Od skončenia najhoršej vojny v dejinách ľudstva uplynulo niečo viac ako dva mesiace. A tak 16. júla 1945 otestovala americká armáda prvú jadrovú bombu a o mesiac neskôr tisíce obyvateľov japonských miest zomierali v atómovom pekle. Odvtedy sa jadrové zbrane, ako aj spôsoby ich dodania k cieľom, neustále zdokonaľovali už viac ako pol storočia.
Armáda chcela mať k dispozícii supervýkonnú muníciu, ktorá jednou ranou zmietne celé mestá a krajiny z mapy, ako aj ultramalé, ktoré sa zmestia do kufríka. Takéto zariadenie by prinieslo sabotážnu vojnu na bezprecedentnú úroveň. S prvým aj s druhým boli neprekonateľné ťažkosti. Dôvodom je takzvané kritické množstvo. Najprv však prvé veci.
Takéto výbušné jadro
Aby sme pochopili, ako fungujú jadrové zariadenia a čo sa nazýva kritické množstvo, vráťme sa na chvíľu k stolu. Zo školského kurzu fyziky si pamätáme jednoduché pravidlo: náboje s rovnakým názvom sa navzájom odpudzujú. Na tom istom mieste sa na strednej škole študentom hovorí o štruktúre atómového jadra pozostávajúceho z neutrónov, neutrálnych častíc akladne nabité protóny. Ale ako je to možné? Kladne nabité častice sú tak blízko seba, že odpudivé sily musia byť kolosálne.
Veda si nie je plne vedomá povahy vnútrojadrových síl, ktoré držia protóny pohromade, hoci vlastnosti týchto síl boli celkom dobre študované. Sily pôsobia len vo veľmi blízkej vzdialenosti. Ale stojí za to aspoň trochu oddeliť protóny vo vesmíre, keď začnú prevládať odpudivé sily a jadro sa rozbije na kúsky. A sila takejto expanzie je skutočne kolosálna. Je známe, že sila dospelého muža by nestačila na to, aby udržala protóny len jedného jediného jadra atómu olova.
Čoho sa Rutherford bál
Jadrá väčšiny prvkov periodickej tabuľky sú stabilné. S rastúcim atómovým číslom však táto stabilita klesá. Ide o veľkosť jadier. Predstavte si jadro atómu uránu pozostávajúce z 238 nuklidov, z ktorých 92 sú protóny. Áno, protóny sú vo vzájomnom tesnom kontakte a vnútrojadrové sily bezpečne stmelia celú štruktúru. Ale odpudivá sila protónov umiestnených na opačných koncoch jadra sa stáva viditeľnou.
Čo robil Rutherford? Bombardoval atómy neutrónmi (elektrón neprejde cez elektrónový obal atómu a kladne nabitý protón sa nebude môcť priblížiť k jadru kvôli odpudivým silám). Neutrón vstupujúci do jadra atómu spôsobuje jeho štiepenie. Dve oddelené polovice a dva alebo tri voľné neutróny sa rozleteli.
Tento rozpad v dôsledku obrovskej rýchlosti letiacich častíc sprevádzalo uvoľnenie obrovskej energie. Povrávalo sa, že Rutherford dokonca chcel svoj objav utajiť, pretože sa bál jeho možných následkov pre ľudstvo, ale s najväčšou pravdepodobnosťou nejde o nič iné ako o rozprávku.
Čo s tým má teda masa spoločné a prečo je to kritické
No a čo? Ako sa dá ožiariť prúdom protónov dostatok rádioaktívneho kovu na to, aby došlo k silnému výbuchu? A čo je kritické množstvo? Všetko je to o tých pár voľných elektrónoch, ktoré vyletia z „rozbombardovaného“atómového jadra, tie zase pri zrážke s inými jadrami spôsobia ich štiepenie. Spustí sa takzvaná jadrová reťazová reakcia. Jeho spustenie však bude mimoriadne náročné.
Skontrolujte mierku. Ak vezmeme jablko na stôl ako jadro atómu, potom, aby sme si predstavili jadro susedného atómu, to isté jablko bude musieť niesť a položiť na stôl ani nie vo vedľajšej miestnosti, ale … vo vedľajšom dome. Neutrón bude mať veľkosť semienka čerešne.
