Зелени звезди - на раменете на атома (епизод 2) - Румънски военни

Днес продължаваме краткия набег в света на атома, след като в първата част говорихме за ядрото и радиацията в резултат на разлагането на атомите.

Радиоактивното разлагане, за което говорихме досега, е естествено, статистическо явление, чрез което определени атоми се опитват да достигнат стабилна конфигурация за неопределено време. Приложимостта на това явление обаче не е това, което всъщност наричаме „ядрена енергия“. Произвежданата енергия обикновено е ниска и явлението не може да се контролира (с течение на времето, когато елементите се движат през разграждащата верига, остават все по-малко и по-малко атоми за производство на енергия). Не можем да променяме мощността. Тук трябва да използваме ядрено делене и го разграничават от естественото разлагане.

Ядрено делене

Е, за да разберем какво е делене, нека се върнем към нашата аналогия със супата. Имаме атом, който остава малко и се запалва, така че голям тиган, който от време на време се запалва. Какво се случва, ако вземем съставка и я хвърлим в тигана? Е, ние го пълним повече, а даваме още повече отвън. Ако го хвърлим още по-силно, част от супата ще скочи от удара навън. И ако го хвърлим достатъчно силно, тиганът ще се напука на няколко парчета.

Това е принципът на ядреното делене. Вземаме делящ се атом и го удряме с неутрон. Атомът или ще капсулира неутрона и ще влезе в нестабилна конфигурация, като по този начин се разцепи, или ще го затвори и ще се трансформира в друг елемент (явление, наречено "ядрена трансмутация").

Тук трябва да правим разлика между делящ се елемент и делящ се елемент. Делящият се елемент ще се разцепи чрез поглъщане на неутрон, независимо от енергията на неутрона (колко бързо се движи). Делящият се елемент няма да се разцепи, ако неутронът се движи твърде бавно (бавните неутрони се наричат още топлинни), но той може да го абсорбира, като по този начин се дели (не през цялото време, но ние ще игнорираме специални случаи).

Нека вземем практическия случай на уран. Естественият уран се състои от 99 процента U-238 и по-малко от 0,7 процента U-235. Останалите са останали изотопи (U-234, U-236 и др.).

U-235 може да бъде бомбардиран с бавен неутрон и той ще се превърне в U-236, който е изключително нестабилен (половин секунда) и ще се раздели на два атома (относително бърз) и три неутрона. Тези три неутрона от своя страна могат да бъдат забавени (използваният термин е „умерен“, но ще говорим за това веднага) и абсорбирани от други атоми U-235. Резултатът е каскада от разпад, при която уранът се „изгаря“ и произвежда много бързи (горещи) атоми, плюс неутрони, които причиняват други цепвания. Това е ядрена реакция.

U-238, от друга страна, не може да абсорбира бавни неутрони, но може да бъде „разбит“, ако неутронът е много бърз. Резултатът е други бързи неутрони, плюс новосъздадените елементи в предишното ядро, поради което се дели, но не се дели.
Той може също да абсорбира неутрон и да се превърне в плутоний 239. Pu-239 има подобни характеристики на U-235, което означава, че се дели (всъщност, както ще видим, той се дели по-лесно) и се счупва, когато все още абсорбира неутрон. бавно, произвеждайки нови елементи (наречени "продукти на делене") и два неутрона, които могат да продължат реакцията. Така че можем да произвеждаме делящи се елементи от делящи се елементи.

Сега трябва да поговорим за умереност. По същество някои ядра са по-склонни да бъдат ударени от неутрон, отколкото други. Но това предразположение не се поддържа при никаква неутронна скорост. Тук ще правим разлика между топлинните неутрони и бързите неутрони.

Термичните неутрони се наричат топлинни, тъй като тяхната скорост е подобна на вибрационната скорост на атомите в структурата. Така че говорим за скорости от порядъка на няколко хиляди километра в час.

Бързите неутрони имат много по-висока скорост (от порядъка на десети от скоростта на светлината). Те са изключително трудни за усвояване от повечето ядра. С други думи, „напречното сечение" на ядрото варира в зависимост от скоростта на неутрона. Това напречно сечение се измерва в „плевня", което означава „плевня“ на английски (английски израз ‘широка страна на плевня’).

При високи скорости напречното сечение варира леко от сърцевина до сърцевина (20 бара за Pu-239 срещу 30 бара за U-235), но при ниски скорости е изключително високо за делящите се елементи и незначително малко за останалите.

Неутронна енергия срещу раздел

Така че, за да произвеждаме енергия, бихме искали да увеличим шанса елементът да включи неутрон и да се раздели. Като такива използваме делящи се елементи, а най-използваните са U-235 и Pu-239. Има и други, но всички елементи, по-тежки от урана (плутоний, калифорний, айнщайний, нептумий и др.), Се получават чрез бомбардиране на уран с неутрони (трансмутацията, за която говорихме по-рано). Като такива те се наричат „изкуствени елементи“. Те са съществували в миналото и в руди, но поради краткия им полуживот те са се разделили за 4 милиарда години на планетата.

