|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Bomba atomowa. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Broń jądrowa (lub broń atomowa) - zestaw broni jądrowej, środki jej przenoszenia do celu i sterowanie. Odnosi się do broni masowego rażenia wraz z bronią biologiczną i chemiczną. Amunicja jądrowa to broń wybuchowa oparta na wykorzystaniu energii jądrowej uwolnionej w wyniku podobnej do lawiny jądrowej reakcji łańcuchowej rozszczepienia ciężkich jąder i/lub termojądrowej reakcji syntezy jądrowej lekkich jąder. Świat atomu jest tak fantastyczny, że jego zrozumienie wymaga radykalnego zerwania z utartym pojęciem przestrzeni i czasu. Atomy są tak małe, że gdyby kroplę wody można było powiększyć do rozmiarów Ziemi, każdy atom w tej kropli byłby mniejszy niż pomarańcza. W rzeczywistości jedna kropla wody składa się z 6000 miliardów miliardów (6000000000000000000000) atomów wodoru i tlenu. A jednak, pomimo swoich mikroskopijnych rozmiarów, atom ma budowę do pewnego stopnia zbliżoną do budowy naszego Układu Słonecznego. W swoim niezrozumiale małym środku, o promieniu mniejszym niż jedna bilionowa centymetra, znajduje się stosunkowo ogromne „słońce” – jądro atomu. Wokół tego atomowego "słońca" krążą maleńkie "planety" - elektrony. Jądro składa się z dwóch głównych elementów budulcowych Wszechświata - protonów i neutronów (mają one ujednoliconą nazwę - nukleony). Elektron i proton są cząstkami naładowanymi, a ładunek w każdej z nich jest dokładnie taki sam, ale ładunki różnią się znakiem: proton jest zawsze naładowany dodatnio, a elektron zawsze jest ujemny. Neutron nie przenosi ładunku elektrycznego i dlatego ma bardzo wysoką przepuszczalność. W skali pomiarów atomowych masa protonu i neutronu jest traktowana jako jedność. Masa atomowa dowolnego pierwiastka chemicznego zależy zatem od liczby protonów i neutronów zawartych w jego jądrze. Na przykład atom wodoru, którego jądro składa się tylko z jednego protonu, ma masę atomową równą 1. Atom helu, z jądrem złożonym z dwóch protonów i dwóch neutronów, ma masę atomową równą 4. Jądra atomów tego samego pierwiastka zawsze zawierają tę samą liczbę protonów, ale liczba neutronów może być inna. Atomy, które mają jądra o tej samej liczbie protonów, ale różnią się liczbą neutronów i są powiązane z odmianami tego samego pierwiastka, nazywamy izotopami. Aby je odróżnić, symbolowi pierwiastka przypisuje się liczbę równą sumie wszystkich cząstek w jądrze danego izotopu. Może pojawić się pytanie: dlaczego jądro atomu się nie rozpada? Przecież zawarte w nim protony to naładowane elektrycznie cząstki o tym samym ładunku, które muszą się odpychać z dużą siłą. Wyjaśnia to fakt, że wewnątrz jądra występują również tak zwane siły wewnątrzjądrowe, które przyciągają do siebie cząstki jądra. Siły te kompensują siły odpychające protonów i nie pozwalają jądru na spontaniczne rozerwanie się. Siły wewnątrzjądrowe są bardzo silne, ale działają tylko z bardzo bliskiej odległości. Dlatego jądra ciężkich pierwiastków, składające się z setek nukleonów, okazują się niestabilne. Cząsteczki jądra są tutaj w ciągłym ruchu (w obrębie objętości jądra), a jeśli dodasz do nich dodatkową ilość energii, mogą przezwyciężyć siły wewnętrzne - jądro zostanie podzielone na części. Ilość tej nadwyżki energii nazywana jest energią wzbudzenia. Wśród izotopów pierwiastków ciężkich są takie, które wydają się być na skraju samorozpadu. Wystarczy niewielkie „pchnięcie”, na przykład proste uderzenie neutronu w jądrze (i nie trzeba go nawet przyspieszać do dużej prędkości), aby rozpoczęła się reakcja rozszczepienia jądra. Niektóre z tych „rozszczepialnych” izotopów zostały później wykonane sztucznie. W naturze jest tylko jeden taki izotop - to uran-235.
