Критическая масса — Википедия с видео // WIKI 2
Критическая масса — в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими.
Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей нейтронов может сильно уменьшить критическую массу.
В ядерной энергетике параметр критической массы является определяющим при конструировании и расчётах самых разнообразных устройств, использующих в своей конструкции различные изотопы или смеси изотопов элементов, способных в определенных условиях к ядерному делению с выделением колоссального количества энергии. Например, при проектировании мощных радиоизотопных генераторов, в которых используются в качестве топлива уран и ряд трансурановых элементов, параметр критической массы ограничивает мощность такого устройства. При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критической массы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на его стоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, параметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.
Наименьшей критической массой обладают растворы солей чистых делящихся нуклидов в воде с водяным отражателем нейтронов. Для 235U критическая масса такого раствора равна 0,8 кг, для 239Pu — 0,5 кг, для некоторых солей 251Cf — 10 г.
Энциклопедичный YouTube
1/3
Просмотров:39 323
42 375
32 401
✪ Пуля №5. Яма. Михаил Дашкиев. Бизнес Молодость. Критическая масса.
✪ Пуля №6. Дело против бизнеса. Бизнес Молодость. Критическая масса.
✪ Пуля №7. Квантовый рост. Михаил Дашкиев и Петр Осипов. Бизнес Молодость. Критическая масса.
Критический размер
Критическая масса M {\displaystyle M} связана с критической длиной l {\displaystyle l} M ∼ l x {\displaystyle M\sim l^{x}} , где x зависит от формы образца и лежит в пределах от 2 до 3. Зависимость от формы связана с утечкой нейтронов через поверхность: чем больше поверхность, тем больше критическая масса. Образец с минимальной критической массой имеет форму шара.
| Изотоп | Получение (источник) | Период полураспада T½ | Критическая масса | Плотность г/см³ | Темпе- ратура плавле- ния °С | Тепловы- деление Вт/кг | Нейтроны спонтанного деления 105(кг·с) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 231Pa | Реактор | 32760 лет | 750±180 кг | 15,37 | 1572 | ||
| 232U | Реактор на быстрых нейтронах | 68,9 лет | 19,04 | 1134 | 8097 | ||
| 233U | Реактор | 159200 лет | 15 кг | 19,04 | 1134 | ||
| 235U | Природный уран | 7,038⋅108 лет | 50 кг | 19,04 | 1134 | ||
| 236U | Реактор | 2,3416⋅107 лет | ? кг | 19,04 | 1134 | ||
| 237Np | Реактор | 2,14⋅107 лет | 57 кг | 20,25 | 637 | 0,022 | 0 |
| <sup>236</sup>Pu | Реактор | 2,9 лет | 6—8 кг | 19,84 | 639,7 | 18500 | 349 |
| 238Pu | Реактор | 87,7 лет | 9,6—9,8 кг | 19,84 | 639,7 | 568 | 26,6 |
| 239Pu | Реактор | 24100 лет | 11 кг | 19,84 | 639,7 | 1,92 | |
| 240Pu | Реактор | 6500 лет | 36,9 кг | 19,84 | 639,7 | 7,1 | 9,1 |
| 241Pu | Реактор | 14,4 лет | 13 кг | 19,84 | 639,7 | 3,2 | 0 |
| 242Pu | Реактор | 380000 лет | 83,4 кг | 19,84 | 639,7 | 0,113 | 16,9 |
| 241Am | Реактор | 432 года | 60 кг | 13,67 | 1180 | 114 | 0,012 |
| <sup>242m</sup>Am | Реактор | 141 год | 9,1 кг | 13,67 | 1180 | 3,84 | 1,49 |
| <sup>243</sup>Am | Реактор | 7400 лет | 208,8 кг | 13,67 | 1180 | 6,4 | 0,03 |
| <sup>243</sup>Cm | Реактор | 28,5 лет | 8,6 кг | 13,51 | 1340 | 1900 | 0 |
| 244Cm | Реактор | 18,1 лет | 27 кг | 13,51 | 1340 | 2830 | 1,11 |
| 245Cm | Реактор | 8500 лет | 9,2 кг | 13,51 | 1340 | 5,7 | 0 |
| <sup>246</sup>Cm | Реактор | 4730 лет | 39—70,1 кг | 13,51 | 1340 | ||
| <sup>247</sup>Cm | Реактор | 1,56⋅107 лет | 6,94—7,06 кг | 13,51 | 1340 | ||
| 248Cm | Реактор | 340000 лет | 13,51 | 1340 | |||
| 249 | Реактор | 351 год | 5,9 кг | 15,1 | |||
| <sup>250</sup>Cf | Реактор | 13,08 лет | 15,1 | ||||
| 251Cf | Реактор | 898 лет | 5,5 кг | 15,1 | |||
| 252Cf | Реактор | 2,638 года | 2,73 кг | 15,1 |
Литература
Ссылки
Критическая масса в ядерной физике
С момента окончания самой страшной в истории человечества войны прошло чуть более двух месяцев. И вот 16 июля 1945 года американскими военными была испытана первая ядерная бомба, а спустя еще месяц в атомном пекле гибнут тысячи жителей японских городов. С тех пор ядерное оружие, так же как и средства доставки его к целям, непрерывно совершенствовалось на протяжении более полувека.
Военным хотелось получить в свое распоряжение как сверхмощные боеприпасы, одним ударом сметающие с карты целые города и страны, так и сверхмалые, умещающиеся в портфель. Такое устройство вывело бы диверсионную войну на небывалый доселе уровень. Как с первым, так и со вторым возникли непреодолимые трудности. Виной всему, так называемая, критическая масса. Однако, обо всем по порядку.
Такое взрывоопасное ядро
Чтобы разобраться в порядке работы ядерных устройств и понять, что называется критической массой, вернемся ненадолго за парту. Из школьного курса физики мы помним простое правило: одноименные заряды отталкиваются. Там же, в средней школе ученикам рассказывают о строении атомного ядра, состоящего из нейтронов, нейтральных частиц и протонов, заряженных положительно. Но как такое возможно? Положительно заряженные частицы расположены так близко друг к другу, силы отталкивания должны быть колоссальными.
Науке до конца не известна природа внутриядерных сил, удерживающих вместе протоны, хотя свойства этих сил изучены достаточно хорошо. Силы действуют только на очень близком расстоянии. Но стоит хотя бы чуть-чуть разделить протоны в пространстве, как силы отталкивания начинают превалировать, и ядро разлетается на куски. А мощность такого разлета воистину колоссальна. Известно, что силы взрослого мужчины не хватило бы для удержания протонов всего лишь одного единственного ядра атома свинца.
Чего испугался Резерфорд
Ядра большинства элементов таблицы Менделеева стабильны. Однако с ростом атомного числа эта стабильность все уменьшается. Дело в размере ядер. Представим себе ядро атома урана, состоящее из 238 нуклидов, из которых 92 – протоны. Да, протоны находятся в тесном контакте друг с другом, и внутриядерные силы надежно цементируют всю конструкцию. Но сила отталкивания протонов, находящихся на противоположных концах ядра становится заметной.
Что проделывал Резерфорд? Он производил бомбардировку атомов нейтронами (электрон не пройдет через электронную оболочку атома, а положительно заряженный протон не сможет приблизиться к ядру из-за сил отталкивания). Нейтрон, попадая в ядро атома, вызывал его деление. В стороны разлетались две отдельные половинки и два-три свободных нейтрона.
Этот распад, в силу громадных скоростей разлетающихся частиц, сопровождался выбросом громадной энергии. Ходил слух, что Резерфорд даже хотел скрыть свое открытие, испугавшись его возможных последствий для человечества, но это, скорее всего, не более чем сказки.
Так при чем тут масса и почему она критическая
Ну и что? Как можно облучить потоком протонов достаточное количество радиоактивного металла, чтобы получить мощный взрыв? И что такое критическая масса? Все дело в тех нескольких свободных электронах, которые вылетают из «разбомбленного» атомного ядра, они в свою очередь так же, столкнувшись с другими ядрами, вызовут их деление. Начнется так называемая цепная ядерная реакция. Однако запустить ее будет чрезвычайно сложно.
Уточним масштаб. Если за ядро атома принять яблоко на нашем столе, то для того, чтобы представить себе ядро соседнего атома, такое же яблоко придется отнести и положить на стол даже не в соседней комнате, а… в соседнем доме. Нейтрон же будет размером с вишневую косточку.
Для того, чтобы выделившиеся нейтроны не улетали впустую за пределы слитка урана, а более 50 % из них находили бы себе цель в виде атомных ядер, этот слиток должен иметь соответствующие размеры. Вот что называется критической массой урана – масса, при которой более половины выделяющихся нейтронов сталкиваются с другими ядрами.
На деле это происходит в одно мгновение. Количество расщепленных ядер нарастает как лавина, их осколки устремляются во все стороны со скоростями сопоставимыми со скоростью света, вспарывая воздух, воду, любую другую среду. От их столкновений с молекулами окружающей среды область взрыва мгновенно нагревается до миллионов градусов, излучая жар, испепеляющий все в округе нескольких километров.
Резко нагретый воздух мгновенно увеличивается в размерах, создавая мощную ударную волну, которая сносит с фундаментов здания, переворачивает и крушит все на своем пути… такова картина атомного взрыва.
Как это выглядит на практике
Устройство атомной бомбы на удивление просто. Имеются два слитка урана (или другого радиоактивного металла), масса каждого из которых немного меньше критической. Один из слитков изготовлен в виде конуса, другой – шара с конусообразным отверстием. Как нетрудно догадаться, при совмещении обеих половинок получается шар, у которого достигается критическая масса. Это стандартная простейшая ядерная бомба. Соединяются две половинки при помощи обычного тротилового заряда (конус выстреливается в шар).
Но не стоит думать, что такое устройство сможет собрать «на коленке» любой желающий. Весь фокус заключается в том, что уран, чтобы бомба из него взорвалась, должен быть очень чистым, наличие примесей – практически ноль.
Почему не бывает атомной бомбы размером с пачку сигарет
Все по той же причине. Критическая масса самого распространенного изотопа урана 235 составляет около 45 кг. Взрыв такого количества ядерного топлива – это уже катастрофа. А изготовить взрывное устройство с меньшим количеством вещества невозможно – оно просто не сработает.
