Abyste pochopili princip fungování a konstrukci jaderného reaktoru, musíte si udělat krátkou exkurzi do minulosti. Jaderný reaktor je staletí starý, i když ne zcela realizovaný sen lidstva o nevyčerpatelném zdroji energie. Jeho prastarým „předchůdcem“ je oheň ze suchých větví, který kdysi osvětloval a zahříval klenby jeskyně, kde naši vzdálení předkové našli záchranu před chladem. Později si lidé osvojili uhlovodíky – uhlí, břidlice, ropu a zemní plyn.
Začala bouřlivá, ale krátkodobá éra páry, kterou vystřídala ještě fantastičtější éra elektřiny. Města se naplnila světlem a dílny zaplnilo hučení dosud nevídaných strojů poháněných elektromotory. Pak se zdálo, že pokrok dosáhl svého vrcholu.
Všechno se v něm změnilo konec XIX století, kdy francouzský chemik Antoine Henri Becquerel náhodou objevil, že uranové soli jsou radioaktivní. O 2 roky později od nich jeho krajané Pierre Curie a jeho manželka Maria Sklodowska-Curie získali radium a polonium a jejich úroveň radioaktivity byla milionkrát vyšší než u thoria a uranu.
Taktovku se chopil Ernest Rutherford, který podrobně studoval povahu radioaktivních paprsků. Tak začal věk atomu, který přivedl na svět své milované dítě - jaderný reaktor.
První jaderný reaktor
„Prvorozený“ pochází z USA. V prosinci 1942 byl reaktorem vyroben první proud, který byl pojmenován po svém tvůrci, jednom z největších fyziků století, E. Fermim. O tři roky později ožilo jaderné zařízení ZEEP v Kanadě. „Bronz“ získal první sovětský reaktor F-1, spuštěný na konci roku 1946. Vedoucím domácího jaderného projektu se stal I. V. Kurčatov. Dnes ve světě úspěšně funguje více než 400 jaderných bloků.
Typy jaderných reaktorů
Jejich hlavním účelem je podporovat řízenou jadernou reakci, která vyrábí elektřinu. Některé reaktory produkují izotopy. Jsou to zkrátka zařízení, v jejichž hloubkách se některé látky přeměňují na jiné za uvolnění velkého množství tepelné energie. Jedná se o druh „trouby“, kde místo tradiční typy Palivo „spaluje“ izotopy uranu – U-235, U-238 a plutonium (Pu).
Na rozdíl například od auta určeného pro více druhů benzinu má každý druh radioaktivního paliva svůj vlastní typ reaktoru. Jsou dva - na pomalých (s U-235) a rychlých (s U-238 a Pu) neutronech. Většina jaderných elektráren má reaktory s pomalými neutrony. Kromě jaderných elektráren „fungují“ zařízení ve výzkumných centrech, na jaderných ponorkách atd.
Jak funguje reaktor
Všechny reaktory mají přibližně stejný okruh. Jeho „srdcem“ je aktivní zóna. Lze to zhruba přirovnat k topeništi běžných kamen. Pouze místo palivového dřeva je zde jaderné palivo ve formě palivových článků s moderátorem - palivovými tyčemi. Aktivní zóna se nachází uvnitř jakési kapsle – neutronového reflektoru. Palivové tyče jsou „omývány“ chladicí kapalinou – vodou. Protože v „srdci“ je velmi vysoká úroveň radioaktivity, je obklopen spolehlivou radiační ochranou.
Operátoři řídí provoz zařízení pomocí dvou kritické systémy– regulace řetězové reakce a systém dálkového ovládání. Pokud dojde k nouzové situaci, okamžitě se aktivuje nouzová ochrana.
Jak funguje reaktor?
Atomový „plamen“ je neviditelný, protože procesy probíhají na úrovni jaderného štěpení. Během řetězové reakce se těžká jádra rozpadají na menší fragmenty, které se v excitovaném stavu stávají zdroji neutronů a dalších subatomárních částic. Tím ale proces nekončí. Neutrony se nadále „rozdělují“, v důsledku čehož se uvolňuje velké množství energie, to znamená, co se děje, kvůli čemu se staví jaderné elektrárny.
Hlavním úkolem personálu je udržovat řetězovou reakci pomocí ovládacích tyčí na konstantní, nastavitelné úrovni. To je její hlavní rozdíl oproti atomové bombě, kde je proces jaderného rozpadu nekontrolovatelný a probíhá rychle, v podobě silné exploze.
Co se stalo v jaderné elektrárně v Černobylu
Jeden z hlavních důvodů katastrofy Černobylská jaderná elektrárna v dubnu 1986 - hrubé porušení pravidel provozní bezpečnosti při běžné údržbě na 4. energetickém bloku. Poté bylo z jádra současně odstraněno 203 grafitových tyčí místo 15 povolených předpisy. V důsledku toho nekontrolovatelná řetězová reakce, která začala, skončila tepelným výbuchem a úplným zničením pohonné jednotky.
Reaktory nové generace
Za posledních deset let se Rusko stalo jedním z lídrů globální jaderné energetiky. Na momentálně Státní korporace Rosatom staví jaderné elektrárny ve 12 zemích, kde se staví 34 energetických bloků. Tak vysoká poptávka svědčí o vysoké úrovni moderní ruské jaderné technologie. Další na řadě jsou nové reaktory 4. generace.
"Brest"
Jedním z nich je Brest, který je vyvíjen v rámci projektu Breakthrough. Teď operační systémy systémy s otevřeným cyklem pracují na málo obohaceném uranu, který zanechává velké množství vyhořelého paliva, které je nutné likvidovat, což vyžaduje enormní náklady. „Brest“ – rychlý neutronový reaktor je unikátní svým uzavřeným cyklem.
V něm se vyhořelé palivo po příslušném zpracování v reaktoru s rychlými neutrony stává opět plnohodnotným palivem, které lze naložit zpět do stejné instalace.
Brest se vyznačuje vysokou úrovní bezpečnosti. Nikdy „neexploduje“ ani při nejvážnější havárii, je velmi ekonomický a ekologický, protože znovu využívá svůj „obnovený“ uran. Nelze jej také použít k výrobě plutonia vhodného pro zbraně, což otevírá nejširší vyhlídky na jeho export.
VVER-1200
VVER-1200 je inovativní reaktor 3+ generace s výkonem 1150 MW. Díky svým jedinečným technickým možnostem má téměř absolutní bezpečnost provozu. Reaktor je bohatě vybaven pasivními bezpečnostními systémy, které budou fungovat automaticky i při absenci napájení.
Jedním z nich je pasivní systém odvodu tepla, který se automaticky aktivuje, když je reaktor zcela bez napětí. V tomto případě jsou k dispozici nouzové hydraulické nádrže. Pokud dojde k abnormálnímu poklesu tlaku v primárním okruhu, začne se do reaktoru dodávat velké množství vody obsahující bór, který uhasí jadernou reakci a pohltí neutrony.
Další know-how se nachází ve spodní části ochranného pláště - „lapač taveniny“. Pokud v důsledku havárie dojde k „úniku“ aktivní zóny, „lapač“ nedovolí zhroucení pláště kontejnmentu a zabrání radioaktivním produktům ve vstupu do země.
O historii jaderné konfrontace mezi supervelmocemi a konstrukci prvních jaderných bomb byly napsány stovky knih. O moderních jaderných zbraních ale koluje mnoho mýtů. „Populární mechanika“ se rozhodla tento problém objasnit a říct, jak funguje nejničivější zbraň vynalezená člověkem.
Výbušný charakter
Uranové jádro obsahuje 92 protonů. Přírodní uran je převážně směsí dvou izotopů: U238 (který má ve svém jádru 146 neutronů) a U235 (143 neutronů), přičemž pouze 0,7 % z nich je v přírodním uranu. Chemické vlastnosti izotopy jsou naprosto totožné, proto je oddělujeme chemické metody nemožné, ale rozdíl v hmotnostech (235 a 238 jednotek) to umožňuje fyzikálními metodami: Směs uranu se přemění na plyn (hexafluorid uranu) a poté se čerpá přes nespočet porézních přepážek. I když izotopy uranu nejsou rozlišitelné ani jedním vzhled, ani chemicky je odděluje propast ve vlastnostech jaderných znaků.
Proces štěpení U238 je placený proces: neutron přicházející zvenčí s sebou musí přinést energii - 1 MeV nebo více. A U235 je nezištný: od příchozího neutronu není potřeba nic pro excitaci a následný rozpad, jeho vazebná energie v jádře je zcela dostatečná.
