Zöld csillagok - az atom vállán (2. rész) - Románia katonája
Ma folytatjuk a rövid kísérletet az atom világába, miután az első részben az atomok bomlásából származó magról és sugárzásról beszéltünk.
A radioaktív bomlás, amelyről eddig beszéltünk, természetes, statisztikai jelenség, amelyen keresztül bizonyos atomok a végtelenségig stabil konfigurációt próbálnak elérni. Ennek a jelenségnek az alkalmazhatóságát azonban nem mi nevezzük valójában "atomenergiának". Az előállított energia általában alacsony, és a jelenség nem szabályozható (idővel, ahogy az elemek a bomlási láncon haladnak, egyre kevesebb atom marad energia előállításához). Nem változtathatjuk a teljesítményt. Itt kell használnunk nukleáris maghasadás és különböztesse meg a természetes bomlástól.
Nukleáris maghasadás
Nos, hogy megértsük, mi a hasadás, térjünk vissza a levessel való hasonlatunkra. Van egy atomunk, aminek kevés van és meggyullad, tehát egy nagy serpenyő, amely időnként kigyullad. Mi történik, ha veszünk egy hozzávalót és bedobjuk a serpenyőbe? Nos, többet töltünk be, és még többet adunk kívülről. Ha még erősebben dobjuk, akkor a leves egy része kiugrik a kívülről érkező ütközéstől. És ha elég keményen dobjuk, a serpenyő több darabra fog hasadni.
Ez a maghasadás elve. Veszünk egy hasadó atomot, és neutronnal ütjük meg. Az atom vagy be fogja kapni a neutront és instabil konfigurációba lép, így hasad, vagy bezárja és átalakul egy másik elemmé (a jelenség az úgynevezett "nukleáris transzmutáció").
Itt meg kell különböztetnünk egy hasadó elemet és egy hasadó elemet. A hasadó elem egy neutron elnyelésével hasad fel, függetlenül a neutron energiájától (milyen gyorsan mozog). A hasadó elem nem hasad el, ha a neutron túl lassan mozog (a lassú neutronokat termikusnak is nevezik), de képes elnyelni, így hasadóvá válik (nem mindig, de a különleges eseteket figyelmen kívül hagyjuk).
Vegyük az urán gyakorlati esetét. A természetes urán 99% U-238 és kevesebb, mint 0,7% U-235 összetételű. A többi megmaradt izotóp (U-234, U-236 stb.).
Az U-235-et lassú neutronnal lehet bombázni, és ez U-236-ra változik, ami rendkívül instabil (fél másodperc), és két atomra (viszonylag gyorsan) és három neutronra oszlik. Ez a három neutron viszont lelassulhat (a kifejezés "mérsékelt", de erről azonnal beszélünk), és más U-235 atomok elnyelik. Az eredmény egy olyan bomlási kaszkád, amelynek során az uránt "elégetik", és nagyon gyors (forró) atomokat, plusz más hasadásokat okozó neutronokat termel. Ez egy nukleáris reakció.
Az U-238 viszont nem képes felszívni a lassú neutronokat, de "megszakadhat", ha a neutron nagyon gyors. Ennek eredménye más gyors neutron, plusz az újonnan létrehozott elemek a korábbi magban, ezért hasadó, de nem hasadó.
Emellett abszorbeálhat egy neutronot és 239-es plutóniummá alakulhat. A Pu-239 hasonló jellemzőkkel rendelkezik, mint az U-235, vagyis hasadó (sőt, mint látni fogjuk, könnyebben hasad) és akkor szakad meg, amikor még elnyeli a neutront. lassan, új elemeket (úgynevezett "hasadási termékeket") és két neutront termelve, amelyek folytathatják a reakciót. Tehát hasadó elemekből előállíthatunk hasadó elemeket.
Most a mértékletességről kell beszélnünk. Lényegében egyes magokat nagyobb valószínűséggel ér el egy neutron, mint másokat. De ezt a hajlamot semmilyen neutronsebesség nem tartja fenn. Itt megkülönböztetünk termikus neutronokat és gyors neutronokat.
A termikus neutronokat azért nevezzük termikusnak, mert sebességük hasonló a szerkezetben lévő atomok rezgési sebességéhez. Tehát több ezer kilométer per órás sebességről beszélünk.
