Praėjo šiek tiek daugiau nei du mėnesiai nuo baisiausio karo žmonijos istorijoje pabaigos. Ir štai 1945 metų liepos 16 dieną JAV kariuomenė išbandė pirmąją branduolinę bombą, o po mėnesio tūkstančiai Japonijos miestų gyventojų miršta atominiame pragare. Nuo to laiko branduoliniai ginklai, taip pat jų pristatymo į taikinius priemonės buvo nuolat tobulinami daugiau nei pusę amžiaus.
Kariškiai norėjo turėti ir itin galingą amuniciją, vienu smūgiu nušluojančią iš žemėlapio ištisus miestus ir šalis, ir itin mažus, telpančius į portfelį. Toks prietaisas pakeltų sabotažo karą į neregėtą lygį. Ir su pirmuoju, ir su antruoju buvo neįveikiami sunkumai. To priežastis – vadinamoji kritinė masė. Tačiau pirmiausia pirmiausia.
Toks sprogstamasis branduolys
Norėdami suprasti, kaip veikia branduoliniai įrenginiai, ir suprasti, kas vadinama kritine mase, trumpam grįžkime prie stalo. Iš mokyklos fizikos kurso prisimename paprastą taisyklę: to paties pavadinimo krūviai atstumia vienas kitą. Toje pačioje vietoje, vidurinėje mokykloje, mokiniams pasakojama apie atomo branduolio sandarą, susidedančią iš neutronų, neutralių dalelių irteigiamai įkrautų protonų. Bet kaip tai įmanoma? Teigiamai įkrautos dalelės yra taip arti viena kitos, kad atstumiančios jėgos turi būti didžiulės.
Mokslas nevisiškai suvokia intrabranduolinių jėgų, laikančių protonus kartu, prigimtį, nors šių jėgų savybės buvo gana gerai ištirtos. Jėgos veikia tik labai arti. Bet verta bent šiek tiek atskirti protonus erdvėje, nes pradeda vyrauti atstumiančios jėgos, o branduolys skyla į gabalus. Ir tokios plėtros galia yra tikrai didžiulė. Yra žinoma, kad suaugusio vyro jėgos nepakaks, kad išlaikytų tik vieno švino atomo branduolio protonus.
Ko bijojo Rutherfordas
Daugelio periodinės lentelės elementų branduoliai yra stabilūs. Tačiau didėjant atominiam skaičiui, šis stabilumas mažėja. Tai apie šerdies dydį. Įsivaizduokite urano atomo branduolį, kurį sudaro 238 nuklidai, iš kurių 92 yra protonai. Taip, protonai glaudžiai liečiasi vienas su kitu, o intrabranduolinės jėgos saugiai sucementuoja visą struktūrą. Tačiau pastebima protonų, esančių priešinguose branduolio galuose, atstūmimo jėga.
Ką veikė Rutherfordas? Jis bombardavo atomus neutronais (elektronas nepraeis per atomo elektronų apvalkalą, o teigiamai įkrautas protonas negalės priartėti prie branduolio dėl atstumiančių jėgų). Neutronas, patekęs į atomo branduolį, sukelia jo skilimą. Dvi atskiros pusės ir du ar trys laisvieji neutronai praskriejo.
Šis skilimas dėl didžiulio skraidančių dalelių greičio buvo lydimas didžiulės energijos išsiskyrimo. Sklido gandas, kad Rutherfordas netgi norėjo nuslėpti savo atradimą, bijodamas galimų jo pasekmių žmonijai, tačiau tai greičiausiai yra ne kas kita, kaip pasaka.
Taigi, ką su ja turi bendra masė ir kodėl ji svarbi
Na ir kas? Kaip galima apšvitinti pakankamai radioaktyvaus metalo protonų srautu, kad sukeltų galingą sprogimą? O kas yra kritinė masė? Viskas dėl tų kelių laisvųjų elektronų, kurie išskrenda iš „subombarduoto“atomo branduolio, jie, savo ruožtu, susidūrę su kitais branduoliais, sukels jų dalijimąsi. Prasidės vadinamoji branduolinė grandininė reakcija. Tačiau jį paleisti bus labai sunku.
Patikrinkite skalę. Jei obuolį ant savo stalo imsime kaip atomo branduolį, tai norint įsivaizduoti gretimo atomo branduolį, tą patį obuolį teks neštis ir dėti ant stalo net ne kitame kambaryje, o.. kitame name. Neutronas bus vyšnios sėklos dydžio.
