Prošlo je nešto više od dva mjeseca od završetka najgoreg rata u povijesti čovječanstva. I tako je 16. srpnja 1945. američka vojska testirala prvu nuklearnu bombu, a mjesec dana kasnije tisuće stanovnika japanskih gradova umiru u atomskom paklu. Od tada, nuklearno oružje, kao i sredstva za njegovo isporuku do ciljeva, kontinuirano se poboljšavaju više od pola stoljeća.
Vojska je željela imati na raspolaganju kako super-moćno streljivo, koje jednim udarcem briše cijele gradove i zemlje s karte, tako i ultra-male koje stane u aktovku. Takav bi uređaj doveo sabotažni rat na neviđenu razinu. I s prvim i s drugim bilo je nepremostivih poteškoća. Razlog tome je takozvana kritična masa. Međutim, prvo o svemu.
Takva eksplozivna jezgra
Da bismo razumjeli kako nuklearni uređaji rade i razumjeli što se zove kritična masa, vratimo se na neko vrijeme na stol. Iz školskog tečaja fizike sjećamo se jednostavnog pravila: naboji istog imena međusobno se odbijaju. Na istom mjestu, u srednjoj školi, učenicima se govori o građi atomske jezgre koju čine neutroni, neutralne čestice ipozitivno nabijenih protona. Ali kako je to moguće? Pozitivno nabijene čestice su tako blizu jedna drugoj da sile odbijanja moraju biti kolosalne.
Znanost nije u potpunosti svjesna prirode intranuklearnih sila koje drže protone zajedno, iako su svojstva tih sila prilično dobro proučavana. Sile djeluju samo na vrlo bliskoj udaljenosti. Ali vrijedi barem malo razdvojiti protone u svemiru, jer odbojne sile počinju prevladavati, a jezgra se raspada u komadiće. A snaga takve ekspanzije je uistinu kolosalna. Poznato je da snaga odraslog muškarca ne bi bila dovoljna da zadrži protone samo jedne jezgre olovnog atoma.
Čega se Rutherford bojao
Jezgre većine elemenata periodnog sustava su stabilne. Međutim, kako se atomski broj povećava, ta stabilnost se smanjuje. Radi se o veličini jezgri. Zamislite jezgru atoma urana, koja se sastoji od 238 nuklida, od kojih su 92 protona. Da, protoni su u bliskom kontaktu jedni s drugima, a intranuklearne sile sigurno cementiraju cijelu strukturu. Ali odbojna sila protona smještenih na suprotnim krajevima jezgre postaje primjetna.
Što je Rutherford radio? Bombardirao je atome neutronima (elektron neće proći kroz elektronsku ljusku atoma, a pozitivno nabijeni proton neće se moći približiti jezgri zbog odbojnih sila). Neutron koji ulazi u jezgru atoma uzrokuje njegovu fisiju. Dvije odvojene polovice i dva ili tri slobodna neutrona su se razletjela.
Ovo raspadanje, zbog ogromne brzine letećih čestica, bilo je popraćeno oslobađanjem ogromne energije. Pričalo se da je Rutherford čak želio sakriti svoje otkriće, bojeći se njegovih mogućih posljedica po čovječanstvo, ali ovo najvjerojatnije nije ništa više od bajke.
Pa kakve veze masa ima s tim i zašto je kritična
Pa što? Kako se može ozračiti dovoljno radioaktivnog metala strujom protona da proizvede snažnu eksploziju? A što je kritična masa? Radi se o onih nekoliko slobodnih elektrona koji izlete iz "bombardirane" atomske jezgre, oni će pak, sudarajući se s drugim jezgrama, uzrokovati njihovu fisiju. Započet će takozvana nuklearna lančana reakcija. Međutim, pokretanje će biti iznimno teško.
Provjerite vagu. Ako uzmemo jabuku na našem stolu kao jezgru atoma, onda da bismo zamislili jezgru susjednog atoma, istu jabuku će morati nositi i staviti na stol čak ni u susjednoj sobi, već … u susjednoj kući. Neutron će biti veličine sjemenke trešnje.
