Ajuda na Tele2, tarifas, dúvidas

Toda a comunidade intercontinental Míssil balístico, dezenas de metros e toneladas de ligas ultra-fortes, combustível de alta tecnologia e eletrônicos avançados são necessários apenas para uma coisa - levar uma ogiva ao seu destino: um cone de um metro e meio de altura e tão grosso na base quanto um torso humano.

Vejamos uma ogiva típica (na realidade, pode haver diferenças de design entre as ogivas). Este é um cone feito de ligas leves e duráveis. Dentro há anteparas, molduras, uma moldura de força - quase tudo é como em um avião. A estrutura de alimentação é coberta por uma caixa de metal durável. Uma espessa camada de revestimento protetor térmico é aplicada ao invólucro. Parece um antigo cesto neolítico, generosamente revestido com argila e queimado nas primeiras experiências do homem com calor e cerâmica. A semelhança é fácil de explicar: tanto a cesta quanto a ogiva precisam resistir ao calor externo.

Dentro do cone, fixados em seus “assentos”, existem dois “passageiros” principais para os quais tudo foi iniciado: uma carga termonuclear e uma unidade de controle de carga, ou unidade de automação. Eles são incrivelmente compactos. A unidade de automação tem o tamanho de uma jarra de pepino em conserva de cinco litros e a carga é do tamanho de um balde de jardim comum. Pesada e pesada, a união de uma lata e um balde explodirá trezentos e cinquenta a quatrocentos quilotons. Dois passageiros estão conectados entre si por uma conexão, como gêmeos siameses, e através dessa conexão eles trocam algo constantemente. O diálogo deles é contínuo, mesmo quando o míssil está em serviço de combate, mesmo quando esses gêmeos estão sendo transportados da fábrica.

Há também um terceiro passageiro - uma unidade para medir o movimento da ogiva ou geralmente controlar seu vôo. Neste último caso, os controles de trabalho estão embutidos na ogiva, permitindo que a trajetória seja alterada. Por exemplo, acionamento de sistemas pneumáticos ou sistemas de pó. E também rede elétrica embarcada com fontes de alimentação, linhas de comunicação com o palco, em forma de fios e conectores protegidos, proteção contra pulsos eletromagnéticos e sistema de termostato - mantendo a temperatura de carga necessária.

A tecnologia pela qual as ogivas são separadas do míssil e definidas em seus próprios cursos é um grande tópico separado sobre o qual podem ser escritos livros.

Primeiro, vamos explicar o que é “apenas uma unidade de combate”. Este é um dispositivo que abriga fisicamente uma carga termonuclear a bordo de um míssil balístico intercontinental. O foguete possui a chamada ogiva, que pode conter uma, duas ou mais ogivas. Se houver vários deles, a ogiva é chamada de ogiva múltipla (MIRV).

Dentro do MIRV existe uma unidade muito complexa (também chamada de plataforma de desengajamento), que, após ser lançada por um veículo lançador fora da atmosfera, passa a realizar uma série de ações programadas para orientação individual e separação de ogivas localizadas em isto; no espaço, as formações de batalha são construídas a partir de blocos e iscas, que também ficam inicialmente localizados na plataforma. Assim, cada bloco é colocado em uma trajetória que garante que atinja um determinado alvo na superfície da Terra.

As unidades de combate são diferentes. Aqueles que se movem ao longo de trajetórias balísticas após a separação da plataforma são chamados de incontroláveis. As ogivas controladas, após a separação, começam a “viver as suas próprias vidas”. Estão equipados com motores de controle de atitude para manobras no espaço sideral, superfícies de controle aerodinâmico para controle de vôo na atmosfera, possuem sistema de controle inercial a bordo, diversos dispositivos de computação, radar com computador próprio... E, claro, uma carga de combate.

Uma ogiva praticamente controlável combina as propriedades de uma espaçonave não tripulada e de uma aeronave hipersônica não tripulada. Este dispositivo deve realizar todas as ações tanto no espaço quanto durante o vôo na atmosfera de forma autônoma.

Após a separação da plataforma de reprodução, a ogiva voa por um tempo relativamente longo em altitudes muito elevadas - no espaço. Neste momento, o sistema de controle do bloco realiza toda uma série de reorientações para criar condições para definição precisa próprios parâmetros de movimento, facilitando a superação da zona de possíveis explosões nucleares defesa antimísseis...
Antes de entrar na atmosfera superior, o computador de bordo calcula a orientação necessária da ogiva e a executa. No mesmo período, são realizadas sessões de determinação da localização real por meio de radar, para as quais também é necessário realizar uma série de manobras. Em seguida, a antena localizadora é disparada e a parte atmosférica do movimento começa para a ogiva.

Abaixo, na frente da ogiva, encontra-se um enorme, contrastantemente brilhante com as ameaçadoras altitudes elevadas, coberto por uma névoa azul de oxigênio, coberto com suspensões de aerossóis, o vasto e ilimitado quinto oceano. Afastando-se lentamente e quase imperceptivelmente dos efeitos residuais da separação, a ogiva continua a sua descida ao longo de uma trajetória suave. Mas então uma brisa muito incomum soprou suavemente em sua direção. Ele tocou um pouco - e tornou-se perceptível, cobrindo o corpo com uma onda fina e recuada de brilho branco-azulado pálido. Esta onda tem uma temperatura incrivelmente alta, mas ainda não queima a ogiva, pois é muito etérea. A brisa que sopra sobre a ogiva é eletricamente condutora. A velocidade do cone é tão alta que ele literalmente esmaga as moléculas de ar com seu impacto em fragmentos eletricamente carregados, e ocorre a ionização do ar por impacto. Essa brisa de plasma é chamada de fluxo hipersônico de alto número Mach e sua velocidade é vinte vezes a velocidade do som.

