Kicsit több mint két hónap telt el az emberiség történetének legrosszabb háborújának vége óta. Így 1945. július 16-án az amerikai hadsereg tesztelte az első atombombát, és egy hónappal később japán városok lakóinak ezrei halnak meg az atompokolban. Azóta az atomfegyvereket, valamint a célpontokhoz való eljuttatásukra szolgáló eszközöket több mint fél évszázada folyamatosan fejlesztik.
A katonaság egyszerre akart rendelkezésükre bocsátani a szupererős lőszereket, amelyek egy csapással egész városokat és országokat söpörnek le a térképről, és olyan ultra-kicsiket is, amelyek egy aktatáskában is elférnek. Egy ilyen eszköz soha nem látott szintre emelné a szabotázsháborút. Az elsővel és a másodikkal is leküzdhetetlen nehézségek adódtak. Ennek oka az úgynevezett kritikus tömeg. Azonban először a dolgok.
Egy ilyen robbanékony mag
A nukleáris eszközök működésének megértéséhez és az úgynevezett kritikus tömeg megértéséhez térjünk vissza egy kis időre az íróasztalhoz. Az iskolai fizikatanfolyamról egy egyszerű szabályra emlékszünk: az azonos nevű töltések taszítják egymást. Ugyanitt, a gimnáziumban mesélnek a diákoknak az atommag szerkezetéről, amely neutronokból, semleges részecskékből, ill.pozitív töltésű protonok. De hogyan lehetséges ez? A pozitív töltésű részecskék olyan közel vannak egymáshoz, hogy a taszító erők óriásiak.
A tudomány nincs teljesen tisztában a protonokat összetartó intranukleáris erők természetével, bár ezeknek az erőknek a tulajdonságait elég jól tanulmányozták. Az erők csak nagyon közelről hatnak. De érdemes legalább egy kicsit szétválasztani a protonokat az űrben, mert a taszító erők kezdenek érvényesülni, az atommag pedig darabokra törik. Az ilyen terjeszkedés ereje pedig valóban kolosszális. Köztudott, hogy egy felnőtt férfi ereje nem lenne elég ahhoz, hogy az ólomatom egyetlen magjának protonjait megtartsa.
Mitől félt Rutherford
A periódusos rendszer legtöbb elemének magja stabil. Az atomszám növekedésével azonban ez a stabilitás csökken. A magok méretéről van szó. Képzeld el egy uránatom magját, amely 238 nuklidból áll, amelyek közül 92 proton. Igen, a protonok szorosan érintkeznek egymással, és az intranukleáris erők biztonságosan cementálják az egész szerkezetet. De észrevehetővé válik az atommag ellentétes végein elhelyezkedő protonok taszító ereje.
Mit csinált Rutherford? Az atomokat neutronokkal bombázta (az elektron nem fog áthaladni az atom elektronhéján, a pozitív töltésű proton pedig a taszító erők miatt nem tudja megközelíteni az atommagot). Az atommagba belépő neutron okozza annak hasadását. Két külön fél és két vagy három szabad neutron repült szét.
Ez a bomlás a repülő részecskék hatalmas sebessége miatt hatalmas energia felszabadulásával járt. Volt egy pletyka, miszerint Rutherford el akarta rejteni felfedezését, félve annak az emberiségre gyakorolt lehetséges következményeitől, de ez valószínűleg nem más, mint egy tündérmese.
Tehát mi köze a tömegnek ehhez, és miért kritikus
Na és mi van? Hogyan lehet annyi radioaktív fémet besugározni protonárammal, hogy erőteljes robbanást idézzen elő? És mi a kritikus tömeg? Az egész arról a néhány szabad elektronról szól, amelyek kirepülnek a "lebombázott" atommagból, ezek viszont más atommagokkal ütközve okozzák a hasadásukat. Megkezdődik az úgynevezett nukleáris láncreakció. Ennek elindítása azonban rendkívül nehéz lesz.
Ellenőrizze a skálát. Ha egy almát az asztalunkra vesszük, mint egy atommagot, akkor ahhoz, hogy elképzeljük egy szomszédos atom magját, ugyanazt az almát kell vinni és letenni az asztalra, nem is a szomszéd szobában, hanem.. a szomszéd házban. A neutron akkora lesz, mint egy cseresznyemag.
