Untuk bekerja secara aman dengan bahan fisil yang berbahaya bagi nuklir, parameter peralatan harus kurang dari kritis. Berikut ini yang digunakan sebagai parameter peraturan keselamatan nuklir: kuantitas, konsentrasi dan volume bahan fisil nuklir berbahaya; diameter peralatan berbentuk silinder; ketebalan lapisan datar untuk peralatan berbentuk pelat. Parameter standar ditetapkan berdasarkan parameter yang diizinkan, yang kurang dari parameter kritis dan tidak boleh dilampaui selama pengoperasian peralatan. Dalam hal ini, karakteristik yang mempengaruhi parameter kritis harus berada dalam batas yang ditentukan secara ketat. Parameter yang dapat diterima berikut ini digunakan: kuantitas M tambahan, volume V tambahan, diameter D tambahan, ketebalan lapisan t tambahan.

Dengan menggunakan ketergantungan parameter kritis pada konsentrasi nuklida fisil berbahaya nuklir, nilai parameter kritis ditentukan di bawah mana SCRD tidak mungkin dilakukan pada konsentrasi berapa pun. Misalnya, untuk larutan garam plutonium dan uranium yang diperkaya, massa kritis, volume, diameter silinder tak hingga, dan ketebalan lapisan datar tak hingga memiliki nilai minimum di wilayah perlambatan optimal. Untuk campuran uranium yang diperkaya logam dengan air, massa kritis, seperti untuk larutan, memiliki nilai minimum di wilayah moderasi optimal, dan volume kritis, diameter silinder tak terhingga, ketebalan lapisan datar tak terhingga pada pengayaan tinggi (> 35%) memiliki nilai minimum tanpa adanya moderator (r n /r 5 =0); untuk pengayaan di bawah 35%, parameter kritis campuran memiliki minimum pada perlambatan optimal. Jelas bahwa parameter yang ditetapkan berdasarkan parameter kritis minimum menjamin keamanan di seluruh rentang konsentrasi. Parameter ini disebut aman karena kurang dari parameter kritis minimum. Parameter aman berikut digunakan: kuantitas, konsentrasi, volume, diameter, ketebalan lapisan.

Ketika memastikan keamanan nuklir suatu sistem, konsentrasi nuklida fisil (terkadang jumlah moderator) harus dibatasi sesuai dengan parameter yang dapat diterima, sementara pada saat yang sama, ketika menggunakan parameter aman, tidak ada batasan yang dikenakan pada konsentrasi. (atau pada jumlah moderator).

2 MASSA KRITIS

Berkembang atau tidaknya reaksi berantai bergantung pada hasil persaingan empat proses:

(1) Emisi neutron dari uranium,

(2) penangkapan neutron oleh uranium tanpa fisi,

(3) penangkapan neutron oleh pengotor.

(4) penangkapan neutron oleh uranium dengan fisi.

Jika kehilangan neutron pada tiga proses pertama lebih kecil dari jumlah neutron yang dilepaskan pada proses keempat, maka terjadi reaksi berantai; kalau tidak, itu tidak mungkin. Jelasnya, jika salah satu dari tiga proses pertama sangat mungkin terjadi, maka kelebihan neutron yang dilepaskan selama fisi tidak akan dapat menjamin kelanjutan reaksi. Misalnya, jika kemungkinan proses (2) (penangkapan uranium tanpa fisi) jauh lebih besar daripada kemungkinan penangkapan dengan fisi, maka reaksi berantai tidak mungkin dilakukan. Kesulitan tambahan ditimbulkan oleh isotop uranium alam: ia terdiri dari tiga isotop: 234 U, 235 U dan 238 U, yang kontribusinya masing-masing sebesar 0,006, 0,7 dan 99,3%. Penting bahwa probabilitas proses (2) dan (4) berbeda untuk isotop yang berbeda dan bergantung secara berbeda pada energi neutron.

Untuk menilai persaingan berbagai proses dari sudut pandang pengembangan proses berantai fisi nuklir dalam materi, konsep “massa kritis” diperkenalkan.

Massa kritis– massa minimum bahan fisil yang menjamin terjadinya reaksi berantai fisi nuklir berkelanjutan. Semakin pendek waktu paruh fisi dan semakin tinggi pengayaan unsur kerja dalam isotop fisil, semakin kecil massa kritisnya.

Massa kritis - jumlah minimum bahan fisil yang diperlukan untuk memulai reaksi berantai fisi mandiri. Faktor perkalian neutron dalam jumlah materi tertentu sama dengan satu.

Massa kritis- massa bahan fisil reaktor yang berada dalam keadaan kritis.

Dimensi kritis reaktor nuklir- dimensi terkecil dari inti reaktor di mana reaksi fisi bahan bakar nuklir berkelanjutan masih dapat terjadi. Biasanya, ukuran kritis dianggap sebagai volume kritis inti.

Volume kritis reaktor nuklir- volume inti reaktor dalam keadaan kritis.

Jumlah relatif neutron yang dipancarkan uranium dapat dikurangi dengan mengubah ukuran dan bentuk. Pada bola, pengaruh permukaan sebanding dengan kuadrat, dan efek volumetrik sebanding dengan pangkat tiga jari-jari. Emisi neutron dari uranium merupakan efek permukaan yang bergantung pada ukuran permukaan; penangkapan dengan pembagian terjadi di seluruh volume yang ditempati oleh materi dan oleh karena itu

efek volumetrik. Semakin besar jumlah uranium, semakin kecil kemungkinan emisi neutron dari volume uranium mendominasi penangkapan fisi dan mengganggu reaksi berantai. Hilangnya neutron dalam penangkapan non-fisi merupakan efek volume, mirip dengan pelepasan neutron dalam penangkapan fisi, sehingga peningkatan ukuran tidak mengubah kepentingan relatifnya.

Dimensi kritis suatu alat yang mengandung uranium dapat didefinisikan sebagai dimensi di mana jumlah neutron yang dilepaskan selama fisi sama persis dengan kehilangannya akibat pelepasan dan penangkapan yang tidak disertai fisi. Dengan kata lain, jika dimensinya kurang dari kritis, maka menurut definisinya, reaksi berantai tidak dapat berkembang.

Hanya isotop bernomor ganjil yang dapat membentuk massa kritis. Hanya 235 U yang terdapat di alam, dan 239 Pu dan 233 U adalah buatan, keduanya terbentuk di reaktor nuklir (sebagai hasil penangkapan neutron oleh inti 238 U.

dan 232 Th dengan dua peluruhan β berikutnya).

DI DALAM Pada uranium alam, reaksi berantai fisi tidak dapat terjadi dengan jumlah uranium berapa pun, namun pada isotop seperti 235 U dan 239 Pu, proses rantai dicapai dengan relatif mudah. Dengan adanya moderator neutron, reaksi berantai terjadi pada uranium alam.

Kondisi yang diperlukan agar reaksi berantai dapat terjadi adalah adanya bahan fisil dalam jumlah yang cukup besar, karena dalam sampel kecil sebagian besar neutron terbang melalui sampel tanpa mengenai inti apa pun. Reaksi berantai ledakan nuklir terjadi ketika mencapainya

bahan fisil dengan massa kritis tertentu.

Misalkan ada sepotong zat yang mampu melakukan fisi, misalnya 235 U, yang di dalamnya terdapat neutron. Neutron ini akan menyebabkan fisi, atau diserap secara sia-sia oleh zat tersebut, atau, setelah berdifusi, keluar melalui permukaan luar. Yang penting adalah apa yang terjadi pada tahap selanjutnya - jumlah neutron rata-rata akan berkurang atau berkurang, yaitu. reaksi berantai akan melemah atau berkembang, mis. apakah sistem akan berada dalam keadaan subkritis atau superkritis (meledak). Karena emisi neutron diatur oleh ukuran (untuk bola - berdasarkan jari-jari), muncullah konsep ukuran kritis (dan massa). Agar ledakan dapat terjadi, ukurannya harus lebih besar dari ukuran kritisnya.

Ukuran kritis suatu sistem fisil dapat diperkirakan jika panjang jalur neutron dalam bahan fisil diketahui.

Sebuah neutron, yang terbang melintasi materi, kadang-kadang bertabrakan dengan inti; ia tampak melihat penampang melintangnya. Ukuran penampang inti adalah σ=10-24 cm2 (gudang). Jika N adalah jumlah inti per sentimeter kubik, maka kombinasi L =1/N σ memberikan rata-rata panjang lintasan neutron terhadap reaksi nuklir. Panjang jalur neutron adalah satu-satunya nilai dimensi yang dapat dijadikan sebagai titik awal untuk memperkirakan ukuran kritis. Setiap teori fisika menggunakan metode kesamaan, yang, pada gilirannya, dibangun dari kombinasi besaran dimensi, karakteristik sistem, dan zat yang tidak berdimensi. Sangat tidak berdimensi

bilangan tersebut adalah perbandingan jari-jari suatu bahan fisil dengan jumlah neutron yang ada di dalamnya. Jika kita asumsikan bilangan tak berdimensi berorde kesatuan, dan panjang lintasan dengan nilai tipikal N = 1023, L = 10 cm

(untuk σ =1) (biasanya σ jauh lebih tinggi dari 1, sehingga massa kritisnya lebih kecil dari perkiraan kami). Massa kritis bergantung pada penampang reaksi fisi nuklida tertentu. Jadi, untuk membuat bom atom, dibutuhkan sekitar 3 kg plutonium atau 8 kg 235 U (dengan skema ledakan dan dalam kasus 235 U murni). Dengan desain laras bom atom, dibutuhkan sekitar 50 kg senjata. - diperlukan uranium tingkat (Dengan kepadatan uranium 1,895 · 104 kg/m3, jari-jari bola bermassa seperti itu kira-kira 8,5 cm, yang sangat sesuai dengan perkiraan kami

R =L =10 cm).

Sekarang mari kita turunkan rumus yang lebih teliti untuk menghitung ukuran kritis suatu bahan fisil.

Seperti diketahui, peluruhan inti uranium menghasilkan beberapa neutron bebas. Beberapa dari mereka meninggalkan sampel, dan beberapa diserap oleh inti lainnya, menyebabkan mereka melakukan fisi. Reaksi berantai terjadi jika jumlah neutron dalam suatu sampel mulai meningkat seperti longsoran salju. Untuk menentukan massa kritis dapat menggunakan persamaan difusi neutron:

∂C

D C + β C

∂t

dimana C adalah konsentrasi neutron, β>0 adalah konstanta laju reaksi penggandaan neutron (mirip dengan konstanta peluruhan radioaktif, berdimensi 1/detik, D adalah koefisien difusi neutron,

Misalkan sampel berbentuk bola dengan jari-jari R. Kemudian kita perlu mencari solusi persamaan (1) yang memenuhi syarat batas: C (R,t )=0.

Mari kita lakukan perubahan C = ν e β t

∂C

∂ν

=D

+ βν e

∂t

∂t

Kami memperoleh persamaan klasik konduktivitas termal:

∂ν

D ν

∂t

Solusi persamaan ini sudah diketahui

π 2 n 2

(r, t)=

dosa π n kembali

π 2 n

β −

C(r, t) =

dosa π n kembali

r n = 1

Reaksi berantai akan berlangsung dalam kondisi berikut (yaitu.

C(r, t)

t →∞ → ∞ ) yang setidaknya untuk satu n koefisien masuk

eksponennya positif.

Jika β − π 2 n 2 D > 0,

lalu β > π 2 n 2 D dan jari-jari kritis bola:

R = n

Jika π

≥ R, maka untuk sembarang n tidak akan terjadi pertumbuhan eksponensial

Jika π

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

Mari kita batasi diri kita pada suku pertama deret tersebut, n =1:

R = π

Massa kritis:

M = ρ V = ρ

Nilai minimum jari-jari bola tempat terjadinya reaksi berantai disebut

radius kritis , dan massa bola yang bersesuaian adalah massa kritis.