По той же причине не получилось и создать сверхмощные атомные заряды из урана или других радиоактивных металлов. Для того, чтобы бомба была очень мощной, ее делали из десятка слитков, которые при подрыве детонирующих зарядов устремлялись к центру, соединяясь как дольки апельсина.
Но что происходило на деле? Если по каким-то причинам два элемента встречались на тысячную долю секунды раньше остальных, критическая масса достигалась быстрее чем «подоспеют» остальные, взрыв происходил не той мощности, на которую рассчитывали конструкторы. Проблема сверхмощных ядерных боеприпасов была решена только с появлением термоядерного оружия. Но это чуть другая история.
А как же работает мирный атом
Атомная электростанция – по сути та же ядерная бомба. Только у этой «бомбы» ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), изготовленные из урана, находятся на некотором расстоянии друг от друга, что не мешает им обмениваться нейтронными «ударами».
ТВЭЛы изготавливаются в виде стержней, между которыми находятся регулирующие стержни, выполненные из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Принцип работы прост:
- регулирующие (поглощающие) стержни вводятся в пространство между стержнями урана – реакция замедляется или останавливается вовсе;
- регулирующие стержни выводятся из зоны – радиоактивные элементы активно обмениваются нейтронами, ядерная реакция протекает интенсивнее.
Действительно, получается та же атомная бомба, в которой критическая масса достигается настолько плавно и регулируется так четко, что это не приводит к взрыву, а лишь к нагреву теплоносителя.
Хотя, к сожалению, как показывает практика, не всегда человеческий гений способен обуздать эту огромную и разрушительную энергию – энергию распада атомного ядра.
Ярче Солнца: Атомная бомба | Журнал Популярная Механика
Загадочное устройство, способное выделить гигаджоули энергии в течение неописуемо малого промежутка времени, окружено зловещей романтикой. Что и говорить, во всем мире работы по ядерному оружию были глубоко засекречены, а сама бомба обросла массой легенд и мифов. Попробуем разобраться с ними по порядку.
Ничто не вызывает такого интереса, как атомная бомба
9 августа 1945 года. Нагасаки. Ядерный гриб
24 сентября 1949 года. Нью-Йоркские газеты объявили о взрыве советской атомной бомбы
Август 1945 года. Эрнест Орландо Лоуренс в лаборатории по разработке атомной бомбы
25 июля 1946 года. Подводный ядерный взрыв на атолле Бикини в Тихом океане
1954 год. Спустя восемь лет после взрыва у атолла Бикини японские ученые обнаружили высокий уровень радиации у рыбы, пойманной в местных водах
Атомная бомба «Толстяк» (Fatman) — такая жe, как сброшенная на Нагасаки 9 августа 1945 года
Критическая масса
Все слышали, что есть некая критическая масса, которую нужно набрать, чтобы началась цепная ядерная реакция. Вот только для того, чтобы произошел настоящий ядерный взрыв, одной критической массы недостаточно — реакция прекратится практически мгновенно, до того как успеет выделиться заметная энергия. Для полномасштабного взрыва в несколько килотонн или десятков килотонн нужно одномоментно собрать две-три, а лучше четыре-пять критических масс.
Кажется очевидным, что нужно сделать две или несколько деталей из урана или плутония и в требуемый момент соединить их. Справедливости ради надо сказать, что так же думали и физики, когда брались за конструирование ядерной бомбы. Но действительность внесла свои коррективы.
Дело в том, что если бы у нас был очень чистый уран-235 или плутоний-239, то можно было бы так и сделать, но ученым пришлось иметь дело с реальными металлами. Обогащая природный уран, можно сделать смесь, содержающую 90% урана-235 и 10% урана-238, попытки избавиться от остатка урана-238 ведут к очень быстрому удорожанию этого материала (его называют высокообогащенным ураном). Плутоний-239, который получают в атомном реакторе из урана238 при делении урана-235, обязательно содержит примесь плутония-240.
Изотопы уран235 и плутоний239 называются четно-нечетными, так как ядра их атомов содержат четное число протонов (92 для урана и 94 для плутония) и нечетное число нейтронов (143 и 145 соответственно). Все четно-нечетные ядра тяжелых элементов обладают общим свойством: они редко делятся самопроизвольно (ученые говорят: «спонтанно»), но легко делятся при попадании в ядро нейтрона.
Уран-238 и плутоний-240 — четно-четные. Они, наоборот, практически не делятся нейтронами малых и умеренных энергий, которые вылетают из делящихся ядер, но зато в сотни или десятки тысяч раз чаще делятся спонтанно, образуя нейтронный фон. Этот фон очень сильно затрудняет создание ядерных боеприпасов, потому что вызывает преждевременное начало реакции, до того как встретятся две детали заряда. Из-за этого в подготовленном к взрыву устройстве части критической массы должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, а соединяться с большой скоростью.
Пушечная бомба
Тем не менее, бомба, сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, была сделана именно по вышеописанной схеме. Две ее детали, мишень и пуля, были изготовлены из высокообогащенного урана. Мишень была цилиндром диаметром 16 см и высотой тоже 16 см. В ее центре было отверстие диаметром 10 см. В соответствии с этим отверстием и была изготовлена пуля. Всего бомба содержала 64 кг урана.
Мишень была окружена оболочкой, внутренний слой которой был изготовлен из карбида вольфрама, наружный — из стали. Назначение у оболочки было двойным: удержать пулю, когда она воткнется в мишень, и отразить хотя бы часть вылетающих из урана нейтронов обратно. С учетом отражателя нейтронов 64 кг составляли 2,3 критических массы. Как же это выходило, ведь каждый из кусков был субкритическим? Дело в том, что, вынимая из цилиндра среднюю часть, мы уменьшаем его среднюю плотность и значение критической массы повышается. Таким образом, масса этой части может превышать критическую массу для сплошного куска металла. А вот увеличить массу пули таким образом невозможно, ведь она должна быть сплошной.
И мишень, и пуля были собраны из кусочков: мишень из нескольких колец малой высоты, а пуля из шести шайб. Причина проста — заготовки из урана должны были быть небольшими по размеру, ведь при изготовлении (отливке, прессовании) заготовки общее количество урана не должно приближаться к критической массе. Пуля была заключена в тонкостенную оболочку из нержавеющей стали, с крышкой из карбида вольфрама, как у оболочки мишени.
Для того чтобы направить пулю в центр мишени, решили использовать ствол обычной зенитной пушки калибра 76,2 мм. Вот почему бомбу такого типа называют иногда бомбой пушечной сборки. Ствол был расточен изнутри до 100 мм, чтобы в него вошел столь необычный снаряд. Длина ствола составляла 180 см. В его зарядную камеру загружался обычный бездымный порох, который выстреливал пулю со скоростью примерно в 300 м/с. А другой конец ствола запрессовали в отверстие в оболочке мишени.
У этой конструкции была масса недостатков.
Она была чудовищно опасной: после того как порох был загружен в зарядную камеру, любая авария, которая могла его воспламенить, привела бы к взрыву бомбы на полную мощность. Из-за этого зарядка пироксилина происходила уже в воздухе, когда самолет подлетал к цели.
При аварии самолета урановые детали могли соединиться и без пороха, просто от сильного удара о землю. Чтобы избежать этого, диаметр пули был на долю миллиметра больше диаметра канала в стволе.
Если бы бомба упала в воду, то из-за замедления нейтронов в воде реакция могла бы начаться даже и без соединения частей. Правда, при этом ядерный взрыв маловероятен, но произошел бы тепловой взрыв, с распылением урана на большую территорию и радиоактивным заражением.
Длина бомбы такой конструкции превышала два метра, и это фактически непреодолимо. Ведь критическое состояние достигалось, и реакция начиналась, когда до остановки пули было еще добрых полметра!
Наконец, эта бомба была очень расточительной: прореагировать в ней успевало меньше 1% урана!
Достоинство же у пушечной бомбы было ровно одно: она не могла не сработать. Ее даже не собирались испытывать! А вот плутониевую бомбу американцы должны были испытать: уж слишком нова и сложна была ее конструкция.
Плутониевый футбольный мяч
Когда выяснилось, что даже крошечная (меньше 1%!) примесь плутония-240 делает невозможной пушечную сборку плутониевой бомбы, физики были вынуждены искать другие способы набрать критическую массу. И ключ к плутониевой взрывчатке нашел человек, который позже стал самым знаменитым «ядерным шпионом», — британский физик Клаус Фукс.
Его идея, получившая позже название «имплозия», заключалась в формировании сходящейся сферической ударной волны из расходящейся, с помощью так называемых взрывчатых линз. Эта ударная волна должна была сжать кусок плутония так, чтобы его плотность увеличилась вдвое.
Если уменьшение плотности вызывает увеличение критической массы, то увеличение плотности должно ее уменьшить! Для плутония это особенно актуально. Плутоний — материал очень специфический. При охлаждении куска плутония от температуры плавления до комнатной, он претерпевает четыре фазовых перехода. При последнем (около 122 градусов) его плотность скачком увеличивается на 10%. При этом любая отливка неизбежно растрескивается. Чтобы этого избежать, плутоний легируют каким-нибудь трехвалентным металлом, тогда стабильным становится неплотное состояние. Можно использовать алюминий, но в 1945 году опасались, что альфа-частицы, вылетающие из ядер плутония при их распаде, будут выбивать из ядер алюминия свободные нейтроны, увеличивая и без того заметный нейтронный фон, поэтому в первой атомной бомбе был использован галлий.
Из сплава, содержащего 98% плутония-239, 0,9% плутония-240 и 0,8% галлия, был изготовлен шарик диаметром всего 9 см и весом около 6,5 кг. В центре шарика была полость диаметром 2 см, и он состоял из трех деталей: двух половинок и цилиндрика диаметром 2 см. Этот цилиндрик служил пробкой, через которую во внутреннюю полость можно было вставить инициатор — источник нейтронов, который срабатывал при взрыве бомбы. Все три детали пришлось никелировать, потому что плутоний очень активно окисляется воздухом и водой и крайне опасен при попадании внутрь организма человека.
Шарик был окружен отражателем нейтронов из природного урана238 толщиной 7 см и весом 120 кг. Уран — хороший отражатель быстрых нейтронов, и в собранном виде система была лишь немного субкритической, поэтому вместо плутониевой пробки вставлялась кадмиевая, поглощавшая нейтроны. Отражатель служил еще и для удержания всех деталей критической сборки во время реакции, иначе большая часть плутония разлеталась, не успевая принять участия в ядерной реакции.
