Առեղծվածային սարքը, որն ունակ է աննկարագրելի կարճ ժամանակահատվածում գիգաջուլներ էներգիա արձակել, շրջապատված է չար սիրավեպով: Ավելորդ է ասել, որ ամբողջ աշխարհում միջուկային զենքի վրա աշխատանքը խորապես դասակարգված էր, և ռումբն ինքնին լցված էր լեգենդների և առասպելների զանգվածով: Փորձենք դրանցով զբաղվել հերթականությամբ։

Անդրեյ Սուվորով

Ատոմային ռումբի նման ոչինչ հետաքրքրություն չի առաջացնում

1945 թվականի օգոստոս. Էռնեստ Օռլանդո Լոուրենսը ատոմային ռումբի լաբորատորիայում

1954 թ Բիկինի ատոլում տեղի ունեցած պայթյունից ութ տարի անց ճապոնացի գիտնականները տեղական ջրերում բռնած ձկների մեջ հայտնաբերեցին ճառագայթման բարձր մակարդակ։

Կրիտիկական զանգված

Բոլորը լսել են, որ կա որոշակի կրիտիկական զանգված, որին պետք է հասնել միջուկային շղթայական ռեակցիա սկսելու համար։ Բայց իրական միջուկային պայթյունի համար միայն կրիտիկական զանգվածը բավարար չէ. ռեակցիան գրեթե ակնթարթորեն կդադարի, մինչև նկատելի էներգիան ժամանակ չունենա ազատվելու: Մի քանի կիլոտոնների կամ տասնյակ կիլոտոնների լայնածավալ պայթյունի համար պետք է միաժամանակ հավաքվեն երկու կամ երեք, կամ ավելի լավ՝ չորս կամ հինգ կրիտիկական զանգվածներ:

Ակնհայտ է թվում, որ պետք է ուրանից կամ պլուտոնիումից երկու կամ ավելի մասեր պատրաստել և անհրաժեշտ պահին միացնել դրանք։ Արդարության համար պետք է ասել, որ ֆիզիկոսները նույն բանն էին մտածում, երբ ստանձնեցին միջուկային ռումբի կառուցումը: Բայց իրականությունն իր ճշգրտումները կատարեց։

Բանն այն է, որ եթե մենք ունենայինք շատ մաքուր ուրան-235 կամ պլուտոնիում-239, ապա մենք կարող էինք դա անել, բայց գիտնականները պետք է գործ ունենային իրական մետաղների հետ: Բնական ուրան հարստացնելով, դուք կարող եք պատրաստել 90% ուրան-235 և 10% ուրան-238 պարունակող խառնուրդ, ուրանի մնացորդից ազատվելու փորձերը հանգեցնում են այս նյութի շատ արագ թանկացման (այն կոչվում է խիստ); հարստացված ուրան): Պլուտոնիում-239-ը, որն արտադրվում է միջուկային ռեակտորում ուրան-238-ից ուրանի-235-ի տրոհման արդյունքում, անպայման պարունակում է պլուտոնիում-240-ի խառնուրդ:

Ուրանի235 և պլուտոնիում239 իզոտոպները կոչվում են զույգ-կենտ, քանի որ նրանց ատոմների միջուկները պարունակում են զույգ թվով պրոտոններ (ուրանի համար՝ 92 և պլուտոնիումը՝ 94) և կենտ թվով նեյտրոններ (համապատասխանաբար՝ 143 և 145)։ Ծանր տարրերի բոլոր զույգ-կենտ միջուկներն ունեն ընդհանուր սեփականությունՆրանք հազվադեպ են ինքնաբուխ տրոհվում (գիտնականներն ասում են՝ «ինքնաբուխ»), բայց հեշտությամբ տրոհվում են, երբ նեյտրոնը հարվածում է միջուկին։

Ուրան-238-ը և պլուտոնիումը-240-ը հավասարաչափ են: Նրանք, ընդհակառակը, գործնականում չեն տրոհվում ցածր և չափավոր էներգիաների նեյտրոնների հետ, որոնք դուրս են թռչում տրոհվող միջուկներից, բայց նրանք ինքնաբերաբար տրոհվում են հարյուրավոր կամ տասնյակ հազարավոր անգամներ ավելի հաճախ՝ ձևավորելով նեյտրոնային ֆոն։ Այս նախապատմությունը շատ դժվարացնում է միջուկային զենքի ստեղծումը, քանի որ դա հանգեցնում է նրան, որ ռեակցիան սկսվում է վաղաժամ՝ նախքան լիցքի երկու մասերը հանդիպելը: Դրա պատճառով պայթյունի համար պատրաստված սարքում կրիտիկական զանգվածի մասերը պետք է տեղակայված լինեն միմյանցից բավական հեռու և միացված լինեն մեծ արագությամբ:

Թնդանոթի ռումբ

Այնուամենայնիվ, 1945 թվականի օգոստոսի 6-ին Հիրոսիմայի վրա նետված ռումբը պատրաստվել է հենց վերը նկարագրված սխեմայի համաձայն: Դրա երկու մասերը՝ թիրախն ու գնդակը, պատրաստված էին բարձր հարստացված ուրանից։ Թիրախը 16 սմ տրամագծով և 16 սմ բարձրությամբ գլան էր, որի կենտրոնում կար 10 սմ տրամագծով փամփուշտ։ Ընդհանուր առմամբ, ռումբը պարունակում էր 64 կգ ուրան։

Թիրախը շրջապատված էր պարկուճով, որի ներքին շերտը պատրաստված էր վոլֆրամի կարբիդից, արտաքինը՝ պողպատից։ Ռումբերի նպատակը երկուսն էր՝ գնդակը պահել, երբ այն կպչում էր թիրախին, և ուրանի միջից փախչող նեյտրոնների գոնե մի մասը հետ արտացոլել։ Նեյտրոնային ռեֆլեկտորը հաշվի առնելով՝ 64 կգ-ը 2,3 կրիտիկական զանգված էր։ Ինչպե՞ս ստացվեց դա, քանի որ կտորներից յուրաքանչյուրը ենթաքննադատական ​​էր: Բանն այն է, որ միջնամասը գլանից հանելով՝ նվազեցնում ենք դրա միջին խտությունը, և կրիտիկական զանգվածի արժեքը մեծանում է։ Այսպիսով, այս մասի զանգվածը կարող է գերազանցել մետաղի ամուր կտորի կրիտիկական զանգվածը: Բայց այս կերպ հնարավոր չէ մեծացնել փամփուշտի զանգվածը, քանի որ այն պետք է լինի ամուր։

Ե՛վ թիրախը, և՛ փամփուշտը հավաքվել են կտորներից՝ թիրախը մի քանի ցածր բարձրության օղակներից, իսկ գնդակը՝ վեց լվացքի մեքենաներից։ Պատճառը պարզ է՝ ուրանի բլիթները պետք է լինեին փոքր չափսերով, քանի որ բլրի պատրաստման (ձուլման, սեղմման) ընթացքում ուրանի ընդհանուր քանակը չպետք է մոտենա կրիտիկական զանգվածին։ Գնդակը պարուրված էր բարակ պատերով չժանգոտվող պողպատից բաճկոնով, վոլֆրամի կարբիդի գլխարկով, որը նման է թիրախի բաճկոնին:

Փամփուշտը թիրախի կենտրոնն ուղղելու համար որոշել են օգտագործել սովորական 76,2 մմ ՀՕՊ-ի փողը։ Ահա թե ինչու այս տեսակի ռումբը երբեմն անվանում են թնդանոթով հավաքված ռումբ: Նման անսովոր արկը տեղավորելու համար տակառը ներսից ձանձրացել էր մինչև 100 մմ: Տակառի երկարությունը 180 սմ էր, նրա լիցքավորման խցիկի մեջ լիցքավորվել էր սովորական առանց ծխի վառոդ, որն արձակում էր մի փամփուշտ մոտավորապես 300 մ/վ արագությամբ։ Իսկ տակառի մյուս ծայրը սեղմվել է թիրախի պատյանի անցքի մեջ։

Այս դիզայնը շատ թերություններ ուներ.

Այն հրեշավոր վտանգավոր էր. երբ վառոդը լիցքավորվում էր լիցքավորման խցիկի մեջ, ցանկացած վթար, որը կարող էր բռնկվել այն, կհանգեցնի ռումբի ամբողջական հզորությամբ պայթելուն: Դրա պատճառով օդում պիրոքսիլինը լիցքավորվել է, երբ ինքնաթիռը մոտեցել է թիրախին։

Ինքնաթիռի վթարի դեպքում ուրանի մասերը կարող են միավորվել առանց վառոդի, պարզապես գետնի վրա ուժեղ հարվածից: Դրանից խուսափելու համար փամփուշտի տրամագիծը մեկ միլիմետրով ավելի մեծ էր, քան տակառի անցքի տրամագիծը:

Եթե ​​ռումբն ընկներ ջրի մեջ, ապա ջրի մեջ նեյտրոնների չափավորության պատճառով ռեակցիան կարող էր սկսվել նույնիսկ առանց մասերը միացնելու։ Ճիշտ է, այս դեպքում միջուկային պայթյունը քիչ հավանական է, բայց ջերմային պայթյուն տեղի կունենա՝ մեծ տարածքի վրա ուրանի ցողումով և ռադիոակտիվ աղտոտմամբ։

Այս դիզայնի ռումբի երկարությունը գերազանցել է երկու մետրը, և դա գործնականում անհաղթահարելի է։ Ի վերջո, հասավ կրիտիկական վիճակ, և արձագանքը սկսվեց այն ժամանակ, երբ դեռ լավ կես մետր կար մինչև գնդակը կանգ առավ։

Ի վերջո, այս ռումբը շատ վատնիչ էր. ուրանի 1%-ից քիչը ժամանակ ուներ դրանում արձագանքելու:

Թնդանոթային ռումբը ուղիղ մեկ առավելություն ուներ՝ չէր կարող չաշխատել։ Նրանք նույնիսկ չէին պատրաստվում փորձարկել նրան: Բայց ամերիկացիները ստիպված էին փորձարկել պլուտոնիումային ռումբը. դրա դիզայնը չափազանց նոր էր և բարդ:

Պլուտոնիումի ֆուտբոլի գնդակ

Երբ պարզվեց, որ պլուտոնիում-240-ի նույնիսկ աննշան (1%-ից պակաս!) խառնուրդն անհնարին է դարձնում պլուտոնիումային ռումբի թնդանոթային հավաքումը, ֆիզիկոսները ստիպված եղան որոնել կրիտիկական զանգված ձեռք բերելու այլ ուղիներ: Իսկ պլուտոնիումի պայթուցիկների բանալին գտել է այն մարդը, ով հետագայում դարձավ ամենահայտնի «միջուկային լրտեսը»՝ բրիտանացի ֆիզիկոս Կլաուս Ֆուկսը:

Նրա գաղափարը, որը հետագայում կոչվեց «պայթեցում», հետևյալն էր՝ ձևավորել միաձուլվող գնդաձև հարվածային ալիք տարբերվողից՝ օգտագործելով այսպես կոչված պայթուցիկ ոսպնյակներ: Այս հարվածային ալիքը կսեղմի պլուտոնիումի կտորն այնպես, որ նրա խտությունը կրկնապատկվի:

