Testul nr. 5
Opțiunea 1
Fenomenul radioactivității, descoperit de Becquerel, indică faptul că...
B. Compoziția atomului include electroni.
B. Atomul are o structură complexă.
D. Acest fenomen este caracteristic doar pentru uraniu.
Cine a propus modelul nuclear al structurii atomului?
Figura prezintă diagramele a patru atomi. Punctele negre sunt electroni. Ce schemă corespunde unui atom 2 4 Nu?
Un atom este format din următoarele particule:
B. nucleoni şi electroni.
B. protoni şi neutroni.
D. Neutroni și electroni.
Care este numărul de masă al nucleului unui atom de mangan 25 55 Mn?
Care dintre următoarele reacții încalcă legea conservării sarcinii?
B. 3 6 Li + 1 1 H → 2 4 He + 2 3 He.
B. 2 3 El + 2 3 El → 2 4 El + 1 1 H + 1 1 H.
D. 3 7 Li + 2 4 He → 5 10 V + 0 1 n.
^ nucleul atomic este alcătuită din protoni și neutroni. Între ce perechi de particule din interiorul nucleului acţionează forţele nucleare?
B. Proton-neutron.
B. Neutron-neutron.
D. În toate perechile de A-B.
Masele protonului și neutronului...
B. Aproximativ la fel.
B. Raport ca 1:1836.
D. Aproximativ egal cu zero.
în nucleul atomului de calciu 20 40 Sa conține…
B. 40 de neutroni și 20 de electroni.
B. 20 de protoni și 40 de electroni.
D. 20 de protoni și 20 de neutroni.
^ În ce dispozitiv este făcută vizibilă urma mișcării unei particule încărcate rapid într-un gaz (ca urmare a condensării vaporilor suprasaturați pe ioni)?
B. În camera de nori.
G. În camera cu bule.
^ Determinați al doilea produs X într-o reacție nucleară: 13 27 Al+ 0 1 n → 11 24 Na+X.
Nucleul atomic este format din Z protoni și N neutroni. Masa neutronilor liberi m n , proton liber m p . Care dintre următoarele condiții este îndeplinită pentru masa nucleului m g ?
B. m g
B. m g > Zm p + Nm n.
D. Condiția A pentru nucleele stabile, condiția B pentru nucleele radioactive.
Calculați ∆m (defect de masă) al nucleului unui atom 3 7 Li (în amu).
A. ∆m ≈ 0,04. B. ∆m ≈ –0,04. B. ∆m =0. D. ∆m ≈ 0,2.
14 În ce unități ar trebui exprimată valoarea masei atunci când se calculează energia de legare a nucleelor atomice folosind formula ∆E= ∆m*c 2 ?
A. În kilograme.
B. În grame.
B. În unităţi de masă atomică.
G. În jouli.
^ Care este masa critică într-un reactor nuclear cu uraniu?
B. Masa minimă de uraniu la care poate fi efectuată o reacție în lanț în reactor.
B. Masă suplimentară de uraniu introdusă în reactor pentru pornirea acestuia.
D. Masă suplimentară de substanță introdusă în reactor pentru a-l opri în cazuri critice.
^ Ce fel radiatii radioactive cel mai periculos pentru expunerea umană externă?
B. radiaţii gama.
B. Radiația alfa.
^ Sarcină suplimentară.
Tot elemente chimice există ca doi sau mai mulți izotopi. Determinați diferența de compoziție a nucleelor izotopice 17 35 Cl și 17 37 Cl.
B. izotopul 17 37 Cl are 2 protoni mai putini in nucleu decat 17 35 Cl.
V. izotopul 17 37 Cl are în nucleu cu 2 neutroni mai mult decât 17 35 Cl.
G. izotopul 17 37 Cl are în nucleu 2 neutroni mai puţin decât 17 35 Cl.
18. În dezintegrarea alfa a nucleelor atomice...
numărul de masă este conservat și sarcina este crescută cu unu.
B. Numărul de masă scade cu 4, dar sarcina rămâne neschimbată.
B. Numărul de masă scade cu 4 și sarcina crește cu 2.
D. Numărul de masă scade cu 4, încărcătura scade și ea cu 2.
^ 19. Energia este eliberată sau absorbită într-o reacție nucleară. 3 6 Li + 1 1 H→ 2 4 Nu + 2 3 Nu? Masele nucleelor și particulelor din a. m. sunt respectiv egali cu: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 H = 1,00728, m 2 4 Nu = 4,00260, m 2 3 Nu = 3,01602.
A. Absorbit, pentru că. ∆m
B. Se remarcă pentru că ∆m
B. Absorbit, tk. ∆m > 0.
G. Se remarcă pentru că ∆m > 0.
20. Când izotopul 5 10 V este bombardat de neutroni, o particulă alfa este ejectată din nucleul format. Folosind legile de conservare a numărului de masă și a sarcinii, precum și tabelul periodic al elementelor, notați reacția nucleară.
Testul nr. 5
pe tema „Structura atomului și a nucleului atomic”
Opțiunea 2
^ 1. Compoziția radiațiilor radioactive poate include...
A. Numai electroni.
B. Numai neutroni.
B. Doar particule alfa.
D. Particule beta, particule alfa, cuante gamma.
^ 2. Cu ajutorul experimentelor, Rutherford a descoperit că...
A. Sarcina pozitivă este distribuită uniform în volumul atomului.
B. Sarcina pozitivă este concentrată în centrul atomului și ocupă un volum foarte mic.
B. Compoziția atomului include electroni.
D. Un atom nu are structură internă.
^ Figura prezintă diagramele a patru atomi. Electronii sunt prezentați ca puncte negre.
Miezul conține următoarele particule:
B. Protoni și electroni.
B. Protoni și neutroni
D. Neutroni și electroni.
^ 5. Care este sarcina nucleară a atomului de stronțiu 38 88 Sr?
A. 88 B. 38 C. 50 D. 126.
În care dintre următoarele ecuații ale reacțiilor nucleare este încălcată legea conservării numărului de masă?
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 Not
D. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 e
^ 6. forte nucleare actioneaza intre nucleoni...
A. Sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitaționale și acționează între particulele încărcate.
B. Sunt de multe ori superiori tuturor tipurilor de forte si actioneaza la orice distanta.
B. Sunt de multe ori superioare tuturor celorlalte tipuri de forţe, dar acţionează numai la distanţe comparabile cu mărimea nucleului.
D. Sunt de multe ori mai mari decât forțele gravitaționale și acționează între orice particule.
Masele protonului și electronului...
B. Aproximativ la fel.
B. Relaționați ca 1: 1836.
D. Aproximativ zero.
^ 8. În nucleul unui atom de fier 26 56 Fe conține:
A. 26 de neutroni și 56 de protoni.
B. 56 de neutroni și 26 de protoni.
C. 26 de protoni și 56 de electroni.
D. 26 de protoni și 30 de neutroni.
În ce dispozitiv se înregistrează originea unei particule ionizante prin apariția unui impuls curent electric ca urmare a apariţiei autodescărcare in gaz?
B. Într-un contor Geiger.
B. Într-un contor de scintilaţii.
G. În camera cu bule.
^ Determinați al doilea produs X al reacției nucleare:
A. Particulă alfa (2 4 He).
B. Neutron.
V. Proton.
G. Electron.
^ 12. Un nucleu atomic este format din Z protoni și N neutroni. Masa neutronilor liberi m n , proton liber m p . Care dintre următoarele condiții este îndeplinită pentru masa nucleului m eu ?
A. m i Z*m p + m n ; B. m i \u003d Z * m p + N * m n
D. Pentru nucleele stabile, condiția A, pentru nucleele radioactive, condiția B.
^ 13. Calculați defectul de masă (∆ m) în a. e. m. Nucleele atomului 2 3 Nu. Masele particulelor și ale nucleului, exprimate în a. e. m., respectiv, sunt egale cu: m n = 1,00866; m p = 1,00728;
m eu = 3,01602.
A. ∆m ≈ 0,072 B. ∆m ≈ 0,0072 C. ∆m ≈ -0,0072 D.∆m ≈ 0
^ 14. În ce unități se va obține valoarea energiei la calcularea energiei de legare a nucleelor atomice folosind formula ∆E=m*c 2 ?
A. În electron volți (eV).
B. În megaelectron volți (MeV)
B. În jouli.
G. Într-o. mânca.
^ 15. Într-un reactor nuclear, substanțe precum grafitul sau apa sunt folosite ca așa-numiți moderatori. Ce ar trebui să încetinească și de ce?
A. Ei încetinesc neutronii pentru a reduce probabilitatea de a avea loc o reacție de fisiune nucleară.
B. Încetiniți neutronii pentru a crește probabilitatea apariției unei reacții de fisiune nucleară.
B. Încetiniți reacția în lanț de fisiune pentru a facilita controlul reactorului.
D. Încetinirea fragmentelor de nuclee formate ca urmare a fisiunii uraniului, pt uz practic lor energie kinetică.
^ 16. Ce tip de radiație radioactivă este cea mai periculoasă pentru expunerea umană internă?
A. Radiația beta.
B. Radiația gamma.
B. Radiația alfa.
D. Toate cele trei tipuri de radiații: alfa, beta, gamma.
^ Sarcină suplimentară.
Toate elementele chimice există ca doi sau mai mulți izotopi. Determinați diferența de compoziție a nucleelor izotopilor 10 20 Ne și 10 22 Ne
B. izotopul 10 20 Ne are 2 protoni mai puțini în nucleu decât 10 22 Ne
B. izotopul 10 22 Ne are în nucleu cu 2 neutroni mai mult decât 10 20 Ne
G. izotopul 10 22 Ne are 2 neutroni mai puțin în nucleu decât 10 20 Ne
18. În timpul dezintegrarii beta a nucleelor atomice...
A. Masa nucleului rămâne practic neschimbată, astfel încât numărul de masă este conservat și sarcina crește.
B. Numărul de masă crește cu 1 și sarcina scade cu 1.
B. Numărul de masă este conservat și sarcina este redusă cu 1.
D. Numărul de masă scade cu 1, sarcina este conservată.
19. Este energie eliberată sau absorbită în reacția nucleară 7 14 N + 2 4 He → 8 17 O + 1 1 H? Masele nucleelor și particulelor (în a.m.) sunt, respectiv, egale: m 7 14 N \u003d 14.00307, m 2 4 He \u003d 4.00260, m 8 17 O \u003d 16.99913, m 1 003d H 1.003d 1.
