Nuklearno oružje

[torpedo011]

Дакле да би схватили шта је атомска бомба треба разумети физику и принцип рада до најситнијег нивоа. У складу са тиме почећу од нуклеарне фисије.

Нуклеарна фисија представља цепање језгра атома тешких елемената на два или ређе три језгра при чему се емитију два до три неутрона и гама зраци. У зависности од начина стварања фисија може бит':

- спонтана
- индукована.

Код атомске бомбе и нуклеарног наоружања долази наравно до индуковане фисије.

Општа формула процеса цепања језгра уранијума 235 гласи>

₉₂U²³⁵+₀n¹ - ₉₂U²³⁶ - _z1X^a1 + _z2X^a2 + m * ₀n¹ + Q

Z1, Z2: редни бројеви продуката фисије
А1, А2: атомске масе продуката фисије
m: број ослобођених неутрона (најчешће два или три)
Q: ослобођена енергија

Разјашњење. Када дође до судара неутрона и уранијума 235 ствара се нестабилан елемент уранијум 236 који се распада на два елеметна. Један тежи други лакши. Преостали неутрони служе за даље спровођене нуклеарне фисије тако што ударају у друге уранијумове атоме и тако стварају ЛАНЧАНУ РЕАКЦИЈУ која може бити:

1. конторлисана
2. неконтролисана.

Контролисана реакција се постиже у лабораторијама и реакторима док је неконтролисана резервисана за нуклеарно оружје.

(Надам се да можете да пратите формуле обзиром да немам стрелице и место њих користим хорзионталне црте тј. ''минусе'')

[torpedo011]

Фисиони фрагменти:

Постоји око 30-так могућих фисионих парова јер масени број лакшег фрагмента се креће од 85 до 105, а тежег од 130 до 150. Ови подаци се односе на фисионе процесе који су вероватнији од 1% јер број комбинација је већи од 100. Примарни фисиони фрагменти садрже вишак неуторна од њихових стабилних изотопа. Емитију бета зрачење све док не достигну стабилно стање.

Пример:

₄₁Nb⁹⁹ - ₄₂Mo - ₄₃Tc - ₄₄Ru⁹⁹ - стабилно језгро.

Расподела маса међу фрагментима се назива и кумулативни принос фисионог низа који је дефинисан као однос броја језгара са масеним бројем А и укупног броја језгара који се распао. Означава се са Y.

[torpedo011]

Енергија везе и дефект масе

Познато нам је да је језгро електро-неутрално и да има протонско-неутронску структуру. На основу чињенице да су протони позитивно наелектрисане честице, а неутрони без наелектрисања закључује се да је стабилност језгра омогућена само јаким силама којима се одржавају нуклеаони збијени у језгру. Ако се при образовању молекула из његових саставних атома ослобађа енергија у виду топлоте, аналогно томе треба закључити да се ослобађа енергија приликом образовања атомског језгра.

Енергија везе језгра је у ствари рад који треба изврштити да би се одређено језгро раставило на саставне делове тј. нуклеаоне. Овј рад је једнак раду који је извршен приликом зближавања честица у процесу образовања језгра (аналогно закону о одржању енергије). Та енергија је једнака разлици између изолованих протона и неутрона и енергије језгра.

Маса сваког језгра је увек мања од збира његових слободних нуклеаона. Та разлика износи по неколико десетина процената од збира маса слободних нуклеаона. Разлика између збира маса протона и неутрона који сачињавају језгро и масе језгра зове се дефект масе. С обзиром на Ајнштајнову формулу еквивалентности енергије која гласи E= m*c² излази да смањење масе језгра у поређењу са масом протона и неутрона изван језгра одговара енергији везе језгра што значи да је при образовању датог језгра постојала трансформација масе у енергију. На основу тога можемо да изведемо форумулу за израчунавање енергије везе: deltaE= c²*deltam=c²{Zm_p+(A-Z)m_n-m_j}.