Եթե ​​խտության նվազումը հանգեցնում է կրիտիկական զանգվածի ավելացմանը, ապա խտության աճը պետք է նվազեցնի այն: Սա հատկապես ճիշտ է պլուտոնիումի համար: Պլուտոնիումը շատ կոնկրետ նյութ է։ Երբ պլուտոնիումի մի կտոր սառչում է իր հալման կետից մինչև սենյակային ջերմաստիճան, այն անցնում է չորս փուլային անցումներ։ Վերջինիս մոտ (մոտ 122 աստիճան) նրա խտությունը ցատկում է 10%-ով։ Այս դեպքում ցանկացած ձուլվածք անխուսափելիորեն ճաք է տալիս: Սրանից խուսափելու համար պլուտոնիումը լցնում են ինչ-որ եռավալենտ մետաղով, այնուհետև թուլացած վիճակը դառնում է կայուն: Ալյումինը կարող է օգտագործվել, բայց 1945-ին մտավախություն կար, որ պլուտոնիումի միջուկներից արտանետվող ալֆա մասնիկները, երբ դրանք քայքայվում են, ազատ նեյտրոններ կթափեն ալյումինի միջուկներից՝ մեծացնելով արդեն նկատելի նեյտրոնային ֆոնը, ուստի առաջին ատոմային ռումբում օգտագործել են գալիումը:

98% պլուտոնիում-239, 0,9% պլուտոնիում-240 և 0,8% գալիում պարունակող համաձուլվածքից պատրաստվել է ընդամենը 9 սմ տրամագծով և մոտ 6,5 կգ քաշով գնդիկ։ Գնդակի կենտրոնում կար 2 սմ տրամագծով խոռոչ, որը բաղկացած էր երեք մասից՝ երկու կեսից և 2 սմ տրամագծով գլան ներքին խոռոչը նեյտրոնային աղբյուր է, որը գործարկվել է ռումբի պայթյունի ժամանակ: Բոլոր երեք մասերը պետք է նիկելապատված լինեին, քանի որ պլուտոնիումը շատ ակտիվորեն օքսիդանում է օդով և ջրով և չափազանց վտանգավոր է, եթե այն մտնում է մարդու օրգանիզմ։

Գնդակը շրջապատված էր բնական ուրանից238 նեյտրոնային ռեֆլեկտորով, 7 սմ հաստությամբ և 120 կգ քաշով։ Ուրանը արագ նեյտրոնների լավ արտացոլիչ է, և երբ հավաքվում էր համակարգը մի փոքր ենթակրիտիկական էր, ուստի պլուտոնիումի խցանի փոխարեն տեղադրվեց կադմիումի խցան, որը կլանեց նեյտրոնները: Ռեֆլեկտորը նաև ծառայում էր ռեակցիայի ընթացքում կրիտիկական հավաքի բոլոր մասերը պահելու համար, հակառակ դեպքում պլուտոնիումի մեծ մասը կթռչի՝ առանց միջուկային ռեակցիային մասնակցելու ժամանակ ունենալու։

Հաջորդը եկավ 11,5 սանտիմետրանոց ալյումինե խառնուրդի շերտը, որը կշռում էր 120 կգ: Շերտի նպատակը նույնն է, ինչ օբյեկտիվ ոսպնյակների վրա հակաարտացոլումը. ապահովել, որ պայթյունի ալիքը ներթափանցի ուրան-պլուտոնիումի հավաքույթը և չարտացոլվի դրանից: Այս արտացոլումը տեղի է ունենում պայթուցիկ նյութի և ուրանի միջև խտության մեծ տարբերության պատճառով (մոտ 1:10): Բացի այդ, հարվածային ալիքում, սեղմման ալիքից հետո տեղի է ունենում հազվադեպ ալիք, այսպես կոչված, Թեյլորի էֆեկտ: Ալյումինե շերտը թուլացրել է հազվագյուտ ալիքը, ինչը նվազեցրել է պայթուցիկի ազդեցությունը։ Ալյումինը պետք է լիցքավորվեր բորով, որը կլանում էր ալյումինի ատոմների միջուկներից արտանետվող նեյտրոնները՝ ուրանի 238-ի քայքայման ժամանակ առաջացած ալֆա մասնիկների ազդեցության տակ։

Վերջապես դրսում կային այդ նույն «պայթուցիկ ոսպնյակները»: Դրանք 32-ն էին (20 վեցանկյուն և 12 հնգանկյուն), նրանք ֆուտբոլի գնդակի նման կառուցվածք էին կազմում։ Յուրաքանչյուր ոսպնյակ բաղկացած էր երեք մասից, որոնց մեջտեղը պատրաստված էր հատուկ «դանդաղ» պայթուցիկից, իսկ արտաքինն ու ներքինը՝ «արագ» պայթուցիկներից։ Արտաքին մասը դրսից գնդաձև էր, բայց ներսից ուներ կոնաձև իջվածք, ինչպես ձևավորված լիցքի վրա, բայց դրա նպատակն այլ էր։ Այս կոնը լցված էր դանդաղ պայթուցիկով, և ինտերֆեյսում պայթյունի ալիքը բեկվում էր սովորական լուսային ալիքի նման: Բայց այստեղ նմանությունը շատ պայմանական է։ Փաստորեն, այս կոնի ձևը միջուկային ռումբի իրական գաղտնիքներից մեկն է։

40-ականների կեսերին աշխարհում չկար այնպիսի համակարգիչներ, որոնց վրա հնարավոր կլիներ հաշվարկել նման ոսպնյակների ձևը, և ​​որ ամենակարևորը չկար նույնիսկ համապատասխան տեսություն։ Ուստի դրանք արվել են բացառապես փորձի ու սխալի միջոցով։ Հազարից ավելի պայթյուններ պետք է իրականացվեին, և ոչ միայն իրականացվեին, այլ լուսանկարվեին հատուկ գերարագ տեսախցիկներով՝ արձանագրելով պայթյունի ալիքի պարամետրերը։ Երբ փորձարկվեց ավելի փոքր տարբերակը, պարզվեց, որ պայթուցիկները այնքան էլ հեշտ չեն մասշտաբվում, և անհրաժեշտ էր մեծապես շտկել հին արդյունքները։

Ձևի ճշգրտությունը պետք է պահպանվեր մեկ միլիմետրից պակաս սխալով, իսկ պայթուցիկի բաղադրությունն ու միատեսակությունը պետք է պահպանվեր առավելագույն խնամքով։ Մասերը կարելի էր պատրաստել միայն ձուլման միջոցով, ուստի ոչ բոլոր պայթուցիկները հարմար էին: Արագ պայթուցիկը եղել է RDX-ի և TNT-ի խառնուրդ՝ RDX-ի կրկնակի քանակով: Դանդաղ - նույն տրոտիլը, բայց իներտ բարիումի նիտրատի ավելացմամբ: Առաջին պայթուցիկում պայթեցման ալիքի արագությունը 7,9 կմ/վ է, իսկ երկրորդում՝ 4,9 կմ/վ։

Պայթուցիչներ տեղադրվեցին յուրաքանչյուր ոսպնյակի արտաքին մակերեսի կենտրոնում: Բոլոր 32 պայթուցիչները պետք է կրակեին միաժամանակ չլսված ճշգրտությամբ՝ 10 նանվայրկյանից պակաս, այսինքն՝ վայրկյանի միլիարդերորդական: Այսպիսով, հարվածային ալիքի ճակատը չպետք է աղավաղված լիներ ավելի քան 0,1 մմ: Ոսպնյակների զուգավորվող մակերեսները պետք է հավասարեցվեին նույն ճշգրտությամբ, սակայն դրանց արտադրության սխալը տասն անգամ ավելի մեծ էր: Ես ստիպված էի մանրացնել և շատ զուգարանի թուղթ ու ժապավեն ծախսել՝ անճշտությունները փոխհատուցելու համար։ Բայց համակարգը սկսեց քիչ նմանություն ունենալ տեսական մոդելի հետ:

Պետք էր նոր դետոնատորներ հորինել՝ հները պատշաճ սինխրոնիզացիա չէին ապահովում։ Դրանք պատրաստվել են էլեկտրական հոսանքի հզոր իմպուլսի տակ պայթած լարերի հիման վրա։ Դրանք գործարկելու համար անհրաժեշտ էր 32 բարձր լարման կոնդենսատորներից բաղկացած մարտկոց և նույնքան արագընթաց լիցքաթափիչներ՝ մեկական յուրաքանչյուր պայթուցիչի համար: Ամբողջ համակարգը, ներառյալ մարտկոցները և կոնդենսատորների լիցքավորիչը, առաջին ռումբում կշռում էր գրեթե 200 կգ: Սակայն պայթուցիկի քաշի համեմատ, որը 2,5 տոննա էր վերցրել, սա շատ չէր։

Ի վերջո, ամբողջ կառույցը պարփակված էր դյուրալյումինի գնդաձև մարմնի մեջ, որը բաղկացած էր լայն գոտիից և երկու ծածկույթից՝ վերին և ստորին, այս բոլոր մասերը հավաքված էին պտուտակներով: Ռումբի դիզայնը հնարավորություն է տվել այն հավաքել առանց պլուտոնիումի միջուկի։ Որպեսզի պլուտոնիումը ուրանի ռեֆլեկտորի մի կտորի հետ միասին տեղադրվի իր տեղում, պատյանի վերին կափարիչը հանվեց պտուտակով և հանվեց մեկ պայթուցիկ ոսպնյակ:

Ճապոնիայի հետ պատերազմը մոտենում էր ավարտին, իսկ ամերիկացիները շտապում էին։ Սակայն պայթյունի ռումբը պետք է փորձարկվեր: Այս գործողությանը տրվել է «Trinity» («Երրորդություն») ծածկանունը: Այո, ատոմային ռումբը պետք է ցուցադրեր ուժ, որը նախկինում հասանելի էր միայն աստվածներին:

Փայլուն հաջողություն

Փորձարկման վայրը ընտրվել է Նյու Մեքսիկո նահանգում՝ Jornadadel Muerto (Մահվան ուղի) գեղատեսիլ անունով վայրում. տարածքը մտնում էր Ալամագորդոյի հրետանային տիրույթի մեջ: Ռումբը սկսեց հավաքվել 1945 թվականի հուլիսի 11-ին։ Հուլիսի 14-ին նրան բարձրացրին հատուկ կառուցված 30 մ բարձրությամբ աշտարակի գագաթ, լարերը միացրին պայթուցիչներին և սկսվեցին նախապատրաստման վերջին փուլերը՝ ներգրավելով մեծ քանակությամբ չափիչ սարքավորումներ։ 1945 թվականի հուլիսի 16-ին, առավոտյան հինգ անց կեսին, սարքը պայթեցվել է։

Պայթյունի կենտրոնում ջերմաստիճանը հասնում է մի քանի միլիոն աստիճանի, ուստի միջուկային պայթյունի բռնկումը շատ ավելի պայծառ է, քան Արեգակը: Գնդիկը տևում է մի քանի վայրկյան, այնուհետև սկսում է բարձրանալ, մթնել, սպիտակից դառնում է նարնջագույն, այնուհետև բոսորագույն, և ձևավորվում է այժմ հայտնի միջուկային սունկը։ Առաջին սնկային ամպը բարձրացել է 11 կմ:

Պայթյունի էներգիան ավելի քան 20 կտ տրոտիլի համարժեք էր: Չափիչ սարքավորումների մեծ մասը ոչնչացվել է, քանի որ ֆիզիկոսները հաշվել են 510 տոննա և սարքավորումները շատ մոտ են տեղադրել: Հակառակ դեպքում դա հաջողություն էր, փայլուն հաջողություն:

Սակայն ամերիկացիները բախվեցին տարածքի անսպասելի ռադիոակտիվ աղտոտմանը: Փլուզ ռադիոակտիվ արտահոսքձգվում է 160 կմ դեպի հյուսիս-արևելք։ Բնակչության մի մասին ստիպված են եղել տարհանել Բինգհեմ փոքր քաղաքից, սակայն տեղի առնվազն հինգ բնակիչ ստացել է մինչև 5760 ռենտգեն դեղաչափ:

Պարզվեց, որ աղտոտումից խուսափելու համար ռումբը պետք է պայթեցվի բավականաչափ բարձր բարձրության վրա՝ առնվազն մեկուկես կիլոմետր, այնուհետև ռադիոակտիվ քայքայման արտադրանքը ցրված է հարյուր հազարավոր կամ նույնիսկ միլիոնավոր քառակուսի տարածքում։ կիլոմետրեր և լուծարվել համաշխարհային ճառագայթային ֆոնի վրա։

Այս դիզայնի երկրորդ ռումբը նետվեց Նագասակիի վրա օգոստոսի 9-ին՝ այս փորձարկումից 24 օր անց և Հիրոսիմայի ռմբակոծությունից երեք օր անց: Այդ ժամանակից ի վեր գրեթե բոլոր ատոմային զենքերն օգտագործում են պայթյունի տեխնոլոգիա: 1949 թվականի օգոստոսի 29-ին փորձարկված առաջին խորհրդային ռումբը՝ RDS-1, պատրաստվել է նույն դիզայնով։

Միջուկային վտանգավոր տրոհվող նյութերի հետ անվտանգ աշխատելու համար սարքավորումների պարամետրերը պետք է լինեն կրիտիկականից պակաս: Որպես միջուկային անվտանգության կարգավորող պարամետրեր օգտագործվում են հետևյալը՝ միջուկային վտանգավոր տրոհվող նյութերի քանակը, կոնցենտրացիան և ծավալը. գլանաձև ձև ունեցող սարքավորումների տրամագիծը. հարթ շերտի հաստությունը թիթեղաձև սարքավորումների համար: Ստանդարտ պարամետրը սահմանվում է թույլատրելի պարամետրի հիման վրա, որը կրիտիկականից պակաս է և չպետք է գերազանցի սարքավորումների շահագործման ընթացքում: Այս դեպքում անհրաժեշտ է, որ կրիտիկական պարամետրերի վրա ազդող բնութագրերը լինեն խիստ սահմանված սահմաններում: Օգտագործվում են հետևյալ ընդունելի պարամետրերը՝ հավելյալ M քանակ, հավելյալ ծավալ V, տրամագիծ D հավելյալ, շերտի հաստություն t հավելյալ։

Օգտագործելով կրիտիկական պարամետրերի կախվածությունը միջուկային վտանգավոր տրոհվող նուկլիդի կոնցենտրացիայից, որոշվում է կրիտիկական պարամետրի արժեքը, որից ցածր SCRD անհնար է ցանկացած կոնցենտրացիայի դեպքում: Օրինակ՝ պլուտոնիումի աղերի և հարստացված ուրանի լուծույթների դեպքում անսահման գլանների կրիտիկական զանգվածը, ծավալը, տրամագիծը և անսահման հարթ շերտի հաստությունը նվազագույն են օպտիմալ դանդաղեցման շրջանում։ Մետաղական հարստացված ուրանի ջրի հետ խառնուրդների համար կրիտիկական զանգվածը, ինչպես լուծույթների դեպքում, ունի ընդգծված նվազագույն օպտիմալ չափավորության շրջանում, իսկ կրիտիկական ծավալը, անսահման գլանների տրամագիծը, անսահման հարթ շերտի հաստությունը բարձր հարստացման ժամանակ (> 35%) ունեն նվազագույն արժեքներ մոդերատորի բացակայության դեպքում (r n /r 5 =0); 35%-ից ցածր հարստացման դեպքում խառնուրդի կրիտիկական պարամետրերը նվազագույն են օպտիմալ հետաձգման դեպքում: Ակնհայտ է, որ նվազագույն կրիտիկական պարամետրերի հիման վրա հաստատված պարամետրերը ապահովում են անվտանգությունը կոնցենտրացիայի ողջ տիրույթում: Այս պարամետրերը կոչվում են անվտանգ, դրանք պակաս են նվազագույն կրիտիկական պարամետրերից: Օգտագործվում են հետևյալ անվտանգ պարամետրերը՝ քանակ, կոնցենտրացիան, ծավալ, տրամագիծ, շերտի հաստություն։

Համակարգի միջուկային անվտանգությունն ապահովելիս տրոհվող նուկլիդի կոնցենտրացիան (երբեմն՝ մոդերատորի քանակը) անպայմանորեն սահմանափակվում է ընդունելի պարամետրով, մինչդեռ, միևնույն ժամանակ, անվտանգ պարամետր օգտագործելիս կոնցենտրացիայի վրա սահմանափակումներ չեն դրվում։ (կամ մոդերատորի չափով):

2 ԿՐԻՏԻԿԱԿԱՆ ԶԱՆԳՎԱԾ

Կզարգանա շղթայական ռեակցիա, թե ոչ, կախված է չորս գործընթացների մրցակցության արդյունքից.

(1) Ուրանի նեյտրոնների արտանետում,

(2) ուրանի միջոցով նեյտրոնի գրավում առանց տրոհման,

(3) նեյտրոնների գրավումը կեղտերի միջոցով.

(4) ուրանի միջոցով նեյտրոնների գրավումը տրոհման միջոցով:

Եթե ​​առաջին երեք գործընթացներում նեյտրոնների կորուստը պակաս է չորրորդում արձակված նեյտրոնների քանակից, ապա տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա. հակառակ դեպքում դա անհնար է: Ակնհայտ է, որ եթե առաջին երեք գործընթացներից մեկը շատ հավանական է, ապա տրոհման ժամանակ արձակված նեյտրոնների ավելցուկը չի կարողանա ապահովել ռեակցիայի շարունակությունը։ Օրինակ, այն դեպքում, երբ (2) պրոցեսի (ուրանի գրավումն առանց տրոհման) հավանականությունը շատ ավելի մեծ է, քան տրոհումով որսալու հավանականությունը, շղթայական ռեակցիան անհնար է։ Լրացուցիչ դժվարություն է ներկայացնում բնական ուրանի իզոտոպը. այն բաղկացած է երեք իզոտոպներից՝ 234 U, 235 U և 238 U, որոնց ներդրումը կազմում է համապատասխանաբար 0,006, 0,7 և 99,3%։ Կարևոր է, որ (2) և (4) գործընթացների հավանականությունները տարբեր իզոտոպների համար տարբեր են և տարբեր կերպ կախված են նեյտրոնային էներգիայից։

Տարբեր գործընթացների մրցակցությունը նյութի մեջ միջուկային տրոհման շղթայական գործընթացի զարգացման տեսանկյունից գնահատելու համար ներկայացվում է «կրիտիկական զանգված» հասկացությունը։

Կրիտիկական զանգված– տրոհվող նյութի նվազագույն զանգվածը, որն ապահովում է ինքնապահպանվող միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիայի առաջացումը. Որքան կարճ է տրոհման կիսամյակը և որքան մեծ է աշխատանքային տարրի հարստացումը տրոհվող իզոտոպում, այնքան փոքր է կրիտիկական զանգվածը:

Կրիտիկական զանգված -տրոհվող նյութի նվազագույն քանակությունը, որն անհրաժեշտ է ինքնապահպանվող տրոհման շղթայական ռեակցիա սկսելու համար: Նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցը նյութի այս քանակում հավասար է միասնության:

Կրիտիկական զանգված- ռեակտորի տրոհվող նյութի զանգվածը, որը գտնվում է կրիտիկական վիճակում.

Միջուկային ռեակտորի կրիտիկական չափերը- ռեակտորի միջուկի ամենափոքր չափերը, որոնցում դեռևս կարող է տեղի ունենալ միջուկային վառելիքի ինքնասպասարկման տրոհման ռեակցիա: Որպես կանոն, կրիտիկական չափը համարվում է միջուկի կրիտիկական ծավալը:

Միջուկային ռեակտորի կրիտիկական ծավալը- ռեակտորի միջուկի ծավալը կրիտիկական վիճակում.

Ուրանից արտանետվող նեյտրոնների հարաբերական թիվը կարող է կրճատվել չափն ու ձևը փոխելով։ Գնդում մակերևութային ազդեցությունները համաչափ են քառակուսու վրա, իսկ ծավալային ազդեցությունները՝ շառավիղի խորանարդին։ Ուրանից նեյտրոնների արտանետումը մակերևութային էֆեկտ է՝ կախված մակերեսի չափից. բաժանման միջոցով գրավումը տեղի է ունենում նյութի զբաղեցրած ամբողջ ծավալով և հետևաբար

ծավալային ազդեցություն. Որքան մեծ է ուրանի քանակը, այնքան քիչ հավանական է, որ ուրանի ծավալից նեյտրոնների արտանետումները գերակշռեն տրոհման ընթացքում և կխանգարեն շղթայական ռեակցիային: Ոչ տրոհման ժամանակ նեյտրոնների կորուստը ծավալային էֆեկտ է, որը նման է տրոհման ժամանակ նեյտրոնների արտազատմանը, ուստի չափի մեծացումը չի փոխում դրանց հարաբերական նշանակությունը:

Ուրան պարունակող սարքի կրիտիկական չափերը կարող են սահմանվել որպես այն չափսերը, որոնցում տրոհման ընթացքում արձակված նեյտրոնների թիվը ճիշտ հավասար է դրանց կորստին փախուստի հետևանքով և որսումներից, որոնք չեն ուղեկցվում տրոհումով: Այսինքն, եթե չափերը կրիտիկականից պակաս են, ապա, ըստ սահմանման, շղթայական ռեակցիա չի կարող զարգանալ։

Կրիտիկական զանգված կարող են կազմել միայն կենտ համարակալված իզոտոպները։ Բնության մեջ հանդիպում է ընդամենը 235 U, իսկ 239 Pu և 233 U արհեստական ​​են, դրանք ձևավորվում են միջուկային ռեակտորում (238 U միջուկներով նեյտրոնների գրավման արդյունքում

և 232 Th՝ երկու հաջորդական β - քայքայմամբ):

IN Բնական ուրանի մեջ տրոհման շղթայական ռեակցիա չի կարող զարգանալ ցանկացած քանակությամբ ուրանի հետ, սակայն իզոտոպներում, ինչպիսիք են. 235 U և 239 Pu, շղթայի գործընթացը ձեռք է բերվում համեմատաբար հեշտությամբ: Նեյտրոնային մոդերատորի առկայության դեպքում բնական ուրանում տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա։

Շղթայական ռեակցիայի առաջացման անհրաժեշտ պայմանը բավարարի առկայությունն է մեծ քանակությամբտրոհվող նյութ, քանի որ փոքր չափսի նմուշներում նեյտրոնների մեծ մասը թռչում է նմուշի միջով՝ առանց որևէ միջուկի հարվածելու։ Միջուկային պայթյունի շղթայական ռեակցիան տեղի է ունենում, երբ այն հասնում է

որոշ կրիտիկական զանգվածի տրոհվող նյութ։

Թող լինի տրոհման ընդունակ նյութի մի կտոր, օրինակ՝ 235 U, որի մեջ ընկնում է նեյտրոնը։ Այս նեյտրոնը կա՛մ կառաջացնի տրոհում, կա՛մ անօգուտ կլանվի նյութի կողմից, կա՛մ, ցրվելով, դուրս կգա արտաքին մակերեսով: Կարևոր է, թե ինչ կլինի հաջորդ փուլում՝ նեյտրոնների թիվը միջինում կնվազի կամ կնվազի, այսինքն. շղթայական ռեակցիան կթուլանա կամ կզարգանա, այսինքն. արդյոք համակարգը կլինի ենթակրիտիկական կամ գերկրիտիկական (պայթուցիկ) վիճակում: Քանի որ նեյտրոնների արտանետումը կարգավորվում է չափերով (գնդիկի համար՝ շառավղով), առաջանում է կրիտիկական չափի (և զանգվածի) հասկացությունը։ Որպեսզի պայթյունը զարգանա, չափը պետք է լինի կրիտիկականից մեծ:

Ճեղքվող համակարգի կրիտիկական չափը կարելի է գնահատել, եթե հայտնի է տրոհվող նյութում նեյտրոնային ճանապարհի երկարությունը:

Նեյտրոնը, որը թռչում է նյութի միջով, երբեմն բախվում է միջուկի հետ, կարծես տեսնում է դրա խաչմերուկը: Միջուկի կտրվածքի չափը σ=10-24 սմ2 է (գոմ): Եթե ​​N-ը միջուկների թիվն է խորանարդ սանտիմետր, ապա L =1/N σ համակցությունը տալիս է միջուկային ռեակցիայի նկատմամբ նեյտրոնային ճանապարհի միջին երկարությունը։ Նեյտրոնային ուղու երկարությունը միակ ծավալային արժեքն է, որը կարող է ելակետ ծառայել կրիտիկական չափը գնահատելու համար: Ցանկացած դեպքում ֆիզիկական տեսությունԿիրառվում են նմանության մեթոդներ, որոնք, իր հերթին, կառուցված են ծավալային մեծությունների, համակարգի բնութագրերի և նյութի անչափ համակցություններից։ Այնքան անչափ

Թիվը տրոհվող նյութի մի կտորի շառավիղի հարաբերակցությունն է դրանում գտնվող նեյտրոնների միջակայքին: Եթե ​​ենթադրենք, որ անչափ թիվը միասնության կարգի է, իսկ ուղու երկարությունը բնորոշ արժեքով N = 1023, L = 10 սմ.