A. Absorbit, pentru că. ∆m
B. Se remarcă pentru că ∆m
B. Absorbit, tk. ∆m > 0.
G. Se remarcă pentru că ∆m > 0.
20. Folosind legile de conservare a numărului de masă și a sarcinii, precum și a sistemului periodic de elemente, scrieți o reacție nucleară care are loc atunci când este bombardată cu particule alfa de 5 11 V și este însoțită de eliminarea neutronilor
^ Foaie de răspuns
la munca de control № 5
pe tema „Structura atomului și a nucleului atomic”
Clasa ____________
Opțiune _______| № cur | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Răspuns | |||||||||||||||||||||
| № adăuga. sarcini | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Răspuns | |||||||||||||||||||||
^ Foaie de răspuns
pentru a controla lucrarea nr. 5
pe tema „Structura atomului și a nucleului atomic”
Data: ___________________20__
Clasa ____________
NUMELE COMPLET ________________________________
Opțiune _______| № cur | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Răspuns | |||||||||||||||||||||
| № adăuga. sarcini | 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Răspuns | |||||||||||||||||||||
^ Codurile de răspunsuri corecte.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| ÎN 1 | ÎN | G | ÎN | B | G | DAR | G | B | G | B | DAR | B | DAR | DAR | B | ÎN | ÎN | G | B |
| ÎN 2 | G | B | ÎN | ÎN | B | ÎN | ÎN | DAR | G | B | B | DAR | DAR | ÎN | ÎN | ÎN | ÎN | DAR | B |
#20 5 10 V + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 He (1 OPȚIUNE)
5 11 V + 2 4 Nu → 7 14 N + 1 1 N (OPȚIUNEA 2)
^ Tabel pentru transformarea numărului de răspunsuri corecte la întrebări obligatorii într-un scor pe o scară de cinci puncte.
Pentru funcționarea în siguranță cu substanțe nucleare periculoase fisionabile, parametrii echipamentului trebuie să fie mai puțin critici. Ca parametri de reglementare ai securității nucleare se folosesc: cantitatea, concentrația și volumul materialului fisionabil nuclear periculos; diametrul echipamentului având o formă cilindrică; grosimea stratului plat pentru echipamente în formă de placă. Parametrul normativ este stabilit pe baza parametrului admis, care este mai mic decât cel critic și nu trebuie depășit în timpul funcționării echipamentului. În același timp, este necesar ca caracteristicile care afectează parametrii critici să fie în limite strict definite. Sunt utilizați următorii parametri validi: numărul M add, volumul V add, diametrul D add, grosimea stratului t add.
Folosind dependența parametrilor critici de concentrația unui nuclid fisionabil periculos nuclear, se determină o astfel de valoare a parametrului critic, sub care, la orice concentrație, SCRD este imposibil. De exemplu, pentru soluțiile de săruri de plutoniu și uraniu îmbogățit, masa critică, volumul, diametrul unui cilindru infinit, grosimea unui strat plat infinit au un minim în regiunea decelerației optime. Pentru amestecurile de uraniu îmbogățit metalic cu apă, masa critică, ca și pentru soluții, are un minim pronunțat în regiunea decelerației optime, iar volumul critic, diametrul unui cilindru infinit și grosimea unui strat plat infinit la mare. îmbogățirea (>35%) au valori minime în absența unui moderator (r n /r 5 =0); pentru îmbogățirea sub 35%, parametrii critici ai amestecului au un minim la decelerare optimă. Este evident că parametrii stabiliți pe baza parametrilor critici minimi asigură siguranță pe întregul interval de concentrație. Acești parametri sunt numiți siguri, sunt mai puțini decât parametrii critici minimi. Se folosesc următorii parametri de siguranță: cantitate, concentrație, volum, diametru, grosime strat.
La asigurarea securității nucleare a sistemului, concentrația nuclidului fisionabil (uneori cantitatea de moderator) este neapărat limitată de parametrul admisibil, în timp ce, în același timp, la utilizarea parametrului de siguranță, nu se impun restricții asupra concentrației ( sau pe cantitatea de moderator).
2 MASĂ CRITICĂ
Dacă se va dezvolta sau nu o reacție în lanț, depinde de rezultatul competiției a patru procese:
(1) Ejectia neutronilor din uraniu,
(2) captarea neutronilor de către uraniu fără fisiune,
(3) captarea neutronilor de către impurități.
(4) captarea neutronilor de către uraniu cu fisiune.
Dacă pierderea de neutroni în primele trei procese este mai mică decât numărul de neutroni eliberați în al patrulea, atunci are loc o reacție în lanț; altfel este imposibil. Evident, dacă din primele trei procese este foarte probabil, atunci excesul de neutroni eliberați în timpul fisiunii nu va putea asigura continuarea reacției. De exemplu, în cazul în care probabilitatea procesului (2) (captare de uraniu fără fisiune) este mult mai mare decât probabilitatea de captare cu fisiune, o reacție în lanț este imposibilă. O dificultate suplimentară este introdusă de izotopul uraniului natural: este format din trei izotopi: 234 U, 235 U și 238 U, ale căror contribuții sunt de 0,006, 0,7 și, respectiv, 99,3%. Este important ca probabilitățile proceselor (2) și (4) să fie diferite pentru diferiți izotopi și să depindă diferit de energia neutronilor.
Pentru a evalua concurența diferitelor procese din punctul de vedere al dezvoltării unui proces în lanț de fisiune nucleară într-o substanță, se introduce conceptul de „masă critică”.
Masa critica este masa minimă de material fisionabil care asigură fluxul unei reacții în lanț de fisiune nucleară autosusținută. Masa critică este cu atât mai mică, cu atât timpul de înjumătățire prin fisiune este mai scurt și cu atât este mai mare îmbogățirea elementului de lucru cu un izotop fisionabil.
Masa critica - cantitatea minimă de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție în lanț de fisiune auto-susținută. Factorul de multiplicare a neutronilor într-o astfel de cantitate de materie este egal cu unitatea.
Masa critica este masa materialului fisionabil al reactorului, care se află într-o stare critică.
Dimensiunile critice ale unui reactor nuclear- cele mai mici dimensiuni ale miezului reactorului, la care se poate desfășura în continuare o reacție de fisiune a combustibilului nuclear autosusținut. De obicei, sub dimensiunea critică ia volumul critic al zonei active.
Volumul critic al unui reactor nuclear- volumul miezului reactorului în stare critică.
Numărul relativ de neutroni care sunt emiși din uraniu poate fi redus prin modificarea dimensiunii și formei. Într-o sferă, efectele de suprafață sunt proporționale cu pătratul, iar efectele de volum sunt proporționale cu cubul razei. Evadarea neutronilor din uraniu este un efect de suprafata, in functie de marimea suprafetei; captarea cu fisiune are loc în întregul volum ocupat de material și deci este
efect volumetric. Cu cât cantitatea de uraniu este mai mare, cu atât este mai puțin probabil ca emisia de neutroni din volumul de uraniu să prevaleze asupra captărilor cu fisiune și să prevină o reacție în lanț. Pierderea de neutroni la capturile non-fisiune este un efect de vrac, similar cu eliberarea de neutroni în captarea prin fisiune, astfel încât mărirea dimensiunii nu modifică importanța lor relativă.
Dimensiunile critice ale unui dispozitiv care contine uraniu pot fi definite ca fiind dimensiunile la care numarul de neutroni eliberati in timpul fisiunii este exact egal cu pierderile lor datorate emisiilor si capturilor care nu sunt insotite de fisiune. Cu alte cuvinte, dacă dimensiunile sunt mai puțin critice, atunci, prin definiție, nu se poate dezvolta o reacție în lanț.
Doar izotopii ciudați pot forma o masă critică. Doar 235 U se găsesc în natură, iar 239 Pu și 233 U sunt artificiali, se formează într-un reactor nuclear (ca urmare a captării neutronilor de către nuclee de 238 U
și 232 Th urmate de două dezintegrari β ulterioare).
ÎN în uraniul natural, o reacție în lanț de fisiune nu se poate dezvolta cu nicio cantitate de uraniu, totuși, în izotopi precum Procesul de lanț 235 U și 239 Pu se realizează relativ ușor. În prezența unui moderator de neutroni, are loc și o reacție în lanț în uraniul natural.
O condiție necesară pentru implementarea unei reacții în lanț este prezența unei cantități suficient de mare de material fisionabil, deoarece în eșantioanele de dimensiuni mici, majoritatea neutronilor zboară prin eșantion fără să lovească niciun nucleu. O reacție în lanț a unei explozii nucleare are loc atunci când
material fisionabil cu o anumită masă critică.
Să existe o bucată de materie capabilă de fisiune, de exemplu, 235 U, în care intră un neutron. Acest neutron fie va provoca fisiunea, fie va fi absorbit inutil de substanță sau, după ce a difuzat, va ieși prin suprafața exterioară. Este important ce se va întâmpla în următoarea etapă - va scădea sau va scădea numărul mediu de neutroni, de exemplu? slăbiți sau dezvoltați o reacție în lanț, de ex. dacă sistemul va fi într-o stare subcritică sau supercritică (explozivă). Deoarece emisia de neutroni este controlată de dimensiune (pentru o minge, de rază), apare conceptul de dimensiune critică (și masă). Pentru ca explozia să se dezvolte, dimensiunea trebuie să fie mai mare decât cea critică.
Mărimea critică a unui sistem fisionabil poate fi estimată dacă este cunoscută lungimea căii neutronilor în materialul fisionabil.
Neutronul, care zboară prin substanță, se ciocnește ocazional cu nucleul, pare să-și vadă secțiunea transversală. Dimensiunea secțiunii transversale a miezului σ=10-24 cm2 (hambar). Dacă N este numărul de nuclee în centimetru cub, atunci combinația L =1/N σ dă lungime medie intervalul neutronului în raport cu reacția nucleară. Lungimea căii neutronilor este singura valoare dimensională care poate servi ca punct de plecare pentru evaluarea dimensiunii critice. În orice teorie fizică, se folosesc metode de similaritate care, la rândul lor, sunt construite din combinații adimensionale de mărimi dimensionale, caracteristici ale sistemului și materie. Deci fără dimensiuni
numărul este raportul dintre raza unei bucăți de material fisionabil și lungimea traseului neutronilor în ea. Dacă presupunem că numărul adimensional este de ordinul unității, iar lungimea drumului la o valoare tipică de N = 1023, L = 10 cm
(pentru σ = 1) (de obicei σ este de obicei mult mai mare decât 1, deci masa critică este mai mică decât estimarea noastră). Masa critică depinde de secțiunea transversală a reacției de fisiune a unui anumit nuclid. Da, pentru a crea bombă atomică sunt necesare aproximativ 3 kg de plutoniu sau 8 kg de 235 U (cu o schemă implozivă și în cazul 235 U pur) Cu o schemă de țevi a unei bombe atomice, este nevoie de aproximativ 50 kg de uraniu pentru arme (Cu o densitate de uraniu de 1.895 104 kg/m 5 cm, ceea ce este surprinzător de bine în conformitate cu estimarea noastră
R \u003d L \u003d 10 cm).