Добре, така че делящите се елементи са просто определени изотопи. Как се използват? По принцип, ако съберете купчина U-235 заедно, някои от тези атоми ще се разпаднат естествено, произвеждайки неутрони. Тези неутрони ще бъдат абсорбирани от околните атоми на урана, което ще ги накара да се разделят. Така че колкото повече атоми са събрани заедно и колкото по-плътни са, толкова по-голям е шансът тази реакция да продължи във верига.

За да се увеличат шансовете за реакция, неутроните могат да бъдат модерирани, т.е. забавени. Те губят енергията си, сблъсквайки се с ядра от леки вещества. Понякога те могат да бъдат абсорбирани от тези вещества, предизвиквайки трансмутация (което се случва например с литий, който по този начин се превръща в хелий), друг път могат да рикошетират от тези ядра. Тъй като отскокът кара неутронът да се откаже от част от енергията си, той се забавя. Последователният откат води до намаляване на скоростта на неутроните от хиляди километри в секунда (толкова, колкото има при формирането) до десетки километри в секунда (термична скорост).

Тези леки вещества, които са склонни да отскачат неутрони, се наричат „модератори“. Най-често използваното вещество е водата, тъй като е евтино, лесно се получава и пречиства (не искате да имате минерали или примеси, които могат да абсорбират неутрони, подложени на трансмутация) и съдържа два водородни атома. Теоретично бихме могли да използваме само водород, но в газообразно състояние той е много малко плътен, така че ефектът на умереност е нисък (тъй като шансът на неутрон да удари един от атомите е нисък).

По този начин можем да класифицираме елементите според ефекта, който имат върху тези неутрони:

леките елементи, които намаляват енергията на неутроните чрез нееластични сблъсъци, се наричат модератори. Например водород и всичко, което съдържа голямо количество водород.
тежките елементи, при които сблъсъците имат доста нееластичен вид (неутронните рикошети, без да губят много енергия), се наричат "неутронни отражатели". Те са добри и като форма на екраниране. Оловото е основният пример.
делящите се елементи, които при удара произвеждат неутрони, се наричат "ядрени горива". Примери биха били U-235, Pu-239, Am-242m, U-233 и т.н.
делящи се елементи, които се разрушават, когато неутроните са бързи (нисък шанс, защото малко напречно сечение) и които чрез поглъщане на бавен неутрон могат да станат делящи се (или могат да станат по-малко делящи се, в зависимост от шанса). Примери за това са U-238, Th-232 и т.н.
елементи, които абсорбират неутрона и се превръщат в нещо друго, се наричат „неутронни отрови“. Поглъщайки неутроните, те значително намаляват шансовете реакцията да продължи, като по същество я потискат. Примери за това са Li-6, C-12 и т.н. Повечето артикули попадат в тази категория.

Последното нещо, което трябва да обсъдим, е концепцията за критичната маса. Както е описано по-горе, колкото повече U-235 събирате (всъщност всеки делящ се елемент може да работи), толкова по-силна е реакцията и по-висока температура. Теоретично тя може да продължи, докато по-голямата част от урана не бъде консумирана или докато продуктите на делене (които, както споменахме по-горе, са предимно неутронни отрови) потиснат реакцията. Ако успеете да съберете достатъчно уран на място достатъчно бързо, реакцията става самодостатъчна и експлозивна.

Критичната стойност зависи не само от самата таблица, но и от формата, която таблицата приема. Ако формата е опъната нишка или лист, тя става изключително голяма. Ако формата е сфера, тя е сведена до минимум. Следващата таблица показва стойностите на критичната маса и диаметъра, който сферата от тази маса трябва да има:

Полуживот на елемента (година) Критично тегло (кг) Диаметър (см)

Уран-233	159.200	15	11.
Уран-235	703,8 милиона	52	17
Нептуний-236	154 000	7	8.7
Нептуний-237	2,144 милиона	60	18.
плутоний-238	87.7	9.04-10.07	9,5-9,9
плутоний-239	24.110	10	9.9
плутоний-240	6561	40	15
плутоний-241	14.3	12	10.5
плутоний-242	375 000	75-100	19-21
америций-241	432.2	55-77	20-23
америций-242	141	9-14	11-13
америций-243	7370	180-280	30-35
curium-243	29.1	7.34-10	10-11
curium-244	18.1	13.5-30	12.4-16
curium-245	8500	9.41-12.3	11-12
curium-246	4760	39-70.1	18-21
curium-247	15,6 милиона	6.94-7.06	9.9
беркелий-247	1380	75.7	11.8-12.2
беркелий-249	0.9	192	16.1-16.6
калифорний-249	351	6	9
калифорний-251	900	5.46	8.5
калифорний-252	2.6	2.73	6.9
айнщайн-254	0755	9,89	7.1

Тези стойности също така установяват минималните маси на атомните оръжия (неконтролирано ядрено делене). Проблемът е, че много от елементите, които биха направили добро ядрено гориво, са изкуствени елементи, които трябва да бъдат създадени в ускорители или реактори. Процесът е скъп и следователно основният елемент, който се използва, е плутоний за ядрени оръжия (произведени в специализирани инсталации, които са модифицирани реактори) и уран за реактори.

