. Il plutonio a pressioni nella zona di compressione dell'ordine di centinaia di migliaia di atmosfere (l'effetto della focalizzazione del fronte esplosivo) salterà nella fase alfa. In 40 microsecondi, l'assieme uranio-plutonio qui descritto diventerà non solo supercritico, ma diverse volte maggiore della massa critica.
Dopo aver raggiunto l'iniziatore, l'onda di compressione schiaccerà la sua intera struttura in un monolite. In questo caso, l'isolamento oro-nichel verrà distrutto, il polonio-210 penetrerà nel berillio per diffusione, le particelle alfa emesse da esso passando attraverso il berillio provocheranno un flusso colossale di neutroni che avviano una reazione a catena di fissione nell'intero volume di plutonio, e il flusso di neutroni "veloci" nato dal decadimento del plutonio provocherà un'esplosione di uranio-238. Fatto, abbiamo coltivato il secondo fungo, non peggiore del primo.
Un esempio di uno schema di implosione del plutonio è la bomba Mk-III "Fatman" sganciata su Nagasaki.
Tutti i trucchi qui descritti sono necessari per forzare la reazione importo massimo nuclei atomici di plutonio. Il compito principale è mantenere la carica in uno stato compatto il più a lungo possibile, per non lasciarla disperdere in una nuvola di plasma, in cui la reazione a catena si fermerà istantaneamente. Qui, ogni microsecondo guadagnato è un aumento di uno o due kilotoni di potenza.
bomba termonucleare
C'è una credenza popolare che una bomba nucleare sia una miccia per una termonucleare. In linea di principio, tutto è molto più complicato, ma l'essenza viene catturata correttamente. Armi basate sui principi fusione termonucleare, ha permesso di raggiungere una tale potenza di esplosione che in nessun caso può essere raggiunta da una reazione a catena di fissione. Ma l'unica fonte di energia finora che consente di "accendere" una reazione di fusione termonucleare è un'esplosione nucleare.
Ricordi come io e te abbiamo "alimentato" il nucleo di idrogeno con i neutroni? Quindi, se provi a connettere due protoni insieme in questo modo, non ne verrà fuori nulla. I protoni non si uniranno a causa delle forze repulsive di Coulomb. O voleranno via, o si verificherà un decadimento beta e uno dei protoni diventerà un neutrone. Ma l'elio-3 esiste. Grazie a un singolo neutrone, che rende i protoni più accomodanti tra loro.
In linea di principio, sulla base della composizione del nucleo di elio-3, si può concludere che un nucleo di elio-3 può essere completamente assemblato da nuclei di protio e deuterio. Teoricamente, questo è vero, ma una tale reazione può avvenire solo nelle profondità di stelle grandi e calde. Inoltre, nelle profondità delle stelle, anche dai soli protoni, si può raccogliere elio, trasformandone alcuni in neutroni. Ma queste sono questioni di astrofisica e l'opzione realizzabile per noi è quella di unire due nuclei di deuterio o deuterio e trizio.
La fusione nucleare richiede una condizione molto specifica. Questa è una temperatura molto alta (109 K). Solo a un'energia cinetica media dei nuclei di 100 kiloelettronvolt sono in grado di avvicinarsi alla distanza alla quale l'interazione forte inizia a superare l'interazione di Coulomb.
Domanda abbastanza legittima: perché recintare questo giardino? Il fatto è che durante la sintesi dei nuclei leggeri viene rilasciata un'energia dell'ordine di 20 MeV. Naturalmente, con la fissione forzata del nucleo di uranio, questa energia è 10 volte maggiore, ma c'è un avvertimento: con i più grandi trucchi, una carica di uranio con una capacità anche di 1 megaton è impossibile. Anche per una bomba al plutonio più avanzata, la resa energetica ottenibile non supera i 7-8 kilotoni per chilogrammo di plutonio (con un massimo teorico di 18 kilotoni). E non dimenticare che un nucleo di uranio è quasi 60 volte più pesante di due nuclei di deuterio. Se consideriamo il rendimento energetico specifico, la fusione termonucleare è notevolmente avanti.
Eppure - per una carica termonucleare non ci sono restrizioni sulla massa critica. Semplicemente non ce l'ha. Ci sono, tuttavia, altre restrizioni, ma su di esse - di seguito.
In linea di principio, avviare una reazione termonucleare come fonte di neutroni è abbastanza facile. È molto più difficile gestirlo come fonte di energia. Qui ci troviamo di fronte al cosiddetto criterio di Lawson, che determina il vantaggio energetico di una reazione termonucleare. Se il prodotto della densità dei nuclei reagenti per il tempo della loro ritenzione alla distanza di fusione è maggiore di 1014 sec/cm3, l'energia data dalla fusione supererà l'energia immessa nel sistema.
È stato il raggiungimento di questo criterio a cui sono stati dedicati tutti i programmi termonucleari.
La prima idea di Edward Teller per una bomba termonucleare fu come cercare di costruire una bomba al plutonio partendo dal progetto di un cannone. Cioè, tutto sembra essere corretto, ma non funziona. Il "classico super" dispositivo - deuterio liquido in cui è immersa una bomba al plutonio - era davvero classico, ma tutt'altro che super.
L'idea di un'esplosione di una carica nucleare in un mezzo di deuterio liquido si è rivelata un vicolo cieco fin dall'inizio. In tali condizioni, una piccola quantità di resa energetica della fusione termonucleare potrebbe essere ottenuta facendo esplodere una carica nucleare con una potenza di 500 kt. E non c'era assolutamente bisogno di parlare di raggiungere il criterio di Lawson.
Anche l'idea di circondare la carica di innesco nucleare con strati di combustibile termonucleare, intervallati da uranio-238 come isolante termico e amplificatore di esplosione, è venuta alla mente di Teller. E non solo a lui. Le prime bombe termonucleari sovietiche furono costruite secondo questo schema. Il principio era abbastanza semplice: una carica nucleare riscalda il combustibile termonucleare alla temperatura di inizio della fusione e i neutroni veloci nati durante la fusione fanno esplodere strati di uranio-238. Tuttavia, la limitazione è rimasta la stessa: alla temperatura che potrebbe fornire un innesco nucleare, solo una miscela di deuterio a buon mercato e trizio incredibilmente costoso potrebbe entrare in una reazione di fusione.
Teller in seguito ha avuto l'idea di utilizzare un composto di deuteride di litio-6. Questa decisione ha permesso di abbandonare contenitori criogenici costosi e scomodi con deuterio liquido. Inoltre, a seguito dell'irradiazione con neutroni, il litio-6 è stato convertito in elio e trizio, che sono entrati in una reazione di fusione con il deuterio.
Lo svantaggio di questo schema era la potenza limitata: solo una parte limitata del combustibile termonucleare che circondava il grilletto aveva il tempo di entrare nella reazione di fusione. Il resto, non importa quanto fosse, è andato in malora. La massima potenza di carica ottenuta utilizzando il "puff" era di 720 kt (bomba British Orange Herald). Apparentemente, era il "soffitto".
Abbiamo già parlato della storia dello sviluppo dello schema Teller-Ulam. Esaminiamo ora i dettagli tecnici di questo schema, chiamato anche "schema a due stadi" o "schema di compressione delle radiazioni".
Il nostro compito è riscaldare il combustibile di fusione e mantenerlo in un certo volume per soddisfare il criterio di Lawson. Tralasciando gli esercizi americani con schemi criogenici, prendiamo il deuteruro di litio-6 già noto a noi come combustibile termonucleare.
Scegliamo l'uranio-238 come materiale del contenitore per la carica termonucleare. Il contenitore è cilindrico. Lungo l'asse del contenitore al suo interno, posizioniamo un'asta cilindrica di uranio-235, che ha una massa subcritica.