Annak érdekében, hogy a kibocsátott neutronok ne repüljenek el hiába az uráningoton kívülre, és több mint 50%-uk atommag formájában találjon célpontot, ennek az öntvénynek megfelelő méretűnek kell lennie. Ezt hívják az urán kritikus tömegének – az a tömeg, amelynél a kibocsátott neutronok több mint fele ütközik más atommagokkal.
Valójában ez egy pillanat alatt megtörténik. A kettéhasadt magok száma lavinaszerűen nő, töredékeik minden irányba száguldanak, olyan sebességgel, minta fénysebesség, szabad levegő, víz, bármilyen más közeg hasítása. A környezeti molekulákkal való ütközésüktől a robbanás területe azonnal több millió fokra melegszik fel, és olyan hőt sugároz, amely több kilométeres területen mindent eléget.
A hirtelen felhevült levegő mérete azonnal kitágul, erős lökéshullámot hozva létre, amely lelövi az épületeket az alapokról, felborít és elpusztít mindent, ami az útjába kerül… ez egy atomrobbanás képe.
Hogy néz ki a gyakorlatban
Az atombomba szerkezete meglepően egyszerű. Két uránból (vagy más radioaktív fémből) álló tuskó található, amelyek mindegyike valamivel kisebb, mint a kritikus tömeg. Az egyik tuskó kúp alakú, a másik egy golyó kúp alakú lyukkal. Ahogy sejthető, a két fél egyesítésével egy labdát kapunk, amelyben elérjük a kritikus tömeget. Ez egy szabványos egyszerű atombomba. A két fél a szokásos TNT töltettel van összekötve (a kúpot belelövik a labdába).
De ne gondolja, hogy bárki „térdre” tud szerelni egy ilyen eszközt. A trükk az, hogy az uránnak nagyon tisztanak kell lennie ahhoz, hogy egy bomba felrobbanjon, a szennyeződések jelenléte gyakorlatilag nulla.
Miért nincs akkora atombomba, mint egy doboz cigaretta
Minden ugyanazért. Az urán 235 leggyakoribb izotópjának kritikus tömege körülbelül 45 kg. Ekkora mennyiségű nukleáris üzemanyag felrobbanása már katasztrófa. És robbanószerkezetet készíteni kevesebbelaz anyag mennyisége lehetetlen – egyszerűen nem fog működni.
Uránból vagy más radioaktív fémekből ugyanilyen okból nem lehetett szupererős atomtöltést létrehozni. Annak érdekében, hogy a bomba nagyon erős legyen, egy tucat rúdból készült, amelyek a robbanó töltetek felrobbantásakor a közepébe rohantak, és narancsszeletekként kapcsolódtak össze.
De mi történt valójában? Ha valamilyen oknál fogva két elem ezredmásodperccel hamarabb találkozott, mint a többi, akkor a kritikus tömeget gyorsabban érte el, mint ahogy a többi „időben megérkezne”, a robbanás nem a tervezők által várt erővel történt. A szupererős nukleáris fegyverek problémája csak a termonukleáris fegyverek megjelenésével oldódott meg. De ez egy kicsit más történet.
Hogyan működik egy békés atom
Az atomerőmű lényegében ugyanaz az atombomba. Csak ebben a "bombában" vannak uránból készült fűtőelemek (fűtőelemek), amelyek egymástól bizonyos távolságra helyezkednek el, ami nem akadályozza meg őket abban, hogy neutron "csapást" cseréljenek.
Az üzemanyagelemek rudak formájában készülnek, amelyek között a neutronokat jól elnyelő anyagból készült vezérlőrudak találhatók. A működés elve egyszerű:
- szabályozó (elnyelő) rudakat helyeznek az uránrudak közötti térbe - a reakció lelassul vagy teljesen leáll;
- szabályzórudakat eltávolítanak a zónából - a radioaktív elemek aktívan cserélik a neutronokat, a magreakció intenzívebben megy végbe.
Valóban, kiderül, hogy ugyanaz az atombomba,amelyben a kritikus tömeget olyan simán érik el, és olyan egyértelműen szabályozzák, hogy az nem robbanáshoz, hanem csak a hűtőfolyadék felmelegedéséhez vezet.
Bár sajnos, ahogy a gyakorlat azt mutatja, az emberi zseni nem mindig képes megfékezni ezt a hatalmas és pusztító energiát – az atommag bomlásának energiáját.
