AD.1)

Ładunek termojądrowy − (także: wodorowy) ładunek wybuchowy w którym głównym źródłem energii wybuchu jest niekontrolowana i samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa, podczas której izotopy wodoru (najczęściej deuteru i trytu) łączą się pod wpływem bardzo wysokiej temperatury, tworząc hel w procesie fuzji nuklearnej. Niezbędna do zapoczątkowania fuzji temperatura uzyskiwana jest w drodze detonacji ładunku jądrowego. Ładunki tego typu z uwagi na swą niekontrolowaną naturę, znajdują jedynie wojskowe

Reakcja termojądrowa to synteza jąder lekkich pierwiastków, w wyniku której powstają jądra cięższe o większej energii wiązania w przeliczeniu na jeden nukleon. Warunkami umożliwiającymi reakcję syntezy jest silne rozpędzenie jąder atomowych (wysoka temperatura) oraz duża koncentracja odpowiednich jąder. Warunki takie uzyskuje się przez wybuch bomby jądrowej, w centrum której umieszczono materiał do syntezy termojądrowej.

Ponieważ wybuch bardzo szybko rozrzuca reagujące materiały, należy zastosować w bombie materiały umożliwiające przeprowadzenie reakcji termojądrowej w jak najniższej temperaturze. Pierwsze bomby zawierały deuter i tryt, ale tryt nie jest zbyt trwały (ma względnie krótki okres półtrwania – 12,26 lat) i tak skonstruowanej bomby nie można zbyt długo przechowywać. Rozwiązaniem jest generowanie trytu w trakcie wybuchu bomby. Tryt otrzymywany jest z litu poprzez bombardowanie jego jąder neutronami pochodzącymi głównie z rozszczepienia jąder ładunku inicjującego, którym jest zazwyczaj uranowa lub plutonowa bomba jądrowa o stosunkowo niewielkiej mocy. Zastosowanie związków deuteru i trytu z litem znacznie upraszcza konstrukcję bomby, umożliwiając przechowywanie tych substancji w stanie stałym, bez instalacji chłodzących.

Schemat głównych reakcji zachodzących w ładunku termojądrowym:

6Li + n → 4He + T + 4,8 MeV

T + D → 4He +n + 17,6 MeV

D + D → T + p + 4 MeV

D + D → ³He + n + 3,3 MeV

T,D –WODÓR

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1, niemetal z bloku s układu okresowego. Jego izotop, prot, jest najprostszym możliwym atomem, zbudowanym z jednego protonu i jednego elektronu.

Rozpoczyna układ okresowy. Jest wyznacznikiem w szeregu aktywności metali, który oddziela metale na wypierające wodór i niewypierające go.

Istnieje w postaci dwóch stabilnych izotopów 1H (prot) i 2H (deuter, D) oraz niestabilnego – 3H (tryt, T).

Mimo iż wodór jest niemetalem, w warunkach wysokiego ciśnienia przechodzi do stanu metalicznego.

Wodór atomowy to odmiana tworzona przez pojedyncze atomy, w przeciwieństwie do wodoru cząsteczkowego. Wodór atomowy jest nietrwały i szybko łączy się z drugim atomem wodoru, tworząc cząsteczkę H2, czyli wodór cząsteczkowy (molekularny). Wodór atomowy powstaje w wyniku dysocjacji wodoru cząsteczkowego w wysokiej temperaturze i jest znacznie bardziej aktywny chemicznie niż wodór molekularny.

He-hel

n-Neutron

p-Proton

MeV-Megaelektronowolt

Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje bądź traci elektron, który przemieścił się w polu elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 woltowi:

1 eV = 1 e · 1 V = 1,602 176 565(35) × 10-19 J

1 J ≈ 6,241 509 47(53) ×1018 eV

Schemat budowy ładunku termojądrowego

A - Stopień rozszczepienia (ładunek pierwotny)

B - Stopień fuzji (ładunek właściwy (wtórny))

1 - chemiczny materiał wybuchowy

2 - osłona z uranu238

3 - próżnia

4 - pluton lub uran zawierający tryt w stanie gazowym

5 - styropian

6 - osłona uranu238

7 - deuterek litu-6 (paliwo fuzji)

8 - pluton

9 – reflektor

Bomba o konstrukcji wyżej opisanej jest nazywana bombą o ładunku dwufazowym. Faza I – reakcja rozszczepienie uranu lub plutonu, faza II – synteza helu.