Дальше шел 11,5-сантиметровый слой алюминиевого сплава весом 120 кг. Назначение слоя такое же, как у просветления на линзах объективов: сделать так, чтобы взрывная волна проникла в ураново-плутониевую сборку, а не отразилась от нее. Это отражение происходит из-за большой разницы плотностей взрывчатки и урана (примерно 1:10). Кроме того, в ударной волне вслед за волной сжатия идет волна разрежения, так называемый эффект Тейлора. Слой алюминия ослаблял волну разрежения, которая уменьшала действие взрывчатки. Алюминий пришлось легировать бором, который поглощал нейтроны, вылетающие из ядер атомов алюминия под воздействием альфа-частиц, возникающих при распаде урана-238.
Наконец, снаружи находились те самые «взрывчатые линзы». Их было 32 (20 шестигранных и 12 пятигранных), они образовывали структуру, похожую на футбольный мяч. Каждая линза состояла из трех частей, причем средняя была изготовлена из специальной «медленной» взрывчатки, а наружная и внутренняя — из «быстрой». Внешняя часть была сферической снаружи, но внутри на ней была коническая впадина, как на кумулятивном заряде, вот только назначение ее было другое. Этот конус был заполнен медленной взрывчаткой, и на границе раздела происходило преломление взрывной волны подобно обычной световой волне. Но подобие здесь очень условное. В сущности, форма этого конуса и есть один из настоящих секретов ядерной бомбы.
В середине 40-х годов в мире не существовало таких компьютеров, на которых можно было бы рассчитать форму таких линз, а главное — не было даже подходящей теории. Поэтому они делались исключительно методом проб и ошибок. Пришлось провести более тысячи взрывов — и не просто провести, а сфотографировать специальными высокоскоростными камерами, регистрируя параметры взрывной волны. Когда была отработана уменьшенная версия, выяснилось, что взрывчатка так просто не масштабируется, и потребовалось сильно корректировать старые результаты.
Точность формы нужно было соблюсти с ошибкой меньше миллиметра, а состав и однородность взрывчатки выдерживать предельно аккуратно. Изготавливать детали можно было только литьем, поэтому годились не все взрывчатые вещества. Быстрая взрывчатка была смесью гексогена и тротила, причем гексогена было в два раза больше. Медленная — тот же тротил, но с добавкой инертного нитрата бария. Скорость детонационной волны в первой взрывчатке составляет 7,9 км/с, а во второй — 4,9 км/с.
Детонаторы вмонтировали в центр наружной поверхности каждой линзы. Все 32 детонатора должны были сработать одновременно с неслыханной точностью — менее 10 наносекунд, то есть миллиардных долей секунды! Таким образом, фронт ударной волны не должен был исказиться больше чем на 0,1 мм. С такой же точностью нужно было совместить и сопряженные поверхности линз, а ведь ошибка их изготовления была в десять раз больше! Пришлось повозиться и потратить немало туалетной бумаги и скотча, чтобы скомпенсировать неточности. Но система стала мало похожа на теоретическую модель.
Пришлось изобрести новые детонаторы: старые не обеспечивали должной синхронности. Они были сделаны на базе взрывающихся под мощным импульсом электрического тока проволочек. Для их срабатывания понадобилась батарея из 32 высоковольтных конденсаторов и такого же количества быстродействующих разрядников — по одному на каждый детонатор. Вся система, вместе с батареями и зарядным устройством для конденсаторов, весила в первой бомбе почти 200 кг. Впрочем, по сравнению с весом взрывчатки, которой ушло 2,5 т, это было немного.
Наконец вся конструкция была заключена в дюралевый сферический корпус, состоявший из широкого пояса и двух крышек — верхней и нижней, все эти детали собирались на болтах. Конструкция бомбы позволяла собрать ее без плутониевого сердечника. Для того чтобы вставить на место плутоний вместе с куском уранового отражателя, отвинчивали верхнюю крышку корпуса и вынимали одну взрывчатую линзу.
Война с Японией шла к концу, и американцы очень торопились. Но имплозионную бомбу необходимо было испытать. Этой операции было присвоено кодовое имя «Тринити» («Троица»). Да уж, атомная бомба должна была продемонстрировать мощь, доступную раньше только богам.
Блестящий успех
Место для испытания было выбрано в штате Нью-Мексико, в местечке с живописным названием Джорнададель-Муэрто (Путь смерти) — территория входила в артиллерийский полигон Аламагордо. Бомбу начали собирать 11 июля 1945 года. Четырнадцатого июля ее подняли на верхушку специально построенной башни высотой 30 м, подключили провода к детонаторам и начались последние стадии подготовки, связанные с большим количеством измерительной аппаратуры. 16 июля 1945 года в полшестого утра устройство было взорвано.
Температура в центре взрыва достигает нескольких миллионов градусов, поэтому вспышка ядерного взрыва гораздо ярче Солнца. Огненный шар держится несколько секунд, потом начинает подниматься, темнеть, из белого становится оранжевым, затем багровым, и образуется ныне знаменитый ядерный гриб. Первое грибовидное облако поднялось на высоту в 11 км.
Энергия взрыва составила больше 20 кт тротилового эквивалента. Большая часть измерительной аппаратуры была уничтожена, поскольку физики рассчитывали на 510 т и поставили технику слишком близко. В остальном это был успех, блестящий успех!
Но американцы столкнулись с неожиданным радиоактивным заражением местности. Шлейф радиоактивных осадков протянулся на 160 км к северо-востоку. Из небольшого городка Бингэм пришлось эвакуировать часть населения, но как минимум пятеро местных жителей получили дозы до 5760 рентген.
Выяснилось, что, чтобы избежать заражения, бомбу надо взрывать на достаточно большой высоте, минимум километр-полтора, тогда продукты радиоактивного распада рассеиваются на площади в сотни тысяч или даже миллионы квадратных километров и растворяются в глобальном радиационном фоне.
Вторая бомба такой конструкции была сброшена на Нагасаки 9 августа, через 24 дня после этого испытания и через три дня после бомбардировки Хиросимы. С тех пор практически все атомные боеприпасы используют технологию имплозии. Первая советская бомба РДС-1, испытанная 29 августа 1949 года, была сделана по такой же схеме.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2003).Критическая масса (значения) — это… Что такое Критическая масса (значения)?
- Критическая масса (значения)
- Критическая масса в ядерной физике — минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления.
- Критическая масса — встреча в одном месте значительного количества велосипедистов, которые организованно движутся по городу.
- Критическая масса — русский литературный журнал
- Многозначные термины
Wikimedia Foundation. 2010.
- Судаковы
- Синдром Стендаля (фильм)
Смотреть что такое «Критическая масса (значения)» в других словарях:
Критическая масса (велосипед) — У этого термина существуют и другие значения, см. Критическая масса (значения). Данная статья содержит информацию о народном движении велосипедистов «Критическая масса». В данной статье выложены материалы, тексты, правила, описания, лозунги и… … Википедия
Критическая масса — У этого термина существуют и другие значения, см. Критическая масса (значения). Плутониевый шар (макет), окружённый отражающими нейтроны блоками из карбида вольфрама. Реконструкция прибора 1945 года для определения критической массы Критическая… … Википедия
масса — ы, ж. masse f., нем. Masse, Massa <, лат. massa ком, толща, груда. 1. Под сим словом вообще разумеется 1) груда, громада, куча, количество многих частей одного или различного рода, составляющих вместе тело или целое. Ян. 1804. Растопить оную… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
Критическая плотность — У этого термина существуют и другие значения, см. Критическая плотность (космология). Критическая плотность наибольшая плотность заряда взрывчатого вещества (ВВ), при которой в определённых условиях взрывания скорость детонации и действие… … Википедия
Критическая плотность (космология) — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия
Критическая плотность Вселенной — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование галактик … Википедия
критические значения — 3.8 критические значения (critical values): Значения, используемые для оценки результатов измерений или принятия решений. Примечание Установление критических значений предполагает, что измерения с применением данного оборудования позволяют… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Критические значения параметров — 9. Критические значения параметров . Значения одного или нескольких взаимосвязанных параметров (по составу материальных сред, давлению, температуре, скорости движения, времени пребывания в зоне с заданным режимом, соотношению смешиваемых… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Скрытая масса — Космология Изучаемые объекты и процессы … Википедия
Недостающая масса — Космология Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формировани … Википедия
Критическая масса — Википедия. Что такое Критическая масса
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Плутониевый шар (макет), окружённый отражающими нейтроны блоками из карбида вольфрама. Реконструкция прибора 1945 года для определения критической массыКритическая масса — в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими.
Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей нейтронов может сильно уменьшить критическую массу.
В ядерной энергетике параметр критической массы является определяющим при конструировании и расчётах самых разнообразных устройств, использующих в своей конструкции различные изотопы или смеси изотопов элементов, способных в определенных условиях к ядерному делению с выделением колоссального количества энергии. Например, при проектировании мощных радиоизотопных генераторов, в которых используются в качестве топлива уран и ряд трансурановых элементов, параметр критической массы ограничивает мощность такого устройства. При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критической массы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на его стоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, параметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.
Наименьшей критической массой обладают растворы солей чистых делящихся нуклидов в воде с водяным отражателем нейтронов. Для 235U критическая масса такого раствора равна 0,8 кг, для 239Pu — 0,5 кг, для некоторых солей 251Cf — 10 г.