Să derivăm acum o formulă mai riguroasă pentru calcularea dimensiunii critice a unei bucăți de material fisionabil.
După cum se știe, dezintegrarea unui nucleu de uraniu produce mai mulți neutroni liberi. Unele dintre ele părăsesc proba, iar altele sunt absorbite de alte nuclee, provocând fisiunea acestora. O reacție în lanț are loc dacă numărul de neutroni dintr-o probă începe să crească ca o avalanșă. Ecuația difuziei neutronilor poate fi utilizată pentru a determina masa critică:
∂C |
D C + β C |
||
∂t |
|||
unde C este concentrația de neutroni, β>0 este constanta de viteză a reacției de multiplicare a neutronilor (similar cu constanta de dezintegrare radioactivă are dimensiunea 1/sec, D este coeficientul de difuzie a neutronilor,
Fie proba să fie sferică cu raza R. Atunci trebuie să găsim o soluție a ecuației (1) care să satisfacă condiția la limită: C (R,t )=0.
Să facem schimbarea C = ν e β t , atunci
∂C |
∂ν |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v = D |
+ βν e |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
∂t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Am obținut ecuația clasică a conducerii căldurii: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∂ν |
D v |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Soluția acestei ecuații este bine cunoscută |
π 2 n 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ν(r, t)= |
sin n re |
||||||||||||||||||||||||||||||||
π 2 n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
β − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
C(r, t) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
sin n re |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
r n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Reacția în lanț va merge în condiția (adică |
C(r, t) |
t →∞ → ∞ ) că pentru cel puţin un n coeficientul în |
|||||||||||||||||||||||||||||||
exponentul este pozitiv. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Dacă β − π 2 n 2 D > 0, |
atunci β > π 2 n 2 D și raza critică a sferei: |
R = n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Dacă π |
≥ R , atunci pentru orice n nu va exista exponent în creștere |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Dacă π |
< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ne restrângem la primul membru al seriei, n = 1: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
R = π |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Masa critica: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
M = ρ V = ρ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Valoarea minima se numește raza bilei la care are loc o reacție în lanț
raza critică , iar masa bilei corespunzătoare este masa critica.
Înlocuind valoarea pentru R , obținem formula de calcul a masei critice:
M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β
Valoarea masei critice depinde de forma probei, de factorul de multiplicare a neutronilor si de coeficientul de difuzie a neutronilor. Determinarea lor este o problemă experimentală complexă, prin urmare formula rezultată este utilizată pentru determinarea coeficienților indicați, iar calculele efectuate sunt dovada existenței unei mase critice.
Rolul dimensiunii eșantionului este evident: odată cu scăderea dimensiunii, procentul de neutroni emiși prin suprafața sa crește, astfel încât la dimensiuni mici (sub critice!) eșantionului, o reacție în lanț devine imposibilă chiar și cu un raport favorabil între procesele de absorbție și producerea de neutroni.
Pentru uraniul foarte îmbogățit, masa critică este de aproximativ 52 kg, pentru plutoniul pentru arme, 11 kg. Documentele de reglementare pentru protecția materialelor nucleare împotriva furtului indică mase critice: 5 kg de 235 U sau 2 kg de plutoniu (pentru schema de implozie a bombei atomice). Pentru schema tunului, masele critice sunt mult mai mari. Pe baza acestor valori se construiește intensitatea protecției substanțelor fisionabile împotriva atacurilor teroriste.
Cometariu. Masa critică a unui sistem de uraniu metalic îmbogățit cu 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) este de 52 kg fără reflector și de 8,9 kg când sistemul este înconjurat de un reflector de neutroni de oxid de beriliu. Masa critică a unei soluții apoase de uraniu este de aproximativ 5 kg.
Valoarea masei critice depinde de proprietățile substanței (cum ar fi secțiunile transversale de fisiune și captare a radiațiilor), de densitate, cantitatea de impurități, forma produsului și, de asemenea, de mediu. De exemplu, prezența reflectoarelor de neutroni poate reduce foarte mult masa critică. Pentru un anumit material fisionabil, cantitatea de material care constituie masa critică poate varia într-un interval larg și depinde de densitatea, caracteristicile (tipul materialului și grosimea) reflectorului și natura și procentul oricăror diluanți inerți (cum ar fi oxigen în oxid de uraniu, 238 U în 235 U parțial îmbogățit sau impurități chimice).
Pentru comparație, iată masele critice de bile fără reflector pentru mai multe tipuri de materiale cu o densitate standard.
Pentru comparație, dăm următoarele exemple de mase critice: 10 kg 239 Pu, metal în faza alfa
(densitate 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), metal (densitate 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)
la o densitate de formă cristalină 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) la densitate în cristalin
sub formă de 11,4 g/cm3. Soluțiile de săruri ale nuclizilor puri fisionali în apă cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. Pentru 235 U masa critică este de 0,8 kg, pentru 239 Pu este de 0,5 kg, pentru 251 Cf este
Masa critică M este legată de lungimea critică l: M lx , unde x depinde de forma probei și variază de la 2 la 3. Dependența de formă este legată de scurgerea neutronilor prin suprafață: cu cât suprafața este mai mare, cu atât masa critică este mai mare. Proba cu masa critică minimă este sferică. Tab. 5. Principalele caracteristici estimate ale izotopilor puri capabili de fisiune nucleară
Neutroni |
||||||||
chitanta |
critic |
Densitate |
Temperatura |
Disiparea căldurii |
spontan |
|||
jumătate de viață |
||||||||
(o sursă) |
g/cm³ |
punctul de topire °С |
||||||
T 1/2 |
105 (kg s) |
|||||||
231 Pa |
||||||||
232U |
Reactor pornit |
|||||||
neutroni |
||||||||
233U |
||||||||
235U |
Natural |
7.038×108 ani |
||||||
236U |
2,3416×107 ani? kg |
|||||||
237Np |
2,14×107 ani |
|||||||
236Pu |
||||||||
238Pu |
||||||||
239Pu |
||||||||
240Pu |
||||||||
241Pu |
||||||||
242Pu |
||||||||
241 Am |
||||||||
242 mAm |
||||||||
243mAm |
||||||||
243 Am |
||||||||
243 cm |
||||||||
244 cm |
||||||||
245 cm |
||||||||
246 cm |
||||||||
247 cm |
1,56×107 ani |
|||||||
248 cm |
||||||||
249Cf |
||||||||
250Cf |
||||||||
251Cf |
||||||||
252Cf |
||||||||
Să ne oprim mai în detaliu asupra parametrilor critici ai izotopilor unor elemente. Să începem cu uraniu.
După cum s-a menționat în repetate rânduri, 235 U (0,72% clarke) are o importanță deosebită, deoarece este fisionat sub acțiunea neutronilor termici (σ f = 583 barn), eliberând în același timp un „echivalent de energie termică” de 2 × 107 kWh / k. Deoarece, pe lângă dezintegrarea α, 235 U se împarte spontan (T 1/2 \u003d 3,5 × 1017 ani), neutronii sunt întotdeauna prezenți în masa de uraniu, ceea ce înseamnă că este posibil să se creeze condiții pentru apariția o reacție în lanț de fisiune auto-susținută. Pentru uraniul metalic cu o îmbogățire de 93,5%, masa critică este: 51 kg fără reflector; 8,9 kg cu reflector de oxid de beriliu; 21,8 kg cu deflector de apă plin. Parametrii critici ai amestecurilor omogene de uraniu și compușii săi sunt indicați în
Parametrii critici ai izotopilor de plutoniu: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = de la 12 la 7,45 kg. De cel mai mare interes sunt amestecurile de izotopi: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Eliberarea de energie specifică ridicată a 238 Pu duce la oxidarea metalului în aer; prin urmare, este cel mai probabil să fie utilizat sub formă de oxizi. La primirea 238 Pu, izotopul însoțitor este 239 Pu. Raportul acestor izotopi din amestec determină atât valoarea parametrilor critici, cât și dependența acestora de modificarea conținutului moderatorului. Diverse estimări ale masei critice pentru o sferă metalică goală de 238 Pu dau valori de la 12 la 7,45 kg față de masa critică pentru 239 Pu de 9,6 kg. Deoarece nucleul de 239 Pu conține un număr impar de neutroni, masa critică va scădea atunci când se adaugă apă în sistem. Masa critică de 238 Pu crește odată cu adăugarea de apă. Pentru un amestec al acestor izotopi, efectul net al adăugării de apă depinde de raportul izotopilor. Când conținutul de masă de 239 Pu este de 37% sau mai puțin, masa critică a amestecului de izotopi de 239 Pu și 238 Pu nu scade atunci când se adaugă apă în sistem. În acest caz, cantitatea permisă de 239 Pu-238 dioxizi Pu este de 8 kg. Cu alții
raporturi de 238 Pu și 239 dioxizi de Pu, valoarea minimă a masei critice variază de la 500 g pentru 239 Pu pur la 24,6 kg pentru 238 Pu pur.
Tab. Fig. 6. Dependența masei critice și a volumului critic de uraniu de îmbogățirea cu 235 U.
Notă. I - amestec omogen de uraniu metalic și apă; II - amestec omogen de dioxid de uraniu și apă; III - soluție de fluorură de uranil în apă; IV - soluție de nitrat de uranil în apă. * Date obţinute prin interpolare grafică.
Un alt izotop cu un număr impar de neutroni este 241 Pu. Valoarea minimă a masei critice pentru 241 Pu se realizează în soluții apoase la o concentrație de 30 g/l și este de 232 kg. La primirea a 241 Pu din combustibil iradiat, acesta este întotdeauna însoțit de 240 Pu, care nu îl depășește în conținut. Cu un raport egal de nuclizi într-un amestec de izotopi, masa critică minimă de 241 Pu depășește masa critică de 239 Pu. Prin urmare, în ceea ce privește masa critică minimă, izotopul 241 Pu at
239 Pu poate fi înlocuit cu 239 Pu dacă amestecul de izotopi conține cantități egale
241 Pu și 240 Pu.
Tab. 7. Parametrii critici minimi ai uraniului cu îmbogățire de 100% în 233 U.
Să luăm acum în considerare caracteristicile critice ale izotopilor de americiu. Prezența izotopilor 241 Am și 243 Am în amestec crește masa critică de 242 m Am. Pentru solutii apoase există un raport izotop astfel încât sistemul este întotdeauna subcritic. Când conținutul de masă de 242 m Am într-un amestec de 241 Am și 242 m Am este mai mic de 5%, sistemul rămâne subcritic până la concentrația de americiu în soluții și amestecuri mecanice de dioxid cu apă egală cu 2500 g/L. 243 Am amestecat cu 242m Am crește, de asemenea
masa critică a amestecului, dar într-o măsură mai mică, deoarece secțiunea transversală de captare a neutronilor termici pentru 243 Am este cu un ordin de mărime mai mică decât cea pentru 241 Am
Tab. 8. Parametrii critici ai ansamblurilor sferice de plutoniu omogene (239 Pu+240 Pu).
Tab. 9. Dependența masei și volumului critic pentru compușii plutoniului* de compoziția izotopică a plutoniului
* Nuclidul principal este 94 239 Pu.
Notă. I - amestec omogen de plutoniu metalic și apă; II - amestec omogen de dioxid de plutoniu și apă; III amestec omogen de oxalat de plutoniu și apă; IV - soluție de azotat de plutoniu în apă.
Tab. Fig. 10. Dependența masei critice minime de 242 m Am de conținutul acesteia într-un amestec de 242 m Am și 241 Am (masa critică a fost calculată pentru AmO2 + H2 O în geometrie sferică cu un reflector de apă):
Masa critica 242 m Am, g |
|
Cu o fracție de masă mică de 245 Cm, ar trebui să se țină cont de faptul că 244 Cm are și o masă critică finită în sistemele fără moderatori. Alți izotopi de curiu cu un număr impar de neutroni au o masă critică minimă de câteva ori mai mare de 245 Cm. Într-un amestec de CmO2 + H2O, izotopul de 243 Cm are o masă critică minimă de aproximativ 108 g, iar 247 Cm - aproximativ 1170 g. În ceea ce privește
masa critică, putem presupune că 1 g de 245 Cm este echivalent cu 3 g de 243 Cm sau 30 g de 247 Cm. Masa critică minimă 245 Cm, g, în funcție de conținutul de 245 Cm într-un amestec de izotopi de 244 Cm și 245 Cm pentru СmО2 +
H2O este descris destul de bine prin formula
M cr = 35,5 + |
||||
ξ + 0,003 |
||||
unde ξ - fractiune in masa 245 Cm într-un amestec de izotopi de curiu.
Masa critică depinde de secțiunea transversală a reacției de fisiune. Atunci când se creează arme, tot felul de trucuri pot reduce masa critică necesară pentru o explozie. Deci, pentru a crea o bombă atomică, este nevoie de 8 kg de uraniu-235 (cu o schemă de implozie și în cazul uraniului-235 pur; când se utilizează 90% uraniu-235 și cu o schemă stem a unei bombe atomice, cel puțin sunt necesare 45 kg de uraniu pentru arme). Masa critică poate fi redusă semnificativ prin înconjurarea probei de material fisionabil cu un strat de material care reflectă neutronii, cum ar fi beriliul sau uraniul natural. Reflectorul returnează o parte semnificativă a neutronilor emiși prin suprafața probei. De exemplu, dacă utilizați un reflector de 5 cm grosime, din materiale precum uraniu, fier, grafit, masa critică va fi jumătate din masa critică a „mingii goale”. Reflectoarele mai groase reduc masa critică. Beriliul este deosebit de eficient, oferind o masă critică de 1/3 din masa critică standard. Sistemul de neutroni termici are cel mai mare volum critic și cea mai mică masă critică.
Un rol important îl joacă gradul de îmbogățire în nuclidul fisionabil. Uraniul natural care conține 0,7% 235 U nu poate fi utilizat pentru fabricarea armelor atomice, deoarece restul uraniului (238 U) absoarbe intens neutronii, împiedicând dezvoltarea procesului în lanț. Prin urmare, izotopii de uraniu trebuie separați, ceea ce este o sarcină complexă și consumatoare de timp. Separarea trebuie efectuată la grade de îmbogățire în 235 U peste 95%. Pe parcurs, este necesar să scăpați de impuritățile elementelor cu o secțiune transversală mare de captare a neutronilor.
Cometariu. În prepararea uraniului de calitate pentru arme, nu numai că scapă de impuritățile inutile, ci le înlocuiesc cu alte impurități care contribuie la procesul în lanț, de exemplu, introduc elemente - amplificatori de neutroni.
Nivelul de îmbogățire cu uraniu are un efect semnificativ asupra valorii masei critice. De exemplu, masa critică a uraniului îmbogățit cu 235U 50% este de 160 kg (de 3 ori masa a 94% uraniu), iar masa critică a 20% uraniu este de 800 kg (adică de ~15 ori mai mare decât masa critică). 94% uraniu). Coeficienți similari de dependență de nivelul de îmbogățire sunt aplicabili oxidului de uraniu.
Masa critică este invers proporțională cu pătratul densității materialului, M la ~1/ρ 2 , . Astfel, masa critică a plutoniului metalic în faza deltă (densitate 15,6 g/cm3) este de 16 kg. Această circumstanță este luată în considerare la proiectarea unei bombe atomice compacte. Deoarece probabilitatea captării neutronilor este proporțională cu concentrația nucleelor, o creștere a densității probei, de exemplu, ca urmare a comprimării acesteia, poate duce la apariția în eșantion. condiție critică. În dispozitivele explozive nucleare, o masă de material fisionabil care se află într-o stare subcritică sigură este transferată într-o stare supercritică explozivă folosind o explozie direcționată care supune încărcătura la un grad ridicat de compresie.
La următoarea aniversare a badaboom-ului de la Hiroshima și Nagasaki, m-am hotărât să caut pe internet întrebări legate de arme nucleare, unde de ce și cum au fost create nu ma interesează puțin (știam deja) - eram mai interesat de cum 2 bucățile de plutoniu nu se topesc, ci fac o mare lățime.
Fii cu ochii pe ingineri - încep cu un semănător și se termină cu o bombă atomică.
Fizica nucleară este una dintre cele mai scandaloase domenii ale venerabilului științele naturii. În această zonă, omenirea aruncă de o jumătate de secol miliarde de dolari, lire sterline, franci și ruble, ca în cuptorul locomotivă al unui tren întârziat. Acum trenul nu pare să mai întârzie. Flăcările furioase ale activelor incendiate și ale orelor de lucru s-au potolit. Să încercăm să înțelegem pe scurt ce fel de tren numit „fizica nucleară”.
Izotopi și radioactivitate
După cum știți, tot ceea ce există este format din atomi. Atomii, la rândul lor, constau din învelișuri de electroni care trăiesc în conformitate cu legile lor uimitoare și din nucleu. Chimia clasică este complet neinteresată de nucleu și de viața sa privată. Pentru ea, un atom reprezintă electronii săi și capacitatea lor de a schimba interacțiunea. Și din nucleul chimiei, este nevoie doar de masa sa pentru a calcula proporțiile reactivilor. La rândul său, fizicii nucleare nu dă doi bani pe electroni. Ea este interesată de un mic granul de praf (de 100 de mii de ori mai mic decât raza orbitelor electronilor) din interiorul unui atom, în care este concentrată aproape toată masa acestuia.
Ce știm despre nucleu? Da, este format din protoni încărcați pozitiv și neutroni neîncărcați electric. Cu toate acestea, acest lucru nu este în întregime adevărat. Miezul nu este o mână de bile de două culori, ca într-o ilustrație dintr-un manual școlar. Există legi complet diferite la lucru aici numite interacțiune puternică, care transformă atât protonii, cât și neutronii într-un fel de mizerie de nedistins. Cu toate acestea, sarcina acestei mizerie este exact egală cu sarcina totală a protonilor care intră în ea, iar masa aproape (repet, aproape) coincide cu masa neutronilor și protonilor care formează nucleul.
Apropo, numărul de protoni ai unui atom neionizat coincide întotdeauna cu numărul de electroni care au onoarea de a-l înconjura. Dar cu neutroni, problema nu este atât de simplă. Strict vorbind, sarcina neutronilor este de a stabiliza nucleul, deoarece fără ei, protonii încărcați similar nu s-ar înțelege împreună nici măcar pentru microsecunde.
Să luăm hidrogenul pentru certitudine. Cel mai comun hidrogen Dispozitivul său este ridicol de simplu - un proton înconjurat de un electron orbital. Hidrogenul în univers în vrac. Putem spune că universul este format în principal din hidrogen.
Acum să adăugăm cu grijă un neutron la proton. Din punct de vedere chimic, este încă hidrogen. Dar din punct de vedere al fizicii, nu. După ce au descoperit doi hidrogeni diferiți, fizicienii au devenit îngrijorați și au venit imediat cu ideea de a numi hidrogen obișnuit protium și hidrogen cu un neutron cu un proton - deuteriu.
Să fim îndrăzneți și să hrănim nucleul cu un alt neutron. Acum avem un alt hidrogen, chiar mai greu - tritiu. Din nou, din punct de vedere al chimiei, practic nu diferă de ceilalți doi hidrogeni (bine, doar că acum intră în reacție puțin mai puțin de bunăvoie). Vreau să vă avertizez imediat - niciun efort, amenințare și îndemn nu va putea adăuga încă un neutron la nucleul de tritiu. Legile locale sunt mult mai stricte decât cele umane.
Deci, protiul, deuteriul și tritiul sunt izotopi ai hidrogenului. Masa lor atomică este diferită, dar încărcarea lor nu este. Dar încărcarea nucleului este cea care determină locația în sistem periodic elemente. De aceea, izotopii se numesc izotopi. Tradus din greacă, aceasta înseamnă „ocupând același loc”. Apropo, binecunoscuta apă grea este aceeași apă, dar cu doi atomi de deuteriu în loc de proțiu. Prin urmare, apa supergrea conține tritiu în loc de protiu.
Să ne uităm din nou la hidrogenii noștri. Deci... Protium este pe loc, deuteriu este pe loc... Și cine mai este acesta? Unde a mers tritiul meu și de unde a venit heliul-3? În tritiul nostru, unul dintre neutroni s-a plictisit, a decis să-și schimbe profesia și a devenit proton. Făcând acest lucru, el a dat naștere unui electron și un antineutrin. Pierderea de tritiu este, desigur, dezamăgitoare, dar acum știm că este instabilă. Hrănirea cu neutroni nu a fost în zadar.
Deci, după cum înțelegeți, izotopii sunt stabili și instabili. În jurul nostru există o mulțime de izotopi stabili, dar, slavă Domnului, practic nu există instabili. Adică sunt disponibile, dar într-o stare atât de dispersă încât trebuie să fie obținute cu prețul unei forțe de muncă foarte mari. De exemplu, uraniul-235, care a cauzat atât de multe bătăi de cap lui Oppenheimer, este doar 0,7% din uraniul natural.
