Критическая масса в ядерной физике

С момента окончания самой страшной в истории человечества войны прошло чуть более двух месяцев. И вот 16 июля 1945 года американскими военными была испытана первая ядерная бомба, а спустя еще месяц в атомном пекле гибнут тысячи жителей японских городов. С тех пор ядерное оружие, так же как и средства доставки его к целям, непрерывно совершенствовалось на протяжении более полувека.

Военным хотелось получить в свое распоряжение как сверхмощные боеприпасы, одним ударом сметающие с карты целые города и страны, так и сверхмалые, умещающиеся в портфель. Такое устройство вывело бы диверсионную войну на небывалый доселе уровень. Как с первым, так и со вторым возникли непреодолимые трудности. Виной всему, так называемая, критическая масса. Однако, обо всем по порядку.

Такое взрывоопасное ядро

Чтобы разобраться в порядке работы ядерных устройств и понять, что называется критической массой, вернемся ненадолго за парту. Из школьного курса физики мы помним простое правило: одноименные заряды отталкиваются. Там же, в средней школе ученикам рассказывают о строении атомного ядра, состоящего из нейтронов, нейтральных частиц и протонов, заряженных положительно. Но как такое возможно? Положительно заряженные частицы расположены так близко друг к другу, силы отталкивания должны быть колоссальными.

Ядро урана

Науке до конца не известна природа внутриядерных сил, удерживающих вместе протоны, хотя свойства этих сил изучены достаточно хорошо. Силы действуют только на очень близком расстоянии. Но стоит хотя бы чуть-чуть разделить протоны в пространстве, как силы отталкивания начинают превалировать, и ядро разлетается на куски. А мощность такого разлета воистину колоссальна. Известно, что силы взрослого мужчины не хватило бы для удержания протонов всего лишь одного единственного ядра атома свинца.

Чего испугался Резерфорд

Ядра большинства элементов таблицы Менделеева стабильны. Однако с ростом атомного числа эта стабильность все уменьшается. Дело в размере ядер. Представим себе ядро атома урана, состоящее из 238 нуклидов, из которых 92 – протоны. Да, протоны находятся в тесном контакте друг с другом, и внутриядерные силы надежно цементируют всю конструкцию. Но сила отталкивания протонов, находящихся на противоположных концах ядра становится заметной.

Эрнест Резерфорд

Что проделывал Резерфорд? Он производил бомбардировку атомов нейтронами (электрон не пройдет через электронную оболочку атома, а положительно заряженный протон не сможет приблизиться к ядру из-за сил отталкивания). Нейтрон, попадая в ядро атома, вызывал его деление. В стороны разлетались две отдельные половинки и два-три свободных нейтрона.

Деление ядра урана

Этот распад, в силу громадных скоростей разлетающихся частиц, сопровождался выбросом громадной энергии. Ходил слух, что Резерфорд даже хотел скрыть свое открытие, испугавшись его возможных последствий для человечества, но это, скорее всего, не более чем сказки.

Так при чем тут масса и почему она критическая

Ну и что? Как можно облучить потоком протонов достаточное количество радиоактивного металла, чтобы получить мощный взрыв? И что такое критическая масса? Все дело в тех нескольких свободных электронах, которые вылетают из «разбомбленного» атомного ядра, они в свою очередь так же, столкнувшись с другими ядрами, вызовут их деление. Начнется так называемая цепная ядерная реакция. Однако запустить ее будет чрезвычайно сложно.

Уточним масштаб. Если за ядро атома принять яблоко на нашем столе, то для того, чтобы представить себе ядро соседнего атома, такое же яблоко придется отнести и положить на стол даже не в соседней комнате, а… в соседнем доме. Нейтрон же будет размером с вишневую косточку.

Для того, чтобы выделившиеся нейтроны не улетали впустую за пределы слитка урана, а более 50 % из них находили бы себе цель в виде атомных ядер, этот слиток должен иметь соответствующие размеры. Вот что называется критической массой урана – масса, при которой более половины выделяющихся нейтронов сталкиваются с другими ядрами.