Při zasažení neutrony se jádro uranu-235 snadno rozštěpí a vytvoří nové neutrony. Za určitých podmínek začíná řetězová reakce.
Když neutron narazí na jádro schopné štěpení, vytvoří se nestabilní sloučenina, ale velmi rychle (po 10-23-10-22 s) se takové jádro rozpadne na dva fragmenty, které jsou nestejné hmotnosti a „okamžitě“ (do 10 −16−10− 14 c) emitování dvou nebo tří nových neutronů, aby se časem počet štěpných jader znásobil (tato reakce se nazývá řetězová reakce). To je možné pouze v U235, protože chamtivý U238 se nechce dělit z vlastních neutronů, jejichž energie je řádově menší než 1 MeV. Kinetická energie částic – štěpných produktů – je o mnoho řádů větší než energie uvolněná během jakékoli události. chemická reakce, ve kterém se nemění složení jader.
Kovové plutonium existuje v šesti fázích, jejichž hustoty se pohybují od 14,7 do 19,8 kg/cm 3 . Při teplotách pod 119 stupňů Celsia existuje monoklinická alfa fáze (19,8 kg/cm 3), ale takové plutonium je velmi křehké a v kubické face-centred delta fázi (15,9) je plastické a dobře zpracované (je to tato fáze, kterou se snaží uchovat pomocí legovacích přísad). Během detonační komprese nemůže dojít k žádným fázovým přechodům – plutonium je ve stavu kvazi-kapaliny. Fázové přechody jsou nebezpečné při výrobě: kdy velké velikosti dílů i při nepatrné změně hustoty je možné dosáhnout kritický stav. Samozřejmě se to stane bez výbuchu - obrobek se jednoduše zahřeje, ale může se uvolnit niklování (a plutonium je velmi toxické).
Kritická montáž
Produkty štěpení jsou nestabilní a dlouho se „obnovují“, přičemž vyzařují různá záření (včetně neutronů). Neutrony, které jsou emitovány značnou dobu (až desítky sekund) po štěpení, se nazývají zpožděné, a přestože je jejich podíl ve srovnání s rychlými malý (méně než 1 %), roli, kterou v práci hrají jaderná zařízení, je nejdůležitější.
Výbušné čočky vytvořily sbíhající se vlnu. Spolehlivost zajišťovala dvojice rozbušek v každém bloku.
Produkty štěpení při četných srážkách s okolními atomy jim předávají svou energii a zvyšují teplotu. Poté, co se neutrony objeví v sestavě obsahující štěpný materiál, výkon uvolňování tepla se může zvýšit nebo snížit a parametry sestavy, ve které je počet štěpení za jednotku času konstantní, se nazývají kritické. Kritičnost sestavy může být zachována jak s velkým, tak s malým počtem neutronů (s odpovídajícím způsobem větším nebo menším výkonem uvolňování tepla). Tepelný výkon se zvyšuje buď čerpáním dalších neutronů do kritické sestavy zvenčí, nebo tím, že sestava je nadkritická (pak jsou další neutrony dodávány stále početnějšími generacemi štěpných jader). Je-li například nutné zvýšit tepelný výkon reaktoru, uvede se do režimu, kdy každá generace promptních neutronů je o něco méně početná než ta předchozí, ale díky zpožděným neutronům reaktor sotva znatelně přejde do kritický stav. Pak nezrychluje, ale nabírá sílu pomalu - aby bylo možné její nárůst ve správnou chvíli zastavit zavedením absorbérů neutronů (tyčinek obsahujících kadmium nebo bor).
Sestava plutonia (kulovitá vrstva uprostřed) byla obklopena pouzdrem z uranu-238 a poté vrstvou hliníku.
Neutrony produkované během štěpení často prolétají kolem okolních jader, aniž by způsobily další štěpení. Čím blíže k povrchu materiálu je neutron produkován, tím větší je šance, že unikne ze štěpného materiálu a už se nikdy nevrátí. Formou sestavy, která ušetří největší počet neutronů, je tedy koule: pro danou hmotnost hmoty má minimální povrch. Neobklopená (osamělá) koule z 94% U235 bez dutin uvnitř se stává kritickou s hmotností 49 kg a poloměrem 85 mm. Pokud je sestavou stejného uranu válec s délkou rovnou průměru, stává se kritickým s hmotností 52 kg. S rostoucí hustotou se také zmenšuje povrch. To je důvod, proč explozivní komprese, aniž by se změnilo množství štěpného materiálu, může uvést sestavu do kritického stavu. Právě tento proces je základem společné konstrukce jaderné nálože.
První jaderné zbraně používaly jako zdroje neutronů polonium a berylium (uprostřed).
Montáž koule
Nejčastěji se ale v jaderných zbraních nepoužívá uran, ale plutonium-239. Vyrábí se v reaktorech ozařováním uranu-238 silnými neutronovými toky. Plutonium stojí asi šestkrát více než U235, ale když se štěpí, jádro Pu239 emituje v průměru 2 895 neutronů – více než U235 (2 452). Kromě toho je pravděpodobnost štěpení plutonia vyšší. To vše vede k tomu, že osamocená koule Pu239 se stává kritickou s téměř třikrát menší hmotností než koule z uranu, a co je nejdůležitější, s menším poloměrem, což umožňuje zmenšit rozměry kritické sestavy.
Vrstva hliníku byla použita ke snížení vlny zředění po detonaci výbušniny.
Sestava je vyrobena ze dvou pečlivě slícovaných polovin ve formě kulové vrstvy (uvnitř dutá); je zjevně podkritický - dokonce i pro tepelné neutrony a dokonce i po obklopení moderátorem. Kolem sestavy velmi přesně osazených výbušných bloků je namontována nálož. Pro záchranu neutronů je nutné zachovat ušlechtilý tvar koule při výbuchu - k tomu musí být vrstva výbušniny odpálena současně po celé její délce. vnější povrch, rovnoměrně přitlačte sestavu. Všeobecně se má za to, že to vyžaduje hodně elektrických rozbušek. Ale to byl pouze případ na úsvitu „konstrukce bomby“: ke spuštění mnoha desítek rozbušek bylo potřeba hodně energie a značná velikost iniciačního systému. Moderní nálože využívají několik speciálních technik vybraných rozbušek s podobnými vlastnostmi, ze kterých se v drážkách vyfrézovaných v polykarbonátové vrstvě (jejíž tvar na kulové ploše je vypočítán pomocí Riemannovy geometrie) odpalují vysoce stabilní (z hlediska rychlosti detonace) výbušniny. metody). Detonace rychlostí přibližně 8 km/s se bude pohybovat podél drážek v naprosto stejných vzdálenostech, ve stejný okamžik dorazí do otvorů a odpálí hlavní nálož - současně ve všech požadovaných bodech.
Obrázky ukazují první okamžiky života ohnivé koule jaderné nálože - difúze záření (a), expanze horké plazmy a tvorba „puchýřů“ (b) a zvýšení síly záření ve viditelné oblasti během separace rázové vlny (c).
Výbuch uvnitř
Výbuch směřující dovnitř stlačí sestavu tlakem více než milion atmosfér. Montážní povrch se zmenšuje a téměř mizí v plutoniu vnitřní dutina hustota se zvyšuje a velmi rychle - během deseti mikrosekund projde stlačitelná sestava kritickým stavem s tepelnými neutrony a stane se výrazně nadkritickou u rychlých neutronů.
Po období určeném bezvýznamnou dobou bezvýznamného zpomalování rychlých neutronů každá z nich nová, početnější generace přidává energii 202 MeV štěpením, které produkují, k látce sestavy, která již praská monstrózní tlak. V měřítku vyskytujících se jevů je pevnost i těch nejlepších legovaných ocelí tak nepatrná, že nikoho ani nenapadne brát ji v úvahu při výpočtu dynamiky výbuchu. Jediné, co brání rozletu sestavy, je setrvačnost: aby se plutoniová koule roztáhla o pouhý 1 cm za desítky nanosekund, je nutné udělit látce zrychlení, které je desítky bilionůkrát větší než zrychlení. volného pádu, a to není snadné.
