Używamy technologii takich jak pliki cookie do przechowywania i/lub uzyskiwania dostępu do informacji o urządzeniu. Robimy to, aby poprawić jakość przeglądania i wyświetlać spersonalizowane reklamy. Zgoda na te technologie pozwoli nam przetwarzać dane, takie jak zachowanie podczas przeglądania lub unikalne identyfikatory na tej stronie. Brak zgody lub wycofanie zgody może negatywnie wpłynąć na niektóre cechy i funkcje. Informujemy, że istnieje możliwość określenia przez użytkownika serwisu warunków przechowywania lub uzyskiwania dostępu do informacji zawartych w plikach cookies za pomocą ustawień przeglądarki lub konfiguracji usługi. Szczegółowe informacje na ten temat dostępne są u producenta przeglądarki, u dostawcy usługi dostępu do Internetu oraz w Polityce prywatności plików cookies

Szczegóły znajdziesz w Regulaminie.

Źródło energii bomby atomowej

Autor: Maltaska, 2012-10-31 18:26:58
Dodaj do:
Źródło energii bomby atomowej

Rozwiązania (1)

Autor: AndrzejKaron
232
dodano: 2013-07-14 20:43:20
Źródłem energii bomby jądrowej (zwanej dawniej bombą atomową) jest energia wyzwolona w krótkim czasie, w wyniku rozszczepienia jąder izotopu uranu U-235 lub sztucznego plutonu Pu-239.

W naturze izotop uranu U-235 występuje w stopniu tak bardzo rozproszonym, bo stanowi nikłe 0,7% ilości w uranie — iż w tej postaci nie nadaje się na budowę głowicy jądrowej — bowiem w naturalnym uranie aż 99,3% stanowi cięższy izotop U-238, który nie daje się w zasadzie rozszczepiać.

Rozwiązano ten problem na dwa sposoby:
1) Naturalny uran można wzbogacić, tj. specjalnymi metodami (opisze je dokładniej poniżej) — czyli zwiększać stopniowo procentową ilość 235-U, aż do osiągnięcia wartość wzbogacenia ok. 90% 235-U w uranie, wówczas to taki wysoko wzbogacony uran zwany HEU (z ang Highly Enriched Uranium), może się nadać na budowę głowic jądrowych.

2) W specjalnego typu reaktorach jądrowych (wojskowych) można produkować pluton Pu-239 z uranu U-238, który niekiedy pod wpływem neutronów przekształca się w krótkożyciowy izotop U-239, a ten już samorzutnie w Np-239 oraz w Pu-239, który też się nadaje jako źródło energii bomb "A".


TO I OWO O WZBOGACENIU URANU

Ponieważ zarówno U-235, jak i U-238 z chemicznego punktu widzenia są tym samym pierwiastkiem uranem, więc proste metody chemicznego oddzielania np. filtracja, odparowanie, krystalizacja, itp. — są tu nieprzydatne.
W przypadku uranu, wykorzystuje się to, że jądra U-235 są minimalnie lżejsze od jąder U-238, i wówczas to metodami mechanicznymi jest możliwe ich rozdzielenie, choć wszystkie te metody są żmudne i czasochłonne.


— metoda dyfuzji termicznej

Metoda ta wykorzystuje fakt, że podczas konwekcji cieplnej, lżejsze cząstki dyfundują nieco szybciej do góry, niż cięższe. Przykładem takiej instalacji były ex.zakłady "S-50":
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/67/S50plant.jpg/580px-S50plant.jpg

uruchomione we wrześniu 1944 r., w której znajdowało się aż 2142 kolumny, każda po o wysokości 15 m. Każda z tych rur składała się trzech koncentrycznych części: w zewnętrznej płynęła woda chłodząca, w środkowej ciekły UF6 (sześciofluorek uranu), w wewnętrznej podgrzewająca para. Zakład ten zużywał ogromne ilości energii, więc wkrótce po zakończeniu II Wojny Św. został zamknięty — poza tym tą metodą udało się uzyskać nikłe wzbogacenie z 0,7% do 0,86% 235-U.



— metoda dyfuzji gazowej

polega np przepuszczeniu gazu zawierającego uran (a dokładniej jest to sześciofluorek uranu UF6 w postaci gazowej), przez porowate przegrody, lżejszy U-235 szybciej dyfunduje przez te mikroskopijne przegrody o średnicach ok. 1 nm = 0,000001 mm, czyli w 1 cm² było kilka milionów otworków. Po każdym przejściu przez te przegrody stopniowo zwiększała się ilość rozszczepialnego izotopu w części gazu który przepłynął przez przegrody. Pojedynczy stopień wzbogacenia był minimalny, więc wymagało to połączenia komór dyfuzyjnych w kolejne kaskady. Dlatego też ogromne zakłady dyfuzji gazowej w OakRidge ("K-25"), uruchomione w pierwszej połowie 1943 r.:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/K-25_Aerial.jpg

