Za siguran rad s nuklearno opasnim fisionim supstancama, parametri opreme moraju biti manji od kritičnih. Kao regulatorni parametri za nuklearnu sigurnost koriste se: količina, koncentracija i zapremina nuklearno opasnog fisionog materijala; prečnik opreme cilindričnog oblika; debljina ravnog sloja za opremu u obliku ploča. Standardni parametar se postavlja na osnovu dozvoljenog parametra, koji je manji od kritičnog i ne bi trebalo da se prekorači tokom rada opreme. U ovom slučaju, neophodno je da karakteristike koje utiču na kritične parametre budu u strogo definisanim granicama. Koriste se sljedeći prihvatljivi parametri: količina M dodatna, zapremina V dodatna, prečnik D dodatni, debljina sloja t dodatni.

Koristeći ovisnost kritičnih parametara o koncentraciji nuklearno opasnog fisionog nuklida, određuje se vrijednost kritičnog parametra ispod koje je SCRD nemoguć pri bilo kojoj koncentraciji. Na primjer, za rastvore soli plutonijuma i obogaćenog uranijuma, kritična masa, zapremina, prečnik beskonačnog cilindra i debljina beskonačnog ravnog sloja imaju minimum u oblasti optimalnog usporavanja. Za mešavine metalno obogaćenog uranijuma sa vodom, kritična masa, kao i za rastvore, ima izražen minimum u oblasti optimalne umerenosti, a kritična zapremina, prečnik beskonačnog cilindra, debljina beskonačnog ravnog sloja pri visokom obogaćivanju (> 35%) ima minimalne vrijednosti u odsustvu moderatora (r n /r 5 =0); za obogaćivanje ispod 35%, kritični parametri smjese imaju minimum pri optimalnom usporavanju. Očigledno je da parametri utvrđeni na osnovu minimalnih kritičnih parametara osiguravaju sigurnost u cijelom rasponu koncentracija. Ovi parametri se nazivaju sigurnim, manji su od minimalnih kritičnih parametara. Koriste se sledeći sigurni parametri: količina, koncentracija, zapremina, prečnik, debljina sloja.

Prilikom osiguravanja nuklearne sigurnosti sistema, koncentracija fisijskog nuklida (ponekad i količina moderatora) je nužno ograničena prema prihvatljivom parametru, dok se u isto vrijeme, kada se koristi siguran parametar, ne nameću ograničenja na koncentraciju. (ili o količini moderatora).

2 KRITIČNA MASA

Da li će se lančana reakcija razviti ili ne zavisi od rezultata konkurencije četiri procesa:

(1) Emisija neutrona iz uranijuma,

(2) hvatanje neutrona uranijumom bez fisije,

(3) hvatanje neutrona nečistoćama.

(4) hvatanje neutrona uranijumom fisijom.

Ako je gubitak neutrona u prva tri procesa manji od broja neutrona oslobođenih u četvrtom, tada dolazi do lančane reakcije; inače je nemoguće. Očigledno, ako je jedan od prva tri procesa vrlo vjerojatan, tada višak neutrona koji se oslobađa tokom fisije neće moći osigurati nastavak reakcije. Na primjer, u slučaju kada je vjerovatnoća procesa (2) (hvatanje uranijuma bez fisije) mnogo veća od vjerovatnoće hvatanja fisijom, lančana reakcija je nemoguća. Dodatnu poteškoću predstavlja izotop prirodnog uranijuma: sastoji se od tri izotopa: 234 U, 235 U i 238 U, čiji doprinosi iznose 0,006, 0,7 i 99,3%, respektivno. Važno je da su vjerovatnoće procesa (2) i (4) različite za različite izotope i različito zavise od energije neutrona.

Za procjenu konkurencije različitih procesa sa stanovišta razvoja lančanog procesa nuklearne fisije u materiji, uvodi se koncept „kritične mase“.

Kritična masa– minimalna masa fisionog materijala koja osigurava nastanak samoodržive lančane reakcije nuklearne fisije. Što je kraći poluživot fisije i što je veće obogaćenje radnog elementa fisijskim izotopom, to je manja kritična masa.

Kritična masa - minimalna količina fisionog materijala potrebna za pokretanje samoodržive lančane reakcije fisije. Faktor multiplikacije neutrona u ovoj količini materije jednak je jedinici.

Kritična masa- masa fisionog materijala reaktora koji je u kritičnom stanju.

Kritične dimenzije nuklearnog reaktora- najmanjih dimenzija jezgre reaktora na kojima još uvijek može doći do samoodržive reakcije fisije nuklearnog goriva. Tipično, kritična veličina se uzima kao kritični volumen jezgre.

Kritični volumen nuklearnog reaktora- zapremina jezgra reaktora u kritičnom stanju.

Relativni broj neutrona koji se emituju iz uranijuma može se smanjiti promjenom veličine i oblika. U sferi, površinski efekti su proporcionalni kvadratu, a volumetrijski efekti su proporcionalni kocki poluprečnika. Emisija neutrona iz uranijuma je površinski efekat koji zavisi od veličine površine; hvatanje s podjelom se događa kroz cijeli volumen koji zauzima materijal i stoga je

volumetrijski efekat. Što je veća količina uranijuma, manja je vjerovatnoća da će emisija neutrona iz zapremine uranijuma dominirati fisijskim zahvatima i ometati lančanu reakciju. Gubitak neutrona u nefisijskim hvatanjima je efekat volumena, sličan oslobađanju neutrona u hvatanju fisije, tako da povećanje veličine ne mijenja njihovu relativnu važnost.

Kritične dimenzije uređaja koji sadrži uranijum mogu se definisati kao dimenzije pri kojima je broj neutrona oslobođenih tokom fisije tačno jednak njihovom gubitku usled bijega i hvatanja koje nije praćeno fisijom. Drugim riječima, ako su dimenzije manje od kritične, tada se, po definiciji, ne može razviti lančana reakcija.