Uran został odkryty w 1783 roku przez Klaprotha, który wyizolował go z paku uranu i nazwał go na cześć niedawno odkrytej planety Uran. Jak się później okazało, w rzeczywistości nie był to sam uran, ale jego tlenek. Czysty uran – srebrno-biały metal – pozyskał dopiero w 1842 roku Peligo. Nowy pierwiastek nie miał żadnych niezwykłych właściwości i nie zwrócił na siebie uwagi aż do 1896 roku, kiedy Becquerel odkrył zjawisko radioaktywności soli uranu. Następnie uran stał się przedmiotem badań naukowych i eksperymentów, ale nadal nie miał praktycznego zastosowania. Kiedy w pierwszej tercji XX wieku struktura jądra atomowego stała się mniej więcej dla fizyków jasna, starali się przede wszystkim urzeczywistnić stare marzenie alchemików - próbowali zamienić jeden pierwiastek chemiczny w drugi. W 1934 roku francuscy badacze, małżonkowie Frederic i Irene Joliot-Curie, zgłosili do Francuskiej Akademii Nauk następujący eksperyment: kiedy aluminiowe płyty były bombardowane cząstkami alfa (jądrami atomów helu), atomy aluminium zamieniały się w atomy fosforu, ale nie zwykły, ale radioaktywny, który z kolei przekształcił się w stabilny izotop krzemu. W ten sposób atom glinu po dodaniu jednego protonu i dwóch neutronów zamienił się w cięższy atom krzemu. To doświadczenie doprowadziło do pomysłu, że jeśli neutrony zostaną „wystrzelone” w jądra najcięższego pierwiastka istniejącego w przyrodzie - uranu, to można uzyskać pierwiastek, który w warunkach naturalnych nie istnieje. W 1938 r. niemieccy chemicy Otto Hahn i Fritz Strassmann powtórzyli ogólnie doświadczenie małżonków Joliot-Curie, przyjmując uran zamiast aluminium. Wyniki eksperymentu wcale nie były takie, jakich się spodziewali - zamiast nowego superciężkiego pierwiastka o liczbie masowej większej niż uran, Hahn i Strassmann otrzymali lekkie pierwiastki ze środkowej części układu okresowego: bar, krypton, brom i jacyś inni. Sami eksperymentatorzy nie potrafili wyjaśnić obserwowanego zjawiska. Dopiero w następnym roku fizyk Lisa Meitner, której Hahn zgłosił swoje trudności, znalazła prawidłowe wyjaśnienie obserwowanego zjawiska, sugerując, że gdy uran został zbombardowany neutronami, jego jądro uległo rozszczepieniu. W tym przypadku powinny powstać jądra lżejszych pierwiastków (stąd pobrano bar, krypton i inne substancje), a także uwolnić 2-3 wolne neutrony. Dalsze badania pozwoliły na doprecyzowanie obrazu tego, co się dzieje. Naturalny uran składa się z mieszaniny trzech izotopów o masach 238, 234 i 235. Główna ilość uranu przypada na izotop 238, którego jądro zawiera 92 protony i 146 neutronów. Uran-235 to tylko 1/140 naturalnego uranu (0%) (ma w jądrze 7 protony i 92 neutrony), a uran-143 (234 protony, 92 neutrony) to tylko 142/1 całkowitej masy uranu (17500%). Najmniej stabilnym z tych izotopów jest uran-0. Od czasu do czasu jądra jego atomów spontanicznie dzielą się na części, w wyniku czego powstają lżejsze pierwiastki układu okresowego. Procesowi towarzyszy uwolnienie dwóch lub trzech wolnych neutronów, które pędzą z ogromną prędkością - około 006 tys. km / s (nazywane są szybkimi neutronami). Neutrony te mogą uderzać w inne jądra uranu, powodując reakcje jądrowe. W tym przypadku każdy izotop zachowuje się inaczej. Jądra uranu-238 w większości przypadków po prostu wychwytują te neutrony bez dalszych przekształceń. Ale w mniej więcej jednym przypadku na pięć, gdy neutron prędki zderza się z jądrem izotopu 238, zachodzi ciekawa reakcja jądrowa: jeden z neutronów uranu-238 emituje elektron, zamieniając się w proton, czyli izotop uranu zamienia się w cięższy pierwiastek - neptun-239 (93 protony + 146 neutronów). Ale neptun jest niestabilny - po kilku minutach jeden z jego neutronów emituje elektron, zamieniając się w proton, po czym izotop neptunu zamienia się w kolejny pierwiastek w układzie okresowym - pluton-239 (94 protony + 145 neutronów). Jeśli neutron wejdzie do jądra niestabilnego uranu-235, natychmiast następuje rozszczepienie - atomy rozpadają się z emisją dwóch lub trzech neutronów. Oczywiste jest, że w naturalnym uranie, którego większość atomów należy do izotopu 238, reakcja ta nie ma widocznych konsekwencji – wszystkie wolne neutrony zostaną ostatecznie wchłonięte przez ten izotop. Ale co, jeśli wyobrazimy sobie dość masywny kawałek uranu, składający się wyłącznie z izotopu 235? Tutaj proces przebiega inaczej: neutrony uwolnione podczas rozszczepienia kilku jąder, z kolei wpadając do sąsiednich jąder, powodują ich rozszczepienie. W rezultacie uwalniana jest nowa porcja neutronów, która rozszczepia kolejne jądra. W sprzyjających warunkach reakcja ta przebiega jak lawina i nazywana jest reakcją łańcuchową. Kilka bombardujących cząstek może wystarczyć, aby go uruchomić. Istotnie, niech tylko 235 neutronów bombarduje uran-100. Rozszczepią 100 jąder uranu. W tym przypadku zostanie uwolnionych 250 nowych neutronów drugiej generacji (średnio 2 na rozszczepienie). Neutrony drugiej generacji wytworzą już 5 rozszczepień, przy których zostanie uwolnionych 250 neutronów. W następnej generacji będzie to 625, potem 1562, potem 3906 i tak dalej. Jeśli proces nie zostanie zatrzymany, liczba podziałów będzie wzrastać bez ograniczeń. Jednak w rzeczywistości tylko niewielka część neutronów dostaje się do jąder atomów. Reszta, szybko pędząc między nimi, jest wynoszona w otaczającą przestrzeń. Samopodtrzymująca się reakcja łańcuchowa może wystąpić tylko w wystarczająco dużej gamie uranu-235, o którym mówi się, że ma masę krytyczną. (Ta masa w normalnych warunkach wynosi 50 kg.) Należy zauważyć, że rozszczepieniu każdego jądra towarzyszy uwolnienie ogromnej ilości energii, która okazuje się być około 300 milionów razy większa niż energia zużyta na rozszczepienie ! (Wyliczono, że całkowite rozszczepienie 1 kg uranu-235 uwalnia tyle ciepła, co spalenie 3 ton węgla.) Ten kolosalny przypływ energii, uwolniony w ciągu kilku chwil, objawia się eksplozją potwornych siły i leży u podstaw działania broni jądrowej. Ale aby ta broń stała się rzeczywistością, konieczne jest, aby ładunek nie składał się z naturalnego uranu, ale z rzadkiego izotopu - 235 (taki uran nazywa się wzbogaconym). Później odkryto, że czysty pluton jest również materiałem rozszczepialnym i może być użyty w ładunku atomowym zamiast uranu-235. Wszystkie te ważne odkrycia dokonano w przededniu II wojny światowej. Wkrótce rozpoczęły się tajne prace w Niemczech i innych krajach nad stworzeniem bomby atomowej. W Stanach Zjednoczonych problem ten został podjęty w 1941 roku. Cały kompleks prac otrzymał nazwę „Projekt Manhattan”. Administracyjne kierownictwo projektu sprawował generał Groves, a kierownictwo naukowe objął profesor Robert Oppenheimer z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Obaj doskonale zdawali sobie sprawę z ogromnej złożoności stojącego przed nimi zadania. Dlatego pierwszą troską Oppenheimera było pozyskanie wysoce inteligentnego zespołu naukowego. W Stanach Zjednoczonych w tym czasie było wielu fizyków, którzy wyemigrowali z faszystowskich Niemiec. Nie było łatwo zaangażować ich w tworzenie broni skierowanej przeciwko ich dawnej ojczyźnie. Oppenheimer rozmawiał ze wszystkimi osobiście, wykorzystując całą siłę swojego uroku. Wkrótce udało mu się zebrać niewielką grupę teoretyków, których żartobliwie nazwał „luminarzami”. I faktycznie, w jej skład weszli najwięksi ówcześni eksperci z dziedziny fizyki i chemii. (Wśród nich jest 13 laureatów Nagrody Nobla, m.in. Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Oprócz nich było wielu innych specjalistów o różnych profilach. Rząd USA nie skąpił w wydatkach i od samego początku prace przybrały ogromny zakres. W 1942 roku w Los Alamos powstało największe na świecie laboratorium badawcze. Populacja tego naukowego miasta osiągnęła wkrótce 9 tys. osób. Pod względem składu naukowców, zakresu eksperymentów naukowych, liczby specjalistów i pracowników zaangażowanych w prace, Laboratorium Los Alamos nie miało sobie równych w historii świata. „Projekt Manhattan” miał własną policję, kontrwywiad, system łączności, magazyny, osiedla, fabryki, laboratoria i własny kolosalny budżet. Głównym celem projektu było uzyskanie wystarczającej ilości materiału rozszczepialnego, z którego można stworzyć kilka bomb atomowych. Oprócz uranu-235, jak już wspomniano, sztuczny pierwiastek pluton-239 może służyć jako ładunek bomby, to znaczy bomba może być uranem lub plutonem. Groves i Oppenheimer zgodzili się, że prace powinny być prowadzone jednocześnie w dwóch kierunkach, ponieważ nie można z góry zdecydować, który z nich będzie bardziej obiecujący. Obie metody zasadniczo się od siebie różniły: akumulacja uranu-235 musiała odbywać się poprzez oddzielenie go od masy naturalnego uranu, a pluton można było uzyskać jedynie w wyniku kontrolowanej reakcji jądrowej poprzez napromieniowanie uranu-238 za pomocą neutrony. Obie ścieżki wydawały się niezwykle trudne i nie obiecywały łatwych rozwiązań. Rzeczywiście, jak można oddzielić od siebie dwa izotopy, które tylko nieznacznie różnią się wagą i chemicznie zachowują się dokładnie tak samo? Ani nauka, ani technika nigdy nie spotkały się z takim problemem. Produkcja plutonu również wydawała się początkowo bardzo problematyczna. Wcześniej całe doświadczenie przemian jądrowych zostało zredukowane do kilku eksperymentów laboratoryjnych. Teraz trzeba było opanować produkcję kilogramów plutonu na skalę przemysłową, opracować i stworzyć do tego specjalną instalację - reaktor