A gyors neutronok sebessége sokkal nagyobb (a fénysebesség tizedének nagyságrendjében). A legtöbb mag rendkívül nehezen szívódik fel. Más szavakkal, a mag "keresztmetszete" a neutron sebességétől függően változik. Ezt a keresztmetszetet "istállóban" mérik, ami angolul "istállót" jelent (angolul a ’pajta oldala’).
Nagy sebességnél a keresztmetszet magról magra kissé változik (20 istálló a Pu-239 esetében és 30 istálló az U-235 esetében), de alacsony sebességnél rendkívül hasadó elemeknél a lényegtelen, a többinél pedig jelentéktelenül kicsi.
Neutronenergia vs szakasz
Tehát az energia előállítása érdekében meg akarjuk növelni annak esélyét, hogy egy elem beépítsen egy neutront és hasadjon. Mint ilyen, hasadó elemeket használunk, és a leggyakrabban az U-235 és a Pu-239. Vannak mások, de az uránnál nehezebb elemeket (plutónium, californium, einsteinium, neptumium stb.) Úgy állítják elő, hogy az uránt neutronokkal bombázzák (az a transzmutáció, amelyről korábban beszéltünk). Mint ilyeneket "mesterséges elemeknek" nevezik. Léteztek a múltban és ércekben, de rövid felezési idejük miatt a bolygó 4 milliárd éve alatt kettéváltak.
Oké, tehát a hasadó elemek csak bizonyos izotópok. Hogyan használják őket? Elvileg, ha összegyűjtünk egy halom U-235-öt, akkor ezeknek az atomoknak egy része természetes úton lebomlik, neutronokat termelve. Ezeket a neutronokat a környező uránatomok abszorbeálják, és ezáltal megoszlanak. Tehát minél több atom van összeállítva és annál sűrűbben, annál nagyobb az esélye annak, hogy ez a reakció egy láncban folytatódik.
A reakció esélyének növelése érdekében a neutronok moderálhatók, azaz lelassíthatók. Elvesztik energiájukat, ha ütköznek a könnyű anyagok magjaival. Néha ezek az anyagok képesek felszívódni, transzmutációt indukálva (ami például a lítiummal történik, amely így héliummá válik), máskor ezekből a magokból képesek rikošetezni. Mivel a visszapattanás miatt a neutron feladja energiájának egy részét, lelassul. Az egymást követő visszarúgások hatására a neutronsebesség másodpercenként ezer kilométerről (annyi, mint amennyi keletkezik) másodpercek tíz kilométerre (hősebesség) csökken.
Ezeket a neutronokat felpattanó könnyű anyagokat "moderátoroknak" nevezzük. A leggyakrabban használt anyag a víz, mivel olcsó, könnyen beszerezhető és tisztítható (nem akar ásványi anyagokat vagy szennyeződéseket tartalmazni, amelyek képesek elnyelni a transzmutáció során áteső neutronokat), és két hidrogénatomot tartalmaz. Elméletileg csak hidrogént használhatnánk, de gáz halmazállapotban nagyon kevéssé sűrű, ezért a moderációs hatás alacsony (mert alacsony az esélye annak, hogy egy neutron eltalálja az egyik atomot).
Így osztályozhatjuk az elemeket az ezekre a neutronokra gyakorolt hatásuk szerint:
- fényelemeket, amelyek rugalmatlan ütközések révén csökkentik a neutronok energiáját, moderátoroknak nevezzük. Például hidrogén és minden, ami nagy mennyiségű hidrogént tartalmaz.
- a nehéz elemeket, ahol az ütközések meglehetősen rugalmatlan megjelenésűek (a neutron-ricochetták sok energiaveszteség nélkül), "neutron-reflektoroknak" nevezzük. Az árnyékolás egyik formája is. Az ólom az alapvető példa.
- azokat a hasadó elemeket, amelyek ütközéskor neutronokat termelnek, "nukleáris üzemanyagnak" nevezzük. Ilyen például az U-235, Pu-239, Am-242m, U-233 stb.
- hasadó elemek, amelyek akkor szakadnak meg, amikor a neutronok gyorsak (alacsony az esély, mert a kis keresztmetszet), és amelyek egy lassú neutron elnyelésével hasadókká válhatnak (vagy kevésbé hasadóvá válhatnak, az esély függvényében). Ilyen például az U-238, a Th-232 stb.
- az elemeket, amelyek abszorbeálják a neutront, és másokká válnak, "neutronmérgeknek" nevezzük. A neutronok elnyelésével nagymértékben csökkentik a reakció folytatásának esélyét, lényegében elnyomják azt. Ilyen például a Li-6, C-12 stb. A legtöbb elem ebbe a kategóriába tartozik.
Egy utolsó dolog, amit meg kell vitatnunk, a kritikus tömeg fogalma. A fent leírtak szerint minél több U-235-et gyűjt (valójában bármely hasadó elem működhet), annál erősebb a reakció és annál magasabb a hőmérséklet. Elméletileg addig folytatható, amíg az urán nagy részét el nem fogyasztják, vagy amíg a hasadási termékek (amelyek - mint fentebb említettük - többnyire neutronmérgek) elnyomják a reakciót. Ha elegendő gyorsan sikerül elegendő uránt összegyűjteni egy helyen, a reakció önellátóvá és robbanékonyvá válik.
A kritikus érték nemcsak magától az asztaltól, hanem az asztal alakjától is függ. Ha az alak kifeszített szál vagy lap, akkor rendkívül nagy lesz. Ha az alak gömb alakú, akkor az minimálisra csökken. Az alábbi táblázat bemutatja a kritikus tömegértékeket és az átmérőt, amelynek az adott tömegű gömbnek rendelkeznie kell:
| Urán-233 | 159.200 | 15 | 11. |
| Urán-235 | 703,8 millió | 52 | 17. |
| Neptunium-236 | 154.000 | 7 | 8.7 |
| Neptunium-237 | 2,144 millió | 60 | 18 |
| plutónium-238 | 87.7 | 9.04-10.07 | 9,5–9,9 |
| plutónium-239 | 24.110 | 10. | 9.9 |
| plutónium-240 | 6561 | 40 | 15 |
| plutónium-241 | 14.3 | 12. | 10.5 |
| plutónium-242 | 375 000 | 75-100 | 19–21 |
| americium-241 | 432.2 | 55-77 | 20–23 |
| americium-242 | 141 | 9-14 | 11-13 |
| americium-243 | 7370 | 180-280 | 30-35 |
| kúrium-243 | 29.1 | 7.34-10 | 10-11 |
| kúrium-244 | 18.1 | 13,5-30 | 12.4-16 |
| kúrium-245 | 8500 | 9.41-12.3 | 11-12 |
| kúrium-246 | 4760 | 39-70.1 | 18–21 |
| kúrium-247 | 15,6 millió | 6.94-7.06 | 9.9 |
| berkelium-247 | 1380 | 75.7 | 11.8-12.2 |
| berkelium-249 | 0.9 | 192 | 16.1-16.6 |
| californium-249 | 351 | 6. | 9. |
| californium-251 | 900 | 5.46 | 8.5 |
| californium-252 | 2.6 | 2.73 | 6.9 |
| einsteinium-254 | 0755 | 9.89 | 7.1 |
Ezek az értékek meghatározzák az atomfegyverek minimális tömegét is (ellenőrizetlen maghasadás). A probléma az, hogy sok olyan elem, amely jó nukleáris üzemanyagot eredményezne, mesterséges elem, amelyet gyorsítókban vagy reaktorokban kell létrehozni. A folyamat drága, ezért a fő elem a nukleáris fegyverek plutóniuma (amelyet speciális reaktorokban gyártott speciális üzemekben gyártanak) és az urán a reaktorokhoz.
Az atomfegyver a hasadó elem kritikus tömegének összehozásán alapul. Mivel a neutronok rendkívül gyorsak, a reakció hajlamos elválasztani az üzemanyag tömegét (más szóval, ha lassan egy fontra teszünk egy font U-235-öt, akkor valamikor, amikor már majdnem kritikus tömeg van, a hőmérséklet olyan lesz nagy, így a felhalmozódott urán elpárolog és nagy erővel távozik, még mielőtt az atomok túlnyomó többsége hasadni kezdene; a jelenséget "pezsgésnek" hívják, jelentése robbanás helyett "fasiális". Ehhez az atombombák kétféle kialakítást használnak:
- ágyú típusú kialakítás, amelyben az urán armatúra felgyorsul az urán céltömegére. A két asztal összekapcsolásakor azonnal kritikussá válnak és felrobbannak. Ez az első primitív bombák mechanizmusa, például a hirosimai és nagaszaki eszközök. A legegyszerűbb megépíteni, de a kapott fegyver nagy (praktikus ágyúcsövet tartalmaz), nehéz, nagy tisztaságú elemre van szükség (U-235 99% -os dúsítási rátával; rendkívül drága az elkészítése) és nem alacsonyabb kritikus tömegű elemeket használhat (a plutónium repedéseket produkál, mert túl reaktív és nem engedi, hogy az erősítés megközelítse a célt, hanem elpárologtatja és kidobja az anyagot). Ezt a fegyvertípust az 1950-es évek után szinte teljesen elhagyták.
