post

Атомна бомба и ядрен реактор – ядрено делене на урана

Атомна бомба и ядрен реактор са две от най-знаковите открития на Атомната епоха. Те са резултат от множество научни изследвания и инженерни разработки. В основата и на двете творения са залегнали ядрените реакции предизвикващи ядрено делене на урана.

Ядрено делене на урана

През 1938 година в Берлин (Нацистка Германия) двама учени – Ото Хан и Фриц Щрасман бомбардират уран-235 с неутрони. В резултат на това се получават барий и криптон. Те се опитват да разберат какво точно се случва, когато тяхната австрийска колежка, физичката Лиза Майтнер допуска, че са открили процес, който тя нарича ядрено делене.

Откритието бързо обикаля света и много учени физици забелязват невероятния му потенциал. Той идва от факта, че деленето на ядрата на атомите е съпроводено с голям енергиен ефект. Деленето само на едно атомно ядро осигурява близо 200 МеV енергия. В навечерието на Втората световна война, това означава само едно нещо. Предстояло да бъде създадено най-смъртоносното оръжие в човешката история.

При деленето на ядрата на урана обикновено се получават елементи от средата на Периодичната система. Например това може да са вече споменатите барий и криптон или пък двойката стронций и ксенон, така също и други елементи. Обстрелването на урановото ядро става с бавни (топлинни) неутрони. Тяхното поведение много наподобява топлинното движение на молекулите.

ядрено делене, атомна бомба, ядрен реактор

ядрено делене на урана

Бомбардираното ядро поглъща един неутрон и преминава във възбудено нестабилно състояние. След това бързо се разпада на две по-леки ядра, като в процеса на ядрен разпад се отделят два или три неутрона. Ако те се сблъскат с друго ядро на уран-235 процесът се повтаря и така до изчерпване на последния атом уран. Цялата тази последователност от ядрени разпади се нарича верижна реакция.

Създаване на първата атомна бомба

С откриването на деленето на ядрата на урана, започва надпреварата между САЩ и Третият райх, кой първи ще създаде атомна бомба. Идеята зад това оръжие е проста. В стоманен кожух се поставя уран, който се довежда до състоянието на верижна ядрена реакция, която от своя страна става източник на неконтролирано отделяне на енергия под формата на взрив.

На теория изглежда просто, но практическото изпълнение е доста по-сложно. Първата пречка е фактът, че природните залежи от уран са съставени предимно от изотопа 238. Той е радиоактивен, но не влиза във верижна реакция. Наличието на необходимия уран-235 е само 0.7% от цялото ураново съдържание в рудата. Освен това той не може да се отдели по химически път.

Получаването на изотоп-235 е бавно и затова, американският атомен проект под кодовото название „Манхатън“ избира още един алтернативен път. Учените физици осъзнават, че създаването на плутоний е по-лесно и започват да го синтезират за втората атомна бомба. В пустинята Ню Мексико и двата проекта се развиват паралелно.

Устройство

атомна бомба

уранова атомна бомба

Урановата атомна бомба представлява проста тръба (цев), в която уранов клин се изстрелва срещу уранова наковалня. При очакването за верижна реакция възниква втори проблем.

Понеже в природата уран-235 е в малки количества, той не започва верижна реакция. Причината е, че отделените при естествена радиоактивност неутрони напускат свободно урановата руда и преминават в околната среда без да срещнат други уранови ядра на същия изотоп.

За да е възможна верижност, количеството уран трябва да надхвърля определени минимални количества наречени критична маса. При нея неутроните не могат да избягат от повърхността и се удрят в следващите ядра. Те ги поглъщат и започва неконтролируема верижна реакция съпроводена с масивен ядрен взрив. Поддържането на верижната реакция изисква постоянното наличие на свръхкритична маса.

Докато учените от „Манхатън“ проектират плутониевата атомна бомба се сблъскват и с трети проблем. Тя не може да има същия принцип на действие, защото при удара на плутониевите елементи те няма да се взривят, а ще се стопят. Затова нейната конструкция става сферична. Във самата сфера се поставят плутоният и берилиев източник на неутрони, а около тях се разполгат експлозиви с капсулдетонатори, които да иницират имплозия. Нейната цел е да стартира верижна реакция и съответно ядрен взрив.

атомна бомба

плутониева атомна бомба

На 16 юли 1945 година, близо до град Аламогордо (САЩ) е извършен първият ядрен опит под кодовото название „Тринити„. При него е тествана плутониевата атомна бомба. Тестът на урановата атомна бомба е извършен директно над град Хирошима на 6 август 1945-та. Три дни по-късно на 9-ти август, целта на ядрената бомбардировка е град Кокура. Но облаци възпрепятстват ядрената атаката, затова смъртоносният товар е хвърлен над алтернативната цел – град Нагасаки.

Ядрен реактор

Наличието на такъв голям източник на енергия в лицето на ядреното делене, става причина и за изследвания свързани с неговата употреба за мирни цели. Главният стремеж е да се осъществи контролирана верижна реакция, при която енергията ще се канализира в необходимата насока. Устройствата, в които протичат контролираните ядрени реакции, се наричат ядрени реактори.

ядрен реактор, ядрено делене, атомна централа

принципна схема на ядрен реактор

Първият ядрен реактор е Създаден от Енрико Ферми и неговия екип през 1942-ра в Чикагския университет. Принципното му устройство се състои от няколко части. В метално тяло са поставени пръчки от обогатен уран (235). Те са потопени в тежка вода, която действа като забавител на неутрони. Бързите неутрони изпуснати от урана, се забавят при сблъсъка си с молекулите на тежката вода, защото отдават по-голямата част от енергията си. После те се задържат от ядрата на атомите в съседните уранови пръчки. Започва верижно ядрено делене.

Отделената топлинна енергия се поглъща от топлинен буфер. В случая за охладител се използва обикновена студена вода. Тя се вкарва под голямо налягане и напуска реактора гореща. Има случаи, когато ядреното делене трябва да се забави или дори да се спре цялата реакция. За целта се използва уловител на неутрони – пръти изработени от бор или кадмий, които се потапят в активната зона на ядрения реактор.

Заради употребата на обикновена и тежка вода, този тип реактори се наричат водно-воден енергиен реактор (ВВЕР). Те са отделени от околната среда посредством метални, стоманобетонни и водни прегради, за да се избегне радиоактивно замърсяване. Въпреки това инциденти се случват. Три от най-известните аварии са в Три Майл Айлънд (САЩ, 1979), в Чернобил (СССР, 1986) и във Фукушима (Япония, 2012).

Атомна централа

Първата атомна централа за електроенергия е построена в Съветския съюз на 26 юни 1954 година. Днес в света има 34 държави с ядрена енергетика, като една от тях е България. Всяка атомна централа има един или няколко ядрени реактора, които произвеждат енергия под формата на топлина. Тя се улавя от воден поток и водата се превръща в пара. Парата от своя страна привежда в движение поредица от парни турбини, които задвижват генератори на електричен ток.

атомна центряла, ядрен реактор

схема на атомна централа; лиценз на изображението: неясен;

Водата, която се изпарява към парните турбини, не влиза в директен контакт с активната зона на ядрения реактор. Причината за това е да се избегне радиоактивно замърсяване. Необходимостта от водно охлаждане е задължителна предпоставка атомните електроцентрали да се строят до големи водоизточници.

Произведената от генератора електроенергия се подава към трансформатор. Оттам тя преминава в електропреносната мрежа директно към потребителите на електрически ток. Въпреки че атомната енергия е една от най-чистите, винаги остава проблемът с отработеното ядрено гориво. Обикновено то се складира в специални хранилища, които обаче крият голям потенциал да се превърнат в екологична заплаха.

Изчерпването на природните ресурси от уран и рисковете от радиационно замърсяване са двете основни предпоставки за търсенето на алтернативни енергийни източници, които да заменят ядрената енергетика.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *