Atomun dünyası o kadar fantastiktir ki, anlaşılması, alışılagelmiş uzay ve zaman kavramlarında köklü bir kırılmayı gerektirir. Atomlar o kadar küçüktür ki, bir su damlası Dünya kadar büyütülebilse, o damladaki her bir atom bir portakaldan daha küçük olur. Aslında, bir damla su 6000 milyar milyar (6000000000000000000000) hidrojen ve oksijen atomlarından oluşur. Ve yine de atom, mikroskobik boyutuna rağmen bir dereceye kadar güneş sistemimizin yapısına benzer bir yapıya sahiptir. Yarıçapı bir santimetrenin trilyonda birinden daha az olan anlaşılmaz derecede küçük merkezinde, nispeten büyük bir "güneş" - bir atomun çekirdeği var.
Bu atomik "güneşin" etrafında minik "gezegenler" - elektronlar - döner. Çekirdek, Evrenin iki ana yapı taşından oluşur - protonlar ve nötronlar (birleştirici bir isimleri vardır - nükleonlar). Bir elektron ve bir proton yüklü parçacıklardır ve her birindeki yük miktarı tam olarak aynıdır, ancak yüklerin işareti farklıdır: proton her zaman pozitif yüklüdür ve elektron her zaman negatiftir. Nötron elektrik yükü taşımaz ve bu nedenle çok yüksek bir geçirgenliğe sahiptir.
Atomik ölçüm ölçeğinde, proton ve nötronun kütlesi bir olarak alınır. Bu nedenle, herhangi bir kimyasal elementin atom ağırlığı, çekirdeğinde bulunan proton ve nötron sayısına bağlıdır. Örneğin, çekirdeği yalnızca bir protondan oluşan bir hidrojen atomunun atomik kütlesi 1'dir. Çekirdeği iki proton ve iki nötrondan oluşan bir helyum atomunun atomik kütlesi 4'tür.
Aynı elementin atomlarının çekirdekleri her zaman aynı sayıda proton içerir, ancak nötron sayıları farklı olabilir. Çekirdekleri aynı proton sayısına sahip, ancak nötron sayıları farklı olan ve aynı elementin çeşitlerine bağlı atomlara izotop denir. Bunları birbirinden ayırmak için, element sembolüne belirli bir izotopun çekirdeğindeki tüm parçacıkların toplamına eşit bir sayı atanır.
Şu soru ortaya çıkabilir: Bir atomun çekirdeği neden parçalanmıyor? Ne de olsa, içerdiği protonlar, aynı yüke sahip elektrik yüklü parçacıklardır ve birbirlerini büyük bir kuvvetle itmesi gerekir. Bu, çekirdeğin içinde çekirdeğin parçacıklarını birbirine çeken sözde çekirdek içi kuvvetlerin olduğu gerçeğiyle açıklanır. Bu kuvvetler, protonların itici kuvvetlerini telafi eder ve çekirdeğin kendiliğinden dağılmasına izin vermez.
Çekirdek içi kuvvetler çok güçlüdür, ancak yalnızca çok yakın mesafede hareket ederler. Bu nedenle, yüzlerce nükleondan oluşan ağır elementlerin çekirdekleri kararsız hale gelir. Çekirdeğin parçacıkları burada (çekirdeğin hacmi içinde) sürekli hareket halindedir ve onlara bir miktar ek enerji eklerseniz, iç kuvvetlerin üstesinden gelebilirler - çekirdek parçalara bölünecektir. Bu fazla enerjinin miktarı uyarılma enerjisi olarak adlandırılır. Ağır elementlerin izotopları arasında, kendi kendine çürümenin eşiğinde gibi görünenler var. Nükleer fisyon reaksiyonunun başlaması için yalnızca küçük bir "itme" yeterlidir, örneğin bir nötronun çekirdeğine basit bir vuruş (ve yüksek hıza çıkarılması bile gerekmez). Bu "bölünebilir" izotoplardan bazıları daha sonra yapay olarak yapıldı. Doğada böyle bir izotop vardır - uranyum-235'tir.
Uranüs, 1783 yılında onu uranyum ziftinden izole eden ve yakın zamanda keşfedilen Uranüs gezegeninin adını veren Klaproth tarafından keşfedildi. Daha sonra ortaya çıktığı gibi, aslında uranyumun kendisi değil, oksidiydi. Gümüşi beyaz bir metal olan saf uranyum elde edildi.
sadece 1842 Peligot'ta. Yeni elementin kayda değer bir özelliği yoktu ve Becquerel'in uranyum tuzlarının radyoaktivite fenomenini keşfettiği 1896 yılına kadar dikkat çekmedi. Bundan sonra, uranyum bilimsel araştırma ve deneylerin nesnesi haline geldi, ancak yine de pratik bir uygulaması yoktu.
20. yüzyılın ilk üçte birinde, atom çekirdeğinin yapısı fizikçiler için aşağı yukarı netleştiğinde, her şeyden önce simyacıların eski rüyasını gerçekleştirmeye çalıştılar - bir kimyasal elementi diğerine dönüştürmeye çalıştılar. 1934'te Fransız araştırmacılar, Frederic ve Irene Joliot-Curie eşleri, Fransız Bilimler Akademisi'ne şu deney hakkında rapor verdiler: alüminyum levhalar alfa parçacıklarıyla (helyum atomunun çekirdeği) bombardımana tutulduğunda, alüminyum atomları fosfor atomlarına dönüştü. , ancak sıradan değil, ancak sırayla kararlı bir silikon izotopuna geçen radyoaktif. Böylece, bir proton ve iki nötron eklenmiş bir alüminyum atomu, daha ağır bir silikon atomuna dönüştü.
Bu deneyim, nötronlar doğada var olan en ağır element olan uranyumun çekirdeği ile "kabuklanırsa", o zaman böyle bir element elde edebileceğiniz fikrine yol açtı. canlı hayır. 1938'de Alman kimyagerler Otto Hahn ve Fritz Strassmann, Joliot-Curie eşlerinin alüminyum yerine uranyum alma deneyimlerini genel hatlarıyla tekrarladılar. Deneyin sonuçları hiç de bekledikleri gibi olmadı - kütle numarası uranyumdan daha büyük olan yeni bir süper ağır element yerine Hahn ve Strassmann, periyodik sistemin orta kısmından hafif elementler aldı: baryum, kripton, brom ve bazı diğerleri. Deneycilerin kendileri gözlemlenen fenomeni açıklayamadılar. Hahn'ın zorluklarını anlattığı fizikçi Lisa Meitner, uranyumun nötronlarla bombardımana tutulduğunda çekirdeğinin bölündüğünü (fisyona uğradığını) ileri sürerek, gözlemlenen fenomen için doğru bir açıklama bulması ertesi yıla kadar değildi. Bu durumda daha hafif elementlerin çekirdekleri oluşmuş (burası baryum, kripton ve diğer maddelerin alındığı yer) ve ayrıca 2-3 serbest nötron salmış olmalıdır. Daha fazla araştırma, neler olup bittiğinin resmini ayrıntılı olarak açıklığa kavuşturmayı mümkün kıldı.
Doğal uranyum, kütleleri 238, 234 ve 235 olan üç izotopun karışımından oluşur. Ana uranyum miktarı, çekirdeği 92 proton ve 146 nötron içeren 238 izotopa düşer. Uranyum-235, doğal uranyumun yalnızca 1/140'ı kadardır (%0,7 (çekirdeğinde 92 proton ve 143 nötron vardır) ve uranyum-234 (92 proton, 142 nötron) toplam uranyum kütlesinin yalnızca 1/17500'üdür ( 0 006% Bu izotopların en az kararlı olanı uranyum-235'tir.
Zaman zaman atomlarının çekirdekleri, periyodik sistemin daha hafif elemanlarının oluşmasının bir sonucu olarak kendiliğinden parçalara ayrılır. Sürece, muazzam bir hızla - yaklaşık 10 bin km / s (bunlara hızlı nötronlar denir) koşan iki veya üç serbest nötronun salınması eşlik eder. Bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak nükleer reaksiyonlara neden olabilir. Bu durumda her izotop farklı davranır. Çoğu durumda Uranyum-238 çekirdekleri, herhangi bir başka dönüşüm olmaksızın bu nötronları basitçe yakalar. Ancak yaklaşık beş vakadan birinde, hızlı bir nötron 238 izotopunun çekirdeğiyle çarpıştığında, ilginç bir nükleer reaksiyon meydana gelir: uranyum-238 nötronlarından biri bir elektron yayarak bir protona, yani uranyum izotopuna dönüşür. daha fazlasına dönüşür
ağır element neptünyum-239'dur (93 proton + 146 nötron). Ancak neptünyum kararsızdır - birkaç dakika sonra nötronlarından biri bir elektron yayar ve bir protona dönüşür, ardından neptünyum izotopu periyodik sistemin bir sonraki elemanına dönüşür - plütonyum-239 (94 proton + 145 nötron). Kararsız uranyum-235'in çekirdeğine bir nötron girerse, hemen fisyon meydana gelir - atomlar iki veya üç nötron emisyonu ile bozunur. Atomlarının çoğu 238 izotopuna ait olan doğal uranyumda, bu reaksiyonun görünür bir sonucu olmadığı açıktır - tüm serbest nötronlar sonunda bu izotop tarafından emilecektir.
Peki ya tamamen 235 izotopundan oluşan oldukça büyük bir uranyum parçası hayal edersek?
Burada süreç farklı ilerleyecektir: birkaç çekirdeğin bölünmesi sırasında salınan nötronlar, sırayla komşu çekirdeklere düşerek onların bölünmesine neden olur. Sonuç olarak, aşağıdaki çekirdekleri bölen yeni bir nötron kısmı salınır. Uygun koşullar altında bu reaksiyon çığ gibi ilerler ve zincirleme reaksiyon olarak adlandırılır. Birkaç bombardıman parçacığı onu başlatmak için yeterli olabilir.
Gerçekten de, sadece 100 nötronun uranyum-235'i bombalamasına izin verin. 100 uranyum çekirdeğini parçalayacaklar. Bu durumda, ikinci nesil 250 yeni nötron salınacak (fizyon başına ortalama 2,5). İkinci neslin nötronları, 625 nötronun salınacağı 250 fisyon üretecek. Bir sonraki nesilde 1562, ardından 3906, ardından 9670 vb. olacaktır. İşlem durdurulmazsa bölüm sayısı sınırsız artacaktır.
Bununla birlikte, gerçekte, nötronların yalnızca önemsiz bir kısmı atomların çekirdeğine girer. Aralarında hızla koşan geri kalanlar, çevredeki boşluğa taşınır. kendi kendini idame ettiren zincirleme tepki yalnızca, dedikleri gibi kritik bir kütleye sahip olan yeterince büyük bir uranyum-235 dizisinde ortaya çıkabilir. (Bu kitle normal koşullar 50 kg'a eşittir.) Her bir çekirdeğin bölünmesine, bölünme için harcanan enerjiden yaklaşık 300 milyon kat daha fazla olduğu ortaya çıkan büyük miktarda enerjinin salınmasının eşlik ettiğini not etmek önemlidir! (1 kg uranyum-235'in tamamen parçalanmasıyla 3 bin ton kömürün yakılmasıyla aynı miktarda ısı açığa çıktığı hesaplanmıştır.)
Birkaç dakika içinde açığa çıkan bu devasa enerji dalgası, canavarca bir güç patlaması olarak kendini gösterir ve eylemin temelini oluşturur. nükleer silahlar. Ancak bu silahın gerçeğe dönüşmesi için, yükün doğal uranyumdan değil, nadir bir izotoptan - 235 (bu tür uranyum zenginleştirilmiş olarak adlandırılır) oluşması gerekir. Daha sonra saf plütonyumun da bölünebilir bir malzeme olduğu ve uranyum-235 yerine atomik bir yükte kullanılabileceği bulundu.
Tüm bu önemli keşifler, II. Dünya Savaşı arifesinde yapıldı. Kısa süre sonra Almanya'da ve diğer ülkelerde bir atom bombasının yaratılması konusunda gizli çalışmalar başladı. Amerika Birleşik Devletleri'nde bu sorun 1941'de ele alındı. Tüm iş kompleksine "Manhattan Projesi" adı verildi.
Projenin idari liderliği General Groves tarafından yürütüldü ve bilimsel yönü California Üniversitesi'nden Profesör Robert Oppenheimer tarafından yürütüldü. Her ikisi de önlerindeki görevin muazzam karmaşıklığının gayet iyi farkındaydı. Bu nedenle Oppenheimer'ın ilk kaygısı, son derece zeki bir bilim ekibi edinmekti. O zamanlar Amerika Birleşik Devletleri'nde Amerika Birleşik Devletleri'nden göç etmiş birçok fizikçi vardı. Nazi Almanyası. Onları eski vatanlarına yönelik silahların yaratılmasına dahil etmek kolay olmadı. Oppenheimer, cazibesinin tüm gücünü kullanarak herkesle kişisel olarak konuştu. Kısa süre sonra, şaka yollu "aydınlatıcılar" olarak adlandırdığı küçük bir teorisyen grubu toplamayı başardı. Ve aslında, o zamanın fizik ve kimya alanındaki en büyük uzmanlarını içeriyordu. (Aralarında Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence da dahil olmak üzere 13 Nobel Ödülü sahibi var.) Bunların yanı sıra, çeşitli profillerden birçok başka uzman vardı.