jądrowy i nauczyć się kontrolować przebieg reakcji jądrowej. A tu i ówdzie trzeba było rozwiązać cały kompleks złożonych problemów. Dlatego „Projekt Manhattan” składał się z kilku podprojektów, kierowanych przez wybitnych naukowców. Sam Oppenheimer był szefem Laboratorium Naukowego Los Alamos. Lawrence kierował Laboratorium Promieniowania na Uniwersytecie Kalifornijskim. Fermi kierował badaniami na Uniwersytecie w Chicago nad stworzeniem reaktora jądrowego. Początkowo najważniejszym problemem było pozyskanie uranu. Przed wojną ten metal właściwie nie miał zastosowania. Teraz, gdy był potrzebny natychmiast w ogromnych ilościach, okazało się, że nie ma przemysłowego sposobu na jego wyprodukowanie. Firma Westinghouse podjęła się jego rozwoju i szybko odniosła sukces. Po oczyszczeniu żywicy uranowej (w tej postaci uran występuje w przyrodzie) i uzyskaniu tlenku uranu, został on przekształcony w tetrafluorek (UF4), z którego metodą elektrolizy wyodrębniono metaliczny uran. Jeśli pod koniec 1941 r. amerykańscy naukowcy mieli do dyspozycji zaledwie kilka gramów metalicznego uranu, to już w listopadzie 1942 r. jego produkcja przemysłowa w fabrykach Westinghouse sięgała 6000 funtów miesięcznie. W tym samym czasie trwały prace nad stworzeniem reaktora jądrowego. Proces produkcji plutonu sprowadzał się właściwie do napromieniowania prętów uranu neutronami, w wyniku czego część uranu-238 musiała zamienić się w pluton. Źródłem neutronów w tym przypadku mogą być rozszczepialne atomy uranu-235 rozproszone w wystarczających ilościach wśród atomów uranu-238. Ale aby utrzymać stałą reprodukcję neutronów, musiała rozpocząć się reakcja łańcuchowa rozszczepienia atomów uranu-235. Tymczasem, jak już wspomniano, na każdy atom uranu-235 przypadało 140 atomów uranu-238. Oczywiste jest, że neutrony lecące we wszystkich kierunkach znacznie częściej spotykały je na swojej drodze. Oznacza to, że ogromna liczba uwolnionych neutronów została wchłonięta przez główny izotop bezskutecznie. Oczywiście w takich warunkach reakcja łańcuchowa nie mogła zajść. Jak być? Początkowo wydawało się, że bez rozdzielenia dwóch izotopów praca reaktora jest generalnie niemożliwa, ale wkrótce ustalono jedną ważną okoliczność: okazało się, że uran-235 i uran-238 są podatne na neutrony o różnej energii. Możliwe jest rozszczepienie jądra atomu uranu-235 neutronem o stosunkowo niskiej energii, z prędkością około 22 m/s. Takie powolne neutrony nie są wychwytywane przez jądra uranu-238 - do tego muszą mieć prędkość rzędu setek tysięcy metrów na sekundę. Innymi słowy, uran-238 jest bezsilny, aby zapobiec rozpoczęciu i postępowi reakcji łańcuchowej w uranie-235 spowodowanej przez neutrony spowolnione do ekstremalnie niskich prędkości – nie większych niż 22 m/s. Zjawisko to odkrył włoski fizyk Fermi, który od 1938 roku mieszkał w Stanach Zjednoczonych i nadzorował prace nad stworzeniem tu pierwszego reaktora. Fermi zdecydował się na użycie grafitu jako moderatora neutronów. Według jego obliczeń neutrony emitowane z uranu-235, po przejściu przez warstwę grafitu o grubości 40 cm, powinny zmniejszyć prędkość do 22 m/s i rozpocząć samopodtrzymującą się reakcję łańcuchową w uranie-235. Innym moderatorem może być tzw. „ciężka” woda. Ponieważ atomy wodoru, które go tworzą, są bardzo zbliżone rozmiarem i masą do neutronów, najlepiej mogłyby je spowolnić. (Mniej więcej to samo dzieje się z szybkimi neutronami, jak z kulkami: jeśli mała kulka uderzy w dużą, to się toczy, prawie nie tracąc prędkości, ale kiedy napotyka małą kulkę, przekazuje jej znaczną część swojej energii - tak jak neutron w zderzeniu sprężystym odbija się od ciężkiego jądra spowalniając tylko nieznacznie, a przy zderzeniu z jądrami atomów wodoru bardzo szybko traci całą swoją energię.) Jednak zwykła woda nie nadaje się do spowolnienia, ponieważ jej wodór ma tendencję absorbować neutrony. Dlatego należy do tego celu używać deuteru, który jest częścią „ciężkiej” wody. Na początku 1942 roku pod kierownictwem Fermiego rozpoczęto budowę pierwszego w historii reaktora jądrowego na korcie tenisowym pod zachodnimi trybunami Chicago Stadium. Całą pracę wykonali sami naukowcy. Reakcję można kontrolować w jedyny sposób - dostosowując liczbę neutronów biorących udział w reakcji łańcuchowej. Fermi przewidział, że zrobi to z prętami wykonanymi z materiałów takich jak bor i kadm, które silnie pochłaniają neutrony. Funkcję moderatora pełniły cegły grafitowe, z których fizycy wznosili kolumny o wysokości 3 mi szerokości 1 m. Pomiędzy nimi zainstalowano prostokątne bloki z tlenkiem uranu. W całą konstrukcję poszło około 2 ton tlenku uranu i 46 ton grafitu. Do spowolnienia reakcji służyły pręty kadmu i boru wprowadzone do reaktora. Jakby tego było mało, to dla ubezpieczenia na platformie znajdującej się nad reaktorem stało dwóch naukowców z wiaderkami wypełnionymi roztworem soli kadmu – mieli je nalać na reaktor, jeśli reakcja wymknęła się spod kontroli. Na szczęście nie było to wymagane. 