Samo neparni izotopi mogu formirati kritičnu masu. U prirodi se javlja samo 235 U, a 239 Pu i 233 U su umjetni, nastaju u nuklearnom reaktoru (kao rezultat hvatanja neutrona od strane 238 U jezgara

i 232 Th sa dva naredna β - raspada).

IN U prirodnom uranijumu, lančana reakcija fisije se ne može razviti ni sa jednom količinom uranijuma, međutim, u izotopima kao što su 235 U i 239 Pu, lančani proces se postiže relativno lako. U prisustvu moderatora neutrona, u prirodnom uranijumu dolazi do lančane reakcije.

Neophodan uslov za lančanu reakciju je prisustvo dovoljno velike količine fisionog materijala, jer u malim uzorcima većina neutrona leti kroz uzorak bez udaranja u jezgro. Lančana reakcija nuklearne eksplozije nastaje kada ona dosegne

fisioni materijal neke kritične mase.

Neka postoji komadić tvari sposoban za fisiju, na primjer, 235 U, u koji pada neutron. Ovaj neutron će ili uzrokovati fisiju, ili će ga supstanca beskorisno apsorbirati, ili će, nakon što se rasprši, pobjeći kroz vanjsku površinu. Bitno je šta će se desiti u sljedećoj fazi – broj neutrona će se u prosjeku smanjiti ili smanjiti, tj. lančana reakcija će oslabiti ili razviti, tj. da li će sistem biti u subkritičnom ili superkritičnom (eksplozivnom) stanju. Pošto je emisija neutrona regulisana veličinom (za kuglu - radijusom), javlja se koncept kritične veličine (i mase). Da bi se eksplozija razvila, veličina mora biti veća od kritične veličine.

Kritična veličina fisijskog sistema može se procijeniti ako je poznata dužina puta neutrona u fisivnom materijalu.

Neutron, leteći kroz materiju, povremeno se sudara sa jezgrom; čini se da vidi njegov poprečni presek. Veličina poprečnog presjeka jezgre je σ=10-24 cm2 (štala). Ako je N broj jezgara po kubnom centimetru, onda kombinacija L =1/N σ daje prosječnu dužinu puta neutrona u odnosu na nuklearnu reakciju. Dužina puta neutrona je jedina dimenzionalna vrijednost koja može poslužiti kao polazna tačka za procjenu kritične veličine. Bilo koja fizička teorija koristi metode sličnosti, koje su, zauzvrat, izgrađene od bezdimenzionalnih kombinacija dimenzionalnih veličina, karakteristika sistema i supstance. Tako bezdimenzionalno

broj je omjer polumjera komada fisijskog materijala i raspona neutrona u njemu. Ako pretpostavimo da je bezdimenzionalni broj reda jedinice, a dužina putanje sa tipičnom vrijednošću N = 1023, L = 10 cm

(za σ =1) (obično je σ obično mnogo veći od 1, tako da je kritična masa manja od naše procjene). Kritična masa ovisi o poprečnom presjeku reakcije fisije određenog nuklida. Dakle, za stvaranje atomske bombe potrebno je približno 3 kg plutonijuma ili 8 kg 235 U (sa implozijskom šemom iu slučaju čistog 235 U). Sa dizajnom cijevi atomske bombe, otprilike 50 kg oružja Potreban je uran -razred (sa gustinom uranijuma od 1,895 104 kg/m3, poluprečnik lopte takve mase je približno 8,5 cm, što se iznenađujuće dobro poklapa sa našom procenom

R =L =10 cm).

Hajde da sada izvedemo rigorozniju formulu za izračunavanje kritične veličine komada fisijskog materijala.

Kao što je poznato, raspad jezgra uranijuma proizvodi nekoliko slobodnih neutrona. Neki od njih napuštaju uzorak, a dio ih apsorbiraju druga jezgra, uzrokujući njihovu fisiju. Lančana reakcija nastaje ako se broj neutrona u uzorku počne povećavati poput lavine. Da biste odredili kritičnu masu, možete koristiti jednadžbu neutronske difuzije:

	∂C	D C + β C
	∂t

gdje je C koncentracija neutrona, β>0 je konstanta brzine reakcije umnožavanja neutrona (slično konstanti radioaktivnog raspada, ima dimenziju od 1/sec, D je koeficijent difuzije neutrona,

Neka uzorak ima oblik lopte poluprečnika R. Zatim moramo pronaći rješenje jednadžbe (1) koje zadovoljava granični uvjet: C (R,t )=0.

Onda napravimo promjenu C = ν e β t

∂C

∂ν

ν = D

+ βν e

∂t

∂t

Dobili smo klasičnu jednačinu toplotne provodljivosti:

∂ν

D ν

∂t

Rješenje ove jednačine je dobro poznato

π 2 n 2

ν (r, t)=

sin π n re

π 2 n

β −

C(r, t) =

sin π n re

r n = 1

Lančana reakcija će se odvijati pod sljedećim uslovima (tj.

C(r, t)

t →∞ → ∞ ) da je barem za jedno n koeficijent in

eksponent je pozitivan.

Ako je β − π 2 n 2 D > 0,

tada β > π 2 n 2 D i kritični polumjer sfere:

R = πn

Ako je π

≥ R, tada za bilo koje n neće biti rastuće eksponencijale

Ako je π

< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту.

Ograničimo se na prvi član niza, n =1:

R = π

Kritična masa:

M = ρ V = ρ

Minimalna vrijednost polumjera lopte pri kojoj dolazi do lančane reakcije naziva se

kritični radijus , a masa odgovarajuće lopte je kritična masa.