На деле это происходит в одно мгновение. Количество расщепленных ядер нарастает как лавина, их осколки устремляются во все стороны со скоростями сопоставимыми со скоростью света, вспарывая воздух, воду, любую другую среду. От их столкновений с молекулами окружающей среды область взрыва мгновенно нагревается до миллионов градусов, излучая жар, испепеляющий все в округе нескольких километров.

Ядерный взрыв

Резко нагретый воздух мгновенно увеличивается в размерах, создавая мощную ударную волну, которая сносит с фундаментов здания, переворачивает и крушит все на своем пути… такова картина атомного взрыва.

Как это выглядит на практике

Устройство атомной бомбы на удивление просто. Имеются два слитка урана (или другого радиоактивного металла), масса каждого из которых немного меньше критической. Один из слитков изготовлен в виде конуса, другой – шара с конусообразным отверстием. Как нетрудно догадаться, при совмещении обеих половинок получается шар, у которого достигается критическая масса. Это стандартная простейшая ядерная бомба. Соединяются две половинки при помощи обычного тротилового заряда (конус выстреливается в шар).

Атомная бомба

Но не стоит думать, что такое устройство сможет собрать «на коленке» любой желающий. Весь фокус заключается в том, что уран, чтобы бомба из него взорвалась, должен быть очень чистым, наличие примесей – практически ноль.

Почему не бывает атомной бомбы размером с пачку сигарет

Все по той же причине. Критическая масса самого распространенного изотопа урана 235 составляет около 45 кг. Взрыв такого количества ядерного топлива – это уже катастрофа. А изготовить взрывное устройство с меньшим количеством вещества невозможно – оно просто не сработает.

По той же причине не получилось и создать сверхмощные атомные заряды из урана или других радиоактивных металлов. Для того, чтобы бомба была очень мощной, ее делали из десятка слитков, которые при подрыве детонирующих зарядов устремлялись к центру, соединяясь как дольки апельсина.

Но что происходило на деле? Если по каким-то причинам два элемента встречались на тысячную долю секунды раньше остальных, критическая масса достигалась быстрее чем «подоспеют» остальные, взрыв происходил не той мощности, на которую рассчитывали конструкторы. Проблема сверхмощных ядерных боеприпасов была решена только с появлением термоядерного оружия. Но это чуть другая история.

А как же работает мирный атом

Атомная электростанция – по сути та же ядерная бомба. Только у этой «бомбы» ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), изготовленные из урана, находятся на некотором расстоянии друг от друга, что не мешает им обмениваться нейтронными «ударами».

атомная станция

ТВЭЛы изготавливаются в виде стержней, между которыми находятся регулирующие стержни, выполненные из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Принцип работы прост:

  • регулирующие (поглощающие) стержни вводятся в пространство между стержнями урана – реакция замедляется или останавливается вовсе;
  • регулирующие стержни выводятся из зоны – радиоактивные элементы активно обмениваются нейтронами, ядерная реакция протекает интенсивнее.

Действительно, получается та же атомная бомба, в которой критическая масса достигается настолько плавно и регулируется так четко, что это не приводит к взрыву, а лишь к нагреву теплоносителя.

Хотя, к сожалению, как показывает практика, не всегда человеческий гений способен обуздать эту огромную и разрушительную энергию – энергию распада атомного ядра.

Статья закончилась. Вопросы остались?
Добавить смайл
  • :smile:
  • :wink:
  • :frowning:
  • :stuck_out_tongue_winking_eye:
  • :smirk:
  • :open_mouth:
  • :grinning:
  • :pensive:
  • :relaxed:
  • :heart:
Подписаться
Я хочу получать
Правила публикации
Следят за новыми комментариями — 4
Редактирование комментария возможно в течении пяти минут после его создания, либо до момента появления ответа на данный комментарий.