2 grudnia 1942 r. Fermi nakazał przedłużenie wszystkich prętów kontrolnych i rozpoczął się eksperyment. Cztery minuty później liczniki neutronów zaczęły klikać coraz głośniej. Z każdą minutą intensywność strumienia neutronów stawała się coraz większa. Wskazuje to, że w reaktorze zachodzi reakcja łańcuchowa. Trwało to 28 minut. Wtedy Fermi dał sygnał, a opuszczone pręty zatrzymały proces. W ten sposób po raz pierwszy człowiek uwolnił energię jądra atomowego i udowodnił, że może ją dowolnie kontrolować. Teraz nie było już wątpliwości, że broń nuklearna jest rzeczywistością. W 1943 reaktor Fermi został zdemontowany i przetransportowany do Aragonese National Laboratory (50 km od Chicago). Wkrótce zbudowano tu kolejny reaktor jądrowy, w którym jako moderator wykorzystano ciężką wodę. Składał się z cylindrycznego aluminiowego zbiornika zawierającego 6 tony ciężkiej wody, do którego pionowo załadowano 5 prętów metalicznego uranu, zamkniętych w aluminiowej skorupie. Siedem prętów kontrolnych wykonano z kadmu. Wokół zbiornika znajdował się reflektor grafitowy, a następnie ekran wykonany ze stopów ołowiu i kadmu. Całość została zamknięta w betonowym płaszczu o grubości ścian około 120 m. Eksperymenty na tych eksperymentalnych reaktorach potwierdziły możliwość przemysłowej produkcji plutonu. Głównym ośrodkiem „Projektu Manhattan” wkrótce stało się miasteczko Oak Ridge w dolinie rzeki Tennessee, którego populacja w ciągu kilku miesięcy wzrosła do 79 tys. Tutaj w krótkim czasie zbudowano pierwszy zakład do produkcji wzbogaconego uranu. Natychmiast w 1943 roku uruchomiono reaktor przemysłowy, który produkował pluton. W lutym 1944 r. wydobywano z niego dziennie około 300 kg uranu, z powierzchni którego pozyskiwano pluton drogą chemicznej separacji. (W tym celu pluton najpierw rozpuszczono, a następnie wytrącono.) Oczyszczony uran ponownie zawrócono do reaktora. W tym samym roku na jałowej, opustoszałej pustyni na południowym brzegu rzeki Columbia rozpoczęto budowę ogromnej fabryki Hanford. Znajdowały się tutaj trzy potężne reaktory jądrowe, które dostarczały kilkaset gramów plutonu dziennie. Równolegle trwały badania nad opracowaniem procesu przemysłowego wzbogacania uranu. Po rozważeniu różnych opcji Groves i Oppenheimer postanowili skupić się na dwóch metodach: dyfuzji gazu i elektromagnetycznej. Metoda dyfuzji gazu opierała się na zasadzie znanej jako prawo Grahama (po raz pierwszy sformułowane w 1829 roku przez szkockiego chemika Thomasa Grahama, a rozwinięte w 1896 przez angielskiego fizyka Reilly'ego). Zgodnie z tym prawem, jeśli dwa gazy, z których jeden jest lżejszy od drugiego, przejdą przez filtr z pomijalnie małymi otworami, to przepłynie przez niego nieco więcej gazu lekkiego niż gazu ciężkiego. W listopadzie 1942 roku Urey i Dunning z Columbia University opracowali metodę dyfuzji gazowej do rozdzielania izotopów uranu opartą na metodzie Reilly'ego. Ponieważ naturalny uran jest ciałem stałym, został najpierw przekształcony w fluorek uranu (UF6). Gaz ten był następnie przepuszczany przez mikroskopijne - rzędu tysięcznych milimetra - otwory w przegrodzie filtra. Ponieważ różnica w masach molowych gazów była bardzo mała, za przegrodą zawartość uranu-235 wzrosła tylko o współczynnik 1,0002. Aby jeszcze bardziej zwiększyć ilość uranu-235, otrzymaną mieszaninę ponownie przepuszcza się przez przegrodę i ilość uranu ponownie zwiększa się 1 razy. Tak więc, aby zwiększyć zawartość uranu-0002 do 235%, konieczne było przepuszczenie gazu przez 99 filtrów. Miało to miejsce w ogromnym zakładzie dyfuzji gazowej w Oak Ridge. W 1940 roku pod kierownictwem Ernsta Lawrence'a z Uniwersytetu Kalifornijskiego rozpoczęto badania nad separacją izotopów uranu metodą elektromagnetyczną. Należało znaleźć takie procesy fizyczne, które pozwoliłyby na rozdzielenie izotopów z wykorzystaniem różnicy ich mas. Lawrence podjął próbę rozdzielenia izotopów na zasadzie spektrografu masowego - przyrządu, który określa masy atomów. Zasada jego działania była następująca: wstępnie zjonizowane atomy były przyspieszane przez pole elektryczne, a następnie przepuszczane przez pole magnetyczne, w którym opisywały okręgi znajdujące się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku pola. Ponieważ promienie tych trajektorii były proporcjonalne do masy, lekkie jony znalazły się na okręgach o mniejszym promieniu niż ciężkie. Jeśli na drodze atomów umieszczono pułapki, to w ten sposób można było oddzielnie zbierać różne izotopy.