Nota: la bomba al neutrone che fece un tonfo in quel momento è lo stesso schema Teller-Ulam, ma senza una barra di uranio lungo l'asse del contenitore. Il punto è fornire un potente flusso di neutroni veloci, ma non permettere il burnout di tutto il combustibile termonucleare, che consumerà neutroni.
Il resto dello spazio libero del contenitore sarà riempito con deuteruro di litio-6. Metteremo il contenitore a un'estremità del corpo della futura bomba (questo sarà il secondo stadio per noi), e all'altra estremità monteremo la solita carica di plutonio con una capacità di diversi kilotoni (il primo stadio). Tra le cariche nucleari e termonucleari installeremo una partizione di uranio-238, che impedisce il riscaldamento prematuro del deuteruro di litio-6. Riempiamo il resto dello spazio libero all'interno del corpo della bomba con un polimero solido. Fondamentalmente, bomba termonucleare pronto.
Quando una carica nucleare viene fatta esplodere, l'80% dell'energia viene rilasciata sotto forma di raggi X. La velocità della sua propagazione è molto più alta della velocità di propagazione dei frammenti di fissione del plutonio. Dopo centesimi di microsecondo, lo schermo di uranio evapora e la radiazione di raggi X inizia ad essere assorbita intensamente dall'uranio del contenitore della carica termonucleare. Come risultato della cosiddetta ablazione (ablazione di massa dalla superficie di un contenitore riscaldato), si genera una forza reattiva che comprime il contenitore 10 volte. È questo effetto che viene chiamato implosione di radiazioni o compressione da radiazioni. In questo caso, la densità del combustibile termonucleare aumenta di un fattore 1000. A causa della colossale pressione dell'implosione di radiazioni, anche l'asta centrale di uranio-235 viene sottoposta a compressione, sebbene in misura minore, e va in uno stato supercritico. A questo punto, l'unità termonucleare viene bombardata da neutroni veloci da un'esplosione nucleare. Dopo essere passati attraverso il deuteruro di litio-6, rallentano e vengono assorbiti intensamente dalla bacchetta di uranio.
Una reazione a catena di fissione inizia nell'asta, portando rapidamente a un'esplosione nucleare all'interno del contenitore. Poiché il deuteruro di litio-6 è soggetto a compressione ablativa dall'esterno e alla pressione di un'esplosione nucleare dall'interno, la sua densità e temperatura aumentano ancora di più. Questo momento è l'inizio dell'inizio della reazione di fusione. La sua ulteriore manutenzione è determinata da quanto tempo il contenitore manterrà al suo interno i processi termonucleari, senza far uscire energia termica. Questo è ciò che determina il raggiungimento del criterio di Lawson. Il consumo di combustibile termonucleare procede dall'asse del cilindro al suo bordo. La temperatura del fronte di combustione raggiunge i 300 milioni di kelvin. Il pieno sviluppo dell'esplosione fino all'esaurimento del combustibile da fusione e alla distruzione del contenitore richiede un paio di centinaia di nanosecondi, venti milioni di volte più velocemente di quanto leggi questa frase.
Il funzionamento affidabile del circuito a due stadi dipende dal montaggio preciso del contenitore e dalla prevenzione del suo riscaldamento prematuro.
La potenza di una carica termonucleare per lo schema Teller-Ulam dipende dalla potenza del trigger nucleare, che garantisce un'efficace compressione per radiazione. Tuttavia, ora ci sono anche schemi multistadio in cui l'energia della fase precedente viene utilizzata per comprimere quella successiva. Un esempio di uno schema in tre fasi è la già citata "madre di Kuzkin" da 100 megatoni.
Sono passati poco più di due mesi dalla fine della guerra più terribile della storia dell'umanità. E così, il 16 luglio 1945, la prima bomba nucleare fu testata dall'esercito americano e un mese dopo migliaia di abitanti delle città giapponesi muoiono nell'inferno atomico. Da allora, le armi, così come i mezzi per consegnarle ai bersagli, sono state continuamente migliorate per più di mezzo secolo.
