Inimkonna ajaloo halvima sõja lõpust on möödas veidi rohkem kui kaks kuud. Ja nii katsetasid USA sõjaväelased 16. juulil 1945 esimest tuumapommi ja kuu aega hiljem surevad tuhanded Jaapani linnade elanikud aatomipõrgus. Sellest ajast alates on tuumarelvi ja vahendeid nende sihtmärkideks toimetamiseks pidev alt täiustatud enam kui poole sajandi jooksul.
Sõjaväelased tahtsid saada nii ülivõimsat laskemoona, mis pühkis ühe hoobiga kaardilt terved linnad ja riigid, kui ka üliväikesi, mis mahuvad portfelli. Selline seade viiks sabotaažisõja enneolematule tasemele. Nii esimese kui ka teisega oli ületamatuid raskusi. Selle põhjuseks on nn kriitiline mass. Esm alt aga kõigepe alt.
Selline plahvatusohtlik tuum
Tuumaseadmete tööpõhimõtete mõistmiseks ja kriitiliseks massiks nimetatava mõistmiseks naaseme korraks töölaua juurde. Koolifüüsika kursusest meenub lihtne reegel: samanimelised laengud tõrjuvad üksteist. Sealsamas räägitakse keskkoolis õpilastele aatomituuma ehitusest, mis koosneb neutronitest, neutraalsetest osakestest japositiivselt laetud prootonid. Aga kuidas see võimalik on? Positiivselt laetud osakesed on üksteisele nii lähedal, et tõukejõud peavad olema kolossaalsed.
Teadus ei ole täielikult teadlik prootoneid koos hoidvate tuumasiseste jõudude olemusest, kuigi nende jõudude omadusi on üsna hästi uuritud. Jõud toimivad ainult väga lähed alt. Kuid vähem alt natuke tasub prootoneid ruumis eraldada, sest tõukejõud hakkavad võimust võtma ja tuum puruneb tükkideks. Ja sellise laienemise jõud on tõeliselt kolossaalne. On teada, et täiskasvanud mehe tugevusest ei piisa vaid ühe plii aatomi tuuma prootonite hoidmiseks.
Mida Rutherford kartis
Periooditabeli enamiku elementide tuumad on stabiilsed. Aatomarvu suurenedes see stabiilsus aga väheneb. See on umbes südamike suurus. Kujutage ette uraani aatomi tuuma, mis koosneb 238 nukliidist, millest 92 on prootonid. Jah, prootonid on üksteisega tihedas kontaktis ja tuumasisesed jõud tsementeerivad kindl alt kogu struktuuri. Kuid tuuma vastasotstes paiknevate prootonite tõukejõud muutub märgatavaks.
Mida Rutherford tegi? Ta pommitas aatomeid neutronitega (elektron ei läbi aatomi elektronkihti ja positiivselt laetud prooton ei saa tõukejõudude tõttu tuumale läheneda). Aatomi tuuma sisenev neutron põhjustab selle lõhustumise. Kaks eraldi poolt ja kaks või kolm vaba neutronit lendasid lahku.
Sellega lendavate osakeste tohutust kiirusest tingitud lagunemisega kaasnes tohutu energia vabanemine. Käisid kuulujutud, et Rutherford tahtis isegi oma avastust varjata, kartes selle võimalikke tagajärgi inimkonnale, kuid see pole tõenäoliselt midagi muud kui muinasjutt.
Mis on massil sellega pistmist ja miks see on kriitiline
Ja mis siis? Kuidas saab prootonite vooluga kiiritada piisav alt radioaktiivset metalli, et tekitada võimas plahvatus? Ja mis on kriitiline mass? Asi on nendes vähestes vabades elektronides, mis "pommitatud" aatomituumast välja lendavad, need omakorda, põrkudes teiste tuumadega, põhjustavad nende lõhustumise. Algab niinimetatud tuuma ahelreaktsioon. Selle käivitamine on aga äärmiselt keeruline.
Kontrollige skaalat. Kui võtame oma laual oleva õuna aatomi tuumana, siis selleks, et naaberaatomi tuuma ette kujutada, tuleb sama õun kaasas kanda ja lauale panna isegi mitte kõrvalruumis, vaid…. kõrvalmajas. Neutron on kirsiseemne suurune.
Selleks, et eralduvad neutronid ei lendaks asjata väljapoole uraani valuplokki ja rohkem kui 50% neist leiaks sihtmärgi aatomituumade kujul, peab see valuplokk olema sobiva suurusega. Seda nimetatakse uraani kriitiliseks massiks – mass, mille juures enam kui pooled eraldunud neutronitest põrkuvad teiste tuumadega.
Tegelikult juhtub see hetkega. Lõhenenud tuumade arv kasvab nagu laviin, nende killud tormavad igas suunas kiirusega võrreldavadvalguse kiirus, lahtise õhu, vee, mis tahes muu keskkonna rebimine. Nende kokkupõrgetest keskkonnamolekulidega kuumeneb plahvatuse piirkond hetkega miljonite kraadideni, kiirgades soojust, mis põletab kõik mitme kilomeetri pikkusel alal.
Ootamatult kuumenenud õhk paisub hetkega, luues võimsa lööklaine, mis lööb hooned vundamentidest lahti, kummutab ja hävitab kõik, mis nende teel on … see on aatomiplahvatuse pilt.
Kuidas see praktikas välja näeb
Aatomipommi seade on üllatav alt lihtne. Seal on kaks uraani (või muu radioaktiivse metalli) valuplokki, millest igaüks on kriitilisest massist veidi väiksem. Üks valuplokkidest on valmistatud koonuse kujul, teine on koonusekujulise auguga pall. Nagu arvata võib, saadakse kahe poole ühendamisel pall, milles saavutatakse kriitiline mass. See on tavaline lihtne tuumapomm. Mõlemad pooled on ühendatud tavalise TNT-laengu abil (koonus lastakse palli sisse).
Aga ärge arvake, et keegi suudab sellist seadet "põlve peal" kokku panna. Nipp seisneb selles, et uraan peab pommi plahvatamiseks olema väga puhas, lisandite olemasolu on praktiliselt null.
Miks pole sigaretipaki suurust aatomipommi
Kõik samal põhjusel. Kõige tavalisema uraani 235 isotoobi kriitiline mass on umbes 45 kg. Sellise tuumakütuse koguse plahvatus on juba katastroof. Ja lõhkeseadeldise valmistamiseks vähemagaaine kogus on võimatu – see lihts alt ei tööta.
Samal põhjusel ei olnud uraanist või muudest radioaktiivsetest metallidest võimalik luua ülivõimsaid aatomilaenguid. Et pomm oleks väga võimas, valmistati see tosinast valuplokist, mis detoneerivate laengute lõhkamisel tormasid keskele, ühendades nagu apelsiniviilud.
Aga mis tegelikult juhtus? Kui kaks elementi mingil põhjusel kohtusid teistest tuhandik sekundit varem, saavutati kriitiline mass kiiremini, kui ülejäänud “õigeks ajaks kohale jõuaksid”, ei toimunud plahvatus sellisel võimsusel, nagu projekteerijad eeldasid. Ülivõimsate tuumarelvade probleem lahenes alles termotuumarelvade tulekuga. Aga see on veidi teine lugu.
Kuidas rahumeelne aatom töötab
Tuumaelektrijaam on sisuliselt sama tuumapomm. Ainult sellel "pommil" on uraanist valmistatud kütuseelemendid (kütuseelemendid), mis asuvad üksteisest teatud kaugusel, mis ei takista neil neutronite "lööki" vahetamast.
Kütuseelemendid on valmistatud varraste kujul, mille vahel on neutroneid hästi imavast materjalist juhtvardad. Tööpõhimõte on lihtne:
- reguleerivad (absorbeerivad) vardad sisestatakse uraanivarraste vahele - reaktsioon aeglustub või peatub sootuks;
- tsoonist eemaldatakse juhtvardad - radioaktiivsed elemendid vahetavad aktiivselt neutroneid, tuumareaktsioon kulgeb intensiivsem alt.
Tõepoolest, selgub sama aatomipomm,milles kriitiline mass saavutatakse nii sujuv alt ja see on nii selgelt reguleeritud, et see ei põhjusta plahvatust, vaid ainult jahutusvedeliku kuumenemist.
Kuigi kahjuks, nagu praktika näitab, ei suuda inimgeenius alati ohjeldada seda tohutut ja hävitavat energiat – aatomituuma lagunemise energiat.