Nakonec se hmota ještě rozptýlí, štěpení se zastaví, ale proces tím nekončí: energie se přerozdělí mezi ionizované fragmenty separovaných jader a další částice emitované při štěpení. Jejich energie je v řádu desítek a dokonce stovek MeV, ale pouze elektricky neutrální vysokoenergetická gama kvanta a neutrony mají šanci vyhnout se interakci s hmotou a „uniknout“. Nabité částice rychle ztrácejí energii při srážkách a ionizaci. V tomto případě je vyzařováno záření – již se však nejedná o tvrdé jaderné záření, ale měkčí, s energií o tři řády nižší, ale stále více než dostatečnou k vyražení elektronů z atomů – nejen z vnějších obalů, ale ze všeho obecně. Do toho přichází směs holých jader, stripovaných elektronů a záření o hustotě gramů na centimetr krychlový (zkuste si představit, jak dobře se můžete opálit pod světlem, které nabylo hustoty hliníku!) - vše, co bylo před chvílí nábojem. nějaké zdání rovnováhy. Ve velmi mladé ohnivé kouli dosahuje teplota desítek milionů stupňů.
Ohnivá koule
Zdálo by se, že i měkké záření pohybující se rychlostí světla by mělo zanechávat hmotu, která jej vytvořila, daleko za sebou, ale není tomu tak: ve studeném vzduchu je rozsah kvant energií Kev centimetry a nepohybují se v přímka, ale změnit směr pohybu a při každé interakci znovu vyzařovat. Quanta ionizuje vzduch a šíří se jím jako třešňová šťáva nalitá do sklenice vody. Tento jev se nazývá radiační difúze.
Mladá ohnivá koule exploze o síle 100 kt pár desítek nanosekund po skončení štěpného výbuchu má poloměr 3 m a teplotu téměř 8 milionů Kelvinů. Ale po 30 mikrosekundách je jeho poloměr 18 m, i když teplota klesne pod milion stupňů. Míč požírá prostor a ionizovaný vzduch za jeho přední částí se téměř nehýbe: záření na něj během difúze nemůže přenést významnou hybnost. Do tohoto vzduchu ale pumpuje obrovskou energii, ohřívá ho, a když energie záření dojde, kulička začne růst kvůli expanzi horkého plazmatu a praskne zevnitř s tím, co bývalo nábojem. Plazmový obal se rozpíná jako nafouknutá bublina a ztenčuje se. Na rozdíl od bubliny ji samozřejmě nic nenafukuje: s uvnitř Nezůstala téměř žádná hmota, vše letí ze středu setrvačností, ale 30 mikrosekund po výbuchu je rychlost tohoto letu více než 100 km/s a hydrodynamický tlak v hmotě je více než 150 000 atm! Stát se příliš tenká skořápka není určeno, praskne a vytvoří „puchýře“.
Ve vakuové neutronové trubici je mezi terčíkem nasyceným tritiem (katodou) 1 a sestavou anody 2 aplikováno pulzní napětí sto kilovoltů. Při maximálním napětí je nutné, aby mezi anodou a katodou byly ionty deuteria, které je třeba urychlit. K tomu slouží iontový zdroj. Na její anodu 3 je aplikován zapalovací impuls a výboj, procházející po povrchu deuteriem nasycené keramiky 4, vytváří ionty deuteria. Po zrychlení bombardují terč nasycený tritiem, v důsledku čehož se uvolní energie 17,6 MeV a vytvoří se neutrony a jádra helia-4. Z hlediska složení částic a dokonce i výdeje energie je tato reakce totožná s fúzí – procesem fúze lehkých jader. V padesátých letech tomu mnozí věřili, ale později se ukázalo, že v trubici dochází k „rozpadu“: buď proton, nebo neutron (který tvoří iont deuteria, urychlený elektrické pole) „uvízne“ v cílovém jádru (tritium). Pokud se proton zasekne, neutron se odlomí a uvolní se.
Který z mechanismů přenosu energie ohnivé koule prostředí převládá, závisí na síle exploze: je-li velká, hraje hlavní roli difúze záření, je-li malá, hraje hlavní roli rozpínání plazmové bubliny. Je jasné, že je možný i přechodný případ, kdy jsou oba mechanismy účinné.
Proces zachycuje nové vrstvy vzduchu a již není dostatek energie na odstranění všech elektronů z atomů. Energie ionizované vrstvy a úlomků bubliny plazmatu už nejsou schopny pohnout obrovskou hmotou před sebou a znatelně zpomalit. Ale to, co bylo vzduchem před výbuchem, se pohne, odtrhne se od míče, pohltí další a další vrstvy studeného vzduchu... Začíná vznik rázové vlny.
Rázová vlna a atomový hřib
Když se rázová vlna oddělí od ohnivé koule, změní se charakteristika vyzařující vrstvy a prudce vzroste síla záření v optické části spektra (tzv. první maximum). Dále soutěží procesy osvětlení a změny průhlednosti okolního vzduchu, což vede k realizaci druhého maxima, méně výkonného, ale mnohem delšího - natolik, že výkon světelné energie je větší než v prvním maximu. .
V blízkosti výbuchu se vše kolem vypařuje, dále taje, ale ještě dále, kde tepelný tok již nestačí k roztavení pevné látky, půda, skály, domy proudí jako kapalina pod monstrózním tlakem plynu, ničí všechna pevná spojení, rozžhavená do záře nesnesitelné pro oči.
A konečně, rázová vlna jde daleko od bodu výbuchu, kde zůstává uvolněný a oslabený, ale mnohokrát expandovaný oblak zkondenzovaných par, který se změnil v drobný a velmi radioaktivní prach z toho, co bylo plazmou nálože, a z čeho byl ve své hrozné hodině blízko místu, odkud by se měl člověk držet co nejdále. Mrak se začíná zvedat. Ochladí se, změní svou barvu, „nasadí“ si bílou čepici zkondenzované vlhkosti, následovanou prachem z povrchu země, tvoří „nohu“ toho, čemu se běžně říká „atomový hřib“.
Neutronová iniciace
Pozorní čtenáři mohou odhadnout uvolnění energie při výbuchu s tužkou v ruce. Když je doba, po kterou je sestava v superkritickém stavu v řádu mikrosekund, stáří neutronů je v řádu pikosekund a multiplikační faktor je menší než 2, uvolní se asi gigajoule energie, což odpovídá ... 250 kg TNT. Kde jsou kila a megatuny?
Neutrony - pomalé a rychlé
V neštěpné látce, „odrážející se“ od jader, jim neutrony předávají část své energie, čím větší jsou jádra (hmotnostně blíže k nim). Než v více srážkami, jsou zapojeny neutrony, tím více se zpomalují a nakonec se dostanou do tepelné rovnováhy s okolní hmotou - jsou termalizovány (to trvá milisekundy). Rychlost tepelného neutronu je 2200 m/s (energie 0,025 eV). Neutrony mohou uniknout z moderátoru a jsou zachyceny jeho jádry, ale s mírou jejich schopnost vstupovat do jaderných reakcí výrazně roste, takže neutrony, které se „neztrácejí“, více než kompenzují pokles počtu.
Je-li tedy koule štěpného materiálu obklopena moderátorem, mnoho neutronů opustí moderátor nebo se v něm pohltí, ale najdou se i takové, které se do koule vrátí („odrazí“) a poté, co ztratí svou energii, mnohem pravděpodobněji způsobí štěpné události. Pokud je koule obklopena vrstvou berylia o tloušťce 25 mm, lze ušetřit 20 kg U235 a přesto dosáhnout kritického stavu sestavy. Ale takové úspory přicházejí za cenu času: každá další generace neutronů se musí nejprve zpomalit, než dojde ke štěpení. Toto zpoždění snižuje počet generací neutronů narozených za jednotku času, což znamená, že uvolňování energie je zpožděno. Čím méně štěpného materiálu je v sestavě, tím více moderátoru je zapotřebí k rozvoji řetězové reakce a ke štěpení dochází se stále nižší energií neutronů. V extrémním případě, kdy je kritičnosti dosaženo pouze tepelnými neutrony, například v roztoku uranových solí v dobrém moderátoru - vodě, je hmotnost sestav stovky gramů, ale roztok se prostě periodicky vaří. Uvolněné bublinky páry snižují průměrnou hustotu štěpné látky, řetězová reakce se zastaví, a když bubliny opustí kapalinu, propuknutí štěpení se opakuje (pokud nádobu ucpete, pára ji roztrhne - ale to bude tepelný výbuch, postrádající všechny typické „jaderné“ znaky).
Faktem je, že štěpný řetězec v sestavě nezačíná jedním neutronem: v požadované mikrosekundě jsou do superkritické sestavy vstřikovány miliony. V prvních jaderných náložích k tomu sloužily izotopové zdroje umístěné v dutině uvnitř plutoniové sestavy: polonium-210 se v okamžiku stlačení spojilo s beryliem a svými alfa částicemi způsobilo emisi neutronů. Všechny izotopové zdroje jsou ale dost slabé (první americký produkt vygeneroval méně než milion neutronů za mikrosekundu) a polonium velmi rychle podléhá zkáze – snižuje svou aktivitu na polovinu za pouhých 138 dní. Proto byly izotopy nahrazeny méně nebezpečnými (které nevyzařují, když nejsou zapnuté), a hlavně neutronovými trubicemi, které vyzařují intenzivněji (viz postranní panel): za pár mikrosekund (doba trvání pulzu tvořeného trubicí ) se rodí stovky milionů neutronů. Ale pokud to nefunguje nebo funguje ve špatnou dobu, dojde k takzvanému třesku nebo „zilch“ – tepelnému výbuchu nízkého výkonu.
Neutronová iniciace nejen zvyšuje uvolňování energie jaderného výbuchu o mnoho řádů, ale umožňuje jej také regulovat! Je jasné, že po obdržení bojového úkolu, při jehož nastavení musí být uvedena síla jaderného úderu, nikdo nerozebírá náboj, aby jej vybavil sestavou plutonia, která je pro danou sílu optimální. U střeliva s přepínatelným ekvivalentem TNT stačí jednoduše změnit napájecí napětí na neutronovou trubici. V souladu s tím se změní výtěžek neutronů a uvolňování energie (samozřejmě, když se tímto způsobem sníží výkon, vyplýtvá se spousta drahého plutonia).
O potřebě regulovat uvolňování energie však začali přemýšlet mnohem později, a to jako první poválečná léta o snížení výkonu nemohla být řeč. Výkonnější, výkonnější a výkonnější! Ale ukázalo se, že existují jaderná fyzikální a hydrodynamická omezení přípustných rozměrů podkritické sféry. Ekvivalent TNT výbuchu o síle sta kilotun se blíží fyzikální hranici pro jednofázovou munici, ve které dochází pouze ke štěpení. V důsledku toho bylo štěpení jako hlavní zdroj energie opuštěno a spoléhali na reakce jiné třídy - fúze.
Jaderný reaktor funguje hladce a efektivně. Jinak, jak víte, nastanou potíže. Ale co se děje uvnitř? Zkusme formulovat princip fungování jaderného (jaderného) reaktoru stručně, jasně, se zastávkami.
V podstatě tam probíhá stejný proces jako při jaderném výbuchu. Jen k výbuchu dojde velmi rychle a v reaktoru se to všechno roztáhne dlouhá doba. Výsledkem je, že vše zůstává bezpečné a zdravé a my přijímáme energii. Ne tak moc, že by bylo všechno kolem zničeno najednou, ale zcela dostačující na to, aby město zásobovalo elektřinou.
Než pochopíte, jak probíhá řízená jaderná reakce, musíte vědět, co to je. jaderná reakce vůbec.
Jaderná reakce je procesem přeměny (rozdělení) atomová jádra když interagují s elementárními částicemi a gama zářením.
Jaderné reakce mohou probíhat jak při absorpci, tak při uvolňování energie. Reaktor využívá druhé reakce.
Jaderný reaktor je zařízení, jehož účelem je udržovat řízenou jadernou reakci s uvolňováním energie.
Jaderný reaktor se často nazývá také atomový reaktor. Poznamenejme, že zde není žádný zásadní rozdíl, ale z hlediska vědy je správnější používat slovo „jaderný“. V současnosti existuje mnoho typů jaderných reaktorů. Jde o obrovské průmyslové reaktory určené k výrobě energie v elektrárnách, jaderné reaktory ponorek, malé experimentální reaktory používané při vědeckých experimentech. Existují dokonce reaktory používané k odsolování mořské vody.
Historie vzniku jaderného reaktoru
První jaderný reaktor byl spuštěn v ne tak vzdáleném roce 1942. Stalo se tak v USA pod vedením Fermiho. Tento reaktor byl nazýván "Chicago Woodpile".
V roce 1946 zahájil provoz první sovětský reaktor, spuštěný pod vedením Kurčatova. Tělo tohoto reaktoru byla koule o průměru sedmi metrů. První reaktory neměly chladicí systém a jejich výkon byl minimální. Mimochodem, sovětský reaktor měl průměrný výkon 20 wattů a americký - pouze 1 watt. Pro srovnání, průměrný výkon moderních energetických reaktorů je 5 gigawattů. Méně než deset let po spuštění prvního reaktoru, prvního průmyslového na světě jaderná elektrárna ve městě Obninsk.
Princip činnosti jaderného (jaderného) reaktoru
Každý jaderný reaktor má několik částí: jádro S palivo A moderátor , neutronový reflektor , chladicí kapalina , kontrolní a ochranný systém . Izotopy se nejčastěji používají jako palivo v reaktorech. uran (235, 238, 233), plutonium (239) a thorium (232). Aktivní zóna je kotel, kterým protéká obyčejná voda(chladicí kapalina). Mezi jinými chladicími kapalinami se méně běžně používají „těžká voda“ a kapalný grafit. Pokud mluvíme o provozu jaderných elektráren, tak k výrobě tepla slouží jaderný reaktor. Samotná elektřina se vyrábí stejným způsobem jako v jiných typech elektráren – pára roztáčí turbínu a energie pohybu se přeměňuje na elektrickou energii.
Níže je schéma provozu jaderného reaktoru.
Jak jsme již řekli, při rozpadu těžkého jádra uranu vznikají lehčí prvky a několik neutronů. Výsledné neutrony se srazí s jinými jádry a také způsobí jejich štěpení. Počet neutronů přitom narůstá jako lavina.
Zde by to mělo být zmíněno neutronový multiplikační faktor . Pokud tedy tento koeficient překročí hodnotu rovnou jedné, jaderný výbuch. Pokud je hodnota menší než jedna, je neutronů příliš málo a reakce zaniká. Pokud ale udržíte hodnotu koeficientu rovnou jedné, bude reakce probíhat dlouho a stabilně.
Otázkou je, jak to udělat? V reaktoru je palivo v tzv palivové prvky (TVELach). Jedná se o tyčinky, které obsahují ve formě malých tablet, jaderné palivo . Palivové tyče jsou spojeny do šestiúhelníkových kazet, kterých mohou být v reaktoru stovky. Kazety s palivovými tyčemi jsou uspořádány vertikálně a každá palivová tyč má systém, který umožňuje regulovat hloubku jejího ponoření do aktivní zóny. Kromě samotných kazet zahrnují ovládací tyče A nouzové ochranné tyče . Tyčinky jsou vyrobeny z materiálu, který dobře pohlcuje neutrony. Řídicí tyče tak mohou být spuštěny do různých hloubek v aktivní zóně, čímž se upraví multiplikační faktor neutronů. Havarijní tyče jsou určeny k odstavení reaktoru v případě nouze.
Jak se spouští jaderný reaktor?
Přišli jsme na samotný princip fungování, ale jak nastartovat a zajistit fungování reaktoru? Zhruba řečeno, tady to je - kus uranu, ale řetězová reakce v něm nezačne sama od sebe. Faktem je, že v jaderné fyzice existuje koncept kritické množství .
Kritická hmotnost je množství štěpného materiálu potřebného k zahájení jaderné řetězové reakce.
Pomocí palivových a regulačních tyčí se v reaktoru nejprve vytvoří kritické množství jaderného paliva a poté se reaktor v několika stupních uvede na optimální výkonovou úroveň.
V tomto článku jsme se vám pokusili poskytnout obecnou představu o struktuře a principu fungování jaderného (jaderného) reaktoru. Pokud máte nějaké dotazy k tématu nebo jste byli požádáni o problém z jaderné fyziky na univerzitě, kontaktujte nás specialistům naší společnosti. Jako obvykle jsme připraveni vám pomoci vyřešit jakýkoli naléhavý problém týkající se vašeho studia. A když už jsme u toho, tady je pro vaši pozornost další vzdělávací video!
Výroba jaderné energie je moderní a rychle se rozvíjející způsob výroby elektřiny. Víte, jak fungují jaderné elektrárny? Jaký je princip fungování jaderné elektrárny? Jaké typy jaderných reaktorů dnes existují? Pokusíme se podrobně zvážit provozní schéma jaderné elektrárny, ponoříme se do struktury jaderného reaktoru a zjistíme, jak bezpečný je jaderný způsob výroby elektřiny.
Každá stanice je uzavřená oblast daleko od obytné oblasti. Na jeho území se nachází několik budov. Nejdůležitější stavbou je budova reaktoru, vedle ní je strojovna, ze které je reaktor řízen, a budova bezpečnosti.
Schéma je nemožné bez jaderného reaktoru. Atomový (jaderný) reaktor je zařízení jaderné elektrárny, které je navrženo tak, aby organizovalo řetězovou reakci štěpení neutronů s povinná alokace energie v tomto procesu. Jaký je ale princip fungování jaderné elektrárny?
Celá reaktorová instalace je umístěna v budově reaktoru, velké betonové věži, která ukrývá reaktor a bude obsahovat všechny produkty jaderné reakce v případě havárie. Tato velká věž se nazývá kontejnment, hermetický plášť nebo ochranná zóna.
Hermetická zóna v nových reaktorech má 2 silné betonové stěny - pláště.
Vnější plášť o tloušťce 80 cm chrání kontejnmentovou zónu před vnějšími vlivy.
Vnitřní plášť o tloušťce 1 metr 20 cm má speciální ocelová lanka, která téměř trojnásobně zvyšují pevnost betonu a zabraňují drolení konstrukce. Z vnitřní strany je vyložen tenkým plechem ze speciální oceli, která je určena k tomu, aby sloužila dodatečná ochrana kontejnmentu a v případě havárie nevypouštět obsah reaktoru mimo zónu kontejnmentu.
Tato konstrukce jaderné elektrárny jí umožňuje odolat pádu letadla o hmotnosti až 200 tun, zemětřesení o síle 8 stupňů, tornádu a tsunami.
První uzavřený plášť byl postaven v americké jaderné elektrárně Connecticut Yankee v roce 1968.
Celková výška ochranného pásma je 50-60 metrů.
Z čeho se skládá jaderný reaktor?
Abyste pochopili princip fungování jaderného reaktoru, a tedy princip fungování jaderné elektrárny, musíte porozumět součástem reaktoru. 
- Aktivní zóna. Toto je oblast, kde je umístěno jaderné palivo (palivový generátor) a moderátor. Atomy paliva (nejčastěji palivem je uran) podléhají řetězové štěpné reakci. Moderátor je určen k řízení procesu štěpení a umožňuje požadovanou reakci z hlediska rychlosti a síly.
- Neutronový reflektor. Reflektor obklopuje jádro. Skládá se ze stejného materiálu jako moderátor. V podstatě se jedná o schránku, jejímž hlavním účelem je zabránit neutronům opustit jádro a dostat se do prostředí.
- Chladicí kapalina. Chladivo musí absorbovat teplo uvolněné při štěpení atomů paliva a předávat je dalším látkám. Chladivo do značné míry určuje, jak je navržena jaderná elektrárna. Nejoblíbenějším chladivem je dnes voda.
Řídicí systém reaktoru. Senzory a mechanismy, které pohánějí reaktor jaderné elektrárny.
Palivo pro jaderné elektrárny
Na čem jaderná elektrárna funguje? Palivem pro jaderné elektrárny jsou chemické prvky s radioaktivními vlastnostmi. Ve všech jaderných elektrárnách je tímto prvkem uran.
Konstrukce stanic naznačuje, že jaderné elektrárny pracují na komplexní kompozitní palivo, nikoli na čisté chemický prvek. A aby bylo možné získat uranové palivo z přírodního uranu, který je naložen do jaderného reaktoru, je nutné provést mnoho manipulací.
Obohacený uran
Uran se skládá ze dvou izotopů, to znamená, že obsahuje jádra s různou hmotností. Byly pojmenovány podle počtu protonů a neutronů izotop -235 a izotop-238. Vědci 20. století začali těžit uran 235 z rudy, protože... bylo snazší rozložit a transformovat. Ukázalo se, že takového uranu je v přírodě pouze 0,7 % (zbývající procento připadá na 238. izotop). 
Co dělat v tomto případě? Rozhodli se obohatit uran. Obohacování uranu je proces, při kterém v něm zůstává spousta potřebných izotopů 235x a málo zbytečných izotopů 238x. Úkolem obohacovačů uranu je přeměnit 0,7 % na téměř 100 % uran-235.
Uran lze obohacovat pomocí dvou technologií: plynové difúze nebo plynové odstředivky. Pro jejich použití se uran extrahovaný z rudy převádí do plynného skupenství. Obohacuje se ve formě plynu.
Uranový prášek
Obohacený plynný uran se přemění na pevné skupenství – oxid uraničitý. Tento čistý pevný uran 235 se jeví jako velké bílé krystaly, které jsou později rozdrceny na uranový prášek.
Uranové tablety
Uranové tablety jsou pevné kovové disky, několik centimetrů dlouhé. K vytvoření takových tablet z uranového prášku se smíchá s látkou - změkčovadlem, které zlepšuje kvalitu lisování tablet;
Lisované puky se pečou při teplotě 1200 stupňů Celsia déle než jeden den, aby tablety získaly zvláštní pevnost a odolnost vůči vysokým teplotám. To, jak jaderná elektrárna funguje, přímo závisí na tom, jak dobře je uranové palivo stlačeno a spáleno. 
Tablety se pečou v molybdenových krabičkách, protože pouze tento kov je schopen se neroztavit při „pekelných“ teplotách přes jeden a půl tisíce stupňů. Poté se uranové palivo pro jaderné elektrárny považuje za připravené.
Co jsou TVEL a FA?
Jádro reaktoru vypadá jako obrovský disk nebo trubka s otvory ve stěnách (v závislosti na typu reaktoru), 5x větší lidské tělo. Tyto otvory obsahují uranové palivo, jehož atomy provádějí požadovanou reakci.
Není možné jen tak hodit palivo do reaktoru, tedy pokud nechcete způsobit výbuch celé stanice a nehodu s následky pro několik okolních států. Proto je uranové palivo umístěno do palivových tyčí a poté shromažďováno v palivových souborech. Co tyto zkratky znamenají?
- TVEL – palivový článek (nezaměňovat se stejným názvem ruská společnost, která je vyrábí). Jedná se v podstatě o tenkou a dlouhou zirkonovou trubici vyrobenou ze slitin zirkonu, do které jsou umístěny uranové tablety. Právě v palivových tyčích spolu atomy uranu začnou interagovat a během reakce uvolňovat teplo.
Zirkonium bylo zvoleno jako materiál pro výrobu palivových tyčí pro svou žáruvzdornost a antikorozní vlastnosti.
Typ palivových tyčí závisí na typu a konstrukci reaktoru. Struktura a účel palivových tyčí se zpravidla nemění, délka a šířka trubky se mohou lišit. 
Stroj nakládá více než 200 uranových pelet do jedné zirkonové trubice. Celkem v reaktoru současně pracuje asi 10 milionů uranových pelet.
FA – palivová sestava. Pracovníci JE nazývají palivové soubory svazky.
V podstatě se jedná o několik palivových tyčí spojených dohromady. FA je hotové jaderné palivo, na kterém funguje jaderná elektrárna. Jsou to palivové soubory, které se vkládají do jaderného reaktoru. V jednom reaktoru je umístěno cca 150 – 400 palivových souborů.
V závislosti na reaktoru, ve kterém budou palivové soubory pracovat, mohou být různé tvary. Někdy jsou svazky složeny do krychlového, někdy do válcového, někdy do šestihranného tvaru.
Jedna palivová kazeta za 4 roky provozu vyrobí stejné množství energie jako při spalování 670 aut uhlí, 730 nádrží na zemní plyn nebo 900 nádrží naložených naftou.
Dnes se palivové soubory vyrábějí především v továrnách v Rusku, Francii, USA a Japonsku.
Aby bylo možné dodávat palivo pro jaderné elektrárny do jiných zemí, jsou palivové soubory utěsněny v dlouhých a širokých kovových trubkách, z trubek je odčerpáván vzduch a speciální stroje dodáno na palubu nákladních letadel.
Jaderné palivo pro jaderné elektrárny váží neúměrně mnoho, protože... uran je jedním z nejvíce těžkých kovů na planetě. Jeho měrná hmotnost 2,5krát více než ocel.
Jaderná elektrárna: princip činnosti
Jaký je princip fungování jaderné elektrárny? Princip fungování jaderných elektráren je založen na řetězové reakci štěpení atomů radioaktivní látky – uranu. Tato reakce probíhá v jádře jaderného reaktoru.
DŮLEŽITÉ VĚDĚT:
Aniž bychom zacházeli do spletitosti jaderné fyziky, princip fungování jaderné elektrárny vypadá takto:
Po spuštění jaderného reaktoru jsou z palivových tyčí odstraněny tyče absorbéru, které zabraňují reakci uranu.
Jakmile jsou tyče odstraněny, začnou uranové neutrony vzájemně interagovat.
Když se neutrony srazí, na atomové úrovni dojde k minivýbuchu, uvolní se energie a zrodí se nové neutrony, začne docházet k řetězové reakci. Tento proces vytváří teplo.
Teplo se přenáší do chladicí kapaliny. V závislosti na typu chladicí kapaliny se mění na páru nebo plyn, které roztáčí turbínu.
Turbína pohání elektrický generátor. Je to on, kdo ve skutečnosti vytváří elektrický proud.
Pokud proces nemonitorujete, mohou se uranové neutrony navzájem srážet, dokud nevybuchnou reaktor a rozdrtí celou jadernou elektrárnu na kusy. Proces je řízen počítačovými senzory. Detekují zvýšení teploty nebo změnu tlaku v reaktoru a dokážou automaticky zastavit reakce.
Jak se princip fungování jaderných elektráren liší od tepelných elektráren (tepelných elektráren)?
Rozdíly v práci jsou pouze v prvních fázích. V jaderné elektrárně získává chladivo teplo štěpením atomů uranového paliva v tepelné elektrárně získává chladivo teplo spalováním organického paliva (uhlí, plynu nebo ropy). Poté, co atomy uranu nebo plyn a uhlí uvolnily teplo, jsou provozní schémata jaderných elektráren a tepelných elektráren stejná.
Typy jaderných reaktorů
Jak jaderná elektrárna funguje, závisí na tom, jak přesně funguje její jaderný reaktor. Dnes existují dva hlavní typy reaktorů, které jsou klasifikovány podle spektra neuronů:
Pomalý neutronový reaktor, nazývaný také tepelný reaktor.
K jeho provozu se používá uran 235, který prochází fázemi obohacování, tvorby uranových pelet atd. Dnes naprostá většina reaktorů využívá pomalé neutrony.
Rychlý neutronový reaktor.
Tyto reaktory jsou budoucností, protože... Fungují na uran-238, což je v přírodě tucet a není potřeba tento prvek obohacovat. Jedinou nevýhodou takových reaktorů jsou velmi vysoké náklady na návrh, konstrukci a uvedení do provozu. Dnes fungují rychlé neutronové reaktory pouze v Rusku.
Chladivem v rychlých neutronových reaktorech je rtuť, plyn, sodík nebo olovo.
Pomalé neutronové reaktory, které dnes používají všechny jaderné elektrárny na světě, jsou také v několika typech.
Organizace IAEA (mezinárodní agentura pro jaderná energie) vytvořila vlastní klasifikaci, která se nejčastěji používá ve světové jaderné energetice. Protože princip fungování jaderné elektrárny do značné míry závisí na volbě chladiva a moderátoru, MAAE založila svou klasifikaci na těchto rozdílech.
Z chemického hlediska je oxid deuterium ideálním moderátorem a chladivem, protože jeho atomy interagují nejúčinněji s neutrony uranu ve srovnání s jinými látkami. Jednoduše řečeno, těžká voda plní svůj úkol s minimálními ztrátami a maximálními výsledky. Jeho výroba však stojí peníze, zatímco obyčejná „lehká“ a známá voda je mnohem jednodušší.
Pár faktů o jaderných reaktorech...
Je zajímavé, že výstavba jednoho reaktoru jaderné elektrárny trvá minimálně 3 roky!
Ke stavbě reaktoru potřebujete zařízení, které pracuje s elektrickým proudem 210 kiloampérů, což je milionkrát více než proud, který může zabít člověka.
Jeden plášť (konstrukční prvek) jaderného reaktoru váží 150 tun. V jednom reaktoru je 6 takových prvků.
Tlakovodní reaktor
Jak funguje jaderná elektrárna obecně, jsme již zjistili, abychom vše uvedli na pravou míru, podívejme se, jak funguje nejoblíbenější tlakovodní jaderný reaktor.
Po celém světě se dnes používají tlakovodní reaktory generace 3+. Jsou považovány za nejspolehlivější a nejbezpečnější.
Všechny tlakovodní reaktory na světě za všechny roky svého provozu nashromáždily již více než 1000 let bezproblémového provozu a nikdy nezaznamenaly závažné odchylky. 
Ze struktury jaderných elektráren využívajících tlakovodní reaktory vyplývá, že mezi palivovými tyčemi cirkuluje destilovaná voda ohřátá na 320 stupňů. Aby se zabránilo přechodu do stavu páry, je udržováno pod tlakem 160 atmosfér. Schéma jaderné elektrárny tomu říká voda primárního okruhu.
Ohřátá voda vstupuje do parogenerátoru a předává své teplo vodě sekundárního okruhu, poté se opět „vrací“ do reaktoru. Navenek to vypadá, že vodní trubky prvního okruhu jsou v kontaktu s jinými trubicemi - vodou druhého okruhu, předávají si teplo, ale vody se nedotýkají. Trubky jsou v kontaktu.
Je tak vyloučena možnost vstupu záření do vody sekundárního okruhu, která se bude dále podílet na procesu výroby elektřiny.
Bezpečnost provozu JE
Když jsme se naučili princip fungování jaderných elektráren, musíme pochopit, jak funguje bezpečnost. Projektování jaderných elektráren dnes vyžaduje zvýšenou pozornost bezpečnostním pravidlům.
Náklady na bezpečnost JE tvoří přibližně 40 % celkových nákladů na samotnou elektrárnu. 
Projekt jaderné elektrárny obsahuje 4 fyzické bariéry, které zabraňují úniku radioaktivních látek. Co mají tyto bariéry dělat? Ve správný okamžik umět zastavit jadernou reakci, zajistit neustálý odvod tepla z aktivní zóny i samotného reaktoru a zabránit úniku radionuklidů za kontejnment (hermetickou zónu).
- První bariérou je síla uranových pelet. Je důležité, aby je nezničily vysoké teploty v jaderném reaktoru. Mnoho z toho, jak jaderná elektrárna funguje, závisí na tom, jak jsou uranové pelety „pečeny“ během počáteční fáze výroby. Pokud se pelety uranového paliva nespečou správně, budou reakce atomů uranu v reaktoru nepředvídatelné.
- Druhou bariérou je těsnost palivových tyčí. Zirkoniové trubice musí být pevně utěsněny, pokud je těsnění porušeno, pak se v lepším případě poškodí reaktor a práce se zastaví, v horším vše vyletí do vzduchu.
- Třetí bariérou je odolná ocelová reaktorová nádoba a, (ta stejná velká věž - hermetická zóna), která „obsahuje“ všechny radioaktivní procesy. Pokud je kryt poškozen, záření unikne do atmosféry.
- Čtvrtou bariérou jsou tyče nouzové ochrany. Tyče s moderátory jsou nad jádrem zavěšeny magnety, které dokážou během 2 sekund pohltit všechny neutrony a zastavit řetězovou reakci.
Pokud se i přes výstavbu jaderné elektrárny s mnoha stupni ochrany nepodaří ochladit aktivní zónu reaktoru ve správný čas a teplota paliva stoupne na 2600 stupňů, poslední naděje bezpečnostní systémy – tzv. lapač taveniny.
Faktem je, že při této teplotě se dno nádoby reaktoru roztaví a všechny zbytky jaderného paliva a roztavené struktury vytečou do speciálního „skla“ zavěšeného nad aktivní zónou reaktoru.
Lapač taveniny je chlazený a ohnivzdorný. Je naplněna tzv. obětním materiálem, který postupně zastavuje řetězovou štěpnou reakci.
Konstrukce jaderné elektrárny tak předpokládá několik stupňů ochrany, které téměř zcela vylučují jakoukoli možnost havárie.
Statisíce slavných i zapomenutých zbrojířů starověku bojovaly při hledání ideální zbraně, schopné jedním kliknutím vypařit nepřátelskou armádu. Čas od času lze stopy těchto hledání nalézt v pohádkách, které více či méně věrohodně popisují zázračný meč nebo luk, který zasáhne, aniž by chyběl.