ABD hükümeti harcamaları kısmadı ve en başından beri çalışma görkemli bir kapsam kazandı. 1942'de dünyanın en büyük araştırma laboratuvarı Los Alamos'ta kuruldu. Bu bilim kentinin nüfusu kısa sürede 9 bin kişiye ulaştı. Bilim adamlarının bileşimi, bilimsel deneylerin kapsamı, çalışmaya katılan uzmanların ve işçilerin sayısı açısından Los Alamos Laboratuvarı'nın dünya tarihinde eşi benzeri yoktu. Manhattan Projesi'nin kendi polisi, karşı istihbaratı, iletişim sistemi, depoları, yerleşim yerleri, fabrikaları, laboratuvarları ve kendi devasa bütçesi vardı.
Projenin ana amacı, birkaç atom bombası oluşturmak için yeterli bölünebilir malzeme elde etmekti. Uranyum-235'e ek olarak, daha önce de belirtildiği gibi, yapay element plütonyum-239 bomba için bir yük görevi görebilir, yani bomba uranyum veya plütonyum olabilir.
Groves ve Oppenheimer, hangisinin daha umut verici olacağına önceden karar vermek imkansız olduğundan, çalışmanın iki yönde aynı anda yürütülmesi gerektiği konusunda anlaştılar. Her iki yöntem de temelde birbirinden farklıydı: uranyum-235'in biriktirilmesi, onu doğal uranyum kütlesinden ayırarak yapılmalıydı ve plütonyum, yalnızca uranyum-238'in ışınlanmasıyla kontrollü bir nükleer reaksiyon sonucunda elde edilebilirdi. nötronlar. Her iki yol da alışılmadık derecede zor görünüyordu ve kolay çözümler vaat etmiyordu.
Gerçekten de, ağırlıkları çok az farklı olan ve kimyasal olarak tamamen aynı şekilde davranan iki izotop birbirinden nasıl ayrılabilir? Ne bilim ne de teknoloji şimdiye kadar böyle bir sorunla karşılaşmadı. Plütonyum üretimi de ilk başta çok sorunlu görünüyordu. Bundan önce, tüm nükleer dönüşüm deneyimi birkaç laboratuvar deneyine indirgenmişti. Artık endüstriyel ölçekte kilogram plütonyum üretiminde ustalaşmak, bunun için özel bir kurulum - bir nükleer reaktör geliştirmek ve oluşturmak ve bir nükleer reaksiyonun gidişatını nasıl kontrol edeceğinizi öğrenmek gerekiyordu.
Ve burada burada bir dizi karmaşık problemin çözülmesi gerekiyordu. Bu nedenle, "Manhattan Projesi" önde gelen bilim adamlarının başkanlık ettiği birkaç alt projeden oluşuyordu. Oppenheimer, Los Alamos'un başkanıydı. bilimsel laboratuvar. Lawrence, California Üniversitesi'ndeki Radyasyon Laboratuvarı'ndan sorumluydu. Fermi, Chicago Üniversitesi'nde bir nükleer reaktörün yaratılmasıyla ilgili araştırmayı yönetti.
Başta büyük sorun uranyum aldı. Savaştan önce, bu metalin aslında hiçbir faydası yoktu. Artık büyük miktarlarda hemen ihtiyaç duyulduğuna göre, onu üretmenin endüstriyel bir yolu olmadığı ortaya çıktı.
Westinghouse şirketi gelişimini üstlendi ve kısa sürede başarıya ulaştı. Uranyum reçinesinin saflaştırılmasından (doğada bu formda uranyum bulunur) ve uranyum oksit elde edildikten sonra, elektroliz yoluyla metalik uranyumun izole edildiği tetraflorüre (UF4) dönüştürüldü. 1941'in sonunda Amerikalı bilim adamlarının emrinde yalnızca birkaç gram metalik uranyum varsa, o zaman Kasım 1942'de Westinghouse fabrikalarındaki endüstriyel üretimi ayda 6.000 pound'a ulaştı.
Aynı zamanda, bir nükleer reaktörün oluşturulması için çalışmalar devam ediyordu. Plütonyum üretim süreci aslında uranyum çubuklarının nötronlarla ışınlanmasına kadar kaynatıldı, bunun sonucunda uranyum-238'in bir kısmı plütonyuma dönüşmek zorunda kaldı. Bu durumda nötronların kaynakları, uranyum-238 atomları arasında yeterli miktarlarda dağılmış bölünebilir uranyum-235 atomları olabilir. Ancak nötronların sürekli çoğalmasını sürdürmek için, uranyum-235 atomlarının zincirleme bir fizyon reaksiyonunun başlaması gerekiyordu. Bu arada, daha önce de belirtildiği gibi, uranyum-235'in her atomu için 140 uranyum-238 atomu vardı. Her yöne uçan nötronların yolda tam olarak onlarla karşılaşma ihtimalinin çok daha yüksek olduğu açıktır. Yani, çok sayıda salınan nötronun ana izotop tarafından boşuna emildiği ortaya çıktı. Açıkçası, bu koşullar altında zincirleme reaksiyon gidemedi. Nasıl olunur?
İlk başta, iki izotop ayrılmadan reaktörün çalışması genellikle imkansız görünüyordu, ancak kısa süre sonra önemli bir durum belirlendi: uranyum-235 ve uranyum-238'in farklı enerjilerdeki nötronlara duyarlı olduğu ortaya çıktı. Bir uranyum-235 atomunun çekirdeğini, yaklaşık 22 m/s hıza sahip nispeten düşük enerjili bir nötronla parçalamak mümkündür. Bu tür yavaş nötronlar, uranyum-238 çekirdekleri tarafından yakalanmaz - bunun için saniyede yüzbinlerce metrelik bir hıza sahip olmaları gerekir. Başka bir deyişle, uranyum-238, uranyum-235'te son derece düşük hızlara - 22 m/s'den fazla olmayan - yavaşlayan nötronların neden olduğu bir zincirleme reaksiyonun başlamasını ve ilerlemesini önleme konusunda güçsüzdür. Bu fenomen, 1938'den beri Amerika Birleşik Devletleri'nde yaşayan ve burada ilk reaktörün oluşturulması çalışmalarını denetleyen İtalyan fizikçi Fermi tarafından keşfedildi. Fermi, grafiti nötron moderatörü olarak kullanmaya karar verdi. Hesaplamalarına göre, uranyum-235'ten yayılan nötronlar 40 cm'lik bir grafit tabakasını geçtikten sonra hızlarını 22 m/s'ye düşürmüş ve uranyum-235'te kendi kendine devam eden bir zincirleme reaksiyon başlatmış olmalıdır.
Sözde "ağır" su, başka bir moderatör görevi görebilir. Onu oluşturan hidrojen atomları boyut ve kütle olarak nötronlara çok yakın olduğundan, onları en iyi yavaşlatabilirler. (Hızlı nötronlarda toplarda olduğu gibi hemen hemen aynı şey olur: küçük bir top büyük olana çarparsa, neredeyse hız kaybetmeden geri yuvarlanır, ancak küçük bir topla karşılaştığında enerjisinin önemli bir bölümünü ona aktarır - tıpkı bir nötronun elastik bir çarpışmada ağır bir çekirdekten sekmesi gibi, sadece biraz yavaşlar ve hidrojen atomlarının çekirdekleriyle çarpışmada çok hızlı bir şekilde tüm enerjisini kaybeder.) Bununla birlikte, hidrojeni eğilimli olduğu için sıradan su yavaşlamaya uygun değildir. nötronları emmek için. Bu nedenle "ağır" suyun bir parçası olan döteryum bu amaçla kullanılmalıdır.
1942'nin başlarında, Fermi'nin önderliğinde, Chicago Stadyumu'nun batı tribünlerinin altındaki tenis kortunda ilk nükleer reaktörün inşaatına başlandı. Tüm çalışmalar bilim adamlarının kendileri tarafından gerçekleştirildi. Reaksiyon tek yolla kontrol edilebilir - zincirleme reaksiyonda yer alan nötronların sayısını ayarlayarak. Fermi bunu, nötronları güçlü bir şekilde emen bor ve kadmiyum gibi malzemelerden yapılmış çubuklarla yapmayı tasarladı. Grafit tuğlalar, fizikçilerin 3 m yüksekliğinde ve 1,2 m genişliğinde sütunlar diktiği moderatör görevi gördü ve aralarına uranyum oksitli dikdörtgen bloklar yerleştirildi. Tüm yapıya yaklaşık 46 ton uranyum oksit ve 385 ton grafit girdi. Reaksiyonu yavaşlatmak için reaktöre verilen kadmiyum ve bor çubuklar görev yaptı.
Bu yeterli değilse, o zaman sigorta için, reaktörün üzerinde bulunan bir platformda, kovaları bir kadmiyum tuzları çözeltisiyle doldurulmuş iki bilim adamı vardı - reaksiyon kontrolden çıkarsa bunları reaktöre dökmeleri gerekiyordu. Neyse ki, bu gerekli değildi. 2 Aralık 1942'de Fermi, tüm kontrol çubuklarının uzatılmasını emretti ve deney başladı. Dört dakika sonra, nötron sayaçları daha yüksek ve daha yüksek sesle tıklamaya başladı. Her dakika nötron akışının yoğunluğu daha da arttı. Bu, reaktörde bir zincirleme reaksiyonun gerçekleştiğini gösterdi. 28 dakika sürdü. Sonra Fermi sinyal verdi ve indirilen çubuklar işlemi durdurdu. Böylece insan ilk kez atom çekirdeğinin enerjisini serbest bıraktı ve onu istediği zaman kontrol edebileceğini kanıtladı. Artık nükleer silahların bir gerçeklik olduğuna dair hiçbir şüphe kalmamıştı.
1943'te Fermi reaktörü söküldü ve Aragon Ulusal Laboratuvarı'na (Chicago'dan 50 km) nakledildi. kısa süre sonra buradaydı
moderatör olarak ağır suyun kullanıldığı başka bir nükleer reaktör inşa edildi. İçine 120 uranyum metal çubuğunun dikey olarak yüklendiği, alüminyum bir kabuk içine alınmış, 6,5 ton ağır su içeren silindirik bir alüminyum tanktan oluşuyordu. Yedi kontrol çubuğu kadmiyumdan yapılmıştır. Tankın çevresinde bir grafit reflektör, ardından kurşun ve kadmiyum alaşımlarından yapılmış bir ekran vardı. Tüm yapı, duvar kalınlığı yaklaşık 2,5 m olan beton bir kabukla çevrelenmiştir.
Bu deneysel reaktörlerdeki deneyler, ticari plütonyum üretimi olasılığını doğruladı.
"Manhattan Projesi"nin ana merkezi kısa sürede Tennessee Nehri Vadisi'ndeki Oak Ridge kasabası oldu ve nüfusu birkaç ayda 79 bin kişiye ulaştı. Burada kısa sürede zenginleştirilmiş uranyum üretimi için ilk tesis kuruldu. Hemen 1943'te, plütonyum üreten bir endüstriyel reaktör başlatıldı. Şubat 1944'te, yüzeyinden kimyasal ayırma ile plütonyum elde edilen günde yaklaşık 300 kg uranyum çıkarıldı. (Bunu yapmak için, plütonyum önce çözüldü ve sonra çökeltildi.) Saflaştırılan uranyum daha sonra tekrar reaktöre geri gönderildi. Aynı yıl, Columbia Nehri'nin güney kıyısındaki çorak, ıssız çölde, devasa Hanford Fabrikası'nın inşaatına başlandı. Buraya günde birkaç yüz gram plütonyum veren üç güçlü nükleer reaktör yerleştirildi.
Buna paralel olarak, uranyum zenginleştirme için endüstriyel bir süreç geliştirmeye yönelik araştırmalar tüm hızıyla devam ediyordu.
Farklı seçenekleri değerlendirdikten sonra, Groves ve Oppenheimer iki yönteme odaklanmaya karar verdiler: gaz difüzyonu ve elektromanyetik.
Gaz difüzyon yöntemi, Graham yasası olarak bilinen bir ilkeye dayanıyordu (ilk olarak 1829'da İskoç kimyager Thomas Graham tarafından formüle edildi ve 1896'da İngiliz fizikçi Reilly tarafından geliştirildi). Bu yasaya göre, biri diğerinden daha hafif olan iki gaz, delikleri ihmal edilebilecek kadar küçük olan bir filtreden geçirilirse, ağır gazdan biraz daha fazla hafif gaz geçecektir. Kasım 1942'de Columbia Üniversitesi'nden Urey ve Dunning, uranyum izotoplarını ayırmak için Reilly yöntemine dayalı bir gaz difüzyon yöntemi geliştirdi.
Doğal uranyum katı olduğu için önce uranyum florüre (UF6) dönüştürüldü. Bu gaz daha sonra filtre bölmesindeki mikroskobik - milimetrenin binde biri mertebesinde - deliklerden geçirildi.
Gazların molar ağırlıklarındaki fark çok küçük olduğu için bölmenin arkasında uranyum-235 içeriği yalnızca 1.0002 kat arttı.
