Truputis apie atominių bombų konstrukciją.
Atominių bombų idėja yra labai paprasta: skylant urano-235 ar plutonio-239 branduoliui, išsiskiria du neutronai, kurie, kaip žinia, pataikę į šių medžiagų branduolį, sukelia skilimą. Kitaip tariant, reakcija gaunasi grandininė ir spartėjanti: pirmas neutronas suskaldo vieną branduolį, susidaro 2 neutronai, kurie, savo ruožtu, suskaido 2 branduolius, tada jau gaunasi 4 neutronai, paskui - 8, paskui 16, 32, 64, 128... Ar grandininė reakcija vyks sėkmingai, priklauso nuo vienos priežasties - nuo tikimybės, kad neutronas pataikys į branduolį. Jei daugiau, nei pusė neutronų lieka nepanaudoti, reakcija sustoja, bet jei panaudojama daugiau, nei pusė, reakcija greitai spartėja. Akivaizdu, kad didesniame skylančios medžiagos gabale sėkmingo neutrono pataikymo tikimybė yra didesnė. Masė, kurioje daugiau, nei 50 procentų neutronų panaudojama naujiems skilimams, vadinama kritine mase. Jei kritinė masė iš lėto pasiekiama, išsiskiria labai daug energijos, kuri gali būti panaudota branduoliniuose reaktoriuose. Jei kokiu nors būdu kritinę masę pavyksta gerokai viršyti, kyla branduolinis sprogimas.
Kritinė masė yra sąlyginis dydis, ji labai priklauso nuo daugelio faktorių. Gan akivaizdu, kad jei turėsime urano-235 mišinį su neskylančiu uranu-238, tai neutronai pataikys ir į urano-238 branduolius, t.y., bus sugerti. Tai reiškia, kad vienas iš svarbiausių kritinės masės faktorių - tai medžiagos grynumas. Kitas kraštutinai svarbus faktorius - tai užtaiso forma - jei tai bus rutulys, neutronams reiks praeiti didelį atstumą, atitinkamai, kritinė masė bus maža. Bet jei tai bus strypas ar plokštė, dauguma neutronų tiesiog išlėks lauk - reikalinga kritinė masė bus didelė. Labai didelę reikšmę kritinei masei turi ir kiti faktoriai: kristalinė gardelė (nuo branduolių išsidėstymo gerokai priklauso neutrono pataikymo tikimybė), užtaiso tankis (kuo užtaisas tankesnis, tuo branduoliai arčiau, atitinkamai kyla ir neutrono pataikymo tikimybė).
Kraštutinai svarbios ir įvairios priemaišos - ar jos tiesiog sugeria neutronus (lėtina reakcijas), ar jos sukuria naujus skylančius branduolius (pvz., uranas-238, sugėręs neutroną, pavirsta uranu-239, kuris, savo ruožtu, pavirsta į plutonį-239 - abi medžiagos, pasigavusios antrą neutroną, skyla, duodamos du neutronus, t.y., uranas-238 veikia kaip neutrali, bet reakciją sulėtinanti medžiaga), galų gale, jei užtaise yra ir neutronus sulėtinančių medžiagų, kritinė masė gerokai krenta.
Galų gale dar vienas, mažiau reikšmingas bomboms, tačiau svarbus branduoliniams reaktoriams faktorius - tai neutronų greitis: greiti neutronai skrenda tiesiomis trajektorijomis ir turi didelę energiją, todėl tikimybė, kad branduolys tokį neutroną pasigaus, yra maža. Tuo tarpu lėti neutronai gan ilgai vinguriuoja po branduolinį užtaisą, todėl jų pasigavimo tikimybė padidėja dešimtis ar net šimtus kartų. Ne visi žino, tačiau branduoliniam kurui tinka ir natūralus, gamtinis uranas, tačiau jam reikia neutronų lėtiklio.
Nėra viešai prieinamų duomenų, apie tai, kokia yra vienų ar kitų branduolinių medžiagų kritinė masė - vienus duomenis pateikia SSRS/Rusijos šaltiniai, kitus duomenis - JAV, dar kitus duomenis - kitos šalys. Negana to, net ir tų pačių šalių pateikiami duomenys kaskart gerokai skiriasi. Dažniausiai randami skaičiai maždaug tokie:
* Uranas-235 (gaunamas iš gamtinio urano, kuriame sudaro apie 0,7 proc.): apie 50kg (pagal sovietinius duomenis - apie 20kg).
* Plutonis-239 (gaunamas, uraną-238, gamtoje sudarantį apie 99,2 proc., apspinduliavus neutronu): apie 10kg (pagal sovietinius duomenis - apie 5-6kg)
* Uranas-233 (gaunamas iš gamtinio torio-232, apspinduliavus neutronu): apie 15kg (sovietiniais domenimis - nuo kelių šimtų gramų iki poros kilogramų)
Gali būti, kad JAV ir SSRS duomenys skiriasi dėl to, kad buvo nustatyti skirtingoms kristalinėms gardelėms arba skirtingo grynumo branduolinėms medžiagoms.
Yra kelios priemonės, padidinančios neutronų panaudojimo efektyvumą, atitinkamai - ir kritinę masę. Pirmoji paremta idėja, kad dalį išlekiančių neutronų galima atspindėti į urano-235 ar plutonio-239 gabalą. Paprasčiausiu atveju naudojami būna berilio veidrodžiai, kurie atspindi nuo kelių iki keliolikos procentų neutronų, tačiau išsivysčiusios valstybės sugeba pagaminti ir sudėtingesnius veidrodžius, kurių atspindėjimo geba gali artėti prie 90 ar daugiau procentų. Akivaizdu, kad sukūrus neutronų veidrodį, kurio efektyvumas siekia 100 procentų, galima būtų gaminti beveik neribotai mažos galios atomines bombas.
Kita priemonė - tai impulsiniai neutronų šaltiniai, kurie gali sukelti labai staigią branduolinę reakciją - pvz., berilio mišinys su alfa dalelių šaltiniu duoda neutronus - alfa dalelės šiuos išmuša iš berilio branduolių. Stiprus neutronų impulsas į branduolinį užtaisą, turintį mažesnę, nei kritinė, masę, jau gali sukelti nedidelį branduolinį sprogimą. Tam tikrą antrąjį neutronų impulsą gali sukelti nedidelis tričio užtaisas, kuris gali būti įdėtas į atominio užtaiso vidų - minimalios galios atominio sprogimo metu (10-20 tonų ekvivalento), trityje prasidėjusios reakcijos gali duoti pakankamą perteklių neutronų, kad efektyviai sureaguotų ir likęs branduolinis kuras.
Pati pirmoji atominės bombos konstrukcija (tokia bomba buvo numesta ant Hirosimos) yra pabūklinio tipo. Ji pagrįsta labai primityviu principu: du urano gabalai artinami vienas prie kito, kol ima pagauti vienas kito išspinduliuojamus neutronus. Urano bombai reikia, kad gabalai vienas prie kito artėtų bent kelių šimtų metrų per sekundę greičiu - kitaip reakcija prasideda pakankamai anksti, gabalai suyra, dar neviršiję kritinės masės.
Visai kitokiu principu paremta pirmoji pasaulyje susprogdinta atominė bomba (Trinity bandymas) bei atominė bomba, numesta ant Nagasakio - čia vietoje urano naudojamas plutonis, turintis vieną didelę bėdą - jis skyla ir savaime, išmesdamas laisvus neutronus, kurie sukeldinėja branduolines reakcijas. Dėl to plutonis į masės pasikeitimus reaguoja praktiškai be uždelsimų, atitinkamai, viršyti kritinę masę praktiškai neįmanoma: du atominio užtaiso gabalai turėtų vienas prie kito artėti dešimčių ar net šimtų kilometrų per sekundę greičiu. Esminis JAV išradimas buvo paremtas implozijos (sprogimo į vidų) idėja - kad plutonio skilimo metu išsiskyrusią energiją galima panaudoti tam pačiam plutoniui dar labiau susislėgti. Plutonio bomba veikia taip: tuščiaviduris plutonio rutulys patalpinamas į rutulį iš sprogmenų, kurie sprogdinami vienu metu iš visų pusių. Sprogmenų smūginė banga suslegia plutonio rutulį, kritinė masė sumažėja, prasideda branduolinės reakcijos, kurios, savo ruožtu, dar labiau įkaitina išorinių sprogmenų sukurtas dujas ir, atitinkamai, dar labiau suslegia plutonio rutulį.
Pabūklinio tipo atominiai užtaisai yra menkai efektyvūs, lyginant su imploziniais, todėl net ir urano bombos vėlesniais laikais buvo gaminamos, kaip implozinės. Efektyvumą geriausiai iliustruoja skaičiai - Hirosimoje susprogdintoje bomboje ("Little Boy" - "Mažylis") sureagavo vos 1,4 procento urano-235 (apie 13-16 kilotonų iš 64kg urano), tuo tarpu Nagasakyje susprogdintoje bomboje ("Fat Man" - "Dručkis") sureagavo apie 14 procentų (apie 21 kilotoną iš maždaug 5-6 kilogramų plutonio).
Žemiau - truputis iliustracijų:
Prikabinti failai: |
Failo aprašymas: Sovietinis RDS-1 - pirmoji rusiška atominė bomba. Jos galia - apie 22 kilotonas, bomba sukurta remiantis "Dručkio" brėžiniais.
RDS-1.jpg [ 199.82 KB | Peržiūrėta 850 kartus(ų) ]
|
Failo aprašymas: "Dručkis". Galia - apie 21 kilotoną.
Fat_man.jpg [ 153.39 KB | Peržiūrėta 741 kartus(ų) ]
|
Failo aprašymas: Trinity užtaisas - "Dručkio" bandomoji versija. Galia - apie 20 kilotonų.
Trinity_Gadget.jpg [ 25.26 KB | Peržiūrėta 712 kartus(ų) ]
|
Failo aprašymas: "Mažylis". Galia - 13-16 kilotonų.
Little_boy.jpg [ 71.61 KB | Peržiūrėta 796 kartus(ų) ]
|
Failo aprašymas: Implozinio tipo atominė bomba. Tokią konstrukciją turėjo "Trinity" užtaisas, "Dručkis" bei sovietinė RDS-1 ("Pirmasis žaibas")
Implosion_Nuclear_weapon.jpg [ 41.81 KB | Peržiūrėta 1355 kartus(ų) ]
|
Failo aprašymas: Pabūklinio tipo atominė bomba. Tokią konstrukciją turėjo "Mažylis"
little_boy.gif [ 33.43 KB | Peržiūrėta 10372 kartus(ų) ]
|
|