Зелені зірки - на плечах атома (епізод 2) - Румунія Військова
Сьогодні ми продовжуємо короткий набіг у світ атома, після того як у першій частині ми говорили про ядро та випромінювання, що виникають в результаті розкладання атомів.
Радіоактивне розкладання, про яке ми вже говорили дотепер, є природним, статистичним явищем, завдяки якому певні атоми намагаються на невизначений час досягти стабільної конфігурації. Однак застосовність цього явища не є тим, що ми насправді називаємо "ядерною енергією". Виробляється енергія, як правило, низька, і явище не піддається контролю (з часом, коли елементи рухаються по ланцюгу розкладання, для виробництва енергії залишається все менше і менше атомів). Ми не можемо змінювати потужність. Тут ми маємо використовувати ділення ядер і диференціювати його від природного розкладання.
Ділення ядер
Що ж, щоб зрозуміти, що таке ділення, повернімось до нашої аналогії з супом. У нас є атом, який залишився мало і загоряється, тому велика каструля, яка час від часу загоряється. Що станеться, якщо ми візьмемо інгредієнт і кинемо його в каструлю? Ну, ми наповнюємо його більше, а даємо ще більше зовні. Якщо ми кинемо його ще сильніше, частина супу стрибне від удару назовні. І якщо ми кинемо його досить сильно, каструля розтріснеться на кілька частин.
Це принцип ділення ядер. Беремо ділиться атом і вражаємо його нейтроном. Атом або інкапсулює нейтрон, і вступає в нестабільну конфігурацію, розщеплюючись, або закриває його і перетворюється на інший елемент (явище, яке називається "ядерна трансмутація").
Тут ми маємо розмежовувати ділиться елемент та ділиться елемент. Розщеплюється елемент розщеплюється, поглинаючи нейтрон, незалежно від енергії нейтрона (наскільки швидко він рухається). Елемент, що ділиться, не буде ділитися, якщо нейтрон рухається занадто повільно (повільні нейтрони також називають тепловими), але він може його поглинати, стаючи таким чином, що ділиться (не весь час, але ми ігноруватимемо особливі випадки).
Візьмемо практичний випадок урану. Природний уран складається на 99 відсотків U-238 і менше 0,7 відсотка U-235. Решта - це залишилися ізотопи (U-234, U-236 тощо).
U-235 можна бомбардувати повільним нейтроном, і він перетвориться на U-236, який вкрай нестійкий (півсекунди) і розпадеться на два атоми (відносно швидко) і три нейтрони. Ці три нейтрони, у свою чергу, можуть бути уповільнені (термін, що використовується, - "помірний", але ми поговоримо про це негайно) і поглинатися іншими атомами U-235. Результатом є каскад розпаду, при якому уран «спалюється» і утворює дуже швидкі (гарячі) атоми, плюс нейтрони, що викликають інші розщеплення. Це ядерна реакція.
U-238, навпаки, не може поглинати повільні нейтрони, але може бути «зламаний», якщо нейтрон дуже швидкий. Результатом є інші швидкі нейтрони, плюс новостворені елементи в колишньому ядрі, тому воно ділиться, але не ділиться.
Він також може поглинати нейтрон і перетворюватися на плутоній 239. Pu-239 має подібні характеристики з U-235, тобто він є розщеплюється (насправді, як ми побачимо, він легше розщеплюється) і руйнується, коли все ще поглинає нейтрон. повільно, виробляючи нові елементи (так звані "продукти поділу") і два нейтрони, які можуть продовжувати реакцію. Отже, ми можемо виробляти розщеплюючі елементи з подільних елементів.
Тепер нам слід поговорити про помірність. По суті, деякі ядра частіше вражаються нейтроном, ніж інші. Але ця схильність не підтримується при будь-якій швидкості нейтронів. Тут ми будемо розрізняти теплові нейтрони та швидкі нейтрони.
Теплові нейтрони називають тепловими, оскільки їх швидкість руху подібна до швидкості вібрації атомів у структурі. Отже, мова йде про швидкості порядку декількох тисяч кілометрів на годину.
Швидкі нейтрони мають набагато більшу швидкість (близько десятих часток швидкості світла). Вони надзвичайно важко поглинаються більшістю ядер. Іншими словами, "поперечний переріз" ядра змінюється в залежності від швидкості руху нейтрона. Цей поперечний переріз вимірюється в "сарай", що означає "сарай" англійською мовою (англійський вираз "широка сторона сараю").
На високих швидкостях поперечний переріз дещо змінюється від серцевини до серцевини (20 сараїв для Pu-239 проти 30 сараїв для U-235), але на низьких швидкостях він надзвичайно високий для розщеплюючих елементів і незначно малий для решти.
Енергія нейтронів проти розрізу
Отже, для того, щоб виробляти енергію, ми хотіли б збільшити шанс того, що елемент включить нейтрон і розщепиться. Як такі, ми використовуємо розщеплюючі елементи, і найбільш використовуваними є U-235 та Pu-239. Є й інші, але всі елементи, важчі за уран (плутоній, каліфорній, ейнштейній, нептуміум та ін.), Виробляються шляхом бомбардування урану нейтронами (про трансмутацію, про яку ми говорили раніше). Як такі їх називають «штучними елементами». Вони існували в минулому та в рудах, але завдяки своєму короткому періоду напіврозпаду вони розпалися на 4 мільярди років на планеті.
Гаразд, отже, діляться елементи - це лише певні ізотопи. Як вони використовуються? В принципі, якщо ви зберете купу U-235 разом, деякі з цих атомів будуть розкладатися природним шляхом, виробляючи нейтрони. Ці нейтрони будуть поглинуті оточуючими атомами урану, що призведе до їх розщеплення. Отже, чим більше атомів в одному місці і чим щільніше вони упаковані разом, тим більший шанс, що ця реакція буде продовжуватися ланцюгом.
Щоб збільшити шанси реакції, нейтрони можна пом'якшити, тобто сповільнити. Вони втрачають свою енергію, стикаючись з ядрами легких речовин. Іноді вони можуть поглинатися цими речовинами, викликаючи трансмутацію (що відбувається, наприклад, з літієм, який таким чином стає гелієм), інколи вони можуть рикошетувати з цих ядер. Оскільки відскок змушує нейтрон віддавати частину енергії, він сповільнюється. Послідовні стрибки призводять до того, що швидкість нейтронів падає з тисяч кілометрів на секунду (як це відбувається при формуванні) до десятків кілометрів на секунду (теплова швидкість).
Ці легкі речовини, які мають тенденцію відбивати нейтрони, називаються «сповільнювачами». Найчастіше вживаною речовиною є вода, оскільки вона дешева, її легко отримати та очистити (ви не хочете мати мінералів чи домішок, які можуть поглинати нейтрони, що зазнають трансмутації), і містить два атоми водню. Теоретично ми могли використовувати лише водень, але в газоподібному стані він дуже мало щільний, тому ефект помірності низький (оскільки ймовірність потрапляння нейтрона на один з атомів низька).
Таким чином, ми можемо класифікувати елементи відповідно до їх впливу на ці нейтрони:
- легкі елементи, що зменшують енергію нейтронів через непружні зіткнення, називаються модераторами. Наприклад водень і все, що містить велику кількість водню.
- важкі елементи, де зіткнення мають досить нееластичний вигляд (нейтрон відскакує, не втрачаючи багато енергії), називаються "відбивачами нейтронів". Вони також хороші як форма екранування. Свинець - основний приклад.
- деляться елементи, що утворюють нейтрони при попаданні, називаються "ядерним паливом". Прикладами можуть бути U-235, Pu-239, Am-242m, U-233 тощо.
- діляться елементи, які руйнуються, коли нейтрони швидкі (низький шанс, оскільки невеликий перетин) і які, поглинаючи повільний нейтрон, можуть розщеплюватися (або можуть стати менш ділимими, залежно від шансу). Прикладами можуть бути U-238, Th-232 тощо.
- елементи, які поглинають нейтрон і стають чимось іншим, називаються "нейтронними отрутами". Поглинаючи нейтрони, вони значно зменшують шанси на продовження реакції, по суті пригнічуючи її. Прикладами можуть бути Li-6, C-12 тощо. Більшість предметів потрапляють до цієї категорії.
Останнє, що нам потрібно обговорити, - це концепція критичної маси. Як описано вище, чим більше U-235 ви збираєте (насправді може ділитися будь-який ділиться елемент), тим сильніша реакція і вища температура. Теоретично це може тривати до тих пір, поки не буде витрачено більшу частину урану, або поки продукти поділу (які, як ми вже згадували вище, є переважно нейтронними отрутами) не пригнічують реакцію. Якщо вам вдається зібрати достатньо урану в місці досить швидко, реакція стає самодостатньою та вибуховою.
Критичне значення залежить не тільки від самої таблиці, але й від форми, яку приймає стіл. Якщо фігурою є натягнута нитка або лист, вона стає надзвичайно великою. Якщо фігура сферична, вона зведена до мінімуму. У наступній таблиці наведено значення критичної маси та діаметр, який повинен мати куля цієї маси:
| Уран-233 | 159.200 | 15 | 11 |
| Уран-235 | 703,8 млн | 52 | 17 |
| Нептуній-236 | 154000 | 7 | 8.7 |
| Нептуній-237 | 2,144 млн | 60 | 18 |
| плутоній-238 | 87,7 | 9.04-10.07 | 9,5-9,9 |
| плутоній-239 | 24.110 | 10 | 9.9 |
| плутоній-240 | 6561 | 40 | 15 |
| плутоній-241 | 14.3 | 12 | 10.5 |
| плутоній-242 | 375 000 | 75-100 | 19-21 |
| америцій-241 | 432,2 | 55-77 | 20-23 |
| америцій-242 | 141 | 9-14 | 11-13 |
| америцій-243 | 7370 | 180-280 | 30-35 |
| курій-243 | 29.1 | 7.34-10 | 10-11 |
| курій-244 | 18.1 | 13,5-30 | 12.4-16 |
| курій-245 | 8500 | 9.41-12.3 | 11-12 |
| курій-246 | 4760 | 39-70,1 | 18-21 |
| курій-247 | 15,6 млн | 6,94-7,06 | 9.9 |
| беркелій-247 | 1380 | 75,7 | 11,8-12,2 |
| беркелій-249 | 0,9 | 192 | 16.1-16.6 |
| каліфорній-249 | 351 | 6 | 9 |
| каліфорній-251 | 900 | 5.46 | 8.5 |
| каліфорній-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 |
| ейнштейніум-254 | 0755 | 9,89 | 7.1 |
Ці значення також встановлюють мінімальні маси атомної зброї (неконтрольований розподіл ядер). Проблема полягає в тому, що багато елементів, з яких можна отримати хороше ядерне паливо, є штучними елементами, які потрібно створювати в прискорювачах або реакторах. Процес дорогий, а отже, основним елементом, який використовується, є плутоній для ядерної зброї (виробляється на спеціалізованих установках, які є модифікованими реакторами) і уран для реакторів.
Атомна зброя працює за принципом зближення критичної маси подільного елемента. Оскільки нейтрони надзвичайно швидкі, реакція має тенденцію відокремлювати масу палива (іншими словами, якщо повільно покласти фунт на фунт U-235 разом, в якийсь момент, коли у вас майже буде критична маса, температура буде такою великі, так що вже зібраний уран випаровується і виганяється з великою силою, перш ніж переважна більшість атомів почне розщеплюватися; явище називається "фіззалом", що означає "фасціальний" замість вибуху). Для цього атомні бомби використовують дві конструкції:
- конструкція гарматного типу, в якій уранова арматура прискорюється до уранової цільової маси. Коли дві таблиці об’єднані, вони негайно стають критичними та вибухають. Це механізм перших примітивних бомб, таких як апарати Хіросіми та Нагасакі. Її найпростіше побудувати, але отримана зброя велика (містить практичний гарматний ствол), важка, вимагає елемента високої чистоти (U-235 зі ступенем збагачення 99 відсотків; надзвичайно дорога у виготовленні) і не він може використовувати елементи з меншою критичною масою (плутоній утворює тріщини, оскільки він занадто реактивний і не дозволяє арматурі наблизитися до цілі, але випаровує і викидає матеріал). Від цього виду зброї майже повністю відмовились після 1950-х років.
- конструкція імплозивного типу, при якій куля, що ділиться матеріал, стискається концентричним шаром звичайної вибухової речовини. Не чудово тут говорити, що це призводить до отримання зброї набагато менших розмірів, ефективнішої та здатної використовувати трансуранові елементи як розщеплюється матеріал. Сьогодні я використовую плутоній.
Ядерна зброя
Слід також додати, що більшість сучасних ядерних озброєнь є пристроями "з посиленим поділом", тобто частково засновані на термоядерних реакціях (синтез замість поділу), але цей аспект нас не цікавить у цих статтях. Сучасна ядерна зброя має мінімалістичну конструкцію, мало розщеплюється матеріалу і має вибухонебезпеку в сотні кілотон (досить велика, щоб охоплювати великі площі, але досить мала, щоб не випромінювати більшу частину своєї енергії в атмосферу і вміщатися зверху). ракети). Вони є кульмінацією дослідницьких зусиль, які коштують цілих ВВП, зроблених у 50-60-х-70-х і 80-х роках, і є зрілою технологією. Астронуклеарні космічні програми також були пов'язані з цими військовими зусиллями, оскільки вони могли б отримати вигоду від фінансування досліджень (насправді, багато дослідників, які працювали над ними, також працювали над зброєю, як ми побачимо).
Якщо ядерний вибух базується на швидкій, швидкій і неконтрольованій реакції на критичну масу розщеплюваного матеріалу, реактор використовує поступове виділення енергії.
По суті, в реакторі завжди є критична маса урану, але це має форму стрижнів. Ці стрижні обмінюються нейтронами між собою, вистрілюючись через інтервали води. Зазвичай вода є сповільнювачем (уповільнює нейтрони), а також охолоджуючою рідиною (нагріває та приводить в дію турбіни). У деяких випадках графітові блоки використовуються як сповільнювачі (вуглець також є легким елементом), а вода лише як охолодження (загалом такі системи вважаються, однак, застарілими, оскільки блоки нерухомі, а отже, не ви можете змінювати ефект помірності лише за допомогою стрижнів; це відомий приклад Чорнобильської електростанції).
Потужність реакції змінюється операторами, вставляючи або виймаючи ці стрижні. Коли ви виймаєте паливо, ви послаблюєте реакцію, коли вводите його, прискорюєте, залежно від того, скільки енергії ви хочете. Ви також можете змінювати його, збільшуючи або переміщуючи помірність (низька помірність = низьке поглинання = низьке ділення) за допомогою так званих контрольних стрижнів (зазвичай містять вуглець або бор).
Про реактори слід пам’ятати ще багато речей, але вони не пов’язані з цим документом. Кількість проектів величезна, а умови експлуатації - це самостійне поле, яке потребує власної серії робіт.
- розщеплюються матеріали виділяють свою енергію за допомогою штучно індукованого атомного розщеплення
- деякі розщеплюються матеріали можна отримати з розщеплюваних, але нерозщеплюваних матеріалів
- атомна зброя базується на масивній неконтрольованій ядерній реакції шляхом швидкого накопичення матеріалу при масі або критичній щільності. Швидкість має значення.
- Ядерні реактори засновані на контрольованій, поступовій ядерній реакції, яка виробляє енергію з часом, через баланс між виділяється теплом і рівнем реакції. Занадто багато тепла, і реактор плавиться, занадто мало і неефективно. КОНТРОЛЬ підраховує.
Таким чином, ми можемо закінчити вступні поняття про ядерну інженерію. Але перш ніж говорити про фактичні астроядерні конструкції, нам слід поговорити про ракети як орбітальні апарати. Що вони, як вони і чому ми не летимо через космос, як Дак Доджерс? Ми побачимо в наступному епізоді.
Маріан Думітріу (мат)