Kad išmetami neutronai veltui neišskristų už urano luito ribų ir daugiau nei 50 % jų rastų taikinį atomo branduolių pavidalu, šis luitas turi būti atitinkamo dydžio. Tai vadinama kritine urano mase – masė, kuriai esant daugiau nei pusė išmetamų neutronų susiduria su kitais branduoliais.
Tiesą sakant, tai įvyksta akimirksniu. Suskilusių branduolių skaičius auga kaip lavina, jų fragmentai veržiasi į visas puses panašiu greičiu.šviesos greitis, plėšomas atviras oras, vanduo, bet kokia kita terpė. Nuo jų susidūrimų su aplinkos molekulėmis sprogimo zona akimirksniu įkaista iki milijonų laipsnių, skleisdama šilumą, kuri viską sudegina kelių kilometrų plote.
Staiga įkaitęs oras akimirksniu išsiplečia, sukurdamas galingą smūgio bangą, kuri nusviedžia pastatus nuo pamatų, apverčia ir sunaikina viską, kas pakeliui… tai atominio sprogimo vaizdas.
Kaip tai atrodo praktiškai
Atominės bombos įtaisas stebėtinai paprastas. Yra du urano (arba kito radioaktyvaus metalo) luitai, kurių kiekvienas yra šiek tiek mažesnis už kritinę masę. Vienas iš luitų pagamintas kūgio formos, kitas – rutulys su kūgio formos skylute. Kaip galima spėti, sujungus dvi dalis gaunamas kamuolys, kuriame pasiekiama kritinė masė. Tai standartinė paprasta branduolinė bomba. Abi pusės sujungiamos naudojant įprastą TNT užtaisą (kūgis įsmeigiamas į rutulį).
Bet nemanykite, kad kas nors gali surinkti tokį įrenginį „ant kelio“. Gudrybė ta, kad uranas, kad sprogtų bomba, turi būti labai grynas, priemaišų praktiškai nėra.
Kodėl nėra cigarečių pakelio dydžio atominės bombos
Visi dėl tos pačios priežasties. Kritinė labiausiai paplitusio urano izotopo 235 masė yra apie 45 kg. Tokio kiekio branduolinio kuro sprogimas jau yra nelaimė. Ir su mažiau pagaminti sprogstamąjį įtaisąmedžiagos kiekis yra neįmanomas – jis tiesiog neveiks.
Dėl tos pačios priežasties nebuvo įmanoma sukurti itin galingų atominių užtaisų iš urano ar kitų radioaktyvių metalų. Kad bomba būtų labai galinga, ji buvo pagaminta iš keliolikos luitų, kurie, kai buvo susprogdinti detonuojantys užtaisai, veržėsi į centrą, susijungdami kaip apelsino griežinėliai.
Bet kas iš tikrųjų atsitiko? Jei dėl kokių nors priežasčių du elementai susitiko tūkstantąją sekundės dalimi anksčiau nei kiti, kritinė masė buvo pasiekta greičiau, nei likusieji „atvyktų laiku“, sprogimas neįvyko tokiu galingumu, kokio tikėjosi dizaineriai. Itin galingų branduolinių ginklų problema buvo išspręsta tik atsiradus termobranduoliniams ginklams. Bet tai šiek tiek kitokia istorija.
Kaip veikia taikus atomas
Atominė elektrinė iš esmės yra ta pati branduolinė bomba. Tik ši „bomba“turi iš urano pagamintus kuro elementus (kuro elementus), esančius tam tikru atstumu vienas nuo kito, o tai netrukdo jiems apsikeisti neutronų „smūgiu“.
Kuro elementai gaminami strypų pavidalu, tarp kurių yra valdymo strypai, pagaminti iš medžiagos, kuri gerai sugeria neutronus. Veikimo principas paprastas:
- reguliuojantys (sugeriantys) strypai įkišti į tarpą tarp urano strypų - reakcija sulėtėja arba visai sustoja;
- valdymo strypai pašalinami iš zonos - radioaktyvūs elementai aktyviai keičiasi neutronais, branduolinė reakcija vyksta intensyviau.
Iš tiesų, pasirodo, ta pati atominė bomba,kurioje kritinė masė pasiekiama taip sklandžiai ir reguliuojama taip aiškiai, kad dėl to neįvyksta sprogimas, o tik įkaista aušinimo skystis.
Nors, deja, kaip rodo praktika, ne visada žmogaus genijus sugeba pažaboti šią didžiulę ir griaunančią energiją – atomo branduolio irimo energiją.