Devido à alta rarefação, a brisa é quase imperceptível nos primeiros segundos. Crescendo e tornando-se mais denso à medida que se aprofunda na atmosfera, inicialmente aquece mais do que pressiona a ogiva. Mas gradualmente começa a apertar seu cone com força. O fluxo vira primeiro o nariz da ogiva. Ele não se desdobra imediatamente - o cone balança ligeiramente para frente e para trás, diminuindo gradualmente suas oscilações e, finalmente, estabilizando.

Condensando-se à medida que desce, o fluxo coloca cada vez mais pressão sobre a ogiva, retardando o seu voo. À medida que desacelera, a temperatura diminui gradualmente. Desde os enormes valores do início da entrada, o brilho branco-azulado de dezenas de milhares de Kelvin, até o brilho branco-amarelado de cinco a seis mil graus. Esta é a temperatura das camadas superficiais do Sol. O brilho torna-se ofuscante porque a densidade do ar aumenta rapidamente e, com ela, o calor flui para as paredes da ogiva. A camada protetora de calor fica carbonizada e começa a queimar.

Não queima por fricção com o ar, como muitas vezes se diz incorretamente. Devido à enorme velocidade hipersônica de movimento (agora quinze vezes mais rápida que o som), outro cone diverge no ar do topo do corpo - uma onda de choque, como se encerrasse uma ogiva. O ar que entra, entrando no cone da onda de choque, é instantaneamente compactado várias vezes e pressionado firmemente contra a superfície da ogiva. A partir da compressão abrupta, instantânea e repetida, sua temperatura salta imediatamente para vários milhares de graus. A razão para isso é a velocidade alucinante do que está acontecendo, o extremo dinamismo do processo. A compressão gás-dinâmica do fluxo, e não a fricção, é o que agora aquece as laterais da ogiva.

A pior parte é o nariz. Lá é formada a maior compactação do fluxo que se aproxima. A área deste selo avança ligeiramente, como se estivesse se desconectando do corpo. E fica na frente, tomando o formato de uma lente grossa ou de uma almofada. Esta formação é chamada de “onda de choque em arco destacada”. É várias vezes mais espesso que o resto da superfície do cone da onda de choque ao redor da ogiva. A compressão frontal do fluxo que se aproxima é mais forte aqui. Portanto, a onda de choque de proa desconectada tem a temperatura mais alta e a densidade de calor mais alta. Este pequeno sol queima o nariz da ogiva de forma radiante - destacando, irradiando calor diretamente para o nariz do casco e causando queimaduras graves no nariz. Portanto, existe a camada mais espessa de proteção térmica. É a onda de choque que ilumina a área em uma noite escura por muitos quilômetros em torno de uma ogiva voando na atmosfera.

Conectados por um objetivo

A carga termonuclear e a unidade de controle comunicam-se continuamente entre si. Este “diálogo” começa imediatamente após a instalação de uma ogiva num míssil e termina no momento de uma explosão nuclear. Durante todo esse tempo, o sistema de controle prepara a carga para operação, como um treinador prepara um boxeador para uma luta importante. E no momento certo ele dá o último e mais importante comando.

Quando um míssil é colocado em serviço de combate, sua carga é equipada em sua configuração completa: um ativador de nêutrons pulsado, detonadores e outros equipamentos são instalados. Mas ele ainda não está pronto para a explosão. Manter um míssil nuclear num silo ou num lançador móvel durante décadas, pronto para explodir a qualquer momento, é simplesmente perigoso.

Portanto, durante o vôo, o sistema de controle coloca a carga em estado de prontidão para explosão. Isso acontece gradativamente, por meio de algoritmos sequenciais complexos baseados em duas condições principais: confiabilidade do movimento em direção ao objetivo e controle do processo. Se um destes fatores se desviar dos valores calculados, a preparação será interrompida. A eletrônica transfere a carga para um grau de prontidão cada vez maior para dar um comando para operar no ponto calculado.

E quando uma carga totalmente preparada vier da unidade de controle para detonar, a explosão ocorrerá imediatamente, instantaneamente. Uma ogiva voando na velocidade da bala de um atirador de elite viajará apenas alguns centésimos de milímetro, não tendo tempo de se mover no espaço nem mesmo a espessura de um fio de cabelo humano, quando a reação termonuclear em sua carga começa, se desenvolve, passa completamente e é concluído, liberando toda a energia normal.

Tendo mudado muito por fora e por dentro, a ogiva passou para a troposfera - os últimos dez quilômetros de altitude. Ela desacelerou muito. O vôo hipersônico degenerou para uma velocidade supersônica de três a quatro unidades Mach. A ogiva já brilha fracamente, desaparece e se aproxima do ponto alvo.