I militari volevano mettere a loro disposizione sia munizioni super potenti, che spazzavano via intere città e paesi dalla mappa con un colpo, sia quelle ultra piccole che stavano in una valigetta. Un tale dispositivo porterebbe la guerra di sabotaggio a un livello senza precedenti. Sia con la prima che con la seconda ci sono state difficoltà insormontabili. La ragione di ciò è la cosiddetta massa critica. Tuttavia, prima le cose.
Un tale nucleo esplosivo
Per capire l'ordine di funzionamento degli ordigni nucleari e capire quella che viene chiamata massa critica, torniamo un attimo alla scrivania. Dal corso di fisica della scuola, ricordiamo una semplice regola: le cariche omonime si respingono. In essa Scuola superiore agli studenti viene raccontata la struttura del nucleo atomico, costituito da neutroni, particelle neutre e protoni caricati positivamente. Ma come è possibile? Le particelle caricate positivamente sono così vicine tra loro che le forze repulsive devono essere colossali.
La scienza non comprende appieno la natura delle forze intranucleari che tengono insieme i protoni, sebbene le proprietà di queste forze siano state studiate abbastanza bene. Le forze agiscono solo a distanza molto ravvicinata. Ma non appena i protoni sono anche leggermente separati nello spazio, le forze repulsive iniziano a prevalere e il nucleo va in frantumi. E il potere di tale espansione è davvero colossale. È noto che la forza di un maschio adulto non sarebbe sufficiente a contenere i protoni di un solo nucleo dell'atomo di piombo.
Di cosa aveva paura Rutherford?
I kernel della maggior parte degli elementi della tavola periodica sono stabili. Tuttavia, all'aumentare del numero atomico, questa stabilità diminuisce. Riguarda la dimensione dei core. Immagina il nucleo di un atomo di uranio, composto da 238 nuclidi, di cui 92 sono protoni. Sì, i protoni sono in stretto contatto tra loro e le forze intranucleari cementano saldamente l'intera struttura. Ma la forza repulsiva dei protoni situati alle estremità opposte del nucleo diventa evidente.
Cosa ha fatto Rutherford? Ha bombardato gli atomi con neutroni (un elettrone non passerà attraverso il guscio elettronico di un atomo e un protone caricato positivamente non sarà in grado di avvicinarsi al nucleo a causa delle forze repulsive). Un neutrone che entra nel nucleo di un atomo provoca la sua fissione. Due metà separate e due o tre neutroni liberi si separarono.
Questo decadimento, dovuto alle enormi velocità delle particelle volanti, è stato accompagnato dal rilascio di un'enorme energia. Girava voce che Rutherford volesse persino nascondere la sua scoperta, temendo le sue possibili conseguenze per l'umanità, ma molto probabilmente non è altro che una fiaba.
Quindi cosa c'entra la massa e perché è fondamentale
E allora? Come si può irradiare abbastanza metallo radioattivo con un flusso di protoni per produrre una potente esplosione? E cos'è la massa critica? Si tratta di quei pochi elettroni liberi che volano fuori dal nucleo atomico "bombardato", a loro volta, scontrandosi con altri nuclei, causeranno la loro fissione. Inizierà il cosiddetto, ma sarà estremamente difficile lanciarlo.
Perfezioniamo la scala. Se prendiamo una mela sul nostro tavolo come nucleo di un atomo, allora per immaginare il nucleo di un atomo vicino, la stessa mela dovrà essere portata e messa sul tavolo nemmeno nella stanza accanto, ma.. .nella casa accanto. Il neutrone avrà le dimensioni di un nocciolo di ciliegia.
Affinché i neutroni emessi non volino via invano al di fuori del lingotto di uranio, e più del 50% di essi trovi il loro bersaglio sotto forma di nuclei atomici, questo lingotto deve avere le dimensioni appropriate. Questa è quella che viene chiamata la massa critica dell'uranio, la massa alla quale più della metà dei neutroni emessi si scontrano con altri nuclei.