Zamjenom vrijednosti za R, dobijamo formulu za izračunavanje kritične mase:

M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Vrijednost kritične mase ovisi o obliku uzorka, faktoru umnožavanja neutrona i koeficijentu neutronske difuzije. Njihovo određivanje je složen eksperimentalni zadatak, pa se dobijena formula koristi za određivanje naznačenih koeficijenata, a izvršeni proračuni dokaz su postojanja kritične mase.

Uloga veličine uzorka je očigledna: kako se veličina smanjuje, procenat neutrona koji se emituju kroz njegovu površinu raste, tako da pri malim (ispod kritičnih!) veličinama uzorka lančana reakcija postaje nemoguća čak i uz povoljan odnos između procesa procesa. apsorpcija i proizvodnja neutrona.

Za visoko obogaćeni uranijum kritična masa je oko 52 kg, za plutonijum za oružje - 11 kg. Regulatorni dokumenti o zaštiti nuklearnih materijala od krađe ukazuju na kritične mase: 5 kg 235 U ili 2 kg plutonija (za dizajn implozije atomske bombe). Za topovsko kolo, kritične mase su mnogo veće. Na osnovu ovih vrijednosti gradi se intenzitet zaštite fisionih supstanci od terorističkih napada.

Komentar. Kritična masa metalnog sistema obogaćenog uranijuma od 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) je 52 kg bez reflektora i 8,9 kg kada je sistem okružen neutronskim reflektorom od berilijum oksida. Kritična masa vodenog rastvora uranijuma je približno 5 kg.

Vrijednost kritične mase ovisi o svojstvima tvari (kao što su poprečni presjeci fisije i hvatanja zračenja), gustoći, količini nečistoća, obliku proizvoda, kao i okolini. Na primjer, prisustvo reflektora neutrona može uvelike smanjiti kritičnu masu. Za dati fisioni materijal, količina materijala koja čini kritičnu masu može varirati u širokom rasponu i ovisi o gustoći, karakteristikama (vrsti materijala i debljine) reflektora, te prirodi i postotku bilo kojeg inertnog razrjeđivača koji je prisutan (kao što je kiseonik u uranijum oksidu, 238 U u delimično obogaćenom 235 U ili hemijske nečistoće).

Radi poređenja dajemo kritične mase kuglica bez reflektora za nekoliko vrsta materijala određene standardne gustine.

Za poređenje dajemo sljedeće primjere kritičnih masa: 10 kg 239 Pu, metal u alfa fazi

(gustina 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), metal (gustina 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)

sa kristalnom gustinom od 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) pri kristalnoj gustini

oblik 11,4 g/cm3. Najmanju kritičnu masu imaju otopine soli čistih fisilnih nuklida u vodi sa reflektorom vodenih neutrona. Za 235 U kritična masa je 0,8 kg, za 239 Pu - 0,5 kg, za 251 Cf -

Kritična masa M povezana je s kritičnom dužinom l: M l x, gdje x ovisi o obliku uzorka i kreće se od 2 do 3. Ovisnost o obliku je povezana s curenjem neutrona kroz površinu: što je veći površine, veća je kritična masa. Uzorak sa minimalnom kritičnom masom ima oblik kugle. Table 5. Osnovne karakteristike procjene čistih izotopa sposobnih za nuklearnu fisiju

								Neutroni
		Potvrda		Kritično	Gustina	Temperatura	Odvođenje topline	spontano
			poluživot
		(izvor)			g/cm³	topljenje °C
			T 1/2					105 (kg sek)
	231Pa
	232U	Reaktor uključen
		neutroni
	233U
	235U	Prirodno	7.038×108 godina
	236U		2,3416×107 godina? kg
	237Np		2,14×107 godina
	236Pu
	238Pu
	239Pu
	240Pu
	241Pu
	242Pu
	241am
	242mAm
	243mAm
	243am
	243Cm
	244Cm
	245Cm
	246Cm
	247Cm		1,56×107 godina
	248Cm
	249Cf
	250Cf
	251Cf
	252Cf

Zaustavimo se detaljnije na kritičnim parametrima izotopa nekih elemenata. Počnimo sa uranijumom.

Kao što je već nekoliko puta spomenuto, 235 U (clark 0,72%) je od posebnog značaja, jer se fisionira pod uticajem termičkih neutrona (σ f = 583 barn), oslobađajući „ekvivalent toplotne energije“ od 2 × 107 kW × h / k. Budući da se, pored α -raspada, 235 U i spontano cijepa (T 1/2 = 3,5 × 1017 godina), u masi uranijuma su uvijek prisutni neutroni, što znači da je moguće stvoriti uslove za pojavu sop -održavanje lančane reakcije fisije. Za metalni uranijum sa obogaćenjem od 93,5% kritična masa je: 51 kg bez reflektora; 8,9 kg sa reflektorom od berilijum oksida; 21,8 kg sa punim deflektorom vode. Dati su kritični parametri homogenih mješavina uranijuma i njegovih spojeva

Kritični parametri izotopa plutonijuma: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = 12 do 7,45 kg. Najinteresantnije su mješavine izotopa: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Visoko specifično oslobađanje energije 238 Pu dovodi do oksidacije metala u zraku, pa je najvjerojatnije da se koristi u obliku oksida. Kada se proizvodi 238 Pu, prateći izotop je 239 Pu. Odnos ovih izotopa u smeši određuje i vrednost kritičnih parametara i njihovu zavisnost od promene sadržaja moderatora. Različite procjene kritične mase za golu metalnu kuglu od 238 Pu daju vrijednosti u rasponu od 12 do 7,45 kg, u poređenju sa kritičnom masom za 239 Pu od 9,6 kg. Budući da jezgro 239 Pu sadrži neparan broj neutrona, kritična masa će se smanjiti kada se u sistem doda voda. Kritična masa od 238 Pu raste sa dodatkom vode. Za mješavinu ovih izotopa, neto učinak dodavanja vode ovisi o omjeru izotopa. Kada je maseni sadržaj 239 Pu jednak 37% ili manji, kritična masa mješavine izotopa 239 Pu i 238 Pu se ne smanjuje kada se u sistem doda voda. U ovom slučaju, dozvoljena količina 239 Pu-238 Pu dioksida je 8 kg. Sa drugima

omjera dioksida 238 Pu i 239 Pu, minimalna vrijednost kritične mase varira od 500 g za čisti 239 Pu do 24,6 kg za čisti 238 Pu.