Ако се вредност енергије подели са масеним бројем добија се енергија везе по нуклеаону чија формула гласи tetaE=deltaE/A. Енергија везе расте линеарно са повећањем масеног броја А јер се везује све више нуклеаона једно уз друго језгор. Зависност енергија везе по нуклеаону од масеног броја А је друкчија. То се види из следећег дијаграма:

[torpedo011]

На следећем графику видимо да елементи лакши од никла и гвожђа могу да учествују у процесу фузије док тежи елементи учествују у процесу фисије због слабијих веза унутар језгра што доводи до лакшег цепања и распадања језгра атома.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[torpedo011]

Теорија нуклеарне фисије

Творци ове теорије су Бор и Вилер. Засновали су је на основу модела течне капи језгра. Они сматрају да је ефекат дејства нуклеарних сила сличан дејству привлачних сила у капи воде.

У иницијалној фази спори неутрон улеће у језгор U235. Предаје своју кинетичку енергију нуклеаонима тог језгра и у овом стадијуму језгро је сферног облика.

Након тога језгро се издужује у елипсоид. Ако у језгру не постоји довољна количина енергије да се савлада површински напон након осциловања језгро ће заузети првобитан облик.

При довољној количини енергије језгро се удубљује по средини симетрично са обе стране и поприма облик осмице.

Електростатичко одбијање између позитивних наелектрисања у језгру надјачава нуклеарне силе које делују у суженом делу језгра. Настају два нова језгра која ће емитовати један или више неутрона како би постигли стабилно стање.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

Сматра се да је главни узрок несиметричности природе овог процеса тј. настанак 2 фрагмента са различитим атомским језгрима вишеслојно језгор. Претпоставља се да при критичној деформацији језгра симетрично се цепају само спољашњи слојеви док се унутрашњи део не цепа него излеће заједно са једном половином нуклеона из спољашњих слојева.

[torpedo011]

Ланчана реакција

Низ фисија које се међусобно проузрокују једна за другом назива се ланчана реакција. Да би се остварио процес фисије довољан је само један спори неутрон који погађа језгро уранијума 235. Језгро се цепа на два фрагмента и ослобађају се два до три неутрона као и 200 мегаелектроволти енергије. Ако претпоставимо да је обезбеђена критична маса фисионог горива и да 2 до 3 неутраона погоде два суседна језгра урана235,  а трећи не успе број фисија ће се умножавати геометријском прогресијом 1,2,4,8,16,32,64,...

Огромна количина енергије се ослобађа јер свако нерасцепљено језгро У235 заробљава слободан неутрон и за време од 10^-12 секунде долази до брзог цепања великог броја језгара.

[ Attachment: You are not allowed to view attachments ]

[torpedo011]

То би вам било све за вечерас. Сутра ћу да наставим са излагањем на ову тему.

[torpedo011]

Конструкција атомске бомбе

Нуклеарни експлозив

Као нуклеарни експлозив код фисионе бомбе појављјују се U²³⁵ и Pu²³⁹.

1) Уран

Уран је тежак метал који се не налази у слободном стању него је обично везан са другим елементима. Уранов минерал се зове уранит. По хемијском саставу је оксид U₂O₈ што је мешавина изотопа U²³⁵, U²³⁴ и U²³⁸. Сложеним хемијским процесима добијамо једињење UO₂ које затим обогаћује u²³⁵. Након тога се добија обогаћен уран који има више од 3% U²³⁵. У овом процесу настаје отпад звани осиромашени уранијум чије одлагање представља велики проблем за околину. Његовом поновном прерадом може се добити нуклеарни експолозив.

2) Плутонијум

Pu²³⁹ је вештачки створен елемент кога нема у природи. Он се добија из урана 238 бомбародвањем језгра неутронима у нуклеарном реактору.

₉₂U²³⁸ + ₀n¹ - ₉₂U²³⁹ - ₉₃Np²³⁹ - ₉₄Pu²³⁹.

Плутонијум 239 је сличан уранијуму 235, али га је у неким особинама превазилази те се показао као бољи експлозив и гориво, али је његово издвајање скупо и дуготрајно.


Критична маса


Ланчана реакција се може остварити само масом која је већа од минималне вредности коју називамо критичном масом. Она зависи од: ћистоће материјала, геометријског облика и густине експлозива. Сва три фактора битно утичу на процес фисије због губитка неуторна приликом процеса. Треба искористити барем један од 3 неутрона за фисију.

Код критичне масе број распада у јединици времена је увек исти. Из сваке фисије остаје по један неутрон. Код наткритичне масе губици у неутронима су мањи тако да после сваке фисије остаје више од једногнеутрона. Код поткритичне масе не долази до ланчане реакције. Број који показује однос неутрона у фисионим генерацијама назива се фактор репродукције система и означава се као К. Ако је К=1 маса је критична, ако је K<1 онда је поткритична, а ако је К>1 онда је надкритична.

Нставак следи сутра...

[torpedo011]

Начин рада атомске бомбе

До нуклеарне експлозије фисионог типа долази брзим превођењем нуклеарног експлозива из поткритичног у наткритично стање. У општем слућају до тренутка експлозије нуклеарни експлозив је подељен ба два или више делова. Величина сваког дела је мања од критичне масе чиме се искључује могућност превремене или самоиндуковане (спонтане) ланчане реакције. Ако би зближавање маса текло споро нуклеарни експлозив би се расуо због загревања. Да би се зближавање што пре одвило користи се дејство класичног експлозива (ТНТ). Да би се повећао степен искоришћења експлозива окружује се рефлектором неутрона од тешког материјала. Рефлектор је уједно и темпер. Нуклеарни експлозив се обично распоређује и формира у облику полулопте.

Класични експлозив се активира помоћу паљача који се налази у сваком од делова где је смештен експлозив. Активирање мора да буде синхронизовано у потпуности јер од усаглашавања зависи нуклеарна експлозија у великој мери. Наиме ако би један од експлозива остао неактивиран извесно је да бомба не би била активирана већ да би се нуклеарни експлозив расуо и на тај начин би био постигнут ефекат радиолошке бомбе. Након активирања упаљача долази до експлозије тнт-а која гура полулопте једну ка другој великом брзионом. Између њих налази се вакуум како би отпор средине био што мањи, а брзина и кинетичка енергија већа. Сударом две или више полулопти нуклеарног експлозива при великој брзини долази до стварања наткритичне масе и ланчане реакције која се манифестује нуклеарном експлозијом.

Полулопте нуклеарног експлозива не морају бити једнаке величине. Конструктор може одвојити један већи део који је поткритичан и сасвим мањи на другом крају бомбе са којим може да изазове наткритичну масу. Овакав тип бомбе носи назив Gun-type. Немачки научници који су се борили током 40-тих година радећи за Трећи рајх да произведу бомбу своје концепте су заснивали на оваквом решењу. Постојао је нацрт бомбе где је до нуклеарне фисије долазило залетањем лакших елемената помоћу тнт-а у уранијумску масу.

Други метод који се користи приликом конструкције нуклеарног наоружања је имплозиони. Код овог решења нуклеарни експлозив се налази у једном комаду тј. у једној целини најчешће сферичног облика, али у таквом геомтеријском облику да дата количина фисионог материјала није довољна за постизање неконтролисане ланчане реакције и нуклеарне експлозије. Око нуклеарног експлозива поставља се тнт најчешће у кружном распореду. Унутар самог нуклеарног експлозива налази се ''шупља лопта'' тј. вакуумски простор у облику сфере. Симултаним активирањем упаљача и тнт-а кинетичка енергија дејствује на фисиноми материјал са свих страна и сабија га мењајући му геометријски облик да би у једном тренутку дошло до експлозије када би се сатро вакуум у средишту. Притисак расте и до неколико стотина хиљада атмосфера при чему се густина повећава и до два пута, а маса која је под нормалним условима поткритична овде постаје наткритична. Нпр. фактор репродукције уранијума 235 масе од 45 кг овде износи 1,45.

Треће решење представља варијацију првог.  У нуклеарни експлозив убацује се апсорбер који служи за упијање неутрона. Нуклеарни експлозив бива подељен на три дела. Класични експлозив налази се само са једне стране иза једног од три дела нуклеарног. Након активирања упаљача апсорбер се избацује из свог првобитног положаја , а на његово место долази нуклеарни експлозив погоњен експлозијом тнт-а и тако долази до наткритичне масе. Овај систем је компликованији од претходна два јер бомба има више саставних делова, али ју је теже активирати.

Постоје и друга решења конструкције фисионих бомби, али њих ћу образложити и детаљније обрадити касније.

Критична маса код плутонијумске бомбе износи око 11 килограма нуклеарног експлозива док код уранијумске је потребно близу 50 кг урана за изазивање нуклеарне експлозије.

[lovac]

Kakva je suštinska razlika između plutonijumske i uranijumske bombe?

[torpedo011]

Ефикасност. Треба ти мање плутонијума него уранијума за бомбу.

[MOTORISTA]

Treba manje Plutonijuma, ali je skup k`o đavo. Rusija i SAD su prestale sa njegovom proizvodnjom zbog neisplativosti, mada je opet pokrenuta njegova proizvodanj u naučne svrhe.

http://hypertextbook.com/facts/2008/AndrewMorel.shtml

The United States stopped producing bulk Pu-238 in 1988; since 1993, all of the Pu-238 used in American spacecraft has been purchased from Russia. In total, 16.5 kilograms (36 lb) has been purchased but Russia is no longer producing Pu-238 and their own supply is reportedly running low.

The United States Pu-238 inventory supports both NASA (civil space) and other national security applications. The Department of Energy maintains separate inventory accounts for the two categories. As of March 2015, a total of 35 kilograms (77 pounds) of Pu-238 was available for civil space uses. Out of the inventory, 1 kilogram (2.2 lb) remains in good enough condition to meet NASA specifications for power delivery; it is this pool of Pu-238 that will be used in a multi-mission radioisotope thermoelectric generator (MMRTG) for the 2020 Mars Rover mission and two additional MMRTGs for a notional 2024 NASA mission. 21 kilograms (46 lb) will remain after that, with approximately 4 kilograms (8.8 lb) just barely meeting the NASA specification.[6] This 21 kilograms (46 lb) can be brought up to NASA specifications if it is blended with a smaller amount of newly produced Pu-238 having a higher energy density.

To restart production a sustained year-to-year funding would maintain the infrastructure and knowledge base in order to avoid significant recapture costs. Approximately $50 million per year, formerly funded by the Department of Energy (DoE), was transitioned to a full cost recovery model as part of the FY 2014 federal budget. NASA has also provided additional funding to refurbish critical equipment at Los Alamos National Laboratory (LANL). DoE manages the operation of its nuclear facilities in order to ensure nuclear safety/security, to meet mission needs, and to work with other DoE programs. A project to re-establish Pu-238 production capability has a total estimated cost range of $85-$125 million over 9 years, but actual project costs are likely to increase since available funding has not supported the planned pace, thus drawing out the schedule. After production has been restarted it is predicted that it would take at least five years to get enough for a single spacecraft mission.

The Advanced Test Reactor at the Idaho National Laboratory and the High Flux Isotope Reactor at the Oak Ridge National Laboratory were both seen as potential producers.

In February 2013, it was reported that a small amount of Pu-238 was successfully produced by Oak Ridge's High Flux Isotope Reactor – this was the first time the United States had produced Pu-238 since production ended in the late 1980s. On December 22, 2015, the Oak Ridge National Laboratory reported that its researchers had successfully produced 50 grams (1.8 ounces) of Pu-238. After an analysis of this sample, production of 300 to 400 grams (11 to 14 oz) of the material per year is planned to begin and then, through automation and scale-up processes, production will increase to an average of 1.5 kilograms (3.3 lb) per year.

Istovremeneo Uranijum je mnogo jeftiniji.

http://www.mining.com/uranium-market-getting-crushed/

http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/mining-of-uranium/uranium-mining-overview.aspx

https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium_market

[torpedo011]

Саставни делови атомске бомбе:

1. труп
2. нуклеарни експлозив
3. хемијски експлозив (ТНТ)
4. рефлектор
5. упаљач
6. апсорбер (опционо)

[Karlo]

Da dodam i moja sjećanja.Da ne zaboravim uz @MOTORISTIN post učili smo da je kod nas (po sjećanju) Stara planina navođena kao bogata rudom valjda uranijuma.Međutim vidim na topiku da se kod "prozvodnje" at.bombe SFRJ koristio rudnik negdje u Dalmaciji.

Sve se ovo učilo i u vojsc,ako me sjećanje dobro služi u okviru ABHO(atomsko-biološke hemijske odbrane).Mislim da se naglasak kod nuk.goriva davao na izotopima.Isto tako sjećam se da se "prvi dio Mendeljeve tablice"(laki elementi)koristili za fuziju a za fisiju teški elementi odnosno njihovi izotopi pri kraju tablice.
Na pr. sjećam se da bi se ispunili uslovi za fuziju(termonuklearne,hidrogenske ili kako se sve ne nazivaju bombe)kao upaljač koristi fisija.

@torpedo je dobro obradio (ne koristi se "sjećanjem"nego literaturom),jer koliko znam,ovo nije obrađeno na forumu.Mislim da bi trebalo obraditi i "hemijsku"(po sjećanju BOt)i "biološku" na pr sada aktuelna pojava crnog prišta,a sjećam se i drugih(slinavka šap itd.).

Poz.

[torpedo011]

@torpedo je dobro obradio (ne koristi se "sjećanjem"nego literaturom),jer koliko znam,ovo nije obrađeno na forumu.Mislim da bi trebalo obraditi i "hemijsku"(po sjećanju BOt)i "biološku" na pr sada aktuelna pojava crnog prišta,a sjećam se i drugih(slinavka šap itd.).

Ја овде преносим делове свог рада. Нешто сам додао, а нешто одузео. Обрадићу сво нуклеарно оружје, али ће то мало да потраје јер нисам имао много времена да се бавим овим тако да само стрпљиво и биће.

Kakva je suštinska razlika između plutonijumske i uranijumske bombe?

А сад мало детаљније...

Зашто је плутонијумска ''лопта'' мања од уранијумске? Сваки неутрон треба да пређе одређени пут да би након распада језгра дошао до следећег и изазвао фисију. Тај пут ћемо обележити са латиничним словом L. Следећи параметар који нам је потребан јесте површина попречног пресека језгра атома која износи 10^-24cm². Обележићемо је малим словом о. Словом N обележавамо средњу количину језгара по кубном сантиметру.

Раздаљина коју неутрон мора тј. може да пређе израчунава се следећом формулом: L=1/N*o.

Ако узмемо просечну вредност језгара атома која износи неких 10²³ код плутонијума добијамо раздаљину од око 10 cm.

Зашто је важно ово? Важно је због тога да би могла да се одреди раздаљина између две полулопте како би се спречила спонтана ланчана реакција. Поред тога ако је потребно обезбедити мању раздаљину због габарита онда се убацује апсорбер.

Дијаметар критичне масе D_kr једнак двострукој раздаљини слободног кретања неутрона коју смо означили са L. Код уранијума 235 слободни ход неутрона је између 16 и 17 сантиметара.

И још једна ствар за Ловца: плутонијумска бомба конструисана да ради по систему имплозије.