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Die gesamte interkontinentale Gemeinschaft ballistische Rakete Dutzende Meter und Tonnen ultrastarker Legierungen, High-Tech-Treibstoff und fortschrittliche Elektronik werden nur für eines benötigt – um einen Sprengkopf an sein Ziel zu bringen: einen Kegel, der anderthalb Meter hoch und an der Basis so dick ist wie ein Sprengkopf menschlicher Torso.

Schauen wir uns einen typischen Sprengkopf an (in Wirklichkeit kann es Designunterschiede zwischen den Sprengköpfen geben). Dies ist ein Kegel aus leichten, langlebigen Legierungen. Im Inneren gibt es Schotte, Spanten, einen Powerframe – fast alles ist wie in einem Flugzeug. Der Power-Rahmen ist mit einem robusten Metallgehäuse abgedeckt. Auf das Gehäuse wird eine dicke Schicht Hitzeschutzlack aufgetragen. Es sieht aus wie ein alter neolithischer Korb, großzügig mit Ton überzogen und in den ersten Experimenten des Menschen mit Hitze und Keramik gebrannt. Die Ähnlichkeit ist leicht zu erklären: Sowohl der Korb als auch der Gefechtskopf müssen der äußeren Hitze standhalten.

Im Inneren des Kegels, an ihren „Sitzen“ befestigt, befinden sich zwei Haupt-„Passagiere“, für die alles ins Leben gerufen wurde: eine thermonukleare Ladung und eine Ladungskontrolleinheit oder Automatisierungseinheit. Sie sind erstaunlich kompakt. Die Automatisierungseinheit hat die Größe eines Fünf-Liter-Glases mit eingelegten Gurken und die Ladung hat die Größe eines gewöhnlichen Garteneimers. Schwer und schwer, die Kombination aus einer Dose und einem Eimer wird dreihundertfünfzig bis vierhundert Kilotonnen explodieren lassen. Zwei Passagiere sind durch eine Verbindung miteinander verbunden, z siamesische Zwillinge, und durch diese Verbindung tauschen sie ständig etwas aus. Ihr Dialog dauert die ganze Zeit an, selbst wenn die Rakete im Kampfeinsatz ist, selbst wenn diese Zwillinge gerade aus der Produktionsanlage transportiert werden.

Es gibt auch einen dritten Passagier – eine Einheit zur Messung der Bewegung des Gefechtskopfes oder allgemein zur Steuerung seines Fluges. Im letzteren Fall sind im Gefechtskopf funktionierende Steuerungen eingebaut, die eine Änderung der Flugbahn ermöglichen. Zum Beispiel Aktuator-Pneumatiksysteme oder Pulversysteme. Und außerdem ein Bordnetz mit Netzteilen, Kommunikationsleitungen mit der Bühne in Form von geschützten Leitungen und Anschlüssen, Schutz vor elektromagnetischen Impulsen und ein Thermostatsystem – Aufrechterhaltung der erforderlichen Ladetemperatur.

Die Technologie, mit der Sprengköpfe von der Rakete getrennt und auf ihre eigenen Kurse gebracht werden, ist ein separates großes Thema, über das Bücher geschrieben werden können.

Lassen Sie uns zunächst erklären, was „nur eine Kampfeinheit“ ist. Hierbei handelt es sich um ein Gerät, das eine thermonukleare Ladung an Bord einer Interkontinentalrakete physisch beherbergt. Die Rakete verfügt über einen sogenannten Sprengkopf, der einen, zwei oder mehrere Sprengköpfe enthalten kann. Sind mehrere davon vorhanden, spricht man von einem Mehrfachsprengkopf (MIRV).

Im Inneren des MIRV befindet sich eine sehr komplexe Einheit (auch Disengagement-Plattform genannt), die nach dem Start durch eine Trägerrakete außerhalb der Atmosphäre beginnt, eine Reihe programmierter Aktionen zur individuellen Führung und Trennung der darauf befindlichen Sprengköpfe auszuführen Es; Im Weltraum werden Kampfformationen aus Blöcken und Täuschkörpern aufgebaut, die sich zunächst ebenfalls auf der Plattform befinden. Somit wird jeder Block auf einer Flugbahn platziert, die sicherstellt, dass er ein bestimmtes Ziel auf der Erdoberfläche trifft.

Kampfeinheiten sind unterschiedlich. Diejenigen, die sich nach der Trennung von der Plattform entlang ballistischer Flugbahnen bewegen, werden als unkontrollierbar bezeichnet. Kontrollierte Sprengköpfe beginnen nach der Trennung, „ihr eigenes Leben zu führen“. Sie sind mit Triebwerken zur Lageregelung für Manöver im Weltraum, aerodynamischen Steuerflächen zur Steuerung des Fluges in der Atmosphäre, einem Trägheitskontrollsystem an Bord, mehreren Computergeräten, einem Radar mit eigenem Computer usw. ausgestattet. eine Kampfladung.

Ein praktisch steuerbarer Sprengkopf vereint die Eigenschaften eines unbemannten Raumfahrzeugs und eines unbemannten Hyperschallflugzeugs. Dieses Gerät muss alle Aktionen sowohl im Weltraum als auch während des Fluges in der Atmosphäre autonom ausführen.

Nach der Trennung von der Brutplattform fliegt der Sprengkopf relativ lange in sehr großer Höhe – im Weltraum. Zu diesem Zeitpunkt führt das Steuerungssystem der Einheit eine ganze Reihe von Neuausrichtungen durch, um die Voraussetzungen dafür zu schaffen präzise Definition eigene Bewegungsparameter, die es einfacher machen, die Zone des Möglichen zu überwinden nukleare Explosionen Raketenabwehr...
Vor dem Eintritt in die obere Atmosphäre berechnet der Bordcomputer die erforderliche Ausrichtung des Gefechtskopfes und führt diese aus. Etwa im gleichen Zeitraum finden Sitzungen zur tatsächlichen Standortbestimmung mittels Radar statt, bei denen auch einige Manöver durchgeführt werden müssen. Dann wird die Ortungsantenne abgefeuert und der atmosphärische Teil der Bewegung für den Gefechtskopf beginnt.

Unten vor dem Sprengkopf liegt ein riesiger, kontrastierend aus der bedrohlichen Höhenlage leuchtender, von blauem Sauerstoffschleier bedeckter, mit Aerosolsuspensionen bedeckter, riesiger und grenzenloser fünfter Ozean. Langsam und kaum merklich dreht sich der Gefechtskopf von den Resteffekten der Trennung um und setzt seinen Sinkflug auf einer sanften Flugbahn fort. Doch dann wehte sanft eine sehr ungewöhnliche Brise auf sie zu. Er berührte es ein wenig – und es wurde sichtbar und bedeckte den Körper mit einer dünnen, zurückweichenden Welle aus blassem weiß-blauem Leuchten. Diese Welle hat eine atemberaubend hohe Temperatur, aber sie verbrennt den Sprengkopf noch nicht, da sie zu ätherisch ist. Die über den Gefechtskopf wehende Brise ist elektrisch leitend. Die Geschwindigkeit des Kegels ist so hoch, dass er bei seinem Aufprall Luftmoleküle regelrecht in elektrisch geladene Fragmente zerkleinert und es zu einer Stoßionisierung der Luft kommt. Diese Plasmabrise wird Hyperschallströmung mit hoher Machzahl genannt und ihre Geschwindigkeit beträgt das Zwanzigfache der Schallgeschwindigkeit.

Aufgrund der hohen Verdünnung ist die Brise in den ersten Sekunden kaum wahrnehmbar. Je tiefer es in die Atmosphäre vordringt, desto größer und dichter wird es. Zunächst erwärmt es sich stärker, als dass es Druck auf den Sprengkopf ausübt. Aber nach und nach beginnt es, ihren Kegel mit Gewalt zu quetschen. Die Strömung dreht zuerst die Spitze des Gefechtskopfes. Es entfaltet sich nicht sofort – der Kegel schwankt leicht hin und her, verlangsamt allmählich seine Schwingungen und stabilisiert sich schließlich.

Beim Absinken kondensiert die Strömung, übt immer mehr Druck auf den Gefechtskopf aus und verlangsamt seinen Flug. Wenn es langsamer wird, sinkt die Temperatur allmählich. Von den enormen Werten des Beginns des Eintritts, dem blau-weißen Leuchten von Zehntausenden Kelvin, bis zum gelb-weißen Leuchten von fünf- bis sechstausend Grad. Dies ist die Temperatur der Oberflächenschichten der Sonne. Das Leuchten wird blendend, weil die Luftdichte schnell zunimmt und damit der Wärmefluss in die Wände des Gefechtskopfs. Die Hitzeschutzschicht verkohlt und beginnt zu brennen.

Es verbrennt nicht durch Reibung mit der Luft, wie oft fälschlicherweise behauptet wird. Aufgrund der enormen Hyperschallgeschwindigkeit (heute fünfzehnmal schneller als Schall) divergiert ein weiterer Kegel in der Luft von der Oberseite des Körpers – eine Stoßwelle, als würde sie einen Sprengkopf einschließen. Die einströmende Luft wird beim Eintritt in den Stoßwellenkegel augenblicklich um ein Vielfaches verdichtet und fest an die Oberfläche des Gefechtskopfes gepresst. Durch plötzliche, augenblickliche und wiederholte Kompression steigt seine Temperatur sofort auf mehrere tausend Grad. Der Grund dafür ist die wahnsinnige Geschwindigkeit des Geschehens, die extreme Dynamik des Prozesses. Die gasdynamische Kompression der Strömung und nicht die Reibung erwärmt nun die Seiten des Gefechtskopfs.

Das Schlimmste ist die Nase. Dort entsteht die größte Verdichtung der Anströmung. Der Bereich dieser Dichtung bewegt sich leicht nach vorne, als ob er sich vom Körper lösen würde. Und es bleibt vorne und nimmt die Form einer dicken Linse oder eines Kissens an. Diese Formation wird als „abgelöste Bugstoßwelle“ bezeichnet. Sie ist um ein Vielfaches dicker als die übrige Oberfläche des Stoßwellenkegels um den Gefechtskopf. Die frontale Kompression der Anströmung ist hier am stärksten. Daher weist die getrennte Bugstoßwelle die höchste Temperatur und höchste Wärmedichte auf. Diese kleine Sonne verbrennt die Nase des Gefechtskopfs auf strahlende Weise, strahlt Hitze direkt in die Nase des Rumpfes und verursacht schwere Verbrennungen an der Nase. Daher gibt es die dickste Wärmeschutzschicht. Es ist die Bugstoßwelle, die in einer dunklen Nacht kilometerweit den Bereich um einen in der Atmosphäre fliegenden Sprengkopf ausleuchtet.

