Щоб зрозуміти принцип роботи та влаштування ядерного реактора, потрібно здійснити невеликий екскурс у минуле. Атомний реактор – це багатовікова втілена, хай і не до кінця, мрія людства про невичерпне джерело енергії. Його древній «прабатько» — багаття із сухих гілок, що одного разу осяяло і зігріло склепіння печери, де знаходили порятунок від холоду наші далекі предки. Пізніше люди освоїли вуглеводні – вугілля, сланці, нафту та природний газ.
Настала бурхлива, але недовга епоха пари, яку змінила ще фантастичніша епоха електрики. Міста наповнювалися світлом, а цехи – гулом небачених досі машин, які рухаються електродвигунами. Тоді здавалося, що прогрес досяг свого апогею.
Все змінилося в наприкінці XIXстоліття, коли французький хімік Антуан Анрі Беккерель цілком випадково виявив, що солі урану мають радіоактивність. Через 2 роки, його співвітчизники П'єр Кюрі та його дружина Марія Склодовська-Кюрі отримали з них радій та полоній, причому рівень їхньої радіоактивності в мільйони разів перевершував показники торію та урану.
Естафету підхопив Ернест Резерфорд, який детально вивчив природу радіоактивних променів. Так починалося століття атома, що явив світ своє улюблене дитя – атомний реактор.
Перший ядерний реактор
«Первісток» родом із США. У грудні 1942 дав перший струм реактор, якому дісталося ім'я його творця - одного з найбільших фізиків століття Е. Фермі. Через три роки в Канаді набула життя ядерна установка ZEEP. "Бронза" дісталася першому радянському реактору Ф-1, запущеному наприкінці 1946 року. Керівником вітчизняного ядерного проекту став І. В. Курчатов. Сьогодні у світі успішно працює понад 400 ядерних енергоблоків.
Типи ядерних реакторів
Їхнє основне призначення – підтримувати контрольовану ядерну реакцію, що виробляє електроенергію. На деяких реакторах виробляються ізотопи. Якщо коротко, то вони є пристроями, в надрах яких одні речовини перетворюються на інші з виділенням великої кількості теплової енергії. Це своєрідна «пекти», де натомість традиційних видівпалива «згоряють» ізотопи урану – U-235, U-238 та плутоній (Pu).
На відміну, наприклад, від автомобіля, розрахованого кілька видів бензину, кожному виду радіоактивного палива відповідає свій тип реактора. Їх два – на повільних (з U-235) та швидких (з U-238 та Pu) нейтронах. На більшості АЕС встановлено реактори на повільних нейтронах. Крім АЕС, установки «трудяться» в дослідницьких центрах, на атомних субмаринах та .
Як влаштований реактор
У всіх реакторів приблизно одна схема. Його "серце" - активна зона. Її можна умовно порівняти з топкою звичайної грубки. Тільки замість дров там знаходиться ядерне паливо у вигляді тепловиділяючих елементів із сповільнювачем – ТВЕЛ. Активна зона знаходиться всередині своєрідної капсули - відбивач нейтронів. ТВЕЛи «омиваються» теплоносієм – водою. Оскільки в «серці» дуже високий рівеньрадіоактивності, його оточує надійний радіаційний захист.
Оператори контролюють роботу установки за допомогою двох найважливіших систем– регулювання ланцюгової реакції та дистанційної системи управління. Якщо виникає позаштатна ситуація, миттєво спрацьовує аварійний захист.
Як працює реактор
Атомне «полум'я» невидимо, оскільки процеси відбуваються лише на рівні поділу ядер. В ході ланцюгової реакції важкі ядра розпадаються на дрібніші фрагменти, які, будучи у збудженому стані, стають джерелами нейтронів та інших субатомних частинок. Але на цьому процес не закінчується. Нейтрони продовжують «дробитися», внаслідок чого вивільняється велика енергія, тобто відбувається те, заради чого й будуються АЕС.
Основне завдання персоналу - підтримка ланцюгової реакції за допомогою стрижнів, що управляють, на постійному, регульованому рівні. У цьому його головна відмінність від атомної бомби, де процес ядерного розпаду некерований і протікає стрімко, як потужного вибуху.
Що сталося на Чорнобильській АЕС
Одна з основних причин катастрофи на Чорнобильської АЕСу квітні 1986 року – грубе порушення експлуатаційних правил безпеки у процесі проведення регламентних робіт на 4-му енергоблоці. Тоді з активної зони було одночасно виведено 203 графітові стрижні замість 15, дозволених регламентом. У результаті некерована ланцюгова реакція, що почалася, завершилася тепловим вибухом і повним руйнуванням енергоблоку.
Реактори нового покоління
За останнє десятиліття Росія стала одним із лідерів світової ядерної енергетики. Наразі держкорпорація «Росатом» веде будівництво АЕС у 12 країнах, де зводяться 34 енергоблоки. Такий високий попит – свідчення високого рівня сучасної російської ядерної техніки. На черзі – реактори нового 4-го покоління.
«Брест»
Один із них – «Брест», розробка якого ведеться у рамках проекту «Прорив». Нині діючі системирозімкнутого циклу працюють на низькозбагаченому урані, після чого залишається велика кількість відпрацьованого палива, що підлягає похованню, що потребує величезних витрат. "Брест" - реактор на швидких нейтронах унікальний замкнутим циклом.
У ньому відпрацьоване паливо після відповідної обробки реакторі на швидких нейтронах знову стає повноцінним паливом, яке можна завантажувати назад в ту ж установку.
"Брест" відрізняє високий рівень безпеки. Він ніколи не «рве» навіть за найсерйознішої аварії, дуже економічний і екологічно безпечний, оскільки повторно користується своїм «оновленим» ураном. Його також неможливо використовувати для напрацювання збройового плутонію, що відкриває найширші перспективи щодо його експорту.
ВВЕР-1200
ВВЕР-1200 – інноваційний реактор покоління "3+" потужністю 1150 МВт. Завдяки своїм унікальним технічним можливостям, він має практично абсолютну експлуатаційну безпеку. Реактор удосталь оснащений системами пасивної безпеки, які спрацюють навіть без електропостачання в автоматичному режимі.
Одна з них – система пасивного відведення тепла, яка автоматично активується за повного знеструмлення реактора. На цей випадок передбачено аварійні гідроємності. При аномальному падінні тиску в першому контурі реактор починається подача великої кількості води, що містить бір, яка гасить ядерну реакцію і поглинає нейтрони.
Ще одне ноу-хау знаходиться у нижній частині захисної оболонки – «пастка» розплаву. Якщо все ж таки в результаті аварії активна зона «потече», «пастка» не дозволить зруйнуватися захисній оболонці і запобігатиме потраплянню радіоактивних продуктів у ґрунт.
Про історію ядерного протистояння наддержав та конструкції перших ядерних бомб написано сотні книг. А ось про сучасну ядерну зброю ходить багато міфів. «Популярна механіка» вирішила внести ясність у це питання і розповісти, як працює найруйнівніша зброя, придумана людиною.
Вибуховий характер
Ядро урану містить 92 протони. Природний уран являє собою переважно суміш двох ізотопів: U238 (в ядрі якого 146 нейтронів) і U235 (143 нейтрони), причому останнього в природному урані лише 0,7%. Хімічні властивості ізотопів абсолютно ідентичні, тому й розділити їх хімічними методаминеможливо, але різниця в масах (235 та 238 одиниць) дозволяє зробити це фізичними методами: суміш уранів переводять у газ (гексафторид урану), а потім прокачують через незліченну пористу перегородку. Хоча ізотопи урану не відрізняються ні по зовнішньому виглядуні хімічно, їх поділяє прірва у властивостях ядерних характерів.
Процес поділу U238 - платний: нейтрон, що прилітає ззовні, повинен принести з собою енергію - 1 МеВ або більше. А U235 безкорисливий: для збудження і подальшого розпаду від нейтрона, що прийшов, нічого не потрібно, цілком достатньо його енергії зв'язку в ядрі.