Uranyum-235 miktarını daha da artırmak için elde edilen karışım tekrar bir bölmeden geçirilerek uranyum miktarı yine 1.0002 kat artırılır. Böylece uranyum-235 içeriğini %99'a çıkarmak için gazın 4000 filtreden geçirilmesi gerekiyordu. Bu, Oak Ridge'deki devasa bir gaz difüzyon tesisinde gerçekleşti.
1940 yılında California Üniversitesi'nde Ernst Lawrence önderliğinde uranyum izotoplarının elektromanyetik yöntemle ayrılması üzerine araştırmalar başladı. Böyle bulmak gerekiyordu fiziksel süreçler, bu da izotopların kütlelerindeki fark kullanılarak ayrılmasına izin verirdi. Lawrence, atomların kütlelerini belirleyen bir alet olan kütle spektrografı ilkesini kullanarak izotopları ayırma girişiminde bulundu.
Çalışma prensibi şuydu: önceden iyonize edilmiş atomlar bir elektrik alanı tarafından hızlandırıldı ve ardından alanın yönüne dik bir düzlemde bulunan daireleri tanımladıkları bir manyetik alandan geçtiler. Bu yörüngelerin yarıçapları kütle ile orantılı olduğundan, hafif iyonlar ağır olanlardan daha küçük yarıçaplı daireler üzerinde son buldu. Atomların yoluna tuzaklar yerleştirilirse, bu şekilde farklı izotopları ayrı ayrı toplamak mümkün oldu.
Yöntem buydu. Laboratuvar koşullarında iyi sonuçlar verdi. Ancak endüstriyel ölçekte izotop ayrımının gerçekleştirilebileceği bir tesisin inşasının son derece zor olduğu ortaya çıktı. Ancak Lawrence sonunda tüm zorlukların üstesinden gelmeyi başardı. Çabalarının sonucu, Oak Ridge'deki dev bir fabrikaya kurulan calutronun ortaya çıkmasıydı.
Bu elektromanyetik tesis 1943'te inşa edildi ve Manhattan Projesi'nin belki de en pahalı buluşu olduğu ortaya çıktı. Lawrence'ın yöntemi, yüksek voltaj, yüksek vakum ve güçlü manyetik alanlar içeren çok sayıda karmaşık, henüz gelişmemiş cihaz gerektiriyordu. Maliyetler çok büyüktü. Calutron, uzunluğu 75 m'ye ulaşan ve yaklaşık 4000 ton ağırlığında dev bir elektromıknatısa sahipti.
Bu elektromıknatısın sargılarına birkaç bin ton gümüş tel girdi.
İşin tamamı (Devlet Hazinesinin yalnızca geçici olarak sağladığı 300 milyon dolarlık gümüşün maliyeti hariç) 400 milyon dolara mal oldu. Sadece kaloriferin harcadığı elektrik için Milli Savunma Bakanlığı 10 milyon ödedi. Oak Ridge fabrikasındaki ekipmanların çoğu, ölçek ve hassasiyet açısından bu alanda şimdiye kadar geliştirilmiş her şeyden üstündü.
Ancak tüm bu masraflar boşa gitmedi. Toplamda yaklaşık 2 milyar dolar harcayan ABD'li bilim adamları, 1944'te uranyum zenginleştirme ve plütonyum üretimi için benzersiz bir teknoloji yarattılar. Bu arada Los Alamos Laboratuvarında bombanın tasarımı üzerinde çalışıyorlardı. Çalışma prensibi uzun zamandır genel olarak açıktı: bölünebilir maddenin (plütonyum veya uranyum-235) patlama anında kritik bir duruma geçmiş olması gerekirdi (bir zincirleme reaksiyonun meydana gelmesi için kütlesi, yük, kritik olandan belirgin şekilde daha büyük olmalıdır) ve bir zincirleme reaksiyonun başlamasını gerektiren bir nötron ışını ile ışınlanmalıdır.
Hesaplamalara göre, yükün kritik kütlesi 50 kilogramı aştı, ancak önemli ölçüde azaltılabilir. Genel olarak, kritik kütlenin büyüklüğü birkaç faktörden güçlü bir şekilde etkilenir. Yükün yüzey alanı ne kadar büyük olursa, çevreye gereksiz yere daha fazla nötron yayılır. Küre en küçük yüzey alanına sahiptir. Sonuç olarak, küresel yükler, diğer şeyler eşit olmak üzere, en küçük kritik kütleye sahiptir. Ek olarak, kritik kütlenin değeri, bölünebilir malzemelerin saflığına ve türüne bağlıdır. Bu malzemenin yoğunluğunun karesiyle ters orantılıdır, örneğin yoğunluğu ikiye katlayarak kritik kütleyi dört kat azaltmaya izin verir. Gerekli alt kritiklik derecesi, örneğin bölünebilir malzemenin, nükleer yükü çevreleyen küresel bir kabuk şeklinde yapılan geleneksel bir patlayıcı yükünün patlaması nedeniyle sıkıştırılmasıyla elde edilebilir. Kritik kütle, yükü nötronları iyi yansıtan bir ekranla çevreleyerek de azaltılabilir. Kurşun, berilyum, tungsten, doğal uranyum, demir ve diğerleri böyle bir ekran olarak kullanılabilir.
Atom bombasının olası tasarımlarından biri, birleştirildiğinde kritik olandan daha büyük bir kütle oluşturan iki parça uranyumdan oluşur. Bir bombanın patlamasına neden olmak için onları olabildiğince çabuk bir araya getirmeniz gerekiyor. İkinci yöntem, içe doğru yakınsak bir patlamanın kullanımına dayanmaktadır. Bu durumda, geleneksel bir patlayıcıdan çıkan gazların akışı, içinde bulunan bölünebilir malzemeye yönlendirildi ve onu kritik bir kütleye ulaşana kadar sıkıştırdı. Yükün bağlantısı ve nötronlarla yoğun ışınlaması, daha önce de belirtildiği gibi, bir zincirleme reaksiyona neden olur ve bunun sonucunda, ilk saniyede sıcaklık 1 milyon dereceye yükselir. Bu süre zarfında, kritik kütlenin sadece yaklaşık %5'i ayrılmayı başardı. İlk bomba tasarımlarındaki şarjın geri kalanı,
herhangi bir iyi.
Tarihteki ilk atom bombası ("Trinity" adı verildi) 1945 yazında toplandı. Ve 16 Haziran 1945'te Alamogordo Çölü'ndeki (New Mexico) nükleer test sahasında Dünya'daki ilk atom patlaması gerçekleştirildi. Bomba, test sahasının ortasına 30 metrelik çelik bir kulenin üzerine yerleştirildi. Çevresine çok uzak bir mesafede kayıt ekipmanı yerleştirildi. 9 km'de bir gözlem noktası ve 16 km'de bir komuta noktası vardı. Atom patlaması, bu olayın tüm tanıkları üzerinde muazzam bir etki bıraktı. Görgü tanıklarının ifadesine göre, birçok güneşin bir araya geldiği ve bir anda çokgeni aydınlattığı hissi vardı. Sonra ovanın üzerinde büyük bir ateş topu belirdi ve yuvarlak bir toz ve ışık bulutu yavaşça ve uğursuz bir şekilde ona doğru yükselmeye başladı.
Bu ateş topu yerden havalandıktan sonra birkaç saniye içinde üç kilometreden fazla yüksekliğe uçtu. Her an boyutu büyüdü, kısa sürede çapı 1,5 km'ye ulaştı ve yavaş yavaş stratosfere yükseldi. Ateş topu daha sonra yerini 12 km yüksekliğe kadar uzanan ve dev bir mantar şeklini alan dönen bir duman sütununa bıraktı. Bütün bunlara, dünyanın titrediği korkunç bir kükreme eşlik etti. Patlayan bombanın gücü tüm beklentileri aştı.
Radyasyon durumu izin verir vermez, içeriden kurşun levhalarla kaplı birkaç Sherman tankı patlama alanına koştu. Bunlardan birinde, çalışmasının sonuçlarını görmek için sabırsızlanan Fermi vardı. Gözlerinin önünde, 1,5 km'lik bir yarıçap içindeki tüm yaşamın yok edildiği ölü kavrulmuş toprak belirdi. Kum, zemini kaplayan camsı yeşilimsi bir kabuğa sinterlendi. Büyük bir kraterde, çelik bir destek kulesinin parçalanmış kalıntıları yatıyordu. Patlamanın gücünün 20.000 ton TNT olduğu tahmin ediliyor.
Bir sonraki adım, faşist Almanya'nın teslim olmasının ardından ABD ve müttefikleriyle savaşı tek başına sürdüren Japonya'ya karşı bombanın savaşta kullanılmasıydı. O zamanlar fırlatma aracı yoktu, bu nedenle bombalamanın bir uçaktan yapılması gerekiyordu. İki bombanın bileşenleri USS Indianapolis tarafından büyük bir özenle ABD Hava Kuvvetleri 509. Şarj ve tasarım türüne göre, bu bombalar birbirinden biraz farklıydı.
İlk bomba - "Kid" - büyük boyutlu bir hava bombasıydı. atomik yük yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum-235'ten. Uzunluğu yaklaşık 3 m, çapı - 62 cm, ağırlığı - 4,1 ton idi.
Plütonyum-239 yüklü ikinci bomba - "Şişman Adam" - büyük boyutlu bir dengeleyici ile yumurta şeklindeydi. uzunluğu
3,2 m, çap 1,5 m, ağırlık - 4,5 ton idi.
6 Ağustos'ta Albay Tibbets'in B-29 Enola Gay bombardıman uçağı, "Kid"i büyük Japon şehri Hiroşima'ya düşürdü. Bomba paraşütle atılarak planlandığı gibi yerden 600 m yükseklikte patladı.
Patlamanın sonuçları korkunçtu. Pilotların kendilerinde bile, onlar tarafından bir anda yok edilen huzurlu şehrin görüntüsü iç karartıcı bir izlenim bıraktı. Daha sonra içlerinden biri, o anda bir insanın görebileceği en kötü şeyi gördüklerini itiraf etti.
Dünyada olanlar için, olup bitenler gerçek bir cehennem gibi görünüyordu. Her şeyden önce, Hiroşima'nın üzerinden bir sıcak hava dalgası geçti. Eylemi sadece birkaç dakika sürdü, ancak o kadar güçlüydü ki granit levhalardaki kiremitleri ve kuvars kristallerini bile eritti, 4 km mesafedeki telefon direklerini kömüre çevirdi ve sonunda insan bedenlerini o kadar yaktı ki geriye sadece gölgeleri kaldı. kaldırım asfaltında veya evlerin duvarlarında. Sonra ateş topunun altından korkunç bir rüzgar kaçtı ve 800 km / s hızla şehrin üzerinden geçerek yoluna çıkan her şeyi süpürdü. Onun şiddetli hücumuna dayanamayan evler, sanki yıkılmış gibi yıkıldı. 4 km çapında dev bir daire içinde tek bir bina sağlam kalmadı. Patlamadan birkaç dakika sonra şehrin üzerinden siyah bir radyoaktif yağmur geçti - bu nem, atmosferin yüksek katmanlarında yoğunlaşan buhara dönüştü ve radyoaktif tozla karışmış büyük damlalar şeklinde yere düştü.
Yağmurdan sonra, bu kez merkez üssü yönünde esen yeni bir rüzgar şehre çarptı. İlkinden daha zayıftı ama yine de ağaçları kökünden sökecek kadar güçlüydü. Rüzgar, içinde yanabilecek her şeyin yandığı devasa bir ateşi körükledi. 76.000 binadan 55.000'i tamamen yıkıldı ve yakıldı. Bu korkunç felaketin tanıkları, yanmış giysilerin deri parçalarıyla birlikte yere düştüğü insan meşalelerini ve sokaklarda çığlıklar atarak koşan korkunç yanıklarla kaplı perişan haldeki insan kalabalığını hatırladı. Havada boğucu bir yanık insan eti kokusu vardı. İnsanlar her yerde ölü ve ölmek üzere yatıyordu. Kör ve sağır olan ve her yöne bakan, etrafta hüküm süren kaos içinde hiçbir şey seçemeyen birçok kişi vardı.
Merkez üssünden 800 m'ye kadar bir mesafede bulunan talihsizler, kelimenin tam anlamıyla bir saniyede yandı - içleri buharlaştı ve vücutları tüten kömür yığınlarına dönüştü. Merkez üssünden 1 km uzaklıkta bulunanlar, son derece şiddetli bir biçimde radyasyon hastalığına yakalandılar. Birkaç saat içinde şiddetli bir şekilde kusmaya başladılar, ateş 39-40 dereceye çıktı, nefes darlığı ve kanama ortaya çıktı. Daha sonra ciltte iyileşmeyen ülserler belirdi, kanın bileşimi önemli ölçüde değişti ve saçlar döküldü. Korkunç acıların ardından, genellikle ikinci veya üçüncü günde ölüm meydana geldi.