były ówcześnie największym tego typu budynkiem na świecie! Miały długość 900 m, szerokość 320 m i powierzchnię ok. 180000 m²; wewnątrz pracowało aż maximum 75000 ludzi, którzy obsługiwali m.in. 3122 kaskad dyfuzji gazowej, tysiące pomp, tysiące kilometrów rur, oraz z pół miliona zaworów — daje to pojęcie o koniecznej wówczas skali przedsięwzięcia "Projektu Manhattan". Podczas budowy tego typu zakładów napotkano też wiele nieznanych wcześniej trudności, m.in. należano opracować metodę pokrywania rurociągów niklem, gdyż budowa ich z czystego niklu przerastała całą produkcję tego cennego metalu. Kolejną trudność stanowiło to, że UF6 jest silnie korodującą substancją i silną trucizną, stąd konieczne było opracowanie materiału odpornego na UF6. Ponieważ dotychczasowe smary w pompach były nieodporne na UF6, więc w firmie DuPont opracowano i zastosowano materiał, który je zastąpił — TEFLON — dziś powszechnie stosowany w gospodarstwach domowych.
W zakładach "K-25", udało się uzyskiwać wzbogacenie uranu do 7% — wystarczające aż za nadto do rdzeni reaktorów, ale jeszcze nie do budowy Bomby "A".



— metoda elektromagnetyczna

W metodzie elektromagnetycznej wykorzystuje się fakt, że w polu magnetycznym lżejsze jony uranu 235-U, poruszają się po nieco mniejszych torach, niż cięższe jony 238-U. Urządzenie te nazwano KALUTRONAMI.

W 1943 r., uruchomiono zakład "Y-12", składający się w sumie aż 268 budynków:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5b/Y-12_Aerial.jpg/580px-Y-12_Aerial.jpg

Z uwagi na to, że większość mężczyzn walczyła na wojnie, przy obsłudze Kalutronów zatrudniono kobiety — ze względu na tajność całego "Projektu Manhattan" nie wiedziały one jakie urządzenia obsługują:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/47/Y12_Calutron_Operators.jpg/580px-Y12_Calutron_Operators.jpg

Również i podczas budowy i tego zakładu, napotkano na wiele problemów technicznych, m.in. okazało się, że w całych USA jest za mała ilość miedzi do uzwojenia wymaganej w "Projekcie Manhattan" ilości elektromagnesów, więc od skarbca Stanów Zjednoczonych pożyczono w tym celu zastępczo 15000 t srebra o ówczesnej wartości 300 mln dolarów. (później stopniowo srebro to zostało w całości do lat 70-tych ub.w. oddane)
W zakładach "Y-12" uzyskiwano wzbogacenie do 15% (Kalutron alfa), oraz do 90% 235-U (Kalutron beta).



— metoda wirówkowa

Współcześnie najpopularniejszą metodą wzbogacania uranu jest metoda wirówkowa, wykorzystująca fakt, że pod wpływem siły odśrodkowej cięższy gazowy U-238, osiada bliżej ścianek, a lżejszy gazowy U-235 bliżej środka. Pomimo bardzo dużej prędkości obrotów 50000–70000 obr/min(dla porównania pralka w domowym gospodarstwie ma max. ok. 1000 obr./min) — Metoda ta jest żmudna: w przypadku jednego stopnia współczynnik wzbogacenie wynosi 1,00429, stąd wirówki łączy się w kaskady:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/69/Gas_centrifuge_cascade.jpg/580px-Gas_centrifuge_cascade.jpg

Współcześnie metoda ta wykorzystywana jest do wzbogacania uranu do wartości 3-5%, czyli takiej jaką używają reaktory energetyczne.


— metody laserowe

Najnowszymi metodami są metody wykorzystujące odrębne zachowania atomów/jonów 235-U i 235-U pod wpływem koherentnego światła laserowego.

W metodzie AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation):

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/AVLIS_laser.jpg/580px-AVLIS_laser.jpg

wykorzystuje się tą właściwość, że szczyt absorbcji światłą w 238-U wynosi 502.74 nm, a w 235-U 502.73 nm. Specjalnego typu lasery barwnikowe mogą osiągać tak precyzyjne długości fali. Wówczas to pod wpływem światła laserowego, jonizacji ulegają w głównej mierze atomy 235-U, zaś atomy 2398-U pozostają (w zasadzie) elektrycznie obojętne — zaś jony 235-U mogą być wtedy oddzielone od 238-U metodą elektromagnetyczną.