(σ =1-ի համար) (սովորաբար σ սովորաբար շատ ավելի բարձր է, քան 1, ուստի կրիտիկական զանգվածը փոքր է մեր գնահատականից): Կրիտիկական զանգվածը կախված է որոշակի նուկլիդի տրոհման ռեակցիայի խաչմերուկից։ Այսպիսով, ատոմային ռումբ ստեղծելու համար անհրաժեշտ է մոտավորապես 3 կգ պլուտոնիում կամ 8 կգ 235 U (պայթեցման սխեմայով, իսկ մաքուր 235 U-ի դեպքում՝ մոտավորապես 50 կգ զենք): -Պահանջվում է աստիճանի ուրան (ուրանի 1,895 104 կգ/մ3 խտությամբ, նման զանգվածի գնդիկի շառավիղը մոտավորապես 8,5 սմ է, ինչը զարմանալիորեն համընկնում է մեր գնահատականի հետ։

R = L = 10 սմ):

Այժմ բերենք ավելի խիստ բանաձև՝ տրոհվող նյութի մի կտորի կրիտիկական չափը հաշվարկելու համար:

Ինչպես հայտնի է, ուրանի միջուկի քայքայումից առաջանում են մի քանի ազատ նեյտրոններ։ Դրանցից մի քանիսը թողնում են նմուշը, իսկ ոմանք ներծծվում են այլ միջուկների կողմից՝ պատճառ դառնալով դրանց տրոհման։ Շղթայական ռեակցիան տեղի է ունենում, եթե նմուշում նեյտրոնների թիվը սկսում է աճել ձնահյուսի նման: Կրիտիկական զանգվածը որոշելու համար կարող եք օգտագործել նեյտրոնների դիֆուզիայի հավասարումը.

	∂C	D C + β C
	∂տ

որտեղ C-ն նեյտրոնների կոնցենտրացիան է, β>0-ը նեյտրոնների բազմապատկման ռեակցիայի արագության հաստատունն է (նման է ռադիոակտիվ քայքայման հաստատունին, այն ունի 1/վ չափ, D-ն նեյտրոնների դիֆուզիայի գործակիցն է,

Թող նմուշն ունենա R շառավղով գնդակի ձև: Այնուհետև մենք պետք է գտնենք (1) հավասարման լուծումը, որը բավարարում է սահմանային պայմանին՝ C (R,t )=0:

Կատարենք C = ​​ν e β t փոփոխությունը, ապա

∂C

∂ν

ν = Դ

+ բն e

∂տ

∂տ

Մենք ստացանք ջերմային հաղորդունակության դասական հավասարումը.

∂ν

Դ ն

∂տ

Այս հավասարման լուծումը հայտնի է

π 2 n 2

ν (r, t)=

sin π n re

π 2 n

β −

C(r, t) =

sin π n re

r n = 1

Շղթայական ռեակցիան տեղի կունենա հետևյալ պայմաններում (այսինքն.

C(r, t)

t →∞ → ∞ ), որ առնվազն մեկ n գործակիցը in

ցուցանիշը դրական է:

Եթե ​​β − π 2 n 2 D > 0,

ապա β > π 2 n 2 D և ոլորտի կրիտիկական շառավիղը.

R = π n

Եթե ​​պ

≥ R, ապա ցանկացած n-ի համար աճող էքսպոնենցիալ չի լինի

Եթե ​​պ

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

Եկեք սահմանափակվենք շարքի առաջին անդամով, n =1:

R = π

Կրիտիկական զանգված.

M = ρ V = ρ

Գնդիկի շառավիղի նվազագույն արժեքը, որում տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա, կոչվում է

կրիտիկական շառավիղ , իսկ համապատասխան գնդակի զանգվածը կազմում էկրիտիկական զանգված.

Փոխարինելով R-ի արժեքը՝ մենք ստանում ենք կրիտիկական զանգվածի հաշվարկման բանաձևը.

M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Կրիտիկական զանգվածի արժեքը կախված է նմուշի ձևից, նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցից և նեյտրոնների դիֆուզիայի գործակիցից։ Դրանց որոշումը բարդ փորձարարական խնդիր է, հետևաբար ստացված բանաձևն օգտագործվում է նշված գործակիցները որոշելու համար, իսկ կատարված հաշվարկները կրիտիկական զանգվածի առկայության ապացույց են։

Նմուշի չափի դերն ակնհայտ է. չափի նվազումով, դրա մակերեսով արտանետվող նեյտրոնների տոկոսը մեծանում է, այնպես որ փոքր (կրիտիկականից ցածր) նմուշի չափերի դեպքում շղթայական ռեակցիան անհնար է դառնում նույնիսկ պրոցեսների միջև բարենպաստ հարաբերությունների դեպքում: նեյտրոնների կլանումը և արտադրությունը.

Բարձր հարստացված ուրանի համար կրիտիկական զանգվածը կազմում է մոտ 52 կգ, զենքի համար նախատեսված պլուտոնիումը՝ 11 կգ։ Միջուկային նյութերը գողությունից պաշտպանելու վերաբերյալ կարգավորող փաստաթղթերում նշվում են կրիտիկական զանգվածներ՝ 5 կգ 235 U կամ 2 կգ պլուտոնիում (ատոմային ռումբի պայթյունի նախագծման համար): Թնդանոթների շղթայի համար կրիտիկական զանգվածները շատ ավելի մեծ են: Այս արժեքների հիման վրա կառուցվում է ահաբեկչական հարձակումներից տրոհվող նյութերի պաշտպանության ինտենսիվությունը։

Մեկնաբանություն. 93,5% հարստացված ուրանի մետաղական համակարգի կրիտիկական զանգվածը (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) 52 կգ է առանց ռեֆլեկտորի և 8,9 կգ, երբ համակարգը շրջապատված է բերիլիումի օքսիդի նեյտրոնային ռեֆլեկտորով։ Ուրանի ջրային լուծույթի կրիտիկական զանգվածը մոտավորապես 5 կգ է:

Կրիտիկական զանգվածի արժեքը կախված է նյութի հատկություններից (ինչպիսիք են տրոհումը և ճառագայթումը գրավող խաչմերուկները), խտությունից, կեղտերի քանակից, արտադրանքի ձևից, ինչպես նաև շրջակա միջավայրից: Օրինակ, նեյտրոնային ռեֆլեկտորների առկայությունը կարող է մեծապես նվազեցնել կրիտիկական զանգվածը: Տրված տրոհվող նյութի համար կրիտիկական զանգվածը կազմող նյութի քանակը կարող է տարբեր լինել լայն տիրույթում և կախված է ռեֆլեկտորի խտությունից, բնութագրերից (նյութի տեսակից և հաստությունից) և առկա իներտ լուծիչների բնույթից և տոկոսից։ (օրինակ՝ թթվածինը ուրանի օքսիդում, 238 U՝ մասամբ հարստացված 235 U-ում կամ քիմիական կեղտերում):

Համեմատության նպատակով ներկայացնում ենք առանց ռեֆլեկտորի գնդակների կրիտիկական զանգվածները որոշակի ստանդարտ խտությամբ մի քանի տեսակի նյութերի համար:

Համեմատության համար տալիս ենք կրիտիկական զանգվածների հետևյալ օրինակները՝ 10 կգ 239 Pu, մետաղ ալֆա փուլում։

(խտությունը 19,86 գ/սմ3); 52 կգ 94% 235 U (6% 238 U), մետաղ (խտությունը 18,72 գ/սմ3); 110 կգ UO2 (94% 235 U)

11 գ/սմ3 բյուրեղային խտությամբ; 35 կգ PuO2 (94% 239 Pu) բյուրեղային խտությամբ

ձեւ 11,4 գ/սմ3: Մաքուր տրոհվող նուկլիդների աղերի լուծույթները ջրի նեյտրոնային ռեֆլեկտորով ջրի մեջ ունեն ամենացածր կրիտիկական զանգվածը։ 235 U-ի համար կրիտիկական զանգվածը 0,8 կգ է, 239 Pu-ի համար՝ 0,5 կգ, 251 Cf-ի համար՝

M կրիտիկական զանգվածը կապված է l կրիտիկական երկարության հետ. Ml x, որտեղ x-ը կախված է նմուշի ձևից և տատանվում է 2-ից 3-ի սահմաններում: Ձևից կախվածությունը կապված է նեյտրոնների արտահոսքի հետ մակերևույթից. որքան մեծ է մակերեսը, այնքան մեծ է կրիտիկական զանգվածը: Նվազագույն կրիտիկական զանգված ունեցող նմուշն ունի գնդիկի տեսք։ Աղյուսակ 5. Միջուկային տրոհման ընդունակ մաքուր իզոտոպների գնահատման հիմնական բնութագրերը

								Նեյտրոններ
		Անդորրագիր		Քննադատական	Խտություն	Ջերմաստիճանը	Ջերմության ցրում	ինքնաբուխ
			կես կյանք
		(աղբյուր)			գ/սմ³	հալման °C
			Տ 1/2					105 (կգ վրկ)
	231 Պա
	232U	Ռեակտորը միացված է
		նեյտրոններ
	233U
	235U	Բնական	7,038×108 տարի
	236U		2,3416×107 տարի. կգ
	237 Նպ		2,14×107 տարի
	236 Pu
	238 Pu
	239 Pu
	240 Pu
	241 Pu
	242 Pu
	241
	242 մԱմ
	243 մԱմ
	243:00
	243 սմ
	244 սմ
	245 սմ
	246 սմ
	247 սմ		1,56×107 տարի
	248 սմ
	249 Տես
	250 Cf
	251 Cf
	252 Cf

Եկեք մանրամասնորեն խոսենք որոշ տարրերի իզոտոպների կրիտիկական պարամետրերի մասին: Սկսենք ուրանից։