Toplamda yaklaşık 240 bin kişi patlama ve radyasyon hastalığından öldü. Yaklaşık 160 bin alındı radyasyon hastalığı daha hafif bir biçimde - acı verici ölümleri birkaç ay veya yıl ertelendi. Felaket haberi tüm ülkeye yayıldığında, tüm Japonya korkudan felç oldu. Binbaşı Sweeney'nin Box Car uçağının 9 Ağustos'ta Nagasaki'ye ikinci bir bomba atmasından sonra daha da arttı. Burada birkaç yüz bin kişi de öldü ve yaralandı. Yeni silahlara karşı koyamayan Japon hükümeti teslim oldu - atom bombası İkinci Dünya Savaşı'na son verdi.
Savaş bitti. Sadece altı yıl sürdü, ancak dünyayı ve insanları neredeyse tanınmayacak kadar değiştirmeyi başardı.
1939 öncesi insan uygarlığı ile 1945 sonrası insan uygarlığı birbirinden çarpıcı biçimde farklıdır. Bunun birçok nedeni var ama en önemlilerinden biri nükleer silahların ortaya çıkması. Abartmadan, Hiroşima'nın gölgesinin 20. yüzyılın ikinci yarısının tamamında olduğu söylenebilir. Hem bu felaketin çağdaşları hem de on yıllar sonra doğan milyonlarca insan için derin bir ahlaki yanık haline geldi. Modern insan artık dünyayı 6 Ağustos 1945'ten önceki gibi düşünemez - bu dünyanın birkaç dakika içinde hiçliğe dönüşebileceğini çok net bir şekilde anlıyor.
Modern bir insan, büyükbabalarının ve büyük büyükbabalarının izlediği gibi savaşa bakamaz - bu savaşın son olacağını ve içinde ne kazanan ne de kaybeden olmayacağını kesin olarak bilir. Nükleer silahlar kamusal yaşamın her alanına damgasını vurdu ve modern uygarlık altmış ya da seksen yıl önceki yasalara göre yaşayamaz. Kimse bunu atom bombasının yaratıcılarından daha iyi anlayamadı.
"Gezegenimizin insanları Robert Oppenheimer'ın yazdığı, birleşmeli. Son savaşın ektiği dehşet ve yıkım bize bu düşünceyi dikte ettiriyor. Atom bombalarının patlaması bunu tüm acımasızlığıyla kanıtladı. Diğer zamanlarda başka insanlar da benzer sözler söylediler - yalnızca diğer silahlar ve diğer savaşlar hakkında. Başaramadılar. Ama bugün kim bu sözlerin faydasız olduğunu söylüyorsa, tarihin iniş çıkışlarına aldanmıştır. Buna ikna olamayız. Emeğimizin sonuçları, insanlığa birleşik bir dünya yaratmaktan başka seçenek bırakmıyor. Hukuka ve hümanizme dayalı bir dünya."
Patlayıcı doğa
Uranyum çekirdeği 92 proton içerir. Doğal uranyum esas olarak iki izotopun karışımıdır: U238 (çekirdekte 146 nötron ile) ve U235 (143 nötron), ikincisi doğal uranyumda yalnızca %0,7'dir. Kimyasal özellikler izotoplar kesinlikle aynıdır ve bu nedenle onları kimyasal yöntemlerle ayırmak imkansızdır, ancak kütlelerdeki fark (235 ve 238 birim) bunun fiziksel yöntemlerle yapılmasına izin verir: bir uranyum karışımı gaza dönüştürülür (uranyum hekzaflorür), ve sonra sayısız gözenekli bölmeden pompalandı. Uranyum izotopları ayırt edilemez olmasına rağmen dış görünüş, ne de kimyasal olarak, nükleer karakterlerin özelliklerinde bir uçurumla ayrılırlar.
U238'in fisyon işlemi ücretlidir: dışarıdan gelen bir nötron, beraberinde 1 MeV veya daha fazla enerji getirmelidir. Ve U235 ilgisizdir: Uyarma ve müteakip bozunma için gelen nötrondan hiçbir şey gerekmez, çekirdekteki bağlanma enerjisi oldukça yeterlidir.
Bir nötron, bölünebilen bir çekirdeğe çarptığında, kararsız bir bileşik oluşur, ancak çok hızlı bir şekilde (1014 c'de) iki veya üç yeni nötron yayar, böylece zamanla bölünebilir çekirdeklerin sayısı artabilir (böyle bir reaksiyona denir. zincirleme tepki). Bu sadece U235'te mümkündür, çünkü açgözlü U238, enerjisi 1 MeV'den daha az olan kendi nötronlarından ayrılmak istemez. Parçacıkların kinetik enerjisi - fisyon ürünleri, birçok büyüklük sırasına göre, çekirdeklerin bileşiminin değişmediği herhangi bir kimyasal reaksiyon eylemi sırasında salınan enerjiyi aşar.
Kritik montaj
Fisyon ürünleri kararsızdır ve çeşitli radyasyonlar (nötronlar dahil) yayarak "duyularına gelmeleri" uzun zaman alır. Fisyondan sonra önemli bir süre sonra (onlarca saniyeye kadar) yayılan nötronlara gecikmeli nötronlar denir ve fraksiyonları anlık olanlara göre küçük olsa da (%1'den az), nükleer tesislerin çalışmasında oynadıkları rol en önemli.
Fisyon ürünleri, çevredeki atomlarla çok sayıda çarpışma sırasında onlara enerji vererek sıcaklığı yükseltir. Bölünebilir malzeme ile düzenekte nötronlar ortaya çıktıktan sonra, ısı salma gücü artabilir veya azalabilir ve birim zamandaki fisyon sayısının sabit olduğu düzeneğin parametreleri kritik olarak adlandırılır. Düzeneğin kritikliği, hem büyük hem de az sayıda nötronda (karşılık gelen daha yüksek veya daha düşük bir ısı yayma hızında) muhafaza edilebilir. Termal güç, ya ek nötronları kritik düzeneğe dışarıdan pompalayarak ya da düzeneği süperkritik hale getirerek artırılır (daha sonra ek nötronlar, giderek daha fazla sayıda bölünebilir çekirdek nesli tarafından sağlanır). Örneğin, reaktörün termal gücünü artırmak gerekirse, her hızlı nötron nesli bir öncekinden biraz daha az olduğunda, ancak gecikmiş nötronlar nedeniyle, reaktör zar zor fark edilir şekilde geçtiğinde böyle bir rejime getirilir. kritik durum. Daha sonra hızlanmaz, ancak yavaş yavaş güç kazanır - böylece nötron emiciler (kadmiyum veya bor içeren çubuklar) tanıtılarak büyümesi doğru zamanda durdurulabilir.
Fisyonla üretilen nötronlar genellikle ikinci bir fisyona neden olmadan çevredeki çekirdeklerin yanından geçerler. Bir nötron, malzemenin yüzeyine ne kadar yakın doğarsa, bölünebilir malzemeden uçup bir daha geri gelmeme olasılığı o kadar artar. Bu nedenle, en fazla sayıda nötronu koruyan düzeneğin şekli bir toptur: belirli bir madde kütlesi için minimum bir yüzeye sahiptir. İçinde boşluklar olmayan %94 U235 kapalı (tek) bir top, 49 kg'lık bir kütle ve 85 mm'lik bir yarıçapta kritik hale gelir. Aynı uranyumun montajı, çapına eşit uzunlukta bir silindir ise, 52 kg'lık bir kütlede kritik hale gelir. Yüzey ayrıca artan yoğunlukla azalır. Bu nedenle, bölünebilir malzeme miktarını değiştirmeden patlayıcı sıkıştırma, tertibatı kritik bir duruma getirebilir. Bir nükleer yükün yaygın tasarımının altında yatan bu süreçtir.
top montajı
Ancak çoğu zaman nükleer silahlarda uranyum değil, plütonyum-239 kullanılır. Uranyum-238'in güçlü nötron akıları ile ışınlanmasıyla reaktörlerde üretilir. Plütonyum, U235'ten yaklaşık altı kat daha pahalıdır, ancak bölünürken, Pu239 çekirdeği ortalama 2,895 nötron yayar - U235'ten (2,452) daha fazla. Ayrıca plütonyumun parçalanma olasılığı daha yüksektir. Tüm bunlar, tek başına bir Pu239 topunun, bir uranyum topundan neredeyse üçte bir daha az kütlede ve en önemlisi, daha küçük bir yarıçapta kritik hale gelmesine yol açar, bu da kritik düzeneğin boyutlarını azaltmayı mümkün kılar.
Düzenek, küresel bir katman (içi boş) biçiminde dikkatlice yerleştirilmiş iki yarıdan yapılır; açıkça kritik altıdır - termal nötronlar için bile ve hatta bir moderatör tarafından çevrelendikten sonra bile. Çok hassas bir şekilde yerleştirilmiş patlayıcı bloklarının düzeneğinin etrafına bir yük monte edilir. Nötronları kurtarmak için, patlama sırasında topun asil şeklini korumak gerekir - bunun için, patlayıcı tabakasının tüm dış yüzeyi üzerinde aynı anda baltalanması ve düzeneği eşit şekilde sıkıştırması gerekir. Bunun çok sayıda elektrikli fünye gerektirdiğine inanılıyor. Ancak bu yalnızca "bombalamanın" şafağındaydı: birçok düzine fünyenin çalışması için çok fazla enerji ve önemli boyutta başlatma sistemi gerekiyordu. Modern şarjlarda, özel bir teknikle seçilen, yakın özelliklere sahip birkaç fünye kullanılır; bunlardan polikarbonat bir tabakada öğütülmüş (küresel bir yüzey üzerinde şekli olan) oluklarda oldukça kararlı (patlama hızı açısından) patlayıcılar ateşlenir. Riemann geometri yöntemleri kullanılarak hesaplanmıştır). Yaklaşık 8 km/s'lik bir hızda bir patlama, oluklar boyunca kesinlikle eşit mesafeler kat edecek, aynı anda deliklere ulaşacak ve ana bombayı - aynı anda - gerekli tüm noktalarda patlatacaktır.
içe doğru patlama
İçeriye yönelik bir patlama düzeneği bir milyon atmosferden fazla basınçla sıkıştırır. Düzeneğin yüzeyi küçülür, plütonyumda iç boşluk neredeyse kaybolur, yoğunluk artar ve çok hızlı bir şekilde - on mikrosaniye içinde, sıkıştırılabilir düzenek termal nötronlardaki kritik durumu atlar ve hızlı nötronlarda önemli ölçüde süper kritik hale gelir.
Hızlı nötronların ihmal edilebilir önemsiz yavaşlama süresiyle belirlenen bir süreden sonra, yeni, daha fazla sayıdaki nesillerinin her biri, zaten korkunç bir basınçla patlayan montaj maddesine bölünme yoluyla 202 MeV'lik bir enerji ekler. Meydana gelen olaylar ölçeğinde, en iyi alaşımlı çeliklerin bile gücü o kadar yetersizdir ki, bir patlamanın dinamiklerini hesaplarken bunu hesaba katmak hiç kimsenin aklına gelmez. Düzeneğin dağılmasını engelleyen tek şey atalettir: bir plütonyum topunu on nanosaniyede yalnızca 1 cm genişletmek için, maddeye serbest ivmeden on trilyon kat daha büyük bir ivme vermek gerekir. düşmek ve bu kolay değil.
Sonunda, madde yine de uçar, fisyon durur, ancak süreç burada bitmez: enerji, ayrılan çekirdeklerin iyonize edilmiş parçaları ile fisyon sırasında yayılan diğer parçacıklar arasında yeniden dağıtılır. Enerjileri onlarca ve hatta yüzlerce MeV mertebesindedir, ancak yalnızca elektriksel olarak nötr yüksek enerjili gama kuantumu ve nötronların madde ile etkileşimden kaçınma ve "kaçma" şansı vardır. Yüklü parçacıklar çarpışmalarda ve iyonlaşmalarda hızla enerji kaybeder. Bu durumda, radyasyon yayılır - ancak, artık sert nükleer değil, daha yumuşak, üç kat daha düşük bir enerjiyle, ancak yine de atomlardan elektronları atmak için fazlasıyla yeterli - yalnızca dış kabuklardan değil, genel olarak her şey. Bir yığın çıplak çekirdek, onlardan sıyrılan elektronlar ve santimetreküp başına gram yoğunluğuna sahip radyasyon (alüminyum yoğunluğunu elde eden ışık altında ne kadar iyi bronzlaşabileceğinizi hayal etmeye çalışın!) - bunların hepsi bir an önce bir yüktü. - bir tür dengeye gelir. Çok genç bir ateş topunda, on milyonlarca derece civarında bir sıcaklık oluşur.
ateş topu
Görünüşe göre yumuşak olsa da, ancak ışık hızında hareket eden radyasyon, kendisini oluşturan maddenin çok gerisinde kalmalıdır, ancak bu böyle değildir: soğuk havada, keV enerji kuanta aralığı santimetredir ve yaparlar. düz bir çizgide hareket etmez, ancak hareketin yönünü değiştirerek, her etkileşimle yeniden yayılır. Havayı iyonize edin, bir bardak suya dökülen vişne suyu gibi içinde çoğalın. Bu fenomene radyasyon difüzyonu denir.
