Od konce nejhorší války v dějinách lidstva uplynulo něco málo přes dva měsíce. A tak 16. července 1945 otestovala americká armáda první jadernou bombu a o měsíc později umírají v atomovém pekle tisíce obyvatel japonských měst. Od té doby byly jaderné zbraně, stejně jako způsoby jejich doručování cílům, nepřetržitě vylepšovány po více než půl století.
Armáda chtěla mít k dispozici jak supervýkonnou munici, která jednou ranou smete celá města a země z mapy, tak ultramalé, které se vejdou do kufříku. Takové zařízení by posunulo sabotážní válku na bezprecedentní úroveň. Jak s prvním, tak s druhým byly nepřekonatelné potíže. Důvodem je takzvané kritické množství. Nejprve však nejprve.
Takové výbušné jádro
Abyste pochopili, jak jaderná zařízení fungují, a porozuměli tomu, čemu se říká kritické množství, vraťme se na chvíli ke stolu. Ze školního kurzu fyziky si pamatujeme jednoduché pravidlo: stejnojmenné náboje se navzájem odpuzují. Na stejném místě se na střední škole studentům vypráví o struktuře atomového jádra, které se skládá z neutronů, neutrálních částic akladně nabité protony. Ale jak je to možné? Kladně nabité částice jsou tak blízko u sebe, že odpudivé síly musí být kolosální.
Věda si není plně vědoma povahy intranukleárních sil, které drží protony pohromadě, ačkoli vlastnosti těchto sil byly docela dobře studovány. Síly působí pouze na velmi blízkou vzdálenost. Ale stojí za to alespoň trochu oddělit protony ve vesmíru, protože začnou převládat odpudivé síly a jádro se rozbije na kusy. A síla takové expanze je skutečně kolosální. Je známo, že síla dospělého muže by nestačila k udržení protonů pouze jednoho jediného jádra atomu olova.
Čeho se Rutherford bál
Jádra většiny prvků periodické tabulky jsou stabilní. S rostoucím atomovým číslem však tato stabilita klesá. Jde o velikost jader. Představte si jádro atomu uranu, které se skládá z 238 nuklidů, z nichž 92 jsou protony. Ano, protony jsou ve vzájemném těsném kontaktu a intranukleární síly bezpečně stmelují celou strukturu. Ale odpudivá síla protonů umístěných na opačných koncích jádra je patrná.
Co dělal Rutherford? Bombardoval atomy neutrony (elektron neprojde elektronovým obalem atomu a kladně nabitý proton se díky odpudivým silám nebude moci přiblížit k jádru). Neutron vstupující do jádra atomu způsobí jeho štěpení. Dvě oddělené poloviny a dva nebo tři volné neutrony se oddělily.
Tento rozpad, způsobený obrovskou rychlostí létajících částic, byl doprovázen uvolněním obrovské energie. Proslýchalo se, že Rutherford dokonce chtěl svůj objev utajit, protože se bál jeho možných následků pro lidstvo, ale s největší pravděpodobností nejde o nic jiného než o pohádku.
Co s tím má masa společného a proč je to kritické
Tak co? Jak lze proudem protonů ozářit dostatek radioaktivního kovu k vytvoření silné exploze? A co je kritické množství? Všechno je to o těch pár volných elektronech, které vyletí z "rozbombardovaného" atomového jádra, ty zase při srážce s jinými jádry způsobí jejich štěpení. Začne takzvaná jaderná řetězová reakce. Jeho spuštění však bude extrémně obtížné.
Zkontrolujte stupnici. Vezmeme-li jablko na stůl jako jádro atomu, pak abychom si mohli představit jádro sousedního atomu, totéž jablko bude muset být neseno a položeno na stůl ani ne ve vedlejší místnosti, ale.. ve vedlejším domě. Neutron bude mít velikost třešňového semínka.
Aby emitované neutrony marně neodletěly mimo uranový ingot a více než 50 % z nich by našlo cíl v podobě atomových jader, musí mít tento ingot odpovídající velikost. To je to, co se nazývá kritická hmotnost uranu - hmotnost, při které se více než polovina emitovaných neutronů srazí s jinými jádry.