Table 6. Zavisnost kritične mase i kritične zapremine uranijuma od obogaćivanja sa 235 U.

Bilješka. I - homogena mješavina metalnog uranijuma i vode; II - homogena mešavina uranijum dioksida i vode; III - rastvor uranil fluorida u vodi; IV - rastvor uranil nitrata u vodi. * Podaci dobijeni grafičkom interpolacijom.

Drugi izotop sa neparnim brojem neutrona je 241 Pu. Minimalna vrijednost kritične mase za 241 Pu postiže se u vodenim otopinama pri koncentraciji od 30 g/l i iznosi 232 kg. Kada se 241 Pu dobije iz ozračenog goriva, uvijek ga prati 240 Pu, koji ga sadržajno ne prelazi. Uz jednak omjer nuklida u mješavini izotopa, minimalna kritična masa od 241 Pu premašuje kritičnu masu od 239 Pu. Stoga, s obzirom na minimalnu kritičnu masu izotopa 241 Pu pri

procjena nuklearne sigurnosti može se zamijeniti sa 239 Pu ako mješavina izotopa sadrži jednake količine

241 Pu i 240 Pu.

Table 7. Minimalni kritični parametri uranijuma sa 100% obogaćenjem u 233 U.

Razmotrimo sada kritične karakteristike izotopa americijuma. Prisustvo izotopa 241 Am i 243 Am u mješavini povećava kritičnu masu od 242 m Am. Za vodene rastvore postoji odnos izotopa pri kojem je sistem uvek podkritičan. Kada je maseni sadržaj 242 m Am u mješavini 241 Am i 242 m Am manji od 5%, sistem ostaje podkritičan do koncentracije americijuma u otopinama i mehaničkim mješavinama dioksida sa vodom jednake 2500 g/l. 243 Am pomiješano sa 242m Am također raste

kritična masa mješavine, ali u manjoj mjeri, budući da je poprečni presjek hvatanja termalnih neutrona za 243 Am za red veličine manji od 241 Am

Table 8. Kritični parametri sfernih sklopova homogenog plutonijuma (239 Pu+240 Pu).

Table 9. Ovisnost kritične mase i zapremine za jedinjenja plutonijuma* o izotopskom sastavu plutonijuma

* Glavni nuklid 94,239 Pu.

Bilješka: I - homogena mešavina metalnog plutonijuma i vode; II - homogena mešavina plutonijum dioksida i vode; III homogena mešavina plutonijum oksalata i vode; IV - rastvor plutonijum nitrata u vodi.

Table 10. Zavisnost minimalne kritične mase od 242 m Am od njenog sadržaja u mješavini 242 m Am i 241 Am (kritična masa je izračunata za AmO2 + H2O u sfernoj geometriji sa vodenim reflektorom):

	Kritična masa 242 m Am, g

S malim masenim udjelom od 245 Cm, ​​mora se uzeti u obzir da 244 Cm također ima konačnu kritičnu masu u sistemima bez moderatora. Ostali izotopi kurijuma sa neparnim brojem neutrona imaju minimalnu kritičnu masu nekoliko puta veću od 245 cm. U mješavini CmO2 + H2O, izotop 243 Cm ima minimalnu kritičnu masu od oko 108 g, a 247 Cm - oko 1170 g.

Za kritičnu masu se može smatrati da je 1 g od 245 Cm ekvivalentan 3 g od 243 Cm ili 30 g od 247 Cm. Minimalna kritična masa 245 Cm, ​​g, u zavisnosti od sadržaja 245 Cm u mešavini izotopa 244 Cm i 245 Cm za CmO2 +

H2O se prilično dobro opisuje formulom

	M cr = 35,5 +
		ξ + 0,003

gdje je ξ maseni udio od 245 Cm u mješavini izotopa kurijuma.

Kritična masa ovisi o poprečnom presjeku reakcije fisije. Prilikom izrade oružja mogu se koristiti razne trikove za smanjenje kritične mase potrebne za eksploziju. Dakle, za stvaranje atomske bombe potrebno je 8 kg uranijuma-235 (sa implozijskom šemom iu slučaju čistog uranijuma-235; kada se koristi 90% uranijuma-235 i sa bačvom šeme atomske bombe, na potrebno je najmanje 45 kg uranijuma za oružje). Kritična masa se može značajno smanjiti tako što se uzorak fisionog materijala okružuje slojem materijala koji reflektuje neutrone, kao što je berilijum ili prirodni uranijum. Reflektor vraća značajan dio neutrona emitiranih kroz površinu uzorka. Na primjer, ako koristite reflektor debljine 5 cm, napravljen od materijala kao što su uran, gvožđe, grafit, kritična masa će biti polovina kritične mase „gole lopte“. Deblji reflektori smanjuju kritičnu masu. Berilijum je posebno efikasan, pružajući kritičnu masu od 1/3 standardne kritične mase. Sistem termalnih neutrona ima najveću kritičnu zapreminu i minimalnu kritičnu masu.