Aby emitované neutróny nadarmo neodleteli mimo uránový ingot a viac ako 50% z nich by si našlo cieľ v podobe atómových jadier, musí mať tento ingot zodpovedajúcu veľkosť. Toto sa nazýva kritická hmotnosť uránu - hmotnosť, pri ktorej sa viac ako polovica emitovaných neutrónov zrazí s inými jadrami.
V skutočnosti sa to stane okamžite. Počet rozštiepených jadier rastie ako lavína, ich úlomky sa rútia všetkými smermi rýchlosťou porovnateľnou srýchlosť svetla, trhanie vzduchu, vody, akéhokoľvek iného média. Od ich zrážok s molekulami prostredia sa oblasť výbuchu okamžite zahreje na milióny stupňov a vyžaruje teplo, ktoré spáli všetko v oblasti niekoľkých kilometrov.
Náhle zohriaty vzduch sa okamžite zväčší a vytvorí silnú rázovú vlnu, ktorá odhodí budovy zo základov, prevráti a zničí všetko, čo jej stojí v ceste…toto je obraz atómového výbuchu.
Ako to vyzerá v praxi
Zariadenie atómovej bomby je prekvapivo jednoduché. Existujú dva ingoty uránu (alebo iného rádioaktívneho kovu), z ktorých každý je o niečo menší ako kritická hmotnosť. Jeden z ingotov je vyrobený vo forme kužeľa, druhý je guľa s otvorom v tvare kužeľa. Ako môžete hádať, keď sa obe polovice spoja, získa sa guľa, v ktorej sa dosiahne kritická hmotnosť. Toto je štandardná jednoduchá jadrová bomba. Dve polovice sú spojené pomocou obvyklého náboja TNT (kužeľ je vystrelený do lopty).
Nemyslite si však, že takéto zariadenie môže zostaviť ktokoľvek „na kolene“. Trik je v tom, že urán, aby bomba vybuchla, musí byť veľmi čistý, prítomnosť nečistôt je prakticky nulová.
Prečo neexistuje atómová bomba veľkosti škatuľky cigariet
Všetko z rovnakého dôvodu. Kritická hmotnosť najbežnejšieho izotopu uránu 235 je asi 45 kg. Výbuch takého množstva jadrového paliva je už katastrofou. A vyrobiť výbušné zariadenie s menejmnožstvo látky je nemožné – jednoducho to nebude fungovať.
Z rovnakého dôvodu nebolo možné vytvoriť supervýkonné atómové náboje z uránu alebo iných rádioaktívnych kovov. Aby bola bomba veľmi silná, bola vyrobená z tucta ingotov, ktoré sa pri odpálení detonačných náloží vrútili do stredu a spájali sa ako plátky pomaranča.
Ale čo sa vlastne stalo? Ak sa z nejakého dôvodu dva prvky stretli o tisícinu sekundy skôr ako ostatné, kritická hmotnosť bola dosiahnutá rýchlejšie, než by zvyšok „prišiel včas“, k výbuchu nedošlo s takou silou, akú konštruktéri očakávali. Problém supervýkonných jadrových zbraní bol vyriešený až s príchodom termonukleárnych zbraní. Ale to je trochu iný príbeh.
Ako funguje pokojný atóm
Jadrová elektráreň je v podstate rovnaká jadrová bomba. Iba táto "bomba" má palivové články (palivové články) vyrobené z uránu umiestnené v určitej vzdialenosti od seba, čo im nebráni vo výmene neutrónového "úderu".
Palivové články sú vyrobené vo forme tyčí, medzi ktorými sú riadiace tyče vyrobené z materiálu, ktorý dobre pohlcuje neutróny. Princíp činnosti je jednoduchý:
- regulačné (absorpčné) tyče sú vložené do priestoru medzi uránové tyče - reakcia sa spomalí alebo úplne zastaví;
- riadiace tyče sú odstránené zo zóny - rádioaktívne prvky si aktívne vymieňajú neutróny, jadrová reakcia prebieha intenzívnejšie.
Skutočne sa ukázalo, že ide o rovnakú atómovú bombu,v ktorom sa kritická hmotnosť dosahuje tak hladko a je regulovaná tak jasne, že nevedie k výbuchu, ale iba k zahriatiu chladiacej kvapaliny.
Aj keď, žiaľ, prax ukazuje, nie vždy ľudský génius dokáže obmedziť túto obrovskú a deštruktívnu energiu – energiu rozpadu atómového jadra.