Fisyon patlamasının tamamlanmasından birkaç on nanosaniye sonra, 100 kt gücünde bir patlamanın genç bir ateş topunun yarıçapı 3 m ve sıcaklığı yaklaşık 8 milyon kelvin. Ancak 30 mikrosaniye sonra yarıçapı 18 m'dir, ancak sıcaklık bir milyon derecenin altına düşer. Top alanı yutar ve ön kısmının arkasındaki iyonize hava neredeyse hareket etmez: radyasyon, difüzyon sırasında ona önemli bir momentum aktaramaz. Ancak bu havaya büyük bir enerji pompalar, onu ısıtır ve radyasyon enerjisi kuruduğunda, sıcak plazmanın genişlemesi nedeniyle top büyümeye başlar ve eskiden bir yük olan şeyle içeriden patlar. Şişirilmiş bir balon gibi genişleyen plazma kabuğu incelir. Bir balonun aksine, elbette hiçbir şey onu şişirmez: içeride neredeyse hiçbir madde kalmaz, tamamı merkezden ataletle uçar, ancak patlamadan 30 mikrosaniye sonra, bu uçuşun hızı 100 km / s'den fazladır. ve maddedeki hidrodinamik basınç - 150.000 atm'den fazla! Kabuk çok ince olmaya mahkum değildir, patlayarak "kabarcıklar" oluşturur.
Bir ateş topunun enerjisini çevreye aktarma mekanizmalarından hangisinin baskın olduğu, patlamanın gücüne bağlıdır: eğer büyükse, radyasyon difüzyonu, küçükse, plazma balonunun genişlemesinde ana rolü oynar. Her iki mekanizmanın da etkili olması durumunda bir ara durumun da mümkün olduğu açıktır.
İşlem yeni hava katmanlarını yakalar, artık atomlardan tüm elektronları koparmak için yeterli enerji yoktur. İyonize tabakanın enerjisi ve plazma balonunun parçaları kurur, artık önlerinde büyük bir kütleyi hareket ettiremezler ve gözle görülür şekilde yavaşlarlar. Ama patlamadan önce hava neydi, toptan koparak, gittikçe daha fazla soğuk hava katmanını emerek ... Bir şok dalgası oluşumu başlar.
Şok dalgası ve atomik mantar
Şok dalgası ateş topundan ayrıldığında, yayan katmanın özellikleri değişir ve spektrumun optik kısmındaki radyasyon gücü keskin bir şekilde artar (ilk maksimum olarak adlandırılır). Ayrıca, lüminesans süreçleri ve çevredeki havanın şeffaflığındaki değişiklikler rekabet eder, bu da daha az güçlü olan ancak çok daha uzun olan ikinci maksimumun gerçekleşmesine yol açar - öyle ki ışık enerjisinin çıkışı diğerlerinden daha fazladır. ilk maksimum.
Patlamanın yakınında, etrafındaki her şey buharlaşır, uzaklaşır - erir, ancak daha da ötesi, ısı akışının artık katıları, toprağı, kayaları eritmek için yeterli olmadığı yerlerde, evler tüm güçlü bağları yok eden korkunç bir gaz basıncı altında bir sıvı gibi akar, sıcak gözler için dayanılmaz olma noktasına kadar.
Son olarak, şok dalgası, patlama noktasından uzağa hareket eder, burada gevşek ve zayıflamış halde kalır, ancak birçok kez yoğunlaştırılmış buhar bulutu üzerinde genişler ve bu, yükün plazmasının ne olduğu ve neyin en küçük ve çok radyoaktif tozuna dönüştüğünü gösterir. korkunç saatinde yakın olduğu ortaya çıktı, insanın mümkün olduğu kadar uzak durması gereken bir yere. Bulut yükselmeye başlar. Soğur, rengini değiştirir, beyaz bir yoğunlaştırılmış nem başlığı "takar", ardından dünya yüzeyinden toz gelir ve genellikle "atomik mantar" olarak adlandırılan şeyin bir "bacağını" oluşturur.
nötron başlangıcı
Dikkatli okuyucular, elinde bir kalemle patlama sırasındaki enerji salınımını tahmin edebilir. Düzeneğin mikrosaniye mertebesinde süperkritik durumda olduğu süre ile, nötronların yaşı pikosaniye mertebesindedir ve çarpma faktörü 2'den azdır, yaklaşık bir gigajoule enerji açığa çıkar, bu da .. 250 kg TNT. Kilo ve megatonlar nerede?
Gerçek şu ki, bir düzenekteki fisyon zinciri tek bir nötronla başlamaz: gereken mikrosaniyede milyonlarcası süperkritik düzeneğe enjekte edilir. İlk nükleer yüklerde bunun için plütonyum düzeneğinin içindeki bir boşlukta bulunan izotop kaynakları kullanıldı: sıkıştırma anında berilyum ile birleşen polonyum-210 ve alfa parçacıklarıyla nötron emisyonuna neden oldu. Ancak tüm izotop kaynakları oldukça zayıftır (ilk Amerikan ürününde mikrosaniye başına bir milyondan daha az nötron üretilmiştir) ve polonyum zaten çok çabuk bozulur - sadece 138 gün içinde aktivitesini yarı yarıya azaltır. Bu nedenle, izotoplar daha az tehlikeli (kapalı durumda yayılmayan) ve en önemlisi, daha yoğun yayan nötron tüpleri ile değiştirildi (kenar çubuğuna bakın): birkaç mikrosaniyede yüz milyonlarca nötron doğar (atım süresi tarafından oluşturulan tüp). Ancak çalışmazsa veya doğru zamanda çalışmazsa, sözde pop veya "zilch" meydana gelir - düşük güçlü bir termal patlama.
Nötron başlatma, bir nükleer patlamanın enerji salınımını yalnızca birçok büyüklük mertebesinde artırmakla kalmaz, aynı zamanda onu düzenlemeyi de mümkün kılar! Formülasyonunda bir nükleer saldırının gücünün zorunlu olarak belirtildiği bir savaş görevi aldıktan sonra, hiç kimsenin yükü belirli bir güç için en uygun olan bir plütonyum düzeneği ile donatmak için sökmediği açıktır. Değiştirilebilir bir TNT eşdeğerine sahip mühimmatta, nötron tüpünün besleme voltajını değiştirmek yeterlidir. Buna göre nötron verimi ve enerji salınımı değişecektir (elbette bu şekilde güç düşürüldüğünde çok pahalı olan plütonyum boşa gitmiş olur).
Ancak enerji salınımını düzenleme gereğini çok sonra düşünmeye başladılar ve savaş sonrası ilk yıllarda gücü azaltmaktan söz edilemezdi. Daha güçlü, daha güçlü ve daha güçlü! Ancak kritik altı kürenin izin verilen boyutlarında nükleer-fiziksel ve hidrodinamik sınırlamalar olduğu ortaya çıktı. Yüz kilotonluk patlamanın TNT eşdeğeri, yalnızca fisyonun meydana geldiği tek fazlı mühimmatlar için fiziksel sınıra yakındır. Sonuç olarak, ana enerji kaynağı olarak fisyon terk edildi ve başka bir sınıf - sentez reaksiyonlarına dayandılar.
nükleer sanrılar
Patlama anında plütonyumun yoğunluğu, faz geçişi nedeniyle artar.
Metalik plütonyum, yoğunluğu 14,7 ila 19,8 g/cm3 arasında olan altı fazda bulunur. 119 °C'nin altındaki sıcaklıklarda, bir monoklinik alfa fazı (19.8 g/cm3) vardır, ancak bu tür plütonyum çok kırılgandır ve kübik yüz merkezli delta fazında (15.9) sünektir ve iyi işlenmiştir (bu fazdır). alaşım katkı maddeleri ile tutmaya çalıştıkları). Patlama sıkıştırması sırasında faz geçişleri olamaz - plütonyum yarı sıvı haldedir. Faz geçişleri üretimde tehlikelidir: ne zaman büyük bedenler parçalar, yoğunluktaki küçük bir değişiklikle bile kritik bir duruma ulaşmak mümkündür. Elbette patlama olmayacak - iş parçası basitçe ısınacak, ancak nikel kaplama sıfırlanabilir (ve plütonyum çok zehirlidir).
nötron kaynağı
İlk nükleer bombalar bir berilyum-polonyum nötron kaynağı kullandı. Modern yüklerde çok daha uygun nötron tüpleri kullanılmaktadır. Trityumla doymuş bir hedef (katot) (1) ile bir anot düzeneği (2) arasındaki bir vakumlu nötron tüpünde, 100 kV'luk bir darbeli voltaj uygulanır. Voltaj maksimum olduğunda, hızlandırılması gereken anot ve katot arasında döteryum iyonlarının görünmesi gerekir. Bunun için bir iyon kaynağı kullanılır. Anoduna (3) bir ateşleme darbesi uygulanır ve döteryum (4) ile doymuş seramik yüzeyinden geçen deşarj, döteryum iyonları oluşturur. Hızlanarak, trityum ile doymuş bir hedefi bombalarlar, bunun sonucunda 17.6 MeV'lik bir enerji açığa çıkar ve nötronlar ve helyum-4 çekirdekleri oluşur.
Parçacık bileşimi ve hatta enerji verimi açısından, bu reaksiyon, hafif çekirdeklerin füzyon süreci olan füzyonla aynıdır. 1950'lerde birçok kişi bunun füzyon olduğuna inanıyordu, ancak daha sonra tüpte bir "bozulma" meydana geldiği ortaya çıktı: ya bir proton ya da bir nötron (döteryum iyonu bir elektrik alanı tarafından hızlandırılır) içinde "sıkışır". hedef çekirdek (trityum) . Bir proton batağa saplanırsa, nötron kırılır ve serbest kalır.
Nötronlar - yavaş ve hızlı
Bölünemez bir maddede, "sıçrayan" çekirdekler, nötronlar enerjilerinin bir kısmını onlara aktarır, çekirdekler ne kadar büyükse, o kadar hafiftir (kütle olarak daha yakındır). Olduğundan daha fazlaÇarpışmalar nötronları içeriyordu, ne kadar çok yavaşlarlarsa ve sonunda, çevreleyen madde ile termal dengeye gelirler - termalleşirler (bu milisaniyeler sürer). Termal nötronların hızı 2200 m/s'dir (enerji 0,025 eV). Nötronlar moderatörden kaçabilir, çekirdekleri tarafından yakalanır, ancak yavaşlama ile nükleer reaksiyonlara girme yetenekleri önemli ölçüde artar, bu nedenle "kaybolmayan" nötronlar, sayılardaki azalmayı fazlasıyla telafi eder.
Bu nedenle, bir bölünebilir madde topunun bir moderatör tarafından çevrelenmesi durumunda, birçok nötron moderatörden ayrılacak veya onun tarafından emilecektir, ancak topa geri dönecek ("yansıtacak") ve enerjilerini kaybetmiş olanlar da olacaktır. bölünme eylemlerine neden olma olasılığı çok daha yüksektir. Küre 25 mm kalınlığında bir berilyum tabakasıyla çevriliyse, 20 kg U235 tasarrufu yapılabilir ve montaj yine de kritik bir duruma ulaşacaktır. Ancak bu tür tasarruflar zamanla ödenir: sonraki her nötron nesli, fisyona neden olmadan önce yavaşlamalıdır. Bu gecikme, birim zamanda üretilen nötron nesil sayısını azaltır, bu da enerji salınımının gecikmesi anlamına gelir. Düzenekte ne kadar az bölünebilir malzeme varsa, bir zincirleme reaksiyonun gelişmesi için o kadar fazla moderatör gerekir ve fisyon, çok daha düşük enerjili nötronlarda ilerler. Sınırlayıcı durumda, kritiklik yalnızca termal nötronlarda elde edildiğinde, örneğin iyi bir moderatörde - sudaki bir uranyum tuzları çözeltisinde, düzeneklerin kütlesi yüzlerce gramdır, ancak çözelti periyodik olarak kaynar. Serbest bırakılan buhar kabarcıkları, bölünebilir maddenin ortalama yoğunluğunu azaltır, zincirleme reaksiyon durur ve kabarcıklar sıvıyı terk ettiğinde, fisyon flaşı tekrar eder (eğer kabı tıkarsanız, buhar onu kırar - ancak bu bir termal patlama olacaktır) , tüm tipik "nükleer" işaretlerden yoksun).
Video: Nükleer patlamalar
Abone olun ve en iyi yayınlarımızı okuyun Yandex.Zen. Dünyanın her yerinden güzel fotoğrafları sayfamızda görün instagram
Bir hata bulursanız, lütfen bir metin parçası seçin ve Ctrl+Enter tuşlarına basın.
Nükleer reaktör sorunsuz ve doğru bir şekilde çalışıyor. Aksi takdirde, bildiğiniz gibi, sorun çıkar. Ama içeride neler oluyor? Bir nükleer (atomik) reaktörün çalışma prensibini kısaca, net bir şekilde duraklamalarla formüle etmeye çalışalım.
Aslında, orada bir nükleer patlamada olduğu gibi aynı süreç devam ediyor. Ancak şimdi patlama çok hızlı gerçekleşir ve reaktörde tüm bunlar uzar. uzun zaman. Sonunda, her şey güvenli ve sağlam kalır ve enerji elde ederiz. Etraftaki her şey hemen parçalanacak kadar değil ama şehre elektrik sağlamaya yetecek kadar.
