Lai saprastu kodolreaktora darbības principu un konstrukciju, jums ir jāveic īsa ekskursija pagātnē. Kodolreaktors ir gadsimtiem sens, lai arī līdz galam neīstenots cilvēces sapnis par neizsmeļamu enerģijas avotu. Tās senais “ciltstēvs” ir no sausiem zariem veidots ugunskurs, kas kādreiz apgaismoja un sildīja alas velves, kur mūsu tālie senči atrada glābiņu no aukstuma. Vēlāk cilvēki apguva ogļūdeņražus – ogles, slānekli, naftu un dabasgāzi.
Sākās vētrains, bet īslaicīgs tvaika laikmets, kuru nomainīja vēl fantastiskāks elektrības laikmets. Pilsētas piepildīja gaisma, un darbnīcas piepildīja līdz šim neredzētu elektromotoru darbināmu mašīnu dūkoņa. Tad šķita, ka progress ir sasniedzis savu apogeju.
Viss ir mainījies iekšā XIX beigas gadsimtā, kad franču ķīmiķis Antuāns Anrī Bekerels nejauši atklāja, ka urāna sāļi ir radioaktīvi. 2 gadus vēlāk viņa tautieši Pjērs Kirī un viņa sieva Marija Sklodovska-Kirī ieguva no viņiem rādiju un poloniju, un viņu radioaktivitātes līmenis bija miljoniem reižu augstāks nekā torija un urāna radioaktivitātes līmenis.
Stafeti paņēma Ernests Raterfords, kurš detalizēti pētīja radioaktīvo staru būtību. Tā sākās atoma laikmets, kas dzemdēja savu mīļoto bērnu – atomreaktoru.
Pirmais kodolreaktors
“Firstborn” nāk no ASV. 1942. gada decembrī pirmo strāvu radīja reaktors, kas tika nosaukts tā radītāja, viena no izcilākajiem gadsimta fiziķiem E. Fermi vārdā. Trīs gadus vēlāk ZEEP kodolobjekts atdzīvojās Kanādā. “Bronza” ieguva pirmo padomju reaktoru F-1, kas tika palaists 1946. gada beigās. I. V. Kurčatovs kļuva par vietējā kodolprojekta vadītāju. Šobrīd pasaulē veiksmīgi darbojas vairāk nekā 400 kodolenerģijas bloku.
Kodolreaktoru veidi
To galvenais mērķis ir atbalstīt kontrolētu kodolreakciju, kas ražo elektrību. Daži reaktori ražo izotopus. Īsāk sakot, tās ir ierīces, kuru dziļumā dažas vielas tiek pārvērstas citās, atbrīvojot lielu siltumenerģijas daudzumu. Šī ir sava veida “krāsnis”, kur tā vietā tradicionālie veidi Degviela “sadedzina” urāna izotopus – U-235, U-238 un plutoniju (Pu).
Atšķirībā no, piemēram, automašīnas, kas paredzētas vairākiem benzīna veidiem, katram radioaktīvās degvielas veidam ir savs reaktora veids. Tie ir divi - uz lēnajiem (ar U-235) un ātrajiem (ar U-238 un Pu) neitroniem. Lielākajai daļai atomelektrostaciju ir lēni neitronu reaktori. Papildus atomelektrostacijām iekārtas “strādā” pētniecības centros, uz kodolzemūdenēm utt.
Kā darbojas reaktors
Visiem reaktoriem ir aptuveni vienāda ķēde. Tās “sirds” ir aktīvā zona. To var aptuveni salīdzināt ar parastās plīts kurtuvi. Tikai malkas vietā ir kodoldegviela degvielas elementu veidā ar moderatoru - degvielas stieņiem. Aktīvā zona atrodas sava veida kapsulas iekšpusē - neitronu reflektorā. Degvielas stieņus “mazgā” dzesēšanas šķidrums – ūdens. Jo “sirdī” ir ļoti augsts līmenis radioaktivitāte, to ieskauj uzticama aizsardzība pret radiāciju.
Operatori rūpnīcas darbību kontrolē, izmantojot divas kritiskās sistēmas – ķēdes reakcijas vadību un tālvadības sistēmu. Ja notiek avārija, nekavējoties tiek aktivizēta avārijas aizsardzība.
Kā darbojas reaktors?
Atomu “liesma” ir neredzama, jo procesi notiek kodola skaldīšanas līmenī. Ķēdes reakcijas laikā smagie kodoli sadalās mazākos fragmentos, kas, atrodoties uzbudinātā stāvoklī, kļūst par neitronu un citu subatomisku daļiņu avotiem. Bet ar to process nebeidzas. Neitroni turpina “šķelties”, kā rezultātā izdalās daudz enerģijas, tas ir, kas notiek, kuru dēļ tiek būvētas atomelektrostacijas.
Personāla galvenais uzdevums ir ar vadības stieņu palīdzību uzturēt ķēdes reakciju nemainīgā, regulējamā līmenī. Šī ir tā galvenā atšķirība no atombumba, kur kodolsabrukšanas process ir nekontrolējams un notiek strauji, spēcīga sprādziena veidā.
Kas notika Černobiļas atomelektrostacijā
Viens no galvenajiem Černobiļas atomelektrostacijas katastrofas iemesliem 1986. gada aprīlī bija rupjš ekspluatācijas drošības noteikumu pārkāpums kārtējās apkopes laikā 4. energoblokā. Tad no serdes vienlaikus tika izņemti 203 grafīta stieņi normatīvajos aktos atļauto 15 vietā. Rezultātā aizsāktā nekontrolējamā ķēdes reakcija beidzās ar termisku sprādzienu un pilnīgu spēka agregāta iznīcināšanu.
Jaunās paaudzes reaktori
Par pēdējā desmitgade Krievija ir kļuvusi par vienu no pasaules kodolenerģijas līderiem. Ieslēgts šobrīd Valsts korporācija Rosatom būvē atomelektrostacijas 12 valstīs, kurās tiek būvēti 34 energobloki. Tik liels pieprasījums liecina par mūsdienu Krievijas kodoltehnoloģiju augsto līmeni. Nākamie rindā ir jaunie 4. paaudzes reaktori.
"Bresta"
Viens no tiem ir Breakth, kas tiek attīstīts projekta Breakthrough ietvaros. Pašreizējās atvērtā cikla sistēmas darbojas ar zemu bagātinātu urānu, atstājot lielu daudzumu izlietotās kodoldegvielas apglabāšanai ar milzīgiem izdevumiem. "Brest" - ātro neitronu reaktors ir unikāls savā slēgtajā ciklā.
Tajā izlietotā degviela pēc atbilstošas apstrādes ātro neitronu reaktorā atkal kļūst par pilnvērtīgu degvielu, kuru var iekraut atpakaļ tajā pašā iekārtā.
Bresta izceļas ar augstu drošības līmeni. Tas nekad “neeksplodēs” pat visnopietnākajā avārijā, tas ir ļoti ekonomisks un videi draudzīgs, jo atkārtoti izmanto savu “atjaunoto” urānu. To nevar izmantot arī ieroču kvalitātes plutonija ražošanai, kas paver visplašākās izredzes tā eksportam.
VVER-1200
VVER-1200 ir inovatīvs 3+ paaudzes reaktors ar jaudu 1150 MW. Pateicoties unikālajām tehniskajām iespējām, tai ir gandrīz absolūta ekspluatācijas drošība. Reaktors ir bagātīgi aprīkots ar pasīvām drošības sistēmām, kas darbosies automātiski pat tad, ja nav strāvas padeves.
Viens no tiem ir pasīvā siltuma noņemšanas sistēma, kas tiek automātiski aktivizēta, kad reaktors ir pilnībā atslēgts no sprieguma. Šajā gadījumā tiek nodrošinātas avārijas hidrauliskās tvertnes. Ja primārajā kontūrā ir neparasts spiediena kritums, reaktorā sāk piegādāt lielu daudzumu ūdens, kas satur boru, kas dzēš kodolreakciju un absorbē neitronus.
Vēl viena zinātība atrodas aizsargapvalka apakšējā daļā - kausējuma “slazds”. Ja negadījuma rezultātā serde "izplūst", "slazds" neļaus norobežojuma apvalkam sabrukt un neļaus tam iekļūt radioaktīvie produkti zemē.
Bet tas ir kaut kas, ko mēs bieži nezinām. Un kāpēc arī sprāgst kodolbumba...
Sāksim no tālienes. Katram atomam ir kodols, un kodols sastāv no protoniem un neitroniem - iespējams, visi to zina. Tādā pašā veidā visi redzēja periodisko tabulu. Bet kāpēc ķīmiskie elementi Vai viņi tajā ievietoti tieši tā, nevis citādi? Noteikti ne tāpēc, ka Mendeļejevs tā gribēja. Katra elementa atomu numurs tabulā norāda, cik protonu ir šī elementa atoma kodolā. Citiem vārdiem sakot, dzelzs ir tabulā ar 26. numuru, jo dzelzs atomā ir 26 protoni. Un, ja to nav 26, tas vairs nav dzelzs.
Bet viena un tā paša elementa kodolos var būt atšķirīgs neitronu skaits, kas nozīmē, ka kodolu masa var būt atšķirīga. Viena un tā paša elementa atomus ar dažādu masu sauc par izotopiem. Urānam ir vairāki šādi izotopi: dabā visizplatītākais ir urāns-238 (tā kodolā ir 92 protoni un 146 neitroni, kopā 238). Tas ir radioaktīvs, bet no tā nevar izveidot kodolbumbu. Bet izotops urāns-235, kurā atrodams neliels daudzums urāna rūdas, piemērots kodollādiņam.
Lasītājs, iespējams, ir saskāries ar izteicieniem “bagātināts urāns” un “noplicināts urāns”. Bagātināts urāns satur vairāk urāna-235 nekā dabiskais urāns; noplicinātā stāvoklī attiecīgi mazāk. Bagātinātu urānu var izmantot, lai ražotu plutoniju, citu kodolbumbai piemērotu elementu (dabā tas gandrīz nekad nav sastopams). Kā tiek bagātināts urāns un kā no tā iegūts plutonijs, ir atsevišķas diskusijas tēma.
Tātad, kāpēc sprāgst kodolbumba? Fakts ir tāds, ka daži smagie kodoli mēdz sadalīties, ja tos skar neitrons. Un jums nebūs ilgi jāgaida līdz brīvam neitronam – to lidinās daudz. Tātad šāds neitrons ietriecas urāna-235 kodolā un tādējādi sadala to “fragmentos”. Tas atbrīvo vēl dažus neitronus. Vai varat uzminēt, kas notiks, ja apkārt būs viena un tā paša elementa kodoli? Tieši tā, notiks ķēdes reakcija. Tā tas notiek.
Kodolreaktorā, kur urāns-235 ir “izšķīdināts” stabilākajā urānā-238, normālos apstākļos sprādziens nenotiek. Lielākā daļa neitronu, kas izlido no sadalīšanās kodoliem, aizlido pienā, neatrodot urāna-235 kodolus. Reaktorā kodolu sabrukšana notiek “lēnīgi” (bet ar to pietiek, lai reaktors nodrošinātu enerģiju). Vienā urāna-235 gabalā, ja tam būs pietiekama masa, neitroni garantēs, ka sadalīs kodolus, ķēdes reakcija sāksies kā lavīna, un... Beidz! Galu galā, ja jūs izveidojat urāna-235 vai plutonija gabalu ar sprādzienam nepieciešamo masu, tas nekavējoties eksplodēs. Tas nav galvenais.
Ko darīt, ja jūs paņemat divus subkritiskās masas gabalus un piespiežat tos vienu pret otru, izmantojot tālvadības mehānismu? Piemēram, ievieto abus mēģenē un piestiprina pie viena pulvera lādiņu, lai īstajā brīdī viens gabals kā šāviņš tiktu izšauts uz otru. Šeit ir problēmas risinājums.
To var izdarīt citādi: paņemiet sfērisku plutonija gabalu un pievienojiet sprādzienbīstamus lādiņus pa visu tā virsmu. Kad šie lādiņi detonē pēc komandas no ārpuses, to sprādziens saspiedīs plutoniju no visām pusēm, saspiedīs to līdz kritiskajam blīvumam, un notiks ķēdes reakcija. Tomēr šeit ir svarīga precizitāte un uzticamība: visiem sprādzienbīstamiem lādiņiem ir jāizslēdzas vienlaikus. Ja daži no tiem strādā, bet daži ne, vai daži strādā vēlu, kodolsprādziens nenotiks: plutonijs netiks saspiests līdz kritiskajai masai, bet izkliedēsies gaisā. Kodolbumbas vietā jūs iegūsit tā saukto “netīro”.
Šādi izskatās sprādziena tipa kodolbumba. Lādiņi, kuriem vajadzētu radīt virzītu sprādzienu, ir izgatavoti daudzskaldņu formā, lai pēc iespējas ciešāk nosegtu plutonija sfēras virsmu.
Pirmā veida ierīces sauca par lielgabala ierīci, otro veidu - par sprādziena ierīci.
Uz Hirosimas nomestajai bumbai "Little Boy" bija urāna-235 lādiņš un lielgabala tipa ierīce. Resnā cilvēka bumba, kas tika uzspridzināta virs Nagasaki, nesa plutonija lādiņu, un sprādzienbīstamā ierīce bija eksplozija. Mūsdienās ieroču tipa ierīces gandrīz nekad neizmanto; implozijas ir sarežģītākas, taču tajā pašā laikā tās ļauj regulēt kodollādiņa masu un racionālāk to tērēt. Un plutonijs ir aizstājis urānu-235 kā kodolsprāgstvielu.
Pagāja diezgan daži gadi, un fiziķi piedāvāja militārpersonām vēl jaudīgāku bumbu - kodoltermisko bumbu vai, kā to sauc arī, ūdeņraža bumbu. Izrādās, ka ūdeņradis sprāgst spēcīgāk nekā plutonijs?
Ūdeņradis patiešām ir sprādzienbīstams, bet ne tik sprādzienbīstams. Tomēr ūdeņraža bumbā nav “parastā” ūdeņraža, kas izmanto tā izotopus - deitēriju un tritiju. “Parastā” ūdeņraža kodolā ir viens neitrons, deitērija – divi, bet tritijam – trīs.
Kodolbumbā smagā elementa kodoli tiek sadalīti vieglāko kodolos. Kodolsintēzes gadījumā notiek pretējs process: vieglie kodoli saplūst viens ar otru smagākos. Piemēram, deitērija un tritija kodoli apvienojas, veidojot hēlija kodolus (citādi sauktus par alfa daļiņām), un “papildu” neitrons tiek nosūtīts “brīvā lidojumā”. Tas atbrīvo ievērojami vairāk enerģijas nekā plutonija kodolu sabrukšanas laikā. Starp citu, tieši šāds process notiek uz Saules.
Tomēr saplūšanas reakcija ir iespējama tikai ļoti augstā temperatūrā (tāpēc to sauc par kodoltermisko). Kā panākt deitērija un tritija reakciju? Jā, tas ir ļoti vienkārši: jums ir jāizmanto kodolbumba kā detonators!
Tā kā deitērijs un tritijs paši ir stabili, to lādiņš kodolbumbā var būt patvaļīgi milzīgs. Tas nozīmē, ka kodolbumbu var padarīt nesalīdzināmi jaudīgāku par “vienkāršo” kodolbumbu. Uz Hirosimas nomestā "mazuļa" trotila ekvivalents bija aptuveni 18 kilotonnas, un tas ir visspēcīgākais. ūdeņraža bumba(tā sauktā "Cara Bomba", pazīstama arī kā "Kuzkas māte") - jau 58,6 megatonnas, vairāk nekā 3255 reizes jaudīgāks nekā "Mazulis"!
Cara Bombas "sēņu" mākonis pacēlās 67 kilometru augstumā, un sprādziena vilnis trīs reizes aplidoja zemeslodi.
Tomēr šāds milzīgs spēks ir acīmredzami pārmērīgs. “Pietiekami spēlējuši” ar megatonu bumbām, militārie inženieri un fiziķi izvēlējās citu ceļu - kodolieroču miniaturizācijas ceļu. To parastajā formā kodolieročus var nomest no stratēģiskiem bumbvedējiem, piemēram, aviācijas bumbām, vai palaist no ballistiskajām raķetēm; ja tos miniaturizē, iegūst kompaktu kodollādiņu, kas kilometrus apkārt neiznīcina visu un ko var novietot uz artilērijas lādiņa vai gaiss-zeme raķetes. Palielināsies mobilitāte un paplašināsies risināmo uzdevumu loks. Papildus stratēģiskajiem kodolieročiem saņemsim arī taktiskos.
Taktiskajiem kodolieročiem ir izstrādātas dažādas piegādes sistēmas – kodollielgabali, mīnmetēji, bezatsitiena šautenes (piemēram, amerikānis Deivijs Krokets). PSRS pat bija kodolložu projekts. Tiesa, no tā nācās atteikties – kodollodes bija tik neuzticamas, tik sarežģītas un dārgas ražot un uzglabāt, ka no tām nebija jēgas.
"Deivijs Krokets." Vairāki no šiem kodolieročiem kalpoja ASV bruņotajos spēkos, un Rietumvācijas aizsardzības ministrs nesekmīgi mēģināja ar tiem apbruņot Bundesvēru.
Runājot par mazajiem kodolieročiem, ir vērts pieminēt vēl vienu kodolieroču veidu - neitronu bumbu. Plutonija lādiņš tajā ir mazs, taču tas nav nepieciešams. Ja kodolbumba seko sprādziena spēka palielināšanas ceļam, tad neitronu bumba paļaujas uz citu kaitīgu faktoru - starojumu. Lai uzlabotu starojumu, neitronu bumba satur berilija izotopu, kas pēc sprādziena rada milzīgu skaitu ātru neitronu.
Pēc tās radītāju domām, neitronu bumbai ir jānogalina ienaidnieka personāls, bet jāatstāj neskarts aprīkojums, ko pēc tam var sagūstīt ofensīvas laikā. Praksē izrādījās nedaudz savādāk: apstarotās iekārtas kļūst nelietojamas - ikviens, kurš uzdrošinās to vadīt, ļoti drīz “nopelnās” staru slimību. Tas nemaina faktu, ka neitronu bumbas sprādziens spēj trāpīt ienaidniekam caur tanka bruņām; neitronu munīciju ASV izstrādāja īpaši kā ieroci pret padomju tanku formācijām. Tomēr drīz tika izstrādātas tanku bruņas, kas nodrošināja zināmu aizsardzību pret ātro neitronu plūsmu.
Cits kodolieroču veids tika izgudrots 1950. gadā, bet nekad (cik zināms) netika ražots. Šī ir tā sauktā kobalta bumba – kodollādiņš ar kobalta čaulu. Sprādziena laikā kobalts, ko apstaro neitronu straume, kļūst par ārkārtīgi radioaktīvu izotopu un tiek izkliedēts visā teritorijā, piesārņojot to. Tikai viena šāda pietiekamas jaudas bumba varētu pārklāt visu zemeslodi ar kobaltu un iznīcināt visu cilvēci. Par laimi, šis projekts palika projekts.
Ko mēs varam teikt noslēgumā? Kodolbumba ir patiesi šausmīgs ierocis, un tajā pašā laikā tā (kāds paradokss!) palīdzēja uzturēt relatīvu mieru starp lielvarām. Ja jūsu ienaidniekam ir kodolieroči, jūs desmit reizes padomāsit, pirms uzbruksit viņam. Nevienai valstij ar kodolarsenālu nekad nav uzbrukts no ārpuses, un kopš 1945. gada pasaulē nav bijuši kari starp lielākajām valstīm. Cerēsim, ka tādu nebūs.
Sprādzienbīstams raksturs
Urāna kodols satur 92 protonus. Dabiskais urāns galvenokārt ir divu izotopu maisījums: U238 (kura kodolā ir 146 neitroni) un U235 (143 neitroni), un tikai 0,7% no pēdējiem ir dabiskajā urānā. Ķīmiskās īpašības izotopi ir absolūti identiski, un tāpēc tos nav iespējams atdalīt ar ķīmiskām metodēm, taču masu atšķirība (235 un 238 vienības) ļauj to izdarīt ar fizikālām metodēm: urāna maisījumu pārvērš gāzē (urāna heksafluorīds), un pēc tam izsūknēts cauri neskaitāmām porainām starpsienām. Lai gan urāna izotopus nevar atšķirt ne ar vienu izskats, ne arī ķīmiski, tos atdala bezdibenis kodolrakstu īpašībās.
U238 skaldīšanas process ir apmaksāts process: neitronam, kas ierodas no ārpuses, ir jānes līdzi enerģija - 1 MeV vai vairāk. Un U235 ir nesavtīgs: no ienākošā neitrona nekas nav vajadzīgs ierosināšanai un sekojošai sabrukšanai, tā saistīšanas enerģija kodolā ir pilnīgi pietiekama.
Kad neitrons ietriecas kodolā, kas spēj skaldīties, veidojas nestabils savienojums, taču ļoti ātri (pēc 10-23-10-22 s) šāds kodols sadalās divos nevienādos masas fragmentos un “acumirklī” (10 laikā). −16−10−14 c) izstaro divus vai trīs jaunus neitronus, lai laika gaitā skaldāmo kodolu skaits varētu vairoties (šo reakciju sauc par ķēdes reakciju). Tas ir iespējams tikai U235, jo mantkārīgais U238 nevēlas dalīties no saviem neitroniem, kuru enerģija ir par kārtu mazāka par 1 MeV. Sadalīšanās produktu daļiņu kinētiskā enerģija ir daudzkārt lielāka par enerģiju, kas izdalās jebkuras ķīmiskas reakcijas laikā, kurā nemainās kodolu sastāvs.
Kritiskā montāža
Sadalīšanās produkti ir nestabili, un tiem nepieciešams ilgs laiks, lai “atkoptos”, izdalot dažādus starojumus (tostarp neitronus). Neitronus, kas tiek emitēti ievērojamu laiku (līdz desmitiem sekunžu) pēc skaldīšanas, sauc par aizkavētiem, un, lai gan to īpatsvars ir neliels, salīdzinot ar momentānajiem (mazāk par 1%), to loma kodoliekārtu darbībā ir vislielākā. svarīgi.
Sadalīšanās produkti daudzu sadursmju laikā ar apkārtējiem atomiem atdod tiem savu enerģiju, paaugstinot temperatūru. Pēc neitronu parādīšanās mezglā ar skaldāmo materiālu siltuma izdalīšanas jauda var palielināties vai samazināties, un mezgla parametrus, kurā skaldīšanas gadījumu skaits laika vienībā ir nemainīgs, sauc par kritiskiem. Montāžas kritiskumu var uzturēt gan ar lielu, gan mazu neitronu skaitu (ar attiecīgi lielāku vai mazāku siltuma izdalīšanas jaudu). Siltuma jauda tiek palielināta, vai nu iesūknējot papildu neitronus kritiskajā mezglā no ārpuses, vai arī padarot mezglu superkritisku (tad papildu neitronus piegādā arvien vairāk skaldāmo kodolu paaudzes). Piemēram, ja nepieciešams palielināt reaktora siltuma jaudu, tas tiek novests uz režīmu, kurā katra tūlītējo neitronu paaudze ir nedaudz mazāka nekā iepriekšējā, bet, pateicoties aizkavētajiem neitroniem, reaktors tikko manāmi pāriet uz reaktoru. kritiskais stāvoklis. Tad tas nepaātrinās, bet lēnām iegūst jaudu – lai tā pieaugumu īstajā brīdī varētu apturēt, ieviešot neitronu absorbētājus (kadmiju vai boru saturošus stieņus).
Neitroni, kas rodas skaldīšanas laikā, bieži lido garām apkārtējiem kodoliem, neizraisot turpmāku skaldīšanu. Jo tuvāk materiāla virsmai rodas neitrons, jo lielāka iespēja, ka tas izkļūs no skaldāmā materiāla un vairs neatgriezīsies. Tāpēc montāžas forma, kas ietaupa vislielāko neitronu skaitu, ir sfēra: noteiktai vielas masai tai ir minimālais virsmas laukums. Neieskauta (vientuļa) bumba no 94% U235 bez dobumiem iekšpusē kļūst kritiska ar masu 49 kg un rādiusu 85 mm. Ja tā paša urāna komplekts ir cilindrs, kura garums ir vienāds ar diametru, tas kļūst kritisks ar masu 52 kg. Arī virsmas laukums samazinās, palielinoties blīvumam. Tāpēc sprādzienbīstama saspiešana, nemainot skaldāmā materiāla daudzumu, var novest komplektu kritiskā stāvoklī. Tieši šis process ir kodollādiņa kopējās konstrukcijas pamatā.
Bumbu montāža
Bet visbiežāk kodolieročos tiek izmantots nevis urāns, bet gan plutonijs-239. To ražo reaktoros, apstarojot urānu-238 ar jaudīgām neitronu plūsmām. Plutonijs maksā apmēram sešas reizes vairāk nekā U235, bet, sadaloties, Pu239 kodols izstaro vidēji 2,895 neitronus – vairāk nekā U235 (2,452). Turklāt plutonija skaldīšanas iespējamība ir lielāka. Tas viss noved pie tā, ka vientuļa Pu239 bumbiņa kļūst kritiska ar gandrīz trīs reizes mazāku masu nekā urāna lode, un pats galvenais - ar mazāku rādiusu, kas ļauj samazināt kritiskā mezgla izmērus.
Montāža ir izgatavota no divām rūpīgi piestiprinātām pusēm sfēriska slāņa veidā (iekšpusē doba); tas ir acīmredzami subkritisks - pat termiskajiem neitroniem un pat pēc moderatora ielenkuma. Ap ļoti precīzi uzstādītu sprāgstvielu bloku komplektu ir uzstādīts lādiņš. Lai glābtu neitronus, sprādziena laikā ir jāsaglabā lodes cēlā forma - lai to panāktu, sprāgstvielas slānis ir jādetonē vienlaikus visā tā garumā. ārējā virsma, vienmērīgi nospiežot mezglu. Plaši tiek uzskatīts, ka tas prasa daudz elektrisko detonatoru. Bet tas tā bija tikai "bumbas konstruēšanas" rītausmā: lai iedarbinātu vairākus desmitus detonatoru, bija nepieciešams daudz enerģijas un ievērojams iedarbināšanas sistēmas izmērs. Mūsdienu lādiņos izmantoti vairāki pēc speciālas tehnikas izvēlēti, pēc īpašībām līdzīgi detonatori, no kuriem polikarbonāta slānī izfrēzētās rievās (kuru forma uz sfēriskas virsmas tiek aprēķināta, izmantojot Rīmaņa ģeometriju) tiek iedarbinātas ļoti stabilas (detonācijas ātruma ziņā) sprāgstvielas. metodes). Detonācija ar ātrumu aptuveni 8 km/s virzīsies pa rievām absolūti vienādos attālumos, vienā un tajā pašā laika momentā nonāks bedrēs un detonēs galveno lādiņu - vienlaicīgi visos nepieciešamajos punktos.
Sprādziens iekšā
Uz iekšu vērstais sprādziens saspiež mezglu ar spiedienu, kas pārsniedz miljonu atmosfēru. Montāžas virsma samazinās, plutonijā gandrīz pazūd iekšējais dobums, palielinās blīvums, un ļoti ātri - desmit mikrosekunžu laikā saspiežamais mezgls iziet kritisko stāvokli ar termiskajiem neitroniem un kļūst ievērojami superkritisks ar ātrajiem neitroniem.
Pēc perioda, ko nosaka nenozīmīgs ātro neitronu nenozīmīgas palēnināšanās laiks, katra jaunā, daudzskaitlīgākā to paaudze, skaldoties pievieno 202 MeV enerģiju montāžas vielai, kas jau tā plosās ar milzīgu spiedienu. Notiekošo parādību mērogā pat vislabāko leģēto tēraudu izturība ir tik niecīga, ka nevienam neienāk prātā to ņemt vērā, aprēķinot sprādziena dinamiku. Vienīgais, kas neļauj mezglam izlidot, ir inerce: lai plutonija lodi paplašinātu tikai par 1 cm desmitos nanosekundēs, vielai ir jāpiešķir paātrinājums, kas ir desmitiem triljonu reižu lielāks nekā paātrinājums. brīvā kritiena, un tas nav viegli.
Galu galā matērija tomēr izkliedējas, skaldīšanās apstājas, taču process ar to nebeidzas: enerģija tiek pārdalīta starp atdalīto kodolu jonizētajiem fragmentiem un citām dalīšanās laikā izdalītajām daļiņām. Viņu enerģija ir desmitiem un pat simtiem MeV, bet tikai elektriski neitrāliem augstas enerģijas gamma kvantiem un neitroniem ir iespēja izvairīties no mijiedarbības ar vielu un “aizbēgt”. Uzlādētās daļiņas ātri zaudē enerģiju sadursmju un jonizācijas aktos. Šajā gadījumā tiek izstarots starojums - tomēr tas vairs nav ciets kodolstarojums, bet gan mīkstāks, ar enerģiju par trim kārtām zemāku, bet tomēr vairāk nekā pietiekams, lai izsistītu elektronus no atomiem - ne tikai no ārējiem apvalkiem, bet no visa kopumā. Nonāk tukšu kodolu, atdalītu elektronu un starojuma maisījums ar blīvumu grami uz kubikcentimetru (mēģiniet iedomāties, cik labi jūs varat iedegties gaismā, kas ieguvusi alumīnija blīvumu!) - viss, kas pirms brīža bija lādiņš. kaut kāda līdzsvara līdzība. Ļoti jaunā ugunsbumbā temperatūra sasniedz desmitiem miljonu grādu.
Ugunsbumba
Šķiet, ka pat mīkstam starojumam, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu, vajadzētu atstāt matēriju, kas to radīja, tālu aiz muguras, taču tas tā nav: aukstā gaisā Kev enerģiju kvantu diapazons ir centimetri, un tie nepārvietojas taisna līnija, bet mainīt kustības virzienu, atkārtoti izstarot ar katru mijiedarbību. Kvanti jonizē gaisu un izplatās pa to, piemēram, ķiršu sulu, kas ielej glāzē ūdens. Šo parādību sauc par starojuma difūziju.
Jaunas 100 kt sprādziena ugunsbumbai dažas desmitus nanosekundes pēc skaldīšanas pārrāvuma beigām ir 3 m rādiuss un gandrīz 8 miljoni Kelvinu. Bet pēc 30 mikrosekundēm tā rādiuss ir 18 m, lai gan temperatūra nokrītas zem miljona grādiem. Bumba aprij telpu, un jonizētais gaiss aiz tās priekšpuses gandrīz nekustas: difūzijas laikā starojums tai nevar pārnest ievērojamu impulsu. Bet tas iesūknē milzīgu enerģiju šajā gaisā, sildot to, un, kad starojuma enerģija beidzas, bumbiņa sāk augt karstās plazmas izplešanās dēļ, no iekšpuses pārsprāgstot ar to, kas agrāk bija lādiņš. Paplašinoties, līdzīgi kā uzpūstam burbulim, plazmas apvalks kļūst plānāks. Atšķirībā no burbuļa, protams, nekas to neuzpūš: ar iekšā Matērijas gandrīz vairs nav, tas viss lido no centra pēc inerces, bet 30 mikrosekundes pēc sprādziena šī lidojuma ātrums ir vairāk nekā 100 km/s, un hidrodinamiskais spiediens matērijā ir vairāk nekā 150 000 atm! Apvalkam nav lemts kļūt pārāk plānai, tas plīst, veidojot “tulznas”.
Kurš no ugunsbumbas enerģijas pārraides mehānismiem vidi dominē, ir atkarīgs no sprādziena jaudas: ja tas ir liels, galvenā loma ir starojuma difūzijai, ja tā ir maza, liela nozīme ir plazmas burbuļa paplašināšanai; Ir skaidrs, ka ir iespējams arī starpgadījums, kad abi mehānismi ir efektīvi.
Process uztver jaunus gaisa slāņus, vairs nav pietiekami daudz enerģijas, lai atdalītu visus elektronus no atomiem. Jonizētā slāņa enerģija un plazmas burbuļa fragmenti vairs nespēj kustināt sev priekšā esošo milzīgo masu un manāmi palēninās. Bet tas, kas bija gaiss pirms sprādziena kustas, atraujoties no bumbas, uzņemot arvien jaunus aukstā gaisa slāņus... Sākas triecienviļņa veidošanās.
Trieciena vilnis un atomsēne
Trieciena vilnim atdaloties no ugunsbumbas, mainās izstarojošā slāņa raksturlielumi un strauji palielinās starojuma jauda spektra optiskajā daļā (tā sauktais pirmais maksimums). Tālāk sacenšas apgaismojuma procesi un apkārtējā gaisa caurspīdīguma izmaiņas, kā rezultātā tiek realizēts otrais maksimums, mazāk jaudīgs, bet daudz ilgāks - tik daudz, ka gaismas enerģijas izvade ir lielāka nekā pirmajā maksimumā. .
Netālu no sprādziena viss apkārt iztvaiko, tālāk kūst, bet vēl tālāk, kur siltuma plūsma vairs nav pietiekama, lai izkausētu cietās vielas, augsne, akmeņi, mājas plūst kā šķidrums, zem milzīgā gāzes spiediena, kas iznīcina visas stiprās saites. , uzkarsēts līdz acīm nepanesamam mirdzumam.
Visbeidzot triecienvilnis iet tālu no sprādziena punkta, kur irdens un novājināts, bet daudzkārt paplašināts tvaiku mākonis, kas bija lādiņa plazma un kas bija tuvu savā briesmīgajā stundā, paliek kondensēts, pārvērtās par sīkus un ļoti radioaktīvus putekļus uz vietu, no kuras jāpaliek pēc iespējas tālāk. Sāk celties mākonis. Tas atdziest, mainot savu krāsu, “uzliek” baltu kondensētā mitruma vāciņu, kam seko putekļi no zemes virsmas, veidojot “kāju” tai, ko parasti sauc par “atomu sēnēm”.
Neitronu iniciācija
Uzmanīgi lasītāji ar zīmuli rokās var novērtēt enerģijas izdalīšanos sprādziena laikā. Ja laiks, kad iekārta atrodas superkritiskā stāvoklī, ir mikrosekunžu kārtībā, neitronu vecums ir pikosekundēs un reizināšanas koeficients ir mazāks par 2, tiek atbrīvots aptuveni gigadžouls enerģijas, kas ir līdzvērtīgs ... 250 kg trotila. Kur ir kilo un megatonnas?
Fakts ir tāds, ka dalīšanās ķēde mezglā nesākas ar vienu neitronu: vajadzīgajā mikrosekundē tie tiek ievadīti superkritiskajā mezglā miljoniem. Pirmajos kodollādiņos šim nolūkam tika izmantoti izotopu avoti, kas atradās dobumā plutonija mezgla iekšpusē: polonijs-210 saspiešanas brīdī apvienojās ar beriliju un izraisīja neitronu emisiju ar tā alfa daļiņām. Bet visi izotopu avoti ir diezgan vāji (pirmajā amerikāņu produktā mikrosekundē tika izveidots mazāk nekā miljons neitronu), un polonijs ir ļoti ātri bojājošs - tikai 138 dienās tas samazina savu aktivitāti uz pusi. Tāpēc izotopi tika aizstāti ar mazāk bīstamiem (kas neizdala, kad tie nav ieslēgti), un galvenais, neitronu lampas, kas izstaro intensīvāk (skat. sānjoslu): dažās mikrosekundēs (caurules radītais impulss ilgst tik ilgi ), dzimst simtiem miljonu neitronu. Bet, ja tas nedarbojas vai darbojas nepareizā laikā, notiks tā sauktais sprādziens vai “zilch” - mazjaudas termiskais sprādziens.
Neitronu ierosināšana ne tikai palielina kodolsprādziena enerģijas izdalīšanos par daudzām kārtām, bet arī dod iespēju to regulēt! Skaidrs, ka, saņemot kaujas misiju, kurā jānorāda kodoltrieciena jauda, neviens neizjauc lādiņu, lai to aprīkotu ar konkrētai jaudai optimālu plutonija komplektu. Munīcijā ar pārslēdzamu TNT ekvivalentu pietiek vienkārši nomainīt neitronu caurules barošanas spriegumu. Attiecīgi mainīsies neitronu iznākums un enerģijas izdalīšanās (protams, tādā veidā samazinot jaudu, tiek iztērēts daudz dārgā plutonija).
Bet viņi sāka domāt par nepieciešamību regulēt enerģijas izdalīšanos daudz vēlāk un pirmajā pēckara gadi par jaudas samazināšanu nevarēja būt ne runas. Spēcīgāks, spēcīgāks un spēcīgāks! Bet izrādījās, ka subkritiskās sfēras pieļaujamajiem izmēriem ir kodolfiziski un hidrodinamiski ierobežojumi. TNT ekvivalents simts kilotonnu sprādzienam ir tuvu fiziskai robežai vienfāzes munīcijai, kurā notiek tikai skaldīšanās. Rezultātā skaldīšana tika atmesta kā galvenais enerģijas avots, un uzmanība tika pievērsta citas klases reakcijām - kodolsintēzei.
Nepareizi priekšstati par kodolenerģiju
Plutonija blīvums sprādziena brīdī palielinās fāzes pārejas dēļ
Metāliskais plutonijs pastāv sešās fāzēs, kuru blīvums svārstās no 14,7 līdz 19,8 g/cm3. Temperatūrā, kas zemāka par 119 °C, ir monoklīniskā alfa fāze (19,8 g/cm3), taču šāds plutonijs ir ļoti trausls, un kubiskā seja centrētajā delta fāzē (15,9) tas ir plastisks un labi apstrādāts (tieši šī fāze viņi cenšas saglabāt, izmantojot leģējošas piedevas). Detonācijas kompresijas laikā nevar notikt fāžu pārejas – plutonijs atrodas kvazišķidra stāvoklī. Fāžu pārejas ir bīstamas ražošanas laikā: kad lieli izmēri daļām, pat ar nelielām blīvuma izmaiņām ir iespējams sasniegt kritisko stāvokli. Protams, sprādziena nebūs – sagatave vienkārši uzkarsīs, bet var izdalīties niķeļa pārklājums (un plutonijs ir ļoti toksisks).
Neitronu avots
Pirmajās kodolbumbās tika izmantots berilija-polonija neitronu avots. Mūsdienu lādiņos tiek izmantotas daudz ērtākas neitronu lampas Vakuuma neitronu caurulē starp ar tritiju piesātinātu mērķi (katodu) (1) un anoda bloku (2) tiek pielikts 100 kV impulsa spriegums. Kad spriegums ir maksimālais, starp anodu un katodu jāatrodas deitērija joniem, kas jāpaātrina. Šim nolūkam tiek izmantots jonu avots. Uz tā anoda (3) tiek pievadīts aizdedzes impulss, un izlāde, kas iet pa deitērija piesātinātās keramikas virsmu (4), veido deitērija jonus. Paātrinājušies, tie bombardē ar tritiju piesātinātu mērķi, kā rezultātā tiek atbrīvota enerģija 17,6 MeV un veidojas neitroni un hēlija-4 kodoli.
Daļiņu sastāva un vienmērīgas enerģijas izvades ziņā šī reakcija ir identiska saplūšanai – vieglo kodolu saplūšanas procesam. Piecdesmitajos gados daudzi uzskatīja, ka tā ir saplūšana, bet vēlāk izrādījās, ka caurulē notiek “pārtraukums”: vai nu protons, vai neitrons (kas veido deitērija jonu, ko paātrina elektriskais lauks) “iestrēgst”. mērķa kodolā (tritijs) . Ja protons iestrēgst, neitrons atdalās un kļūst brīvs.
Neitroni - lēni un ātri
Nesadalāmā vielā, “atlecot” no kodoliem, neitroni nodod tiem daļu savas enerģijas, jo lielāks ir vieglāks (masas ziņā tiem tuvāks) kodols. Jo vairāk sadursmju neitroni piedalās, jo vairāk tie palēninās, un tad, visbeidzot, tie nonāk termiskā līdzsvarā ar apkārtējo vielu - tiek termiski apstrādāti (tas aizņem milisekundes). Termiskā neitronu ātrums ir 2200 m/s (enerģija 0,025 eV). Neitroni var izkļūt no moderatora un tos uztver tā kodoli, bet ar mērenību to spēja iesaistīties kodolreakcijās ievērojami palielinās, tāpēc neitroni, kas netiek “pazaudēti”, vairāk nekā kompensē skaita samazināšanos.
Tādējādi, ja skaldmateriāla bumbiņu ieskauj moderators, daudzi neitroni atstās vai absorbēsies tajā, bet būs arī tādi, kas atgriezīsies lodītē (“atspīdēs”) un, zaudējuši enerģiju, ir daudz lielāka iespēja izraisīt skaldīšanas notikumus. Ja bumbiņu ieskauj 25 mm biezs berilija slānis, tad var ietaupīt 20 kg U235 un tomēr sasniegt montāžas kritisko stāvokli. Taču šādi ietaupījumi rodas uz laika rēķina: katrai nākamajai neitronu paaudzei vispirms ir jāpalēninās, pirms izraisa skaldīšanu. Šī kavēšanās samazina neitronu paaudžu skaitu, kas dzimuši laika vienībā, kas nozīmē, ka enerģijas izdalīšanās tiek aizkavēta. Jo mazāk skaldāmo materiālu komplektā, jo vairāk ir nepieciešams moderators, lai attīstītu ķēdes reakciju, un skaldīšana notiek ar arvien mazākas enerģijas neitroniem. Ierobežotajā gadījumā, kad kritiskums tiek panākts tikai ar termiskiem neitroniem, piemēram, urāna sāļu šķīdumā labā moderatorā - ūdenī, mezglu masa ir simtiem gramu, bet šķīdums vienkārši periodiski uzvārās. Izdalītie tvaika burbuļi samazina skaldāmās vielas vidējo blīvumu, ķēdes reakcija apstājas, un, kad burbuļi atstāj šķidrumu, atkārtojas skaldīšanas uzliesmojums (ja aizsērēsiet trauku, tvaiks to pārplīsīs - bet tas būs termisks sprādziens, bez visām tipiskajām “kodolenerģijas” pazīmēm).
Video: kodolsprādzieni
Abonējiet un lasiet mūsu labākās publikācijas Yandex.Zen. Skaties skaistas fotogrāfijas no visas pasaules mūsu lapā Instagram
Ja atrodat kļūdu, lūdzu, atlasiet teksta daļu un nospiediet Ctrl+Enter.
Simtiem tūkstošu slavenu un aizmirstu senatnes ieroču kalēju cīnījās, meklējot ideālo ieroci, kas ar vienu klikšķi spēj iztvaikot ienaidnieka armiju. Ik pa laikam šo meklējumu pēdas var atrast pasakās, kas vairāk vai mazāk ticami apraksta brīnumzobenu vai loku, kas trāpa nepalaižot garām.
Par laimi, tehnoloģiskais progress ilgu laiku virzījās tik lēni, ka patiesais postošā ieroča iemiesojums palika sapņos un mutvārdu stāstos, vēlāk arī grāmatu lappusēs. 19. gadsimta zinātniskais un tehnoloģiskais lēciens nodrošināja apstākļus 20. gadsimta galvenās fobijas radīšanai. Reālos apstākļos radītā un pārbaudītā kodolbumba radīja revolūciju gan militārajās lietās, gan politikā.
Ieroču radīšanas vēsture
Ilgu laiku tika uzskatīts, ka visspēcīgākos ieročus var izveidot, tikai izmantojot sprāgstvielas. Zinātnieku atklājumi, kas strādā ar mazākajām daļiņām, sniedza zinātniskus pierādījumus tam, ka ar elementārdaļiņu palīdzību var radīt milzīgu enerģiju. Pirmo pētnieku sērijā var saukt par Bekerelu, kurš 1896. gadā atklāja urāna sāļu radioaktivitāti.
Pats urāns ir zināms jau kopš 1786. gada, taču tobrīd neviens nenojauta par tā radioaktivitāti. Zinātnieku darbs pie 19. gadsimta mija un divdesmitie gadsimti atklāja ne tikai īpašas fizikālās īpašības, bet arī iespēju iegūt enerģiju no radioaktīvām vielām.
Iespēju izgatavot ieročus uz urāna bāzes pirmo reizi detalizēti aprakstīja, publicēja un patentēja franču fiziķi Džolio-Kirī 1939. gadā.
Neskatoties uz ieroču vērtību, paši zinātnieki stingri iebilda pret šāda postoša ieroča izveidi.
Pārdzīvojuši Otro pasaules karu pretošanās spēkos, 50. gados pāris (Frederiks un Irēna), apzinoties kara postošo spēku, iestājās par vispārēju atbruņošanos. Tos atbalsta Nīls Bors, Alberts Einšteins un citi ievērojami tā laika fiziķi.
Tikmēr, kamēr Džolio-Kirī bija aizņemti ar nacistu problēmu Parīzē, planētas otrā pusē, Amerikā, tika izstrādāts pasaulē pirmais kodollādiņš. Robertam Oppenheimeram, kurš vadīja darbu, tika piešķirtas visplašākās pilnvaras un milzīgi resursi. 1941. gada beigas iezīmēja Manhetenas projekta sākumu, kas galu galā noveda pie pirmās kaujas kodolgalviņas izveides.
Los Alamos pilsētā, Ņūmeksikā, tika uzceltas pirmās ieroču kvalitātes urāna ražotnes. Pēc tam līdzīgi kodolcentri parādījās visā valstī, piemēram, Čikāgā, Oak Ridžā, Tenesī štatā, un pētījumi tika veikti Kalifornijā. Bumbas radīšanā tika iemesti labākie Amerikas universitāšu profesoru, kā arī no Vācijas aizbēgušo fiziķu spēki.
Pašā “Trešajā reihā” tika uzsākts darbs pie jauna veida ieroča izveides fīreram raksturīgā veidā.
Tā kā “Besnovati” vairāk interesēja tanki un lidmašīnas, un jo vairāk, jo labāk, viņš neredzēja lielu vajadzību pēc jaunas brīnumbumbas.
Attiecīgi projekti, kurus Hitlers neatbalstīja labākais scenārijs kustējās gliemeža ātrumā.
Kad sāka kļūt karsts, un izrādījās, ka tankus un lidmašīnas aprijusi Austrumu fronte, jaunais brīnumierocis guva atbalstu. Bet bija par vēlu, bombardēšanas apstākļos un pastāvīgās bailēs no padomju tanku ķīļiem nebija iespējams izveidot ierīci ar kodolkomponentu.
Padomju Savienība bija uzmanīgāks pret iespēju izveidot jauna veida iznīcinošo ieroci. Pirmskara periodā fiziķi vāca un nostiprināja vispārējās zināšanas par kodolenerģiju un kodolieroču radīšanas iespējām. Izlūkošana intensīvi strādāja visu kodolbumbas radīšanas laiku gan PSRS, gan ASV. Karam bija nozīmīga loma attīstības tempu palēnināšanā, jo milzīgi resursi devās uz fronti.
Tiesa, akadēmiķis Igors Vasiļjevičs Kurčatovs ar viņam raksturīgo neatlaidību veicināja visu pakļauto nodaļu darbu šajā virzienā. Nedaudz raugoties uz priekšu, tieši viņam tiks uzdots paātrināt ieroču izstrādi, saskaroties ar amerikāņu trieciena draudiem PSRS pilsētām. Tieši viņam, stāvot simtiem un tūkstošiem zinātnieku un strādnieku milzīgas mašīnas grantī, tiks piešķirts padomju kodolbumbas tēva goda nosaukums.
Pasaulē pirmie testi
Bet atgriezīsimies pie Amerikas kodolprogrammas. Līdz 1945. gada vasarai amerikāņu zinātniekiem izdevās izveidot pasaulē pirmo kodolbumbu. Jebkurš zēns, kurš pats uztaisījis vai veikalā iegādājies jaudīgu petardi, piedzīvo neparastas mokas, vēloties to pēc iespējas ātrāk uzspridzināt. 1945. gadā simtiem amerikāņu karavīru un zinātnieku piedzīvoja to pašu.
1945. gada 16. jūnijā Alamogordo tuksnesī, Ņūmeksikā, notika pirmais kodolieroču izmēģinājums un viens no līdz šim spēcīgākajiem sprādzieniem.
Aculiecinieki, kas vēroja sprādzienu no bunkura, bija pārsteigti par spēku, ar kādu lādiņš eksplodēja 30 metrus augstā tērauda torņa virsotnē. Sākumā visu pārpludināja gaisma, vairākas reizes spēcīgāka par sauli. Tad debesīs pacēlās uguns bumba, kas pārvērtās par dūmu kolonnu, kas ieguva slaveno sēņu formu.
Tiklīdz putekļi nosēdās, pētnieki un bumbas radītāji steidzās uz sprādziena vietu. Viņi vēroja sekas no Sherman tankiem, kas bija pārklāti ar svinu. Redzētais viņus pārsteidza, neviens ierocis nevarēja radīt tādus postījumus. Smiltis vietām izkusa līdz stiklam.
Tika atrastas arī sīkas torņa atliekas milzīga diametra krāterī, sakropļotas un saspiestas konstrukcijas skaidri ilustrēja postošo spēku.
Kaitīgie faktori
Šis sprādziens sniedza pirmo informāciju par jaunā ieroča jaudu, par to, ko tas varētu izmantot ienaidnieka iznīcināšanai. Šie ir vairāki faktori:
- gaismas starojums, zibspuldze, kas spēj padarīt aklu pat aizsargātus redzes orgānus;
- triecienvilnis, blīva gaisa plūsma, kas virzās no centra, iznīcinot lielāko daļu ēku;
- elektromagnētiskais impulss, kas atspējo lielāko daļu iekārtu un neļauj izmantot sakarus pirmo reizi pēc sprādziena;
- penetrējošais starojums, kas ir visbīstamākais faktors tiem, kas patvērušies no citiem kaitīgiem faktoriem, tiek iedalīts alfa-beta-gamma starojumā;
- radioaktīvais piesārņojums, kas var negatīvi ietekmēt veselību un dzīvību desmitiem vai pat simtiem gadu.