Uma explosão na superfície da Terra raramente é planejada - apenas para objetos enterrados no solo, como silos de mísseis. A maioria dos alvos está na superfície. E para sua maior destruição, a detonação é realizada a uma certa altura, dependendo da potência da carga. Para vinte quilotons táticos, isso é de 400 a 600 m. Para um megaton estratégico, a altura ideal de explosão é de 1.200 m. Por quê? A explosão faz com que duas ondas percorram a área. Mais perto do epicentro, a onda de choque atingirá mais cedo. Ela cairá e será refletida, saltando para os lados, onde se fundirá com a nova onda que acaba de chegar aqui de cima, do ponto de explosão. Duas ondas - incidentes no centro da explosão e refletidas na superfície - se somam, formando a mais poderosa onda de choque na camada terrestre, principal fator de destruição.

Durante os lançamentos de teste, a ogiva geralmente atinge o solo sem impedimentos. A bordo há meio quilo de explosivos, que são detonados ao cair. Para que? Primeiro, a ogiva é um objeto secreto e deve ser destruída com segurança após o uso. Em segundo lugar, isto é necessário para os sistemas de medição do local de teste - para detecção imediata do ponto de impacto e medição de desvios.

Uma cratera fumegante de vários metros completa o quadro. Mas antes disso, alguns quilômetros antes do impacto, um cassete de armazenamento blindado é disparado da ogiva de teste, registrando tudo o que foi registrado a bordo durante o vôo. Esta unidade flash blindada protegerá contra perda de informações integradas. Ela será encontrada mais tarde, quando um helicóptero chegar com um grupo especial de busca. E vão registrar os resultados de um voo fantástico.

O reator nuclear funciona de maneira suave e eficiente. Caso contrário, como você sabe, haverá problemas. Mas o que está acontecendo lá dentro? Vamos tentar formular o princípio de funcionamento de um reator nuclear (nuclear) de forma breve, clara e com paradas.

Em essência, o mesmo processo ocorre lá como durante uma explosão nuclear. Só que a explosão acontece muito rapidamente, e no reator tudo se estende até muito tempo. Como resultado, tudo permanece são e salvo e recebemos energia. Não tanto para que tudo ao redor fosse destruído de uma vez, mas o suficiente para fornecer eletricidade à cidade.

Antes de entender como ocorre uma reação nuclear controlada, você precisa saber o que é. reação nuclear de forma alguma.

Reação nuclear é o processo de transformação (fissão) dos núcleos atômicos quando eles interagem com partículas elementares e raios gama.

As reações nucleares podem ocorrer tanto com absorção quanto com liberação de energia. O reator usa as segundas reações.

Reator nuclear é um dispositivo cuja finalidade é manter uma reação nuclear controlada com liberação de energia.

Freqüentemente, um reator nuclear também é chamado de reator atômico. Notemos que aqui não há diferença fundamental, mas do ponto de vista da ciência é mais correto usar a palavra “nuclear”. Existem agora muitos tipos de reatores nucleares. São enormes reatores industriais projetados para gerar energia em usinas, reatores nucleares submarinos, pequenos reatores experimentais utilizados em experimentos científicos. Existem até reatores usados ​​para dessalinizar a água do mar.

A história da criação de um reator nuclear

O primeiro reator nuclear foi lançado em 1942, não tão distante. Isso aconteceu nos EUA sob a liderança de Fermi. Este reator foi chamado de "Chicago Woodpile".

Em 1946, o primeiro reator soviético, lançado sob a liderança de Kurchatov, começou a operar. O corpo deste reator era uma bola de sete metros de diâmetro. Os primeiros reatores não possuíam sistema de refrigeração e sua potência era mínima. Aliás, o reator soviético tinha potência média de 20 Watts, e o americano - apenas 1 Watt. Para efeito de comparação: a potência média dos reatores modernos é de 5 Gigawatts. Menos de dez anos após o lançamento do primeiro reator, a primeira usina nuclear industrial do mundo foi inaugurada na cidade de Obninsk.

O princípio de operação de um reator nuclear (nuclear)

Qualquer reator nuclear possui várias partes: essencial Com combustível E moderador , refletor de nêutrons , refrigerante , sistema de controle e proteção . Os isótopos são mais frequentemente usados ​​como combustível em reatores. urânio (235, 238, 233), plutônio (239) e tório (232). O núcleo é uma caldeira através da qual flui água comum (refrigerante). Entre outros refrigerantes, “água pesada” e grafite líquido são menos comumente usados. Se falamos da operação de usinas nucleares, então um reator nuclear é usado para produzir calor. A própria eletricidade é gerada usando o mesmo método de outros tipos de usinas de energia - o vapor gira uma turbina e a energia do movimento é convertida em energia elétrica.

Abaixo está um diagrama da operação de um reator nuclear.

Como já dissemos, o decaimento de um núcleo pesado de urânio produz elementos mais leves e vários nêutrons. Os nêutrons resultantes colidem com outros núcleos, causando também sua fissão. Ao mesmo tempo, o número de nêutrons cresce como uma avalanche.

Deve ser mencionado aqui fator de multiplicação de nêutrons . Portanto, se esse coeficiente ultrapassar um valor igual a um, ocorre uma explosão nuclear. Se o valor for menor que um, há poucos nêutrons e a reação desaparece. Mas se mantivermos o valor do coeficiente igual a um, a reação prosseguirá de forma longa e estável.