Атомното оръжие работи на принципа на обединяване на критична маса на делящ се елемент. Тъй като неутроните са изключително бързи, реакцията има тенденция да отделя масата на горивото (с други думи, ако бавно сложите един килограм върху един килограм U-235 заедно, в един момент, когато почти имате критична маса, температурата ще бъде такава големи, така че натрупаният уран се изпарява и изхвърля с голяма сила, преди по-голямата част от атомите да започнат да се разделят; феноменът се нарича "физъл", което означава "фасциален" вместо експлозия). За това атомните бомби използват два дизайна:

конструкция от тип оръдие, при която урановата арматура се ускорява до целевата маса на урана. Когато двете таблици се обединят, те незабавно стават критични и експлодират. Това е механизмът на първите примитивни бомби, като устройствата Хирошима и Нагасаки. Най-лесно е да се изгради, но полученото оръжие е голямо (съдържа практичен оръдиен цев), тежко, изисква елемент с висока чистота (U-235 със степен на обогатяване 99 процента; изключително скъпо за изработка) и не той може да използва елементи с по-ниска критична маса (плутонийът образува пукнатини, тъй като е твърде реактивен и не позволява на армировката да се доближи до целта, но изпарява и изхвърля материала). Този тип оръжие е почти напълно изоставен след 50-те години.
конструкция от имплозивен тип, при която сфера от делящ се материал се компресира от концентричен слой от конвенционален експлозив. Тук не е чудесно да се каже, че това води до оръжия с много по-малки размери, по-ефективни и които могат да използват трансуранови елементи като делящ се материал. Днес използвам плутоний.

Ядрени оръжия

Трябва също да добавим, че повечето съвременни ядрени оръжия са устройства с „усилено делене“, т.е. частично се базират на термоядрени реакции (синтез вместо делене), но този аспект не ни интересува в тези статии. Съвременните ядрени оръжия имат минималистичен дизайн, използват малко делящ се материал и имат експлозивна сила от стотици килотони (достатъчно големи, за да покрият големи площи, но достатъчно малки, за да не излъчват по-голямата част от енергията си в атмосферата и да се поберат отгоре). ракета). Те са кулминацията на изследователските усилия, които струват цели БВП, направени през 50-те-60-те-70-те и 80-те години и са зряла технология. Астронуклеарните космически програми също бяха свързани с тези военни усилия, защото те биха могли да се възползват от изследователски фондове (всъщност много от изследователите, които са работили по тях, са работили и върху оръжията, както ще видим).

Ако ядреният взрив се основава на бърза, бърза и неконтролирана реакция на критична маса делящ се материал, реакторът използва постепенно освобождаване на енергия.

По същество, реакторът винаги има критична маса на уран в сърцевината си, но това е под формата на пръчки. Тези пръчки обменят неутрони помежду си, изстрелвани от водни интервали. Обикновено водата е и модератор (забавя неутроните), но също така и охлаждаща течност (загрява и задвижва турбини). В някои случаи графитните блокове се използват като модератори (въглеродът също е лек елемент), а водата само като охлаждане (като цяло такива системи се считат за остарели, тъй като блоковете са фиксирани и следователно не можете да променяте ефекта на модерация само чрез пръти; това е известният пример за електроцентралата в Чернобил).

Силата на реакцията варира от операторите чрез поставяне или изваждане на тези пръчки. Когато извадите гориво, отслабвате реакцията, когато го въвеждате, ускорявате, в зависимост от това колко енергия искате. Можете също така да го промените, като увеличите или преместите умереността (ниска умереност = ниска абсорбция = ниско делене), използвайки така наречените контролни пръти (обикновено съдържащи въглерод или бор).

Има много повече неща, които трябва да запомните за реакторите, но те не са свързани с тази книга. Броят на проектите е огромен, а експлоатационните условия са независимо поле, което би изисквало собствена поредица от произведения.

делящите се материали освобождават енергията си чрез изкуствено индуцирано атомно разцепване
някои делящи се материали могат да бъдат получени от делящи се, но не делящи се материали
атомните оръжия се основават на масивна неконтролирана ядрена реакция чрез бързо натрупване на материал при маса или критична плътност. СКОРОСТТА има значение.
Ядрените реактори се основават на контролирана, постепенна ядрена реакция, която произвежда енергия във времето, чрез баланс между отделената топлина и нивото на реакцията. Твърде много топлина и реакторът се топи, твърде малко и не е ефективен. Контролът се брои.

Така можем да завършим уводните представи за ядреното инженерство. Но преди да говорим за действителните астроядрени проекти, трябва да поговорим за ракетите като орбитални превозни средства. Какви са те, как са и защо не летим през космоса като Дък Доджърс? Ще видим в следващия епизод.

Мариан Думитриу (Мат)