Zelené hviezdy - na pleciach atómu (epizóda 2) - Rumunsko Military
Dnes pokračujeme v krátkom vpáde do sveta atómov, potom sme v prvej časti hovorili o jadre a žiarení, ktoré je výsledkom rozkladu atómov.
Rádioaktívny rozklad, o ktorom sme doteraz hovorili, je prirodzený, štatistický jav, prostredníctvom ktorého sa určité atómy snažia donekonečna dosiahnuť stabilnú konfiguráciu. Použiteľnosť tohto javu však nie je to, čo v skutočnosti nazývame „jadrová energia“. Produkovaná energia je všeobecne nízka a fenomén nie je kontrolovateľný (v priebehu času, keď prvky prechádzajú rozkladným reťazcom, na výrobu energie zostáva stále menej a menej atómov). Nemôžeme meniť výkon. Tu musíme použiť jadrové štiepenie a odlíšiť ho od prirodzeného rozkladu.
Jadrové štiepenie
Aby sme pochopili, čo je štiepenie, vráťme sa k našej analogii s polievkou. Máme atóm, ktorého zostalo málo a horí, takže veľká panvica, ktorá sa občas zapáli. Čo sa stane, ak vezmeme prísadu a hodíme ju do panvice? No, tým viac plníme a navonok ešte viac dávame. Ak to hodíme ešte viac, časť polievky vyskočí z nárazu von. A ak to hodíme dosť silno, panvica sa rozbije na niekoľko kusov.
Toto je princíp štiepenia jadra. Vezmeme štiepny atóm a zasiahneme ho neutrónom. Atóm buď zapuzdrí neutrón a vstúpi do nestabilnej konfigurácie, čím sa rozdelí, alebo ho uzavrie a transformuje sa do iného prvku (jav nazývaný „nukleárna transmutácia“).
Tu musíme rozlišovať medzi štiepnym prvkom a štiepnym. Štiepny prvok sa rozdelí absorpciou neutrónu bez ohľadu na jeho energiu (ako rýchlo sa pohybuje). Štiepny prvok nebude štiepiť, ak sa neutrón bude pohybovať príliš pomaly (pomalé neutróny sa tiež nazývajú termálne), ale môže ho absorbovať a stať sa tak štiepnym (nie stále, ale špeciálne prípady budeme ignorovať).
Zoberme si praktický prípad uránu. Prírodný urán sa skladá z 99 percent U-238 a menej ako 0,7 percenta U-235. Zvyšok sú zvyšné izotopy (U-234, U-236 atď.).
U-235 môže byť bombardovaný pomalým neutrónom a zmení sa na U-236, ktorý je mimoriadne nestabilný (pol sekundy) a rozdelí sa na dva atómy (relatívne rýchle) a tri neutróny. Tieto tri neutróny môžu byť naopak spomalené (použitý termín je „mierny“, ale o tom si povieme okamžite) a absorbované ďalšími atómami U-235. Výsledkom je kaskáda rozpadu, pri ktorej sa urán „spaľuje“ a produkuje veľmi rýchle (horúce) atómy plus neutróny, ktoré spôsobujú ďalšie štiepenie. Toto je jadrová reakcia.
Na druhej strane U-238 nemôže absorbovať pomalé neutróny, ale môže sa „zlomiť“, ak je neutrón veľmi rýchly. Výsledkom sú ďalšie rýchle neutróny a novo vytvorené prvky v bývalom jadre, ktoré sú teda štiepne, ale nie štiepne.
Môže tiež absorbovať neutrón a zmeniť sa na plutónium 239. Pu-239 má podobné vlastnosti ako U-235, čo znamená, že je štiepny (v skutočnosti, ako uvidíme, je ľahšie štiepiteľný) a rozbije sa, keď stále absorbuje neutrón. pomaly, pričom sa vytvárajú nové prvky (nazývané „produkty štiepenia“) a dva neutróny, ktoré môžu pokračovať v reakcii. Takže zo štiepnych prvkov môžeme vyrábať štiepne prvky.
Teraz musíme hovoriť o moderovaní. V podstate je pravdepodobnejšie, že niektoré jadrá budú zasiahnuté neutrónom ako iné. Ale táto predispozícia sa neudržuje pri žiadnej rýchlosti neutrónov. Tu budeme rozlišovať medzi tepelnými neutrónmi a rýchlymi neutrónmi.
Tepelné neutróny sa nazývajú tepelné, pretože ich rýchlosť je podobná rýchlosti vibrácií atómov v štruktúre. Hovoríme teda o rýchlostiach rádovo niekoľko tisíc kilometrov za hodinu.
Rýchle neutróny majú oveľa vyššie rýchlosti (rádovo desatiny rýchlosti svetla). Väčšina jadier ich absorbuje mimoriadne ťažko. Inými slovami, „prierez“ jadra sa líši v závislosti od rýchlosti neutrónu. Tento prierez sa meria v „stodole“, čo v angličtine znamená „stodola“ (anglický výraz „wide side of a barn“).
Pri vysokých rýchlostiach sa prierez mierne mení od jadra k jadru (20 stodolov pre Pu-239 vs 30 stodolov pre U-235), ale pri nízkych rýchlostiach je extrémne vysoký pre štiepne prvky a pre ostatné zanedbateľne malý.
Energia neutrónu vs sekcia
Takže za účelom výroby energie by sme chceli zvýšiť pravdepodobnosť, že prvok bude obsahovať neutrón a rozdelí sa. Preto používame štiepne prvky a najpoužívanejšie sú U-235 a Pu-239. Existujú aj ďalšie, ale všetky prvky ťažšie ako urán (plutónium, kalifornium, einsteinium, neptumium atď.) Sa vyrábajú bombardovaním uránu neutrónmi (transmutácia, o ktorej sme hovorili už skôr). Ako také sa nazývajú „umelé prvky“. Existovali v minulosti a v rudách, ale kvôli krátkemu polčasu rozpadu sa rozdelili na 4 miliardy rokov.
Dobre, takže štiepne prvky sú iba určitými izotopmi. Ako sa používajú? V zásade platí, že ak zhromaždíte hromadu U-235 dohromady, niektoré z týchto atómov sa prirodzene rozložia a vytvoria neutróny. Tieto neutróny budú absorbované okolitými atómami uránu, čo spôsobí ich rozdelenie. Čím viac atómov na jednom mieste a čím hustejšie sú dohromady, tým väčšia je šanca, že táto reakcia bude pokračovať v reťazci.
Na zvýšenie pravdepodobnosti reakcie môžu byť neutróny zmiernené, tj. Spomalené. Energiu strácajú zrážkou s jadrami ľahkých látok. Niekedy ich môžu tieto látky absorbovať a vyvolať tak transmutáciu (čo sa stane napríklad s lítiom, ktoré sa tak stane héliom), inokedy sa z týchto jadier môžu odraziť. Keď odskok spôsobí, že sa neutrón vzdá časti svojej energie, spomalí sa. Postupné odskoky spôsobujú, že rýchlosť neutrónu klesá z tisícok kilometrov za sekundu (tak, ako má, keď sa vytvorí) na desiatky kilometrov za sekundu (tepelná rýchlosť).
Tieto ľahké látky, ktoré majú tendenciu odrážať neutróny, sa nazývajú „moderátory“. Najčastejšie používanou látkou je voda, pretože je lacná, ľahko sa získava a čistí (nechcete mať minerály alebo nečistoty, ktoré môžu absorbovať neutróny prechádzajúce transmutáciami) a obsahuje dva atómy vodíka. Teoreticky by sme mohli použiť iba vodík, ale v plynnom stave je veľmi málo hustý, takže moderačný efekt je malý (pretože pravdepodobnosť, že neutrón zasiahne jeden z atómov, je nízka).
Môžeme teda klasifikovať prvky podľa toho, aký majú vplyv na tieto neutróny:
- ľahké prvky, ktoré znižujú energiu neutrónov nepružnými zrážkami, sa nazývajú moderátory. Napríklad vodík a všetko, čo obsahuje veľké množstvo vodíka.
- ťažké prvky, kde majú zrážky dosť nepružný vzhľad (neutróny sa odrážajú bez straty veľkej energie), sa nazývajú „neutrónové reflektory“. Sú dobré aj ako forma tienenia. Olovo je základným príkladom.
- štiepne prvky, ktoré pri zásahu produkujú neutróny, sa nazývajú „jadrové palivá“. Príklady by mohli byť U-235, Pu-239, Am-242m, U-233 atď.
- štiepne prvky, ktoré sa rozpadnú, keď sú neutróny rýchle (nízka pravdepodobnosť kvôli malému prierezu) a ktoré sa absorpciou pomalého neutrónu môžu stať štiepnymi (alebo sa môžu stať menej štiepnymi, v závislosti od šance). Príklady by mohli byť U-238, Th-232 atď.
- prvky, ktoré absorbujú neutrón a stávajú sa niečím iným, sa nazývajú „neutrónové jedy“. Absorpciou neutrónov výrazne znižujú pravdepodobnosť pokračovania reakcie a v podstate ju potláčajú. Príkladom môžu byť Li-6, C-12 atď. Väčšina položiek patrí do tejto kategórie.
