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Comment fonctionnent les armes nucléaires ? Comment fonctionne une bombe atomique ?

01.10.2019

L'histoire de la création de la bombe atomique, et notamment des armes, commence en 1939, avec la découverte faite par Joliot Curie. C'est à partir de ce moment que les scientifiques ont compris que la réaction en chaîne de l'uranium pouvait devenir non seulement une source d'énergie énorme, mais aussi une arme terrible. Ainsi, la conception d’une bombe atomique repose sur l’utilisation de l’énergie nucléaire, qui est libérée lors d’une réaction nucléaire en chaîne.

Ce dernier implique le processus de fission de noyaux lourds ou de fusion de noyaux légers. Résultant en, bombe atomique est une arme de destruction massive, car elle est libérée dans les plus brefs délais quantité énormeénergie intranucléaire dans un petit espace. En entrant dans ce processus, il est d’usage de souligner deux endroits clés.

Tout d'abord, c'est le centre explosion nucléaire, où ce processus se déroule directement. Et deuxièmement, il s’agit de l’épicentre, qui représente intrinsèquement la projection du processus lui-même sur la surface (terre ou eau). De plus, une explosion nucléaire libère une telle quantité d’énergie que lorsqu’elle est projetée sur la terre, des secousses sismiques apparaissent. Et la portée de propagation de ces vibrations est incroyablement large, même si elles ne causent des dommages importants à l'environnement qu'à une distance de quelques centaines de mètres seulement.

En outre, il convient de noter qu'une explosion nucléaire s'accompagne du rejet grande quantité chaleur et lumière, ce qui crée un flash lumineux. De plus, sa puissance dépasse plusieurs fois la puissance des rayons du soleil. Ainsi, les dommages causés par la lumière et la chaleur peuvent survenir même à plusieurs kilomètres de distance.

Mais un type de dommage très dangereux causé par une bombe atomique est le rayonnement produit lors d’une explosion nucléaire. La durée d'exposition à ce phénomène est courte, en moyenne 60 secondes, mais la capacité de pénétration de cette onde est étonnante.

Quant à la structure de la bombe atomique, elle comprend toute une série divers composants. En règle générale, il y a deux éléments principaux de ce genre armes : carrosserie et système d'automatisation.

Le boîtier contient une charge nucléaire et un automatisme, et c'est lui qui remplit une fonction de protection vis-à-vis de divers types d'influences (mécaniques, thermiques, etc.). Et le rôle du système d'automatisation est de garantir que l'explosion se produit à un moment clairement défini, et non plus tôt ou plus tard. Le système d'automatisation comprend des systèmes tels que : une détonation d'urgence ; protection et armement ; alimentation électrique; Capteurs de détonation et de détonation de charge.

Mais les bombes atomiques sont lancées à l’aide de missiles balistiques, de croisière et anti-aériens. Ceux. les armes nucléaires peuvent être un élément d'une bombe aérienne, d'une torpille, d'une mine terrestre, etc.

Et même les systèmes de détonation d’une bombe atomique peuvent être différents. L'un des systèmes les plus simples est le système d'injection, lorsque l'impulsion d'une explosion nucléaire se produit lorsqu'un projectile atteint une cible, suivi de la formation d'une masse supercritique. C’est ce type de bombe atomique qui a explosé pour la première fois au-dessus d’Hiroshima en 1945, contenant de l’uranium. En revanche, la bombe larguée sur Nagasaki la même année était du plutonium.

Après une démonstration aussi frappante de la puissance et de la force des armes atomiques, elle tomba instantanément dans la catégorie des plus moyens dangereux destruction massive. Parlant des types d’armes atomiques, il convient de mentionner qu’elles sont déterminées par la taille du calibre. Ainsi, il existe actuellement trois calibres principaux pour cette arme : petit, grand et moyen. La puissance de l'explosion est le plus souvent caractérisée par son équivalent TNT. Par exemple, une arme atomique de petit calibre implique une puissance de charge égale à plusieurs milliers de tonnes de TNT. Et les armes atomiques plus puissantes, plus précisément de moyen calibre, représentent déjà des dizaines de milliers de tonnes de TNT, et, enfin, cette dernière se mesure déjà en millions. Mais en même temps, il ne faut pas confondre les concepts d'armes atomiques et d'armes à hydrogène, qui sont généralement appelées armes nucléaires. La principale différence entre les armes atomiques et les armes à hydrogène réside dans la réaction de fission des noyaux d'un certain nombre d'éléments lourds, tels que le plutonium et l'uranium. Et les armes à hydrogène impliquent le processus de synthèse des noyaux d'atomes d'un élément en un autre, c'est-à-dire l'hélium à partir de l'hydrogène.

Premier essai de bombe atomique

Le premier essai d'une arme atomique a été réalisé par l'armée américaine le 16 juillet 1945 dans un lieu appelé Almogordo, démontrant toute la puissance de l'énergie atomique. Après quoi, les bombes atomiques dont disposaient les forces américaines ont été chargées sur un navire de guerre et envoyées sur les côtes du Japon. Le refus du gouvernement japonais d'engager un dialogue pacifique a permis de démontrer par l'action toute la puissance de l'arme atomique, dont les victimes furent d'abord la ville d'Hiroshima, puis un peu plus tard Nagasaki. Ainsi, le 6 août 1945, les armes atomiques furent utilisées pour la première fois sur civils, à la suite de quoi la ville a été pratiquement anéantie par les ondes de choc. Plus de la moitié des habitants de la ville sont morts au cours des premiers jours de l'attaque atomique, et au total il y avait environ deux cent quarante mille personnes. Et à peine quatre jours plus tard, deux avions transportant des marchandises dangereuses ont immédiatement quitté la base militaire américaine, dont les cibles étaient Kokura et Nagasaki. Et si Kokura, englouti dans une fumée impénétrable, était une cible difficile, alors à Nagasaki, la cible a été touchée. En fin de compte, la bombe atomique à Nagasaki a tué dans les premiers jours 73 000 personnes à cause des blessures et des radiations ; à ces victimes s'est ajoutée une liste de 35 000 personnes. De plus, la mort des dernières victimes a été assez douloureuse, car les effets des radiations sont incroyablement destructeurs.

Facteurs de destruction des armes atomiques

Ainsi, les armes atomiques ont plusieurs types de destruction ; lumière, radioactivité, onde de choc, rayonnement pénétrant et impulsion électromagnétique. Lorsqu'un rayonnement lumineux est généré après l'explosion d'une arme nucléaire, qui se transforme ensuite en chaleur destructrice. Vient ensuite le tour de la contamination radioactive, qui n'est dangereuse que pendant les premières heures qui suivent l'explosion. L'onde de choc est considérée comme l'étape la plus dangereuse d'une explosion nucléaire, car en quelques secondes elle cause d'énormes dégâts à divers bâtiments, équipements et personnes. Mais les rayonnements pénétrants sont très dangereux pour le corps humain et provoquent souvent le mal des rayons. Une impulsion électromagnétique frappe un équipement. Ensemble, tout cela rend les armes atomiques très dangereuses.

Après la fin de la Seconde Guerre mondiale, les pays de la coalition anti-hitlérienne ont rapidement tenté de prendre de l'avance les uns sur les autres dans le développement d'une bombe nucléaire plus puissante.

Le premier test, réalisé par les Américains sur des objets réels au Japon, a poussé à l'extrême la situation entre l'URSS et les États-Unis. De puissantes explosions qui ont tonné dans les villes japonaises et y ont pratiquement détruit toute vie ont forcé Staline à abandonner de nombreuses revendications sur la scène mondiale. La plupart des physiciens soviétiques ont été « lancés » de toute urgence dans le développement d’armes nucléaires.

Quand et comment sont apparues les armes nucléaires ?

L’année 1896 peut être considérée comme l’année de naissance de la bombe atomique. C'est alors que le chimiste français A. Becquerel découvre que l'uranium est radioactif. La réaction en chaîne de l'uranium crée une énergie puissante qui sert de base à une terrible explosion. Il est peu probable que Becquerel ait imaginé que sa découverte conduirait à la création d'armes nucléaires - la même arme terrible dans le monde entier.

La fin du XIXe et le début du XXe siècle marquent un tournant dans l’histoire de l’invention des armes nucléaires. C’est à cette époque que les scientifiques du monde entier ont pu découvrir les lois, rayons et éléments suivants :

Rayons alpha, gamma et bêta ;
De nombreux isotopes d'éléments chimiques dotés de propriétés radioactives ont été découverts ;
La loi de la désintégration radioactive a été découverte, qui détermine la dépendance temporelle et quantitative de l'intensité de la désintégration radioactive, en fonction du nombre d'atomes radioactifs dans l'échantillon d'essai ;
L'isométrie nucléaire était née.

Dans les années 1930, ils ont réussi pour la première fois à diviser le noyau atomique de l’uranium en absorbant des neutrons. Au même moment, des positrons et des neurones étaient découverts. Tout cela a donné une impulsion puissante au développement d’armes utilisant l’énergie atomique. En 1939, le premier modèle de bombe atomique au monde fut breveté. Cela a été réalisé par un physicien français, Frédéric Joliot-Curie.

Grâce à de nouvelles recherches et développements dans ce domaine, la bombe nucléaire est née. La puissance et la portée de destruction des bombes atomiques modernes sont si grandes qu'un pays doté d'un potentiel nucléaire n'a pratiquement pas besoin d'une armée puissante, puisqu'une bombe atomique peut détruire un État entier.

Comment fonctionne une bombe atomique ?

Une bombe atomique est constituée de nombreux éléments dont les principaux sont :

Corps de bombe atomique ;
Système d'automatisation qui contrôle le processus d'explosion ;
Charge nucléaire ou ogive nucléaire.

Le système d’automatisation est situé dans le corps de la bombe atomique, avec la charge nucléaire. La conception du boîtier doit être suffisamment fiable pour protéger l'ogive contre divers facteurs externes et les impacts. Par exemple, diverses influences mécaniques, thermiques ou similaires, qui peuvent conduire à une explosion imprévue d'une puissance énorme qui peut tout détruire autour.

La tâche de l'automatisation est un contrôle complet de l'explosion se produisant dans bon moment, le système se compose donc des éléments suivants :

Un dispositif responsable de la détonation d'urgence ;
Alimentation du système d'automatisation ;
Système de capteur de détonation ;
Dispositif d'armement ;
Dispositif de sécurité.

Lors des premiers tests, des bombes nucléaires ont été larguées sur des avions qui ont réussi à quitter la zone touchée. Les bombes atomiques modernes sont si puissantes qu’elles ne peuvent être lancées qu’à l’aide de missiles de croisière, balistiques ou au moins anti-aériens.

Les bombes atomiques utilisent divers systèmes de détonation. Le plus simple d'entre eux est un dispositif conventionnel qui se déclenche lorsqu'un projectile atteint une cible.

L’une des principales caractéristiques des bombes et missiles nucléaires est leur division en calibres, qui sont de trois types :

Petite, la puissance des bombes atomiques de ce calibre équivaut à plusieurs milliers de tonnes de TNT ;
Moyenne (puissance d'explosion – plusieurs dizaines de milliers de tonnes de TNT) ;
Grand, dont la puissance de charge se mesure en millions de tonnes de TNT.

Il est intéressant de noter que le plus souvent, la puissance de toutes les bombes nucléaires est mesurée précisément en équivalent TNT, car les armes atomiques n'ont pas leur propre échelle pour mesurer la puissance de l'explosion.

Algorithmes pour le fonctionnement des bombes nucléaires

Toute bombe atomique fonctionne sur le principe de l'utilisation de l'énergie nucléaire, qui est libérée lors d'une réaction nucléaire. Ce procédé repose soit sur la division de noyaux lourds, soit sur la synthèse de noyaux légers. Puisque lors de cette réaction, une énorme quantité d'énergie est libérée, et en temps le plus court, le rayon de destruction d'une bombe nucléaire est très impressionnant. Grâce à cette fonctionnalité armes nucléaires classées comme armes de destruction massive.

Lors du processus déclenché par l’explosion d’une bombe atomique, il y a deux points principaux :

C'est le centre immédiat de l'explosion, où se déroule la réaction nucléaire ;
L'épicentre de l'explosion, situé à l'endroit où la bombe a explosé.

L'énergie nucléaire libérée lors de l'explosion d'une bombe atomique est si forte que des secousses sismiques commencent sur la terre. Dans le même temps, ces secousses ne provoquent une destruction directe qu'à une distance de plusieurs centaines de mètres (même si si l'on prend en compte la force de l'explosion de la bombe elle-même, ces secousses n'affectent plus rien).

Facteurs de dommages lors d'une explosion nucléaire

L’explosion d’une bombe nucléaire ne provoque pas seulement de terribles destructions instantanées. Les conséquences de cette explosion seront ressenties non seulement par les personnes coincées dans la zone touchée, mais aussi par leurs enfants nés après l'explosion atomique. Les types de destruction par les armes atomiques sont répartis dans les groupes suivants :

Rayonnement lumineux qui se produit directement lors d'une explosion ;
L'onde de choc propagée par la bombe immédiatement après l'explosion ;
Impulsion électromagnétique ;
Rayonnement pénétrant ;
Une contamination radioactive qui peut durer des décennies.

Bien qu’à première vue, un éclair lumineux semble être le moins menaçant, il est en réalité le résultat de la libération d’énormes quantités de chaleur et d’énergie lumineuse. Sa puissance et sa force dépassent de loin la puissance des rayons du soleil, de sorte que les dommages causés par la lumière et la chaleur peuvent être mortels à plusieurs kilomètres de distance.

Les radiations émises lors d’une explosion sont également très dangereuses. Bien qu’il n’agisse pas longtemps, il parvient à infecter tout ce qui l’entoure, car son pouvoir de pénétration est incroyablement élevé.

L'onde de choc lors d'une explosion atomique agit de la même manière que la même onde lors d'explosions conventionnelles, seuls sa puissance et son rayon de destruction sont bien plus grands. En quelques secondes, elle provoque des dommages irréparables non seulement aux personnes, mais également aux équipements, aux bâtiments et à l’environnement.

Les rayonnements pénétrants provoquent le développement du mal des rayons et l'impulsion électromagnétique ne présente un danger que pour l'équipement. La combinaison de tous ces facteurs, ajoutée à la puissance de l’explosion, fait de la bombe atomique l’arme la plus dangereuse au monde.

Les premiers essais d'armes nucléaires au monde

Le premier pays à développer et tester des armes nucléaires fut les États-Unis d’Amérique. C'est le gouvernement américain qui a alloué d'énormes subventions financières au développement de nouvelles armes prometteuses. À la fin de 1941, de nombreux scientifiques éminents dans le domaine du développement atomique furent invités aux États-Unis et, en 1945, ils furent en mesure de présenter un prototype de bombe atomique pouvant être testé.

Les premiers essais au monde d'une bombe atomique équipée d'un engin explosif ont été effectués dans le désert de l'État du Nouveau-Mexique. La bombe, appelée « Gadget », a explosé le 16 juillet 1945. Le résultat du test s'est avéré positif, même si l'armée a exigé que la bombe nucléaire soit testée dans des conditions de combat réelles.

Voyant qu'il ne restait qu'un pas avant la victoire dans la coalition nazie et qu'une telle opportunité ne se présenterait peut-être plus, le Pentagone a décidé de lancer une frappe nucléaire sur le dernier allié. L'Allemagne hitlérienne- Le Japon. De plus, l'utilisation d'une bombe nucléaire était censée résoudre plusieurs problèmes à la fois :

Pour éviter l’effusion de sang inutile qui se produirait inévitablement si les troupes américaines mettaient le pied sur le sol impérial japonais ;
D’un seul coup, mettre à genoux les Japonais inflexibles, les forçant à accepter des conditions favorables aux États-Unis ;
Montrer à l’URSS (en tant que rival possible dans le futur) que l’armée américaine dispose d’une arme unique capable d’anéantir n’importe quelle ville de la surface de la terre ;
Et bien sûr, voir en pratique de quoi les armes nucléaires sont capables dans des conditions de combat réelles.

Le 6 août 1945, la première bombe atomique au monde, utilisée dans des opérations militaires, est larguée sur la ville japonaise d'Hiroshima. Cette bombe s'appelait "Baby" car elle pesait 4 tonnes. Le largage de la bombe a été soigneusement planifié et elle a touché exactement là où elle était prévue. Les maisons qui n'ont pas été détruites par l'onde de choc ont brûlé, tandis que les poêles tombés dans les maisons ont déclenché des incendies, et la ville entière a été engloutie par les flammes.

L'éclair lumineux a été suivi d'une vague de chaleur qui a brûlé toute vie dans un rayon de 4 kilomètres, et l'onde de choc qui a suivi a détruit la plupart des bâtiments.

Ceux qui ont subi un coup de chaleur dans un rayon de 800 mètres ont été brûlés vifs. L’onde de choc a arraché la peau brûlée de nombreuses personnes. Quelques minutes plus tard, une étrange pluie noire commença à tomber, composée de vapeur et de cendres. Ceux qui étaient pris sous la pluie noire souffraient de brûlures incurables à la peau.

Les rares personnes qui ont eu la chance de survivre souffraient du mal des radiations, qui à cette époque était non seulement peu étudié, mais aussi complètement inconnu. Les gens ont commencé à développer de la fièvre, des vomissements, des nausées et des crises de faiblesse.

Le 9 août 1945, la deuxième bombe américaine, baptisée « Fat Man », est larguée sur la ville de Nagasaki. Cette bombe avait à peu près la même puissance que la première et les conséquences de son explosion étaient tout aussi destructrices, bien que deux fois moins de personnes soient mortes.

Les deux bombes atomiques larguées sur des villes japonaises ont été les premiers et les seuls cas au monde d’utilisation d’armes atomiques. Plus de 300 000 personnes sont mortes dans les premiers jours qui ont suivi le bombardement. Environ 150 000 autres sont morts du mal des radiations.

Après le bombardement nucléaire des villes japonaises, Staline reçut un véritable choc. Il lui est apparu clairement que la question du développement d'armes nucléaires en Russie soviétique- C'est une question de sécurité pour tout le pays. Déjà le 20 août 1945, une commission spéciale sur les questions d'énergie atomique commença à fonctionner, créée d'urgence par I. Staline.

Bien que les recherches en physique nucléaire aient été menées par un groupe de passionnés dans la Russie tsariste, en ère soviétique on ne lui a pas accordé suffisamment d'attention. En 1938, toutes les recherches dans ce domaine furent complètement arrêtées et de nombreux scientifiques nucléaires furent réprimés comme ennemis du peuple. Après les explosions nucléaires au Japon, le gouvernement soviétique a brusquement commencé à restaurer l'industrie nucléaire dans le pays.

Il existe des preuves que le développement des armes nucléaires a été réalisé dans l'Allemagne nazie et que ce sont des scientifiques allemands qui ont modifié la bombe atomique américaine « brute », de sorte que le gouvernement américain a retiré d'Allemagne tous les spécialistes nucléaires et tous les documents liés au développement de l'arme nucléaire. armes.

L'école de renseignement soviétique, qui pendant la guerre a pu contourner tous les services de renseignement étrangers, a transféré à l'URSS des documents secrets liés au développement d'armes nucléaires en 1943. Dans le même temps, des agents soviétiques étaient infiltrés dans tous les grands centres de recherche nucléaire américains.

Grâce à toutes ces mesures, déjà en 1946, les spécifications techniques pour la production de deux bombes nucléaires de fabrication soviétique étaient prêtes :

RDS-1 (avec charge de plutonium) ;
RDS-2 (avec deux parties de charge d'uranium).

L’abréviation « RDS » signifiait « La Russie le fait elle-même », ce qui était presque entièrement vrai.

La nouvelle selon laquelle l’URSS était prête à retirer ses armes nucléaires a contraint le gouvernement américain à prendre des mesures drastiques. En 1949, le plan Trojan a été élaboré, selon lequel 70 les plus grandes villes L'URSS envisageait de larguer des bombes atomiques. Seules les craintes de représailles ont empêché la réalisation de ce plan.

Ces informations alarmantes provenant des services de renseignement soviétiques ont contraint les scientifiques à travailler en mode d'urgence. Déjà en août 1949, des essais de la première bombe atomique produite en URSS eurent lieu. Lorsque les États-Unis eurent connaissance de ces tests, le projet cheval de Troie fut reporté sine die. L'ère de la confrontation entre deux superpuissances a commencé, connue dans l'histoire sous le nom de guerre froide.

La bombe nucléaire la plus puissante du monde, connue sous le nom de « Tsar Bomba », appartient spécifiquement à la période de la guerre froide. Les scientifiques de l'URSS ont créé la bombe la plus puissante de l'histoire de l'humanité. Sa puissance était de 60 mégatonnes, bien qu'il soit prévu de créer une bombe d'une puissance de 100 kilotonnes. Cette bombe a été testée en octobre 1961. Le diamètre de la boule de feu lors de l'explosion était de 10 kilomètres et l'onde de choc a fait trois fois le tour du globe. C’est cet essai qui a contraint la plupart des pays du monde à signer un accord pour arrêter les essais nucléaires non seulement dans l’atmosphère terrestre, mais même dans l’espace.

Si les armes atomiques constituent un excellent moyen d'intimider les pays agressifs, elles sont en revanche capables d'étouffer dans l'œuf tout conflit militaire, puisqu'une explosion atomique peut détruire toutes les parties au conflit.

Caractère explosif

Le noyau d'uranium contient 92 protons. L'uranium naturel est principalement un mélange de deux isotopes : l'U238 (qui possède 146 neutrons dans son noyau) et l'U235 (143 neutrons), dont seulement 0,7 % dans l'uranium naturel. Les propriétés chimiques des isotopes sont absolument identiques, il est donc impossible de les séparer par des méthodes chimiques, mais la différence de masses (235 et 238 unités) permet de le faire par des méthodes physiques : un mélange d'uranium est transformé en gaz (uranium hexafluorure), puis pompé à travers d'innombrables cloisons poreuses. Bien que les isotopes de l'uranium ne puissent être distingués ni par apparence, ni chimiquement, ils ne sont séparés par un abîme dans les propriétés des caractères nucléaires.

Le processus de fission de l'U238 est un processus payant : un neutron arrivant de l'extérieur doit apporter avec lui de l'énergie - 1 MeV ou plus. Et l'U235 est altruiste : rien n'est requis du neutron entrant pour l'excitation et la désintégration ultérieure, son énergie de liaison dans le noyau est tout à fait suffisante ;

Lorsqu'un neutron heurte un noyau capable de fission, un composé instable se forme, mais très rapidement (après 10−23−10−22 s) un tel noyau se désagrège en deux fragments de masse inégale et « instantanément » (en 10 −16−10− 14 c) émettre deux ou trois nouveaux neutrons, de sorte qu'avec le temps, le nombre de noyaux fissiles puisse se multiplier (cette réaction est appelée réaction en chaîne). Cela n'est possible que dans l'U235, car le gourmand U238 ne veut pas partager ses propres neutrons, dont l'énergie est d'un ordre de grandeur inférieur à 1 MeV. L'énergie cinétique des particules de produits de fission est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à l'énergie libérée lors de tout événement. réaction chimique, dans lequel la composition des noyaux ne change pas.

Assemblage critique

Les produits de fission sont instables et mettent beaucoup de temps à se « récupérer », émettant divers rayonnements (y compris des neutrons). Les neutrons émis un temps significatif (jusqu'à des dizaines de secondes) après la fission sont dits retardés, et bien que leur part soit faible par rapport aux instantanés (moins de 1 %), le rôle qu'ils jouent dans le fonctionnement des installations nucléaires est le plus important. important.

Les produits de fission, lors de nombreuses collisions avec les atomes environnants, leur cèdent leur énergie, augmentant ainsi la température. Après l'apparition de neutrons dans un assemblage avec de la matière fissile, la puissance de dégagement de chaleur peut augmenter ou diminuer, et les paramètres d'un assemblage dans lequel le nombre de fissions par unité de temps est constant sont dits critiques. La criticité de l'assemblage peut être maintenue aussi bien avec un grand qu'un petit nombre de neutrons (avec un pouvoir calorifique correspondant plus ou moins grand). La puissance thermique est augmentée soit en pompant des neutrons supplémentaires dans l'assemblage critique depuis l'extérieur, soit en rendant l'assemblage supercritique (des neutrons supplémentaires sont alors fournis par des générations de plus en plus nombreuses de noyaux fissiles). Par exemple, s'il faut augmenter la puissance thermique d'un réacteur, on le porte à un régime où chaque génération de neutrons prompts est légèrement moins nombreuse que la précédente, mais grâce aux neutrons retardés, le réacteur passe à peine sensiblement dans un état critique. Ensuite, il n'accélère pas, mais gagne lentement en puissance - de sorte que son augmentation puisse être stoppée au bon moment en introduisant des absorbeurs de neutrons (barreaux contenant du cadmium ou du bore).

Les neutrons produits lors de la fission survolent souvent les noyaux environnants sans provoquer de fission supplémentaire. Plus un neutron est produit près de la surface d'un matériau, plus il a de chances de s'échapper de la matière fissile et de ne jamais revenir. Ainsi, la forme d’assemblage qui permet d’économiser le plus grand nombre de neutrons est une sphère : pour une masse de matière donnée, elle a une surface minimale. Une bille non entourée (solitaire) composée à 94 % d'U235 et sans cavités à l'intérieur devient critique avec une masse de 49 kg et un rayon de 85 mm. Si un assemblage du même uranium est un cylindre de longueur égale au diamètre, il devient critique avec une masse de 52 kg. La superficie diminue également avec l’augmentation de la densité. C'est pourquoi une compression explosive, sans modifier la quantité de matière fissile, peut amener l'assemblage dans un état critique. C’est ce processus qui sous-tend la conception commune d’une charge nucléaire.

Ensemble boule

Mais le plus souvent, ce n'est pas l'uranium qui est utilisé dans les armes nucléaires, mais le plutonium 239. Il est produit dans des réacteurs en irradiant de l'uranium 238 avec de puissants flux de neutrons. Le plutonium coûte environ six fois plus cher que l'U235, mais lors de la fission, le noyau Pu239 émet en moyenne 2 895 neutrons, soit plus que l'U235 (2 452). De plus, la probabilité de fission du plutonium est plus élevée. Tout cela conduit au fait qu'une boule solitaire de Pu239 devient critique avec une masse presque trois fois inférieure à celle d'une boule d'uranium, et surtout, avec un rayon plus petit, ce qui permet de réduire les dimensions de l'assemblage critique.

L'ensemble est constitué de deux moitiés soigneusement ajustées en forme de couche sphérique (creuse à l'intérieur) ; il est évidemment sous-critique - même pour les neutrons thermiques et même après avoir été entouré d'un modérateur. Une charge est montée autour d'un assemblage de blocs explosifs très précisément ajustés. Afin d'économiser les neutrons, il est nécessaire de préserver la forme noble de la balle lors de l'explosion - pour cela, la couche d'explosif doit exploser simultanément sur toute sa longueur. surface extérieure, en appuyant uniformément sur l'ensemble. Il est largement admis que cela nécessite de nombreux détonateurs électriques. Mais ce n’était le cas qu’à l’aube de la « construction de bombes » : pour déclencher plusieurs dizaines de détonateurs, il fallait beaucoup d’énergie et une taille considérable du système d’amorçage. Les charges modernes utilisent plusieurs détonateurs sélectionnés par une technique spéciale, aux caractéristiques similaires, à partir desquels des explosifs très stables (en termes de vitesse de détonation) sont déclenchés dans des rainures fraisées dans une couche de polycarbonate (dont la forme sur une surface sphérique est calculée à l'aide de la géométrie de Riemann méthodes). La détonation à une vitesse d'environ 8 km/s se déplacera le long des rainures à des distances absolument égales, au même moment elle atteindra les trous et fera exploser la charge principale - simultanément à tous les points requis.

Explosion à l'intérieur

L'explosion dirigée vers l'intérieur comprime l'ensemble avec une pression de plus d'un million d'atmosphères. La surface de l'assemblage diminue, la cavité interne du plutonium disparaît presque, la densité augmente, et très rapidement - en dix microsecondes, l'assemblage compressible passe l'état critique avec les neutrons thermiques et devient significativement supercritique avec les neutrons rapides.

Après une période déterminée par le temps insignifiant de ralentissement insignifiant des neutrons rapides, chacune de leurs nouvelles générations, plus nombreuses, ajoute par fission une énergie de 202 MeV à la substance d'assemblage, qui éclate déjà sous une pression monstrueuse. À l'échelle des phénomènes qui se produisent, la résistance, même des meilleurs aciers alliés, est si minime qu'il ne vient à l'idée de personne d'en tenir compte lors du calcul de la dynamique d'une explosion. La seule chose qui empêche l'ensemble de s'effondrer est l'inertie : pour dilater une boule de plutonium de seulement 1 cm en dizaines de nanosecondes, il faut communiquer à la substance une accélération des dizaines de milliards de fois supérieure à l'accélération de chute libre, et ce n'est pas facile.

Au final, la matière se disperse encore, la fission s'arrête, mais le processus ne s'arrête pas là : l'énergie est redistribuée entre les fragments ionisés des noyaux séparés et les autres particules émises lors de la fission. Leur énergie est de l’ordre de dizaines, voire de centaines de MeV, mais seuls les quanta gamma et les neutrons de haute énergie, électriquement neutres, ont une chance d’éviter toute interaction avec la matière et de « s’échapper ». Les particules chargées perdent rapidement de l'énergie lors de collisions et d'ionisation. Dans ce cas, un rayonnement est émis - cependant, il ne s'agit plus d'un rayonnement nucléaire dur, mais plus doux, avec une énergie inférieure de trois ordres de grandeur, mais toujours plus que suffisante pour éliminer les électrons des atomes - non seulement des coques externes, mais aussi de tout en général. Un mélange de noyaux nus, d'électrons dépouillés et de rayonnement d'une densité de grammes par centimètre cube (essayez d'imaginer à quel point vous pouvez bronzer sous une lumière qui a acquis la densité de l'aluminium !) - tout ce qui était il y a un instant une charge - entre en jeu. un semblant d'équilibre. Dans une très jeune boule de feu, la température atteint des dizaines de millions de degrés.

Boule de feu

Il semblerait que même un rayonnement doux se déplaçant à la vitesse de la lumière devrait laisser loin derrière lui la matière qui l'a généré, mais ce n'est pas le cas : dans l'air froid, la gamme des quanta d'énergies Kev est de quelques centimètres, et ils ne se déplacent pas dans un sens. ligne droite, mais changez la direction du mouvement, réémettant à chaque interaction. Les quanta ionisent l'air et s'y propagent, comme le jus de cerise versé dans un verre d'eau. Ce phénomène est appelé diffusion radiative.

Une jeune boule de feu issue d'une explosion de 100 kt quelques dizaines de nanosecondes après la fin de l'éclatement de fission a un rayon de 3 m et une température de près de 8 millions de Kelvin. Mais après 30 microsecondes, son rayon atteint 18 m, bien que la température descende en dessous d'un million de degrés. La balle dévore l'espace et l'air ionisé derrière son front bouge à peine : le rayonnement ne peut pas lui transmettre d'impulsion significative lors de la diffusion. Mais il pompe une énorme énergie dans cet air, le réchauffe, et lorsque l'énergie de rayonnement s'épuise, la boule commence à croître en raison de l'expansion du plasma chaud, éclatant de l'intérieur avec ce qui était autrefois une charge. En se dilatant, comme une bulle gonflée, la coque du plasma devient plus fine. Contrairement à une bulle, bien sûr, rien ne la gonfle : il ne reste presque plus de substance à l'intérieur, tout s'envole du centre par inertie, mais 30 microsecondes après l'explosion, la vitesse de ce vol est supérieure à 100 km/s, et la pression hydrodynamique dans la substance - plus de 150 000 atm ! La coque n’est pas destinée à devenir trop fine ; elle éclate en formant des « cloques ».

Le mécanisme de transfert d'énergie de la boule de feu vers l'environnement qui prévaut dépend de la puissance de l'explosion : si elle est importante, le rôle principal est joué par la diffusion du rayonnement ; si elle est petite, l'expansion de la bulle de plasma joue un rôle important ; rôle majeur. Il est clair qu’un cas intermédiaire est également possible, lorsque les deux mécanismes sont efficaces.

Le processus capture de nouvelles couches d’air ; il n’y a plus assez d’énergie pour retirer tous les électrons des atomes. L'énergie de la couche ionisée et des fragments de la bulle de plasma s'épuise ; ils ne sont plus capables de déplacer l'énorme masse devant eux et ralentissent sensiblement. Mais ce qui était de l'air avant l'explosion se déplace, se détache du ballon, absorbe de plus en plus de couches d'air froid... La formation d'une onde de choc commence.

Onde de choc et champignon atomique

Lorsque l'onde de choc se sépare de la boule de feu, les caractéristiques de la couche émettrice changent et la puissance de rayonnement dans la partie optique du spectre augmente fortement (ce qu'on appelle le premier maximum). Ensuite, les processus d'éclairage et les changements de transparence de l'air ambiant entrent en compétition, ce qui conduit à la réalisation d'un deuxième maximum, moins puissant, mais beaucoup plus long - à tel point que la production d'énergie lumineuse est plus grande que dans le premier maximum. .

Près de l'explosion, tout autour s'évapore, plus loin ça fond, mais encore plus loin, là où le flux de chaleur n'est plus suffisant pour fondre solides, sols, rochers, maisons coulent comme un liquide sous la pression monstrueuse du gaz, détruisant tous les liens forts, chauffés à un éclat insupportable aux yeux.

Enfin, l'onde de choc s'éloigne du point d'explosion, où reste un nuage lâche et affaibli, mais multiplié plusieurs fois, de vapeurs condensées qui se sont transformées en poussière minuscule et très radioactive de ce qui était le plasma de la charge, et de ce qui était proche, à son heure terrible, d'un endroit d'où il fallait s'éloigner le plus possible. Le nuage commence à monter. Il se refroidit, change de couleur, « revêt » une calotte blanche d'humidité condensée, suivie de poussière de la surface de la terre, formant la « patte » de ce qu'on appelle communément un « champignon atomique ».

Initiation neutronique

Les lecteurs attentifs peuvent estimer l'énergie dégagée lors d'une explosion avec un crayon à la main. Lorsque le temps pendant lequel l'assemblage est dans un état supercritique est de l'ordre de la microseconde, que l'âge des neutrons est de l'ordre de la picoseconde et que le facteur de multiplication est inférieur à 2, environ un gigajoule d'énergie est libéré, ce qui équivaut à ... 250 kg de TNT. Où sont les kilos et les mégatonnes ?

Le fait est que la chaîne de fission dans l’assemblage ne commence pas par un seul neutron : à la microseconde requise, ils sont injectés par millions dans l’assemblage supercritique. Dans les premières charges nucléaires, on utilisait pour cela des sources d'isotopes situées dans une cavité à l'intérieur de l'assemblage de plutonium : le polonium-210, au moment de la compression, se combinait avec le béryllium et provoquait l'émission de neutrons avec ses particules alpha. Mais toutes les sources isotopiques sont plutôt faibles (dans le premier produit américain, moins d'un million de neutrons étaient générés par microseconde) et le polonium est très périssable : en seulement 138 jours, il réduit son activité de moitié. Les isotopes ont donc été remplacés par des isotopes moins dangereux (qui n'émettent pas lorsqu'ils ne sont pas allumés), et surtout, par des tubes neutroniques qui émettent plus intensément (voir encadré) : en quelques microsecondes (durée de l'impulsion formée par le tube), des centaines de millions de neutrons naissent. Mais s'il ne fonctionne pas ou fonctionne au mauvais moment, un "bang" ou "zilch" se produira - une explosion thermique de faible puissance.

L'initiation des neutrons augmente non seulement la libération d'énergie d'une explosion nucléaire de plusieurs ordres de grandeur, mais permet également de la réguler ! Il est clair que, après avoir reçu une mission de combat, lors de la configuration de laquelle la puissance doit être indiquée frappe nucléaire, personne ne démonte la charge pour l'équiper d'un assemblage plutonium optimal pour une puissance donnée. Dans les munitions dotées d'un équivalent TNT commutable, il suffit simplement de modifier la tension d'alimentation du tube neutronique. En conséquence, le rendement en neutrons et la libération d'énergie changeront (bien entendu, lorsque la puissance est réduite de cette manière, une grande quantité de plutonium coûteux est gaspillée).

Mais ils ont commencé à réfléchir à la nécessité de réguler la libération d'énergie bien plus tard, et dans un premier temps années d'après-guerre il ne pouvait être question de réduire la puissance. De plus en plus puissant, de plus en plus puissant ! Mais il s’est avéré qu’il existe des restrictions nucléaires, physiques et hydrodynamiques sur les dimensions admissibles de la sphère sous-critique. L'équivalent TNT d'une explosion d'une centaine de kilotonnes est proche de la limite physique des munitions monophasées, dans lesquelles seule la fission se produit. En conséquence, la fission a été abandonnée en tant que principale source d’énergie et l’accent a été mis sur des réactions d’une autre classe : la fusion.

Idées fausses sur le nucléaire

La densité du plutonium au moment de l'explosion augmente en raison d'une transition de phase

Le plutonium métallique existe en six phases dont la densité varie de 14,7 à 19,8 g/cm3. À des températures inférieures à 119 °C, il existe une phase alpha monoclinique (19,8 g/cm3), mais ce plutonium est très fragile, et dans la phase cubique delta à faces centrées (15,9), il est plastique et bien traité (c'est cette phase qui ils essaient de préserver en utilisant des additifs d'alliage). Pendant la compression de la détonation, aucune transition de phase ne peut se produire - le plutonium est dans un état quasi-liquide. Les transitions de phases sont dangereuses en production : lorsque grandes tailles pièces, même avec un léger changement de densité, il est possible d'atteindre un état critique. Bien sûr, il n'y aura pas d'explosion - la pièce chauffera simplement, mais le nickelage pourrait être libéré (et le plutonium est très toxique).

Source de neutrons

Premièrement bombes nucléaires une source de neutrons au béryllium-polonium a été utilisée. Les charges modernes utilisent des tubes à neutrons beaucoup plus pratiques

Dans un tube à neutrons sous vide, une tension d'impulsion de 100 kV est appliquée entre la cible saturée en tritium (cathode) (1) et l'ensemble anode (2). Lorsque la tension est maximale, il faut que les ions deutérium se trouvent entre l'anode et la cathode, qui doivent être accélérées. Une source d'ions est utilisée à cet effet. Une impulsion d'allumage est appliquée à son anode (3) et la décharge, passant le long de la surface de la céramique saturée de deutérium (4), forme des ions deutérium. Après avoir accéléré, ils bombardent une cible saturée de tritium, ce qui libère une énergie de 17,6 MeV et forme des neutrons et des noyaux d'hélium-4.

En termes de composition des particules et même de production d'énergie, cette réaction est identique à la fusion - le processus de fusion de noyaux légers. Dans les années 1950, beaucoup pensaient qu'il s'agissait d'une fusion, mais il s'est avéré plus tard qu'une « perturbation » se produisait dans le tube : soit un proton, soit un neutron (qui constitue l'ion deutérium, accéléré par un champ électrique) « se coince ». dans le noyau cible (tritium) . Si un proton reste coincé, le neutron se détache et se libère.

Neutrons - lents et rapides

Dans une substance non fissile, « rebondissant » sur les noyaux, les neutrons leur transfèrent une partie de leur énergie, d'autant plus les noyaux sont légers (plus proches d'eux en masse). Que dans plus Lors des collisions, les neutrons sont impliqués, plus ils ralentissent, puis finalement ils entrent en équilibre thermique avec la matière environnante - ils sont thermalisés (cela prend des millisecondes). La vitesse des neutrons thermiques est de 2 200 m/s (énergie 0,025 eV). Les neutrons peuvent s'échapper du modérateur et sont capturés par ses noyaux, mais avec modération, leur capacité à entrer dans des réactions nucléaires augmente considérablement, de sorte que les neutrons qui ne sont pas « perdus » font plus que compenser la diminution du nombre.

Ainsi, si une boule de matière fissile est entourée d'un modérateur, de nombreux neutrons quitteront le modérateur ou y seront absorbés, mais il y en aura aussi qui reviendront vers la boule (« réfléchir ») et, ayant perdu leur énergie, sont beaucoup plus susceptibles de provoquer des événements de fission. Si la balle est entourée d'une couche de béryllium de 25 mm d'épaisseur, alors 20 kg d'U235 peuvent être économisés tout en atteignant l'état critique de l'assemblage. Mais ces économies se font au prix du temps : chaque génération suivante de neutrons doit d’abord ralentir avant de provoquer une fission. Ce retard réduit le nombre de générations de neutrons nées par unité de temps, ce qui signifie que la libération d'énergie est retardée. Moins il y a de matière fissile dans l’assemblage, plus il faut de modérateur pour développer une réaction en chaîne, et la fission se produit avec des neutrons d’énergie de plus en plus faible. Dans le cas limite, lorsque la criticité est obtenue uniquement avec des neutrons thermiques, par exemple dans une solution de sels d'uranium dans un bon modérateur - l'eau, la masse des assemblages est de plusieurs centaines de grammes, mais la solution bout simplement périodiquement. Les bulles de vapeur libérées réduisent la densité moyenne de la substance fissile, la réaction en chaîne s'arrête et lorsque les bulles quittent le liquide, le déclenchement de la fission se répète (si vous bouchez le récipient, la vapeur le rompra - mais ce sera un phénomène thermique). explosion, dépourvue de tous les signes typiques « nucléaires »).

Vidéo : explosions nucléaires

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Une bombe atomique est un projectile conçu pour produire une explosion de grande puissance suite à une libération très rapide d'énergie nucléaire (atomique).

Le principe de fonctionnement des bombes atomiques

La charge nucléaire est divisée en plusieurs parties jusqu'à des tailles critiques, de sorte que dans chacune d'elles une réaction en chaîne incontrôlée et auto-développée de fission des atomes de la substance fissile ne puisse pas commencer. Une telle réaction ne se produira que lorsque toutes les parties de la charge seront rapidement connectées en un tout. De la vitesse de fermeture pièces détachées L'intégralité de la réaction et, en fin de compte, la puissance de l'explosion en dépendent en grande partie. Pour conférer une vitesse élevée à des parties de la charge, une explosion d'un explosif conventionnel peut être utilisée. Si des parties d'une charge nucléaire sont placées dans des directions radiales à une certaine distance du centre et que des charges de TNT sont placées à l'extérieur, il est alors possible de procéder à une explosion de charges conventionnelles dirigées vers le centre de la charge nucléaire. Toutes les parties de la charge nucléaire non seulement se combineront en un tout à une vitesse énorme, mais se trouveront également pendant un certain temps comprimées de tous côtés par l'énorme pression des produits d'explosion et ne pourront pas se séparer immédiatement dès qu'un la réaction nucléaire en chaîne commence dans la charge. En conséquence, une fission beaucoup plus importante se produira que sans une telle compression et, par conséquent, la puissance de l'explosion augmentera. Un réflecteur à neutrons contribue également à augmenter la puissance d'explosion pour une même quantité de matière fissile (les réflecteurs les plus efficaces sont le béryllium< Be >, graphite, eau lourde< H3O >). La première fission, qui déclencherait une réaction en chaîne, nécessite au moins un neutron. Il est impossible de compter sur le déclenchement opportun d'une réaction en chaîne sous l'influence des neutrons apparaissant lors de la fission spontanée des noyaux, car cela se produit relativement rarement : pour l'U-235 - 1 désintégration par heure pour 1 g. substances. Il existe également très peu de neutrons sous forme libre dans l’atmosphère : jusqu’à S = 1 cm/². En moyenne, environ 6 neutrons passent par seconde. Pour cette raison, une source artificielle de neutrons est utilisée dans une charge nucléaire - une sorte de capsule de détonateur nucléaire. Cela garantit également que de nombreuses fissions commencent simultanément, de sorte que la réaction se déroule sous la forme d'une explosion nucléaire.

Options de détonation (schémas d'armes à feu et d'implosion)

Il existe deux schémas principaux pour faire exploser une charge fissile : le canon, autrement appelé balistique, et l'implosion.

La « conception du canon » a été utilisée dans certaines armes nucléaires de première génération. L’essence du circuit du canon est de tirer une charge de poudre à canon depuis un bloc de matière fissile de masse sous-critique (« balle ») vers un autre bloc fixe (« cible »). Les blocs sont conçus de telle sorte que lorsqu'ils sont connectés, leur masse totale devient supercritique.

Cette méthode de détonation n'est possible que dans les munitions à l'uranium, car le plutonium a un fond neutronique supérieur de deux ordres de grandeur, ce qui augmente considérablement la probabilité de développement prématuré d'une réaction en chaîne avant la connexion des blocs. Cela conduit à une libération incomplète d'énergie (appelée "fizzy", en anglais). Pour mettre en œuvre le circuit du canon dans les munitions au plutonium, il est nécessaire d'augmenter la vitesse de connexion des pièces de charge à un niveau techniquement inaccessible. , l'uranium résiste mieux aux surcharges mécaniques que le plutonium.

Schéma implosif. Ce schéma de détonation consiste à atteindre un état supercritique en comprimant la matière fissile avec une onde de choc focalisée créée par l'explosion d'un explosif chimique. Pour focaliser l'onde de choc, des lentilles dites explosives sont utilisées et la détonation est effectuée simultanément en de nombreux points avec une précision précise. La création d’un tel système de placement d’explosifs et de détonation était autrefois l’une des tâches les plus difficiles. La formation d'une onde de choc convergente a été assurée par l'utilisation de lentilles explosives à partir d'explosifs « rapides » et « lents » - TATV (Triaminotrinitrobenzène) et baratol (un mélange de trinitrotoluène avec du nitrate de baryum) et certains additifs)

La production d’énergie nucléaire est une méthode de production d’électricité moderne et en plein développement. Savez-vous comment fonctionnent les centrales nucléaires ? Quel est le principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire ? Quels types de réacteurs nucléaires existent aujourd’hui ? Nous essaierons d'examiner en détail le schéma de fonctionnement d'une centrale nucléaire, d'examiner la structure d'un réacteur nucléaire et de découvrir dans quelle mesure la méthode nucléaire de production d'électricité est sûre.

Toute gare est une zone fermée éloignée d'une zone résidentielle. Il y a plusieurs bâtiments sur son territoire. La structure la plus importante est le bâtiment du réacteur, à côté se trouvent la salle des machines à partir de laquelle le réacteur est contrôlé et le bâtiment de sécurité.

Ce projet est impossible sans réacteur nucléaire. Un réacteur atomique (nucléaire) est un dispositif de centrale nucléaire conçu pour organiser une réaction en chaîne de fission neutronique avec libération obligatoire d'énergie au cours de ce processus. Mais quel est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire ?

L'ensemble de l'installation réacteur est abrité dans le bâtiment réacteur, une grande tour en béton qui cache le réacteur et contiendra tous les produits de la réaction nucléaire en cas d'accident. Cette grande tour est appelée confinement, coque hermétique ou zone de confinement.

La zone hermétique des nouveaux réacteurs comporte 2 parois épaisses en béton - coques.
L'enveloppe extérieure, de 80 cm d'épaisseur, protège la zone de confinement des influences extérieures.

La coque intérieure, d'une épaisseur de 1 mètre 20 cm, comporte des câbles en acier spéciaux qui multiplient par trois la résistance du béton et empêcheront la structure de s'effondrer. À l’intérieur, il est doublé d’une fine tôle d’acier spécial, conçue pour servir de protection supplémentaire au confinement et, en cas d’accident, pour ne pas rejeter le contenu du réacteur hors de la zone de confinement.