Verbunden durch ein Ziel

Die thermonukleare Ladung und die Steuereinheit kommunizieren kontinuierlich miteinander. Dieser „Dialog“ beginnt unmittelbar nach der Installation eines Sprengkopfes auf einer Rakete und endet im Moment einer nuklearen Explosion. Während dieser ganzen Zeit bereitet das Steuerungssystem die Ladung auf den Einsatz vor, so wie ein Trainer einen Boxer auf einen wichtigen Kampf vorbereitet. Und im richtigen Moment gibt er den letzten und wichtigsten Befehl.

Wenn eine Rakete im Kampfeinsatz eingesetzt wird, wird ihre Ladung vollständig ausgerüstet: ein gepulster Neutronenaktivator, Zünder und andere Ausrüstung werden installiert. Aber er ist noch nicht bereit für die Explosion. Es ist einfach gefährlich, eine Atomrakete jahrzehntelang in einem Silo oder auf einer mobilen Trägerrakete bereitzuhalten, damit sie jederzeit explodieren kann.

Daher versetzt das Steuerungssystem die Ladung während des Fluges in einen Zustand der Explosionsbereitschaft. Dies geschieht schrittweise unter Verwendung komplexer sequentieller Algorithmen, die auf zwei Hauptbedingungen basieren: Zuverlässigkeit der Bewegung in Richtung des Ziels und Kontrolle über den Prozess. Weicht einer dieser Faktoren von den berechneten Werten ab, wird die Zubereitung abgebrochen. Die Elektronik überführt die Ladung in einen immer höheren Bereitschaftsgrad, um am berechneten Punkt den Befehl zum Betrieb zu geben.

Und wenn die vollständig vorbereitete Ladung von der Steuereinheit zur Detonation kommt, kommt es sofort zur Explosion. Ein Sprengkopf, der mit der Geschwindigkeit einer Scharfschützenkugel fliegt, fliegt nur ein paar Hundertstel Millimeter und hat keine Zeit, sich auch nur um die Dicke eines menschlichen Haares im Raum zu bewegen, wenn die thermonukleare Reaktion in seiner Ladung beginnt, sich entwickelt, vollständig vergeht und abgeschlossen ist und die gesamte normale Energie freigesetzt wird.

Nachdem sich der Gefechtskopf sowohl außen als auch innen stark verändert hatte, gelangte er in die Troposphäre – die letzten zehn Kilometer Höhe. Sie wurde sehr langsamer. Der Hyperschallflug ist zu Überschallgeschwindigkeiten von drei bis vier Mach-Einheiten degeneriert. Der Sprengkopf leuchtet bereits schwach, verblasst und nähert sich dem Zielpunkt.

Eine Explosion auf der Erdoberfläche ist selten geplant – nur für im Boden vergrabene Objekte, etwa Raketensilos. Die meisten Ziele liegen an der Oberfläche. Und für ihre größte Zerstörung erfolgt die Detonation je nach Ladungsstärke in einer bestimmten Höhe. Für taktische 20 Kilotonnen beträgt die optimale Explosionshöhe 1200 m. Durch die Explosion breiten sich zwei Wellen über das Gebiet aus. Näher am Epizentrum wird die Druckwelle früher treffen. Es wird fallen, reflektiert werden und zu den Seiten abprallen, wo es mit der neuen Welle verschmilzt, die gerade von oben, vom Ort der Explosion, hier angekommen ist. Zwei Wellen – die vom Zentrum der Explosion einfallen und von der Oberfläche reflektiert werden – addieren sich und bilden die stärkste Stoßwelle in der Bodenschicht, dem Hauptfaktor der Zerstörung.

Bei Teststarts erreicht der Gefechtskopf in der Regel ungehindert den Boden. An Bord befindet sich ein halber Zentner Sprengstoff, der beim Absturz zur Explosion kommt. Wofür? Erstens ist der Sprengkopf ein Geheimgegenstand und muss nach Gebrauch sicher zerstört werden. Zweitens ist dies für die Messsysteme des Testgeländes notwendig – um den Auftreffpunkt rechtzeitig zu erkennen und Abweichungen zu messen.

Ein mehrere Meter großer rauchender Krater rundet das Bild ab. Doch zuvor, einige Kilometer vor dem Einschlag, wird aus dem Testsprengkopf eine gepanzerte Speicherkassette abgefeuert, die alles aufzeichnet, was während des Fluges an Bord aufgezeichnet wurde. Dieses gepanzerte Flash-Laufwerk schützt vor dem Verlust von Bordinformationen. Sie wird später gefunden, als ein Hubschrauber mit einer speziellen Suchgruppe eintrifft. Und sie werden die Ergebnisse eines fantastischen Fluges festhalten.

Der Kernreaktor arbeitet reibungslos und effizient. Ansonsten wird es, wie Sie wissen, Ärger geben. Aber was ist drinnen los? Versuchen wir, das Funktionsprinzip eines Kernreaktors kurz, klar und mit Stopps zu formulieren.

Im Wesentlichen läuft dort derselbe Prozess ab wie bei einer nuklearen Explosion. Nur die Explosion geschieht sehr schnell, und im Reaktor dehnt sich alles aus lange Zeit. Dadurch bleibt alles sicher und wir erhalten Energie. Nicht so sehr, dass alles in der Umgebung auf einmal zerstört würde, aber durchaus genug, um die Stadt mit Strom zu versorgen.

Bevor Sie verstehen, wie eine kontrollierte Kernreaktion abläuft, müssen Sie wissen, was es ist Kernreaktion überhaupt.

Kernreaktion ist der Prozess der Umwandlung (Spaltung) von Atomkernen, wenn diese mit Elementarteilchen und Gammastrahlen interagieren.

Kernreaktionen können sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten. Der Reaktor nutzt die zweiten Reaktionen.

Kernreaktor ist ein Gerät, dessen Zweck darin besteht, eine kontrollierte Kernreaktion unter Freisetzung von Energie aufrechtzuerhalten.

Oftmals wird ein Kernreaktor auch als Atomreaktor bezeichnet. Beachten wir, dass es hier keinen grundsätzlichen Unterschied gibt, aber aus wissenschaftlicher Sicht ist es korrekter, das Wort „nuklear“ zu verwenden. Mittlerweile gibt es viele Arten von Kernreaktoren. Hierbei handelt es sich um riesige Industriereaktoren zur Energieerzeugung in Kraftwerken und Kernreaktoren U-Boote, kleine Versuchsreaktoren für wissenschaftliche Experimente. Es gibt sogar Reaktoren zur Meerwasserentsalzung.

Die Geschichte der Entstehung eines Kernreaktors

Der erste Kernreaktor wurde im nicht allzu fernen Jahr 1942 in Betrieb genommen. Dies geschah in den USA unter der Führung von Fermi. Dieser Reaktor wurde „Chicago Woodpile“ genannt.

1946 nahm der erste sowjetische Reaktor, der unter der Führung Kurtschatows in Betrieb genommen wurde, seinen Betrieb auf. Der Körper dieses Reaktors war eine Kugel mit einem Durchmesser von sieben Metern. Die ersten Reaktoren hatten kein Kühlsystem und ihre Leistung war minimal. Der sowjetische Reaktor hatte übrigens eine durchschnittliche Leistung von 20 Watt und der amerikanische nur 1 Watt. Zum Vergleich: Die durchschnittliche Leistung moderner Leistungsreaktoren beträgt 5 Gigawatt. Weniger als zehn Jahre nach der Inbetriebnahme des ersten Reaktors wurde in der Stadt Obninsk das weltweit erste industrielle Kernkraftwerk eröffnet.

Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors

Jeder Kernreaktor besteht aus mehreren Teilen: Kern Mit Kraftstoff Und Moderator , Neutronenreflektor , Kühlmittel , Kontroll- und Schutzsystem . Isotope werden am häufigsten als Brennstoff in Reaktoren verwendet. Uran (235, 238, 233), Plutonium (239) und Thorium (232). Der Kern ist ein Kessel, durch den normales Wasser (Kühlmittel) fließt. Unter anderen Kühlmitteln werden „schweres Wasser“ und flüssiger Graphit seltener verwendet. Wenn wir über den Betrieb von Kernkraftwerken sprechen, dann wird ein Kernreaktor zur Wärmeerzeugung genutzt. Die Stromerzeugung selbst erfolgt auf die gleiche Weise wie in anderen Kraftwerkstypen: Dampf dreht eine Turbine und die Bewegungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Nachfolgend finden Sie ein Diagramm des Betriebs eines Kernreaktors.

Wie wir bereits gesagt haben, entstehen beim Zerfall eines schweren Urankerns leichtere Elemente und mehrere Neutronen. Die dabei entstehenden Neutronen kollidieren mit anderen Kernen, wodurch diese ebenfalls gespalten werden. Gleichzeitig wächst die Zahl der Neutronen lawinenartig.

Es sollte hier erwähnt werden Neutronenmultiplikationsfaktor . Wenn dieser Koeffizient also einen Wert gleich eins überschreitet, kommt es zu einer nuklearen Explosion. Ist der Wert kleiner als eins, sind zu wenig Neutronen vorhanden und die Reaktion stirbt ab. Wenn Sie jedoch den Wert des Koeffizienten gleich eins halten, wird die Reaktion lange und stabil ablaufen.

Die Frage ist, wie macht man das? Im Reaktor befindet sich der Brennstoff im sogenannten Brennelemente (TVELach). Dabei handelt es sich um Stäbchen, die in Form kleiner Tabletten enthalten: Kernbrennstoff . Brennstäbe sind in sechseckigen Kassetten verbunden, von denen es in einem Reaktor Hunderte geben kann. Kassetten mit Brennstäben sind vertikal angeordnet und jeder Brennstab verfügt über ein System, mit dem Sie die Eintauchtiefe in den Kern einstellen können. Dazu gehören neben den Kassetten selbst auch Kontrollstäbe Und Notfallschutzstangen . Die Stäbe bestehen aus einem Material, das Neutronen gut absorbiert. Dadurch können Steuerstäbe unterschiedlich tief in den Kern abgesenkt und so der Neutronenvervielfachungsfaktor angepasst werden. Notstangen dienen dazu, den Reaktor im Notfall abzuschalten.

Wie wird ein Kernreaktor gestartet?

Wir haben das Funktionsprinzip selbst herausgefunden, aber wie startet man den Reaktor und bringt ihn zum Laufen? Grob gesagt ist es hier - ein Stück Uran, aber die Kettenreaktion beginnt darin nicht von alleine. Tatsache ist, dass es in der Kernphysik ein Konzept gibt kritische Masse .

Die kritische Masse ist die Masse an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine nukleare Kettenreaktion auszulösen.

Mit Hilfe von Brennstäben und Steuerstäben wird im Reaktor zunächst eine kritische Masse an Kernbrennstoff erzeugt und anschließend der Reaktor in mehreren Stufen auf das optimale Leistungsniveau gebracht.

In diesem Artikel haben wir versucht, Ihnen einen allgemeinen Überblick über den Aufbau und das Funktionsprinzip eines Kernreaktors zu geben. Wenn Sie Fragen zum Thema haben oder ein Problem in der Kernphysik an der Universität gestellt wurde, wenden Sie sich bitte an an die Spezialisten unseres Unternehmens. Wie gewohnt sind wir bereit, Ihnen bei der Lösung dringender Fragen rund um Ihr Studium behilflich zu sein. Und wenn wir schon dabei sind, hier ist ein weiteres Lehrvideo für Ihre Aufmerksamkeit!

Explosiver Charakter

Der Urankern enthält 92 Protonen. Natürliches Uran ist hauptsächlich eine Mischung aus zwei Isotopen: U238 (das 146 Neutronen in seinem Kern hat) und U235 (143 Neutronen), wobei nur 0,7 % des letzteren in natürlichem Uran vorkommen. Chemische Eigenschaften Isotope sind absolut identisch und daher ist es unmöglich, sie mit chemischen Methoden zu trennen, aber der Massenunterschied (235 und 238 Einheiten) ermöglicht dies mit physikalischen Methoden: Eine Mischung aus Uran wird in Gas (Uranhexafluorid) umgewandelt. und dann durch unzählige poröse Trennwände gepumpt. Obwohl die Isotope des Urans weder optisch noch chemisch zu unterscheiden sind, gibt es zwischen ihnen eine Kluft in den Eigenschaften ihrer Kerncharakteristika.

Der Spaltungsprozess von U238 ist ein kostenpflichtiger Prozess: Ein von außen eintreffendes Neutron muss Energie mitbringen – 1 MeV oder mehr. Und U235 ist selbstlos: Für die Anregung und den anschließenden Zerfall wird vom einfallenden Neutron nichts benötigt, seine Bindungsenergie im Kern reicht vollkommen aus.

Wenn ein Neutron auf einen spaltbaren Kern trifft, entsteht eine instabile Verbindung, aber sehr schnell (nach 10−23−10−22 s) zerfällt ein solcher Kern in zwei Fragmente unterschiedlicher Masse und „sofort“ (innerhalb von 10). −16−10− 14 c) die Emission von zwei oder drei neuen Neutronen, so dass sich mit der Zeit die Zahl der spaltbaren Kerne vervielfachen kann (diese Reaktion wird Kettenreaktion genannt). Dies ist nur in U235 möglich, denn der gierige U238 will nicht an seinen eigenen Neutronen teilhaben, deren Energie um eine Größenordnung unter 1 MeV liegt. Die kinetische Energie der Spaltproduktteilchen ist um viele Größenordnungen größer als die Energie, die bei jeder chemischen Reaktion freigesetzt wird, bei der sich die Zusammensetzung der Kerne nicht ändert.

Kritische Versammlung

Spaltprodukte sind instabil und brauchen lange, um sich zu „erholen“, wobei sie verschiedene Strahlungen (einschließlich Neutronen) aussenden. Neutronen, die eine beträchtliche Zeit (bis zu mehreren zehn Sekunden) nach der Spaltung emittiert werden, werden als verzögert bezeichnet, und obwohl ihr Anteil im Vergleich zu sofortigen Neutronen gering ist (weniger als 1 %), spielen sie beim Betrieb von Kernanlagen die größte Rolle wichtig.

Spaltprodukte geben bei zahlreichen Kollisionen mit umgebenden Atomen ihre Energie an diese ab und erhöhen so die Temperatur. Nach dem Auftreten von Neutronen in einer Anordnung mit spaltbarem Material kann die Wärmefreisetzungsleistung zunehmen oder abnehmen, und die Parameter einer Anordnung, in der die Anzahl der Spaltungen pro Zeiteinheit konstant ist, werden als kritisch bezeichnet. Die Kritikalität der Anordnung kann sowohl mit einer großen als auch mit einer kleinen Anzahl von Neutronen (bei entsprechend höherer oder niedrigerer Wärmefreisetzungsleistung) aufrechterhalten werden. Die Wärmeleistung wird erhöht, indem entweder zusätzliche Neutronen von außen in die kritische Anordnung gepumpt werden oder indem die Anordnung überkritisch gemacht wird (dann werden zusätzliche Neutronen von immer zahlreicheren Generationen spaltbarer Kerne geliefert). Wenn es beispielsweise notwendig ist, die thermische Leistung eines Reaktors zu erhöhen, wird er auf einen Zustand gebracht, in dem jede Generation schneller Neutronen etwas weniger zahlreich ist als die vorherige, der Reaktor jedoch dank verzögerter Neutronen kaum merklich in a übergeht kritischer Zustand. Dann beschleunigt es nicht, sondern gewinnt langsam an Leistung – so dass sein Anstieg im richtigen Moment durch das Einbringen von Neutronenabsorbern (Stäbe, die Cadmium oder Bor enthalten) gestoppt werden kann.

Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen fliegen oft an umgebenden Kernen vorbei, ohne dass es zu einer weiteren Spaltung kommt. Je näher an der Oberfläche eines Materials ein Neutron erzeugt wird, desto größer ist die Chance, dass es aus dem spaltbaren Material entweicht und nie wieder zurückkehrt. Daher ist die Montageform sparsamer größte Zahl Neutronen sind eine Kugel: Bei gegebener Materiemasse hat sie eine minimale Oberfläche. Kritisch wird eine unumhüllte (solitäre) Kugel aus 94 % U235 ohne Hohlräume im Inneren mit einer Masse von 49 kg und einem Radius von 85 mm. Wenn eine Anordnung aus demselben Uran ein Zylinder ist, dessen Länge gleich dem Durchmesser ist, wird er bei einer Masse von 52 kg kritisch. Mit zunehmender Dichte nimmt auch die Oberfläche ab. Deshalb kann eine explosive Kompression, ohne die Menge des spaltbaren Materials zu verändern, die Anordnung in einen kritischen Zustand bringen. Es ist dieser Prozess, der dem gemeinsamen Design einer Kernladung zugrunde liegt.

Kugelmontage

Meistens wird jedoch nicht Uran in Atomwaffen verwendet, sondern Plutonium-239. Es wird in Reaktoren durch Bestrahlung von Uran-238 mit starken Neutronenflüssen hergestellt. Plutonium kostet etwa sechsmal so viel wie U235, aber bei der Spaltung emittiert der Pu239-Kern durchschnittlich 2,895 Neutronen – mehr als U235 (2,452). Darüber hinaus ist die Wahrscheinlichkeit einer Plutoniumspaltung höher. All dies führt dazu, dass eine einzelne Pu239-Kugel mit fast dreimal weniger Masse als eine Urankugel und vor allem mit einem kleineren Radius kritisch wird, was eine Reduzierung der Abmessungen der kritischen Anordnung ermöglicht.

Die Baugruppe besteht aus zwei sorgfältig zusammengefügten Hälften in Form einer Kugelschicht (innen hohl); es ist offensichtlich unterkritisch – selbst für thermische Neutronen und selbst nachdem es von einem Moderator umgeben ist. Eine Ladung wird um eine Anordnung aus sehr präzise passenden Sprengblöcken montiert. Um Neutronen einzusparen, ist es notwendig, die edle Form der Kugel während der Explosion beizubehalten – dazu muss die Sprengstoffschicht entlang ihrer gesamten Außenfläche gleichzeitig zur Detonation gebracht werden, wodurch die Anordnung gleichmäßig komprimiert wird. Es wird allgemein angenommen, dass hierfür viele elektrische Zünder erforderlich sind. Dies war jedoch nur in den Anfängen des „Bombenbaus“ der Fall: Um viele Dutzend Zünder auszulösen, waren viel Energie und eine beträchtliche Größe des Zündsystems erforderlich. Moderne Ladungen verwenden mehrere durch eine spezielle Technik ausgewählte Zünder mit ähnlichen Eigenschaften, aus denen hochstabile (in Bezug auf die Detonationsgeschwindigkeit) Sprengstoffe in Rillen ausgelöst werden, die in eine Polycarbonatschicht gefräst sind (deren Form auf einer Kugeloberfläche mithilfe der Riemann-Geometrie berechnet wird). Methoden). Die Detonation mit einer Geschwindigkeit von etwa 8 km/s verläuft in absolut gleichen Abständen entlang der Rillen, erreicht im gleichen Moment die Löcher und zündet die Hauptladung – gleichzeitig an allen erforderlichen Punkten.

Explosion im Inneren

Die nach innen gerichtete Explosion komprimiert die Baugruppe mit einem Druck von mehr als einer Million Atmosphären. Die Oberfläche der Anordnung nimmt ab, der innere Hohlraum im Plutonium verschwindet fast, die Dichte nimmt zu, und zwar sehr schnell – innerhalb von zehn Mikrosekunden – durchläuft die komprimierbare Anordnung bei thermischen Neutronen den kritischen Zustand und wird bei schnellen Neutronen deutlich überkritisch.