Ինչպես արդեն մի քանի անգամ նշվել է, 235 U (clark 0.72%) առանձնահատուկ նշանակություն ունի, քանի որ այն տրոհվում է ջերմային նեյտրոնների ազդեցության տակ (σ f = 583 գոմ)՝ արձակելով «ջերմային էներգիայի համարժեք» 2 × 107 կՎտ: × h / k. Քանի որ, բացի α-քայքայվելուց, 235 U-ն նաև ինքնաբուխ տրոհվում է (T 1/2 = 3,5 × 1017 տարի), նեյտրոնները միշտ առկա են ուրանի զանգվածում, ինչը նշանակում է, որ հնարավոր է պայմաններ ստեղծել ինքնության առաջացման համար։ - պահպանելով տրոհման շղթայական ռեակցիան. 93,5% հարստացված ուրանի մետաղի համար կրիտիկական զանգվածն է՝ 51 կգ առանց ռեֆլեկտորի; 8,9 կգ՝ բերիլիումի օքսիդի ռեֆլեկտորով; 21,8 կգ լրիվ ջրի դեֆլեկտորով։ Տրված են ուրանի և նրա միացությունների միատարր խառնուրդների կրիտիկական պարամետրերը

Պլուտոնիումի իզոտոպների կրիտիկական պարամետրերը` 239 Pu. M cr = 9.6 կգ, 241 Pu. M cr = 6.2 կգ, 238 Pu. M cr = 12-ից 7.45 կգ: Ամենահետաքրքիրը իզոտոպների խառնուրդներն են՝ 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu: 238 Pu-ի բարձր հատուկ էներգիայի արտազատումը հանգեցնում է մետաղի օքսիդացման օդում, ուստի, ամենայն հավանականությամբ, այն կօգտագործվի օքսիդների տեսքով: Երբ արտադրվում է 238 Pu, ուղեկցող իզոտոպը 239 Pu է: Խառնուրդում այս իզոտոպների հարաբերակցությունը որոշում է և՛ կրիտիկական պարամետրերի արժեքը, և՛ դրանց կախվածությունը մոդերատորի պարունակությունը փոխելուց: 238 Pu-ի մերկ մետաղական գնդիկի կրիտիկական զանգվածի տարբեր գնահատականները տալիս են 12-ից 7,45 կգ-ի արժեքներ՝ համեմատած 9,6 կգ-ի 239 Pu-ի կրիտիկական զանգվածի հետ: Քանի որ 239 Pu միջուկը պարունակում է կենտ թվով նեյտրոններ, կրիտիկական զանգվածը կնվազի, երբ համակարգին ջուր ավելացվի: 238 Pu կրիտիկական զանգվածը մեծանում է ջրի ավելացման հետ: Այս իզոտոպների խառնուրդի դեպքում ջրի ավելացման զուտ ազդեցությունը կախված է իզոտոպների հարաբերակցությունից: Երբ 239 Pu-ի զանգվածային պարունակությունը հավասար է 37%-ի կամ ավելի քիչ, 239 Pu և 238 Pu իզոտոպների խառնուրդի կրիտիկական զանգվածը չի նվազում, երբ համակարգին ջուր ավելացվում է: Այս դեպքում 239 Pu-238 Pu երկօքսիդների թույլատրելի քանակը 8 կգ է։ Ուրիշների հետ

երկօքսիդների հարաբերակցությունները 238 Pu և 239 Pu, կրիտիկական զանգվածի նվազագույն արժեքը տատանվում է 500 գ-ից մաքուր 239 Pu-ի համար մինչև 24,6 կգ մաքուր 238 Pu-ի համար:

Աղյուսակ 6. Ուրանի կրիտիկական զանգվածի և կրիտիկական ծավալի կախվածությունը 235 U-ով հարստացումից։

Նշում։ I - մետաղական ուրանի և ջրի համասեռ խառնուրդ; II - ուրանի երկօքսիդի և ջրի համասեռ խառնուրդ; III - ջրի մեջ ուրանիլ ֆտորիդի լուծույթ; IV - ուրանի նիտրատի լուծույթ ջրի մեջ: * Տվյալները ստացվել են գրաֆիկական ինտերպոլացիայի միջոցով:

Կենտ թվով նեյտրոններով մեկ այլ իզոտոպ է 241 Pu: Նվազագույն կրիտիկական զանգվածի արժեքը 241 Pu-ի համար ձեռք է բերվում ջրային լուծույթներում 30 գ/լ կոնցենտրացիայով և կազմում է 232 կգ: Երբ ճառագայթված վառելիքից ստացվում է 241 Pu, այն միշտ ուղեկցվում է 240 Pu-ով, որը բովանդակությամբ չի գերազանցում այն։ Իզոտոպների խառնուրդում նուկլիդների հավասար հարաբերակցությամբ 241 Pu նվազագույն կրիտիկական զանգվածը գերազանցում է 239 Pu կրիտիկական զանգվածը։ Հետևաբար, 241 Pu իզոտոպի նվազագույն կրիտիկական զանգվածի նկատմամբ

միջուկային անվտանգության գնահատումը կարող է փոխարինվել 239 Pu-ով, եթե իզոտոպների խառնուրդը պարունակում է հավասար քանակությամբ

241 Pu եւ 240 Pu.

Աղյուսակ 7. Ուրանի նվազագույն կրիտիկական պարամետրերը 100% հարստացումով 233 U.

Այժմ դիտարկենք ամերիցիումի իզոտոպների կրիտիկական բնութագրերը: 241 Am և 243 Am իզոտոպների առկայությունը խառնուրդում մեծացնում է 242 մ Am կրիտիկական զանգվածը: Ջրային լուծույթների համար գոյություն ունի իզոտոպային հարաբերակցություն, որի դեպքում համակարգը միշտ ենթակրիտիկական է: Երբ 242 մ Am-ի զանգվածային պարունակությունը 241 Ամ և 242 մ Ամ խառնուրդում 5%-ից պակաս է, համակարգը մնում է ենթակրիտիկական մինչև ամերիցիումի կոնցենտրացիան լուծույթներում և երկօքսիդի մեխանիկական խառնուրդներում ջրի հետ հավասար 2500 գ/լ: Աճում է նաև 243 Am-ը 242m Am-ին խառնված

խառնուրդի կրիտիկական զանգվածը, բայց ավելի փոքր չափով, քանի որ ջերմային նեյտրոնների գրավման խաչմերուկը 243 Am-ի համար 241 Am-ի մեծության կարգով ցածր է:

Աղյուսակ 8. Միատարր պլուտոնիումի (239 Pu+240 Pu) գնդաձեւ հավաքույթների կրիտիկական պարամետրերը.

Աղյուսակ 9. Պլուտոնիումի միացությունների կրիտիկական զանգվածի և ծավալի կախվածությունը պլուտոնիումի իզոտոպային կազմից

* Հիմնական նուկլիդ 94,239 Pu.

Նշում: I - մետաղական պլուտոնիումի և ջրի համասեռ խառնուրդ; II - պլուտոնիումի երկօքսիդի և ջրի համասեռ խառնուրդ; III պլուտոնիումի օքսալատի և ջրի համասեռ խառնուրդ; IV - ջրի մեջ պլուտոնիումի նիտրատի լուծույթ:

Աղյուսակ 10. 242 մ Am նվազագույն կրիտիկական զանգվածի կախվածությունը դրա պարունակությունից 242 մ Am և 241 Ամ խառնուրդում (կրիտիկական զանգվածը հաշվարկվում է AmO2 + H2 O-ի համար գնդաձև երկրաչափության մեջ ջրի ռեֆլեկտորով).

	Կրիտիկական զանգված 242 մ Am, g

245 սմ ցածր զանգվածային մասնաբաժնի դեպքում պետք է հաշվի առնել, որ 244 սմ-ն ունի նաև վերջնական կրիտիկական զանգված առանց մոդերատորների համակարգերում: Կուրիումի այլ իզոտոպներ՝ կենտ թվով նեյտրոններով, ունեն նվազագույն կրիտիկական զանգված 245 սմ-ից մի քանի անգամ։ CmO2 + H2 O խառնուրդում 243 Cm իզոտոպն ունի մոտ 108 գ նվազագույն կրիտիկական զանգված, իսկ 247 սմ - մոտ 1170 գ

Կրիտիկական զանգված կարելի է համարել, որ 245 սմ-ի 1 գ-ը համարժեք է 3 գ 243 սմ-ին կամ 30 գ 247 սմ-ին: Նվազագույն կրիտիկական զանգվածը 245 սմ, գ, կախված 245 սմ պարունակությունից իզոտոպների խառնուրդում 244 սմ և 245 սմ CmO2 +-ի համար:

H2 O-ն բավականին լավ նկարագրված է բանաձևով

	M cr = 35,5 +
		ξ + 0,003

որտեղ ξ 245 սմ զանգվածային բաժինն է կուրիումի իզոտոպների խառնուրդում։

Կրիտիկական զանգվածը կախված է տրոհման ռեակցիայի խաչմերուկից: Զենք ստեղծելիս կարելի է օգտագործել բոլոր տեսակի հնարքներ՝ պայթյունի համար անհրաժեշտ կրիտիկական զանգվածը նվազեցնելու համար։ Այսպիսով, ատոմային ռումբ ստեղծելու համար անհրաժեշտ է 8 կգ ուրան-235 (իմպուլյացիայի սխեմայով և մաքուր ուրան-235-ի դեպքում, ուրանի 235-ի 90%-ը և ատոմային ռումբի տակառային սխեմայով օգտագործելիս՝ ժ. պահանջվում է առնվազն 45 կգ զենքի համար նախատեսված ուրան): Կրիտիկական զանգվածը կարող է զգալիորեն կրճատվել՝ տրոհվող նյութի նմուշը շրջապատելով նյութի շերտով, որն արտացոլում է նեյտրոնները, ինչպիսիք են բերիլիումը կամ բնական ուրանը: Ռեֆլեկտորը վերադարձնում է նեյտրոնների զգալի մասը, որոնք արտանետվում են նմուշի մակերեսով: Օրինակ, եթե դուք օգտագործում եք 5 սմ հաստությամբ ռեֆլեկտոր, որը պատրաստված է այնպիսի նյութերից, ինչպիսիք են ուրանը, երկաթը, գրաֆիտը, կրիտիկական զանգվածը կկազմի «մերկ գնդակի» կրիտիկական զանգվածի կեսը: Ավելի հաստ ռեֆլեկտորները նվազեցնում են կրիտիկական զանգվածը: Հատկապես արդյունավետ է բերիլիումը, որն ապահովում է ստանդարտ կրիտիկական զանգվածի 1/3 կրիտիկական զանգված: Ջերմային նեյտրոնային համակարգն ունի ամենամեծ կրիտիկական ծավալը և նվազագույն կրիտիկական զանգվածը։

Կարևոր դեր է խաղում տրոհվող նուկլիդի հարստացման աստիճանը։ 0,7% 235 U պարունակությամբ բնական ուրան չի կարող օգտագործվել ատոմային զենքի արտադրության համար, քանի որ մնացած ուրանը (238 U) ինտենսիվորեն կլանում է նեյտրոնները՝ կանխելով շղթայական գործընթացի զարգացումը։ Ուստի ուրանի իզոտոպները պետք է առանձնացվեն, ինչը բարդ և ժամանակատար խնդիր է։ Տարանջատումը պետք է իրականացվի մինչև 235 U 95%-ից բարձր հարստացման աստիճաններ: Ճանապարհին անհրաժեշտ է ազատվել բարձր նեյտրոնային գրավման խաչմերուկ ունեցող տարրերի կեղտերից:

Մեկնաբանություն. Զենքի համար նախատեսված ուրան պատրաստելիս նրանք ոչ միայն ազատվում են ավելորդ կեղտերից, այլ դրանք փոխարինում են այլ կեղտերով, որոնք նպաստում են շղթայական գործընթացին, օրինակ՝ ներմուծում են տարրեր, որոնք գործում են որպես նեյտրոնային բազմապատկիչ:

Ուրանի հարստացման մակարդակը էական ազդեցություն ունի կրիտիկական զանգվածի արժեքի վրա։ Օրինակ, 235 U 50% հարստացված ուրանի կրիտիկական զանգվածը 160 կգ է (ուրանի 94% զանգվածից 3 անգամ), իսկ 20% ուրանի կրիտիկական զանգվածը 800 կգ է (այսինքն ~15 անգամ կրիտիկական զանգվածը 94-ից): % ուրան): Նմանատիպ գործակիցներ՝ կախված հարստացման մակարդակից, կիրառվում են ուրանի օքսիդի նկատմամբ։

Կրիտիկական զանգվածը հակադարձ համեմատական ​​է նյութի խտության քառակուսուն M k ~1/ρ 2, . Այսպիսով, մետաղական պլուտոնիումի կրիտիկական զանգվածը դելտայի փուլում (խտությունը 15,6 գ/սմ3) կազմում է 16 կգ։ Այս հանգամանքը հաշվի է առնվում կոմպակտ ատոմային ռումբ նախագծելիս։ Քանի որ նեյտրոնների գրավման հավանականությունը համաչափ է միջուկների կոնցենտրացիայի հետ, նմուշի խտության աճը, օրինակ, դրա սեղմման արդյունքում, կարող է հանգեցնել նմուշում կրիտիկական վիճակի ի հայտ գալուն։ Միջուկային պայթուցիկ սարքերում անվտանգ ենթակրիտիկական վիճակում գտնվող տրոհվող նյութի զանգվածը ուղղորդված պայթյունի միջոցով վերածվում է պայթուցիկ գերկրիտիկական վիճակի՝ լիցքը ենթարկելով սեղմման բարձր աստիճանի:

Երկու ամսից մի փոքր ավելի է անցել մարդկության պատմության մեջ ամենավատ պատերազմի ավարտից։ Եվ այսպես, 1945 թվականի հուլիսի 16-ին ամերիկացի զինվորականները փորձարկեցին առաջին միջուկային ռումբը, և մեկ ամիս անց ճապոնական քաղաքների հազարավոր բնակիչներ մահացան ատոմային դժոխքում։ Դրանից հետո զենքերը, ինչպես նաև դրանք թիրախներ հասցնելու միջոցները շարունակաբար կատարելագործվել են ավելի քան կես դար։

Զինվորականները ցանկանում էին իրենց տրամադրության տակ ունենալ ինչպես գերհզոր զինամթերք, որը կարող էր մեկ հարվածով ամբողջ քաղաքներն ու երկրները հեռացնել քարտեզից, այնպես էլ չափազանց փոքր զինամթերք, որը կարող էր տեղավորվել պայուսակի մեջ: Նման սարքը դիվերսիոն պատերազմը կհասցնի մինչ այժմ աննախադեպ մակարդակի։ Ե՛վ առաջինի, և՛ երկրորդի հետ առաջացան անհաղթահարելի դժվարություններ։ Այսպես կոչված կրիտիկական զանգվածն է մեղավոր։ Այնուամենայնիվ, առաջին հերթին:

Այսպիսի պայթուցիկ միջուկ

Որպեսզի հասկանանք միջուկային սարքերի աշխատանքը և հասկանանք, թե ինչ է կոչվում կրիտիկական զանգված, եկեք մի պահ վերադառնանք մեր սեղանին: Մեր դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացից մենք հիշում ենք մի պարզ կանոն. Այնտեղ ավագ դպրոցում աշակերտներին սովորեցնում են ատոմային միջուկի կառուցվածքը՝ բաղկացած նեյտրոններից, չեզոք մասնիկներից և դրական լիցքավորված պրոտոններից։ Բայց ինչպե՞ս է դա հնարավոր։ Դրական լիցքավորված մասնիկներն այնքան մոտ են գտնվում միմյանց, որ վանող ուժերը պետք է հսկայական լինեն։

Գիտությունը լիովին չի հասկանում ներմիջուկային ուժերի բնույթը, որոնք միասին պահում են պրոտոնները, թեև այդ ուժերի հատկությունները բավականին լավ են ուսումնասիրվել։ Ուժերը գործում են միայն շատ մոտ հեռավորությունների վրա: Բայց հենց որ պրոտոնները թեկուզ փոքր-ինչ բաժանվում են տարածության մեջ, սկսում են գերակշռել վանող ուժերը, և միջուկը կտոր-կտոր է ցրվում։ Եվ նման ընդլայնման ուժը իսկապես հսկայական է: Հայտնի է, որ չափահաս տղամարդու ուժը չի բավականացնի կապարի ատոմի միայն մեկ միջուկի պրոտոնները պահելու համար։

Ինչի՞ց էր վախենում Ռադերֆորդը։

Պարբերական աղյուսակի տարրերի մեծ մասի միջուկները կայուն են: Այնուամենայնիվ, քանի որ ատոմային թիվը մեծանում է, այս կայունությունը նվազում է: Դա միջուկի չափի խնդիր է: Պատկերացնենք ուրանի ատոմի միջուկը՝ բաղկացած 238 նուկլիդներից, որոնցից 92-ը պրոտոններ են։ Այո, պրոտոնները սերտ շփման մեջ են միմյանց հետ, և ներմիջուկային ուժերը հուսալիորեն ցեմենտավորում են ամբողջ կառուցվածքը: Բայց նկատելի է դառնում միջուկի հակառակ ծայրերում տեղակայված պրոտոնների վանող ուժը։

Ի՞նչ էր անում Ռադերֆորդը: Նա ռմբակոծեց ատոմները նեյտրոններով (էլեկտրոնը չէր անցնի ատոմի էլեկտրոնային թաղանթով, իսկ դրական լիցքավորված պրոտոնը վանող ուժերի պատճառով չէր կարողանա մոտենալ միջուկին)։ Ատոմի միջուկ մտնելով նեյտրոնը առաջացրել է նրա տրոհումը։ Երկու առանձին կեսեր և երկու կամ երեք ազատ նեյտրոններ, որոնք ցրված են կողմերին:

Այս քայքայումը, շնորհիվ թռչող մասնիկների ահռելի արագության, ուղեկցվում էր հսկայական էներգիայի արտազատմամբ։ Խոսակցություն կար, որ Ռադերֆորդը նույնիսկ ցանկանում էր թաքցնել իր հայտնագործությունը՝ վախենալով մարդկության համար դրա հնարավոր հետևանքներից, բայց դա, ամենայն հավանականությամբ, ոչ այլ ինչ է, քան հեքիաթներ։

Այսպիսով, ի՞նչ կապ ունի զանգվածը դրա հետ և ինչու է այն կարևոր:

Եւ ինչ? Ինչպե՞ս կարող եք պրոտոնների հոսքով ճառագայթել բավականաչափ ռադիոակտիվ մետաղ՝ հզոր պայթյուն ստեղծելու համար: Իսկ ի՞նչ է կրիտիկական զանգվածը։ Խոսքը գնում է այն մի քանի ազատ էլեկտրոնների մասին, որոնք դուրս են թռչում «ռմբակոծված» ատոմային միջուկից, նրանք, իր հերթին, բախվում են այլ միջուկների և առաջացնում դրանց տրոհում: Այսպես կոչվածը կսկսվի, սակայն այն գործարկելը չափազանց դժվար կլինի։

Եկեք ճշտենք մասշտաբները. Եթե ​​մեր սեղանի վրա վերցնենք խնձորը որպես ատոմի միջուկ, ապա հարեւան ատոմի միջուկը պատկերացնելու համար նույն խնձորը պետք է տանել և դնել սեղանին ոչ թե կողքի սենյակում, այլ... կողքի տանը։ Նեյտրոնը կկազմի բալի փոսի չափ:

Ապահովելու համար, որ արձակված նեյտրոնները իզուր չեն թռչում ուրանի ձուլակտորից դուրս, և դրանց 50%-ից ավելին թիրախ է գտնում ձևով. ատոմային միջուկներ, այս ձուլակտորը պետք է ունենա համապատասխան չափսեր։ Սա այն է, ինչ կոչվում է ուրանի կրիտիկական զանգված՝ այն զանգվածը, որի դեպքում արձակված նեյտրոնների կեսից ավելին բախվում է այլ միջուկների:

Իրականում դա տեղի է ունենում մի ակնթարթում։ Պառակտված միջուկների թիվն աճում է ձնահյուսի պես, դրանց բեկորները լույսի արագությանը համեմատելի արագությամբ հոսում են բոլոր ուղղություններով՝ պատռելով օդը, ջուրը և ցանկացած այլ միջավայր: Մոլեկուլների հետ նրանց բախումներից միջավայրըպայթյունի տարածքը ակնթարթորեն տաքանում է մինչև միլիոնավոր աստիճաններ՝ արտանետելով ջերմություն, որը մի քանի կիլոմետրի ընթացքում այրում է ամեն ինչ։

Կտրուկ տաքացվող օդը ակնթարթորեն մեծանում է չափերով՝ ստեղծելով հզոր հարվածային ալիք, որը փչում է շենքերը դրանց հիմքից, շրջում ու ոչնչացնում ամեն ինչ իր ճանապարհին... սա ատոմային պայթյունի պատկերն է։

Ինչպիսի՞ն է սա գործնականում:

Ատոմային ռումբի դիզայնը զարմանալիորեն պարզ է. Կան ուրանի երկու ձուլակտորներ (կամ մեկ այլ ձուլակտոր, որոնցից յուրաքանչյուրի զանգվածը մի փոքր փոքր է կրիտիկական զանգվածից։ Ձուլակտորներից մեկը պատրաստված է կոնի տեսքով, մյուսը՝ կոնաձև անցք ունեցող գնդիկ։ Դուք կարող եք կռահել, երբ երկու կեսերը միավորվում են, ստացվում է գնդակ, որը հասնում է կրիտիկական զանգվածի: Սա ստանդարտ ամենապարզ միջուկային ռումբն է:

Բայց դուք չպետք է մտածեք, որ որևէ մեկը կարող է նման սարք հավաքել «ծնկների վրա»: Խաբեությունն այն է, որ ուրան, որպեսզի դրանից ռումբ պայթի, պետք է շատ մաքուր լինի, կեղտերի առկայությունը գործնականում զրոյական է։

Ինչու չկա ծխախոտի տուփի չափ ատոմային ռումբ

Բոլորը նույն պատճառով: Ամենատարածված իզոտոպի՝ ուրանի 235-ի կրիտիկական զանգվածը մոտ 45 կգ է։ Միջուկային վառելիքի նման քանակի պայթյունն արդեն իսկ աղետ է։ Եվ անհնար է այն պատրաստել ավելի քիչ նյութով, այն պարզապես չի աշխատի:

Նույն պատճառով հնարավոր չէր ուրանի կամ այլ ռադիոակտիվ մետաղներից գերհզոր ատոմային լիցքեր ստեղծել։ Որպեսզի ռումբը շատ հզոր լիներ, այն պատրաստում էին մեկ տասնյակ ձուլակտորներից, որոնք պայթեցնող լիցքեր պայթեցնելիս շտապում էին կենտրոն՝ միանալով նարնջի կտորների նման։

Բայց ի՞նչ է եղել իրականում։ Եթե ​​ինչ-ինչ պատճառներով երկու տարրերը հանդիպեցին մեկ հազարերորդական վայրկյանից շուտ, քան մյուսները, ապա կրիտիկական զանգվածն ավելի արագ էր հասնում, քան մյուսները «ժամանում էին», և պայթյունը տեղի չէր ունենում այն ​​ուժով, որի վրա ակնկալում էին դիզայներները: Գերհզոր միջուկային զենքի խնդիրը լուծվեց միայն ջերմամիջուկային զենքի հայտնվելով։ Բայց դա մի փոքր այլ պատմություն է:

Ինչպե՞ս է գործում խաղաղ ատոմը:

Ատոմակայանը ըստ էության նույնն է, ինչ միջուկային ռումբը։ Միայն այս «ռումբում» ուրանից պատրաստված վառելիքի ձողերը (վառելիքի տարրերը) գտնվում են միմյանցից որոշ հեռավորության վրա, ինչը չի խանգարում նրանց փոխանակել նեյտրոնային «հարվածներ»։

Վառելիքի ձողերը պատրաստվում են ձողերի տեսքով, որոնց միջև կան հսկիչ ձողեր՝ պատրաստված նեյտրոնները լավ ներծծող նյութից։ Գործողության սկզբունքը պարզ է.