При влученні нейтронів ядро урану-235 легко ділиться, утворюючи нові нейтрони. За певних умов починається ланцюгова реакція.
При попаданні нейтрону в здатне до поділу ядро утворюється нестійкий компаунд, але дуже швидко (через 10-23-10-22 с) таке ядро розвалюється на два уламки, не рівних по масі і миттєво (протягом 10-16-10- 14 с) що випускають по два-три нових нейтрони, так що з часом може розмножуватися і кількість ядер, що діляться (така реакція називається ланцюговою). Можливе таке тільки в U235, тому що жадібний U238 не бажає ділитися від своїх власних нейтронів, енергія яких на порядок менша за 1 МеВ. Кінетична енергія частинок - продуктів розподілу на багато порядків перевищує енергію, що виділяється за будь-якого акту хімічної реакції, у якій склад ядер не змінюється.
Металевий плутоній існує у шести фазах, густини яких від 14,7 до 19,8 кг/см 3 . При температурі нижче 119 градусів Цельсія існує моноклінна альфа-фаза (19,8 кг/см 3 ), але такий плутоній дуже крихкий, а в кубічній гранецентрованій дельта-фазі (15,9) він пластичний і добре обробляється (саме цю фазу і намагаються зберегти за допомогою легуючих добавок). При детонаційному обтисканні ніяких фазових переходів не може бути — плутоній перебуває у стані квазижидкости. Фазові переходи небезпечні при виробництві: великих розмірахдеталей навіть при незначній зміні щільності можливе досягнення критичного стану. Звичайно, станеться це без вибуху - заготівля просто розжариться, але може статися скидання нікелювання (а плутоній дуже токсичний).
Критична збірка
Продукти розподілу нестабільні і ще довго «приходять до тями», випускаючи різні випромінювання (у тому числі нейтрони). Нейтрони, які випускаються через значний час (до десятків секунд) після поділу, називають запізнюючими, і хоча частка їх у порівнянні з миттєвими мала (менше 1%), роль, яку вони відіграють у роботі ядерних установок, - Найважливіша.
Вибухові лінзи створювали хвилю, що сходить. Надійність забезпечувалася парою детонаторів у кожному блоці.
Продукти поділу при численних зіткненнях з навколишніми атомами віддають їм свою енергію, підвищуючи температуру. Після того як у збірці з речовиною, що ділиться, з'явилися нейтрони, потужність тепловиділення може зростати або зменшуватися, а параметри складання, в якій кількість поділів в одиницю часу постійно, називають критичними. Критичність зборки може підтримуватися і при великій, і при малій кількості нейтронів (при відповідно більшій або меншій потужності тепловиділення). Теплову потужність збільшують, або підкачуючи в критичне складання додаткові нейтрони ззовні, або роблячи складання надкритичної (тоді додаткові нейтрони постачають дедалі більше численні покоління ядер, що діляться). Наприклад, якщо треба підвищити теплову потужність реактора, його виводять на такий режим, коли кожне покоління миттєвих нейтронів трохи менше, ніж попереднє, але завдяки нейтронам, що запізнюються, реактор ледве помітно переходить критичний стан. Тоді він не йде в розгін, а набирає потужність повільно - так, що приріст її можна в потрібний момент зупинити, ввівши поглиначі нейтронів (стрижні, що містять кадмій або бор).
Плутонієва збірка (кульовий шар у центрі) була оточена корпусом з урану-238, а потім шаром алюмінію.
Утворені при розподілі нейтрони часто пролітають повз навколишні ядер, не викликаючи повторного поділу. Чим ближче до поверхні матеріалу народжений нейтрон, тим більше у нього шансів вилетіти з матеріалу, що ділиться, і ніколи не повернутися назад. Тому формою складання, що зберігає найбільшу кількість нейтронів, є куля: для цієї маси речовини він має мінімальну поверхню. Нічим не оточена (відокремлена) куля з 94% U235 без порожнин усередині стає критичною при масі в 49 кг і радіусі 85 мм. Якщо ж збірка з такого ж урану є циліндром з довжиною, що дорівнює діаметру, вона стає критичною при масі в 52 кг. Поверхня зменшується і у разі зростання щільності. Тому вибуховий стиск, не змінюючи кількості матеріалу, що ділиться, може приводити складання в критичний стан. Саме цей процес лежить в основі поширеної конструкції ядерного заряду.
У перших ядерних зарядах як джерело нейтронів використовувалися полоній та берилій (у центрі).
Кульове складання
Але найчастіше у ядерній зброї застосовують не уран, а плутоній-239. Його одержують у реакторах, опромінюючи уран-238 потужними нейтронними потоками. Плутоній коштує приблизно в шість разів дорожче за U235, зате при розподілі ядро Pu239 випускає в середньому 2,895 нейтрона — більше, ніж U235 (2,452). До того ж ймовірність поділу плутонію вища. Все це призводить до того, що відокремлена куля Pu239 стає критичною при майже втричі меншій масі, ніж куля з урану, а головне - при меншому радіусі, що дозволяє зменшити габарити критичного складання.
Шар алюмінію використовувався для того, щоб зменшити хвилю розрідження після детонації вибухівки.
Складання виконується з двох ретельно підігнаних половинок у формі шарового шару (порожнистої всередині); вона свідомо підкритична - навіть для теплових нейтронів і навіть після оточення її сповільнювачем. Навколо збирання з дуже точно пригнаних блоків вибухівки монтують заряд. Щоб зберегти нейтрони, треба і при вибуху зберегти шляхетну форму кулі — для цього шар вибухової речовини необхідно підірвати одночасно по всій його зовнішньої поверхні, обтиснувши складання рівномірно. Широко поширена думка, що для цього потрібно багато електродетонаторів. Але так було тільки на зорі «бомбобудування»: для спрацьовування багатьох десятків детонаторів потрібно багато енергії та чималі розміри системи ініціювання. У сучасних зарядах застосовується декілька відібраних за спеціальною методикою, близьких за характеристиками детонаторів, від яких спрацьовує високостабільна (за швидкістю детонації) вибухівка у відфрезерованих у шарі полікарбонату канавках (форма яких на сферичній поверхні розраховується із застосуванням методів геометрії Рімана). Детонація зі швидкістю приблизно 8 км/с пробіжить по канавках абсолютно рівні відстані, в той самий момент часу досягне отворів і підірве основний заряд — одночасно у всіх точках.
На малюнках показані перші миті життя вогняної кулі ядерного заряду — радіаційна дифузія (а), розширення гарячої плазми та утворення «пухирів» (б) та зростання потужності випромінювання у видимому діапазоні при відриві ударної хвилі (в).
Вибух усередину
Спрямований усередину вибух здавлює складання тиском понад мільйон атмосфер. Поверхня збирання зменшується, у плутонії майже зникає внутрішня порожнина, Щільність збільшується, причому дуже швидко - за десяток мікросекунд стислива збірка проскакує критичний стан на теплових нейтронах і стає суттєво надкритичної на швидких нейтронах.
Через період, що визначається мізерним часом незначного уповільнення швидких нейтронів, кожен з нового, більш численного їх покоління додає виробленим ним розподілом енергію в 202 МеВ і без того розпирається жахливим тиском речовина складання. У масштабах явищ, що відбуваються, міцність навіть найкращих легованих сталей настільки мізерна, що нікому і в голову не приходить враховувати її при розрахунках динаміки вибуху. Єдине, що не дає розлетітися збірці, інерція: щоб розширити плутонієву кулю за десяток наносекунд всього на 1 см, потрібно надати речовині прискорення, що в десятки трильйонів разів перевищує прискорення вільного падіння, а це непросто.
Зрештою речовина все ж таки розлітається, припиняється розподіл, але процес на цьому не завершується: енергія перерозподіляється між іонізованими осколками ядер, що розділилися, та іншими випущеними при розподілі частинками. Їхня енергія — близько десятків і навіть сотень МеВ, але тільки електрично нейтральні гамма-кванти великих енергій та нейтрони мають шанси уникнути взаємодії з речовиною та «вислизнути». Заряджені ж частки швидко втрачають енергію в актах зіткнень та іонізацій. При цьому випромінюється — правда, вже не жорстке ядерне, а більш м'яке, з енергією на три порядки меншою, але все ж таки більш ніж достатньою, щоб вибити в атомів електрони — не лише із зовнішніх оболонок, а й взагалі все. Мішанина з голих ядер, обдертих з них електронів і випромінювання з щільністю в грами на кубічний сантиметр (спробуйте уявити, як добре можна засмагнути під світлом, що придбало щільність алюмінію!) — все те, що миттю назад було зарядом, — приходить до певної міри рівноваги . У дуже молодому вогненному кулі встановлюється температура близько десятків мільйонів градусів.
Вогненна куля
Здавалося б, навіть і м'яке, але випромінювання, що рухається зі швидкістю світла, повинно залишити далеко позаду речовина, яка його породила, але це не так: у холодному повітрі пробіг квантів кевних енергій становить сантиметри, і рухаються вони не по прямій, а змінюючи напрямок руху, перевипромінюючись при кожній взаємодії. Кванти іонізують повітря, поширюються в ньому, подібно до вишневого соку, вилитого в склянку з водою. Це явище називають радіаційною дифузією.
Молода вогненна куля вибуху потужністю 100 кт через кілька десятків наносекунд після завершення спалаху поділів має радіус 3 м і температуру майже 8 млн кельвінів. Але вже через 30 мікросекунд його радіус становить 18 м, щоправда, температура спускається нижче за мільйон градусів. Куля пожирає простір, а іонізоване повітря за його фронтом майже не рухається: передати йому значний імпульс при дифузії випромінювання не може. Але воно накачує в це повітря величезну енергію, нагріваючи його, і коли енергія випромінювання вичерпується, куля починає зростати за рахунок розширення гарячої плазми, що розпирається зсередини тим, що раніше було зарядом. Розширюючись, подібно до міхура, що надувається, плазмова оболонка стоншується. На відміну від міхура, її, звичайно, ніщо не надує: внутрішньої сторонимайже не залишається речовини, все воно летить від центру за інерцією, але через 30 мікросекунд після вибуху швидкість цього польоту – понад 100 км/с, а гідродинамічний тиск у речовині – понад 150 000 атм! Стати надто вже тонкій оболонціне судилося, вона лопається, утворюючи «пухирі».
У вакуумній нейтронній трубці між насиченою тритієм мішенню (катодом) 1 і анодним вузлом 2 прикладається імпульсна напруга сотню кіловольт. Коли напруга максимальна, необхідно, щоб між анодом і катодом виявилися іони дейтерію, які потрібно прискорити. Для цього є іонне джерело. На його анод 3 подається запалюючий імпульс, і розряд, проходячи поверхнею насиченої дейтерієм кераміки 4, утворює іони дейтерію. Прискорившись, вони бомбардують мету, насичену тритієм, у результаті виділяється енергія 17,6 МеВ і утворюються нейтрони і ядра гелію-4. За складом частинок і навіть енергетичним виходом ця реакція ідентична синтезу — процесу злиття легких ядер. У 1950-х багато хто так і вважав, але пізніше з'ясувалося, що в трубці відбувається «зрив»: або протон, або нейтрон (з яких складається іон дейтерію, розігнаний електричним полем) «ув'язує» в ядрі мішені (тритію). Якщо ув'язує протон, то нейтрон відривається і стає вільним.
Який із механізмів передачі енергії вогняної кулі навколишньому середовищіпревалює, залежить від потужності вибуху: якщо вона велика – основну роль відіграє радіаційна дифузія, якщо мала – розширення плазмового міхура. Зрозуміло, що можливий і проміжний випадок, коли обидва ефективні механізми.
Процес захоплює нові шари повітря, енергії на те, щоб обдерти всі електрони з атомів, вже не вистачає. Вичерпується енергія іонізованого шару та уривків плазмового міхура, вони вже не в змозі рухати перед собою величезну масу і помітно уповільнюються. Але те, що до вибуху було повітрям, рухається, відірвавшись від кулі, вбираючи все нові шари повітря холодного… Починається утворення ударної хвилі.
Ударна хвиля та атомний гриб
При відриві ударної хвилі від вогняної кулі змінюються характеристики випромінюючого шару і різко зростає потужність випромінювання оптичної частини спектру (так званий перший максимум). Далі конкурують процеси висвічування та зміни прозорості навколишнього повітря, що призводить до реалізації і другого максимуму, менш потужного, але значно тривалішого — настільки, що вихід світлової енергії більший, ніж у першому максимумі.
Поблизу вибуху все навколишнє випаровується, подалі плавиться, але ще далі, де тепловий потік вже недостатній для плавлення. твердих тіл, ґрунт, скелі, будинки течуть, як рідина, під жахливим, руйнуючим усі міцності напором газу, розпеченого до нестерпного для очей сяйва.
Нарешті, ударна хвиля йде далеко від точки вибуху, де залишається пухка і ослабла, але широка хмара з конденсованих пар, що звернулися в найдрібніший і дуже радіоактивний пил того, що побувало плазмою заряду, і того, що в свою страшну годину виявилося близько до місця, від якого слід було б триматися якнайдалі. Хмара починає підніматися нагору. Воно остигає, змінюючи свій колір, «одягає» білу шапку вологи, що сконденсувалася, за ним тягнеться пил з поверхні землі, утворюючи «ніжку» того, що прийнято називати «атомним грибом».
Нейтронне ініціювання
Уважні читачі можуть з олівцем у руках прикинути енерговиділення під час вибуху. При часі знаходження складання в надкритичному стані системи мікросекунд, віці нейтронів системи пікосекунд і коефіцієнті розмноження менше 2 виділяється близько гігаджоуля енергії, що еквівалентно… 250 кг тротилу. А де ж кіло- та мегатонни?
Нейтрони – повільні та швидкі
У речовині, що не розділяється, «відскакуючи» від ядер, нейтрони передають їм частину своєї енергії, тим більшу, чим легше (ближче їм по масі) ядра. Чим більше сутичок взяли участь нейтрони, тим більше вони сповільнюються, і, нарешті, приходять в теплову рівновагу з навколишнім речовиною - термалізуються (це займає мілісекунди). Швидкість теплових нейтронів – 2200 м/с (енергія 0,025 еВ). Нейтрони можуть вислизнути з уповільнювача, захоплюються його ядрами, але з уповільненням їх здатність вступати в ядерні реакції суттєво зростає, тому нейтрони, які «не загубилися», з лишком компенсують зменшення чисельності.
Так, якщо кулю речовини, що ділиться оточити сповільнювачем, багато нейтронів покинуть сповільнювач або будуть поглинені в ньому, але будуть і такі, які повернуться в кулю («відб'ються») і, втративши свою енергію, з набагато більшою ймовірністю викличуть акти поділу. Якщо кулю оточити шаром берилію товщиною 25 мм, то можна заощадити 20 кг U235 і все одно досягти критичного стану складання. Але за таку економію платять часом: кожне наступне покоління нейтронів, перш ніж викликати поділ, має спочатку сповільнитись. Ця затримка зменшує кількість поколінь нейтронів, що народжуються в одиницю часу, а отже, енерговиділення затягується. Чим менше речовини, що ділиться в зборці, тим більше потрібно сповільнювача для розвитку ланцюгової реакції, а розподіл йде на все більш низькоенергетичних нейтронах. У граничному випадку, коли критичність досягається лише на теплових нейтронах, наприклад — у розчині солей урану в хорошому сповільнювачі — воді, маса збірок — сотні грамів, але розчин просто періодично закипає. Виділені бульбашки пари зменшують середню щільність речовини, що ділиться, ланцюгова реакція припиняється, а, коли бульбашки залишають рідину — спалах поділів повторюється (якщо закупорити посудину, пара розірве його — але це буде тепловий вибух, позбавлений всіх типових «ядерних» ознак).