A questão é como fazer isso? No reator, o combustível está na chamada elementos combustíveis (TVELakh). São bastonetes que contêm, na forma de pequenos comprimidos, Combustível nuclear . As barras de combustível são conectadas em cassetes de formato hexagonal, dos quais pode haver centenas em um reator. Os cassetes com barras de combustível são dispostos verticalmente, e cada barra de combustível possui um sistema que permite regular a profundidade de sua imersão no núcleo. Além dos próprios cassetes, eles incluem hastes de controle E hastes de proteção de emergência . As hastes são feitas de um material que absorve bem os nêutrons. Assim, as hastes de controle podem ser baixadas para diferentes profundidades no núcleo, ajustando assim o fator de multiplicação de nêutrons. As hastes de emergência são projetadas para desligar o reator em caso de emergência.

Como um reator nuclear é iniciado?

Descobrimos o princípio de funcionamento em si, mas como iniciar e fazer o reator funcionar? Grosso modo, aqui está ele - um pedaço de urânio, mas a reação em cadeia não começa por si só. O fato é que na física nuclear existe um conceito massa crítica .

Massa crítica é a massa de material físsil necessária para iniciar uma reação nuclear em cadeia.

Com a ajuda de barras de combustível e barras de controle, uma massa crítica de combustível nuclear é primeiro criada no reator e, em seguida, o reator é levado ao nível de potência ideal em vários estágios.

Neste artigo, tentamos dar uma ideia geral da estrutura e princípio de funcionamento de um reator nuclear (nuclear). Se você tiver alguma dúvida sobre o tema ou tiver sido questionado sobre um problema de física nuclear na universidade, entre em contato aos especialistas da nossa empresa. Como sempre, estamos prontos para ajudá-lo a resolver qualquer questão urgente em relação aos seus estudos. E já que estamos nisso, aqui está outro vídeo educativo para sua atenção!

Personagem explosivo

O núcleo do urânio contém 92 prótons. O urânio natural é principalmente uma mistura de dois isótopos: U238 (que possui 146 nêutrons em seu núcleo) e U235 (143 nêutrons), sendo que apenas 0,7% deste último está no urânio natural. Propriedades quimicas os isótopos são absolutamente idênticos e, portanto, é impossível separá-los por métodos químicos, mas a diferença de massas (235 e 238 unidades) permite que isso seja feito por métodos físicos: uma mistura de urânio é convertida em gás (hexafluoreto de urânio), e depois bombeado através de inúmeras partições porosas. Embora os isótopos de urânio sejam indistinguíveis quer na aparência quer quimicamente, eles estão separados por um abismo nas propriedades dos seus caracteres nucleares.

O processo de fissão do U238 é um processo pago: um nêutron vindo de fora deve trazer consigo energia - 1 MeV ou mais. E o U235 é altruísta: nada é necessário do nêutron que chega para excitação e subsequente decaimento; sua energia de ligação no núcleo é bastante suficiente.

Quando um nêutron atinge um núcleo capaz de fissão, um composto instável é formado, mas muito rapidamente (após 10−23−10−22 s) tal núcleo se desintegra em dois fragmentos que são desiguais em massa e “instantaneamente” (dentro de 10 −16−10− 14 c) emitindo dois ou três novos nêutrons, de modo que com o tempo o número de núcleos físseis possa se multiplicar (esta reação é chamada de reação em cadeia). Isso só é possível no U235, porque o ganancioso U238 não quer compartilhar seus próprios nêutrons, cuja energia é uma ordem de grandeza menor que 1 MeV. A energia cinética das partículas do produto de fissão é muitas ordens de grandeza maior do que a energia liberada durante qualquer reação química na qual a composição dos núcleos não muda.

Montagem crítica

Os produtos da fissão são instáveis ​​e demoram muito para “se recuperar”, emitindo diversas radiações (incluindo nêutrons). Os nêutrons que são emitidos um tempo significativo (até dezenas de segundos) após a fissão são chamados de retardados e, embora sua participação seja pequena em comparação com os instantâneos (menos de 1%), o papel que desempenham na operação de instalações nucleares é o mais importante.

Os produtos da fissão, durante inúmeras colisões com os átomos circundantes, cedem sua energia a eles, aumentando a temperatura. Depois que os nêutrons aparecem em uma montagem com material físsil, o poder de liberação de calor pode aumentar ou diminuir, e os parâmetros de uma montagem em que o número de fissões por unidade de tempo é constante são chamados de críticos. A criticidade da montagem pode ser mantida com um número grande e pequeno de nêutrons (com uma potência de liberação de calor correspondentemente maior ou menor). A potência térmica é aumentada bombeando nêutrons adicionais de fora para o conjunto crítico ou tornando o conjunto supercrítico (então nêutrons adicionais são fornecidos por gerações cada vez mais numerosas de núcleos físseis). Por exemplo, se for necessário aumentar a potência térmica de um reator, ele é levado a um regime onde cada geração de nêutrons imediatos é um pouco menos numerosa que a anterior, mas graças aos nêutrons retardados, o reator passa quase imperceptivelmente para um estado crítico. Então ele não acelera, mas ganha potência lentamente - para que seu aumento possa ser interrompido no momento certo com a introdução de absorvedores de nêutrons (bastões contendo cádmio ou boro).