Jumătate de viață
Totul este simplu aici. Timpul de înjumătățire al unui izotop instabil este perioada de timp în care exact jumătate din atomii izotopului se descompun și se transformă în alți atomi. Tritiul, deja familiar pentru noi, are un timp de înjumătățire de 12,32 ani. Acesta este un izotop de scurtă durată, deși, în comparație cu franciu-223, care are un timp de înjumătățire de 22,3 minute, tritiul va părea un aksakal cu barbă gri.
Niciun factor extern macroscopic (presiunea, temperatura, umiditatea, starea de spirit a cercetătorului, cantitatea de alocări, locația stelelor) nu afectează timpul de înjumătățire. Mecanica cuantică insensibil la asemenea prostii.
Mecanic popular de explozie
Esența oricărei explozii este eliberarea rapidă a energiei care a fost anterior într-o stare neliberă, legată. Energia eliberată este disipată, transformându-se în principal în căldură (energia cinetică a mișcării dezordonate a moleculelor), undă de șoc (există și mișcare, dar deja ordonată, în direcția de la centrul exploziei) și radiație - din moale. cuante cu lungime de undă scurtă din infraroșu până la dur.
Într-o explozie chimică, totul este relativ simplu. O reacție favorabilă din punct de vedere energetic are loc atunci când anumite substanțe interacționează între ele. Doar straturile electronice superioare ale unor atomi participă la reacție, iar interacțiunea nu merge mai adânc. Este ușor de ghicit că există mult mai multă energie latentă în orice substanță. Dar indiferent de condițiile experimentului, indiferent de cât de reușiți au reactivii pe care îi alegem, indiferent de modul în care reglam proporțiile, chimia nu ne va lăsa să pătrundem mai adânc în atom. O explozie chimică este un fenomen primitiv, ineficient și, din punct de vedere al fizicii, obscen slab.
Reacția nucleară în lanț vă permite să sapi puțin mai adânc, incluzând nu numai electroni, ci și nuclee. Acest lucru sună foarte greu, poate, doar pentru un fizician, iar restul le voi oferi o analogie simplă. Imaginați-vă o greutate uriașă, în jurul căreia particulele de praf electrizate fluturează la o distanță de câțiva kilometri. Acesta este un atom, „greutatea” este nucleul, iar „particulele de praf” sunt electroni. Orice ai face cu aceste particule de praf, ele nu vor oferi nici măcar o sutime din energia care poate fi obținută dintr-o greutate grea. Mai ales dacă, dintr-un motiv oarecare, se desparte, iar fragmentele masive se împrăștie în direcții diferite, cu mare viteză.
O explozie nucleară activează potențialul de legare al particulelor grele care formează nucleul. Dar aceasta este departe de limită: există mult mai multă energie latentă în materie. Și numele acestei energii este masă. Din nou, pentru un non-fizician, acest lucru sună puțin neobișnuit, dar masa este energie, doar extrem de concentrată. Fiecare particulă: un electron, un proton, un neutron - toate acestea sunt aglomerări minuscule de energie incredibil de densă, care deocamdată rămâne în repaus. Cunoașteți probabil formula E = mc2, care a fost atât de îndrăgită de autorii de glume, editorii de ziare de perete și designerii sălilor de clasă. Este vorba despre asta și ea este cea care postulează masa ca fiind nimic mai mult decât o formă de energie. Și oferă, de asemenea, un răspuns la întrebarea câtă energie poate fi obținută la maximum dintr-o substanță.
Procesul de tranziție completă a masei, adică a energiei legate, în energie liberă se numește anihilare. Din rădăcina latină „nihil” este ușor de ghicit despre esența sa - aceasta este o transformare în „nimic”, sau mai degrabă, în radiație. Pentru claritate, câteva numere.
Energie echivalentă de explozie TNT (J)
Grenada F-1 60 grame 2,50*105
Bombă aruncată pe Hiroshima 16 kilotone 6,70*1013
Anihilarea unui gram de materie 21,5 kilotone 8,99*1013
Un gram de orice materie (doar masa este importantă) va oferi mai multă energie în timpul anihilării decât o mică bombă nucleară. În comparație cu o astfel de revenire, exercițiile fizicienilor privind scindarea nucleului par ridicole și cu atât mai mult experimentele chimiștilor cu reactivi activi.
Pentru anihilare sunt necesare condiții adecvate, și anume contactul materiei cu antimateria. Și, spre deosebire de „mercurul roșu” sau „piatra filosofală”, antimateria este mai mult decât reală - pentru particulele cunoscute de noi, antiparticule similare există și au fost studiate, iar experimentele privind anihilarea perechilor „electron + pozitron” au fost efectuate în mod repetat. in practica. Dar pentru a crea o armă de anihilare, este necesar să se reunească o anumită cantitate semnificativă de antiparticule, precum și să le limiteze de la contactul cu orice materie până la, de fapt, utilizarea în luptă. Aceasta, pah-pah, este încă o perspectivă îndepărtată.
defect de masă
Ultima întrebare care rămâne de clarificat cu privire la mecanica exploziei este de unde provine energia: aceeași care se eliberează în timpul reacției în lanț? Din nou, a fost o masă. Sau mai degrabă, fără „defectul” lui.
Până în secolul trecut, oamenii de știință credeau că masa este conservată în orice condiții și aveau dreptate în felul lor. Așa că am coborât metalul în acid - retorta a început să fiarbă și bule de gaz s-au repezit prin grosimea lichidului. Dar dacă cântărim reactanții înainte și după reacție, fără a uita gazul degajat, masa converge. Și așa va fi mereu, atâta timp cât operăm cu kilograme, metri și reacții chimice.
Dar merită să vă adâncim în domeniul microparticulelor, precum și masa surprinde. Se pare că masa unui atom poate să nu fie exact egală cu suma maselor particulelor care îl alcătuiesc. Când se împart în părți ale unui nucleu greu (de exemplu, același uraniu), „fragmentele” în total cântăresc mai puțin decât nucleul înainte de fisiune. „Diferența”, numită și defectul de masă, este responsabilitatea energiilor de legătură din nucleu. Și această diferență este cea care intră în căldură și radiație în timpul exploziei, toate după aceeași formulă simplă: E=mc2.
Acest lucru este interesant: s-a întâmplat că este avantajos din punct de vedere energetic să împarți nucleele grele și să unești nucleele ușoare. Primul mecanism funcționează într-o bombă cu uraniu sau plutoniu, al doilea - într-o bombă cu hidrogen. Și nu poți face o bombă din fier cu toată dorința ta: se află exact la mijloc în această linie.
Bombă nucleară
În ordine istorică, să aruncăm o privire mai întâi la bombele nucleare și să facem micul nostru proiect Manhattan. Nu vă voi plictisi cu metode plictisitoare de separare a izotopilor și calcule matematice ale teoriei reacției în lanț de fisiune. Avem uraniu, plutoniu, alte materiale, instrucțiuni de asamblare și cantitatea necesară de curiozitate științifică.
Toți izotopii uraniului sunt instabili într-o anumită măsură. Dar uraniul-235 se află într-o poziție specială. În timpul dezintegrarii spontane a nucleului de uraniu-235 (se mai numește și descompunere alfa), se formează două fragmente (nucleele altor elemente, mult mai ușoare) și mai mulți neutroni (de obicei 2-3). Dacă neutronul format în timpul dezintegrarii lovește nucleul altui atom de uraniu, va avea loc o coliziune elastică obișnuită, neutronul va sări și va continua să caute aventuri. Dar, după ceva timp, va risipi energie (în mod ideal, ciocnirile elastice apar numai la caii sferici în vid), iar următorul nucleu se va dovedi a fi o capcană - neutronul va fi absorbit de acesta. Apropo, un astfel de neutron se numește neutron termic în fizică.
Priviți lista de izotopi cunoscuți ai uraniului. Printre ele nu există nici un izotop cu o masă atomică de 236. Știți de ce? Un astfel de nucleu trăiește fracțiuni de microsecunde și apoi se degradează odată cu eliberarea unei cantități uriașe de energie. Aceasta se numește dezintegrare forțată. Un izotop cu o astfel de viață este chiar oarecum jenant să numim izotop.
Energia eliberată în timpul dezintegrarii nucleului de uraniu-235 este energia cinetică a fragmentelor și neutronilor. Dacă calculăm masa totală a produselor de descompunere a nucleului de uraniu și apoi o comparăm cu masa nucleului original, se dovedește că aceste mase nu se potrivesc - nucleul original era mai mare. Acest fenomen se numește defect de masă, iar explicația lui se află în formula E0=mс2. Energia cinetică a fragmentelor, împărțită la pătratul vitezei luminii, va fi exact egală cu diferența de mase. Fragmentele sunt decelerate în rețeaua cristalină a uraniului, dând naștere la raze X, iar neutronii, după ce au călătorit, sunt absorbiți de alte nuclee de uraniu sau părăsesc turnarea uraniului, unde au loc toate evenimentele.
Dacă turnarea de uraniu este mică, atunci majoritatea neutronilor o vor părăsi fără să aibă timp să încetinească. Dar dacă fiecare act de dezintegrare forțată provoacă cel puțin încă unul din același act din cauza neutronului emis, aceasta este deja o reacție în lanț de fisiune auto-susținută.
În consecință, dacă măriți dimensiunea turnării, un număr tot mai mare de neutroni va provoca acte de fisiune forțată. Și la un moment dat reacția în lanț va deveni incontrolabilă. Dar este încă departe de o explozie nucleară. Doar o explozie termică foarte „murdară”, în care un numar mare de izotopi foarte activi și otrăvitori.
O întrebare destul de logică - cât de mult uraniu-235 este nevoie pentru ca reacția de fisiune în lanț să devină o avalanșă? De fapt, nu totul este atât de simplu. Proprietățile materialului fisionabil și raportul dintre volum și suprafață joacă un rol aici. Imaginați-vă o tonă de uraniu-235 (voi face o rezervare imediat - asta este mult), care există sub forma unui fir subțire și foarte lung. Da, un neutron care zboară de-a lungul lui, desigur, va provoca un act de dezintegrare forțată. Dar fracția de neutroni care zboară de-a lungul firului se va dovedi a fi atât de mică încât este pur și simplu ridicol să vorbim despre o reacție în lanț auto-susținută.
Prin urmare, am convenit să luăm în considerare masa critică pentru o turnare sferică. Pentru uraniu-235 pur, masa critică este de 50 kg (aceasta este o minge cu o rază de 9 cm). Înțelegi că o astfel de minge nu va dura însă mult, la fel ca cei care o aruncă.
Dacă, pe de altă parte, o minge de masă mai mică este înconjurată de un reflector de neutroni (beriliul este perfect pentru el) și un material este introdus în minge - un moderator de neutroni (apă, apă grea, grafit, același beriliu) , atunci masa critică va deveni mult mai mică. Folosind cei mai eficienți reflectoare și moderatoare de neutroni, este posibilă creșterea masei critice la 250 de grame. Acest lucru, de exemplu, poate fi realizat prin plasarea unei soluții saturate de sare de uraniu-235 în apă grea într-un recipient sferic de beriliu.
Masa critică există nu numai pentru uraniu-235. Există o serie de izotopi capabili de o reacție în lanț de fisiune. Condiția principală este ca produsele de descompunere ai nucleului să provoace acte de dezintegrare a altor nuclee.
Deci, avem două piese semisferice de uraniu cu o greutate de 40 kg fiecare. Atâta timp cât sunt la o distanță respectuoasă unul de celălalt, totul va fi calm. Și dacă începi să le miști încet? Contrar credinței populare, nu se va întâmpla nimic asemănător unei ciuperci. Doar că piesele vor începe să se încălzească pe măsură ce se apropie și apoi, dacă nu te răzgândești la timp, se vor încălzi. În cele din urmă, pur și simplu se vor topi și se vor răspândi, iar toți cei care au mutat piesele turnate vor da stejar de la iradierea cu neutroni. Iar cei care s-au uitat la asta cu interes își vor pune aripile împreună.
Dacă e mai rapid? Se topește mai repede. Și mai rapid? Se topește și mai repede. Răcire? Da, chiar coboară-l în heliu lichid - nu va avea sens. Și dacă împușci o piesă în alta? DESPRE! Momentul adevărului. Tocmai am venit cu o schemă de tun cu uraniu. Cu toate acestea, nu avem nimic de care să fim deosebit de mândri, această schemă este cea mai simplă și cea mai lipsită de artă dintre toate posibile. Da, iar emisferele vor trebui abandonate. Ele, după cum a arătat practica, nu tind să se lipească uniform împreună cu avioanele. Cea mai mică distorsiune - și obțineți o „grămadă” foarte scumpă, după care va dura mult timp pentru a curăța.
Este mai bine să faceți un tub scurt de uraniu-235 cu pereți groși, cu o masă de 30-40 kg, la orificiul căruia atașăm un butoi de oțel de înaltă rezistență de același calibru, încărcat cu un cilindru din același uraniu de cam aceeași masă. Să înconjurăm ținta de uraniu cu un reflector de neutroni din beriliu. Acum, dacă trageți un „glonț” de uraniu într-o „țeavă” de uraniu - va fi o „țeavă” plină. Adică va avea loc o explozie nucleară. Trebuie doar să trageți serios, astfel încât viteza proiectilului cu uraniu să fie de cel puțin 1 km/s. În caz contrar, din nou va fi o „grămadă”, dar mai tare. Cert este că atunci când proiectilul și ținta se apropie unul de celălalt, se încălzesc atât de mult încât încep să se evapore intens de la suprafață, fiind încetinite de fluxurile de gaz care se apropie. Mai mult, dacă viteza este insuficientă, atunci există șansa ca proiectilul pur și simplu să nu ajungă la țintă, ci să se evapore pe parcurs.
A dispersa la o astfel de viteză un disc care cântărește câteva zeci de kilograme și pe un segment de câțiva metri, este o sarcină extrem de dificilă. De aceea, nu veți avea nevoie de praf de pușcă, ci de un exploziv puternic capabil să creeze presiunea adecvată a gazului în butoi într-un timp foarte scurt. Și apoi nu trebuie să curățați butoiul, nu vă faceți griji.
Bomba Mk-I „Little Boy” aruncată pe Hiroshima a fost proiectată exact după schema de tun.
Există, desigur, detalii minore de care nu le-am ținut cont în proiectul nostru, dar nu am păcătuit complet împotriva principiului în sine.
Asa de. Am detonat bomba cu uraniu. Savurat ciuperca. Acum vom arunca în aer plutoniu. Doar nu trageți aici o țintă, proiectil, butoi și alte gunoaie. Acest număr cu plutoniu nu va funcționa. Chiar dacă tragem o piesă pe alta cu o viteză de 5 km/s, un ansamblu supercritic tot nu va funcționa. Plutoniul-239 va avea timp să se încălzească, să se evapore și să strice totul în jur. Masa sa critică este puțin peste 6 kg. Vă puteți imagina cât de mult este mai activ în ceea ce privește captarea neutronilor.
Plutoniul este un metal neobișnuit. În funcție de temperatură, presiune și impurități, există în șase modificări rețea cristalină. Există chiar și modificări în care se micșorează atunci când este încălzit. Tranzițiile de la o fază la alta se pot face brusc, în timp ce densitatea plutoniului se poate modifica cu 25%.Să facem, ca toți eroii normali, un ocol. Amintiți-vă că masa critică este determinată, în special, de raportul dintre volum și suprafață. Bine, avem o minge de masă subcritică, care are o suprafață minimă pentru un anumit volum. Să zicem 6 kilograme. Raza mingii este de 4,5 cm.Și dacă această minge este comprimată din toate părțile? Densitatea va crește proporțional cu cubul de compresie liniară, iar suprafața va scădea proporțional cu pătratul său. Și așa se întâmplă: atomii de plutoniu vor deveni mai denși, adică distanța de oprire a neutronului se va reduce, ceea ce înseamnă că probabilitatea de absorbție a acestuia va crește. Dar, din nou, comprimarea la viteza dorită (aproximativ 10 km/s) tot nu va funcționa. Capat de drum? Și aici nu este.
La 300°C, se instalează așa-numita fază delta - cea mai liberă. Dacă plutoniul este dopat cu galiu, încălzit la această temperatură și apoi răcit lent, atunci faza delta poate exista și la temperatura camerei. Dar nu va fi stabil. La presiune mare (de ordinul a zeci de mii de atmosfere) va avea loc o tranziție bruscă la o fază alfa foarte densă.
Să plasăm o bilă de plutoniu într-o bilă goală de uraniu-238 mare (diametru 23 cm) și grea (120 kg). Nu vă faceți griji, nu are masă critică. Dar reflectă perfect neutronii rapizi. Și tot ne vor fi de folos.Crezi că l-au aruncat în aer? Indiferent cât de. Plutoniul este o entitate capricioasă. Mai trebuie să lucreze. Să facem două emisfere de plutoniu în faza deltă. Să formăm o cavitate sferică în centru. Și în această cavitate vom plasa chintesența gândirii armelor nucleare - un inițiator de neutroni. Aceasta este o minge de beriliu atât de mică, cu un diametru de 20 și o grosime de 6 mm. În interior se află o altă minge de beriliu cu diametrul de 8 mm. Există caneluri adânci pe suprafața interioară a bilei goale. Toate acestea sunt nichelate generos și acoperite cu aur. Poloniul-210 este plasat în caneluri, care emite în mod activ particule alfa. Acesta este miracolul tehnologiei. Cum functioneazã? Asteapta o secunda. Mai avem câteva lucruri de făcut.
Să înconjurăm carcasa de uraniu cu alta, din aliaj de aluminiu cu bor. Grosimea sa este de aproximativ 13 cm. În total, „matryoshka” noastră a crescut acum până la o jumătate de metru și a recuperat de la 6 la 250 kg.
Acum să facem „lentilele” de implozie. Imaginează-ți o minge de fotbal. Clasic, format din 20 de hexagoane și 12 pentagoane. Vom face o astfel de „minge” din explozibili și vom furniza fiecare segment cu mai multe detonatoare electrice. Grosimea segmentului este de aproximativ o jumătate de metru. În fabricarea „lentilelor” există și o mulțime de subtilități, dar dacă le descrieți, atunci nu va fi suficient spațiu pentru orice altceva. Principalul lucru este precizia maximă a lentilelor. Cea mai mică eroare - și întregul ansamblu va fi zdrobit de acțiunea de explozie a explozibililor. Ansamblul complet are acum un diametru de aproximativ un metru și jumătate și o masă de 2,5 tone. Proiectarea este finalizată de un circuit electric, a cărui sarcină este să arunce în aer detonatoarele într-o secvență strict definită, cu o precizie de o microsecundă.
Tot. În fața noastră este o schemă de implozie cu plutoniu.
Și acum - cel mai interesant.
În timpul detonării, explozivul comprimă ansamblul, iar „împingătorul” din aluminiu nu permite răspândirea dezintegrarii undei de explozie, propagăndu-se spre interior după frontul său. După ce a trecut prin uraniu cu o viteză inversă de aproximativ 12 km/s, unda de compresie îl va condensa atât pe acesta, cât și pe plutoniu. Plutoniul la presiuni în zona de compresie de ordinul a sute de mii de atmosfere (efectul focalizării frontului exploziv) va sări în faza alfa. În 40 de microsecunde, ansamblul uraniu-plutoniu descris aici va deveni nu doar supercritic, ci de câteva ori mai mare decât masa critică.
După ce a ajuns la inițiator, unda de compresie își va zdrobi întreaga structură într-un monolit. În acest caz, izolația aur-nichel se va prăbuși, poloniul-210 va pătrunde în beriliu datorită difuziei, particulele alfa emise de acesta trecând prin beriliu vor provoca un flux colosal de neutroni care declanșează o reacție în lanț de fisiune în întreg volumul de plutoniul, iar fluxul de neutroni „rapidi” născuți din descompunerea plutoniului va provoca o explozie de uraniu-238. Gata, am crescut a doua ciupercă, nu mai rea decât prima.
Un exemplu de schemă de implozie cu plutoniu este bomba Mk-III „Fatman” aruncată asupra Nagasaki.
Toate trucurile descrise aici sunt necesare pentru a forța reacția suma maxima nuclee atomice de plutoniu. Sarcina principală este de a menține încărcarea într-o stare compactă cât mai mult timp posibil, pentru a nu o lăsa să se împrăștie într-un nor de plasmă, în care reacția în lanț se va opri instantaneu. Aici, fiecare microsecundă câștigată reprezintă o creștere a uneia sau două kilotone de putere.
bombă termonucleară
Există o credință populară că o bombă nucleară este o fitibilă pentru una termonucleară. În principiu, totul este mult mai complicat, dar esența este surprinsă corect. Arme bazate pe principii fuziunea termonucleara, a făcut posibilă obținerea unei astfel de puteri de explozie care în niciun caz nu poate fi obținută printr-o reacție în lanț de fisiune. Dar singura sursă de energie de până acum care vă permite să „aprindeți” o reacție de fuziune termonucleară este o explozie nucleară.
Îți amintești cum tu și cu mine am „hrănit” nucleul de hidrogen cu neutroni? Deci, dacă încercați să conectați doi protoni împreună în acest fel, nu va rezulta nimic. Protonii nu se vor lipi împreună din cauza forțelor de respingere Coulomb. Fie se vor separa, fie se va produce dezintegrarea beta și unul dintre protoni va deveni un neutron. Dar heliul-3 există. Datorită unui singur neutron, care face protonii mai adaptabili între ei.
