Broń jądrowa. Geneza Zasada działania Typy Skutki. Nazwa wydziału: Wydział Fizyki I Informatyki Stosowanej. Jakub Dąbrowski, Błażej Hadro

Transkrypt

1 Broń jądrowa Geneza Zasada działania Typy Skutki Nazwa wydziału: Wydział Fizyki I Informatyki Stosowanej Jakub Dąbrowski, Błażej Hadro

2 Geneza przed bronią jądrową 1905 r. - Albert Einstein publikuję pracę, w której jest zawarta zasada równoważności masy i energii: E=mc r. - Ernest Rutherford bombardując azot cząstkami alfa dokonał jego przemiany na inne pierwiastki 1934 r. - Enrico Fermini poddał bombardowaniu uran (będący wtedy najcięższym wykrytym pierwiastkiem) i zauważył że pod jego wpływem pierwiastek stał się silnie promieniotwórczy 1938 r. - Otto Hahn i Fritz Strassman przeprowadzili pierwszą reakcję rozszczepienia jądra atomu uranu

3 Geneza przed bronią jądrową Frédéric Joliot-Curie ogłosił pierwszą pracę o reakcji łańcuchowej W kwietniu 1939 r. dr Niels Bohr stwierdził: Bombardowanie niewielkiej ilości czystego uranu-235 powolnymi neutronami rozpocznie reakcję łańcuchową, czyli wybuch atomowy tak potężny, że wyleci w powietrze pracownia i wszystkie znajdujące się w tej miejscowości budynki w promieniu wielu mil Po opublikowaniu pracy Frédérica Joliot-Curie i słowach Nielsa Bohra wielu fizyków zdało sobie sprawę jak potężna może być broń jądrowa.

4 Wyścig jądrowy Niemcy, o krok od wynalezienia Przed wybuchem II wojny światowej najbliżej wynalezienia broni jądrowej były Niemcy. Pod koniec sierpnia 1939 r. Adolf Hitler zaczął interesować się zastosowaniem broni jądrowej Do instytutu w Dahlem (dzielnica Berlina), gdzie przeprowadzano badania związane z bronią, napływają pierwsze tony rudy uranowej W 1941 r. niemieccy naukowcy zbliżyli się do ustalenia wielkości masy krytycznej Uranu Niemcy byli już o krok od wynalezienia tajemniczej broni Ostatecznie III Rzeszy nie udało się zbudować broni jądrowej. Adolf Hitler zapatrzony w sukcesy w Europie Środkowej, przestał interesować się badaniami. Wielu naukowców opóźniało pracę nad tajną bombą.

5 Wyścig jądrowy USA - Projekt Manhattan W obawie przed zbudowaniem bomby atomowej przez III Rzeszę, Stany Zjednoczone rozpoczęły pracę nad konstukcją broni jądrowej W sierpniu 1942 USA wraz z Wielką Brytanią opracowują program o nazwie Projekt Manhattan, mający na celu zbudowanie broni jądrowej 16 lipca 1945 r. (operacja Trinity) - pierwsza próbna eksplozja jądrowa 5 i 9 sierpnia 1945 zrzucenie bomb jądrowych na Hiroszimę i Nagasaki 30 października 1 listopada 1952 r. - pierwsza próbna eksplozja bomby wodorowej Od USA wykonało 1050 testów broni jądrowej

6 Hiroszima i Nagasaki W 1945 r. pierwsza bomba atomowa miała spaść na Berlin. Jednak w kwietniu '45, ZSRR zdobyła Berlin, a amerykańscy fizycy nie zdążyli zbudować tej broni. 8 maja Niemcy podpisali kapitulację, ale dla USA II wojna światowa się jeszcze nie zakończyła Z powodu trwającej wojny na Pacyfiku z Japonią, rząd Ameryki nakazał zrzucenie 2 bomb jadrowych na japońskie miasta: 6 maja 1945 r. - bomba Little Boy spadła na Hiroszimę 9 maja 1945 r. - bomba Fat Man spadła na Nagasaki 2 września Japonia podpisała akt kapitulacji. Było to pierwsze i jak na razie jedyne zbrojne użycie broni jądrowej

7 Hiroszima i Nagasaki Wieczny cień w Hiroszimie Nagasaki przed i po eksplozji Hiroszima

8 Wyścig jądrowy Co ma USA musi mieć też ZSRR Rosyjski uczony Nikołaj Siemienow wysłał do Ministerstwa Przemysłu Ciężkiego list o niszczycielskiej sile jaką może dać broń jądrowa. 11 lutego 1943 r. zostaje powołany ośrodek badawczy dla doświadczeń energii jądrowej 29 sierpnia 1949 r. odbyła się pierwsza udana eksplozja radzieckiej bomby atomowej 12 sierpnia 1953 r. - przeprowadzenia pierwszej rosyjskiej bomby wodorowej 30 października 1961 r. ZSRR została przeprowadzona próbna eksplozja Car Bomby największej bomby jądrowej (termojądrowej) Od ZSRR wykonało 715 testów broni jądrowej