Os nêutrons produzidos durante a fissão geralmente passam pelos núcleos circundantes sem causar mais fissão. Quanto mais próximo da superfície de um material um nêutron for produzido, maior será a chance de ele escapar do material físsil e nunca mais retornar. Portanto, a forma de montagem, economizando maior número nêutrons é uma esfera: para uma determinada massa de matéria tem uma área superficial mínima. Uma bola não cercada (solitária) de 94% U235 sem cavidades internas torna-se crítica com massa de 49 kg e raio de 85 mm. Se um conjunto do mesmo urânio for um cilindro com comprimento igual ao diâmetro, torna-se crítico com massa de 52 kg. A área de superfície também diminui com o aumento da densidade. É por isso que a compressão explosiva, sem alterar a quantidade de material físsil, pode levar o conjunto a um estado crítico. É este processo que está subjacente ao desenho comum de uma carga nuclear.

Montagem de bola

Mas na maioria das vezes não é o urânio que é usado em armas nucleares, mas o plutônio-239. É produzido em reatores irradiando urânio-238 com poderosos fluxos de nêutrons. O plutônio custa cerca de seis vezes mais que o U235, mas durante a fissão, o núcleo do Pu239 emite em média 2.895 nêutrons – mais que o U235 (2.452). Além disso, a probabilidade de fissão do plutônio é maior. Tudo isso leva ao fato de que uma bola solitária de Pu239 se torna crítica com quase três vezes menos massa que uma bola de urânio e, o mais importante, com um raio menor, o que permite reduzir as dimensões do conjunto crítico.

A montagem é composta por duas metades cuidadosamente encaixadas em forma de camada esférica (oca por dentro); é obviamente subcrítico - mesmo para nêutrons térmicos e mesmo depois de estar rodeado por um moderador. Uma carga é montada em torno de um conjunto de blocos explosivos ajustados com muita precisão. Para economizar nêutrons, é necessário preservar o formato nobre da bola durante uma explosão - para isso, a camada de explosivo deve ser detonada simultaneamente em toda a sua superfície externa, comprimindo o conjunto uniformemente. É amplamente aceito que isso requer muitos detonadores elétricos. Mas isso só acontecia no início da “construção de bombas”: para acionar muitas dezenas de detonadores, era necessária muita energia e um tamanho considerável do sistema de iniciação. As cargas modernas utilizam vários detonadores selecionados por uma técnica especial, de características semelhantes, a partir dos quais explosivos altamente estáveis ​​​​(em termos de velocidade de detonação) são acionados em ranhuras fresadas em uma camada de policarbonato (cuja forma em uma superfície esférica é calculada usando a geometria de Riemann métodos). A detonação a uma velocidade de aproximadamente 8 km/s percorrerá as ranhuras em distâncias absolutamente iguais, no mesmo momento atingirá os buracos e detonará a carga principal - simultaneamente em todos os pontos necessários.

Explosão dentro

A explosão direcionada para dentro comprime o conjunto com uma pressão de mais de um milhão de atmosferas. A superfície do conjunto diminui, a cavidade interna do plutônio quase desaparece, a densidade aumenta e muito rapidamente - em dez microssegundos, o conjunto compressível passa do estado crítico com nêutrons térmicos e torna-se significativamente supercrítico com nêutrons rápidos.

Após um período determinado pelo insignificante tempo de desaceleração insignificante dos nêutrons rápidos, cada uma das novas e mais numerosas gerações deles adiciona uma energia de 202 MeV por fissão à substância do conjunto, que já está explodindo com uma pressão monstruosa. Na escala dos fenômenos que ocorrem, a resistência mesmo dos melhores aços-liga é tão minúscula que nunca ocorre a ninguém levá-la em consideração ao calcular a dinâmica de uma explosão. A única coisa que impede o conjunto de se desintegrar é a inércia: para expandir uma bola de plutônio em apenas 1 cm em dezenas de nanossegundos, é necessário transmitir à substância uma aceleração que é dezenas de trilhões de vezes maior que a aceleração de queda livre, e isso não é fácil.

No final, a matéria ainda se espalha, a fissão para, mas o processo não termina aí: a energia é redistribuída entre os fragmentos ionizados dos núcleos separados e outras partículas emitidas durante a fissão. Sua energia é da ordem de dezenas e até centenas de MeV, mas apenas gama quanta e nêutrons eletricamente neutros e de alta energia têm a chance de evitar a interação com a matéria e “escapar”. Partículas carregadas perdem energia rapidamente em atos de colisões e ionização. Nesse caso, a radiação é emitida - porém, não é mais uma radiação nuclear dura, mas uma radiação nuclear mais suave, com uma energia três ordens de grandeza menor, mas ainda mais do que suficiente para eliminar elétrons dos átomos - não apenas das camadas externas, mas de tudo em geral. Uma mistura de núcleos nus, elétrons retirados deles e radiação com densidade de gramas por centímetro cúbico (tente imaginar quão bem você pode se bronzear sob uma luz que adquiriu a densidade do alumínio!) - tudo o que há pouco era uma carga - entra em alguma aparência de equilíbrio. Numa bola de fogo muito jovem, a temperatura atinge dezenas de milhões de graus.

