Зелени starsвезди - на рамениците на атомот (епизода 2) - Романија воена

Денес ја продолжуваме кратката прошетка во светот на атомот, откако во првиот дел зборувавме за јадрото и зрачењето што произлегуваат од распаѓањето на атомите.

Радиоактивното распаѓање, за кое зборувавме досега, е природен, статистички феномен, преку кој одредени атоми се обидуваат да постигнат стабилна конфигурација на неодредено време. Применливоста на овој феномен, сепак, не е она што ние всушност го нарекуваме „нуклеарна енергија“. Произведената енергија е генерално ниска, а феноменот не може да се контролира (со текот на времето, бидејќи елементите поминуваат низ ланецот на распаѓање, сè помалку атоми остануваат да произведуваат енергија). Не можеме да ја менуваме моќноста. Тука треба да користиме нуклеарна фисија и да се разликува од природното распаѓање.

Нуклеарна фисија

Па, за да разбереме што е фисија, да се вратиме на нашата аналогија со супа. Имаме атом на кој малку му останува и се запали, па затоа голема тава што повремено се запали. Што се случува ако земеме некоја состојка и ја фрлиме во тавата? Па, ние го исполнуваме повеќе, а даваме уште повеќе однадвор. Ако го фрлиме уште посилно, дел од супата ќе скокне од ударот надвор. И ако го фрлиме доволно силно, тавата ќе се расцепи на неколку парчиња.

Ова е принципот на нуклеарна фисија. Земаме пукнат атом и го удираме со неутрон. Атомот или ќе го капсулира неутронот и ќе влезе во нестабилна конфигурација, со што ќе се подели, или ќе го затвори и ќе се трансформира во друг елемент (феномен наречен „нуклеарна трансмутација“).

Тука треба да направиме разлика помеѓу пукнатиниот елемент и пукнатиниот. Фисистички елемент ќе се подели со апсорпција на неутрон, без оглед на енергијата на неутронот (колку брзо се движи). Пукнатиниот елемент нема да се распадне ако неутронот се движи премногу бавно (бавните неутрони се нарекуваат и топлински), но може да го апсорбира, со што ќе стане фисибилен (не цело време, но ќе ги игнорираме посебните случаи).

Да го земеме практичниот случај на ураниум. Природниот ураниум е составен од 99 проценти У-238, и помалку од 0,7 проценти У-235. Останатите се преостанати изотопи (U-234, U-236, итн.).

U-235 може да се бомбардира со бавен неутрон и тој ќе се претвори во U-236, што е крајно нестабилно (половина секунда) и ќе се подели на два атома (релативно брзо) и три неутрони. Тие три неутрони можат, пак, да се забават (терминот што се користи е „умерен“, но за тоа ќе зборуваме веднаш) и да се апсорбираат од другите атоми на У-235. Резултатот е каскада на распаѓање во која ураниумот се „согорува“ и произведува многу брзи (жешки) атоми, плус неутрони кои предизвикуваат други фикции. Ова е нуклеарна реакција.

У-238, од друга страна, не може да апсорбира бавни неутрони, но може да се „скрши“ доколку неутронот е многу брз. Резултатот е други брзи неутрони, плус новосоздадените елементи во поранешното јадро, затоа е раскршен, но не и пукав.
Исто така, може да апсорбира неутрон и да се претвори во плутониум 239. Пу-239 има слични карактеристики како У-235, што значи дека е раскарлив (всушност, како што ќе видиме, полесно е расиплив) и се распаѓа кога сè уште апсорбира неутрон. полека, произведувајќи нови елементи (наречени „производи на фисија“) и два неутрони кои можат да ја продолжат реакцијата. Значи, можеме да произведеме пукнатини од пукнатини.

Сега, треба да зборуваме за умереност. Во суштина, некои јадра се со поголема веројатност да бидат погодени од неутрон од другите. Но, оваа предиспозиција не се одржува со ниту една брзина на неутронот. Тука ќе направиме разлика помеѓу топлински неутрони и брзи неутрони.

Термичките неутрони се нарекуваат топлински бидејќи нивната брзина на движење е слична на брзината на вибрации на атомите во структурата. Значи, ние зборуваме за брзина од редот на неколку илјади километри на час.

Брзите неутрони имаат многу поголема брзина (по редослед на десетини од брзината на светлината). Исклучително тешко се апсорбираат од повеќето јадра. Со други зборови, "пресекот" на јадрото варира во зависност од брзината на неутронот. Овој пресек се мери во "штала", што значи "штала" на англиски (англиски израз "широка страна на штала").

При големи брзини, пресекот варира малку од јадро до јадро (20 штала за Pu-239 наспроти 30 штала за U-235), но при ниски брзини е екстремно висока за пукачките елементи и незначително мала за останатите.

Неутронска енергија наспроти дел

Значи, со цел да се произведе енергија, ние би сакале да ја зголемиме можноста дека некој елемент вклучува неутрон и се дели. Како такви, ние користиме пукани елементи, а најкористени се U-235 и Pu-239. Постојат и други, но сите елементи се потешки од ураниумот (плутониум, калифорниум, ајнштајн, нептуум, итн.) Се произведуваат со бомбардирање на ураниум со неутрони (трансмутацијата за која зборувавме порано). Како такви, тие се нарекуваат „вештачки елементи“. Тие постоеле во минатото и во рудите, но поради краткиот полуживот, тие се поделиле на 4 милијарди години на планетата.

Добро, така што пуканите елементи се само одредени изотопи. Како се користат? Во принцип, ако соберете куп У-235 заедно, некои од тие атоми ќе се распаѓаат природно, произведувајќи неутрони. Тие неутрони ќе бидат апсорбирани од околните атоми на ураниум, предизвикувајќи нивно распаѓање. Значи, колку повеќе атоми спакувани заедно и погусти се спакувани, толку е поголема можноста оваа реакција да продолжи во ланец.

За да се зголемат шансите за реакција, неутроните можат да се модерираат, односно да се забават. Тие ја губат својата енергија со судир со јадрата на лесни материи. Понекогаш тие можат да се апсорбираат од овие супстанции, предизвикувајќи трансмутација (што се случува на пример со литиум, кој на тој начин станува хелиум), друг пат тие можат да рикошат од тие јадра. Бидејќи скокот предизвикува неутронот да се откаже од дел од својата енергија, тој се забавува. Сукцесивните отскокнувања предизвикуваат опаѓање на брзината на неутронот од илјадници километри во секунда (како што има кога се формира) на десетици километри во секунда (термичка брзина).

Овие лесни супстанции кои имаат тенденција да отскокнуваат неутрони се нарекуваат „модератори“. Најчесто користената супстанција е вода, бидејќи е ефтина, лесна за добивање и прочистување (не сакате да имате минерали или нечистотии што можат да апсорбираат неутрони подложени на трансмутации) и содржи два атоми на водород. Теоретски, ние би можеле да користиме само водород, но во гасовита состојба тој е многу малку густ, па затоа ефектот на умереност е мал (бидејќи шансата неутрон да погоди еден од атомите е мала).

Така можеме да ги класифицираме елементите според ефектот што го имаат на овие неутрони:

лесни елементи кои ја намалуваат енергијата на неутроните преку нееластични судири се нарекуваат модератори. На пример, водород и сè што содржи голема количина на водород.
тешките елементи каде судирите имаат прилично нееластичен изглед (неутронските рикошети без да изгубат многу енергија) се нарекуваат „неутронски рефлектори“. Тие се добри и како форма на штит. Оловото е основниот пример.
пуканите елементи што произведуваат неутрони кога се погодени се нарекуваат „нуклеарни горива“. Примери би биле У-235, Пу-239, Ам-242м, У-233, итн.
пукани елементи што се кршат кога неутроните се брзи (мала шанса бидејќи мал пресек) и кои со апсорбирање на бавен неутрон можат да станат пукани (или можат да станат помалку фисибилни, во зависност од можноста). Примери ќе бидат U-238, Th-232, итн.
елементите што го апсорбираат неутронот и стануваат нешто друго се нарекуваат „неутронски отрови“. Со апсорбирање на неутрони, тие во голема мера ги намалуваат шансите за реакција да продолжи, суштински потиснувајќи ја. Примери би биле Li-6, C-12, итн. Повеќето артикли спаѓаат во оваа категорија.

