Уран - один из самых удивительных металлов, возможности которого далеко не сразу были осознаны человечеством. Мало кто знает, что уран известен людям еще с античных времен. Именно благодаря его свойствам на рубеже XIX и XX веков произошел коренной перелом в физике, а затем в середине XX века изменился общий ход истории и само мироустройство. Сегодня земную цивилизацию уже невозможно себе представить без урана и той энергии, которая скрыта в его ядре.

Две тысячи лет назад, когда люди еще не знали, что урана надо бояться (тогда, впрочем, он не назывался ураном), они смело применяли природный оксид урана в качестве красителя. Этот оксид придавал красивый желтый цвет глазури, которой покрывали керамические изделия. Кучу таких желтеньких черепков археологи нашли на месте развалин Помпеи. Когда керамические амфоры ушли в прошлое, из оксида урана стали делать краски для живописи по фарфору. Художники также покрывали полотна желтым пигментом, который был не чем иным, как уранатом натрия. С появлением стекольной промышленности оксидом урана стали окрашивать в веселый зеленый цвет стекла. Как видим, ничего пугающего или таинственного.
Содержание урана в земной коре составляет 0,0003%. В поверхностном слое земли встречается четыре вида урансодержащих отложений. Во-первых, это жилы уранинита, или урановой смолки (диоксид урана UO2), очень богатые ураном, но редко встречающиеся. Им сопутствуют отложения радия, так как радий является прямым продуктом изотопного распада урана. Такие жилы встречаются в Заире, Канаде (Большое Медвежье озеро), Чехии и Франции. Вторым источником урана являются конгломераты ториевой и урановой руды совместно с рудами других важных минералов. Конгломераты обычно содержат достаточные для извлечения количества золота и серебра, а сопутствующими элементами становятся уран и торий. Большие месторождения этих руд находятся в Канаде, ЮАР, России и Австралии. Третьим источником урана являются осадочные породы и песчаники, богатые минералом карнотитом (уранил-ванадат калия), который содержит, кроме урана, значительное количество ванадия и других элементов. Такие руды встречаются в западных штатах США. Железоурановые сланцы и фосфатные руды составляют четвертый источник отложений. Богатые отложения обнаружены в глинистых сланцах Швеции. Некоторые фосфатные руды Марокко и США содержат значительные количества урана, как и фосфатные залежи в Анголе и Центральноафриканской Республике, в которых урана еще больше. Многие лигниты (слабоуглефицированная ископаемая древесина бурого цвета, сохранившая анатомическое строение растительных тканей) и некоторые угли также содержат примеси урана. Богатые ураном отложения лигнитов обнаружены в Северной и Южной Дакоте (США) и битумных углях Испании и Чехии. Россия по запасам урана занимает третье место в мире (после Австралии и Казахстана).
Во времена Средневековья живописцев и стекольщиков мало волновал вопрос, что именно содержится в их красках - ведь про уран еще ничего не знали. Первый шаг в открытии и изучении урана был сделан в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом. Он сумел получить из смоляной руды черное металлоподобное вещество и окрестил его ураном в честь не так давно открытой планеты. Позже оказалось, что это был не сам уран, а его окисел. Металлический уран впервые был получен в лаборатории французского химика Юджина Пелиго лишь через 50 лет после открытия Клапрота. И это было не металлоподобное вещество, а тяжелый металл серо-стального цвета, ковкий и гибкий.
Следующий этап изучения урана приходится на конец XIX века, и он связан с именем французского физика Анри Беккереля. Он долгое время занимался изучением различных флюоресцирующих веществ, которые под влиянием солнечного освещения начинают излучать свой собственный, характерный для каждого такого вещества свет. Казалось бы, при чем здесь уран? Тут необходимо сделать небольшое отступление. Дело в том, что в 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открыл таинственные Х-лучи. Они возникали в вакуумированной запаянной стеклянной трубке с электродами на концах, когда на эти электроды подавалось высокое напряжение. Эти лучи, известные сейчас как рентгеновские, проникали сквозь большинство материалов и засвечивали фотографические пластинки, завернутые в светонепроницаемую черную бумагу. В то время ученые, конечно, еще не знали, что электроны вырываются из отрицательного электрода (катода), разгоняются электрическим полем, бомбардируют анод и в результате этого из анода могут испускаться рентгеновские лучи. Однако несмотря на непонимание внутреннего механизма явления, сразу было замечено, что возникновение невидимых Х-лучей сопровождалось желтовато-зеленым свечением стекла, которое напоминало свет флюоресцирующих веществ. Было даже высказано предположение, что рентгеновские лучи как раз и есть продукт флюоресценции, то есть они существуют всегда, когда есть флюоресценция. Сейчас, в свете наших знаний о строении атома и природе рентгеновских лучей, эта мысль кажется нелепой, но в то время, когда природа этих лучей была неизвестна, такое предположение казалось вполне естественным.
Итак, Анри Беккерель решил проверить, сможет ли испускать рентгеновские лучи люминесцентный материал, «заряженный» не катодным излучением, а обычным солнечным светом. Беккерель взял фотографическую пластинку, завернул в черную бумагу и положил сверху небольшое количество люминесцентного материала. Можно, конечно, сказать, что Беккерелю повезло. К великому счастью для потомков (а может быть, и к несчастью), из всех возможных светящихся соединений Беккерель выбрал одну из солей урана - сульфат уранила калия. Физик вынес свою конструкцию на солнечный свет и продержал несколько часов.
Вернувшись в лабораторию, Беккерель развернул бумагу и с удовлетворением отметил, что фотопластинка оказалась засвеченной. Предполагаемое присутствие рентгеновских лучей было налицо. Решив провести всесторонние исследования, Беккерель подготовил несколько одинаковых фотопластинок, завернутых в черную бумагу. Только теперь он взял для каждой пластинки разные люминесцентные препараты. Однако среди них был и всё тот же сульфат уранила калия. Сложив все подготовленные материалы в темную тумбочку, Беккерель стал выносить пластинки по очереди на улицу. К великой досаде, как бы хорошо ни светились под воздействием солнечного света препараты, на фотопластинках не появлялось ни малейших следов рентгеновского излучения. Поразмыслив немного, физик вернулся в лабораторию, достал из темной тумбочки дожидающуюся своего часа пластинку с солью урана и проявил ее, не вынося на свет. Пластинка оказалась засвеченной. Беккерель начал экспериментировать с различными соединениями урана и совершенно точно установил, что сила излучения препарата напрямую зависит от количества содержащегося в нем урана (чистый уран излучал в четыре раза сильнее, чем его соль) и что интенсивность излучения урана не падает со временем. Так Беккерель, во-первых, доказал, что рентгеновское излучение никак не связано с люминесценцией, а во-вторых - открыл новый тип излучения, которому дали неоригинальное название лучей Беккереля. Несколькими годами позже излучение получило новое название - «радиоактивность», придуманное француженкой польского происхождения Марией Склодовской-Кюри.

Уран - самый тяжелый элемент, найденный в природе. Чистый металл очень плотный, пластичный, с малой электропроводностью и высокой реакционной способностью. Уран имеет три аллотропные модификации: α-уран (орторомбическая кристаллическая решетка) существует в интервале от комнатной температуры до 668°С; β-уран (сложная кристаллическая решетка тетрагонального типа), устойчивый в интервале 668–774°С; γ-уран (объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка), устойчивый от 774° С вплоть до температуры плавления (1132°С). Поскольку все изотопы урана нестабильны, все его соединения проявляют радиоактивность.

