Критична маса в ядрената физика

След края на най-ужасната война в историята на човечеството, това отне само малко повече от два месеца. А след това на 16 юли 1945 г. американската армия тестваше първата атомна бомба и един месец по-късно хиляди японски градове бяха убити при атомна топлина. Оттогава ядрените оръжия, както и средствата за постигане на целите, се подобряват непрекъснато за повече от половин век.

Военните искаха да се снабдят с тях като свръхсилни боеприпаси, изхвърляйки цели градове и държави с една карта, както и супер малки, които се вписват в куфарче. Такова устройство би довело подривната война до безпрецедентно ниво. И с първата, и с втората имаше непреодолими трудности. Обвинявайте всичко, така наречената критична маса. Все пак, всичко е наред.

Такова експлозивно ядро

За да разберем реда на работа на ядрените устройства и да разберем това, което се нарича критична маса, ще се върнем накратко за бюро. От учебния курс по физика, ние си спомняме едно просто правило: като таксите са отблъснати. На същото място в гимназиите се разказва за структурата на атомното ядро, състоящо се от неутрони, неутрални частици и протони, заредени положително. Но как е възможно това? Положително заредените частици са разположени толкова близо един до друг, че отблъскващите сили трябва да бъдат колосални.

Науката не познава напълно природата на вътрешноядрените сили, които притежават заедно протони, въпреки че свойствата на тези сили са изучавани доста добре. Силите действат само на много близко разстояние. Но струва поне малко да се разделят протоните в пространството, тъй като отблъскващите сили започват да надделяват и ядрото е разпръснато на парчета. Силата на такова разширяване е наистина огромна. Известно е, че силата на един възрастен човек няма да бъде достатъчна, за да запази протоните на само едно ядро ​​от водещия атом.

Какво се уплаши Ръдърфорд

Ядрата на повечето елементи от периодичната таблица са стабилни. Въпреки това, с нарастването на атомното число тази стабилност намалява. Това е размерът на сърцевините. Представете си ядрото на урановия атом, състоящ се от 238 нуклида, от които 92 са протони. Да, протоните са в близък контакт един с друг, а вътрешните ядрени сили сигурно циментират цялата структура. Но отблъскващата сила на протоните в противоположните краища на ядрото става забележима.

Какво направи Ръдърфорд? Той бомбардира атоми с неутрони (електронът не преминава през електронната обвивка на атома, а положително зареденият протон не може да се доближи до ядрото поради отблъскващи сили). Неутронът, попадащ в ядрото на атома, причини разделянето му. Две отделни половини и два или три свободни неутрона, разпръснати отстрани.

Това разпадане, поради огромните скорости на разпръснатите частици, беше придружено от освобождаването на огромна енергия. Имаше един слух, че Ръдърфорд дори искаше да скрие откритието си, уплашен от възможните последици за човечеството, но това най-вероятно не е нищо повече от приказка.

И така, откъде идва масата и защо тя е критична?

Какво? Как може да се облъчи достатъчно количество радиоактивен метал с протонен лъч, за да се получи мощна експлозия? И каква е критичната маса? Всичко е за малкото свободни електрони, които излизат от бомбардираното атомно ядро, което на свой ред, точно както те се сблъскват с други ядра, ще предизвика разделянето им. Така наречените верижна ядрена реакция. Въпреки това, ще бъде изключително трудно да го управлявате.

Нека уточним скалата. Ако вземем ябълката на масата за ядрото на атома, тогава, за да си представим ядрото на съседния атом, същата ябълка ще трябва да бъде носена и поставена на масата, дори в съседната стая, а в следващата къща. Неутронът ще бъде с размер на черешови кости.

За да се гарантира, че освободените неутрони не отиват на отпадъци отвъд уранния слитък, а повече от 50% от тях се намират под формата на атомни ядра, този слитък трябва да има съответните размери. Това е така наречената критична маса на урана, масата, при която повече от половината от емитираните неутрони се сблъскват с други ядра.

Всъщност това се случва в един миг. Броят на разделените ядра се увеличава като лавина, фрагментите им се втурват във всички посоки със скорости, сравними със скоростта на светлината, извличане на въздух, вода, всяка друга среда. От сблъсъците им с молекулите на околната среда, зоната на експлозията моментално се нагрява до милиони градуси, излъчвайки топлина, която изтрива всичко в квартала на няколко километра.

Рязко отопляемият въздух моментално се увеличава по размер, създавайки мощна ударна вълна, която се взривява от основите на сградата, обръща и смачква всичко на неговата летва - това е картината на атомна експлозия.

Как изглежда на практика

Дизайнът на атомната бомба е изненадващо прост. Има два блока от уран (или друг радиоактивен метал), масата на всеки от които е малко по-малка от критичната. Един от блоковете е направен под формата на конус, а другият - топка с конусовидна дупка. Както можете да си представите, когато комбинирате двете половини, получавате топка, която постига критична маса. Това е стандартната проста ядрена бомба. Свържете двете половини с обичайното зареждане на TNT (конусът изстрелва топката).

Но не мислете, че такова устройство може да бъде сглобено "на коляното" от никого. Целият номер е, че уранът, така че бомбата да избухне от него, трябва да бъде много чиста, наличието на примеси е практически нулева.

Защо няма атомна бомба с размер на пакет цигари

Всички по същата причина. Критичната маса на най-често срещания уранов изотоп 235 е около 45 кг. Експлозията на такова количество ядрено гориво вече е бедствие. И е невъзможно да се направи взривно устройство с по-малко вещество - то просто няма да работи.

По същата причина не е станало да се създават свръхмощни атомни заряди от уран или други радиоактивни метали. За да направи бомбата много мощна, тя се изработваше от десетина блокове, които, когато взривяват взривни вещества, се втурнаха в центъра, съединявайки се като оранжеви резени.

Но какво наистина се случва? Ако по някаква причина двата елемента срещнаха хилядна от секундата преди останалите, критичната маса бе достигната по-бързо, отколкото другите щяха да пристигнат, а експлозията не се появи в същата степен, каквато очакваха дизайнерите. Проблемът със свръхмощни ядрени боеприпаси беше решен само с появата на термоядрени оръжия. Но това е малко по-различна история.

Но как работи един мирен атом?

Атомната електроцентрала е по същество една и съща ядрена бомба. Само това "гориво" TVEL (горивни елементи), направени от уран, е на разстояние един от друг, което не им пречи да обменят неутронни "удари".

TVEL са направени под формата на пръчки, между които са контролни пръчки, изработени от материал, който абсорбира неутроните добре. Принципът на действие е прост:

• регулиращи (абсорбиращи) пръти се въвеждат в пространството между уравните пръти - реакцията се забавя или спира напълно;
• регулиращите пръчки се отстраняват от зоната - радиоактивните елементи се обменят активно с неутрони, ядрената реакция продължава по-интензивно.

Всъщност се получава една и съща атомна бомба, в която критичната маса се постига така плавно и се регулира толкова ясно, че не води до експлозия, а само до нагряване на охлаждащата течност.

Въпреки че, за съжаление, както свидетелства практиката, не винаги човешкият гений може да спре тази огромна и разрушителна енергия - енергията на разпадането на атомното ядро.