Stepen obogaćivanja fisivnog nuklida igra važnu ulogu. Prirodni uranijum sa sadržajem 235 U od 0,7% ne može se koristiti za proizvodnju atomskog oružja, jer preostali uranijum (238 U) intenzivno apsorbuje neutrone, sprečavajući razvoj lančanog procesa. Stoga se izotopi uranijuma moraju odvojiti, što je složen i dugotrajan zadatak. Odvajanje se mora izvršiti do stepena obogaćenja u 235 U iznad 95%. Usput, potrebno je osloboditi se nečistoća elemenata sa visokim presjekom hvatanja neutrona.

Komentar. Prilikom pripreme uranijuma za oružje, oni se ne rješavaju samo nepotrebnih nečistoća, već ih zamjenjuju drugim nečistoćama koje doprinose lančanom procesu, na primjer, uvode elemente koji djeluju kao množitelji neutrona.

Nivo obogaćenja uranijuma ima značajan uticaj na vrijednost kritične mase. Na primjer, kritična masa uranijuma obogaćenog sa 235 U 50% je 160 kg (3 puta veća od mase 94% uranijuma), a kritična masa od 20% uranijuma je 800 kg (to jest, ~15 puta veća od kritične mase 94). % uranijuma). Slični koeficijenti u zavisnosti od stepena obogaćivanja važe i za uranijum oksid.

Kritična masa je obrnuto proporcionalna kvadratu gustine materijala, M k ~1/ρ 2, . Dakle, kritična masa metalnog plutonijuma u delta fazi (gustina 15,6 g/cm3) iznosi 16 kg. Ova se okolnost uzima u obzir pri dizajniranju kompaktne atomske bombe. Budući da je vjerojatnost hvatanja neutrona proporcionalna koncentraciji jezgara, povećanje gustoće uzorka, na primjer, kao rezultat njegove kompresije, može dovesti do pojave kritičnog stanja u uzorku. U nuklearnim eksplozivnim napravama, masa fisionog materijala u sigurnom podkritičnom stanju pretvara se u eksplozivno superkritično stanje pomoću usmjerene eksplozije, podvrgavajući punjenje visokom stupnju kompresije.

Nuklearno oružje počelo je izazivati ​​strah među ljudima od samog trenutka kada je teoretski dokazana mogućnost njegovog stvaranja. I više od pola vijeka svijet živi u tom strahu, samo se njegova veličina mijenja: od paranoje 50-60-ih do trajne anksioznosti sada. Ali kako je takva situacija uopće postala moguća? Kako je ideja o stvaranju tako strašnog oružja mogla doći u ljudski um? Znamo da je nuklearna bomba zapravo stvorena rukama najvećih fizičara tog vremena, mnogi od njih su u to vrijeme bili nobelovci ili su to kasnije postali.

Na ova i mnoga druga pitanja autor je pokušao dati jasan i pristupačan odgovor govoreći o trci za nabavku nuklearnog oružja. Glavna pažnja posvećena je sudbini pojedinih fizičara koji su direktno uključeni u događaje koji se razmatraju.

Poglavlje 3 Kritična masa

U januaru 1939. Otto Frisch je konačno primio dobre vijesti. Saznao je da je njegov otac, iako je ostao u koncentracionom logoru Dachau, ipak dobio švedsku vizu. Ubrzo je pušten i u Beču je mogao upoznati Frischovu majku. Zajedno su se preselili na mjesto gdje im ništa nije prijetilo - u Stokholm.

Ali čak ni takve radosne vijesti nisu mogle osloboditi Otona slutnje neposredne velike nevolje, koja ga je nedavno obuzela. Iščekivanje početka rata, koji je bio pred vratima, gurnulo ga je dublje u ponor depresije. Frisch nije vidio smisla u nastavku istraživanja koje je radio u Kopenhagenu. Osećaj nesigurnosti je takođe rastao. Kada su Britanac Patrick Blackett i Australac Mark Oliphant stigli u Borovu laboratoriju, Otto ih je zamolio za pomoć.

Oliphant je odrastao u Adelaideu. U početku se zanimao za medicinu, a posebno za stomatologiju, ali se na fakultetu zainteresirao za fiziku. Nakon što je slušao Erensta Rutherforda, Novozelanđanina po rođenju, dojmljivi student je odlučio da se bavi nuklearnom fizikom. Godine 1927. pridružio se Rutherfordovom istraživačkom timu u Cavendish laboratoriji u Cambridgeu. Tamo je, početkom 1930-ih, iz prve ruke svjedočio mnogim izuzetnim otkrićima u polju nuklearne fizike. Godine 1934., u koautorstvu s Rutherfordom (kao i njemačkim hemičarem Paulom Harteckom), Oliphant je objavio rad koji opisuje reakciju nuklearne fuzije koja uključuje teški vodik - deuterijum.

Godine 1937. Oliphant je dobio zvanje profesora na Univerzitetu u Birminghamu i postao dekan Fakulteta fizike. Bio je vrlo suosjećajan s Frischovom molbom za pomoć i ubrzo mu je poslao pismo u kojem je pozvao Otta da posjeti Birmingham u ljeto 1939. i na licu mjesta vidi šta se može učiniti za njega. Oliphantova smirenost i samopouzdanje veoma su impresionirali Frisch-a, koji nije mogao da izađe iz depresije i nije čekao novi poziv. Spakovavši dva mala kofera, otišao je u Englesku, „ne razlikuje se od ostalih turista“.

Australac je dogovorio da Otto postane mlađi učitelj. Sada je radio u prilično neformalnoj atmosferi. Oliphant je držao predavanja studentima, a one koji su imali poteškoća u savladavanju novog gradiva upućivao je Frischu. Otto je radio sa nekoliko desetina učenika koji su mu postavljali ogroman broj pitanja i nastala je vrlo živa diskusija. Frischu se jako svidio ovakav rad.