W pierwszej i w drugiej fazie wybuchu ładunku wydziela się znaczna ilość szybkich neutronów. Większość z nich ucieka poza obszar wybuchu. Neutrony te można wykorzystać do inicjowania rozszczepienia jąder ulegających rozszczepieniu w wyniku bombardowania szybkimi neutronami.

W wersji trójfazowej ładunek o konstrukcji opisanej wyżej otacza się dodatkową powłoką z izotopu 238 uranu lub 232 toru, która spełnia w pierwszym etapie rolę ekranu odbijającego neutrony, a następnie sama ulega rozszczepieniu. Izotopy te nie ulegają łańcuchowej reakcji rozszczepienia, ale w końcu bombardujące je szybkie neutrony powstałe w pierwszych dwóch etapach powodują ich rozszczepienie, co znacznie zwiększa sumaryczną moc wybuchu.

Specjalnym rodzajem ładunku termojądrowego jest bomba neutronowa. Siła jej wybuchu jest stosunkowo niewielka, małe jest również skażenie promieniotwórcze terenu. Czynnikiem niszczącym jest natomiast promieniowanie neutronowe, zabójcze dla żywych organizmów.

W wyniku eksplozji wielostopniowej bomby wodorowej o mocy 20 MT, kula ognia (fireball) ogarnie obszar w odległości ok. 3 km w każdym kierunku od punktu detonacji (strefa zero). W odległości do 6,4 kilometra podmuch powietrza spowoduje skokowy wzrost ciśnienia do ok. 440 kPa, zaś prędkość wiatru przekroczy 1040 km/h. Spowoduje to zdruzgotanie nawet ukrytych pod ziemią schronów przeciwbombowych. Na dystansie 26,6 km od miejsca detonacji rozszerzająca się fala cieplna zdolna będzie do zapalenia wszystkich materiałów palnych na swej drodze - domów, ubrań, roślin, paliw itp., wzniecając setki tysięcy pożarów, zaś siła wiatru na tym obszarze przekroczy prędkość 160 km/h, co zamieni pożary w ogromną "burzę ogniową" i rozniesie ją na odległość 48 km, co stanowi łączny obszar 1280 km². Szacunki ofiar w ludziach dla ok. 3-milionowej strefy metropolitalnej wielkości San Diego wynoszą ok. 1 miliona zabitych osób w ciągu kilku minut i 500 000 rannych od uderzeń niesionych wiatrem płonących szczątków, ciężko poparzonych, z utratą słuchu, wzroku czy też spowodowanym olbrzymim ciśnieniem powietrza pęknięciem płuc

AD.2)

Reakcja jądrowa to proces, w którym jądro atomowe zostaje poddane silnemu oddziaływaniu innego jądra, cząstki elementarnej

lub kwantu gamma i w wyniku tego oddziaływania powstaje nowe jądro.

Typową reakcję jądrową można zapisać za pomocą schematu:

X (a, b) Y

Zapis ten oznacza, że cząstka a w wyniku oddziaływania z jądrem X, daje cząstkę b i jądro Y.

Przykład reakcji jądrowej:

• Zasady zachowania w reakcjach jądrowych

We wszystkich reakcjach jądrowych spełnione są zasady zachowania:

– liczby nukleonów

– ładunku elektrycznego

– energii całkowitej (tzn. prawo zachowania masy i energii, zgodnie z fizyką relatywistyczną)

– pędu

• Reakcje jądrowe egzotermiczne i endotermiczne

Reakcji jądrowej może towarzyszyć wydzielanie się energii lub jej pochłanianie. Energię ΔE wydzieloną lub pochłoniętą można wyrazić wzorem:

ΔE = [(m1+ m2) – (m3+ m4)]c2

gdzie: m1 – masa spoczynkowa jądra bombardowanego, m2 – masa spoczynkowa cząstki bombardującej,

m3 + m4 – suma mas spoczynkowych jąder powstałych w wyniku reakcji.

Jeżeli ΔE > 0, to reakcja jest egzotermiczna (energia wydziela się).

Jeżeli ΔE < 0, to reakcja jest endotermiczna (energia jest pochłaniana).