Критический размер
Критическая масса M {\displaystyle M} связана с критической длиной l {\displaystyle l} M ∼ l x {\displaystyle M\sim l^{x}} , где x зависит от формы образца и лежит в пределах от 2 до 3. Зависимость от формы связана с утечкой нейтронов через поверхность: чем больше поверхность, тем больше критическая масса. Образец с минимальной критической массой имеет форму шара.
| Изотоп | Получение (источник) | Период полураспада T½ | Критическая масса | Плотность г/см³ | Темпе- ратура плавле- ния °С | Тепловы- деление Вт/кг | Нейтроны спонтанного деления 105(кг·с) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 231Pa | Реактор | 32760 лет | 750±180 кг | 15,37 | 1572 | ||
| 232U | Реактор на быстрых нейтронах | 68,9 лет | 19,04 | 1134 | 8097 | ||
| 233U | Реактор | 159200 лет | 15 кг | 19,04 | 1134 | ||
| 235U | Природный уран | 7,038·108 лет | 50 кг | 19,04 | 1134 | ||
| 236U | Реактор | 2,3416·107 лет | ? кг | 19,04 | 1134 | ||
| 237Np | Реактор | 2,14·107 лет | 57 кг | 20,25 | 637 | 0,022 | 0 |
| 236Pu | Реактор | 2,9 лет | 6—8 кг | 19,84 | 639,7 | 18500 | 349 |
| 238Pu | Реактор | 87,7 лет | 9,6—9,8 кг | 19,84 | 639,7 | 568 | 26,6 |
| 239Pu | Реактор | 24100 лет | 11 кг | 19,84 | 639,7 | 1,92 | |
| 240Pu | Реактор | 6500 лет | 36,9 кг | 19,84 | 639,7 | 7,1 | 9,1 |
| 241Pu | Реактор | 14,4 лет | 13 кг | 19,84 | 639,7 | 3,2 | 0 |
| 242Pu | Реактор | 380000 лет | 83,4 кг | 19,84 | 639,7 | 0,113 | 16,9 |
| 241Am | Реактор | 432 года | 60 кг | 13,67 | 1180 | 114 | 0,012 |
| 242mAm | Реактор | 152 года | 3,78 кг | 13,67 | 1180 | ||
| 243mAm | Реактор | 141 год | 9,1 кг | 13,67 | 1180 | 3,84 | 1,49 |
| 243Am | Реактор | 7400 лет | 208,8 кг | 13,67 | 1180 | 6,4 | 0,03 |
| 243Cm | Реактор | 28,5 лет | 8,6 кг | 13,51 | 1340 | 1900 | 0 |
| 244Cm | Реактор | 18,1 лет | 27 кг | 13,51 | 1340 | 2830 | 1,11 |
| 245Cm | Реактор | 8500 лет | 9,2 кг | 13,51 | 1340 | 5,7 | 0 |
| 246Cm | Реактор | 4730 лет | 39—70,1 кг | 13,51 | 1340 | ||
| 247Cm | Реактор | 1,56·107 лет | 6,94—7,06 кг | 13,51 | 1340 | ||
| 248Cm | Реактор | 340000 лет | 13,51 | 1340 | |||
| 249Cf | Реактор | 351 год | 5,9 кг | 15,1 | |||
| 250Cf | Реактор | 13,08 лет | 15,1 | ||||
| 251Cf | Реактор | 898 лет | 1,94 кг | 15,1 | |||
| 252Cf | Реактор | 2,638 года | 2,73 кг | 15,1 |
Литература
Ссылки
| Адроны | msimagelist>|
| Альфа-распад | msimagelist>|
| Альфа-частица | msimagelist>|
| Аннигиляция | msimagelist>|
| Антивещество | msimagelist>|
| Антинейтрон | msimagelist>|
| Антипротон | msimagelist>|
| Античастицы | msimagelist>|
| Атом | msimagelist>|
| Атомная единица массы | msimagelist>|
| Атомная электростанция | msimagelist>|
| Барионное число | msimagelist>|
| Барионы | msimagelist>|
| Бета-распад | msimagelist>|
| Бетатрон | msimagelist>|
| Бета-частицы | msimagelist>|
| Бозе – Эйнштейна статистика | msimagelist>|
| Бозоны | msimagelist>|
| Большой адронный коллайдер | msimagelist>|
| Большой Взрыв | msimagelist>|
| Боттом. Боттомоний | msimagelist>|
| Брейта-Вигнера формула | msimagelist>|
| Быстрота | msimagelist>|
| Векторная доминантность | msimagelist>|
| Великое объединение | msimagelist>|
| Взаимодействие частиц | msimagelist>|
| Вильсона камера | msimagelist>|
| Виртуальные частицы | msimagelist>|
| Водорода атом | msimagelist>|
| Возбуждённые состояния ядер | msimagelist>|
| Волновая функция | msimagelist>|
| Волновое уравнение | msimagelist>|
| Волны де Бройля | msimagelist>|
| Встречные пучки | msimagelist>|
| Гамильтониан | msimagelist>|
| Гамма-излучение | msimagelist>|
| Гамма-квант | msimagelist>|
| Гамма-спектрометр | msimagelist>|
| Гамма-спектроскопия | msimagelist>|
| Гаусса распределение | msimagelist>|
| Гейгера счётчик | msimagelist>|
| Гигантский дипольный резонанс | msimagelist>|
| Гиперядра | msimagelist>|
| Глюоны | msimagelist>|
| Годоскоп | msimagelist>|
| Гравитационное взаимодействие | msimagelist>|
| Дейтрон | msimagelist>|
| Деление атомных ядер | msimagelist>|
| Детекторы частиц | msimagelist>|
| Дирака уравнение | msimagelist>|
| Дифракция частиц | msimagelist>|
| Доза излучения | msimagelist>|
| Дозиметр | msimagelist>|
| Доплера эффект | msimagelist>|
| Единая теория поля | msimagelist>|
| Зарядовое сопряжение | msimagelist>|
| Зеркальные ядра | msimagelist>|
| Избыток массы (дефект массы) | msimagelist>|
| Изобары | msimagelist>|
| Изомерия ядерная | msimagelist>|
| Изоспин | msimagelist>|
| Изоспиновый мультиплет | msimagelist>|
| Изотопов разделение | msimagelist>|
| Изотопы | msimagelist>|
| Ионизирующее излучение | msimagelist>|
| Искровая камера | msimagelist>|
| Квантовая механика | msimagelist>|
| Квантовая теория поля | msimagelist>|
| Квантовые операторы | msimagelist>|
| Квантовые числа | msimagelist>|
| Квантовый переход | msimagelist>|
| Квант света | msimagelist>|
| Кварк-глюонная плазма | msimagelist>|
| Кварки | msimagelist>|
| Коллайдер | msimagelist>|
| Комбинированная инверсия | msimagelist>|
| Комптона эффект | msimagelist>|
| Комптоновская длина волны | msimagelist>|
| Конверсия внутренняя | msimagelist>|
| Константы связи | msimagelist>|
| Конфайнмент | msimagelist>|
| Корпускулярно волновой дуализм | msimagelist>|
| Космические лучи | msimagelist>|
| Критическая масса | msimagelist>|
| Лептоны | msimagelist>|
| Линейные ускорители | msimagelist>|
| Лоренца преобразования | msimagelist>|
| Лоренца сила | msimagelist>|
| Магические ядра | msimagelist>|
| Магнитный дипольный момент ядра | msimagelist>|
| Магнитный спектрометр | msimagelist>|
| Максвелла уравнения | msimagelist>|
| Масса частицы | msimagelist>|
| Масс-спектрометр | msimagelist>|
| Массовое число | msimagelist>|
| Масштабная инвариантность | msimagelist>|
| Мезоны | msimagelist>|
| Мессбауэра эффект | msimagelist>|
| Меченые атомы | msimagelist>|
| Микротрон | msimagelist>|
| Нейтрино | msimagelist>|
| Нейтрон | msimagelist>|
| Нейтронная звезда | msimagelist>|
| Нейтронная физика | msimagelist>|
| Неопределённостей соотношения | msimagelist>|
| Нормы радиационной безопасности | msimagelist>|
| Нуклеосинтез | msimagelist>|
| Нуклид | msimagelist>|
| Нуклон | msimagelist>|
| Обращение времени | msimagelist>|
| Орбитальный момент | msimagelist>|
| Осциллятор | msimagelist>|
| Отбора правила | msimagelist>|
| Пар образование | msimagelist>|
| Период полураспада | msimagelist>|
| Планка постоянная | msimagelist>|
| Планка формула | msimagelist>|
| Позитрон | msimagelist>|
| Поляризация | msimagelist>|
| Поляризация вакуума | msimagelist>|
| Потенциальная яма | msimagelist>|
| Потенциальный барьер | msimagelist>|
| Принцип Паули | msimagelist>|
| Принцип суперпозиции | msimagelist>|
| Промежуточные W-, Z-бозоны | msimagelist>|
| Пропагатор | msimagelist>|
| Пропорциональный счётчик | msimagelist>|
| Пространственная инверсия | msimagelist>|
| Пространственная четность | msimagelist>|
| Протон | msimagelist>|
| Пуассона распределение | msimagelist>|
| Пузырьковая камера | msimagelist>|
| Радиационный фон | msimagelist>|
| Радиоактивность | msimagelist>|
| Радиоактивные семейства | msimagelist>|
| Радиометрия | msimagelist>|
| Расходимости | msimagelist>|
| Резерфорда опыт | msimagelist>|
| Резонансы (резонансные частицы) | msimagelist>|
| Реликтовое микроволновое излучение | msimagelist>|
| Светимость ускорителя | msimagelist>|
| Сечение эффективное | msimagelist>|
| Сильное взаимодействие | msimagelist>|
| Синтеза реакции | msimagelist>|
| Синхротрон | msimagelist>|
| Синхрофазотрон | msimagelist>|
| Синхроциклотрон | msimagelist>|
| Система единиц измерений | msimagelist>|
| Слабое взаимодействие | msimagelist>|
| Солнечные нейтрино | msimagelist>|
| Сохранения законы | msimagelist>|
| Спаривания эффект | msimagelist>|
| Спин | msimagelist>|
| Спин-орбитальное взаимодействие | msimagelist>|
| Спиральность | msimagelist>|
| Стандартная модель | msimagelist>|
| Статистика | msimagelist>|
| Странные частицы | msimagelist>|
| Струи адронные | msimagelist>|
| Субатомные частицы | msimagelist>|
| Суперсимметрия | msimagelist>|
| Сферическая система координат | msimagelist>|
| Тёмная материя | msimagelist>|
| Термоядерные реакции | msimagelist>|
| Термоядерный реактор | msimagelist>|
| Тормозное излучение | msimagelist>|
| Трансурановые элементы | msimagelist>|
| Трек | msimagelist>|
| Туннельный эффект | msimagelist>|
| Ускорители заряженных частиц | msimagelist>|
| Фазотрон | msimagelist>|
| Фейнмана диаграммы | msimagelist>|
| Фермионы | msimagelist>|
| Формфактор | msimagelist>|
| Фотон | msimagelist>|
| Фотоэффект | msimagelist>|
| Фундаментальная длина | msimagelist>|
| Хиггса бозон | msimagelist>|
| Цвет | msimagelist>|
| Цепные ядерные реакции | msimagelist>|
| Цикл CNO | msimagelist>|
| Циклические ускорители | msimagelist>|
| Циклотрон | msimagelist>|
| Чарм. Чармоний | msimagelist>|
| Черенковский счётчик | msimagelist>|
| Черенковсое излучение | msimagelist>|
| Черные дыры | msimagelist>|
| Шредингера уравнение | msimagelist>|
| Электрический квадрупольный момент ядра | msimagelist>|
| Электромагнитное взаимодействие | msimagelist>|
| Электрон | msimagelist>|
| Электрослабое взаимодействие | msimagelist>|
| Элементарные частицы | msimagelist>|
| Ядерная физика | msimagelist>|
| Ядерная энергия | msimagelist>|
| Ядерные модели | msimagelist>|
| Ядерные реакции | msimagelist>|
| Ядерный взрыв | msimagelist>|
| Ядерный реактор | msimagelist>|
| Ядра энергия связи | msimagelist>|
| Ядро атомное | msimagelist>|
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) | msimagelist>
Критическая масса — Critical mass
Критическая масса представляет собой наименьшее количество делящегося материала , необходимого для устойчивой ядерной цепной реакции . Критическая масса делящегося материала зависит от его ядерных свойств (в частности, от поперечного сечения ядерного деления ), его плотности , формы , обогащения , чистоты, температуры и окружающей среды. Эта концепция важна при разработке ядерного оружия .