Technologický pokrok se naštěstí dlouhou dobu pohyboval tak pomalu, že skutečné ztělesnění ničivé zbraně zůstávalo ve snech a ústních příbězích a později na stránkách knih. Vědeckotechnický skok 19. století poskytl podmínky pro vznik hlavní fobie 20. století. Jaderná bomba, vytvořená a testovaná v reálných podmínkách, způsobila revoluci jak ve vojenských záležitostech, tak v politice.
Historie tvorby zbraní
Dlouho se věřilo, že nejsilnější zbraně lze vytvořit pouze pomocí výbušnin. Objevy vědců, kteří pracovali s nejmenšími částicemi, poskytly vědecký důkaz, že s pomocí elementární částice lze vyrobit obrovskou energii. První z řady badatelů se může jmenovat Becquerel, který v roce 1896 objevil radioaktivitu uranových solí.
Samotný uran je znám již od roku 1786, ale tehdy nikdo netušil jeho radioaktivitu. Práce vědců na přelomu 19. a 20. století odhalila nejen zvláštní fyzikální vlastnosti, ale také možnost získávání energie z radioaktivních látek.
Možnost výroby zbraní na bázi uranu byla poprvé podrobně popsána, publikována a patentována francouzskými fyziky, Joliot-Curies v roce 1939.
Navzdory její hodnotě pro zbraně byli sami vědci důrazně proti vytvoření takové ničivé zbraně.
Poté, co prošli druhou světovou válkou v odboji, v 50. letech 20. století manželé (Frederick a Irene), kteří si uvědomili ničivou sílu války, obhajovali všeobecné odzbrojení. Podporují je Niels Bohr, Albert Einstein a další významní fyzikové té doby.
Mezitím, když byli Joliot-Curiesovi zaneprázdněni problémem nacistů v Paříži, na druhé straně planety, v Americe, se vyvíjela první jaderná nálož na světě. Robert Oppenheimer, který dílo vedl, dostal nejširší pravomoci a obrovské zdroje. Konec roku 1941 znamenal začátek projektu Manhattan, který nakonec vedl k vytvoření první bojové jaderné hlavice.
Ve městě Los Alamos v Novém Mexiku byly postaveny první výrobní závody na uran pro zbraně. V budoucnu to samé jaderná centra se objevují po celé zemi, například v Chicagu, v Oak Ridge, Tennessee, a studie byly provedeny v Kalifornii. Do vytvoření bomby byly vrženy nejlepší síly profesorů amerických univerzit a také fyziků, kteří uprchli z Německa.
V samotné „Třetí říši“ byly zahájeny práce na vytvoření nového typu zbraně způsobem charakteristickým pro Fuhrera.
Vzhledem k tomu, že „Besnovaty“ se více zajímal o tanky a letadla a čím více, tím lépe, neviděl velkou potřebu nové zázračné bomby.
V souladu s tím se projekty nepodporované Hitlerem pohybovaly v nejlepším případě hlemýždím tempem.
Když to začalo být horké a ukázalo se, že tanky a letadla pohltila východní fronta, získala nová zázračná zbraň podporu. Ale bylo příliš pozdě v podmínkách bombardování a neustálého strachu ze sovětských tankových klínů nebylo možné vytvořit zařízení s jadernou součástí.
Sovětský svaz byl více pozorný k možnosti vytvoření nového typu ničivé zbraně. V předválečném období fyzikové shromažďovali a upevňovali obecné znalosti o jaderné energetice a možnosti výroby jaderných zbraní. Rozvědka intenzivně pracovala po celou dobu vzniku jaderné bomby jak v SSSR, tak v USA. Válka sehrála významnou roli ve zpomalení tempa rozvoje, protože na frontu šly obrovské prostředky.
Pravda, akademik Igor Vasiljevič Kurčatov svou charakteristickou houževnatostí prosazoval v tomto směru práci všech podřízených oddělení. Když se podíváme trochu dopředu, bude to právě on, kdo bude mít za úkol urychlit vývoj zbraní tváří v tvář hrozbě amerického úderu na města SSSR. Právě jemu, stojícímu v hrobě obrovského stroje stovek a tisíců vědců a pracovníků, bude udělen čestný titul otce sovětské jaderné bomby.
První testy na světě
Ale vraťme se k americkému jadernému programu. Do léta 1945 se americkým vědcům podařilo vytvořit první jadernou bombu na světě. Každý chlapec, který si vyrobil nebo koupil silnou petardu v obchodě, zažívá neobyčejná muka a chce ji co nejrychleji odpálit. V roce 1945 zažily totéž stovky amerických vojáků a vědců.
16. června 1945 se v poušti Alamogordo v Novém Mexiku odehrál vůbec první test jaderných zbraní a jeden z dosud nejsilnějších výbuchů.
Očití svědci sledující výbuch z bunkru byli zasaženi silou, s jakou nálož explodovala na vrcholu 30metrové ocelové věže. Nejprve bylo vše zalito světlem, několikrát silnějším než slunce. Pak se k nebi zvedla ohnivá koule, která se proměnila ve sloup dýmu, který se zformoval do slavné houby.
Jakmile se prach usadil, výzkumníci a tvůrci bomb se vrhli na místo výbuchu. Sledovali následky z olovem pokrytých tanků Sherman. To, co viděli, je ohromilo; žádná zbraň nemohla způsobit takové škody. Písek se na některých místech roztavil až na sklo.
Drobné zbytky věže byly také nalezeny v kráteru obrovského průměru, zohavené a rozdrcené struktury jasně ilustrovaly ničivou sílu;
Škodlivé faktory
Tato exploze poskytla první informace o síle nové zbraně, o tom, co by mohla použít ke zničení nepřítele. Jedná se o několik faktorů:
- světelné záření, záblesk, schopný oslepit i chráněné orgány zraku;
- rázová vlna, hustý proud vzduchu pohybující se ze středu, ničící většinu budov;
- elektromagnetický impuls, který vyřadí většinu zařízení z provozu a nedovolí použít komunikaci poprvé po výbuchu;
- pronikavé záření, nejvíce nebezpečný faktor pro ty, kteří se uchýlili před jinými škodlivými faktory, se dělí na ozáření alfa-beta-gama;
- radioaktivní kontaminace, která může negativně ovlivnit zdraví a život na desítky nebo i stovky let.
Další použití jaderných zbraní, a to i v boji, ukázalo všechny zvláštnosti jejich vlivu na živé organismy a přírodu. 6. srpen 1945 byl posledním dnem pro desítky tisíc obyvatel malého města Hirošima, tehdy známého několika důležitými vojenskými zařízeními.
Výsledek války Tichý oceán byl jasný závěr, ale Pentagon věřil, že operace na japonském souostroví by stála více než milion životů amerických mariňáků. Bylo rozhodnuto zabít několik much jednou ranou, vyřadit Japonsko z války, ušetřit na operaci vylodění, otestovat novou zbraň a oznámit to celému světu a především SSSR.
V jednu hodinu ráno letadlo s jadernou bombou „Baby“ odstartovalo na misi.
Bomba svržená nad městem explodovala ve výšce přibližně 600 metrů v 8:15. Všechny budovy nacházející se ve vzdálenosti 800 metrů od epicentra byly zničeny. Zdi jen několika budov, navržených tak, aby vydržely zemětřesení o síle 9, přežily.
Z každých deseti lidí, kteří byli v době výbuchu bomby v okruhu 600 metrů, mohl přežít jen jeden. Světelné záření proměnilo lidi v uhlí a zanechalo na kameni stínové stopy, tmavý otisk místa, kde se člověk nacházel. Následná tlaková vlna byla tak silná, že mohla rozbít sklo ve vzdálenosti 19 kilometrů od místa výbuchu.
Jeden teenager byl vyražen z domu oknem hustým proudem vzduchu, když přistál, viděl, jak se stěny domu skládají jako karty. Po výbuchové vlně následovalo ohnivé tornádo, které zničilo těch pár obyvatel, kteří výbuch přežili a nestihli opustit požární zónu. Ti, kteří se ocitli ve vzdálenosti od výbuchu, začali pociťovat silnou malátnost, jejíž příčina byla lékařům zpočátku nejasná.
Mnohem později, o několik týdnů později, byl oznámen termín „radiační otrava“, nyní známá jako nemoc z ozáření.
