fizyka, prezentacje

0x08 graphic

Zawartość

Zasady działania.

Rozszczepienie jądra - synteza jądra.

Przy użyciu U-235 można dokonać dwóch rodzajów eksplozji jądrowych, rozszczepienia i syntezy. Rozszczepienie jest to reakcja jądrowa, w której jądro atomowe dzieli się na dwa fragmenty, zazwyczaj o porównywalnej masie, z równoczesnym uwolnieniem od stu do kilkuset milionów elektronowoltów energii. W bombie jądrowej energia ta jest wydzielana w postaci gwałtownego wybuchu. Reakcja syntezy musi zostać zapoczątkowana przez reakcją rozszczepienia, ale w przeciwieństwie do bomby rozszczepieniowej, energia bomby syntezy (wodorowej) wydziela się z syntezy jąder różnych izotopów wodoru w jądro helu. W niniejszym tekście omawiana jest wyłącznie bomba atomowa.

Ogromna energia bomby atomowej bierze się ze spajających się atomów. Są to siły pokrewne siłom magnetycznym, ale ich charakter jest inny. Atomy składają się z trzech cząstek elementarnych. Związane ze sobą protony i neutrony tworzą jądro (centrum masy) atomu, a elektrony obiegają orbity wokół jądra jak planety wokół słońca. Od tych cząstek zależy stabilność atomu. Atomy większości pierwiastków naturalnych dają się rozszczepić wyłącznie w akceleratorach przez bombardowanie cząstkami. Jedynym naturalnym pierwiastkiem, którego jądra atomowe dają się w praktycznych warunkach stosunkowo łatwo rozszczepić jest metal, uran. Jądra uranu są niezwykle duże, trudno im więc utrzymywać się mocno w całości. Jest to przyczyną wyjątkowej podatności uranu na rozszczepienie. Istnieją dwa izotopy uranu. Uran naturalny składa się w większości z izotopu U-238, którego jądro zawiera 92 protony i 146 neutronów (92 + 146 = 238). Oprócz niego zawiera on jeszcze 0,6% U-235, którego jądro zawiera tylko 143 neutrony. W przeciwieństwie do U-238 jądra tego izotopu dają się rozszczepiać, nazywa się go zatem "rozszczepialnym" i nadaje się on do wytwarzania bomb atomowych. U-238 jest bogaty w neutrony i raczej odbija neutrony, zamiast je pochłaniać jak U-235. (U-238 nie bierze żadnego udziału w reakcji rozszczepienia, ale dzięki swoim własnościom odbijania neutronów jest doskonałym ekranem dla U-235 w bombie.) Pozwala to zapobiegać przypadkowej reakcji łańcuchowej w bombie pomiędzy większą masą U-235 a jej mniejszym "pociskiem". Oba naturalne izotopy uranu są radioaktywne. Ich wielkie atomy rozpadają się z upływem czasu. W ciągu bardzo długiego czasu znaczna część atomów uranu zmieni się w ołów (połowa przez 5 miliardów lat). Jednak przemiany te można przyspieszyć. Taki proces nazywa się reakcją łańcuchową. Zamiast powolnego rozpadu, neutrony przenikające do jąder wymuszają przyspieszone ich rozszczepienie. Jądro U-235 jest na tyle niestabilne, że jeden neutron powoduje jego rozszczepienie, wywołujące reakcję łańcuchową. Może ona się zdarzyć gdy masa jest bliska krytycznej. W trakcie reakcji łańcuchowej jądra uranu rozszczepiają się na dwa mniejsze jądra różnych pierwiastków, jak na przykład baru i kryptonu. Gdy jądro U-235 rozszczepia się, zostaje wydzielona energia w formie ciepła i promieniowania gamma, najbardziej przenikliwego i śmiercionośnego promieniowania radioaktywnego. W trakcie tej reakcji, rozszczepiane jądrp emituje jeszcze dwa lub trzy ze swoich "nadmiarowych" neutronów, nie potrzebnych w powstających jądrach baru i kryptonu. Są one wyrzucane z energią na tyle dużą, aby spowodować rozszczepienie następnych napotkanych atomów, które z kolei wywołają następne rozszczepienia itd. Odbywa się to nie arytmetycznie, ale geometrycznie. A wszystko dzieje się w milionowej części sekundy. Minimalna ilość pierwiastka rozszczepialnego, potrzebna do rozwinięcia się opisanej reakcji łańcuchowej, jest znana pod nazwą masy krytycznej. Masa ta zależy od czystości materiału. Dla czystego U-235 wynosi ona 110 funtów (50 kg), ale uran nigdy nie jest całkowicie czysty, w praktyce więc jest ona większa.

Mechanizmy bomby.

0x01 graphic

Wysokościomierz

W zwykłym wysokościomierzu lotniczym stosuje się aneroid barometryczny, który mierzy zmiany od wysokości ciśnienia. Jednakże wpływ pogody na ciśnienie zwiększa błąd odczytu wysokości. Do wyznaczania poziomu zerowego bomby wygodniejszy w użyciu jest wysokościomierz radarowy lub radiowy. Wysokościomierz z falą ciągłości o modulowanej częstotliwości (FM CW) jest bardziej skomplikowany, znacznie jednak przewyższa inne rodzaje wysokościomierzy. Jak w zwykłych systemach impulsowych, sygnały emitowane przez antenę radarową bomby po odbiciu się od ziemi zostają odebrane przez wysokościomierz. Systemy impulsowe są stosowane w bardziej zaawansowanych wysokościomierzach, tylko sygnał jest ciągły o wysokiej częstotliwości około 4200 MHz. Częstotliwość ta jest stopniowo zwiększana co 200 MHz, po czym spada do wielkości początkowej.
Gdy bomba zaczyna się obniżać, nadajnik wysokościomierza wysyła impuls, zaczynając od częstotliwości 4200 MHz. W momencie powrotu odbitego impulsu nadajnik wysokościomierza nadaje już na wyższej częstotliwości. Różnica zależy od drogi przebytej przez sygnał. Gdy te dwie częstotliwości zostaną elektronicznie "zmieszane" pojawi się nowa częstotliwość, będąca ich różnicą. Zostaje ona zmierzona, jest bowiem wprost proporcjonalna do drogi przebytej przez impuls jest miarą aktualnej wysokości. W praktyce typowy obecnie radar dokonuje 120 pomiarów na sekundę. Jego zasięg wynosi do 3000 m nad lądem i do 6000 m nad morzem, ponieważ odbicie od powierzchni wody jest wyraźniejsze. Dokładność tych wysokościomierzy wynosi przy większych wysokościach około 1,5 m. Za optymalną wysokość eksplozji bomb atomowych często uważa się 600 m, więc błąd ten nie ma praktycznie żadnego znaczenia. Duży koszt takich wysokościomierzy utrudnia ich użycie w zwykłych zastosowaniach, jednak wobec stale malejących cen podzespołów elektronicznych niedługo będą konkurować z barometrycznymi.

Detonator ciśnieniowy

Detonator czuły na ciśnienie powietrza może być mechanizmem bardzo skomplikowanym, ale do celów praktycznych stosuję się najczściej prostszy rodzaj. Ciśnienie powietrza na dużych wysokościach jest niższe. W miarę zmniejszania się wysokości ciśnienie powietrza wzrasta. Jako detonator ciśnieniowy może zostać bardzo cienki skrawek namagnesowanego metalu. W środku tego paska musi zostać wprasowany wzgórek z bardzo cienkiego metalu, a środek powinien być umieszczony bezpośrednio pod stykiem elektrycznym, który wyzwoli eksplozją materiału wybuchowego klasycznego. Przed wmontowaniem paska trzeba go wepchnąć tak, by się odwrócił. Gdy ciśnienie powietrza osiągnie wymagany poziom, wzgórek przeskoczy na swoje początkowe położenie, zewrze styki i zainicjuje wybuch.

Głowica detonacyjna

Głowica detonacyjna (lub głowice), umieszczona w konwencjonalnym materiale wybuchowym jest podobna do zwyczajnej spłonki. Służy po prostu jako katalizator głównego wybuchu. Bardzo ważna jest kalibracja tego urządzenia. Za mała głowica detonacyjna może stać się przyczyną kolosalnego niewypału, który może być podwójnie niebiezpieczny, ktoś bowiem mógłby bombę rozbroić i wyposażyć w inną głowicę detonacyjną. Dodatkowym zmartwieniem jest też świadomość, że ładunek konwencjonalny może wybuchnąć z siłą zbyt małą do zespolenia materiału rozszczepialnego, co mogłobyy utworzyć masę bliską krytycznej, mogącą w każdej chwili eksplodować. Głowica detonacyjna otrzyma impuls elektryczny z detonatora ciśnieniowego lub z wysokościomierza radarowego, zależnie od użytego typu. Francuska firma Du Pont produkuje doskonałe spłonki, które dadzą się łatwo modyfikować w zależności od potrzeb.

Konwencjonalne ładunki wybuchowe

Ładunek ten jest potrzebny do wstrzelenia (i zespolenia) wewnątrz obudowy bomby mniejszej części uranu z częścią większą. Ciśnienie potrzebne do tego nie jest znane i prawdopodobnie uznane jest przez rząd Stanów Zjednoczonych jako tajne ze względu na bezpieczeństwo narodowe. Do tego celu najlepiej nadaje się plastyczny materiał wybuchowy, można bowiem go dowolnie kształtował, zależnie od potrzeby do bomby uranowej lub plutonowej.

Reflektor neutronów

Reflektor neutronów składa się z czystego U-238. Jest nie tylko nierozszczepialny, ale ma właściwość zawracania neutronów z powrotem. Wykonany z U-238 reflektor neutronów służy do dwóch celów. W bombie uranowej służy on jako dodatkowe zabezpieczenie przed powstaniem masy nadkrytycznej z dwóch oddzielnych części U-235. W bombie plutonowej reflektor zmniejsza straty neutronów w segmentach plutonu przez zawracanie ich w stroną centralnej części urządzenia.

Detonator uranu

Składa się z dwóch części. Większa ma kształt kulisty z wnęką. Kształt mniejszej odpowiada kształtowi wnęki. Zdetonowanie ładunku konwencjonalnego powoduje gwałtownego wbicie mniejszej masy w większa i ich zespolenie. Zostaje przekroczona masa krytyczna i w ciągu jednej milionowej sekundy rozwija się reakcja łańcuchowa rozszczepiania.

Detonator plutonu

Składa się z 32 oddzielnych segmentów, razem tworzących wydrążoną kulę, obejmująca mieszaninę plonu z berylem. Kształty i masa wszystkich segmentów muszą być jednakowe. Kształt detonatora przypomina piłkę. Detonacja materiału konwencjonalnego musi doprowadzić do jednoczesnego scalenia wszystkich 32 sekcji z mieszaniną polonu z berylem w przeciągu jednej dziesięciomilionowej części sekundy.

Osłona ołowiana

Jedynym zadaniem osłony ołowianej jest ochrona mechanizmów bomby przed radioaktywnością ładunku. Gęstość strumienia neutronów ładunku wystarcza do wywoływania zwarć wewnętrznych obwodów elektronicznych i spowodowania przedwczesnego przypadkowego wybuchu.

Skutki

Czynniki rażenia

Dla różnych eksplozji atomowych różne czynniki mają różne znaczenie, ponieważ mechanizmy ich powstawania i rozprzestrzeniania się zależą od wielu warunków, z których za najważniejsze uznaje się siłę eksplozji i wysokość ewentualnie głębokość miejsca detonacji. Warto jednak zapoznać się ze wszystkimi możliwymi sposobami destrukcji, w jakie wyposażona jest broń atomowa:

Fala uderzeniowa

Zjawisko fali uderzeniowej jest rozprzestrzenianiem się gazów w gwałtowny sposób. Na dużych odległościach prędkość przemieszczania się fali uderzeniowej osiąga prędkość rozchodzenia się dźwięku (tj. ponad 1250 km/h), a na początku wybuchu jest o wiele większa. W początkowej fazie nawet wiatry mają większe prędkości. Przyczyną powstania zjawiska fali uderzeniowej jest wysokie ciśnienie w okolicach miejsca wybuchu, które dąży do wyrównania się z ciśnieniem sąsiadujących gazów. W efekcie gęstsze gazy napierają na materię z siłą mogącą w swym maksimum rozkruszyć beton i stal. Pierwotne wysokie ciśnienie pochodzi z nagrzanej promieniowaniem plazmy w kuli ognistej.

Kula ognista i promieniowanie cieplne

Choć fala uderzeniowa zazwyczaj przenosi większość mocy bomby, to nie można lekceważyć pozostałych czynników rażenia. Kula ognia powstała w czasie eksplozji i promieniowanie przez nią emitowane bywają nawet groźniejsze, gdyż działają dużo szybciej nie dając czasu na schronienie się przed ich efektami.

Promieniowanie przenikliwe

Promieniowanie przenikliwe stanowią cząstki alfa, beta, gamma oraz neutrony. Część z nich jest emitowana szybko już w momencie eksplozji, a część skutkiem procesów zachodzących już po właściwym wybuchu.

Skażenie radioaktywne

skażenie wywołane opadami pojawia się po jakimś czasie i utrzymuje się z reguły dość długi czas, często wyrażany w miesiącach czy latach. Przyczyną opóźnionego ujawniania się tego promieniowania jest to, że początkowo wszystkie radioaktywne produkty eksplozji unoszone są przez prądy powietrzne do atmosfery i dopiero później opadają na powierzchnię ziemi.

Promieniowanie cieplne

Promieniowanie cieplne działając na materię nieożywioną lub ożywioną może spowodować zapalenie się jej lub inne zmiany strukturalne związane ze zwiększoną temperaturą.

Promieniowanie radioaktywne

Promieniowanie powstające wskutek rozpadów może mieć wieloraki wpływ na rośliny i zwierzęta. Do najbardziej znanych należą:
- poparzenia popromienne powodowane dostarczaniem energii do tkanek przez kwanty gamma lub cząstki beta i (jeżeli materiał skażony dostał się do wnętrza organizmu) alfa,
- generacja tzw. wolnych rodników, toksycznych związków chemicznych powodujących rakotwórcze zmiany w komórce,
- niszczenie (zrywanie) łańcuchów DNA, które, choć odwracalne, może doprowadzić do mutacji komórek lub ich śmierci.

Choroba popromienna

Podczas eksplozji atomowej emitowane są dawki dużo przekraczające w/wymienione normy. Efektem ich działania jest tzw. choroba popromienna, której objawy i przebieg zależą od dawki, jaką otrzymała napromieniowana osoba. Należy zaznaczyć, że dawki te mają takie działanie przy ekspozycji nagłej, kiedy moc dawki jest duża. Natomiast jeśli moc dawki nie zagraża zdrowiu natychmiast, wchłonięcie takiej samej ilości promieniowania może nie doprowadzić nawet do pojawienia się chorób przewlekłych, o chorobie popromiennej nie wspominając. Np. moc dawki 0,25 rem/dzień przez 5 lat daje ok. 450 rad i jest szkodliwa, ale na pewno nie tak, jak ta dawka wchłonięta w ciągu kilku minut (gdy śmiertelność wynosi ponad 50%).