Объяснение критичности
Когда ядерная цепная реакция в массе делящегося материала является самоподдерживающейся, считается, что масса находится в критическом состоянии, в котором нет увеличения или уменьшения мощности, температуры или нейтронной популяции.
Числовая мера критической массы зависит от эффективного коэффициента размножения нейтронов k , среднего количества нейтронов, высвобождаемых за один акт деления, которые вызывают другое событие деления, а не поглощаются или покидают материал. Когда k = 1 , масса критическая, и цепная реакция самоподдерживающаяся.
Докритическая масса является массой делящегося материала , который не имеет способность поддерживать цепную реакцию деления. Популяция нейтронов, вводимых в подкритическую сборку, будет экспоненциально уменьшаться. В этом случае k <1 . Постоянная скорость спонтанного деления вызывает пропорционально постоянный уровень нейтронной активности. Константа пропорциональности увеличивается с увеличением k .
Сверхкритическая масса, в которой, после начала деления, это будет продолжаться с возрастающей скоростью. Материал может прийти в равновесие ( т.е. снова стать критическим) при повышенных температурах / уровне мощности или разрушиться. В случае сверхкритичности k > 1 .
Из-за самопроизвольного деления сверхкритическая масса подвергнется цепной реакции. Например, сферическая критическая масса чистого урана-235 будет иметь массу 52 кг и будет происходить около 15 событий спонтанного деления в секунду. Вероятность того, что одно такое событие вызовет цепную реакцию, зависит от того, насколько масса превышает критическую массу. Если присутствует уран-238 , скорость спонтанного деления будет намного выше. Деление также может быть инициировано нейтронами, образованными космическими лучами .
Изменение точки критичности
Масса, при которой возникает критичность, может быть изменена путем изменения определенных атрибутов, таких как топливо, форма, температура, плотность и установка вещества, отражающего нейтроны. Эти атрибуты имеют сложные взаимодействия и взаимозависимости. В этих примерах описаны только самые простые идеальные случаи:
Изменение количества топлива
Топливная сборка может быть критической при почти нулевой мощности. Если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе для создания «точно критической массы», деление было бы самоподдерживающимся только для одного поколения нейтронов (тогда потребление топлива снова делает сборку подкритической).
Если бы идеальное количество топлива было добавлено к слегка подкритической массе, чтобы создать едва сверхкритическую массу, температура сборки увеличилась бы до начального максимума (например: на 1 K выше температуры окружающей среды), а затем снова упала бы до температуры окружающей среды. температура по прошествии некоторого времени, потому что топливо, израсходованное во время деления, снова возвращает сборку в подкритичность.
Изменение формы
Масса может быть точно критической, не будучи идеальной однородной сферой. Более точное уточнение формы до идеальной сферы сделает массу сверхкритической. И наоборот, изменение формы на менее совершенную сферу снизит ее реактивность и сделает ее подкритической.
Изменение температуры
Масса может быть критической при определенной температуре. Сечения деления и поглощения увеличиваются с уменьшением относительной скорости нейтронов. При повышении температуры топлива нейтроны заданной энергии появляются быстрее, и поэтому деление / поглощение менее вероятно. Это не связанно с доплеровским уширением из 238 U резонансов , но является общим для всех видов топлива / поглотителей / конфигураций. Если пренебречь очень важными резонансами, полное нейтронное сечение каждого материала показывает обратную зависимость от относительной скорости нейтронов. Горячее топливо всегда менее реактивно, чем холодное (избыточное / недостаточное замедление в LWR — это отдельная тема). Тепловое расширение, связанное с повышением температуры, также вносит вклад в отрицательный коэффициент реактивности, поскольку атомы топлива отдаляются друг от друга. Масса, которая точно критична при комнатной температуре, будет докритической в среде, где температура превышает комнатную, только из-за теплового расширения.
Изменение плотности массы
Чем выше плотность, тем ниже критическая масса. Плотность материала при постоянной температуре можно изменять, изменяя давление или натяжение, или изменяя кристаллическую структуру (см. Аллотропы плутония ). Идеальная масса станет подкритической, если ей позволено расшириться, или, наоборот, та же масса станет сверхкритической при сжатии. Изменение температуры также может изменить плотность; однако влияние на критическую массу затем усложняется температурными эффектами (см. «Изменение температуры») и тем, расширяется или сжимается материал при повышении температуры. Если предположить, что материал расширяется с температурой (например, обогащенный уран-235 при комнатной температуре), в точно критическом состоянии, он станет докритическим при нагревании до более низкой плотности или станет сверхкритическим при охлаждении до более высокой плотности. Говорят, что такой материал имеет отрицательный температурный коэффициент реактивности, что указывает на то, что его реакционная способность уменьшается при повышении температуры. Использование такого материала в качестве топлива означает, что деление уменьшается при повышении температуры топлива.
Использование отражателя нейтронов
Окружение сферической критической массы нейтронным отражателем еще больше снижает массу, необходимую для достижения критичности. Обычным материалом для отражателя нейтронов является металлический бериллий . Это уменьшает количество нейтронов, выходящих из делящегося материала, что приводит к увеличению реактивности.
Использование тампера
В бомбе плотная оболочка из материала, окружающая делящуюся сердцевину, будет по инерции содержать расширяющийся делящийся материал. Это увеличивает эффективность. Тампер также имеет тенденцию действовать как отражатель нейтронов. Поскольку в бомбе используются быстрые нейтроны (а не нейтроны, замедляемые отражением от легких элементов, как в реакторе), нейтроны, отраженные тампером, замедляются из-за их столкновений с ядрами тампера, и потому что отраженным нейтронам требуется время, чтобы вернуться. делящемуся ядру им требуется гораздо больше времени, чтобы поглощаться делящимся ядром. Но они вносят свой вклад в реакцию и могут снизить критическую массу в четыре раза. Кроме того, если тампер представляет собой (например, обедненный) уран, он может делиться из-за нейтронов высокой энергии, генерируемых первичным взрывом. Это может значительно увеличить выход, особенно если еще больше нейтронов генерируется при синтезе изотопов водорода в так называемой усиленной конфигурации.
Критический размер
Критический размер — это минимальный размер активной зоны ядерного реактора или ядерного оружия, который может быть изготовлен для определенного геометрического расположения и состава материала. Критический размер должен как минимум включать достаточно расщепляющегося материала для достижения критической массы. Если размер активной зоны реактора меньше определенного минимума, через его поверхность выходит слишком много нейтронов деления, и цепная реакция не поддерживается.
Критическая масса голого шара
Верх: сфера делящегося материала слишком мала , чтобы позволить цепной реакции , чтобы стать самоподдерживающимся , как нейтроны , порожденных расщеплениями могут слишком легко убежать.В центре: увеличивая массу сферы до критической, реакция может стать самоподдерживающейся.
Внизу: окружение исходной сферы отражателем нейтронов увеличивает эффективность реакций, а также позволяет реакции становиться самоподдерживающейся.
Форма с минимальной критической массой и наименьшими физическими размерами — сфера. Критические массы голых сфер при нормальной плотности некоторых актинидов приведены в следующей таблице. Большая часть информации о массах голых сфер считается засекреченной, поскольку она важна для конструкции ядерного оружия, но некоторые документы были рассекречены.
| Нуклид | Период полураспада (г) | Критическая масса (кг) | Диаметр (см) | Ссылка |
|---|---|---|---|---|
| уран-233 | 159 200 | 15 | 11 | |
| уран-235 | 703 800 000 | 52 | 17 | |
| нептуний-236 | 154 000 | 7 | 8,7 | |
| нептуний-237 | 2 144 000 | 60 | 18 | |
| плутоний-238 | 87,7 | 9.04–10.07 | 9,5–9,9 | |
| плутоний-239 | 24 110 | 10 | 9.9 | |
| плутоний-240 | 6561 | 40 | 15 | |
| плутоний-241 | 14,3 | 12 | 10,5 | |
| плутоний-242 | 375 000 | 75–100 | 19–21 | |
| америций-241 | 432,2 | 55–77 | 20–23 | |
| америций-242m | 141 | 9–14 | 11–13 | |
| америций-243 | 7370 | 180–280 | 30–35 | |
| кюрий -243 | 29,1 | 7,34–10 | 10–11 | |
| кюрий -244 | 18,1 | 13,5–30 | 12,4–16 | |
| кюрий -245 | 8500 | 9,41–12,3 | 11–12 | |
| кюрий -246 | 4760 | 39–70,1 | 18–21 | |
| кюрий -247 | 15,600,000 | 6,94–7,06 | 9.9 | |
| берклий -247 | 1380 | 75,7 | 11,8–12,2 | |
| берклий -249 | 330 дней | 192 | 16,1-16,6 | |
| калифорний -249 | 351 | 6 | 9 | |
| калифорний -251 | 900 | 5,46 | 8,5 | |
| калифорний -252 | 2,6 | 2,73 | 6.9 | |
| эйнштейний -254 | 275.7 дней | 9,89 | 7.1 |
Критическая масса для низкосортного урана сильно зависит от сорта: при 20% 235 U она превышает 400 кг; с 15% 235 U это намного больше 600 кг.
Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности. Если плотность на 1% больше, а масса на 2% меньше, то объем на 3% меньше, а диаметр на 1% меньше. Вероятность попадания нейтрона на см пройденного пути в ядро пропорциональна плотности. Отсюда следует, что увеличение плотности на 1% означает, что расстояние, пройденное до выхода из системы, будет на 1% меньше. Это то, что необходимо учитывать при попытке более точных оценок критических масс изотопов плутония, чем приблизительные значения, приведенные выше, поскольку металлический плутоний имеет большое количество различных кристаллических фаз, плотность которых может сильно варьироваться.
Обратите внимание, что не все нейтроны участвуют в цепной реакции. Некоторые убегают, а другие подвергаются радиационному захвату .
Пусть q обозначает вероятность того, что данный нейтрон вызывает деление в ядре. Рассмотрим только мгновенные нейтроны , и пусть ν обозначает количество мгновенных нейтронов, генерируемых при делении ядра. Например, для урана-235 ν ≈ 2,5 . Тогда критичность наступает, когда ν · q = 1 . Зависимость этого от геометрии, массы и плотности проявляется через множитель q .
Учитывая полное сечение взаимодействия σ (обычно измеряемое в барнах ), длина свободного пробега мгновенного нейтрона равна, где n — плотность числа ядер. Большинство взаимодействий — это события рассеяния, так что данный нейтрон подчиняется случайному блужданию, пока он либо не выйдет из среды, либо не вызовет реакцию деления. Если другие механизмы потерь не имеют значения, тогда радиус сферической критической массы довольно грубо определяется произведением длины свободного пробега и квадратного корня из единицы плюс количество событий рассеяния на событие деления (назовем это s ), поскольку чистое расстояние, пройденное при случайном блуждании, пропорционально квадратному корню из числа шагов: ℓ-1знак равнопσ{\ Displaystyle \ ell ^ {- 1} = п \ сигма}ℓ{\ displaystyle \ ell}
рc≃ℓs≃sпσ{\ displaystyle R_ {c} \ simeq \ ell {\ sqrt {s}} \ simeq {\ frac {\ sqrt {s}} {n \ sigma}}}
Обратите внимание, что это лишь приблизительная оценка.
С точки зрения полной массы M , массы ядра m , плотности ρ и коэффициента fudge f, учитывающего геометрические и другие эффекты, критичность соответствует
1знак равножσмsρ2/3M1/3{\ displaystyle 1 = {\ frac {f \ sigma} {m {\ sqrt {s}}}} \ rho ^ {2/3} M ^ {1/3}}
что явно восстанавливает вышеупомянутый результат, согласно которому критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности.
В качестве альтернативы, можно выразить это более кратко, используя поверхностную плотность массы Σ:
1знак равнож′σмsΣ{\ Displaystyle 1 = {\ гидроразрыва {е ‘\ sigma} {м {\ sqrt {s}}}} \ Sigma}
где коэффициент f был переписан как f ‘, чтобы учесть тот факт, что два значения могут различаться в зависимости от геометрических эффектов и того, как определяется Σ. Например, для голой твердой сферы из 239 Pu критичность составляет 320 кг / м 2 , независимо от плотности, а для 235 U — 550 кг / м 2 . В любом случае критичность зависит от типичного нейтрона, «видящего» такое количество ядер вокруг себя, что поверхностная плотность ядер превышает определенный порог.
Это применяется в ядерном оружии имплозивного типа, где сферическая масса делящегося материала, которая существенно меньше критической массы, становится сверхкритической за счет очень быстрого увеличения ρ (и, следовательно, Σ) (см. Ниже). Действительно, сложные программы создания ядерного оружия могут создать функциональное устройство из меньшего количества материала, чем требуется для более примитивных программ оружия.
Помимо математики, есть простой физический аналог, который помогает объяснить этот результат. Рассмотрим дизельные пары, выходящие из выхлопной трубы. Сначала пары кажутся черными, затем постепенно вы можете без проблем видеть сквозь них. Это происходит не потому, что общее сечение рассеяния всех частиц сажи изменилось, а потому, что сажа рассеялась. Если мы рассмотрим прозрачный куб длиной L на стороне, заполненной сажей, то оптическая толщина этой среды обратно пропорциональна квадрату L и, следовательно, пропорциональна поверхностной плотности частиц сажи: мы можем облегчить видеть сквозь воображаемый куб, просто увеличивая куб.
Некоторые неопределенности способствуют определению точного значения критических масс, включая (1) подробные сведения о сечениях деления, (2) расчет геометрических эффектов. Эта последняя проблема послужила значительной мотивацией для развития метода Монте-Карло в вычислительной физике Николасом Метрополисом и Станиславом Уламом . Фактически, даже для однородной твердой сферы точный расчет отнюдь не тривиален. Наконец, обратите внимание, что расчет также может быть выполнен в предположении континуального приближения для переноса нейтронов. Это сводит его к проблеме распространения. Однако, поскольку типичные линейные размеры не намного больше, чем длина свободного пробега, такое приближение применимо лишь в незначительной степени.
Наконец, обратите внимание, что для некоторых идеализированных геометрий критическая масса формально может быть бесконечной, а для описания критичности используются другие параметры. Например, рассмотрим бесконечный лист расщепляющегося материала. Для любой конечной толщины это соответствует бесконечной массе. Однако критичность достигается только тогда, когда толщина этой плиты превышает критическое значение.
Важность конструкции ядерного оружия
Если два куска материала докритического не собрались достаточно быстро, ядерная Предвзрывная ( провал ) может происходить, в результате чего очень небольшой взрыв будет удар большую часть материала друг от друга.До тех пор, пока не будет желательна детонация, ядерное оружие необходимо поддерживать в подкритическом состоянии. В случае урановой бомбы это может быть достигнуто путем хранения топлива в нескольких отдельных частях, каждая из которых меньше критического размера либо потому, что они слишком малы, либо имеют неблагоприятную форму. Чтобы произвести детонацию, куски урана быстро собираются вместе. В « Маленьком мальчике» это было достигнуто путем выстрела куска урана («бублика») из ствола оружия на другой кусок («шип»). Эта конструкция упоминается как орудие деления пушечного типа .
Теоретически оружие из 100% чистого 239 Pu может также быть сконструировано как оружие пушечного типа, как, например, проект « Тонкий человек », предложенный Манхэттенским проектом . На самом деле это непрактично, потому что даже 239 Pu «оружейного качества» загрязнен небольшим количеством плутония- 240 , имеющего сильную склонность к самопроизвольному делению. Из-за этого оружие пушечного типа разумного размера подвергнется ядерной реакции ( преддетонации ) до того, как массы плутония будут в состоянии, когда произойдет полноценный взрыв.
Вместо этого плутоний присутствует в виде подкритической сферы (или другой формы), которая может быть или не быть полой. Детонация производится путем взрыва кумулятивного заряда, окружающего сферу, увеличения плотности (и сжатия полости, если таковая имеется) для создания быстрой критической конфигурации. Это оружие имплозивного типа .
Оперативная критичность
Событие деления должно высвободить в среднем более одного свободного нейтрона желаемого уровня энергии, чтобы поддерживать цепную реакцию, и каждый должен найти другие ядра и вызвать их деление. Большая часть нейтронов, высвобождаемых в результате деления, происходит сразу после этого события, но часть из них приходит позже, когда продукты деления распадаются, что может произойти в среднем от микросекунд до минут. Это удачно для атомной энергетики, поскольку без этой задержки «критическое состояние» всегда было бы немедленно катастрофическим событием, как это происходит в ядерной бомбе, где более 80 поколений цепной реакции происходят менее чем за микросекунду, что слишком быстро для человек или даже машина, чтобы отреагировать. Физики выделяют два важных момента в постепенном увеличении потока нейтронов: критический, когда цепная реакция становится самоподдерживающейся благодаря вкладу обоих видов генерации нейтронов, и мгновенный критический , когда только немедленные «быстрые» нейтроны выдерживают реакция без потребности в нейтронах распада. Атомные электростанции работают между этими двумя точками реактивности , а выше критической точки находится область ядерного оружия и некоторых аварий на АЭС, таких как чернобыльская катастрофа .
Удобная единица измерения реактивности — это единица измерения, предложенная Луи Слотином : доллар и центы.
Смотрите также
Ссылки
Что такое критическая масса? (с иллюстрациями)
Критическая масса материала — это количество, необходимое для продолжения ядерной реакции после ее начала.
Делящийся материал может быть использован для создания ядерного оружия.Существуют разные типы ядерных материалов, один из которых известен как делящийся материал. Делящиеся материалы способны выдерживать реакцию, если она уже началась. Поскольку реакция может продолжаться, материал можно использовать для определенных целей.Эти цели включают создание ядерного оружия и создание реакторов для выработки энергии. Наиболее широко используемые делящиеся материалы — это уран-233, уран-235 и плутоний-239. Эти три материала соответствуют критериям делящегося материала, остаются в нем достаточно долгое время и могут быть найдены в достаточно больших количествах, чтобы их можно было использовать в качестве топлива.
Чтобы атомная бомба взорвалась, плутоний или обогащенный уран должен достичь критической массы.Процесс ядерной реакции несколько сложен, но его можно рассматривать просто как реакцию, которая растет экспоненциально. В реакции атом делящегося материала — скажем, урана-235 — захватывает нейтрон, когда тот проходит мимо.Это заставляет атом разделиться на два меньших атома, и в процессе запускает еще два или три нейтрона. Затем эти нейтроны улетают и захватываются другими атомами урана-235, которые, в свою очередь, расщепляются и испускают еще два или три нейтрона. Все это происходит за очень и очень небольшой промежуток времени и высвобождает огромное количество энергии.