Více než 280 tisíc lidí se stalo oběťmi pouze jedné bomby, a to jak přímo z výbuchu, tak z následných nemocí.
Bombardování Japonska jadernými zbraněmi tím neskončilo. Podle plánu mělo být zasaženo pouze čtyři až šest měst, ale povětrnostní podmínky dovolily zasáhnout pouze Nagasaki. V tomto městě se více než 150 tisíc lidí stalo obětí bomby Fat Man.
Sliby americká vláda provedení takových útoků před kapitulací Japonska vedlo k příměří a poté k podpisu dohody, která skončila světové války. Ale pro jaderné zbraně to byl jen začátek.
Nejsilnější bomba na světě
Poválečné období bylo poznamenáno konfrontací bloku SSSR a jeho spojenců s USA a NATO. Ve 40. letech 20. století Američané vážně uvažovali o možnosti udeřit na Sovětský svaz. Aby bylo možné bývalého spojence zadržet, musely být urychleny práce na vytvoření bomby a již v roce 1949, 29. srpna, byl ukončen americký monopol na jaderné zbraně. Během závodu ve zbrojení si největší pozornost zaslouží dva jaderné testy.
Atol Bikini, známý především frivolními plavkami, v roce 1954 doslova obletěl celý svět kvůli testování speciálně silné jaderné nálože.
Američané, kteří se rozhodli otestovat nový design atomových zbraní, nevypočítali náboj. V důsledku toho byla exploze 2,5krát silnější, než bylo plánováno. Obyvatelé okolních ostrovů a také všudypřítomní japonští rybáři byli napadeni.
Nebyla to ale nejsilnější americká bomba. V roce 1960 byla uvedena do provozu jaderná bomba B41, která však kvůli své síle nikdy neprošla úplným testováním. Síla nálože byla vypočtena teoreticky, z obavy před výbuchem tak nebezpečné zbraně na testovacím místě.
Sovětský svaz, který byl rád ve všem první, zažil v roce 1961, jinak přezdívaný „Kuzkova matka“.
Sovětští vědci v reakci na americké jaderné vydírání vytvořili nejsilnější bombu na světě. Testováno na Novaya Zemlya a zanechalo své stopy téměř ve všech koutech světa. Podle vzpomínek bylo v době výbuchu v nejodlehlejších koutech cítit mírné zemětřesení.
Tlaková vlna, která samozřejmě ztratila veškerou svou ničivou sílu, dokázala obkroužit Zemi. K dnešnímu dni se jedná o nejsilnější jadernou bombu na světě vytvořenou a testovanou lidstvem. Samozřejmě, kdyby měl volné ruce, Kim Čong-unova jaderná bomba by byla silnější, ale nemá Novou Zemi, aby ji otestoval.
Zařízení pro atomovou bombu
Uvažujme o velmi primitivním, čistě pro pochopení, zařízení atomové bomby. Existuje mnoho tříd atomových bomb, ale podívejme se na tři hlavní:
- uran na bázi uranu 235 poprvé explodoval nad Hirošimou;
- plutonium, založené na plutoniu 239, poprvé explodovalo nad Nagasaki;
- termonukleární, někdy nazývaný vodík, na bázi těžké vody s deuteriem a tritiem, naštěstí nepoužitý proti obyvatelstvu.
První dvě bomby jsou založeny na efektu štěpení těžkých jader na menší nekontrolovanou jadernou reakcí, která uvolňuje obrovské množství energie. Třetí je založen na fúzi vodíkových jader (nebo spíše jeho izotopů deuteria a tritia) za vzniku helia, které je v poměru k vodíku těžší. Při stejné hmotnosti bomby je ničivý potenciál vodíkové bomby 20krát větší.
Jestliže pro uran a plutonium stačí dát dohromady hmotnost větší než kritická (při které začíná řetězová reakce), pak pro vodík to nestačí.
Ke spolehlivému spojení více kusů uranu do jednoho se používá dělový efekt, při kterém se menší kusy uranu střílejí na větší. Lze použít i střelný prach, ale pro spolehlivost se používají výbušniny s nízkým výkonem.
V plutoniové bombě, aby se vytvořily nezbytné podmínky pro řetězovou reakci, jsou kolem ingotů obsahujících plutonium umístěny výbušniny. Díky kumulativnímu účinku, stejně jako neutronovému iniciátoru umístěnému v samém středu (berylium s několika miligramy polonia) nutné podmínky jsou dosaženy.
Má hlavní nálož, která sama o sobě nemůže explodovat, a pojistku. K vytvoření podmínek pro fúzi jader deuteria a tritia potřebujeme nepředstavitelné tlaky a teploty alespoň v jednom bodě. Dále dojde k řetězové reakci.
Pro vytvoření takových parametrů obsahuje bomba konvenční, ale nízkoenergetický jaderný náboj, kterým je pojistka. Jeho detonace vytváří podmínky pro zahájení termonukleární reakce.
K odhadu síly atomové bomby se používá tzv. „ekvivalent TNT“. Výbuch je uvolnění energie, nejznámější výbušninou na světě je TNT (TNT - trinitrotoluen) a všechny nové druhy výbušnin jsou s ní spojeny. Bomba "Baby" - 13 kilotun TNT. To odpovídá 13 000.
Bomba "Fat Man" - 21 kilotun, "Car Bomba" - 58 megatun TNT. Je děsivé pomyslet na 58 milionů tun výbušnin soustředěných ve hmotě 26,5 tuny, takovou váhu má tato bomba.
Nebezpečí jaderné války a jaderných katastrof
Objevuje se uprostřed strašná válka století se jaderné zbraně staly největším nebezpečím pro lidstvo. Bezprostředně po druhé světové válce začala studená válka, která několikrát téměř přerostla v plnohodnotný jaderný konflikt. O hrozbě použití jaderných bomb a raket alespoň jednou stranou se začalo hovořit již v 50. letech minulého století.
Každý pochopil a chápe, že v této válce nemohou být vítězové.
Mnoho vědců a politiků vyvíjelo a vyvíjí úsilí o jeho omezení. University of Chicago s využitím názorů pozvaných jaderných vědců, včetně laureáti Nobelovy ceny, nastaví Hodiny soudného dne několik minut před půlnocí. Půlnoc znamená nukleární kataklyzma, začátek nové světové války a zničení starého světa. V různé roky Ručičky hodin kolísaly od 17 do 2 minut do půlnoci.
Existuje také několik známých závažných havárií, ke kterým došlo v jaderných elektrárnách. Tyto katastrofy mají nepřímý vztah ke zbraním, jaderné elektrárny se stále liší od jaderných bomb, ale dokonale demonstrují výsledky použití atomu pro vojenské účely. Největší z nich:
- 1957, havárie v Kyshtymu, v důsledku poruchy skladovacího systému došlo u Kyshtymu k výbuchu;
- 1957, Británie, na severozápadě Anglie, bezpečnostní kontroly nebyly prováděny;
- 1979, USA, v důsledku včas zjištěného úniku došlo k výbuchu a úniku z jaderné elektrárny;
- 1986, tragédie v Černobylu, výbuch 4. energetického bloku;
- 2011, nehoda na stanici Fukušima, Japonsko.
Každá z těchto tragédií silně poznamenala osudy stovek tisíc lidí a proměnila celé oblasti v nebytové zóny se zvláštní kontrolou.
Došlo k incidentům, které málem stály začátek jaderné katastrofy. Sovětské jaderné ponorky měly na palubě opakovaně havárie související s reaktory. Američané shodili bombardér Superfortress se dvěma jadernými pumami Mark 39 na palubě s výtěžností 3,8 megatuny. Aktivovaný „bezpečnostní systém“ však nedovolil náloži vybuchnout a katastrofě se zabránilo.
Jaderné zbraně v minulosti a současnosti
Dnes je to každému jasné jaderná válka zničí moderní lidstvo. Mezitím touha vlastnit jaderné zbraně a vstoupit do jaderného klubu, nebo spíše vtrhnout do něj vyražením dveří, stále vzrušuje mysl některých státních vůdců.
Indie a Pákistán vytvořily jaderné zbraně bez povolení a Izraelci přítomnost bomby tají.
Pro některé je vlastnictví jaderné bomby způsobem, jak dokázat svůj význam na mezinárodní scéně. Pro ostatní je zárukou nevměšování okřídlené demokracie nebo jiných vnějších faktorů. Hlavní ale je, že tyto rezervy nejdou do byznysu, pro který byly skutečně vytvořeny.
Video
