İnsanlık tarihinin en kötü savaşının sona ermesinin üzerinden iki aydan biraz fazla zaman geçti. Ve böylece, 16 Temmuz 1945'te, ilk nükleer bomba ABD ordusu tarafından test edildi ve bir ay sonra, binlerce Japon şehri sakini atom cehenneminde öldü. O zamandan beri nükleer silahlar ve onları hedeflere ulaştırma araçları yarım yüzyıldan fazla bir süredir sürekli olarak geliştirildi.
Ordu, hem şehirleri hem de ülkeleri tek bir darbeyle haritadan silen süper güçlü mühimmatın ve bir evrak çantasına sığabilecek ultra küçük mühimmatın emrinde olmasını istedi. Böyle bir cihaz sabotaj savaşını benzeri görülmemiş bir düzeye getirecektir. Hem birincisinde hem de ikincisinde aşılmaz zorluklar vardı. Bunun nedeni sözde kritik kütledir. Ancak, her şeyden önce.
Böyle patlayıcı bir çekirdek
Nükleer cihazların nasıl çalıştığını anlamak ve kritik kütle denilen şeyi anlamak için biraz masaya dönelim. Okulun fizik dersinden basit bir kuralı hatırlıyoruz: aynı adı taşıyan yükler birbirini iter. Aynı yerde, lisede öğrencilere atom çekirdeğinin nötronlar, nötr parçacıklar ve atomlardan oluşan yapısı anlatılır.pozitif yüklü protonlar. Ama bu nasıl mümkün olabilir? Pozitif yüklü parçacıklar birbirine çok yakın, itici kuvvetler devasa olmalı.
Bilim, protonları bir arada tutan çekirdek içi kuvvetlerin doğasının tam olarak farkında değildir, ancak bu kuvvetlerin özellikleri oldukça iyi araştırılmıştır. Kuvvetler sadece çok yakın mesafede hareket eder. Ancak, itici güçler hakim olmaya başladığından ve çekirdek parçalara ayrıldığından, uzaydaki protonları ayırmak en azından biraz değer. Ve böyle bir genişlemenin gücü gerçekten muazzamdır. Yetişkin bir erkeğin gücünün, kurşun atomun tek bir çekirdeğinin protonlarını tutmaya yetmeyeceği biliniyor.
Rutherford neyden korkuyordu
Periyodik tablonun çoğu elementinin çekirdeği kararlıdır. Ancak atom numarası arttıkça bu kararlılık azalır. Çekirdeklerin boyutuyla ilgili. 92'si proton olan 238 nüklidden oluşan bir uranyum atomunun çekirdeğini hayal edin. Evet, protonlar birbirleriyle yakın temas halindedir ve intranükleer kuvvetler tüm yapıyı güvenli bir şekilde sağlamlaştırır. Ancak çekirdeğin zıt uçlarında bulunan protonların itici gücü fark edilir hale gelir.
Rutherford ne yapıyordu? Atomları nötronlarla bombaladı (bir elektron, bir atomun elektron kabuğundan geçemez ve pozitif yüklü bir proton, itici kuvvetler nedeniyle çekirdeğe yaklaşamaz). Bir atomun çekirdeğine giren bir nötron, fisyonuna neden olur. İki ayrı yarı ve iki veya üç serbest nötron birbirinden ayrıldı.
Uçan parçacıkların muazzam hızından kaynaklanan bu bozunmaya, muazzam bir enerjinin salınması eşlik etti. Rutherford'un, insanlık için olası sonuçlarından korktuğu için keşfini gizlemek bile istediğine dair bir söylenti vardı, ancak bu büyük olasılıkla bir peri masalından başka bir şey değil.
Peki kütlenin bununla ne ilgisi var ve neden kritik
Ne olmuş? Güçlü bir patlama meydana getirmek için bir proton akışıyla yeterince radyoaktif metal nasıl ışınlanabilir? Ve kritik kütle nedir? Her şey "bombalanmış" atom çekirdeğinden uçan birkaç serbest elektronla ilgili, sırayla diğer çekirdeklerle çarpışarak fisyonlarına neden olacaklar. Sözde nükleer zincir reaksiyonu başlayacak. Ancak bunu başlatmak son derece zor olacak.
Ölçeği kontrol edin. Bir atomun çekirdeği olarak masamıza bir elmayı alırsak, o zaman komşu bir atomun çekirdeğini hayal etmek için, aynı elmanın yan odada bile değil, masaya taşınması ve masaya konulması gerekir. sonraki evde. Nötron, kiraz çekirdeği büyüklüğünde olacaktır.
Yayılan nötronların uranyum külçesinin dışında boş yere uçup gitmemesi ve %50'den fazlasının atom çekirdeği şeklinde bir hedef bulması için bu külçenin uygun boyutta olması gerekir. Uranyumun kritik kütlesi olarak adlandırılan şey budur - yayılan nötronların yarısından fazlasının diğer çekirdeklerle çarpıştığı kütle.
Aslında, bir anda olur. Bölünmüş çekirdeklerin sayısı bir çığ gibi büyür, parçaları her yöne doğru hızla koşar.ışık hızı, yırtılan açık hava, su, herhangi bir ortam. Çevresel moleküllerle çarpışmalarından, patlama alanı anında milyonlarca dereceye kadar ısınır ve birkaç kilometrelik bir alandaki her şeyi yakan bir ısı yayar.
Aniden ısınan havanın boyutu anında genişler ve binaları temelden uçuran, önüne çıkan her şeyi deviren ve yok eden güçlü bir şok dalgası yaratır… Bu bir atom patlamasının resmidir.
Pratikte nasıl görünüyor
Atom bombasının cihazı şaşırtıcı derecede basittir. Her biri kritik kütleden biraz daha az olan iki külçe uranyum (veya diğer radyoaktif metal) vardır. Külçelerden biri koni şeklinde yapılır, diğeri koni şeklinde bir deliğe sahip bir toptur. Tahmin edebileceğiniz gibi, iki yarı birleştirildiğinde kritik kütleye ulaşılan bir top elde edilir. Bu standart bir basit nükleer bomba. İki yarı normal TNT yükü kullanılarak bağlanır (koni topa vurulur).
Ama kimsenin böyle bir cihazı "diz üstünde" monte edebileceğini düşünmeyin. İşin püf noktası, bir bombanın patlaması için uranyumun çok saf olması gerektiğidir, safsızlıkların varlığı pratikte sıfırdır.
Neden bir paket sigara büyüklüğünde atom bombası yok
Hepsi aynı nedenle. Uranyum 235'in en yaygın izotopunun kritik kütlesi yaklaşık 45 kg'dır. Bu miktarda nükleer yakıtın patlaması zaten bir felakettir. Ve daha azıyla patlayıcı bir cihaz yapmak içinmadde miktarı imkansız - sadece işe yaramaz.
Aynı nedenle, uranyum veya diğer radyoaktif metallerden süper güçlü atomik yükler yaratmak mümkün değildi. Bombanın çok güçlü olması için, patlayıcılar patlatıldığında, portakal dilimleri gibi birbirine bağlanan bir düzine külçeden yapıldı.
Ama gerçekte ne oldu? Herhangi bir nedenle, iki öğe diğerlerinden saniyenin binde biri kadar önce buluşursa, kritik kütleye diğerlerinin “zamanında varacağından” daha hızlı ulaşılırsa, patlama tasarımcıların beklediği güçte gerçekleşmedi. Süper güçlü nükleer silahlar sorunu ancak termonükleer silahların ortaya çıkmasıyla çözüldü. Ama bu biraz farklı bir hikaye.
Barışçıl bir atom nasıl çalışır
Bir nükleer santral aslında aynı nükleer bombadır. Sadece bu "bomba", birbirinden biraz uzakta bulunan uranyumdan yapılmış yakıt elemanlarına (yakıt elemanları) sahiptir, bu da onların nötron "saldırısını" değiştirmelerini engellemez.
Yakıt elemanları, aralarında nötronları iyi emen bir malzemeden yapılmış kontrol çubuklarının bulunduğu çubuklar şeklinde yapılır. Çalışma prensibi basittir:
- Düzenleyici (emici) çubuklar uranyum çubukları arasındaki boşluğa yerleştirilir - reaksiyon yavaşlar veya tamamen durur;
- kontrol çubukları bölgeden çıkarılır - radyoaktif elementler aktif olarak nötron değiştirir, nükleer reaksiyon daha yoğun bir şekilde ilerler.
Gerçekten de aynı atom bombası çıkıyor,kritik kütleye o kadar yumuşak bir şekilde ulaşılır ve o kadar net bir şekilde düzenlenir ki, patlamaya değil, sadece soğutma sıvısının ısınmasına yol açar.
Ne yazık ki, uygulamanın gösterdiği gibi, insan dehası her zaman bu devasa ve yıkıcı enerjiyi - atom çekirdeğinin bozunma enerjisini - dizginleyemez.