Эта концепция важна, потому что для того, чтобы эта реакция продолжалась и высвобождала огромное количество энергии, должно присутствовать достаточно делящегося материала, чтобы она могла продолжаться.Если критическая масса не достигается, то количество нейтронов со временем будет уменьшаться, делая ядерную реакцию все менее вероятной с течением времени. Строго говоря, термин критическая масса используется для описания состояния равновесия, в котором присутствует достаточно делящегося материала, чтобы поддерживать количество нейтронов примерно таким же, но реакция не генерирует больше. Однако часто этот термин используется для описания того, что более точно называется сверхкритической массой, когда присутствует достаточно материала, чтобы нейтроны продолжали сталкиваться с делящимися атомами и выделять больше нейтронов, генерируя энергию и тепло.
Для использования расщепляющегося материала в ядерном оружии, очевидно, важно, чтобы масса материала не превышала критическую, иначе бомба взорвалась бы немедленно. Обычно два куска материала разделяются при докритической массе, и когда приходит время взорвать бомбу, они очень быстро и сильно сбрасываются вместе.Затем они создают сверхкритическую массу, и бомба взрывается. Если они не сбрасываются вместе достаточно быстро, то сначала происходит небольшой взрыв, который разносит две части дальше друг от друга, так что большой взрыв никогда не происходит — это часто называют шипением.
Критическая масса зависит от используемого материала.В случае с ураном-233 это около 35 фунтов (15 кг). В случае урана-235 критическая масса составляет около 115 фунтов (52 кг). А в случае плутония-239 это около 22 фунтов (10 кг).
.КРИТИЧЕСКАЯ МАССА | Определение
в кембриджском словаре английского языка КРИТИЧЕСКАЯ МАССА | Определение в кембриджском словаре английского языка Тезаурус: синонимы и родственные слова .Критическая масса | Ограниченные данные
Когда мы говорим о том, как работает ядерное оружие, мы неизбежно упоминаем «критическую массу». Это количество делящегося материала, необходимое для создания самоподдерживающейся ядерной реакции. Но это очень сложная концепция, которую часто плохо раскрывают и объясняют, и в результате, как я обнаружил во время преподавания и общения с людьми в Интернете, почти повсеместно возникает путаница в отношении того, что это означает на физическом уровне.
Один из способов визуального объяснения критической массы в книге Гласстоуна и Долана The Effects of Nuclear Weapons (1977 edn.). Хочешь на футболке? Я тебя прикрыл.
Откуда появился термин? В отчете Смита, опубликованном в августе 1945 года, термин «критический размер» используется почти повсеместно, в то время как «критическая масса» используется только один раз (причем в скобках). Более интересный термин «критическое состояние» используется в нескольких местах. В Los Alamos Primer 1943 года в дополнение к массе используются критические «радиус», «объем», «условия». В отчете MAUD от 1941 года используются критические «размер», «стоимость» и «количество», а не масса.В меморандуме Фриша-Пейрелса 1940 года используются критические «радиус», «размер» и «состояние». В патенте Лео Сцилларда на системы цепной реакции до деления в 1935 году используются термины критическая «толщина» и «ценность», а не масса. Это не означает, что люди не использовали термин «критическая масса» в то время — но это был один из многих, а не единственный термин. Самый ранний контекст, в котором я обнаружил, что он широко используется, взят из статьи 1941 года, где он использовался специально для разговора о том, можно ли заставить массы делящегося материала взорваться по требованию, а не раньше.
Почему вместо других терминов используется «критическая масса»? Во-первых, разговор о массе может помочь вам понять масштаб проблемы, когда делящийся материал является дефицитным и трудным в производстве (производство делящегося материала потребляло 80% бюджета Манхэттенского проекта). И это также может помочь вам, когда вы говорите о вопросах безопасности — о предотвращении ядерной реакции до тех пор, пока вы этого не захотите. Таким образом, вы не хотите, чтобы случайно создавало критическую массу. И зная, что критическая масса — это столько килограммов расщепляющегося материала, а не столько тонн, было ранним и важным шагом в принятии решения о том, что атомная бомба вообще возможна.
Кольцо 5,3 кг из плутония чистотой 99,96%. В некоторых условиях этого достаточно для получения значительного взрывного выхода. В его нынешнем виде — неотраженном, при нормальной плотности, в форме кольца, которое не позволяет нейтронам найти слишком много атомов для деления — он относительно безобиден.
Что мне не нравится в этом термине, так это то, что он может легко привести к путанице . Я видел, как люди, например, утверждали, что для начала ядерной реакции нужна «критическая масса» урана-235.Что ж, есть — но не существует одной критической массы урана-235. Другими словами, при неаккуратном использовании люди, кажется, часто думают, что уран-235 или плутоний имеют одно значение для их «критической массы», и что «критическая масса» материала — это то, что вы используете для изготовления бомбы. Но все гораздо сложнее, и я думаю, что сосредоточение внимания на массе может сбить людей с пути.
Проще говоря, количество делящегося материала, которое необходимо для начала ядерной реакции , зависит от условий , при которых оно рассматривается.Масса материала имеет значение, но только в том случае, если вы укажете условия, в которых он хранится. Потому что в разных условиях любая заданная форма делящегося материала будет иметь различных критических масс .
Я видел, как люди (в основном в Интернете) хотели поговорить о том, как работает ядерное оружие, и они смотрели, какова «критическая масса» урана-235, и находили число вроде 50 кг. Затем они говорят: «Хорошо, вам нужно 50 кг, чтобы начать ядерную реакцию». Но это неправильно.50 кг урана-235 — это голая сфера критическая масса урана-235. Другими словами, если вы собрали 50 кг урана-235 в твердую сферу, вокруг которой ничего не было, при нормальных атмосферных условиях начнется самоподдерживающаяся цепная реакция. Вероятно, , а не , вызовет взрыв большой силы — урановая сфера, вероятно, просто разнесется на несколько футов друг от друга (и облучит любого поблизости). Но как только разнесут на части, реакция прекратится. Не бомба.
Устройство Годива, «голая» (понятно?) Критическая сборка, используемая в качестве импульсного ядерного реактора в Лос-Аламосе.Почти голая сфера весом 54 кг из урана с обогащением 93,7%, разделенная на три части. Слева отделяется безопасно — никакой реакции. Справа вы видите, что произошло, когда осколки подошли достаточно близко, чтобы начать критическую реакцию — не мощный взрыв (слава богу), а достаточно энергии, чтобы повредить машину и отодвинуть эти куски урана достаточно далеко друг от друга, чтобы они больше не могли реагировать. К счастью, рабочие были на безопасном расстоянии.
Значит ли это, что 50 кг урана-235 само по себе является важным числом? Только если вы собираете твердые шары из урана-235.
50 кг — это столько, сколько нужно для бомбы? № . Вы можете уйти с гораздо меньшими числами, если измените условия. Таким образом, если вы поместите тяжелую, отражающую нейтроны тампера вокруг урана, вы можете получить от 10 до 15 кг урана-235 для бомбы — это в 3-5 раз меньше массы, чем вы думали, что вам нужно. Если ваш уран-235 растворен в воде, для начала самоподдерживающейся реакции требуются очень низкие массы — опасное состояние, если вы не собирались ее запускать! И, возможно, удастся при очень тщательно разработанных условиях сделать бомбу даже меньшей массы.(Критическая масса плутония для голой сферы составляет около 10 кг, но очевидно, что можно получить неплохой взрыв из 3-4 кг, если не меньше, если вы знаете, что делаете.)
И наоборот, означает ли это, что невозможно иметь 50 кг урана (или больше) в одном месте без его детонации? № Если ваш уран выполнен не в виде твердой сферы, а в виде цилиндра, или представляет собой полую сферу, или в него встроены элементы, поглощающие нейтроны (например, бор), то вы можете (если знаете, что делаете ) превышает это число 50 кг, не реагируя.И, конечно, есть также примеси — количество урана-238 в вашем уране-235 увеличит размер любого расчета критической массы.
Другими словами, в разных условиях масса делящегося материала, который будет реагировать, различается, причем сильно различается. Эти разные условия включают разные геометрии, плотности, температуры, химический состав / фазы, а также вопросы о том, встроены ли они в другие типы материалов, есть ли вещества, замедляющие нейтроны (т.е. вода), уровни обогащения и т. д. Это не фиксированное число, если вы также не исправите все свои предположения об условиях, в которых это происходит.
Воссоздание рокового эксперимента Луи Слотина с третьим плутониевым ядром. Проблема заключалась не в массе активной зоны, а в том, что Слотин непреднамеренно изменил состояние системы (случайно позволив отражателю полностью упасть на нее, когда его отвертка соскользнула), которая забрала безопасную, некритическую сборку плутония и перевел его в ненадолго критическое состояние.Это не произвело никакого взрыва, но достаточно радиации, чтобы быть фатальным для Слотина и причинить вред остальным в комнате.
Классическим примером этого, конечно же, является конструкция имплозивной бомбы. Критическая масса плутония-239 для голой сферы составляет 10 кг. Бомба Нагасаки содержала 6,2 кг плутония в качестве топлива. При нормальной плотности при комнатной температуре твердая сфера из 6,2 кг плутония не является критичной. Однако увеличьте его плотность в 2,5 раза за счет осторожного применения взрывчатых веществ, и внезапно это будет по крайней мере одна критическая масса плутония.Даже это является чем-то вроде упрощения, потому что важна не только плотность: например, аллотропная (химическая) фаза плутония влияет на условия его критической массы (а плутоний печально известен тем, что имеет необычное количество этих фаз), и Бомба Нагасаки также включала много других полезных функций, предназначенных для помощи в реакции, таких как нейтронный инициатор (который дал небольшой выстрел из 100 нейтронов для начала) и тяжелый тампер из природного урана.
Что мне не нравится в термине «критическая масса», так это то, что он может скрывать физический процесс , определяющий «критичность».«Может показаться, что реактивность — это функция одной только массы, что неверно. Хуже того, это может помешать людям понять , почему масса имеет такое же значение (среди прочего). И это может привести к путанице в вопросах типа «сколько взрывной мощности выделяет критическая масса?» Ответ… это не имеет ничего общего с критической массой как таковой. Это вопрос эффективности бомбы , который может показаться второстепенным, отдельным вопросом. Но и вопрос критичности, и эффективности — на самом деле одно и то же явление — если вы понимаете лежащий в основе физический процесс на интуитивном уровне.
