Aatomipomm on mürsk, mis on loodud tekitama suure võimsusega plahvatust väga kiire tuumaenergia (aatomi)energia vabanemise tagajärjel.
Aatomipommide tööpõhimõte
Tuumalaeng on jagatud mitmeks osaks kriitiliste suurusteni, nii et igas neist ei saa alata isearenevat kontrollimatut lõhustuva aine aatomite lõhustumise ahelreaktsiooni. Selline reaktsioon toimub ainult siis, kui kõik laengu osad ühendatakse kiiresti üheks tervikuks. Reaktsiooni täielikkus ja lõpuks plahvatuse võimsus sõltub suuresti üksikute osade lähenemise kiirusest. Laengu osadele suure kiiruse andmiseks võib kasutada tavapärase lõhkeaine plahvatust. Kui tuumalaengu osad on paigutatud radiaalsuundades tsentrist teatud kaugusele ja TNT laengud asetatakse väljapoole, siis on võimalik läbi viia tavalaengute plahvatus, mis on suunatud tuumalaengu keskpunkti poole. Tuumalaengu kõik osad mitte ainult ei ühine tohutu kiirusega üheks tervikuks, vaid avastavad end mõneks ajaks kõikidest külgedest kokkusurutuna plahvatusproduktide tohutu surve tõttu ega suuda koheselt eralduda, kui tuuma ahelreaktsioon algab laengus. Selle tulemusena toimub oluliselt suurem lõhustumine kui ilma sellise kokkusurumiseta ja sellest tulenevalt suureneb plahvatuse võimsus. Neutronireflektor aitab kaasa ka plahvatusvõimsuse suurenemisele sama koguse lõhustuva materjali puhul (kõige tõhusamad helkurid on berüllium< Be >, grafiit, raske vesi< H3O >). Esimene lõhustumine, mis käivitaks ahelreaktsiooni, nõuab vähemalt ühte neutronit. Tuumade spontaansel lõhustumisel tekkivate neutronite mõjul ei saa loota ahelreaktsiooni õigeaegsele algusele, sest seda esineb suhteliselt harva: U-235 puhul - 1 lagunemine tunnis 1 g kohta. ained. Samuti on atmosfääris väga vähe neutroneid vabas vormis: läbi S = 1 cm/sq. Keskmiselt lendab sekundis mööda umbes 6 neutronit. Sel põhjusel kasutatakse tuumalaengus tehislikku neutronite allikat – omamoodi tuumadetonaatori kapslit. Samuti tagab see, et paljud lõhustumised algavad üheaegselt, nii et reaktsioon kulgeb tuumaplahvatuse kujul.
Detonatsioonivõimalused (relvade ja plahvatuse skeemid)
Lõhustuva laengu plahvatamiseks on kaks peamist skeemi: kahur, mida muidu nimetatakse ballistiliseks, ja lõhkeaine.
"Kahuri kujundust" kasutati mõnes esimese põlvkonna tuumarelvas. Suurtüki vooluringi olemus on püssirohulaeng tulistada ühest alakriitilise massiga lõhustuva materjali plokist (“kuul”) teise statsionaarsesse (“sihtmärk”). Plokid on konstrueeritud nii, et ühendamisel muutub nende kogumass ülekriitiliseks.
See detonatsioonimeetod on võimalik ainult uraani laskemoonas, kuna plutooniumil on kaks suurusjärku kõrgem neutronite taust, mis suurendab järsult ahelreaktsiooni enneaegse arengu tõenäosust enne plokkide ühendamist. See toob kaasa energia mittetäieliku vabanemise (nn “fizy”, inglise keeles).Kahuri ahela rakendamiseks plutooniumlaskemoonas on vaja tõsta laenguosade ühendamise kiirust tehniliselt kättesaamatu tasemeni. , uraan talub mehaanilist ülekoormust paremini kui plutoonium.
Plahvatav skeem. See detonatsiooniskeem hõlmab ülekriitilise oleku saavutamist lõhustuva materjali kokkusurumisel fokuseeritud lööklaine abil, mis tekib keemilise lõhkeaine plahvatusel. Lööklaine teravustamiseks kasutatakse nn plahvatusläätsesid ning detoneerimine toimub üheaegselt paljudes punktides täppistäpsusega. Sellise lõhkeainete paigutamise ja detoneerimise süsteemi loomine oli omal ajal üks raskemaid ülesandeid. Koonduva lööklaine moodustumise tagas plahvatusohtlike läätsede kasutamine "kiiretest" ja "aeglastest" lõhkeainetest - TATV (triaminotrinitrobenseen) ja baratool (trinitrotolueeni segu baariumnitraadiga) ja mõned lisandid.
Plahvatusohtlik iseloom
Uraani tuum sisaldab 92 prootonit. Looduslik uraan on peamiselt segu kahest isotoobist: U238 (mille tuumas on 146 neutronit) ja U235 (143 neutronit), kusjuures viimastest on looduslikus uraanis vaid 0,7%. Isotoopide keemilised omadused on absoluutselt identsed, seetõttu ei ole võimalik neid keemiliste meetoditega eraldada, kuid masside erinevus (235 ja 238 ühikut) võimaldab seda teha füüsikaliste meetoditega: uraani segu muundatakse gaasiks (uraaniks). heksafluoriid) ja pumbatakse seejärel läbi lugematute poorsete vaheseinte. Kuigi uraani isotoobid ei ole välimuselt ega keemiliselt eristatavad, eraldab neid nende tuumaomadustes lõhe.
U238 lõhustumisprotsess on tasuline protsess: väljast saabuv neutron peab endaga kaasa tooma energiat – 1 MeV või rohkem. Ja U235 on omakasupüüdmatu: sissetulevalt neutronilt ei nõuta midagi ergastamiseks ja järgnevaks lagunemiseks, selle sidumisenergia tuumas on täiesti piisav.
Kui neutron tabab lõhustumisvõimelist tuuma, tekib ebastabiilne ühend, kuid väga kiiresti (pärast 10-23-10-22 sekundit) laguneb selline tuum kaheks ebavõrdse massiga fragmendiks ja "hetkeliselt" (10 jooksul). −16−10−14 c) kiirgavad kaks või kolm uut neutronit, nii et aja jooksul saab lõhustuvate tuumade arv mitmekordistuda (seda reaktsiooni nimetatakse ahelreaktsiooniks). See on võimalik ainult U235-s, sest ahne U238 ei taha jagada omaenda neutronitest, mille energia on suurusjärgu võrra väiksem kui 1 MeV. Lõhustumisproduktide osakeste kineetiline energia on mitu suurusjärku suurem energiast, mis vabaneb mis tahes keemilise reaktsiooni käigus, mille käigus tuumade koostis ei muutu.
Kriitiline kokkupanek
Lõhustumisproduktid on ebastabiilsed ja nende “taastumine” võtab kaua aega, eraldades erinevat kiirgust (sh neutroneid). Neutroneid, mis eralduvad märkimisväärse aja (kuni kümneid sekundeid) pärast lõhustumist, nimetatakse viivitatud ja kuigi nende osatähtsus on hetkelistega võrreldes väike (alla 1%), on nende roll tuumarajatiste töös kõige suurem. oluline.
Lõhustumisproduktid loovutavad arvukate kokkupõrgete käigus ümbritsevate aatomitega neile oma energiat, tõstes temperatuuri. Pärast neutronite ilmumist lõhustuvat materjali sisaldavasse koostu võib soojuseraldusvõimsus suureneda või väheneda ning kriitilisteks nimetatakse selliseid koostu parameetreid, milles lõhustumiste arv ajaühikus on konstantne. Koostu kriitilisust saab hoida nii suure kui ka väikese neutronite arvuga (vastavalt suurema või väiksema soojuseraldusvõimsusega). Soojusvõimsust suurendatakse kas kriitilisse koostu väljastpoolt täiendavate neutronite pumpamisega või koostu ülekriitiliseks muutmisega (siis annavad täiendavaid neutroneid lõhustuvate tuumade järjest suurenev põlvkond). Näiteks kui on vaja reaktori soojusvõimsust suurendada, viiakse see režiimile, kus iga kiirneutronite põlvkond on eelmisega võrreldes veidi väiksem, kuid tänu viivitatud neutronitele läheb reaktor vaevumärgatavalt üle kriitiline seisund. Siis see ei kiirenda, vaid kogub võimsust aeglaselt – et selle tõusu saaks õigel hetkel peatada neutronabsorberite (kaadmiumi või boori sisaldavad vardad) sissetoomisega.
Lõhustumisel tekkivad neutronid lendavad sageli ümbritsevatest tuumadest mööda edasist lõhustumist põhjustamata. Mida lähemale materjali pinnale tekib neutron, seda suurem on võimalus, et see lõhustuvast materjalist välja pääseb ja enam kunagi tagasi ei tule. Seetõttu on kõige rohkem neutroneid säästev koostuvorm sfäär: antud aine massi jaoks on sellel minimaalne pindala. Ümbritsemata (üksik) pall 94% U235 ilma õõnsusteta muutub kriitiliseks massiga 49 kg ja raadiusega 85 mm. Kui sama uraani koost on silinder, mille pikkus on võrdne läbimõõduga, muutub see kriitiliseks massiga 52 kg. Pindala väheneb ka tiheduse kasvades. Seetõttu võib plahvatuslik kokkusurumine, muutmata lõhustuva materjali kogust, viia koostu kriitilisse olekusse. Just see protsess on tuumalaengu ühise disaini aluseks.
Palli kokkupanek
Kuid enamasti ei kasutata tuumarelvades mitte uraani, vaid plutoonium-239. Seda toodetakse reaktorites, kiiritades uraan-238 võimsate neutronivoogudega. Plutoonium maksab umbes kuus korda rohkem kui U235, kuid lõhustumisel kiirgab Pu239 tuum keskmiselt 2,895 neutronit – rohkem kui U235 (2,452). Lisaks on plutooniumi lõhustumise tõenäosus suurem. Kõik see viib selleni, et üksildane Pu239 pall muutub kriitiliseks peaaegu kolm korda väiksema massiga kui uraanipall ja mis kõige tähtsam, väiksema raadiusega, mis võimaldab kriitilise sõlme mõõtmeid vähendada.
Koost on valmistatud kahest hoolikalt paigaldatud poolest sfäärilise kihi kujul (seest õõnes); see on ilmselgelt alakriitiline – isegi termiliste neutronite puhul ja isegi pärast moderaatoriga ümbritsemist. Väga täpselt paigaldatud lõhkeplokkide komplekti ümber on monteeritud laeng. Neutronite säästmiseks on vaja plahvatuse ajal säilitada kuuli üllas kuju - selleks tuleb lõhkeainekihti üheaegselt lõhata kogu selle välispinna ulatuses, surudes koostu ühtlaselt kokku. Levinud on arvamus, et selleks on vaja palju elektridetonaatoreid. Kuid see oli nii ainult "pommi ehitamise" koidikul: kümnete detonaatorite käivitamiseks oli vaja palju energiat ja märkimisväärset initsiatsioonisüsteemi suurust. Kaasaegsetes laengutes kasutatakse mitmeid eritehnikaga valitud, omadustelt sarnaseid detonaatoreid, millest polükarbonaadikihti freesitud soontes (mille kuju sfäärilisel pinnal arvutatakse Riemanni geomeetria abil) vallandatakse väga stabiilsed (detonatsioonikiiruse poolest) lõhkeained. meetodid). Umbes 8 km/s kiirusega detonatsioon liigub mööda sooni absoluutselt võrdsetel vahemaadel, samal ajahetkel jõuab see aukudesse ja plahvatab põhilaengu – üheaegselt kõigis vajalikes punktides.
Plahvatus sees
Sissepoole suunatud plahvatus surub agregaadi kokku enam kui miljoni atmosfääri suuruse rõhuga. Koostu pind väheneb, plutooniumi sisemine õõnsus peaaegu kaob, tihedus suureneb ja väga kiiresti - kümne mikrosekundi jooksul läbib kokkusurutav koost termiliste neutronitega kriitilise oleku ja muutub kiirete neutronitega oluliselt ülekriitiliseks.
Pärast perioodi, mille määrab kiirete neutronite ebaoluline aeglustumine, lisab nende iga uus, arvukam põlvkond lõhustumise teel 202 MeV energiat niigi koletu survest pakatavale koostu ainele. Toimuvate nähtuste skaalal on isegi parimate legeerteraste tugevus nii väike, et kellelgi ei tule pähegi plahvatuse dünaamika arvutamisel sellega arvestada. Ainus, mis takistab koostu laialilendamist, on inerts: plutooniumikuuli paisutamiseks kümnete nanosekundite jooksul vaid 1 cm võrra on vaja ainele anda kiirendus, mis on kümneid triljoneid kordi suurem kui kiirendus. vabalangemisest ja see pole lihtne.
Lõpuks aine ikkagi hajub, lõhustumine peatub, kuid protsess sellega ei lõpe: energia jaotub ümber eraldunud tuumade ioniseeritud fragmentide ja teiste lõhustumise käigus eralduvate osakeste vahel. Nende energia on suurusjärgus kümneid ja isegi sadu MeV, kuid ainult elektriliselt neutraalsetel suure energiaga gamma-kvantidel ja neutronitel on võimalus vältida koostoimet ainega ja "põgenemist". Laetud osakesed kaotavad kokkupõrgete ja ionisatsiooni korral kiiresti energiat. Sel juhul kiirgatakse kiirgust - see pole aga enam kõva tuumakiirgus, vaid pehmem, mille energia on kolm suurusjärku madalam, kuid siiski enam kui piisav, et aatomitelt elektronid välja lüüa - mitte ainult väliskestelt, vaid kõigest üldiselt. Paljaste tuumade, nendelt eemaldatud elektronide ja kiirguse segu tihedusega grammi kuupsentimeetri kohta (proovige ette kujutada, kui hästi saate pruunistada valguse käes, mis on omandanud alumiiniumi tiheduse!) - kõik see, mis hetk tagasi oli laeng - satub mingisse tasakaaluseisundisse. Väga noores tulekeras ulatub temperatuur kümnete miljonite kraadideni.
Tulepall
Näib, et isegi valguse kiirusel liikuv pehme kiirgus peaks selle tekitanud aine kaugele maha jätma, kuid see pole nii: külmas õhus on Kev-energia kvantide ulatus sentimeetreid ja need ei liigu sirgjoon, kuid muutke liikumissuunda, kiirgades uuesti iga interaktsiooniga. Quanta ioniseerib õhku ja levib läbi selle nagu klaasi vette valatud kirsimahl. Seda nähtust nimetatakse kiirgusdifusiooniks.
Mõnikümmend nanosekundit pärast lõhustumispurske lõppu toimunud 100 kt plahvatuse noore tulekera raadius on 3 m ja temperatuur peaaegu 8 miljonit kelvinit. Kuid 30 mikrosekundi pärast on selle raadius 18 m, kuigi temperatuur langeb alla miljoni kraadi. Pall neelab ruumi ja selle esiosa taga olev ioniseeritud õhk peaaegu ei liigu: kiirgus ei suuda difusiooni ajal sellele olulist hoogu üle kanda. Kuid see pumpab sellesse õhku tohutult energiat, soojendades seda ja kui kiirgusenergia otsa saab, hakkab pall kuuma plasma paisumise tõttu kasvama, lõhkedes seestpoolt sellest, mis varem oli laeng. Paisudes, nagu täispuhutud mull, muutub plasmakest õhemaks. Erinevalt mullist ei paisuta seda muidugi mitte miski: sees pole peaaegu üldse ainet alles, see kõik lendab inertsist tsentrist, kuid 30 mikrosekundit pärast plahvatust on selle lennu kiirus üle 100 km/s, ja hüdrodünaamiline rõhk aines - üle 150 000 atm! Kest ei ole määratud liiga õhukeseks muutuma, see puruneb, moodustades "villid".
Milline tulekera energia keskkonda ülekandmise mehhanismidest valitseb, sõltub plahvatuse võimsusest: kui see on suur, mängib peamist rolli kiirguse difusioon, kui see on väike, siis plasmamulli paisumine. peamist rolli. On selge, et vahejuhtum on võimalik, kui mõlemad mehhanismid on tõhusad.
Protsess hõivab uued õhukihid; kõigi elektronide eemaldamiseks aatomitelt pole enam piisavalt energiat. Ioniseeritud kihi ja plasmamulli fragmentide energia saab otsa, nad ei suuda enam enda ees olevat tohutut massi liigutada ja aeglustuvad märgatavalt. Aga mis oli õhk enne plahvatuse liikumist, murdes lahti kuulist, neelates endasse üha uusi kihte külma õhku... Algab lööklaine teke.
Lööklaine ja aatomiseen
Lööklaine eraldumisel tulekerast muutuvad kiirgava kihi omadused ja kiirgusvõimsus spektri optilises osas suureneb järsult (nn esimene maksimum). Järgmisena konkureerivad valgustusprotsessid ja ümbritseva õhu läbipaistvuse muutused, mis viib teise maksimumi, vähem võimsa, kuid palju pikema aja saavutamiseni - nii palju, et valgusenergia väljund on suurem kui esimeses maksimumis. .
Plahvatuse lähedal kõik ümberringi aurustub, kaugemal sulab, kuid veelgi kaugemal, kus soojusvoost tahkete ainete sulatamiseks enam ei piisa, voolavad pinnas, kivid, majad nagu vedelik, koletu gaasirõhu all, mis hävitab kõik tugevad sidemed. , kuumutatud kuni silmadele väljakannatamatu särani.
Lõpuks ulatub lööklaine plahvatuspunktist kaugele, kuhu jääb lahtine ja nõrgenenud, kuid mitu korda paisunud kondenseerunud aurude pilv, mis muutus laengu plasmast väikeseks ja väga radioaktiivseks tolmuks. oli oma kohutaval ajal lähedal paigale, kust tuleks võimalikult kaugele jääda. Pilv hakkab tõusma. See jahtub, muutes oma värvi, "panevad" valge kondenseeritud niiskuse korgi, millele järgneb tolm maapinnalt, moodustades selle "jala", mida tavaliselt nimetatakse "aatomiseeneks".
Neutronite initsiatsioon
Tähelepanelikud lugejad oskavad pliiats käes hinnata plahvatuse ajal vabanevat energiat. Kui koostu superkriitilises olekus viibimise aeg on suurusjärgus mikrosekundites, neutronite vanus pikosekundites ja korrutustegur on väiksem kui 2, siis vabaneb umbes gigadžaul energiat, mis võrdub ... 250 kg trotüüli. Kus on kilo- ja megatonnid?
Fakt on see, et sõlmes olev lõhustumisahel ei alga ühest neutronist: vajaliku mikrosekundi jooksul süstitakse neid miljonite kaupa ülekriitilisse koostu. Esimeste tuumalaengute puhul kasutati selleks plutooniumisõlme sees õõnsuses paiknevaid isotoopide allikaid: poloonium-210, kokkusurumise hetkel kombineerituna berülliumiga ja põhjustas oma alfaosakestega neutronite emissiooni. Kuid kõik isotoopallikad on üsna nõrgad (esimeses Ameerika tootes tekkis vähem kui miljon neutronit mikrosekundis) ja poloonium on väga kiiresti riknev - kõigest 138 päevaga vähendab see oma aktiivsust poole võrra. Seetõttu on isotoobid asendatud vähem ohtlike isotoopide vastu (mis ei eraldu, kui see pole sisse lülitatud), ja mis kõige tähtsam, neutrontorudega, mis kiirgavad intensiivsemalt (vt külgriba): mõne mikrosekundi jooksul (impulsi kestus, mille toru) sünnib sadu miljoneid neutroneid. Aga kui see ei tööta või töötab valel ajal, toimub nn pauk või "zilch" - väikese võimsusega termiline plahvatus.
Neutronite initsiatsioon mitte ainult ei suurenda tuumaplahvatuse energia vabanemist mitmete suurusjärkude võrra, vaid võimaldab seda ka reguleerida! On selge, et pärast lahingumissiooni saamist, mille määramisel tuleb märkida tuumalöögi võimsus, ei võta keegi laengut lahti, et varustada see antud võimsuse jaoks optimaalse plutooniumisõlmega. Lülitava TNT ekvivalendiga laskemoonas piisab lihtsalt neutrontoru toitepinge muutmisest. Vastavalt muutub neutronite saagis ja energia vabanemine (loomulikult läheb sel viisil võimsuse vähendamisel palju kallist plutooniumi raisku).
Kuid energia vabanemise reguleerimise vajadusele hakati mõtlema palju hiljem ja esimestel sõjajärgsetel aastatel ei saanud võimsuse vähendamisest juttugi olla. Veel võimsam, võimsam ja võimsam! Kuid selgus, et subkriitilise sfääri lubatud mõõtmetele on kehtestatud tuumafüüsikalised ja hüdrodünaamilised piirangud. Saja kilotonnise plahvatuse TNT ekvivalent on lähedane ühefaasilise laskemoona füüsilisele piirile, milles toimub ainult lõhustumine. Selle tulemusena loobuti lõhustumisest kui peamisest energiaallikast ning keskenduti teise klassi – termotuumasünteesi – reaktsioonidele.
Tuumaalased väärarusaamad
Plutooniumi tihedus plahvatuse hetkel suureneb faasisiirde tõttu
Metalliline plutoonium eksisteerib kuues faasis, mille tihedus jääb vahemikku 14,7–19,8 g/cm3. Temperatuuridel alla 119 °C on monokliiniline alfafaas (19,8 g/cm3), kuid selline plutoonium on väga habras ja kuubikujulises näokeskses deltafaasis (15,9) on see plastiline ja hästi töödeldud (just see faas on nad püüavad säilitada legeerivate lisandite abil). Detonatsiooniga kokkusurumisel ei saa toimuda faasisiirdeid – plutoonium on kvaasivedelas olekus. Faasiüleminekud on tootmisel ohtlikud: suurte osadega võib isegi väikese tiheduse muutumise korral jõuda kriitilisse olekusse. Muidugi plahvatust ei toimu - töödeldav detail lihtsalt kuumeneb, kuid nikeldamine võib vabaneda (ja plutoonium on väga mürgine).
Neutronite allikas
Esimesed tuumapommid kasutasid berüllium-polooniumi neutroniallikat. Tänapäevased laengud kasutavad palju mugavamaid neutrontorusid Vaakumneutrontorus rakendatakse triitiumiga küllastunud sihtmärgi (katoodi) (1) ja anoodisõlme (2) vahele 100 kV impulsspinget. Kui pinge on maksimaalne, on vajalik, et anoodi ja katoodi vahel oleksid deuteeriumiioonid, mida tuleb kiirendada. Selleks kasutatakse iooniallikat. Selle anoodile (3) antakse süüteimpulss ja tühjenemine, mis kulgeb mööda deuteeriumiga küllastunud keraamika (4) pinda, moodustab deuteeriumioonid. Pärast kiirendamist pommitavad nad triitiumiga küllastunud sihtmärki, mille tulemusena vabaneb 17,6 MeV energia ning moodustuvad neutronid ja heelium-4 tuumad.
Osakeste koostise ja ühtlase energiaväljundi poolest on see reaktsioon identne termotuumasünteesiga – kergete tuumade ühinemisprotsessiga. 1950. aastatel uskusid paljud, et tegemist on termotuumasünteesiga, kuid hiljem selgus, et torus toimub "katkestus": kas prooton või neutron (mis moodustab deuteeriumiiooni, mida kiirendab elektriväli) "jääb kinni". sihttuumas (triitium) . Kui prooton jääb kinni, murdub neutron lahti ja vabaneb.
Neutronid – aeglased ja kiired
Mittelõhustuvas aines kannavad neutronid tuumadelt “põrkates” üle osa oma energiast, mida kergemad (neile massilt lähemal) on tuumad. Mida rohkem kokkupõrkeid neutronid osalevad, seda rohkem nad aeglustuvad ja lõpuks jõuavad nad ümbritseva ainega termilisele tasakaalule – need termiliseeruvad (selleks kulub millisekundeid). Termiliste neutronite kiirus on 2200 m/s (energia 0,025 eV). Neutronid võivad moderaatorist põgeneda ja selle tuumad kinni püüavad, kuid mõõdukalt suureneb nende võime tuumareaktsioonidesse siseneda märkimisväärselt, nii et neutronid, mis ei lähe "kaotsi", rohkem kui kompenseerivad arvu vähenemist.
Seega, kui lõhustuvast materjalist pall on ümbritsetud moderaatoriga, siis paljud neutronid lahkuvad moderaatorist või neelduvad selles, kuid on ka neid, mis naasevad pallile (“peegelduvad”) ja pärast energia kaotamist põhjustavad palju tõenäolisemalt lõhustumist. Kui pall on ümbritsetud 25 mm paksuse berülliumikihiga, saab säästa 20 kg U235 ja saavutada siiski koostu kriitilise oleku. Kuid selline kokkuhoid tuleb aja hinnaga: iga järgnev neutronite põlvkond peab enne lõhustumist aeglustuma. See viivitus vähendab ajaühikus sündinud neutronite põlvkondade arvu, mis tähendab, et energia vabanemine viibib. Mida vähem lõhustuvat materjali on koostis, seda rohkem on ahelreaktsiooni väljaarendamiseks vaja moderaatorit ja lõhustumine toimub järjest madalama energiaga neutronitega. Piiraval juhul, kui kriitilisus saavutatakse ainult termiliste neutronitega, näiteks uraanisoolade lahuses heas moderaatoris - vees, on sõlmede mass sadu gramme, kuid lahus lihtsalt keeb perioodiliselt. Eralduvad aurumullid vähendavad lõhustuva aine keskmist tihedust, ahelreaktsioon peatub ja kui mullid vedelikust lahkuvad, kordub lõhustumispuhang (kui ummistate anuma, lõhub aur selle - aga see on termiline plahvatus, millel puuduvad kõik tüüpilised "tuumamärgid").
Video: tuumaplahvatused
Tellige ja lugege meie parimaid väljaandeid Yandex.Zen. Vaadake kauneid fotosid üle kogu maailma meie lehelt aadressil Instagram
Kui leiate vea, valige tekstiosa ja vajutage Ctrl+Enter.
Tuumaenergia tootmine on kaasaegne ja kiiresti arenev elektrienergia tootmise meetod. Kas tead, kuidas tuumajaamad töötavad? Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Mis tüüpi tuumareaktorid on tänapäeval olemas? Püüame üksikasjalikult läbi mõelda tuumaelektrijaama tööskeemi, süveneda tuumareaktori struktuuri ja teada saada, kui ohutu on elektrienergia tootmise tuumameetod.
Iga jaam on suletud ala, mis on elamurajoonist kaugel. Selle territooriumil on mitu hoonet. Tähtsaim ehitis on reaktorihoone, selle kõrval on turbiiniruum, millest juhitakse reaktorit, ja ohutushoone.
Skeem on võimatu ilma tuumareaktorita. Aatomi (tuuma)reaktor on tuumaelektrijaama seade, mis on ette nähtud neutronite lõhustumise ahelreaktsiooni korraldamiseks koos kohustusliku energia vabanemisega selle protsessi käigus. Mis on aga tuumajaama tööpõhimõte?
Kogu reaktoriseade asub reaktorihoones, suures betoontornis, mis peidab reaktorit ja sisaldab õnnetuse korral kõiki tuumareaktsiooni saadusi. Seda suurt torni nimetatakse isolatsiooniks, hermeetiliseks kestaks või isolatsioonitsooniks.
Uute reaktorite hermeetilisel tsoonil on 2 paksu betoonseina - kestad.
Väliskest, paksusega 80 cm, kaitseb isolatsioonitsooni välismõjude eest.
1 meeter 20 cm paksusel sisekestal on spetsiaalsed terastrossid, mis suurendavad betooni tugevust ligi kolm korda ja takistavad konstruktsiooni murenemist. Seestpoolt on see vooderdatud õhukese eriterasest lehega, mis on mõeldud isolatsiooni täiendavaks kaitseks ja õnnetuse korral mitte reaktori sisu eraldamiseks isolatsioonitsoonist väljapoole.
Selline tuumaelektrijaama konstruktsioon võimaldab taluda kuni 200 tonni kaaluvat lennuõnnetust, maavärinat magnituudiga 8, tornaadot ja tsunamit.
Esimene suletud kest ehitati Ameerika Connecticuti Yankee tuumajaamas 1968. aastal.
Piirdetsooni kogukõrgus on 50-60 meetrit.
Millest tuumareaktor koosneb?
Tuumareaktori tööpõhimõtte ja seega ka tuumaelektrijaama tööpõhimõtte mõistmiseks peate mõistma reaktori komponente. 
- Aktiivne tsoon. See on piirkond, kuhu paigutatakse tuumkütus (kütusegeneraator) ja moderaator. Kütuseaatomid (enamasti on kütus uraan) läbivad ahellõhustumisreaktsiooni. Moderaator on mõeldud lõhustumisprotsessi juhtimiseks ja võimaldab vajalikku reaktsiooni kiiruse ja tugevuse osas.
- Neutronide reflektor. Südamikku ümbritseb helkur. See koosneb samast materjalist, mis moderaator. Sisuliselt on tegu kastiga, mille põhieesmärk on takistada neutronite tuumast väljumist ja keskkonda sattumist.
- Jahutusvedelik. Jahutusvedelik peab absorbeerima kütuseaatomite lõhustumisel vabanevat soojust ja kandma selle üle teistele ainetele. Jahutusvedelik määrab suuresti tuumajaama projekteerimise. Tänapäeval on kõige populaarsem jahutusvedelik vesi.
Reaktori juhtimissüsteem. Andurid ja mehhanismid, mis toidavad tuumaelektrijaama reaktorit.
Kütus tuumaelektrijaamadele
Millega tuumaelektrijaam töötab? Tuumaelektrijaamade kütus on radioaktiivsete omadustega keemilised elemendid. Kõigis tuumaelektrijaamades on see element uraan.
Jaamade konstruktsioon eeldab, et tuumaelektrijaamad töötavad keerulisel komposiitkütusel, mitte puhtal keemilisel elemendil. Ja tuumareaktorisse laaditavast looduslikust uraanist uraanikütuse eraldamiseks on vaja läbi viia palju manipuleerimisi.
Rikastatud uraan
Uraan koosneb kahest isotoobist, see tähendab, et see sisaldab erineva massiga tuumasid. Neid nimetati prootonite ja neutronite arvu järgi isotoobiks -235 ja isotoobiks-238. 20. sajandi teadlased hakkasid maagist ekstraheerima uraani 235, kuna... seda oli lihtsam lagundada ja teisendada. Selgus, et sellist uraani on looduses vaid 0,7% (ülejäänud protsent läheb 238. isotoobile). 
Mida sel juhul teha? Nad otsustasid uraani rikastada. Uraani rikastamine on protsess, mille käigus jääb sellesse palju vajalikke 235x isotoope ja vähe tarbetuid 238x isotoope. Uraanirikastajate ülesanne on muuta 0,7% peaaegu 100% uraan-235-ks.
Uraani saab rikastada kahe tehnoloogia abil: gaasi difusioon või gaasitsentrifuug. Nende kasutamiseks muudetakse maagist eraldatud uraan gaasiliseks. See on rikastatud gaasi kujul.
Uraani pulber
Rikastatud uraangaas muudetakse tahkeks olekuks – uraandioksiidiks. See puhas tahke uraan 235 paistab suurte valgete kristallidena, mis hiljem purustatakse uraanipulbriks.
Uraani tabletid
Uraanitabletid on paari sentimeetri pikkused tahked metallkettad. Selliste tablettide moodustamiseks uraanipulbrist segatakse see ainega - plastifikaatoriga; see parandab tablettide pressimise kvaliteeti.
Pressitud litreid küpsetatakse temperatuuril 1200 kraadi Celsiuse järgi üle ööpäeva, et anda tablettidele eriline tugevus ja vastupidavus kõrgetele temperatuuridele. Tuumaelektrijaama tööpõhimõte sõltub otseselt uraanikütuse kokkusurumisest ja küpsetamisest. 
Tablette küpsetatakse molübdeenkarpides, sest ainult see metall ei ole võimeline sulama üle pooleteise tuhande kraadise "põrguliku" temperatuuri juures. Pärast seda loetakse tuumaelektrijaamade uraanikütus valmis.
Mis on TVEL ja FA?
Reaktori südamik näeb välja nagu tohutu ketas või toru, mille seintes on augud (olenevalt reaktori tüübist), mis on 5 korda suurem kui inimkeha. Need augud sisaldavad uraanikütust, mille aatomid viivad läbi soovitud reaktsiooni.
Reaktorisse on võimatu lihtsalt kütust visata, kui just ei taheta põhjustada kogu jaama plahvatust ja õnnetust, mille tagajärjed on paaris lähedalasuvas osariigis. Seetõttu asetatakse uraanikütus kütusevarrastesse ja kogutakse seejärel kütusesõlmedesse. Mida need lühendid tähendavad?
- TVEL on kütuseelement (mitte segi ajada neid tootva Venemaa ettevõtte sama nimega). See on sisuliselt õhuke ja pikk tsirkooniumisulamitest valmistatud tsirkooniumtoru, millesse asetatakse uraanitabletid. Just kütusevarrastes hakkavad uraani aatomid omavahel suhtlema, vabastades reaktsiooni käigus soojust.
Tsirkoonium valiti kütusevarraste valmistamise materjaliks selle tulekindluse ja korrosioonivastaste omaduste tõttu.
Kütusevardade tüüp sõltub reaktori tüübist ja struktuurist. Kütusevarraste struktuur ja otstarve reeglina ei muutu, toru pikkus ja laius võivad olla erinevad. 
Masin laadib ühte tsirkooniumtorusse üle 200 uraanigraanuli. Kokku töötab reaktoris korraga umbes 10 miljonit uraanigraanulit.
FA – kütuseagregaat. TUJ töötajad nimetavad kütusesõlmesid kimpudeks.
Põhimõtteliselt on tegemist mitme kütusevardaga, mis on omavahel kinnitatud. FA on valmis tuumakütus, millega tuumajaam töötab. Tuumareaktorisse laaditakse kütusekomplektid. Ühte reaktorisse on paigutatud umbes 150–400 kütusekomplekti.
Olenevalt reaktorist, milles kütusekomplektid töötavad, on need erineva kujuga. Mõnikord volditakse kimbud kuubikujuliseks, mõnikord silindriliseks, mõnikord kuusnurkseks.
Üks kütusesõlm 4 tööaasta jooksul toodab sama palju energiat kui põletades 670 autot kivisütt, 730 paaki maagaasiga või 900 tanki, mis on täidetud naftaga.
Tänapäeval toodetakse kütusekomplekte peamiselt Venemaa, Prantsusmaa, USA ja Jaapani tehastes.
Tuumajaamade kütuse toimetamiseks teistesse riikidesse suletakse kütusesõlmed pikkadesse ja laiadesse metalltorudesse, torudest pumbatakse õhk välja ja tarnitakse kaubalennukite pardal olevate spetsiaalsete masinatega.
Tuumaelektrijaamade tuumakütus kaalub meeletult palju, sest... uraan on üks raskemaid metalle planeedil. Selle erikaal on 2,5 korda suurem kui terasel.
Tuumaelektrijaam: tööpõhimõte
Mis on tuumajaama tööpõhimõte? Tuumaelektrijaamade tööpõhimõte põhineb radioaktiivse aine - uraani - aatomite lõhustumise ahelreaktsioonil. See reaktsioon toimub tuumareaktori südamikus.
ON TÄHTIS TEADA:
Tuumafüüsika keerukustesse laskumata näeb tuumajaama tööpõhimõte välja järgmine:
Pärast tuumareaktori käivitamist eemaldatakse kütusevarrastelt absorbervardad, mis takistavad uraani reageerimist.
Kui vardad on eemaldatud, hakkavad uraani neutronid üksteisega suhtlema.
Neutronite põrkumisel toimub aatomitasandil miniplahvatus, energia vabaneb ja uued neutronid sünnivad, hakkab toimuma ahelreaktsioon. See protsess tekitab soojust.
Soojus kantakse üle jahutusvedelikule. Sõltuvalt jahutusvedeliku tüübist muutub see auruks või gaasiks, mis pöörab turbiini.
Turbiin käitab elektrigeneraatorit. See on see, kes tegelikult genereerib elektrivoolu.
Kui te protsessi ei jälgi, võivad uraani neutronid omavahel kokku põrgata, kuni plahvatavad reaktori ja purustavad kogu tuumajaama puruks. Protsessi juhivad arvutiandurid. Need tuvastavad temperatuuri tõusu või rõhu muutuse reaktoris ja võivad reaktsioonid automaatselt peatada.
Mille poolest erineb tuumaelektrijaamade tööpõhimõte soojuselektrijaamadest (soojuselektrijaamadest)?
Töös on erinevusi ainult esimestel etappidel. Tuumaelektrijaamas saab jahutusvedelik soojust uraanikütuse aatomite lõhustumisel, soojuselektrijaamas saab jahutusvedelik orgaanilise kütuse (kivisüsi, gaas või õli) põlemisel tekkivat soojust. Pärast seda, kui uraani aatomid või gaas ja kivisüsi on soojust eraldanud, on tuumaelektrijaamade ja soojuselektrijaamade tööskeemid samad.
Tuumareaktorite tüübid
See, kuidas tuumaelektrijaam töötab, sõltub täpselt sellest, kuidas selle tuumareaktor töötab. Tänapäeval on kaks peamist tüüpi reaktoreid, mis klassifitseeritakse neuronite spektri järgi:
Aeglane neutronreaktor, mida nimetatakse ka termiliseks reaktoriks.
Selle tööks kasutatakse uraan 235, mis läbib rikastamise, uraanigraanulite valmistamise jne etapid. Tänapäeval kasutab valdav enamus reaktoreid aeglaseid neutroneid.
Kiire neutronreaktor.
Need reaktorid on tulevik, sest... Nad töötavad uraan-238 peal, mis on oma olemuselt kümmekond peenraha ja seda elementi pole vaja rikastada. Selliste reaktorite ainsaks miinuseks on projekteerimise, ehitamise ja käivitamise väga suured kulud. Tänapäeval töötavad kiirneutronreaktorid ainult Venemaal.
Kiirete neutronreaktorite jahutusvedelik on elavhõbe, gaas, naatrium või plii. 
Ka aeglaseid neutronreaktoreid, mida tänapäeval kasutavad kõik maailma tuumajaamad, on mitut tüüpi.
IAEA organisatsioon (International Atomic Energy Agency) on loonud oma klassifikatsiooni, mida kasutatakse kõige sagedamini ülemaailmses tuumaenergiatööstuses. Kuna tuumajaama tööpõhimõte sõltub suuresti jahutusvedeliku ja aeglusti valikust, siis nendest erinevustest lähtus ka IAEA klassifitseerimisel.
Keemilisest seisukohast on deuteeriumoksiid ideaalne moderaator ja jahutusvedelik, sest selle aatomid interakteeruvad teiste ainetega võrreldes kõige tõhusamalt uraani neutronitega. Lihtsamalt öeldes täidab raske vesi oma ülesannet minimaalsete kadude ja maksimaalsete tulemustega. Selle tootmine maksab aga raha, samas kui tavalist “kerget” ja tuttavat vett on palju lihtsam kasutada.
Mõned faktid tuumareaktorite kohta...
Huvitav, et ühe tuumajaama reaktori ehitamine võtab aega vähemalt 3 aastat!
Reaktori ehitamiseks on vaja seadmeid, mis töötavad 210 kiloamprise elektrivooluga, mis on miljon korda suurem voolust, mis võib inimese tappa.
Tuumareaktori üks kest (konstruktsioonielement) kaalub 150 tonni. Ühes reaktoris on 6 sellist elementi.
Survevee reaktor
Oleme juba selgeks saanud, kuidas tuumajaam üldiselt töötab, et kõike perspektiivi panna, vaatame, kuidas töötab kõige populaarsem survevee tuumareaktor.
Tänapäeval kasutatakse kogu maailmas 3+ põlvkonna surveveereaktoreid. Neid peetakse kõige usaldusväärsemaks ja ohutumaks.
Kõik maailma surveveereaktorid on kõigi oma tööaastate jooksul kogunud juba üle 1000 aasta tõrgeteta tööd ja pole kunagi andnud tõsiseid kõrvalekaldeid. 
Surveveereaktoreid kasutavate tuumaelektrijaamade struktuur eeldab, et kütusevarraste vahel ringleb 320 kraadini kuumutatud destilleeritud vesi. Vältimaks selle aurustumist, hoitakse seda 160 atmosfääri rõhu all. Tuumaelektrijaama diagrammil nimetatakse seda primaarahela veeks.
Kuumutatud vesi siseneb aurugeneraatorisse ja loovutab oma soojuse sekundaarringi veele, misjärel “naaseb” uuesti reaktorisse. Väliselt tundub, et esimese ahela veetorud on kontaktis teiste torudega - teise ahela veega, need annavad soojust üksteisele, kuid veed ei puutu kokku. Torud on kontaktis.
Seega on välistatud kiirguse sattumine sekundaarahela vette, mis osaleb edaspidi elektrienergia tootmise protsessis.
TUJ tööohutus
Olles õppinud tuumaelektrijaamade tööpõhimõtteid, peame mõistma, kuidas ohutus toimib. Tuumaelektrijaamade projekteerimine nõuab tänapäeval suuremat tähelepanu ohutusreeglitele.
Tuumaelektrijaama ohutuskulud moodustavad ligikaudu 40% jaama enda kogumaksumusest. 
Tuumaelektrijaama projekt sisaldab 4 füüsilist barjääri, mis takistavad radioaktiivsete ainete eraldumist. Mida need tõkked tegema peaksid? Õigel hetkel osata peatada tuumareaktsioon, tagada pidev soojuse eemaldamine südamikust ja reaktorist endast ning vältida radionukliidide eraldumist isolatsioonist (hermeetilisest tsoonist) kaugemale.
- Esimene barjäär on uraanigraanulite tugevus. On oluline, et need ei häviks tuumareaktoris kõrgete temperatuuride toimel. Suur osa tuumaelektrijaama toimimisest sõltub sellest, kuidas uraanigraanuleid "küpsetatakse" tootmise algfaasis. Kui uraani kütusegraanuleid ei küpsetata õigesti, on uraani aatomite reaktsioonid reaktoris ettearvamatud.
- Teine takistus on kütusevarraste tihedus. Tsirkooniumtorud peavad olema tihedalt suletud, kui tihend on katki, siis parimal juhul saab reaktor kahjustada ja töö seiskub, halvimal juhul lendab kõik õhku.
- Kolmas barjäär on vastupidav terasest reaktorianum a, (sama suur torn - hermeetiline tsoon), mis "hoiab" kõiki radioaktiivseid protsesse. Kui korpus on kahjustatud, pääseb kiirgus atmosfääri.
- Neljandaks tõkkeks on hädakaitsevardad. Moderaatoritega vardad riputatakse südamiku kohale magnetite abil, mis suudavad 2 sekundiga neelata kõik neutronid ja peatada ahelreaktsiooni.
Kui vaatamata paljude kaitseastmetega tuumajaama projekteerimisele ei ole võimalik reaktori südamikku õigel ajal jahutada ning kütuse temperatuur tõuseb 2600 kraadini, siis tuleb mängu ohutussüsteemi viimane lootus. - nn sulamislõks.
Fakt on see, et sellel temperatuuril reaktorianuma põhi sulab ning kõik tuumakütuse ja sulastruktuuride jäänused voolavad reaktori südamiku kohal rippuvasse spetsiaalsesse "klaasi".
Sulamispüüdur on jahutatud ja tulekindel. See on täidetud nn ohvrimaterjaliga, mis peatab järk-järgult lõhustumise ahelreaktsiooni.
Seega hõlmab tuumaelektrijaama konstruktsioon mitut kaitseastet, mis välistab peaaegu täielikult igasuguse õnnetuse võimaluse.
Aatomipommi ja eelkõige relvade loomise ajalugu algab 1939. aastal Joliot Curie tehtud avastusega. Sellest hetkest alates mõistsid teadlased, et uraani ahelreaktsioonist võib saada mitte ainult tohutu energia allikas, vaid ka kohutav relv. Ja nii põhineb aatomipommi disain tuumaenergia kasutamisel, mis vabaneb tuuma ahelreaktsiooni käigus.
Viimane hõlmab raskete tuumade lõhustumise või kergete tuumade ühinemise protsessi. Sellest tulenevalt on aatomipomm massihävitusrelv, kuna väikses ruumis vabaneb võimalikult lühikese aja jooksul tohutul hulgal tuumaenergiat. Sellesse protsessi sisenedes on tavaks esile tõsta kaks võtmekohta.
Esiteks on see tuumaplahvatuse keskpunkt, kus see protsess vahetult toimub. Ja teiseks on see epitsenter, mis oma olemuselt esindab protsessi enda projektsiooni pinnale (maa või veele). Samuti vabaneb tuumaplahvatus nii palju energiat, et selle projitseerimisel maapinnale tekivad seismilised värinad. Ja selliste vibratsioonide levimisulatus on uskumatult suur, kuigi need põhjustavad keskkonnale olulist kahju vaid mõnesaja meetri kaugusel.
Lisaks väärib märkimist, et tuumaplahvatusega kaasneb suure hulga soojuse ja valguse eraldumine, mis tekitab ereda sähvatuse. Pealegi ületab selle võimsus mitu korda päikesekiirte võimsust. Seega võib valguse ja kuumuse kahjustus tekkida isegi mitme kilomeetri kaugusel.
Kuid üks väga ohtlik aatomipommi kahjustus on tuumaplahvatuse käigus tekkiv kiirgus. Selle nähtusega kokkupuute kestus on lühike, keskmiselt 60 sekundit, kuid selle laine läbitungimisvõime on hämmastav.
Mis puutub aatomipommi konstruktsiooni, siis see sisaldab mitmeid erinevaid komponente. Reeglina on seda tüüpi relvadel kaks põhielementi: kere ja automaatikasüsteem.
Korpus sisaldab tuumalaengut ja automaatikat ning just see täidab kaitsefunktsiooni erinevat tüüpi mõjude (mehaaniline, termiline ja nii edasi) suhtes. Ja automatiseerimissüsteemi roll on tagada, et plahvatus toimuks selgelt määratletud ajal, mitte varem ega hiljem. Automatiseerimissüsteem koosneb sellistest süsteemidest nagu: hädadetonatsioon; kaitse ja kukutamine; toiteallikas; Detonatsiooni- ja laengudetonatsiooniandurid.
Kuid aatomipommid tarnitakse ballistiliste, tiibrakettide ja õhutõrjerakettidega. Need. tuumarelvad võivad olla õhupommi, torpeedo, maamiini jms element.
Ja isegi aatomipommi detonatsioonisüsteemid võivad olla erinevad. Üks lihtsamaid süsteeme on sissepritsesüsteem, kui tuumaplahvatuse tõukejõuks on mürsu tabamine sihtmärki, millele järgneb ülekriitilise massi moodustumine. Just seda tüüpi aatomipomm lõhati esmakordselt Hiroshima kohal 1945. aastal, sisaldades uraani. Seevastu samal aastal Nagasakile heidetud pomm oli plutoonium.
Pärast aatomirelvade jõu ja tugevuse sellist elavat demonstreerimist langesid nad kohe kõige ohtlikuma massihävitusvahendi kategooriasse. Aatomirelvade tüüpidest rääkides tuleb mainida, et need on määratud kaliibri suuruse järgi. Seega on sellel relval hetkel kolm peamist kaliibrit: väike, suur ja keskmine. Plahvatuse võimsust iseloomustab kõige sagedamini TNT ekvivalent. Näiteks tähendab väikese kaliibriga aatomirelv laadimisvõimsust, mis võrdub mitme tuhande tonni TNT-ga. Ja võimsamad aatomirelvad, täpsemalt keskmise kaliibriga, moodustavad juba kümneid tuhandeid tonne trotüüli ja lõpuks mõõdetakse viimast juba miljonites. Kuid samal ajal ei tohiks segi ajada aatomi- ja vesinikrelvade mõisteid, mida üldiselt nimetatakse tuumarelvadeks. Peamine erinevus aatomirelvade ja vesinikrelvade vahel on mitmete raskete elementide, näiteks plutooniumi ja uraani tuumade lõhustumisreaktsioon. Ja vesinikrelvad hõlmavad protsessi, mille käigus sünteesitakse ühe elemendi aatomite tuumad teiseks, s.t. heelium vesinikust.
Esimene aatomipommi katsetus
Esimese aatomirelva katsetuse viisid Ameerika sõjaväelased läbi 16. juulil 1945 kohas nimega Almogordo, mis näitas aatomienergia täit võimsust. Pärast seda laaditi USA vägede käsutuses olevad aatomipommid sõjalaevale ja saadeti Jaapani rannikule. Jaapani valitsuse keeldumine rahumeelsest dialoogist võimaldas demonstreerida tegevuses aatomirelvade täit võimsust, mille ohvriteks langesid esmalt Hiroshima linn ja veidi hiljem Nagasaki. Nii kasutati 6. augustil 1945 esimest korda aatomirelvi tsiviilisikute kallal, mille tulemusena lööklainete tõttu linn praktiliselt hävis. Rohkem kui pooled linna elanikest surid aatomirünnaku esimestel päevadel ja kokku oli umbes kakssada nelikümmend tuhat inimest. Ja kõigest neli päeva hiljem lahkusid USA sõjaväebaasist korraga kaks lennukit ohtliku lastiga pardal, mille sihtmärkideks olid Kokura ja Nagasaki. Ja kui läbitungimatust suitsust haaratud Kokura oli raske sihtmärk, siis Nagasakis tabati sihtmärk. Lõppkokkuvõttes tappis esimestel päevadel Nagasakis toimunud aatomipomm vigastuste ja kiirguse tõttu 73 tuhat inimest, nendele ohvritele lisati 35 tuhande inimese nimekiri. Veelgi enam, viimaste ohvrite surm oli üsna valus, kuna kiirguse mõju on uskumatult hävitav.
Aatomirelvade hävitamise tegurid
Seega on aatomirelvadel mitut tüüpi hävitamist; valgus, radioaktiivne, lööklaine, läbitungiv kiirgus ja elektromagnetimpulss. Kui tuumarelva plahvatuse järel tekib valguskiirgus, mis hiljem muutub hävitavaks soojuseks. Järgmisena tuleb pööre radioaktiivsele saastumisele, mis on ohtlik vaid esimestel tundidel pärast plahvatust. Lööklainet peetakse tuumaplahvatuse kõige ohtlikumaks staadiumiks, sest see põhjustab erinevatele hoonetele, seadmetele ja inimestele mõne sekundiga tohutuid kahjustusi. Kuid läbitungiv kiirgus on inimkehale väga ohtlik ja põhjustab sageli kiiritushaigust. Elektromagnetiline impulss tabab seadmeid. Kokkuvõttes teeb see kõik aatomirelvad väga ohtlikuks.
Põhja-Korea ähvardab USA-d ülivõimsa vesinikupommi katsetamisega Vaikses ookeanis. Katsete tõttu kannatada võiv Jaapan nimetas Põhja-Korea plaane täiesti vastuvõetamatuks. Presidendid Donald Trump ja Kim Jong-un vaidlevad intervjuudes ja räägivad avatud sõjalisest konfliktist. Neile, kes tuumarelvadest aru ei saa, aga tahavad asjaga kursis olla, on The Futurist koostanud juhendi.
Kuidas tuumarelvad töötavad?
Nagu tavaline dünamiidipulk, kasutab tuumapomm energiat. Ainult see vabaneb mitte primitiivse keemilise reaktsiooni käigus, vaid keerulistes tuumaprotsessides. Tuumaenergia eraldamiseks aatomist on kaks peamist viisi. IN tuuma lõhustumine aatomi tuum laguneb koos neutroniga kaheks väiksemaks killuks. Tuumasünteesi – protsess, mille käigus Päike toodab energiat – hõlmab kahe väiksema aatomi ühendamist suuremaks. Igas protsessis, lõhustumisel või termotuumasünteesil, eraldub suur hulk soojusenergiat ja kiirgust. Sõltuvalt sellest, kas kasutatakse tuuma lõhustumist või termotuumasünteesi, jagatakse pommid tuuma (aatomi) Ja termotuuma .
Kas saate mulle tuumalõhustumise kohta rohkem rääkida?
Aatomipommi plahvatus Hiroshima kohal (1945)
Nagu mäletate, koosneb aatom kolme tüüpi subatomilistest osakestest: prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Aatomi keskpunkt, nn tuum , koosneb prootonitest ja neutronitest. Prootonid on positiivselt laetud, elektronid negatiivselt laetud ja neutronitel pole üldse laengut. Prootoni-elektronite suhe on alati üks ühele, seega on aatomil tervikuna neutraalne laeng. Näiteks süsinikuaatomil on kuus prootonit ja kuus elektroni. Osakesi hoiab koos põhiline jõud - tugev tuumajõud .
Aatomi omadused võivad oluliselt muutuda sõltuvalt sellest, kui palju erinevaid osakesi see sisaldab. Kui muudate prootonite arvu, on teil erinev keemiline element. Kui muudate neutronite arvu, saate isotoop sama element, mis on teie käes. Näiteks süsinikul on kolm isotoopi: 1) süsinik-12 (kuus prootonit + kuus neutronit), mis on elemendi stabiilne ja tavaline vorm, 2) süsinik-13 (kuus prootonit + seitse neutronit), mis on stabiilne, kuid haruldane. ja 3) süsinik -14 (kuus prootonit + kaheksa neutronit), mis on haruldane ja ebastabiilne (või radioaktiivne).
Enamik aatomituumasid on stabiilsed, kuid mõned on ebastabiilsed (radioaktiivsed). Need tuumad eraldavad spontaanselt osakesi, mida teadlased nimetavad kiirguseks. Seda protsessi nimetatakse radioaktiivne lagunemine . Lagunemist on kolme tüüpi:
Alfa lagunemine : Tuum kiirgab alfaosakest – kaks prootonit ja kaks neutronit on omavahel seotud. Beeta lagunemine : Neutron muutub prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks. Väljapaisatud elektron on beetaosake. Spontaanne lõhustumine: tuum laguneb mitmeks osaks ja kiirgab neutroneid ning kiirgab ka elektromagnetilise energia impulsi - gammakiirgust. Just viimast tüüpi lagunemist kasutatakse tuumapommides. Algavad lõhustumise tulemusena eralduvad vabad neutronid ahelreaktsiooni , mis vabastab kolossaalselt palju energiat.
Millest tuumapommid on tehtud?
Neid saab valmistada uraan-235-st ja plutoonium-239-st. Uraan esineb looduses kolme isotoobi seguna: 238 U (99,2745% looduslikust uraanist), 235 U (0,72%) ja 234 U (0,0055%). Levinuim 238 U ahelreaktsiooni ei toeta: selleks on võimeline vaid 235 U. Maksimaalse plahvatusvõimsuse saavutamiseks on vajalik, et 235 U sisaldus pommi “täidises” oleks vähemalt 80%. Seetõttu toodetakse uraani kunstlikult rikastama . Selleks jagatakse uraani isotoopide segu kaheks osaks nii, et üks neist sisaldab rohkem kui 235 U.
Tavaliselt jätab isotoopide eraldamine maha palju vaesestatud uraani, mis ei suuda ahelreaktsiooni läbida, kuid on olemas viis, kuidas seda teha. Fakt on see, et plutoonium-239 looduses ei esine. Kuid seda saab saada 238 U neutronitega pommitades.
Kuidas nende võimsust mõõdetakse?
Tuuma- ja termotuumalaengu võimsust mõõdetakse TNT ekvivalendis – trinitrotolueeni koguses, mis tuleb sarnase tulemuse saamiseks plahvatada. Seda mõõdetakse kilotonnides (kt) ja megatonnides (Mt). Üliväikeste tuumarelvade tootlikkus on alla 1 kt, ülivõimsate pommide saagis aga üle 1 mt.
Nõukogude "tsaaripommi" võimsus oli erinevatel andmetel TNT ekvivalendis 57–58,6 megatonni, termotuumapommi võimsus, mida KRDV septembri alguses katsetas, oli umbes 100 kilotonni.
Kes lõi tuumarelvi?
Ameerika füüsik Robert Oppenheimer ja kindral Leslie Groves
1930. aastatel Itaalia füüsik Enrico Fermi näitas, et neutronite poolt pommitatud elemente saab muuta uuteks elementideks. Selle töö tulemuseks oli avastus aeglased neutronid , samuti uute elementide avastamine, mida perioodilisustabelis pole esindatud. Varsti pärast Fermi avastust Saksa teadlased Otto Hahn Ja Fritz Strassmann pommitati uraani neutronitega, mille tulemusena tekkis baariumi radioaktiivne isotoop. Nad jõudsid järeldusele, et madala kiirusega neutronid põhjustavad uraani tuuma purunemise kaheks väiksemaks tükiks.
See teos erutas kogu maailma meeli. Princetoni ülikoolis Niels Bohr koos töötanud John Wheeler välja töötada hüpoteetiline lõhustumisprotsessi mudel. Nad väitsid, et uraan-235 lõhustub. Umbes samal ajal avastasid teised teadlased, et lõhustumisprotsess toodab veelgi rohkem neutroneid. See ajendas Bohri ja Wheeleri esitama olulise küsimuse: kas lõhustumisel tekkivad vabad neutronid võivad käivitada ahelreaktsiooni, mis vabastaks tohutul hulgal energiat? Kui see on nii, siis on võimalik luua kujuteldamatu jõuga relvi. Nende oletusi kinnitas prantsuse füüsik Frederic Joliot-Curie . Tema järeldusest sai tõuke tuumarelvade loomise arenguks.
Saksamaa, Inglismaa, USA ja Jaapani füüsikud töötasid aatomirelvade loomisel. Enne II maailmasõja algust Albert Einstein kirjutas USA presidendile Franklin Roosevelt et Natsi-Saksamaa kavatseb puhastada uraan-235 ja luua aatomipommi. Nüüd selgub, et Saksamaa ei olnud kaugeltki ahelreaktsiooni läbiviimisest: nad töötasid "räpase ja väga radioaktiivse pommi kallal". Olgu kuidas on, USA valitsus tegi kõik oma jõupingutused aatomipommi võimalikult kiireks loomiseks. Manhattani projekt käivitati Ameerika füüsiku juhtimisel Robert Oppenheimer ja üldine Leslie Groves . Sellel osalesid Euroopast emigreerunud väljapaistvad teadlased. 1945. aasta suveks loodi aatomirelvad, mis põhinesid kahte tüüpi lõhustuval materjalil - uraan-235 ja plutoonium-239. Üks pomm, plutoonium "Thing", plahvatas katsetamise käigus ning veel kaks, uraan "Baby" ja plutoonium "Fat Man", heideti Jaapani linnadele Hiroshimale ja Nagasakile.