W metodzei MLIS (Molecular Laser Isotope Separation), jest podobna do AVLIS, różni się jednak tym że może być w niej wykorzystywany UF6 o znacznie niższej temperaturze parowania w odróżnieniu od metalicznego uranu w fazie lotnej (wykorzystywanego w AVLIS), co jest łatwiejsze technicznie. W metodzie MLIS molekuły UF6, są wpierw naświetlane celem wzbudzenia laserem podczerwonym (16 µm), np. CO₂ o przesuniętej pracy wyjściowej z 10,6 do 16 µm, a następnie po wzbudzeniu oświetlane innym laserem podczerwonym lub nadfioletowym, np. Ksenono-Chlorowym Laserem Ekscymerowym o długości fali 0,308 µm.
Pod wpływem tego drugiego lasera, cząsteczki UF6, zawierające 235-U, ulegają rozpadowi pod wpływem światła (czyli FOTOLIZIE), w wyniku czego wytrąca się stały uran wzbogacony, zaś UF6 zawierający 238-U, pozostaje nadal w fazie gazowej. Metoda ta wymaga pracy kaskadowej (podobnie jak przy wykorzystaniu wirówek).





JESZCZE SŁÓW KILKA O PRODUKCJI PLUTONU

W odróżnieniu od uranu, który występuje w naturze i który aby się dało wykorzystać w bombie należy "tylko" wzbogacić (co było i jest związane z trudnościami technicznymi, ale jest od kilkudziesięciu lat wykonalne) — to pluton jest pierwiastkiem niewystępującym w zasadzie w naturze, więc musi być on wyprodukowany. Wykorzystuje się do tego celu specjalnego typu reaktory wojskowe, w których podczas pracy powstaje stopniowo pewna ilość 239-Pu w wyniku oddziaływania neutronów z 238-U.

Jednym z pierwszych reaktorów tergo typu (jeszcze w zasadzie eksperymentalnym) był X-10 w OakRidge:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/X10_Reactor_Face.jpg/580px-X10_Reactor_Face.jpg

…z którego wpierw w 1943 wyprodukowano pierwsze 0,00154 g plutonu (1,54 mg Pu), a który posłużył do pierwszych badań nad tym nowym pierwiastkiem. Docelowo udało się w nim wyprodukować 200 g Plutonu, który wykorzystano w teście "Trinity" 15.VII.1945, oraz także m.in polon 210-Po z bizmutu 209-Bi, który w połączeniu z bizmutem. tworzy wydajne źródło neutronów "Po-Be", umieszczanego wewnątrz Bomb "A", celem zainicjowania reakcji łańcuchowej w chwili wybuchu tejże bomby.

Natomiast inny reaktor, tym razem w Hanford "Reaktor B", był już w pełni produkcyjnym reaktorem wojskowym:

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e5/Hanford_B_Reactor.jpg/580px-Hanford_B_Reactor.jpg

W tego typu reaktorach po określonym czasie wyjmuje się pręty paliwowe, gdyż zbyt długie ich przebywanie w reaktorze powoduje niekorzystne przemiany 239-Pu w 240-Pu i kolejne izotopy plutonu — które z militarnego punktu widzenia utrudniają konstrukcję działającej bomby "A".
"Wypalone" paliwo jest silnie promieniotwórcze i emituje duże ilości niebezpiecznego promieniowania jonizujące, więc musi być przez co najmniej kilka tygodni "ostudzone", aby jego aktywność się zmniejszyła nieco, a następnie poddane zdalnie sterowanym procesom technologicznym oddzielania chemicznego składników od siebie uranu, plutonu, produktów rozszczepienia, aktynowców (neptunu, kiuru, ameryku itp.).
W czasie "Projektu Manhattan" powstały w Hanford spory zakład gdzie tego dokonywany, zwany "Zakładem T":

http://www.atomicarchive.com/History/sites/Images/T_Plant.jpg

Zakład ten ze względu na swe wymiary: 264 × 31 × 26 metrów — nazywany był "Queen Mary" (od nazwy słynnego transatlantyka).
Dokonywano w nim ekstrakcji plutonu z "wypalonego" paliwa.
Miano więc tu do czynienia z wysoce promieniotwórczymi materiałami — zatem "Zakład T" siłą rzeczy musiał być zautomatyzowany w maksymalnym stopniu, przez co był tym samym ówczesną największą zautomatyzowaną fabryką na świecie!

Pracownicy "Zakładu T" mieli do dyspozycji wówczas będące wtedy novum, a dziś są to standardowe urządzenia i wyposażenie zakładów jądrowych, jak m.in.:
• tzw. "gorące komory" (pomieszczenia z osłonami radiologicznymi, gdzie manipulowano materiałami radioaktywnymi)
• specjalne mechaniczne manipulatory, którymi się posługiwali w procesach rozpuszczania, współstrącania i odwirowywania związków zawierających: uran, produkty rozszczepienia i ten jakże wtedy poszukiwany pluton
• do obserwacji wnętrza komór służyły im peryskopy i… wówczas zupełne "novum": telewizja przemysłowa!




LITERATURA:

G.Jezierski, Energia jądrowa wczoraj i dziś, WNT 2005

Kubowski J., Nowoczesne elektrownie jądrowe, WNT 2010

http://atom.edu.pl/index.php/technologia/reakcja-rozszczepienia/294-rozszczepienie-i-reaktor.html

http://www.atomowe.kei.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=46&Itemid=60
Dodaj rozwiązanie
AEGEE - Logo
...