Мария Кюри весьма заинтересовалась новым излучением и попыталась установить, существуют ли другие, кроме урана, элементы, проявляющие свойства радиоактивности. Излучение было подтверждено у тория и у урановой смоляной обманки. Причем излучение обманки было в четыре раза сильнее, чем у чистого урана. Совершенно верно заключив, что обманка содержит новый, еще не известный радиоактивный элемент, Мария и ее муж Пьер приступили к работе, результатом которой стало открытие полония и радия.

Радий - продукт распада урана - представлял для физиков гораздо больший интерес, чем его прародитель. Хотя радиоактивность солей урана была известна, его руды в первой трети ХХ столетия использовались лишь для получения сопутствующего радия, а сам уран считался нежелательным побочным продуктом. Ему нашли применение в основном в технологии керамики и в металлургии, а оксиды урана широко применяли для окраски стекла в цвета от бледно-желтого до темно-зеленого, что способствовало развитию недорогих стекольных производств (изделия этих производств флуоресцируют под ультрафиолетовыми лучами). В настоящее время урановое стекло практически не выпускается и представляет собой антикварную и коллекционную ценность. Во время Первой мировой войны и вскоре после нее уран в виде карбида применяли в производстве инструментальных сталей, аналогично молибдену и вольфраму; 4–8% урана заменяли дорогой вольфрам, производство которого в то время было ограничено. Для получения инструментальных сталей в 1914–1926 годах ежегодно производили по нескольку тонн ферроурана (сплав урана с железом), содержащего до 30% (масс.) урана. Однако такое применение урана продолжалось недолго.

В начале 30-х годов прошлого века физики проводили опыты по бомбардировке различных химических элементов нейтронами. Было обнаружено, что при бомбардировке урана образуются неизвестные радиоактивные вещества. Сразу же возникло предположение, что вещества эти - трансурановые элементы. Но было и другое мнение. Так, немецкий радиохимик Ида Ноддак считал возможным деление ядер урана под действием нейтронов на несколько осколков - изотопов уже известных элементов. Однако в расщепление ядра физики не особо верили - теория трансуранов казалась более убедительной. Но вот в 1939 году появляется статья физиков Лизе Майтнер и Отто Фишера, в которой убедительно доказывался распад уранового ядра на две части под воздействием нейтронов, и впервые появилось выражение «деление ядра». В том же году выводы ученых были подтверждены французским физиком Фредериком Жолио-Кюри. Он изготовил «мишень» из тонкого слоя урана, нанесенного на фольгу, и поместил ее в камеру с газом. Когда к мишени подносили источник нейтронов, газ ионизировался осколками урановых ядер. Подсчитав по степени ионизации энергию осколков, француз был поражен - при делении одного атома урана высвобождалась неимоверно большая энергия, эквивалентная той, что выделяется при окислении нескольких миллионов атомов углерода. В том же году подтвердилось исключительно важное предположение о том, что при делении атома урана выделяются дополнительные нейтроны, которые тоже могут расщеплять атомы. Это означало, что ядерная реакция может поддерживаться сама собой.
В 1939 году, когда было осуществлено деление изотопа урана 235U, начала складываться урановая промышленность. Это привело к технической реализации контролируемой цепной реакции деления урана в декабре 1942 года. Так началась эра атома, когда уран из незначительного химического элемента превратился в один из наиболее важных элементов в жизни общества. Военное значение урана для производства атомной бомбы, а также использование его в качестве топлива для ядерных реакторов привели к бурному росту спроса на уран.

Интересна хронология роста потребности в уране по истории отложений в Большом Медвежьем озере (Канада). В 1930 году в этом озере была обнаружена смоляная обманка - смесь оксидов урана, а в 1932-м на этом участке была налажена технология очистки радия. Из каждой тонны руды (смоляной обманки) получали 1 г радия и около половины тонны побочного продукта - уранового концентрата. Однако радия было мало, и его добыча была прекращена. С 1940 по 1942 год разработку возобновили и начали отправку урановой руды в США. В 1949-м аналогичная очистка урана с некоторыми усовершенствованиями была применена для производства чистого UO2. Это производство росло, и в настоящее время оно является одним из наиболее крупных производств урана.

В мире стремительно наступала эра атомных бомб и атомной энергетики. Контролируемая цепная ядерная реакция приводит к постепенному выделению энергии, что используется для производства электроэнергии на атомных электростанциях. Неконтролируемая цепная ядерная реакция приводит к лавинообразному делению ядер и моментальному высвобождению огромного количества энергии - ядерному взрыву. Принцип в обоих случаях один: расщепляясь, ядро урана испускает нейтроны, которые расщепляют соседние ядра, которые тоже испускают нейтроны. Процесс, в принципе, может идти, пока не израсходуется весь материал. Главная проблема заключается в том, что самоподдерживающаяся ядерная реакция может происходить не в любом уране. Природный уран содержит три изотопа - U234, U235 и U238. Основную массу естественного урана составляет U238, а цепную реакцию деления ядер может поддерживать только изотоп U235, которого в природном уране всего 0,7%. Поэтому необходимо обогатить природный уран, то есть повысить в нем процентное содержание нужного изотопа (U235). Топливный уран содержит около 4% U235, а степень обогащения оружейного урана колеблется от 80 до 90%. Причем чем выше концентрация изотопа, тем выше оружейные свойства материала.
После извлечения из урана изотопа U235 остается так называемый обедненный уран (содержание изотопа U234 в природном уране составляет всего несколько тысячных долей процента, и практического применения этот изотоп не находит). Так как основное назначение урана - производство энергии, обедненный уран с содержанием U235 меньше 0,7% практически бесполезен. Однако в мире накоплено огромное количество обедненного урана, масса которого исчисляется сотнями тысяч тонн. Одна из глобальных проблем современности - найти обедненному урану достойное применение. Сейчас он идет на замену других металлов высокой плотности. Используют его чаще всего в качестве балласта в приборах и аэрокосмических аппаратах.
Применяют обедненный уран и в военных целях, но уже не как боевой заряд для бомб и ракет, а в качестве сердечников для подкалиберных бронебойных снарядов. Известно, что порошкообразный уран может самопроизвольно воспламениться в воздухе при нагреве до 150° C. Когда урановый сердечник пронизывает броню танка, он попадает в заброневое пространство боевой машины, на выходе из брони разрушается, превращается в пыль и загорается, превращая танк в настоящий крематорий на гусеницах. Уранокерамика, содержащая U238, входит в состав многослойной брони в некоторых модификациях американского танка «Абрамс».
Изотоп U238 не может непосредственно использоваться как ядерное топливо, так как слишком велика энергия нейтронов, необходимая для его расщепления, но в реакторах на быстрых нейтронах он используется в качестве экранов, отражающих нейтроны, вылетающие из активной зоны, и возвращающих их обратно. При этом атомы U238 захватывают часть нейтронов, превращаясь в U239. Уран-239 весьма нестабилен и превращается в Нептуний-239, первый трансурановый элемент, который так упорно искали в конце XIX века. И уже Нептуний-239, тоже нестабильный элемент, превращается в Плутоний-239, оксиды которого в смеси с оксидами урана могут быть использованы в качестве топлива в легководных реакторах или в реакторах на быстрых нейтронах (МОКС-топливо).

