Nieco ponad dwa miesiące minęły od zakończenia najgorszej wojny w historii ludzkości. I tak 16 lipca 1945 roku pierwsza bomba atomowa została przetestowana przez wojsko USA, a miesiąc później tysiące mieszkańców japońskich miast ginie w atomowym piekle. Od tego czasu broń nuklearna, a także sposoby jej dostarczania do celów, były nieustannie ulepszane przez ponad pół wieku.
Wojsko chciało mieć do dyspozycji zarówno superpotężną amunicję, która jednym ciosem zmieciła z mapy całe miasta i kraje, jak i ultramałe, które mieszczą się w teczce. Takie urządzenie doprowadziłoby wojnę sabotażową do bezprecedensowego poziomu. Zarówno z pierwszym, jak iz drugim były trudności nie do pokonania. Powodem tego jest tak zwana masa krytyczna. Jednak najpierw najważniejsze.
Tak wybuchowy rdzeń
Aby zrozumieć, jak działają urządzenia jądrowe i zrozumieć, co nazywa się masą krytyczną, wróćmy na chwilę do biurka. Ze szkolnego kursu fizyki pamiętamy prostą zasadę: podopieczni o tym samym imieniu odpychają się. W tym samym miejscu, w liceum, uczniowie dowiadują się o budowie jądra atomowego, składającego się z neutronów, cząstek obojętnych idodatnio naładowane protony. Ale jak to jest możliwe? Dodatnio naładowane cząstki są tak blisko siebie, że siły odpychające muszą być kolosalne.
Nauka nie jest w pełni świadoma natury sił wewnątrzjądrowych, które utrzymują razem protony, chociaż właściwości tych sił zostały dość dobrze zbadane. Siły działają tylko z bardzo bliskiej odległości. Ale warto przynajmniej trochę rozdzielić protony w przestrzeni, ponieważ siły odpychające zaczynają przeważać, a jądro rozpada się na kawałki. A siła takiej ekspansji jest naprawdę kolosalna. Wiadomo, że siła dorosłego mężczyzny nie wystarczyłaby do utrzymania protonów tylko jednego jądra atomu ołowiu.
Czego Rutherford się bał
Rdzenie większości elementów układu okresowego są stabilne. Jednak wraz ze wzrostem liczby atomowej ta stabilność maleje. Chodzi o rozmiar rdzeni. Wyobraź sobie jądro atomu uranu, składające się z 238 nuklidów, z których 92 to protony. Tak, protony są ze sobą w bliskim kontakcie, a siły wewnątrzjądrowe bezpiecznie cementują całą strukturę. Jednak siła odpychająca protonów znajdujących się na przeciwległych końcach jądra staje się zauważalna.
Co robił Rutherford? Bombardował atomy neutronami (elektron nie przejdzie przez powłokę elektronową atomu, a dodatnio naładowany proton nie będzie w stanie zbliżyć się do jądra z powodu sił odpychających). Neutron wchodzący do jądra atomu powoduje jego rozszczepienie. Dwie oddzielne połówki i dwa lub trzy wolne neutrony rozleciały się.
Rozpadowi temu, ze względu na ogromną prędkość latających cząstek, towarzyszyło uwolnienie ogromnej energii. Krążyły plotki, że Rutherford chciał nawet ukryć swoje odkrycie, obawiając się możliwych konsekwencji dla ludzkości, ale najprawdopodobniej jest to tylko bajka.
Co ma z tym wspólnego masa i dlaczego jest krytyczna
I co z tego? Jak można napromieniować strumieniem protonów wystarczająco dużo radioaktywnego metalu, aby wywołać potężną eksplozję? A czym jest masa krytyczna? Chodzi o te kilka wolnych elektronów, które wylatują z „zbombardowanego” jądra atomowego, a te z kolei zderzając się z innymi jądrami, spowodują ich rozszczepienie. Rozpocznie się tak zwana reakcja łańcuchowa jądrowa. Jednak uruchomienie go będzie niezwykle trudne.
Sprawdź wagę. Jeśli weźmiemy jabłko na naszym stole jako jądro atomu, to aby wyobrazić sobie jądro sąsiedniego atomu, to samo jabłko trzeba będzie przenieść i położyć na stole nawet nie w sąsiednim pokoju, ale… w sąsiednim domu. Neutron będzie miał wielkość pestki wiśni.