Kontrollü bir nükleer reaksiyonun nasıl çalıştığını anlamadan önce, ne olduğunu bilmeniz gerekir. Nükleer reaksiyon genel olarak.
Nükleer reaksiyon - bu, atom çekirdeğinin temel parçacıklar ve gama kuantumları ile etkileşimleri sırasında dönüşüm (fisyon) sürecidir.
Nükleer reaksiyonlar hem absorpsiyon hem de enerjinin salınması ile gerçekleşebilir. Reaktörde ikinci reaksiyonlar kullanılır.
Nükleer reaktör - Bu, amacı enerjinin serbest bırakılmasıyla kontrollü bir nükleer reaksiyonu sürdürmek olan bir cihazdır.
Genellikle bir nükleer reaktöre nükleer reaktör de denir. Burada temel bir fark olmadığına dikkat edin, ancak bilim açısından "nükleer" kelimesini kullanmak daha doğrudur. Artık birçok nükleer reaktör türü var. Bunlar enerji santrallerinde enerji üretmek için tasarlanmış devasa endüstriyel reaktörler, nükleer denizaltı reaktörleri, bilimsel deneylerde kullanılan küçük deneysel reaktörlerdir. Deniz suyunu tuzdan arındırmak için kullanılan reaktörler bile var.
Bir nükleer reaktörün yaratılış tarihi
İlk nükleer reaktör çok uzak olmayan 1942'de fırlatıldı. ABD'de Fermi önderliğinde oldu. Bu reaktöre "Chicago odun yığını" adı verildi.
1946'da Kurchatov liderliğinde ilk Sovyet reaktörü çalışmaya başladı. Bu reaktörün gövdesi yedi metre çapında bir toptu. İlk reaktörlerin soğutma sistemi yoktu ve güçleri minimum düzeydeydi. Bu arada, Sovyet reaktörünün ortalama gücü 20 watt iken, Amerikan reaktörünün gücü sadece 1 watt'tı. Karşılaştırma için: Modern güç reaktörlerinin ortalama gücü 5 Gigawatt'tır. İlk reaktörün lansmanından on yıldan az bir süre sonra, dünyanın ilk endüstriyel nükleer santrali Obninsk şehrinde açıldı.
Bir nükleer (atomik) reaktörün çalışma prensibi
Herhangi bir nükleer reaktör birkaç bölümden oluşur: çekirdek İle birlikte yakıt ve moderatör , nötron reflektörü , soğutucu , kontrol ve koruma sistemi . Reaktörlerde en çok kullanılan yakıt izotoplardır. uranyum (235, 238, 233), plütonyum (239) ve toryum (232). Aktif bölge, normal suyun (soğutma sıvısının) aktığı bir kazandır. Diğer soğutma sıvıları arasında "ağır su" ve sıvı grafit daha az kullanılır. Bir nükleer santralin işletilmesinden bahsedersek, ısı üretmek için bir nükleer reaktör kullanılır. Elektriğin kendisi, diğer enerji santrallerinde olduğu gibi aynı yöntemle üretilir - buhar türbini döndürür ve hareket enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülür.
Aşağıda bir nükleer reaktörün çalışmasının bir diyagramı bulunmaktadır.
Daha önce de söylediğimiz gibi, ağır bir uranyum çekirdeğinin bozunması daha hafif elementler ve birkaç nötron üretir. Ortaya çıkan nötronlar diğer çekirdeklerle çarpışarak onların da parçalanmasına neden olur. Bu durumda nötron sayısı çığ gibi büyür.
Burada belirtilmesi gerekiyor nötron çarpım faktörü . Yani, bu katsayı bire eşit bir değeri aşarsa, bir nükleer patlama meydana gelir. Değer birden küçükse, çok az nötron vardır ve reaksiyon ölür. Ancak katsayının değerini bire eşit tutarsanız, reaksiyon uzun süre ve istikrarlı bir şekilde ilerleyecektir.
Soru, nasıl yapılacağıdır? Reaktörde, yakıt sözde yakıt elemanları (TVELah). Bunlar, küçük tabletler şeklinde, nükleer yakıt . Yakıt çubukları, reaktörde yüzlerce olabilen altıgen kasetlere bağlanır. Yakıt çubuklu kasetler dikey olarak yerleştirilmiştir, her yakıt çubuğu ise çekirdeğe daldırma derinliğini ayarlamanıza izin veren bir sisteme sahiptir. Kasetlerin kendilerine ek olarak, aralarında kontrol çubukları ve acil durum koruma çubukları . Çubuklar, nötronları iyi emen bir malzemeden yapılmıştır. Böylece kontrol çubukları çekirdekte farklı derinliklere indirilerek nötron çoğalma faktörü ayarlanabiliyor. Acil durum çubukları, acil bir durumda reaktörü kapatmak için tasarlanmıştır.
Bir nükleer reaktör nasıl başlatılır?
Çalışma prensibini anladık, ancak reaktör nasıl çalıştırılır ve çalışır hale getirilir? Kabaca konuşursak, işte burada - bir uranyum parçası, ama sonuçta, içinde kendi başına bir zincirleme reaksiyon başlamıyor. Gerçek şu ki, nükleer fizikte bir kavram var. Kritik kitle .
Kritik kütle, bir nükleer zincir reaksiyonunu başlatmak için gerekli olan bölünebilir malzeme kütlesidir.
Yakıt elemanları ve kontrol çubukları yardımıyla, önce reaktörde kritik bir nükleer yakıt kütlesi oluşturulur ve ardından reaktör birkaç aşamada optimum güç seviyesine getirilir.
Bu yazımızda sizlere vermeye çalıştık. Genel fikir bir nükleer (atomik) reaktörün tasarımı ve çalışma prensibi üzerine. Konuyla ilgili herhangi bir sorunuz varsa veya üniversite nükleer fizikte bir problem sorduysa, lütfen iletişime geçin. şirketimizin uzmanları. Her zaman olduğu gibi, çalışmalarınızın herhangi bir acil sorununu çözmenize yardımcı olmaya hazırız. Bu arada bunu da yapıyoruz, dikkatinize bir eğitim videosu daha geliyor!
Nükleer enerji, elektrik üretmenin modern ve hızla gelişen bir yoludur. Nükleer santrallerin nasıl düzenlendiğini biliyor musunuz? Bir nükleer santralin çalışma prensibi nedir? Bugün ne tür nükleer reaktörler var? Bir nükleer santralin çalışma şemasını ayrıntılı olarak ele almaya, bir nükleer reaktörün yapısını incelemeye ve elektrik üretmenin atomik yönteminin ne kadar güvenli olduğunu bulmaya çalışacağız.
Herhangi bir istasyon, yerleşim bölgesinden uzakta kapalı bir alandır. Bölgesinde birkaç bina var. En önemli bina reaktör binası, onun yanında reaktörün kontrol edildiği türbin salonu ve güvenlik binası.
Şema nükleer reaktör olmadan imkansızdır. Bir atomik (nükleer) reaktör, bu süreçte zorunlu enerji salınımı ile nötron fisyonunun bir zincirleme reaksiyonunu organize etmek için tasarlanmış bir nükleer santral cihazıdır. Ancak bir nükleer santralin çalışma prensibi nedir?
Tüm reaktör tesisi, reaktörü gizleyen ve bir kaza durumunda nükleer reaksiyonun tüm ürünlerini içerecek olan büyük bir beton kule olan reaktör binasına yerleştirilmiştir. Bu büyük kuleye muhafaza, hermetik kabuk veya muhafaza denir.
Yeni reaktörlerdeki muhafaza bölgesi 2 kalın beton duvara sahiptir - kabuklar.
80 cm kalınlığında bir dış kabuk, muhafaza alanını dış etkilerden korur.
1 metre 20 cm kalınlığındaki iç kabuk, aparatında betonun mukavemetini neredeyse üç kat artıran ve yapının parçalanmasına izin vermeyecek özel çelik kablolara sahiptir. İçeride, muhafaza için ek koruma görevi görecek ve bir kaza durumunda reaktör içeriğinin muhafaza alanı dışına salınmasını önleyecek şekilde tasarlanmış ince bir özel çelik levha ile kaplanmıştır.
Böyle bir nükleer santral cihazı, 200 tona kadar olan bir uçağın düşmesine, 8 büyüklüğünde bir depreme, kasırga ve tsunamiye dayanabilir.
İlk basınçlı muhafaza, 1968'de Amerikan nükleer enerji santrali Connecticut Yankee'de inşa edildi.
Muhafaza alanının toplam yüksekliği 50-60 metredir.
Nükleer reaktör neyden yapılmıştır?
Bir nükleer reaktörün çalışma prensibini ve dolayısıyla bir nükleer santralin çalışma prensibini anlamak için reaktörün bileşenlerini anlamanız gerekir. 
- aktif bölge. Burası nükleer yakıtın (ısı salıcı) ve moderatörün yerleştirildiği alandır. Yakıt atomları (çoğunlukla yakıt uranyumdur) bir fisyon zinciri reaksiyonu gerçekleştirir. Moderatör, fisyon sürecini kontrol etmek için tasarlanmıştır ve hız ve güç açısından gerekli reaksiyonu gerçekleştirmenizi sağlar.
- nötron yansıtıcı. Reflektör aktif bölgeyi çevreler. Moderatör ile aynı malzemeden oluşur. Aslında bu, asıl amacı nötronların çekirdekten çıkıp çevreye karışmasını engellemek olan bir kutu.
- Soğutucu. Soğutucu, yakıt atomlarının bölünmesi sırasında açığa çıkan ısıyı emmeli ve diğer maddelere aktarmalıdır. Soğutucu, bir nükleer enerji santralinin nasıl tasarlanacağını büyük ölçüde belirler. Bugün en popüler soğutma sıvısı sudur.
Reaktör kontrol sistemi. Nükleer santral reaktörünü harekete geçiren sensörler ve mekanizmalar.
Nükleer santraller için yakıt
Nükleer santral ne işe yarar? Nükleer santraller için yakıt, radyoaktif özelliklere sahip kimyasal elementlerdir. Tüm nükleer santrallerde uranyum böyle bir elementtir.
İstasyonların tasarımı, nükleer santrallerin saf bir kimyasal elementle değil, karmaşık bileşik yakıtla çalıştığını ima eder. Ve bir nükleer reaktöre yüklenen doğal uranyumdan uranyum yakıtı çıkarmak için birçok manipülasyon yapmanız gerekir.
zenginleştirilmiş uranyum
Uranyum iki izotoptan oluşur, yani farklı kütlelere sahip çekirdekler içerir. Proton ve nötron izotop -235 ve izotop-238 sayısına göre adlandırıldılar. 20. yüzyılın araştırmacıları cevherden uranyum 235 çıkarmaya başladılar çünkü. ayrıştırmak ve dönüştürmek daha kolaydı. Doğada bu tür uranyumun yalnızca% 0,7'sinin olduğu ortaya çıktı (kalan yüzdeler 238. izotopa gitti).
Bu durumda ne yapmalı? Uranyum zenginleştirmeye karar verdiler. Uranyumun zenginleştirilmesi, içinde çok sayıda gerekli 235x izotopun ve birkaç gereksiz 238x izotopun kaldığı bir süreçtir. Uranyum zenginleştiricilerin görevi %0,7'den neredeyse %100 uranyum-235 yapmaktır.
Uranyum iki teknoloji kullanılarak zenginleştirilebilir - gaz difüzyonu veya gaz santrifüjü. Kullanımları için cevherden çıkarılan uranyum gaz haline dönüştürülür. Gaz halinde zenginleştirilir.
uranyum tozu
Zenginleştirilmiş uranyum gazı katı hal uranyum dioksite dönüştürülür. Bu saf katı uranyum 235, daha sonra uranyum tozuna ezilen büyük beyaz kristallere benziyor.
uranyum tabletleri
Uranyum topakları, birkaç santimetre uzunluğunda katı metal pullardır. Bu tür tabletleri uranyum tozundan kalıplamak için, bir madde - bir plastikleştirici ile karıştırılır, tablet presleme kalitesini artırır.
Preslenmiş yıkayıcılar, tabletlere özel bir güç ve yüksek sıcaklıklara karşı direnç kazandırmak için 1200 santigrat derece sıcaklıkta bir günden fazla pişirilir. Bir nükleer santralin çalışma şekli doğrudan uranyum yakıtının ne kadar iyi sıkıştırılıp pişirildiğine bağlıdır. 
Tabletler molibden kutularda pişirilir, çünkü. sadece bu metal, bir buçuk bin derecenin üzerindeki "cehennem gibi" sıcaklıklarda erimez. Bundan sonra nükleer santraller için uranyum yakıtı hazır kabul edilir.
TVEL ve TVS nedir?
Reaktör çekirdeği, duvarlarında delikler bulunan (reaktör tipine bağlı olarak) 5 kat daha büyük bir disk veya boru gibi görünür. insan vücudu. Bu delikler, atomları istenen reaksiyonu gerçekleştiren uranyum yakıtı içerir.
Tüm istasyonun patlaması ve yakınlardaki birkaç eyalet için sonuçları olan bir kaza olmasını istemiyorsanız, bir reaktöre basitçe yakıt atmak imkansızdır. Bu nedenle, uranyum yakıtı yakıt çubuklarına yerleştirilir ve ardından yakıt tertibatlarında toplanır. Bu kısaltmalar ne anlama geliyor?
- TVEL - yakıt elemanı (bunları üreten Rus şirketinin aynı adı ile karıştırılmamalıdır). Aslında bu, içine uranyum peletlerinin yerleştirildiği, zirkonyum alaşımlarından yapılmış ince ve uzun bir zirkonyum tüptür. Uranyum atomlarının reaksiyon sırasında ısı açığa çıkararak birbirleriyle etkileşime girmeye başladığı yakıt çubuklarındadır.
Zirkonyum, refrakterliği ve korozyon önleyici özellikleri nedeniyle yakıt çubukları üretimi için bir malzeme olarak seçilmiştir.
Yakıt elemanlarının tipi, reaktörün tipine ve yapısına bağlıdır. Kural olarak, yakıt çubuklarının yapısı ve amacı değişmez, borunun uzunluğu ve genişliği farklı olabilir. 
Makine, bir zirkonyum tüpe 200'den fazla uranyum peleti yükler. Toplamda, reaktörde aynı anda yaklaşık 10 milyon uranyum peleti çalışıyor.
FA - yakıt montajı. NPP çalışanları, yakıt tertibatları demetleri olarak adlandırır.
Aslında bunlar birbirine bağlanmış birkaç TVEL'dir. Yakıt düzenekleri, bir nükleer santralin kullandığı hazır nükleer yakıttır. Bir nükleer reaktöre yüklenen yakıt gruplarıdır. Bir reaktöre yaklaşık 150 - 400 yakıt düzeneği yerleştirilir.
Yakıt tertibatının hangi reaktörde çalışacağına bağlı olarak, bunlar farklı şekiller. Demetler bazen kübik, bazen silindirik, bazen altıgen şeklinde katlanır.
4 yıllık çalışma için bir yakıt tertibatı, 670 vagon kömür, 730 doğal gaz tankı veya petrol yüklü 900 tank yakıldığında elde edilen enerjiyle aynı miktarda enerji üretir.
Günümüzde yakıt grupları ağırlıklı olarak Rusya, Fransa, ABD ve Japonya'daki fabrikalarda üretilmektedir.
Nükleer santraller için yakıtı diğer ülkelere ulaştırmak için yakıt depoları uzun ve geniş metal borularla kapatılır, borulardan hava pompalanır ve özel makinelerle kargo uçaklarına iletilir.
Nükleer santraller için nükleer yakıtın ağırlığı çok fazladır, tk. uranyum gezegendeki en ağır metallerden biridir. Özgül ağırlığı çeliğin 2,5 katıdır.
Nükleer santral: çalışma prensibi
Bir nükleer santralin çalışma prensibi nedir? Nükleer santrallerin çalışma prensibi, radyoaktif bir maddenin - uranyum atomlarının bölünmesinin zincirleme reaksiyonuna dayanmaktadır. Bu reaksiyon bir nükleer reaktörün çekirdeğinde gerçekleşir.
BİLMEK ÖNEMLİDİR:
Nükleer fiziğin inceliklerine girmezseniz, bir nükleer santralin çalışma prensibi şöyle görünür:
Nükleer reaktör başlatıldıktan sonra, uranyumun reaksiyona girmesini önleyen yakıt çubuklarından emici çubuklar çıkarılır.
Çubuklar kaldırılır kaldırılmaz, uranyum nötronları birbirleriyle etkileşime girmeye başlar.
Nötronlar çarpıştığında atomik seviyede mini bir patlama meydana gelir, enerji açığa çıkar ve yeni nötronlar doğar, zincirleme bir reaksiyon oluşmaya başlar. Bu işlem ısıyı serbest bırakır.
Isı soğutucuya aktarılır. Soğutma sıvısının türüne bağlı olarak, türbini döndüren buhar veya gaza dönüşür.
Türbin bir elektrik jeneratörünü çalıştırır. Aslında elektrik üreten odur.
Süreci takip etmezseniz, uranyum nötronları, reaktör patlayana ve tüm nükleer santral paramparça olana kadar birbirleriyle çarpışabilir. Bilgisayar sensörleri süreci kontrol eder. Reaktördeki sıcaklıktaki bir artışı veya basınçtaki bir değişikliği algılarlar ve reaksiyonları otomatik olarak durdurabilirler.
Nükleer santrallerin çalışma prensibi ile termik santrallerin (termik santraller) çalışma prensibi arasındaki fark nedir?
İşteki farklılıklar sadece ilk aşamalarda. Nükleer santrallerde, soğutucu uranyum yakıt atomlarının bölünmesinden ısı alır, termik santrallerde soğutucu organik yakıtın (kömür, gaz veya petrol) yanmasından ısı alır. Uranyum atomları veya kömürlü gaz ısı saldıktan sonra, nükleer santrallerin ve termik santrallerin çalışma şemaları aynıdır.
Nükleer reaktör türleri
Bir nükleer santralin nasıl çalıştığı, nükleer reaktörünün nasıl çalıştığına bağlıdır. Bugün, nöronların spektrumuna göre sınıflandırılan iki ana reaktör tipi vardır:
Termal reaktör olarak da adlandırılan yavaş bir nötron reaktörü.
Çalışması için zenginleştirme, uranyum tabletlerinin oluşturulması vb. Aşamalardan geçen 235 uranyum kullanılır. Bugün, yavaş nötron reaktörleri büyük çoğunlukta.
Hızlı nötron reaktörü.
Bu reaktörler gelecek, çünkü doğada bir düzine olan uranyum-238 üzerinde çalışıyorlar ve bu elementi zenginleştirmek gerekli değil. Bu tür reaktörlerin dezavantajı, yalnızca tasarım, inşaat ve fırlatma için çok yüksek maliyetlerdir. Bugün hızlı nötron reaktörleri sadece Rusya'da çalışıyor.
Hızlı nötron reaktörlerindeki soğutucu cıva, gaz, sodyum veya kurşundur. 
Günümüzde dünyadaki tüm nükleer santrallerin kullandığı yavaş nötron reaktörlerinin de birkaç çeşidi bulunmaktadır.
IAEA kuruluşu (Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı), dünya nükleer endüstrisinde en sık kullanılan kendi sınıflandırmasını oluşturmuştur. Bir nükleer santralin çalışma prensibi büyük ölçüde soğutucu ve moderatör seçimine bağlı olduğundan, IAEA sınıflandırmasını bu farklılıklara dayandırmıştır.
Kimyasal açıdan döteryum oksit ideal bir moderatör ve soğutucudur, çünkü atomları, diğer maddelere kıyasla uranyumun nötronları ile en etkili şekilde etkileşime girer. Basitçe söylemek gerekirse, ağır su görevini minimum kayıp ve maksimum sonuçla yerine getirir. Ancak üretimi paraya mal olurken, bizim için olağan "hafif" ve tanıdık suyu kullanmak çok daha kolay.
Nükleer reaktörler hakkında birkaç gerçek...
Bir nükleer santral reaktörünün en az 3 yıllığına yapılması ilginç!
Bir reaktör inşa etmek için, bir insanı öldürebilecek akımın milyon katı olan 210 kilo amperlik bir elektrik akımıyla çalışan ekipmana ihtiyacınız var.
Bir nükleer reaktörün bir kabuğu (yapısal elemanı) 150 ton ağırlığındadır. Bir reaktörde bu tür 6 element vardır.
Basınçlı su reaktörü
Nükleer santralin genel olarak nasıl çalıştığını zaten öğrendik, “düzeltmek” için en popüler basınçlı nükleer reaktörün nasıl çalıştığını görelim.
Bugün tüm dünyada 3+ nesil basınçlı su reaktörleri kullanılmaktadır. En güvenilir ve güvenli olarak kabul edilirler.
Dünyadaki tüm basınçlı su reaktörleri toplamda çalıştıkları tüm yıllar boyunca 1000 yılı aşkın bir süredir sorunsuz çalışmasını kazanmayı başarmış ve hiçbir zaman ciddi sapmalar vermemiştir. 
Basınçlı su reaktörlerine dayanan nükleer enerji santrallerinin yapısı, 320 dereceye kadar ısıtılan yakıt çubukları arasında damıtılmış suyun dolaştığını ima eder. Buharlaşmaması için 160 atmosfer basınç altında tutulur. NPP şeması buna birincil su diyor.
Isıtılan su, buhar üreticisine girer ve ısısını ikincil devrenin suyuna verir, ardından tekrar reaktöre "geri döner". Dışarıdan, birincil su devresinin boruları diğer borularla temas halinde gibi görünüyor - ikinci devrenin suyu, birbirlerine ısı aktarıyorlar, ancak sular temas etmiyor. Tüpler temas halinde.
Böylece, elektrik üretme sürecine daha fazla katılacak olan ikincil devrenin suyuna radyasyon girme olasılığı hariç tutulur.
Nükleer santral güvenliği
Nükleer santrallerin çalışma prensibini öğrendikten sonra, güvenliğin nasıl düzenlendiğini anlamalıyız. Günümüzde nükleer santrallerin tasarımı, güvenlik kurallarına daha fazla dikkat edilmesini gerektirmektedir.
Nükleer santral güvenliğinin maliyeti, santralin toplam maliyetinin yaklaşık %40'ı kadardır. 
NPP programı, radyoaktif maddelerin salınmasını önleyen 4 fiziksel engel içermektedir. Bu engellerin ne yapması gerekiyor? Doğru zamanda, nükleer reaksiyonu durdurabilmeli, çekirdekten ve reaktörün kendisinden sürekli ısı uzaklaştırılmasını sağlamalı ve muhafaza alanından (koruma bölgesi) radyonüklitlerin salınmasını önlemelidir.
- İlk engel, uranyum topaklarının gücüdür. Bir nükleer reaktörde yüksek sıcaklıkların etkisi altında çökmemeleri önemlidir. Birçok yönden, bir nükleer enerji santralinin nasıl çalıştığı, uranyum topaklarının en yüksek sıcaklıkta nasıl "pişirildiğine" bağlıdır. İlk aşamaüretme. Uranyum yakıt peletleri yanlış pişirilirse, reaktördeki uranyum atomlarının reaksiyonları tahmin edilemez olacaktır.
- İkinci engel, yakıt çubuklarının sıkılığıdır. Zirkonyum tüpler sıkıca kapatılmalıdır, eğer sızdırmazlık bozulursa, en iyi ihtimalle reaktör hasar görür ve iş durur, en kötü ihtimalle her şey havaya uçar.
- Üçüncü bariyer, güçlü bir çelik reaktör kabıdır. bir, (aynı büyük kule- tüm radyoaktif süreçleri "tutan" çevreleme bölgesi. Gövde hasar gördü - atmosfere radyasyon salınacak.
- Dördüncü bariyer, acil durum koruma çubuklarıdır. Aktif bölgenin üzerinde, moderatörlü çubuklar, tüm nötronları 2 saniye içinde emebilen ve zincirleme reaksiyonu durdurabilen mıknatıslara asılır.
Birçok koruma derecesine sahip bir nükleer santral inşa edilmesine rağmen reaktör çekirdeğini doğru zamanda soğutmak mümkün olmazsa ve yakıt sıcaklığı 2600 dereceye çıkarsa emniyet sisteminin son umudu devreye giriyor. - sözde eriyik tuzağı.
Gerçek şu ki, böyle bir sıcaklıkta reaktör kabının tabanı eriyecek ve tüm nükleer yakıt kalıntıları ve erimiş yapılar reaktör çekirdeğinin üzerinde asılı duran özel bir "cam" a akacaktır.
Eriyik kapanı soğutmalı ve refrakterdir. Fisyon zincir reaksiyonunu yavaş yavaş durduran sözde "kurban edilen malzeme" ile doldurulur.
Bu nedenle, NPP planı, herhangi bir kaza olasılığını neredeyse tamamen ortadan kaldıran birkaç koruma derecesi anlamına gelir.
Cihaz ve çalışma prensibi, kendi kendini idame ettiren bir nükleer reaksiyonun başlatılmasına ve kontrolüne dayanmaktadır. Radyoaktif izotopların üretimi için bir araştırma aracı olarak ve nükleer santraller için bir enerji kaynağı olarak kullanılır.
çalışma prensibi (kısaca)
Burada, ağır bir çekirdeğin iki küçük parçaya ayrıldığı bir süreç kullanılır. Bu parçalar oldukça uyarılmış durumdadır ve nötronlar, diğer atom altı parçacıklar ve fotonlar yayarlar. Nötronlar yeni fisyonlara neden olabilir, bunun sonucunda daha fazla nötron salınır ve bu böyle devam eder. Böyle sürekli bir kendi kendini idame ettiren bölünme serisine zincirleme reaksiyon denir. Bu durumda, üretimi nükleer santrallerin kullanılmasının amacı olan büyük miktarda enerji açığa çıkar.
Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi, reaksiyonun başlamasından sonra çok kısa bir süre içinde fisyon enerjisinin yaklaşık %85'inin açığa çıkması şeklindedir. Geri kalanı, fisyon ürünlerinin nötron yaydıktan sonra radyoaktif bozunmasıyla üretilir. Radyoaktif bozunma, bir atomun daha kararlı bir duruma ulaştığı süreçtir. Bölünme tamamlandıktan sonra da devam eder.
Bir atom bombasında, zincirleme reaksiyonun yoğunluğu, malzemenin çoğu parçalanana kadar artar. Bu, çok hızlı bir şekilde gerçekleşir ve bu tür bombalara özgü son derece güçlü patlamaları üretir. Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, bir zincirleme reaksiyonu kontrollü, neredeyse sabit bir seviyede sürdürmeye dayanır. Atom bombası gibi patlamayacak şekilde tasarlanmıştır.
Zincirleme reaksiyon ve kritiklik
Bir nükleer fisyon reaktörünün fiziği, zincirleme reaksiyonun nötron emisyonundan sonra nükleer fisyon olasılığı tarafından belirlenmesidir. İkincisinin popülasyonu azalırsa, fisyon oranı sonunda sıfıra düşecektir. Bu durumda, reaktör kritik altı bir durumda olacaktır. Nötron popülasyonu sabit bir seviyede tutulursa, fisyon hızı sabit kalacaktır. Reaktör kritik durumda olacak. Ve son olarak, nötron popülasyonu zamanla artarsa, fisyon hızı ve gücü artacaktır. Çekirdeğin durumu süper kritik hale gelecek.
Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi aşağıdaki gibidir. Fırlatmadan önce, nötron popülasyonu sıfıra yakındır. Operatörler daha sonra kontrol çubuklarını çekirdekten çıkararak reaktörü geçici olarak süper kritik bir duruma sokan nükleer fisyonu artırır. Nominal güce ulaştıktan sonra operatörler, nötron sayısını ayarlayarak kontrol çubuklarını kısmen geri döndürür. Gelecekte, reaktör kritik bir durumda tutulur. Durdurulması gerektiğinde, operatörler çubukları tamamen yerleştirir. Bu, fisyonu bastırır ve çekirdeği kritik altı bir duruma getirir.
reaktör türleri
Dünyadaki nükleer tesislerin çoğu enerji üretiyor ve elektrik enerjisi jeneratörlerini çalıştıran türbinleri döndürmek için gereken ısıyı üretiyor. Ayrıca birçok araştırma reaktörü var ve bazı ülkelerde nükleer enerjiyle çalışan denizaltılar veya yüzey gemileri var.
enerji santralleri
Bu tipte birkaç reaktör tipi vardır, ancak geniş uygulama hafif su üzerinde bir tasarım buldu. Buna karşılık, basınçlı su veya kaynar su kullanabilir. İlk durumda, sıvı yüksek basınççekirdeğin ısısıyla ısıtılır ve buhar üreticisine girer. Orada, birincil devreden gelen ısı, yine su içeren ikincil devreye aktarılır. Nihai olarak üretilen buhar, buhar türbini döngüsünde çalışma sıvısı olarak hizmet eder.
Kaynayan tip reaktör, doğrudan enerji çevrimi prensibiyle çalışır. Aktif bölgeden geçen su, ortalama bir basınç seviyesinde kaynatılır. Doymuş buhar, reaktör kabında bulunan bir dizi ayırıcı ve kurutucudan geçerek onu aşırı ısıtılmış bir duruma getirir. Kızgın su buharı daha sonra bir türbini döndürmek için çalışma sıvısı olarak kullanılır.
Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı
Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı bir reaktör (HTGR), çalışma prensibi yakıt olarak grafit ve yakıt mikro küreciklerinin bir karışımının kullanımına dayanan bir nükleer reaktördür. İki rakip tasarım vardır:
- grafit kabukta grafit ve yakıt karışımı olan 60 mm küresel yakıt elemanlarını kullanan Alman "doldurma" sistemi;
- aktif bir bölge oluşturmak için birbirine geçen grafit altıgen prizmalar şeklindeki bir Amerikan versiyonu.
Her iki durumda da soğutucu, yaklaşık 100 atmosferlik bir basınçta helyumdan oluşur. Alman sisteminde helyum, küresel yakıt elemanları tabakasındaki boşluklardan ve Amerikan sisteminde, reaktörün merkez bölgesinin ekseni boyunca yerleştirilmiş grafit prizmalardaki deliklerden geçer. Her iki seçenek de çok yüksek sıcaklıklarda çalışabilir, çünkü grafit son derece Yüksek sıcaklık süblimleşme ve helyum tamamen kimyasal olarak inerttir. Sıcak helyum, yüksek sıcaklıkta bir gaz türbininde doğrudan çalışma sıvısı olarak kullanılabilir veya ısısı, bir su döngüsünde buhar üretmek için kullanılabilir.
Sıvı metal ve çalışma prensibi
Sodyum soğutmalı hızlı nötron reaktörleri 1960'larda ve 1970'lerde büyük ilgi gördü. O zaman, hızla gelişen nükleer endüstri için yakıt üretimi için yakın gelecekte üreme yeteneklerinin gerekli olduğu görüldü. 1980'lerde bu beklentinin gerçekçi olmadığı anlaşılınca coşku azaldı. Ancak ABD, Rusya, Fransa, Büyük Britanya, Japonya ve Almanya'da bu türden çok sayıda reaktör inşa edilmiştir. Çoğu, uranyum dioksit veya bunun plütonyum dioksit ile karışımı ile çalışır. Bununla birlikte, Amerika Birleşik Devletleri'nde en büyük başarı metalik itici gazlarda olmuştur.
CANDU
Kanada, çabalarını doğal uranyum kullanan reaktörlere odakladı. Bu, diğer ülkelerin hizmetlerine başvurmak için zenginleştirme ihtiyacını ortadan kaldırır. Bu politikanın sonucu döteryum-uranyum reaktörü (CANDU) oldu. İçerisindeki kontrol ve soğutma ağır su ile yapılmaktadır. Bir nükleer reaktörün cihazı ve çalışma prensibi, atmosferik basınçta soğuk D 2 O içeren bir tank kullanmaktır. Çekirdek, içinden ağır suyun soğuduğu doğal uranyum yakıtlı zirkonyum alaşımından yapılmış borularla delinir. Elektrik, ağır sudaki fisyon ısısının buhar jeneratörü aracılığıyla sirküle edilen soğutucuya aktarılmasıyla üretilir. İkincil devredeki buhar daha sonra geleneksel bir türbin çevriminden geçer.
Araştırma tesisleri
Bilimsel araştırma için, çoğunlukla çalışma prensibi su soğutma ve lamel uranyum yakıt elemanlarının düzenekler şeklinde kullanılması olan bir nükleer reaktör kullanılır. Birkaç kilovattan yüzlerce megavata kadar çok çeşitli güç seviyelerinde çalışabilir. Enerji üretimi, araştırma reaktörlerinin ana görevi olmadığından, üretilen termal enerji, yoğunluk ve çekirdekteki nötronların nominal enerjisi ile karakterize edilirler. Bir araştırma reaktörünün belirli araştırmalar yürütme yeteneğini ölçmeye yardımcı olan bu parametrelerdir. Düşük güç sistemleri genellikle üniversitelerde öğretim için kullanılırken, araştırma laboratuvarlarında malzeme ve performans testi ve genel araştırma için yüksek güce ihtiyaç duyulur.
Yapısı ve çalışma prensibi aşağıdaki gibi olan en yaygın araştırma nükleer reaktörü. Aktif bölgesi, büyük ve derin bir su havuzunun dibinde bulunur. Bu, nötron ışınlarının yönlendirilebileceği kanalların gözlemlenmesini ve yerleştirilmesini basitleştirir. -de alt seviyeler Soğutma sıvısının doğal konveksiyonu, güvenli bir çalışma koşulunu sürdürmek için yeterli ısı tahliyesini sağladığından, soğutma sıvısını pompalamaya gerek yoktur. Isı eşanjörü genellikle sıcak suyun biriktiği havuzun yüzeyinde veya tepesinde bulunur.
Gemi kurulumları
Nükleer reaktörlerin orijinal ve ana uygulaması, denizaltılarda kullanılmasıdır. Ana avantajları, fosil yakıt yakma sistemlerinden farklı olarak elektrik üretmek için havaya ihtiyaç duymamalarıdır. Bu nedenle, bir nükleer denizaltı uzun süre su altında kalabilirken, geleneksel bir dizel-elektrikli denizaltı motorlarını havada çalıştırmak için periyodik olarak yüzeye çıkması gerekir. donanma gemilerine stratejik bir avantaj sağlar. Bu sayede yabancı limanlarda veya kolayca savunmasız tankerlerden yakıt ikmali yapmaya gerek yoktur.
Bir nükleer reaktörün bir denizaltı üzerindeki çalışma prensibi sınıflandırılmıştır. Ancak ABD'de yüksek oranda zenginleştirilmiş uranyum kullandığı, yavaşlatma ve soğutmanın hafif su ile yapıldığı bilinmektedir. Nükleer denizaltı USS Nautilus'un ilk reaktörünün tasarımı, güçlü araştırma tesislerinden büyük ölçüde etkilenmiştir. Onun benzersiz özellikler sağlayan çok büyük bir reaktivite marjıdır. uzun bir süre yakıt doldurmadan çalışma ve durduktan sonra yeniden çalıştırma yeteneği. Denizaltındaki güç istasyonu, tespit edilmemesi için çok sessiz olmalıdır. Çeşitli denizaltı sınıflarının özel ihtiyaçlarını karşılamak için, farklı modeller santraller.
ABD Donanması'nın uçak gemileri, ilkesinin en büyük denizaltılardan ödünç alındığına inanılan bir nükleer reaktör kullanıyor. Tasarımlarının detayları da yayınlanmadı.
ABD'nin yanı sıra İngiltere, Fransa, Rusya, Çin ve Hindistan'ın da nükleer denizaltıları var. Her durumda, tasarım açıklanmadı, ancak hepsinin çok benzer olduğuna inanılıyor - bu, teknik özellikleri için aynı gereksinimlerin bir sonucudur. Rusya'nın ayrıca Sovyet denizaltılarıyla aynı reaktörlerle donatılmış küçük bir filosu var.
endüstriyel tesisler
Üretim amaçları için, çalışma prensibi düşük enerji üretimi ile yüksek verimlilik olan bir nükleer reaktör kullanılır. Bunun nedeni, çekirdekte uzun süre plütonyum kalmasının istenmeyen 240 Pu birikmesine yol açmasıdır.
trityum üretimi
Şu anda, trityum (3 H veya T) bu tür sistemler tarafından üretilen ana malzemedir - Plütonyum-239'un yükü 24.100 yıllık uzun bir yarı ömre sahiptir, bu nedenle bu elementi kullanan nükleer silah cephaneliğine sahip ülkeler genellikle daha fazladır. gereğinden fazla 239 Pu'dan farklı olarak, trityum yaklaşık 12 yıllık bir yarı ömre sahiptir. Böylece, gerekli rezervleri korumak için, bu radyoaktif izotop hidrojen sürekli üretilmelidir. Örneğin Amerika Birleşik Devletleri'nde, Güney Carolina'daki Savannah River, trityum üreten birkaç ağır su reaktörü işletiyor.
Yüzer güç üniteleri
Uzak izole alanlara elektrik ve buharla ısıtma sağlayabilen nükleer reaktörler oluşturulmuştur. Örneğin Rusya'da, Kuzey Kutbu'na hizmet etmek için özel olarak tasarlanmış küçük enerji santralleri kullanım alanı buldu. Yerleşmeler. Çin'de 10 MW'lık bir HTR-10 tesisi, bulunduğu araştırma enstitüsüne ısı ve güç sağlıyor. İsveç ve Kanada'da benzer yeteneklere sahip küçük kontrollü reaktörler geliştirilmektedir. 1960 ve 1972 yılları arasında ABD Ordusu, Grönland ve Antarktika'daki uzak üslere güç sağlamak için kompakt su reaktörleri kullandı. Bunların yerini petrolle çalışan elektrik santralleri aldı.
Uzay araştırması
Ayrıca, güç kaynağı ve uzayda hareket için reaktörler geliştirilmiştir. 1967 ile 1988 arasında Sovyetler Birliği, ekipman ve telemetriye güç sağlamak için Kosmos uydularına küçük nükleer tesisler kurdu, ancak bu politika eleştiri hedefi haline geldi. Bu uydulardan en az biri Dünya atmosferine girerek Kanada'nın uzak bölgelerinin radyoaktif kirlenmesine neden oldu. Amerika Birleşik Devletleri 1965'te yalnızca bir nükleer enerjili uydu fırlattı. Ancak, derin uzay uçuşlarında, diğer gezegenlerin insanlı keşfinde veya kalıcı bir Ay üssünde kullanımlarına yönelik projeler geliştirilmeye devam ediyor. Bu, zorunlu olarak, radyatörün boyutunu en aza indirmek için gerekli olabilecek en yüksek sıcaklığı sağlayacak fiziksel ilkeleri olan gaz soğutmalı veya sıvı metal bir nükleer reaktör olacaktır. Ek olarak, uzay aracı reaktörü, koruma için kullanılan malzeme miktarını en aza indirmek ve fırlatma ve uzay uçuşu sırasında ağırlığı azaltmak için mümkün olduğunca kompakt olmalıdır. Yakıt tedariki, reaktörün uzay uçuşunun tamamı boyunca çalışmasını sağlayacaktır.