Posledná vec, ktorú musíme prediskutovať, je koncept kritického množstva. Ako je popísané vyššie, čím viac U-235 nazhromaždíte (v skutočnosti môže fungovať akýkoľvek štiepny prvok), tým silnejšia je reakcia a tým vyššia je teplota. Teoreticky môže pokračovať, kým sa nespotrebuje väčšina uránu, alebo kým štiepne produkty (ktoré, ako sme už spomenuli vyššie, väčšinou tvoria neutrónové jedy) potlačia reakciu. Ak sa vám podarí zhromaždiť dostatok uránu spolu dostatočne rýchlo, reakcia sa stane sebestačnou a výbušnou.
Kritická hodnota závisí nielen od samotnej tabuľky, ale aj od jej tvaru. Ak je tvarom roztiahnutá niť alebo list, stane sa extrémne veľkým. Ak je tvar gule, je minimalizovaný. Nasledujúca tabuľka zobrazuje hodnoty kritickej hmotnosti a priemer, ktorý by guľa tejto hmoty mala mať:
| Urán-233 | 159.200 | 15 | 11 |
| Urán-235 | 703,8 milióna | 52 | 17 |
| Neptunium-236 | 154 000 | 7 | 8.7 |
| Neptunium-237 | 2,144 milióna | 60 | 18 |
| plutónium-238 | 87,7 | 9.04-10.07 | 9,5-9,9 |
| plutónium-239 | 24.110 | 10 | 9.9 |
| plutónium-240 | 6561 | 40 | 15 |
| plutónium-241 | 14.3 | 12 | 10.5 |
| plutónium-242 | 375 000 | 75-100 | 19-21 |
| americium-241 | 432,2 | 55-77 | 20-23 |
| americium-242 | 141 | 9-14 | 11-13 |
| americium-243 | 7370 | 180-280 | 30-35 |
| kurium-243 | 29.1 | 7,34-10 | 10.-11 |
| kurium-244 | 18.1 | 13,5-30 | 12.4-16 |
| kurium-245 | 8500 | 9,41-12,3 | 11-12 |
| kurium-246 | 4760 | 39-70,1 | 18-21 |
| kurium-247 | 15,6 milióna | 6,94-7,06 | 9.9 |
| berkelium-247 | 1380 | 75,7 | 11.8-12.2 |
| berkelium-249 | 0,9 | 192 | 16.1-16.6 |
| kalifornium-249 | 351 | 6 | 9 |
| kalifornium-251 | 900 | 5,46 | 8.5 |
| kalifornium-252 | 2.6 | 2,73 | 6.9 |
| einsteinium-254 | 0755 | 9,89 | 7.1 |
Tieto hodnoty tiež určujú minimálnu hmotnosť atómových zbraní (nekontrolované jadrové štiepenie). Problém je v tom, že veľa prvkov, ktoré by slúžili na výrobu dobrého jadrového paliva, sú umelé prvky, ktoré je potrebné vytvárať v urýchľovačoch alebo reaktoroch. Tento proces je nákladný, a preto je jeho hlavným prvkom plutónium pre jadrové zbrane (vyrábané v špecializovaných závodoch s upravenými reaktormi) a urán pre reaktory.
Atómová zbraň funguje na princípe spájania kritického množstva štiepneho prvku. Pretože neutróny sú extrémne rýchle, reakcia má tendenciu oddeľovať hmotu paliva (inými slovami, ak pomaly dáte libru na libru U-235 naraz, v určitom okamihu, keď budete mať takmer kritickú hmotnosť, bude teplota taká veľký, takže sa nahromadený urán vyparuje a vypudzuje veľkou silou skôr, ako sa veľká väčšina atómov začne štiepiť; tento jav sa namiesto výbuchu nazýva „fizzle“, čo znamená „fascial“. Na tento účel používajú atómové bomby dva dizajny:
- konštrukcia kanónu, pri ktorej sa uránová kotva urýchľuje na cieľovú hmotnosť uránu. Keď sa tieto dva tabuľky spoja, okamžite sa stanú kritickými a explodujú. Toto je mechanizmus prvých primitívnych bômb, ako sú prístroje Hirošima a Nagasaki. Je najjednoduchšie zostaviť, ale výsledná zbraň je veľká (obsahuje praktickú hlaveň dela), ťažká, vyžaduje prvok vysokej čistoty (U-235 s mierou obohatenia 99 percent; výroba je mimoriadne drahá) a nie môže používať prvky s nižšou kritickou hmotnosťou (plutónium vytvára trhliny, pretože je príliš reaktívne a neumožňuje, aby sa výstuž priblížila k cieľu, ale materiál sa odparuje a vymršťuje). Po 50. rokoch bol tento typ zbraní takmer úplne opustený.
- konštrukcia implozívneho typu, pri ktorej je guľa štiepneho materiálu stlačená koncentrickou vrstvou konvenčnej výbušniny. Nie je skvelé tvrdiť, že to vedie k zbraniam, ktoré sú oveľa menšie, efektívnejšie a ktoré môžu ako štiepny materiál používať transuranové prvky. Dnes používam plutónium.
Jadrové zbrane
Musíme tiež dodať, že väčšina moderných jadrových zbraní sú zariadenia „s posilneným štiepením“, tj. Sú čiastočne založené na termonukleárnych reakciách (fúzia namiesto štiepenia), ale tento aspekt nás v týchto článkoch nezaujíma. Moderné jadrové zbrane majú minimalistický dizajn, používajú málo štiepneho materiálu a majú výbušnú silu stovky kiloton (dostatočne veľké na pokrytie veľkých plôch, ale také malé, aby nevyžarovali väčšinu svojej energie do atmosféry a zapadli na vrch). raketa). Sú zavŕšením výskumného úsilia, ktoré stojí celé HDP dosiahnuté v 50. až 60., 70. a 80. rokoch, a sú vyspelou technológiou. S týmto vojenským úsilím súviseli aj astronukleárne vesmírne programy, pretože mohli ťažiť z prostriedkov na výskum (v skutočnosti mnohí z výskumníkov, ktorí na nich pracovali, tiež pracovali na zbraniach, ako uvidíme).
Ak je jadrový výbuch založený na rýchlej, rýchlej a nekontrolovanej reakcii na kritické množstvo štiepneho materiálu, reaktor využíva postupné uvoľňovanie energie.
V podstate má reaktor v jadre vždy kritické množstvo uránu, ale má formu tyčiniek. Tieto tyče si navzájom vymieňajú neutróny a sú strieľané vodnými intervalmi. Voda je zvyčajne moderátor (spomaľuje neutróny), ale aj chladiaca kvapalina (ohrieva a poháňa turbíny). V niektorých prípadoch sa grafitové bloky používajú ako moderátory (uhlík je tiež ľahkým prvkom) a voda iba ako chladenie (celkovo sa tieto systémy považujú za zastarané, pretože bloky sú pevné, a teda nie moderačný efekt môžete meniť iba pomocou prútov; je to slávny príklad černobyľskej elektrárne).
Sila reakcie sa operátormi líši vložením alebo vybratím týchto tyčí. Keď vyberiete palivo, zoslabíte reakciu, keď ju privediete, zrýchlite ju podľa toho, koľko energie chcete. Môžete ho tiež obmeniť zvýšením alebo presunutím umiernenosti (slabé zmiernenie = nízka absorpcia = nízke štiepenie) pomocou takzvaných ovládacích tyčí (zvyčajne obsahujúcich uhlík alebo bór).
O reaktoroch je treba pamätať oveľa viac, ale nesúvisia s týmto dokumentom. Počet návrhov je obrovský a prevádzkové podmienky sú nezávislým poľom, ktoré by si vyžadovalo vlastnú sériu prác.
- štiepne materiály uvoľňujú svoju energiu pomocou umelo vyvolaného atómového štiepenia
- niektoré štiepne materiály je možné získať zo štiepnych, ale neštiepnych materiálov
- atómové zbrane sú založené na masívnej nekontrolovanej jadrovej reakcii rýchlou akumuláciou materiálu pri hmotnosti alebo kritickej hustote. Na RÝCHLOSTI záleží.
- Jadrové reaktory sú založené na riadenej, postupnej jadrovej reakcii, ktorá produkuje energiu v priebehu času prostredníctvom rovnováhy medzi emitovaným teplom a úrovňou reakcie. Príliš veľa tepla a reaktor sa topí, príliš málo a neefektívne. KONTROLA sa počíta.
Môžeme teda uzavrieť úvodné pojmy o jadrovom inžinierstve. Ale predtým, ako hovoríme o skutočných astro-jadrových konštrukciách, musíme hovoriť o raketách ako o orbitálnych vozidlách. Čo sú zač, aké sú a prečo neletíme vesmírom ako Duck Dodgers? Uvidíme v ďalšej epizóde.
Marian Dumitriu (Šach)