Aby emitowane neutrony nie odleciały na próżno poza sztabkę uranu, a ponad 50% z nich znalazłoby cel w postaci jąder atomowych, sztabka musi mieć odpowiednią wielkość. Jest to tak zwana masa krytyczna uranu - masa, przy której ponad połowa emitowanych neutronów zderza się z innymi jądrami.
W rzeczywistości dzieje się to w jednej chwili. Liczba rozszczepionych jąder rośnie jak lawina, ich fragmenty pędzą we wszystkich kierunkach z prędkością porównywalną doprędkość światła, rozdzieranie powietrza, wody, jakiegokolwiek innego medium. Po zderzeniu z cząsteczkami środowiska obszar wybuchu natychmiast nagrzewa się do milionów stopni, emitując ciepło, które spala wszystko na obszarze kilku kilometrów.
Nagle podgrzane powietrze natychmiast powiększa się, tworząc potężną falę uderzeniową, która zdmuchuje budynki z fundamentów, przewraca i niszczy wszystko na swojej drodze… to jest obraz eksplozji atomowej.
Jak to wygląda w praktyce
Urządzenie bomby atomowej jest zaskakująco proste. Istnieją dwa sztabki uranu (lub innego radioaktywnego metalu), z których każdy jest nieco mniejszy niż masa krytyczna. Jeden z wlewków wykonany jest w formie stożka, drugi to kula z otworem w kształcie stożka. Jak można się domyślić, z połączenia obu połówek uzyskuje się kulę, w której osiąga się masę krytyczną. To jest standardowa prosta bomba atomowa. Dwie połówki są połączone za pomocą zwykłego ładunku TNT (stożek jest wstrzeliwany w kulę).
Ale nie myśl, że ktokolwiek może zmontować takie urządzenie "na kolanie". Sztuczka polega na tym, że uran, aby bomba wybuchła, musi być bardzo czysty, a obecność zanieczyszczeń jest praktycznie zerowa.
Dlaczego nie ma bomby atomowej wielkości paczki papierosów
Wszystko z tego samego powodu. Masa krytyczna najpowszechniejszego izotopu uranu 235 wynosi około 45 kg. Wybuch takiej ilości paliwa jądrowego to już katastrofa. I zrobić ładunek wybuchowy za mniejilość substancji jest niemożliwa - po prostu nie zadziała.
Z tego samego powodu nie było możliwe wytworzenie superpotężnych ładunków atomowych z uranu lub innych metali radioaktywnych. Aby bomba była bardzo potężna, została wykonana z kilkunastu sztabek, które po detonacji ładunków detonujących rzuciły się do środka, łącząc się jak pomarańczowe plastry.
Ale co się właściwie stało? Jeśli z jakiegoś powodu dwa elementy spotkały się o tysięczną sekundy wcześniej niż pozostałe, masa krytyczna została osiągnięta szybciej, niż pozostałe „zdążyły na czas”, eksplozja nie nastąpiła z taką mocą, jakiej oczekiwali projektanci. Problem superpotężnej broni jądrowej został rozwiązany dopiero wraz z pojawieniem się broni termojądrowej. Ale to trochę inna historia.
Jak działa spokojny atom
Elektrownia atomowa to w zasadzie ta sama bomba atomowa. Tylko ta "bomba" ma elementy paliwowe (elementy paliwowe) wykonane z uranu umieszczone w pewnej odległości od siebie, co nie przeszkadza im w wymianie "uderzenia" neutronów
Elementy paliwowe wykonane są w postaci prętów, pomiędzy którymi znajdują się pręty kontrolne wykonane z materiału dobrze pochłaniającego neutrony. Zasada działania jest prosta:
- pręty regulujące (absorbujące) są umieszczane w przestrzeni między prętami uranowymi - reakcja zostaje spowolniona lub całkowicie zatrzymana;
- pręty kontrolne są usuwane ze strefy - pierwiastki promieniotwórcze aktywnie wymieniają neutrony, reakcja jądrowa przebiega intensywniej.
Rzeczywiście, okazuje się, że ta sama bomba atomowa,w którym masa krytyczna jest osiągana tak płynnie i jest regulowana tak wyraźnie, że nie prowadzi do wybuchu, a jedynie do podgrzania chłodziwa.
Chociaż niestety, jak pokazuje praktyka, nie zawsze geniusz ludzki jest w stanie powstrzymać tę ogromną i niszczycielską energię - energię rozpadu jądra atomowego.