Nach einer Zeitspanne, die durch die unbedeutende Zeit der unbedeutenden Verlangsamung schneller Neutronen bestimmt wird, fügt jede ihrer neuen, zahlreicheren Generationen durch die Spaltung, die sie erzeugen, der Substanz der Anordnung, die bereits vor Ungeheuerlichkeiten platzt, eine Energie von 202 MeV hinzu Druck. Im Maßstab der auftretenden Phänomene ist die Festigkeit selbst der besten legierten Stähle so gering, dass es niemandem in den Sinn kommt, sie bei der Berechnung der Dynamik einer Explosion zu berücksichtigen. Das Einzige, was das Auseinanderfliegen der Anordnung verhindert, ist die Trägheit: Um eine Plutoniumkugel in zehn Nanosekunden um nur 1 cm auszudehnen, muss der Substanz eine Beschleunigung verliehen werden, die mehrere zehn Billionen Mal größer ist als die Beschleunigung des freien Falls, und das ist nicht einfach.

Am Ende zerstreut sich die Materie immer noch, die Spaltung stoppt, aber der Prozess ist damit noch nicht beendet: Die Energie wird zwischen den ionisierten Fragmenten der getrennten Kerne und anderen bei der Spaltung emittierten Teilchen neu verteilt. Ihre Energie liegt in der Größenordnung von Dutzenden und sogar Hunderten von MeV, aber nur elektrisch neutrale hochenergetische Gammaquanten und Neutronen haben eine Chance, der Wechselwirkung mit Materie zu entgehen und zu „entkommen“. Geladene Teilchen verlieren durch Kollisionen und Ionisierung schnell Energie. In diesem Fall wird Strahlung emittiert – allerdings handelt es sich nicht mehr um harte, sondern um weichere Kernstrahlung, mit einer um drei Größenordnungen geringeren Energie, die aber immer noch mehr als ausreicht, um Elektronen aus Atomen herauszuschlagen – nicht nur aus den äußeren Schalen, sondern auch von allem im Allgemeinen. Es entsteht eine Mischung aus nackten Kernen, abgestreiften Elektronen und Strahlung mit einer Dichte von Gramm pro Kubikzentimeter (stellen Sie sich vor, wie gut Sie unter Licht bräunen können, das die Dichte von Aluminium angenommen hat!) – alles, was vorhin noch eine Ladung war ein gewisser Anschein von Gleichgewicht. In einem sehr jungen Feuerball erreicht die Temperatur mehrere zehn Millionen Grad.

Feuerball

Es scheint, dass selbst weiche Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, die Materie, die sie erzeugt hat, weit hinter sich lassen sollte, aber das ist nicht so: In kalter Luft beträgt die Reichweite der Quanten der Kev-Energie Zentimeter und sie bewegen sich nicht in a gerade Linie, ändert jedoch die Bewegungsrichtung und emittiert bei jeder Interaktion erneut. Quanten ionisieren die Luft und breiten sich darin aus, wie Kirschsaft, der in ein Glas Wasser gegossen wird. Dieses Phänomen wird Strahlungsdiffusion genannt.

Ein junger Feuerball einer 100-kt-Explosion wenige zehn Nanosekunden nach dem Ende des Spaltungsausbruchs hat einen Radius von 3 m und eine Temperatur von fast 8 Millionen Kelvin. Doch nach 30 Mikrosekunden beträgt sein Radius 18 m, obwohl die Temperatur unter eine Million Grad sinkt. Der Ball verschlingt Raum und die ionisierte Luft hinter seiner Vorderseite bewegt sich kaum: Strahlung kann bei der Diffusion keinen nennenswerten Impuls auf ihn übertragen. Aber es pumpt enorme Energie in diese Luft und erhitzt sie, und wenn die Strahlungsenergie aufgebraucht ist, beginnt die Kugel aufgrund der Ausdehnung des heißen Plasmas zu wachsen und platzt von innen mit etwas, das früher eine Ladung war. Die Plasmahülle dehnt sich wie eine aufgeblasene Blase aus und wird dünner. Im Gegensatz zu einer Blase bläst sie natürlich nichts auf: Es gibt fast keine Substanz mehr im Inneren, alles fliegt aus der Mitte durch Trägheit, aber 30 Mikrosekunden nach der Explosion beträgt die Geschwindigkeit dieses Fluges mehr als 100 km/s. und der hydrodynamische Druck in der Substanz – mehr als 150.000 atm! Die Schale wird nicht zu dünn, sie platzt und bildet „Blasen“.

Welcher der Mechanismen zur Übertragung der Energie eines Feuerballs? Umfeld vorherrscht, hängt von der Stärke der Explosion ab: Ist sie groß, spielt die Strahlungsdiffusion die Hauptrolle, ist sie klein, spielt die Ausdehnung der Plasmablase eine große Rolle. Es ist klar, dass ein Zwischenfall möglich ist, wenn beide Mechanismen wirksam sind.

Der Prozess erfasst neue Luftschichten und die Energie reicht nicht mehr aus, um den Atomen alle Elektronen zu entziehen. Die Energie der ionisierten Schicht und der Bruchstücke der Plasmablase geht zur Neige, sie sind nicht mehr in der Lage, die riesige Masse vor sich zu bewegen und werden merklich langsamer. Aber was vor der Explosion Luft war, bewegt sich, löst sich von der Kugel und absorbiert immer mehr Schichten kalter Luft ... Die Bildung einer Stoßwelle beginnt.

Stoßwelle und Atompilz

Wenn sich die Stoßwelle vom Feuerball trennt, ändern sich die Eigenschaften der emittierenden Schicht und die Strahlungsleistung im optischen Teil des Spektrums nimmt stark zu (das sogenannte erste Maximum). Als nächstes konkurrieren die Prozesse der Beleuchtung und Änderungen in der Transparenz der umgebenden Luft, was zur Realisierung eines zweiten Maximums führt, das weniger leistungsstark, aber viel länger ist – so sehr, dass die Lichtenergieabgabe größer ist als im ersten Maximum .

In der Nähe der Explosion verdampft alles um sie herum, weiter weg schmilzt es, aber noch weiter weg, wo der Wärmefluss nicht mehr ausreicht, um Feststoffe zu schmelzen, Erde, Steine, Häuser fließen wie Flüssigkeit, unter einem monströsen Gasdruck, der alle starken Bindungen zerstört , bis zu einem für die Augen unerträglichen Glanz erhitzt.

Schließlich breitet sich die Stoßwelle weit vom Explosionspunkt aus, wo eine lockere und geschwächte, aber um ein Vielfaches ausgedehnte Dampfwolke aus dem einstigen Plasma der Ladung und dem, was sich in ihrem Inneren befand, entsteht schreckliche Stunde Es stellte sich heraus, dass es in der Nähe eines Ortes lag, von dem man sich möglichst weit entfernt aufhalten sollte. Die Wolke beginnt aufzusteigen. Es kühlt ab, verändert seine Farbe, „setzt“ eine weiße Kappe aus kondensierter Feuchtigkeit auf, gefolgt von Staub von der Erdoberfläche, und bildet das „Bein“ dessen, was gemeinhin als „Atompilz“ bezeichnet wird.

Neutroneninitiierung

Aufmerksame Leser können mit einem Bleistift in der Hand die Energiefreisetzung bei einer Explosion abschätzen. Wenn die Zeit, die sich die Anordnung im überkritischen Zustand befindet, in der Größenordnung von Mikrosekunden liegt, das Alter der Neutronen in der Größenordnung von Pikosekunden liegt und der Multiplikationsfaktor weniger als 2 beträgt, wird etwa ein Gigajoule Energie freigesetzt, was äquivalent ist ... 250 kg TNT. Wo sind die Kilo- und Megatonnen?

Tatsache ist, dass die Spaltungskette in der Anordnung nicht mit einem Neutron beginnt: In der erforderlichen Mikrosekunde werden sie millionenfach in die überkritische Anordnung injiziert. Bei den ersten Kernladungen wurden hierfür Isotopenquellen genutzt, die sich in einem Hohlraum innerhalb der Plutoniumanordnung befanden: Polonium-210 verband sich im Moment der Kompression mit Beryllium und verursachte mit seinen Alphateilchen eine Neutronenemission. Aber alle Isotopenquellen sind eher schwach (im ersten amerikanischen Produkt wurden weniger als eine Million Neutronen pro Mikrosekunde erzeugt), und Polonium ist sehr verderblich – in nur 138 Tagen reduziert es seine Aktivität um die Hälfte. Daher wurden Isotope durch weniger gefährliche Isotope (die nicht emittieren, wenn sie nicht eingeschaltet sind) und vor allem durch Neutronenröhren ersetzt, die intensiver emittieren (siehe Seitenleiste): in wenigen Mikrosekunden (der von der Röhre erzeugte Impuls hält so lange an). ) werden Hunderte Millionen Neutronen geboren. Aber wenn es nicht oder zur falschen Zeit funktioniert, kommt es zu einem sogenannten Knall oder „Zilch“ – einer thermischen Explosion geringer Leistung.

Die Neutroneninitiierung erhöht nicht nur die Energiefreisetzung einer Kernexplosion um viele Größenordnungen, sondern ermöglicht auch deren Regulierung! Es ist klar, dass niemand nach Erhalt eines Kampfauftrags, bei dem die Stärke eines Atomschlags angegeben werden muss, die Ladung zerlegt, um sie mit einer für eine bestimmte Leistung optimalen Plutoniumanordnung auszustatten. Bei Munition mit umschaltbarem TNT-Äquivalent reicht es aus, einfach die Versorgungsspannung der Neutronenröhre zu ändern. Dementsprechend ändern sich die Neutronenausbeute und die Energiefreisetzung (natürlich wird bei einer solchen Leistungsreduzierung viel teures Plutonium verschwendet).

Über die Notwendigkeit, die Energiefreisetzung zu regulieren, begann man jedoch erst viel später nachzudenken, und in den ersten Nachkriegsjahren konnte von einer Leistungsreduzierung keine Rede sein. Stärker, stärker und stärker! Es stellte sich jedoch heraus, dass es kernphysikalische und hydrodynamische Einschränkungen hinsichtlich der zulässigen Abmessungen der unterkritischen Kugel gibt. Das TNT-Äquivalent einer 100-Kilotonnen-Explosion liegt nahe an der physikalischen Grenze für einphasige Munition, bei der nur Spaltung stattfindet. Infolgedessen wurde die Kernspaltung als Hauptenergiequelle aufgegeben und der Schwerpunkt lag auf Reaktionen einer anderen Klasse – der Fusion.