Bola fogo

Parece que mesmo a radiação suave movendo-se na velocidade da luz deveria deixar para trás a matéria que a gerou, mas não é assim: no ar frio, o alcance dos quanta de energias Kev é de centímetros, e eles não se movem em um linha reta, mas muda a direção do movimento, reemitindo a cada interação. Quanta ioniza o ar e se espalha por ele, como suco de cereja derramado em um copo d'água. Este fenômeno é chamado de difusão radiativa.

Uma jovem bola de fogo de uma explosão de 100 kt algumas dezenas de nanossegundos após o fim da explosão de fissão tem um raio de 3 m e uma temperatura de quase 8 milhões de Kelvin. Mas depois de 30 microssegundos o seu raio é de 18 m, embora a temperatura caia abaixo de um milhão de graus. A bola devora o espaço e o ar ionizado atrás de sua frente dificilmente se move: a radiação não pode transferir um impulso significativo para ela durante a difusão. Mas ele bombeia uma energia enorme para esse ar, aquecendo-o, e quando a energia da radiação acaba, a bola começa a crescer devido à expansão do plasma quente, explodindo por dentro com o que costumava ser uma carga. Expandindo-se, como uma bolha inflada, a camada de plasma torna-se mais fina. Ao contrário de uma bolha, é claro, nada a infla: quase não sobrou substância em seu interior, tudo voa do centro por inércia, mas 30 microssegundos após a explosão, a velocidade desse voo é superior a 100 km/s, e a pressão hidrodinâmica na substância é mais de 150.000 atm! A casca não está destinada a ficar muito fina; ela estoura, formando “bolhas”.

Qual dos mecanismos de transmissão da energia de uma bola de fogo ambiente prevalece, depende da potência da explosão: se for grande, o papel principal é desempenhado pela difusão da radiação; se for pequeno, a expansão da bolha de plasma desempenha um papel importante. É claro que um caso intermédio também é possível, quando ambos os mecanismos são eficazes.

O processo captura novas camadas de ar; não há mais energia suficiente para retirar todos os elétrons dos átomos. A energia da camada ionizada e dos fragmentos da bolha de plasma se esgota, eles não são mais capazes de mover a enorme massa à sua frente e desaceleram visivelmente. Mas o que era ar antes da explosão se move, afastando-se da bola, absorvendo cada vez mais camadas de ar frio... Começa a formação de uma onda de choque.

Onda de choque e cogumelo atômico

Quando a onda de choque se separa da bola de fogo, as características da camada emissora mudam e a potência da radiação na parte óptica do espectro aumenta acentuadamente (o chamado primeiro máximo). Em seguida, competem os processos de iluminação e mudanças na transparência do ar circundante, o que leva à realização de um segundo máximo, menos potente, mas muito mais longo - tanto que a saída de energia luminosa é maior do que no primeiro máximo .

Perto da explosão, tudo ao redor evapora, mais longe derrete, mas ainda mais longe, onde o fluxo de calor não é mais suficiente para derreter os sólidos, o solo, as rochas, as casas fluem como líquido, sob uma pressão monstruosa de gás que destrói todas as ligações fortes , aquecido a ponto de brilho insuportável para os olhos.

Finalmente, a onda de choque vai longe do ponto de explosão, onde uma nuvem de vapores solta e enfraquecida, mas muitas vezes expandida, do que já foi o plasma da carga, e do que estava em seu próprio hora terrível acabou por estar perto de um lugar do qual se deveria ficar o mais longe possível. A nuvem começa a subir. Ele esfria, mudando de cor, “coloca” uma capa branca de umidade condensada, seguida de poeira da superfície da terra, formando a “perna” do que comumente se chama de “cogumelo atômico”.

Iniciação de nêutrons

Leitores atentos podem estimar a liberação de energia durante uma explosão com um lápis nas mãos. Quando o tempo que o conjunto está em estado supercrítico é da ordem de microssegundos, a idade dos nêutrons é da ordem de picossegundos e o fator de multiplicação é menor que 2, cerca de um gigajoule de energia é liberado, o que equivale a ... 250 kg de TNT. Onde estão os quilo e megatons?

O fato é que a cadeia de fissão na montagem não começa com um nêutron: no microssegundo necessário, eles são injetados na montagem supercrítica aos milhões. Nas primeiras cargas nucleares, para isso foram utilizadas fontes isotópicas localizadas em uma cavidade dentro do conjunto de plutônio: o polônio-210, no momento da compressão, combinou-se com o berílio e causou emissão de nêutrons com suas partículas alfa. Mas todas as fontes isotópicas são bastante fracas (no primeiro produto americano foram gerados menos de um milhão de nêutrons por microssegundo), e o polônio é muito perecível - em apenas 138 dias reduz sua atividade pela metade. Portanto, os isótopos foram substituídos por outros menos perigosos (que não emitem quando não estão ligados) e, o mais importante, por tubos de nêutrons que emitem com mais intensidade (ver barra lateral): em poucos microssegundos (a duração do pulso formado pelo tubo) nascem centenas de milhões de nêutrons. Mas se não funcionar ou funcionar na hora errada, ocorrerá o chamado estrondo ou “zilch” - uma explosão térmica de baixa potência.

