Il mondo dell'atomo è così fantastico che la sua comprensione richiede una rottura radicale nei consueti concetti di spazio e tempo. Gli atomi sono così piccoli che se una goccia d'acqua potesse essere ingrandita fino alle dimensioni della Terra, ogni atomo in quella goccia sarebbe più piccolo di un'arancia. Infatti, una goccia d'acqua è composta da 6000 miliardi di miliardi (60000000000000000000000) di atomi di idrogeno e ossigeno. Eppure, nonostante le sue dimensioni microscopiche, l'atomo ha una struttura in una certa misura simile alla struttura del nostro sistema solare. Nel suo centro incomprensibilmente piccolo, il cui raggio è inferiore a un trilionesimo di centimetro, c'è un "sole" relativamente grande, il nucleo di un atomo.
Attorno a questo "sole" atomico ruotano minuscoli "pianeti" - gli elettroni. Il nucleo è costituito da due elementi costitutivi principali dell'Universo: protoni e neutroni (hanno un nome unificante: nucleoni). Un elettrone e un protone sono particelle cariche e la quantità di carica in ciascuno di essi è esattamente la stessa, ma le cariche differiscono nel segno: il protone è sempre caricato positivamente e l'elettrone è sempre negativo. Il neutrone non trasporta carica elettrica e quindi ha una permeabilità molto elevata.
Nella scala di misurazione atomica, la massa del protone e del neutrone è presa come unità. Il peso atomico di qualsiasi elemento chimico dipende quindi dal numero di protoni e neutroni contenuti nel suo nucleo. Ad esempio, un atomo di idrogeno, il cui nucleo è costituito da un solo protone, ha una massa atomica di 1. Un atomo di elio, con un nucleo di due protoni e due neutroni, ha una massa atomica di 4.
I nuclei di atomi dello stesso elemento contengono sempre lo stesso numero di protoni, ma il numero di neutroni può essere diverso. Gli atomi che hanno nuclei con lo stesso numero di protoni, ma differiscono per il numero di neutroni e relativi a varietà dello stesso elemento, sono chiamati isotopi. Per distinguerli l'uno dall'altro, al simbolo dell'elemento viene assegnato un numero pari alla somma di tutte le particelle nel nucleo di un dato isotopo.
Potrebbe sorgere la domanda: perché il nucleo di un atomo non si disgrega? Dopotutto, i protoni inclusi in esso sono particelle elettricamente cariche con la stessa carica, che devono respingersi a vicenda con grande forza. Ciò è spiegato dal fatto che all'interno del nucleo ci sono anche le cosiddette forze intranucleari che attraggono le particelle del nucleo l'una verso l'altra. Queste forze compensano le forze repulsive dei protoni e non consentono al nucleo di separarsi spontaneamente.
Le forze intranucleari sono molto forti, ma agiscono solo a distanza molto ravvicinata. Pertanto, i nuclei di elementi pesanti, costituiti da centinaia di nucleoni, risultano instabili. Le particelle del nucleo sono in costante movimento qui (all'interno del volume del nucleo) e se aggiungi loro una quantità aggiuntiva di energia, possono superare le forze interne: il nucleo sarà diviso in parti. La quantità di questa energia in eccesso è chiamata energia di eccitazione. Tra gli isotopi di elementi pesanti, ci sono quelli che sembrano essere sull'orlo dell'autodecadimento. Basta una piccola "spinta", ad esempio un semplice colpo nel nucleo di un neutrone (e non deve nemmeno essere accelerato ad alta velocità) perché inizi la reazione di fissione nucleare. Alcuni di questi isotopi "fissili" furono successivamente prodotti artificialmente. In natura esiste un solo isotopo di questo tipo: è l'uranio-235.
Urano fu scoperto nel 1783 da Klaproth, che lo isolò dalla pece di uranio e gli diede il nome del pianeta Urano scoperto di recente. Come si è scoperto in seguito, in realtà non era l'uranio stesso, ma il suo ossido. Si otteneva uranio puro, un metallo bianco-argenteo
solo nel 1842 Peligot. Il nuovo elemento non aveva proprietà notevoli e non attirò l'attenzione fino al 1896, quando Becquerel scoprì il fenomeno della radioattività dei sali di uranio. Successivamente, l'uranio è diventato oggetto di ricerca e sperimentazione scientifica, ma applicazione pratica ancora non aveva.
Quando, nel primo terzo del XX secolo, la struttura del nucleo atomico divenne più o meno chiara ai fisici, prima di tutto cercarono di realizzare il vecchio sogno degli alchimisti: cercarono di trasformare un elemento chimico in un altro. Nel 1934, i ricercatori francesi, i coniugi Frederic e Irene Joliot-Curie, riferirono all'Accademia francese delle scienze del seguente esperimento: quando le lastre di alluminio furono bombardate con particelle alfa (nuclei dell'atomo di elio), gli atomi di alluminio si trasformarono in atomi di fosforo , ma non ordinario, ma radioattivo, che a sua volta è passato in un isotopo stabile di silicio. Pertanto, un atomo di alluminio, dopo aver aggiunto un protone e due neutroni, si è trasformato in un atomo di silicio più pesante.
Questa esperienza ha portato all'idea che se i neutroni vengono "sgranati" con i nuclei dell'elemento più pesante esistente in natura - l'uranio, allora puoi ottenere un tale elemento, che in vivo NO. Nel 1938 i chimici tedeschi Otto Hahn e Fritz Strassmann ripeterono in termini generali l'esperienza dei coniugi Joliot-Curie, assumendo l'uranio al posto dell'alluminio. I risultati dell'esperimento non furono affatto quelli che si aspettavano: invece di un nuovo elemento superpesante con un numero di massa maggiore di quello dell'uranio, Hahn e Strassmann ricevettero elementi leggeri dalla parte centrale del sistema periodico: bario, krypton, bromo e alcuni altri. Gli stessi sperimentatori non sono stati in grado di spiegare il fenomeno osservato. Fu solo l'anno successivo che la fisica Lisa Meitner, alla quale Hahn riferì le sue difficoltà, trovò una corretta spiegazione del fenomeno osservato, suggerendo che quando l'uranio veniva bombardato con neutroni, il suo nucleo si spaccava (fissionava). In questo caso si sarebbero dovuti formare nuclei di elementi più leggeri (da qui sono stati prelevati bario, krypton e altre sostanze), così come avrebbero dovuto essere rilasciati 2-3 neutroni liberi. Ulteriori ricerche hanno permesso di chiarire in dettaglio il quadro di ciò che sta accadendo.
L'uranio naturale è costituito da una miscela di tre isotopi con masse di 238, 234 e 235. La quantità principale di uranio ricade sull'isotopo 238, il cui nucleo comprende 92 protoni e 146 neutroni. L'uranio-235 è solo 1/140 dell'uranio naturale (0,7% (ha 92 protoni e 143 neutroni nel suo nucleo) e l'uranio-234 (92 protoni, 142 neutroni) è solo 1/17500 della massa totale dell'uranio ( 0 006% Il meno stabile di questi isotopi è l'uranio-235.
Di tanto in tanto, i nuclei dei suoi atomi si dividono spontaneamente in parti, a seguito delle quali si formano elementi più leggeri del sistema periodico. Il processo è accompagnato dal rilascio di due o tre neutroni liberi, che corrono a una velocità incredibile - circa 10mila km / s (sono chiamati neutroni veloci). Questi neutroni possono colpire altri nuclei di uranio, provocando reazioni nucleari. Ogni isotopo si comporta in modo diverso in questo caso. I nuclei di uranio-238 nella maggior parte dei casi catturano semplicemente questi neutroni senza ulteriori trasformazioni. Ma in circa un caso su cinque, quando un neutrone veloce si scontra con il nucleo dell'isotopo 238, si verifica una curiosa reazione nucleare: uno dei neutroni dell'uranio-238 emette un elettrone, trasformandosi in un protone, cioè l'isotopo dell'uranio si trasforma in altro
l'elemento pesante è il nettunio-239 (93 protoni + 146 neutroni). Ma il nettunio è instabile: dopo pochi minuti uno dei suoi neutroni emette un elettrone, trasformandosi in un protone, dopodiché l'isotopo del nettunio si trasforma nell'elemento successivo del sistema periodico: il plutonio-239 (94 protoni + 145 neutroni). Se un neutrone entra nel nucleo dell'uranio instabile-235, si verifica immediatamente la fissione: gli atomi decadono con l'emissione di due o tre neutroni. È chiaro che nell'uranio naturale, la maggior parte dei cui atomi appartiene all'isotopo 238, questa reazione non ha conseguenze visibili: tutti i neutroni liberi verranno infine assorbiti da questo isotopo.
Ma cosa succede se immaginiamo un pezzo di uranio abbastanza massiccio, costituito interamente dall'isotopo 235?
Qui il processo andrà diversamente: i neutroni rilasciati durante la fissione di più nuclei, a loro volta, cadendo nei nuclei vicini, provocano la loro fissione. Di conseguenza, viene rilasciata una nuova porzione di neutroni, che divide i seguenti nuclei. In condizioni favorevoli, questa reazione procede come una valanga ed è chiamata reazione a catena. Poche particelle bombardanti possono bastare per avviarlo.
In effetti, lascia che solo 100 neutroni bombardino l'uranio-235. Divideranno 100 nuclei di uranio. In questo caso verranno rilasciati 250 nuovi neutroni di seconda generazione (una media di 2,5 per fissione). I neutroni della seconda generazione produrranno già 250 fissioni, alle quali verranno rilasciati 625 neutroni. Nella generazione successiva sarà 1562, poi 3906, poi 9670 e così via. Il numero di divisioni aumenterà senza limiti se il processo non viene interrotto.
Tuttavia, in realtà, solo una parte insignificante dei neutroni entra nei nuclei degli atomi. Gli altri, correndo rapidamente tra di loro, vengono portati via nello spazio circostante. autosufficiente reazione a catena può sorgere solo in una gamma sufficientemente ampia di uranio-235, che, come si suol dire, ha una massa critica. (Questa messa alle condizioni normaliè pari a 50 kg.) È importante notare che la fissione di ciascun nucleo è accompagnata dal rilascio di un'enorme quantità di energia, che risulta essere circa 300 milioni di volte superiore all'energia spesa per la scissione! (È stato calcolato che con la fissione completa di 1 kg di uranio-235, viene rilasciata la stessa quantità di calore di quando si bruciano 3mila tonnellate di carbone.)
Questa colossale ondata di energia, rilasciata in pochi istanti, si manifesta come un'esplosione di forza mostruosa e sottende l'azione armi nucleari. Ma affinché quest'arma diventi realtà, è necessario che la carica non sia costituita da uranio naturale, ma da un raro isotopo - 235 (tale uranio è chiamato arricchito). Successivamente si è scoperto che anche il plutonio puro è un materiale fissile e può essere utilizzato in una carica atomica al posto dell'uranio-235.
Tutte queste importanti scoperte furono fatte alla vigilia della seconda guerra mondiale. Presto iniziarono i lavori segreti in Germania e in altri paesi per la creazione di una bomba atomica. Negli Stati Uniti, questo problema fu ripreso nel 1941. All'intero complesso di opere è stato dato il nome di "Progetto Manhattan".
La direzione amministrativa del progetto è stata affidata al generale Groves e la direzione scientifica è stata affidata al professor Robert Oppenheimer dell'Università della California. Entrambi erano ben consapevoli dell'enorme complessità del compito che li attendeva. Pertanto, la prima preoccupazione di Oppenheimer era l'acquisizione di un team scientifico altamente intelligente. C'erano molti fisici negli Stati Uniti a quel tempo che erano emigrati da Germania nazista. Non è stato facile coinvolgerli nella creazione di armi dirette contro la loro ex patria. Oppenheimer ha parlato personalmente con tutti, usando tutta la forza del suo fascino. Ben presto riuscì a riunire un piccolo gruppo di teorici, che chiamò scherzosamente "luminari". E infatti, comprendeva i maggiori esperti di quel tempo nel campo della fisica e della chimica. (Tra questi 13 vincitori premio Nobel, tra cui Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Oltre a loro, c'erano molti altri specialisti di vario profilo.
Il governo degli Stati Uniti non ha lesinato sulle spese e fin dall'inizio il lavoro ha assunto una portata grandiosa. Nel 1942 fu fondato a Los Alamos il più grande laboratorio di ricerca del mondo. La popolazione di questa città scientifica raggiunse presto le 9mila persone. In termini di composizione degli scienziati, portata degli esperimenti scientifici, numero di specialisti e lavoratori coinvolti nel lavoro, il Laboratorio di Los Alamos non ha avuto eguali nella storia del mondo. Il Progetto Manhattan aveva la sua polizia, il controspionaggio, il sistema di comunicazione, i magazzini, gli insediamenti, le fabbriche, i laboratori e il suo budget colossale.
L'obiettivo principale del progetto era ottenere abbastanza materiale fissile da cui creare diverse bombe atomiche. Oltre all'uranio-235, come già accennato, l'elemento artificiale plutonio-239 potrebbe servire come carica per la bomba, cioè la bomba potrebbe essere sia all'uranio che al plutonio.
Groves e Oppenheimer hanno convenuto che il lavoro dovrebbe essere svolto contemporaneamente in due direzioni, poiché è impossibile decidere in anticipo quale di esse sarà più promettente. Entrambi i metodi erano fondamentalmente diversi l'uno dall'altro: l'accumulo di uranio-235 doveva essere effettuato separandolo dalla maggior parte dell'uranio naturale, e il plutonio poteva essere ottenuto solo come risultato di una reazione nucleare controllata irradiando l'uranio-238 con neutroni. Entrambi i percorsi sembravano insolitamente difficili e non promettevano soluzioni facili.
In effetti, come possono essere separati l'uno dall'altro due isotopi, che differiscono solo leggermente nel loro peso e si comportano chimicamente esattamente nello stesso modo? Né la scienza né la tecnologia hanno mai affrontato un simile problema. All'inizio anche la produzione di plutonio sembrava molto problematica. Prima di questo, l'intera esperienza delle trasformazioni nucleari era ridotta a diversi esperimenti di laboratorio. Ora era necessario padroneggiare la produzione di chilogrammi di plutonio su scala industriale, sviluppare e creare un'installazione speciale per questo: un reattore nucleare e imparare a controllare il corso di una reazione nucleare.
E qua e là doveva essere risolto un intero complesso di problemi complessi. Pertanto, il "Progetto Manhattan" consisteva in diversi sottoprogetti, guidati da eminenti scienziati. Lo stesso Oppenheimer era a capo dei Los Alamos laboratorio scientifico. Lawrence era a capo del Radiation Laboratory dell'Università della California. Fermi ha condotto una ricerca presso l'Università di Chicago sulla creazione di un reattore nucleare.
All'inizio problema principale ha ricevuto uranio. Prima della guerra, questo metallo in realtà non serviva. Ora che era necessario immediatamente in grandi quantità, si è scoperto che non esisteva un modo industriale per produrlo.
La società Westinghouse ha intrapreso il suo sviluppo e ha raggiunto rapidamente il successo. Dopo la purificazione della resina di uranio (in questa forma, l'uranio si trova in natura) e l'ottenimento dell'ossido di uranio, è stato convertito in tetrafluoruro (UF4), da cui l'uranio metallico è stato isolato mediante elettrolisi. Se alla fine del 1941 gli scienziati americani avevano a disposizione solo pochi grammi di uranio metallico, allora già nel novembre 1942 la sua produzione industriale negli stabilimenti di Westinghouse raggiunse le 6.000 libbre al mese.
Allo stesso tempo, erano in corso i lavori per la creazione di un reattore nucleare. Il processo di produzione del plutonio si riduceva effettivamente all'irradiazione di barre di uranio con neutroni, a seguito della quale parte dell'uranio-238 doveva trasformarsi in plutonio. Le fonti di neutroni in questo caso potrebbero essere atomi fissili di uranio-235 sparsi in quantità sufficienti tra gli atomi di uranio-238. Ma per mantenere una riproduzione costante dei neutroni, doveva iniziare una reazione a catena di fissione degli atomi di uranio-235. Nel frattempo, come già accennato, per ogni atomo di uranio-235 c'erano 140 atomi di uranio-238. È chiaro che i neutroni che volavano in tutte le direzioni avevano molte più probabilità di incontrarli esattamente sulla loro strada. Cioè, un numero enorme di neutroni rilasciati si è rivelato essere assorbito inutilmente dall'isotopo principale. Ovviamente, in tali condizioni, la reazione a catena non potrebbe andare. Come essere?
All'inizio sembrava che senza la separazione di due isotopi, il funzionamento del reattore fosse generalmente impossibile, ma presto fu stabilita una circostanza importante: si scoprì che l'uranio-235 e l'uranio-238 erano suscettibili a neutroni di diversa energia. È possibile scindere il nucleo di un atomo di uranio-235 con un neutrone di energia relativamente bassa, avente una velocità di circa 22 m/s. Tali neutroni lenti non vengono catturati dai nuclei di uranio-238 - per questo devono avere una velocità dell'ordine di centinaia di migliaia di metri al secondo. In altre parole, l'uranio-238 non è in grado di impedire l'inizio e il progresso di una reazione a catena nell'uranio-235 causata da neutroni rallentati a velocità estremamente basse - non più di 22 m/s. Questo fenomeno è stato scoperto dal fisico italiano Fermi, che ha vissuto negli Stati Uniti dal 1938 e ha supervisionato i lavori per la creazione del primo reattore qui. Fermi ha deciso di utilizzare la grafite come moderatore di neutroni. Secondo i suoi calcoli, i neutroni emessi dall'uranio-235, dopo essere passati attraverso uno strato di grafite di 40 cm, avrebbero dovuto ridurre la loro velocità a 22 m/s e iniziare una reazione a catena autosufficiente nell'uranio-235.
La cosiddetta acqua "pesante" potrebbe fungere da altro moderatore. Poiché gli atomi di idrogeno che lo compongono sono molto vicini per dimensioni e massa ai neutroni, potrebbero rallentarli meglio. (Con i neutroni veloci accade più o meno la stessa cosa che con le palline: se una pallina ne colpisce una grande, rotola indietro, quasi senza perdere velocità, ma quando incontra una pallina le trasferisce una parte significativa della sua energia - proprio come un neutrone in una collisione elastica rimbalza su un nucleo pesante rallentando solo leggermente, e in caso di collisione con i nuclei degli atomi di idrogeno perde molto rapidamente tutta la sua energia.) Tuttavia, l'acqua ordinaria non è adatta a rallentare, poiché il suo idrogeno tende assorbire neutroni. Ecco perché a questo scopo dovrebbe essere utilizzato il deuterio, che fa parte dell'acqua "pesante".
All'inizio del 1942, sotto la guida di Fermi, iniziò la costruzione del primo reattore nucleare nel campo da tennis sotto le tribune ovest del Chicago Stadium. Tutto il lavoro è stato svolto dagli stessi scienziati. La reazione può essere controllata nell'unico modo: regolando il numero di neutroni coinvolti nella reazione a catena. Fermi immaginava di farlo con bastoncini realizzati con materiali come il boro e il cadmio, che assorbono fortemente i neutroni. I mattoni di grafite servivano da moderatore, da cui i fisici erigevano colonne alte 3 me larghe 1,2 m, tra cui venivano installati blocchi rettangolari con ossido di uranio. Circa 46 tonnellate di ossido di uranio e 385 tonnellate di grafite sono andate nell'intera struttura. Per rallentare la reazione, servivano barre di cadmio e boro introdotte nel reattore.
Se ciò non bastasse, per sicurezza, su una piattaforma situata sopra il reattore, c'erano due scienziati con secchi pieni di una soluzione di sali di cadmio: avrebbero dovuto versarli sul reattore se la reazione fosse andata fuori controllo. Fortunatamente, questo non era necessario. Il 2 dicembre 1942 Fermi ordinò di allungare tutte le aste di controllo e l'esperimento ebbe inizio. Quattro minuti dopo, i contatori di neutroni iniziarono a scattare sempre più forte. Con ogni minuto, l'intensità del flusso di neutroni aumentava. Ciò indicava che nel reattore era in corso una reazione a catena. È andato avanti per 28 minuti. Quindi Fermi fece un segnale e le aste abbassate interruppero il processo. Così, per la prima volta, l'uomo ha rilasciato l'energia del nucleo atomico e ha dimostrato di poterlo controllare a suo piacimento. Ora non c'era più alcun dubbio che le armi nucleari fossero una realtà.
Nel 1943 il reattore Fermi fu smantellato e trasportato all'Aragonese National Laboratory (50 km da Chicago). Era qui poco
fu costruito un altro reattore nucleare, in cui l'acqua pesante fu usata come moderatore. Consisteva in un serbatoio cilindrico di alluminio contenente 6,5 tonnellate di acqua pesante, in cui venivano caricate verticalmente 120 barre di uranio metallico, racchiuse in un guscio di alluminio. Le sette barre di controllo erano fatte di cadmio. Intorno al serbatoio c'era un riflettore in grafite, poi uno schermo fatto di leghe di piombo e cadmio. L'intera struttura era racchiusa in un guscio di cemento con uno spessore di parete di circa 2,5 m.
Esperimenti in questi reattori sperimentali hanno confermato la possibilità di una produzione industriale di plutonio.
Il centro principale del "Manhattan Project" divenne ben presto la cittadina di Oak Ridge nella Tennessee River Valley, la cui popolazione in pochi mesi crebbe fino a 79mila persone. Qui, dentro a breve termine Fu costruito il primo impianto di uranio arricchito. Immediatamente nel 1943 fu lanciato un reattore industriale che produceva plutonio. Nel febbraio 1944 ne venivano estratti giornalmente circa 300 kg di uranio, dalla cui superficie si otteneva plutonio per separazione chimica. (Per fare ciò, il plutonio è stato prima dissolto e poi precipitato.) L'uranio purificato è stato quindi riportato nuovamente al reattore. Nello stesso anno, nel deserto arido e desolato sulla riva sud del fiume Columbia, iniziò la costruzione dell'enorme Hanford Plant. Qui si trovavano tre potenti reattori nucleari, che fornivano diverse centinaia di grammi di plutonio al giorno.
Parallelamente, era in pieno svolgimento la ricerca per sviluppare un processo industriale per l'arricchimento dell'uranio.
Avendo considerato diverse varianti, Groves e Oppenheimer decisero di concentrarsi su due metodi: diffusione di gas ed elettromagnetico.
Il metodo di diffusione del gas era basato su un principio noto come legge di Graham (fu formulato per la prima volta nel 1829 dal chimico scozzese Thomas Graham e sviluppato nel 1896 dal fisico inglese Reilly). Secondo questa legge, se due gas, uno dei quali è più leggero dell'altro, vengono fatti passare attraverso un filtro con aperture trascurabilmente piccole, allora vi passerà un po' più di gas leggero rispetto a quello pesante. Nel novembre 1942, Urey e Dunning della Columbia University crearono un metodo di diffusione gassosa per separare gli isotopi di uranio basato sul metodo Reilly.
Poiché l'uranio naturale è un solido, è stato prima convertito in fluoruro di uranio (UF6). Questo gas è stato quindi fatto passare attraverso fori microscopici - dell'ordine di millesimi di millimetro - nel setto del filtro.
Poiché la differenza nei pesi molari dei gas era molto piccola, dietro il deflettore il contenuto di uranio-235 aumentava solo di un fattore 1,0002.
Per aumentare ulteriormente la quantità di uranio-235, la miscela risultante viene nuovamente fatta passare attraverso un divisorio e la quantità di uranio viene nuovamente aumentata di 1,0002 volte. Pertanto, per aumentare il contenuto di uranio-235 al 99%, è stato necessario far passare il gas attraverso 4000 filtri. Ciò è avvenuto in un enorme impianto di diffusione gassosa a Oak Ridge.
Nel 1940, sotto la guida di Ernst Lawrence presso l'Università della California, iniziò la ricerca sulla separazione degli isotopi di uranio con il metodo elettromagnetico. Era necessario trovarlo processi fisici, che consentirebbe di separare gli isotopi utilizzando la differenza nelle loro masse. Lawrence ha tentato di separare gli isotopi usando il principio di uno spettrografo di massa, uno strumento che determina le masse degli atomi.
Il principio del suo funzionamento era il seguente: gli atomi pre-ionizzati venivano accelerati da un campo elettrico e quindi fatti passare attraverso un campo magnetico in cui descrivevano cerchi situati in un piano perpendicolare alla direzione del campo. Poiché i raggi di queste traiettorie erano proporzionali alla massa, gli ioni leggeri finivano su cerchi di raggio minore di quelli pesanti. Se le trappole venivano poste nel percorso degli atomi, allora era possibile in questo modo raccogliere separatamente diversi isotopi.
Questo era il metodo. In condizioni di laboratorio, ha dato buoni risultati. Ma la costruzione di un impianto in cui la separazione degli isotopi potesse essere effettuata su scala industriale si è rivelata estremamente difficile. Tuttavia, alla fine Lawrence è riuscito a superare tutte le difficoltà. Il risultato dei suoi sforzi fu l'apparizione del calutron, che fu installato in un gigantesco impianto a Oak Ridge.
Questo impianto elettromagnetico è stato costruito nel 1943 e si è rivelato essere forse il frutto più costoso del Progetto Manhattan. Il metodo di Lawrence richiedeva un gran numero di dispositivi complessi, non ancora sviluppati, associati ad alta tensione, alto vuoto e forte campi magnetici. I costi erano enormi. Calutron aveva un gigantesco elettromagnete, la cui lunghezza raggiungeva i 75 me pesava circa 4000 tonnellate.
Diverse migliaia di tonnellate di filo d'argento sono entrate negli avvolgimenti di questo elettromagnete.
L'intero lavoro (escluso il costo di $ 300 milioni di argento, che il Tesoro dello Stato ha fornito solo temporaneamente) è costato $ 400 milioni. Solo per l'elettricità spesa dal calutrone, il Ministero della Difesa ha pagato 10 milioni. Gran parte dell'attrezzatura presso la fabbrica di Oak Ridge era superiore in scala e precisione a qualsiasi cosa mai sviluppata sul campo.
Ma tutte queste spese non sono state vane. Dopo aver speso un totale di circa 2 miliardi di dollari, nel 1944 gli scienziati statunitensi hanno creato una tecnologia unica per l'arricchimento dell'uranio e la produzione di plutonio. Nel frattempo, al Los Alamos Laboratory, stavano lavorando al progetto della bomba stessa. Il principio del suo funzionamento era in termini generali chiaro da tempo: la sostanza fissile (plutonio o uranio-235) avrebbe dovuto essere trasferita in uno stato critico al momento dell'esplosione (perché si verificasse una reazione a catena, la massa di la carica deve essere anche sensibilmente maggiore di quella critica) e irradiata con un fascio di neutroni, il che comporta l'inizio di una reazione a catena.
Secondo i calcoli, la massa critica della carica ha superato i 50 chilogrammi, ma potrebbe essere notevolmente ridotta. In generale, l'entità della massa critica è fortemente influenzata da diversi fattori. Maggiore è la superficie della carica, più neutroni vengono emessi inutilmente nello spazio circostante. Una sfera ha la superficie più piccola. Di conseguenza, le cariche sferiche, a parità di altre condizioni, hanno la massa critica più piccola. Inoltre, il valore della massa critica dipende dalla purezza e dal tipo di materiali fissili. È inversamente proporzionale al quadrato della densità di questo materiale, che consente, ad esempio, raddoppiando la densità, di ridurre la massa critica di un fattore quattro. Il grado di subcriticità richiesto può essere ottenuto, ad esempio, compattando il materiale fissile a causa dell'esplosione di una carica esplosiva convenzionale realizzata sotto forma di un guscio sferico che circonda la carica nucleare. La massa critica può anche essere ridotta circondando la carica con uno schermo che rifletta bene i neutroni. Piombo, berillio, tungsteno, uranio naturale, ferro e molti altri possono essere usati come tale schermo.
Uno dei possibili progetti della bomba atomica è costituito da due pezzi di uranio che, una volta combinati, formano una massa maggiore di quella critica. Per provocare l'esplosione di una bomba, devi riunirli il più rapidamente possibile. Il secondo metodo si basa sull'uso di un'esplosione convergente verso l'interno. In questo caso, il flusso di gas di un esplosivo convenzionale è stato diretto al materiale fissile situato all'interno e comprimendolo fino a raggiungere una massa critica. La connessione della carica e la sua intensa irradiazione con i neutroni, come già accennato, provoca una reazione a catena, a seguito della quale, nel primo secondo, la temperatura sale a 1 milione di gradi. Durante questo periodo, solo il 5% circa della massa critica è riuscito a separarsi. Il resto della carica nei primi progetti di bombe è evaporato senza
nulla di buono.
La prima bomba atomica della storia (le fu dato il nome di "Trinity") fu assemblata nell'estate del 1945. E il 16 giugno 1945, la prima esplosione atomica sulla Terra fu effettuata nel sito di test nucleari nel deserto di Alamogordo (Nuovo Messico). La bomba è stata collocata al centro del sito di prova in cima a una torre d'acciaio di 30 metri. L'attrezzatura per la registrazione è stata posizionata intorno ad essa a grande distanza. A 9 km c'era un posto di osservazione ea 16 km un posto di comando. L'esplosione atomica ha fatto una tremenda impressione su tutti i testimoni di questo evento. Secondo la descrizione dei testimoni oculari, c'era la sensazione che molti soli si fondessero in uno e illuminassero contemporaneamente il poligono. Quindi un'enorme palla di fuoco apparve sopra la pianura e una nuvola rotonda di polvere e luce iniziò a salire lentamente e minacciosamente verso di essa.
Dopo essere decollato da terra, questa palla di fuoco è volata fino a un'altezza di oltre tre chilometri in pochi secondi. Ad ogni momento cresceva di dimensioni, presto il suo diametro raggiunse 1,5 km e lentamente salì nella stratosfera. La palla di fuoco ha poi lasciato il posto a una colonna di fumo vorticoso, che si è allungata fino a un'altezza di 12 km, assumendo la forma di un fungo gigante. Tutto ciò fu accompagnato da un terribile ruggito, dal quale la terra tremò. Il potere della bomba esplosa ha superato tutte le aspettative.
Non appena la situazione delle radiazioni lo ha consentito, diversi carri armati Sherman, rivestiti con lastre di piombo dall'interno, si sono precipitati nell'area dell'esplosione. Su uno di essi c'era Fermi, ansioso di vedere i risultati del suo lavoro. Davanti ai suoi occhi apparve terra bruciata morta, sulla quale tutta la vita fu distrutta entro un raggio di 1,5 km. La sabbia si sinterizzata in una crosta verdastra vitrea che ricopriva il terreno. In un enorme cratere giacevano i resti mutilati di una torre di sostegno in acciaio. La forza dell'esplosione è stata stimata in 20.000 tonnellate di tritolo.
Il passo successivo doveva essere l'uso in combattimento della bomba contro il Giappone, che, dopo la resa della Germania fascista, continuò da solo la guerra con gli Stati Uniti e i suoi alleati. Allora non c'erano veicoli di lancio, quindi il bombardamento doveva essere effettuato da un aereo. I componenti delle due bombe furono trasportati con grande cura dalla USS Indianapolis a Tinian Island, dove aveva sede il 509th Composite Group dell'US Air Force. Per tipo di carica e design, queste bombe erano in qualche modo diverse l'una dall'altra.
La prima bomba - "Baby" - era una bomba aerea di grandi dimensioni con una carica atomica di uranio-235 altamente arricchito. La sua lunghezza era di circa 3 m, diametro - 62 cm, peso - 4,1 tonnellate.
La seconda bomba - "Fat Man" - con una carica di plutonio-239 aveva una forma a uovo con uno stabilizzatore di grandi dimensioni. La sua lunghezza
era 3,2 m, diametro 1,5 m, peso - 4,5 tonnellate.
Il 6 agosto, il bombardiere B-29 Enola Gay del colonnello Tibbets ha sganciato il "Kid" sulla grande città giapponese di Hiroshima. La bomba è stata lanciata con il paracadute ed è esplosa, come previsto, a un'altitudine di 600 m dal suolo.
Le conseguenze dell'esplosione furono terribili. Anche sugli stessi piloti, la vista della pacifica città da loro distrutta in un istante fece un'impressione deprimente. Successivamente, uno di loro ha ammesso di aver visto in quel momento la cosa peggiore che una persona possa vedere.
Per quelli che erano sulla terra, quello che stava accadendo sembrava un vero inferno. Prima di tutto, un'ondata di caldo è passata su Hiroshima. La sua azione durò solo pochi istanti, ma fu così potente da fondere persino piastrelle e cristalli di quarzo in lastre di granito, trasformare i pali del telefono in carbone a una distanza di 4 km e, infine, incenerire così tanto i corpi umani che di essi rimasero solo ombre sull'asfalto del marciapiede o sui muri delle case. Quindi una mostruosa raffica di vento è sfuggita da sotto la palla di fuoco e si è precipitata sulla città a una velocità di 800 km / h, spazzando via tutto ciò che incontrava. Le case che non resistettero al suo furioso assalto crollarono come se fossero state abbattute. In un cerchio gigante con un diametro di 4 km, non un solo edificio è rimasto intatto. Pochi minuti dopo l'esplosione, una pioggia radioattiva nera è passata sulla città: questa umidità si è trasformata in vapore condensato negli alti strati dell'atmosfera ed è caduta a terra sotto forma di grosse gocce mescolate a polvere radioattiva.
Dopo la pioggia, la città cadde nuovo impulso vento, questa volta in direzione dell'epicentro. Era più debole del primo, ma ancora abbastanza forte da sradicare gli alberi. Il vento alimentava un fuoco gigantesco in cui bruciava tutto ciò che poteva bruciare. Dei 76.000 edifici, 55.000 furono completamente distrutti e bruciati. I testimoni di questa terribile catastrofe hanno ricordato persone-torce da cui cadevano a terra vestiti bruciati insieme a brandelli di pelle, e folle di persone sconvolte, coperte di terribili ustioni, che si precipitavano urlando per le strade. Nell'aria c'era un odore soffocante di carne umana bruciata. La gente giaceva ovunque, morta e morente. C'erano molti che erano ciechi e sordi e, frugando in tutte le direzioni, non riuscivano a distinguere nulla nel caos che regnava intorno.
Gli sfortunati, che si trovavano dall'epicentro a una distanza massima di 800 m, si sono bruciati in una frazione di secondo nel senso letterale della parola: le loro viscere sono evaporate ei loro corpi si sono trasformati in pezzi di carboni fumanti. Situati a una distanza di 1 km dall'epicentro, sono stati colpiti da una malattia da radiazioni in una forma estremamente grave. Nel giro di poche ore iniziarono a vomitare gravemente, la temperatura salì a 39-40 gradi, apparvero mancanza di respiro e sanguinamento. Quindi, sulla pelle sono comparse ulcere non cicatrizzanti, la composizione del sangue è cambiata radicalmente e i capelli sono caduti. Dopo terribili sofferenze, di solito il secondo o il terzo giorno, si verificava la morte.
In totale, circa 240mila persone sono morte a causa dell'esplosione e della malattia da radiazioni. Circa 160 mila hanno ricevuto malattie da radiazioni in una forma più lieve: la loro morte dolorosa è stata ritardata di diversi mesi o anni. Quando la notizia della catastrofe si diffuse in tutto il paese, tutto il Giappone rimase paralizzato dalla paura. È aumentato ancora di più dopo che l'aereo Box Car del maggiore Sweeney ha sganciato una seconda bomba su Nagasaki il 9 agosto. Anche diverse centinaia di migliaia di abitanti furono uccisi e feriti qui. Incapace di resistere alle nuove armi, il governo giapponese capitolò: la bomba atomica pose fine alla seconda guerra mondiale.
La guerra è finita. È durato solo sei anni, ma è riuscito a cambiare il mondo e le persone quasi al di là del riconoscimento.
La civiltà umana prima del 1939 e la civiltà umana dopo il 1945 sono sorprendentemente diverse l'una dall'altra. Ci sono molte ragioni per questo, ma una delle più importanti è l'emergere di armi nucleari. Si può affermare senza esagerare che l'ombra di Hiroshima si estende per tutta la seconda metà del XX secolo. È diventata una profonda ustione morale per molti milioni di persone, sia quelle che erano contemporanee di questa catastrofe sia quelle nate decenni dopo. L'uomo moderno non può più pensare al mondo come era pensato prima del 6 agosto 1945: capisce troppo chiaramente che questo mondo può trasformarsi in nulla in pochi istanti.
Una persona moderna non può guardare la guerra, come guardavano i suoi nonni e bisnonni: sa per certo che questa guerra sarà l'ultima e non ci saranno né vincitori né vinti. Le armi nucleari hanno lasciato il segno in tutte le sfere vita pubblica e la civiltà moderna non può vivere secondo le stesse leggi di sessanta o ottant'anni fa. Nessuno lo ha capito meglio degli stessi creatori della bomba atomica.
"Gente del nostro pianeta Robert Oppenheimer ha scritto, dovrebbe unire. L'orrore e la distruzione seminati dall'ultima guerra ci impongono questo pensiero. Le esplosioni di bombe atomiche lo hanno dimostrato con ogni crudeltà. Altre persone in altri momenti hanno detto parole simili - solo su altre armi e altre guerre. Non ci sono riusciti. Ma chi oggi dice che queste parole sono inutili è ingannato dalle vicissitudini della storia. Non possiamo esserne convinti. I risultati del nostro lavoro non lasciano altra scelta all'umanità se non quella di creare un mondo unificato. Un mondo basato sul diritto e sull'umanesimo".
Natura esplosiva
Il nucleo di uranio contiene 92 protoni. L'uranio naturale è principalmente una miscela di due isotopi: U238 (con 146 neutroni nel nucleo) e U235 (143 neutroni), quest'ultimo essendo solo lo 0,7% nell'uranio naturale. Proprietà chimiche gli isotopi sono assolutamente identici, e quindi è impossibile separarli con metodi chimici, ma la differenza di massa (235 e 238 unità) consente di farlo con metodi fisici: una miscela di uranio viene convertita in gas (esafluoruro di uranio), e poi pompato attraverso innumerevoli partizioni porose. Sebbene gli isotopi dell'uranio siano indistinguibili aspetto, né chimicamente, sono separati da un abisso nelle proprietà dei caratteri nucleari.
Il processo di fissione dell'U238 è pagato: un neutrone che arriva dall'esterno deve portare con sé un'energia di 1 MeV o più. E l'U235 è disinteressato: per l'eccitazione e il successivo decadimento non è richiesto nulla dal neutrone in arrivo, la sua energia di legame nel nucleo è abbastanza.
Quando un neutrone colpisce un nucleo capace di fissione, si forma un composto instabile, ma molto rapidamente (in 10 14 c) che emette due o tre nuovi neutroni, così che nel tempo il numero di nuclei fissili può moltiplicarsi (tale reazione è chiamata a reazione a catena). Questo è possibile solo nell'U235, perché l'avido U238 non vuole separarsi dai propri neutroni, la cui energia è di un ordine di grandezza inferiore a 1 MeV. L'energia cinetica delle particelle - prodotti di fissione di molti ordini di grandezza supera l'energia rilasciata durante qualsiasi atto di una reazione chimica in cui la composizione dei nuclei non cambia.
Assemblea critica
I prodotti di fissione sono instabili e impiegano molto tempo per "riprendersi", emettendo varie radiazioni (compresi i neutroni). I neutroni che vengono emessi dopo un tempo considerevole (fino a decine di secondi) dopo la fissione sono chiamati neutroni ritardati e, sebbene la loro frazione sia piccola rispetto a quelli istantanei (meno dell'1%), il ruolo che svolgono nel funzionamento degli impianti nucleari è il più importante.
I prodotti di fissione durante numerose collisioni con gli atomi circostanti danno loro la loro energia, aumentando la temperatura. Dopo che i neutroni sono apparsi nell'assieme con il materiale fissile, la potenza di rilascio del calore può aumentare o diminuire ei parametri dell'assieme, in cui il numero di fissioni per unità di tempo è costante, sono chiamati critici. La criticità dell'assieme può essere mantenuta sia a un numero elevato che a un numero ridotto di neutroni (a una velocità di rilascio di calore corrispondentemente più alta o più bassa). La potenza termica viene aumentata pompando dall'esterno ulteriori neutroni nell'assieme critico o rendendo l'assieme supercritico (quindi ulteriori neutroni vengono forniti da generazioni sempre più numerose di nuclei fissili). Ad esempio, se è necessario aumentare la potenza termica del reattore, viene portata a un regime tale quando ogni generazione di neutroni pronti è leggermente meno numerosa della precedente, ma a causa dei neutroni ritardati, il reattore passa appena percettibilmente il stato critico. Quindi non accelera, ma guadagna potenza lentamente, in modo che la sua crescita possa essere fermata al momento giusto introducendo assorbitori di neutroni (barre contenenti cadmio o boro).
I neutroni prodotti dalla fissione spesso volano oltre i nuclei circostanti senza causare una seconda fissione. Più vicino alla superficie del materiale nasce un neutrone, maggiori sono le possibilità che ha di volare fuori dal materiale fissile e non tornare più indietro. Pertanto, la forma dell'assieme che risparmia il maggior numero di neutroni è una palla: per una data massa di materia, ha una superficie minima. Una palla non chiusa (solitaria) di U235 al 94% senza cavità all'interno diventa critica con una massa di 49 kg e un raggio di 85 mm. Se l'assemblaggio dello stesso uranio è un cilindro di lunghezza pari al diametro, diventa critico a una massa di 52 kg. Anche la superficie diminuisce con l'aumentare della densità. Pertanto, la compressione esplosiva, senza modificare la quantità di materiale fissile, può portare l'assieme in uno stato critico. È questo processo che sta alla base della progettazione diffusa di una carica nucleare.
montaggio della sfera
Ma molto spesso, non l'uranio, ma il plutonio-239 viene utilizzato nelle armi nucleari. Viene prodotto nei reattori irradiando l'uranio-238 con potenti flussi di neutroni. Il plutonio costa circa sei volte di più dell'U235, ma durante la fissione, il nucleo di Pu239 emette in media 2.895 neutroni, più dell'U235 (2.452). Inoltre, la probabilità di fissione del plutonio è maggiore. Tutto ciò porta al fatto che una palla solitaria di Pu239 diventa critica con quasi un terzo di massa in meno rispetto a una palla di uranio e, soprattutto, con un raggio più piccolo, che consente di ridurre le dimensioni dell'assieme critico.
L'assemblaggio è costituito da due metà accuratamente montate sotto forma di uno strato sferico (cavo all'interno); è ovviamente subcritico, anche per i neutroni termici e anche dopo essere stati circondati da un moderatore. Una carica è montata attorno all'assemblaggio di blocchi di esplosivi montati con precisione. Per salvare i neutroni, è necessario preservare la nobile forma della palla durante l'esplosione - per questo, lo strato di esplosivo deve essere minato contemporaneamente su tutta la sua superficie esterna, comprimendo uniformemente l'assieme. È opinione diffusa che ciò richieda molti detonatori elettrici. Ma questo era solo agli albori del "bombardamento": per il funzionamento di molte dozzine di detonatori erano necessarie molta energia e una dimensione considerevole del sistema di innesco. Nelle cariche moderne vengono utilizzati diversi detonatori selezionati con una tecnica speciale, simili nelle caratteristiche, dai quali vengono sparati esplosivi altamente stabili (in termini di velocità di detonazione) in scanalature fresate in uno strato di policarbonato (la cui forma su una superficie sferica è calcolato con i metodi della geometria di Riemann). Una detonazione a una velocità di circa 8 km/s percorrerà distanze assolutamente uguali lungo i solchi, raggiungerà i fori contemporaneamente e farà detonare la carica principale, contemporaneamente in tutti i punti richiesti.
Sbattere verso l'interno
Un'esplosione diretta verso l'interno comprime l'assieme con oltre un milione di atmosfere di pressione. La superficie dell'assieme diminuisce, la cavità interna quasi scompare nel plutonio, la densità aumenta e molto rapidamente - in dieci microsecondi, l'assieme comprimibile salta lo stato critico sui neutroni termici e diventa significativamente supercritico sui neutroni veloci.
Dopo un periodo determinato dal tempo trascurabile di rallentamento insignificante dei neutroni veloci, ciascuna delle loro nuove e più numerose generazioni aggiunge un'energia di 202 MeV per fissione alla materia di assemblaggio, che sta già esplodendo con una pressione mostruosa. Sulla scala dei fenomeni che si verificano, la resistenza anche dei migliori acciai legati è così scarsa che a nessuno viene mai in mente di tenerne conto nel calcolo della dinamica di un'esplosione. L'unica cosa che impedisce all'assieme di andare in pezzi è l'inerzia: per far espandere una sfera di plutonio di solo 1 cm in dieci nanosecondi, è necessario imprimere alla sostanza un'accelerazione decine di trilioni di volte maggiore dell'accelerazione del cadere, e questo non è facile.
Alla fine la materia si disperde comunque, la fissione si ferma, ma il processo non finisce qui: l'energia viene ridistribuita tra i frammenti ionizzati dei nuclei separati e le altre particelle emesse durante la fissione. La loro energia è dell'ordine delle decine e persino delle centinaia di MeV, ma solo i quanti ei neutroni gamma ad alta energia elettricamente neutri hanno la possibilità di evitare l'interazione con la materia e "scappare". Le particelle cariche perdono rapidamente energia nelle collisioni e ionizzazioni. In questo caso viene emessa radiazione - tuttavia non è più nucleare dura, ma più morbida, con un'energia inferiore di tre ordini di grandezza, ma comunque più che sufficiente per eliminare gli elettroni dagli atomi - non solo dai gusci esterni, ma in generale qualunque cosa. Un pasticcio di nuclei nudi, elettroni strappati da loro e radiazioni con una densità di grammi per centimetro cubo (prova a immaginare come ti abbronzi bene sotto la luce che ha acquisito la densità dell'alluminio!) - tutto ciò che un momento fa era una carica - entra in una sorta di equilibrio . In un bolide molto giovane si stabilisce una temperatura dell'ordine di decine di milioni di gradi.
Palla di fuoco
Sembrerebbe che anche la radiazione morbida, ma che si muove alla velocità della luce, dovrebbe lasciarsi molto indietro la sostanza che l'ha generata, ma non è così: nell'aria fredda, la gamma di quanti di energia keV è di centimetri, e lo fanno non muoversi in linea retta, ma cambiare la direzione del movimento, riemesso ad ogni interazione. I quanti ionizzano l'aria, si propagano in essa, come il succo di ciliegia versato in un bicchiere d'acqua. Questo fenomeno è chiamato diffusione radiativa.
Una giovane palla di fuoco di un'esplosione con una potenza di 100 kt, poche decine di nanosecondi dopo il completamento dell'esplosione di fissione, ha un raggio di 3 me una temperatura di quasi 8 milioni di kelvin. Ma dopo 30 microsecondi il suo raggio è di 18 m, tuttavia la temperatura scende sotto il milione di gradi. La palla divora lo spazio e l'aria ionizzata dietro la sua parte anteriore quasi non si muove: la radiazione non può trasferirle una quantità di moto significativa durante la diffusione. Ma pompa un'enorme energia in quest'aria, riscaldandola, e quando l'energia della radiazione si esaurisce, la palla inizia a crescere a causa dell'espansione del plasma caldo, esplodendo dall'interno con quella che era una carica. Espandendosi, come una bolla gonfiata, il guscio di plasma diventa più sottile. A differenza di una bolla, ovviamente, nulla la gonfia: non c'è quasi più sostanza all'interno, vola tutta dal centro per inerzia, ma 30 microsecondi dopo l'esplosione, la velocità di questo volo è superiore a 100 km/s e la pressione idrodinamica nella sostanza - più di 150.000 atm! Il guscio non è destinato a diventare troppo sottile, scoppia, formando delle "vesciche".
Quale dei meccanismi per trasferire l'energia di una palla di fuoco all'ambiente prevale dipende dalla potenza dell'esplosione: se è grande, la diffusione della radiazione gioca il ruolo principale, se è piccola, l'espansione della bolla di plasma. È chiaro che è possibile anche un caso intermedio, quando entrambi i meccanismi sono efficaci.
Il processo cattura nuovi strati d'aria, non c'è più energia sufficiente per strappare tutti gli elettroni dagli atomi. L'energia dello strato ionizzato e dei frammenti della bolla di plasma si prosciuga, non sono più in grado di spostare un'enorme massa davanti a sé e rallentano notevolmente. Ma cos'era l'aria prima che l'esplosione si muovesse, staccandosi dalla palla, assorbendo sempre più strati di aria fredda ... Inizia la formazione di un'onda d'urto.
Onda d'urto e fungo atomico
Quando l'onda d'urto viene separata dalla palla di fuoco, le caratteristiche dello strato emittente cambiano e la potenza della radiazione nella parte ottica dello spettro aumenta bruscamente (il cosiddetto primo massimo). Inoltre, i processi di luminescenza e i cambiamenti nella trasparenza dell'aria circostante competono, il che porta alla realizzazione del secondo massimo, che è meno potente, ma molto più lungo - tanto che l'emissione di energia luminosa è maggiore che nel primo massimo.
Vicino all'esplosione, tutto intorno evapora, si scioglie: si scioglie, ma anche oltre, dove il flusso di calore è già insufficiente per sciogliersi solidi, suolo, rocce, case scorrono come un liquido, sotto una mostruosa pressione di gas che distrugge ogni legame di forza, riscaldato a uno splendore insopportabile per gli occhi.
Infine, l'onda d'urto viaggia lontano dal punto di esplosione, dove rimane una nuvola di vapori condensati sciolta e indebolita, ma espansa molte volte che si è trasformata nella polvere più piccola e molto radioattiva di quello che era il plasma della carica, e quello che si è rivelato vicino alla sua ora terribile, a un luogo da cui bisogna stare il più lontano possibile. La nuvola inizia a salire. Si raffredda, cambiando colore, “mette su” un berretto bianco di umidità condensata, seguito dalla polvere dalla superficie della terra, formando una “gamba” di quello che viene comunemente chiamato “fungo atomico”.
iniziazione neutronica
I lettori attenti possono, con una matita in mano, stimare l'energia rilasciata durante l'esplosione. Con il tempo in cui l'assieme si trova nello stato supercritico dell'ordine dei microsecondi, l'età dei neutroni è dell'ordine dei picosecondi e il fattore di moltiplicazione è inferiore a 2, viene rilasciato circa un gigajoule di energia, che equivale a .. 250 kg di TNT. E dove sono i chilogrammi ei megatoni?
Il fatto è che la catena di fissioni in un assieme non inizia con un solo neutrone: nel microsecondo richiesto, milioni di esse vengono iniettate nell'assieme supercritico. Nelle prime cariche nucleari sono state utilizzate per questo sorgenti di isotopi, situate in una cavità all'interno dell'assieme di plutonio: il polonio-210 combinato con il berillio al momento della compressione e ha causato l'emissione di neutroni con le sue particelle alfa. Ma tutte le fonti di isotopi sono piuttosto deboli (nel primo prodotto americano sono stati generati meno di un milione di neutroni al microsecondo) e il polonio è già molto deperibile: in soli 138 giorni riduce della metà la sua attività. Pertanto, gli isotopi sono stati sostituiti da tubi di neutroni meno pericolosi (che non irradiano nello stato spento) e, soprattutto, che emettono più intensamente (vedi barra laterale): centinaia di milioni di neutroni nascono in pochi microsecondi (la durata dell'impulso formato da il tubo). Ma se non funziona o non funziona al momento giusto, si verificherà il cosiddetto pop, o "zilch", un'esplosione termica a bassa potenza.
L'iniziazione del neutrone non solo aumenta il rilascio di energia di un'esplosione nucleare di molti ordini di grandezza, ma rende anche possibile regolarlo! È chiaro che, avendo ricevuto una missione di combattimento, la cui formulazione deve indicare il potere attacco nucleare, nessuno smonta la carica per dotarla di un assemblaggio di plutonio ottimale per una data potenza. Nelle munizioni con un equivalente TNT commutabile, è sufficiente modificare semplicemente la tensione di alimentazione del tubo di neutroni. Di conseguenza, la resa dei neutroni e il rilascio di energia cambieranno (ovviamente, quando la potenza viene ridotta in questo modo, viene sprecato molto costoso plutonio).
Ma hanno iniziato a pensare alla necessità di regolare il rilascio di energia molto più tardi, e nel primo anni del dopoguerra non si poteva parlare di riduzione del potere. Più potente, più potente e più potente! Ma si è scoperto che ci sono limitazioni nucleari-fisiche e idrodinamiche sulle dimensioni consentite della sfera subcritica. L'equivalente TNT di un'esplosione di cento kilotoni è vicino al limite fisico per le munizioni monofase, in cui si verifica solo la fissione. Di conseguenza, la fissione come principale fonte di energia fu abbandonata e si affidarono a reazioni di un'altra classe: la sintesi.
deliri nucleari
La densità del plutonio al momento dell'esplosione aumenta a causa della transizione di fase
Il plutonio metallico esiste in sei fasi, la cui densità va da 14,7 a 19,8 g/cm3. A temperature inferiori a 119 °C c'è una fase alfa monoclina (19,8 g/cm3), ma tale plutonio è molto fragile, e nella fase delta cubica a facce centrate (15,9) è duttile e ben lavorato (è questa fase che cercano di mantenere con additivi leganti). Durante la compressione della detonazione, non possono esserci transizioni di fase: il plutonio è in uno stato quasi liquido. Le transizioni di fase sono pericolose in produzione: quando grandi formati parti, anche con un leggero cambiamento di densità, è possibile raggiungere uno stato critico. Ovviamente non ci sarà alcuna esplosione: il pezzo in lavorazione si riscalderà semplicemente, ma la placcatura in nichel potrebbe essere ripristinata (e il plutonio è molto tossico).
sorgente di neutroni
Le prime bombe nucleari utilizzavano una sorgente di neutroni al berillio-polonio. Tubi di neutroni molto più convenienti sono usati nelle cariche moderne. In un tubo neutronico a vuoto tra un bersaglio saturo di trizio (catodo) (1) e un gruppo anodo (2), viene applicata una tensione pulsata di 100 kV. Quando la tensione è massima, è necessario che tra l'anodo e il catodo appaiano ioni deuterio, che devono essere accelerati. Per questo, viene utilizzata una sorgente ionica. Al suo anodo (3) viene applicato un impulso di accensione e la scarica, passando sulla superficie della ceramica satura di deuterio (4), forma ioni di deuterio. Accelerando, bombardano un bersaglio saturo di trizio, a seguito del quale viene rilasciata un'energia di 17,6 MeV e si formano neutroni e nuclei di elio-4.
In termini di composizione delle particelle e persino di resa energetica, questa reazione è identica alla fusione, il processo di fusione dei nuclei leggeri. Negli anni '50 molti credevano che si trattasse di fusione, ma in seguito si è scoperto che nel tubo si verifica una "rottura": o un protone o un neutrone (di cui lo ione deuterio è accelerato da un campo elettrico) "rimane bloccato" in il nucleo bersaglio (trizio). Se un protone si impantana, il neutrone si stacca e diventa libero.
Neutroni: lenti e veloci
In una sostanza non fissile, che "rimbalza" sui nuclei, i neutroni trasferiscono loro parte della loro energia, maggiore è, più leggeri (più vicini in massa) sono i nuclei. Che dentro Di più le collisioni hanno coinvolto i neutroni, più rallentano e poi, finalmente, entrano in equilibrio termico con la materia circostante - si termalizzano (questo richiede millisecondi). La velocità dei neutroni termici è di 2200 m/s (energia 0,025 eV). I neutroni possono sfuggire al moderatore, vengono catturati dai suoi nuclei, ma con il rallentamento la loro capacità di entrare nelle reazioni nucleari aumenta in modo significativo, quindi i neutroni che non vengono "persi" più che compensare la diminuzione del numero.
Quindi, se una palla di materia fissile è circondata da un moderatore, molti neutroni lasceranno il moderatore o verranno assorbiti in esso, ma ci saranno anche quelli che torneranno alla palla ("riflettono") e, avendo perso la loro energia, hanno molte più probabilità di causare atti di fissione. Se la sfera è circondata da uno strato di berillio di 25 mm di spessore, è possibile risparmiare 20 kg di U235 e l'insieme raggiungerà comunque uno stato critico. Ma tali risparmi si pagano con il tempo: ogni successiva generazione di neutroni, prima di provocare la fissione, deve prima rallentare. Questo ritardo riduce il numero di generazioni di neutroni prodotti per unità di tempo, il che significa che il rilascio di energia è ritardato. Meno materiale fissile nell'assieme, più moderatore è necessario per lo sviluppo di una reazione a catena e la fissione procede con neutroni di energia sempre più bassa. Nel caso limite, quando la criticità viene raggiunta solo sui neutroni termici, ad esempio, in una soluzione di sali di uranio in un buon moderatore - acqua, la massa degli assiemi è di centinaia di grammi, ma la soluzione bolle semplicemente periodicamente. Le bolle di vapore rilasciate riducono la densità media della sostanza fissile, la reazione a catena si interrompe e quando le bolle lasciano il liquido, il lampo di fissione si ripete (se intasi la nave, il vapore la romperà, ma questa sarà un'esplosione termica , privo di tutti i tipici segni "nucleari").
Video: esplosioni nucleari
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Il reattore nucleare funziona in modo fluido e preciso. Altrimenti, come sai, ci saranno problemi. Ma cosa sta succedendo dentro? Proviamo a formulare brevemente, chiaramente, con fermate il principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico).
In effetti, lì sta avvenendo lo stesso processo di un'esplosione nucleare. Solo ora l'esplosione avviene molto rapidamente e nel reattore tutto questo si estende a lungo. Alla fine, tutto rimane sano e salvo e otteniamo energia. Non tanto che tutto intorno andò subito in frantumi, ma abbastanza per fornire elettricità alla città.
Prima di poter capire come funziona una reazione nucleare controllata, devi sapere cosa reazione nucleare affatto.
reazione nucleare è il processo di trasformazione (divisione) nuclei atomici quando si interagisce con particelle elementari e gamma quanti.
Le reazioni nucleari possono avvenire sia con assorbimento che con rilascio di energia. Le seconde reazioni vengono utilizzate nel reattore.
Reattore nucleare - Questo è un dispositivo il cui scopo è mantenere una reazione nucleare controllata con il rilascio di energia.
Spesso un reattore nucleare è anche chiamato reattore nucleare. Nota che qui non c'è alcuna differenza fondamentale, ma dal punto di vista della scienza è più corretto usare la parola "nucleare". Ora ci sono molti tipi di reattori nucleari. Si tratta di enormi reattori industriali progettati per generare energia in centrali elettriche, reattori sottomarini nucleari, piccoli reattori sperimentali utilizzati in esperimenti scientifici. Ci sono persino reattori usati per desalinizzare l'acqua di mare.
La storia della creazione di un reattore nucleare
Il primo reattore nucleare fu lanciato nel non lontano 1942. È successo negli Stati Uniti sotto la guida di Fermi. Questo reattore era chiamato "catasta di legna di Chicago".
Nel 1946 fu avviato il primo reattore sovietico sotto la guida di Kurchatov. Il corpo di questo reattore era una palla di sette metri di diametro. I primi reattori non avevano un sistema di raffreddamento e la loro potenza era minima. A proposito, il reattore sovietico aveva una potenza media di 20 watt, mentre quello americano aveva solo 1 watt. Per fare un confronto: la potenza media dei moderni reattori di potenza è di 5 Gigawatt. Meno di dieci anni dopo il lancio del primo reattore, nella città di Obninsk è stata inaugurata la prima centrale nucleare industriale al mondo.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico).
Ogni reattore nucleare ha diverse parti: nucleo Con carburante E moderatore , riflettore di neutroni , refrigerante , sistema di controllo e protezione . Gli isotopi sono il combustibile più comunemente usato nei reattori. uranio (235, 238, 233), plutonio (239) e torio (232). La zona attiva è una caldaia attraverso la quale scorre l'acqua ordinaria (refrigerante). Tra gli altri refrigeranti, "l'acqua pesante" e la grafite liquida sono usati meno comunemente. Se parliamo del funzionamento di una centrale nucleare, viene utilizzato un reattore nucleare per generare calore. L'elettricità stessa viene generata con lo stesso metodo di altri tipi di centrali elettriche: il vapore fa ruotare la turbina e l'energia del movimento viene convertita in energia elettrica.
Di seguito è riportato uno schema del funzionamento di un reattore nucleare.
Come abbiamo già detto, il decadimento di un nucleo di uranio pesante produce elementi più leggeri e pochi neutroni. I neutroni risultanti entrano in collisione con altri nuclei, causandone anche la fissione. In questo caso, il numero di neutroni cresce come una valanga.
È necessario menzionarlo qui fattore di moltiplicazione dei neutroni . Quindi, se questo coefficiente supera un valore pari a uno, c'è esplosione nucleare. Se il valore è inferiore a uno, ci sono troppo pochi neutroni e la reazione si estingue. Ma se mantieni il valore del coefficiente uguale a uno, la reazione procederà a lungo e stabilmente.
La domanda è come farlo? Nel reattore, il carburante è nel cosiddetto elementi combustibili (TVEah). Si tratta di bastoncini nei quali, sotto forma di piccole tavolette, combustibile nucleare . Le barre di combustibile sono collegate in cassette esagonali, di cui possono essercene centinaia nel reattore. Le cassette con barre di combustibile sono posizionate verticalmente, mentre ogni barra di combustibile ha un sistema che consente di regolare la profondità della sua immersione nel nucleo. Oltre alle cassette stesse, tra loro ci sono barre di controllo E aste di protezione di emergenza . Le aste sono fatte di un materiale che assorbe bene i neutroni. Pertanto, le barre di controllo possono essere abbassate a diverse profondità nel nucleo, regolando così il fattore di moltiplicazione dei neutroni. Le aste di emergenza sono progettate per spegnere il reattore in caso di emergenza.
Come si avvia un reattore nucleare?
Abbiamo capito il principio stesso di funzionamento, ma come avviare e far funzionare il reattore? In parole povere, eccolo qui: un pezzo di uranio, ma dopotutto, una reazione a catena non inizia da sola. Il fatto è che nella fisica nucleare c'è un concetto massa critica .
La massa critica è la massa di materiale fissile necessaria per avviare una reazione nucleare a catena.
Con l'aiuto di elementi di combustibile e barre di controllo, nel reattore viene prima creata una massa critica di combustibile nucleare, quindi il reattore viene portato al livello di potenza ottimale in più fasi.
In questo articolo, abbiamo cercato di darti idea generale sulla progettazione e sul principio di funzionamento di un reattore nucleare (atomico). Se hai domande sull'argomento o se l'università ha posto un problema di fisica nucleare, contattaci specialisti della nostra azienda. Come al solito, siamo pronti ad aiutarti a risolvere qualsiasi problema urgente dei tuoi studi. Nel frattempo, lo stiamo facendo, la tua attenzione è un altro video educativo!
L'energia nucleare è un modo moderno e in rapido sviluppo di generare elettricità. Sai come sono organizzate le centrali nucleari? Qual è il principio di funzionamento di una centrale nucleare? Quali tipi di reattori nucleari esistono oggi? Cercheremo di considerare in dettaglio lo schema di funzionamento di una centrale nucleare, approfondire la struttura di un reattore nucleare e scoprire quanto sia sicuro il metodo atomico per generare elettricità.
Qualsiasi stazione è un'area chiusa lontana dalla zona residenziale. Ci sono diversi edifici sul suo territorio. L'edificio più importante è l'edificio del reattore, accanto ad esso si trova la sala turbine da cui è controllato il reattore e l'edificio di sicurezza.
Lo schema è impossibile senza un reattore nucleare. Un reattore atomico (nucleare) è un dispositivo di una centrale nucleare, progettato per organizzare una reazione a catena di fissione di neutroni con il rilascio obbligatorio di energia in questo processo. Ma qual è il principio di funzionamento di una centrale nucleare?
L'intero impianto del reattore è collocato nell'edificio del reattore, una grande torre di cemento che nasconde il reattore e, in caso di incidente, conterrà tutti i prodotti di una reazione nucleare. Questa grande torre è chiamata contenimento, guscio ermetico o contenimento.
La zona di contenimento nei nuovi reattori ha 2 spessi muri di cemento - gusci.
Un guscio esterno spesso 80 cm protegge l'area di contenimento dagli influssi esterni.
Il guscio interno con uno spessore di 1 metro e 20 cm ha nel suo dispositivo speciali cavi d'acciaio, che aumentano la resistenza del calcestruzzo di quasi tre volte e non permettono alla struttura di sgretolarsi. All'interno è rivestito con un sottile foglio di acciaio speciale, progettato per fungere da protezione aggiuntiva per il contenimento e, in caso di incidente, impedire che il contenuto del reattore venga rilasciato al di fuori dell'area di contenimento.
Un tale dispositivo di una centrale nucleare può resistere alla caduta di un aereo fino a 200 tonnellate, un terremoto di magnitudo 8, un tornado e uno tsunami.
Il primo involucro pressurizzato è stato costruito presso la centrale nucleare americana Connecticut Yankee nel 1968.
L'altezza totale dell'area di contenimento è di 50-60 metri.
Di cosa è fatto un reattore nucleare?
Per comprendere il principio di funzionamento di un reattore nucleare, e quindi il principio di funzionamento di una centrale nucleare, è necessario comprendere i componenti del reattore. 
- zona attiva. Questa è l'area in cui sono collocati il combustibile nucleare (rilascio di calore) e il moderatore. Gli atomi di combustibile (molto spesso l'uranio è il combustibile) eseguono una reazione a catena di fissione. Il moderatore è progettato per controllare il processo di fissione e consente di eseguire la reazione richiesta in termini di velocità e forza.
- Riflettore di neutroni. Il riflettore circonda la zona attiva. Consiste dello stesso materiale del moderatore. Si tratta infatti di una scatola, il cui scopo principale è impedire ai neutroni di lasciare il nucleo e di entrare nell'ambiente.
- Refrigerante. Il refrigerante deve assorbire il calore rilasciato durante la fissione degli atomi di combustibile e trasferirlo ad altre sostanze. Il refrigerante determina in gran parte come è progettata una centrale nucleare. Il refrigerante più popolare oggi è l'acqua.
Sistema di controllo del reattore. Sensori e meccanismi che mettono in azione il reattore della centrale nucleare.
Combustibile per centrali nucleari
Cosa fa una centrale nucleare? I combustibili per le centrali nucleari sono elementi chimici con proprietà radioattive. In tutte le centrali nucleari, l'uranio è un tale elemento.
La progettazione delle stazioni implica che le centrali nucleari funzionino con combustibile composito complesso e non puro elemento chimico. E per estrarre il combustibile di uranio dall'uranio naturale, che viene caricato in un reattore nucleare, è necessario eseguire molte manipolazioni.
Uranio arricchito
L'uranio è costituito da due isotopi, cioè contiene nuclei con masse diverse. Sono stati nominati dal numero di protoni e neutroni isotopo -235 e isotopo-238. I ricercatori del 20 ° secolo hanno iniziato a estrarre l'uranio 235 dal minerale, perché. era più facile scomporsi e trasformarsi. Si è scoperto che esiste solo lo 0,7% di tale uranio in natura (le restanti percentuali sono andate al 238esimo isotopo).
Cosa fare in questo caso? Decisero di arricchire l'uranio. L'arricchimento dell'uranio è un processo in cui sono rimasti molti isotopi 235x necessari e pochi isotopi 238x non necessari. Il compito degli arricchitori di uranio è produrre quasi il 100% di uranio-235 dallo 0,7%.
L'uranio può essere arricchito utilizzando due tecnologie: diffusione di gas o centrifuga a gas. Per il loro utilizzo, l'uranio estratto dal minerale viene convertito in uno stato gassoso. Sotto forma di gas, è arricchito.
polvere di uranio
Il gas di uranio arricchito viene convertito in uno stato solido: biossido di uranio. Questo puro uranio solido 235 si presenta come grandi cristalli bianchi che vengono successivamente frantumati in polvere di uranio.
Compresse di uranio
I pellet di uranio sono rondelle di metallo solido, lunghe un paio di centimetri. Per modellare tali compresse dalla polvere di uranio, viene miscelato con una sostanza: un plastificante, migliora la qualità della pressatura delle compresse.
Le rondelle pressate vengono cotte a una temperatura di 1200 gradi Celsius per più di un giorno per conferire alle compresse una forza e una resistenza speciali alle alte temperature. Il modo in cui funziona direttamente una centrale nucleare dipende da quanto bene il combustibile di uranio viene compresso e cotto. 
Le compresse sono cotte in scatole di molibdeno, perché. solo questo metallo è in grado di non sciogliersi a temperature "infernali" superiori ai millecinquecento gradi. Successivamente, il combustibile all'uranio per le centrali nucleari è considerato pronto.
Cosa sono TVEL e TVS?
Il nocciolo del reattore sembra un enorme disco o tubo con buchi nelle pareti (a seconda del tipo di reattore), 5 volte di più corpo umano. Questi fori contengono combustibile di uranio, i cui atomi svolgono la reazione desiderata.
È impossibile semplicemente gettare carburante in un reattore, beh, se non si desidera ottenere un'esplosione dell'intera stazione e un incidente con conseguenze per un paio di stati vicini. Pertanto, il combustibile di uranio viene posto in barre di combustibile e quindi raccolto in gruppi di combustibile. Cosa significano queste abbreviazioni?
- TVEL - elemento combustibile (da non confondere con lo stesso nome dell'azienda russa che li produce). In realtà, questo è un tubo di zirconio sottile e lungo fatto di leghe di zirconio, in cui sono inserite palline di uranio. È nelle barre di combustibile che gli atomi di uranio iniziano a interagire tra loro, rilasciando calore durante la reazione.
Lo zirconio è stato scelto come materiale per la produzione di barre combustibili per le sue proprietà refrattarie e anticorrosione.
Il tipo di elementi di combustibile dipende dal tipo e dalla struttura del reattore. Di norma, la struttura e lo scopo delle barre di combustibile non cambiano, la lunghezza e la larghezza del tubo possono essere diverse. 
La macchina carica più di 200 pallini di uranio in un tubo di zirconio. In totale, circa 10 milioni di pellet di uranio lavorano contemporaneamente nel reattore.
FA - gruppo carburante. I lavoratori della centrale nucleare chiamano fasci di assemblaggi di carburante.
In effetti, questi sono diversi TVEL fissati insieme. Gli assemblaggi di combustibile sono combustibili nucleari già pronti, su cui funziona una centrale nucleare. Sono i gruppi di combustibile che vengono caricati in un reattore nucleare. In un reattore vengono collocati circa 150 - 400 gruppi di combustibile.
A seconda del reattore in cui opererà il gruppo di combustibile, lo sono forme diverse. A volte i fasci sono piegati a forma cubica, a volte cilindrica, a volte esagonale.
Un gruppo di combustibile per 4 anni di funzionamento genera la stessa quantità di energia di quando si bruciano 670 vagoni di carbone, 730 serbatoi di gas naturale o 900 serbatoi carichi di petrolio.
Oggi i gruppi di carburante vengono prodotti principalmente negli stabilimenti in Russia, Francia, Stati Uniti e Giappone.
Per fornire carburante per centrali nucleari ad altri paesi, i gruppi di carburante sono sigillati in tubi metallici lunghi e larghi, l'aria viene pompata fuori dai tubi e consegnata a bordo di aerei cargo da macchine speciali.
Il combustibile nucleare per le centrali nucleari pesa in modo proibitivo, tk. l'uranio è uno dei metalli più pesanti del pianeta. Il suo peso specifico è 2,5 volte quello dell'acciaio.
Centrale nucleare: principio di funzionamento
Qual è il principio di funzionamento di una centrale nucleare? Il principio di funzionamento delle centrali nucleari si basa su una reazione a catena di fissione di atomi di una sostanza radioattiva: l'uranio. Questa reazione avviene nel nocciolo di un reattore nucleare.
E' IMPORTANTE SAPERE:
Se non si entra nelle complessità della fisica nucleare, il principio di funzionamento di una centrale nucleare si presenta così:
Dopo l'avvio del reattore nucleare, le barre assorbenti vengono rimosse dalle barre di combustibile, che impediscono la reazione dell'uranio.
Non appena le barre vengono rimosse, i neutroni di uranio iniziano a interagire tra loro.
Quando i neutroni si scontrano, si verifica una mini-esplosione a livello atomico, l'energia viene rilasciata e nascono nuovi neutroni, inizia a verificarsi una reazione a catena. Questo processo rilascia calore.
Il calore viene trasferito al liquido di raffreddamento. A seconda del tipo di refrigerante, si trasforma in vapore o gas, che fa ruotare la turbina.
La turbina aziona un generatore elettrico. È lui che, infatti, genera elettricità.
Se non segui il processo, i neutroni di uranio possono entrare in collisione tra loro fino a quando il reattore non viene fatto saltare in aria e l'intera centrale nucleare viene ridotta in mille pezzi. I sensori del computer controllano il processo. Rilevano un aumento di temperatura o un cambiamento di pressione nel reattore e possono arrestare automaticamente le reazioni.
Qual è la differenza tra il principio di funzionamento delle centrali nucleari e delle centrali termiche (centrali termiche)?
Le differenze nel lavoro sono solo nelle prime fasi. Nelle centrali nucleari, il refrigerante riceve calore dalla fissione di atomi di combustibile di uranio, nelle centrali termiche, il refrigerante riceve calore dalla combustione di combustibile organico (carbone, gas o petrolio). Dopo che gli atomi di uranio o il gas con carbone hanno rilasciato calore, gli schemi di funzionamento delle centrali nucleari e delle centrali termiche sono gli stessi.
Tipi di reattori nucleari
Il funzionamento di una centrale nucleare dipende da come funziona il suo reattore nucleare. Oggi esistono due tipi principali di reattori, classificati in base allo spettro dei neuroni:
Un reattore a neutroni lenti, chiamato anche reattore termico.
Per il suo funzionamento viene utilizzato l'uranio 235, che passa attraverso le fasi di arricchimento, la creazione di compresse di uranio, ecc. Oggi, i reattori a neutroni lenti sono nella stragrande maggioranza.
Reattore a neutroni veloci.
Questi reattori sono il futuro, perché lavorano sull'uranio-238, che in natura è una monetina una dozzina e non è necessario arricchire questo elemento. Lo svantaggio di tali reattori è solo nei costi molto elevati per la progettazione, la costruzione e il lancio. Oggi i reattori a neutroni veloci funzionano solo in Russia.
Il refrigerante nei reattori a neutroni veloci è mercurio, gas, sodio o piombo. 
Anche i reattori a neutroni lenti, utilizzati oggi da tutte le centrali nucleari del mondo, sono di diversi tipi.
L'organizzazione IAEA (International Atomic Energy Agency) ha creato una propria classificazione, che viene utilizzata più spesso nell'industria nucleare mondiale. Poiché il principio di funzionamento di una centrale nucleare dipende in gran parte dalla scelta del refrigerante e del moderatore, l'AIEA ha basato la sua classificazione su queste differenze.
Da un punto di vista chimico, l'ossido di deuterio è un moderatore e refrigerante ideale, perché i suoi atomi interagiscono in modo più efficace con i neutroni dell'uranio rispetto ad altre sostanze. In poche parole, l'acqua pesante svolge il suo compito con perdite minime e massimi risultati. Tuttavia, la sua produzione costa denaro, mentre è molto più facile utilizzare la solita acqua "leggera" e familiare per noi.
Alcuni fatti sui reattori nucleari...
È interessante che un reattore di una centrale nucleare sia costruito per almeno 3 anni!
Per costruire un reattore, hai bisogno di attrezzature che funzionino corrente elettrica 210 chiloampere, che è un milione di volte la corrente che può uccidere una persona.
Un guscio (elemento strutturale) di un reattore nucleare pesa 150 tonnellate. Ci sono 6 di questi elementi in un reattore.
Reattore ad acqua pressurizzata
Abbiamo già scoperto come funziona la centrale nucleare in generale, per "risolvere" vediamo come funziona il reattore nucleare pressurizzato più diffuso.
Oggi in tutto il mondo vengono utilizzati reattori ad acqua pressurizzata di generazione 3+. Sono considerati i più affidabili e sicuri.
Tutti i reattori ad acqua pressurizzata del mondo in tutti gli anni del loro funzionamento in totale sono già riusciti a ottenere più di 1000 anni di funzionamento senza problemi e non hanno mai subito gravi deviazioni. 
La struttura delle centrali nucleari basate su reattori ad acqua pressurizzata implica che tra le barre di combustibile circoli acqua distillata, riscaldata a 320 gradi. Per evitare che vada allo stato di vapore, viene mantenuto sotto una pressione di 160 atmosfere. Lo schema NPP la chiama acqua primaria.
L'acqua riscaldata entra nel generatore di vapore e cede il suo calore all'acqua del circuito secondario, dopodiché “ritorna” nuovamente al reattore. Esternamente, sembra che i tubi del circuito idrico primario siano in contatto con altri tubi: l'acqua del secondo circuito, trasferiscono calore l'uno all'altro, ma le acque non entrano in contatto. I tubi sono in contatto.
Pertanto, è esclusa la possibilità che le radiazioni penetrino nell'acqua del circuito secondario, che parteciperà ulteriormente al processo di generazione di elettricità.
Sicurezza delle centrali nucleari
Avendo appreso il principio di funzionamento delle centrali nucleari, dobbiamo capire come è organizzata la sicurezza. La progettazione delle centrali nucleari richiede oggi una maggiore attenzione alle norme di sicurezza.
Il costo della messa in sicurezza dell'impianto nucleare è circa il 40% del costo totale dell'impianto stesso. 
Lo schema NPP comprende 4 barriere fisiche che impediscono il rilascio di sostanze radioattive. Cosa dovrebbero fare queste barriere? Al momento giusto, essere in grado di arrestare la reazione nucleare, garantire una costante rimozione del calore dal nocciolo e dal reattore stesso e impedire il rilascio di radionuclidi dal contenimento (zona di contenimento).
- La prima barriera è la forza dei pellet di uranio.È importante che non collassino sotto l'influenza delle alte temperature in un reattore nucleare. In molti modi, il funzionamento di una centrale nucleare dipende da come vengono "cotti" i pellet di uranio stato iniziale produzione. Se i pellet di combustibile all'uranio vengono cotti in modo errato, le reazioni degli atomi di uranio nel reattore saranno imprevedibili.
- La seconda barriera è la tenuta delle barre di combustibile. I tubi di zirconio devono essere sigillati ermeticamente, se la tenuta è rotta, nella migliore delle ipotesi il reattore verrà danneggiato e il lavoro verrà interrotto, nel peggiore dei casi tutto volerà in aria.
- La terza barriera è un robusto reattore in acciaio a, (lo stesso grande torre- zona di contenimento) che "contiene" in sé tutti i processi radioattivi. Lo scafo è danneggiato: le radiazioni verranno rilasciate nell'atmosfera.
- La quarta barriera sono le aste di protezione di emergenza. Sopra la zona attiva, delle aste con moderatori sono sospese su magneti, che possono assorbire tutti i neutroni in 2 secondi e fermare la reazione a catena.
Se, nonostante la costruzione di una centrale nucleare con molti gradi di protezione, non è possibile raffreddare il nocciolo del reattore al momento giusto e la temperatura del combustibile sale a 2600 gradi, allora entra in gioco l'ultima speranza del sistema di sicurezza - la cosiddetta trappola di fusione.
Il fatto è che a una tale temperatura il fondo del recipiente del reattore si scioglierà e tutti i resti di combustibile nucleare e strutture fuse fluiranno in uno speciale "vetro" sospeso sopra il nocciolo del reattore.
La trappola per fusione è refrigerata e refrattaria. È riempito con il cosiddetto "materiale sacrificale", che interrompe gradualmente la reazione a catena di fissione.
Pertanto, il regime NPP implica diversi gradi di protezione, che escludono quasi completamente qualsiasi possibilità di incidente.
Il dispositivo e il principio di funzionamento si basano sull'inizializzazione e sul controllo di una reazione nucleare autosufficiente. Viene utilizzato come strumento di ricerca, per la produzione di isotopi radioattivi e come fonte di energia per le centrali nucleari.
principio di funzionamento (brevemente)
Qui viene utilizzato un processo in cui un nucleo pesante si rompe in due frammenti più piccoli. Questi frammenti sono in uno stato altamente eccitato ed emettono neutroni, altre particelle subatomiche e fotoni. I neutroni possono causare nuove fissioni, a seguito delle quali vengono emessi più neutroni e così via. Una tale serie continua di scissioni autosufficienti è chiamata reazione a catena. Allo stesso tempo, mette in evidenza un gran numero di energia, la cui produzione è finalizzata all'utilizzo di centrali nucleari.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare è tale che circa l'85% dell'energia di fissione viene rilasciata entro un periodo di tempo molto breve dopo l'inizio della reazione. Il resto è prodotto dal decadimento radioattivo dei prodotti di fissione dopo che hanno emesso neutroni. Il decadimento radioattivo è il processo mediante il quale un atomo raggiunge uno stato più stabile. Continua anche dopo il completamento della divisione.
In una bomba atomica, la reazione a catena aumenta di intensità finché la maggior parte del materiale non è stata scissa. Ciò avviene molto rapidamente, producendo le esplosioni estremamente potenti caratteristiche di tali bombe. Il dispositivo e il principio di funzionamento di un reattore nucleare si basano sul mantenimento di una reazione a catena a un livello controllato, quasi costante. È progettato in modo tale da non poter esplodere come una bomba atomica.
Reazione a catena e criticità
La fisica di un reattore a fissione nucleare è che la reazione a catena è determinata dalla probabilità di fissione nucleare dopo l'emissione di neutroni. Se la popolazione di quest'ultimo diminuisce, il tasso di fissione alla fine scenderà a zero. In questo caso, il reattore sarà in uno stato subcritico. Se la popolazione di neutroni viene mantenuta a un livello costante, la velocità di fissione rimarrà stabile. Il reattore sarà in condizioni critiche. E infine, se la popolazione di neutroni cresce nel tempo, la velocità e la potenza di fissione aumenteranno. Lo stato del nucleo diventerà supercritico.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare è il seguente. Prima del suo lancio, la popolazione di neutroni è prossima allo zero. Gli operatori quindi rimuovono le barre di controllo dal nocciolo, aumentando la fissione nucleare, che mette temporaneamente il reattore in uno stato supercritico. Dopo aver raggiunto la potenza nominale, gli operatori restituiscono parzialmente le barre di controllo, regolando il numero di neutroni. In futuro, il reattore viene mantenuto in uno stato critico. Quando deve essere fermato, gli operatori inseriscono completamente le aste. Questo sopprime la fissione e porta il nucleo a uno stato subcritico.
Tipi di reattore
La maggior parte degli impianti nucleari del mondo produce energia, generando il calore necessario per far girare le turbine che azionano i generatori. energia elettrica. Ci sono anche molti reattori di ricerca e alcuni paesi hanno sottomarini o navi di superficie guidato dall'energia dell'atomo.
Centrali elettriche
Esistono diversi tipi di reattori di questo tipo, ma il design ad acqua leggera ha trovato ampia applicazione. A sua volta, può utilizzare acqua pressurizzata o acqua bollente. Nel primo caso, il liquido alta pressione riscaldato dal calore del nocciolo ed entra nel generatore di vapore. Lì, il calore del circuito primario viene trasferito al secondario, che contiene anche acqua. Il vapore eventualmente generato funge da fluido di lavoro nel ciclo della turbina a vapore.
Il reattore di tipo bollente funziona secondo il principio di un ciclo di energia diretto. L'acqua, passando attraverso la zona attiva, viene portata ad ebollizione a un livello di pressione medio. Il vapore saturo passa attraverso una serie di separatori ed essiccatori situati nel recipiente del reattore, che lo portano a uno stato surriscaldato. Il vapore acqueo surriscaldato viene quindi utilizzato come fluido di lavoro per far girare una turbina.
Raffreddamento a gas ad alta temperatura
Un reattore raffreddato a gas ad alta temperatura (HTGR) è un reattore nucleare il cui principio di funzionamento si basa sull'utilizzo di una miscela di grafite e microsfere di combustibile come combustibile. Ci sono due modelli in competizione:
- il sistema tedesco di "riempimento", che utilizza elementi di combustibile sferici da 60 mm, che sono una miscela di grafite e combustibile in un guscio di grafite;
- una versione americana sotto forma di prismi esagonali di grafite che si incastrano per formare una zona attiva.
In entrambi i casi il refrigerante è costituito da elio alla pressione di circa 100 atmosfere. Nel sistema tedesco, l'elio passa attraverso le fessure nello strato di elementi sferici di combustibile e nel sistema americano attraverso i fori nei prismi di grafite situati lungo l'asse della zona centrale del reattore. Entrambe le opzioni possono funzionare a temperature molto elevate, poiché la grafite ha un valore estremamente elevato alta temperatura sublimazione, e l'elio è completamente chimicamente inerte. L'elio caldo può essere utilizzato direttamente come fluido di lavoro in una turbina a gas ad alta temperatura, oppure il suo calore può essere utilizzato per generare vapore in un ciclo dell'acqua.
Metallo liquido e principio di funzionamento
I reattori a neutroni veloci raffreddati al sodio hanno ricevuto molta attenzione negli anni '60 e '70. Quindi sembrava che la loro capacità di riprodursi nel prossimo futuro fosse necessaria per la produzione di combustibile per l'industria nucleare in rapido sviluppo. Quando negli anni '80 divenne chiaro che questa aspettativa non era realistica, l'entusiasmo svanì. Tuttavia, un certo numero di reattori di questo tipo sono stati costruiti negli Stati Uniti, Russia, Francia, Gran Bretagna, Giappone e Germania. La maggior parte funziona con biossido di uranio o la sua miscela con biossido di plutonio. Negli Stati Uniti, invece, il maggior successo è stato con i propellenti metallici.
CANDO
Il Canada ha concentrato i suoi sforzi sui reattori che utilizzano l'uranio naturale. Ciò elimina la necessità per il suo arricchimento di ricorrere ai servizi di altri paesi. Il risultato di questa politica fu il reattore al deuterio-uranio (CANDU). Il controllo e il raffreddamento al suo interno vengono effettuati dall'acqua pesante. Il dispositivo e il principio di funzionamento di un reattore nucleare consiste nell'utilizzare un serbatoio con D 2 O freddo a pressione atmosferica. Il nucleo è perforato da tubi in lega di zirconio con combustibile di uranio naturale, attraverso il quale l'acqua pesante lo raffredda. L'elettricità viene prodotta trasferendo il calore di fissione in acqua pesante al refrigerante che viene fatto circolare attraverso il generatore di vapore. Il vapore nel circuito secondario passa quindi attraverso un ciclo di turbina convenzionale.
Strutture di ricerca
Per la ricerca scientifica, viene spesso utilizzato un reattore nucleare, il cui principio di funzionamento è l'uso del raffreddamento ad acqua e di elementi combustibili di uranio lamellare sotto forma di assiemi. In grado di funzionare su un'ampia gamma di livelli di potenza, da pochi kilowatt a centinaia di megawatt. Poiché la generazione di energia non è il compito principale dei reattori di ricerca, sono caratterizzati dall'energia termica generata, dalla densità e dall'energia nominale dei neutroni nel nucleo. Sono questi parametri che aiutano a quantificare la capacità di un reattore di ricerca di condurre indagini specifiche. I sistemi a bassa potenza sono generalmente utilizzati nelle università per l'insegnamento, mentre l'elevata potenza è necessaria nei laboratori di ricerca per i test sui materiali e sulle prestazioni e per la ricerca generale.
Il reattore nucleare di ricerca più comune, la cui struttura e principio di funzionamento è il seguente. La sua zona attiva si trova sul fondo di una grande pozza d'acqua profonda. Ciò semplifica l'osservazione e il posizionamento dei canali attraverso i quali i fasci di neutroni possono essere diretti. A bassi livelli potenza, non è necessario pompare il refrigerante, poiché la convezione naturale del refrigerante fornisce una rimozione del calore sufficiente per mantenere una condizione operativa sicura. Lo scambiatore di calore si trova solitamente sulla superficie o nella parte superiore della piscina dove si accumula l'acqua calda.
Impianti navali
L'applicazione originale e principale dei reattori nucleari è il loro utilizzo nei sottomarini. Il loro principale vantaggio è che, a differenza dei sistemi di combustione di combustibili fossili, non richiedono aria per generare elettricità. Pertanto, un sottomarino nucleare può rimanere sommerso per lunghi periodi di tempo, mentre un sottomarino diesel-elettrico convenzionale deve periodicamente risalire in superficie per avviare i suoi motori in aria. dà un vantaggio strategico alle navi militari. Grazie ad esso, non è necessario fare rifornimento in porti stranieri o da petroliere facilmente vulnerabili.
Il principio di funzionamento di un reattore nucleare su un sottomarino è classificato. Tuttavia, è noto che negli Stati Uniti utilizza uranio altamente arricchito e che il rallentamento e il raffreddamento vengono effettuati dall'acqua leggera. Il progetto del primo reattore del sottomarino nucleare USS Nautilus è stato fortemente influenzato da potenti strutture di ricerca. Il suo caratteristiche unicheè molto grande magazzino reattività, fornendo un lungo periodo lavorare senza rifornimento di carburante e la possibilità di ripartire dopo una sosta. La centrale elettrica nei sottomarini deve essere molto silenziosa per evitare il rilevamento. Per soddisfare le esigenze specifiche di varie classi di sottomarini, diversi modelli centrali elettriche.
Le portaerei della Marina degli Stati Uniti utilizzano un reattore nucleare, il cui principio si ritiene sia stato preso in prestito dai più grandi sottomarini. Anche i dettagli del loro design non sono stati pubblicati.
Oltre agli Stati Uniti, Gran Bretagna, Francia, Russia, Cina e India hanno sottomarini nucleari. In ogni caso, il design non è stato divulgato, ma si ritiene che siano tutti molto simili: questa è una conseguenza degli stessi requisiti per le loro caratteristiche tecniche. La Russia ha anche una piccola flotta equipaggiata con gli stessi reattori dei sottomarini sovietici.
Stabilimenti industriali
Ai fini della produzione viene utilizzato un reattore nucleare, il cui principio di funzionamento è un'elevata produttività con un basso livello di produzione di energia. Ciò è dovuto al fatto che una lunga permanenza del plutonio nel nucleo porta all'accumulo di 240 Pu indesiderati.
Produzione di trizio
Attualmente, il trizio (3 H o T) è il materiale principale prodotto da tali sistemi: la carica del plutonio-239 ha una lunga emivita di 24.100 anni, quindi i paesi con arsenali di armi nucleari che utilizzano questo elemento tendono ad averlo più del necessario. A differenza del 239 Pu, il trizio ha un'emivita di circa 12 anni. Pertanto, al fine di mantenere le riserve necessarie, questo isotopo radioattivo l'idrogeno deve essere prodotto continuamente. Negli Stati Uniti, Savannah River, nella Carolina del Sud, ad esempio, gestisce diversi reattori ad acqua pesante che producono trizio.
Unità di potenza galleggianti
Sono stati creati reattori nucleari in grado di fornire elettricità e riscaldamento a vapore ad aree remote e isolate. In Russia, ad esempio, hanno trovato impiego piccole centrali elettriche appositamente progettate per servire l'Artico. insediamenti. In Cina, un impianto HTR-10 da 10 MW fornisce calore ed elettricità all'istituto di ricerca in cui ha sede. Piccoli reattori controllati con capacità simili sono in fase di sviluppo in Svezia e Canada. Tra il 1960 e il 1972, l'esercito americano ha utilizzato reattori ad acqua compatti per alimentare basi remote in Groenlandia e in Antartide. Sono stati sostituiti da centrali elettriche a petrolio.
Esplorazione dello spazio
Inoltre, sono stati sviluppati reattori per l'alimentazione e il movimento nello spazio. Tra il 1967 e il 1988 Unione Sovietica ha installato piccoli impianti nucleari sui satelliti della serie Kosmos per alimentare apparecchiature e telemetria, ma questa politica è diventata oggetto di critiche. Almeno uno di questi satelliti è entrato nell'atmosfera terrestre, provocando la contaminazione radioattiva di aree remote del Canada. Gli Stati Uniti hanno lanciato un solo satellite a propulsione nucleare nel 1965. Tuttavia, continuano a essere sviluppati progetti per il loro utilizzo nei voli nello spazio profondo, nell'esplorazione con equipaggio di altri pianeti o su una base lunare permanente. Questo sarà necessariamente un reattore nucleare raffreddato a gas oa metallo liquido, i cui principi fisici forniranno la temperatura più alta possibile necessaria per ridurre al minimo le dimensioni del radiatore. Inoltre, il reattore del veicolo spaziale dovrebbe essere il più compatto possibile per ridurre al minimo la quantità di materiale utilizzato per la schermatura e per ridurre il peso durante il lancio e il volo spaziale. La fornitura di carburante garantirà il funzionamento del reattore per l'intero periodo del volo spaziale.