Kodolieroču turpmākā izmantošana, tostarp kaujā, parādīja visas to ietekmes uz dzīviem organismiem un dabu īpatnības. 1945. gada 6. augusts bija pēdējā diena desmitiem tūkstošu iedzīvotāju mazajā Hirosimas pilsētā, kas tolaik bija pazīstama ar vairākiem svarīgiem militāriem objektiem.
Kara iznākums Klusajā okeānā bija iepriekš noteikts, taču Pentagons uzskatīja, ka operācija Japānas arhipelāgā izmaksās vairāk nekā miljonu ASV jūras kājnieku dzīvību. Tika nolemts ar vienu akmeni nogalināt vairākus putnus, izvest Japānu no kara, ietaupot uz desanta operāciju, izmēģināt jaunu ieroci un paziņot par to visai pasaulei un, galvenais, PSRS.
Pulksten vienos naktī lidmašīna ar kodolbumbu "Baby" pacēlās misijā.
Virs pilsētas nomestā bumba uzsprāga aptuveni 600 metru augstumā plkst.8.15. Visas ēkas, kas atradās 800 metru attālumā no epicentra, tika iznīcinātas. Izdzīvoja tikai dažu ēku sienas, kas bija paredzētas, lai izturētu 9 magnitūdu zemestrīci.
No katriem desmit cilvēkiem, kas bumbas sprādziena brīdī atradās 600 metru rādiusā, tikai viens varēja izdzīvot. Gaismas starojums cilvēkus pārvērta par oglēm, atstājot uz akmens ēnu pēdas, tumšu nospiedumu no vietas, kur atradās cilvēks. Sekojošais sprādziena vilnis bija tik spēcīgs, ka varēja izsist stiklu 19 kilometru attālumā no sprādziena vietas.
Vienu pusaudzi blīva gaisa straume izsita no mājas pa logu, piezemējoties, puisis redzēja, ka mājas sienas salokās kā kārtis. Pēc sprādziena vilnim sekoja ugunsgrēka viesuļvētra, iznīcinot tos dažus iedzīvotājus, kuri izdzīvoja sprādzienā un nebija paspējuši atstāt ugunsgrēka zonu. Tie, kas atradās tālu no sprādziena, sāka izjust smagu savārgumu, kura cēlonis ārstiem sākotnēji nebija skaidrs.
Daudz vēlāk, dažas nedēļas vēlāk, tika paziņots par terminu "radiācijas saindēšanās", kas tagad pazīstams kā staru slimība.
Vairāk nekā 280 tūkstoši cilvēku kļuva par tikai vienas bumbas upuriem gan tieši no sprādziena, gan no sekojošām slimībām.
Ar to Japānas bombardēšana ar kodolieročiem nebeidzās. Saskaņā ar plānu cieta tikai četras līdz sešas pilsētas, taču laika apstākļi ļāva trāpīt tikai Nagasaki. Šajā pilsētā vairāk nekā 150 tūkstoši cilvēku kļuva par Fat Man bumbas upuriem.
Amerikas valdības solījumi veikt šādus uzbrukumus līdz Japānas padošanai noveda pie pamiera un pēc tam līdz līguma parakstīšanai, kas beidzās Pasaules karš. Bet kodolieročiem tas bija tikai sākums.
Visspēcīgākā bumba pasaulē
Pēckara periods iezīmējās ar konfrontāciju starp PSRS bloku un tā sabiedrotajiem ar ASV un NATO. 40. gados amerikāņi nopietni apsvēra iespēju dot triecienu Padomju Savienībai. Lai iegrožotu bijušo sabiedroto, bija jāpaātrina darbs pie bumbas radīšanas, un jau 1949. gadā, 29. augustā, tika izbeigts ASV monopols kodolieroču jomā. Ieroču sacensību laikā vislielāko uzmanību ir pelnījuši divi kodolizmēģinājumi.
Bikini atols, kas galvenokārt pazīstams ar vieglprātīgiem peldkostīmiem, 1954. gadā burtiski izcēlās visā pasaulē, jo tika pārbaudīts īpaši spēcīgs kodollādiņš.
Amerikāņi, nolēmuši izmēģināt jaunu dizainu atomu ieroči, nav aprēķinājis maksu. Rezultātā sprādziens bija 2,5 reizes spēcīgāks nekā plānots. Uzbrukumi tika pakļauti tuvējo salu iedzīvotājiem, kā arī visuresošajiem japāņu zvejniekiem.
Bet tā nebija spēcīgākā amerikāņu bumba. 1960. gadā kodolbumba B41 tika nodota ekspluatācijā, taču tās jaudas dēļ tā nekad netika pilnībā pārbaudīta. Lādiņa spēks tika aprēķināts teorētiski, baidoties no tik bīstama ieroča uzspridzināšanas izmēģinājuma poligonā.
Padomju Savienība, kas mīlēja būt pirmā visā, piedzīvoja 1961. gadā, citādi saukta par "Kuzkas māti".
Reaģējot uz Amerikas kodolšantāžu, padomju zinātnieki radīja visspēcīgāko bumbu pasaulē. Pārbaudīts uz Novaya Zemlya, tas atstāja pēdas gandrīz visos pasaules malās. Pēc atmiņām, sprādziena brīdī visattālākajos nostūros bija jūtama neliela zemestrīce.
Sprādziena vilnis, protams, zaudējis visu savu postošo spēku, spēja riņķot ap Zemi. Līdz šim šī ir pasaulē jaudīgākā kodolbumba, ko radījusi un pārbaudījusi cilvēce. Protams, ja viņa rokas būtu brīvas, Kima Čenuna kodolbumba būtu jaudīgāka, taču viņam nav Jaunās Zemes, lai to pārbaudītu.
Atombumbas ierīce
Apskatīsim ļoti primitīvu, tīri saprašanai paredzētu atombumbas ierīci. Ir daudzas atombumbu klases, taču apsvērsim trīs galvenās:
- urāns, kura pamatā ir urāns 235, pirmo reizi eksplodēja virs Hirosimas;
- plutonijs, kura pamatā ir plutonijs 239, pirmo reizi eksplodēja virs Nagasaki;
- kodoltermiskā, dažreiz saukta par ūdeņradi, kuras pamatā ir smagais ūdens ar deitēriju un tritiju, par laimi netiek izmantots pret iedzīvotājiem.
Pirmo divu bumbu pamatā ir smago kodolu sadalīšanās mazākos kodolos nekontrolētas kodolreakcijas rezultātā, atbrīvojot milzīgus enerģijas daudzumus. Trešā pamatā ir ūdeņraža kodolu (vai drīzāk tā deitērija un tritija izotopu) saplūšana ar hēlija veidošanos, kas ir smagāks attiecībā pret ūdeņradi. Ar tādu pašu bumbas svaru ūdeņraža bumbas postošais potenciāls ir 20 reizes lielāks.
Ja urānam un plutonijam pietiek ar masu, kas ir lielāka par kritisko (pie kuras sākas ķēdes reakcija), tad ūdeņradim ar to nepietiek.
Lai droši savienotu vairākus urāna gabalus vienā, tiek izmantots lielgabala efekts, kurā mazāki urāna gabali tiek sašauti lielākos. Var izmantot arī šaujampulveri, taču uzticamības labad tiek izmantotas mazjaudas sprāgstvielas.
Plutonija bumbā, lai radītu nepieciešamos apstākļus ķēdes reakcijai, sprāgstvielas tiek novietotas ap plutoniju saturošiem lietņiem. Pateicoties kumulatīvajam efektam, kā arī neitronu iniciatoram, kas atrodas pašā centrā (berilijs ar vairākiem miligramiem polonija), tiek sasniegti nepieciešamie apstākļi.
Tam ir galvenais lādiņš, kas pats no sevis nevar eksplodēt, un drošinātājs. Lai radītu apstākļus deitērija un tritija kodolu saplūšanai, mums ir vajadzīgs neiedomājams spiediens un temperatūra vismaz vienā punktā. Tālāk notiks ķēdes reakcija.
Lai izveidotu šādus parametrus, bumba ietver parasto, bet mazjaudas kodollādiņu, kas ir drošinātājs. Tās detonācija rada apstākļus kodoltermiskās reakcijas sākšanai.
Lai novērtētu atombumbas jaudu, tiek izmantots tā sauktais "TNT ekvivalents". Sprādziens ir enerģijas izdalīšanās, pasaulē slavenākā sprāgstviela ir trotils (TNT - trinitrotoluols), un tam tiek pielīdzināti visi jaunie sprāgstvielu veidi. Bumba "Baby" - 13 kilotonnas trotila. Tas ir līdzvērtīgs 13 000.