In effetti, accade in un istante. Il numero di nuclei divisi cresce come una valanga, i loro frammenti corrono in tutte le direzioni a velocità paragonabili alla velocità della luce, strappando aria, acqua e qualsiasi altro mezzo. Dalle loro collisioni con le molecole ambiente l'area dell'esplosione si riscalda istantaneamente fino a milioni di gradi, irradiando calore che incenerisce tutto in un quartiere di diversi chilometri.
L'aria fortemente riscaldata aumenta istantaneamente di dimensioni, creando una potente onda d'urto che fa saltare gli edifici dalle fondamenta, capovolge e distrugge tutto ciò che incontra sul suo cammino... questa è l'immagine di un'esplosione atomica.
Come appare in pratica
Il dispositivo della bomba atomica è sorprendentemente semplice. Ci sono due lingotti di uranio (o un altro, la cui massa è leggermente inferiore a quella critica. Uno dei lingotti è realizzato a forma di cono, l'altro è a forma di palla con un cono a forma di buco. Come puoi immaginare, quando unisci entrambe le metà, ottieni una palla che raggiunge la massa critica. Questa è la bomba nucleare standard più semplice. Due metà sono collegate usando una carica di TNT convenzionale (il cono viene sparato in una palla).
Ma non pensare che un dispositivo del genere possa essere assemblato "sul ginocchio" da chiunque. L'intero trucco è che l'uranio, affinché una bomba esploda da esso, deve essere molto puro, la presenza di impurità è praticamente zero.
Perché non esiste una bomba atomica delle dimensioni di un pacchetto di sigarette
Tutto per lo stesso motivo. La massa critica dell'isotopo più comune dell'uranio 235 è di circa 45 kg. L'esplosione di una tale quantità di combustibile nucleare è già un disastro. Ed è impossibile da realizzare con una quantità minore di una sostanza: semplicemente non funzionerà.
Per lo stesso motivo, non è stato possibile creare cariche atomiche super potenti dall'uranio o da altri metalli radioattivi. Affinché la bomba fosse molto potente, era composta da una dozzina di lingotti che, quando venivano fatte esplodere le cariche esplosive, si precipitavano al centro, collegandosi come fette di un'arancia.
Ma cosa è successo in realtà? Se, per qualche ragione, due elementi si sono incontrati un millesimo di secondo prima degli altri, la massa critica è stata raggiunta più velocemente di quanto il resto sarebbe “arrivato in tempo”, l'esplosione non è stata della potenza che i progettisti si aspettavano. Il problema delle armi nucleari superpotenti è stato risolto solo con l'avvento delle armi termonucleari. Ma questa è una storia leggermente diversa.
Come funziona un atomo pacifico?
Una centrale nucleare è essenzialmente la stessa bomba nucleare. Solo questa "bomba" ha barre di combustibile (elementi di combustibile) di uranio poste a una certa distanza l'una dall'altra, il che non impedisce loro di scambiarsi "colpi" di neutroni.
Le barre di combustibile sono realizzate sotto forma di barre, tra le quali ci sono barre di controllo fatte di un materiale che assorbe bene i neutroni. Il principio di funzionamento è semplice:
- le barre di regolazione (assorbenti) vengono introdotte nello spazio tra le barre di uranio - la reazione rallenta o si interrompe del tutto;
- le barre di controllo vengono rimosse dalla zona: gli elementi radioattivi scambiano attivamente neutroni, la reazione nucleare procede più intensamente.
In effetti, si scopre la stessa bomba atomica, in cui la massa critica viene raggiunta così facilmente ed è regolata in modo così chiaro da non portare a un'esplosione, ma solo al riscaldamento del liquido di raffreddamento.
Anche se, sfortunatamente, come mostra la pratica, non sempre il genio umano è in grado di frenare questa energia enorme e distruttiva - l'energia del decadimento del nucleo atomico.