În principiu, pe baza compoziției nucleului de heliu-3, se poate concluziona că un nucleu de heliu-3 poate fi complet asamblat din nuclee de protiu și deuteriu. Teoretic, acest lucru este adevărat, dar o astfel de reacție poate avea loc doar în adâncurile stelelor mari și fierbinți. Mai mult, în adâncurile stelelor, chiar și numai din protoni, heliul poate fi colectat, transformând unele dintre ele în neutroni. Dar acestea sunt întrebări de astrofizică, iar opțiunea realizabilă pentru noi este să unim două nuclee de deuteriu sau deuteriu și tritiu.
Fuziunea nucleară necesită o condiție foarte specifică. Aceasta este o temperatură foarte ridicată (109 K). Numai atunci când energia cinetică medie a nucleelor este de 100 de kiloelectronvolți sunt capabili să se apropie de distanța la care interacțiunea puternică începe să o depășească pe cea coulombiană.
O întrebare destul de legitimă - de ce să îngrădiți această grădină? Faptul este că în timpul sintezei nucleelor luminoase este eliberată o energie de ordinul a 20 MeV. Desigur, cu fisiunea forțată a nucleului de uraniu, această energie este de 10 ori mai mare, dar există o avertizare - cu cele mai mari trucuri, o încărcătură de uraniu cu o capacitate de chiar și 1 megaton este imposibilă. Chiar și pentru o bombă cu plutoniu mai avansată, randamentul energetic realizabil nu este mai mare de 7-8 kilotone per kilogram de plutoniu (cu un maxim teoretic de 18 kilotone). Și nu uitați că un nucleu de uraniu este de aproape 60 de ori mai greu decât două nuclee de deuteriu. Dacă luăm în considerare randamentul energetic specific, atunci fuziunea termonucleară este vizibil în față.
Și totuși - pentru o sarcină termonucleară nu există restricții privind masa critică. Pur și simplu nu o are. Există, totuși, și alte restricții, dar despre ele - mai jos.
În principiu, începerea unei reacții termonucleare ca sursă de neutroni este destul de ușoară. Este mult mai dificil să-l rulezi ca sursă de energie. Aici ne confruntăm cu așa-numitul criteriu Lawson, care determină avantajul energetic al unei reacții termonucleare. Daca produsul densitatii nucleelor de reactie si timpul de retinere a acestora la distanta de fuziune este mai mare de 1014 sec/cm3, energia data de fuziune va depasi energia introdusa in sistem.
Pentru realizarea acestui criteriu i-au fost dedicate toate programele termonucleare.
Prima schemă pentru o bombă termonucleară care i-a venit în minte lui Edward Teller a fost ceva asemănător cu încercarea de a crea o bombă cu plutoniu dintr-o schemă de tun. Adică totul pare să fie corect, dar nu funcționează. Dispozitivul „super clasic” – deuteriu lichid în care este scufundată o bombă cu plutoniu – a fost într-adevăr clasic, dar departe de a fi super.
Ideea unei explozii a unei sarcini nucleare într-un mediu de deuteriu lichid s-a dovedit a fi o fundătură încă de la început. În astfel de condiții, o cantitate mică de energie de fuziune termonucleară ar putea fi obținută prin detonarea unei sarcini nucleare cu o putere de 500 kt. Și nu era deloc nevoie să vorbim despre atingerea criteriului Lawson.
Ideea de a înconjura încărcătura nucleară de declanșare cu straturi de combustibil termonuclear, intercalate cu uraniu-238 ca izolator termic și amplificator de explozie, i-a venit și în minte lui Teller. Și nu numai pentru el. Primele bombe termonucleare sovietice au fost construite conform acestei scheme. Principiul era destul de simplu: o sarcină nucleară încălzește combustibilul termonuclear la temperatura de la începutul fuziunii, iar neutronii rapizi născuți în timpul fuziunii aruncă în aer straturile de uraniu-238. Cu toate acestea, limitarea a rămas aceeași - la temperatura pe care o poate oferi un declanșator nuclear, doar un amestec de deuteriu ieftin și tritiu incredibil de scump putea intra într-o reacție de fuziune.
Teller a venit mai târziu cu ideea de a folosi un compus deuteridă de litiu-6. Această decizie a făcut posibilă abandonarea recipientelor criogenice scumpe și incomode cu deuteriu lichid. În plus, ca urmare a iradierii cu neutroni, litiul-6 a fost transformat în heliu și tritiu, care au intrat într-o reacție de fuziune cu deuteriu.
Dezavantajul acestei scheme a fost puterea limitată - doar o parte limitată a combustibilului termonuclear din jurul declanșatorului a avut timp să intre în reacția de fuziune. Restul, oricât ar fi, s-a dus la scurgere. Puterea maximă de încărcare obținută folosind „puf” a fost de 720 kt (bombă British Orange Herald). Se pare că era „tavanul”.
Am vorbit deja despre istoria dezvoltării schemei Teller-Ulam. Acum să ne uităm la detaliile tehnice ale acestei scheme, care este numită și „schema de compresie a radiațiilor” sau „în două etape”.
Sarcina noastră este să încălzim combustibilul de fuziune și să-l menținem într-un anumit volum pentru a îndeplini criteriul Lawson. Lăsând deoparte exercițiile americane cu scheme criogenice, să luăm deuterură de litiu-6 deja cunoscută nouă ca combustibil termonuclear.
Să alegem uraniul-238 ca material al recipientului pentru încărcătura termonucleară. Recipientul este cilindric. De-a lungul axei recipientului din interiorul acestuia, plasăm o tijă cilindrică de uraniu-235, care are o masă subcritică.
Notă: bomba cu neutroni care a făcut zgomot în acel moment este aceeași schemă Teller-Ulam, dar fără tijă de uraniu de-a lungul axei containerului. Ideea este de a furniza un flux puternic de neutroni rapizi, dar nu de a permite arderea întregului combustibil termonuclear, care va consuma neutroni.
Restul spațiului liber al recipientului va fi umplut cu deuterură de litiu-6. Vom așeza containerul la un capăt al corpului viitoarei bombe (aceasta va fi a doua etapă pentru noi), iar la celălalt capăt vom monta încărcătura obișnuită de plutoniu cu o capacitate de câteva kilotoni (prima treaptă). Între încărcăturile nucleare și termonucleare, vom instala o partiție de uraniu-238, care previne încălzirea prematură a deuteridei de litiu-6. Să umplem restul spațiului liber din interiorul corpului bombei cu un polimer solid. Pe scurt, bombă termonucleară gata.
Când o sarcină nucleară este detonată, 80% din energie este eliberată sub formă de raze X. Rata de propagare a acestuia este mult mai mare decât rata de propagare a fragmentelor de fisiune de plutoniu. După sutimi de microsecundă, ecranul de uraniu se evaporă, iar radiația de raze X începe să fie absorbită intens de uraniul din containerul de încărcare termonucleară. Ca urmare a așa-numitei ablații (ablația masei de pe suprafața unui recipient încălzit), apare o forță reactivă care comprimă recipientul de 10 ori. Acest efect este numit implozie de radiație sau compresie prin radiație. În acest caz, densitatea combustibilului termonuclear crește cu un factor de 1000. Ca urmare a presiunii colosale a imploziei radiațiilor, tija centrală de uraniu-235 este, de asemenea, supusă comprimării, deși într-o măsură mai mică, și intră într-o stare supercritică. Până în acest moment, unitatea termonucleară este bombardată de neutroni rapizi de la o explozie nucleară. După trecerea prin deuteriră de litiu-6, acestea încetinesc și sunt absorbite intens de tija de uraniu.
În tijă începe o reacție în lanț de fisiune, ducând rapid la o explozie nucleară în interiorul containerului. Deoarece deuteriura de litiu-6 este supusă compresiei ablative din exterior și presiunii unei explozii nucleare din interior, densitatea și temperatura acesteia cresc și mai mult. Acest moment este începutul începerii reacției de fuziune. Întreținerea sa ulterioară este determinată de cât timp containerul va păstra procesele termonucleare în interiorul său, fără a lăsa energia termică să iasă. Aceasta este ceea ce determină realizarea criteriului Lawson. Arderea combustibilului termonuclear are loc de pe axa cilindrului până la marginea acestuia. Temperatura frontului de ardere atinge 300 milioane kelvin. Dezvoltarea completă a exploziei până la arderea combustibilului de fuziune și distrugerea containerului durează câteva sute de nanosecunde - de douăzeci de milioane de ori mai repede decât ați citit această frază.
Funcționarea fiabilă a circuitului în două etape depinde de asamblarea precisă a recipientului și de prevenirea încălzirii premature a acestuia.
Puterea unei sarcini termonucleare pentru schema Teller-Ulam depinde de puterea declanșatorului nuclear, care asigură o compresie eficientă prin radiație. Cu toate acestea, acum există și scheme în mai multe etape în care energia etapei precedente este folosită pentru a o comprima pe următoarea. Un exemplu de schemă în trei etape este deja menționată „mama lui Kuzkin” de 100 de megatone.
Au trecut puțin mai mult de două luni de la sfârșitul celui mai teribil război din istoria omenirii. Și așa, pe 16 iulie 1945, prima bombă nucleară a fost testată de armata americană, iar o lună mai târziu, mii de locuitori ai orașelor japoneze mor în iadul atomic. De atunci, armele, precum și mijloacele de livrare a acestora către ținte, au fost îmbunătățite continuu timp de mai bine de jumătate de secol.
Armata dorea să pună la dispoziție atât muniție super-puternică, măturand orașe și țări întregi de pe hartă dintr-o singură lovitură, cât și pe cele ultra-mice care încap într-o servietă. Un astfel de dispozitiv ar aduce războiul de sabotaj la un nivel fără precedent. Atât cu primul, cât și cu al doilea au fost dificultăți de netrecut. Motivul pentru aceasta este așa-numita masă critică. Cu toate acestea, primul lucru.
Un astfel de miez exploziv
Pentru a înțelege ordinea de funcționare a dispozitivelor nucleare și a înțelege ceea ce se numește masă critică, să ne întoarcem la birou pentru o vreme. De la cursul de fizică de la școală, ne amintim o regulă simplă: încărcăturile cu același nume se resping reciproc. Acolo, în liceu studenților li se spune despre structura nucleului atomic, format din neutroni, particule neutre și protoni încărcați pozitiv. Dar cum este posibil acest lucru? Particulele încărcate pozitiv sunt atât de aproape unele de altele încât forțele de respingere trebuie să fie colosale.