Mengganti nilai R, kita mendapatkan rumus untuk menghitung massa kritis:

M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Nilai massa kritis bergantung pada bentuk sampel, faktor penggandaan neutron, dan koefisien difusi neutron. Penentuan mereka adalah tugas eksperimental yang kompleks, oleh karena itu rumus yang dihasilkan digunakan untuk menentukan koefisien yang ditunjukkan, dan perhitungan yang dilakukan adalah bukti adanya massa kritis.

Peran ukuran sampel jelas: seiring dengan mengecilnya ukuran, persentase neutron yang dipancarkan melalui permukaannya meningkat, sehingga pada ukuran sampel yang kecil (di bawah kritis!), reaksi berantai menjadi tidak mungkin bahkan dengan hubungan yang menguntungkan antara proses-proses tersebut. penyerapan dan produksi neutron.

Untuk uranium yang diperkaya tinggi, massa kritisnya sekitar 52 kg, untuk plutonium tingkat senjata - 11 kg. Dokumen peraturan tentang perlindungan bahan nuklir dari pencurian menunjukkan massa kritis: 5 kg 235 U atau 2 kg plutonium (untuk desain ledakan bom atom). Untuk sirkuit meriam, massa kritisnya jauh lebih besar. Berdasarkan nilai-nilai tersebut maka dibangun intensitas perlindungan bahan fisil dari serangan teroris.

Komentar. Massa kritis sistem logam uranium yang diperkaya 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) adalah 52 kg tanpa reflektor dan 8,9 kg bila sistem dikelilingi oleh reflektor neutron berilium oksida. Massa kritis larutan uranium dalam air kira-kira 5 kg.

Nilai massa kritis bergantung pada sifat zat (seperti penampang fisi dan penangkapan radiasi), massa jenis, jumlah pengotor, bentuk produk, serta lingkungan. Misalnya, kehadiran reflektor neutron dapat mengurangi massa kritis secara signifikan. Untuk bahan fisil tertentu, jumlah bahan yang membentuk massa kritis dapat bervariasi dalam rentang yang luas dan bergantung pada kepadatan, karakteristik (jenis bahan dan ketebalan) reflektor, serta sifat dan persentase pengencer inert yang ada. (seperti oksigen dalam uranium oksida, 238 U dalam 235 U yang diperkaya sebagian atau pengotor kimia).

Sebagai perbandingan, kami menyajikan massa kritis bola tanpa reflektor untuk beberapa jenis bahan dengan standar kepadatan tertentu.

Sebagai perbandingan, kami memberikan contoh massa kritis berikut: 10 kg 239 Pu, logam dalam fase alfa

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

dengan kepadatan kristal 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) pada kepadatan kristal

bentuk 11,4 g/cm3. Larutan garam nuklida fisil murni dalam air dengan reflektor neutron air memiliki massa kritis paling rendah. Untuk 235 U massa kritisnya adalah 0,8 kg, untuk 239 Pu - 0,5 kg, untuk 251 Cf -

Massa kritis M berhubungan dengan panjang kritis l: M l x, di mana x bergantung pada bentuk sampel dan berkisar antara 2 hingga 3. Ketergantungan pada bentuk berkaitan dengan kebocoran neutron melalui permukaan: semakin besar massa kritisnya. permukaan, semakin besar massa kritisnya. Sampel dengan massa kritis minimum berbentuk bola. Meja 5. Penilaian dasar karakteristik isotop murni yang mampu melakukan fisi nuklir

Neutron

Kuitansi

Kritis

Kepadatan

Suhu

Disipasi panas

spontan

setengah hidup

(sumber)

gram/cm³

titik leleh °C

T 1/2

105 (kg detik)

231Pa

232U

Reaktor menyala

neutron

233U

235U

Alami

7.038×108 tahun

236U

2,3416×107 tahun? kg

237Np

2,14×107 tahun

236Pu

238Pu

239Pu

240Pu

241Pu

242Pu

241 pagi

242mAm

243mAm

243 pagi

243cm

244cm

245cm

246cm

247cm

1,56×107 tahun

248cm

249 Bdk

250 Bdk

251 Bdk

252 Bdk

Mari kita membahas lebih detail tentang parameter kritis isotop beberapa unsur. Mari kita mulai dengan uranium.

Seperti yang telah disebutkan beberapa kali, 235 U (clark 0,72%) sangat penting, karena ia fisi di bawah pengaruh neutron termal (σ f = 583 gudang), melepaskan “setara energi panas” sebesar 2 × 107 kW × jam / k. Karena, selain peluruhan α, 235 U juga melakukan fisi secara spontan (T 1/2 = 3,5 × 1017 tahun), neutron selalu ada dalam massa uranium, yang berarti dimungkinkan untuk menciptakan kondisi terjadinya diri. -mempertahankan reaksi berantai fisi. Untuk logam uranium dengan pengayaan 93,5% massa kritisnya adalah: 51 kg tanpa reflektor; 8,9 kg dengan reflektor berilium oksida; 21,8 kg dengan deflektor air penuh. Parameter kritis campuran homogen uranium dan senyawanya diberikan dalam

Parameter kritis isotop plutonium: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = 12 hingga 7,45 kg. Yang paling menarik adalah campuran isotop: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Pelepasan energi spesifik yang tinggi sebesar 238 Pu menyebabkan oksidasi logam di udara, sehingga kemungkinan besar digunakan dalam bentuk oksida. Ketika 238 Pu diproduksi, isotop yang menyertainya adalah 239 Pu. Rasio isotop-isotop ini dalam campuran menentukan nilai parameter kritis dan ketergantungannya terhadap perubahan kandungan moderator. Berbagai perkiraan massa kritis bola logam telanjang sebesar 238 Pu memberikan nilai berkisar antara 12 hingga 7,45 kg, dibandingkan dengan massa kritis untuk 239 Pu sebesar 9,6 kg. Karena inti 239 Pu mengandung jumlah neutron ganjil, massa kritis akan berkurang ketika air ditambahkan ke sistem. Massa kritis 238 Pu meningkat dengan penambahan air. Untuk campuran isotop-isotop ini, efek bersih dari penambahan air bergantung pada rasio isotop. Ketika kandungan massa 239 Pu sama dengan 37% atau kurang, massa kritis campuran isotop 239 Pu dan 238 Pu tidak berkurang ketika air ditambahkan ke sistem. Dalam hal ini, jumlah 239 Pu-238 Pu dioksida yang diperbolehkan adalah 8 kg. Dengan orang lain

rasio dioksida 238 Pu dan 239 Pu, nilai minimum massa kritis bervariasi dari 500 g untuk 239 Pu murni hingga 24,6 kg untuk 238 Pu murni.

Meja 6. Ketergantungan massa kritis dan volume kritis uranium pada pengayaan dengan 235 U.

Catatan. I - campuran homogen logam uranium dan air; II - campuran homogen uranium dioksida dan air; III - larutan uranil fluorida dalam air; IV - larutan uranil nitrat dalam air. * Data diperoleh dengan menggunakan interpolasi grafis.

Isotop lain dengan jumlah neutron ganjil adalah 241 Pu. Nilai massa kritis minimum untuk 241 Pu dicapai dalam larutan berair pada konsentrasi 30 g/l dan sebesar 232 kg. Apabila diperoleh 241 Pu dari bahan bakar yang diiradiasi, selalu disertai dengan 240 Pu, yang kandungannya tidak melebihi. Dengan perbandingan nuklida yang sama dalam campuran isotop, massa kritis minimum 241 Pu melebihi massa kritis 239 Pu. Oleh karena itu, sehubungan dengan massa kritis minimum isotop 241 Pu di

penilaian keselamatan nuklir dapat diganti dengan 239 Pu jika campuran isotop mengandung jumlah yang sama

241 Pu dan 240 Pu.

Meja 7. Parameter kritis minimum uranium dengan pengayaan 100% pada 233 U.

Sekarang mari kita perhatikan karakteristik penting dari isotop amerisium. Kehadiran isotop 241 Am dan 243 Am dalam campuran meningkatkan massa kritis 242 m Am. Untuk larutan air, terdapat rasio isotop dimana sistem selalu subkritis. Jika kandungan massa 242 m Am dalam campuran 241 Am dan 242 m Am kurang dari 5%, sistem tetap subkritis hingga konsentrasi amerisium dalam larutan dan campuran mekanis dioksida dengan air sama dengan 2500 g/l. 243 Am bercampur dengan 242m Am juga bertambah

massa kritis campuran, tetapi pada tingkat yang lebih rendah, karena penampang penangkapan neutron termal untuk 243 Am adalah urutan besarnya lebih rendah dari pada 241 Am

Meja 8. Parameter kritis dari kumpulan bola plutonium homogen (239 Pu+240 Pu).

Meja 9. Ketergantungan massa dan volume kritis senyawa plutonium* pada komposisi isotop plutonium

* Nuklida utama 94,239 Pu.

Catatan: I - campuran homogen logam plutonium dan air; II - campuran homogen plutonium dioksida dan air; III campuran homogen plutonium oksalat dan air; IV - larutan plutonium nitrat dalam air.

Meja 10. Ketergantungan massa kritis minimum 242 m Am pada kandungannya dalam campuran 242 m Am dan 241 Am (massa kritis dihitung untuk AmO2 + H2 O dalam geometri bola dengan reflektor air):

Massa kritis 242 m Am, g

Dengan fraksi massa yang rendah sebesar 245 Cm, ​​harus diperhitungkan bahwa 244 Cm juga memiliki massa kritis yang terbatas pada sistem tanpa moderator. Isotop curium lain dengan jumlah neutron ganjil mempunyai massa kritis minimum beberapa kali lebih besar dari 245 Cm. Dalam campuran CmO2 + H2 O, isotop 243 Cm memiliki massa kritis minimum sekitar 108 g, dan 247 Cm - sekitar 1170 g.Relatif terhadap

Massa kritis dapat dianggap bahwa 1 g 245 Cm setara dengan 3 g 243 Cm atau 30 g 247 Cm. Massa kritis minimum 245 Cm, ​​​​g, tergantung kandungan 245 Cm pada campuran isotop 244 Cm dan 245 Cm untuk CmO2 +

H2 O dijelaskan dengan cukup baik oleh rumusnya

M kr = 35,5 +

+ 0,003

dimana ξ adalah fraksi massa 245 Cm dalam campuran isotop curium.

Massa kritis bergantung pada penampang reaksi fisi. Saat membuat senjata, segala macam trik dapat digunakan untuk mengurangi massa kritis yang diperlukan untuk sebuah ledakan. Jadi, untuk membuat bom atom, diperlukan 8 kg uranium-235 (dengan skema ledakan dan dalam kasus uranium-235 murni; bila menggunakan 90% uranium-235 dan dengan skema barel bom atom, di dibutuhkan setidaknya 45 kg uranium tingkat senjata). Massa kritis dapat dikurangi secara signifikan dengan mengelilingi sampel bahan fisil dengan lapisan bahan yang memantulkan neutron, seperti berilium atau uranium alam. Reflektor mengembalikan sebagian besar neutron yang dipancarkan melalui permukaan sampel. Misalnya, jika Anda menggunakan reflektor setebal 5 cm yang terbuat dari bahan seperti uranium, besi, grafit, maka massa kritisnya akan menjadi setengah dari massa kritis “bola telanjang”. Reflektor yang lebih tebal mengurangi massa kritis. Berilium sangat efektif, memberikan massa kritis 1/3 dari massa kritis standar. Sistem neutron termal mempunyai volume kritis terbesar dan massa kritis minimum.

Tingkat pengayaan nuklida fisil memainkan peran penting. Uranium alam dengan kandungan 235 U 0,7% tidak dapat digunakan untuk pembuatan senjata atom, karena sisa uranium (238 U) secara intensif menyerap neutron, sehingga menghambat perkembangan proses berantai. Oleh karena itu, isotop uranium harus dipisahkan, yang merupakan tugas yang rumit dan memakan waktu. Pemisahan harus dilakukan sampai derajat pengayaan 235 U di atas 95%. Dalam prosesnya, perlu untuk menghilangkan pengotor unsur-unsur dengan penampang penangkapan neutron yang tinggi.