Kuidas termotuumapomm töötab ja kes selle leiutas?
Termotuumapomm põhineb reaktsioonil tuumasünteesi . Erinevalt tuumalõhustumisest, mis võib toimuda kas spontaanselt või sunniviisiliselt, on tuumasünteesimine võimatu ilma välise energiavarustuseta. Aatomituumad on positiivselt laetud – seega tõrjuvad nad üksteist. Seda olukorda nimetatakse Coulombi barjääriks. Tõrjumisest ülesaamiseks tuleb need osakesed pöörase kiiruseni kiirendada. Seda saab teha väga kõrgetel temperatuuridel – suurusjärgus mitu miljonit kelvinit (sellest ka nimi). Termotuumareaktsioone on kolme tüüpi: isemajandavad (toimuvad tähtede sügavuses), juhitavad ja kontrollimatud ehk plahvatusohtlikud – neid kasutatakse vesinikupommides.
Aatomilaengu poolt initsieeritud termotuumasünteesi pommi idee pakkus Enrico Fermi oma kolleegile Edward Teller aastal 1941, Manhattani projekti alguses. See idee polnud aga tol ajal nõutud. Telleri arendusi täiustati Stanislav Ulam , mis muudab termotuumapommi idee praktikas teostatavaks. 1952. aastal katsetati Enewetaki atollil operatsiooni Ivy Mike ajal esimest termotuumalõhkeseadeldist. See oli aga laboriproov, mis ei sobinud lahingusse. Aasta hiljem lõhkas Nõukogude Liit maailma esimese termotuumapommi, mis oli kokku pandud füüsikute kavandi järgi. Andrei Sahharov Ja Julia Kharitona . Seade meenutas kihilist kooki, nii et hirmuäratav relv sai hüüdnime "Puff". Edasise arengu käigus sündis Maa võimsaim pomm, “Tsaar Bomba” ehk “Kuzka ema”. 1961. aasta oktoobris katsetati seda Novaja Zemlja saarestikus.
Millest on valmistatud termotuumapommid?
Kui sa seda arvasid vesinik ja termotuumapommid on erinevad asjad, sa eksid. Need sõnad on sünonüümid. Termotuumareaktsiooni läbiviimiseks on vaja vesinikku (õigemini selle isotoobid - deuteerium ja triitium). Siiski on raskus: vesinikupommi plahvatamiseks on kõigepealt vaja tavapärase tuumaplahvatuse käigus saada kõrge temperatuur – alles siis hakkavad aatomituumad reageerima. Seetõttu mängib termotuumapommi puhul suurt rolli disain.
Kaks skeemi on laialt tuntud. Esimene on Sahharovi lehttaigen. Keskel asus tuumadetonaator, mis oli ümbritsetud triitiumiga segatud liitiumdeuteriidi kihtidega, mis olid segatud rikastatud uraani kihtidega. See disain võimaldas saavutada võimsust 1 Mt piires. Teine on Ameerika Teller-Ulami skeem, kus tuumapomm ja vesiniku isotoobid paiknesid eraldi. See nägi välja selline: all oli mahuti vedela deuteeriumi ja triitiumi seguga, mille keskel oli "süüteküünal" - plutooniumivarras ja peal - tavaline tuumalaeng ja seda kõike raskmetallist kest (näiteks vaesestatud uraan). Plahvatuse käigus tekkivad kiired neutronid põhjustavad uraani kestas aatomi lõhustumise reaktsioone ja lisavad energiat plahvatuse koguenergiale. Liitium-uraan-238 deuteriidi täiendavate kihtide lisamine võimaldab luua piiramatu võimsusega mürske. 1953. aastal Nõukogude füüsik Viktor Davidenko kordas kogemata Teller-Ulami ideed ja selle põhjal tuli Sahharov välja mitmeetapilise skeemi, mis võimaldas luua enneolematu võimsusega relvi. “Kuzka ema” töötas täpselt selle skeemi järgi.
Mis pomme seal veel on?
On ka neutroneid, kuid see on üldiselt hirmutav. Sisuliselt on neutronpomm väikese võimsusega termotuumapomm, mille plahvatusenergiast 80% moodustab kiirgus (neutronkiirgus). See näeb välja nagu tavaline väikese võimsusega tuumalaeng, millele on lisatud berülliumi isotoobiga plokk – neutronite allikas. Kui tuumalaeng plahvatab, vallandub termotuumareaktsioon. Seda tüüpi relva töötas välja Ameerika füüsik Samuel Cohen . Usuti, et neutronrelvad hävitavad kõik elusolendid, isegi varjupaikades, kuid selliste relvade hävitamise ulatus on väike, kuna atmosfäär hajutab kiirete neutronite vooge ja lööklaine on tugevam suurte vahemaade tagant.
Aga koobaltipomm?
Ei, poeg, see on fantastiline. Ametlikult pole ühelgi riigil koobaltpomme. Teoreetiliselt on tegemist koobaltkoorega termotuumapommiga, mis tagab piirkonna tugeva radioaktiivse saastatuse ka suhteliselt nõrga tuumaplahvatuse korral. 510 tonni koobaltit võib nakatada kogu Maa pinna ja hävitada kogu elu planeedil. Füüsik Leo Szilard , kes kirjeldas seda hüpoteetilist disaini 1950. aastal, nimetas seda "Viimsepäeva masinaks".
Mis on lahedam: tuumapomm või termotuumapomm?
"Tsar Bomba" täismahus mudel
Vesinikupomm on palju arenenum ja tehnoloogiliselt arenenum kui aatomipomm. Selle plahvatusvõime ületab tunduvalt aatomi oma ja seda piirab ainult saadaolevate komponentide arv. Termotuumareaktsioonis vabaneb iga nukleoni (nn koostistuumade, prootonite ja neutronite) jaoks palju rohkem energiat kui tuumareaktsioonis. Näiteks uraani tuuma lõhustumisel tekib 0,9 MeV (megaelektronvolti) nukleoni kohta ja heeliumi tuuma ühinemisel vesiniku tuumadest vabaneb 6 MeV energiat.
Nagu pommid toimetamaeesmärgi poole?
Algul langesid need lennukitelt maha, kuid õhutõrjesüsteemid täiustusid pidevalt ja tuumarelvade tarnimine sel viisil osutus ebamõistlikuks. Rakettide tootmise kasvuga anti kõik tuumarelvade tarnimise õigused üle erinevate baaside ballistilistele ja tiibrakettidele. Seetõttu tähendab pomm nüüd mitte pommi, vaid lõhkepead.
Arvatakse, et Põhja-Korea vesinikupomm on liiga suur, et seda raketile paigaldada – seega kui KRDV otsustab ähvarduse ellu viia, viiakse see laevaga plahvatuspaika.
Millised on tuumasõja tagajärjed?
Hiroshima ja Nagasaki on vaid väike osa võimalikust apokalüpsisest. Näiteks on teada "tuumatalve" hüpotees, mille esitasid Ameerika astrofüüsik Carl Sagan ja Nõukogude geofüüsik Georgi Golitsyn. Eeldatakse, et mitme tuumalõhkepea plahvatus (mitte kõrbes või vees, vaid asustatud piirkondades) põhjustab palju tulekahjusid ning atmosfääri valgub suur hulk suitsu ja tahma, mis toob kaasa globaalse jahenemise. Hüpoteesi on kritiseeritud, võrreldes mõju vulkaanilise aktiivsusega, millel on kliimale vähe mõju. Lisaks märgivad mõned teadlased, et globaalne soojenemine on tõenäolisem kui jahtumine – kuigi mõlemad pooled loodavad, et me ei saa kunagi teada.
Kas tuumarelvad on lubatud?
Pärast võidurelvastumist 20. sajandil tulid riigid mõistusele ja otsustasid tuumarelvade kasutamist piirata. ÜRO võttis vastu tuumarelvade leviku tõkestamise ja tuumakatsetuste keelustamise lepingud (viimasele ei ole alla kirjutanud noored tuumariigid India, Pakistan ja KRDV). 2017. aasta juulis võeti vastu uus tuumarelvade keelustamise leping.
"Kumbki osalisriik kohustub mitte mingil juhul arendama, katsetama, tootma, tootma, muul viisil omandama, omama ega varuma tuumarelvi või muid tuumalõhkeseadeldisi," seisab lepingu esimeses artiklis.
Kuid dokument ei jõustu enne, kui 50 riiki on selle ratifitseerinud.