Da emitirani neutroni ne bi uzalud odletjeli izvan ingota urana, a više od 50% njih bi našlo metu u obliku atomskih jezgri, ovaj ingot mora imati odgovarajuću veličinu. To je ono što se naziva kritična masa urana - masa pri kojoj se više od polovice emitiranih neutrona sudara s drugim jezgrama.
Zapravo, to se događa u trenu. Broj rascijepljenih jezgri raste poput lavine, njihovi fragmenti jure u svim smjerovima brzinom usporedivom sbrzina svjetlosti, razbijanje zraka, vode, bilo kojeg drugog medija. Od njihovih sudara s molekulama okoliša, područje eksplozije trenutačno se zagrijava na milijune stupnjeva, zračeći toplinu koja spaljuje sve na području od nekoliko kilometara.
Iznenada zagrijani zrak se trenutno širi, stvarajući snažan udarni val koji raznosi zgrade s temelja, prevrće i uništava sve na svom putu… ovo je slika atomske eksplozije.
Kako to izgleda u praksi
Naprava atomske bombe je iznenađujuće jednostavna. Postoje dva ingota urana (ili drugog radioaktivnog metala), od kojih je svaki nešto manji od kritične mase. Jedan od ingota je napravljen u obliku stošca, drugi je lopta s rupom u obliku stošca. Kao što možete pretpostaviti, kada se dvije polovice spoje, dobije se lopta u kojoj se postiže kritična masa. Ovo je standardna jednostavna nuklearna bomba. Dvije polovice su spojene uobičajenim TNT nabojem (konus je ubačen u loptu).
Ali nemojte misliti da netko može sastaviti takav uređaj "na koljenu". Trik je u tome da uran, da bi bomba eksplodirala, mora biti vrlo čist, prisutnost nečistoća je praktički nula.
Zašto ne postoji atomska bomba veličine kutije cigareta
Sve iz istog razloga. Kritična masa najčešćeg izotopa urana 235 je oko 45 kg. Eksplozija ove količine nuklearnog goriva već je katastrofa. I napraviti eksplozivnu napravu s manjekoličina tvari je nemoguća - jednostavno neće djelovati.
Iz istog razloga nije bilo moguće stvoriti super-moćne atomske naboje iz urana ili drugih radioaktivnih metala. Kako bi bomba bila vrlo moćna, napravljena je od desetak ingota, koji su pri detoniranju detonirajućih punjenja jurili u središte spajajući se poput kriški naranče.
Ali što se zapravo dogodilo? Ako su se iz nekog razloga dva elementa susrela tisućinku sekunde ranije od ostalih, kritična masa je bila dostignuta brže nego što bi ostali “stigli na vrijeme”, eksplozija se nije dogodila snagom koju su projektanti očekivali. Problem super-moćnog nuklearnog oružja riješen je tek pojavom termonuklearnog oružja. Ali to je malo drugačija priča.
Kako radi mirni atom
Nuklearna elektrana je u biti ista nuklearna bomba. Samo ova "bomba" ima gorive elemente (gorivne elemente) izrađene od urana smještene na određenoj udaljenosti jedan od drugog, što ih ne sprječava da razmjenjuju neutronski "udar".
Gorivni elementi izrađeni su u obliku šipki, između kojih se nalaze upravljačke šipke izrađene od materijala koji dobro upija neutrone. Princip rada je jednostavan:
- regulirajuće (apsorbirajuće) šipke se ubacuju u prostor između uranovih šipki - reakcija se usporava ili potpuno zaustavlja;
- kontrolne šipke se uklanjaju iz zone - radioaktivni elementi aktivno izmjenjuju neutrone, nuklearna reakcija se odvija intenzivnije.
Doista, ispada ista atomska bomba,u kojem se kritična masa postiže tako glatko i regulirana je tako jasno da ne dovodi do eksplozije, već samo do zagrijavanja rashladne tekućine.
Iako, nažalost, kao što praksa pokazuje, ljudski genij nije uvijek u stanju obuzdati ovu ogromnu i razornu energiju - energiju raspada atomske jezgre.