Komentar. Saat menyiapkan uranium tingkat senjata, mereka tidak hanya membuang pengotor yang tidak perlu, tetapi menggantinya dengan pengotor lain yang berkontribusi pada proses rantai, misalnya, mereka memasukkan unsur-unsur yang bertindak sebagai pengganda neutron.

Tingkat pengayaan uranium mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap nilai massa kritis. Misalnya, massa kritis uranium yang diperkaya dengan 235 U 50% adalah 160 kg (3 kali massa uranium 94%), dan massa kritis uranium 20% adalah 800 kg (yaitu, ~15 kali massa kritis 94 % uranium). Koefisien serupa bergantung pada tingkat pengayaan berlaku untuk uranium oksida.

Massa kritis berbanding terbalik dengan kuadrat massa jenis material, M k ~1/ρ 2, . Jadi, massa kritis plutonium logam pada fase delta (massa jenis 15,6 g/cm3) adalah 16 kg. Keadaan ini diperhitungkan ketika merancang bom atom kompak. Karena kemungkinan penangkapan neutron sebanding dengan konsentrasi inti, peningkatan kepadatan sampel, misalnya akibat kompresi, dapat menyebabkan keadaan kritis dalam sampel. Dalam alat peledak nuklir, massa bahan fisil dalam keadaan subkritis yang aman diubah menjadi keadaan superkritis yang eksplosif menggunakan ledakan terarah, sehingga muatan mengalami kompresi tingkat tinggi.

Senjata nuklir mulai menimbulkan ketakutan di kalangan masyarakat sejak kemungkinan pembuatannya terbukti secara teoritis. Dan selama lebih dari setengah abad dunia hidup dalam ketakutan ini, hanya besarnya yang berubah: dari paranoia di tahun 50-60an menjadi kecemasan permanen saat ini. Namun bagaimana situasi seperti itu bisa terjadi? Bagaimana ide untuk menciptakan senjata mengerikan seperti itu bisa muncul di benak manusia? Kita tahu bahwa bom nuklir sebenarnya diciptakan oleh tangan-tangan fisikawan terhebat pada masa itu, banyak dari mereka adalah peraih Nobel pada saat itu atau kemudian menjadi mereka.

Penulis mencoba memberikan jawaban yang jelas dan dapat diakses atas pertanyaan-pertanyaan ini dan banyak pertanyaan lainnya dengan berbicara tentang perlombaan untuk memperoleh senjata nuklir. Perhatian utama diberikan pada nasib masing-masing fisikawan yang terlibat langsung dalam peristiwa yang sedang dipertimbangkan.

Bab 3 Massa Kritis

Pada bulan Januari 1939, Otto Frisch akhirnya mendapat kabar baik. Dia mengetahui bahwa ayahnya, meskipun dia tetap berada di kamp konsentrasi Dachau, namun telah menerima visa Swedia. Dia segera dibebaskan dan di Wina dia bisa bertemu ibu Frisch. Bersama-sama mereka pindah ke tempat di mana tidak ada yang mengancam mereka - ke Stockholm.

Namun kabar gembira seperti itu pun tidak dapat menghilangkan firasat Otto akan datangnya masalah besar yang baru-baru ini menimpanya. Antisipasi akan dimulainya perang yang sudah dekat, menjerumuskannya semakin dalam ke jurang depresi. Frisch melihat tidak ada gunanya melanjutkan penelitian yang dilakukannya di Kopenhagen. Perasaan tidak aman pun semakin bertambah. Ketika warga Inggris Patrick Blackett dan Mark Oliphant dari Australia tiba di laboratorium Bohr, Otto meminta bantuan mereka.

Oliphant dibesarkan di Adelaide. Awalnya dia tertarik pada kedokteran dan khususnya kedokteran gigi, tetapi di universitas dia menjadi tertarik pada fisika. Setelah mendengarkan Erenst Rutherford, seorang warga Selandia Baru sejak lahir, siswa yang mudah terpengaruh ini memutuskan untuk mengambil fisika nuklir. Pada tahun 1927, ia bergabung dengan tim peneliti Rutherford di Laboratorium Cavendish di Cambridge. Di sana, pada awal tahun 1930-an, ia menyaksikan secara langsung banyak penemuan luar biasa di bidang fisika nuklir. Pada tahun 1934, bekerja sama dengan Rutherford (serta ahli kimia Jerman Paul Harteck), Oliphant menerbitkan sebuah makalah yang menjelaskan reaksi fusi nuklir yang melibatkan hidrogen berat - deuterium.

Pada tahun 1937, Oliphant menerima jabatan profesor di Universitas Birmingham, menjadi Dekan Fakultas Fisika. Dia sangat bersimpati terhadap permintaan bantuan Frisch dan segera mengiriminya surat di mana dia mengundang Otto untuk mengunjungi Birmingham pada musim panas 1939 dan melihat langsung apa yang bisa dilakukan untuknya. Ketenangan dan kepercayaan diri Oliphant sangat mengesankan Frisch, yang tidak bisa keluar dari depresinya, dan dia tidak menunggu undangan lagi. Setelah mengemas dua koper kecil, dia berangkat ke Inggris, “tidak berbeda dengan turis lainnya.”

Orang Australia mengatur agar Otto menjadi guru junior. Dia sekarang bekerja dalam suasana yang agak informal. Oliphant memberikan ceramah kepada mahasiswa dan merujuk mereka yang kesulitan menguasai materi baru ke Frisch. Otto bekerja dengan beberapa lusin siswa yang mengajukan banyak pertanyaan kepadanya, dan diskusi yang sangat hidup pun terjadi. Frisch sangat menyukai pekerjaan seperti ini.