Справа в тому, що ланцюг поділів у складанні починається не з одного нейтрону: у потрібну мікросекунду їх впорскують у надкритичне складання мільйонами. У перших ядерних зарядах для цього використовувалися ізотопні джерела, розташовані в порожнині всередині плутонієвої збірки: полоній-210 в момент стиску з'єднувався з бериллієм і своїми альфа-частинками викликав нейтронну емісію. Але всі ізотопні джерела слабкі (у першому американському виробі генерувалося менше мільйона нейтронів за мікросекунду), а полоній дуже швидко псується - всього за 138 діб знижує свою активність вдвічі. Тому на зміну ізотопам прийшли менш небезпечні (що не випромінюють у невключеному стані), а головне — нейтронні трубки, що випромінюють більш інтенсивно (див. врізання): за кілька мікросекунд (стільки триває формований трубкою імпульс) народжуються сотні мільйонів нейтронів. А от якщо вона не спрацює або спрацює не вчасно, станеться так звана бавовна, або пшик — малопотужний тепловий вибух.
Нейтронне ініціювання не тільки збільшує на багато порядків енерговиділення ядерного вибуху, а й дає можливість його регулювати! Зрозуміло, що, отримавши бойове завдання, при постановці якої обов'язково вказується потужність ядерного удару, ніхто не розбирає заряд, щоб оснастити його плутонієвим складанням, оптимальним для заданої потужності. У боєприпасі з тротиловим еквівалентом, що перемикається, досить просто змінити напругу живлення нейтронної трубки. Відповідно, зміниться вихід нейтронів і виділення енергії (зрозуміло, при зниженні потужності таким способом зникає багато дорогого плутонію).
Але про необхідність регулювання енерговиділення стали замислюватися набагато пізніше, а перші повоєнні рокирозмов про зниження потужності і не могло. Потужніше, потужніше та ще раз потужніше! Але виявилося, що існують ядерно-фізичні та гідродинамічні обмеження допустимих розмірів докритичної сфери. Тротиловий еквівалент вибуху в сотню кілотонн близький до фізичної межі для однофазних боєприпасів, у яких відбувається лише поділ. У результаті розподілу як основного джерела енергії відмовилися, ставку зробили на реакції іншого класу — синтезу.
Ядерний реактор працює злагоджено та чітко. Інакше, як відомо, буде біда. Але що там твориться всередині? Спробуємо сформулювати принцип роботи ядерного (атомного) реактора коротко, чітко із зупинками.
По суті, там відбувається той самий процес, що і при ядерному вибуху. Тільки вибух відбувається дуже швидко, а в реакторі все це розтягується на тривалий час. У результаті все залишається цілим і неушкодженим, а ми отримуємо енергію. Не стільки, щоб усе довкола одразу рознесло, але цілком достатню для того, щоб забезпечити електрикою місто.
Перш ніж зрозуміти, як іде керована ядерна реакція, потрібно дізнатися, що таке ядерна реакція взагалі.
Ядерна реакція - Це процес перетворення (розподілу) атомних ядер при взаємодії їх з елементарними частинками та гамма-квантами.
Ядерні реакції можуть проходити як із поглинанням, так і з виділенням енергії. У реакторі використовуються другі реакції.
Ядерний реактор – це пристрій, призначенням якого є підтримка контрольованої ядерної реакціїіз виділенням енергії.
Часто ядерний реактор називають ще атомним. Зазначимо, що принципової різниці тут немає, але з погляду науки правильніше використовувати слово "ядерний". Нині існує безліч типів ядерних реакторів. Це величезні промислові реактори, призначені для вироблення енергії на електростанціях, атомні реактори підводних човнів, малі експериментальні реактори, які у наукових дослідах. Існують навіть реактори, які застосовуються для опріснення морської води.
Історія створення атомного реактора
Перший ядерний реактор був запущений у не такому вже далекому 1942 році. Сталося це у США під керівництвом Фермі. Цей реактор назвали "Чиказькою бронею".
1946 року запрацював перший радянський реактор, запущений під керівництвом Курчатова. Корпус цього реактора був куля семи метрів у діаметрі. Перші реактори не мали системи охолодження, і їхня потужність була мінімальною. До речі, радянський реактор мав середню потужність 20 Ватт, а американський – лише 1 Ватт. Для порівняння: середня потужність сучасних енергетичних реакторів складає 5 Гігават. Менш ніж через десять років після запуску першого реактора було відкрито першу у світі промислову атомна електростанціяу місті Обнінську.
Принцип роботи ядерного (атомного) реактора
Будь-який ядерний реактор має кілька частин: активна зона з паливом і сповільнювачем , відбивач нейтронів , теплоносій , система управління та захисту . Як паливо в реакторах найчастіше використовуються ізотопи. урану (235, 238, 233), плутонія (239) та торія (232). Активна зона є котел, через який протікає звичайна вода(теплоносій). Серед інших теплоносіїв рідше використовується «важка вода» та рідкий графіт. Якщо говорити про роботу АЕС, то ядерний реактор використовується для одержання тепла. Сама електрика виробляється тим самим методом, що й інших типах електростанцій - пар обертає турбіну, а енергія руху перетворюється на електричну енергію.
Наведемо нижче схему роботи ядерного реактора.
Як ми вже говорили, при розпаді важкого ядра урану утворюються легші елементи та кілька нейтронів. Утворені нейтрони стикаються з іншими ядрами, також викликаючи їх поділ. При цьому кількість нейтронів зростає лавиноподібно.
Тут слід згадати коефіцієнт розмноження нейтронів . Так, якщо цей коефіцієнт перевищує значення, що дорівнює одиниці, відбувається ядерний вибух. Якщо значення менше одиниці, нейтронів замало і реакція згасає. А ось якщо підтримувати значення коефіцієнта дорівнює одиниці, реакція протікатиме довго і стабільно.
Питання, як це зробити? У реакторі паливо знаходиться в так званих тепловиділяючі елементи (ТВЕЛах). Це стрижні, у яких у вигляді невеликих таблеток знаходиться ядерне паливо . ТВЕЛи з'єднані в касети шестигранної форми, яких у реакторі можуть бути сотні. Касети з ТВЕЛ розташовуються вертикально, при цьому кожен ТВЕЛ має систему, що дозволяє регулювати глибину його занурення в активну зону. Крім самих касет серед них розташовуються керуючі стрижні і стрижні аварійного захисту . Стрижні виготовлені з матеріалу, що добре поглинає нейтрони. Так, стрижні, що управляють, можуть бути опущені на різну глибину в активній зоні, тим самим регулюючи коефіцієнт розмноження нейтронів. Аварійні стрижні мають заглушити реактор у разі надзвичайної ситуації.
Як запускають ядерний реактор?
З самим принципом роботи ми розібралися, але як запустити та змусити реактор функціонувати? Грубо кажучи, ось він - шматок урану, але ланцюгова реакція не починається в ньому сама по собі. Справа в тому, що в ядерній фізиці існує поняття критичної маси .
Критична маса - це необхідна для початку ланцюгової ядерної реакції маса речовини, що ділиться.
За допомогою ТВЕЛів та керуючих стрижнів у ректорі спочатку створюється критична маса ядерного палива, а потім реактор у кілька етапів виводиться на оптимальний рівень потужності.