Cette conception de la centrale nucléaire lui permet de résister à un crash d'avion pesant jusqu'à 200 tonnes, à un séisme de magnitude 8, à une tornade et à un tsunami.

La première coque scellée a été construite à la centrale nucléaire américaine du Connecticut Yankee en 1968.

La hauteur totale de la zone de confinement est de 50 à 60 mètres.

De quoi est constitué un réacteur nucléaire ?

Pour comprendre le principe de fonctionnement d’un réacteur nucléaire, et donc le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire, il faut comprendre les composants du réacteur.

Zone active. C'est la zone où sont placés le combustible nucléaire (générateur de combustible) et le modérateur. Les atomes de combustible (le plus souvent l'uranium est le combustible) subissent une réaction de fission en chaîne. Le modérateur est conçu pour contrôler le processus de fission et permet la réaction requise en termes de vitesse et de force.
Réflecteur de neutrons. Un réflecteur entoure le noyau. Il est constitué du même matériel que le modérateur. Il s’agit essentiellement d’une boîte dont le but principal est d’empêcher les neutrons de quitter le cœur et de pénétrer dans l’environnement.
Liquide de refroidissement. Le liquide de refroidissement doit absorber la chaleur dégagée lors de la fission des atomes de carburant et la transférer à d'autres substances. Le liquide de refroidissement détermine en grande partie la manière dont une centrale nucléaire est conçue. Le liquide de refroidissement le plus populaire aujourd’hui est l’eau.
Système de contrôle du réacteur. Capteurs et mécanismes qui alimentent un réacteur de centrale nucléaire.

Combustible pour centrales nucléaires

Avec quoi fonctionne une centrale nucléaire ? Le combustible des centrales nucléaires est constitué d'éléments chimiques dotés de propriétés radioactives. Dans toutes les centrales nucléaires, cet élément est l'uranium.

La conception des centrales implique que les centrales nucléaires fonctionnent avec un combustible composite complexe, et non avec du combustible pur. élément chimique. Et pour extraire le combustible uranium de l'uranium naturel chargé dans un réacteur nucléaire, il est nécessaire d'effectuer de nombreuses manipulations.

Uranium enrichi

L'uranium est constitué de deux isotopes, c'est-à-dire qu'il contient des noyaux de masses différentes. Ils ont été nommés d'après le nombre de protons et de neutrons, isotope -235 et isotope-238. Les chercheurs du 20ème siècle ont commencé à extraire l'uranium 235 du minerai, parce que... il était plus facile de se décomposer et de se transformer. Il s'est avéré que cet uranium dans la nature ne représente que 0,7% (le pourcentage restant va au 238ème isotope).

Que faire dans ce cas ? Ils ont décidé d'enrichir l'uranium. L’enrichissement de l’uranium est un processus dans lequel il reste une grande partie des isotopes 235x nécessaires et quelques isotopes 238x inutiles. La tâche des enrichisseurs d’uranium est de transformer 0,7 % en presque 100 % d’uranium 235.

L'uranium peut être enrichi à l'aide de deux technologies : la diffusion gazeuse ou la centrifugation gazeuse. Pour les utiliser, l'uranium extrait du minerai est transformé à l'état gazeux. Il est enrichi sous forme de gaz.

Poudre d'uranium

L'uranium enrichi est transformé en dioxyde d'uranium à l'état solide. Cet uranium 235 solide et pur se présente sous la forme de gros cristaux blancs, qui sont ensuite broyés en poudre d'uranium.

Comprimés d'uranium

Les comprimés d'uranium sont des disques métalliques solides de quelques centimètres de long. Pour former de tels comprimés à partir de poudre d'uranium, celle-ci est mélangée à une substance - un plastifiant ; elle améliore la qualité du pressage des comprimés.

Les palets pressés sont cuits à une température de 1 200 degrés Celsius pendant plus d'une journée pour conférer aux comprimés une solidité particulière et une résistance aux températures élevées. Le fonctionnement d’une centrale nucléaire dépend directement de la qualité de la compression et de la cuisson du combustible à base d’uranium.

Les comprimés sont cuits dans des boîtes en molybdène, car seul ce métal est capable de ne pas fondre à des températures « infernales » supérieures à mille cinq cents degrés. Après cela, le combustible à l'uranium destiné aux centrales nucléaires est considéré comme prêt.

Que sont TVEL et FA ?

Le cœur du réacteur ressemble à un énorme disque ou tuyau percé de trous dans les parois (selon le type de réacteur), 5 fois plus grand que le corps humain. Ces trous contiennent du combustible à base d'uranium dont les atomes effectuent la réaction souhaitée.

Il est impossible de simplement jeter du combustible dans le réacteur, à moins que vous ne vouliez provoquer une explosion de toute la centrale et un accident avec des conséquences pour quelques États voisins. Par conséquent, le combustible à l’uranium est placé dans des barres de combustible puis collecté dans des assemblages combustibles. Que signifient ces abréviations ?

TVEL est un élément combustible (à ne pas confondre avec le même nom de la société russe qui les produit). Il s’agit essentiellement d’un tube de zirconium mince et long fabriqué à partir d’alliages de zirconium dans lequel sont placées des tablettes d’uranium. C’est dans les barres de combustible que les atomes d’uranium commencent à interagir les uns avec les autres, libérant de la chaleur au cours de la réaction.

Le zirconium a été choisi comme matériau pour la production de crayons combustibles en raison de ses propriétés réfractaires et anticorrosion.

Le type de barres de combustible dépend du type et de la structure du réacteur. En règle générale, la structure et la fonction des crayons combustibles ne changent pas ; la longueur et la largeur du tube peuvent être différentes.

La machine charge plus de 200 pastilles d'uranium dans un tube de zirconium. Au total, environ 10 millions de pastilles d'uranium fonctionnent simultanément dans le réacteur.
FA – assemblage combustible. Les travailleurs des centrales nucléaires appellent des grappes d'assemblages combustibles.

Il s’agit essentiellement de plusieurs barres de combustible fixées ensemble. Le FA est le combustible nucléaire fini, avec lequel fonctionne une centrale nucléaire. Ce sont les assemblages combustibles qui sont chargés dans le réacteur nucléaire. Environ 150 à 400 assemblages combustibles sont placés dans un réacteur.
Selon le réacteur dans lequel fonctionneront les assemblages combustibles, ils peuvent être différentes formes. Parfois, les faisceaux sont pliés en forme cubique, parfois en forme cylindrique, parfois en forme hexagonale.

Un assemblage combustible sur 4 ans de fonctionnement produit la même quantité d'énergie que lors de la combustion de 670 wagons de charbon, 730 réservoirs de gaz naturel ou 900 réservoirs chargés de pétrole.
Aujourd'hui, les assemblages combustibles sont produits principalement dans des usines en Russie, en France, aux États-Unis et au Japon.

Pour livrer du combustible destiné aux centrales nucléaires vers d'autres pays, les assemblages combustibles sont scellés dans des tuyaux métalliques longs et larges, l'air est pompé hors des tuyaux et acheminé par des machines spéciales à bord des avions cargo.

Le combustible nucléaire destiné aux centrales nucléaires pèse trop cher, car... l'uranium est l'un des métaux les plus lourds de la planète. Sa densité est 2,5 fois supérieure à celle de l'acier.

Centrale nucléaire : principe de fonctionnement

Quel est le principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire ? Le principe de fonctionnement des centrales nucléaires repose sur une réaction en chaîne de fission d'atomes d'une substance radioactive - l'uranium. Cette réaction se produit au cœur d'un réacteur nucléaire.

IMPORTANT À SAVOIR :

Sans entrer dans les subtilités de la physique nucléaire, le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire ressemble à ceci :
Après le démarrage d'un réacteur nucléaire, des barres absorbantes sont retirées des barres de combustible, ce qui empêche l'uranium de réagir.

Une fois les barreaux retirés, les neutrons de l’uranium commencent à interagir les uns avec les autres.

Lorsque des neutrons entrent en collision, une mini-explosion se produit au niveau atomique, de l'énergie est libérée et de nouveaux neutrons naissent, une réaction en chaîne commence à se produire. Ce processus génère de la chaleur.