Bumba "Fat Man" - 21 kilotonna, "Tsar Bomba" - 58 megatonnas trotila. Ir biedējoši domāt par 58 miljoniem tonnu sprāgstvielu, kas koncentrētas 26,5 tonnu masā, tik liels ir šīs bumbas svars.
Kodolkara un kodolkatastrofu briesmas
Kodolieroči, kas parādījās divdesmitā gadsimta ļaunākā kara vidū, kļuva par vislielākajām briesmām cilvēcei. Uzreiz pēc Otrā pasaules kara sākās aukstais karš, kas vairākas reizes gandrīz pārauga pilnvērtīgā kodolkonfliktā. Par draudiem, ka vismaz viena puse izmantos kodolbumbas un raķetes, sāka runāt jau pagājušā gadsimta piecdesmitajos gados.
Visi saprata un saprot, ka šajā karā uzvarētāju nevar būt.
Lai to ierobežotu, daudzi zinātnieki un politiķi ir pielikuši un pieliek pūles. Čikāgas Universitāte, izmantojot uzaicināto kodolzinātnieku viedokļus, t.sk Nobela prēmijas laureāti, iestata Pastardienas pulksteni dažas minūtes pirms pusnakts. Pusnakts nozīmē kodolkatalizmu, jauna pasaules kara sākumu un vecās pasaules iznīcināšanu. Gadu gaitā pulksteņa rādītāji svārstījās no 17 līdz 2 minūtēm līdz pusnaktij.
Zināmas arī vairākas lielas avārijas, kas notikušas atomelektrostacijās. Šīm katastrofām ir netieša saistība ar ieročiem, un tās joprojām atšķiras no kodolbumbām, taču tās lieliski parāda atoma izmantošanas rezultātus militāriem mērķiem. Lielākais no tiem:
- 1957. gads Kyshtym avārija, glabāšanas sistēmas kļūmes dēļ netālu no Kištimas notika sprādziens;
- 1957. gads, Lielbritānija, Anglijas ziemeļrietumos drošības pārbaudes netika veiktas;
- 1979, ASV, nelaikā atklātas noplūdes dēļ notika sprādziens un noplūde no atomelektrostacijas;
- 1986. gads, traģēdija Černobiļā, 4. energobloka sprādziens;
- 2011, avārija Fukušimas stacijā, Japānā.
Katra no šīm traģēdijām atstāja smagas pēdas simtiem tūkstošu cilvēku likteņos un pārvērta veselas teritorijas par nedzīvojamām zonām ar īpašu kontroli.
Bija incidenti, kas gandrīz maksāja kodolkatastrofas sākumu. Padomju kodols zemūdenes uz kuģa vairākkārt bijuši ar reaktoru saistīti negadījumi. Amerikāņi nometa bumbvedēju Superfortress ar divām Mark 39 kodolbumbām uz klāja ar 3,8 megatonnu jaudu. Taču iedarbinātā “drošības sistēma” neļāva lādiņiem uzspridzināt, un no katastrofas izdevās izvairīties.
Kodolieroči pagātnē un tagadnē
Šodien ikvienam ir skaidrs, ka kodolkarš iznīcinās mūsdienu cilvēci. Tikmēr vēlme iegūt kodolieročus un iekļūt kodolklubā, pareizāk sakot, tajā ielauzties, izsitot durvis, joprojām kaitina dažu valsts vadītāju prātus.
Indija un Pakistāna bez atļaujas radīja kodolieročus, un izraēlieši slēpj bumbas klātbūtni.
Par dažiem īpašumiem kodolbumba– veids, kā pierādīt nozīmi starptautiskajā arēnā. Citiem tā ir spārnotas demokrātijas vai citu ārējo faktoru neiejaukšanās garantija. Bet galvenais, lai šīs rezerves nenonāk biznesā, kam tās tiešām tika izveidotas.
Video
Atombumba ir šāviņš, kas paredzēts lielas jaudas sprādziena izraisīšanai ļoti ātras kodolenerģijas (atomenerģijas) atbrīvošanas rezultātā.
Atombumbu darbības princips
Kodollādiņš ir sadalīts vairākās daļās līdz kritiskiem izmēriem, lai katrā no tām nevarētu sākties pašizveidojoša nekontrolēta skaldāmās vielas atomu sadalīšanās ķēdes reakcija. Šāda reakcija notiks tikai tad, kad visas lādiņa daļas tiks ātri savienotas vienā veselumā. No slēgšanas ātruma atsevišķas daļas Reakcijas pilnība un galu galā sprādziena spēks lielā mērā ir atkarīgs. Lai lādiņa daļām nodrošinātu lielu ātrumu, var izmantot parastās sprāgstvielas sprādzienu. Ja kodollādiņa daļas ir novietotas radiālos virzienos noteiktā attālumā no centra, bet TNT lādiņi atrodas ārpusē, tad ir iespējams veikt parasto lādiņu sprādzienu, kas vērsts uz kodollādiņa centru. Visas kodollādiņa daļas ne tikai ar milzīgu ātrumu apvienosies vienotā veselumā, bet arī kādu laiku atradīsies no visām pusēm saspiestas ar milzīgo sprādziena produktu spiedienu un nespēs uzreiz atdalīties, tiklīdz lādiņā sākas kodola ķēdes reakcija. Tā rezultātā notiks ievērojami lielāka skaldīšanās nekā bez šādas saspiešanas, un līdz ar to palielināsies sprādziena spēks. Neitronu atstarotājs arī veicina sprādziena jaudas palielināšanos tādam pašam skaldāmā materiāla daudzumam (visefektīvākie atstarotāji ir berilijs< Be >, grafīts, smagais ūdens< H3O >). Pirmajai skaldīšanai, kas sāktu ķēdes reakciju, ir nepieciešams vismaz viens neitrons. Nav iespējams rēķināties ar savlaicīgu ķēdes reakcijas sākšanos neitronu ietekmē, kas parādās kodolu spontānās dalīšanās laikā, jo tas notiek salīdzinoši reti: U-235 - 1 sabrukšana stundā uz 1 g. vielas. Atmosfērā brīvā formā ir arī ļoti maz neitronu: caur S = 1 cm/kv. Vidēji sekundē lido aptuveni 6 neitroni. Šī iemesla dēļ kodollādiņā tiek izmantots mākslīgs neitronu avots - sava veida kodoldetonatora kapsula. Tas arī nodrošina, ka daudzas skaldīšanas sākas vienlaikus, tāpēc reakcija notiek kodolsprādziena veidā.
Detonācijas iespējas (Ieroču un sprādziena shēmas)
Ir divas galvenās skaldāmā lādiņa detonēšanas shēmas: lielgabals, ko citādi sauc par ballistisko, un sprādzienbīstams.
"Lielgabalu dizains" tika izmantots dažos pirmās paaudzes kodolieročos. Lielgabala ķēdes būtība ir izšaut šaujampulvera lādiņu no viena subkritiskās masas skaldāmā materiāla bloka (“lode”) uz citu stacionāru (“mērķi”). Bloki ir konstruēti tā, ka savienojot to kopējā masa kļūst superkritiska.
Šī detonācijas metode ir iespējama tikai urāna munīcijā, jo plutonijam ir par divām kārtām augstāks neitronu fons, kas krasi palielina ķēdes reakcijas priekšlaicīgas attīstības iespējamību pirms bloku savienošanas. Tas noved pie nepilnīgas enerģijas izlaišanas (tā sauktais “putons”, angļu valodā), lai ieviestu lielgabalu ķēdi plutonija munīcijā, turklāt ir jāpalielina lādiņa daļu savienojuma ātrums līdz tehniski nesasniedzamam līmenim , urāns spēj izturēt mehāniskas pārslodzes labāk nekā plutonijs.
Implozīva shēma. Šī detonācijas shēma ietver superkritiskā stāvokļa sasniegšanu, saspiežot skaldāmo materiālu ar fokusētu triecienvilni, ko rada ķīmiskas sprāgstvielas eksplozija. Lai fokusētu triecienvilni, tiek izmantotas tā sauktās sprādzienbīstamās lēcas, un detonācija tiek veikta vienlaikus daudzos punktos ar precīzu precizitāti. Šādas sprāgstvielu izvietošanas un detonācijas sistēmas izveide savulaik bija viens no grūtākajiem uzdevumiem. Saplūstoša triecienviļņa veidošanos nodrošināja sprādzienbīstamu lēcu izmantošana no “ātrām” un “lēnajām” sprāgstvielām - TATV (triaminotrinitrobenzols) un baratola (trinitrotoluola maisījums ar bārija nitrātu) un dažām piedevām.