A iniciação de nêutrons não apenas aumenta a liberação de energia de uma explosão nuclear em muitas ordens de grandeza, mas também permite regulá-la! É claro que, tendo recebido uma missão de combate, ao definir qual deve ser indicada a potência de um ataque nuclear, ninguém desmonta a carga para equipá-la com um conjunto de plutônio ideal para uma determinada potência. Em munições com equivalente TNT comutável, basta simplesmente alterar a tensão de alimentação do tubo de nêutrons. Conseqüentemente, o rendimento de nêutrons e a liberação de energia mudarão (é claro, quando a potência é reduzida dessa forma, muito plutônio caro é desperdiçado).

Mas eles começaram a pensar na necessidade de regular a liberação de energia muito mais tarde e, nos primeiros anos do pós-guerra, não se podia falar em redução de energia. Mais poderoso, mais poderoso e mais poderoso! Mas descobriu-se que existem restrições físicas e hidrodinâmicas nucleares nas dimensões permitidas da esfera subcrítica. O equivalente em TNT a uma explosão de cem quilotons está próximo do limite físico para munições monofásicas, nas quais ocorre apenas fissão. Como resultado, a fissão foi abandonada como principal fonte de energia, e o foco estava nas reações de outra classe - a fusão.

Equívocos nucleares

A densidade do plutônio no momento da explosão aumenta devido a uma transição de fase

O plutônio metálico existe em seis fases, cuja densidade varia de 14,7 a 19,8 g/cm3. Em temperaturas abaixo de 119 °C há uma fase alfa monoclínica (19,8 g/cm3), mas esse plutônio é muito frágil, e na fase delta cúbica de face centrada (15,9) é plástico e bem processado (é esta fase que eles tentam preservar usando aditivos de liga). Durante a compressão de detonação, nenhuma transição de fase pode ocorrer - o plutônio está em um estado quase líquido. As transições de fase são perigosas durante a produção: com peças grandes, mesmo com uma ligeira alteração na densidade, pode ser alcançado um estado crítico. É claro que não haverá explosão - a peça simplesmente aquecerá, mas o revestimento de níquel poderá ser liberado (e o plutônio é muito tóxico).

Fonte de nêutrons

Em um tubo de nêutrons a vácuo, uma tensão de pulso de 100 kV é aplicada entre o alvo saturado de trítio (cátodo) (1) e o conjunto anódico (2). Quando a tensão é máxima, é necessário que os íons deutério estejam entre o ânodo e o cátodo, que precisam ser acelerados. Uma fonte de íons é usada para isso. Um pulso de ignição é aplicado ao seu ânodo (3), e a descarga, passando pela superfície da cerâmica saturada de deutério (4), forma íons de deutério. Depois de acelerar, eles bombardeiam um alvo saturado com trítio, como resultado da liberação de uma energia de 17,6 MeV e da formação de nêutrons e núcleos de hélio-4.

Em termos de composição de partículas e até mesmo produção de energia, esta reação é idêntica à fusão - o processo de fusão de núcleos leves. Na década de 1950, muitos acreditavam que se tratava de fusão, mas depois descobriu-se que ocorre uma “ruptura” no tubo: ou um próton ou um nêutron (que compõe o íon deutério, acelerado por um campo elétrico) “fica preso” no núcleo alvo (trítio). Se um próton ficar preso, o nêutron se separa e fica livre.

Nêutrons - lentos e rápidos

Em uma substância não físsil, “rebatendo” nos núcleos, os nêutrons transferem para eles parte de sua energia, tanto maior quanto mais leves (mais próximos deles em massa) os núcleos. Do que em mais colisões, os nêutrons estão envolvidos, mais eles desaceleram e, finalmente, entram em equilíbrio térmico com a matéria circundante - são termalizados (isso leva milissegundos). A velocidade do nêutron térmico é 2.200 m/s (energia 0,025 eV). Os nêutrons podem escapar do moderador e serem capturados por seus núcleos, mas com moderação sua capacidade de entrar em reações nucleares aumenta significativamente, de modo que os nêutrons que não são “perdidos” mais do que compensam a diminuição dos números.

Assim, se uma bola de material físsil for cercada por um moderador, muitos nêutrons sairão do moderador ou serão absorvidos por ele, mas também haverá alguns que retornarão à bola (“refletirão”) e, tendo perdido sua energia, são muito mais propensos a causar eventos de fissão. Se a bola estiver rodeada por uma camada de berílio com 25 mm de espessura, então 20 kg de U235 podem ser economizados e ainda assim atingir o estado crítico da montagem. Mas essas poupanças custam tempo: cada geração subsequente de neutrões deve primeiro abrandar antes de causar a fissão. Este atraso reduz o número de gerações de nêutrons nascidos por unidade de tempo, o que significa que a liberação de energia é atrasada. Quanto menos material físsil na montagem, mais moderador é necessário para desenvolver uma reação em cadeia, e a fissão ocorre com nêutrons de energia cada vez mais baixa. No caso limite, quando a criticidade é alcançada apenas com nêutrons térmicos, por exemplo, em uma solução de sais de urânio em um bom moderador - água, a massa dos conjuntos é de centenas de gramas, mas a solução simplesmente ferve periodicamente. As bolhas de vapor liberadas reduzem a densidade média da substância físsil, a reação em cadeia para e, quando as bolhas saem do líquido, o surto de fissão se repete (se você entupir o vaso, o vapor irá rompê-lo - mas isso será térmico explosão, desprovida de todos os sinais “nucleares” típicos).

