Rodzaje bomb atomowych

Transkrypt

1 Artykuł pobrano ze strony eioba.pl Rodzaje bomb atomowych Bomba jądrowa nazywana jest potocznie bombą atomową. Około 90% energii wyzwalanej w wybuchy stanowi energia kinetyczna produktów reakcji, z czego ok. 2/3 zamienia się na energię podmuchu, a 1/3 na promieniowanie cieplne. Co powoduje jej ogromną siłę? Część I Na wstępie warto napisać, czym w ogóle jest bomba jądrowa. Otóż jest to broń o działaniu wybuchowym, polegającym na wyzwoleniu w bardzo krótkim czasie ogromnej energii wskutek łańcuchowej reakcji rozpadu ciężkich jąder głównie atomów izotopów uranu (235 i 233), plutonu 239 lub wskutek reakcji syntezy jąder izotopów wodoru: deuteru i trytu. Bomba jądrowa nazywana jest potocznie bombą atomową. Około 90% energii wyzwalanej w wybuchy stanowi energia kinetyczna produktów reakcji, z czego ok. 2/3 zamienia się na energię podmuchu, a 1/3 na promieniowanie cieplne. Pozostałą część energii unosi promieniowanie y (ok.1%) i neutrony. Podczas pochłaniania neutronów, jądro ulega rozszczepieniu się na dwa mniejsze fragmenty i emituje średnio ok. 2,5 neutronu na jedno rozszczepienie. Suma mas jądra atomowego materiału paliwa oraz padającego neutronu jest większa od sumy mas produktów reakcji. Ubytek masy równy jest energii ok. 2,56* 10 ^r11;11 J. Rozszczepienie 1 kg uranu daje energię ok. 67 GJ, co jest równoważne energii uzyskiwanej w procesie spalania ok. 2,5 * 10^6 kg węgla kamiennego. W środku bomby znajduje się materiał rozszczepialny - izotop uranu 235U, plutonu 239Pu lub znacznie droższy uran 233U. Największym problemem jest, wspomniane wcześniej, szybkie połączenie części ładunku w całość o masie przewyższającej krytyczną. Dlatego niezbędne jest użycie konwencjonalnych materiałów wybuchowych. Jak dotąd pojawiło się kilka rozwiązań pozwalających uzyskać ten efekt. Najprostsza metoda to tzw. system działa. Inna, już bardziej zaawansowana technicznie, polega na gwałtownym ściśnięciu niewielkiej ilości materiału rozszczepialnego. W związku z zależnością masy krytycznej od gęstości, ładunek o masie mniejszej od masy krytycznej odpowiednio ściśnięty będzie wystarczający dla zainicjowania w nim reakcji łańcuchowej. Bomba jądrowa nie istniała by także bez reflektora neutronowego, którego zadaniem jest zmniejszenie ilości straconych neutronów(takich neutronów, które nie biorą udziału w rozszczepieniu kolejnych atomów), a tym samym podniesienie wydajności broni. Reflektor rodbijar1; uciekające neutrony z powrotem do kuli. Od niego więc zależy także siła eksplozji. Z punktu widzenia rodzaju wykorzystywanej reakcji jądrowej w broni jądrowej o działaniu wybuchowym wyróżnia się trzy podstawowe jej rodzaje: jednofazową, dwufazową i trójfazową. W broni jądrowej jednofazowej cała energia wybuchu pochodzi z reakcji rozszczepienia jąder uranu235 lub plutonu 239 za pomocą neutronów powolnych. Ten rodzaj bomby nazywany jest także bombą atomową. W procesie rozszczepienia uwalniane są nowe neutrony, które mogą powodować kolejne rozszczepienia, podtrzymując reakcję (reakcja łańcuchowa). Podobnie do kropli deszczu, która powiększa swoje rozmiary tak, że dzieli się na dwie krople, jądro atomu uranu czy plutonu znajduje się na granicy niestabilności. Do podziału potrzebuje jedynie niewielkiej siły zderzenia z neutronem, tworząc w tej reakcji z jednego ciężkiego pierwiastka dwa lżejsze. Przebieg reakcji zależny jest od geometrii ułożenia materiału rozszczepialnego. Gdy bryła jest zbyt mała lub jest rozłożona na części, wiele neutronów ulatuje na zewnątrz, nie wywołując reakcji rozszczepienia. Aby reakcja łańcuchowa mogła zaistnieć, masa paliwa musi być większa od masy krytycznej. Jest ona określona dla danych warunków (temperatura, ciśnienie, gęstość materiału) i zmiana tych warunków powoduje zmianę jej wartości. Przekroczenie tej masy - wartości progowej (tzw. masa nadkrytyczna) powoduje wybuchową reakcję łańcuchową. Zjawisko to, wykorzystane w bombie jądrowej jest niepożądane np. w reaktorach atomowych. Tak więc np. dla Uranu233 masa krytyczna wynosi 16kg, dla Plutonu kg, a dla Uranu kg. Czas potrzebny dla przebiegu reakcji jest zależny od tego jaką drogę muszą przebyć neutrony, aby dotrzeć do następnych jąder oraz od prędkości z jaką poruszają się neutrony. Dlatego dla różnych izotopów czas przebiegu reakcji będzie różny.

2 Przed wybuchem materiał rozszczepialny w bombie jądrowej jest ułożony w kilku małych kawałkach o masach mniejszych niż masa krytyczna. Wartość masy krytycznej można zmniejszyć nawet dwu-trzykrotnie reflektorami neutronów (tzn. materiałami odbijającymi neutrony, które zwiększają ilość i energię neutronów oddziałujących z materiałem promieniotwórczym), co oznacza, że do osiągnięcia reakcji łańcuchowej potrzebna jest mniejsza masa materiału. Odpalenie przed wybuchem zapalnika aktywującego materiał wybuchowy powoduje rozerwanie osłon i połączenie elementów materiału rozszczepialnego w całość o masie nadkrytycznej lub zmniejszenie objętości kuli materiału, co zwiększa jej gęstość. Aby nastąpił wybuch, masa krytyczna musi być osiągnięta w bardzo krótkim czasie. Reakcja rozszczepienia uranu-235: n + 235^U? 141^Ba + 92^Kr + n + n + n W drugiej populacji neutronów narodzi się 9 nowych neutronów, w trzeciej 27, czwartej 81 itd. Aby nastąpił wybuch bomby atomowej musi powstać około 50 populacji neutronowych. Energia wiązania uranu-235 jest na taka mała, że gdy neutron zostaje pochłonięty, energia uwolniona przez ponowne uporządkowanie jądra przekracza ją. Jądro staje się niestabilne, czego efektem jest rozszczepienie na nowe jądra o porównywalnych rozmiarach. Z jednego kilograma U-235 można uzyskać do 82 TJ energii. Typowy czas trwania reakcji łańcuchowej to 1 s, więc moc wynosi 82 EW/kg. Mogłoby się wydawać, że skonstruowanie bomby atomowej wcale nie jest trudne. Jednak w rzeczywistości naukowcy musieli wziąć pod uwagę wiele istotnych praw: 1)przed detonacją materiał rozszczepialny musi być przechowywany w postaci podkrytycznej 2) podczas łączenia materiału rozszczepialnego w masę krytyczną należy chronić go przed promieniowaniem neutronowym 3) należy zbombardować masę (nad)krytyczną neutronami w najbardziej optymalnym momencie 4) nie wolno dopuścić do wybuchu materiału rozszczepialnego dopóki rozszczepienie się nie zakończy. W dzisiejszych czasach bomba atomowa zbudowana jest z: a) wysokościomierza- najwygodniejszy w użyciu dla bomby atomowej jest wysokościomierz radarowy lub radiowy. Służy on do wyznaczania poziomu zerowego bomby (wysokość na jakiej ma wystąpić eksplozja). b) detonator ciśnieniowy- jego zadaniem jest zainicjowanie wybuchu, kiedy ciśnienie powietrza osiągnie wymagany poziom. c) głowica detonacyjna- służy jako katalizator (inicjuje, przyspiesza reakcje, ale sam nie bierze w niej udziału) głównego wybuchu. Odpowiednia budowa tego urządzenia jest bardzo ważna. Gdy głowica detonacyjna będzie za małą, może być ona przyczyną wielkiego niewypału. G.d. otrzymuje impuls elektryczny od detonatora ciśnieniowego lub z wysokościomierza. d) Konwencjonalne ładunki wybuchowe- jego funkcja opisana została wyżej, najlepiej nadaje się plastyczny materiał wybuchowy, można, bowiem go dowolnie kształtować, zależnie od potrzeby do bomby uranowej lub plutonowej. e) reflektor neutronów f) uran i pluton- wydzielenie U-235 jest naprawdę trudne. Z każdych ton wydobytej rudy uzyskuje się tylko 50 ton metalicznego uranu, a aż 99,3% stanowi nienadający się do wybuchów jądrowych. Ich właściwości są prawie identyczne, co utrudnia ich separację. Praktycznie do ich rozdzielenia nadają się jedynie metody mechaniczne. U-235 jest nieco lżejszy od U-238. Do wstępnej separacji stosowany jest system dyfuzji gazowej. W bombie można użyć plutonu. Kiedy umieścimy w reaktorze jądrowym U-238 przez dłuższy czas, zacznie pochłaniać neutrony i stopniowo przekształci się w pluton, który jest rozszczepialny, choć nie tak łatwo jak U-235. g) Detonator uranu- złożony z dwóch części. Jedna ma kształt kulisty z wnęką, a druga odpowiada kształtowi tej wnęki. ładunek konwencjonalny zostaje poddany detonacji (wybuchowi), co powoduje, że mniejsza masa gwałtownie wbija się w większą (następuje ich zespolenie). Masa krytyczna zostaje przekroczona i rozwija się reakcja łańcuchowa ( w ciągu jednej milionowej sekundy). h) detonator plutonu- kształtem przypomina piłkę; budują go 32 segmenty, które tworzą wydrążoną kulę, w której środku znajduje się mieszanina plonu z berylem. Tutaj celem detonacja materiału konwencjonalnego jest doprowadzenie do jednoczesnego scalenia wszystkich 32 sekcji z mieszaniną polonu z berylem w przeciągu jednej dziesięciomilionowej części sekundy. i) Osłona ołowiana- jej funkcją jest ochrona mechanizmu bomby przed radioaktywnością ładunku Nazwa bomba atomowa może być myląca, gdyż konwencjonalne chemiczne materiały wybuchowe czerpią swą

3 energię z wiązań atomowych; ponadto inne rodzaje broni nuklearnej są nie mniej atomowe. Część II W bombie jądrowej dwufazowej wydzielanie się energii odbywa się w dwóch etapach (fazach). W fazie pierwszej źródłem energii jest ta sama reakcja jądrowa, która wykorzystywana jest bombie jednofazowej, zaś w fazie drugiejreakcja syntezy dwóch pierwiastków lekkich. Ten rodzaj bomby nazywany jest również wodorową lub termojądrową. Podczas wybuchu bomby termojądrowej zachodzi reakcja termojądrowa, która jest głównym źródłem energii tej broni. Reakcja termojądrowa polega na syntezie jąder lekkich pierwiastków, w wyniku czego powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. W związku z tym, że rozpoczęcie i utrzymanie fuzji (łączenie) wymaga bardzo wysokiej temperatury, bomba wodorowa posiada ładunek rozszczepialny (pierwszego stopnia), którego detonacja inicjuje fuzję w ładunku drugiego stopnia. ładunki drugiego stopnia mogą być połączone w prawie dowolnej ilości i wielkości (jedna reakcja fuzji inicjuje następną), co umożliwia budowę broni o mocy daleko większej niż w przypadku zwykłej bomby atomowej. Większa część energii wytworzonej podczas reakcji rozprasza się jako energia kinetyczna produktów i promieniowanie gamma, a na otaczających atomach przekształca się na energię cieplną. Aby mogła zajść ta reakcja syntezy konieczne jest silne rozpędzenie jąder atomowych (wysoka temperatura) oraz duża koncentracja odpowiednich jąder. Warunki takie uzyskuje się przez wybuch bomby jądrowej w centrum której umieszczono materiał do syntezy termojądrowej. W związku z tym, że wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały, niezbędne jest zastosowanie w bombie materiałów, które umożliwiałyby przeprowadzenie reakcji termojądrowej w jak najniższej temperaturze. Na początku bomby zawierały deuter i tryt, ale niestety ten drugi nie jest zbyt trwały (ma względnie krótki okres półtrwania - 12,26 lat) i dlatego tak zbudowanej bomby nie można przechowywać przez dłuższy czas. Należało zrobić coś z tym problemem. Dobrym rozwiązaniem jest generowanie trytu w trakcie eksplozji bomby. Tryt otrzymywany jest poprzez bombardowanie jąder litu neutronami wywodzącymi się głównie z rozszczepienia jąder ładunku inicjującego, którym jest zazwyczaj zwykła, uranowa lub plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej mocy: n + Li(6) -----> He(4) + H(3) Proces ten dostarcza także dodatkowej energii do przebiegu syntez. Dodatkowo materiał do syntezy jest uzupełniony o ślady trytku litu, co ułatwia rozpoczęcie reakcji. Dzięki związków deuteru i trytu z litem konstrukcja bomby jest zdecydowanie prostsza, co umożliwia przechowywanie tych substancji w stanie stałym, bez instalacji chłodzących. Działanie bomby o ładunku dwufazowym polega na tym, że faza pierwsza dostarcza energii do zainicjowania fazy drugiej. W fazie drugiej zachodzą dwie podstawowe reakcje: -synteza deuteru i trytu w jądro helu H(2) + H(3) -----> He(4) + n ( MeV) (mega elektrov) -synteza deuteru i litu w dwa jadra helu H(2) +Li(6) -----> He(4) + He(4) (+ 24 MeV) oraz reakcja poboczna H(3) + H(3) -----> He(4) + 2n (+11.3 MeV) Reakcja syntezy w bombie termojądrowej zachodzi w temperaturze około 10^6 stopni C. Tak wysoką temperaturę uzyskuje się, o czym wspominałam już wcześniej, w wyniku wybuchu bomby jądrowej, która pełni funkcję zapalnika bomby termojądrowej. W bombie jądrowej eksplozję powoduje zmiana geometrii materiału rozszczepialnego, natomiast w bombie termojądrowej- zmiana gęstości i temperatury materiału. Konwencjonalny materiał wybuchowy jest otoczony materiałem rozszczepialnym. W momencie wybuchu występuje w nim implozja, w efekcie której osiąga on wymaganą gęstość. Jest to czysta bomba wodorowa, po której nie pozostaje radioaktywny opad ciężkich pierwiastków, powodujący promieniotwórcze skażenie terenu. Bomby termojądrowe nie mają ograniczeń masy, mogą mieć energię wybuchu rzędu megaton trotylu. Współczesne bomby termojądrowe to

4 zazwyczaj bomby typu 3F (ang. Fission-Fusion-Fission= rozszczepienie-synteza-rozszczeopienie). Przebieg reakcji w tych procesach jest związany także z gęstością materiałów. Stąd zastosowanie izotopów wodoru: deuteru i trytu. Aby zaś gazowy wodór doprowadzić do stanu ciekłego należy schłodzić go do temperatury kilkunastu kelwinów. W związku z tym swoje zastosowanie znalazł tutaj materiał stały, tzn. deuterek litu (LiH). Znajduje się on we wnętrzu bomby. LiH jest źródłem zarówno deuteru jak i litu. Deuterek litu jest materialem aktywnym, otoczonym płaszczem z naturalnego uranu. Reakcję inicjuje wybuch atomowy. Następuje rozwój reakcji łańcuchowej syntezy termojądrowej z udziałem 6^Li. Uwolnione neutrony prędkie przenikają przez płaszcz z materiału rozszczepialnego, np. 238^U, po czym zachodzą dalsze reakcje rozszczepienia i w ten sposób zwiększa się siła wybuchu. Kilogram uranu wyzwala energię ok. 20 kt TNT, natomiast 1 kg mieszaniny deuteru i trytu- ok. 80 kt TNT. Bomba o ładunku dwufazowym dostarcza energii rzędu kilku do kilkanastu megaton. Współczesne bomby, testowane w próbnych eksplozjach, osiągają energię ok.20 Mt TNT (TNT- równoważnik trytylowy, nazywany powszechnie masą wybuchu; ilość energii wydzielającej się w czasie wybuchu). Konstruuje się także brudne bomby. Jest to broń radiologiczna. Na czym polega jej działanie? Bomba jest otoczona płaszzem uranu-238, który pod wpływem prędkich neutronów rozszczepia się i dodatkowo zwiększa energię wybuchu.materiał radioaktywny jest rozrzucany na dużym obszarze za pomocą konwencjonalnej eksplozji. W efekcie następuje skażenie promieniotwórcze terenu. Jeśli w broni jądrowej dwufazowej przeważającą część energii (ponad 80%) wydziela się w wyniku reakcji łączenia izotopów wodoru, deuteru i trytu, to taka broń nazywana jest bronią neutronową, ze względu na powstanie podczas tego typu reakcji dużego strumienia wysokoenergetycznych neutronów, tzw. prędkich. Siła jej wybuchu jest niewielka, także skażenie promieniotwórcze terenu nie jest duże. Energia uzyskana w wybuchu ładunku dwufazowego może bądź oddziaływać bezpośrednio bądź zostać wykorzystana do kolejnego procesu - jest to realizowane w bombie o tzw. ładunku trójfazowym. W broni jądrowej trójfazowej energia wydziela się w trzech kolejnych etapach. Przebieg dwóch pierwszych jest praktycznie taki sam jak i w broni jądrowej dwufazowej. źródłem energii w fazie trzeciej jest reakcja rozszczepienia jąder izotopu uranu 238 za pomocą neutronów prędkich. Neutrony te są wytwarzane w reakcjach termojądrowych. Uran(238) stanowi obudowę komory reakcyjnej, w której przebiega wybuch ładunku dwufazowego. Ponieważ rozszczepienie tego materiału i uzyskanie energii następuje w wyniku pochłaniania prędkich neutronów, a nie reakcji łańcuchowej, nie jest konieczne zapewnienie masy krytycznej uranu. Wybuch ładunku może nam dostarczyć od kilku do kilkuset Mt TNT. Jeśli przyjęlibyśmy 100 % wydajności reakcji, to do wybuchu o energii 20 Mt potrzeba jedynie niecała tona uranu. To jednak tylko teoria. W praktyce, takie energie nie są nigdy osiągalne, ponieważ nie wszystkie jądra ulegają rozpadowi, a część uzyskanej energii jest tracona lub nieużyteczna (np. jako energia wewnętrzna powstałych w rozpadzie jąder). Prawdziwa wydajność reakcji sięga do około kilkunastu procent. Dlatego masy ładunku muszą wynosić: -dla ładunku jednofazowego od kilkudziesięciu (masa krytyczna!) kilogramów do kilku ton; -dla ładunku dwufazowego (całkowitego) kilka ton; -dla ładunku trójfazowego (całkowitego)od kilku do kilkudziesięciu ton; Bezpośrednie produkty przemian jądrowych można podzielić na: * izotopy pierwiastków ciężkich - pluton i uran pochodzące bezpośrednio z wybuchu; * stront (izotop 89 i 90), cyrkon(95), rubid (izotop 93 i 106), jod(131), cez(137), cer (izotop 141 i 144) itp. izotopy (w sumie 200) promieniotwórcze pochodzące z rozpadu uranu/plutonu (w bombie atomowej); * hel i tryt ( w bombie termojądrowej) * promieniotwórcze izotopy cynku i kobaltu powstające wyłącznie w bomach cynkowych/kobaltowych, zaprojektowanych dla wytworzenia większej ilości izotopów promieniotwórczych. 2. PROMIENIOWANIE N, które stanowią emitowane z różnymi prędkościami neutrony, towarzyszące zarówno syntezie jak i rozpadowi 3. PRODUKTY WTÓRNE powstające przez absorbcję neutronów przez atomy powietrza.

5 4. PRODUKTY WYBUCHU, powstałe podczas rozpadu elementów konstrukcyjnych bomby (obudowa, urządzenia zapalające) pod wpływem zarówno siły wybuchu, jak i absorbcji neutronów. Dopiero poznanie procesów chemicznych i fizycznych, jakie zachodzą w bombie jądrowej, pozwala zrozumieć jej istotę. Skonstruowanie bomby atomowej, wymaga niezwykłej dokładności i wiedzy na temat reakcji jądrowych. Energia, jaka wyzwala się podczas wybuchu jest naprawdę zadziwiająco duża. Bomba jądrowa stała się przedmiotem wielu kontrowersji i sporów, ale także niezwykłym zjawiskiem, które ciągle jest obiektem badań :) Autor: lucynkaaa Przedruk ze strony: Artykuł pobrano ze strony eioba.pl