La chaleur est transférée au liquide de refroidissement. Selon le type de liquide de refroidissement, il se transforme en vapeur ou en gaz, qui fait tourner la turbine.

La turbine entraîne un générateur électrique. C'est lui qui génère réellement le courant électrique.

Si vous ne surveillez pas le processus, les neutrons d'uranium peuvent entrer en collision les uns avec les autres jusqu'à ce qu'ils explosent le réacteur et détruisent toute la centrale nucléaire en mille morceaux. Le processus est contrôlé par des capteurs informatiques. Ils détectent une augmentation de température ou un changement de pression dans le réacteur et peuvent arrêter automatiquement les réactions.

En quoi le principe de fonctionnement des centrales nucléaires diffère-t-il de celui des centrales thermiques (centrales thermiques) ?

Il n'y a des différences de travail que dans les premières étapes. Dans une centrale nucléaire, le liquide de refroidissement reçoit la chaleur de la fission des atomes du combustible d'uranium ; dans une centrale thermique, le liquide de refroidissement reçoit la chaleur de la combustion du combustible organique (charbon, gaz ou pétrole). Une fois que les atomes d'uranium ou le gaz et le charbon ont libéré de la chaleur, les schémas d'exploitation des centrales nucléaires et des centrales thermiques sont les mêmes.

Types de réacteurs nucléaires

Le fonctionnement d’une centrale nucléaire dépend exactement du fonctionnement de son réacteur nucléaire. Il existe aujourd'hui deux principaux types de réacteurs, qui sont classés selon le spectre des neurones :
Un réacteur à neutrons lents, également appelé réacteur thermique.

Pour son fonctionnement, on utilise de l'uranium 235, qui passe par les étapes d'enrichissement, de création de pastilles d'uranium, etc. Aujourd’hui, la grande majorité des réacteurs utilisent des neutrons lents.
Réacteur à neutrons rapides.

Ces réacteurs sont l'avenir, parce que... Ils travaillent sur l'uranium 238, qui se trouve à la pelle dans la nature et il n'est pas nécessaire d'enrichir cet élément. Le seul inconvénient de ces réacteurs réside dans les coûts très élevés de conception, de construction et de démarrage. Aujourd’hui, les réacteurs à neutrons rapides ne fonctionnent qu’en Russie.

Le liquide de refroidissement des réacteurs à neutrons rapides est du mercure, du gaz, du sodium ou du plomb.

Les réacteurs à neutrons lents, que toutes les centrales nucléaires du monde utilisent aujourd'hui, existent également en plusieurs types.

L'organisation AIEA (Agence internationale de l'énergie atomique) a créé sa propre classification, qui est la plus souvent utilisée dans l'industrie mondiale de l'énergie nucléaire. Le principe de fonctionnement d'une centrale nucléaire dépendant en grande partie du choix du caloporteur et du modérateur, l'AIEA a basé sa classification sur ces différences.

D'un point de vue chimique, l'oxyde de deutérium est un modérateur et un liquide de refroidissement idéal, car ses atomes interagissent plus efficacement avec les neutrons de l’uranium qu’avec d’autres substances. En termes simples, l'eau lourde accomplit sa tâche avec des pertes minimes et résultat maximum. Cependant, sa production coûte de l’argent, alors que l’eau ordinaire « légère » et familière est beaucoup plus facile à utiliser.

Quelques faits sur les réacteurs nucléaires...

Il est intéressant de noter qu’il faut au moins 3 ans pour construire un réacteur de centrale nucléaire !
Pour construire un réacteur, il faut un équipement fonctionnant avec un courant électrique de 210 kiloampères, soit un million de fois supérieur au courant qui peut tuer une personne.

Une coque (élément structurel) d'un réacteur nucléaire pèse 150 tonnes. Il y a 6 de ces éléments dans un réacteur.

Réacteur à eau sous pression

Nous avons déjà découvert comment fonctionne une centrale nucléaire en général ; pour mettre les choses en perspective, regardons comment fonctionne le réacteur nucléaire à eau sous pression le plus populaire.
Aujourd’hui, partout dans le monde, des réacteurs à eau sous pression de génération 3+ sont utilisés. Ils sont considérés comme les plus fiables et les plus sûrs.

Tous les réacteurs à eau sous pression dans le monde, au cours de toutes leurs années d'exploitation, ont déjà accumulé plus de 1000 ans de fonctionnement sans problème et n'ont jamais présenté d'écarts sérieux.

La structure des centrales nucléaires utilisant des réacteurs à eau sous pression implique que de l'eau distillée chauffée à 320 degrés circule entre les crayons de combustible. Pour éviter qu'il ne passe à l'état de vapeur, il est maintenu sous une pression de 160 atmosphères. Le schéma de la centrale nucléaire appelle cela l’eau du circuit primaire.

L'eau chauffée entre dans le générateur de vapeur et cède sa chaleur à l'eau du circuit secondaire, après quoi elle « retourne » à nouveau vers le réacteur. Extérieurement, il semble que les tubes d'eau du premier circuit soient en contact avec d'autres tubes - l'eau du deuxième circuit, ils se transfèrent de la chaleur, mais les eaux n'entrent pas en contact. Les tubes sont en contact.

Ainsi, la possibilité que des radiations pénètrent dans l'eau du circuit secondaire, qui participera en outre au processus de production d'électricité, est exclue.

Sécurité opérationnelle des centrales nucléaires

Après avoir appris le principe de fonctionnement des centrales nucléaires, il faut comprendre comment fonctionne la sécurité. La construction de centrales nucléaires nécessite aujourd'hui une attention accrue aux règles de sécurité.
Les coûts de sécurité des centrales nucléaires représentent environ 40 % du coût total de la centrale elle-même.

La conception de la centrale nucléaire comprend 4 barrières physiques qui empêchent le rejet de substances radioactives. À quoi sont censées servir ces barrières ? Au bon moment, pouvoir arrêter la réaction nucléaire, assurer une évacuation constante de la chaleur du cœur et du réacteur lui-même, et empêcher le rejet de radionucléides au-delà du confinement (zone hermétique).

Le premier obstacle est la résistance des pastilles d’uranium. Il est important qu’ils ne soient pas détruits par les températures élevées d’un réacteur nucléaire. Le fonctionnement d’une centrale nucléaire dépend en grande partie de la façon dont les pastilles d’uranium sont « cuites » au cours de la phase initiale de fabrication. Si les pastilles de combustible d'uranium ne sont pas cuites correctement, les réactions des atomes d'uranium dans le réacteur seront imprévisibles.
Le deuxième obstacle est l’étanchéité des crayons combustibles. Les tubes en zirconium doivent être hermétiquement scellés ; si le sceau est brisé, alors meilleur scénario le réacteur sera endommagé et les travaux seront arrêtés, dans le pire des cas, tout explosera.
La troisième barrière est une cuve de réacteur en acier durable a, (cette même grande tour - zone hermétique) qui « retient » tous les processus radioactifs. Si le boîtier est endommagé, les radiations s'échappent dans l'atmosphère.
La quatrième barrière est constituée de barres de protection d'urgence. Des tiges avec modérateurs sont suspendues au-dessus du noyau par des aimants, qui peuvent absorber tous les neutrons en 2 secondes et arrêter la réaction en chaîne.

Si, malgré la conception d'une centrale nucléaire dotée de nombreux degrés de protection, il n'est pas possible de refroidir le cœur du réacteur au bon moment et que la température du combustible monte à 2600 degrés, alors le dernier espoir du système de sécurité entre en jeu. - ce qu'on appelle le piège à fusion.

Le fait est qu'à cette température, le fond de la cuve du réacteur fondra et tous les restes de combustible nucléaire et de structures en fusion s'écouleront dans un « verre » spécial suspendu au-dessus du cœur du réacteur.

Le piège à fusion est réfrigéré et ignifuge. Il est rempli de ce qu'on appelle la « matière sacrificielle », qui arrête progressivement la réaction de fission en chaîne.

Ainsi, la conception d’une centrale nucléaire implique plusieurs degrés de protection, qui éliminent presque totalement toute possibilité d’accident.