To była metoda. W warunkach laboratoryjnych dał dobre wyniki. Jednak budowa zakładu, w którym można by przeprowadzić separację izotopów na skalę przemysłową, okazała się niezwykle trudna. Jednak Lawrence w końcu zdołał przezwyciężyć wszystkie trudności. Efektem jego wysiłków było pojawienie się calutronu, który został zainstalowany w gigantycznej fabryce w Oak Ridge.
Ta elektromagnetyczna elektrownia została zbudowana w 1943 roku i okazała się być może najdroższym pomysłem Projektu Manhattan. Metoda Lawrence'a wymagała dużej liczby skomplikowanych, jeszcze nieopracowanych urządzeń wykorzystujących wysokie napięcie, wysoką próżnię i silne pola magnetyczne. Koszty były ogromne. Calutron miał gigantyczny elektromagnes, którego długość sięgała 75 mi ważył około 4000 ton. Do uzwojeń tego elektromagnesu trafiło kilka tysięcy ton srebrnego drutu. Całe dzieło (pomijając koszt srebra o wartości 300 mln dolarów, które Skarb Państwa dostarczył tylko tymczasowo) kosztowało 400 mln dolarów. Tylko za energię elektryczną wydaną przez calutron Ministerstwo Obrony zapłaciło 10 milionów. Znaczna część sprzętu w fabryce Oak Ridge była lepsza pod względem skali i precyzji niż wszystko, co kiedykolwiek opracowano w tej dziedzinie. Ale wszystkie te wydatki nie poszły na marne. Wydając w sumie około 2 miliardów dolarów, amerykańscy naukowcy do 1944 r. stworzyli unikalną technologię wzbogacania uranu i produkcji plutonu. Tymczasem w laboratorium Los Alamos pracowali nad projektem samej bomby. Zasada jego działania była generalnie jasna przez długi czas: substancja rozszczepialna (pluton lub uran-235) powinna w momencie wybuchu przejść do stanu krytycznego (aby zaszła reakcja łańcuchowa, masa ładunek musi być nawet zauważalnie większy niż krytyczny) i napromieniowany wiązką neutronów, co pociąga za sobą rozpoczęcie reakcji łańcuchowej. Według obliczeń masa krytyczna ładunku przekroczyła 50 kilogramów, ale można ją było znacznie zmniejszyć. Ogólnie rzecz biorąc, na wielkość masy krytycznej duży wpływ ma kilka czynników. Im większa powierzchnia ładunku, tym więcej neutronów jest bezużytecznie emitowanych do otaczającej przestrzeni. Kula ma najmniejszą powierzchnię. W konsekwencji ładunki kuliste, przy innych czynnikach równych, mają najmniejszą masę krytyczną. Ponadto wartość masy krytycznej zależy od czystości i rodzaju materiałów rozszczepialnych. Jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu gęstości tego materiału, co pozwala np. poprzez podwojenie gęstości zmniejszyć masę krytyczną czterokrotnie. Wymagany stopień podkryczności można uzyskać, na przykład, zagęszczając materiał rozszczepialny w wyniku eksplozji konwencjonalnego ładunku wybuchowego wykonanego w postaci kulistej powłoki otaczającej ładunek jądrowy. Masę krytyczną można również zmniejszyć, otaczając ładunek ekranem, który dobrze odbija neutrony. Jako takie sito można użyć ołowiu, berylu, wolframu, naturalnego uranu, żelaza i wielu innych.
Jedna z możliwych konstrukcji bomby atomowej składa się z dwóch kawałków uranu, które po połączeniu tworzą masę większą niż masa krytyczna. Aby spowodować eksplozję bomby, musisz jak najszybciej je zebrać. Druga metoda opiera się na wykorzystaniu eksplozji zbieżnej do wewnątrz. W tym przypadku strumień gazów z konwencjonalnego materiału wybuchowego kierowany był na znajdujący się wewnątrz materiał rozszczepialny i sprężał go aż do osiągnięcia masy krytycznej. Połączenie ładunku i jego intensywne napromieniowanie neutronami, jak już wspomniano, powoduje reakcję łańcuchową, w wyniku której w pierwszej sekundzie temperatura wzrasta do 1 miliona stopni. W tym czasie udało się oddzielić tylko około 5% masy krytycznej. Reszta ładunku w bombach wczesnego projektu odparowała bezskutecznie. Pierwsza bomba atomowa w historii (o nazwie Trinity) została zmontowana latem 1945 roku. A 16 czerwca 1945 r. Na poligonie jądrowym na pustyni Alamogordo (Nowy Meksyk) doszło do pierwszej eksplozji atomowej na Ziemi. Bomba została umieszczona w centrum poligonu na szczycie 30-metrowej stalowej wieży. Wokół niego w dużej odległości ustawiono sprzęt rejestrujący. Na 9 km znajdował się punkt obserwacyjny, a na 16 km stanowisko dowodzenia. Wybuch atomowy wywarł ogromne wrażenie na wszystkich świadkach tego wydarzenia.
Zgodnie z opisem naocznych świadków istniało wrażenie, że wiele słońc zlało się w jedno i jednocześnie oświetliło wielokąt. Potem nad równiną pojawiła się ogromna kula ognia, a okrągła chmura kurzu i światła zaczęła powoli i złowrogo unosić się w jej kierunku. Po starcie z ziemi ta kula ognia w kilka sekund wzniosła się na wysokość ponad trzech kilometrów. Z każdą chwilą powiększał się, wkrótce jego średnica osiągnęła 1 km i powoli wznosił się w stratosferę. Kula ognia ustąpiła następnie kolumnie wirującego dymu, który rozciągał się na wysokość 5 km, przybierając postać gigantycznego grzyba. Towarzyszył temu straszliwy ryk, od którego drżała ziemia. Siła wybuchu bomby przekroczyła wszelkie oczekiwania. Gdy tylko pozwoliła na to sytuacja radiacyjna, kilka czołgów Sherman, wyłożonych od wewnątrz ołowianymi płytami, wpadło w obszar wybuchu. Na jednym z nich był Fermi, który bardzo chciał zobaczyć efekty swojej pracy. Przed jego oczami pojawiła się martwa spalona ziemia, na której w promieniu 1 km zostało zniszczone całe życie. Piasek spiekał się w szklistą zielonkawą skorupę pokrywającą ziemię. W ogromnym kraterze leżały okaleczone pozostałości stalowej wieży nośnej. Siłę wybuchu oszacowano na 5 20000 ton TNT. Kolejnym krokiem miało być użycie bomby bojowej przeciwko Japonii, która po kapitulacji faszystowskich Niemiec sama kontynuowała wojnę ze Stanami Zjednoczonymi i ich sojusznikami. Nie było wtedy rakiet nośnych, więc bombardowanie musiało być przeprowadzone z samolotu. Elementy obu bomb zostały przetransportowane z wielką starannością przez USS Indianapolis na wyspę Tinian, gdzie stacjonowała 509. grupa kompozytowa amerykańskich sił powietrznych. Pod względem rodzaju ładunku i konstrukcji bomby te różniły się nieco od siebie. Pierwsza bomba – „Kid” – była wielkogabarytową bombą lotniczą z ładunkiem atomowym wysoko wzbogaconego uranu-235. Jego długość wynosiła około 3 m, średnica - 62 cm, waga - 4 t. Druga bomba - "Fat Man" - z ładunkiem plutonu-1 miała kształt jajowaty z dużym stabilizatorem. Jego długość wynosiła 239 m, średnica 3 m, waga – 2 tony. 6 sierpnia bombowiec B-29 Enola Gay pułkownika Tibbetsa zrzucił „Kid” na duże japońskie miasto Hiroszima. Bomba została zrzucona ze spadochronu i zgodnie z planem eksplodowała na wysokości 600 m od ziemi. Konsekwencje wybuchu były straszne. Nawet na samych pilotach widok zniszczonego przez nich w jednej chwili spokojnego miasta robił przygnębiające wrażenie. Później jeden z nich przyznał, że widział w tym momencie najgorszą rzecz, jaką człowiek może zobaczyć. Dla tych, którzy byli na ziemi, to, co się działo, wyglądało jak prawdziwe piekło. Przede wszystkim przez Hiroszimę przeszła fala upałów. Jego działanie trwało tylko kilka chwil, ale było tak potężne, że stopiło nawet kafelki i kryształki kwarcu w granitowych płytach, zamieniło słupy telefoniczne w węgiel w odległości 4 km i w końcu tak spopielało ludzkie ciała, że pozostały z nich tylko cienie na chodniku asfaltowym lub na ścianach domów. Wtedy monstrualny podmuch wiatru wyrwał się spod kuli ognia i pędził nad miastem z prędkością 800 km/h, zmiatając wszystko na swojej drodze. Domy, które nie mogły wytrzymać jego wściekłego ataku, zawaliły się, jakby zostały wycięte. W gigantycznym kręgu o średnicy 4 km ani jeden budynek nie pozostał nietknięty. Kilka minut po eksplozji nad miastem spadł czarny radioaktywny deszcz - wilgoć ta zamieniła się w parę skondensowaną w wysokich warstwach atmosfery i opadła na ziemię w postaci dużych kropel zmieszanych z radioaktywnym pyłem. Po deszczu na miasto uderzył nowy podmuch wiatru, tym razem wiejący w kierunku epicentrum. Był słabszy niż pierwszy, ale wciąż wystarczająco silny, by wyrywać drzewa. Wiatr rozniecił gigantyczny ogień, w którym płonęło wszystko, co mogło się palić. Z 76 55 budynków XNUMX XNUMX zostało całkowicie zniszczonych i spalonych. Świadkowie tej straszliwej katastrofy wspominali ludzi-pochodnie, z których na ziemię spadały spalone ubrania wraz ze strzępami skóry, oraz tłumy zrozpaczonych, pokrytych straszliwymi poparzeniami ludzi, którzy z krzykiem pędzili ulicami. W powietrzu unosił się duszący smród spalonego ludzkiego mięsa. Ludzie leżeli wszędzie, martwi i umierający. Było wielu ślepych i głuchoniemych, którzy grzebali we wszystkich kierunkach, nie dostrzegając niczego w panującym wokół chaosie. Nieszczęśni, którzy znajdowali się od epicentrum w odległości do 800 m, spłonęli w ułamku sekundy w dosłownym tego słowa znaczeniu - ich wnętrzności wyparowały, a ich ciała zamieniły się w bryły dymiących węgli. Znajdujące się w odległości 1 km od epicentrum zostały dotknięte chorobą popromienną w niezwykle ciężkiej postaci. W ciągu kilku godzin zaczęły mocno wymiotować, temperatura podskoczyła do 39-40 stopni, pojawiła się duszność i krwawienie. Wtedy na skórze pojawiły się nie gojące się wrzody, dramatycznie zmienił się skład krwi, wypadły włosy. Po straszliwych cierpieniach, zwykle drugiego lub trzeciego dnia, nastąpiła śmierć. W sumie z powodu wybuchu i choroby popromiennej zmarło około 240 tysięcy osób. Około 160 tys. otrzymało chorobę popromienną w łagodniejszej postaci – ich bolesna śmierć była opóźniona o kilka miesięcy lub lat. Kiedy wieść o katastrofie rozeszła się po całym kraju, cała Japonia była sparaliżowana strachem. Wzrosła jeszcze bardziej po tym, jak samolot Major Sweeney's Box Car zrzucił drugą bombę na Nagasaki 9 sierpnia. Zginęło tu również kilkaset tysięcy mieszkańców. Nie mogąc oprzeć się nowej broni, japoński rząd skapitulował – bomba atomowa położyła kres II wojnie światowej. Wojna skończona. Trwał tylko sześć lat, ale zdołał zmienić świat i ludzi niemal nie do poznania. Cywilizacja ludzka przed 1939 r. i cywilizacja ludzka po 1945 r. są od siebie uderzająco różne. Przyczyn tego jest wiele, ale jednym z najważniejszych jest pojawienie się broni jądrowej. Bez przesady można powiedzieć, że cień Hiroszimy spoczywa na całej drugiej połowie XX wieku. Stała się ona głębokim oparzeniem moralnym dla wielu milionów ludzi, zarówno tych, którzy byli współcześni tej katastrofie, jak i tych urodzonych kilkadziesiąt lat po niej. Współczesny człowiek nie potrafi już myśleć o świecie tak, jak myślano przed 6 sierpnia 1945 r. - zbyt jasno rozumie, że ten świat w kilka chwil może zamienić się w nicość. Współczesny człowiek nie może patrzeć na wojnę, tak jak oglądali to jego dziadkowie i pradziadkowie - wie na pewno, że ta wojna będzie ostatnia i nie będzie w niej ani zwycięzców, ani przegranych. Broń jądrowa odcisnęła swoje piętno na wszystkich sferach życia publicznego, a współczesna cywilizacja nie może żyć według tych samych praw, co sześćdziesiąt czy osiemdziesiąt lat temu. Nikt nie rozumiał tego lepiej niż sami twórcy bomby atomowej. "Ludzie naszej planety" - pisał Robert Oppenheimer - "powinni się zjednoczyć. Groza i zniszczenie zasiane przez ostatnią wojnę dyktują nam tę ideę. Wybuchy bomb atomowych udowodniły to z całym okrucieństwem. Inni ludzie mówili podobnie. słowa - tylko o innej broni i innych wojnach. Nie udało im się. Ale kto dziś mówi, że te słowa są bezużyteczne, jest zwiedziony przez koleje historii. Nie możemy być o tym przekonani. Wyniki naszej pracy nie pozostawiają ludzkości innego wyboru, jak tylko stworzyć zjednoczony świat. Świat oparty na prawie i humanizmie. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Brąz
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Najbardziej pojemny dysk SSD ▪ Utworzono ultraszybką i superwydajną pamięć ▪ Kłamcę można rozpoznać po jego tekście ▪ Grzyby znalezione do wydobywania złota z gleby
▪ sekcja serwisu Bezpieczeństwo pracy. Wybór artykułów ▪ artykuł Organizacja schronisk dla ludności. Podstawy bezpiecznego życia ▪ Dlaczego woda w oceanie jest słona? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Przedszkolny Strażnik Nocny. Opis pracy ▪ artykuł Sztuczna krtań. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony