Masă critică în fizica nucleară

De la sfârșitul celui mai teribil război din istoria omenirii, a durat puțin mai mult de două luni. Apoi, la 16 iulie 1945, armata americană a testat prima bombă nucleară, iar o lună mai târziu, mii de orașe japoneze au fost ucise în căldură atomică. De atunci, armele nucleare, precum și mijloacele de a le furniza țintelor, s-au îmbunătățit continuu în mai mult de o jumătate de secol.

Armata a vrut să pună mâna pe ca muniție de super-putere, un accident vascular cerebral măturat de pe hartă orașe și țări întregi, precum și ultra-mici, se potrivește într-o servietă. Un astfel de dispozitiv ar duce războiul subversiv la un nivel fără precedent. Atât cu primul, cât și cu cel de-al doilea existau dificultăți insurmontabile. Vina totul, așa-numita masă critică. Cu toate acestea, despre totul în ordine.

Un astfel de miez exploziv

Pentru a înțelege ordinea de funcționare a dispozitivelor nucleare și a înțelege ceea ce se numește masa critică, vom reveni pe scurt pentru un birou. De la cursul de fizică al școlii, ne amintim de o regulă simplă: ca acuzațiile sunt respinse. În același loc, elevilor li se spune despre structura nucleului atomic, constând din neutroni, particule neutre și protoni încărcați pozitiv. Dar cum este posibil acest lucru? Pozitiv încărcate de particule sunt situate atât de aproape unul de celălalt, forțele respingătoare trebuie să fie colosal.

Știința nu cunoaște pe deplin natura forțelor intranucleare care dețin împreună protoni, deși proprietățile acestor forțe au fost studiate destul de bine. Forțele acționează numai la o distanță foarte apropiată. Dar merită cel puțin puțin să împărțiți protonii în spațiu, pe măsură ce forțele repulsive încep să prevaleze, iar nucleul este împrăștiat în bucăți. Iar puterea unei asemenea extinderi este cu adevărat enormă. Se știe că forța unui adult nu ar fi suficientă pentru a păstra protonii unui singur nucleu al atomului de plumb.

Ce a speriat Rutherford

Nucleul majorității elementelor din tabelul periodic este stabil. Cu toate acestea, odată cu creșterea numărului atomic, această stabilitate scade. Este mărimea nucleelor. Imaginați nucleul atomului de uraniu, constând din 238 de nuclide, din care 92 sunt protoni. Da, protonii sunt în strâns contact unul cu celălalt, iar forțele intranucleare cimentază întreaga structură. Dar forța respingatoare a protonilor la capetele opuse ale nucleului devine vizibilă.

Ce a făcut Rutherford? El a produs un bombardament cu neutroni de atomi (electronul trece prin învelișul electronic al atomului, și un proton încărcat pozitiv nu este în măsură să ajungă la nucleu datorită forțelor repulsive). Neutronul, care a căzut în nucleul atomului, a cauzat divizarea lui. Două jumătăți separate și două sau trei neutroni liberi împrăștiați în lateral.

Această descompunere, datorită vitezelor enorme ale particulelor împrăștiate, a fost însoțită de eliberarea energiei enorme. Era un zvon că Rutherford dorea chiar să-și ascundă descoperirea, speriată de posibilele sale consecințe pentru omenire, dar acest lucru nu este altceva decât un basm.

Deci, de unde vine masa și de ce este critică?

Și ce? Cum poate fi iradiată o cantitate suficientă de metal radioactiv cu un fascicul de protoni pentru a obține o explozie puternică? Și ce este o masă critică? Toată problema în câteva electroni liberi, care sunt emise de „bombardat-out“ a nucleului atomic, acestea, la rândul lor, de asemenea, se confruntă cu alte nuclee pentru a determina diviziunea lor. Așa-numitul lanț reacție nucleară. Cu toate acestea, va fi extrem de dificil să o executați.

Să specificăm scara. Dacă în nucleul unui atom de a lua măr pe masa noastră, în scopul de a imagina nucleul atomului vecine, la fel va trebui să efectueze un măr și pus pe masă, nici măcar în camera alăturată, ahellip- lângă ușă. Neutronul va fi de dimensiunea unei oase de cireșe.

Pentru a evidenția neutronii nu zboară departe pentru nimic dincolo de uraniu lingou, și mai mult de 50% dintre ei au găsit scopul lor sub forma unor nuclee atomice, bara trebuie să fie dimensionate în mod corespunzător. Aceasta este ceea ce se numește masa critică a uraniului - masa la care mai mult de jumătate din neutronilor emise se ciocnesc cu alte nuclee.

De fapt, acest lucru se întâmplă într-o clipă. Numărul de nuclee împărțite crește ca o avalanșă, fragmentele lor se grăbesc în toate direcțiile cu viteze comparabile cu viteza luminii, rupând aerul, apa, orice alt mediu. Din coliziunea lor cu moleculele din mediul înconjurător, zona exploziei se încălzește instantaneu până la milioane de grade, radiând o căldură care șterge totul în vecinătatea câtorva kilometri.

aer foarte cald instantaneu crește în dimensiune, creând puternic val de șoc care suflă din bazele de construcție, se transformă și strivește totul în putihellip- său este imaginea unei explozii nucleare.

Cum arată în practică

Designul bombei atomice este surprinzător de simplu. Există două lingouri de uraniu (sau altul metal radioactiv), masa fiecăruia este puțin mai mică decât cea critică. Unul dintre lingouri este realizat sub formă de con, iar celălalt - o minge cu o gaură în formă de con. După cum vă puteți imagina, atunci când combinați cele două jumătăți, obțineți o minge care atinge o masă critică. Aceasta este bomba nucleară simplă standard. Conectați cele două jumătăți la încărcarea obișnuită a TNT (conul se introduce în bilă).

Dar nu credeți că un astfel de dispozitiv poate fi asamblat "de genunchi" de către oricine. Întregul truc este că uraniul, astfel încât bomba să explodeze din el, trebuie să fie foarte curată, prezența impurităților este practic zero.

De ce nu există bomba atomică de dimensiunea unui pachet de țigări

Toate din același motiv. Masa critică a izotopului 235 de uraniu cel mai comun este de aproximativ 45 kg. Explozia unei astfel de cantități de combustibil nuclear este deja un dezastru. Și este imposibil să faceți un dispozitiv exploziv cu mai puțină substanță - pur și simplu nu va funcționa.

Din același motiv, nu sa întâmplat crearea de sarcini atomice super-puternice din uraniu sau alte metale radioactive. Pentru bomba a fost foarte puternic, a făcut-o duzină de bare, care sunt la sablare taxe detonante-au grabit la centru, ca segmentele de legătură ale unei portocale.

Dar ce se întâmpla cu adevărat? În cazul în care pentru un motiv sau altul cele două elemente întâlnesc la o miime de secundă înainte de restul, o masă critică a fost atins mai repede decât restul „podospeyut“, explozia nu a avut loc de putere, care se calculează designeri. Problema munițiilor nucleare super-puternice a fost rezolvată numai odată cu apariția armelor termonucleare. Dar aceasta este o poveste ușor diferită.

Dar cum funcționează un atom pașnic?

Centrala nucleară este în esență aceeași bombă nucleară. Numai în această „bombă“ elemente de combustibil (bare de combustibil) din uraniu, situate la o anumită distanță unul de altul, care nu împiedică să împartă cu neutroni „lovituri“.

TVEL sunt fabricate sub formă de tije, dintre care sunt tije de control fabricate dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Principiul de funcționare este simplu:

• barele de reglare (absorbante) sunt introduse în spațiul dintre tijele de uraniu - reacția încetinește sau se oprește cu totul;
• tijele de reglare sunt eliminate din zonă - elementele radioactive sunt schimbate în mod activ de către neutroni, reacția nucleară continuă mai intens.

Într-adevăr, se obține aceeași bombă atomică în care masa critică este atinsă atât de ușor și este ajustată atât de clar încât nu duce la o explozie, ci doar la încălzirea agentului de răcire.

Cu toate că, din păcate, în practică, nu este întotdeauna geniul uman este capabil de a reduce această energie uriașă și distructivă - energie a nucleului atomic.