Ve skutečnosti se to stane během okamžiku. Počet rozštěpených jader narůstá jako lavina, jejich úlomky se řítí všemi směry rychlostí srovnatelnou srychlost světla, trhání vzduchu, vody, jakéhokoli jiného média. Od jejich kolizí s molekulami okolního prostředí se oblast exploze okamžitě zahřeje na miliony stupňů a vyzařuje teplo, které spálí vše v oblasti několika kilometrů.
Náhle zahřátý vzduch se okamžitě zvětší a vytvoří silnou rázovou vlnu, která odhodí budovy ze základů, převrátí a zničí vše, co jí stojí v cestě…toto je obrázek atomového výbuchu.
Jak to vypadá v praxi
Zařízení atomové bomby je překvapivě jednoduché. Existují dva ingoty uranu (nebo jiného radioaktivního kovu), z nichž každý je o něco menší než kritická hmotnost. Jeden z ingotů je vyroben ve formě kužele, druhý je koule s otvorem ve tvaru kužele. Jak můžete hádat, když se obě poloviny spojí, získá se míč, ve kterém je dosaženo kritické hmotnosti. Toto je standardní jednoduchá jaderná bomba. Obě poloviny jsou spojeny pomocí obvyklého náboje TNT (kužel je vstřelen do koule).
Nemyslete si ale, že někdo dokáže sestavit takové zařízení „na koleni“. Trik je v tom, že uran, aby bomba vybuchla, musí být velmi čistý, přítomnost nečistot je prakticky nulová.
Proč neexistuje atomová bomba velikosti krabičky cigaret
Vše ze stejného důvodu. Kritická hmotnost nejběžnějšího izotopu uranu 235 je asi 45 kg. Výbuch takového množství jaderného paliva je již katastrofou. A vyrobit výbušné zařízení s méněmnožství látky je nemožné - prostě to nebude fungovat.
Ze stejného důvodu nebylo možné vytvořit supervýkonné atomové náboje z uranu nebo jiných radioaktivních kovů. Aby byla bomba velmi silná, byla vyrobena z tuctu ingotů, které, když byly odpáleny detonační nálože, spěchaly do středu a spojovaly se jako plátky pomeranče.
Co se ale vlastně stalo? Pokud se z nějakého důvodu dva prvky setkaly o tisícinu sekundy dříve než ostatní, bylo kritické množství dosaženo rychleji, než by zbytek „dorazil včas“, k výbuchu nedošlo s takovou silou, jakou konstruktéři očekávali. Problém supervýkonných jaderných zbraní byl vyřešen až s příchodem termonukleárních zbraní. Ale to je trochu jiný příběh.
Jak funguje mírumilovný atom
Jaderná elektrárna je v podstatě stejná jaderná bomba. Pouze tato "bomba" má palivové články (palivové články) vyrobené z uranu umístěné v určité vzdálenosti od sebe, což jim nebrání ve výměně neutronového "úderu".
Palivové články jsou vyrobeny ve formě tyčí, mezi nimiž jsou regulační tyče z materiálu, který dobře pohlcuje neutrony. Princip fungování je jednoduchý:
- regulační (absorpční) tyče jsou vloženy do prostoru mezi uranovými tyčemi - reakce se zpomalí nebo úplně zastaví;
- kontrolní tyče jsou odstraněny ze zóny - radioaktivní prvky si aktivně vyměňují neutrony, jaderná reakce probíhá intenzivněji.
Vskutku, ukázalo se, že jde o stejnou atomovou bombu,ve kterém je kritické hmotnosti dosaženo tak hladce a je regulováno tak jasně, že nevede k výbuchu, ale pouze k zahřátí chladicí kapaliny.
I když, bohužel, jak ukazuje praxe, ne vždy je lidský génius schopen omezit tuto obrovskou a destruktivní energii - energii rozpadu atomového jádra.