• Reakcja rozszczepienia to reakcja, w której ciężkie jądro, po absorbcji neutronu, rozpada się na dwa mniejsze jądra o zbliżonej masie i rozmiarach oraz powstają dodatkowo dwa lub trzy neutrony. Reakcji takiej towarzyszy wydzielenie się energii. Energia uwalnia się w postaci energii kinetycznej produktów rozpadu i neutronów oraz w postaci promieniowania γ.

Przykład reakcji rozszczepienia:

Energia wydzielona w jednej takiej reakcji wynosi 188 MeV.

U* – niestabilne jądro przejściowe.

Reakcja łańcuchowa polega na lawinowym narastaniu liczby rozszczepionych jąder. W reakcji tej podstawową rolę odgrywają neutrony (2 lub 3) uwolnione w trakcie pierwszego rozszczepienia. Neutrony te wywołują rozszczepienie kolejnych jąder. Jeżeli przyjmiemy, że po pierwszym rozszczepieniu powstały dwa neutrony i spowodowały one dwa kolejne rozszczepienia, to w ich efekcie powstają 4 nowe neutrony, zdolne do rozszczepienia 4 kolejnych jąder. Po każdym kolejnym procesie rozszczepienia liczba jąder rozszczepionych,

a także liczba neutronów ulega podwojeniu. Powoduje to lawinowe narastanie szybkości reakcji.

• Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa, to znaczy taka, w której liczba neutronów wywołujących rozszczepienia jest stała.

Aby w reaktorze mogła zachodzić kontrolowana reakcja rozszczepienia, muszą być spełnione następujące warunki:

– konieczne jest odpowiednie paliwo jądrowe, np. uran ,

– masa materiału rozszczepialnego musi być większa od jego tzw. masy krytycznej,

– w reaktorze musi być użyty moderator, czyli substancja służąca do spowalniania szybkich neutronów (tylko neutrony powolne wywołują reakcje rozszczepienia),

– należy stosować pręty regulacyjne (wykonane z boru lub kadmu), zdolne do absorbowania neutronów.

• Reakcja syntezy termojądrowej

Synteza termojądrowa polega na połączeniu dwóch lekkich jąder atomowych w jedno cięższe. Reakcji syntezy towarzyszy wydzielenie się ogromnej energii, przewyższającej znacznie energię uwalnianą w trakcie rozszczepienia ciężkich jąder. Typowym przykładem reakcji termojądrowej jest synteza dwóch jąder deuteru (izotopu wodoru) w jedno jądro helu . Produktem ubocznym tej reakcji jest jeden neutron.

Przebieg takiej reakcji zapisujemy następująco:

W trakcie syntezy 1 kg deuteru wytwarzana jest energia o wartości odpowiadającej energii uzyskanej ze spalenia 3 milionów ton węgla kamiennego. Podstawowa trudność w technicznej realizacji reakcji syntezy polega na tym, że dwa jądra zbliżone do siebie na bardzo małą odległość odpychają się ogromnymi siłami kulombowskimi.

Aby pokonać te siły, należy nadać im odpowiednią energię, np. ogrzewając atomy do wysokiej temperatury. Temperatura zapłonu reakcji syntezy wynosi jednak powyżej 100 milionów °C.

Przykład reakcji rozszczepienia:

Energia wydzielona w jednej takiej reakcji wynosi 188 MeV.

U* – niestabilne jądro przejściowe.

• Reakcja łańcuchowa

Reakcja łańcuchowa polega na lawinowym narastaniu liczby rozszczepionych jąder. W reakcji tej podstawową rolę odgrywają neutrony (2 lub 3) uwolnione w trakcie pierwszego rozszczepienia. Neutrony te wywołują rozszczepienie kolejnych jąder. Jeżeli przyjmiemy, że po pierwszym rozszczepieniu powstały dwa neutrony i spowodowały one dwa kolejne rozszczepienia, to w ich efekcie powstają 4 nowe neutrony, zdolne do rozszczepienia 4 kolejnych jąder. Po każdym kolejnym procesie rozszczepienia liczba jąder rozszczepionych,

a także liczba neutronów ulega podwojeniu. Powoduje to lawinowe narastanie szybkości reakcji. Przebieg reakcji łańcuchowej został zilustrowany na rysunku.