Текст: Редкие земли

Когда то по статьям журналов "Популярная механика" собрал в Блоге Майла тему о ядерном оружии,так что бы без особых заморок было понятно и обывателю. Только Майл Блоги упразднил и работа пропала.

Попробую повторить в "Космосе". Может когда кому сгодитсядля воспитания кого нибудь.
Помнится ещё в школе нас учили,что взорвать атомную бомбу проще простого - надо взять два куска Урана 235 в пол критической массы в форме полушара и соединить их в шар.Логичнее бы было ввести понятие "критический объём" -если считать,что освободившийсявследствие естественного распада ядра нейтрон должен столкнуться с другим ядром с вероятностью более 50 % и не покинуть шар в свободный полёт - объём как то понятнее.Ну ладно -принято и принято. Однако свести два куска воедино -довольно сложная задача.Дело в том, что излучая нейтроны естественным распадом, эти куски уже с расстояния в 1 метр начинают довольно бурно взаимодействовать и при дальнейшем сближении просто рассыпятся от внутренних микровзрывов и как кто то сказал -"даже не успеют обжечь руки".Однако подобная бомба была и взорвалась она над Хиросимой. Только устроена была похитрее.
На практике физикам пришлось работать с реальными материалами. Уран 235 содержит примеси и получение чистоты свыше 90 % сильно удорожает и усложняет производство.Кроме того в процессе реакции сразу начинают накапливаться продукты распада,которые сами начинают активно поглощать нейтроны. Поэтому для подрыва лучше иметь поболее критических масс. И надо свести их вместе с очень большой скоростью - а как? А стрельнуть из пушки одним куском в другой. Такая схема получила название "пушечной сборки".

ПУШЕЧНАЯ БОМБА

Бомба состояла из урановой пули,урановой мишени и зенитного ствола. Для того чтобы завысить значение критической массы - урановая мишень была собрана из нескольких "бубликов с дыркой " - нейтроны могли улетучиваться как снаружи, так и в "дырку".Что позволяло набрать массу сверх критической. Каждый диск имел диаметр 16 см,глубину 16 см и отверстие 10 см. Мишень имела оболочку из стали с внутренним покрытием карбидом вольфрама. Пуля состояла из 6-ти урановых шайб (уран вступает в реакцию с кислородом и при обработке может воспламениться,выделяя убийственный газ) тоже покрытых карбидом вольфрама и нержавейкой. Частичная задача оболочек - отразить хотя бы часть улетающих нейтронов. Ствол взяли от обычной зенитки 76,2 мм калибром, расточили до 100 мм и обрезали до 1,8 м. Урановая пуля была на доли миллиметра потолще отверстия ствола,что бы пуля не пошла на мишень случайным образом, а только по "вздутию" ствола после срабатывания основного заряда. "Капсуль"- пироксилин ставили уже при заходе на цель.Вес уранового топлива составил 64 кг, длина всей сборки составила немного более 2 метров(запомните длину сборки -она будет упомянута в дальнейшем).Эта бомба имела единственное достоинство - она не могла не взорваться.Её даже не "катали".Главный недостаток - даже при скорости "пули" в 300 м/сек успевало отработать менее 1-го % урана, то есть примерно полкило. Остальное испарилось или распылилось и японцы долгие годы тряслись над каждой выпавшей волосёнкой.Тем не менее предполагаемый эквивалент последствий -13 тысячь тонн тротила.

ИМПЛОЗИЯ

Идею "сжать" объём приписывают британскому физику Клаусу Фуксу, хотя видимо эта идея витала давно,была проблема с реализацией. Очень уж быстро бомба появилась в СССР,после получения одного из секретов. Видимо база была уже подготовлена. Если нет таких материалов в природе, которые способны удержать реагент при таких температурах,появилась идея сжимать объём направленным взрывом. При этом ядерный заряд из немного докритического при сжатии станет сверхкритическим. Для этого надо сформировать сферическую ударную волну, направленную внутрь.Вот тут появляется Плутоний 239. При распаде Плутония образуется несколько больше нейтронов - там где Уран даёт 2 ,Плутоний даёт 3 - грубо говоря. В результате критический объём для Плутония значительно уменьшается до 8 см по диаметру против 16-ти для Урана (если правильно помню).Если для Плутония понадобилось 2 тонны взрывчатки -сколько бы понадобилось шарику Урана! Ещё и вероятность искажения взрывной волны вследствие технических погрешностей намного возрастает.

ПЛУТОНИЕВЫЙ МЯЧ

Для сжатия шара надо было собрать взрывчатку в виде шара.Так появилось устройство чем товнешне напоминающее футбольный мяч

20 шестигранных и 12 пятигранных блоков взрывчатки.сходящихся на конус собирались в шар.Эти блоки назвали "взрывчатыми линзами" и в них крылся главный секрет - каждый блок состоял из двух типов взрывчатки -внешней быстрой и внутренней -медленной. Именно форма конуса этой медленной взрывчатки представляла главную трудность. Американцам пришлосьпроизвести более 1 700 взрывов что бы добиться нужной формы конуса.Результирующая ударная волна должна сформироваться в шар всеми 32-умя линзами с огромной точностью.

Вес взрывчатки достиг 2,5 тонн.

Под взрывчаткой находился слой алюминия 11,5 см и весом 120 кг. Назначения алюминия -уменьшить долю отражнной части ударной волны, возникающей вследствие большой разницы плотностей взрывчатки и слоя Урана 238 расположенного ниже.Под слоем алюминия находился слой Урана 238 - 7 см и весом 120 кг. Назначение его - отражатель нейтронов. U-238 поглощает низкоэнергичные нейтроны, но "неохотно" - вроде того что своего "добра" хватает.И наконец внутри всех этих одёжек располагается шарик Плутония 239. Плутоний оказался хитрым веществом - во первых в природе он не имеется.Его получают облучением Урана в ядерном реакторе нейтронами,замедленными "тяжёлой водой". Стоимость Плутония в 6 раз выше чем Урана. Во вторых - Плутоний при остывании в отливке проходит4 фазовых перехода. При последнем при 122 градусах Цельсия просто раскрошивается.Пришлось его легировать Галлием.Получился шарик из двух половинок диаметром 9 см и 6,5кг весом.Теперь надо подорвать все 32 линзы с одновременностью не превышающей миллиардных долей секунды.Были разработаны новые взрыватели - проволочки, взрывающиеся под мощным электрическим ипульсом. К ним понадобились высоковольтные конденсаторы,разрядники,аккумуляторы - ещё 200 кг,но это уже сущая ерунда по сравнению с весом взрывчатки. Но...Но и это ещё не всё - дело в том, что скорость нейтронов конечна -пока они долетят до другого ядра, да ещё попадут ли не попадут. У нейтронов,находящихся ближе к поверхности - вероятность бездарно покинуть шарик сильно возрастает. Отреагировать успеет только небольшая часть материала до того как он разлетиться. Получается "пшик"-тепловой хлопок. Нужен дополнительный источник нейтронов в нужный момент.Такой нашёлся-изотоп Полония -210 в контакте с берилием при сжатии создавал дополнительный всплеск нейтронов.Но время жизни Полония не велико -за 138 суток он теряет свою активность вдвое и уже не пригоден. Поэтому в первых бомбах в корпусе был предусмотрен отвинчивающийся люк через который вынималась одна из взрывчатых линз.В шарике плутония имелось отверстие диаметром 2 см. В него и вставлялся цилиндрик из Полония +берилий.Вот теперь уже получился взрыв эквивалентом в 20 килотонн тротила.Первое такое устройство было взорвано в Нью-Мексико 16-го июля 1945-го.

И тут есть одна странность

через 21 день была сброшена бомба пушечной сборки на Хиросиму, а ещё через три дня третья,опять плутониевая бомба на Нагасаки. Зачем надо было кидать неэкономичную урановую бомбу? 64 кг недешёвого Урана просто распылить? Не лучше ли было пустить его на Плутоний? Даром что ли достался?Если обратить внимание на длину пушечной сборки - немногим более 2 метра и посмотретьна данные ФАУ-2 - к удивлению можно увидеть,что длина боевой части ФАУ-2 = 2м 10 см.Для каких то неясных целей немцы производили в Норвегии тяжёлую воду. Норвежские партизаны по чьему то приказу потопили баржу с этой водой и своими гражданами.Союзники поспешно высаживались в Нормандии и чудом не попали под танки.Немцы с тупой настойчивостью долбили недешёвыми ракетами Лондон, а англичане с тем же упорством бомбили пусковые установки. Странно всё это. Возникает подозрение, что Лондону немного оставалось что бы не стать первым атомным полигоном. Не хватило Урана.Американцы перехватили,добавили своего и посмотрели что бы было на Хиросиме.Возможно эта бессмысленая бобардировка и подвинула Клауса Фукса передать Союзу секрет формы взрывчатых линз -пишут, что денег он не просил и какими то коммунистическими идеями не болел. Гипотеза всего лишь.

ПРОДОЛЖИМ

Делались попытки увеличить мощность взрыва. Даже складывать плутониевый сердечник как дольки апельсина взрывом. Предел в 100 килотонн оказался непреодолим.Вместо изотопного источника нейтронов -были созданы такие "нейтронные трубки"-значительноболее мощный источник нейтронов.

Работает это устройство таким образом - между катодом (керамика насыщенная тритием) и анодным узлом подаётся импульс в 100 киловольт.В анодном узле (керамика с дейтерием)образуются ионы дейтерия, которые разгоняются электрическим полем. Попадая в катод,протон как бы отрывается и увязает. Нейтрон пролетает дальше.Кроме этого упростилась схема подрыва- расчитанные по геометрии Римана канавки с высоко стабильным горючим веществом взрывают все 32 взрывчатых линзы от меньшего количества взрывателей.И как указывается - такая схема стала канонической и особых изменений уже не имела.

По части устрашающего действия атомной бомбы - помнится читанная когда то фраза при работе в кораблестроительном бюро -" при взрыве атомной бомбы в 100 килотонн (правда не указывалось надводный или подводный взрыв) на расстоянии 1,8 мили (миля -1852 метра)корабль должен сохранять живучесть и боеспособность на 70 %".Обычный обыватель наверное считает,что одна бомба снесёт такой город как Питер.Когда то и я так считал.

Поскольку 100 килотонн оказались пределом,физикам пришлось сосредоточится на реакции термоядерного синтеза. Критической массы водородное топливо не имеет - Солнце пережигаетводород в гелий и не взрывается. Наращивай мощность взрыва неограниченно. Надо только ядра атомов водорода так разогнать - что бы столкнуть в лоб, преодолев силы отталкивания одноимённых зарядов. Логика подсказывает,что надо разогреть, используя уже имеющуюся атомную бомбу.Уже к концу 1945-го года Эдвард Теллер предложил конструкцию,названную "классический супер"- труба,заполненная дейтерием,с одного конца которой располагалась атомная бомба.Предполагалась промежуточная камера, заполненная смесью дейтерия и трития - у смеси синтез начинается при меньших давлениях, чем у одного дейтерия.По аналогии -атомная бомба играла роль спички, смесь дейтерия с тритием- стакана бензина, дейтерий -дрова -вот и костёр. Однако понадобилось бы столько трития сколько его не было.Следующей Тейлором была предложена конструкция из чередующихся слоёв урана,дейтерия итрития с плутониевым инциатором в середине.

К похожей схеме в 1948-ом году пришёл Андрей Сахаров.Его конструкция получила название"Слойка". Однако вместо проблемного трития с дейтерием Сахаров предложил использоватьдейтрид лития -кристаллический белый нерадиактивный порошок. Оказалось под воздействиемнейтронов первичного ядерного взрыва -дейтрид лития вырабатывает тритий. И за короткоевремя успевает наработать достаточное количество для синтеза. Кроме того оказалось,чтоУран- 238 , который является отходами, может прекрасно делиться под воздействием нейтронов от реакции синтеза,которые в 10 раз энергичнее.Заряд дополнился оболочкойиз Урана -238.

При взрыве атомного запала - медленные нейтроны нарабатывают в дейтрите лития- тритий.Дейтерий в нём имеется и так.Такая бомба была взорвана на башне Семипалатинского полигона 12 августа 1953 года.Мощность составила 400 килотонн. Правда предполагается что доля синтеза составила 20% . Основную долю дал Уран- 238 от нейтронов синтеза. Зато радиоактивной грязи получилось больше чем за всю последующую историю испытаний.

"МАЙК" -американский гиппопо

Тем не менее настоящий прорыв совершили американцы в году предыдущем -1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было взорвано 74-тонное устройство размером с двухэтажный дом и развившее мощность в 10 мегатонн.Попытки разогреть водородное топливо ядерным взрывом приводят к тому,что большая часть "термояда" не успевает отреагировать и разбрасывается в окружающее пространство.По аналогии с атомной бомбой напрашивается встречный взрыв для сдерживания термоядерного реагента хотя бы на мгновение. Для этого способ есть -Уран 238 , делящийся на быстрыхнейтронах синтеза.Были собраны ведущие физики, в том числе по плазме и сверхвысоким давлениям.Математики.Гениальная идея состояла в том что бы использовать не сам взрыв первичного атомного заряда, а мощный поток рентгеновского излучения, возникающий в нём на начальном этапе, пока сам иницирующий заряд ещё не разрушен. Оказывается есть такой всплеск.Результатом колоссального изыска явилась такая конструкция

в верхней части находится иницирующая атомная бомба, ниже -термоядерный блок.При срабатывании атомного заряда рентгеновское излучение опережает ударную волну.Распостраняясь вдоль стенок цилиндрического корпуса,покрытого полиэтиленом -превращает полиэтилен в плазму. Плазма переизлучает более мягкое рентгеновское излучение,лучше поглощаемое колбой из урана 238 . Колба начинает взрывообразно испаряться,сжимая то что находится внутри.А внутри находится дейтерий при температуре близкой к нулю по Кельвину(-273 по Цельсию) с плутониевой трубкой по центру. Плутониевая трубка сжимается до сверх критического состояния и взрывается. Начинается синтез в дейтерии. И наконец энергичные нейтроны синтеза взрывают схлопывающуюся урановую колбу.Весь процесс должен поспеть до прихода ударной волны от первичного атомного заряда.Успех был потрясающим,огорчали размеры установки с криогенным оборудованием.Сахаровская слойка была вполне лётным предметом.Обоюдные секреты долго секретится не смогли. Дейтерий заменился дейтридом лития, добавился экран из Урана 238 и конструкция приняла вид вполне завершённый для обеих держав.Такая термоядерная бомба называется трёхфазной.