Di Birmingham, Frisch bertemu dengan emigran lain, rekan senegaranya, Rudolf Peierls. Rudolf lahir di Berlin, dalam keluarga Yahudi yang berasimilasi. Ia belajar fisika di Berlin, Munich dan Leipzig, di mana ia menyelesaikan pembelaannya pada tahun 1928 bersama Heisenberg. Peierls kemudian pindah ke Zurich, Swiss, dan di sana pada tahun 1932 dia dianugerahi Rockefeller Fellowship. Dia harus belajar terlebih dahulu di Roma, dengan Fermi, dan kemudian di Cambridge, Inggris, dengan fisikawan teoretis Ralph Fowler. Ketika Hitler berkuasa pada tahun 1933, Peierls sedang berada di Inggris. Segera menjadi jelas baginya bahwa jalur kembali ke Jerman telah ditutup. Setelah menyelesaikan studinya, Rudolph pergi ke Manchester, tempat dia bekerja dengan Lawrence Bragg, dan kemudian kembali ke Cambridge, tempat dia tinggal selama beberapa tahun. Pada tahun 1937 ia menjadi profesor matematika di Universitas Birmingham.

Sejak September 1939, setelah pecahnya perang, laboratorium di Birmingham terutama terlibat dalam penelitian yang sangat penting - dan rahasia - untuk militer.

Pekerjaan para ilmuwan terkait dengan magnetron resonansi - perangkat yang diperlukan untuk menghasilkan radiasi gelombang mikro yang intens di radar pesawat yang berbasis di darat dan di dalam pesawat. C. P. Snow kemudian menyebut perangkat ini sebagai "penemuan ilmiah paling berharga yang dibuat Inggris selama perang dengan Hitler".

Sebagai warga negara yang bermusuhan, Frisch dan Peierls seharusnya tidak mengetahui apa pun tentang karya-karya ini. Namun, kerahasiaan proyek ini tidak dapat dipahami. Oliphant terkadang menanyakan pertanyaan hipotetis Peierl yang dimulai dengan kata-kata: “Jika Anda dihadapkan pada masalah berikut…”. Seperti yang kemudian ditulis Frisch, “Oliphant tahu bahwa Peierls mengetahuinya, dan menurut saya Peierls mengetahui bahwa Oliphant mengetahui bahwa dia mengetahuinya. Namun, tidak satupun dari mereka menunjukkan tanda-tandanya.”

Frisch tidak terus-menerus bekerja dengan siswanya, sehingga, karena memiliki waktu luang yang cukup, ia dapat kembali menangani masalah fisi nuklir. Menggunakan laboratorium yang saat itu tidak ditempati, Otto melakukan beberapa eksperimen kecil. Bohr dan Wheeler berpendapat bahwa uranium bersifat fisil terutama karena isotop U235 yang tidak terlalu stabil. Frisch memutuskan untuk membuktikannya secara eksperimental, memperoleh data dari sampel dengan kandungan isotop langka yang sedikit meningkat. Untuk mengisolasi sejumlah kecil uranium-235, ia merakit peralatan kecil yang menggunakan metode difusi termal yang ditemukan oleh Clusius dan Dickel. Namun kemajuannya sangat lambat.

Sementara itu, British Chemical Society mendekati Frisch dengan permintaan untuk menulis ulasan untuk mereka dan menyoroti semua kemajuan terkini dalam studi inti atom, sehingga dapat dimengerti dan menarik bagi para ahli kimia. Otto menulis artikel itu di kamar kontrakannya. Tanpa melepas mantelnya, dia duduk, memegang mesin tik di pangkuannya, dekat kompor gas, mencoba menghangatkan badan setidaknya sedikit: suhu musim dingin itu turun hingga -18°C. Pada malam hari air di gelas membeku.

Berbicara tentang fisi nuklir, ia mengulangi pendapat yang berlaku umum pada saat itu: jika suatu saat reaksi berantai mandiri dapat dilakukan, maka dengan mempertimbangkan fakta bahwa ia harus menggunakan neutron lambat, sebuah bom atom yang dapat digunakan. reaksi berantai yang akan terjadi akan hampir mustahil untuk meledak. “Kami setidaknya akan mencapai hasil yang sama jika kami membakar bubuk mesiu dalam jumlah yang sama,” tulisnya di bagian terakhir. Frisch sama sekali tidak percaya dengan kemungkinan terciptanya bom atom.

Namun, setelah menyelesaikan artikelnya, dia mulai berpikir. Masalah utama saat ini, menurut Bohr dan Wheeler, adalah lambatnya neutron. Inti uranium-238 selalu menangkap neutron cepat yang memiliki energi atau kecepatan “resonansi” tertentu, namun hanya neutron lambat yang diperlukan untuk bereaksi dengan uranium alam. Namun, penggunaannya berarti energi yang dihasilkan akan terakumulasi dengan sangat lambat. Jika reaksi didasarkan pada neutron lambat, energi yang dilepaskan akan memanaskan uranium dan mungkin melelehkannya atau bahkan menguapkannya jauh sebelum meledak. Saat uranium memanas, semakin sedikit neutron yang masuk ke dalam reaksi, dan pada akhirnya uranium akan mati begitu saja.

Fisikawan dari Masyarakat Uranium memiliki pendapat yang sama. Namun, Frisch kini sangat tertarik dengan jawaban atas pertanyaan: apa yang akan terjadi jika Anda menggunakannya cepat neutron? Uranium-235 dianggap fisi oleh kedua jenis neutron. Namun, jika terdapat terlalu banyak U 238 dalam uranium yang difisi, maka neutron sekunder cepat yang dipancarkan oleh peluruhan U 235 tidak akan banyak berguna: neutron sekunder cepat ini kemungkinan besar akan lolos dari reaksi karena penangkapan resonansi oleh uranium- 238 inti. Namun kendala ini dapat dengan mudah diatasi jika digunakan uranium-235 murni atau hampir murni. Frisch merakit peralatan kecil Clusius-Dickel untuk memisahkan U 235 tanpa banyak kesulitan. Jelas bahwa tidak mungkin memperoleh uranium-235 murni dalam jumlah besar, misalnya beberapa ton, dengan cara ini. Namun bagaimana jika jumlah yang jauh lebih kecil cukup untuk terjadinya reaksi berantai dengan neutron cepat?