- implozív típusú kialakítás, amelyben a hasadó anyag gömbjét a szokásos robbanóanyag koncentrikus rétege összenyomja. Nem nagy itt azt mondani, hogy sokkal kisebb méretű, hatékonyabb fegyvereket eredményez, amelyek transzurán elemeket tudnak hasadó anyagként használni. Ma plutóniumot használok.
Nukleáris fegyverek
Hozzá kell tennünk azt is, hogy a legtöbb modern nukleáris fegyver „gyorsított hasadású” eszköz, vagyis részben termonukleáris reakciókon alapul (hasadás helyett fúzió), de ez a szempont nem érdekel bennünket ezekben a cikkekben. A modern nukleáris fegyverek minimalista kialakításúak, kevés hasadóanyagot használnak, és több száz kilotonnás robbanóerővel bírnak (elég nagyok ahhoz, hogy nagy területeket lefedjenek, de elég kicsiek ahhoz, hogy energiájuk nagy részét ne juttassák a légkörbe és ne illeszkedjenek a tetejére). rakéta). Ők azok a kutatási erőfeszítések, amelyek az 50-60-70-es és 80-as években teljes GDP-be kerülnek, és kiforrott technológia. Az asztronukleáris űrprogramok is kapcsolódtak ezekhez a katonai erőfeszítésekhez, mert hasznot húzhattak a kutatási alapokból (sőt, az ezeken dolgozó kutatók közül sokan fegyverekkel is dolgoztak, mint látni fogjuk).
Ha a nukleáris robbanás a hasadóanyagok kritikus tömegére való gyors, gyors és ellenőrizetlen reakción alapul, a reaktor fokozatos energiakibocsátást használ fel.
Lényegében a reaktor magjában mindig az urán kritikus tömege van, de ez rudak formájában történik. Ezek a rudak neutronokat cserélnek egymással, víz intervallumokkal lőve. Általában a víz egyben moderátor is (lassítja a neutronokat), de egyben hűtőfolyadék is (fűt és turbinákat hajt). Bizonyos esetekben a grafit blokkokat használják moderátorokként (a szén is könnyű elem), a vizet pedig csak hűtésként (az ilyen rendszerek összességében azonban elavultak, mivel a blokkok rögzítettek, ezért nem a moderálási hatást csak rudakon keresztül változtathatja meg; ez a csernobili erőmű híres példája).
A reakció erejét az operátorok megváltoztatják e rudak behelyezésével vagy eltávolításával. Amikor kiveszi az üzemanyagot, gyengíti a reakciót, amikor bevezeti, akkor gyorsítja, attól függően, hogy mennyi energiát szeretne. Változtathatja úgy is, hogy növeli vagy elmozdítja a mértékletességet (alacsony mértékű = alacsony abszorpció = alacsony hasadás) az úgynevezett (általában szenet vagy bórt tartalmazó) vezérlő rudak segítségével.
Sokkal több dologra kell emlékezni a reaktorokkal kapcsolatban, de ezek nem kapcsolódnak ehhez a cikkhez. A tervek száma hatalmas, és a működési feltételek önálló terület, amelyhez saját munkasorozatokra lenne szükség.
- a hasadó anyagok mesterségesen előidézett atomhasadás útján szabadítják fel energiájukat
- egyes hasadóanyagok hasadó, de nem hasadó anyagokból nyerhetők
- az atomfegyverek tömeges vagy kritikus sűrűségű anyag gyors felhalmozódásával történő masszív, ellenőrizetlen atomreakción alapulnak. A SPEED számít.
- Az atomreaktorok vezérelt, fokozatos nukleáris reakción alapulnak, amely idővel energiát termel, a kibocsátott hő és a reakció szintje közötti egyensúly révén. Túl sok hő, és a reaktor megolvad, túl kevés és nem hatékony. A CONTROL számít.
Így lezárhatjuk a nukleáris mérnöki ismeretek bevezető fogalmait. De mielőtt a tényleges asztro-nukleáris tervekről beszélnénk, beszélnünk kell a rakétákról, mint az orbitális járművekről. Mik azok, hogyan vannak, és miért nem repülünk át az űrben, mint a Duck Dodgers? A következő epizódban meglátjuk.
Marian Dumitriu (matt)