Если заменить урановую колбу неделящимся материалом - энергичные нейтроны синтеза разбегаются на большие расстояния и обладают высокой проникающей способностью. Такие бомбы называют двухфазными- варварские нейтронные бомбы,наделавшие когда то много шума -вроде того что уничтожают население,а нажитое добро остаётся. Что останется не ясно. А вот против летящих боеголовок такие предпологалось использовать - взрывать их на траектории полёта баллистических ракет,нейтронами портя ядерное горючее внутри боеголовки.

Какая должна бы появится мысль- учитывая все сложности,точности,наносекунды, то что боезапасы излучают и портятся с временем -нужен постоянный контроль и обслуживание.Наша экономика приняла несколько не тот вид - не любит раскошеливаться на вещи затратныеи не "ходовые" .Американцы то же не торопятся даже с космическими кораблями.То же не любят излишне тратиться.Не являются ли эти ядерные щиты "пугалом" полуистлевшим от времени?

ТАКТИЧЕСКОЕ ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ коротко

В Питере во дворе Музея Артиллерии что рядом с Петропавловской крепостью можно видетьтакую "дуру"

наряду с разработкой стратегического оружия - поражать врага в его логове - велись работы по созданию тактического оружия, применимого в условиях наличия линии фронта. Для этого требовалось уменьшать количество ядерного вещества значительно ниже критической массы. Из говорильни выше следует что нужны дополнительные источники нейтронов -вроде изотопного полония с берилием - натыкать ими шашку плутония.Удалось снизить эквивалент до 2 , 0.8 и даже 0.01 килотонн тротила.Установки выполнялись как в виде самоходных тяжеловесов.так и даже в виде полевых миномётов

однако судя по системамм контроля и биологической защиты срок "жизни" боеприпасов был невелик - всего несколько месяцев.

БРОНЕБОЙНЫЙ УРАН

В своё время много газетного шума наделало применение в бронебойных снарядах сердечникаиз обеднённого урана. Страх перед всем радиоактивным.Причина применения обеднённого урана - он близок по плотности к главному бронебойному претенденту - вольфраму. Однако вольфрам дорог, а обеднённый уран - дармовой отхо датомного производства (для страны его имеющего).Кроме того при обычных скоростях артснарядов -вольфрам "подплющивается" о броню, уран скалывается чешуйками самозатачиваясь.

При задании большей начальной скорости вольфрам начинает скалываться так же как сердечник из урана. Но ядовитость и горючесть урана при проникновении внутрь бронемашины из недостатка становиться достоинством - от нагрева возгорается и выделяет смертельно отравные газы,добивая не добитых.

ИНФОРМАЦИЯ "вылущена" из нескольких статей журналов "Популярная механика" как возможно проще.

Цель: сформировать у учащихся представление о делении ядер урана.

• проверить ранее изученный материал;
• рассмотреть механизм деления ядра урана;
• рассмотреть условие возникновения цепной реакции;
• выяснить факторы, влияющие на протекание цепной реакции;
• развивать речь и мышление учащихся;
• развивать умение анализировать, контролировать и корректировать собственную деятельность в рамках заданного времени.

Оборудование: компьютер, проекционная система, дидактический материал (тест “Состав ядра”), диски “Интерактивный курс. Физика 7-11кл” (Физикон) и “1С-репититор. Физика” (1С).

Ход занятия

I. Организационный момент (2’).

Приветствие, объявление плана занятия.

II. Повторение ранее изученного материала (8’).

Самостоятельная работа учащихся – выполнение теста (приложение 1 ). В тесте необходимо указать один верный ответ.

III. Изучение нового материала (25’). По ходу урока составляем конспект (приложение 2 ).

Мы с вами недавно узнали, что некоторых химические элементы при радиоактивном распаде превращаются в другие химические элементы. А как вы думаете, что будет, если в ядро атома некоторого химического элемента направить какую-нибудь частицу, ну, например, нейтрон в ядро урана? (выслушиваю предположения учащихся)

А давайте проверим ваши предположения (работа с интерактивной моделью “Деление ядра” “Интерактивный курс. Физика 7-11кл”).

Что в результате получилось?

– При попадании нейтрона в ядро урана, мы видим, что в результате образуется 2 осколка и 2-3 нейтрона.

Тот же эффект был получен в 1939г немецкими учеными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Они обнаружили, что в результате взаимодействия нейтронов с ядрами урана появляются радиоактивные ядра-осколки, массы и заряды которых примерно вдвое меньше соответствующих характеристик ядер урана. Происходящее подобным образом деление ядер называют вынужденным делением, в отличие от спонтанного, которое происходит при естественных радиоактивных превращениях.

Ядро приходит в состояние возбуждения и начинает деформироваться. Почему ядро разрывается на 2 части? Под действием каких сил происходит разрыв?

Какие силы действуют внутри ядра?

– Электростатические и ядерные.

Хорошо, а как проявляются электростатические силы?

– Электростатические силы действуют между заряженными частицами. В ядре заряженной частицей является протон. Так как протон заряжен положительно значит, между ними действуют силы отталкивания.

Верно, а как проявляются ядерные силы?

– Ядерные силы – силы притяжения между всеми нуклонами.

Так, под действием каких сил происходит разрыв ядра?

– (Если возникнут затруднения, задаю наводящие вопросы и подвожу учащихся к правильному выводу) Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны и излучают при этом 2-3 нейтрона.

Осколки разлетаются с очень большой скоростью. Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки попадают в окружающую среду. Как вы думаете, что происходит с ними?

– Осколки тормозятся в окружающей среде.

Чтобы не нарушать закон сохранения энергии, мы должны сказать, что произойдет с кинетической энергией?

– Кинетическая энергия осколков преобразуется во внутреннюю энергию среды.

Можно ли заметить, что внутренняя энергия среды изменилась?

– Да, среда нагревается.

А будет ли влиять на изменение внутренней энергии тот фактор, что в делении будет участвовать разное количество ядер урана?

– Конечно, при одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды возрастает.

Из курса химии, вы знаете, что реакции могут происходит как с поглощением энергии, так и выделением. Что мы скажем о протекании реакции деления ядер урана?

– Реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.

Энергия, заключенная в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5т нефти. Выяснили, что произойдет с осколками, а как поведут себя нейтроны?

– (выслушиваю предположения учащихся, проверяем предположения, работая с интерактивной моделью “Цепная реакция” “1С-репититор. Физика”).

Верно, нейтроны на своем пути могут встретить ядра урана и вызвать деление. Такая реакция называется цепной.

Итак, каково условие возникновения цепной реакции?

– Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2-3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.

Мы видим, что общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. К чему это может привести?

– К взрыву.

– Возрастает число делений ядер и, соответственно энергия, выделяющаяся в единицу времени.

Но ведь, возможен и другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем, не встретил нейтрон на своем пути ядро. В этом случае что произойдет с цепной реакцией?

– Прекратится.

Можно ли использовать в мирных целях энергию подобных реакций?

А как должна протекать реакция?

– Реакция должна протекать так, чтобы число нейтронов со временем оставалось постоянным.

Как же добиться того, чтобы число нейтронов все время оставалось постоянным?

– (предложения ребят)

Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободны нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.

Одним из таких факторов является масса урана . Дело в том, что не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает деление других ядер. Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим .

Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной?

– Чем больше масса куска, тем больше вероятность встречи нейтронов с ядрами. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.

При некоторой так называемой критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).

