"Ядерка" или "Как работает ядерная бомба"
Крипто-трейдеры люди любознательные, помимо рынков и торговли интересуются многими другими темами. Тема ядерной энергии им тоже не чужда. И вопросы интересные они задают и обсуждают в чате [0x]bsess.
Что ж, ответим на эти вопросы и здесь.
Заодно проведем небольшой ликбез по атомной физике.
Вопрос: У нас же при атомной реакции в бомбе к примеру, просто по сути очень крепко сплетенные частицы разбредаются в атоме и потом генерируют новые которые освобождают такие же другие атомы?
Да, примерно так. Если речь об “атомной” (из урана или плутония), а не “термоядерной” (водородной) бомбе.
Ядро атома – это набор частиц, протонов и нейтронов, связанных ядерными силами (т.н. “сильным ядерным взаимодействием”). Например, ядро урана-235 состоит из 235 частиц: 92 протона и 143 нейтрона.
У урана есть особенность: при захвате ядром еще одного нейтрона, оно становится нестабильным, и распадается на два ядра более легких элементов: например, бария (36 протонов и 92 нейтрона) и криптона (56 протонов и 141 нейтрон). Плюс в свободный полёт отправляются 3 “лишних” нейтрона.
И самое главное – выделяется энергия, которая была запасена в силах связи частиц в ядре.
И эти 3 свободных нейтрона направляются дальше разрывать связи в других ядрах урана, пока он не кончится, верно?
Три свободных нейтрона могут быть захвачены тремя другими ядрами урана. И те в свою очередь тоже распадутся, и каждое из них выпустить по три дополнительных нейтрона. И так далее.
При определенных условиях – если нейтроны действительно захватываются внутри образца урана, а не улетают “наружу” – начнется цепная реакция. Число распадающихся ядер и нейтронов начнёт лавинообразно нарастать, и за короткое время произойдет ядерный взрыв, с высвобождением огромного количества внутриатомной энергии.
Откуда берется первый нейтрон?
Уран сам по себе радиоактивен, и небольшая часть ядер распадается самопроизвольно, с испусканием нейтрона.
Если кусочек урана небольшой, то большая часть нейтронов из таких распадов покинет его раньше, чем будет захвачена другими ядрами, и не произведет новые нейтроны. Цепная реакция не будет подерживаться.
А вот если кусок урана достаточно большой (50 кг или больше!), то нейтрон с большей вероятностью будет захвачен раньше, чем покинет его. “Коэффициент размножения” нейтронов станет 1 или больше. И начнется самоподдерживающаяся цепная реация.
Минимальная масса, при которой в образце начнётся такая реакция, называется “критической массой”.
Для урана-235 критическая масса = 50 кг (для сферической формы). Для плутония-239 = 11 кг.
В атомной бомбе критическую массу для начала атомного взрыва создают с помощью соединения нескольких небольших до-критических масс.
Обычно такое соединение производится с помощью взрывчатки, которая быстро сжимает несколько кусков урана (или плутония) не критической массы в одну сверх-критическую массу.
В ядерных реакторах тоже используется цепная реакция деления, с выделением тепла.
Но в реакторе она не нарастает, как при взрыве, а контролируется и поддерживается на одном уровне.
А как частицы в стабильном состоянии поддерживают?
Во-первых, сам реактор собирают так, чтобы в нем не образовывалось сверх-критической массы. Он находится в близком к критическом, но всё-таки не критическом состоянии. Этого достаточно, чтобы выделять нужное тепло, но не взрываться.
Во-вторых, при необходимости «лишние» нейтроны удаляют из активной зоны реактора, чтобы не допустить неконтролируемого разрастания цепной реакции.
Для этого используют материалы, поглощающие нейтроны.
Сам реактор – это такая большая ячеистая сборка из многих тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) из урана. Между ними размещают элементы, поглощающие нейтроны.
Графит, например, хорошо поглощает нейтроны. Из него делают регулирующие стержни, которые опускают в активную зону между ТВЭЛами.
Если надо ускорить реакцию, стержни поднимаются (выводятся) из активной зоны. Больше нейтронов начинает попадать в ядра урана и реакция идет активнее.
Если надо замедлить реакцию, стержни опускают в активную зону и они поглощают излишки свободных нейтронов.
А в бомбах тот же принцип работы по стабилизации нейронов?
Пока бомба лежит на складе или в боеголовке на дежурстве, её стабилизировать не надо. Т.к. заряд в бомбе не надо доводить и удерживать в состоянии, близком к критическому, пока она хранится.
В боеголовке масса урана или плутония просто разнесена механически «по разным углам» и очень сильно не дотягивает до критической. Поэтому в ней ничего не греется (почти) и не взрывается, пока ее не приведут в действие.
Есть противоположная задача: как моментально довести массу урана до сверхкритической – мгновенно сложить части вместе, – когда боеголовка долетела до места, чтобы начать взрыв. А как это делается, мы уже писали выше: с помощью обычной взрывчатки.
Статья подготовлена командой @Obsession_0x // Thanks to Vitaly Sokolyanskiy