Една последна работа за која треба да разговараме е концептот на критична маса. Како што е опишано погоре, колку повеќе собирате U-235 (всушност може да работи каков било пукан елемент), толку е посилна реакцијата и поголема е температурата. Теоретски, тој може да продолжи сè додека не се потроши најголемиот дел од ураниумот, или додека производите на фисија (кои, како што споменавме погоре, претежно се неутронски отрови) не ја потиснуваат реакцијата. Ако успеете да соберете доволно ураниум заедно доволно брзо, реакцијата станува самодоволна и експлозивна.

Критичната вредност не зависи само од самата табела, туку и од формата што ја има табелата. Ако формата е затегната нишка или лист, станува исклучително голема. Ако формата е сфера, таа е минимизирана. Следната табела ги прикажува критичните вредности на масата и дијаметарот што треба да ги има сфера од таа маса:

Полуживот на елементот (година) Критична тежина (кг) Дијаметар (см)

Ураниум-233	159.200 година	15	11
Ураниум-235	703,8 милиони	52	17
Нептуниум-236	154 000	7	8.7
Нептуниум-237	2,144 милиони	60	18
плутониум-238	87,7	9.04-10.07	9,5-9,9
плутониум-239	24.110	10	9.9
плутониум-240	6561 година	40	15
плутониум-241	14.3	12	10,5
плутониум-242	375 000	75-100	19-21
америциум-241	432.2	55-77	20-23
америциум-242	141	9-14	11-13
америциум-243	7370 година	180-280	30-35
куриум-243	29.1	7.34-10	10-11
куриум-244	18.1	13,5-30	12.4-16
куриум-245	8500 година	9.41-12.3	11-12
куриум-246	4760 година	39-70.1	18-21
куриум-247	15,6 милиони	6.94-7.06	9.9
беркелиум-247	1380 година	75,7	11.8-12.2
беркелиум-249	0,9	192 година	16.1-16.6
калифорниум-249	351 година	6	9
калифорниум-251	900	5,46	8.5
калифорниум-252	2.6	2,73	6.9
ајнштајн-254	0755 година	9,89	7.1

Овие вредности исто така ги утврдуваат минималните маси на атомско оружје (неконтролирана нуклеарна фисија). Проблемот е во тоа што многу од елементите што би создале добро нуклеарно гориво се вештачки елементи што треба да се создадат во забрзувачи или реактори. Процесот е скап, и затоа, главниот елемент што се користи е плутониум за нуклеарно оружје (произведен во специјализирани постројки кои се модифицирани реактори) и ураниум за реактори.

Атомско оружје работи на принципот на здружување на критична маса на пукан елемент. Бидејќи неутроните се екстремно брзи, реакцијата има тенденција да ја оддели масата на гориво (со други зборови, ако полека ставите килограм на килограм U-235 заедно, во одреден момент, кога скоро имате критична маса, температурата ќе биде толку голем, така што веќе собраниот ураниум испарува и се исфрла со голема сила, пред огромното мнозинство на атоми да се подели; феноменот се нарекува „fizzle“ што значи „фасцијален“ наместо експлозија). За ова, атомските бомби користат два дизајни:

дизајн на топ, во кој арматурата на ураниум се забрзува до целната маса на ураниум. Кога двете маси се споени, тие веднаш стануваат критични и експлодираат. Ова е механизам на првите примитивни бомби, како што се уредите Хирошима и Нагасаки. Најлесно е да се изгради, но добиеното оружје е големо (содржи практично цевче за топови), тешко, бара елемент со висока чистота (У-235 со степен на збогатување од 99 проценти; екстремно скап за правење) и не може да користи елементи со помала критична маса (плутониумот произведува пукнатини затоа што е премногу реактивен и не дозволува засилување да се приближи до целта, но го испарува и исфрла материјалот). Овој вид оружје беше скоро целосно напуштен по 1950-тите.
дизајн на имплозивен тип во кој сфера од пукав материјал е компресирана од концентричен слој на конвенционален експлозив. Не е одлично да се каже тука дека резултира со оружје со многу помала големина, поефикасно и што може да користи трансуранични елементи како пукан материјал. Денес, користам плутониум.

Нуклеарно оружје

Исто така, мора да додадеме дека повеќето современи нуклеарни оружја се уреди со „засилена фисија“, односно делумно се засноваат на термонуклеарни реакции (фузија наместо фисија), но овој аспект не интересира во овие написи. Современото нуклеарно оружје има минималистички дизајн, користи малку пукан материјал и има експлозивна моќност од стотици килотони (доволно големи за да покрие големи области, но доволно мало за да не зрачи со најголем дел од својата енергија во атмосферата и да се вклопи одозгора). ракета). Тие се кулминација на истражувачките напори што чинат цели БДП направени во 50-60-тите-70-тите и 80-тите години и се зрела технологија. Астронуклеарните вселенски програми исто така беа поврзани со овие воени напори, бидејќи тие можеа да имаат корист од фондовите за истражување (всушност, многу од истражувачите кои работеа на нив работеа и на оружје, како што ќе видиме).

Ако нуклеарната експлозија се заснова на брза, брза и неконтролирана реакција на критична маса на пукан материјал, реакторот користи постепено ослободување на енергија.

Во суштина, реакторот секогаш има критична маса на ураниум во неговото јадро, но ова има форма на прачки. Овие прачки разменуваат неутрони едни со други, отпуштајќи се со временски интервали. Обично, водата е модератор (забавува неутрони), но исто така и течност за ладење (загрева и придвижува турбини). Во некои случаи, графитните блокови се користат како модератори (јаглеродот е исто така лесен елемент) и водата само како ладење (севкупните такви системи се сметаат за застарени, бидејќи блоковите се фиксни, и затоа не можете да го менувате ефектот на умереност само преку прачки; тоа е познатиот пример за електраната во Чернобил).

Моќта на реакцијата ја менуваат операторите со вметнување или отстранување на овие прачки. Кога вадите гориво, ја ослабувате реакцијата, кога ја воведувате, ја забрзувате, во зависност од тоа колку енергија сакате. Можете исто така да ја менувате со зголемување или поместување на умереноста (мала умереност = мала апсорпција = мала фисија) користејќи ги таканаречените контролни прачки (обично содржат јаглерод или бор).

Има уште многу работи што треба да се запомнат за реакторите, но тие не се поврзани со овој труд. Бројот на дизајни е огромен, а условите за работа се независно поле за што ќе бидат потребни свои серии на дела.

пуканите материјали ја ослободуваат својата енергија користејќи вештачки предизвикано атомско расцепување
некои пукани материјали може да се добијат од пукнатини, но не-пукани материјали
атомското оружје се заснова на масовна неконтролирана нуклеарна реакција со брза акумулација на материјал со маса или критична густина. Брзината е важна.
Нуклеарните реактори се базираат на контролирана, постепена нуклеарна реакција која произведува енергија со текот на времето, преку рамнотежа помеѓу емитуваната топлина и нивото на реакцијата. Премногу топлина, и реакторот се топи, премалку и не е ефикасен. БРОЈ НА КОНТРОЛАТА.

Така, можеме да ги заклучиме воведните поими за нуклеарното инженерство. Но, пред да зборуваме за реалните астро-нуклеарни дизајни, треба да зборуваме за ракетите како орбитални возила. Кои се тие, како се и зошто да не летаме низ вселената како Дак Доџерс? Seeе видиме во следната епизода.

Маријан Думитриу (Мајка)