U Birminghamu se Frisch susreo sa drugim emigrantom, svojim sunarodnikom, Rudolfom Peierlsom. Rudolf je rođen u Berlinu, u porodici asimiliranih Jevreja. Studirao je fiziku u Berlinu, Minhenu i Lajpcigu, gde je završio odbranu 1928. sa Heisenbergom. Peierls se potom preselio u Cirih, Švajcarska, i tamo je 1932. godine dobio Rokfelerovu stipendiju. Morao je prvo da studira u Rimu, kod Fermija, a zatim u Kembridžu, u Engleskoj, kod teoretskog fizičara Ralfa Faulera. Kada je Hitler došao na vlast 1933. godine, Peierls je bio u Engleskoj. Ubrzo mu je postalo jasno da je povratna ruta za Njemačku zatvorena. Po završetku studija, Rudolph je otišao u Manchester, gdje je radio sa Lawrenceom Braggom, a zatim se vratio u Cambridge, gdje je ostao nekoliko godina. Godine 1937. postao je profesor matematike na Univerzitetu u Birminghamu.

Od septembra 1939., nakon izbijanja rata, laboratorije u Birminghamu su se prvenstveno uključile u vrlo važna - i povjerljiva - istraživanja za vojsku.

Rad naučnika se odnosio na rezonantni magnetron - uređaj neophodan za generisanje intenzivnog mikrotalasnog zračenja u zemaljskim i avionskim radarima. C. P. Snow je kasnije ove uređaje nazvao "najvrednijim naučnim izumom Britanaca napravljenim tokom rata sa Hitlerom".

Budući da su građani neprijateljske države, Frisch i Peierls nisu trebali znati ništa o ovim radovima. Međutim, tajnost projekta bila je neke neshvatljive prirode. Oliphant je ponekad postavljao Peierlsu hipotetička pitanja koja su počinjala riječima: “Ako ste se suočili sa sljedećim problemom...”. Kako će Frisch kasnije napisati, „Oliphant je znao da Peierls zna, i mislim da je Peierls znao da je Oliphant znao da on zna. Međutim, niko od njih nije pokazao nikakav znak toga.”

Frisch nije stalno radio sa studentima, da bi se, imajući dovoljno slobodnog vremena, ponovo bavio problemom nuklearne fisije. Koristeći laboratoriju kada nije bila zauzeta, Otto je izveo nekoliko malih eksperimenata. Bohr i Wheeler su tvrdili da je uranijum fisilan uglavnom zbog izotopa U235, koji nije baš stabilan. Frisch je to odlučio eksperimentalno dokazati, dobivši podatke iz uzoraka s neznatno povećanim sadržajem rijetkog izotopa. Da bi izolovao male količine uranijuma-235, sastavio je mali aparat koji je koristio metodu termalne difuzije koju su izmislili Clusius i Dickel. Napredak je, međutim, bio izuzetno spor.

U međuvremenu, Britansko hemijsko društvo obratilo se Frischu sa molbom da za njih napiše recenziju i istakne sva nedavna dostignuća u proučavanju atomskog jezgra, kako bi hemičarima bila razumljiva i zanimljiva. Otto je napisao članak u svojoj iznajmljenoj sobi. Ne skidajući kaput, sjedio je, držeći pisaću mašinu u krilu, u blizini plinskog plamenika, pokušavajući da se barem malo zagrije: temperatura te zime pala je na -18 °C. Noću se voda u čaši smrzla.

Govoreći o nuklearnoj fisiji, ponovio je tada općeprihvaćeno mišljenje: ako je jednog dana moguće izvesti samoodrživu lančanu reakciju, onda uzimajući u obzir činjenicu da ona mora koristiti spore neutrone, atomsku bombu u kojoj se lančana reakcija će biti praktično nemoguće eksplodirati. “Postigli bismo barem sličan rezultat da smo jednostavno zapalili sličnu količinu baruta”, napisao je u završnom dijelu. Frisch uopće nije vjerovao u mogućnost stvaranja atomske bombe.

Međutim, nakon što je završio članak, počeo je razmišljati. Glavni problem u ovom trenutku, prema Boru i Wheeleru, bili su spori neutroni. Jezgro uranijuma-238 oduvijek je hvatalo brze neutrone koji imaju određenu energiju "rezonancije" ili brzinu, ali su samo spori neutroni potrebni da reaguju s prirodnim uranijumom. Međutim, njihova upotreba značila je da će se rezultirajuća energija akumulirati vrlo sporo. Ako bi se reakcija temeljila na sporim neutronima, oslobođena energija bi zagrijala uranijum i eventualno ga otopila ili čak isparila mnogo prije nego što bi mogao eksplodirati. Kako se uranijum zagrijava, sve će manje neutrona ulaziti u reakciju i na kraju će jednostavno izumrijeti.

Fizičari Uranijumskog društva došli su do istog mišljenja. Međutim, Frisch je sada bio veoma zainteresovan za odgovor na pitanje: šta bi se desilo ako koristite brzo neutroni? Smatralo se da se uranijum-235 cijepa oba tipa neutrona. Međutim, ako ima previše U 238 u cijepljenom uranu, tada će brzi sekundarni neutroni koje emituje raspad U 235 biti od male koristi: ovi brzi sekundarni neutroni će vjerovatno pobjeći iz reakcije zbog rezonantnog hvatanja uranijuma. 238 jezgro. Ali ova prepreka se može lako zaobići ako se koristi čisti ili gotovo čisti uranijum-235. Frisch je bez većih poteškoća sastavio mali Clusius-Dickel aparat za odvajanje U 235. Bilo je jasno da je na ovaj način nemoguće dobiti velike količine čistog uranijuma-235, na primjer nekoliko tona. Ali što ako je mnogo manja količina dovoljna za lančanu reakciju s brzim neutronima?

Lančana reakcija na brze neutrone pomoću čistog uranijuma-235 - ako pretpostavimo da je atomska bomba u početku imala neku tajnu, onda je to sada postalo poznato Frischu.

Otto je podijelio svoja razmišljanja s Peierlsom, koji je početkom juna 1939. finalizirao formulu za izračunavanje kritične mase materijala potrebnog za održavanje nuklearne lančane reakcije. Ovu formulu je sastavio francuski teoretski fizičar Francis Perrin. Za mješavinu izotopa s visokim sadržajem U 238, Peierls je koristio svoju modificiranu formulu, ali budući da je broj bio u tonama, ova opcija nije bila prikladna za stvaranje oružja.

Sada je Frisch trebao izvršiti proračune potpuno drugačijeg reda - uz sudjelovanje čistog uranijuma-235 i ne sporih, već brzih neutrona. Problem je bio u tome što još niko nije znao koliki bi udio U 235 trebao biti da bi se osiguralo uspješno učešće u reakciji brzih neurona. Ali naučnici to nisu znali jer još nije bilo moguće dobiti dovoljnu količinu uranijuma-235 u njegovom čistom obliku.

U takvoj situaciji preostalo je samo pretpostavke. Rezultati koje su dobili Bohr i Wheeler jasno su pokazali da je jezgro U 235 lako razdvojeno sporim neutronima. Dalje, logično je bilo pretpostaviti da efekat brzih neutrona nije ništa manje efikasan, pa je čak moguće da se jezgro uranijuma-235 fisira pri bilo kakvom kontaktu s njima. Nakon toga, Peierls je o ovoj hipotezi napisao: “Iz podataka koje su dobili Bohr i Wheeler, očigledno je trebalo izvući upravo sljedeći zaključak: svaki neutron koji uđe u jezgro 235 [uranija] uzrokuje njegov raspad.” Ova pretpostavka je uvelike pojednostavila proračune. Sada je preostalo samo izračunati koliko je uranijuma-235 bilo potrebno da bi se mogao lako razdvojiti brzim neutronima.

Naučnici su zamenili nove brojeve u Peierlsovu formulu i bili zadivljeni dobijenim rezultatima. Tone uranijuma sada nisu dolazile u obzir. Kritična masa je, prema proračunima, bila samo nekoliko kilograma. Za supstancu gustine poput uranijuma, zapremina takve količine ne bi prelazila veličinu loptice za golf. Frisch procjenjuje da se ova količina U 235 može dobiti za nekoliko sedmica, koristeći oko sto hiljada cijevi Clusius-Dickel aparata, sličnog onoj koju je sastavio u laboratoriji u Birminghamu.

“Tada smo se svi pogledali, shvativši da je još uvijek moguće napraviti atomsku bombu.”

(U MARKETINGU) kritična masa

obavezni skup inovacija koje moraju biti inherentne i prisutne u proizvodu da bi se smatrao modernim.

Enciklopedijski rečnik, 1998

kritična masa

minimalna masa fisionog materijala koja osigurava samoodrživu lančanu reakciju nuklearne fisije.

Kritična masa

najmanja masa fisionog materijala pri kojoj može doći do samoodržive lančane reakcije fisije atomskih jezgara; karakteriziran faktorom umnožavanja neutrona koji se pretvara u jedinicu. Odgovarajuće dimenzije i zapremina uređaja u kojem se odvija lančana reakcija nazivaju se i kritičnim (vidi Nuklearne lančane reakcije, Nuklearni reaktor).

Wikipedia

Kritična masa

Kritična masa- u nuklearnoj fizici, minimalna masa fisionog materijala potrebna za pokretanje samoodržive lančane reakcije fisije. Faktor umnožavanja neutrona u takvoj količini materije je veći od jedan ili jednak jedan. Dimenzije koje odgovaraju kritičnoj masi nazivaju se i kritičnim.

Vrijednost kritične mase ovisi o svojstvima tvari (kao što su poprečni presjeci fisije i hvatanja zračenja), gustoći, količini nečistoća, obliku proizvoda, kao i okolini. Na primjer, prisustvo reflektora neutrona može uvelike smanjiti kritičnu masu.

U nuklearnoj energiji, parametar kritične mase je odlučujući u dizajnu i proračunima širokog spektra uređaja koji u svom dizajnu koriste različite izotope ili mješavine izotopa elemenata koji su, pod određenim uvjetima, sposobni za nuklearnu fisiju uz oslobađanje kolosalnih količine energije. Na primjer, kada se projektuju moćni generatori radioizotopa koji koriste uran i niz transuranijskih elemenata kao gorivo, parametar kritične mase ograničava snagu takvog uređaja. U proračunima i proizvodnji nuklearnog i termonuklearnog oružja, parametar kritične mase značajno utiče kako na dizajn eksplozivne naprave, tako i na njenu cenu i rok trajanja. U slučaju projektiranja i izgradnje nuklearnog reaktora, parametri kritične mase također ograničavaju i minimalne i maksimalne dimenzije budućeg reaktora.

Najmanju kritičnu masu imaju otopine soli čistih fisilnih nuklida u vodi sa reflektorom vodenih neutrona. Za U, kritična masa takvog rastvora je 0,8 kg, za Pu - 0,5 kg, za neke Cf soli - 10 g.

Web stranica opisuje osnove tehnologije galvanizacije. Detaljno su razmotreni procesi pripreme i nanošenja elektrohemijskih i hemijskih premaza, kao i metode praćenja kvaliteta premaza. Opisana je glavna i pomoćna oprema galvanske radionice. Date su informacije o mehanizaciji i automatizaciji galvanske proizvodnje, kao i sanitarnim i sigurnosnim mjerama predostrožnosti.

Lokacija se može koristiti za stručno osposobljavanje radnika u proizvodnji.

Upotreba zaštitnih, zaštitno-dekorativnih i specijalnih premaza omogućava nam rješavanje mnogih problema, među kojima značajno mjesto zauzima zaštita metala od korozije. Korozija metala, odnosno njihovo uništavanje usled elektrohemijskog ili hemijskog izlaganja okolini, nanosi ogromnu štetu nacionalnoj privredi. Svake godine, zbog korozije, do 10-15% godišnje proizvodnje metala u obliku vrijednih dijelova i konstrukcija, složenih instrumenata i mašina izađe iz upotrebe. U nekim slučajevima korozija dovodi do nezgoda.

Galvanski premazi su jedna od efikasnih metoda zaštite od korozije; takođe se široko koriste za davanje niza vrijednih posebnih svojstava površini dijelova: povećana tvrdoća i otpornost na habanje, visoka refleksija, poboljšana svojstva protiv trenja, površinska električna provodljivost, lakša lemljivost i, konačno, jednostavno poboljšanje izgleda vrste proizvoda.

Ruski naučnici su tvorci mnogih važnih metoda elektrohemijske obrade metala. Dakle, stvaranje galvanoplastike je zasluga akademika B. S. Jacobija (1837). Najvažniji radovi u oblasti galvanizacije pripadaju ruskim naučnicima E. X. Lenzu i I. M. Fedorovskom. Razvoj tehnologije galvanizacije nakon Oktobarske revolucije neraskidivo je povezan s imenima naučnih profesora N. T. Kudryavtseva, V. I. Lainera, N. P. Fedotieva i mnogih drugih.

Mnogo je posla urađeno na standardizaciji i normalizaciji procesa nanošenja premaza. Naglo rastući obim posla, mehanizacija i automatizacija galvanskih radionica zahtevali su jasnu regulaciju procesa, pažljiv izbor elektrolita za premazivanje, izbor najefikasnijih metoda za pripremu površine delova pre nanošenja galvanskih premaza i završnih operacija, kao i pouzdane metode za kontrolu kvaliteta proizvoda. U ovim uslovima, uloga kvalifikovanog radnika za galvanizaciju naglo raste.

Osnovni cilj ovog sajta je da pomogne učenicima tehničkih škola u savladavanju zanimanja galvaničara koji poznaje savremene tehnološke procese koji se koriste u naprednim galvanskim radionicama.

Elektrolitičko hromiranje je efikasan način povećanja otpornosti na habanje dijelova koji se trljaju, zaštite od korozije, kao i metoda zaštitne i dekorativne završne obrade. Značajne uštede dolaze od hromiranja prilikom restauracije istrošenih dijelova. Proces hromiranja se široko koristi u nacionalnoj ekonomiji. Brojne istraživačke organizacije, instituti, univerziteti i mašinska preduzeća rade na njegovom unapređenju. Pojavljuju se efikasniji elektroliti i načini kromiranja, razvijaju se metode za poboljšanje mehaničkih svojstava hromiranih dijelova, zbog čega se širi opseg hromiranja. Poznavanje osnova moderne tehnologije hromiranja doprinosi implementaciji uputstava regulatorne i tehničke dokumentacije i kreativnom učešću širokog spektra praktičara u daljem razvoju hromiranja.

Na sajtu su razrađena pitanja uticaja hromiranja na čvrstoću delova, proširena upotreba efikasnih elektrolita i tehnoloških procesa, te uveden novi deo o metodama povećanja efikasnosti hromiranja. Glavni dijelovi su redizajnirani uzimajući u obzir napredna dostignuća tehnologije kromiranja. Date tehnološke upute i dizajn uređaja za vješanje su ogledni, usmjeravaju čitaoca u pogledu izbora uslova hromiranja i principa projektovanja uređaja za vješanje.

Kontinuirani razvoj svih grana mašinstva i instrumenata doveo je do značajnog proširenja obima primene elektrolitskih i hemijskih premaza.

Hemijskim taloženjem metala, u kombinaciji sa galvanskim taloženjem, stvaraju se metalne prevlake na širokom spektru dielektrika: plastika, keramika, ferit, staklokeramika i drugi materijali. Proizvodnja delova od ovih materijala sa metalizovanom površinom omogućila je uvođenje novih dizajnerskih i tehničkih rešenja, poboljšanje kvaliteta proizvoda i smanjenje troškova proizvodnje opreme, mašina i robe široke potrošnje.

Plastični dijelovi s metalnim premazima imaju široku primjenu u automobilskoj industriji, radiotehničkoj industriji i drugim sektorima nacionalne ekonomije. Procesi metalizacije polimernih materijala postali su posebno značajni u proizvodnji štampanih ploča, koje su osnova savremenih elektronskih uređaja i proizvoda radiotehnike.

Brošura daje potrebne informacije o procesima hemijsko-elektrolitičke metalizacije dielektrika, te predstavlja osnovne principe hemijskog taloženja metala. Naznačene su karakteristike elektrolitskih premaza za metalizaciju plastike. Značajna pažnja posvećena je tehnologiji proizvodnje štampanih ploča i date su metode za analizu rješenja korištenih u procesima metalizacije, te metode njihove pripreme i korekcije.

U pristupačnom i fascinantnom obliku, stranica upoznaje fizičku prirodu u karakteristike jonizujućeg zračenja i radioaktivnosti, uticaj različitih doza zračenja na žive organizme, metode zaštite i prevencije opasnosti od zračenja, mogućnosti upotrebe radioaktivnih izotopa za prepoznavanje i lečenje ljudskih bolesti.