Критичность, «критическое состояние», определяется как точка, в которой система с цепной реакцией становится самоподдерживающейся. Итак, мы можем представить себе целое море атомов урана-235. Нейтроны попадают в систему (либо из источника нейтронов, спонтанного деления, либо из внешнего мира). Если они поглощаются ядром урана-235, у них есть шанс заставить его делиться. Эта реакция деления будет производить случайное количество (в среднем 2,5) вторичных нейтронов. Чтобы иметь решающее значение, достаточно этих нейтронов затем должно будет пойти дальше, чтобы найти другие ядра урана, чтобы поддерживать общий уровень нейтронов («нейтронная экономия») постоянным.Если это общее количество нейтронов очень мало, тогда это не очень интересно — один нейтрон, повторно пополняемый, не сделает ничего интересного. Если у нас уже есть много нейтронов, это будет генерировать много энергии, как, по сути, работает ядерный реактор, когда он запущен и работает.
Сверхкритичность, которая более важна для конструкции бомбы (и начальных этапов работы реактора), — это когда ваша система производит более одного дополнительного нейтрона в каждом поколении деления.Итак, если наш атом урана расщепляется, производит 2 нейтрона, и каждый из них расщепляет еще несколько атомов, мы говорим о получении двух нейтронов на каждый, который мы вводим в систему. Это экспоненциально растущее количество нейтронов. Поскольку нейтроны движутся очень быстро, и каждая реакция происходит очень быстро (порядка наносекунды), это очень быстро превращается в очень большое количество нейтронов. Такова бомба: экспоненциальная цепная реакция, которая очень быстро проходит достаточно реакций, чтобы высвободить много энергии.
Рендеринг сделанного мной Trinity «Gadget» в разрезе. Сфера плутония массой 6,2 кг (предпоследняя сфера в центре, которая охватывает малый нейтронный инициатор) сама по себе безопасна в обращении и может стать сверхкритической только при наличии взрывчатых веществ. сожмите его более чем вдвое по сравнению с исходной плотностью. Размеры указаны в масштабе.
Итак, при каких условиях получаются эти результаты? Что ж, это правда, что если вы достаточно очистите расщепляющийся материал в одном месте, в нужной форме и в нужных условиях, он станет критическим.Другими словами, каждый нейтрон, попадающий в материал, будет заменен по крайней мере другим нейтроном. Это будет самоподдерживающаяся реакция, и это все, что означает «критичность». Каждая реакция деления производит в среднем на 2,5 нейтрона больше, но, в зависимости от настройки системы, большинство или все из них могут не найти другие делящиеся ядра для взаимодействия. Однако, если система настроена таким образом, что коэффициент замещения составляет более одного нейтрона — если каждый нейтрон, который входит или создается, в конечном итоге создает, в свою очередь, по крайней мере два нейтрона, — тогда у вас есть сверхкритическая система с экспоненциально увеличивающееся количество нейтронов.Это то, что может привести к взрывам, а не просто к выделению тепла.
В бомбе нужно больше, чем просто критическая реакция. Он должен быть сверхкритическим и оставаться в сверхкритическом состоянии достаточно долго, чтобы выделялось много энергии. Именно здесь вступает в игру концепция Efficiency . Теоретически из 6,2 кг плутония Толстяка могло быть выделено более 100 килотонн энергии. На практике только около килограмма его прореагировало до того, как взрывная мощность реакции разделила плутоний настолько, что никакие реакции не могли бы произойти, и «только» высвободило 20 килотонн энергии.Таким образом, эффективность составила около 18%. Относительная грубость бомбы Little Boy означала, что прореагировало только около 1% ее расщепляющегося материала — она была во много раз менее эффективна, хотя в ней было примерно в 10 раз больше расщепляющегося материала, чем в бомбе Fat Man. Концепция критической массы здесь на самом деле не освещает эти различия, но понимание того, как работают критические реакции и как устроена вся система , помогает.
Это понимание критичности более тонкое, чем просто масса, радиус или объем.Поэтому я предпочитаю альтернативную формулировку, которую также использовали конструкторы оружия: «критическая , сборка » или «критическая , система ». Потому что это подчеркивает, что это более чем одно простое физическое свойство — это то, как множество физических свойств в сочетании с инженерным искусством объединяются для получения определенного результата.
Недавно я поигрался со скриптовым языком Processing.js в своем бесконечном поиске, чтобы убедиться, что мои навыки работы с Интернетом и визуализации актуальны.Processing.js — это язык, который упрощает визуализацию физики (помимо прочего). Он в основном похож на Javascript, но заботится о «задней части» графики до такой степени, что вы можете просто сказать: «создать объект, называемый атомом, в точках x и y; сделайте это как красный круг; когда он вступает в контакт с другим объектом, называемым нейтроном, заставляет его расщепляться и выделять больше нейтронов »и так далее. Очевидно, что это немного более загадочно, чем просто это, но если у вас есть опыт программирования, это более или менее похоже на то, как это работает.Так или иначе, ранее на этой неделе у меня возникла идея, что будет довольно легко сделать простую «игрушечную» симуляцию критической сборки с помощью Processing, и вот что я произвел:
Суть этой заявки в том, что красные атомы — это уран-235 (или плутоний), а синие атомы — это уран-238 (или какое-либо другое вещество, поглощающее нейтроны). Нажатие на атом вызовет его деление, а нажатие на кнопку «инициатор зажигания нейтронов» приведет к впрыскиванию нескольких нейтронов в центр устройства.Если нейтрон попадает в красный атом, у него есть шанс вызвать его деление (и шанс просто отскочить), что высвобождает больше атомов (а также отталкивает соседние атомы). Если он попадает в синий атом, у него есть шанс поглотиться (он станет фиолетовым).
Цель, если можно так выразиться, — вызвать цепную реакцию, которая расщепит все атомы. Как вы увидите, щелкнув по нему, в исходном состоянии это сделать сложно. Но вы можете управлять целым рядом переменных, используя меню справа, включая добавление нейтронного отражателя, изменение количества атомов и их начальной плотности упаковки, максимального количества нейтронов, выделяемых в результате реакции деления, и даже, если вам не все равно. к, изменяя такие вещи, как время жизни нейтронов, вероятность того, что нейтроны просто рассеиваются на атомах, и будут ли атомы спонтанно делиться или нет.Если у вас есть рефлектор, вы также можете нажать кнопку «Взрыв», чтобы он сжал атомы до большей плотности.
Ход успешной реакции с использованием взорванного отражателя. Маленькие желтые части представляют собой анимацию «расщепления атома», которая по умолчанию отключена (поскольку снижает производительность).
Очевидно, это не реальная физическая симуляция бомбы. Ни одно из используемых чисел не имеет какого-либо физически реалистичного качества, и настоящие атомные бомбы полагаются на расщепление триллионов атомов в трехмерном пространстве (тогда как если вы попытаетесь увеличить количество видимых атомов до 1000, то гораздо меньше 10000 , ваш браузер, вероятно, замедлит сканирование, и это только в 2D-пространстве!).И этот симулятор, помимо прочего, не учитывает эффекты продуктов деления. Но мне нравится, что он подчеркивает, что не только число атомов определяет критичность системы — это не только масса . Это также и все остальное в системе. Некоторые из них — физические константы, относящиеся к природе самих атомов. (Многие из них были константами, которые не были полностью известны или поняты до 1939 года, поэтому многие ученые скептически относились к возможности создания ядерного оружия даже в теории.) Некоторые из них — инженерные хитрости, вроде рефлектора и имплозии.
Я надеюсь, что этот вид визуализации поможет моим ученикам (и другим) немного больше обдумать саму реальную реакцию, чтобы помочь построить интуитивное понимание того, что происходит, как средство от аспектов прежнего языка, которые был создан учеными, распространен публично, а затем несколько запутался. «Критическая масса» — не ужасный термин. У него есть свои приложения. Но когда это может привести к легкому недопониманию, имеет значение язык, который мы выбираем для использования.
Теги: 1940-е, Дизайн бомбы, Графический дизайн, Ресурсы
Эта запись была опубликована в пятницу, 10 апреля 2015 г., в 11:08 и подана в соответствии с Видениями. Вы можете следить за любыми ответами на эту запись через канал RSS 2.0. И комментарии и запросы в настоящий момент закрыты.
Цитирование: Алекс Веллерстайн, «Критическая масса», Restricted Data: The Nuclear Secrecy Blog , 10 апреля 2015 г., по состоянию на 3 сентября 2020 г., http: // blog.Nuclearsecrecy.com/2015/04/10/critical-mass/.
.
Критическая масса — определение критической массы по The Free Dictionary
.
критическая масса
n.1. Наименьшая масса делящегося материала, который будет поддерживать ядерную цепную реакцию на постоянном уровне.
2. Общая масса вещества, необходимая для создания достаточной гравитационной силы, чтобы остановить текущее расширение Вселенной.
3. Количество или уровень, необходимый для определенного результата или нового действия: «[Пластиковые пакеты] настолько невесомы, что трудно собрать достаточную критическую массу, чтобы их переработка была экономически выгодной» (Сьюзан Фрейнкель ).
критическая масса
n1. (Ядерная физика) минимальная масса делящегося материала, способная выдержать ядерную цепную реакцию
2. минимальная сумма денег или количество людей, необходимых для запуска или поддержания операция, бизнес, процесс и т. д.: критическая масса для подписки на цифровой спортивный канал.
критическая масса
н.
1. количество данного расщепляющегося материала, необходимое для поддержания цепной реакции.
2. сумма, необходимая или достаточная для оказания значительного эффекта или достижения результата.
[1940–45]
критическая масса
Минимальное количество расщепляющегося материала, способного поддерживать цепную реакцию в точно определенных условиях.
ТезаурусАнтонимыСвязанные словаСинонимы Условные обозначения:
| Существительное | 1. | критическая масса — минимальная сумма (чего-либо), необходимая для начала или поддержания предприятия; «битва за компьютерный рынок достигла критической массы»; «сейчас критическая масса успешных женщин берет на себя инициативу»; сумма «они продали бизнес, потому что у него не было критической массы» — относительная величина чего-либо по отношению к критерию; «достаточное количество еды для четырех человек» |
| 2. | критическая масса — минимальная масса делящегося материала, которая может выдержать массу цепной реакции — свойство тела, которое заставляет его иметь вес в гравитационном поле |