У цій статті ми постаралися дати Вам загальне уявлення про будову та принцип роботи ядерного (атомного) реактора. Якщо у Вас залишилися питання на тему або в університеті поставили завдання з ядерної фізики – звертайтесь до спеціалістам нашої компанії. Ми, як завжди, готові допомогти Вам вирішити будь-яке питання по навчанню. А поки ми цим займаємося, до Вашої уваги чергове освітнє відео!
Атомна електроенергетика - сучасний і швидко розвивається спосіб видобутку електрики. А ви знаєте, як улаштовані атомні станції? Який принцип роботи АЕС? Які типи ядерних реакторів сьогодні є? Намагатимемося детально розглянути схему роботи АЕС, вникнути у влаштування ядерного реактора та дізнатися про те, наскільки безпечний атомний спосіб видобутку електроенергії.
Будь-яка станція – це закрита зона далеко від житлового масиву. На її території є кілька будівель. Найголовніша споруда – будівля реактора, поруч із нею розташований машинний зал, з якого реактором керують, та будівля безпеки.
Схема неможлива без ядерного реактора. Атомний (ядерний) реактор – це пристрій АЕС, який має організувати ланцюгову реакцію поділу нейтронів з обов'язковим виділенняменергії у цьому процесі. Але який принцип роботи АЕС?
Вся реакторна установка поміщається у будівлю реактора, велику бетонну вежу, яка приховує реактор і у разі аварії утримає у собі всі продукти ядерної реакції. Цю велику вежу називають контейнтментом, герметичною оболонкою або гермозоною.
Гермозона у нових реакторах має 2 товсті бетонні стінки – оболонки.
Зовнішня оболонка завтовшки 80 см забезпечує захист гермозони від зовнішніх впливів.
Внутрішня оболонка завтовшки 1 метр 20 см має у своєму пристрої спеціальні сталеві троси, які збільшують міцність бетону майже втричі і не дадуть конструкції розсипатися. З внутрішньої сторони вона викладена тонким листом спеціальної сталі, яка покликана служити додатковим захистом контейнтменту та у разі аварії не випустити вміст реактора за межі гермозони.
Такий пристрій атомної станції дозволяє витримати падіння літака вагою до 200 тонн, 8 бальний землетрус, торнадо та цунамі.
Вперше герметична оболонка була споруджена на американській АЕС Коннектикут Янкі у 1968 році.
Повна висота гермозони – 50-60 метрів.
З чого складається атомний реактор?
Щоб зрозуміти принцип роботи ядерного реактора, а отже, і принцип роботи АЕС, потрібно розібратися у складових реактора. 
- Активна зона. Це зона, куди міститься ядерне паливо (тепловидільник) та сповільнювач. Атоми палива (найчастіше паливом виступає уран) здійснюють ланцюгову реакцію поділу. Уповільнювач покликаний контролювати процес поділу, і дозволяє провести потрібну за швидкістю і силою реакцію.
- Відбивач нейтронів. Відбивач оточує активну зону. Складається він із того ж матеріалу, що й уповільнювач. По суті це короб, головне призначення якого – не дати нейтронам вийти з активної зони та потрапити до навколишнього середовища.
- Теплоносій. Теплоносій повинен увібрати в себе тепло, яке виділилося при розподілі атомів палива, та передати його іншим речовинам. Теплоносій багато в чому визначає те, як влаштовано АЕС. Найпопулярніший теплоносій на сьогодні – вода.
Система керування реактором. Датчики та механізми, що приводять реактор АЕС у дію.
Паливо для АЕС
На чому працює АЕС? Паливо для АЕС – це хімічні елементи, що мають радіоактивні властивості. На всіх атомних станціях таким елементом є уран.
Пристрій станцій передбачає, що АЕС працюють на складному паливі, а не на чистому. хімічний елемент. І щоб із природного урану видобути уранове паливо, яке завантажується в ядерний реактор, потрібно провести багато маніпуляцій.
Збагачений уран
Уран складається із двох ізотопів, тобто у його складі є ядра з різною масою. Назвали їх за кількістю протонів та нейтронів ізотоп-235 та ізотоп-238. Дослідники 20 століття почали видобувати з руди 235-й уран, т.к. його легше було розкладати та перетворювати. З'ясувалося, що такого урану в природі всього 0,7% (інші відсотки дісталися 238 ізотопу). 
Що робити у цьому випадку? Уран вирішили збагачувати. Збагачення урану це процес, коли в ньому залишається багато потрібних 235-х ізотопів і мало непотрібних 238-х. Завдання збагачувачів урану – з 0.7% зробити майже 100% урану-235.
Збагатити уран можна за допомогою двох технологій – газодифузійної чи газоцентрифужної. Для їх використання уран, здобутий із руди, переводять у газоподібний стан. У вигляді газу його збагачують.
Урановий порошок
Збагачений урановий газ переводять у твердий стан – діоксид урану. Такий чистий твердий 235-й уран виглядає як великі білі кристали, які потім дроблять в порошок урану.
Уранові таблетки
Уранові таблетки – це тверді металеві шайби, завдовжки кілька сантиметрів. Щоб з уранового порошку зліпити такі пігулки, його перемішують із речовиною – пластифікатором, він покращує якість пресування пігулок.
Пресовані шайби запікають при температурі 1200 градусів за Цельсієм більше доби, щоб надати пігулкам особливої міцності та стійкості до високих температур. Те, як працює АЕС, безпосередньо залежить від того, наскільки добре спресували та запікали уранове паливо. 
Запікають таблетки в ящиках молібденових, т.к. тільки цей метал здатний не розплавитися при «пекельних» температурах понад півтори тисячі градусів. Після цього уранове паливо для АЕС вважається готовим.
Що таке ТВЕЛ та ТВС?
Активна зона реактора зовні виглядає як величезний диск або труба з дірками в стінках (залежно від типу реактора), раз на 5 більше людського тіла. У цих дірках знаходиться уранове паливо, атоми якого проводять потрібну реакцію.
Просто так закинути паливо в реактор неможливо, ну якщо ви не хочете отримати вибух усієї станції та аварію з наслідками на пару прилеглих держав. Тому уранове паливо міститься у ТВЕЛи, а потім збирається у ТВС. Що означають ці абревіатури?
- ТВЕЛ – тепловиділяючий елемент (не плутати з однойменною назвою російської компанії, яка їх виготовляє). По суті, це тонка і довга цирконієва трубка, зроблена зі сплавів цирконію, в яку містяться уранові таблетки. Саме в ТВЕЛ атоми урану починають взаємодіяти один з одним, виділяючи тепло при реакції.
Цирконій обраний матеріалом для виробництва ТВЕЛів завдяки його тугоплавкості та антикорозійності.
Тип ТВЕЛів залежить від типу та будови реактора. Як правило, будова та призначення ТВЕЛів не змінюється, різними можуть бути довжина та ширина трубки. 
В одну цирконієву трубку автомат завантажує понад 200 уранових пігулок. Загалом у реакторі одночасно працюють близько 10 мільйонів уранових таблеток.
ТВС - тепловиділяюча збірка. Працівники АЕС називають ТВС пучками.
По суті, це кілька ТВЕЛів, скріплених між собою. ТВС – це готове атомне паливо, те, на чому працює АЕС. Саме ТВС завантажуються у ядерний реактор. В один реактор містяться близько 150 - 400 ТВС.
Залежно від того, в якому реакторі ТВС працюватиме, вони бувають різної форми. Іноді пучки складаються в кубічну, іноді циліндричну, іноді шестикутну форму.
Одна ТВС за 4 роки експлуатації виробляє стільки ж енергії, як при спалюванні 670 вагонів вугілля, 730 цистерн з природним газом або 900 цистерн, завантажених нафтою.
Сьогодні ТВС виробляють переважно на заводах Росії, Франції, США та Японії.
Щоб доставити паливо для АЕС до інших країн, ТВС запечатують у довгі та широкі металеві труби, з труб викачують повітря та спеціальними машинамидоставляють на борти вантажних літаків.
Важить ядерне паливо для АЕС дуже багато, т.к. уран – один із самих важких металівна планеті. Його питома вагау 2,5 рази більше, ніж у сталі.
Атомна електростанція: принцип роботи
Який принцип роботи АЕС? Принцип роботи АЕС виходить з ланцюгової реакції розподілу атомів радіоактивного речовини – урану. Ця реакція відбувається у активній зоні ядерного реактора.
ВАЖЛИВО ЗНАТИ:
Якщо не вдаватися до тонкощів ядерної фізики, принцип роботи АЕС виглядає так:
Після пуску ядерного реактора з ТВЕЛів вилучаються стрижні, що поглинають, які не дають урану вступити в реакцію.
Як тільки стрижні вилучені, нейтрони урану починають взаємодіяти один з одним.
Коли нейтрони стикаються, відбувається міні-вибух на атомному рівні, виділяється енергія та народжуються нові нейтрони, починає відбуватися ланцюгова реакція. Цей процес виділяє тепло.
Тепло віддається теплоносія. Залежно від типу теплоносія воно перетворюється на пару чи газ, які обертають турбіну.
Турбіна приводить у рух електрогенератор. Саме він за фактом виробляє електричний струм.
Якщо не стежити за процесом, нейтрони урану можуть стикатися один з одним доти, доки не підірвуть реактор і не рознесуть всю АЕС у пух і порох. Контролюють процес комп'ютерні датчики. Вони фіксують підвищення температури або зміну тиску реакторі і можуть автоматично зупинити реакції.
Чим відрізняється принцип роботи АЕС від ТЕС (теплоелектростанцій)?
Відмінності у роботі є лише на перших етапах. В АЕС теплоносій отримує тепло від розподілу атомів уранового палива, в ТЕС теплоносій отримує тепло від згоряння органічного палива (вугілля, газу чи нафти). Після того, як або атоми урану, або газ із вугіллям виділили тепло, схеми роботи АЕС та ТЕС однакові.
Типи ядерних реакторів
Те, як працює АЕС, залежить від того, як саме працює її атомний реактор. Сьогодні є два основні типи реакторів, які класифікуються за спектром нейронів:
Реактор на повільних нейтронах його також називають тепловим.
Для його роботи використовується 235 уран, який проходить стадії збагачення, створення уранових таблеток і т.д. Сьогодні реакторів на повільних нейтронах переважна більшість.
Реактор на швидкі нейтрони.
За цими реакторами майбутнє, т.к. працюють вони на урані-238, якого в природі хоч греблю гати і збагачувати цей елемент не потрібно. Мінус таких реакторів лише у дуже великих витратах на проектування, будівництво та запуск. Сьогодні реактори на швидких нейтронах працюють лише у Росії.
Теплоносієм у реакторах на швидких нейтронах виступає ртуть, газ, натрій чи свинець.
Реактори на повільних нейтронах, якими сьогодні користуються всі АЕС світу, також бувають кількох типів.
Організація МАГАТЕ (міжнародне агентство з атомної енергетики) створило свою класифікацію, якою користуються у світовій атомній енергетиці найчастіше. Оскільки принцип роботи атомної станції багато в чому залежить від вибору теплоносія та сповільнювача, МАГАТЕ базували свою класифікацію цих відмінностях.
З хімічної погляду оксид дейтерію ідеальний сповільнювач і теплоносій, т.к. її атоми найефективніше взаємодіють із нейтронами урану проти іншими речовинами. Простіше кажучи, своє завдання важка вода виконує з мінімальними втратами та максимальним результатом. Однак її виробництво коштує грошей, тоді як звичайну «легку» та звичну для нас воду використовувати набагато простіше.
Декілька фактів про атомні реактори…
Цікаво, що один реактор АЕС будують не менше 3-х років!
Для будівництва реактора необхідне обладнання, яке працює на електричному струмі в 210 кілограмів Ампер, що в мільйон разів перевищує силу струму, яка здатна вбити людину.
Одна обичайка (елемент конструкції) ядерного реактора важить 150 тонн. В одному реакторі таких елементів 6.
Водо-водяний реактор
Як працює АЕС загалом, ми вже з'ясували, щоб усе «розкласти по поличках», подивимося, як працює найбільш популярний водо-водяний ядерний реактор.
У всьому світі сьогодні використовують водоводяні реактори покоління 3+. Вони вважаються найнадійнішими та безпечнішими.
Усі водо-водяні реактори у світі за всі роки їх експлуатації в сумі вже встигли набрати понад 1000 років безаварійної роботи і жодного разу не давали серйозних відхилень. 
Структура АЕС на водо-водяних реакторах передбачає, що між ТВЕЛами циркулює дистильована вода, нагріта до 320 градусів. Щоб не дати їй перейти в пароподібний стан, її тримають під тиском у 160 атмосфер. Схема АЕС називає її водою першого контуру.
Нагріта вода потрапляє в парогенератор і віддає своє тепло воді другого контуру, після чого знову повертається в реактор. Зовні це виглядає так, що трубки води першого контуру торкаються інших трубок – води другого контуру, вони передають тепло один одному, але води не контактують. Контактують трубки.
Таким чином, виключена можливість попадання радіації у воду другого контуру, яка далі братиме участь у процесі видобутку електрики.
Безпека роботи АЕС
Дізнавшись принцип роботи АЕС, ми повинні розуміти як влаштована безпека. Влаштування АЕС сьогодні потребує підвищеної уваги до правил безпеки.
Витрати на безпеку АЕС становлять приблизно 40% від загальної вартості самої станції. 
У схему АЕС закладаються 4 фізичні бар'єри, які перешкоджають виходу радіоактивних речовин. Що мають робити ці бар'єри? У потрібний момент зуміти припинити ядерну реакцію, забезпечувати постійне відведення тепла від активної зони та самого реактора, запобігати виходу радіонуклеїдів за межі контайнменту (гермозони).
- Перший бар'єр – міцність уранових пігулок.Важливо, щоб вони не руйнувалися під впливом високих температур ядерного реактора. Багато в чому те, як працює атомна станція, залежить від того, як "спекли" таблетки з урану на початковій стадії виготовлення. Якщо таблетки з урановим паливом запекти невірно, реакції атомів урану в реакторі будуть непередбачуваними.
- Другий бар'єр – герметичність ТВЕЛів.Цирконієві трубки повинні бути щільно запечатані, якщо герметичність буде порушена, то в кращому разі реактор буде пошкоджений і робота зупинена, у гіршому – все злетить у повітря.
- Третій бар'єр – міцний сталевий корпус реактора, (та найбільша вежа – гермозона) який «утримує» у собі всі радіоактивні процеси. Зруйнується корпус – радіація вийде в атмосферу.
- Четвертий бар'єр – стрижні аварійного захисту.Над активною зоною на магніти підвішуються стрижні із сповільнювачами, які можуть за 2 секунди поглинути усі нейтрони та зупинити ланцюгову реакцію.
Якщо, незважаючи на влаштування АЕС з багатьма ступенями захисту, охолодити активну зону реактора в потрібний момент не вдасться, і температура палива зросте до 2600 градусів, то справа набуває останньої надії системи безпеки – так звана пастка розплаву.
Справа в тому, що при такій температурі дно корпусу реактора розплавиться, і всі залишки ядерного палива та розплавлених конструкцій стікають у спеціальний підвішений над активною зоною реактора «стакан».
Пастка розплаву охолоджується і вогнетривка. Вона наповнена так званим «жертвовим матеріалом», який поступово зупиняє ланцюгову реакцію поділу.
Таким чином, схема АЕС має на увазі кілька ступенів захисту, які практично повністю виключають будь-яку можливість аварії.
У пошуках ідеальної зброї, здатної одним клацанням випарувати армію супротивника, билися сотні тисяч відомих та забутих зброярів давнини. Періодично слід цих пошуків можна знайти в казках, які більш-менш правдоподібно описують чудо-меч або лук, що б'є без промаху.
На щастя, технічний прогрес рухався довгий час настільки повільно, що реальне втілення нищівної зброї залишалося в мріях та усних оповіданнях, а пізніше на сторінках книг. Науково-технічний стрибок ХІХ століття забезпечив умови створення головної фобії століття ХХ-го. Ядерна бомба, створена та випробувана в реальних умовах, справила революцію і у військовій справі, і у політиці.
Історія створення зброї
Довгий час вважалося, що найпотужнішу зброю можна створити лише з використанням вибухових речовин. Відкриття вчених, які працювали з найдрібнішими частинками, дали наукове обґрунтування того, що за допомогою елементарних частинокможна виробляти величезну енергію. Першим серед дослідників можна назвати Беккереля, в 1896 року відкрив радіоактивність солей урану.
Сам уран був відомий ще з 1786 року, проте на той час про його радіоактивність ніхто не підозрював. Робота вчених межі ХІХ і ХХ століть виявила як особливі Фізичні властивості, а й можливість отримання енергії з радіоактивних речовин.
Варіант виготовлення зброї на основі урану вперше був докладно описаний, опублікований та запатентований французькими фізиками, подружжям Жоліо-Кюрі у 1939 році.
Незважаючи на цінність для збройової справи, самі вчені були рішуче проти створення такої нищівної зброї.
Пройшовши Другу світову війну в Опорі, у 1950-х подружжя (Фредерік та Ірен) розуміючи руйнівну силу війни, виступають за загальне роззброєння. Їх підтримують Нільс Бор, Альберт Ейнштейн та інші видні фізики того часу.
Тим часом поки Жоліо-Кюрі були зайняті проблемою фашистів у Парижі, на іншому кінці планети, в Америці, розроблявся перший у світі ядерний заряд. Роберту Оппенгеймеру, який очолив роботи, були надані найширші повноваження та великі ресурси. Кінець 1941 ознаменувався початком проекту «Манхеттен», що призвів до створення першого бойового ядерного заряду.
У містечку Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, було споруджено перші виробничі площі для отримання збройового урану. Надалі такі ж ядерні центри з'являються по всій країні, наприклад, у Чикаго, в Ок-Ріджі, штат Теннесі, проводилися дослідження і в Каліфорнії. На створення бомби були кинуті кращі сили професури американських університетів, а також вчені-фізики, які втекли з Німеччини.
У самому «Третьому Рейху» робота зі створення нового типу зброї була розгорнута характерним для фюрера способом.
Оскільки «Безвісного» більше цікавили танки та літаки, і чим більше тим краще, у новій диво-бомбі він не бачив особливої потреби.
Відповідно, не підтримувані Гітлером проекти в кращому випадку рухалися черепашим кроком.
Коли ж стало припікати, і виявилося, що танки та літаки проковтнув Східний фронт, нове диво зброя отримала підтримку. Але було пізно, в умовах бомбардувань і постійного страху радянських танкових клинів створити пристрій з ядерною складовою було неможливо.
радянський СоюзУважніше ставився до можливості створення нового типу руйнівної зброї. У довоєнний період фізиками збиралися та зводилися загальні знання про ядерну енергетику та можливість створення ядерної зброї. Посилено працювала розвідка протягом усього періоду створення ядерної бомби як у СРСР, і у США. Значну роль стримуванні темпів розробки зіграла війна, оскільки великі ресурси йшли на фронт.
Щоправда, академік Курчатов Ігор Васильович, із властивою завзятістю, просував роботу всіх підвідомчих підрозділів і в цьому напрямі. Забігаючи трохи вперед, саме йому буде доручено прискорити розробку зброї перед загрозою американського удару по містах СРСР. Саме йому, який стояв у граві величезної машини із сотень і тисяч вчених та працівників, буде присвоєно почесне звання батька радянської ядерної бомби.
Перші у світі випробування
Але повернемось до американської ядерної програми. До літа 1945 року американським вченим вдалося створити першу у світі ядерну бомбу. Будь-який хлопчик, який зробив сам або купив у магазині потужну петарду, відчуває надзвичайні муки, бажаючи підірвати її якомога швидше. У 1945 році сотні американських військових і вчених відчували те саме.
16 червня 1945 року в пустелі Аламогордо, штат Нью-Мексико, були зроблені перші в історії випробування ядерної зброї та один із найпотужніших, на той момент, вибухів.
Очевидців, які спостерігали за підривом із бункера, вразила сила, з якою заряд розірвався на вершині 30-метрової сталевої вежі. Спочатку все залило світло, сильніше в кілька разів сильніше за сонячне. Потім у небо піднялася вогненна куля, що перетворилася на стовп диму, що оформився у знаменитий гриб.
На місце підриву, як тільки вщухнув пил, кинулися дослідники та творці бомби. Спостерігали вони за наслідками з обвішаних свинцем танків «Шерман». Побачене вразило їх, жодна зброя не завдавала б такої шкоди. Пісок подекуди оплавився до скла.
Знайдені були й крихітні останки вежі, у вирві величезного діаметра понівечені та роздроблені конструкції наочно ілюстрували руйнівну міць.
Вражаючі фактори
Цей підрив дав перші відомості про силу нової зброї, у тому, з допомогою чого може знищити противника. Це кілька факторів:
- світлове випромінювання, спалах, здатний засліпити навіть захищені органи зору;
- ударна хвиля, щільний потік повітря, що рухається від центру, що знищує більшість будівель;
- електромагнітний імпульс, що виводить з ладу більшу частину техніки і не дозволяє користуватися засобами зв'язку спочатку після вибуху;
- проникаюча радіація, найбільш небезпечний фактордля схованих від інших вражаючих факторів, ділиться на альфа-бета-гама-опромінення;
- радіоактивне зараження, здатне негативно впливати на здоров'я та життя протягом десятків, а то й сотень років.
Подальше застосування ядерної зброї, у тому числі в бойових діях, показало всі особливості впливу на живі організми та на природу. 6 серпня 1945 став останнім днем для десятків тисяч жителів невеликого міста Хіросіма, відомого тоді кількома важливими військовими об'єктами.
Результат війни на Тихому океанібув вирішений наперед, однак у Пентагоні вважали, що операція на японському архіпелазі коштуватиме понад мільйон життів морських піхотинців армії США. Було ухвалено рішення вбити відразу кілька зайців, вивести Японію з війни, заощадивши на десантній операції, випробувати у справі нову зброю і заявити про неї всьому світу, і, насамперед, СРСР.
О першій ночі літак, на борту якого розташовувалась ядерна бомба «Малюк», вилетів на завдання.
Бомба, скинута над містом, розірвалася на висоті приблизно 600 метрів о 8.15 ранку. Всі будівлі, що були на відстані 800 метрів від епіцентру, були зруйновані. Вціліли стіни всього кількох будов, розрахованих на 9-ти бальний землетрус.
З кожних десяти людей, які перебували в момент розриву бомби в радіусі 600 метрів, вижити зміг лише один. Світлове випромінювання перетворювало людей на вугілля, залишаючи на камені сліди тіні, темний відбиток місця, на якому знаходилася людина. Після вибухової хвилі була настільки сильна, що змогла вибити шибки на відстані 19 кілометрів від місця вибуху.
Одного підлітка щільний потік повітря вибив через вікно, приземлившись, хлопець побачив, як стіни будинку складаються як карти. За вибуховою хвилею пролунав вогненний смерч, який знищив тих небагатьох жителів, які вціліли після вибуху і не встигли залишити зону пожеж. Ті, хто знаходився на віддаленні від вибуху, почали відчувати сильне нездужання, причина якої була спочатку незрозуміла лікарям.
Багато пізніше, за кілька тижнів було озвучено термін «радіаційне отруєння», відомий нині як променева хвороба.
Жертвами всього однієї бомби, як безпосередньо від вибуху, так і від хвороб, що сталися, стали понад 280 тисяч людей.
На цьому бомбардування Японії ядерною зброєю не скінчилося. За планом удару мали бути піддані всього від чотирьох до шести міст, але погодні умови дозволили вдарити ще тільки Нагасакі. У цьому місті жертвами бомби «Товстун» стали понад 150 тисяч людей.
Обіцянки американського урядузавдавати таких ударів до капітуляції Японії призвели до перемир'я, а потім і до підписання угоди, що закінчила Світову війну. Але для ядерної зброї це був лише початок.
Найпотужніша бомба у світі
Післявоєнний час ознаменувався протистоянням блоку СРСР та союзників із США та НАТО. У 1940-х американці всерйоз розглядали можливість завдання удару по Радянському Союзу. Для стримування колишнього союзника довелося прискорити роботи зі створення бомби, і вже 1949 року, 29 серпня з монополією Штатів у ядерній зброї було покінчено. Під час гонки озброєнь найбільшої уваги заслуговують два випробування ядерних зарядів.
Атол Бікіні, відомий насамперед легковажними купальниками, в 1954 році в буквальному сенсі прогримів на весь світ у зв'язку з випробуваннями ядерного заряду особливої потужності.
Американці, вирішивши випробувати нову конструкцію атомної зброї, не розрахували заряду. У результаті вибух вийшов у 2,5 рази потужнішим, ніж планувалося. Під ударом опинилися жителі прилеглих острівців, а також усюдисущі японські рибалки.
Але це була не найпотужніша американська бомба. У 1960 році на озброєння приймається ядерна бомба В41, яка так і не пройшла повноцінних випробувань через свою потужність. Силу заряду розрахували теоретично, побоюючись підривати на полігоні таку небезпечну зброю.
Радянський Союз, який любив у всьому бути першим, випробував у 1961 році, прозвану по іншому «Кузькіна мати».
Відповідаючи на ядерний шантаж Америки, радянські вчені створили найпотужнішу бомбу у світі. Випробувана на Новій Землі, вона залишила свій слід майже у всіх куточках земної кулі. За спогадами, у найвіддаленіших куточках у момент вибуху відчувався легкий землетрус.
Вибухова хвиля, само собою, втративши всю руйнівну силу, змогла обігнути Землю. На сьогоднішній момент це найпотужніша ядерна бомба у світі, створена та випробувана людством. Звичайно, якби розв'язані руки, ядерна бомба Кім Чен Іна була б потужнішою, але в нього немає Нової Землі, щоб випробувати її.
Влаштування атомної бомби
Розглянемо дуже примітивне, чисто розуміння, пристрій атомної бомби. Класів атомних бомб багато, але розглянемо три основні:
- уранова, на основі урану 235 вперше підірвана над Хіросимою;
- плутонію, на основі плутонію 239 вперше підірвана над Нагасакі;
- термоядерна, іноді звана водневої, на основі важкої води з дейтерієм і тритієм, яка на щастя проти населення не застосовувалася.
Перші дві бомби засновані на ефект розподілу важких ядер на дрібніші шляхом неконтрольованої ядерної реакції з виділенням величезної кількостіенергії. Третя заснована на злитті ядер водню (вірніше його ізотопів дейтерію та тритію) з утворенням більш важкого, по відношенню до водню, гелію. При однаковій вазі бомби руйнівний потенціал водневої у 20 разів більший.
Якщо для урану і плутонію достатньо зібрати воєдино масу більшу, ніж критична (при якій починається ланцюгова реакція), то для водневої цього недостатньо.
Для надійного з'єднання декількох шматків урану в один використовується ефект гармати, при якому дрібніші шматки урану вистрілюються в більші. Можна застосовувати і порох, але для надійності застосовується малопотужна вибухівка.
У плутонієвій бомбі для створення необхідних умов ланцюгової реакції вибухівку розташовують навколо злитків з плутонію. За рахунок кумулятивного ефекту, а також розташованого в центрі ініціатора нейтронів (берилій з кількома міліграмами полонію) необхідні умовидосягаються.
Вона має основний заряд, який сам собою вибухнути не може, і підривник. Для створення умов злиття ядер дейтерію і тритію потрібні неймовірні для нас тиску і температури хоча б в одній точці. Далі станеться ланцюгова реакція.
Для створення таких параметрів до складу бомби входить звичайний, але малопотужний ядерний заряд, який і є підривником. Його підрив створює умови для початку термоядерної реакції.
Для оцінки потужності атомної бомби застосовують так званий тротиловий еквівалент. Вибух це виділення енергії, найвідоміша у світі вибухова речовина – тротил (ТНТ – тринітротолуол), до неї і прирівнюють нові види вибухівки. Бомба «Малюк» – 13 кілотон ТНТ. Тобто еквівалентна 13000.
Бомба «Товстун» – 21 кілотонна, «Цар-бомба» – 58 мегатонн ТНТ. Страшно подумати 58 мільйонів тонн вибухівки зосередженої масою 26,5 тонн, саме стільки весела ця бомба.
Небезпека ядерної війни та катастрофи, пов'язані з атомом
З'явившись у розпал найстрашнішої війни ХХ століття, ядерна зброя стала найбільшою небезпекою для людства. Відразу після Другої Світової почалася Холодна війна, яка кілька разів ледь не переросла в повноцінний ядерний конфлікт. Про загрозу застосування хоча б однією стороною ядерних бомб та ракет почали говорити ще у 1950-х роках.
Усі розуміли та розуміють, у цій війні переможців бути не може.
Для стримування робилися зусилля багатьох вчених і політиків. Чиказький університет, використовуючи думку запрошених ядерників, у тому числі Нобелівських лауреатів, ставить годинник Судного Дня за кілька хвилин до півночі Північ означає ядерний катаклізм, початок нової Світової війни та знищення колишнього світу. У різні рокистрілки годинника коливалися від 17 до 2 хвилин до півночі.
Відомі кілька великих аварій, що сталися на атомних станціях. До зброї ці катастрофи відношення мають опосередковане, АЕС все ж таки відрізняються від ядерних бомб, але вони якнайкраще показують результати використання атома у військових цілях. Найбільші з них:
- 1957, Киштимська аварія, через збій в системі зберігання стався вибух недалеко від Киштима;
- 1957, Британія, на північному заході Англії не доглядали за безпекою;
- 1979 рік, США, через невчасно виявлений витік стався вибух та викид з АЕС;
- 1986 рік, трагедія у Чорнобилі, вибух 4-го енергоблоку;
- 2011 рік, аварія на станції Фукусіма, Японія.
Кожна з цих трагедій лягла важким друком на долі сотень тисяч людей і перетворила цілі області на нежитлові зони з особливим контролем.
Були інциденти, які ледь не коштували початку атомної катастрофи. Радянські атомні підводні човни неодноразово мали на борту аварії, пов'язані з реакторами. Американці впустили бомбардувальник «Суперфортеця» із двома ядерними бомбами Мark 39 на борту, потужністю 3,8 мегатонн. Але "система безпеки", що спрацювала, не дозволила зарядам здетонувати і катастрофи вдалося уникнути.
Ядерна зброя в минулому та теперішньому
Сьогодні будь-кому ясно, що ядерна війназнищить сучасне людство. Тим часом бажання мати ядерну зброю і увійти в ядерний клуб, а точніше ввалитися в нього, вибивши двері, як і раніше, розбурхує уми деяких лідерів держав.
Самовільно створили ядерну зброю Індія та Пакистан, приховують наявність бомби ізраїльтяни.
Для одних володіння ядерною бомбою – спосіб довести важливість міжнародної арені. Для інших – гарантія невтручання крилатої демократії чи інших чинників ззовні. Але головне, щоб ці запаси не пішли у справу, для чого вони справді були створені.
Відео