• հսկիչ (ներծծող) ձողերը ներմուծվում են ուրանի ձողերի միջև ընկած տարածության մեջ - ռեակցիան դանդաղում է կամ ընդհանրապես դադարում.
• հսկիչ ձողերը հանվում են գոտուց. ռադիոակտիվ տարրերը ակտիվորեն փոխանակում են նեյտրոնները, միջուկային ռեակցիան ավելի ինտենսիվ է ընթանում:

Իրոք, արդյունքը նույն ատոմային ռումբն է, որի կրիտիկական զանգվածը ձեռք է բերվում այնքան սահուն և այնքան հստակ կարգավորվում, որ դա չի հանգեցնում պայթյունի, այլ միայն հովացուցիչ նյութի տաքացման:

Թեև, ցավոք, ինչպես ցույց է տալիս պրակտիկան, մարդկային հանճարը միշտ չէ, որ կարողանում է զսպել այս հսկայական և կործանարար էներգիան՝ ատոմային միջուկի քայքայման էներգիան:

Ձեռնարկ քաղաքացիների համար «Զգույշ ճառագայթում»

Ատոմային միջուկների տրոհում

Ատոմային միջուկների ճեղքումը ինքնաբուխ է կամ նեյտրոնների ազդեցության տակ, ատոմային միջուկը բաժանելով 2 մոտավորապես հավասար մասերի, երկու «բեկորների»:

Բեկորները Դ.Ի. Մենդելեևի աղյուսակի կենտրոնական մասում գտնվող տարրերի երկու ռադիոակտիվ իզոտոպներ են՝ մոտավորապես պղնձից մինչև լանտանիդային տարրերի կեսը (սամարիում, եվրոպիում):

Ճեղքման ժամանակ արտանետվում է 2-3 հավելյալ նեյտրոն և ավելորդ էներգիա՝ գամմա քվանտաների տեսքով, շատ ավելի մեծ, քան ռադիոակտիվ քայքայման ժամանակ։ Եթե ​​ռադիոակտիվ քայքայման մեկ գործողության համար սովորաբար լինում է մեկ գամմա ճառագայթ, ապա տրոհման 1 գործողության համար կա 8–10 գամմա քվանտա։ Բացի այդ, թռչող բեկորներն ունեն բարձր կինետիկ էներգիա (արագություն), որը վերածվում է ջերմային էներգիայի։

Արտանետվող նեյտրոնները կարող են առաջացնել երկու կամ երեք նմանատիպ միջուկների տրոհում, եթե դրանք մոտակայքում են, և եթե նեյտրոնները հարվածում են դրանց։

Այսպիսով, հնարավոր է դառնում իրականացնել ատոմային միջուկների տրոհման ճյուղավորվող, արագացող շղթայական ռեակցիա՝ հսկայական էներգիայի արտազատմամբ։

Եթե ​​շղթայական ռեակցիան վերահսկվում է, դրա զարգացումը վերահսկվում է, չի թույլատրվում արագանալ, և արտազատվող էներգիան (ջերմությունը) անընդհատ հեռացվում է, ապա այդ էներգիան («միջուկային էներգիա») կարող է օգտագործվել կա՛մ ջեռուցման, կա՛մ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար։ . Դա արվում է ատոմային ռեակտորներում և ատոմակայաններում։

Եթե ​​շղթայական ռեակցիան թույլ է տալիս զարգանալ անվերահսկելի, ապա տեղի կունենա ատոմային (միջուկային) պայթյուն: Սա արդեն միջուկային զենք է։

Բնության մեջ կա միայն մեկ քիմիական տարր՝ ուրան, որն ունի միայն մեկ տրոհվող իզոտոպ. ուրան-235. Սա զենքի դասի ուրան. Իսկ բնական ուրանի մեջ այս իզոտոպը կազմում է 0,7%, այսինքն՝ ընդամենը 7 կգ մեկ տոննայի համար։ Մնացած 99,3%-ը (993 կգ մեկ տոննան) չտրոհվող իզոտոպ է՝ ուրան-238։ Կա, սակայն, ևս մեկ իզոտոպ՝ ուրան-234, բայց այն կազմում է ընդամենը 0,006% (60 գրամ մեկ տոննայի համար)։

Բայց սովորական ուրանի միջուկային ռեակտորում, ոչ տրոհվող («ոչ զենքի դասի») ուրան-238-ից, նեյտրոնների ազդեցության տակ (նեյտրոնների ակտիվացում!) ձևավորվում է ուրանի նոր իզոտոպ՝ ուրան-239, և այն (կրկնակի բետա մինուս քայքայմամբ) նոր, արհեստական, ոչ բնական պլուտոնիումի տարր է: Այս դեպքում անմիջապես ձևավորվում է պլուտոնիումի տրոհվող իզոտոպ. պլուտոնիում-239. Սա զենքի դասի պլուտոնիում.

Ատոմային միջուկների տրոհումը ատոմային զենքի և միջուկային էներգիայի էությունն է, հիմքը։

Կրիտիկական զանգվածը զենքի մակարդակի իզոտոպի քանակն է, որի դեպքում միջուկների ինքնաբուխ տրոհման ժամանակ արձակված նեյտրոնները դուրս չեն թռչում, այլ մտնում են հարևան միջուկներ և առաջացնում դրանց արհեստական ​​տրոհումը:

Մետաղական ուրանի 235 կրիտիկական զանգվածը 52 կգ է։ Սա 18 սմ տրամագծով գնդակ է:

Մետաղական պլուտոնիում-239 կրիտիկական զանգվածը 11 կգ է (իսկ որոշ հրապարակումների համաձայն՝ 9 և նույնիսկ 6 կգ)։ Սա մոտ 9-10 սմ տրամագծով գնդակ է:

Այսպիսով, մարդկությունն այժմ ունի երկու տրոհվող, զենքի մակարդակի իզոտոպներ՝ ուրան-235 և պլուտոնիում-239: Նրանց միջև միակ տարբերությունն այն է, որ ուրանը, նախ, ավելի հարմար է միջուկային էներգիայի մեջ օգտագործելու համար. այն թույլ է տալիս վերահսկել դրա շղթայական ռեակցիան, և երկրորդ, այն ավելի քիչ արդյունավետ է անվերահսկելի շղթայական ռեակցիա՝ ատոմային պայթյուն իրականացնելու համար. միջուկների ավելի ցածր արագությամբ ինքնաբուխ տրոհում և ավելի մեծ կրիտիկական զանգված: Զենքի դասի պլուտոնիումը, ընդհակառակը, ավելի հարմար է միջուկային զենքի համար. այն ունի միջուկային ինքնաբուխ տրոհման բարձր արագություն և շատ ավելի ցածր կրիտիկական զանգված: Պլուտոնիում-239-ը թույլ չի տալիս հուսալիորեն վերահսկել իր շղթայական ռեակցիան և, հետևաբար, դեռևս չի գտել լայն կիրառություն միջուկային էներգիայում կամ միջուկային ռեակտորներում:

Այդ իսկ պատճառով զենքային ուրանի հետ կապված բոլոր խնդիրները լուծվեցին մի քանի տարիների ընթացքում, իսկ միջուկային էներգիայում պլուտոնիում օգտագործելու փորձերը շարունակվում են մինչ օրս՝ ավելի քան 60 տարի։

Այսպիսով, ուրանի միջուկային տրոհման հայտնաբերումից երկու տարի անց գործարկվեց աշխարհում առաջին ուրանի միջուկային ռեակտորը (1942 թ. դեկտեմբեր, Էնրիկո Ֆերմի, ԱՄՆ), իսկ երկուսուկես տարի անց (1945 թ.) ամերիկացիները պայթեցրին ուրանի առաջին ռումբը։

Իսկ պլուտոնիումով... Առաջին պլուտոնիումային ռումբը պայթեցվել է 1945 թվականին, այսինքն՝ որպես քիմիական տարր հայտնաբերելուց և տրոհման հայտնաբերումից մոտ չորս տարի անց։ Ավելին, դրա համար անհրաժեշտ էր նախ կառուցել ուրանի միջուկային ռեակտոր, այս ռեակտորում պլուտոնիում արտադրել ուրան-238-ից, ապա մեկուսացնել այն ճառագայթված ուրանից, լավ ուսումնասիրել դրա հատկությունները և պատրաստել ռումբ։ Մշակված, հատկացված, արտադրված: Սակայն պլուտոնիումի միջուկային ռեակտորներում պլուտոնիումը որպես միջուկային վառելիք օգտագործելու հնարավորության մասին խոսակցությունները մնացել են խոսակցություններ և այդպես են մնացել ավելի քան 60 տարի:

Ճեղքման գործընթացը կարող է բնութագրվել «կիսաժամկետով»:

Կիսաբաժանման ժամանակաշրջաններն առաջին անգամ գնահատել են Կ.Ա.Պետրժակը և Գ.Ի.Ֆլերովը 1940թ.

Ե՛վ ուրանի, և՛ պլուտոնիումի համար դրանք չափազանց մեծ են: Այսպիսով, ըստ տարբեր գնահատականների, ուրանի 235-ի կիսամյակը մոտավորապես 10^17 է (կամ 10^18 տարի (Ֆիզիկական հանրագիտարանային բառարան), այլ տվյալներով՝ 1,8·10^17 տարի: Իսկ պլուտոնիում-239-ի համար ( ըստ այդ նույն բառարանի) զգալիորեն պակաս է՝ մոտավորապես 10^15,5 տարի այլ տվյալներով՝ 4·10^15 տարի;

Համեմատության համար հիշեք կիսատ կյանքը (T 1/2). Այսպիսով, U-235-ի համար այն «ընդամենը» 7,038·10^8 տարի է, իսկ Pu-239-ի համար այն ավելի քիչ է` 2,4·10^4 տարի:

Ընդհանուր առմամբ, շատ ծանր ատոմների միջուկներ՝ սկսած ուրանից, կարող են տրոհվել։ Բայց խոսքը երկու հիմնականների մասին է, որոնք 60 տարուց ավելի մեծ գործնական նշանակություն ունեն։ Մյուսները ավելի շուտ զուտ գիտական ​​հետաքրքրություն են ներկայացնում:

Որտեղի՞ց են գալիս ռադիոնուկլիդները:

Ռադիոնուկլիդները ստացվում են երեք աղբյուրներից (երեք եղանակով).

Առաջին աղբյուրը բնությունն է։ Սա բնական ռադիոնուկլիդներ, որոնք գոյատևել են, գոյատևել են մինչև մեր ժամանակները իրենց ձևավորման պահից (հնարավոր է ձևավորման ժամանակից Արեգակնային համակարգկամ Տիեզերքը), քանի որ նրանք ունեն երկար կիսատ կյանք, ինչը նշանակում է, որ նրանց կյանքը երկար է: Բնականաբար, նրանցից շատ ավելի քիչ են մնացել, քան սկզբում։ Արդյունահանվում են բնական հումքից։

Երկրորդ և երրորդ աղբյուրները արհեստական ​​են։

Արհեստական ​​ռադիոնուկլիդները ձևավորվում են երկու եղանակով.