Reaksi berantai pada neutron cepat menggunakan uranium-235 murni - jika kita berasumsi bahwa bom atom pada awalnya memiliki semacam rahasia, maka kini telah diketahui oleh Frisch.

Otto berbagi pemikirannya dengan Peierls, yang pada awal Juni 1939 menyelesaikan rumus untuk menghitung massa kritis material yang diperlukan untuk mempertahankan reaksi berantai nuklir. Rumus ini disusun oleh fisikawan teoretis Perancis Francis Perrin. Untuk campuran isotop dengan kandungan U 238 yang tinggi, Peierls menggunakan formula modifikasinya, namun karena hitungannya dalam ton, opsi ini tidak cocok untuk membuat senjata.

Sekarang Frisch perlu melakukan perhitungan dengan urutan yang sama sekali berbeda - dengan partisipasi uranium-235 murni dan bukan neutron lambat, tetapi neutron cepat. Masalahnya adalah belum ada yang mengetahui berapa proporsi U 235 yang seharusnya untuk memastikan keberhasilan partisipasi dalam reaksi neuron cepat. Namun para ilmuwan tidak mengetahui hal ini karena belum mungkin memperoleh uranium-235 dalam bentuk murni dalam jumlah yang cukup.

Dalam situasi seperti ini, yang tersisa hanyalah membuat asumsi. Hasil yang diperoleh Bohr dan Wheeler memperjelas bahwa inti U 235 mudah terpecah oleh neutron lambat. Lebih lanjut, masuk akal untuk berasumsi bahwa efek neutron cepat juga tidak kalah efektifnya, dan bahkan ada kemungkinan bahwa inti uranium-235 akan membelah jika bersentuhan dengan neutron tersebut. Selanjutnya, Peierls menulis tentang hipotesis ini: “Tampaknya, dari data yang diperoleh Bohr dan Wheeler, kesimpulan berikut seharusnya diambil: setiap neutron yang memasuki inti 235 [uranium] menyebabkan peluruhannya.” Asumsi ini sangat menyederhanakan perhitungan. Kini yang tersisa hanyalah menghitung berapa banyak uranium-235 yang dibutuhkan agar dapat dengan mudah dipecah oleh neutron cepat.

Para ilmuwan memasukkan angka-angka baru ke dalam rumus Peierls dan kagum dengan hasil yang diperoleh. Berton-ton uranium kini sudah tidak mungkin lagi tersedia. Massa kritisnya, menurut perhitungan, hanya beberapa kilogram. Untuk zat dengan massa jenis seperti uranium, volume sebesar itu tidak akan melebihi ukuran bola golf. Frisch memperkirakan jumlah U 235 tersebut dapat diperoleh dalam beberapa minggu, dengan menggunakan sekitar seratus ribu tabung peralatan Clusius-Dickel, mirip dengan yang ia rakit di laboratorium Birmingham.

“Kemudian kami semua saling memandang, menyadari bahwa bom atom masih mungkin dibuat.”

(DALAM PEMASARAN) massa kritis

seperangkat inovasi wajib yang harus melekat dan ada pada suatu produk agar dianggap modern.

Kamus Ensiklopedis, 1998

massa kritis

massa minimum bahan fisil yang menjamin terjadinya reaksi berantai fisi nuklir yang berkelanjutan.

Massa kritis

massa terkecil bahan fisil di mana reaksi berantai fisi inti atom dapat terjadi; ditandai dengan faktor perkalian neutron yang berubah menjadi satu. Dimensi dan volume yang sesuai dari perangkat tempat terjadinya reaksi berantai juga disebut kritis (lihat Reaksi berantai nuklir, Reaktor nuklir).

Wikipedia

Massa kritis

Massa kritis- dalam fisika nuklir, massa minimum bahan fisil yang diperlukan untuk memulai reaksi berantai fisi mandiri. Faktor penggandaan neutron dalam sejumlah materi lebih besar dari satu atau sama dengan satu. Dimensi yang sesuai dengan massa kritis disebut juga kritis.

Nilai massa kritis bergantung pada sifat zat (seperti penampang fisi dan penangkapan radiasi), massa jenis, jumlah pengotor, bentuk produk, serta lingkungan. Misalnya, kehadiran reflektor neutron dapat mengurangi massa kritis secara signifikan.

Dalam energi nuklir, parameter massa kritis sangat menentukan dalam desain dan perhitungan berbagai perangkat yang dalam desainnya menggunakan berbagai isotop atau campuran isotop unsur yang, dalam kondisi tertentu, mampu melakukan fisi nuklir dengan pelepasan bahan-bahan kolosal. sejumlah energi. Misalnya, ketika merancang generator radioisotop kuat yang menggunakan uranium dan sejumlah elemen transuranium sebagai bahan bakar, parameter massa kritis membatasi kekuatan perangkat tersebut. Dalam perhitungan dan produksi senjata nuklir dan termonuklir, parameter massa kritis secara signifikan mempengaruhi desain alat peledak, serta biaya dan umur simpannya. Dalam hal desain dan konstruksi reaktor nuklir, parameter massa kritis juga membatasi dimensi minimum dan maksimum reaktor masa depan.

Larutan garam nuklida fisil murni dalam air dengan reflektor neutron air memiliki massa kritis paling rendah. Untuk U, massa kritis larutan tersebut adalah 0,8 kg, untuk Pu - 0,5 kg, untuk beberapa garam Cf - 10 g.

Situs web ini menguraikan dasar-dasar teknologi pelapisan listrik. Proses persiapan dan penerapan pelapis elektrokimia dan kimia, serta metode pemantauan kualitas pelapisan, dibahas secara rinci. Peralatan utama dan tambahan dari toko galvanik dijelaskan. Informasi diberikan mengenai mekanisasi dan otomatisasi produksi galvanik, serta sanitasi dan tindakan pencegahan keselamatan.

Situs ini dapat digunakan untuk pelatihan kejuruan bagi pekerja di bidang produksi.

Penggunaan lapisan pelindung, pelindung-dekoratif dan khusus memungkinkan kita untuk memecahkan banyak masalah, di antaranya tempat penting ditempati oleh perlindungan logam dari korosi. Korosi logam, yaitu kehancurannya akibat paparan elektrokimia atau kimia terhadap lingkungan, menyebabkan kerusakan besar pada perekonomian nasional. Setiap tahun, karena korosi, hingga 10-15% dari produksi logam tahunan dalam bentuk suku cadang dan struktur yang berharga, instrumen dan mesin yang rumit tidak dapat digunakan lagi. Dalam beberapa kasus, korosi menyebabkan kecelakaan.

Pelapis galvanik adalah salah satu metode perlindungan korosi yang efektif; pelapis ini juga banyak digunakan untuk memberikan sejumlah sifat khusus yang berharga pada permukaan komponen: peningkatan kekerasan dan ketahanan aus, reflektifitas tinggi, peningkatan sifat anti-gesekan, konduktivitas listrik permukaan, kemudahan penyolderan dan, akhirnya, hanya untuk meningkatkan penampilan jenis produk.

Ilmuwan Rusia adalah pencipta banyak metode penting pemrosesan logam secara elektrokimia. Dengan demikian, penciptaan galvanoplasti merupakan jasa akademisi B. S. Jacobi (1837). Karya terpenting di bidang pelapisan listrik adalah milik ilmuwan Rusia E. X. Lenz dan I. M. Fedorovsky. Perkembangan teknologi pelapisan listrik setelah Revolusi Oktober tidak dapat dipisahkan dari nama profesor ilmiah N. T. Kudryavtsev, V. I. Lainer, N. P. Fedotiev dan banyak lainnya.

Banyak pekerjaan telah dilakukan untuk menstandarisasi dan menormalkan proses pelapisan. Volume pekerjaan yang meningkat tajam, mekanisasi dan otomatisasi bengkel pelapisan listrik memerlukan pengaturan proses yang jelas, pemilihan elektrolit yang cermat untuk pelapisan, pemilihan metode yang paling efektif untuk mempersiapkan permukaan bagian sebelum pengendapan pelapis pelapisan listrik dan operasi akhir, serta metode yang dapat diandalkan untuk pengendalian kualitas produk. Dalam kondisi seperti ini, peran pekerja terampil elektroplating meningkat tajam.

Tujuan utama dari situs ini adalah untuk membantu mahasiswa sekolah teknik dalam menguasai profesi pekerja galvanis yang mengetahui proses teknologi modern yang digunakan di bengkel galvanisasi canggih.

Pelapisan krom elektrolitik adalah cara yang efektif untuk meningkatkan ketahanan aus pada bagian yang bergesekan, melindunginya dari korosi, serta metode penyelesaian pelindung dan dekoratif. Penghematan yang signifikan diperoleh dari pelapisan krom saat memulihkan suku cadang yang aus. Proses pelapisan krom banyak digunakan dalam perekonomian nasional. Sejumlah organisasi penelitian, institut, universitas, dan perusahaan pembuat mesin sedang berupaya untuk memperbaikinya. Elektrolit yang lebih efisien dan mode pelapisan krom bermunculan, metode sedang dikembangkan untuk meningkatkan sifat mekanik bagian berlapis krom, sebagai akibatnya cakupan pelapisan krom semakin meluas. Pengetahuan tentang dasar-dasar teknologi pelapisan krom modern berkontribusi pada implementasi instruksi dokumentasi peraturan dan teknis dan partisipasi kreatif dari berbagai praktisi dalam pengembangan lebih lanjut pelapisan krom.

Situs ini telah mengembangkan isu-isu tentang pengaruh pelapisan krom pada kekuatan suku cadang, memperluas penggunaan elektrolit yang efektif dan proses teknologi, dan memperkenalkan bagian baru tentang metode untuk meningkatkan efisiensi pelapisan krom. Bagian utama telah didesain ulang dengan mempertimbangkan kemajuan teknologi pelapisan krom. Petunjuk teknologi dan desain perangkat gantung yang diberikan patut dicontoh, membimbing pembaca dalam memilih kondisi pelapisan krom dan prinsip-prinsip merancang perangkat gantung.

Perkembangan berkelanjutan dari semua cabang teknik mesin dan pembuatan instrumen telah menyebabkan perluasan yang signifikan dalam cakupan penerapan pelapis elektrolitik dan kimia.

Melalui pengendapan kimia logam, dikombinasikan dengan pengendapan galvanik, pelapisan logam dibuat pada berbagai macam dielektrik: plastik, keramik, ferit, kaca-keramik, dan bahan lainnya. Produksi suku cadang dari bahan-bahan ini dengan permukaan logam memastikan pengenalan desain baru dan solusi teknis, meningkatkan kualitas produk dan mengurangi biaya produksi peralatan, mesin, dan barang konsumsi.

Suku cadang plastik dengan lapisan logam banyak digunakan dalam industri otomotif, industri teknik radio dan sektor perekonomian nasional lainnya. Proses metalisasi bahan polimer menjadi sangat penting dalam produksi papan sirkuit cetak, yang merupakan dasar perangkat elektronik modern dan produk teknik radio.

Brosur ini memberikan informasi yang diperlukan tentang proses metalisasi kimia-elektrolitik dielektrik, dan menyajikan prinsip-prinsip dasar pengendapan kimia logam. Fitur pelapis elektrolitik untuk metalisasi plastik ditunjukkan. Perhatian besar diberikan pada teknologi produksi papan sirkuit cetak, dan metode untuk menganalisis larutan yang digunakan dalam proses metalisasi, serta metode untuk persiapan dan koreksinya diberikan.

Dalam bentuk yang mudah diakses dan menarik, situs ini memperkenalkan sifat fisik pada kekhasan radiasi pengion dan radioaktivitas, pengaruh berbagai dosis radiasi pada organisme hidup, metode perlindungan dan pencegahan bahaya radiasi, kemungkinan penggunaan isotop radioaktif untuk mengenali dan mengobati penyakit manusia.