Поэтому их общее число остается неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой.

Как будет протекать реакция если масса урана больше критической?

– В результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву.

А если меньше критической?

– Реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки . Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.

Помимо массы и наличия отражающей оболочки существует еще несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.

Еще одними фактором, влияющим на ход реакции, является наличие в уране так называемого замедлителя нейтронов . Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер, в качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, пода, тяжелая вода и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Итак, какие основные факторы способны влиять на протекание цепной реакции?

– Возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нем, наличием оболочки и замедлителя.

Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50кг. При этом его радиус составляет всего 9см, поскольку уран имеет очень большую плотность.

Применяя замедлитель и отражающую оболочку, и уменьшая количество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг.

Атомная энергия для военных целей Смит Генри Деволф

ПРОБЛЕМА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

ПРОБЛЕМА ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

2.3. Принцип действия атомных бомб или силовой установки, использующей деление урана, достаточно прост. Если один нейтрон вызывает деление, которое приводит к освобождению нескольких новых нейтронов, то число делений может чрезвычайно быстро возрасти с выделением огромных количеств энергии (рис. 3). Возможность такого нарастания определяется относительной вероятностью ряда процессов. Нейтроны, освобождаемые в процессе деления, могут вылететь из области пространства, занятой ураном, могут быть захвачены ураном в процессе, приводящем к делению, или же могут быть захвачены посторонними примесями. Таким образом, вопрос о том, будет или не будет развиваться цепная реакция, зависит от результата соревнования между четырьмя процессами:

(1) Вылет нейтронов из урана,(2) захват нейтронов ураном без деления,(3) захват нейтронов примесями.(4) захват нейтронов ураном с делением.

Если потеря нейтронов в первых трех процессах меньше количества нейтронов, освобождаемых в четвертом, то цепная реакция происходит; в противном случае она невозможна. Очевидно, какой-либо из первых трех процессов может иметь такую большую вероятность в данном расположении, что избыток нейтронов, освобождаемых при делении, не в состоянии обеспечить продолжение реакции. Например, в том случае, когда процесс (2) - захват ураном без деления - имеет намного большую вероятность, чем захват с делением, цепная реакция невозможна.

2.4. Дополнительная трудность заключается в том, что естественный уран состоит из трех изотопов: U-234, U-235 и U-238, содержащихся в количествах, приблизительно 0,006, 0,7 и 99,3 % соответственно. Мы уже видели, что вероятности процессов (2) и (4) различны для разных изотопов. Мы видели также, что эти вероятности различны для нейтронов, обладающих различными энергиями.

Рис. 3. Схема цепной реакции деления без учета влияния скоростей нейтронов. В взрывной реакции число нейтронов неограниченно возрастает. В управляемой реакции число нейтронов увеличивается до определенного уровня и затем остается постоянным.

Рис. 4. Схема цепной реакции деления с применением замедлителя для замедления нейтронов до скоростей, при которых они в состоянии вызывать деления.

2.5. Рассмотрим теперь ограничения, налагаемые первыми тремя процессами, и средства, при помощи которых можно уменьшить их влияние.

ВЫЛЕТ НЕЙТРОНОВ ИЗ УРАНА; КРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ

2.6. Относительное количество нейтронов, которые вылетают из урана, может быть уменьшено изменением размеров и формы. В сфере поверхностные эффекты пропорциональны квадрату, а объемные - кубу радиуса. Вылет нейтронов из урана является поверхностным эффектом, зависящим от величины поверхности; захват с делением происходит во всем объеме, занимаемом материалом, и поэтому является объемным эффектом. Чем больше количество урана, тем меньше, поэтому, вероятность того, что вылет нейтронов из объема урана будет преобладать над захватами с делением и препятствовать цепной реакции. Потеря нейтронов на захваты без деления является объемным эффектом, подобно освобождению нейтронов при захвате с делением, так что увеличение размеров не изменяет их относительной важности.

2.7. Критические размеры устройства, содержащего уран, можно определить как размеры, при которых количество освобождаемых при делении нейтронов в точности равно их потере вследствие вылета и захватов, не сопровождающихся делением. Другими словами, если размеры меньше критических, то, по определению, цепная реакция не может развиться. Принципиально уже в 1940 г. можно было определить критические размеры, однако неточность в определении необходимых для расчета постоянных была практически столь велика, что разные их оценки отличались друг от друга в очень широких пределах. Не была исключена возможность, что критические размеры могли оказаться слишком большими для практических целей. Даже сейчас оценки для проектируемых установок время от времени изменяются в некоторых пределах по мере получения новых данных.

ПРИМЕНЕНИЕ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ

2.8. В главе I мы указали, что тепловые нейтроны обладают наибольшей вероятностью производить деление U-235 и что нейтроны, испускаемые в процессе деления, имеют большие скорости.

Разумеется, было бы слишком большим упрощением сказать, что цепная реакция может продолжаться тогда, когда при делении освобождается большее число нейтронов, чем поглощается. В самом деле, вероятности захвата с делением и захвата без деления зависят от скоростей нейтронов. К сожалению, скорость, при которой захват без деления наиболее вероятен, находится между скоростью нейтронов, испускаемых в процессе деления, и скоростью, при которой захват с делением наиболее вероятен.

2.9. В течение нескольких лет до открытия деления общепринятый способ замедления нейтронов состоял в том, что их заставляли пройти через вещество с малым атомным весом, например какой-нибудь из материалов, содержащих водород. Процесс замедления представляет собой процесс упругого соударения частицы, имеющей большую скорость, и частицы, практически находящейся в состоянии покоя. Чем ближе масса нейтрона к массе ударяемой частицы, тем большую долю своей кинетической энергии теряет нейтрон. Поэтому легкие элементы наиболее эффективны в качестве «замедлителей», т. е. веществ, уменьшающих скорость нейтронов.

2.10. Многие физики считали, что можно было бы смешать уран с замедлителем для того, чтобы быстрые нейтроны за время между их освобождением при делении урана и встречей с ядрами урана могли уменьшить свою скорость до значения меньшего, чем скорость, при которой очень велика вероятность захвата без деления. Хороший замедлитель должен обладать малым атомным весом и не иметь тенденции поглощать нейтроны. Литий и бор не удовлетворяют второму требованию. Гелий трудно применить, потому что он является газом и потому что он не образует никаких соединений. Для выбора замедлителя, поэтому, остаются водород, дейтерий, бериллий и углерод. Даже теперь ни одно из этих веществ не может быть исключено. Предложение об использовании графита в качестве замедлителя исходило от Э. Ферми и Л. Сциларда.

ПРИМЕНЕНИЕ РЕШЕТКИ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ

2.11. Общая схема применения замедлителя, смешанного с ураном, совершенно очевидна. Специальный прием употребления замедлителя был впервые предложен в США, - насколько нам известно, Ферми и Сцилардом. Идея заключалась в применении кусков урана значительных размеров, включенных в виде пространственной решетки в материал замедлителя. Такая система имеет значительные преимущества перед однородной смесью. Когда константы были определены более точно, появилась возможность теоретически вычислить наиболее эффективный тип решетки.

УМЕНЬШЕНИЕ ЧИСЛА ЗАХВАТОВ БЕЗ ДЕЛЕНИЯ ПУТЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ

2.12. В главе I было установлено, что для нейтронов в определенном диапазоне скоростей (соответствующем энергиям в несколько электрон-вольт) U-238 имеет большое поперечное сечение захвата для образования U-239, но не для деления. Существует также значительная вероятность неупругих (т. е. не приводящих к захвату) столкновений быстрых нейтронов с ядрами U-238. Таким образом присутствие U-238 приводит к уменьшению скорости быстрых нейтронов и к поглощению нейтронов с умеренными скоростями. Хотя случаи захвата без деления ядрами U-235 могут также иметь место, все же очевидно, что если бы мы могли отделить U-235 от U-238 и избавиться от U-238, то нам удалось бы уменьшить число захватов без деления и, таким образом, добиться развития цепной реакции. Вероятность деления U-235 быстрыми нейтронами может оказаться достаточно большой, чтобы сделать ненужным применение замедлителя, коль скоро U-238 удален.

К сожалению, U-235 содержится в природном уране только в отношении приблизительно 1:140, а относительно малое различие масс обоих изотопов затрудняет разделение. В 1940 г. разделение изотопов в большом масштабе было осуществлено только для водорода, массы двух изотопов которого относятся друг к другу, как 1:2. Тем не менее, возможность выделения U-235 из обычного урана была с самого начала признана весьма важной, и разделение изотопов урана стало одним из двух основных направлений приложения усилий в течение последующих пяти лет.

ПРОИЗВОДСТВО И ОЧИСТКА МАТЕРИАЛОВ

2.13. Выше было установлено, что поперечное сечение захвата нейтронов меняется в очень широких пределах у различных веществ.

У некоторых оно очень велико по сравнению с максимальным поперечным сечением урана. Для осуществления цепной реакции необходимо уменьшить захват нейтронов примесями до такого значения, когда он не сможет оказать существенного влияния. Это требует очень тщательной очистки металлического урана и замедлителя. Вычисления показывают, что максимально допустимые концентрации многих элементов-примесей составляют несколько частей на миллион как для урана, так и для замедлителя. Если вспомнить, что до 1940 г. все производство металлического урана в США не превышало нескольких граммов вещества сомнительной чистоты, что все количество добытого в США металлического бериллия достигало лишь нескольких фунтов, что все производство концентрированного дейтерия составляло не более нескольких фунтов и что углерод никогда до этого не производился в тех количествах и с той степенью очистки, какие необходимы для замедлителя, - станет ясным, что проблема производства и очистки материалов была весьма важна.

УПРАВЛЕНИЕ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИЕЙ

2.14. Все проблемы, рассмотренные выше, относятся лишь к осуществлению цепной реакции. Если для такой реакции хотят найти целесообразное применение, то нужно уметь управлять ею. Проблема управления ставится по разному, в зависимости от того, что мы хотим получить: постепенное освобождение энергии или взрыв. Непрерывное производство атомной энергии требует проведения цепной реакции на медленных нейтронах в смеси урана и замедлителя, в то время как для атомной бомбы необходима цепная реакция на быстрых нейтронах, которая происходит в U-235 или Pu?239, хотя в них могут иметь место оба типа деления. Казалось правдоподобным, даже в 1940 г., что, применяя вещества, поглощающие нейтроны, удастся управлять цепной реакцией. Казалось также достаточно ясным, хотя и не совсем достоверным, что такая цепная реакция должна быть самоограничивающейся ввиду более низкого значения вероятности захвата, сопровождаемого делением, при достижении высоких температур. Тем не менее, не было исключено, что цепная реакция может выйти из под контроля, и, поэтому, казалось необходимым проведение опытов по цепным реакциям в ненаселенной местности.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ

2.15. До сих пор мы рассматривали, каким образом можно осуществить ядерную цепную реакцию и управлять ею, не затрагивая вопроса о том, как ее использовать. Технологический разрыв между получением управляемой цепной реакции и использованием ее в качестве мощного источника энергии или взрывчатого вещества подобен разрыву, существовавшему между открытием огня и производством паровозов.

2.16. Несмотря на то, что производство энергии никогда не было главной целью этих работ, достаточное внимание было уделено выяснению главной трудности - установлению режима работы при высокой температуре. Эффективная тепловая машина должна быть не только источником теплоты, но развивать ее при высокой температуре. Проведение цепной реакции при высокой температуре и превращение тепла в полезную работу значительно более трудно, чем проведение цепной реакции при низкой температуре.

2.17. Доказательства возможности осуществления цепной реакции еще недостаточно для уверенности в том, что ядерная энергия будет эффективна в бомбах. Для получения эффективного взрыва необходимо, чтобы цепная реакция развивалась чрезвычайно быстро; в противном случае лишь незначительное количество ядерной энергии будет использовано до того, как бомба разлетится на части и реакция прекратится. Необходимо предотвратить, кроме того, преждевременный взрыв. Эта проблема полной «детонации» была и все еще остается одной из самых трудных проблем при создании высокоэффективной атомной бомбы.

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛУТОНИЯ

2.18. До сих пор рассматривались только возможности применения самого урана. Мы уже упоминали о предположении, что элемент с атомным номером 94 и массой 239, обычно называемый плутонием, мог бы оказаться очень эффективным. Действительно, теперь уже известно, что он по своей ценности приближается к чистому U-235. Мы упоминали о трудности отделения U-235 от более распространенного изотопа U-238. Эти два изотопа в химическом отношении, конечно, тождественны. Однако плутоний, хотя и получается из U-238, является отличным в химическом отношении элементом. Поэтому, если возможен процесс превращения U-238 в плутоний, то химическое отделение плутония от урана может оказаться более практичным, чем разделение изотопов U-235 и U-238.

2.19. Предположим, что удалось создать управляемую цепную реакцию в решетке из обычного урана и замедлителя, например, углерода в виде графита. Тогда, в процессе цепной реакции, при делении U-235 испускаются нейтроны, и многие из них поглощаются U-238. В результате этого образуется U-239, каждый атом которого испускает ? -частицу, превращаясь в нептуний (93 Np 239). Нептуний, в свою очередь, испускает ? - частицу, превращаясь в плутоний (94 Pu 239); этот последний после ? -распада снова превращается в U-235, но так медленно, что его можно практически рассматривать, как устойчивый элемент (см. рис. 1). Если после длительного протекания реакции смесь металлов изолировать, то окажется возможным выделить плутоний химическими методами и после очистки употребить его в цепной реакции с делением, имеющей взрывной характер.

ОБОГАЩЕННЫЕ КОТЛЫ

2.20. Мы говорили о трех способах увеличения возможности осуществления цепной реакции: применении замедлителя, получении материалов высокой чистоты, использовании таких специальных материалов, как U-235 или Pu?239. Эти три способа не исключают друг друга, и было предложено много схем с применением небольших количеств выделенных U-235 или Pu?239 в решетках, состоящих в основном из обычного урана или окиси урана и замедлителя или двух различных замедлителей. Эти устройства обычно называются «обогащенными котлами».

Из книги Космоземные связи и НЛО автора Дмитриев Алексей Николаевич

Из книги Физическая химия: конспект лекций автора Березовчук А В

2. Уравнение изотермы химической реакции Если реакция протекает обратимо, то?G= 0.Если реакция протекает необратимо, то?G? 0 и можно рассчитать изменение?G. где? – пробег реакции – величина, которая показывает, сколько молей изменилось в ходе реакции. I сп – характеризует

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

3. Уравнения изохоры, изобары химической реакции Зависимость К от температуры Уравнение изобары: Уравнение изохоры: По ним судят о направлении протекания

Из книги Нейтрино - призрачная частица атома автора Азимов Айзек

2. Факторы, влияющие на скорость химической реакции Для гомогенных, гетерогенных реакций:1) концентрация реагирующих веществ;2) температура;3) катализатор;4) ингибитор.Только для гетерогенных:1) скорость подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз;2) площадь

Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс Артур

Из книги Атомная энергия для военных целей автора Смит Генри Деволф

Ядерные реакции и электрический заряд Когда в 90-х годах прошлого века физики стали яснее представлять себе структуру атома, они обнаружили, что, по крайней мере, некоторые его части несут электрический заряд. Например, электроны, заполняющие внешние области атома,

Из книги Курс истории физики автора Степанович Кудрявцев Павел

Проблема происхождения массы, известная как проблема полей Хиггса В 1964 году шотландский физик Питер ХИГГС и другие, исходя из чисто математических соображений, допустили существование вездесущего поля, позже названного полем Хиггса. Все взаимодействующие с полем

Из книги 50 лет советской физики автора Лешковцев Владимир Алексеевич

Глава 3. Химия. Какого рода химические реакции подтолкнули атомы кобразованию первых живых существ? Сущий вздор - рассуждать сейчас о происхождении жизни; с тем же успехом можно было бы рассуждать о происхождении материи.Из письма Ч. Дарвина Дж. Д. Хукеру 29 марта

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

Из книги На кого упало яблоко автора Кессельман Владимир Самуилович

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ МЕТОДЫ БОМБАРДИРОВКИ ЯДЕР1.40. Кокрофт и Уолтон получали протоны с достаточно большой энергией путем ионизации газообразного водорода и последующего ускорения ионов высоковольтной установкой с трансформатором и выпрямителем. Подобный же метод можно

Из книги автора

ПРОДУКТЫ РЕАКЦИИ И ПРОБЛЕМА РАЗДЕЛЕНИЯ 8.16. В хэнфордской установке процесс производства плутония разделяется на две главных части: собственно получение его в котле и выделение его из блоков урана, в которых он образуется. Переходим к рассмотрению второй части процессу

Из книги автора

Приложение 4. Первый котёл с саморазвивающейся цепной реакцией В главе VI были кратко описаны устройство и работа первого котла с саморазвивающейся цепной реакцией. Хотя от изложения деталей приходится пока из соображений секретности воздержаться, приведенные ниже

Из книги автора

Осуществление цепной реакции деления ядер Теперь встал со всей силой вопрос о цепной реакции деления и о возможности получения разрушительной взрывной энергии деления. Этот вопрос роковым образом переплелся с мировой войной, развязанной фашистской Германией 1 сентября

Из книги автора

УПРАВЛЯЕМЫЕ ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Неуправляемые термоядерные реакции происходят при взрывах водородных бомб. Они приводят к высвобождению громадного количества ядерной энергии, сопровождающемуся крайне разрушительным взрывом. Теперь задача ученых - найти пути

Из книги автора

Из книги автора

В лабиринтах реакции деления В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман (1902–1980) сделали удивительное открытие. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра, примерно вдвое более легкие, чем исходное ядро урана. Дальнейшие

Cтраница 1

Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, образующийся, например, под действием космических лучей, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление и освобождение некоторого числа нейтронов. Эти нейтроны вызывают дальнейшее течение реакции; однако цепная реакция не идет в небольшом куске урана, поскольку некоторые нейтроны уходят наружу или поглощаются содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Производство плутония ведется в ядерных реакторах. При протекании самоподдерживающейся реакции деления ядер урана-235 часть нейтронов захватывается неделящимися ядрами урана-238. В результате такого захвата и возбуждаемого им процесса радиоактивных превращений в уране наряду с делением (выгоранием) урана-235 происходит постепенное накопление плутония в количестве, достигающем 50 - 80 % от количества выгоревшего урана. Последующее извлечение плутония и не использованного полностью урана-235 из облученных урановых стержней производится на специальных радиохимических заводах.  

Производство плутония осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку часть нейтронов уходит во внешнюю среду или поглощается содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Производство плутония в уран-графитовом котле в настоящее время освоено. В 1949 году предполагается, по Вашему решению, постройка и пуск котла большей мощности АВ, что увеличит скорость накопления плутония в 1950 году в 3 - 4 раза по сравнению с концом 1948 года.  

Производство плутония во Франции осуществляется в Маркуле.  

Производство плутония, осуществляется при помощи контролируемой цепной реакции. Случайный нейтрон, сталкиваясь с одним из таких атомов, вызывает его деление, сопровождающееся освобождением некоторого числа нейтронов. Однако в небольшом куске урана цепная реакция не возникает, поскольку некоторые нейтроны уходят во внешнюю среду или поглощаются содержащимися в металлическом уране примесями, такими, как кадмий, ядра которого очень легко соединяются с нейтронами.  

Для производства плутония в большом масштабе из нескольких имеющихся методов разделения была выбрана экстракция органическими растворителями [ 58; 101; 174, стр. Широко использовались два метода экстракции - пурекс - и редокс-процессы - а также различные их варианты. Урановое горючее растворяется в азотной кислоте с образованием раствора, содержащего уран, плутоний и продукты деления. Методы экстракции основаны на различиях в растворимости этих компонентов в органической жидкости, практически не растворимой в воде.  

В радиохимическом производстве плутония и нептуния сорбционные процессы наиболее широко применяют на стадии аффинажа (конечная очистка) и концентрирования элементов. В этом случае сорбционные процессы имеют преимущество перед такими процессами, как выпаривание и осаждение, поскольку более удобны при больших объемах растворов, устраняют трудности, связанные с коррозией аппаратуры, и в большинстве случаев дают дополнительную очистку от коррозионных примесей и продуктов деления. Реализация ионообменных процессов достаточно проста, что существенно при работе с радиоактивными изотопами в заводских и лабораторных условиях.  

Данные о производстве плутония публикуются только во Франции.  

Данные о производстве плутония публикуются только во Франции. В Великобритании до недавнего времени производство плутония было сконцентрировано на заводах Уиид-скейла 95 ] в Кемберленде. В Моле (Бельгия) Организация европейского экономического сообщества, в составе двенадцати членов, предполагает построить завод для выделения плутония стоимостью 12 млн. долларов.  

Для исключения возможности производства плутония оружейного качества и получения более глубокого отрицательного пустотного эффекта реактивности вокруг активной зоны БРЕСТ-300 вместо традиционных для БР урановых экранов-бланкетов создан свинцовый отражатель.  

Химические опасности XX века.

Ядерная авария в производстве плутония, Уиндскей / i (Великобритания) Огневой шар СНГ, Мелдрин (шт.  

В реакторах, построенных для производства плутония, применяется естественный уран, так как воспроизводящий U238 является одновременно мишенью для нейтронов. Кроме обогащенного урана в реакторах-размножителях в качестве мишени применяются другие материалы, например торий для получения U233 или кобальт для получения источников излучения.  

Как уже говорилось, для производства плутония или урана-235 необходимо получать исключительно чистый продукт. Задача заключается в том, чтобы при переработке сотен тонн урановых концентратов выделить исключительно чистый продукт, содержание примесей в котором не должно превышать миллионных долей. При этом особое внимание уделяется удалению таких элементов, как бор, кадмий, индий, и некоторых редкоземельных элементов, жадно поглощающих медленные нейтроны.