Առաջինը - բեկորային ծագման ռադիոնուկլիդներ, որոնք առաջանում են ատոմային միջուկների տրոհման արդյունքում։ Սրանք «տրոհման բեկորներ» են։ Բնականաբար, դրանց հիմնական մասը ձևավորվում է տարբեր նպատակներով միջուկային ռեակտորներում, որոնցում իրականացվում է վերահսկվող շղթայական ռեակցիա, ինչպես նաև միջուկային զենքի փորձարկման ժամանակ (չվերահսկվող շղթայական ռեակցիա): Դրանք հայտնաբերվել են ռազմական ռեակտորներից արդյունահանվող ճառագայթված ուրանում («արդյունաբերական ռեակտորներից»), և հսկայական քանակությամբ՝ ատոմակայանների ռեակտորներից արդյունահանվող օգտագործված միջուկային վառելիքում (SNF):

Նախկինում դրանք բնական միջավայր էին բաց թողնվում միջուկային փորձարկումների և ճառագայթված ուրանի մշակման ժամանակ։ Ներկայումս դրանք շարունակում են ընկնել աշխատած վառելիքի վերամշակման (վերամշակման) ժամանակ, ինչպես նաև ատոմակայաններում և ռեակտորներում վթարների ժամանակ։ Անհրաժեշտության դեպքում դրանք արդյունահանվում էին ճառագայթված ուրանից, իսկ այժմ՝ օգտագործված միջուկային վառելիքից։

Երկրորդներն են ակտիվացման ծագման ռադիոնուկլիդներ. Դրանք առաջանում են սովորական կայուն իզոտոպներից՝ ակտիվացման արդյունքում, այսինքն՝ երբ որոշ ենթաատոմային մասնիկներ մտնում են կայուն ատոմի միջուկ, ինչի արդյունքում կայուն ատոմը դառնում է ռադիոակտիվ։ Դեպքերի ճնշող մեծամասնությունում արկի նման մասնիկը նեյտրոն է։ Ուստի արհեստական ​​ռադիոնուկլիդներ ստանալու համար սովորաբար օգտագործվում է նեյտրոնների ակտիվացման մեթոդը։ Այն բաղկացած է ցանկացած ձևով (մետաղ, աղ, քիմիական միացություն) ցանկացած քիմիական տարրի կայուն իզոտոպը որոշակի ժամանակով ռեակտորի միջուկում տեղադրելուց։ Եվ քանի որ ռեակտորի միջուկում ամեն վայրկյան արտադրվում է հսկայական քանակությամբ նեյտրոններ, հետևաբար ամեն ինչ քիմիական տարրեր, որոնք գտնվում են ակտիվ գոտում կամ մոտակայքում աստիճանաբար դառնում են ռադիոակտիվ։ Այն տարրերը, որոնք լուծվում են ռեակտորի հովացման ջրում, նույնպես ակտիվանում են։

Ավելի քիչ տարածված է մասնիկների արագացուցիչներում կայուն իզոտոպը պրոտոններով, էլեկտրոններով և այլն ռմբակոծելու մեթոդը:

Ռադիոնուկլիդները բնական են. բնական ծագումիսկ արհեստական՝ մասնատման և ակտիվացման ծագումը։ Բնական միջավայրում միշտ եղել է բեկորային ծագման ռադիոնուկլիդների աննշան քանակություն, քանի որ դրանք առաջանում են ուրանի-235 միջուկների ինքնաբուխ տրոհման արդյունքում։ Բայց դրանք այնքան քիչ են, որ ժամանակակից վերլուծության միջոցով հնարավոր չէ հայտնաբերել։

Տարբեր տեսակի ռեակտորների միջուկում նեյտրոնների թիվն այնպիսին է, որ մոտ 10^14 նեյտրոն 1 վայրկյանում միջուկի ցանկացած կետով թռչում է 1սմ^2 խաչմերուկով։

Իոնացնող ճառագայթման չափում. Սահմանումներ

Միշտ չէ, որ հարմար կամ նպատակահարմար է բնութագրել միայն իոնացնող ճառագայթման աղբյուրները (IIR) և միայն դրանց ակտիվությունը (քայքայման դեպքերի թիվը): Եվ բանը միայն այն չէ, որ ակտիվությունը կարող է չափվել, որպես կանոն, միայն ստացիոնար պայմաններում շատ բարդ կայանքներում։ Գլխավորն այն է, որ տարբեր իզոտոպների քայքայման մեկ գործողության ժամանակ կարող են առաջանալ տարբեր բնույթի մասնիկներ, և միաժամանակ մի քանի մասնիկներ և գամմա ճառագայթներ։ Այս դեպքում տարբեր մասնիկների էներգիան, հետևաբար՝ իոնացնող ունակությունը տարբեր կլինի։ Հետևաբար, ճառագայթման աղբյուրները բնութագրելու հիմնական ցուցանիշը նրանց իոնացնող ունակության գնահատումն է, այսինքն՝ (ի վերջո) այն էներգիան, որը նրանք կորցնում են նյութի (միջավայրի) միջով անցնելիս և որը կլանում է այս նյութը։

Իոնացնող ճառագայթումը չափելիս կիրառվում է դոզայի հասկացությունը, իսկ կենսաբանական օբյեկտների վրա դրանց ազդեցությունը գնահատելիս՝ ուղղիչ գործոններ։ Անվանենք դրանք և մի շարք սահմանումներ տանք։

Դոզա, կլանված դոզան (հունարենից՝ մասնաբաժին, մաս) - իոնացնող ճառագայթման էներգիան (IR), որը կլանված է ճառագայթված նյութի կողմից և հաճախ հաշվարկվում է նրա զանգվածի մեկ միավորով (տես «ռադ», «Գրեյ»)։ Այսինքն՝ չափաբաժինը չափվում է էներգիայի միավորներով, որն արտազատվում է նյութում (ներծծվում է նյութի կողմից), երբ նրա միջով անցնում է իոնացնող ճառագայթումը։

Կան մի քանի տեսակի չափաբաժիններ.

Ազդեցության դոզան(ռենտգենյան և գամմա ճառագայթման համար) - որոշվում է օդի իոնացմամբ: SI չափման միավորը «կուլոն մեկ կգ»-ն է (C/kg), որը համապատասխանում է 1 կգ օդում նման թվով իոնների առաջացմանը, որոնց ընդհանուր լիցքը 1 C է (յուրաքանչյուր նշանի): Չափման ոչ համակարգային միավորը «ռենտգենն» է (տես «C/kg» և «ռենտգեն»):

Մարդկանց վրա AI-ի ազդեցությունը գնահատելու համար դրանք օգտագործվում են ուղղիչ գործոններ.

Մինչև վերջերս «համարժեք դոզան» հաշվարկելիս մենք օգտագործում էինք «ճառագայթման որակի գործոններ «(K) - ուղղիչ գործոններ, որոնք հաշվի են առնում տարբեր ազդեցությունները կենսաբանական օբյեկտների վրա (մարմնի հյուսվածքները վնասելու տարբեր կարողություններ) տարբեր ճառագայթման միևնույն կլանված դոզանով: Դրանք օգտագործվում են «համարժեք դոզան» հաշվարկելիս: Այժմ այս գործակիցները գտնվում են. Ճառագայթային անվտանգության ստանդարտները (NRB-99) կոչվում էին շատ «գիտականորեն»՝ «Կշռման գործակիցները ճառագայթման առանձին տեսակների համար համարժեք դոզան հաշվարկելիս (Վտ. R ճառագայթման ռիսկի գործակիցը

Դոզայի դրույքաչափը- ստացված դոզան ժամանակի միավորի համար (երկրորդ, ժամ):

Նախապատմություն- տվյալ վայրում իոնացնող ճառագայթման ազդեցության չափաբաժինը:

Բնական ֆոն- ճառագայթման բոլոր բնական աղբյուրների կողմից ստեղծված իոնացնող ճառագայթման ազդեցության դոզայի արագությունը (տես «Ֆոնային ճառագայթում»):

(ՄԱՐԿԵՏԻՆԳՈՒՄ) կրիտիկական զանգված

նորամուծությունների պարտադիր փաթեթ, որը պետք է բնորոշ լինի և ներկա լինի արտադրանքին, որպեսզի այն ժամանակակից համարվի:

Հանրագիտարանային բառարան, 1998 թ

կրիտիկական զանգված

տրոհվող նյութի նվազագույն զանգվածը, որն ապահովում է ինքնապահպանվող միջուկային տրոհման շղթայական ռեակցիա:

Կրիտիկական զանգված

տրոհվող նյութի ամենափոքր զանգվածը, որի դեպքում կարող է առաջանալ ատոմային միջուկների տրոհման ինքնակայուն շղթայական ռեակցիա. բնութագրվում է նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցով, որը վերածվում է միասնության: Կրիտիկական են կոչվում նաև սարքի համապատասխան չափերը և ծավալը, որում տեղի է ունենում շղթայական ռեակցիա (տես Միջուկային շղթայական ռեակցիաներ, Միջուկային ռեակտոր)։

Վիքիպեդիա

Կրիտիկական զանգված

Կրիտիկական զանգված- միջուկային ֆիզիկայում՝ տրոհվող նյութի նվազագույն զանգվածը, որն անհրաժեշտ է ինքնապահպանվող տրոհման շղթայական ռեակցիա սկսելու համար։ Նեյտրոնների բազմապատկման գործակիցը նման քանակությամբ նյութում մեկից մեծ է կամ մեկին հավասար։ Կրիտիկական զանգվածին համապատասխանող չափերը կոչվում են նաև կրիտիկական։

Կրիտիկական զանգվածի արժեքը կախված է նյութի հատկություններից (ինչպիսիք են տրոհումը և ճառագայթումը գրավող խաչմերուկները), խտությունից, կեղտերի քանակից, արտադրանքի ձևից, ինչպես նաև շրջակա միջավայրից: Օրինակ, նեյտրոնային ռեֆլեկտորների առկայությունը կարող է մեծապես նվազեցնել կրիտիկական զանգվածը:

Միջուկային էներգիայի մեջ կրիտիկական զանգվածի պարամետրը որոշիչ է սարքերի լայն տեսականի նախագծման և հաշվարկների մեջ, որոնք իրենց նախագծման մեջ օգտագործում են տարբեր իզոտոպներ կամ տարրերի իզոտոպների խառնուրդներ, որոնք որոշակի պայմաններում ունակ են միջուկային տրոհման՝ վիթխարի արտազատմամբ։ էներգիայի քանակները. Օրինակ, հզոր ռադիոիզոտոպային գեներատորներ նախագծելիս, որոնք օգտագործում են ուրան և մի շարք տրանսուրանի տարրեր որպես վառելիք, կրիտիկական զանգվածի պարամետրը սահմանափակում է նման սարքի հզորությունը: Միջուկային և ջերմամիջուկային զենքերի հաշվարկների և արտադրության մեջ կրիտիկական զանգվածի պարամետրը զգալիորեն ազդում է ինչպես պայթուցիկ սարքի նախագծման, այնպես էլ դրա արժեքի և պահպանման ժամկետի վրա: Միջուկային ռեակտորի նախագծման և կառուցման դեպքում կրիտիկական զանգվածի պարամետրերը նաև սահմանափակում են ապագա ռեակտորի և՛ նվազագույն, և՛ առավելագույն չափերը:

Մաքուր տրոհվող նուկլիդների աղերի լուծույթները ջրի նեյտրոնային ռեֆլեկտորով ջրի մեջ ունեն ամենացածր կրիտիկական զանգվածը։ U-ի համար նման լուծույթի կրիտիկական զանգվածը 0,8 կգ է, Pu-ի համար՝ 0,5 կգ, որոշ Cf աղերի համար՝ 10 գ։