Știința nu înțelege pe deplin natura forțelor intranucleare care țin protonii împreună, deși proprietățile acestor forțe au fost studiate destul de bine. Forțele acționează doar la distanță foarte apropiată. Dar de îndată ce protonii sunt chiar puțin separați în spațiu, forțele de respingere încep să prevaleze, iar nucleul se sparge în bucăți. Iar puterea unei astfel de expansiuni este cu adevărat colosală. Se știe că puterea unui bărbat adult nu ar fi suficientă pentru a reține protonii unui singur nucleu al atomului de plumb.
De ce i-a fost frică lui Rutherford?
Miezurile majorității elementelor din tabelul periodic sunt stabile. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul atomic crește, această stabilitate scade. Este cam de dimensiunea miezurilor. Imaginează-ți nucleul unui atom de uraniu, format din 238 de nuclizi, dintre care 92 sunt protoni. Da, protonii sunt în contact strâns unii cu alții, iar forțele intranucleare cimentează în siguranță întreaga structură. Dar forța de respingere a protonilor localizați la capetele opuse ale nucleului devine vizibilă.
Ce a făcut Rutherford? A bombardat atomii cu neutroni (un electron nu va trece prin învelișul de electroni a unui atom, iar un proton încărcat pozitiv nu se va putea apropia de nucleu din cauza forțelor de respingere). Un neutron care intră în nucleul unui atom provoacă fisiunea acestuia. Două jumătăți separate și doi sau trei neutroni liberi s-au separat.
Această dezintegrare, din cauza vitezei enorme ale particulelor zburătoare, a fost însoțită de eliberarea de energie enormă. A existat un zvon că Rutherford ar fi vrut chiar să-și ascundă descoperirea, temându-se de posibilele consecințe ale acesteia pentru umanitate, dar cel mai probabil acesta nu este altceva decât un basm.
Deci, ce legătură are masa cu ea și de ce este critică
Și ce dacă? Cum se poate iradia suficient metal radioactiv cu un flux de protoni pentru a produce o explozie puternică? Și ce este masa critică? Este vorba despre acei câțiva electroni liberi care zboară din nucleul atomic „bombardat”, ei, la rândul lor, ciocnind cu alte nuclee, își vor provoca fisiunea. Așa-zisul va începe, dar va fi extrem de greu de lansat.
Să rafinăm scara. Dacă luăm un măr pe masa noastră ca nucleu al unui atom, atunci pentru a ne imagina nucleul unui atom vecin, același măr va trebui să fie purtat și pus pe masă nici măcar în camera alăturată, dar... în casa alăturată. Neutronul va avea dimensiunea unei gropi de cireșe.
Pentru ca neutronii emiși să nu zboare în zadar în afara lingoului de uraniu, iar peste 50% dintre ei și-ar găsi ținta sub formă de nuclee atomice, acest lingou trebuie să aibă dimensiunile corespunzătoare. Aceasta este ceea ce se numește masa critică a uraniului - masa la care mai mult de jumătate din neutronii emiși se ciocnesc cu alte nuclee.
De fapt, se întâmplă într-o clipă. Numărul de nuclee divizate crește ca o avalanșă, fragmentele lor se repezi în toate direcțiile cu viteze comparabile cu viteza luminii, smulgând aerul liber, apa și orice alt mediu. Din ciocnirile lor cu moleculele mediu inconjurator zona exploziei se încălzește instantaneu până la milioane de grade, radiind căldură care incinerează totul într-un cartier de câțiva kilometri.
Aerul puternic încălzit crește instantaneu în dimensiune, creând o undă de șoc puternică care aruncă clădirile de pe fundații, răstoarnă și distruge totul în cale... așa este imaginea unei explozii atomice.
Cum arată în practică
Dispozitivul bombei atomice este surprinzător de simplu. Există două lingouri de uraniu (sau altul, masa fiecăruia fiind puțin mai mică decât cea critică. Unul dintre lingouri este făcut sub formă de con, celălalt este făcut sub formă de minge cu con Așa cum ați putea ghici, când combinați ambele jumătăți, obțineți o minge care atinge masa critică. Aceasta este cea mai simplă bombă nucleară standard. Două jumătăți sunt conectate folosind o încărcătură TNT convențională (conul este tras într-o minge).
Dar să nu credeți că un astfel de dispozitiv poate fi asamblat „pe genunchi” de oricine. Tot truc este că uraniul, pentru ca o bombă să explodeze din el, trebuie să fie foarte pur, prezența impurităților este practic nulă.
De ce nu există o bombă atomică de mărimea unui pachet de țigări
Toate din același motiv. Masa critică a celui mai comun izotop al uraniului 235 este de aproximativ 45 kg. Explozia unei asemenea cantități de combustibil nuclear este deja un dezastru. Și este imposibil să faci cu o cantitate mai mică de substanță - pur și simplu nu va funcționa.
Din același motiv, nu a fost posibil să se creeze încărcături atomice super-puternice din uraniu sau din alte metale radioactive. Pentru ca bomba să fie foarte puternică, a fost făcută dintr-o duzină de lingouri, care, la detonarea încărcăturilor detonante, s-au repezit în centru, conectându-se ca felii de portocală.
Dar ce s-a întâmplat de fapt? Dacă, dintr-un motiv oarecare, două elemente s-au întâlnit cu o miime de secundă mai devreme decât celelalte, masa critică a fost atinsă mai repede decât ar „veni în timp” restul, explozia nu a fost de puterea la care se așteptau proiectanții. Problema armelor nucleare superputernice a fost rezolvată doar odată cu apariția armelor termonucleare. Dar asta este o poveste puțin diferită.
Cum funcționează un atom pașnic?
O centrală nucleară este în esență aceeași bombă nucleară. Doar această „bombă” are bare de combustibil (elemente de combustibil) din uraniu situate la o oarecare distanță unele de altele, ceea ce nu le împiedică să facă schimb de „lovituri” cu neutroni.
Tijele de combustibil sunt realizate sub formă de tije, între care se află tije de control dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Principiul de funcționare este simplu:
- în spațiul dintre tijele de uraniu se introduc tije reglatoare (absorbante) - reacția încetinește sau se oprește cu totul;
- tijele de control sunt îndepărtate din zonă - elementele radioactive schimbă activ neutroni, reacția nucleară decurge mai intens.
Într-adevăr, rezultă aceeași bombă atomică, în care masa critică este atinsă atât de ușor și este reglată atât de clar încât nu duce la o explozie, ci doar la încălzirea lichidului de răcire.
Deși, din păcate, așa cum arată practica, nu întotdeauna geniul uman este capabil să frâneze această energie uriașă și distructivă - energia dezintegrarii nucleului atomic.
1. Ce se numește reacție în lanț?DAR. O reacție în care se formează un lanț de nuclee atomice. B. reacție de fisiune nucleară. ÎN. Reacția de fuziune nucleară. G. Reacția în care are loc dezintegrarea nucleelor. D. O reacție în care particulele care o provoacă sunt formate ca produse ale acelei reacții.
2. Reacția de fisiune a nucleelor grele are loc ca o reacție în lanț datorită emisiei anumitor particule. Specificați ce particule sunt în reacția dată:. DAR. doi protoni. B. Un proton și un neutron. ÎN. Trei neutroni. G. Doi neutroni. D. Un proton și doi neutroni.
3. Nucleul atomic de bismut ca urmare a unei serii de transformări radioactive transformat într-un nucleu de plumb 
. Ce tipuri de transformări radioactive a suferit?DAR. Dezintegrarea alfa. B. Beta plus dezintegrare. ÎN. Beta minus dezintegrare. G Beta plus dezintegrare și dezintegrare alfa. D. Dezintegrarea beta minus și dezintegrarea alfa.
4. Nucleul emite g-cuantică. Alegeți-o pe cea corectă din următoarele afirmații. Numărul de serie al elementului: DAR. Crescând. B. Scăderi. ÎN. Nu se schimba.
5. Nucleul emite un electron. Alegeți-o pe cea corectă din afirmațiile enumerate în tabel.
Eliminați ceea ce este inutil.
6. În timpul implementării reacției de fisiune nucleară a nucleelor de uraniu, se eliberează aproximativ 165 MeV sub forma energiei cinetice a mișcării fragmentelor nucleare. Ce forțe imprimă accelerație fragmentelor nucleului, crescându-le energia cinetică?DAR. Forțele Coulomb. B. forte gravitationale. ÎN. Forțele nucleare. G. Forțele de interacțiune slabă. D. Forțe de natură necunoscută. E. forte electromagnetice.
7. Ce condiție este necesară pentru ca o reacție nucleară în lanț să apară: 1) masa uraniului sau plutoniului trebuie să fie cel puțin masa critică; 2) disponibilitate temperatura ridicata; 3) masa uraniului sau plutoniului trebuie să fie mai mică decât masa critică?DAR. Doar 1. B. Doar 2. ÎN. 1 și 2. G. Doar 3. D. 2 și 3.
8. Cum se numește masa critică dintr-un reactor nuclear cu uraniu?DAR. Masa maximă de uraniu din reactor la care poate funcționa fără să explodeze. B. Masa minimă de uraniu din reactor la care poate fi efectuată o reacție în lanț. ÎN. Masa suplimentară de uraniu introdusă în reactor pentru a-l porni. G. O masă suplimentară de substanță introdusă în reactor pentru a-l opri în cazuri critice.
9. Care dintre următoarele substanțe sunt utilizate în mod obișnuit în reactoarele nucleare ca absorbanți de neutroni: 1) uraniu; 2) grafit; 3) cadmiu; 4) apă grea; 5) bor; 6) plutoniu.(Alege răspunsul corect).
10. Care dintre următoarele substanțe sunt utilizate în mod obișnuit în reactoarele nucleare ca moderatori de neutroni: 1) uraniu; 2) grafit; 3) cadmiu; 4) apă grea; 5) bor; 6) plutoniu.(Alege răspunsul corect).
11. Care dintre următoarele substanțe sunt utilizate în mod obișnuit în reactoarele nucleare ca combustibil nuclear: 1) uraniu; 2) grafit; 3) cadmiu; 4) apă grea; 5) bor; 6) plutoniu.(Alege răspunsul corect).
12. Care dintre următoarele substanțe sunt utilizate de obicei în reactoarele nucleare ca agenți de răcire: 1) uraniu; 2) grafit; 3) cadmiu; 4) apă obișnuită; 5) sodiu lichid; 6) plutoniu; 7) apă grea.(Alege răspunsul corect).
13. Cum se numește reactorul nuclear - acesta este un dispozitiv, în care... DAR. energia nucleară este transformată în energie electrică. B. are loc o reacție controlată de fisiune nucleară. ÎN. are loc fuziunea nucleară. G. are loc dezintegrarea nucleară. D. are loc o reacție chimică.