Nukleare Wahnvorstellungen

Die Dichte von Plutonium nimmt im Moment der Explosion aufgrund eines Phasenübergangs zu

Metallisches Plutonium liegt in sechs Phasen vor, deren Dichte zwischen 14,7 und 19,8 g/cm3 liegt. Bei Temperaturen unter 119 °C gibt es eine monokline Alpha-Phase (19,8 g/cm3), aber solches Plutonium ist sehr zerbrechlich und in der kubisch-flächenzentrierten Delta-Phase (15,9) ist es plastisch und gut verarbeitet (diese Phase ist es). sie versuchen durch Legierungszusätze zu konservieren). Bei der Detonationsverdichtung können keine Phasenübergänge auftreten – Plutonium befindet sich in einem quasi-flüssigen Zustand. Phasenübergänge sind bei der Produktion gefährlich: Bei großen Teilen kann bereits bei geringer Dichteänderung ein kritischer Zustand erreicht werden. Natürlich wird es keine Explosion geben – das Werkstück erhitzt sich einfach, aber es kann zu einer Freisetzung von Nickel kommen (und Plutonium ist sehr giftig).

Neutronenquelle

In einer Vakuumneutronenröhre wird eine Impulsspannung von 100 kV zwischen einem mit Tritium gesättigten Target (Kathode) (1) und einer Anodenbaugruppe (2) angelegt. Wenn die Spannung maximal ist, müssen sich zwischen Anode und Kathode Deuteriumionen befinden, die beschleunigt werden müssen. Hierzu wird eine Ionenquelle verwendet. An seine Anode (3) wird ein Zündimpuls angelegt, und die Entladung, die entlang der Oberfläche der mit Deuterium gesättigten Keramik (4) verläuft, bildet Deuteriumionen. Nach der Beschleunigung bombardieren sie ein mit Tritium gesättigtes Ziel, wodurch eine Energie von 17,6 MeV freigesetzt wird und Neutronen und Helium-4-Kerne entstehen.

Hinsichtlich der Zusammensetzung der Teilchen und sogar der Energieabgabe ist diese Reaktion identisch mit der Fusion – dem Prozess der Verschmelzung leichter Kerne. In den 1950er Jahren glaubten viele, es handele sich um eine Fusion, doch später stellte sich heraus, dass es in der Röhre zu einer „Störung“ kam: Entweder ein Proton oder ein Neutron (aus dem das Deuterium-Ion besteht, das durch ein elektrisches Feld beschleunigt wird) „steckt fest“. im Zielkern (Tritium) . Bleibt ein Proton hängen, löst sich das Neutron und wird frei.

Neutronen – langsam und schnell

In einer nicht spaltbaren Substanz, die von Kernen „abprallt“, übertragen Neutronen einen Teil ihrer Energie auf sie, und zwar umso größer, je leichter (massemäßig näher) die Kerne sind. Als in mehr Bei Kollisionen sind Neutronen beteiligt, desto mehr werden sie abgebremst, und dann gelangen sie schließlich in ein thermisches Gleichgewicht mit der umgebenden Materie – sie werden thermisch (dies dauert Millisekunden). Die Geschwindigkeit der thermischen Neutronen beträgt 2200 m/s (Energie 0,025 eV). Neutronen können dem Moderator entkommen und von seinen Kernen eingefangen werden, aber mit der Mäßigung erhöht sich ihre Fähigkeit, an Kernreaktionen teilzunehmen, erheblich, sodass die Neutronen, die „nicht verloren gehen“, den Rückgang der Anzahl mehr als ausgleichen.

Wenn also eine Kugel aus spaltbarem Material von einem Moderator umgeben ist, verlassen viele Neutronen den Moderator oder werden darin absorbiert, aber es gibt auch einige, die zur Kugel zurückkehren („reflektieren“) und nach dem Verlust ihrer Energie sind viel wahrscheinlicher, dass es zu Spaltungsereignissen kommt. Wenn die Kugel von einer 25 mm dicken Berylliumschicht umgeben ist, können 20 kg U235 eingespart werden und trotzdem der kritische Zustand der Baugruppe erreicht werden. Solche Einsparungen gehen jedoch auf Kosten der Zeit: Jede nachfolgende Neutronengeneration muss zunächst langsamer werden, bevor sie zur Spaltung führt. Diese Verzögerung verringert die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Neutronengenerationen, was bedeutet, dass die Energiefreisetzung verzögert wird. Je weniger spaltbares Material in der Anordnung vorhanden ist, desto mehr Moderator wird benötigt, um eine Kettenreaktion auszulösen, und die Spaltung erfolgt mit immer energieärmeren Neutronen. Im Grenzfall, wenn Kritikalität nur mit thermischen Neutronen erreicht wird, beispielsweise in einer Lösung von Uransalzen in einem guten Moderator – Wasser, beträgt die Masse der Anordnungen Hunderte von Gramm, aber die Lösung kocht einfach periodisch. Die freigesetzten Dampfblasen verringern die durchschnittliche Dichte der spaltbaren Substanz, die Kettenreaktion stoppt und wenn die Blasen die Flüssigkeit verlassen, wiederholt sich der Spaltungsausbruch (wenn Sie das Gefäß verstopfen, wird es durch den Dampf zerplatzen – aber das wird eine Thermik sein). Explosion, ohne alle typischen „nuklearen“ Zeichen).

Video: Atomexplosionen

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Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs versuchten die Länder der Anti-Hitler-Koalition rasch, sich gegenseitig bei der Entwicklung einer stärkeren Atombombe zu übertreffen.

Der erste Test, den die Amerikaner an realen Objekten in Japan durchführten, heizte die Situation zwischen der UdSSR und den USA aufs Äußerste an. Mächtige Explosionen, die durch japanische Städte donnerten und praktisch alles Leben darin zerstörten, zwangen Stalin, viele Ansprüche auf der Weltbühne aufzugeben. Die meisten sowjetischen Physiker wurden dringend in die Entwicklung von Atomwaffen „hineingeworfen“.

Wann und wie entstanden Atomwaffen?

Geburtsjahr Atombombe kann als 1896 angesehen werden. Damals entdeckte der französische Chemiker A. Becquerel, dass Uran radioaktiv ist. Durch die Kettenreaktion von Uran entsteht starke Energie, die als Grundlage für eine schreckliche Explosion dient. Es ist unwahrscheinlich, dass Becquerel sich vorgestellt hat, dass seine Entdeckung zur Entwicklung von Atomwaffen führen würde – der schrecklichsten Waffe der Welt.

Das Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts war ein Wendepunkt in der Geschichte der Erfindung von Atomwaffen. Es war in dieser Zeit, dass Wissenschaftler verschiedene Länder Welt konnten folgende Gesetze, Strahlen und Elemente entdecken:

• Alpha-, Gamma- und Betastrahlen;
• Viele Isotope chemischer Elemente mit radioaktiven Eigenschaften wurden entdeckt;
• Es wurde das Gesetz des radioaktiven Zerfalls entdeckt, das die zeitliche und quantitative Abhängigkeit der Intensität des radioaktiven Zerfalls in Abhängigkeit von der Anzahl der radioaktiven Atome in der Testprobe bestimmt;
• Die Kernisometrie war geboren.

In den 1930er Jahren gelang ihnen erstmals die Spaltung des Atomkerns von Uran durch die Absorption von Neutronen. Gleichzeitig wurden Positronen und Neuronen entdeckt. All dies gab der Entwicklung von Waffen, die Atomenergie nutzten, einen starken Impuls. 1939 wurde das weltweit erste Atombombendesign patentiert. Dies wurde von einem Physiker aus Frankreich, Frederic Joliot-Curie, durchgeführt.

Als Ergebnis weiterer Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet wurde die Atombombe geboren. Die Kraft und Reichweite moderner Atombomben ist so groß, dass ein Land mit nuklearem Potenzial praktisch keine starke Armee benötigt, da eine Atombombe einen ganzen Staat zerstören kann.

Wie funktioniert eine Atombombe?

Eine Atombombe besteht aus vielen Elementen, die wichtigsten sind:

• Atombombenkörper;
• Automatisierungssystem, das den Explosionsprozess steuert;
• Nukleare Ladung oder Sprengkopf.

Das Automatisierungssystem befindet sich zusammen mit der Atombombe im Körper der Atombombe. Das Design des Gehäuses muss zuverlässig genug sein, um den Gefechtskopf vor verschiedenen äußeren Faktoren und Einflüssen zu schützen. Zum Beispiel verschiedene mechanische, temperaturbedingte oder ähnliche Einflüsse, die zu einer ungeplanten Explosion enormer Kraft führen können, die alles um sich herum zerstören kann.

Die Aufgabe der Automatisierung besteht darin, die volle Kontrolle darüber zu haben, dass die Explosion zum richtigen Zeitpunkt erfolgt. Daher besteht das System aus folgenden Elementen:

• Ein Gerät, das für die Notfalldetonation verantwortlich ist;
• Stromversorgung des Automatisierungssystems;
• Detonationssensorsystem;
• Spannvorrichtung;
• Sicherheitsgerät.

Bei den ersten Tests wurden Atombomben mit Flugzeugen abgeschossen, denen es gelang, das betroffene Gebiet zu verlassen. Moderne Atombomben sind so mächtig, dass sie nur mit Marschflugkörpern, ballistischen Raketen oder zumindest Flugabwehrraketen eingesetzt werden können.

Atombomben nutzen verschiedene Sprengsysteme. Das einfachste davon ist ein herkömmliches Gerät, das ausgelöst wird, wenn ein Projektil ein Ziel trifft.

Eines der Hauptmerkmale von Atombomben und Raketen ist ihre Unterteilung in drei Kalibertypen:

• Klein, die Kraft von Atombomben dieses Kalibers entspricht mehreren tausend Tonnen TNT;
• Mittel (Explosionskraft – mehrere Zehntausend Tonnen TNT);
• Groß, dessen Ladungsleistung in Millionen Tonnen TNT gemessen wird.

Interessanterweise wird die Stärke aller Atombomben am häufigsten in gemessen TNT-Äquivalent, da Atomwaffen keine eigene Skala zur Messung der Explosionskraft haben.

Algorithmen für den Betrieb von Atombomben

Jede Atombombe funktioniert nach dem Prinzip der Nutzung der Kernenergie, die bei einer Kernreaktion freigesetzt wird. Dieses Verfahren basiert entweder auf der Teilung schwerer Kerne oder der Synthese leichter Kerne. Da bei dieser Reaktion eine enorme Energiemenge freigesetzt wird, und das in kürzester Zeit, ist der Zerstörungsradius einer Atombombe sehr beeindruckend. Aufgrund dieser Funktion Nuklearwaffe als Massenvernichtungswaffen eingestuft.

Bei dem Prozess, der durch die Explosion einer Atombombe ausgelöst wird, gibt es zwei Hauptpunkte:

• Dies ist das unmittelbare Zentrum der Explosion, in dem die Kernreaktion stattfindet;
• Das Epizentrum der Explosion, das sich an der Stelle befindet, an der die Bombe explodierte.

Die bei der Explosion einer Atombombe freigesetzte Kernenergie ist so stark, dass auf der Erde seismische Erschütterungen auftreten. Gleichzeitig verursachen diese Erschütterungen nur in einer Entfernung von mehreren hundert Metern direkte Zerstörung (obwohl diese Erschütterungen, wenn man die Kraft der Explosion der Bombe selbst berücksichtigt, keine Auswirkungen mehr haben).

Schadensfaktoren bei einer nuklearen Explosion

Die Explosion einer Atombombe verursacht nicht nur schreckliche sofortige Zerstörung. Die Folgen dieser Explosion werden nicht nur die Menschen im betroffenen Gebiet zu spüren bekommen, sondern auch ihre nach der Atomexplosion geborenen Kinder. Arten der Zerstörung durch Atomwaffen werden in folgende Gruppen eingeteilt:

• Lichtstrahlung, die direkt bei einer Explosion auftritt;
• Die Schockwelle, die sich die Bombe unmittelbar nach der Explosion ausbreitete;
• Elektromagnetischer Puls;
• Durchdringende Strahlung;
• Radioaktive Kontamination, die Jahrzehnte andauern kann.

Obwohl ein Lichtblitz auf den ersten Blick am wenigsten bedrohlich erscheint, ist er tatsächlich das Ergebnis der Freisetzung enormer Mengen an Wärme und Lichtenergie. Seine Kraft und Stärke übersteigt die Kraft der Sonnenstrahlen bei weitem, sodass Schäden durch Licht und Hitze in einer Entfernung von mehreren Kilometern tödlich sein können.

Auch die bei einer Explosion freigesetzte Strahlung ist sehr gefährlich. Obwohl es nicht lange wirkt, schafft es es, alles um sich herum zu infizieren, da seine Durchschlagskraft unglaublich hoch ist.

Die Stoßwelle bei einer Atomexplosion wirkt ähnlich wie die gleiche Welle bei herkömmlichen Explosionen, nur sind ihre Kraft und ihr Zerstörungsradius viel größer. Es verursacht in wenigen Sekunden irreparable Schäden nicht nur an Menschen, sondern auch an Geräten, Gebäuden und der Umgebung.

Durchdringende Strahlung führt zur Entstehung einer Strahlenkrankheit und der elektromagnetische Impuls stellt nur eine Gefahr für Geräte dar. Die Kombination all dieser Faktoren sowie die Kraft der Explosion machen die Atombombe zur gefährlichsten Waffe der Welt.

Die weltweit ersten Atomwaffentests

Das erste Land, das Atomwaffen entwickelte und testete, waren die Vereinigten Staaten von Amerika. Es war die US-Regierung, die enorme finanzielle Subventionen für die Entwicklung neuer vielversprechender Waffen bereitstellte. Bis Ende 1941 wurden viele herausragende Wissenschaftler auf dem Gebiet der Atomentwicklung in die USA eingeladen, die 1945 einen testtauglichen Prototyp einer Atombombe vorstellen konnten.

Die weltweit ersten Tests einer mit einem Sprengsatz ausgestatteten Atombombe wurden in der Wüste im Bundesstaat New Mexico durchgeführt. Die Bombe mit dem Namen „Gadget“ wurde am 16. Juli 1945 gezündet. Das Testergebnis war positiv, obwohl das Militär forderte, die Atombombe unter realen Kampfbedingungen zu testen.

Da das Pentagon sah, dass nur noch ein Schritt bis zum Sieg der Hitler-Koalition übrig war und sich eine solche Gelegenheit möglicherweise nicht noch einmal ergeben würde, beschloss es, zuzuschlagen Atomangriff nach Angaben des letzten Verbündeten Nazi-Deutschlands - Japan. Zudem sollte der Einsatz einer Atombombe gleich mehrere Probleme lösen:

• Um das unnötige Blutvergießen zu vermeiden, das unvermeidlich wäre, wenn US-Truppen kaiserlichen japanischen Boden betreten würden;
• Mit einem Schlag die unnachgiebigen Japaner in die Knie zwingen und sie dazu zwingen, für die Vereinigten Staaten günstige Bedingungen zu akzeptieren;
• Zeigen Sie der UdSSR (als möglichen zukünftigen Rivalen), dass die US-Armee über eine einzigartige Waffe verfügt, die in der Lage ist, jede Stadt vom Erdboden zu vernichten;
• Und natürlich, um in der Praxis zu sehen, wozu Atomwaffen unter realen Kampfbedingungen fähig sind.

Am 6. August 1945 wurde die erste Atombombe der Welt, die bei Militäreinsätzen eingesetzt wurde, über der japanischen Stadt Hiroshima abgeworfen. Diese Bombe wurde „Baby“ genannt, weil sie 4 Tonnen wog. Die Bombe war sorgfältig geplant und traf genau dort, wo sie geplant war. Die Häuser, die nicht durch die Druckwelle zerstört wurden, brannten nieder, da in die Häuser einstürzende Öfen Feuer entfachten und die gesamte Stadt in Flammen aufging.

Dem hellen Blitz folgte eine Hitzewelle, die alles Leben im Umkreis von 4 Kilometern verbrannte, und die anschließende Schockwelle zerstörte die meisten Gebäude.

Wer im Umkreis von 800 Metern einen Hitzschlag erlitt, verbrannte bei lebendigem Leibe. Die Druckwelle riss vielen die verbrannte Haut ab. Ein paar Minuten später begann ein seltsamer schwarzer Regen zu fallen, der aus Dampf und Asche bestand. Diejenigen, die vom schwarzen Regen erfasst wurden, erlitten unheilbare Verbrennungen auf der Haut.

Die wenigen, die das Glück hatten zu überleben, litten an der Strahlenkrankheit, die zu dieser Zeit nicht nur unerforscht, sondern auch völlig unbekannt war. Die Menschen begannen Fieber, Erbrechen, Übelkeit und Schwächeanfälle zu entwickeln.

Am 9. August 1945 wurde die zweite amerikanische Bombe namens „Fat Man“ über der Stadt Nagasaki abgeworfen. Diese Bombe hatte ungefähr die gleiche Kraft wie die erste, und die Folgen ihrer Explosion waren ebenso zerstörerisch, obwohl halb so viele Menschen starben.

Die beiden auf japanische Städte abgeworfenen Atombomben waren die ersten und einzigen Fälle weltweit, in denen Atomwaffen eingesetzt wurden. In den ersten Tagen nach dem Bombenangriff starben mehr als 300.000 Menschen. Etwa 150.000 weitere starben an der Strahlenkrankheit.

Nach den Atombombenangriffen auf japanische Städte erlitt Stalin einen echten Schock. Ihm wurde klar, dass die Frage der Entwicklung von Atomwaffen in Soviet Russland- Dies ist eine Frage der Sicherheit des gesamten Landes. Bereits am 20. August 1945 nahm ein von I. Stalin dringend eingesetzter Sonderausschuss für Atomenergiefragen seine Arbeit auf.

Obwohl die Forschung in der Kernphysik damals von einer Gruppe von Enthusiasten betrieben wurde Zaristisches Russland, V Sowjetzeit ihr wurde nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt. Im Jahr 1938 wurde die gesamte Forschung auf diesem Gebiet vollständig eingestellt und viele Nuklearwissenschaftler wurden als Volksfeinde unterdrückt. Nach Atomexplosionen in Japan Sowjetische Autorität begann scharf mit der Wiederherstellung der Atomindustrie im Land.

Es gibt Hinweise darauf, dass die Entwicklung von Atomwaffen im nationalsozialistischen Deutschland durchgeführt wurde und dass es deutsche Wissenschaftler waren, die die „rohe“ amerikanische Atombombe modifizierten, sodass die US-Regierung alle Nuklearspezialisten und alle Dokumente im Zusammenhang mit der Entwicklung von Atomwaffen aus Deutschland entfernte Waffen.

Die sowjetische Geheimdienstschule, die während des Krieges alle ausländischen Geheimdienste umgehen konnte, übermittelte bereits 1943 geheime Dokumente im Zusammenhang mit der Entwicklung von Atomwaffen an die UdSSR. Gleichzeitig wurden sowjetische Agenten in alle großen amerikanischen Nuklearforschungszentren eingeschleust.

Als Ergebnis all dieser Maßnahmen lagen bereits 1946 technische Spezifikationen für die Produktion von zwei in der Sowjetunion hergestellten Atombomben vor:

• RDS-1 (mit Plutoniumladung);
• RDS-2 (mit zwei Teilen Uranladung).

Die Abkürzung „RDS“ stand für „Russland macht es selbst“, was fast völlig zutraf.

Die Nachricht, dass die UdSSR bereit sei, ihre Atomwaffen freizugeben, zwang die US-Regierung zu drastischen Maßnahmen. 1949 wurde der Trojaner-Plan entwickelt, nach dem 70 größten Städte Die UdSSR plante den Abwurf von Atombomben. Nur die Angst vor einem Vergeltungsschlag verhinderte die Verwirklichung dieses Plans.

Diese alarmierenden Informationen der sowjetischen Geheimdienstoffiziere zwangen die Wissenschaftler, im Notfallmodus zu arbeiten. Bereits im August 1949 fanden Tests der ersten in der UdSSR hergestellten Atombombe statt. Als die Vereinigten Staaten von diesen Tests erfuhren, wurde der Trojaner-Plan auf unbestimmte Zeit verschoben. Es begann die Ära der Konfrontation zwischen zwei Supermächten, die in der Geschichte als Kalter Krieg bekannt ist.

Die stärkste Atombombe der Welt, bekannt als Zarenbombe, stammt speziell aus der Zeit des Kalten Krieges. Wissenschaftler der UdSSR haben am meisten geschaffen mächtige Bombe in der Geschichte der Menschheit. Seine Kraft betrug 60 Megatonnen, obwohl geplant war, eine Bombe mit einer Kraft von 100 Kilotonnen zu bauen. Diese Bombe wurde im Oktober 1961 getestet. Der Durchmesser des Feuerballs betrug während der Explosion 10 Kilometer und die Druckwelle flog umher Erde drei Mal. Es war dieser Test, der die meisten Länder der Welt dazu zwang, ein Abkommen zur Beendigung zu unterzeichnen Atomtests nicht nur in der Erdatmosphäre, sondern sogar im Weltraum.

Obwohl Atomwaffen ist ein hervorragendes Mittel zur Einschüchterung aggressiver Länder; andererseits ist es in der Lage, militärische Konflikte im Keim zu ersticken, da eine Atomexplosion alle Konfliktparteien zerstören kann.

Atomstromerzeugung – modern und schnell Entwicklungsmethode Stromerzeugung. Wissen Sie, wie Kernkraftwerke funktionieren? Was ist das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks? Welche Arten von Kernreaktoren gibt es heute? Wir werden versuchen, das Betriebsschema eines Kernkraftwerks im Detail zu betrachten, uns mit der Struktur eines Kernreaktors zu befassen und herauszufinden, wie sicher die nukleare Methode zur Stromerzeugung ist.

Jede Station ist ein geschlossener Bereich fernab eines Wohngebiets. Auf seinem Territorium gibt es mehrere Gebäude. Das wichtigste Bauwerk ist das Reaktorgebäude, daneben der Turbinenraum, von dem aus der Reaktor gesteuert wird, und das Sicherheitsgebäude.

Ohne einen Kernreaktor ist das Vorhaben nicht möglich. Ein Atomreaktor (Kernreaktor) ist ein Kernkraftwerksgerät, das eine Kettenreaktion der Neutronenspaltung mit der obligatorischen Freisetzung von Energie während dieses Prozesses organisieren soll. Doch was ist das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks?

Die gesamte Reaktoranlage ist im Reaktorgebäude untergebracht, einem großen Betonturm, der den Reaktor verbirgt und im Falle eines Unfalls alle Produkte der Kernreaktion enthält. Dieser große Turm wird Eindämmung, hermetische Hülle oder Eindämmungszone genannt.

Die hermetische Zone in neuen Reaktoren besteht aus zwei dicken Betonwänden – Schalen.
Die 80 cm dicke Außenhülle schützt den Eindämmungsbereich vor äußeren Einflüssen.

Die 1 Meter und 20 cm dicke Innenschale ist mit speziellen Stahlseilen ausgestattet, die die Festigkeit des Betons um fast das Dreifache erhöhen und ein Zerbröckeln der Struktur verhindern. Innen ist es mit einem dünnen Spezialstahlblech ausgekleidet, das als zusätzlicher Schutz für den Sicherheitsbehälter dienen soll und im Falle eines Unfalls verhindern soll, dass der Reaktorinhalt aus dem Sicherheitsbereich austritt.

Diese Konstruktion des Kernkraftwerks ermöglicht es, einem Flugzeugabsturz mit einem Gewicht von bis zu 200 Tonnen, einem Erdbeben der Stärke 8, einem Tornado und einem Tsunami standzuhalten.

Die erste Druckhülle wurde 1968 im amerikanischen Kernkraftwerk Connecticut Yankee gebaut.

Die Gesamthöhe der Eindämmungszone beträgt 50-60 Meter.

Woraus besteht ein Kernreaktor?

Um das Funktionsprinzip eines Kernreaktors und damit das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks zu verstehen, müssen Sie die Komponenten des Reaktors verstehen.

• Aktive Zone. Dies ist der Bereich, in dem der Kernbrennstoff (Brennstoffgenerator) und der Moderator platziert werden. Brennstoffatome (am häufigsten ist Uran der Brennstoff) unterliegen einer Kettenspaltungsreaktion. Der Moderator soll den Spaltungsprozess steuern und die erforderliche Reaktion in Bezug auf Geschwindigkeit und Stärke ermöglichen.
• Neutronenreflektor. Ein Reflektor umgibt den Kern. Es besteht aus dem gleichen Material wie der Moderator. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um eine Box, deren Hauptzweck darin besteht, zu verhindern, dass Neutronen den Kern verlassen und in die Umgebung gelangen.
• Kühlmittel. Das Kühlmittel muss die bei der Spaltung von Brennstoffatomen freigesetzte Wärme aufnehmen und auf andere Stoffe übertragen. Das Kühlmittel bestimmt maßgeblich die Auslegung eines Kernkraftwerks. Das beliebteste Kühlmittel ist heute Wasser.
  Reaktorkontrollsystem. Sensoren und Mechanismen, die einen Kernkraftwerksreaktor antreiben.

Brennstoff für Kernkraftwerke

Womit wird ein Kernkraftwerk betrieben? Brennstoffe für Kernkraftwerke sind chemische Elemente mit radioaktiven Eigenschaften. In allen Kernkraftwerken ist dieses Element Uran.

Das Design der Stationen impliziert, dass Kernkraftwerke mit komplexem Verbundbrennstoff und nicht mit einem reinen chemischen Element betrieben werden. Und um Uranbrennstoff aus natürlichem Uran zu gewinnen, das in einen Kernreaktor geladen wird, müssen viele Manipulationen durchgeführt werden.

Angereichertes Uran

Uran besteht aus zwei Isotopen, das heißt, es enthält Kerne mit unterschiedlichen Massen. Sie wurden nach der Anzahl der Protonen und Neutronen Isotop -235 und Isotop-238 benannt. Forscher des 20. Jahrhunderts begannen, Uran 235 aus Erzen zu gewinnen, weil... es war einfacher zu zerlegen und zu transformieren. Es stellte sich heraus, dass es in der Natur nur 0,7 % dieses Urans gibt (der verbleibende Prozentsatz entfällt auf das 238. Isotop).

Was ist in diesem Fall zu tun? Sie beschlossen, Uran anzureichern. Die Urananreicherung ist ein Prozess, bei dem viele der notwendigen 235x-Isotope darin verbleiben und nur wenige unnötige 238x-Isotope. Die Aufgabe von Urananreicherungsanlagen besteht darin, 0,7 % in nahezu 100 % Uran-235 umzuwandeln.

Uran kann mit zwei Technologien angereichert werden: Gasdiffusion oder Gaszentrifuge. Für ihre Nutzung wird aus Erzen gewonnenes Uran in einen gasförmigen Zustand überführt. Es wird in Form von Gas angereichert.

Uranpulver

Angereichertes Urangas wird in einen festen Zustand umgewandelt – Urandioxid. Dieses reine feste Uran 235 erscheint in Form großer weißer Kristalle, die später zu Uranpulver zerkleinert werden.

Urantabletten

Urantabletten sind massive Metallscheiben mit einer Länge von einigen Zentimetern. Um solche Tabletten aus Uranpulver zu formen, wird es mit einer Substanz vermischt – einem Weichmacher; er verbessert die Qualität der Pressung der Tabletten.

Die gepressten Pucks werden bei einer Temperatur von 1200 Grad Celsius über einen Tag lang gebacken, um den Tabletten besondere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen zu verleihen. Wie ein Kernkraftwerk arbeitet, hängt direkt davon ab, wie gut der Uranbrennstoff komprimiert und gebacken wird.

Die Tabletten werden in Molybdän-Boxen gebacken, weil Nur dieses Metall kann bei „höllischen“ Temperaturen von über eineinhalbtausend Grad nicht schmelzen. Danach gilt Uran als Brennstoff für Kernkraftwerke bereit.

Was sind TVEL und FA?

Der Reaktorkern sieht aus wie eine riesige Scheibe oder ein Rohr mit Löchern in den Wänden (je nach Reaktortyp), fünfmal größer menschlicher Körper. Diese Löcher enthalten Uranbrennstoff, dessen Atome die gewünschte Reaktion durchführen.

Es ist unmöglich, einfach Treibstoff in den Reaktor zu werfen, es sei denn, man möchte eine Explosion der gesamten Station und einen Unfall mit Folgen für einige umliegende Staaten verursachen. Daher wird Uranbrennstoff in Brennstäbe gefüllt und dann in Brennelementen gesammelt. Was bedeuten diese Abkürzungen?

• TVEL ist ein Brennstoffelement (nicht zu verwechseln mit dem gleichnamigen russischen Unternehmen, das es herstellt). Es handelt sich im Wesentlichen um ein dünnes und langes Zirkoniumrohr aus Zirkoniumlegierungen, in das Urantabletten gegeben werden. In Brennstäben beginnen Uranatome miteinander zu interagieren und geben bei der Reaktion Wärme ab.

Zirkonium wurde aufgrund seiner Feuerfestigkeit und Korrosionsschutzeigenschaften als Material für die Herstellung von Brennstäben ausgewählt.

Die Art der Brennstäbe hängt von der Art und Struktur des Reaktors ab. Der Aufbau und Zweck von Brennstäben ändert sich in der Regel nicht; Länge und Breite des Rohres können unterschiedlich sein.

Die Maschine lädt mehr als 200 Uranpellets in ein Zirkoniumrohr. Insgesamt arbeiten etwa 10 Millionen Uranpellets gleichzeitig im Reaktor.
FA – Brennelement. Kernkraftwerksarbeiter nennen Brennelementebündel.

Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um mehrere miteinander verbundene Brennstäbe. FA ist fertiger Kernbrennstoff, mit dem ein Kernkraftwerk betrieben wird. Es sind die Brennelemente, die in den Kernreaktor geladen werden. In einem Reaktor sind etwa 150 – 400 Brennelemente untergebracht.
Abhängig vom Reaktor, in dem die Brennelemente betrieben werden, kann dies der Fall sein verschiedene Formen. Manchmal sind die Bündel kubisch, manchmal zylindrisch und manchmal sechseckig gefaltet.

Ein Brennelement erzeugt bei 4 Betriebsjahren die gleiche Energiemenge wie bei der Verbrennung von 670 Kohlewagen, 730 Erdgastanks oder 900 Öltanks.
Heute werden Brennelemente hauptsächlich in Fabriken in Russland, Frankreich, den USA und Japan hergestellt.

Um Brennstoff für Kernkraftwerke in andere Länder zu liefern, werden Brennelemente in langen und breiten Metallrohren versiegelt, die Luft aus den Rohren gepumpt und von speziellen Maschinen an Bord von Frachtflugzeugen transportiert.

Kernbrennstoff für Kernkraftwerke wiegt unerschwinglich viel, weil... Uran ist eines der schwersten Metalle auf dem Planeten. Sein spezifisches Gewicht ist 2,5-mal größer als das von Stahl.

Kernkraftwerk: Funktionsprinzip

Was ist das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks? Das Funktionsprinzip von Kernkraftwerken basiert auf einer Kettenreaktion der Spaltung von Atomen einer radioaktiven Substanz – Uran. Diese Reaktion findet im Kern eines Kernreaktors statt.

ES IST WICHTIG ZU WISSEN:

Ohne auf die Feinheiten der Kernphysik einzugehen, sieht das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks folgendermaßen aus:
Nach der Inbetriebnahme eines Kernreaktors werden von den Brennstäben Absorberstäbe entfernt, die die Reaktion des Urans verhindern.

Sobald die Stäbe entfernt werden, beginnen die Uran-Neutronen miteinander zu interagieren.

Wenn Neutronen kollidieren, kommt es auf atomarer Ebene zu einer Miniexplosion, Energie wird freigesetzt und neue Neutronen entstehen, eine Kettenreaktion beginnt. Bei diesem Vorgang entsteht Wärme.

Wärme wird an das Kühlmittel übertragen. Je nach Art des Kühlmittels wird daraus Dampf oder Gas, das die Turbine in Rotation versetzt.

Die Turbine treibt einen elektrischen Generator an. Er ist es, der tatsächlich den elektrischen Strom erzeugt.

Wenn Sie den Prozess nicht überwachen, können Uranneutronen miteinander kollidieren, bis der Reaktor explodiert und das gesamte Kernkraftwerk in Stücke gerissen wird. Der Prozess wird durch Computersensoren gesteuert. Sie erkennen einen Temperaturanstieg oder eine Druckänderung im Reaktor und können Reaktionen automatisch stoppen.

Wie unterscheidet sich das Funktionsprinzip von Kernkraftwerken von thermischen Kraftwerken (Wärmekraftwerken)?

Unterschiede in der Arbeit gibt es nur in den ersten Phasen. In einem Kernkraftwerk erhält das Kühlmittel Wärme aus der Spaltung von Uranbrennstoffatomen; in einem Wärmekraftwerk erhält das Kühlmittel Wärme aus der Verbrennung organischer Brennstoffe (Kohle, Gas oder Öl). Nachdem entweder Uranatome oder Gas und Kohle Wärme freigesetzt haben, sind die Betriebsschemata von Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken die gleichen.

Arten von Kernreaktoren

Wie ein Kernkraftwerk funktioniert, hängt davon ab, wie genau sein Kernreaktor arbeitet. Heutzutage gibt es zwei Haupttypen von Reaktoren, die nach dem Spektrum der Neuronen klassifiziert werden:
Ein langsamer Neutronenreaktor, auch thermischer Reaktor genannt.

Für seinen Betrieb wird Uran 235 verwendet, das die Stufen der Anreicherung, Herstellung von Uranpellets usw. durchläuft. Heutzutage verwendet die überwiegende Mehrheit der Reaktoren langsame Neutronen.
Reaktor für schnelle Neutronen.

Diesen Reaktoren gehört die Zukunft, denn... Sie arbeiten mit Uran-238, das in der Natur ein Dutzend gibt und eine Anreicherung dieses Elements nicht erforderlich ist. Der einzige Nachteil solcher Reaktoren sind die sehr hohen Kosten für Planung, Bau und Inbetriebnahme. Heute sind schnelle Neutronenreaktoren nur noch in Russland in Betrieb.

Das Kühlmittel in schnellen Neutronenreaktoren ist Quecksilber, Gas, Natrium oder Blei.

Auch langsame Neutronenreaktoren, die heute in allen Kernkraftwerken der Welt zum Einsatz kommen, gibt es in verschiedenen Ausführungen.

Die IAEA-Organisation (Internationale Atomenergiebehörde) hat eine eigene Klassifizierung erstellt, die in der weltweiten Kernenergieindustrie am häufigsten verwendet wird. Da das Funktionsprinzip eines Kernkraftwerks maßgeblich von der Wahl des Kühlmittels und Moderators abhängt, hat die IAEA ihre Klassifizierung auf diese Unterschiede gestützt.

Aus chemischer Sicht ist Deuteriumoxid ein idealer Moderator und Kühlmittel, denn Seine Atome interagieren im Vergleich zu anderen Substanzen am effektivsten mit Neutronen von Uran. Einfach ausgedrückt erfüllt schweres Wasser seine Aufgabe mit minimalen Verlusten und maximalen Ergebnissen. Die Herstellung kostet jedoch Geld, während gewöhnliches „leichtes“ und bekanntes Wasser viel einfacher zu verwenden ist.

Ein paar Fakten über Kernreaktoren...

Es ist interessant, dass der Bau eines Kernkraftwerkreaktors mindestens drei Jahre dauert!
Um einen Reaktor zu bauen, braucht man Geräte, die mit einem elektrischen Strom von 210 Kiloampere betrieben werden, was eine Million Mal höher ist als der Strom, der einen Menschen töten kann.

Eine Hülle (Strukturelement) eines Kernreaktors wiegt 150 Tonnen. In einem Reaktor befinden sich 6 solcher Elemente.

Druckwasserreaktor

Wir haben bereits herausgefunden, wie ein Kernkraftwerk im Allgemeinen funktioniert; um alles ins rechte Licht zu rücken, schauen wir uns an, wie der beliebteste Druckwasser-Kernreaktor funktioniert.
Überall auf der Welt werden heute Druckwasserreaktoren der Generation 3+ eingesetzt. Sie gelten als die zuverlässigsten und sichersten.

Alle Druckwasserreaktoren der Welt haben im Laufe ihrer Betriebsjahre bereits mehr als 1000 Jahre störungsfreien Betrieb hinter sich und nie gravierende Abweichungen festgestellt.

Der Aufbau von Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktoren impliziert, dass auf 320 Grad erhitztes destilliertes Wasser zwischen den Brennstäben zirkuliert. Um zu verhindern, dass es in den Dampfzustand übergeht, wird es unter einem Druck von 160 Atmosphären gehalten. Im Diagramm des Kernkraftwerks wird es als Primärkreislaufwasser bezeichnet.

Das erhitzte Wasser gelangt in den Dampferzeuger und gibt seine Wärme an das Sekundärkreislaufwasser ab, um anschließend wieder in den Reaktor „zurückzukehren“. Äußerlich sieht es so aus, als stünden die Wasserrohre des ersten Kreislaufs in Kontakt mit anderen Rohren – das Wasser des zweiten Kreislaufs, sie übertragen Wärme aufeinander, aber das Wasser kommt nicht in Kontakt. Die Rohre stehen in Kontakt.

Somit ist die Möglichkeit ausgeschlossen, dass Strahlung in das Wasser des Sekundärkreislaufs gelangt, das weiter an der Stromerzeugung beteiligt ist.

Betriebssicherheit des Kernkraftwerks

Nachdem wir das Funktionsprinzip von Kernkraftwerken kennengelernt haben, müssen wir verstehen, wie Sicherheit funktioniert. Der Bau von Kernkraftwerken erfordert heute eine erhöhte Beachtung der Sicherheitsvorschriften.
Die Sicherheitskosten für Kernkraftwerke machen etwa 40 % der Gesamtkosten der Anlage selbst aus.

Das Design des Kernkraftwerks umfasst vier physische Barrieren, die die Freisetzung radioaktiver Substanzen verhindern. Was sollen diese Barrieren bewirken? Im richtigen Moment können Sie die Kernreaktion stoppen, eine konstante Wärmeabfuhr aus dem Kern und dem Reaktor selbst gewährleisten und die Freisetzung von Radionukliden außerhalb des Sicherheitsbehälters (hermetische Zone) verhindern.

• Die erste Hürde ist die Festigkeit von Uranpellets. Es ist wichtig, dass sie nicht durch die hohen Temperaturen in einem Kernreaktor zerstört werden. Der Betrieb eines Kernkraftwerks hängt weitgehend davon ab, wie die Uranpellets in der ersten Herstellungsphase „gebacken“ werden. Wenn die Uranbrennstoffpellets nicht richtig gebacken werden, sind die Reaktionen der Uranatome im Reaktor unvorhersehbar.
• Das zweite Hindernis ist die Dichtheit der Brennstäbe. Zirkoniumrohre müssen dicht verschlossen sein; wird die Versiegelung gebrochen, wird im besten Fall der Reaktor beschädigt und die Arbeit eingestellt, im schlimmsten Fall fliegt alles in die Luft.
• Die dritte Barriere ist ein robuster Reaktorbehälter aus Stahl a, (derselbe große Turm – hermetische Zone), der alle radioaktiven Prozesse „enthält“. Bei Beschädigung des Gehäuses gelangt Strahlung in die Atmosphäre.
• Die vierte Barriere sind Notschutzstangen.Über dem Kern sind an Magneten Stäbe mit Moderatoren aufgehängt, die alle Neutronen in 2 Sekunden absorbieren und die Kettenreaktion stoppen können.

Wenn es trotz der Auslegung eines Kernkraftwerks mit vielen Schutzgraden nicht gelingt, den Reaktorkern rechtzeitig abzukühlen und die Brennstofftemperatur auf 2600 Grad ansteigt, dann kommt die letzte Hoffnung des Sicherheitssystems ins Spiel - die sogenannte Schmelzfalle.

Tatsache ist, dass bei dieser Temperatur der Boden des Reaktorbehälters schmilzt und alle Reste von Kernbrennstoff und geschmolzenen Strukturen in ein spezielles „Glas“ fließen, das über dem Reaktorkern hängt.

Die Schmelzfalle ist gekühlt und feuerfest. Es ist mit sogenanntem „Opfermaterial“ gefüllt, das die Spaltkettenreaktion nach und nach stoppt.

Daher beinhaltet die Auslegung des Kernkraftwerks mehrere Schutzgrade, die die Möglichkeit eines Unfalls nahezu vollständig ausschließen.