9 Car Bomba a Hiroszima

10 Klub atomowy (Oprócz USA i ZSRR) Wielka Brytania pierwsza próbna eksplozja broni jądrowej odbyła się 3 października 1952 Francja pierwsza próbna eksplozja broni jądrowej odbyła się 13 lutego 1960 Chiny pierwsza próbna eksplozja broni jądrowej odbyła się 16 października 1964 Indie - pierwsza próbna eksplozja broni jądrowej odbyła się 18 maja 1974 Pakistan - pierwsza próbna eksplozja broni jądrowej odbyła się 28 maja 1992 Korea Północna - pierwsza próbna eksplozja broni jądrowej odbyła się 9 października 2006

11 Filmy Tutaj będą wyświetlone filmy z testów broni jądrowej (także Hiroszima i Nagasaki)

12 Równanie Einsteina (dlaczego takie ważne?) Zasada równoważności masy i energii: E=mc 2 Wzór ten pokazał światu, że w niewielkiej ilości materii (jądra atomowego) skumulowane są gigantyczne pokłady energii. Sposób uwolnienia jej z atomu pozostawał nieznany. Perspektywa wydobycia tej energii stawiała pytanie w jaki sposób może zostać ona wykorzystana. Jedną z najgorszych dla ludzkości perspektyw byłoby użycie jej jako broni...

13 Reakcja rozszczepienia jądra atomowego Jest to reakcja jądrowa polegająca na rozpadzie jądra wzbudzonego na dwa (rzadziej trzy lub cztery) inne jądra, posiadające podobną masę. Zjawisku temu towarzyszy emisja neutronów, promieniowanie gamma i wydzielanie się znacznych ilości energii.

14 Reakcja łańcuchowa Jeżeli liczba neutronów wtórnych emitowanych po procesie rozszczepienia jest większa niż liczba neutronów pochłoniętych to może rozwinąć się reakcja łańcuchowa.

15 Tajemniczy współczynnik k Przyjmijmy k jako współczynnik ilości neutronów inicjujących reakcje do liczby neutronów wygenerowanych w następnym pokoleniu: ninicjujących k= n powstałych Jeżeli: k<1 występuje k=1 występuje liczba neutronów k>1 występuje wykładniczo; stan podkrytyczny, reakcja zanika; stan krytyczny, szybkość reakcji rozszczepienia jest stała, w każdym pokoleniu jest taka sama; stan nadkrytyczny, liczba neutronów wzrasta W zależności od warunków reakcji współczynnik ten zawarty jest w granicach od 1,2 do 2. Jego większość od jedności jest podstawowym warunkiem wybuchu. Współczynnik rozmnożenia neutronów ściśle łączy się z pojęciem masy krytycznej.

16 Masa krytyczna Jest to taka masa substancji rozszczepialnej, w której zachodzi samopodtrzymująca się reakcja rozszczepienia, czyli inaczej: jest to minimalna ilość (masa) paliwa jądrowego, w którym może przebiegać reakcja łańcuchowa. Aby reakcja ta przebiegała wybuchowo, masa paliwa musi być większa od masy krytycznej. Masa krytyczna zależy od rodzaju i czystości izotopowej materiału rozszczepialnego, kształtu bryły tego materiału oraz rodzaju powłoki i innych szczegółów konstrukcyjnych ładunku jądrowego. Obecnie do produkcji broni jądrowej stosuje się trzy rodzaje materiałów rozszczepialnych: uran 235 (235U), uran 233 (233U), i pluton 239 (239Pu).

17 Czynniki rażenia fala uderzeniowa w przypadku wybuchu powietrznego wyzwala się tak ok. 50% energii wybuchu promieniowanie przenikliwe w przypadku wybuchu powietrznego wyzwala się tak ok. 5% energii wybuchu promieniowanie cieplne (świetlne) w przypadku wybuchu powietrznego wyzwala się tak ok. 35% energii wybuchu impuls elektromagnetyczny, skażenie promieniotwórcze w przypadku wybuchu powietrznego wyzwala się tak ok. 10% energii wybuchu.

18 Generacje broni jądrowej I.Bomby uranowe lub plutonowe II. Urządzenia wybuchowe z BUSTEREM (koncepcją wzmacniania zapłonu) termojądrowym i dwustopniowe bomby wodorowe III. Broń taktyczna o zwiększonej skuteczności m.in. bomby tzw. czyste neutronowe IV. Najnowsze, oparte na ostatnich fundamentalnych osiągnięcia nauki; nie są objęte Traktatem o Powszechnym Zakazie Prób z Bronią Jądrową.

19 BOMBA ATOMOWA Pod wpływem działania neutronów na jądra plutonu bądź uranu następuje ich rozszczepienie. Niestabilne jądra atomowe rozpadają się na stabilniejsze w każdej fazie reakcji. Przy każdym stopniu rozszczepienia reakcja generuje rosnącą liczbę neutronów, które rozpoczynają kolejny poziom reakcji.

20 BOMBA ATOMOWA typu artyleryjskie działo Zasada złączenia dwóch mas podkrytycznych jest w tym typie bomby zrealizowana na modelu działa artyleryjskiego. W kierunku większej masy izotopu promieniotwórczego, otoczonego płaszczem reflektora neutronów, wystrzeliwana jest, za pomocą ładunku wybuchowego, mniejsza masa tego samego izotopu z częścią płaszcza mającą dopełnić sferę reflektora. Dwie złączone masy podkrytyczne tworzą w sumie masę nadkrytyczną materiału co prowadzi do inicjacji reakcji rozszczepienia (łańcuchowej). Prostota konstrukcji niesie za sobą wady: Duża masa materiału rozszczepialnego mała wydajność Długi czas złączania (możliwość wykorzystania tylko izotopu 235U Duże rozmiary i masa bomby Ten typ bomby został zrzucony na Hiroszimę.

21 Schemat bomby atomowej typu artyleryjskie działo

22 BOMBA ATOMOWA z urządzeniem implozyjnym W tym typie masa podkrytyczna izotopu rozszczepialnego jest otoczona płaszczem reflektora neutronów a ten materiałem wybuchowym. W wyniku detonacji materiał rozszczepialny jest ściskany w kierunku, inicjującego rozpad, źródła neutronów; zwiększa swoją gęstość co prowadzi do uzyskania masy nadkrytycznej i tym samym wystąpienia wybuchowej, jądrowej reakcji łańcuchowej. Zalety: Duża szybkość scalania zestawu Duża wydajność eksplozji Obniżenie ciężaru właściwego bomby Ten ty bomby spadł na Nagasaki

23 Schemat bomby atomowej z urządzeniem implozyjnym

24 BOMBA TERMOJĄDROWA Reakcją istotną w wybuchu tego typu bomby jest synteza izotopów najlżejszych. Dla inicjacji tej reakcji istotna jest duża energia kinetyczna cząstek mających podlegać syntezie. Uzyskiwana jest ona przez podnoszenie temperatury do bardzo wysokich wartości (stąd 'termojądrowa'). Bomba termojądrowa wykorzystuje technologię bomby atomowej do uzyskania odpowiedniej temperatury (rzędu kilkudziesięciu milionów stopni), w ten sposób zapoczątkowuje reakcję syntezy, która generuje dalszy wzrost temperatury, tym samym podtrzymując reakcję i prowadząc do wybuchu.

25 Schemat bomby termojądrowej

26 BOMBA NEUTRONOWA Jest to rodzaj bomby termojądrowej. Przy niewielkiej masie i braku pancerza uranowego bomba ta ma mocno ograniczony zasięg wybuchu natomiast wystrzeliwuje falę nautronów zdąlną do penetracji np. czołgów, schronów czy wałów ziemnych etc. Służy do czyszczenia pola przed przemieszczeniem odddziałów gdyż nie pozostawia po sobie promieniotwórczych skażeń, nazywana jest przez to bronią czystą.

27 Fazy powietrznego wybuchu termonuklearnego

28 Skutki wybuchu nuklearnego Fala uderzeniowa jest przyczyną największych zniszczeń. Eksplozja, wywołując nagłą zmianę ciśnienia i ogromną prędkość wiatru, równa z ziemią budynki i powala miejscową ludność Promieniowanie cieplne bezpośrednia obserwacja wybuchu może doprowadzić do utraty wzroku. W przypadku braku ochrony mogą pojawić się oparzenia skórne trzeciego stopnia

29 Skutki wybuchu nuklearnego Promieniowanie jonizujące zniszczeniu mogą ulec wszelkiego rodzaju aparatura elektroniczna (komputery, telewizory, telefony, INTERNET!!! ) Opad promieniotwórczy obszar działania zależny od kierunku wiatru w strefie wybuchu; prowadzi do rozległych powikłań biologicznych (proporcjonalnych do odległości od miejsca detonacji bomby); pozostawia po sobie radioaktywny pył, który osiada na obiektach w sferze jego występowania.

30 Bibliografia Jerzy Kubowski Broń jądrowa; fizyka budowa działanie skutki Tadeusz Pióro Broń jądrowa (Geneza działanie skutki) Jan Pięta Broń masowego rażenia; Broń jądrowa