Svet atómu je taký fantastický, že jeho pochopenie si vyžaduje radikálny zlom v zaužívaných konceptoch priestoru a času. Atómy sú také malé, že ak by sa kvapka vody mohla zväčšiť na veľkosť Zeme, každý atóm v tejto kvapke by bol menší ako pomaranč. V skutočnosti jedna kvapka vody pozostáva zo 6000 miliárd (60000000000000000000000) atómov vodíka a kyslíka. A predsa, napriek svojej mikroskopickej veľkosti, má atóm štruktúru do určitej miery podobnú štruktúre našej slnečnej sústavy. V jeho nepochopiteľne malom strede, ktorého polomer je menší ako jedna biliónina centimetra, sa nachádza pomerne obrovské „slnko“ – jadro atómu.
Okolo tohto atómového „slnka“ sa točia drobné „planéty“ – elektróny. Jadro sa skladá z dvoch hlavných stavebných kameňov Vesmíru – protónov a neutrónov (majú jednotiaci názov – nukleóny). Elektrón a protón sú nabité častice a množstvo náboja v každej z nich je úplne rovnaké, ale náboje sa líšia znamienkom: protón je vždy kladne nabitý a elektrón je vždy záporný. Neutrón nenesie elektrický náboj a preto má veľmi vysokú priepustnosť.
V stupnici atómového merania sa hmotnosť protónu a neutrónu považuje za jednotu. Atómová hmotnosť akéhokoľvek chemického prvku teda závisí od počtu protónov a neutrónov obsiahnutých v jeho jadre. Napríklad atóm vodíka, ktorého jadro pozostáva len z jedného protónu, má atómovú hmotnosť 1. Atóm hélia s jadrom dvoch protónov a dvoch neutrónov má atómovú hmotnosť 4.
Jadrá atómov toho istého prvku obsahujú vždy rovnaký počet protónov, ale počet neutrónov môže byť rôzny. Atómy, ktoré majú jadrá s rovnakým počtom protónov, ale líšia sa počtom neutrónov a súvisia s odrodami toho istého prvku, sa nazývajú izotopy. Na ich vzájomné odlíšenie je k symbolu prvku priradené číslo, ktoré sa rovná súčtu všetkých častíc v jadre daného izotopu.
Môže vzniknúť otázka: prečo sa jadro atómu nerozpadne? Koniec koncov, protóny v ňom obsiahnuté sú elektricky nabité častice s rovnakým nábojom, ktoré sa musia navzájom odpudzovať veľkou silou. Vysvetľuje to skutočnosť, že vo vnútri jadra existujú aj takzvané intranukleárne sily, ktoré priťahujú častice jadra k sebe. Tieto sily kompenzujú odpudivé sily protónov a nedovoľujú, aby sa jadro samovoľne rozletelo.
Vnútrojadrové sily sú veľmi silné, ale pôsobia len veľmi blízko. Preto sa jadrá ťažkých prvkov, pozostávajúce zo stoviek nukleónov, ukazujú ako nestabilné. Častice jadra sú tu v neustálom pohybe (v rámci objemu jadra) a ak k nim pridáte ešte nejaké množstvo energie navyše, dokážu prekonať vnútorné sily – jadro sa rozdelí na časti. Množstvo tejto prebytočnej energie sa nazýva excitačná energia. Medzi izotopmi ťažkých prvkov sú také, ktoré sa zdajú byť na samom pokraji samorozpadu. Stačí len malé „zatlačenie“, napríklad jednoduchý zásah do jadra neutrónu (a to ani nemusí byť urýchlené na vysokú rýchlosť), aby sa jadrová štiepna reakcia rozbehla. Niektoré z týchto „štiepnych“ izotopov boli neskôr vyrobené umelo. V prírode existuje iba jeden takýto izotop - je to urán-235.
Urán objavil v roku 1783 Klaproth, ktorý ho izoloval z uránovej smoly a pomenoval ho po nedávno objavenej planéte Urán. Ako sa neskôr ukázalo, v skutočnosti nešlo o samotný urán, ale o jeho oxid. Získal sa čistý urán, striebristo biely kov
až v roku 1842 Peligot. Nový prvok nemal žiadne pozoruhodné vlastnosti a pozornosť vzbudil až v roku 1896, keď Becquerel objavil fenomén rádioaktivity uránových solí. Potom sa urán stal predmetom vedeckého výskumu a experimentov, no stále nemal praktické uplatnenie.
Keď sa v prvej tretine 20. storočia fyzikom viac-menej objasnila štruktúra atómového jadra, pokúsili sa v prvom rade splniť dávny sen alchymistov – pokúsili sa premeniť jeden chemický prvok na druhý. V roku 1934 francúzski výskumníci, manželia Frederic a Irene Joliot-Curieovci, informovali Francúzskej akadémii vied o nasledujúcom experimente: keď boli hliníkové platne bombardované časticami alfa (jadrá atómu hélia), atómy hliníka sa zmenili na atómy fosforu. , ale nie obyčajný, ale rádioaktívny, ktorý naopak prešiel do stabilného izotopu kremíka. Atóm hliníka sa teda po pridaní jedného protónu a dvoch neutrónov zmenil na ťažší atóm kremíka.
Táto skúsenosť viedla k myšlienke, že ak sú neutróny „obalené“ jadrami najťažšieho prvku v prírode – uránu, potom môžete získať taký prvok, ktorý v vivoč. V roku 1938 nemeckí chemici Otto Hahn a Fritz Strassmann vo všeobecnosti zopakovali skúsenosť manželov Joliot-Curieových, ktorí namiesto hliníka používali urán. Výsledky experimentu neboli vôbec také, aké očakávali – namiesto nového superťažkého prvku s hmotnostným číslom väčším ako má urán dostali Hahn a Strassmann ľahké prvky zo strednej časti periodickej sústavy: bárium, kryptón, bróm a niektoré ďalšie. Samotní experimentátori nedokázali pozorovaný jav vysvetliť. Až v nasledujúcom roku našla fyzika Lisa Meitner, ktorej Hahn oznámil svoje ťažkosti, správne vysvetlenie pozorovaného javu, podľa ktorého sa pri bombardovaní uránu neutrónmi jeho jadro rozštiepilo (rozštiepilo). V tomto prípade mali vzniknúť jadrá ľahších prvkov (tu sa zobralo bárium, kryptón a iné látky), ako aj uvoľnené 2-3 voľné neutróny. Ďalší výskum umožnil podrobne objasniť obraz toho, čo sa deje.
Prírodný urán pozostáva zo zmesi troch izotopov s hmotnosťou 238, 234 a 235. Hlavné množstvo uránu pripadá na izotop 238, ktorého jadro obsahuje 92 protónov a 146 neutrónov. Urán-235 je len 1/140 prírodného uránu (0,7 % (v jadre má 92 protónov a 143 neutrónov) a urán-234 (92 protónov, 142 neutrónov) je len 1/17 500 celkovej hmotnosti uránu ( 0 006% Najmenej stabilným z týchto izotopov je urán-235.
Z času na čas sa jadrá jeho atómov spontánne rozdelia na časti, v dôsledku čoho vznikajú ľahšie prvky periodického systému. Proces je sprevádzaný uvoľnením dvoch alebo troch voľných neutrónov, ktoré sa rútia obrovskou rýchlosťou - asi 10 000 km / s (nazývajú sa rýchle neutróny). Tieto neutróny môžu zasiahnuť iné jadrá uránu a spôsobiť jadrové reakcie. Každý izotop sa v tomto prípade správa inak. Jadrá uránu-238 vo väčšine prípadov jednoducho zachytávajú tieto neutróny bez akýchkoľvek ďalších transformácií. Ale asi v jednom z piatich prípadov, keď sa rýchly neutrón zrazí s jadrom izotopu 238, dôjde k zvláštnej jadrovej reakcii: jeden z neutrónov uránu-238 vyžaruje elektrón, ktorý sa zmení na protón, teda izotop uránu. zmení na viac
ťažkým prvkom je neptúnium-239 (93 protónov + 146 neutrónov). Neptúnium je však nestabilné - po niekoľkých minútach jeden z jeho neutrónov vyžaruje elektrón, ktorý sa zmení na protón, po ktorom sa izotop neptúnia zmení na ďalší prvok periodického systému - plutónium-239 (94 protónov + 145 neutrónov). Ak neutrón vstúpi do jadra nestabilného uránu-235, okamžite dôjde k štiepeniu - atómy sa rozpadajú s emisiou dvoch alebo troch neutrónov. Je jasné, že v prírodnom uráne, ktorého väčšina atómov patrí izotopu 238, nemá táto reakcia žiadne viditeľné následky – všetky voľné neutróny budú časom absorbované týmto izotopom.
Ale čo keď si predstavíme pomerne masívny kus uránu, ktorý pozostáva výlučne z izotopu 235?
Tu bude proces prebiehať inak: neutróny uvoľnené počas štiepenia niekoľkých jadier, ktoré zase padajú do susedných jadier, spôsobujú ich štiepenie. V dôsledku toho sa uvoľní nová časť neutrónov, ktorá rozdelí nasledujúce jadrá. Za priaznivých podmienok táto reakcia prebieha ako lavína a nazýva sa reťazová reakcia. Na spustenie môže stačiť niekoľko bombardujúcich častíc.
Vskutku, nech len 100 neutrónov bombarduje urán-235. Rozdelia 100 jadier uránu. V tomto prípade sa uvoľní 250 nových neutrónov druhej generácie (v priemere 2,5 na štiepenie). Neutróny druhej generácie už vytvoria 250 štiepení, pri ktorých sa uvoľní 625 neutrónov. V ďalšej generácii to bude 1562, potom 3906, potom 9670 a tak ďalej. Počet divízií sa bez obmedzenia zvýši, ak sa proces nezastaví.
V skutočnosti sa však do jadier atómov dostane len nepatrná časť neutrónov. Zvyšok, ktorý sa medzi nimi rýchlo rúti, je unášaný do okolitého priestoru. sebestačný reťazová reakcia môže vzniknúť iba v dostatočne veľkom poli uránu-235, ktorý, ako sa hovorí, má kritickú hmotnosť. (Táto omša o normálnych podmienkach sa rovná 50 kg.) Je dôležité poznamenať, že štiepenie každého jadra je sprevádzané uvoľnením obrovského množstva energie, čo je asi 300 miliónov krát viac ako energia vynaložená na štiepenie! (Bolo vypočítané, že pri úplnom štiepení 1 kg uránu-235 sa uvoľní rovnaké množstvo tepla ako pri spaľovaní 3 tisíc ton uhlia.)
Tento kolosálny príval energie, uvoľnený v priebehu niekoľkých okamihov, sa prejavuje ako výbuch obrovskej sily a je základom akcie jadrové zbrane. Aby sa však táto zbraň stala realitou, je potrebné, aby náboj netvoril prírodný urán, ale vzácny izotop – 235 (takýto urán sa nazýva obohatený). Neskôr sa zistilo, že čisté plutónium je tiež štiepnym materiálom a môže sa použiť v atómovom náboji namiesto uránu-235.
Všetky tieto dôležité objavy boli urobené v predvečer druhej svetovej vojny. Čoskoro sa v Nemecku a ďalších krajinách začali tajné práce na vytvorení atómovej bomby. V Spojených štátoch sa tento problém začal riešiť v roku 1941. Celý komplex prác dostal názov „Projekt Manhattan“.
Administratívne vedenie projektu vykonával generál Groves a vedecké smerovanie vykonával profesor Robert Oppenheimer z Kalifornskej univerzity. Obaja si boli dobre vedomí obrovskej zložitosti úlohy, ktorá pred nimi stála. Preto prvou Oppenheimerovou starosťou bolo získanie vysoko inteligentného vedeckého tímu. V Spojených štátoch bolo v tom čase veľa fyzikov, ktorí emigrovali nacistické Nemecko. Zapojiť ich do tvorby zbraní namierených proti ich bývalej vlasti nebolo jednoduché. Oppenheimer sa s každým rozprával osobne, pričom využil celú silu svojho šarmu. Čoskoro sa mu podarilo zhromaždiť malú skupinu teoretikov, ktorých žartom nazval „svetielkami“. A vlastne v nej boli najväčší odborníci tej doby v oblasti fyziky a chémie. (Je medzi nimi 13 laureátov Nobelovej ceny, medzi nimi Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Okrem nich tam bolo mnoho ďalších špecialistov rôzneho profilu.
Americká vláda na výdavkoch nešetrila a práca nadobudla od samého začiatku grandiózny rozsah. V roku 1942 bolo v Los Alamos založené najväčšie výskumné laboratórium na svete. Počet obyvateľov tohto vedeckého mesta čoskoro dosiahol 9 tisíc ľudí. Pokiaľ ide o zloženie vedcov, rozsah vedeckých experimentov, počet odborníkov a pracovníkov zapojených do práce, laboratórium v Los Alamos nemalo vo svetových dejinách obdobu. Projekt Manhattan mal vlastnú políciu, kontrarozviedku, komunikačný systém, sklady, osady, továrne, laboratóriá a svoj vlastný kolosálny rozpočet.
Hlavným cieľom projektu bolo získať dostatok štiepneho materiálu, z ktorého by bolo možné vytvoriť niekoľko atómových bômb. Okrem uránu-235, ako už bolo spomenuté, môže ako náplň bomby slúžiť umelý prvok plutónium-239, to znamená, že bombou môže byť urán alebo plutónium.
Groves a Oppenheimer sa zhodli, že práce by sa mali vykonávať súčasne v dvoch smeroch, pretože nie je možné vopred rozhodnúť, ktorý z nich bude sľubnejší. Obe metódy sa od seba zásadne líšili: akumulácia uránu-235 sa musela uskutočniť jeho oddelením od väčšiny prírodného uránu a plutónium bolo možné získať len ako výsledok riadenej jadrovej reakcie ožiarením uránu-238 neutróny. Obe cesty sa zdali nezvyčajne ťažké a nesľubovali ľahké riešenia.
Ako sa totiž dajú od seba oddeliť dva izotopy, ktoré sa len nepatrne líšia svojou hmotnosťou a chemicky sa správajú úplne rovnako? Veda ani technika nikdy nečelili takémuto problému. Produkcia plutónia sa tiež zdala spočiatku veľmi problematická. Predtým sa celá skúsenosť s jadrovými transformáciami zredukovala na niekoľko laboratórnych experimentov. Teraz bolo potrebné zvládnuť výrobu kilogramov plutónia v priemyselnom meradle, vyvinúť a vytvoriť na to špeciálne zariadenie - jadrový reaktor a naučiť sa riadiť priebeh jadrovej reakcie.
A tu a tam bolo treba vyriešiť celý komplex zložitých problémov. Preto „Projekt Manhattan“ pozostával z niekoľkých podprojektov, na čele ktorých stáli významní vedci. Samotný Oppenheimer bol šéfom Los Alamos vedecké laboratórium. Lawrence mal na starosti Radiačné laboratórium na Kalifornskej univerzite. Fermi viedol výskum na Chicagskej univerzite o vytvorení jadrového reaktora.
Najprv hlavný problém prijal urán. Pred vojnou tento kov vlastne nemal žiadne využitie. Teraz, keď bol okamžite potrebný vo veľkých množstvách, sa ukázalo, že neexistuje žiadny priemyselný spôsob jeho výroby.
Spoločnosť Westinghouse sa pustila do jeho vývoja a rýchlo dosiahla úspech. Po vyčistení uránovej živice (v tejto forme sa urán vyskytuje v prírode) a získaní oxidu uránu sa táto premenila na tetrafluorid (UF4), z ktorého sa elektrolýzou izoloval kovový urán. Ak na konci roku 1941 mali americkí vedci k dispozícii len niekoľko gramov kovového uránu, tak už v novembri 1942 jeho priemyselná produkcia v závodoch Westinghouse dosahovala 6000 libier mesačne.
Zároveň prebiehali práce na vytvorení jadrového reaktora. Proces výroby plutónia sa v skutočnosti scvrkol do ožarovania uránových tyčí neutrónmi, v dôsledku čoho sa časť uránu-238 musela zmeniť na plutónium. Zdrojom neutrónov by v tomto prípade mohli byť štiepne atómy uránu-235 rozptýlené v dostatočnom množstve medzi atómami uránu-238. Aby sa však udržala neustála reprodukcia neutrónov, musela sa začať reťazová reakcia štiepenia atómov uránu-235. Medzitým, ako už bolo spomenuté, na každý atóm uránu-235 pripadalo 140 atómov uránu-238. Je zrejmé, že neutróny letiace všetkými smermi mali oveľa väčšiu pravdepodobnosť, že sa s nimi na svojej ceste stretnú. To znamená, že obrovské množstvo uvoľnených neutrónov sa ukázalo byť bezvýsledne absorbované hlavným izotopom. Je zrejmé, že za takýchto podmienok by reťazová reakcia nemohla prebehnúť. Ako byť?
Spočiatku sa zdalo, že bez oddelenia dvoch izotopov je prevádzka reaktora vo všeobecnosti nemožná, ale čoskoro sa zistila jedna dôležitá okolnosť: ukázalo sa, že urán-235 a urán-238 sú citlivé na neutróny rôznych energií. Jadro atómu uránu-235 je možné rozdeliť neutrónom s relatívne nízkou energiou, ktorý má rýchlosť asi 22 m/s. Takéto pomalé neutróny nie sú zachytené jadrami uránu-238 - na to musia mať rýchlosť rádovo stoviek tisíc metrov za sekundu. Inými slovami, urán-238 je bezmocný, aby zabránil spusteniu a postupu reťazovej reakcie v uráne-235 spôsobenej neutrónmi spomalenými na extrémne nízke rýchlosti – nie viac ako 22 m/s. Tento jav objavil taliansky fyzik Fermi, ktorý od roku 1938 žil v USA a dohliadal na práce na vytvorení prvého reaktora tu. Fermi sa rozhodol použiť grafit ako moderátor neutrónov. Podľa jeho výpočtov mali neutróny emitované z uránu-235, ktoré prešli vrstvou grafitu 40 cm, znížiť svoju rýchlosť na 22 m/s a spustiť samoudržiavajúcu reťazovú reakciu v uráne-235.
Ako ďalší moderátor by mohla poslúžiť takzvaná „ťažká“ voda. Keďže atómy vodíka, ktoré ho tvoria, sú veľkosťou a hmotnosťou veľmi blízko neutrónov, mohli by ich najlepšie spomaliť. (S rýchlymi neutrónmi sa deje to isté ako s loptičkami: ak malá guľa narazí na veľkú, odkotúľa sa späť, takmer bez straty rýchlosti, ale keď sa stretne s malou guľôčkou, odovzdá jej značnú časť svojej energie - rovnako ako neutrón pri elastickej zrážke sa odrazí od ťažkého jadra len mierne spomaľuje a pri zrážke s jadrami atómov vodíka veľmi rýchlo stráca všetku svoju energiu.) Obyčajná voda však nie je vhodná na spomalenie, keďže jej vodík má tendenciu absorbovať neutróny. Práve preto by sa na tento účel malo používať deutérium, ktoré je súčasťou „ťažkej“ vody.
Začiatkom roku 1942 sa pod vedením Fermiho začala výstavba vôbec prvého jadrového reaktora na tenisovom kurte pod západnou tribúnou štadióna v Chicagu. Všetky práce vykonali samotní vedci. Reakciu je možné riadiť jediným spôsobom – úpravou počtu neutrónov zapojených do reťazovej reakcie. Fermi si to predstavoval pomocou tyčí vyrobených z materiálov, ako je bór a kadmium, ktoré silne absorbujú neutróny. Ako moderátor slúžili grafitové tehly, z ktorých fyzici postavili stĺpy vysoké 3 m a široké 1,2 m. Medzi ne boli osadené pravouhlé bloky s oxidom uránu. Do celej konštrukcie išlo asi 46 ton oxidu uránu a 385 ton grafitu. Na spomalenie reakcie slúžili kadmiové a bórové tyče zavedené do reaktora.
Ak by to nestačilo, tak pre istotu na plošine umiestnenej nad reaktorom stáli dvaja vedci s vedrami naplnenými roztokom kadmiových solí - mali ich naliať na reaktor, ak by sa reakcia vymkla kontrole. Našťastie to nebolo potrebné. 2. decembra 1942 Fermi nariadil vysunúť všetky riadiace tyče a experiment sa začal. O štyri minúty neskôr začali počítadlá neutrónov cvakať čoraz hlasnejšie. S každou minútou sa intenzita toku neutrónov zvyšovala. To naznačovalo, že v reaktore prebieha reťazová reakcia. Trvalo to 28 minút. Potom Fermi signalizoval a spustené tyče zastavili proces. Človek tak po prvý raz uvoľnil energiu atómového jadra a dokázal, že ho dokáže ovládať podľa ľubovôle. Teraz už nebolo pochýb o tom, že jadrové zbrane sú realitou.
V roku 1943 bol Fermiho reaktor demontovaný a prevezený do Aragónskeho národného laboratória (50 km od Chicaga). Bol tu zakrátko
bol vybudovaný ďalší jadrový reaktor, v ktorom bola ako moderátor použitá ťažká voda. Pozostávala z valcovej hliníkovej nádrže s obsahom 6,5 tony ťažkej vody, do ktorej bolo vertikálne naložených 120 tyčí kovového uránu, uzavretých v hliníkovom plášti. Sedem riadiacich tyčí bolo vyrobených z kadmia. Okolo nádrže bol grafitový reflektor, potom clona zo zliatin olova a kadmia. Celá konštrukcia bola uzavretá v betónovom plášti s hrúbkou steny cca 2,5 m.
Experimenty na týchto experimentálnych reaktoroch potvrdili možnosť priemyselnej výroby plutónia.
Hlavným centrom „Projektu Manhattan“ sa čoskoro stalo mestečko Oak Ridge v údolí rieky Tennessee, ktorého populácia sa za pár mesiacov rozrástla na 79 tisíc ľudí. Tu bol v krátkom čase vybudovaný prvý závod na výrobu obohateného uránu. Hneď v roku 1943 bol spustený priemyselný reaktor, ktorý produkoval plutónium. Vo februári 1944 sa z neho denne vyťažilo asi 300 kg uránu, z ktorého povrchu sa chemickou separáciou získavalo plutónium. (Na tento účel sa plutónium najskôr rozpustilo a potom sa vyzrážalo.) Vyčistený urán sa potom opäť vrátil do reaktora. V tom istom roku sa v neúrodnej, pustej púšti na južnom brehu rieky Columbia začala stavať obrovský závod Hanford. Boli tu umiestnené tri výkonné jadrové reaktory, ktoré denne dávali niekoľko stoviek gramov plutónia.
Súbežne s tým bol v plnom prúde výskum zameraný na vývoj priemyselného procesu obohacovania uránu.
Po zvážení rôznych možností sa Groves a Oppenheimer rozhodli zamerať na dve metódy: difúziu plynu a elektromagnetickú.
Metóda difúzie plynu bola založená na princípe známom ako Grahamov zákon (prvýkrát ho sformuloval v roku 1829 škótsky chemik Thomas Graham a v roku 1896 ho vyvinul anglický fyzik Reilly). V súlade s týmto zákonom, ak dva plyny, z ktorých jeden je ľahší ako druhý, prejdú cez filter so zanedbateľne malými otvormi, potom ním prejde o niečo viac ľahkého plynu ako ťažkého plynu. V novembri 1942 Urey a Dunning na Kolumbijskej univerzite vytvorili metódu plynovej difúzie na separáciu izotopov uránu založenú na Reillyho metóde.
Keďže prírodný urán je pevná látka, najprv sa premenil na fluorid uránu (UF6). Tento plyn potom prešiel mikroskopickými otvormi v prepážke filtra, ktoré dosahujú rádovo tisíciny milimetra.
Keďže rozdiel v molárnych hmotnostiach plynov bol veľmi malý, za prepážkou sa obsah uránu-235 zvýšil len 1,0002-násobne.
Aby sa množstvo uránu-235 ešte zvýšilo, výsledná zmes sa opäť prevedie cez prepážku a množstvo uránu sa opäť zvýši 1,0002-krát. Aby sa teda obsah uránu-235 zvýšil na 99 %, bolo potrebné prejsť plyn cez 4000 filtrov. Stalo sa to v obrovskom zariadení na difúziu plynov v Oak Ridge.
V roku 1940 sa pod vedením Ernsta Lawrencea na Kalifornskej univerzite začal výskum separácie izotopov uránu elektromagnetickou metódou. Takých bolo potrebné nájsť fyzikálnych procesov, čo by umožnilo separovať izotopy pomocou rozdielu v ich hmotnostiach. Lawrence sa pokúsil oddeliť izotopy pomocou princípu hmotnostného spektrografu - prístroja, ktorý určuje hmotnosti atómov.
Princíp jeho fungovania bol nasledovný: predionizované atómy boli urýchlené elektrickým poľom a potom prešli magnetickým poľom, v ktorom opísali kruhy umiestnené v rovine kolmej na smer poľa. Keďže polomery týchto trajektórií boli úmerné hmotnosti, ľahké ióny skončili na kruhoch s menším polomerom ako ťažké. Ak boli do dráhy atómov umiestnené pasce, potom bolo možné týmto spôsobom oddelene zbierať rôzne izotopy.
Taká bola metóda. V laboratórnych podmienkach dával dobré výsledky. Ale výstavba závodu, v ktorom by sa separácia izotopov mohla vykonávať v priemyselnom meradle, sa ukázala ako mimoriadne náročná. Lawrence však nakoniec dokázal prekonať všetky ťažkosti. Výsledkom jeho úsilia bol vzhľad calutronu, ktorý bol inštalovaný v obrovskom závode v Oak Ridge.
Táto elektromagnetická továreň bola postavená v roku 1943 a ukázalo sa, že je možno najdrahším nápadom projektu Manhattan. Lawrencova metóda si vyžadovala veľké množstvo zložitých, dosiaľ nevyvinutých zariadení zahŕňajúcich vysoké napätie, vysoké vákuum a silné magnetické polia. Náklady boli obrovské. Calutron mal obrovský elektromagnet, ktorého dĺžka dosahovala 75 m a vážila asi 4000 ton.
Niekoľko tisíc ton strieborného drôtu išlo do vinutia tohto elektromagnetu.
Celé dielo (okrem nákladov na striebro v hodnote 300 miliónov dolárov, ktoré Štátna pokladnica poskytla len dočasne) stálo 400 miliónov dolárov. Len za elektrinu spotrebovanú kalutrónom zaplatilo ministerstvo obrany 10 miliónov. Väčšina zariadení v továrni Oak Ridge bola v rozsahu a presnosti lepšia ako čokoľvek, čo sa kedy v tejto oblasti vyvinulo.
Ale všetky tieto výdavky neboli márne. Americkí vedci, ktorí minuli celkovo asi 2 miliardy dolárov, vytvorili do roku 1944 jedinečnú technológiu na obohacovanie uránu a výrobu plutónia. Medzitým v laboratóriu v Los Alamos pracovali na návrhu samotnej bomby. Princíp jeho fungovania bol vo všeobecnosti dlho jasný: štiepna látka (plutónium alebo urán-235) mala byť v čase výbuchu prevedená do kritického stavu (aby nastala reťazová reakcia, hmotnosť náboj musí byť dokonca výrazne väčší ako kritický) a ožiarený neutrónovým lúčom, čo znamená spustenie reťazovej reakcie.
Podľa výpočtov kritická hmotnosť nálože presiahla 50 kilogramov, ale mohla byť výrazne znížená. Vo všeobecnosti je veľkosť kritického množstva silne ovplyvnená niekoľkými faktormi. Čím väčší je povrch náboja, tým viac neutrónov je zbytočne emitovaných do okolitého priestoru. Guľa má najmenší povrch. V dôsledku toho majú sférické náboje, ak sú ostatné veci rovnaké, najmenšiu kritickú hmotnosť. Okrem toho hodnota kritickej hmotnosti závisí od čistoty a typu štiepnych materiálov. Je nepriamo úmerná druhej mocnine hustoty tohto materiálu, čo umožňuje napríklad zdvojnásobením hustoty znížiť kritickú hmotnosť štvornásobne. Požadovaný stupeň podkritickosti možno dosiahnuť napríklad zhutnením štiepneho materiálu v dôsledku výbuchu bežnej výbušnej nálože vytvorenej vo forme guľového obalu obklopujúceho jadrovú nálož. Kritická hmotnosť môže byť tiež znížená obklopením náboja clonou, ktorá dobre odráža neutróny. Ako takéto sito možno použiť olovo, berýlium, volfrám, prírodný urán, železo a mnohé ďalšie.
Jedna z možných konštrukcií atómovej bomby pozostáva z dvoch kusov uránu, ktoré po spojení vytvoria hmotnosť väčšiu ako je kritická. Aby ste spôsobili výbuch bomby, musíte ich čo najrýchlejšie spojiť. Druhá metóda je založená na použití smerom dovnútra konvergujúcej explózie. V tomto prípade prúd plynov z bežnej výbušniny smeroval na štiepny materiál nachádzajúci sa vo vnútri a stláčal ho, kým nedosiahol kritickú hmotnosť. Spojenie nálože a jej intenzívne ožiarenie neutrónmi, ako už bolo spomenuté, spôsobuje reťazovú reakciu, v dôsledku ktorej v prvej sekunde stúpne teplota na 1 milión stupňov. Počas tejto doby sa podarilo oddeliť len asi 5 % kritického množstva. Zvyšok nálože v skorých návrhoch bômb sa vyparil bez
nejaké dobré.
Prvá atómová bomba v histórii (dostala meno „Trinity“) bola zostavená v lete 1945. A 16. júna 1945 sa v púšti Alamogordo (Nové Mexiko) uskutočnil prvý atómový výbuch na Zemi. Bomba bola umiestnená v strede testovacieho miesta na vrchole 30-metrovej oceľovej veže. Okolo neho bolo vo veľkej vzdialenosti umiestnené nahrávacie zariadenie. Na 9 km bolo pozorovacie stanovište a na 16 km - veliteľské stanovište. Atómový výbuch urobil obrovský dojem na všetkých svedkov tejto udalosti. Podľa opisu očitých svedkov bol pocit, že veľa sĺnk sa spojilo do jedného a rozsvietilo polygón naraz. Potom sa nad planinou objavila obrovská ohnivá guľa a k nej sa začal pomaly a zlovestne dvíhať okrúhly oblak prachu a svetla.
Po vzlietnutí zo zeme vyletela táto ohnivá guľa za pár sekúnd do výšky viac ako tri kilometre. S každým okamihom sa zväčšoval, čoskoro jeho priemer dosiahol 1,5 km a pomaly stúpal do stratosféry. Ohnivá guľa potom ustúpila stĺpu víriaceho dymu, ktorý sa tiahol do výšky 12 km a mal podobu obrovskej huby. To všetko sprevádzal strašný rev, z ktorého sa triasla zem. Sila vybuchnutej bomby prekonala všetky očakávania.
Len čo to radiačná situácia dovolila, do priestoru výbuchu sa vrútilo niekoľko tankov Sherman, zvnútra obložených olovenými platňami. Na jednom z nich bol Fermi, ktorý dychtil vidieť výsledky svojej práce. Pred jeho očami sa objavila mŕtva spálená zem, na ktorej bol v okruhu 1,5 km zničený všetok život. Piesok sa spekal do sklovitej zelenkavej kôry, ktorá pokrývala zem. V obrovskom kráteri ležali zohavené zvyšky oceľovej podpornej veže. Sila výbuchu bola odhadnutá na 20 000 ton TNT.
Ďalším krokom malo byť bojové použitie bomby proti Japonsku, ktoré po kapitulácii fašistického Nemecka samo pokračovalo vo vojne s USA a ich spojencami. Vtedy neexistovali žiadne nosné rakety, takže bombardovanie sa muselo vykonávať z lietadla. Komponenty dvoch bômb prepravila s veľkou starostlivosťou USS Indianapolis na ostrov Tinian, kde sídlila 509. zložená skupina amerického letectva. Podľa typu náboja a konštrukcie sa tieto bomby od seba trochu líšili.
Prvá bomba - "Kid" - bola veľká letecká bomba atómový náboj z vysoko obohateného uránu-235. Jeho dĺžka bola asi 3 m, priemer - 62 cm, hmotnosť - 4,1 tony.
Druhá bomba - "Fat Man" - s náplňou plutónia-239 mala vajcovitý tvar s veľkorozmerným stabilizátorom. Jeho dĺžka
bola 3,2 m, priemer 1,5 m, hmotnosť - 4,5 tony.
6. augusta bombardér B-29 Enola Gay plukovníka Tibbetsa zhodil „Kid“ na veľké japonské mesto Hirošima. Bomba bola zhodená na padáku a explodovala, ako bolo plánované, vo výške 600 m od zeme.
Následky výbuchu boli strašné. Aj na samotných pilotov pôsobil pohľad na nimi v okamihu zničené pokojné mesto skľučujúcim dojmom. Neskôr jeden z nich priznal, že v tej chvíli videli to najhoršie, čo človek môže vidieť.
Pre tých, ktorí boli na zemi, to, čo sa dialo, vyzeralo ako skutočné peklo. V prvom rade nad Hirošimou prešla vlna horúčav. Jeho pôsobenie trvalo len niekoľko okamihov, ale bolo také silné, že roztavilo aj dlaždice a kryštály kremeňa v žulových doskách, premenilo telefónne stĺpy na uhlie na vzdialenosť 4 km a napokon tak spálilo ľudské telá, že z nich zostali len tiene. na asfalte chodníkov alebo na stenách domov. Potom spod ohnivej gule unikol príšerný poryv vetra a prehnal sa nad mesto rýchlosťou 800 km/h a zmietol všetko, čo mu stálo v ceste. Domy, ktoré nevydržali jeho zúrivý nápor, sa zrútili ako vyrúbané. V obrovskom kruhu s priemerom 4 km nezostala neporušená ani jedna budova. Niekoľko minút po výbuchu sa nad mestom prehnal čierny rádioaktívny dážď – táto vlhkosť sa zmenila na paru kondenzovanú vo vysokých vrstvách atmosféry a padala na zem v podobe veľkých kvapiek zmiešaných s rádioaktívnym prachom.
Po daždi zasiahol mesto nový nárazový vietor, ktorý tentoraz fúkal v smere epicentra. Bol slabší ako prvý, ale stále dosť silný na to, aby vyvracal stromy. Vietor rozdúchal gigantický oheň, v ktorom horelo všetko, čo mohlo horieť. Zo 76 000 budov bolo 55 000 úplne zničených a vyhorených. Svedkovia tejto hroznej katastrofy si spomínali na ľudové pochodne, z ktorých spálené šaty padali na zem spolu s kúskami kože, a na davy rozrušených ľudí, pokrytých strašnými popáleninami, ktorí sa s krikom rútili ulicami. Vo vzduchu bol cítiť dusivý zápach spáleného ľudského mäsa. Ľudia ležali všade, mŕtvi a umierali. Bolo veľa takých, ktorí boli slepí a hluchí a štuchajúc na všetky strany nedokázali nič rozoznať v chaose, ktorý okolo vládol.
Nešťastníci, ktorí boli od epicentra vo vzdialenosti až 800 m, vyhoreli v zlomku sekundy v doslovnom zmysle slova - ich vnútro sa vyparilo a ich telá sa zmenili na hrudky dymiaceho uhlíka. Nachádzali sa vo vzdialenosti 1 km od epicentra a postihla ich choroba z ožiarenia v mimoriadne ťažkej forme. V priebehu pár hodín začali silno vracať, teplota vyskočila na 39-40 stupňov, objavila sa dýchavičnosť a krvácanie. Potom sa na koži objavili nehojace sa vredy, zloženie krvi sa dramaticky zmenilo a vlasy vypadli. Po hroznom utrpení, zvyčajne na druhý alebo tretí deň, nastala smrť.
Celkovo zomrelo na výbuch a choroby z ožiarenia asi 240 tisíc ľudí. Prijatých asi 160 tis choroba z ožiarenia v ľahšej forme – ich bolestivá smrť sa oddialila o niekoľko mesiacov či rokov. Keď sa správa o katastrofe rozšírila po celej krajine, celé Japonsko bolo paralyzované strachom. Ešte viac sa zvýšil po tom, čo lietadlo Box Car majora Sweeneyho zhodilo 9. augusta druhú bombu na Nagasaki. Zahynulo a zranilo sa tu aj niekoľko stotisíc obyvateľov. Japonská vláda nedokázala odolať novým zbraniam a kapitulovala – atómová bomba ukončila druhú svetovú vojnu.
Vojna skončila. Trvalo to len šesť rokov, no dokázalo zmeniť svet a ľudí takmer na nepoznanie.
Ľudská civilizácia pred rokom 1939 a ľudská civilizácia po roku 1945 sa od seba nápadne líšia. Existuje na to veľa dôvodov, ale jedným z najdôležitejších je objavenie sa jadrových zbraní. Bez preháňania možno povedať, že tieň Hirošimy leží nad celou druhou polovicou 20. storočia. Stala sa hlbokou morálnou popáleninou pre mnoho miliónov ľudí, tak tých, ktorí boli súčasníkmi tejto katastrofy, ako aj tých, ktorí sa narodili desaťročia po nej. Moderný človek už nedokáže premýšľať o svete tak, ako sa myslelo pred 6. augustom 1945 – až príliš jasne chápe, že tento svet sa môže za pár okamihov zmeniť na nič.
Moderný človek sa nemôže pozerať na vojnu, ako to sledovali jeho starí otcovia a pradedovia – s istotou vie, že táto vojna bude posledná a nebudú v nej ani víťazi, ani porazení. Jadrové zbrane zanechali stopy vo všetkých sférach verejného života a moderná civilizácia nemôže žiť podľa rovnakých zákonov ako pred šesťdesiatimi či osemdesiatimi rokmi. Nikto tomu nerozumel lepšie ako samotní tvorcovia atómovej bomby.
„Ľudia našej planéty Robert Oppenheimer napísal, by sa mal zjednotiť. Hrôza a skaza zasiate poslednou vojnou nám diktujú túto myšlienku. Výbuchy atómových bômb to dokazovali so všetkou krutosťou. Iní ľudia inokedy povedali podobné slová - len o iných zbraniach a iných vojnách. Neuspeli. Kto však dnes hovorí, že tieto slová sú zbytočné, je oklamaný peripetiami dejín. Nemôžeme sa o tom presvedčiť. Výsledky našej práce neponechávajú ľudstvu inú možnosť, ako vytvoriť jednotný svet. Svet založený na práve a humanizme.“
Výbušná povaha
Jadro uránu obsahuje 92 protónov. Prírodný urán je prevažne zmesou dvoch izotopov: U238 (so 146 neutrónmi v jadre) a U235 (143 neutrónov), pričom druhý je len 0,7 % v prírodnom uráne. Chemické vlastnosti izotopy sú úplne identické, a preto ich nie je možné oddeliť chemickými metódami, ale rozdiel v hmotnostiach (235 a 238 jednotiek) to umožňuje fyzikálnymi metódami: zmes uránu sa premieňa na plyn (hexafluorid uránu), a potom čerpané cez nespočetné množstvo pórovitých priečok. Hoci izotopy uránu sú na nerozoznanie vzhľad, ani chemicky ich oddeľuje priepasť vo vlastnostiach jadrových znakov.
Proces štiepenia U238 je platený: neutrón prichádzajúci zvonku musí so sebou priniesť energiu 1 MeV alebo viac. A U235 je nezaujatý: na excitáciu a následný rozpad sa od prichádzajúceho neutrónu nič nevyžaduje, jeho väzbová energia v jadre úplne stačí.
Keď neutrón zasiahne jadro schopné štiepenia, vytvorí sa nestabilná zlúčenina, ktorá však veľmi rýchlo (v 10 14 c) emituje dva alebo tri nové neutróny, takže časom sa počet štiepnych jadier môže znásobiť (takejto reakcii sa hovorí reťazová reakcia). To je možné len v U235, pretože chamtivý U238 sa nechce odštiepiť od vlastných neutrónov, ktorých energia je rádovo menšia ako 1 MeV. Kinetická energia častíc - štiepnych produktov o mnoho rádov prevyšuje energiu uvoľnenú pri akomkoľvek akte chemickej reakcie, pri ktorej sa zloženie jadier nemení.
kritické zhromaždenie
Produkty štiepenia sú nestabilné a dlho trvá, kým sa „spamätajú“, pričom vyžarujú rôzne žiarenia (vrátane neutrónov). Neutróny, ktoré sú emitované po značnom čase (až desiatky sekúnd) po štiepení, sa nazývajú oneskorené neutróny a hoci ich podiel je malý v porovnaní s okamžitými (menej ako 1 %), úlohu, ktorú zohrávajú pri prevádzke jadrových zariadení, je najdôležitejšie.
Štiepne produkty počas početných zrážok s okolitými atómami im dodávajú energiu a zvyšujú teplotu. Keď sa neutróny objavia v zostave so štiepnym materiálom, výkon uvoľňovania tepla sa môže zvýšiť alebo znížiť a parametre zostavy, v ktorých je počet štiepení za jednotku času konštantný, sa nazývajú kritické. Kritickosť zostavy môže byť zachovaná ako pri veľkom, tak aj pri malom počte neutrónov (pri zodpovedajúco vyššej alebo nižšej rýchlosti uvoľňovania tepla). Tepelný výkon sa zvyšuje buď pumpovaním ďalších neutrónov do kritickej zostavy zvonku, alebo prevedením zostavy na superkritickú (potom ďalšie neutróny dodávajú stále početnejšie generácie štiepnych jadier). Napríklad, ak je potrebné zvýšiť tepelný výkon reaktora, uvedie sa do takého režimu, keď každá generácia rýchlych neutrónov je o niečo menej početná ako predchádzajúca, ale v dôsledku oneskorených neutrónov reaktor sotva postrehne kritický stav. Vtedy nezrýchľuje, ale naberá na sile pomaly – aby sa jeho rast mohol v správnom čase zastaviť zavedením absorbérov neutrónov (tyčiniek obsahujúcich kadmium alebo bór).
Neutróny produkované štiepením často preletia okolo okolitých jadier bez toho, aby spôsobili druhé štiepenie. Čím bližšie k povrchu materiálu sa neutrón narodí, tým je väčšia šanca, že vyletí zo štiepneho materiálu a už sa nikdy nevráti. Preto tvar zostavy, ktorý šetrí najväčší počet neutrónov, je guľa: pre danú hmotnosť hmoty má minimálny povrch. Neuzavretá (osamelá) guľa z 94 % U235 bez dutín vo vnútri sa stáva kritickou pri hmotnosti 49 kg a polomere 85 mm. Ak je zostavou toho istého uránu valec s dĺžkou rovnajúcou sa priemeru, stáva sa kritickým pri hmotnosti 52 kg. Povrch tiež klesá so zvyšujúcou sa hustotou. Preto môže výbušné stlačenie bez zmeny množstva štiepneho materiálu uviesť zostavu do kritického stavu. Práve tento proces je základom rozšírenej konštrukcie jadrovej nálože.
guľová zostava
Najčastejšie sa však v jadrových zbraniach nepoužíva urán, ale plutónium-239. Vyrába sa v reaktoroch ožarovaním uránu-238 silnými neutrónovými tokmi. Plutónium stojí asi šesťkrát viac ako U235, ale pri štiepení jadro Pu239 emituje v priemere 2,895 neutrónov – viac ako U235 (2,452). Okrem toho je vyššia pravdepodobnosť štiepenia plutónia. To všetko vedie k tomu, že osamelá guľa Pu239 sa stáva kritickou pri takmer o tretinu menšej hmotnosti ako uránová guľa, a čo je najdôležitejšie, pri menšom polomere, čo umožňuje zmenšiť rozmery kritickej zostavy.
Zostava je vyrobená z dvoch starostlivo namontovaných polovíc vo forme guľovej vrstvy (dutá vo vnútri); je zjavne podkritická - dokonca aj pre tepelné neutróny a dokonca aj po obklopení moderátorom. Okolo zostavy veľmi presne osadených blokov výbušnín je namontovaná nálož. Aby sa ušetrili neutróny, je potrebné zachovať ušľachtilý tvar gule počas výbuchu - na to musí byť vrstva výbušniny podkopaná súčasne po celom jej vonkajšom povrchu, čím sa zostava rovnomerne stlačí. Všeobecne sa verí, že to vyžaduje veľa elektrických rozbušiek. Ale to bolo len na úsvite „bombardovania“: na prevádzku mnohých desiatok rozbušiek bolo potrebných veľa energie a značná veľkosť iniciačného systému. V moderných náložiach sa používa niekoľko rozbušiek vybraných špeciálnou technikou, charakteristikami blízkych, z ktorých sa v drážkach vyfrézovaných v polykarbonátovej vrstve (ktorého tvar na guľovej ploche je odpaľovaný) odpaľujú vysoko stabilné (z hľadiska detonačnej rýchlosti) trhaviny. vypočítané pomocou metód Riemannovej geometrie). Detonácia rýchlosťou približne 8 km/s prebehne pozdĺž drážok úplne rovnakou vzdialenosťou, súčasne dosiahne otvory a odpáli hlavnú nálož - súčasne vo všetkých požadovaných bodoch.
Bang dovnútra
Výbuch smerujúci dovnútra stlačí zostavu tlakom viac ako milión atmosfér. Povrch zostavy sa zmenšuje, vnútorná dutina takmer zmizne v plutóniu, hustota sa zvyšuje a veľmi rýchlo - za desať mikrosekúnd preskočí stlačiteľná zostava kritický stav na tepelných neutrónoch a na rýchlych neutrónoch sa stane výrazne nadkritickým.
Po období určenom zanedbateľnou dobou bezvýznamného spomaľovania rýchlych neutrónov, každá ich nová početnejšia generácia pridáva štiepeniu do montážnej hmoty, ktorá už praská obludným tlakom, energiu 202 MeV. Na škále vyskytujúcich sa javov je pevnosť aj tých najlepších legovaných ocelí taká mizivá, že nikoho ani nenapadne brať ju do úvahy pri výpočte dynamiky výbuchu. Jediné, čo bráni tomu, aby sa zostava rozletela, je zotrvačnosť: na to, aby sa plutóniová guľa roztiahla len o 1 cm za desať nanosekúnd, je potrebné dať látke zrýchlenie, ktoré je desiatky biliónov krát väčšie ako zrýchlenie voľného jeseň, a to nie je ľahké.
Nakoniec sa hmota napriek tomu rozletí, štiepenie sa zastaví, ale proces sa tým nekončí: energia sa prerozdelí medzi ionizované fragmenty oddelených jadier a ostatné častice emitované počas štiepenia. Ich energia sa pohybuje rádovo v desiatkach až stovkách MeV, ale šancu vyhnúť sa interakcii s hmotou a „utiecť“ majú len elektricky neutrálne vysokoenergetické gama kvantá a neutróny. Nabité častice rýchlo strácajú energiu pri zrážkach a ionizáciách. V tomto prípade sa vyžaruje žiarenie – už však nie je tvrdé jadrové, ale mäkšie, s energiou o tri rády nižšou, no stále viac ako postačujúcou na vyradenie elektrónov z atómov – nielen z vonkajších obalov, ale všeobecne všetko. Neporiadok holých jadier, elektrónov z nich odstránených a žiarenie s hustotou gramov na centimeter kubický (skúste si predstaviť, ako dobre sa môžete opaľovať pod svetlom, ktoré nadobudlo hustotu hliníka!) - to všetko pred chvíľou bol náboj - dostáva sa do akejsi rovnováhy . Vo veľmi mladej ohnivej guli je stanovená teplota rádovo desiatok miliónov stupňov.
Ohnivá guľa
Mohlo by sa zdať, že aj mäkké, ale pohybujúce sa rýchlosťou svetla by žiarenie malo zanechávať ďaleko za látkou, ktorá ho vyvolala, ale nie je to tak: v studenom vzduchu je rozsah energetických kvánt keV v centimetroch a oni to robia. sa nepohybuje v priamom smere, ale mení smer pohybu, ktorý sa opätovne vyžaruje pri každej interakcii. Quanta ionizuje vzduch, šíri sa v ňom, ako čerešňová šťava naliata do pohára vody. Tento jav sa nazýva radiačná difúzia.
Mladá ohnivá guľa výbuchu o sile 100 kt, pár desiatok nanosekúnd po ukončení štiepenia, má polomer 3 m a teplotu takmer 8 miliónov kelvinov. Ale po 30 mikrosekundách je jeho polomer 18 m, avšak teplota klesne pod milión stupňov. Lopta požiera priestor a ionizovaný vzduch za jej prednou stranou sa takmer nehýbe: žiarenie na ňu počas difúzie nemôže preniesť významnú hybnosť. Ale pumpuje obrovskú energiu do tohto vzduchu, ohrieva ho, a keď energia žiarenia vyschne, guľa začne rásť v dôsledku expanzie horúcej plazmy a praskne zvnútra s tým, čo bývalo nábojom. Plazmová škrupina sa rozpína ako nafúknutá bublina a stáva sa tenšou. Na rozdiel od bubliny ju samozrejme nič nenafukuje: vo vnútri nezostala takmer žiadna látka, zotrvačnosťou to všetko letí zo stredu, ale 30 mikrosekúnd po výbuchu je rýchlosť tohto letu viac ako 100 km/s , a hydrodynamický tlak v látke - viac ako 150 000 atm! Škrupina nie je určená na to, aby sa stala príliš tenkou, praskne a vytvorí „pľuzgiere“.
Ktorý z mechanizmov prenosu energie ohnivej gule do prostredia prevládne, závisí od sily výbuchu: ak je veľký, hlavnú úlohu zohráva difúzia žiarenia, ak je malý, expanzia plazmovej bubliny. Je jasné, že je možný aj prechodný prípad, keď sú oba mechanizmy účinné.
Proces zachytáva nové vrstvy vzduchu, už nie je dostatok energie na odstránenie všetkých elektrónov z atómov. Energia ionizovanej vrstvy a úlomkov plazmovej bubliny vysychajú, už nie sú schopné posunúť pred sebou obrovskú hmotu a citeľne spomaliť. Ale to, čo bol vzduch pred výbuchom, sa pohne, odtrhne sa od lopty, pohltí ďalšie a ďalšie vrstvy studeného vzduchu... Začína sa vytváranie rázovej vlny.
Rázová vlna a atómový hríb
Keď sa rázová vlna oddelí od ohnivej gule, zmení sa charakteristika vyžarujúcej vrstvy a prudko sa zvýši sila žiarenia v optickej časti spektra (tzv. prvé maximum). Ďalej si konkurujú procesy luminiscencie a zmeny priehľadnosti okolitého vzduchu, čo vedie k realizácii druhého maxima, ktoré je síce menej výkonné, ale oveľa dlhšie – natoľko, že výstup svetelnej energie je väčší ako v prvé maximum.
V blízkosti výbuchu sa všetko naokolo vyparuje, preč - topí, ale ešte ďalej, kde tepelný tok už nestačí na roztavenie pevných látok, pôdy, skál, domy prúdia ako kvapalina pod monštruóznym tlakom plynu, ktorý ničí všetky pevné väzby, horúce až do neznesiteľného pre oči.žiara.
Nakoniec rázová vlna postupuje ďaleko od bodu výbuchu, kde zostáva uvoľnený a zoslabnutý, ale mnohonásobne expandovaný oblak kondenzovaných pár, ktorý sa zmenil na najmenší a veľmi rádioaktívny prach toho, čo bolo plazmou nálože a čo. ukázalo sa, že je vo svojej hroznej hodine blízko k miestu, od ktorého by sa človek mal držať čo najďalej. Oblak začína stúpať. Ochladzuje sa, mení svoju farbu, „nasadzuje“ si bielu čiapku skondenzovanej vlhkosti, po ktorej nasleduje prach z povrchu zeme, tvoriaci „nohu“ toho, čo sa bežne nazýva „atómový hríb“.
neutrónová iniciácia
Pozorní čitatelia vedia s ceruzkou v ruke odhadnúť uvoľnenie energie pri výbuchu. Keď je zostava v superkritickom stave rádovo mikrosekúnd, vek neutrónov je rádovo pikosekundy a multiplikačný faktor je menší ako 2, uvoľní sa asi gigajoul energie, čo zodpovedá .. 250 kg TNT. A kde sú tie kilo- a megatony?
Faktom je, že reťazec štiepení v zostave nezačína jediným neutrónom: v požadovanej mikrosekunde sa ich do superkritickej zostavy vstreknú milióny. V prvých jadrových náložiach sa na to používali izotopové zdroje umiestnené v dutine vo vnútri plutóniovej zostavy: polónium-210 sa v momente kompresie spojilo s berýliom a svojimi alfa časticami spôsobilo emisiu neutrónov. Všetky izotopové zdroje sú však dosť slabé (v prvom americkom produkte sa vygenerovalo menej ako milión neutrónov za mikrosekundu) a polónium už veľmi rýchlo podlieha skaze – len za 138 dní zníži svoju aktivitu na polovicu. Preto boli izotopy nahradené menej nebezpečnými (vo vypnutom stave nevyžarujúce), a čo je najdôležitejšie, intenzívnejšie emitujúcimi neutrónovými trubicami (pozri bočný panel): stovky miliónov neutrónov sa rodia v priebehu niekoľkých mikrosekúnd (trvanie impulzu tvoreného tzv. trubica). Ak to však nefunguje alebo nefunguje v správnom čase, dôjde k takzvanému prasknutiu alebo „zilch“ - tepelnému výbuchu s nízkym výkonom.
Neutrónová iniciácia nielen zvyšuje uvoľnenie energie jadrového výbuchu o mnoho rádov, ale umožňuje ho aj regulovať! Je zrejmé, že po prijatí bojovej misie, v ktorej formulácii je nevyhnutne uvedená sila jadrového úderu, nikto nerozoberá náboj, aby ho vybavil plutóniovou zostavou, ktorá je optimálna pre danú silu. V munícii s prepínateľným ekvivalentom TNT stačí jednoducho zmeniť napájacie napätie neutrónovej trubice. V súlade s tým sa zmení výťažok neutrónov a uvoľňovanie energie (samozrejme, keď sa výkon zníži týmto spôsobom, veľa drahého plutónia sa premrhá).
O potrebe regulácie uvoľňovania energie však začali uvažovať oveľa neskôr a v prvých povojnových rokoch o znížení výkonu nemohlo byť ani reči. Výkonnejší, výkonnejší a výkonnejší! Ukázalo sa však, že prípustné rozmery podkritickej sféry majú jadrovo-fyzikálne a hydrodynamické obmedzenia. Ekvivalent TNT explózie stoviek kiloton sa blíži k fyzikálnemu limitu pre jednofázovú muníciu, v ktorej dochádza len k štiepeniu. V dôsledku toho sa upustilo od štiepenia ako hlavného zdroja energie a spoliehali sa na reakcie inej triedy - syntézu.
jadrové bludy
Hustota plutónia v okamihu výbuchu sa zvyšuje v dôsledku fázového prechodu
Kovové plutónium existuje v šiestich fázach, ktorých hustota je od 14,7 do 19,8 g/cm3. Pri teplotách pod 119 °C je monoklinická alfa fáza (19,8 g/cm3), ale takéto plutónium je veľmi krehké a v kubickej plošne centrovanej delta fáze (15,9) je tvárne a dobre spracovateľné (práve táto fáza ktoré sa snažia dodržať legovacími prísadami). Počas detonačnej kompresie nemôžu nastať žiadne fázové prechody – plutónium je v kvázi kvapalnom stave. Fázové prechody sú vo výrobe nebezpečné: keď veľké veľkostičasti, aj pri miernej zmene hustoty je možné dosiahnuť kritický stav. Samozrejme, nedôjde k výbuchu - obrobok sa jednoducho zahreje, ale niklovanie sa môže resetovať (a plutónium je veľmi toxické).
zdroj neutrónov
Prvé jadrové bomby používali zdroj neutrónov berýlium-polónium. V moderných nábojoch sa používajú oveľa pohodlnejšie neutrónové trubice. Vo vákuovej neutrónovej trubici medzi terčom (katódou) nasýteným tríciom (1) a anódovou zostavou (2) sa aplikuje impulzné napätie 100 kV. Keď je napätie maximálne, je potrebné, aby sa medzi anódou a katódou objavili ióny deutéria, ktoré treba urýchliť. Na to sa používa iónový zdroj. Na jeho anódu (3) je aplikovaný zapaľovací impulz a výboj prechádzajúci po povrchu keramiky nasýtenej deutériom (4) vytvára ióny deutéria. Pri zrýchlení bombardujú terč nasýtený tríciom, v dôsledku čoho sa uvoľní energia 17,6 MeV a vytvoria sa neutróny a jadrá hélia-4.
Z hľadiska zloženia častíc a dokonca aj energetického výťažku je táto reakcia totožná s fúziou – procesom fúzie ľahkých jadier. V 50. rokoch 20. storočia mnohí verili, že ide o fúziu, ale neskôr sa ukázalo, že v trubici dochádza k „rozpadu“: buď protón alebo neutrón (ktorého deutériový ión urýchľuje elektrické pole) „uviazne“ cieľové jadro (trícium). Ak protón upadne, neutrón sa odlomí a uvoľní sa.
Neutróny - pomalé a rýchle
V neštiepnej látke, „odskakujúcej“ jadrá, im neutróny odovzdávajú časť svojej energie, čím väčšie, tým ľahšie (hmotnostne bližšie) jadrá sú. Než v viac zrážky zahŕňajú neutróny, tým viac sa spomaľujú a potom sa nakoniec dostanú do tepelnej rovnováhy s okolitou hmotou - termalizujú (to trvá milisekundy). Rýchlosť tepelných neutrónov je 2200 m/s (energia 0,025 eV). Neutróny môžu z moderátora uniknúť, sú zachytené jeho jadrami, ale so spomalením sa ich schopnosť vstúpiť do jadrových reakcií výrazne zvyšuje, takže neutróny, ktoré sa „nestratí“, viac ako kompenzujú pokles počtu.
Ak je teda guľa štiepnej hmoty obklopená moderátorom, veľa neutrónov opustí moderátora alebo sa v ňom pohltí, no nájdu sa aj také, ktoré sa do gule vrátia („odrazia“) a keď stratia energiu, je oveľa pravdepodobnejšie, že spôsobia štiepne akty. Ak je guľa obklopená vrstvou berýlia s hrúbkou 25 mm, potom možno ušetriť 20 kg U235 a zostava sa stále dostane do kritického stavu. Takéto úspory sa však vyplácajú časom: každá nasledujúca generácia neutrónov, skôr než spôsobí štiepenie, sa musí najskôr spomaliť. Toto oneskorenie znižuje počet generácií neutrónov produkovaných za jednotku času, čo znamená, že uvoľňovanie energie je oneskorené. Čím menej štiepneho materiálu je v zostave, tým viac moderátora je potrebných na rozvoj reťazovej reakcie a štiepenie prebieha na neutrónoch s čoraz nižšou energiou. V hraničnom prípade, keď sa kritickosť dosiahne iba na tepelných neutrónoch, napríklad v roztoku uránových solí v dobrom moderátore - vode, je hmotnosť zostáv stovky gramov, ale roztok jednoducho pravidelne vrie. Uvoľnené bublinky pary znížia priemernú hustotu štiepnej látky, reťazová reakcia sa zastaví a keď bubliny opustia kvapalinu, štiepny záblesk sa zopakuje (ak upcháte nádobu, para ju rozbije - bude to však tepelný výbuch , bez všetkých typických "jadrových" znakov).
Video: Jadrové výbuchy
Prihláste sa na odber a prečítajte si naše najlepšie publikácie Yandex.Zen. Pozrite si krásne fotografie z celého sveta na našej stránke v Instagram
Ak nájdete chybu, vyberte časť textu a stlačte Ctrl+Enter.
Jadrový reaktor funguje hladko a presne. V opačnom prípade, ako viete, budú problémy. Ale čo sa deje vo vnútri? Skúsme stručne, prehľadne, so zastávkami sformulovať princíp fungovania jadrového (atómového) reaktora.
V skutočnosti tam prebieha rovnaký proces ako pri jadrovom výbuchu. Až teraz dôjde k výbuchu veľmi rýchlo a v reaktore sa to všetko natiahne dlho. Nakoniec všetko zostane v bezpečí a my dostaneme energiu. Nie až tak, že by sa všetko naokolo okamžite rozbilo, ale celkom dosť na to, aby zabezpečilo mestu elektrinu.
Predtým, ako pochopíte, ako funguje riadená jadrová reakcia, musíte vedieť čo jadrovej reakcie všeobecne.
jadrovej reakcie - ide o proces premeny (štiepenia) atómových jadier pri ich interakcii s elementárnymi časticami a gama kvantami.
Jadrové reakcie môžu prebiehať tak s absorpciou, ako aj s uvoľňovaním energie. V reaktore sa používajú druhé reakcie.
Nukleárny reaktor - Ide o zariadenie, ktorého účelom je udržiavať riadenú jadrovú reakciu s uvoľňovaním energie.
Jadrový reaktor sa často nazýva aj jadrový reaktor. Všimnite si, že tu nie je žiadny zásadný rozdiel, ale z hľadiska vedy je správnejšie použiť slovo "jadrový". V súčasnosti existuje veľa typov jadrových reaktorov. Ide o obrovské priemyselné reaktory určené na výrobu energie v elektrárňach, jadrové podmorské reaktory, malé experimentálne reaktory používané pri vedeckých experimentoch. Existujú dokonca reaktory používané na odsoľovanie morskej vody.
História vzniku jadrového reaktora
Prvý jadrový reaktor bol spustený v nie tak vzdialenom roku 1942. Stalo sa tak v USA pod vedením Fermiho. Tento reaktor sa nazýval „Chicago woodpile“.
V roku 1946 bol spustený prvý sovietsky reaktor pod vedením Kurčatova. Telo tohto reaktora bola guľa s priemerom sedem metrov. Prvé reaktory nemali chladiaci systém a ich výkon bol minimálny. Mimochodom, sovietsky reaktor mal priemerný výkon 20 wattov, kým americký len 1 watt. Pre porovnanie: priemerný výkon moderných energetických reaktorov je 5 gigawattov. Necelých desať rokov po spustení prvého reaktora bola v meste Obninsk otvorená prvá priemyselná jadrová elektráreň na svete.
Princíp činnosti jadrového (atómového) reaktora
Každý jadrový reaktor má niekoľko častí: jadro s palivo a moderátor , neutrónový reflektor , chladiaca kvapalina , kontrolný a ochranný systém . Izotopy sú najčastejšie používané palivo v reaktoroch. urán (235, 238, 233), plutónium (239) a tória (232). Aktívna zóna je kotol, cez ktorý prúdi obyčajná voda (chladiaca kvapalina). Spomedzi iných chladív sa menej bežne používa „ťažká voda“ a tekutý grafit. Ak hovoríme o prevádzke jadrovej elektrárne, tak na výrobu tepla slúži jadrový reaktor. Samotná elektrina sa vyrába rovnakým spôsobom ako v iných typoch elektrární – para roztáča turbínu a energia pohybu sa premieňa na elektrickú energiu.
Nižšie je uvedený diagram činnosti jadrového reaktora.
Ako sme už povedali, pri rozpade ťažkého jadra uránu vznikajú ľahšie prvky a niekoľko neutrónov. Výsledné neutróny sa zrážajú s inými jadrami, čo tiež spôsobuje ich štiepenie. V tomto prípade počet neutrónov rastie ako lavína.
Tu je potrebné spomenúť multiplikačný faktor neutrónov . Ak teda tento koeficient prekročí hodnotu rovnajúcu sa jednej, dôjde k jadrovému výbuchu. Ak je hodnota menšia ako jedna, neutrónov je príliš málo a reakcia zaniká. Ale ak udržíte hodnotu koeficientu rovnú jednej, reakcia bude prebiehať dlho a stabilne.
Otázkou je, ako na to? V reaktore je palivo v tzv palivové prvky (TVELah). Sú to tyčinky, v ktorých sa vo forme malých tabliet jadrové palivo . Palivové tyče sú spojené do šesťhranných kaziet, ktorých môžu byť v reaktore stovky. Kazety s palivovými tyčami sú umiestnené vertikálne, pričom každá palivová tyč má systém, ktorý umožňuje nastaviť hĺbku jej ponorenia do jadra. Okrem samotných kaziet sú medzi nimi aj ovládacie tyče a núdzové ochranné tyče . Tyčinky sú vyrobené z materiálu, ktorý dobre pohlcuje neutróny. Riadiace tyče teda môžu byť spustené do rôznych hĺbok v jadre, čím sa upraví faktor násobenia neutrónov. Havarijné tyče sú určené na odstavenie reaktora v prípade havarijnej situácie.
Ako sa spúšťa jadrový reaktor?
Prišli sme na samotný princíp fungovania, ale ako spustiť a zabezpečiť fungovanie reaktora? Zhruba povedané, je to tu - kúsok uránu, ale reťazová reakcia sa v ňom napokon nespustí sama od seba. Faktom je, že v jadrovej fyzike existuje koncept kritické množstvo .
Kritická hmotnosť je množstvo štiepneho materiálu potrebného na spustenie reťazovej jadrovej reakcie.
Pomocou palivových článkov a regulačných tyčí sa v reaktore najskôr vytvorí kritické množstvo jadrového paliva a následne sa reaktor v niekoľkých stupňoch uvedie na optimálnu úroveň výkonu.
V tomto článku sme sa vám pokúsili dať Všeobecná myšlienka o projekte a princípe činnosti jadrového (atómového) reaktora. Ak máte akékoľvek otázky k téme alebo sa univerzita pýtala na problém z jadrovej fyziky, kontaktujte nás špecialistov našej spoločnosti. Ako obvykle sme pripravení pomôcť vám vyriešiť akýkoľvek naliehavý problém vášho štúdia. Medzitým to robíme, vaša pozornosť je ďalším vzdelávacím videom!
Jadrová energia je moderný a rýchlo sa rozvíjajúci spôsob výroby elektriny. Viete, ako sú usporiadané jadrové elektrárne? Aký je princíp fungovania jadrovej elektrárne? Aké typy jadrových reaktorov dnes existujú? Pokúsime sa podrobne zvážiť schému prevádzky jadrovej elektrárne, ponoriť sa do štruktúry jadrového reaktora a zistiť, aký bezpečný je atómový spôsob výroby elektriny.
Každá stanica je uzavretá oblasť ďaleko od obytnej oblasti. Na jeho území sa nachádza niekoľko budov. Najdôležitejšou budovou je budova reaktora, vedľa nej je turbínová hala, z ktorej je reaktor riadený, a bezpečnostná budova.
Schéma je nemožná bez jadrového reaktora. Atómový (jadrový) reaktor je zariadenie jadrovej elektrárne, ktoré je určené na organizovanie reťazovej reakcie štiepenia neutrónov s povinným uvoľňovaním energie v tomto procese. Aký je však princíp fungovania jadrovej elektrárne?
Celý reaktorový blok je umiestnený v budove reaktora, veľkej betónovej veži, ktorá ukrýva reaktor a v prípade havárie bude obsahovať všetky produkty jadrovej reakcie. Táto veľká veža sa nazýva kontajnment, hermetický plášť alebo kontajnment.
Kontajnmentová zóna v nových reaktoroch má 2 hrubé betónové steny – škrupiny.
Vonkajší plášť s hrúbkou 80 cm chráni oblasť kontajnmentu pred vonkajšími vplyvmi.
Vnútorný plášť s hrúbkou 1 meter 20 cm má vo svojom zariadení špeciálne oceľové laná, ktoré zvyšujú pevnosť betónu takmer trojnásobne a nedovolia, aby sa konštrukcia rozpadla. Z vnútornej strany je obložený tenkým plechom zo špeciálnej ocele, ktorý má slúžiť ako dodatočná ochrana kontajnmentu a v prípade havárie zabrániť úniku obsahu reaktora mimo priestor kontajnmentu.
Takéto zariadenie jadrovej elektrárne odolá pádu lietadla s hmotnosťou až 200 ton, zemetraseniu s magnitúdou 8, tornádu a cunami.
Prvý pretlakový kryt bol postavený v americkej jadrovej elektrárni Connecticut Yankee v roku 1968.
Celková výška kontajnmentu je 50-60 metrov.
Z čoho je vyrobený jadrový reaktor?
Aby ste pochopili princíp fungovania jadrového reaktora, a teda princíp fungovania jadrovej elektrárne, musíte pochopiť komponenty reaktora. 
- aktívna zóna. Toto je oblasť, kde je umiestnené jadrové palivo (uvoľňovač tepla) a moderátor. Atómy paliva (najčastejším palivom je urán) vykonávajú reťazovú štiepnu reakciu. Moderátor je určený na riadenie procesu štiepenia a umožňuje vám vykonať požadovanú reakciu z hľadiska rýchlosti a sily.
- Neutrónový reflektor. Reflektor obklopuje aktívnu zónu. Pozostáva z rovnakého materiálu ako moderátor. V skutočnosti ide o schránku, ktorej hlavným účelom je zabrániť neutrónov opustiť jadro a dostať sa do okolia.
- Chladiaca kvapalina. Chladiaca kvapalina musí absorbovať teplo, ktoré sa uvoľnilo pri štiepení atómov paliva a odovzdať ho iným látkam. Chladivo do značnej miery určuje, ako je navrhnutá jadrová elektráreň. Najpopulárnejšou chladiacou kvapalinou je dnes voda.
Riadiaci systém reaktora. Senzory a mechanizmy, ktoré uvádzajú do činnosti reaktor jadrovej elektrárne.
Palivo pre jadrové elektrárne
Čo robí jadrová elektráreň? Palivo pre jadrové elektrárne sú chemické prvky s rádioaktívnymi vlastnosťami. Vo všetkých jadrových elektrárňach je takýmto prvkom urán.
Z konštrukcie staníc vyplýva, že jadrové elektrárne pracujú na komplexnom zloženom palive a nie na čistom chemickom prvku. A aby ste mohli extrahovať uránové palivo z prírodného uránu, ktorý je naložený do jadrového reaktora, musíte vykonať veľa manipulácií.
Obohatený urán
Urán sa skladá z dvoch izotopov, to znamená, že obsahuje jadrá s rôznou hmotnosťou. Boli pomenované podľa počtu protónov a neutrónov izotop -235 a izotop-238. Výskumníci 20. storočia začali ťažiť urán 235 z rudy, pretože. bolo ľahšie rozložiť a premeniť. Ukázalo sa, že takéhoto uránu je v prírode len 0,7 % (zvyšné percentá išli na 238. izotop).
Čo robiť v tomto prípade? Rozhodli sa obohatiť urán. Obohacovanie uránu je proces, keď v ňom zostáva veľa potrebných izotopov 235x a málo zbytočných izotopov 238x. Úlohou obohacovačov uránu je vyrobiť takmer 100% urán-235 z 0,7%.
Urán je možné obohacovať pomocou dvoch technológií – plynovej difúzie alebo plynovej odstredivky. Na ich použitie sa urán extrahovaný z rudy premieňa na plynné skupenstvo. Vo forme plynu sa obohacuje.
uránový prášok
Obohatený plynný urán sa premieňa na pevné skupenstvo – oxid uraničitý. Tento čistý pevný urán 235 vyzerá ako veľké biele kryštály, ktoré sa neskôr rozdrvia na uránový prášok.
Uránové tablety
Uránové pelety sú pevné kovové podložky, dlhé niekoľko centimetrov. Na formovanie takýchto tabliet z uránového prášku sa zmieša s látkou - zmäkčovadlom, zlepšuje kvalitu lisovania tabliet.
Lisované podložky sa pečú pri teplote 1200 stupňov Celzia viac ako jeden deň, aby tablety dodali špeciálnu pevnosť a odolnosť voči vysokým teplotám. Spôsob, akým jadrová elektráreň funguje, priamo závisí od toho, ako dobre je uránové palivo stlačené a upečené. 
Tablety sa pečú v molybdénových škatuliach, pretože. len tento kov je schopný sa neroztopiť pri „pekelných“ teplotách nad jeden a pol tisíc stupňov. Potom sa uránové palivo pre jadrové elektrárne považuje za pripravené.
Čo je TVEL a TVS?
Jadro reaktora vyzerá ako obrovský disk alebo potrubie s otvormi v stenách (v závislosti od typu reaktora), 5-krát viac Ľudské telo. Tieto otvory obsahujú uránové palivo, ktorého atómy uskutočňujú požadovanú reakciu.
Je nemožné jednoducho hodiť palivo do reaktora, no, ak nechcete, aby došlo k výbuchu celej stanice a nehode s následkami pre niekoľko susedných štátov. Preto sa uránové palivo umiestňuje do palivových tyčí a potom sa zhromažďuje v palivových kazetách. Čo tieto skratky znamenajú?
- TVEL - palivový prvok (nezamieňať s rovnakým názvom ruskej spoločnosti, ktorá ich vyrába). V skutočnosti ide o tenkú a dlhú zirkónovú trubicu zo zirkónových zliatin, do ktorej sa ukladajú uránové pelety. Práve v palivových tyčiach začnú atómy uránu medzi sebou interagovať a pri reakcii uvoľňujú teplo.
Zirkónium bolo zvolené ako materiál na výrobu palivových tyčí pre jeho žiaruvzdornosť a antikorózne vlastnosti.
Typ palivových článkov závisí od typu a konštrukcie reaktora. Štruktúra a účel palivových tyčí sa spravidla nemení, dĺžka a šírka rúrky sa môžu líšiť. 
Stroj nakladá viac ako 200 uránových peliet do jednej zirkónovej trubice. Celkovo v reaktore súčasne pracuje asi 10 miliónov uránových peliet.
FA - palivová zostava. Pracovníci JE nazývajú palivové kazety zväzky.
V skutočnosti ide o niekoľko TVELov spojených dohromady. Palivové kazety sú hotové jadrové palivo, na ktoré beží jadrová elektráreň. Sú to palivové kazety, ktoré sa vkladajú do jadrového reaktora. V jednom reaktore je umiestnených asi 150 - 400 palivových kaziet.
V závislosti od toho, v ktorom reaktore bude palivový súbor pracovať, sú rôzne tvary. Niekedy sú zväzky poskladané do kubického, niekedy do valcového, niekedy do šesťuholníkového tvaru.
Jedna palivová kazeta za 4 roky prevádzky vygeneruje rovnaké množstvo energie ako pri spaľovaní 670 vagónov uhlia, 730 nádrží so zemným plynom alebo 900 nádrží naložených ropou.
Dnes sa palivové kazety vyrábajú najmä v továrňach v Rusku, Francúzsku, USA a Japonsku.
Aby bolo možné dodávať palivo pre jadrové elektrárne do iných krajín, palivové kazety sú utesnené v dlhých a širokých kovových rúrach, vzduch je z rúrok odčerpávaný a špeciálnymi strojmi dodávaný na palubu nákladných lietadiel.
Jadrové palivo pre jadrové elektrárne váži neúmerne veľa, tk. urán je jedným z najťažších kovov na planéte. Jeho špecifická hmotnosť je 2,5-krát väčšia ako u ocele.
Jadrová elektráreň: princíp činnosti
Aký je princíp fungovania jadrovej elektrárne? Princíp činnosti jadrových elektrární je založený na reťazovej reakcii štiepenia atómov rádioaktívnej látky – uránu. Táto reakcia prebieha v jadre jadrového reaktora.
JE DÔLEŽITÉ VEDIEŤ:
Ak nejdete do zložitosti jadrovej fyziky, princíp fungovania jadrovej elektrárne vyzerá takto:
Po spustení jadrového reaktora sa z palivových tyčí odstránia absorbčné tyče, ktoré zabraňujú reakcii uránu.
Akonáhle sú tyče odstránené, uránové neutróny začnú navzájom interagovať.
Keď sa neutróny zrazia, na atómovej úrovni dôjde k minivýbuchu, uvoľní sa energia a zrodia sa nové neutróny, začne prebiehať reťazová reakcia. Tento proces uvoľňuje teplo.
Teplo sa prenáša do chladiacej kvapaliny. V závislosti od typu chladiacej kvapaliny sa mení na paru alebo plyn, ktoré roztáčajú turbínu.
Turbína poháňa elektrický generátor. Je to on, kto v skutočnosti vyrába elektrinu.
Ak postup nedodržíte, uránové neutróny sa môžu navzájom zrážať, až kým reaktor nevyhodí do vzduchu a celú jadrovú elektráreň rozhádže na márne kúsky. Proces riadia počítačové senzory. Zaznamenajú zvýšenie teploty alebo zmenu tlaku v reaktore a dokážu automaticky zastaviť reakcie.
Aký je rozdiel medzi princípom fungovania jadrových elektrární a tepelných elektrární (tepelných elektrární)?
Rozdiely v práci sú len v prvých fázach. V jadrových elektrárňach získava chladivo teplo štiepením atómov uránového paliva, v tepelných elektrárňach chladivo získava teplo spaľovaním organického paliva (uhlia, plynu alebo ropy). Potom, čo buď atómy uránu alebo plyn s uhlím uvoľnili teplo, sú schémy prevádzky jadrových elektrární a tepelných elektrární rovnaké.
Typy jadrových reaktorov
To, ako funguje jadrová elektráreň, závisí od toho, ako funguje jej jadrový reaktor. Dnes existujú dva hlavné typy reaktorov, ktoré sú klasifikované podľa spektra neurónov:
Pomalý neutrónový reaktor, nazývaný aj tepelný reaktor.
Na jeho prevádzku sa používa urán 235, ktorý prechádza fázami obohacovania, tvorby uránových tabliet atď. Dnes sú v drvivej väčšine pomalé neutrónové reaktory.
Rýchly neutrónový reaktor.
Tieto reaktory sú budúcnosťou, pretože pracujú na uráne-238, čo je v prírode tucet a nie je potrebné tento prvok obohacovať. Nevýhodou takýchto reaktorov sú len veľmi vysoké náklady na dizajn, konštrukciu a spustenie. Rýchle neutrónové reaktory dnes fungujú len v Rusku.
Chladivom v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi je ortuť, plyn, sodík alebo olovo. 
Pomalé neutrónové reaktory, ktoré dnes využívajú všetky jadrové elektrárne na svete, sú tiež vo viacerých typoch.
Organizácia MAAE (International Atomic Energy Agency) vytvorila vlastnú klasifikáciu, ktorá sa najčastejšie používa vo svetovom jadrovom priemysle. Keďže princíp činnosti jadrovej elektrárne do značnej miery závisí od výberu chladiva a moderátora, MAAE založila svoju klasifikáciu na týchto rozdieloch.
Z chemického hľadiska je oxid deutériový ideálny moderátor a chladivo, pretože jeho atómy najúčinnejšie interagujú s neutrónmi uránu v porovnaní s inými látkami. Jednoducho povedané, ťažká voda plní svoju úlohu s minimálnymi stratami a maximálnymi výsledkami. Jeho výroba však stojí peniaze, pričom je oveľa jednoduchšie použiť pre nás obvyklú „ľahkú“ a známu vodu.
Pár faktov o jadrových reaktoroch...
Zaujímavosťou je, že jeden reaktor jadrovej elektrárne sa stavia minimálne 3 roky!
Na stavbu reaktora potrebujete zariadenie, ktoré beží na elektrický prúd 210 kiloampérov, čo je miliónkrát viac ako prúd, ktorý dokáže zabiť človeka.
Jeden plášť (konštrukčný prvok) jadrového reaktora váži 150 ton. V jednom reaktore je 6 takýchto prvkov.
Tlakovodný reaktor
Ako funguje jadrová elektráreň vo všeobecnosti sme už zistili, aby sme si to „vybavili“ pozrime sa, ako funguje najpopulárnejší tlakový jadrový reaktor.
Na celom svete sa dnes používajú tlakovodné reaktory generácie 3+. Sú považované za najspoľahlivejšie a najbezpečnejšie.
Všetky tlakovodné reaktory na svete za všetky roky svojej prevádzky spolu už dokázali získať viac ako 1000 rokov bezproblémovej prevádzky a nikdy nezaznamenali vážne odchýlky. 
Štruktúra jadrových elektrární založených na tlakovodných reaktoroch predpokladá, že medzi palivovými tyčami cirkuluje destilovaná voda ohriata na 320 stupňov. Aby sa zabránilo prechodu do parného stavu, udržiava sa pod tlakom 160 atmosfér. Schéma JE to nazýva primárna voda.
Ohriata voda vstupuje do parogenerátora a odovzdáva svoje teplo vode sekundárneho okruhu, po ktorej sa opäť „vracia“ do reaktora. Navonok to vyzerá tak, že potrubia primárneho vodného okruhu sú v kontakte s inými potrubiami - vodou druhého okruhu, odovzdávajú si teplo, ale vody sa nedotýkajú. Rúry sú v kontakte.
Tým je vylúčená možnosť preniknutia žiarenia do vody sekundárneho okruhu, ktorá sa bude ďalej podieľať na procese výroby elektriny.
Bezpečnosť jadrovej elektrárne
Keď sme sa naučili princíp fungovania jadrových elektrární, musíme pochopiť, ako je zaistená bezpečnosť. Projektovanie jadrových elektrární si dnes vyžaduje zvýšenú pozornosť bezpečnostným pravidlám.
Náklady na bezpečnosť jadrovej elektrárne predstavujú približne 40 % celkových nákladov samotnej elektrárne. 
Schéma JE obsahuje 4 fyzické bariéry, ktoré zabraňujú úniku rádioaktívnych látok. Čo majú robiť tieto bariéry? V správnom čase vedieť zastaviť jadrovú reakciu, zabezpečiť neustály odvod tepla z aktívnej zóny a samotného reaktora a zabrániť úniku rádionuklidov z kontajnmentu (zóny kontajnmentu).
- Prvou bariérou je sila uránových peliet. Dôležité je, aby sa vplyvom vysokých teplôt v jadrovom reaktore nezrútili. V mnohých ohľadoch to, ako funguje jadrová elektráreň, závisí od toho, ako sa uránové pelety „pečú“ pri počiatočná fáza výroby. Ak sa pelety uránového paliva pečú nesprávne, reakcie atómov uránu v reaktore budú nepredvídateľné.
- Druhou bariérou je tesnosť palivových tyčí. Zirkónové trubice musia byť tesne utesnené, ak sa tesnosť poruší, tak sa v lepšom prípade poškodí reaktor a práca sa zastaví, v horšom všetko vyletí do vzduchu.
- Treťou bariérou je pevná oceľová reaktorová nádoba a, (to isté veľká veža- zóna kontajnmentu), ktorá v sebe „drží“ všetky rádioaktívne procesy. Trup je poškodený - radiácia sa dostane do atmosféry.
- Štvrtou bariérou sú tyče núdzovej ochrany. Nad aktívnou zónou sú na magnetoch zavesené tyče s moderátormi, ktoré dokážu pohltiť všetky neutróny za 2 sekundy a zastaviť reťazovú reakciu.
Ak sa napriek výstavbe jadrovej elektrárne s mnohými stupňami ochrany nepodarí v správnom čase ochladiť jadro reaktora a teplota paliva stúpne na 2600 stupňov, prichádza na rad posledná nádej bezpečnostného systému - takzvaný lapač taveniny.
Faktom je, že pri takejto teplote sa dno nádoby reaktora roztopí a všetky zvyšky jadrového paliva a roztavených štruktúr stekajú do špeciálneho „skla“ zaveseného nad jadrom reaktora.
Lapač taveniny je chladený a žiaruvzdorný. Je naplnená takzvaným „obetným materiálom“, ktorý postupne zastavuje štiepnu reťazovú reakciu.
Schéma JE teda zahŕňa niekoľko stupňov ochrany, ktoré takmer úplne vylučujú akúkoľvek možnosť havárie.
Zariadenie a princíp činnosti sú založené na inicializácii a riadení samoudržiavacej jadrovej reakcie. Používa sa ako výskumný nástroj na výrobu rádioaktívnych izotopov a ako zdroj energie pre jadrové elektrárne.
princíp fungovania (v skratke)
Tu sa používa proces, pri ktorom sa ťažké jadro rozpadne na dva menšie fragmenty. Tieto fragmenty sú vo vysoko excitovanom stave a emitujú neutróny, iné subatomárne častice a fotóny. Neutróny môžu spôsobiť nové štiepenie, v dôsledku čoho sa uvoľní viac neutrónov atď. Takáto nepretržitá samoudržujúca séria štiepení sa nazýva reťazová reakcia. V tomto prípade sa uvoľňuje veľké množstvo energie, ktorej výroba je účelom využitia jadrových elektrární.
Princíp činnosti jadrového reaktora je taký, že asi 85 % štiepnej energie sa uvoľní vo veľmi krátkom čase po začiatku reakcie. Zvyšok je produkovaný rádioaktívnym rozpadom štiepnych produktov po tom, čo emitovali neutróny. Rádioaktívny rozpad je proces, pri ktorom atóm dosiahne stabilnejší stav. Pokračuje aj po dokončení rozdelenia.
V atómovej bombe sa reťazová reakcia zvyšuje na intenzite, až kým sa väčšina materiálu nerozštiepi. Stáva sa to veľmi rýchlo a spôsobuje extrémne silné výbuchy charakteristické pre takéto bomby. Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora sú založené na udržiavaní reťazovej reakcie na kontrolovanej, takmer konštantnej úrovni. Je navrhnutý tak, aby nemohol vybuchnúť ako atómová bomba.
Reťazová reakcia a kritickosť
Fyzika jadrového štiepneho reaktora je taká, že reťazová reakcia je určená pravdepodobnosťou jadrového štiepenia po emisii neutrónov. Ak sa populácia tých druhých zníži, potom rýchlosť štiepenia nakoniec klesne na nulu. V tomto prípade bude reaktor v podkritickom stave. Ak sa populácia neutrónov udržiava na konštantnej úrovni, rýchlosť štiepenia zostane stabilná. Reaktor bude v kritickom stave. A nakoniec, ak populácia neutrónov časom narastie, rýchlosť štiepenia a výkon sa zvýši. Stav jadra sa stane superkritickým.
Princíp činnosti jadrového reaktora je nasledovný. Pred vypustením sa neutrónová populácia blíži k nule. Operátori potom odstránia riadiace tyče z aktívnej zóny, čím sa zvýši jadrové štiepenie, čo dočasne uvedie reaktor do superkritického stavu. Po dosiahnutí menovitého výkonu operátori čiastočne vrátia riadiace tyče, pričom upravia počet neutrónov. V budúcnosti bude reaktor udržiavaný v kritickom stave. Keď je potrebné zastaviť, operátori zasunú tyče úplne. To potláča štiepenie a privádza jadro do podkritického stavu.
Typy reaktorov
Väčšina svetových jadrových zariadení vyrába energiu, generuje teplo potrebné na otáčanie turbín, ktoré poháňajú generátory elektrickej energie. Existuje tiež veľa výskumných reaktorov a niektoré krajiny majú ponorky s jadrovým pohonom alebo povrchové lode.
Elektrárne
Existuje niekoľko typov reaktorov tohto typu, ale široké uplatnenie našiel dizajn na ľahkej vode. Na druhej strane môže použiť tlakovú vodu alebo vriacu vodu. V prvom prípade kvapalina vysoký tlak ohrieva sa teplom aktívnej zóny a vstupuje do generátora pary. Tam sa teplo z primárneho okruhu odovzdáva sekundárnemu, v ktorom je aj voda. Nakoniec vytvorená para slúži ako pracovná tekutina v cykle parnej turbíny.
Varný reaktor pracuje na princípe priameho energetického cyklu. Voda prechádzajúca aktívnou zónou sa privedie do varu pri priemernej úrovni tlaku. Nasýtená para prechádza sériou separátorov a sušičiek umiestnených v nádobe reaktora, čím sa dostáva do prehriateho stavu. Prehriata vodná para sa potom používa ako pracovná tekutina na otáčanie turbíny.
Vysokoteplotné chladenie plynom
Vysokoteplotný plynom chladený reaktor (HTGR) je jadrový reaktor, ktorého princíp činnosti je založený na použití zmesi grafitu a mikroguľôčok paliva ako paliva. Existujú dva konkurenčné návrhy:
- nemecký „fill“ systém, ktorý využíva 60 mm sférické palivové články, ktoré sú zmesou grafitu a paliva v grafitovom plášti;
- americká verzia vo forme grafitových šesťhranných hranolov, ktoré do seba zapadajú a vytvárajú aktívnu zónu.
V oboch prípadoch chladivo pozostáva z hélia pod tlakom asi 100 atmosfér. V nemeckom systéme hélium prechádza cez medzery vo vrstve sférických palivových článkov a v americkom systéme cez otvory v grafitových hranoloch umiestnených pozdĺž osi centrálnej zóny reaktora. Obe možnosti môžu pracovať pri veľmi vysokých teplotách, pretože grafit má extrémne vysoká teplota sublimácia a hélium je úplne chemicky inertné. Horúce hélium sa môže použiť priamo ako pracovná tekutina v plynovej turbíne pri vysokej teplote, alebo sa jeho teplo môže využiť na výrobu pary vo vodnom cykle.
Tekutý kov a princíp fungovania
Rýchlym neutrónovým reaktorom chladeným sodíkom bola v 60. a 70. rokoch 20. storočia venovaná veľká pozornosť. Potom sa zdalo, že ich schopnosť reprodukcie v blízkej budúcnosti je nevyhnutná na výrobu paliva pre rýchlo sa rozvíjajúci jadrový priemysel. Keď sa v 80. rokoch ukázalo, že toto očakávanie je nereálne, nadšenie vyprchalo. Množstvo reaktorov tohto typu sa však postavilo v USA, Rusku, Francúzsku, Veľkej Británii, Japonsku a Nemecku. Väčšina z nich beží na oxide uránu alebo jeho zmesi s oxidom plutóniom. V Spojených štátoch však najväčší úspech zaznamenali kovové pohonné hmoty.
CANDU
Kanada zamerala svoje úsilie na reaktory, ktoré využívajú prírodný urán. Tým odpadá nutnosť jeho obohacovania sa uchýliť k službám iných krajín. Výsledkom tejto politiky bol deutérium-uránový reaktor (CANDU). Ovládanie a chladenie v ňom prebieha ťažkou vodou. Zariadenie a princíp činnosti jadrového reaktora spočíva v použití nádrže so studeným D 2 O pri atmosférickom tlaku. Jadro je prerazené rúrkami zo zliatiny zirkónu s prírodným uránovým palivom, cez ktoré ho ochladzuje ťažká voda. Elektrina sa vyrába prenosom štiepneho tepla v ťažkej vode do chladiacej kvapaliny, ktorá cirkuluje cez generátor pary. Para v sekundárnom okruhu potom prechádza konvenčným turbínovým cyklom.
Výskumné zariadenia
Pre vedecký výskum sa najčastejšie využíva jadrový reaktor, ktorého princípom činnosti je využitie vodného chladenia a lamelových uránových palivových článkov vo forme zostáv. Schopný pracovať v širokom rozsahu úrovní výkonu, od niekoľkých kilowattov až po stovky megawattov. Keďže výroba energie nie je hlavnou úlohou výskumných reaktorov, vyznačujú sa generovanou tepelnou energiou, hustotou a nominálnou energiou neutrónov v aktívnej zóne. Práve tieto parametre pomáhajú kvantifikovať schopnosť výskumného reaktora vykonávať špecifické prieskumy. Nízkoenergetické systémy sa zvyčajne používajú na univerzitách na výučbu, zatiaľ čo vysoký výkon je potrebný vo výskumných laboratóriách na testovanie materiálov a výkonu a všeobecný výskum.
Najbežnejší výskumný jadrový reaktor, ktorého štruktúra a princíp činnosti je nasledovný. Jeho aktívna zóna sa nachádza na dne veľkého hlbokého bazéna s vodou. To zjednodušuje pozorovanie a umiestňovanie kanálov, cez ktoré môžu smerovať neutrónové lúče. O nízke úrovne výkon, nie je potrebné čerpať chladiacu kvapalinu, pretože prirodzená konvekcia chladiacej kvapaliny poskytuje dostatočný odvod tepla na udržanie bezpečného prevádzkového stavu. Výmenník tepla býva umiestnený na povrchu alebo v hornej časti bazéna, kde sa akumuluje teplá voda.
Lodné inštalácie
Pôvodnou a hlavnou aplikáciou jadrových reaktorov je ich použitie v ponorkách. Ich hlavnou výhodou je, že na rozdiel od systémov spaľovania fosílnych palív nepotrebujú na výrobu elektriny vzduch. Preto môže jadrová ponorka zostať ponorená po dlhú dobu, zatiaľ čo konvenčná diesel-elektrická ponorka musí pravidelne stúpať na hladinu, aby naštartovala svoje motory vo vzduchu. poskytuje námorným lodiam strategickú výhodu. Vďaka nemu nie je potrebné tankovať v zahraničných prístavoch alebo z ľahko zraniteľných tankerov.
Princíp činnosti jadrového reaktora na ponorke je klasifikovaný. Je však známe, že v USA sa používa vysoko obohatený urán a spomaľovanie a ochladzovanie robí ľahká voda. Dizajn prvého reaktora jadrovej ponorky USS Nautilus bol silne ovplyvnený výkonnými výskumnými zariadeniami. Jeho unikátne vlastnosti je veľmi veľká rezerva reaktivity, ktorá poskytuje dlhé obdobie práca bez tankovania a schopnosť reštartovať sa po zastavení. Elektráreň v ponorkách musí byť veľmi tichá, aby sa zabránilo detekcii. Na splnenie špecifických potrieb rôznych tried ponoriek, rôzne modely elektrárne.
Lietadlové lode amerického námorníctva používajú jadrový reaktor, ktorého princíp je považovaný za požičaný od najväčších ponoriek. Podrobnosti o ich dizajne tiež neboli zverejnené.
Okrem Spojených štátov má jadrové ponorky Británia, Francúzsko, Rusko, Čína a India. V každom prípade nebol dizajn zverejnený, ale predpokladá sa, že sú všetky veľmi podobné - je to dôsledok rovnakých požiadaviek na ich technické vlastnosti. Rusko má tiež malú flotilu, ktorá bola vybavená rovnakými reaktormi ako sovietske ponorky.
Priemyselné závody
Na výrobné účely sa používa jadrový reaktor, ktorého princípom činnosti je vysoká produktivita pri nízkej úrovni výroby energie. Je to spôsobené tým, že dlhý pobyt plutónia v jadre vedie k akumulácii nežiaduceho 240 Pu.
Výroba trícia
V súčasnosti je hlavným materiálom produkovaným takýmito systémami trícium (3 H alebo T) - náplň pre Plutónium-239 má dlhý polčas rozpadu 24 100 rokov, takže krajiny s arzenálom jadrových zbraní, ktoré používajú tento prvok, ho majú tendenciu mať viac než je potrebné. Na rozdiel od 239 Pu má trícium polčas rozpadu približne 12 rokov. Teda v záujme zachovania potrebných rezerv, toto rádioaktívny izotop vodík sa musí vyrábať nepretržite. V Spojených štátoch amerických Savannah River v Južnej Karolíne napríklad prevádzkuje niekoľko ťažkovodných reaktorov, ktoré produkujú trícium.
Plávajúce pohonné jednotky
Boli vytvorené jadrové reaktory, ktoré dokážu zabezpečiť elektrinu a ohrev parou do vzdialených izolovaných oblastí. Napríklad v Rusku našli využitie malé elektrárne špeciálne navrhnuté na obsluhu Arktídy. osady. V Číne elektráreň HTR-10 s výkonom 10 MW dodáva teplo a energiu výskumnému ústavu, kde sa nachádza. Malé riadené reaktory s podobnými schopnosťami sa vyvíjajú vo Švédsku a Kanade. V rokoch 1960 až 1972 používala americká armáda kompaktné vodné reaktory na napájanie vzdialených základní v Grónsku a Antarktíde. Nahradili ich olejové elektrárne.
Prieskum vesmíru
Okrem toho boli vyvinuté reaktory na zásobovanie energiou a pohyb vo vesmíre. V rokoch 1967 až 1988 Sovietsky zväz inštaloval na satelitoch Kosmos malé jadrové zariadenia na napájanie zariadení a telemetrie, no táto politika sa stala terčom kritiky. Najmenej jeden z týchto satelitov vstúpil do zemskej atmosféry, čo viedlo k rádioaktívnej kontaminácii vzdialených oblastí Kanady. Spojené štáty vypustili v roku 1965 iba jeden satelit s jadrovým pohonom. Naďalej sa však rozvíjajú projekty na ich využitie pri letoch do hlbokého vesmíru, pri prieskume iných planét s ľudskou posádkou či na stálej mesačnej základni. To bude nevyhnutne plynom chladený alebo kvapalný kov jadrový reaktor, ktorého fyzikálne princípy zabezpečia najvyššiu možnú teplotu potrebnú na minimalizáciu veľkosti radiátora. Reaktor kozmickej lode by mal byť navyše čo najkompaktnejší, aby sa minimalizovalo množstvo materiálu použitého na tienenie a aby sa znížila hmotnosť počas štartu a kozmického letu. Zásoba paliva zabezpečí chod reaktora po celú dobu kozmického letu.