1. Cosa si chiama reazione a catena?MA. Una reazione in cui si forma una catena di nuclei atomici. B. reazione di fissione nucleare. IN. Reazione di fusione nucleare. G. La reazione in cui si verifica il decadimento dei nuclei. D. Una reazione in cui le particelle che la causano si formano come prodotti di quella reazione.
2. La reazione di fissione dei nuclei pesanti procede come una reazione a catena dovuta all'emissione di determinate particelle. Specificare quali particelle sono nella data reazione:. MA. due protoni. B. Un protone e un neutrone. IN. Tre neutroni. G. Due neutroni. D. Un protone e due neutroni.
3. Il nucleo atomico del bismuto a seguito di una serie di trasformazioni radioattive si è trasformato in un nucleo di piombo 
. Quali tipi di trasformazioni radioattive ha subito?MA. Decadimento alfa. B. Beta più decadimento. IN. Beta meno decadimento. G Beta più decadimento e decadimento alfa. D. Decadimento beta meno e decadimento alfa.
4. Il nucleo emette g-quanto. Scegli quella corretta tra le seguenti affermazioni. Numero di serie dell'elemento: MA. Crescente. B. Diminuisce. IN. Non cambia.
5. Il nucleo emette un elettrone. Scegli quella corretta tra le affermazioni elencate nella tabella.
Cancella il superfluo.
6. Durante l'implementazione della reazione di fissione nucleare dei nuclei di uranio, vengono rilasciati circa 165 MeV sotto forma di energia cinetica del movimento dei frammenti nucleari. Quali forze impartiscono accelerazione ai frammenti del nucleo, aumentando la loro energia cinetica?MA. forze coulombiane. B. forze gravitazionali. IN. Forze nucleari. G. Forze di interazione debole. D. Forze di natura sconosciuta. e. forze elettromagnetiche.
7. Quali condizioni sono necessarie perché avvenga una reazione nucleare a catena: 1) la massa dell'uranio o del plutonio deve essere almeno la massa critica; 2) disponibilità alta temperatura; 3) la massa dell'uranio o del plutonio deve essere inferiore alla massa critica?MA. Solo 1. B. Solo 2. IN. 1 e 2. G. Solo 3. D. 2 e 3.
8. Come si chiama massa critica in un reattore nucleare all'uranio?MA. La massa massima di uranio nel reattore a cui può funzionare senza un'esplosione. B. La massa minima di uranio nel reattore alla quale può essere effettuata una reazione a catena. IN. La massa aggiuntiva di uranio introdotta nel reattore per avviarlo. G. Una massa aggiuntiva di una sostanza introdotta nel reattore per spegnerlo in casi critici.
9. Quali delle seguenti sostanze sono comunemente usate nei reattori nucleari come assorbitori di neutroni: 1) uranio; 2) grafite; 3) cadmio; 4) acqua pesante; 5) boro; 6) plutonio.(Scegli la risposta corretta).
10. Quali delle seguenti sostanze sono comunemente usate nei reattori nucleari come moderatori di neutroni: 1) uranio; 2) grafite; 3) cadmio; 4) acqua pesante; 5) boro; 6) plutonio.(Scegli la risposta corretta).
11. Quali delle seguenti sostanze sono comunemente usate nei reattori nucleari come combustibile nucleare: 1) uranio; 2) grafite; 3) cadmio; 4) acqua pesante; 5) boro; 6) plutonio.(Scegli la risposta corretta).
12. Quali delle seguenti sostanze sono normalmente utilizzate nei reattori nucleari come refrigeranti: 1) uranio; 2) grafite; 3) cadmio; 4) acqua ordinaria; 5) sodio liquido; 6) plutonio; 7) acqua pesante.(Scegli la risposta corretta).
13. Qual è il nome del reattore nucleare: questo è un dispositivo, in quale... MA. l'energia nucleare viene convertita in energia elettrica. B. ha luogo una reazione di fissione nucleare controllata. IN. avviene la fusione nucleare. G. avviene la disintegrazione nucleare. D. avviene una reazione chimica.