دنیای اتم آنقدر خارق العاده است که درک آن مستلزم گسست اساسی در مفاهیم معمول مکان و زمان است. اتم ها آنقدر کوچک هستند که اگر بتوان یک قطره آب را به اندازه زمین بزرگ کرد، هر اتم در آن قطره کوچکتر از یک پرتقال خواهد بود. در واقع یک قطره آب از 6000 میلیارد (6000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000) اتم هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. و با این حال، با وجود اندازه میکروسکوپی آن، اتم ساختاری تا حدودی شبیه به ساختار منظومه شمسی ما دارد. در مرکز غیرقابل درک آن، که شعاع آن کمتر از یک تریلیونم سانتیمتر است، یک "خورشید" نسبتاً عظیم وجود دارد - هسته یک اتم.
"سیاره های" کوچک - الکترون ها - به دور این "خورشید" اتمی می چرخند. هسته از دو بلوک اصلی سازنده جهان - پروتون ها و نوترون ها (آنها یک نام متحد کننده دارند - نوکلئون ها) تشکیل شده است. یک الکترون و یک پروتون ذرات باردار هستند و مقدار بار در هر یک از آنها دقیقاً یکسان است، اما بارها در علامت متفاوت هستند: پروتون همیشه دارای بار مثبت و الکترون دارای بار منفی است. نوترون حمل نمی کند شارژ الکتریکیو در نتیجه نفوذ پذیری بسیار بالایی دارد.
در مقیاس اتمی اندازه گیری، جرم یک پروتون و یک نوترون به عنوان واحد در نظر گرفته می شود. بنابراین وزن اتمی هر عنصر شیمیایی به تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در هسته آن بستگی دارد. به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن، با هسته ای متشکل از تنها یک پروتون، دارای جرم اتمی 1. یک اتم هلیوم، با هسته ای از دو پروتون و دو نوترون، دارای جرم اتمی 4 است.
هسته اتم های یک عنصر همیشه دارای همان تعداد پروتون هستند، اما تعداد نوترون ها ممکن است متفاوت باشد. اتم هایی که هسته هایی با تعداد پروتون یکسان دارند، اما از نظر تعداد نوترون متفاوت هستند و انواعی از یک عنصر هستند، ایزوتوپ نامیده می شوند. برای تشخیص آنها از یکدیگر، به نماد عنصر عددی برابر با مجموع تمام ذرات موجود در هسته یک ایزوتوپ معین اختصاص داده می شود.
ممکن است این سوال پیش بیاید: چرا هسته یک اتم از هم نمی پاشد؟ از این گذشته، پروتون های موجود در آن ذرات باردار الکتریکی با همان بار هستند که باید یکدیگر را با نیروی زیادی دفع کنند. این با این واقعیت توضیح داده می شود که در داخل هسته نیز نیروهای به اصطلاح درون هسته ای وجود دارد که ذرات هسته ای را به یکدیگر جذب می کنند. این نیروها نیروهای دافعه پروتون ها را جبران می کنند و از جدا شدن خود به خود هسته جلوگیری می کنند.
نیروهای درون هسته ای بسیار قوی هستند، اما فقط در فواصل بسیار نزدیک عمل می کنند. بنابراین، هسته های عناصر سنگین، متشکل از صدها نوکلئون، ناپایدار هستند. ذرات هسته در اینجا در حال حرکت مداوم هستند (در حجم هسته)، و اگر مقداری انرژی اضافی به آنها اضافه کنید، می توانند بر نیروهای داخلی غلبه کنند - هسته به قطعات تقسیم می شود. مقدار این انرژی اضافی را انرژی تحریک می گویند. در میان ایزوتوپ های عناصر سنگین، مواردی وجود دارند که به نظر می رسد در آستانه فروپاشی خود هستند. فقط یک "فشار" کوچک کافی است، برای مثال، برخورد یک نوترون ساده به هسته (و حتی لازم نیست تا سرعت بالایی شتاب بگیرد) تا واکنش شکافت هسته ای رخ دهد. برخی از این ایزوتوپ‌های «شکافت‌پذیر» بعداً آموختند که به‌طور مصنوعی تولید می‌شوند. در طبیعت، تنها یک ایزوتوپ وجود دارد - اورانیوم 235.
اورانوس در سال 1783 توسط کلاپروت کشف شد و او آن را از قطران اورانیوم جدا کرد و نام آن را از سیاره اخیراً کشف شده اورانوس نامگذاری کرد. همانطور که بعداً مشخص شد، در واقع، خود اورانیوم نبود، بلکه اکسید آن بود. اورانیوم خالص، یک فلز نقره‌ای مایل به سفید، به دست آمد
فقط در سال 1842 Peligo. عنصر جدید تا سال 1896 که بکرل پدیده رادیواکتیویته را در نمک های اورانیوم کشف کرد، خاصیت قابل توجهی نداشت و توجه ها را به خود جلب نکرد. پس از این، اورانیوم موضوع تحقیقات و آزمایش های علمی شد، اما کاربرد عملیهنوز آن را نداشت
هنگامی که در ثلث اول قرن بیستم، فیزیکدانان کم و بیش ساختار هسته اتم را درک کردند، اول از همه سعی کردند رویای دیرینه کیمیاگران را برآورده کنند - آنها سعی کردند یک عنصر شیمیایی را به عنصر دیگر تبدیل کنند. در سال 1934، محققان فرانسوی، همسران فردریک و ایرنه ژولیوت کوری، تجربه زیر را به آکادمی علوم فرانسه گزارش کردند: هنگام بمباران صفحات آلومینیومی با ذرات آلفا (هسته های یک اتم هلیوم)، اتم های آلومینیوم به اتم های فسفر تبدیل می شوند، اما نه معمولی، بلکه رادیواکتیو که به نوبه خود به ایزوتوپ پایدار سیلیکون تبدیل شد. بنابراین، یک اتم آلومینیوم، با افزودن یک پروتون و دو نوترون، به یک اتم سیلیکون سنگین‌تر تبدیل شد.
این تجربه نشان می‌دهد که اگر نوترون‌ها را به سمت هسته‌های سنگین‌ترین عنصر موجود در طبیعت - اورانیوم شلیک کنید، می‌توانید عنصری را بدست آورید که در شرایط طبیعیخیر در سال 1938، شیمیدانان آلمانی اتو هان و فریتز استراسمن به طور کلی تجربه همسران ژولیوت کوری را با استفاده از اورانیوم به جای آلومینیوم تکرار کردند. نتایج آزمایش اصلاً آن چیزی نبود که انتظار داشتند - به جای یک عنصر فوق سنگین جدید با عدد جرمی بیشتر از اورانیوم، هان و استراسمن عناصر سبک را از قسمت میانی جدول تناوبی دریافت کردند: باریم، کریپتون، برم و برخی دیگر خود آزمایشگران نتوانستند پدیده مشاهده شده را توضیح دهند. تنها سال بعد، فیزیکدان لیز مایتنر، که هان مشکلات خود را به او گزارش داد، توضیح درستی را برای پدیده مشاهده شده یافت، که نشان می دهد وقتی اورانیوم با نوترون بمباران می شود، هسته آن شکافته می شود (شکافت). در این حالت، هسته‌های عناصر سبکتر باید تشکیل می‌شد (از آنجا باریم، کریپتون و سایر مواد به وجود آمدند) و همچنین باید 2-3 نوترون آزاد آزاد می‌شد. تحقیقات بیشتر این امکان را فراهم کرد که تصویری از آنچه در حال رخ دادن بود به تفصیل روشن شود.
اورانیوم طبیعی از مخلوطی از سه ایزوتوپ با جرم های 238، 234 و 235 تشکیل شده است. مقدار اصلی اورانیوم ایزوتوپ 238 است که هسته آن شامل 92 پروتون و 146 نوترون است. اورانیوم 235 تنها 1/140 اورانیوم طبیعی است (0.7٪ (92 پروتون و 143 نوترون در هسته خود دارد) و اورانیوم 234 (92 پروتون، 142 نوترون) تنها 1/17500 از کل جرم اورانیوم را تشکیل می دهد. 0 , 006%. کمترین پایداری این ایزوتوپ ها اورانیوم 235 است.
هر از گاهی، هسته های اتم های آن به طور خود به خود به قطعات تقسیم می شوند، در نتیجه عناصر سبک تر جدول تناوبی تشکیل می شوند. این فرآیند با انتشار دو یا سه نوترون آزاد همراه است که با سرعت بسیار زیاد - حدود 10 هزار کیلومتر در ثانیه (به آنها نوترون سریع می گویند) می شتابند. این نوترون ها می توانند به دیگر هسته های اورانیوم برخورد کنند و باعث واکنش های هسته ای شوند. هر ایزوتوپ در این مورد رفتار متفاوتی دارد. هسته‌های اورانیوم 238 در بیشتر موارد به سادگی این نوترون‌ها را بدون هیچ تغییر دیگری جذب می‌کنند. اما تقریباً در یک مورد از هر پنج مورد، هنگامی که یک نوترون سریع با هسته ایزوتوپ-238 برخورد می کند، یک واکنش هسته ای عجیب رخ می دهد: یکی از نوترون های اورانیوم-238 یک الکترون ساطع می کند و به پروتون تبدیل می شود. ایزوتوپ اورانیوم به یک ایزوتوپ بیشتر تبدیل می شود
عنصر سنگین - نپتونیوم-239 (93 پروتون + 146 نوترون). اما نپتونیوم ناپایدار است - پس از چند دقیقه، یکی از نوترون های آن یک الکترون ساطع می کند و به پروتون تبدیل می شود، پس از آن ایزوتوپ نپتونیم به عنصر بعدی در جدول تناوبی - پلوتونیوم-239 (94 پروتون + 145 نوترون) تبدیل می شود. اگر یک نوترون به هسته اورانیوم 235 ناپایدار برخورد کند، بلافاصله شکافت رخ می دهد - اتم ها با انتشار دو یا سه نوترون متلاشی می شوند. واضح است که در اورانیوم طبیعی، که بیشتر اتم های آن متعلق به ایزوتوپ 238 است، این واکنش هیچ عواقب قابل مشاهده ای ندارد - تمام نوترون های آزاد در نهایت توسط این ایزوتوپ جذب می شوند.
خوب، اگر یک قطعه نسبتاً عظیم اورانیوم را تصور کنیم که تماماً از ایزوتوپ 235 تشکیل شده است، چه؟
در اینجا روند متفاوت خواهد بود: نوترون‌هایی که در طی شکافت چندین هسته آزاد می‌شوند، به نوبه خود با برخورد به هسته‌های همسایه، باعث شکافت آنها می‌شوند. در نتیجه، بخش جدیدی از نوترون ها آزاد می شود که هسته های بعدی را می شکافد. در شرایط مساعد این واکنش مانند بهمن پیش می رود و واکنش زنجیره ای نامیده می شود. برای شروع آن، چند ذره بمباران ممکن است کافی باشد.
در واقع، اجازه دهید اورانیوم 235 تنها با 100 نوترون بمباران شود. آنها 100 هسته اورانیوم را جدا خواهند کرد. در این صورت، 250 نوترون جدید از نسل دوم آزاد می شود (به طور متوسط 2.5 در هر شکافت). نوترون های نسل دوم 250 شکافت تولید می کنند که 625 نوترون آزاد می کند. در نسل بعدی می شود 1562 و سپس 3906 و سپس 9670 و غیره. اگر این روند متوقف نشود، تعداد بخش ها به طور نامحدود افزایش می یابد.
با این حال، در واقع تنها بخش کوچکی از نوترون ها به هسته اتم ها می رسند. بقیه، به سرعت بین آنها عجله می کنند، به فضای اطراف منتقل می شوند. خود نگهدارنده واکنش زنجیره ایتنها می تواند در یک آرایه به اندازه کافی بزرگ از اورانیوم 235 که گفته می شود جرم بحرانی دارد ایجاد شود. (این توده در شرایط عادیبرابر با 50 کیلوگرم.) توجه به این نکته ضروری است که شکافت هر هسته با آزاد شدن مقدار زیادی انرژی همراه است که تقریباً 300 میلیون برابر بیشتر از انرژی صرف شده برای شکافت است! (تخمین زده می شود که شکافت کامل 1 کیلوگرم اورانیوم 235 همان مقدار گرما را با احتراق 3 هزار تن زغال سنگ آزاد می کند.)
این انفجار عظیم انرژی که در چند لحظه آزاد می شود، خود را به عنوان یک انفجار نیروی هیولایی نشان می دهد و زیربنای عمل است. سلاح های هسته ای. اما برای اینکه این سلاح به واقعیت تبدیل شود، لازم است که شارژ شامل اورانیوم طبیعی نباشد، بلکه از یک ایزوتوپ کمیاب - 235 (به چنین اورانیوم غنی شده گفته می شود) باشد. بعداً مشخص شد که پلوتونیوم خالص نیز یک ماده شکافت پذیر است و می تواند به جای اورانیوم 235 در بار اتمی استفاده شود.
تمام این اکتشافات مهم در آستانه جنگ جهانی دوم انجام شد. به زودی کار مخفیانه برای ساخت بمب اتمی در آلمان و سایر کشورها آغاز شد. در ایالات متحده آمریکا، این مشکل در سال 1941 مورد توجه قرار گرفت. کل مجموعه آثار نام "پروژه منهتن" داده شد.
مدیریت اداری پروژه توسط جنرال گرووز و مدیریت علمی توسط استاد دانشگاه کالیفرنیا رابرت اوپنهایمر انجام شد. هر دو به خوبی از پیچیدگی عظیم کار پیش روی خود آگاه بودند. بنابراین، اولین دغدغه اوپنهایمر جذب یک تیم علمی بسیار هوشمند بود. در آن زمان در ایالات متحده فیزیکدانان زیادی وجود داشتند که از آنجا مهاجرت کردند آلمان فاشیست. جذب آنها برای ایجاد تسلیحات علیه میهن سابقشان آسان نبود. اوپنهایمر با استفاده از تمام قدرت جذابیت خود با همه شخصاً صحبت می کرد. به زودی او موفق شد گروه کوچکی از نظریه پردازان را که به شوخی آنها را "مشروحان" نامید، جمع کند. و در واقع شامل بزرگترین متخصصان آن زمان در رشته فیزیک و شیمی بود. (در میان آنها 13 نفر برنده جایزه هستند جایزه نوبلاز جمله بور، فرمی، فرانک، چادویک، لارنس.) علاوه بر آنها، بسیاری از متخصصان دیگر با پروفایل های مختلف وجود داشتند.
دولت ایالات متحده در هزینه ها کوتاهی نکرد و کار از همان ابتدا به مقیاس بزرگی رسید. در سال 1942، بزرگترین آزمایشگاه تحقیقاتی جهان در لوس آلاموس تاسیس شد. جمعیت این شهر علمی به زودی به 9 هزار نفر رسید. از نظر ترکیب دانشمندان، دامنه آزمایشات علمی و تعداد متخصصان و کارگران درگیر در کار، آزمایشگاه لوس آلاموس در تاریخ جهان مشابهی نداشت. پروژه منهتن پلیس، ضد جاسوسی، سیستم ارتباطی، انبارها، روستاها، کارخانه ها، آزمایشگاه ها و بودجه هنگفت خود را داشت.
هدف اصلی این پروژه به دست آوردن مواد شکافت پذیر کافی بود که بتوان از آن چندین بمب اتمی ایجاد کرد. علاوه بر اورانیوم-235، هزینه بمب، همانطور که قبلا ذکر شد، می تواند عنصر مصنوعی پلوتونیوم-239 باشد، یعنی بمب می تواند اورانیوم یا پلوتونیوم باشد.
گرووز و اوپنهایمر توافق کردند که کار باید به طور همزمان در دو جهت انجام شود، زیرا نمی توان از قبل تصمیم گرفت که کدام یک از آنها امیدوارکننده تر باشد. هر دو روش اساساً با یکدیگر متفاوت بودند: انباشت اورانیوم 235 باید با جداسازی آن از بخش عمده اورانیوم طبیعی انجام می شد و پلوتونیوم تنها در نتیجه یک واکنش هسته ای کنترل شده هنگامی که اورانیوم 238 تابش می شد بدست می آمد. با نوترون هر دو مسیر به طور غیرعادی دشوار به نظر می رسید و نوید راه حل های آسان را نمی داد.
در واقع، چگونه می توان دو ایزوتوپ را که فقط کمی از نظر وزن متفاوت هستند و از نظر شیمیایی دقیقاً به یک شکل عمل می کنند، جدا کرد؟ نه علم و نه فناوری هرگز با چنین مشکلی مواجه نشده اند. تولید پلوتونیوم نیز در ابتدا بسیار مشکل به نظر می رسید. قبل از این، کل تجربه تحولات هسته ای به چند آزمایش آزمایشگاهی کاهش یافت. اکنون آنها باید بر تولید کیلوگرم پلوتونیوم در مقیاس صنعتی تسلط پیدا می کردند ، یک تأسیسات ویژه برای این کار ایجاد و ایجاد می کردند - یک راکتور هسته ای ، و یاد می گرفتند که روند واکنش هسته ای را کنترل کنند.
هم آنجا و هم اینجا باید مجموعه کاملی از مشکلات پیچیده حل می شد. بنابراین، پروژه منهتن شامل چندین پروژه فرعی بود که توسط دانشمندان برجسته رهبری می شد. اوپنهایمر خود رئیس لوس آلاموس بود آزمایشگاه علمی. لارنس مسئول آزمایشگاه تشعشع در دانشگاه کالیفرنیا بود. فرمی تحقیقاتی را در دانشگاه شیکاگو برای ایجاد یک راکتور هسته ای انجام داد.
در ابتدا مهمترین مشکلتولید اورانیوم بود. قبل از جنگ، این فلز عملاً هیچ استفاده ای نداشت. اکنون که فوراً به مقادیر زیاد مورد نیاز بود، معلوم شد که هیچ روش صنعتی برای تولید آن وجود ندارد.
شرکت Westinghouse توسعه خود را آغاز کرد و به سرعت به موفقیت دست یافت. پس از خالص سازی رزین اورانیوم (اورانیوم به این شکل در طبیعت وجود دارد) و به دست آوردن اکسید اورانیوم، به تترا فلوراید (UF4) تبدیل شد که فلز اورانیوم با الکترولیز از آن جدا شد. اگر در پایان سال 1941 دانشمندان آمریکایی فقط چند گرم فلز اورانیوم در اختیار داشتند، در نوامبر 1942 تولید صنعتی آن در کارخانه‌های وستینگهاوس به 6000 پوند در ماه رسید.
در همان زمان، کار برای ایجاد یک راکتور هسته ای در حال انجام بود. فرآیند تولید پلوتونیوم در واقع به تابش نوترون‌ها به میله‌های اورانیوم خلاصه می‌شود که در نتیجه بخشی از اورانیوم 238 به پلوتونیوم تبدیل می‌شود. منابع نوترون در این مورد می تواند اتم های شکافت پذیر اورانیوم-235 باشد که به مقدار کافی در بین اتم های اورانیوم-238 پراکنده شده اند. اما برای حفظ تولید ثابت نوترون ها، یک واکنش زنجیره ای شکافت اتم های اورانیوم 235 باید آغاز شود. در همین حال، همانطور که قبلا ذکر شد، به ازای هر اتم اورانیوم-235، 140 اتم اورانیوم-238 وجود داشت. واضح است که نوترون‌هایی که در همه جهات پراکنده می‌شوند، احتمال بسیار بالاتری برای ملاقات با آنها در مسیر خود داشتند. یعنی تعداد زیادی از نوترون های آزاد شده بدون هیچ سودی توسط ایزوتوپ اصلی جذب شدند. بدیهی است که در چنین شرایطی یک واکنش زنجیره ای نمی تواند رخ دهد. چگونه بودن؟
در ابتدا به نظر می رسید که بدون جداسازی دو ایزوتوپ، عملکرد راکتور به طور کلی غیرممکن است، اما یک شرایط مهم به زودی مشخص شد: معلوم شد که اورانیوم-235 و اورانیوم-238 نسبت به نوترون های انرژی های مختلف حساس هستند. هسته یک اتم اورانیوم 235 را می توان توسط یک نوترون با انرژی نسبتا کم که سرعتی در حدود 22 متر بر ثانیه دارد تقسیم کرد. چنین نوترون های کندی توسط هسته های اورانیوم 238 دستگیر نمی شوند - برای این منظور آنها باید سرعت صدها هزار متر در ثانیه داشته باشند. به عبارت دیگر، اورانیوم-238 برای جلوگیری از شروع و پیشرفت یک واکنش زنجیره ای در اورانیوم-235 که توسط نوترون های کاهش یافته به سرعت های بسیار پایین - حداکثر 22 متر بر ثانیه - ایجاد می شود، ناتوان است. این پدیده توسط فرمی فیزیکدان ایتالیایی کشف شد که از سال 1938 در ایالات متحده زندگی می کرد و کار را در اینجا برای ایجاد اولین راکتور رهبری کرد. فرمی تصمیم گرفت از گرافیت به عنوان تعدیل کننده نوترون استفاده کند. بر اساس محاسبات وی، نوترون های ساطع شده از اورانیوم-235، با عبور از یک لایه 40 سانتی متری گرافیت، باید سرعت خود را به 22 متر بر ثانیه کاهش می دادند و یک واکنش زنجیره ای خودپایدار را در اورانیوم-235 آغاز می کردند.
تعدیل کننده دیگر می تواند آب به اصطلاح "سنگین" باشد. از آنجایی که اتم‌های هیدروژن موجود در آن از نظر اندازه و جرم بسیار شبیه به نوترون‌ها هستند، به بهترین وجه می‌توانند سرعت آنها را کاهش دهند. (در مورد نوترون‌های سریع، تقریباً همان چیزی است که در مورد توپ‌ها اتفاق می‌افتد: اگر یک توپ کوچک به توپ بزرگ برخورد کند، تقریباً بدون کاهش سرعت به عقب می‌چرخد، اما وقتی با یک توپ کوچک برخورد می‌کند، بخش قابل توجهی از انرژی خود را به آن منتقل می‌کند. - درست مانند یک نوترون در یک برخورد الاستیک که از یک هسته سنگین پرش می کند و فقط کمی کند می شود و هنگام برخورد با هسته اتم های هیدروژن، خیلی سریع تمام انرژی خود را از دست می دهد.) با این حال، آب معمولی برای کاهش سرعت مناسب نیست. زیرا هیدروژن آن تمایل به جذب نوترون دارد. به همین دلیل است که دوتریوم که بخشی از آب «سنگین» است، باید برای این منظور استفاده شود.
در اوایل سال 1942، تحت رهبری فرمی، ساخت اولین رآکتور هسته ای در تاریخ در زمین تنیس زیر سکوهای غربی استادیوم شیکاگو آغاز شد. دانشمندان همه کارها را خودشان انجام دادند. واکنش را می توان به تنها روش کنترل کرد - با تنظیم تعداد نوترون های شرکت کننده در واکنش زنجیره ای. فرمی قصد داشت با استفاده از میله های ساخته شده از موادی مانند بور و کادمیوم که نوترون ها را به شدت جذب می کند، به این هدف دست یابد. تعدیل کننده آجرهای گرافیتی بود که فیزیکدانان از آن ستون هایی به ارتفاع 3 متر و عرض 1.2 متر ساختند و بین آنها بلوک های مستطیلی با اکسید اورانیوم تعبیه شد. کل ساختار به حدود 46 تن اکسید اورانیوم و 385 تن گرافیت نیاز داشت. برای کاهش سرعت واکنش، میله های کادمیوم و بور به راکتور وارد شدند.
اگر این کافی نبود، پس برای بیمه، دو دانشمند روی یک سکوی واقع در بالای راکتور با سطل های پر از محلول نمک های کادمیوم ایستادند - قرار بود اگر واکنش از کنترل خارج شد آنها را روی راکتور بریزند. خوشبختانه این کار ضروری نبود. در 2 دسامبر 1942، فرمی دستور داد تا تمام میله های کنترل را گسترش دهند و آزمایش آغاز شد. پس از چهار دقیقه، شمارنده‌های نوترون با صدای بلند و بلندتر شروع به کلیک کردن کردند. با هر دقیقه شدت شار نوترون بیشتر می شد. این نشان می دهد که یک واکنش زنجیره ای در راکتور در حال انجام است. 28 دقیقه طول کشید. سپس فرمی سیگنال داد و میله های پایین رونده را متوقف کردند. بدین ترتیب انسان برای اولین بار انرژی هسته اتم را آزاد کرد و ثابت کرد که می تواند به میل خود آن را کنترل کند. اکنون دیگر هیچ شکی وجود نداشت که تسلیحات هسته ای یک واقعیت است.
در سال 1943، راکتور فرمی برچیده شد و به آزمایشگاه ملی آراگون (50 کیلومتری شیکاگو) منتقل شد. زود اینجا بود
راکتور هسته ای دیگری ساخته شد که در آن از آب سنگین به عنوان تعدیل کننده استفاده می شد. این مخزن از یک مخزن آلومینیومی استوانه ای حاوی 6.5 تن آب سنگین تشکیل شده بود که در آن 120 میله فلزی اورانیوم به صورت عمودی در یک پوسته آلومینیومی غوطه ور شده بود. هفت میله کنترل از کادمیوم ساخته شده بودند. در اطراف مخزن یک بازتابنده گرافیتی وجود داشت، سپس صفحه ای از آلیاژهای سرب و کادمیوم ساخته شده بود. کل سازه در یک پوسته بتنی با ضخامت دیواره حدود 2.5 متر محصور شده بود.
آزمایش‌ها در این راکتورهای آزمایشی امکان تولید صنعتی پلوتونیوم را تأیید کرد.
مرکز اصلی پروژه منهتن به زودی به شهر اوک ریج در دره رودخانه تنسی تبدیل شد که جمعیت آن در عرض چند ماه به 79 هزار نفر افزایش یافت. در اینجا کوتاه مدتاولین کارخانه تولید اورانیوم غنی شده در تاریخ ساخته شد. یک رآکتور صنعتی تولید پلوتونیوم در اینجا در سال 1943 راه اندازی شد. در فوریه 1944 روزانه حدود 300 کیلوگرم اورانیوم از آن استخراج می شد که از سطح آن با جداسازی شیمیایی پلوتونیوم به دست می آمد. (برای این کار ابتدا پلوتونیوم حل و سپس رسوب داده شد.) سپس اورانیوم خالص شده به راکتور بازگردانده شد. در همان سال، ساخت و ساز کارخانه عظیم هانفورد در صحرای بایر و تاریک در کرانه جنوبی رودخانه کلمبیا آغاز شد. سه راکتور هسته ای قدرتمند در اینجا قرار داشت که هر روز چند صد گرم پلوتونیوم تولید می کرد.
به موازات آن، تحقیقات برای توسعه یک فرآیند صنعتی برای غنی‌سازی اورانیوم در جریان بود.
در نظر گرفتن انواع مختلفگرووز و اوپنهایمر تصمیم گرفتند تلاش خود را بر دو روش متمرکز کنند: انتشار گازی و الکترومغناطیسی.
روش انتشار گاز بر اساس اصل معروف به قانون گراهام استوار بود (این روش برای اولین بار در سال 1829 توسط شیمیدان اسکاتلندی توماس گراهام فرموله شد و در سال 1896 توسط فیزیکدان انگلیسی ریلی توسعه یافت). بر اساس این قانون، اگر دو گاز که یکی از آنها سبکتر از دیگری است، از فیلتری با سوراخ های ناچیزی عبور داده شود، مقدار کمی بیشتر از گاز سبک از گاز سنگین عبور می کند. در نوامبر 1942، یوری و دانینگ از دانشگاه کلمبیا یک روش انتشار گازی برای جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم بر اساس روش ریلی ایجاد کردند.
از آنجایی که اورانیوم طبیعی یک جامد است، ابتدا به فلوراید اورانیوم (UF6) تبدیل شد. سپس این گاز از سوراخ های میکروسکوپی - به ترتیب هزارم میلی متر - در پارتیشن فیلتر عبور داده شد.
از آنجایی که اختلاف وزن مولی گازها بسیار کم بود، محتوای اورانیوم 235 در پشت پارتیشن تنها 10002 برابر افزایش یافت.
به منظور افزایش بیشتر مقدار اورانیوم 235، مخلوط حاصل دوباره از یک پارتیشن عبور داده می شود و مقدار اورانیوم دوباره 10002 برابر افزایش می یابد. بنابراین، برای افزایش محتوای اورانیوم 235 به 99 درصد، لازم بود گاز از 4000 فیلتر عبور داده شود. این اتفاق در یک کارخانه بزرگ انتشار گاز در اوک ریج رخ داد.
در سال 1940، تحت رهبری ارنست لارنس، تحقیقات در مورد جداسازی ایزوتوپ های اورانیوم به روش الکترومغناطیسی در دانشگاه کالیفرنیا آغاز شد. پیدا کردن چنین چیزی ضروری بود فرآیندهای فیزیکی، که جداسازی ایزوتوپ ها را با استفاده از تفاوت در جرم آنها ممکن می کند. لارنس تلاش کرد ایزوتوپ ها را با استفاده از اصل طیف نگار جرمی جدا کند، ابزاری که برای تعیین جرم اتم ها استفاده می شود.
اصل عملکرد آن به شرح زیر بود: اتم های پیش یونیزه شده توسط یک میدان الکتریکی شتاب می گرفتند و سپس از یک میدان مغناطیسی عبور می کردند که در آن دایره هایی را که در یک صفحه عمود بر جهت میدان قرار دارند توصیف می کردند. از آنجایی که شعاع این مسیرها با جرم متناسب بود، یون های سبک به دایره هایی با شعاع کوچکتر از سنگین رسیدند. اگر تله‌ها در امتداد مسیر اتم‌ها قرار می‌گرفت، می‌توان ایزوتوپ‌های مختلف را به‌طور جداگانه به این روش جمع‌آوری کرد.
این روش بود. در شرایط آزمایشگاهی نتایج خوبی داد. اما ساخت تاسیساتی که در آن جداسازی ایزوتوپ در مقیاس صنعتی انجام شود بسیار دشوار بود. با این حال، لارنس در نهایت موفق شد بر همه مشکلات غلبه کند. نتیجه تلاش او ظهور کالوترون بود که در یک کارخانه غول پیکر در اوک ریج نصب شد.
این نیروگاه الکترومغناطیسی در سال 1943 ساخته شد و معلوم شد که شاید گران ترین زاده فکر پروژه منهتن باشد. روش لارنس به تعداد زیادی دستگاه پیچیده و هنوز توسعه نیافته در ارتباط با ولتاژ بالا، خلاء بالا و قوی نیاز داشت. میدانهای مغناطیسی. مقیاس هزینه ها بسیار زیاد بود. کالوترون دارای یک آهنربای الکتریکی غول پیکر بود که طول آن به 75 متر و وزن آن حدود 4000 تن می رسید.
چندین هزار تن سیم نقره برای سیم پیچ های این آهنربای الکتریکی استفاده شده است.
کل کار (بدون احتساب هزینه 300 میلیون دلاری نقره، که خزانه داری ایالت فقط به طور موقت ارائه کرد) 400 میلیون دلار هزینه داشت. وزارت دفاع فقط 10 میلیون برای برق مصرفی کالوترون پرداخت کرد. بسیاری از تجهیزات کارخانه Oak Ridge از نظر مقیاس و دقت نسبت به هر چیزی که تا به حال در این زمینه فناوری توسعه یافته بود برتر بود.
اما همه این هزینه ها بیهوده نبود. با صرف مجموعاً حدود 2 میلیارد دلار، دانشمندان آمریکایی تا سال 1944 یک فناوری منحصر به فرد برای غنی سازی اورانیوم و تولید پلوتونیوم ایجاد کردند. در همین حال، در آزمایشگاه لوس آلاموس روی طراحی خود بمب کار می کردند. اصل عملکرد آن به طور کلی برای مدت طولانی روشن بود: ماده شکافت پذیر (پلوتونیوم یا اورانیوم-235) باید در لحظه انفجار به حالت بحرانی منتقل می شد (برای اینکه یک واکنش زنجیره ای رخ دهد، جرم بار باید رخ دهد. حتی به طور قابل توجهی بزرگتر از بحرانی باشد) و با پرتو نوترونی تابش شود، که مستلزم آغاز یک واکنش زنجیره ای است.
بر اساس محاسبات، جرم بحرانی بار از 50 کیلوگرم فراتر رفت، اما آنها توانستند به میزان قابل توجهی آن را کاهش دهند. به طور کلی، مقدار جرم بحرانی به شدت تحت تأثیر عوامل متعددی است. هر چه سطح بار بزرگتر باشد، نوترون های بیشتری به طور بی فایده به فضای اطراف گسیل می شوند. یک کره کوچکترین سطح را دارد. در نتیجه، بارهای کروی، با مساوی بودن سایر چیزها، کمترین جرم بحرانی را دارند. علاوه بر این، مقدار جرم بحرانی به خلوص و نوع مواد شکافت پذیر بستگی دارد. با مربع چگالی این ماده نسبت معکوس دارد که به عنوان مثال با دو برابر کردن چگالی، جرم بحرانی را چهار برابر کاهش می دهد. درجه زیر بحرانی مورد نیاز را می توان به عنوان مثال با فشرده سازی مواد شکافت پذیر به دلیل انفجار بار یک ماده منفجره معمولی که به شکل پوسته کروی در اطراف بار هسته ای ساخته شده است، بدست آورد. جرم بحرانی را نیز می توان با احاطه کردن بار با صفحه ای که نوترون ها را به خوبی منعکس می کند کاهش داد. سرب، بریلیم، تنگستن، اورانیوم طبیعی، آهن و بسیاری دیگر را می توان به عنوان صفحه نمایش استفاده کرد.
یکی از طرح‌های احتمالی بمب اتمی شامل دو تکه اورانیوم است که در صورت ترکیب، جرمی بیشتر از جرم بحرانی تشکیل می‌دهند. به منظور ایجاد یک انفجار بمب، شما باید آنها را در اسرع وقت به هم نزدیک کنید. روش دوم مبتنی بر استفاده از یک انفجار همگرا به داخل است. در این مورد، جریانی از گازهای یک ماده منفجره معمولی به سمت مواد شکافت پذیر واقع در داخل هدایت می شود و آن را فشرده می کند تا به جرم بحرانی برسد. همانطور که قبلا ذکر شد، ترکیب یک بار و تابش شدید آن با نوترون ها باعث یک واکنش زنجیره ای می شود که در نتیجه در ثانیه اول دما به 1 میلیون درجه افزایش می یابد. در این مدت، تنها حدود 5 درصد از جرم بحرانی موفق به جداسازی شدند. بقیه شارژ در طرح های اولیه بمب بدون تبخیر شد
هر منفعتی
اولین بمب اتمی در تاریخ (نام ترینیتی به آن داده شد) در تابستان 1945 مونتاژ شد. و در 16 ژوئن 1945، اولین انفجار اتمی روی زمین در سایت آزمایش هسته ای در صحرای آلاموگوردو (نیومکزیکو) انجام شد. این بمب در مرکز محل آزمایش بالای یک برج فولادی 30 متری قرار گرفت. تجهیزات ضبط با فاصله بسیار دور آن قرار داده شده بود. یک پست دیده بانی در 9 کیلومتری و یک پست فرماندهی در 16 کیلومتری وجود داشت. انفجار اتمی تأثیر خیره کننده ای را در همه شاهدان این رویداد ایجاد کرد. بر اساس توضیحات شاهدان عینی، احساس می‌شد که خورشیدهای زیادی با هم متحد شده‌اند و محل آزمایش را به یکباره روشن کرده‌اند. سپس یک گلوله آتش بزرگ بر فراز دشت ظاهر شد و ابر گردی از غبار و نور به آرامی و شوم به سمت آن بالا آمد.
این گلوله آتشین با بلند شدن از زمین، در عرض چند ثانیه به ارتفاع بیش از سه کیلومتری اوج گرفت. با هر لحظه بزرگتر شدن اندازه، به زودی قطر آن به 1.5 کیلومتر رسید و به آرامی به استراتوسفر صعود کرد. سپس گلوله آتشین جای خود را به ستونی از دود بلند داد که تا ارتفاع 12 کیلومتری کشیده شد و شکل یک قارچ غول پیکر را به خود گرفت. همه اینها با غرش وحشتناکی همراه بود که زمین از آن لرزید. قدرت بمب در حال انفجار فراتر از همه انتظارات بود.
به محض اینکه شرایط تشعشعات فراهم شد، چندین تانک شرمن که داخل آن با صفحات سربی پوشانده شده بود، به سمت منطقه انفجار هجوم بردند. روی یکی از آنها فرمی بود که مشتاق بود نتیجه کارش را ببیند. آنچه در مقابل چشمان او ظاهر شد، زمینی مرده و سوخته بود که همه موجودات زنده در شعاع 1.5 کیلومتری آن نابود شده بودند. شن‌ها به پوسته‌ای مایل به سبز شیشه‌ای تبدیل شده بود که زمین را پوشانده بود. در یک دهانه بزرگ، بقایای شکسته شده یک برج پشتیبانی فولادی قرار داشت. قدرت انفجار 20000 تن TNT تخمین زده شد.
گام بعدی استفاده رزمی از بمب علیه ژاپن بود که پس از تسلیم آلمان نازی به تنهایی جنگ با ایالات متحده و متحدانش را ادامه داد. در آن زمان هیچ وسیله پرتابی وجود نداشت، بنابراین بمباران باید از طریق هواپیما انجام می شد. اجزای این دو بمب با احتیاط فراوان توسط رزمناو ایندیاناپولیس به جزیره تینیان، جایی که گروه 509 ترکیبی نیروی هوایی مستقر بود، منتقل شد. این بمب ها در نوع شارژ و طراحی تا حدودی با یکدیگر تفاوت داشتند.
اولین بمب، "بچه"، یک بمب هوایی با اندازه بزرگ با بار اتمی از اورانیوم 235 بسیار غنی شده بود. طول آن حدود 3 متر، قطر - 62 سانتی متر، وزن - 4.1 تن بود.
بمب دوم - "مرد چاق" - با بار پلوتونیوم 239 تخم مرغی شکل با یک تثبیت کننده بزرگ بود. طول آن
3.2 متر، قطر 1.5 متر، وزن - 4.5 تن بود.
در 6 آگوست، بمب افکن B-29 Enola Gay سرهنگ تیبتز "پسر کوچولو" را بر روی شهر بزرگ ژاپنی هیروشیما انداخت. بمب با چتر نجات پایین آمد و طبق برنامه ریزی در ارتفاع 600 متری از زمین منفجر شد.
عواقب انفجار وحشتناک بود. حتی برای خود خلبانان، منظره شهر آرامی که در یک لحظه توسط آنها ویران شده بود، تأثیر ناامیدکننده ای برجای گذاشت. بعداً یکی از آنها اعتراف کرد که در آن ثانیه بدترین چیزی را که یک شخص می تواند ببیند را دیدند.
برای کسانی که روی زمین بودند، آنچه در حال رخ دادن بود شبیه جهنم واقعی بود. اول از همه، موج گرما از هیروشیما گذشت. اثر آن تنها چند لحظه دوام آورد، اما آنقدر قدرتمند بود که حتی کاشی ها و کریستال های کوارتز را در صفحات گرانیتی ذوب کرد، تیرهای تلفن در فاصله 4 کیلومتری را به زغال سنگ تبدیل کرد و در نهایت، بدن انسان را چنان سوزاند که فقط سایه هایی از آنها باقی ماند. روی آسفالت سنگفرش ها یا روی دیوار خانه ها. سپس وزش باد هیولایی از زیر گلوله آتش بیرون آمد و با سرعت 800 کیلومتر بر ساعت بر شهر هجوم آورد و همه چیز را در مسیر خود نابود کرد. خانه هایی که نمی توانستند در برابر هجوم خشمگین او مقاومت کنند، گویی فرو ریختند. در دایره غول پیکر به قطر 4 کیلومتر حتی یک ساختمان سالم باقی نمانده است. چند دقیقه پس از انفجار، باران رادیواکتیو سیاه بر شهر بارید - این رطوبت به بخار متراکم شده در لایه های مرتفع جو تبدیل شد و به شکل قطرات بزرگ مخلوط با گرد و غبار رادیواکتیو به زمین افتاد.
پس از باران شهر سقوط کرد انگیزه جدیدباد که این بار در جهت کانون زمین لرزه می وزد. نسبت به اولی ضعیف‌تر بود، اما همچنان به اندازه‌ای قوی بود که درختان را از ریشه کند. باد آتش غول پیکری را شعله ور کرد که در آن هر چیزی که می توانست بسوزد می سوخت. از 76 هزار ساختمان، 55 هزار ساختمان به طور کامل تخریب و سوخته است. شاهدان این فاجعه هولناک مردان مشعل را به یاد آوردند که لباس های سوخته به همراه پارچه های پوستی از آنها به زمین افتاد و انبوهی از مردم دیوانه که با سوختگی های وحشتناک پوشیده شده بودند و در خیابان ها فریاد می زدند. بوی تعفن خفه کننده ای از گوشت سوخته انسان در هوا می پیچید. همه جا مردم دراز کشیده بودند، مرده بودند و می مردند. بسیاری بودند که نابینا و کر بودند و در هرج و مرج حاکم بر اطرافشان، در هرج و جهات هجوم می آوردند.
افراد نگون بخت که در فاصله 800 متری از مرکز زمین لرزه قرار داشتند، به معنای واقعی کلمه در کسری از ثانیه سوختند - درون آنها تبخیر شد و بدن آنها به توده های زغال دود تبدیل شد. آنهایی که در 1 کیلومتری کانون زمین لرزه قرار داشتند تحت تأثیر بیماری تشعشع به شکل بسیار شدید قرار گرفتند. در عرض چند ساعت، آنها شروع به استفراغ شدید کردند، دمای آنها به 39-40 درجه رسید و شروع به تنگی نفس و خونریزی کردند. سپس زخم های غیر بهبودی روی پوست ظاهر شد، ترکیب خون به طرز چشمگیری تغییر کرد و موها ریختند. پس از رنج وحشتناک، معمولاً در روز دوم یا سوم، مرگ رخ می دهد.
در مجموع حدود 240 هزار نفر در اثر انفجار و بیماری تشعشع جان باختند. حدود 160 هزار نفر به شکل خفیف تر بیماری تشعشع دریافت کردند - مرگ دردناک آنها چندین ماه یا سال به تعویق افتاد. وقتی خبر فاجعه در سراسر کشور پخش شد، تمام ژاپن از ترس فلج شد. پس از آن که سرگرد سوئینی باکس خودرو دومین بمب را در ناکازاکی در 9 اوت پرتاب کرد، بیشتر شد. چند صد هزار نفر از ساکنان این شهر نیز کشته و زخمی شدند. دولت ژاپن که قادر به مقاومت در برابر سلاح های جدید نبود، تسلیم شد - بمب اتمی به جنگ جهانی دوم پایان داد.
جنگ تمام شد. این تنها شش سال طول کشید، اما توانست جهان و مردم را تقریباً غیرقابل تشخیص تغییر دهد.
تمدن بشری قبل از سال 1939 و تمدن بشری بعد از 1945 تفاوت های چشمگیری با یکدیگر دارند. دلایل زیادی برای این امر وجود دارد، اما یکی از مهمترین آنها ظهور سلاح های هسته ای است. بدون اغراق می توان گفت که سایه هیروشیما در تمام نیمه دوم قرن بیستم نهفته است. این یک سوختگی عمیق اخلاقی برای میلیون‌ها انسان، هم معاصران این فاجعه و هم کسانی که دهه‌ها پس از آن به دنیا آمده‌اند، شد. انسان مدرن دیگر نمی تواند آن طور که قبل از 6 آگوست 1945 در مورد آن فکر می کرد، در مورد جهان فکر کند - او به وضوح درک می کند که این جهان می تواند در چند لحظه به هیچ تبدیل شود.
انسان مدرن نمی تواند به جنگ آن گونه که پدربزرگ ها و اجدادش نگاه می کردند نگاه کند - او به یقین می داند که این جنگ آخرین خواهد بود و در آن نه برنده و نه بازنده ای وجود خواهد داشت. تسلیحات هسته ای در همه زمینه ها اثر خود را به جا گذاشته است زندگی عمومیو تمدن مدرن نمی تواند با همان قوانین شصت یا هشتاد سال پیش زندگی کند. هیچ کس این را بهتر از خود سازندگان بمب اتمی درک نکرد.
"مردم سیاره ما رابرت اوپنهایمر نوشت، باید متحد شوند وحشت و ویرانی که در آخرین جنگ کاشته شد این فکر را به ما دیکته می کند. انفجار بمب های اتمی این را با ظلم تمام ثابت کرد. افراد دیگر در زمان های دیگر قبلاً کلمات مشابهی گفته اند - فقط در مورد سلاح های دیگر و در مورد جنگ های دیگر. آنها موفق نبودند اما هرکسی که امروز بگوید این سخنان بیهوده است، فریب تاریخ گمراه شده است. ما نمی توانیم در این مورد قانع شویم. نتایج کار ما برای بشریت چاره ای جز ایجاد دنیایی متحد باقی نمی گذارد. جهانی مبتنی بر قانونمندی و انسانیت».
شخصیت انفجاری
هسته اورانیوم حاوی 92 پروتون است. اورانیوم طبیعی عمدتاً مخلوطی از دو ایزوتوپ است: U238 (که دارای 146 نوترون در هسته خود است) و U235 (143 نوترون) که تنها 0.7٪ از دومی در اورانیوم طبیعی است. خواص شیمیاییایزوتوپ‌ها کاملاً یکسان هستند و بنابراین جدا کردن آنها با روش‌های شیمیایی غیرممکن است، اما تفاوت جرم (235 و 238 واحد) این امکان را به روش‌های فیزیکی می‌دهد: مخلوطی از اورانیوم به گاز (هگزا فلوراید اورانیوم) تبدیل می‌شود. و سپس از طریق پارتیشن های متخلخل بی شماری پمپ می شود. اگرچه ایزوتوپ های اورانیوم با هیچکدام قابل تشخیص نیستند ظاهرو نه از نظر شیمیایی، آنها با پرتگاهی در خصوصیات شخصیت های هسته ای از هم جدا شده اند.
فرآیند شکافت U238 یک فرآیند پولی است: یک نوترون که از خارج می‌آید باید با خود انرژی - 1 MeV یا بیشتر به همراه داشته باشد. و U235 فداکار است: چیزی از نوترون ورودی برای تحریک و فروپاشی بعدی لازم نیست؛ انرژی اتصال آن در هسته کاملاً کافی است.
هنگامی که یک نوترون به هسته ای با قابلیت شکافت برخورد می کند، یک ترکیب ناپایدار تشکیل می شود، اما خیلی سریع (پس از 10-23-10-22 ثانیه) چنین هسته ای به دو قطعه نابرابر از نظر جرم و "فورا" (در عرض 10 ثانیه) متلاشی می شود. −16−10− 14 ج) گسیل دو یا سه نوترون جدید، به طوری که در طول زمان تعداد هسته‌های شکافت‌پذیر می‌تواند چند برابر شود (این واکنش واکنش زنجیره‌ای نامیده می‌شود). این فقط در U235 امکان پذیر است، زیرا U238 حریص نمی خواهد نوترون های خود را که انرژی آن مرتبه ای کمتر از 1 مگا ولت است به اشتراک بگذارد. انرژی جنبشی ذرات محصول شکافت چندین مرتبه بزرگتر از انرژی آزاد شده در طی هر واکنش شیمیایی است که در آن ترکیب هسته ها تغییر نمی کند.
مونتاژ بحرانی
محصولات شکافت ناپایدار هستند و زمان زیادی طول می کشد تا "بازیابی" شوند و تابش های مختلف (از جمله نوترون ها) ساطع می کنند. نوترون هایی که مدت زمان قابل توجهی (تا ده ها ثانیه) پس از شکافت گسیل می شوند، تاخیری نامیده می شوند و اگرچه سهم آنها در مقایسه با آنی (کمتر از 1٪) کم است، اما بیشترین نقش را در عملکرد تاسیسات هسته ای ایفا می کنند. مهم.
محصولات شکافت در طی برخوردهای متعدد با اتم های اطراف، انرژی خود را به آنها می دهند و دما را افزایش می دهند. پس از اینکه نوترون ها در مجموعه ای حاوی مواد شکافت پذیر ظاهر شدند، قدرت آزادسازی گرما می تواند افزایش یا کاهش یابد و پارامترهای مجموعه ای که در آن تعداد شکافت ها در واحد زمان ثابت است، بحرانی نامیده می شوند. بحرانی بودن مجموعه را می توان هم با تعداد زیاد و هم با تعداد کم نوترون (در یک قدرت آزادسازی حرارتی بالاتر یا پایین تر) حفظ کرد. توان حرارتی یا با پمپاژ نوترون‌های اضافی به مجموعه حیاتی از بیرون، یا با فوق بحرانی ساختن مجموعه افزایش می‌یابد (سپس نوترون‌های اضافی توسط نسل‌های فزاینده‌ای از هسته‌های شکافت‌پذیر تامین می‌شوند). به عنوان مثال، اگر نیاز به افزایش توان حرارتی یک راکتور باشد، آن را به رژیمی می‌برند که تعداد هر نسل از نوترون‌های سریع کمی کمتر از نسل قبلی است، اما به لطف نوترون‌های تاخیری، راکتور به سختی به طور محسوسی به یک راکتور منتقل می‌شود. وضعیت بحرانی سپس شتاب نمی گیرد، بلکه به آرامی قدرت می گیرد - به طوری که می توان افزایش آن را در لحظه مناسب با معرفی جاذب های نوترون (میله های حاوی کادمیوم یا بور) متوقف کرد.
نوترون های تولید شده در طول شکافت اغلب از کنار هسته های اطراف بدون ایجاد شکافت بیشتر عبور می کنند. هر چه یک نوترون به سطح یک ماده نزدیک‌تر باشد، شانس بیشتری برای فرار از مواد شکافت‌پذیر و عدم بازگشت آن دارد. بنابراین، شکلی از مجموعه ای که بیشترین تعداد نوترون را ذخیره می کند، یک کره است: برای جرم معینی از ماده دارای حداقل سطح سطح است. یک توپ محاصره نشده (انفرادی) از 94% U235 بدون حفره در داخل با جرم 49 کیلوگرم و شعاع 85 میلی متر بحرانی می شود. اگر مجموعه ای از همان اورانیوم استوانه ای با طول برابر با قطر باشد، با جرم 52 کیلوگرم بحرانی می شود. مساحت سطح نیز با افزایش چگالی کاهش می یابد. به همین دلیل است که فشرده سازی مواد منفجره، بدون تغییر مقدار مواد شکافت پذیر، می تواند مجموعه را به حالت بحرانی برساند. این فرآیند است که اساس طراحی رایج یک بار هسته ای است.
مونتاژ توپ
اما اغلب این اورانیوم نیست که در سلاح های هسته ای استفاده می شود، بلکه پلوتونیوم 239 است. در راکتورها با تابش اورانیوم 238 با شارهای نوترونی قدرتمند تولید می شود. پلوتونیوم حدود شش برابر بیشتر از U235 هزینه دارد، اما هنگام شکافت، هسته Pu239 به طور متوسط 2.895 نوترون ساطع می کند - بیشتر از U235 (2.452). علاوه بر این، احتمال شکافت پلوتونیوم بیشتر است. همه اینها به این واقعیت منجر می شود که یک توپ Pu239 منفرد با جرم تقریباً سه برابر کمتر از یک توپ اورانیوم و مهمتر از همه با شعاع کوچکتر بحرانی می شود که امکان کاهش ابعاد مجموعه بحرانی را ممکن می کند.
مجموعه از دو نیمه با دقت نصب شده به شکل یک لایه کروی (داخل توخالی) ساخته شده است. بدیهی است که زیر بحرانی است - حتی برای نوترون های حرارتی و حتی پس از احاطه شدن توسط یک تعدیل کننده. یک شارژ در اطراف مجموعه ای از بلوک های انفجاری بسیار دقیق نصب شده است. به منظور صرفه جویی در نوترون ها، لازم است شکل نجیب توپ در هنگام انفجار حفظ شود - برای این، لایه ماده منفجره باید به طور همزمان در تمام سطح بیرونی آن منفجر شود و مجموعه را به طور مساوی فشرده کند. باور عمومی بر این است که این کار به چاشنی های الکتریکی زیادی نیاز دارد. اما این تنها در آغاز "ساخت بمب" بود: برای فعال کردن ده ها چاشنی، انرژی زیادی و اندازه قابل توجهی از سیستم آغازگر مورد نیاز بود. شارژهای مدرن از چندین چاشنی استفاده می‌کنند که با تکنیکی خاص انتخاب شده‌اند، که از نظر ویژگی‌های مشابه، از آنها مواد منفجره بسیار پایدار (از نظر سرعت انفجار) در شیارهای آسیاب شده در یک لایه پلی کربنات (که شکل آن روی یک سطح کروی با استفاده از هندسه ریمان محاسبه می‌شود) فعال می‌شود. مواد و روش ها). انفجار با سرعت تقریبی 8 کیلومتر بر ثانیه در امتداد شیارها در فواصل کاملاً مساوی حرکت می کند، در همان لحظه در زمان به سوراخ ها می رسد و بار اصلی را منفجر می کند - به طور همزمان در تمام نقاط مورد نیاز.
انفجار داخل
انفجاری که به سمت داخل هدایت می شود، مجموعه را با فشاری بیش از یک میلیون اتمسفر فشرده می کند. سطح مجموعه کاهش می یابد، حفره داخلی در پلوتونیوم تقریبا ناپدید می شود، چگالی افزایش می یابد، و به سرعت - در عرض ده میکروثانیه، مجموعه تراکم شونده از حالت بحرانی با نوترون های حرارتی عبور می کند و به طور قابل توجهی با نوترون های سریع فوق بحرانی می شود.
پس از مدتی که توسط زمان ناچیز کاهش سرعت ناچیز نوترون‌های سریع تعیین می‌شود، هر یک از نسل‌های جدید و پرتعداد آنها انرژی 202 مگا ولتی را با شکافت به ماده مجموعه اضافه می‌کند، که در حال حاضر با فشار هیولایی منفجر شده است. در مقیاس پدیده‌هایی که رخ می‌دهند، استحکام حتی بهترین فولادهای آلیاژی آنقدر ناچیز است که هرگز به ذهن کسی خطور نمی‌کند که آن را هنگام محاسبه دینامیک یک انفجار در نظر بگیرد. تنها چیزی که از جدا شدن مجموعه جلوگیری می کند اینرسی است: برای اینکه یک توپ پلوتونیومی را فقط به اندازه 1 سانتی متر در ده ها نانوثانیه منبسط کنیم، باید شتابی به ماده وارد کنیم که ده ها تریلیون بار بیشتر از شتاب آن باشد. سقوط آزاد، و این آسان نیست.
در پایان، ماده همچنان پراکنده می شود، شکافت متوقف می شود، اما این فرآیند به همین جا ختم نمی شود: انرژی بین قطعات یونیزه شده هسته های جدا شده و سایر ذرات منتشر شده در طول شکافت مجدد توزیع می شود. انرژی آنها در حد ده‌ها و حتی صدها مگا الکترون ولت است، اما فقط کوانتوم‌ها و نوترون‌های گامای پرانرژی خنثی الکتریکی شانس اجتناب از تعامل با ماده و «فرار» را دارند. ذرات باردار در اثر برخورد و یونیزاسیون به سرعت انرژی خود را از دست می دهند. در این حالت، تشعشع ساطع می شود - با این حال، دیگر تشعشع هسته ای سخت نیست، بلکه نرم تر است، با انرژی سه مرتبه قدر کمتر، اما هنوز هم بیش از اندازه کافی برای حذف الکترون ها از اتم ها - نه تنها از پوسته های بیرونی، بلکه از همه چیز به طور کلی مخلوطی از هسته‌های خالی، الکترون‌های جدا شده از آنها و تابش با چگالی گرم بر سانتیمتر مکعب (سعی کنید تصور کنید که چقدر می‌توانید زیر نوری که چگالی آلومینیوم را به دست آورده است، برنزه شوید!) - همه چیزهایی که چند لحظه پیش یک بار بود - به نوعی تعادل می آید. در یک گلوله آتشین بسیار جوان، دما به ده ها میلیون درجه می رسد.
توپ آتشین
به نظر می رسد که حتی تشعشعات نرمی که با سرعت نور حرکت می کنند، باید ماده ای را که آن را تولید کرده است، پشت سر بگذارد، اما اینطور نیست: در هوای سرد، محدوده کوانتوم های انرژی های Kev سانتی متر است و آنها در یک نقطه حرکت نمی کنند. خط مستقیم است، اما جهت حرکت را تغییر دهید، با هر فعل و انفعالی دوباره ساطع کنید. کوانتومی هوا را یونیزه می کند و مانند آب آلبالو که در یک لیوان آب ریخته می شود در آن پخش می شود. این پدیده را انتشار تشعشعی می نامند.
یک گلوله آتشین جوان از یک انفجار 100 کیلویی چند ده نانوثانیه پس از پایان شکافت، شعاع 3 متر و دمای تقریباً 8 میلیون کلوین دارد. اما بعد از 30 میکروثانیه شعاع آن 18 متر است، اگرچه دما به زیر یک میلیون درجه می رسد. توپ فضا را می بلعد و هوای یونیزه شده در پشت جلوی آن به سختی حرکت می کند: تشعشع نمی تواند حرکت قابل توجهی را در طول انتشار به آن منتقل کند. اما انرژی عظیمی را به این هوا پمپ می‌کند و آن را گرم می‌کند و وقتی انرژی تشعشع تمام می‌شود، به دلیل انبساط پلاسمای داغ، توپ شروع به رشد می‌کند و از درون با چیزی که قبلاً شارژ بود می‌ترکد. در حال گسترش، مانند یک حباب متورم، پوسته پلاسما نازک تر می شود. بر خلاف حباب، البته، هیچ چیز آن را باد نمی کند: تقریباً هیچ ماده ای در داخل باقی نمانده است، همه آن ها از مرکز به صورت اینرسی پرواز می کنند، اما 30 میکرو ثانیه پس از انفجار، سرعت این پرواز بیش از 100 کیلومتر بر ثانیه است. و فشار هیدرودینامیکی در ماده - بیش از 150000 اتمسفر! پوسته قرار نیست خیلی نازک شود، می ترکد و "تاول" را تشکیل می دهد.
اینکه کدام یک از مکانیسم‌های انتقال انرژی گلوله آتشین به محیط غلبه دارد، به قدرت انفجار بستگی دارد: اگر بزرگ باشد، نقش اصلی توسط انتشار تابش ایفا می‌شود؛ اگر کوچک باشد، انبساط حباب پلاسما نقش مهمی را ایفا می‌کند. نقش اصلی. واضح است که یک مورد میانی نیز ممکن است، زمانی که هر دو مکانیسم موثر باشند.
این فرآیند لایه‌های جدیدی از هوا را جذب می‌کند؛ دیگر انرژی کافی برای جدا کردن تمام الکترون‌ها از اتم‌ها وجود ندارد. انرژی لایه یونیزه شده و قطعات حباب پلاسما تمام می شود، آنها دیگر قادر به حرکت توده عظیم جلوی خود نیستند و به طور قابل توجهی سرعت خود را کاهش می دهند. اما آنچه که هوا قبل از انفجار بود، حرکت می کند، جدا شدن از توپ، جذب بیشتر و بیشتر لایه های هوای سرد... تشکیل یک موج ضربه ای آغاز می شود.
موج شوک و قارچ اتمی
هنگامی که موج ضربه ای از گوی آتشین جدا می شود، ویژگی های لایه ساطع کننده تغییر می کند و قدرت تابش در قسمت نوری طیف به شدت افزایش می یابد (به اصطلاح حداکثر اول). در مرحله بعد، فرآیندهای روشنایی و تغییر در شفافیت هوای اطراف با هم رقابت می کنند، که منجر به تحقق حداکثر دوم، کمتر قدرتمند، اما بسیار طولانی تر می شود - به طوری که خروجی انرژی نور بیشتر از حداکثر اول است. .
در نزدیکی انفجار، همه چیز در اطراف آن تبخیر می شود، دورتر ذوب می شود، اما حتی دورتر، جایی که جریان گرما دیگر برای ذوب شدن کافی نیست. مواد جامدخاک، صخره‌ها، خانه‌ها در زیر فشار هیولایی گاز مانند مایع جریان می‌یابند و همه پیوندهای محکم را از بین می‌برند و به درخششی غیرقابل تحمل برای چشم گرم می‌شوند.
در نهایت، موج ضربه ای از نقطه انفجار دور می شود، جایی که ابری از بخارات متراکم سست و ضعیف، اما بارها منبسط شده باقی می ماند که به غبار ریز و بسیار رادیواکتیو از پلاسمای بار و از آن تبدیل می شود. در ساعت وحشتناک خود به مکانی نزدیک بود که تا آنجا که ممکن است باید از آنجا ماند. ابر شروع به بالا رفتن می کند. سرد می شود، رنگ خود را تغییر می دهد، یک کلاهک سفید از رطوبت متراکم شده، به دنبال آن گرد و غبار از سطح زمین، تشکیل می دهد که "پای" چیزی را که معمولا "قارچ اتمی" نامیده می شود، تشکیل می دهد.
شروع نوترون
خوانندگان دقیق می توانند با یک مداد در دستان خود، میزان آزاد شدن انرژی در هنگام انفجار را تخمین بزنند. هنگامی که زمان قرار گرفتن مجموعه در حالت فوق بحرانی در مرتبه میکروثانیه است، سن نوترون ها به ترتیب پیکوثانیه است و ضریب ضرب کمتر از 2 است، حدود یک گیگاژول انرژی آزاد می شود که معادل است ... TNT 250 کیلوگرم. کیلو و مگاتون کجاست؟
واقعیت این است که زنجیره شکافت در مجموعه با یک نوترون شروع نمی شود: در میکروثانیه مورد نیاز، میلیون ها نفر به مجموعه فوق بحرانی تزریق می شوند. در اولین بارهای هسته ای، از منابع ایزوتوپی واقع در حفره ای در داخل مجموعه پلوتونیوم برای این کار استفاده شد: پلونیوم-210، در لحظه فشرده سازی، با بریلیم ترکیب شد و باعث انتشار نوترون با ذرات آلفای آن شد. اما همه منابع ایزوتوپی نسبتا ضعیف هستند (در اولین محصول آمریکایی کمتر از یک میلیون نوترون در هر میکروثانیه تولید شد) و پلونیوم بسیار فاسد شدنی است - فقط در 138 روز فعالیت خود را به نصف کاهش می دهد. بنابراین، ایزوتوپ‌ها با ایزوتوپ‌های کم‌خطر جایگزین شده‌اند (که وقتی روشن نمی‌شوند، ساطع نمی‌کنند)، و مهمتر از همه، با لوله‌های نوترونی که با شدت بیشتری ساطع می‌کنند (به نوار کناری مراجعه کنید): در چند میکروثانیه (مدت زمان پالس ایجاد شده توسط لوله) صدها میلیون نوترون متولد می شوند. اما اگر کار نکند یا در زمان نامناسب کار کند، به اصطلاح انفجار یا "زیلچ" رخ می دهد - یک انفجار حرارتی کم توان.
شروع نوترون نه تنها آزاد شدن انرژی یک انفجار هسته ای را با درجه های زیادی افزایش می دهد، بلکه تنظیم آن را نیز ممکن می سازد! واضح است که با دریافت یک ماموریت جنگی، هنگام تنظیم قدرت باید مشخص شود حمله هسته ای، هیچ کس شارژ را از بین نمی برد تا آن را به مجموعه پلوتونیومی که برای یک توان معین بهینه است مجهز کند. در مهمات با معادل TNT قابل تعویض، کافی است به سادگی ولتاژ تغذیه را به لوله نوترون تغییر دهید. بر این اساس، بازده نوترون و آزاد شدن انرژی تغییر خواهد کرد (البته وقتی قدرت به این ترتیب کاهش می یابد، مقدار زیادی پلوتونیوم گران قیمت هدر می رود).
اما آنها خیلی دیرتر و در اول شروع به فکر کردن در مورد نیاز به تنظیم انتشار انرژی کردند سال های پس از جنگهیچ صحبتی در مورد کاهش قدرت وجود ندارد. قدرتمندتر، قدرتمندتر و قدرتمندتر! اما مشخص شد که محدودیت های فیزیکی و هیدرودینامیکی هسته ای در ابعاد مجاز کره زیر بحرانی وجود دارد. معادل TNT انفجار صد کیلوتنی نزدیک به حد فیزیکی مهمات تک فاز است که در آن فقط شکافت رخ می دهد. در نتیجه، شکافت به عنوان منبع اصلی انرژی رها شد و تمرکز بر واکنش های کلاس دیگری - همجوشی بود.
باورهای غلط هسته ای
چگالی پلوتونیوم در لحظه انفجار به دلیل انتقال فاز افزایش می یابد
پلوتونیوم فلزی در شش فاز وجود دارد که چگالی آن از 14.7 تا 19.8 گرم بر سانتی متر مکعب است. در دماهای کمتر از 119 درجه سانتیگراد یک فاز آلفای مونوکلینیک (19.8 گرم بر سانتیمتر مکعب) وجود دارد، اما چنین پلوتونیومی بسیار شکننده است و در فاز دلتای مرکزی صورت مکعبی (15.9) پلاستیک و به خوبی پردازش شده است (این فاز است که آنها سعی می کنند با استفاده از افزودنی های آلیاژی حفظ شوند). در طول فشرده سازی انفجار، هیچ انتقال فازی نمی تواند رخ دهد - پلوتونیوم در حالت شبه مایع است. انتقال فاز در طول تولید خطرناک است: چه زمانی اندازه های بزرگقطعات، حتی با تغییر جزئی در چگالی، امکان رسیدن به حالت بحرانی وجود دارد. البته، هیچ انفجاری وجود نخواهد داشت - قطعه کار به سادگی گرم می شود، اما ممکن است آبکاری نیکل آزاد شود (و پلوتونیوم بسیار سمی است).
منبع نوترون
اولین بمب های هسته ای از منبع نوترون بریلیوم-پلونیوم استفاده می کردند. بارهای مدرن از لوله های نوترونی بسیار راحت تر استفاده می کنند در یک لوله نوترونی خلاء، ولتاژ پالسی 100 کیلو ولت بین هدف (کاتد) اشباع شده از تریتیوم (1) و مجموعه آند (2) اعمال می شود. هنگامی که ولتاژ حداکثر است، لازم است یون های دوتریوم بین آند و کاتد قرار گیرند که باید شتاب داده شوند. برای این کار از منبع یونی استفاده می شود. یک پالس احتراق به آند آن (3) اعمال می شود و تخلیه که در امتداد سطح سرامیک اشباع شده از دوتریوم (4) عبور می کند، یون های دوتریوم را تشکیل می دهد. با شتاب گرفتن، هدفی اشباع شده از تریتیوم را بمباران می کنند که در نتیجه انرژی 17.6 مگا الکترون ولت آزاد می شود و نوترون ها و هسته های هلیوم-4 تشکیل می شوند.
از نظر ترکیب ذرات و حتی خروجی انرژی، این واکنش مشابه همجوشی است - فرآیند همجوشی هسته های سبک. در دهه 1950، بسیاری بر این باور بودند که این همجوشی است، اما بعداً مشخص شد که یک "اختلال" در لوله رخ می دهد: یا یک پروتون یا یک نوترون (که یون دوتریوم را تشکیل می دهد، که توسط میدان الکتریکی شتاب می گیرد) "گیر می کند". در هسته هدف (تریتیوم). اگر یک پروتون گیر کند، نوترون می شکند و آزاد می شود.
نوترون - آهسته و سریع
در یک ماده غیرقابل شکافت، نوترون‌ها که از هسته‌ها «جهش می‌کنند»، بخشی از انرژی خود را به آنها منتقل می‌کنند، هر چه هسته‌ها سبکتر (از نظر جرم به آنها نزدیک‌تر باشند). از در بیشتربرخوردها، نوترون ها درگیر می شوند، سرعت آنها بیشتر می شود، و سپس، در نهایت، با مواد اطراف به تعادل گرمایی می رسند - آنها گرما می شوند (این کار چند میلی ثانیه طول می کشد). سرعت نوترون حرارتی 2200 متر بر ثانیه (انرژی 0.025 eV) است. نوترون ها می توانند از تعدیل کننده فرار کنند و توسط هسته های آن دستگیر شوند، اما با اعتدال توانایی آنها برای ورود به واکنش های هسته ای به طور قابل توجهی افزایش می یابد، بنابراین نوترون هایی که "از دست نمی روند" بیش از کاهش تعداد آنها را جبران می کنند.
بنابراین، اگر یک توپ از مواد شکافت پذیر توسط یک تعدیل کننده احاطه شود، بسیاری از نوترون ها از تعدیل کننده خارج می شوند یا در آن جذب می شوند، اما برخی نیز وجود دارند که به توپ باز می گردند ("انعکاس") و با از دست دادن انرژی خود، احتمال وقوع رویدادهای شکافت بسیار بیشتر است. اگر توپ توسط یک لایه بریلیوم به ضخامت 25 میلی متر احاطه شده باشد، می توان 20 کیلوگرم U235 را ذخیره کرد و همچنان به وضعیت بحرانی مونتاژ رسید. اما چنین صرفه‌جویی‌هایی به قیمت زمان انجام می‌شود: هر نسل بعدی از نوترون‌ها ابتدا باید قبل از ایجاد شکافت، سرعت خود را کاهش دهند. این تأخیر تعداد نسل‌های نوترون‌های متولد شده در واحد زمان را کاهش می‌دهد، به این معنی که آزاد شدن انرژی به تأخیر می‌افتد. هر چه مواد شکافت پذیر کمتر در مجموعه، تعدیل کننده بیشتری برای ایجاد یک واکنش زنجیره ای مورد نیاز است، و شکافت با نوترون های کم انرژی به طور فزاینده ای رخ می دهد. در حالت محدود، زمانی که بحران فقط با نوترون های حرارتی به دست می آید، به عنوان مثال در محلول نمک های اورانیوم در یک تعدیل کننده خوب - آب، جرم مجموعه ها صدها گرم است، اما محلول به سادگی به طور دوره ای می جوشد. حباب های بخار آزاد شده، چگالی متوسط ماده شکافت پذیر را کاهش می دهند، واکنش زنجیره ای متوقف می شود، و هنگامی که حباب ها مایع را ترک می کنند، شکافت مجدد تکرار می شود (اگر ظرف را مسدود کنید، بخار آن را پاره می کند - اما این یک حرارت خواهد بود. انفجار، عاری از همه علائم معمولی "هسته ای").
ویدئو: انفجارهای هسته ای
مشترک شوید و بهترین انتشارات ما را بخوانید Yandex.Zen. عکس های زیبا از سراسر جهان را در صفحه ما در اینستاگرام
اگر خطایی پیدا کردید، لطفاً یک متن را انتخاب کنید و Ctrl+Enter را فشار دهید.
راکتور هسته ای به آرامی و کارآمد کار می کند. در غیر این صورت، همانطور که می دانید، مشکل ایجاد می شود. اما در داخل چه خبر است؟ بیایید سعی کنیم اصل عملکرد یک راکتور هسته ای (هسته ای) را به طور خلاصه، واضح و با توقف فرمول بندی کنیم.
در اصل، همان فرآیندی در آنجا اتفاق می افتد که در هنگام انفجار هسته ای رخ می دهد. فقط انفجار خیلی سریع اتفاق می‌افتد و در راکتور همه چیز به سمت بالا کشیده می‌شود مدت زمان طولانی. در نتیجه همه چیز سالم و سالم می ماند و انرژی دریافت می کنیم. نه آنقدر که همه چیز در اطراف به یکباره ویران شود، بلکه برای تامین برق شهر کافی است.
قبل از اینکه بفهمید یک واکنش هسته ای کنترل شده چگونه رخ می دهد، باید بدانید که چیست واکنش هسته ای اصلا
واکنش هسته ای فرآیند تبدیل (تقسیم) است هسته های اتمیهنگامی که آنها با ذرات بنیادی و پرتوهای گاما برهم کنش می کنند.
واکنش های هسته ای می تواند هم با جذب و هم با آزاد شدن انرژی رخ دهد. راکتور از واکنش های دوم استفاده می کند.
راکتور هسته ای وسیله ای است که هدف آن حفظ یک واکنش هسته ای کنترل شده با آزاد شدن انرژی است.
اغلب یک راکتور هسته ای راکتور اتمی نیز می نامند. توجه داشته باشیم که در اینجا هیچ تفاوت اساسی وجود ندارد، اما از نظر علم استفاده از کلمه هسته ای صحیح تر است. در حال حاضر انواع مختلفی از راکتورهای هسته ای وجود دارد. اینها راکتورهای صنعتی عظیمی هستند که برای تولید انرژی در نیروگاه ها، راکتورهای هسته ای زیردریایی ها، راکتورهای کوچک تجربی که در آزمایشات علمی استفاده می شوند، طراحی شده اند. حتی راکتورهایی وجود دارد که برای شیرین کردن آب دریا استفاده می شود.
تاریخچه ایجاد یک راکتور هسته ای
اولین رآکتور هسته ای در سال نه چندان دور 1942 راه اندازی شد. این اتفاق در ایالات متحده تحت رهبری فرمی رخ داد. این راکتور "Chicago Woodpile" نام داشت.
در سال 1946، اولین رآکتور شوروی که تحت رهبری کورچاتوف راه اندازی شد، شروع به کار کرد. بدنه این راکتور توپی به قطر هفت متر بود. اولین راکتورها سیستم خنک کننده نداشتند و قدرت آنها حداقل بود. به هر حال، راکتور شوروی دارای توان متوسط 20 وات بود و راکتور آمریکایی - فقط 1 وات. برای مقایسه، میانگین توان راکتورهای قدرت مدرن 5 گیگاوات است. کمتر از ده سال پس از راه اندازی اولین راکتور، اولین نیروگاه هسته ای صنعتی جهان در شهر اوبنینسک افتتاح شد.
اصل کار یک راکتور هسته ای (هسته ای).
هر رآکتور هسته ای چندین بخش دارد: هسته با سوخت و ناظم , بازتابنده نوترون , خنک کننده , سیستم کنترل و حفاظت . ایزوتوپ ها اغلب به عنوان سوخت در راکتورها استفاده می شوند. اورانیوم (235, 238, 233), پلوتونیوم (239) و توریم (232). هسته دیگ بخاری است که آب معمولی ( خنک کننده ) از آن عبور می کند. در میان خنک کننده های دیگر، "آب سنگین" و گرافیت مایع کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. اگر در مورد عملکرد نیروگاه های هسته ای صحبت کنیم، از یک راکتور هسته ای برای تولید گرما استفاده می شود. خود الکتریسیته با استفاده از روشی مشابه در انواع دیگر نیروگاه ها تولید می شود - بخار یک توربین را می چرخاند و انرژی حرکت به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
در زیر نموداری از عملکرد یک راکتور هسته ای نشان داده شده است.
همانطور که قبلاً گفتیم، فروپاشی یک هسته اورانیوم سنگین عناصر سبکتر و چندین نوترون تولید می کند. نوترون های حاصل با دیگر هسته ها برخورد می کنند و باعث شکافت آنها می شوند. در همان زمان، تعداد نوترون ها مانند بهمن رشد می کند.
در اینجا باید ذکر شود ضریب ضرب نوترون . بنابراین، اگر این ضریب از یک مقدار بیشتر شود، انفجار هسته ای. اگر مقدار کمتر از یک باشد، نوترون های بسیار کمی وجود دارد و واکنش از بین می رود. اما اگر مقدار ضریب را حفظ کنید برابر با یک، واکنش طولانی و پایدار ادامه خواهد داشت.
سوال این است که چگونه این کار را انجام دهیم؟ در راکتور، سوخت در به اصطلاح است عناصر سوخت (TELakh). اینها میله هایی هستند که به شکل قرص های کوچک حاوی سوخت هسته ای . میله‌های سوخت به کاست‌های شش ضلعی متصل می‌شوند که می‌تواند صدها عدد در یک راکتور وجود داشته باشد. کاست های با میله های سوخت به صورت عمودی چیده شده اند و هر میله سوخت دارای سیستمی است که به شما امکان می دهد عمق غوطه وری آن را در هسته تنظیم کنید. آنها علاوه بر خود کاست ها شامل میله های کنترل و میله های حفاظتی اضطراری . میله ها از ماده ای ساخته شده اند که نوترون ها را به خوبی جذب می کند. بنابراین، میله های کنترل را می توان تا اعماق مختلف در هسته پایین آورد و در نتیجه ضریب ضرب نوترون را تنظیم کرد. میله های اضطراری برای خاموش کردن راکتور در مواقع اضطراری طراحی شده اند.
یک راکتور هسته ای چگونه راه اندازی می شود؟
ما خود اصل کار را کشف کرده ایم، اما چگونه می توان راکتور را شروع کرد و عملکرد آن را انجام داد؟ به طور کلی، اینجاست - یک تکه اورانیوم، اما واکنش زنجیره ای در آن به خودی خود شروع نمی شود. واقعیت این است که در فیزیک هسته ای یک مفهوم وجود دارد جرم بحرانی .
جرم بحرانی جرمی از مواد شکافت پذیر مورد نیاز برای شروع یک واکنش زنجیره ای هسته ای است.
با کمک میله های سوخت و میله های کنترل، ابتدا توده بحرانی سوخت هسته ای در راکتور ایجاد می شود و سپس راکتور در چند مرحله به سطح توان بهینه می رسد.
در این مقاله سعی کردیم به شما ارائه دهیم ایده کلیدر مورد ساختار و اصل عملکرد یک راکتور هسته ای (هسته ای). اگر سوالی در مورد موضوع دارید یا مشکلی در فیزیک هسته ای دانشگاه از شما پرسیده شده است لطفا تماس بگیرید به متخصصان شرکت ما. طبق معمول، ما آماده کمک به شما برای حل هر مشکل مبرم در مورد تحصیلاتتان هستیم. و در حالی که در حال انجام آن هستیم، در اینجا یک ویدیوی آموزشی دیگر برای توجه شما وجود دارد!
تولید برق هسته ای روشی مدرن و به سرعت در حال توسعه برای تولید برق است. آیا می دانید نیروگاه های هسته ای چگونه کار می کنند؟ اصل کار نیروگاه هسته ای چیست؟ امروزه چه نوع رآکتورهای هسته ای وجود دارد؟ ما سعی خواهیم کرد طرح عملیاتی یک نیروگاه هسته ای را با جزئیات در نظر بگیریم، به ساختار یک راکتور هسته ای بپردازیم و دریابیم که روش هسته ای تولید برق چقدر ایمن است.
هر ایستگاه یک منطقه بسته دور از یک منطقه مسکونی است. چندین ساختمان در قلمرو آن وجود دارد. مهمترین سازه ساختمان رآکتور، در کنار آن اتاق توربین است که رآکتور از آن کنترل می شود و ساختمان ایمنی.
این طرح بدون راکتور هسته ای غیرممکن است. راکتور اتمی (هسته ای) یک دستگاه نیروگاه هسته ای است که برای سازماندهی واکنش زنجیره ای شکافت نوترون با آزادسازی اجباری انرژی در طول این فرآیند طراحی شده است. اما اصل کار یک نیروگاه هسته ای چیست؟
کل تاسیسات راکتور در ساختمان رآکتور قرار دارد، یک برج بتنی بزرگ که راکتور را پنهان می کند و در صورت بروز حادثه حاوی تمام محصولات واکنش هسته ای خواهد بود. این برج بزرگ را مهار، پوسته هرمتیک یا منطقه مهار می نامند.
منطقه هرمتیک در راکتورهای جدید دارای 2 دیواره بتنی ضخیم - پوسته است.
پوسته بیرونی، 80 سانتی متر ضخامت، از منطقه مهار در برابر تأثیرات خارجی محافظت می کند.
پوسته داخلی به ضخامت 1 متر و 20 سانتی متر دارای کابل های فولادی مخصوص است که مقاومت بتن را تقریباً سه برابر می کند و از ریزش سازه جلوگیری می کند. در داخل، با ورقه نازکی از فولاد مخصوص پوشانده شده است که به عنوان محافظت اضافی برای محفظه طراحی شده است و در صورت بروز حادثه، محتویات راکتور را خارج از منطقه مهار آزاد نمی کند.
این طراحی نیروگاه هسته ای به آن اجازه می دهد تا در برابر سقوط هواپیما با وزن 200 تن، زلزله 8 ریشتری، گردباد و سونامی مقاومت کند.
اولین پوسته مهر و موم شده در نیروگاه هسته ای کانکتیکات یانکی آمریکا در سال 1968 ساخته شد.
ارتفاع کل منطقه مهار 50-60 متر است.
یک راکتور هسته ای از چه چیزی تشکیل شده است؟
برای درک اصل عملکرد یک راکتور هسته ای، و در نتیجه اصل عملکرد یک نیروگاه هسته ای، باید اجزای راکتور را درک کنید. 
- منطقه فعال این منطقه ای است که سوخت هسته ای (ژنراتور سوخت) و تعدیل کننده قرار می گیرد. اتم های سوخت (اغلب اورانیوم سوخت است) تحت یک واکنش شکافت زنجیره ای قرار می گیرند. تعدیل کننده برای کنترل فرآیند شکافت طراحی شده است و امکان واکنش مورد نیاز را از نظر سرعت و قدرت می دهد.
- بازتابنده نوترون یک بازتابنده هسته را احاطه کرده است. از همان مطالبی تشکیل شده است که ناظم است. در اصل، این جعبه ای است که هدف اصلی آن جلوگیری از خروج نوترون ها از هسته و ورود به محیط است.
- خنک کننده. مایع خنک کننده باید گرمای آزاد شده در طول شکافت اتم های سوخت را جذب کرده و به مواد دیگر منتقل کند. مایع خنک کننده تا حد زیادی نحوه طراحی یک نیروگاه هسته ای را تعیین می کند. امروزه محبوب ترین خنک کننده آب است.
سیستم کنترل راکتور حسگرها و مکانیسم هایی که نیروگاه یک نیروگاه هسته ای را تامین می کنند.
سوخت نیروگاه های هسته ای
نیروگاه هسته ای روی چه چیزی کار می کند؟ سوخت نیروگاه های هسته ای عناصر شیمیایی با خاصیت رادیواکتیو هستند. در تمام نیروگاه های هسته ای، این عنصر اورانیوم است.
طراحی ایستگاه‌ها نشان می‌دهد که نیروگاه‌های هسته‌ای با سوخت ترکیبی پیچیده کار می‌کنند و نه با سوخت خالص عنصر شیمیایی. و برای استخراج سوخت اورانیوم از اورانیوم طبیعی که در یک راکتور هسته ای بارگیری می شود، باید دستکاری های زیادی انجام شود.
اورانیوم غنی شده
اورانیوم از دو ایزوتوپ تشکیل شده است، یعنی حاوی هسته هایی با جرم های مختلف است. آنها با تعداد پروتون ها و نوترون های ایزوتوپ -235 و ایزوتوپ-238 نامگذاری شدند. محققان قرن بیستم شروع به استخراج اورانیوم 235 از سنگ معدن کردند، زیرا... تجزیه و تبدیل آن آسان تر بود. معلوم شد که چنین اورانیوم در طبیعت تنها 0.7٪ است (درصد باقیمانده به ایزوتوپ 238 می رسد).
در این مورد چه باید کرد؟ آنها تصمیم به غنی سازی اورانیوم گرفتند. غنی سازی اورانیوم فرآیندی است که در آن تعداد زیادی ایزوتوپ 235x لازم و تعداد کمی ایزوتوپ غیر ضروری 238x در آن باقی می مانند. وظیفه غنی‌کننده‌های اورانیوم تبدیل 0.7 درصد به اورانیوم 235 تقریباً 100 درصد است.
اورانیوم را می توان با استفاده از دو فناوری غنی سازی کرد: انتشار گاز یا سانتریفیوژ گاز. برای استفاده از آنها، اورانیوم استخراج شده از سنگ معدن به حالت گازی تبدیل می شود. به شکل گاز غنی شده است.
پودر اورانیوم
گاز اورانیوم غنی شده به حالت جامد - دی اکسید اورانیوم - تبدیل می شود. این اورانیوم جامد خالص 235 به صورت بلورهای سفید بزرگ ظاهر می شود که بعداً به پودر اورانیوم خرد می شوند.
قرص اورانیوم
قرص های اورانیوم دیسک های فلزی جامد به طول چند سانتی متر هستند. برای تشکیل چنین قرص هایی از پودر اورانیوم، آن را با یک ماده - یک نرم کننده مخلوط می کنند؛ این باعث بهبود کیفیت فشار دادن قرص ها می شود.
پک های پرس شده در دمای 1200 درجه سانتیگراد به مدت بیش از یک روز پخته می شوند تا به قرص ها استحکام و مقاومت خاصی در برابر دمای بالا بدهد. نحوه عملکرد یک نیروگاه هسته ای به طور مستقیم به میزان فشرده سازی و پخت سوخت اورانیوم بستگی دارد. 
قرص ها در جعبه های مولیبدن پخته می شوند، زیرا فقط این فلز قادر است در دمای "جهنمی" بیش از یک و نیم هزار درجه ذوب نشود. پس از این سوخت اورانیوم نیروگاه های هسته ای آماده در نظر گرفته می شود.
TVEL و FA چیست؟
هسته راکتور شبیه یک دیسک یا لوله بزرگ با سوراخ هایی در دیواره ها (بسته به نوع راکتور)، 5 برابر بزرگتر است. بدن انسان. این سوراخ ها حاوی سوخت اورانیوم هستند که اتم های آن واکنش مورد نظر را انجام می دهند.
غیرممکن است که فقط سوخت را به رآکتور پرتاب کنید، مگر اینکه بخواهید باعث انفجار کل ایستگاه و حادثه ای با عواقب برای چند ایالت مجاور شوید. بنابراین سوخت اورانیوم در میله های سوخت قرار می گیرد و سپس در مجموعه های سوخت جمع آوری می شود. این اختصارات به چه معناست؟
- TVEL یک عنصر سوخت است (نباید با همان نام شرکت روسی تولید کننده آنها اشتباه شود). این در اصل یک لوله زیرکونیوم نازک و بلند است که از آلیاژهای زیرکونیوم ساخته شده و قرص های اورانیوم در آن قرار می گیرد. در میله های سوخت است که اتم های اورانیوم شروع به تعامل با یکدیگر می کنند و در طی واکنش گرما آزاد می کنند.
زیرکونیوم به دلیل خاصیت نسوز و ضد خوردگی به عنوان ماده ای برای تولید میله های سوخت انتخاب شد.
نوع میله های سوخت به نوع و ساختار راکتور بستگی دارد. به عنوان یک قاعده، ساختار و هدف میله های سوخت تغییر نمی کند، طول و عرض لوله می تواند متفاوت باشد. 
این دستگاه بیش از 200 گلوله اورانیوم را در یک لوله زیرکونیوم بارگیری می کند. در مجموع حدود 10 میلیون گلوله اورانیوم به طور همزمان در راکتور کار می کنند.
FA - مونتاژ سوخت. کارگران NPP مجموعه های سوخت را بسته ها می نامند.
در اصل، اینها چندین میله سوخت هستند که به هم بسته شده اند. FA سوخت هسته ای تمام شده است، چیزی که یک نیروگاه هسته ای روی آن کار می کند. این مجموعه های سوخت هستند که در راکتور هسته ای بارگذاری می شوند. حدود 150 تا 400 مجموعه سوخت در یک راکتور قرار می گیرد.
بسته به رآکتوری که مجموعه های سوخت در آن کار می کنند، می توانند باشند اشکال مختلف. گاهی اوقات دسته ها به صورت مکعبی، گاهی به صورت استوانه ای، گاهی به شکل شش ضلعی تا می شوند.
یک مجموعه سوخت طی 4 سال کارکرد، همان مقدار انرژی را تولید می کند که در هنگام سوزاندن 670 اتومبیل زغال سنگ، 730 مخزن با گاز طبیعی یا 900 مخزن پر از نفت.
امروزه مجموعه های سوخت عمدتاً در کارخانه های روسیه، فرانسه، ایالات متحده آمریکا و ژاپن تولید می شوند.
برای رساندن سوخت نیروگاه‌های هسته‌ای به کشورهای دیگر، مجموعه‌های سوخت در لوله‌های فلزی طویل و عریض مهر و موم می‌شوند، هوا از لوله‌ها خارج می‌شود و توسط ماشین‌های مخصوص در هواپیماهای باربری تحویل داده می‌شود.
سوخت هسته ای برای نیروگاه های هسته ای وزن بسیار زیادی دارد، زیرا ... اورانیوم یکی از سنگین ترین فلزات روی کره زمین است. وزن مخصوص آن 2.5 برابر بیشتر از فولاد است.
نیروگاه هسته ای: اصل عملیات
اصل کار نیروگاه هسته ای چیست؟ اصل کار نیروگاه های هسته ای بر اساس واکنش زنجیره ای شکافت اتم های یک ماده رادیواکتیو - اورانیوم است. این واکنش در هسته یک راکتور هسته ای رخ می دهد.
مهم است که بدانید:
بدون پرداختن به پیچیدگی های فیزیک هسته ای، اصل عملکرد یک نیروگاه هسته ای به این صورت است:
پس از راه اندازی یک راکتور هسته ای، میله های جاذب از میله های سوخت خارج می شوند که از واکنش اورانیوم جلوگیری می کند.
هنگامی که میله ها برداشته می شوند، نوترون های اورانیوم شروع به تعامل با یکدیگر می کنند.
هنگامی که نوترون ها با هم برخورد می کنند، یک انفجار کوچک در سطح اتمی رخ می دهد، انرژی آزاد می شود و نوترون های جدید متولد می شوند، یک واکنش زنجیره ای شروع می شود. این فرآیند گرما تولید می کند.
گرما به مایع خنک کننده منتقل می شود. بسته به نوع مایع خنک کننده، به بخار یا گاز تبدیل می شود که توربین را می چرخاند.
توربین یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در می آورد. این اوست که در واقع جریان الکتریکی را تولید می کند.
اگر بر این فرآیند نظارت نکنید، نوترون‌های اورانیوم می‌توانند با یکدیگر برخورد کنند تا زمانی که راکتور را منفجر کنند و کل نیروگاه هسته‌ای را در هم بشکنند. این فرآیند توسط حسگرهای کامپیوتری کنترل می شود. آنها افزایش دما یا تغییر فشار را در راکتور تشخیص می دهند و می توانند به طور خودکار واکنش ها را متوقف کنند.
اصل عملکرد نیروگاه های هسته ای با نیروگاه های حرارتی (نیروگاه های حرارتی) چه تفاوتی دارد؟
فقط در مراحل اول تفاوت در کار وجود دارد. در یک نیروگاه هسته ای، خنک کننده گرما را از شکافت اتم های سوخت اورانیوم دریافت می کند، در یک نیروگاه حرارتی، خنک کننده از احتراق سوخت آلی (زغال سنگ، گاز یا نفت) گرما را دریافت می کند. پس از اینکه اتم های اورانیوم یا گاز و زغال سنگ گرما آزاد کردند، طرح های عملیاتی نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های حرارتی یکسان است.
انواع راکتورهای هسته ای
نحوه عملکرد یک نیروگاه هسته ای دقیقاً به نحوه عملکرد راکتور هسته ای آن بستگی دارد. امروزه دو نوع اصلی از راکتورها وجود دارد که بر اساس طیف نورون ها طبقه بندی می شوند:
یک راکتور نوترونی کند که راکتور حرارتی نیز نامیده می شود.
برای عملکرد آن از اورانیوم 235 استفاده می شود که مراحل غنی سازی، ایجاد گلوله های اورانیوم و ... را طی می کند. امروزه اکثریت قریب به اتفاق راکتورها از نوترون های کند استفاده می کنند.
راکتور نوترونی سریع
این راکتورها آینده هستند، زیرا ... آنها روی اورانیوم 238 کار می کنند که در طبیعت یک سکه است و نیازی به غنی سازی این عنصر نیست. تنها نقطه ضعف چنین راکتورهایی هزینه های بسیار بالای طراحی، ساخت و راه اندازی است. امروزه راکتورهای نوترونی سریع فقط در روسیه کار می کنند.
خنک کننده در راکتورهای نوترونی سریع جیوه، گاز، سدیم یا سرب است. 
راکتورهای نوترونی آهسته که امروزه تمامی نیروگاه های هسته ای جهان از آن ها استفاده می کنند نیز انواع مختلفی دارند.
سازمان IAEA (آژانس بین المللی انرژی اتمی) طبقه بندی خود را ایجاد کرده است که اغلب در صنعت انرژی هسته ای جهانی استفاده می شود. از آنجایی که اصل عملیاتی یک نیروگاه هسته ای تا حد زیادی به انتخاب خنک کننده و تعدیل کننده بستگی دارد، آژانس بین المللی انرژی اتمی طبقه بندی خود را بر اساس این تفاوت ها قرار داد.
از نقطه نظر شیمیایی، اکسید دوتریوم یک تعدیل کننده و خنک کننده ایده آل است، زیرا اتم های آن در مقایسه با سایر مواد به طور موثر با نوترون های اورانیوم تعامل دارند. به زبان ساده، آب سنگین وظیفه خود را با حداقل تلفات و حداکثر نتیجه انجام می دهد. با این حال، تولید آن هزینه دارد، در حالی که استفاده از آب معمولی "سبک" و آشنا بسیار آسان تر است.
چند واقعیت در مورد راکتورهای هسته ای ...
جالب است که ساخت یک راکتور نیروگاه هسته ای حداقل 3 سال طول می کشد!
برای ساخت یک راکتور به تجهیزاتی نیاز دارید که روی آن کار کند جریان الکتریسیتهدر 210 کیلو آمپر، که یک میلیون برابر بیشتر از جریانی است که می تواند یک نفر را بکشد.
یک پوسته (عنصر ساختاری) یک راکتور هسته ای 150 تن وزن دارد. 6 عنصر از این قبیل در یک راکتور وجود دارد.
راکتور آب تحت فشار
ما قبلاً متوجه شده ایم که یک نیروگاه هسته ای به طور کلی چگونه کار می کند؛ برای اینکه همه چیز را در نظر بگیریم، بیایید به نحوه عملکرد محبوب ترین راکتور هسته ای آب تحت فشار نگاه کنیم.
امروزه در سراسر جهان از راکتورهای آب تحت فشار نسل 3+ استفاده می شود. آنها قابل اطمینان ترین و ایمن ترین در نظر گرفته می شوند.
همه راکتورهای آب تحت فشار در جهان، در تمام سال های فعالیت خود، بیش از 1000 سال کار بدون مشکل را انباشته کرده اند و هرگز انحراف جدی نداشته اند. 
ساختار نیروگاه های هسته ای که از راکتورهای آب تحت فشار استفاده می کنند به این معنی است که آب مقطر گرم شده تا 320 درجه بین میله های سوخت گردش می کند. برای جلوگیری از تبدیل آن به حالت بخار، آن را تحت فشار 160 اتمسفر نگه می دارند. نمودار نیروگاه هسته ای آن را آب مدار اولیه می نامد.
آب گرم شده وارد مولد بخار می شود و گرمای خود را به آب مدار ثانویه می دهد و پس از آن دوباره به راکتور "باز می گردد". از نظر ظاهری، به نظر می رسد که لوله های آب مدار اول با لوله های دیگر در تماس هستند - آب مدار دوم، گرما را به یکدیگر منتقل می کنند، اما آب ها با هم تماس ندارند. لوله ها در تماس هستند.
بنابراین، امکان ورود تشعشعات به آب مدار ثانویه که بیشتر در فرآیند تولید برق شرکت خواهد کرد، منتفی است.
ایمنی عملیاتی NPP
با آموختن اصل عملکرد نیروگاه های هسته ای، باید نحوه عملکرد ایمنی را درک کنیم. ساخت نیروگاه های هسته ای امروزه نیازمند توجه بیشتر به قوانین ایمنی است.
هزینه های ایمنی NPP تقریباً 40٪ از کل هزینه خود نیروگاه را تشکیل می دهد. 
طراحی نیروگاه هسته ای شامل 4 مانع فیزیکی است که از انتشار مواد رادیواکتیو جلوگیری می کند. این موانع قرار است چه کاری انجام دهند؟ در لحظه مناسب، بتوانید واکنش هسته ای را متوقف کنید، از حذف مداوم حرارت از هسته و خود راکتور اطمینان حاصل کنید و از انتشار رادیونوکلئیدها در خارج از محفظه (منطقه هرمتیک) جلوگیری کنید.
- اولین مانع، استحکام گلوله های اورانیوم است.مهم این است که آنها توسط دماهای بالا در یک راکتور هسته ای نابود نشوند. از بسیاری جهات، نحوه عملکرد یک نیروگاه هسته‌ای به نحوه «پخت» قرص‌های اورانیوم بستگی دارد مرحله اولیهتولید. اگر گلوله های سوخت اورانیوم به درستی پخته نشوند، واکنش اتم های اورانیوم در راکتور غیرقابل پیش بینی خواهد بود.
- مانع دوم سفتی میله های سوخت است.لوله های زیرکونیومی باید محکم بسته شوند؛ اگر مهر و موم شکسته شود، در بهترین حالت، راکتور آسیب می بیند و کار متوقف می شود؛ در بدترین حالت، همه چیز به هوا پرواز می کند.
- سد سوم یک کشتی راکتور فولادی بادوام استالف، (همان برج بزرگ- منطقه هرمتیک) که "حاوی" تمام فرآیندهای رادیواکتیو است. اگر محفظه آسیب ببیند، تشعشعات وارد جو می شوند.
- سد چهارم میله های حفاظتی اضطراری است.میله هایی با تعدیل کننده ها توسط آهنرباها در بالای هسته معلق می شوند که می توانند تمام نوترون ها را در 2 ثانیه جذب کنند و واکنش زنجیره ای را متوقف کنند.
اگر با وجود طراحی یک نیروگاه هسته ای با درجات حفاظتی زیاد، خنک کردن هسته راکتور در زمان مناسب امکان پذیر نباشد و دمای سوخت تا 2600 درجه افزایش یابد، آخرین امید سیستم ایمنی وارد عمل می شود. - به اصطلاح تله مذاب.
واقعیت این است که در این دما کف ظرف رآکتور ذوب می شود و تمام بقایای سوخت هسته ای و ساختارهای مذاب به یک "شیشه" ویژه معلق در بالای هسته راکتور جریان می یابد.
تله مذاب در یخچال و نسوز است. این ماده با به اصطلاح "مواد قربانی" پر شده است که به تدریج واکنش زنجیره ای شکافت را متوقف می کند.
بنابراین، طراحی نیروگاه هسته ای مستلزم چندین درجه حفاظت است که تقریباً به طور کامل هرگونه احتمال حادثه را از بین می برد.
دستگاه و اصل کار بر اساس اولیه سازی و کنترل یک واکنش هسته ای خودپایدار است. از آن به عنوان یک ابزار تحقیقاتی، برای تولید ایزوتوپ های رادیواکتیو و به عنوان منبع انرژی برای نیروگاه های هسته ای استفاده می شود.
اصل عملیات (به طور خلاصه)
این از فرآیندی استفاده می کند که در آن یک هسته سنگین به دو قطعه کوچکتر تجزیه می شود. این قطعات در حالت بسیار برانگیخته هستند و نوترون، سایر ذرات زیراتمی و فوتون از خود ساطع می کنند. نوترون ها می توانند شکافت های جدیدی ایجاد کنند که در نتیجه تعداد بیشتری از آنها گسیل می شوند و غیره. چنین مجموعه‌ای از شکاف‌های خودپایدار، واکنش زنجیره‌ای نامیده می‌شود. در عین حال خودنمایی می کند تعداد زیادی ازانرژی که هدف تولید آن استفاده از نیروگاه های هسته ای است.
اصل کار یک راکتور هسته ای به گونه ای است که حدود 85 درصد از انرژی شکافت در مدت زمان بسیار کوتاهی پس از شروع واکنش آزاد می شود. مابقی در اثر واپاشی رادیواکتیو محصولات شکافت پس از انتشار نوترون از آنها تولید می شود. واپاشی رادیواکتیو فرآیندی است که در آن یک اتم به حالت پایدارتری می رسد. پس از اتمام تقسیم ادامه می یابد.
در یک بمب اتمی، شدت واکنش زنجیره ای تا زمانی افزایش می یابد که بیشتر مواد شکافته شوند. این خیلی سریع اتفاق می‌افتد و انفجارهای بسیار قدرتمندی را ایجاد می‌کند که نمونه‌ای از چنین بمب‌هایی هستند. اصول طراحی و عملکرد یک راکتور هسته ای بر پایه حفظ یک واکنش زنجیره ای در یک سطح کنترل شده و تقریبا ثابت است. به گونه ای طراحی شده است که نمی تواند مانند بمب اتمی منفجر شود.
واکنش زنجیره ای و انتقادی
فیزیک یک راکتور شکافت هسته ای این است که واکنش زنجیره ای با احتمال شکافته شدن هسته پس از گسیل نوترون ها تعیین می شود. اگر جمعیت دومی کاهش یابد، در نهایت میزان تقسیم به صفر خواهد رسید. در این حالت راکتور در وضعیت زیر بحرانی قرار خواهد گرفت. اگر جمعیت نوترون در یک سطح ثابت حفظ شود، آنگاه نرخ شکافت پایدار خواهد ماند. رآکتور در شرایط بحرانی خواهد بود. در نهایت، اگر جمعیت نوترون ها در طول زمان افزایش یابد، سرعت شکافت و قدرت افزایش می یابد. وضعیت هسته فوق بحرانی خواهد شد.
اصل کار یک راکتور هسته ای به شرح زیر است. قبل از پرتاب، جمعیت نوترون نزدیک به صفر است. سپس اپراتورها میله های کنترل را از هسته جدا می کنند و شکافت هسته ای را افزایش می دهند که به طور موقت راکتور را به حالت فوق بحرانی سوق می دهد. پس از رسیدن به توان نامی، اپراتورها تا حدی میله های کنترل را برمی گردانند و تعداد نوترون ها را تنظیم می کنند. پس از آن، راکتور در شرایط بحرانی نگهداری می شود. هنگامی که باید متوقف شود، اپراتورها میله ها را تا آخر وارد می کنند. این شکافت را سرکوب می کند و هسته را به حالت زیر بحرانی منتقل می کند.
انواع راکتور
بیشتر نیروگاه‌های هسته‌ای جهان، نیروگاه‌هایی هستند که گرمای لازم برای چرخاندن توربین‌هایی که ژنراتورها را به حرکت در می‌آورند، تولید می‌کنند. انرژی الکتریکی. راکتورهای تحقیقاتی بسیاری نیز وجود دارد و برخی کشورها دارای زیردریایی یا کشتی های سطحی، توسط انرژی اتم هدایت می شود.
تاسیسات انرژی
انواع مختلفی از این نوع راکتور وجود دارد، اما طراحی آب سبک به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد. به نوبه خود می تواند از آب تحت فشار یا آب جوش استفاده کند. در حالت اول، مایع زیر فشار بالابا گرمای ناحیه فعال گرم شده و وارد مولد بخار می شود. در آنجا گرمای مدار اولیه به مدار ثانویه که حاوی آب نیز می باشد منتقل می شود. بخار تولید شده در نهایت به عنوان سیال عامل در چرخه توربین بخار عمل می کند.
راکتور آب جوش بر اساس اصل چرخه انرژی مستقیم کار می کند. آبی که از هسته عبور می کند با فشار متوسط به جوش می آید. بخار اشباع شده از یک سری جداکننده و خشک کن واقع در مخزن راکتور عبور می کند که باعث گرم شدن آن می شود. سپس بخار آب فوق گرم شده به عنوان سیال عامل برای چرخاندن توربین استفاده می شود.
گاز با دمای بالا خنک می شود
راکتور خنک‌کننده گازی با دمای بالا (HTGR) یک راکتور هسته‌ای است که اصل عملکرد آن مبتنی بر استفاده از مخلوطی از گرافیت و میکروسفرهای سوخت به عنوان سوخت است. دو طرح رقیب وجود دارد:
- یک سیستم "پر" آلمانی که از عناصر سوخت کروی با قطر 60 میلی متر استفاده می کند که مخلوطی از گرافیت و سوخت در یک پوسته گرافیتی است.
- نسخه آمریکایی به شکل منشورهای شش ضلعی گرافیتی که برای ایجاد یک هسته به هم متصل می شوند.
در هر دو مورد، خنک کننده از هلیوم تحت فشار حدود 100 اتمسفر تشکیل شده است. در سیستم آلمانی، هلیوم از شکاف هایی در لایه عناصر سوخت کروی عبور می کند و در سیستم آمریکایی، هلیم از سوراخ هایی در منشورهای گرافیتی که در امتداد محور منطقه مرکزی راکتور قرار دارند عبور می کند. هر دو گزینه می توانند در دماهای بسیار بالا کار کنند، زیرا گرافیت فوق العاده است درجه حرارت بالاتصعید، و هلیوم از نظر شیمیایی کاملاً بی اثر است. هلیوم داغ را می توان مستقیماً به عنوان یک سیال عامل در یک توربین گاز در دمای بالا استفاده کرد یا از گرمای آن برای تولید بخار چرخه آب استفاده کرد.
فلز مایع و اصل کار
راکتورهای سریع خنک‌شده با سدیم در دهه‌های 1960 و 1970 بسیار مورد توجه قرار گرفتند. در آن زمان به نظر می رسید که به زودی به توانایی های پرورش آنها برای تولید سوخت برای صنعت هسته ای که به سرعت در حال گسترش است نیاز خواهد بود. هنگامی که در دهه 1980 مشخص شد که این انتظار غیرواقعی است، شور و شوق کاهش یافت. با این حال، تعدادی از این نوع راکتورها در ایالات متحده آمریکا، روسیه، فرانسه، بریتانیا، ژاپن و آلمان ساخته شده است. بیشتر آنها بر روی دی اکسید اورانیوم یا مخلوط آن با دی اکسید پلوتونیوم کار می کنند. با این حال، در ایالات متحده، بیشترین موفقیت با سوخت های فلزی به دست آمده است.
کاندو
کانادا تلاش های خود را بر روی رآکتورهایی متمرکز می کند که از اورانیوم طبیعی استفاده می کنند. این امر نیاز به توسل به خدمات سایر کشورها برای غنی سازی آن را از بین می برد. نتیجه این سیاست راکتور دوتریوم-اورانیوم (CANDU) بود. با آب سنگین کنترل و خنک می شود. اصل طراحی و عملکرد یک راکتور هسته ای شامل استفاده از مخزن سرد D 2 O در فشار اتمسفر است. هسته توسط لوله های ساخته شده از آلیاژ زیرکونیوم حاوی سوخت طبیعی اورانیوم سوراخ می شود که از طریق آن آب سنگین که آن را خنک می کند به گردش در می آید. الکتریسیته با انتقال گرمای شکافت در آب سنگین به خنک کننده ای که از طریق مولد بخار به گردش در می آید، تولید می شود. سپس بخار در مدار ثانویه از یک سیکل توربین معمولی عبور می کند.
امکانات تحقیقاتی
برای تحقیقات علمی، اغلب از یک راکتور هسته ای استفاده می شود که اصل عملیاتی آن استفاده از خنک کننده آب و عناصر سوخت اورانیوم صفحه ای به شکل مجموعه است. قادر به کار در طیف گسترده ای از سطوح توان، از چند کیلووات تا صدها مگاوات. از آنجایی که تولید برق هدف اصلی راکتورهای تحقیقاتی نیست، آنها با انرژی حرارتی تولید شده، چگالی و انرژی اسمی نوترون‌های هسته مشخص می‌شوند. این پارامترها هستند که به تعیین کمیت توانایی یک راکتور تحقیقاتی برای انجام تحقیقات خاص کمک می کنند. سیستم‌های کم قدرت معمولاً در دانشگاه‌ها یافت می‌شوند و برای تدریس استفاده می‌شوند، در حالی که سیستم‌های قدرت بالا در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی برای آزمایش مواد و عملکرد و تحقیقات عمومی مورد نیاز هستند.
رایج ترین راکتور هسته ای تحقیقاتی است که ساختار و اصل عملکرد آن به شرح زیر است. هسته آن در پایین یک استخر بزرگ و عمیق از آب قرار دارد. این امر مشاهده و قرار دادن کانال هایی را که می توان از طریق آنها پرتوهای نوترونی هدایت کرد، ساده می کند. در سطوح پایینقدرت، نیازی به پمپ کردن مایع خنک کننده نیست، زیرا همرفت طبیعی مایع خنک کننده، حذف گرمای کافی را برای حفظ شرایط عملکرد ایمن تضمین می کند. مبدل حرارتی معمولاً در سطح یا بالای استخر که آب گرم در آن جمع می شود قرار دارد.
تاسیسات کشتی
کاربرد اصلی و اصلی راکتورهای هسته ای استفاده از آنها در زیردریایی ها است. مزیت اصلی آنها این است که بر خلاف سیستم های احتراق سوخت های فسیلی، برای تولید برق به هوا نیاز ندارند. بنابراین، یک زیردریایی هسته ای می تواند برای مدت طولانی در زیر آب بماند، در حالی که یک زیردریایی دیزلی-الکتریکی معمولی باید به طور دوره ای به سطح برود تا موتورهای خود را در هوا روشن کند. یک مزیت استراتژیک به کشتی های نیروی دریایی می دهد. به لطف آن، نیازی به سوخت‌گیری در بنادر خارجی یا نفت‌کش‌های به راحتی آسیب‌پذیر نیست.
اصل کار یک راکتور هسته ای در یک زیردریایی طبقه بندی شده است. با این حال، مشخص است که در ایالات متحده آمریکا از اورانیوم بسیار غنی شده استفاده می کند و با آب سبک کند و خنک می شود. طراحی اولین رآکتور زیردریایی هسته ای، USS Nautilus، به شدت تحت تأثیر تأسیسات تحقیقاتی قدرتمند قرار گرفت. خود ویژگی های منحصر به فردبسیار است سهام بزرگارائه واکنش پذیری یک دوره طولانیکارکرد بدون سوخت گیری و قابلیت راه اندازی مجدد پس از توقف. نیروگاه در زیردریایی ها باید بسیار ساکت باشد تا شناسایی نشود. برای رفع نیازهای خاص کلاس های مختلف زیردریایی ایجاد شد مدل های مختلفنیروگاه ها
ناوهای هواپیمابر نیروی دریایی ایالات متحده از یک راکتور هسته ای استفاده می کنند که اعتقاد بر این است که اصل عملیاتی آن از بزرگترین زیردریایی ها قرض گرفته شده است. جزئیات طراحی آنها نیز منتشر نشده است.
علاوه بر ایالات متحده، بریتانیا، فرانسه، روسیه، چین و هند دارای زیردریایی های هسته ای هستند. در هر مورد، طرح فاش نشد، اما اعتقاد بر این است که همه آنها بسیار شبیه هستند - این نتیجه همان الزامات برای ویژگی های فنی آنها است. روسیه همچنین ناوگان کوچکی دارد که از رآکتورهای مشابه زیردریایی های شوروی استفاده می کند.
تاسیسات صنعتی
برای اهداف تولید، از یک راکتور هسته ای استفاده می شود که اصل کارکرد آن بهره وری بالا با سطح تولید انرژی پایین است. این به این دلیل است که ماندن طولانی پلوتونیوم در هسته منجر به تجمع 240 Pu ناخواسته می شود.
تولید تریتیوم
در حال حاضر، ماده اصلی تولید شده توسط چنین سیستم هایی تریتیوم (3H یا T) است - شارژ پلوتونیوم-239 نیمه عمر طولانی 24100 سال دارد، بنابراین کشورهایی که زرادخانه سلاح های هسته ای از این عنصر استفاده می کنند تمایل دارند مقدار بیشتری از آن را داشته باشند. بیش از حد لازم برخلاف 239 Pu، نیمه عمر تریتیوم تقریباً 12 سال است. بنابراین، به منظور حفظ منابع لازم، این ایزوتوپ رادیواکتیوهیدروژن باید به طور مداوم تولید شود. برای مثال، در ایالات متحده، رودخانه ساوانا (کارولینای جنوبی)، چندین راکتور آب سنگین را راه اندازی می کند که تریتیوم تولید می کنند.
واحدهای قدرت شناور
راکتورهای هسته‌ای ساخته شده‌اند که می‌توانند برق و گرمایش بخار را برای مناطق دورافتاده فراهم کنند. به عنوان مثال، در روسیه، نیروگاه های کوچکی که به طور خاص برای خدمت به قطب شمال طراحی شده اند، مورد استفاده قرار گرفته اند. شهرک ها. در چین، HTR-10 10 مگاواتی گرما و برق را به مؤسسه تحقیقاتی که در آن قرار دارد، تأمین می کند. توسعه راکتورهای کوچک با کنترل خودکار با قابلیت های مشابه در سوئد و کانادا در حال انجام است. بین سالهای 1960 تا 1972، ارتش ایالات متحده از راکتورهای آب فشرده برای تأمین انرژی پایگاه‌های دوردست در گرینلند و قطب جنوب استفاده کرد. آنها با نیروگاه های نفتی جایگزین شدند.
تسخیر فضا
علاوه بر این، راکتورهایی برای تامین انرژی و حرکت در فضای بیرونی ساخته شدند. بین سالهای 1967 و 1988 اتحاد جماهیر شورویبرای تامین انرژی تجهیزات و تله متری، واحدهای هسته ای کوچکی را بر روی ماهواره های سری کاسموس نصب کرد، اما این سیاست هدف انتقاد قرار گرفته است. حداقل یکی از این ماهواره ها وارد جو زمین شد و باعث آلودگی رادیواکتیو در مناطق دورافتاده کانادا شد. ایالات متحده تنها یک ماهواره هسته ای را در سال 1965 پرتاب کرده است. با این حال، پروژه‌هایی برای استفاده از آنها در پروازهای فضایی از راه دور، اکتشاف سرنشین‌دار سیارات دیگر، یا در پایگاه دائمی ماه همچنان در حال توسعه هستند. این لزوماً یک راکتور هسته ای فلزی با گاز یا مایع خواهد بود که اصول فیزیکی آن بالاترین دمای ممکن را برای به حداقل رساندن اندازه رادیاتور فراهم می کند. علاوه بر این، یک راکتور برای فناوری فضایی باید تا حد امکان فشرده باشد تا مقدار مواد مورد استفاده برای محافظت را به حداقل برساند و وزن را در طول پرتاب و پرواز فضایی کاهش دهد. تامین سوخت کارکرد راکتور را برای کل دوره پرواز فضایی تضمین می کند.