Vídeo: Explosões nucleares

Assine e leia nossas melhores publicações em Yandex.Zen. Olhar lindas fotos de todo o mundo em nossa página em Instagram

Se você encontrar um erro, selecione um trecho de texto e pressione Ctrl+Enter.

Após o fim da Segunda Guerra Mundial, os países da coalizão anti-Hitler tentaram rapidamente se adiantar no desenvolvimento de uma bomba nuclear mais poderosa.

O primeiro teste, realizado pelos americanos em objetos reais no Japão, esquentou ao limite a situação entre a URSS e os EUA. Explosões poderosas que trovejaram pelas cidades japonesas e praticamente destruíram toda a vida nelas forçaram Stalin a abandonar muitas reivindicações no cenário mundial. A maioria dos físicos soviéticos foi urgentemente “lançada” no desenvolvimento de armas nucleares.

Quando e como surgiram as armas nucleares?

Ano de nascimento bomba atômica pode ser considerado 1896. Foi então que o químico francês A. Becquerel descobriu que o urânio é radioativo. A reação em cadeia do urânio cria uma energia poderosa, que serve de base para uma terrível explosão. É improvável que Becquerel imaginasse que sua descoberta levaria à criação de armas nucleares - a arma mais terrível do mundo.

O final do século XIX e início do século XX foi um ponto de viragem na história da invenção das armas nucleares. Foi durante esse período que os cientistas varios paises mundo foram capazes de descobrir as seguintes leis, raios e elementos:

• Raios alfa, gama e beta;
• Muitos isótopos de elementos químicos com propriedades radioativas foram descobertos;
• Foi descoberta a lei do decaimento radioativo, que determina o tempo e a dependência quantitativa da intensidade do decaimento radioativo, dependendo do número de átomos radioativos na amostra de teste;
• Nasceu a isometria nuclear.

Na década de 1930, eles conseguiram dividir o núcleo atômico do urânio pela primeira vez, absorvendo nêutrons. Ao mesmo tempo, foram descobertos pósitrons e neurônios. Tudo isso deu um impulso poderoso ao desenvolvimento de armas que utilizavam energia atômica. Em 1939, o primeiro projeto de bomba atômica do mundo foi patenteado. Isso foi feito por um físico francês, Frederic Joliot-Curie.

Como resultado de mais pesquisas e desenvolvimento nesta área, nasceu uma bomba nuclear. O poder e o alcance de destruição das bombas atômicas modernas são tão grandes que um país com potencial nuclear praticamente não precisa de um exército poderoso, pois uma bomba atômica pode destruir um estado inteiro.

Como funciona uma bomba atômica?

Uma bomba atômica consiste em muitos elementos, sendo os principais:

• Corpo da bomba atômica;
• Sistema de automação que controla o processo de explosão;
• Carga nuclear ou ogiva.

O sistema de automação está localizado no corpo da bomba atômica, junto com a carga nuclear. O projeto do invólucro deve ser confiável o suficiente para proteger a ogiva de vários fatores e influências externas. Por exemplo, várias influências mecânicas, de temperatura ou semelhantes, que podem levar a uma explosão não planejada de enorme poder que pode destruir tudo ao seu redor.

A tarefa da automação é o controle total para garantir que a explosão ocorra no momento certo, portanto o sistema é composto pelos seguintes elementos:

• Dispositivo responsável pela detonação de emergência;
• Fonte de alimentação do sistema de automação;
• Sistema de sensores de detonação;
• Dispositivo de armar;
• Dispositivo de segurança.

Quando foram realizados os primeiros testes, bombas nucleares foram lançadas em aviões que conseguiram sair da área afetada. As bombas atômicas modernas são tão poderosas que só podem ser lançadas usando mísseis de cruzeiro, balísticos ou pelo menos antiaéreos.

As bombas atômicas usam vários sistemas de detonação. O mais simples deles é um dispositivo convencional que é acionado quando um projétil atinge um alvo.

Uma das principais características das bombas e mísseis nucleares é a sua divisão em calibres, que são de três tipos:

• Pequeno, o poder das bombas atômicas deste calibre equivale a vários milhares de toneladas de TNT;
• Médio (poder de explosão – várias dezenas de milhares de toneladas de TNT);
• Grande, cuja potência de carga é medida em milhões de toneladas de TNT.

Curiosamente, o poder de todas as bombas nucleares é mais frequentemente medido em Equivalente a TNT, já que as armas atômicas não possuem escala própria para medir a potência da explosão.

Algoritmos para operação de bombas nucleares

Qualquer bomba atômica opera segundo o princípio do uso de energia nuclear, que é liberada durante uma reação nuclear. Este procedimento baseia-se na divisão de núcleos pesados ​​ou na síntese de núcleos leves. Visto que durante esta reação é liberada uma grande quantidade de energia, e no menor tempo possível, o raio de destruição de uma bomba nuclear é impressionante. Por causa desse recurso arma nuclear classificadas como armas de destruição em massa.

Durante o processo desencadeado pela explosão de uma bomba atômica, existem dois pontos principais:

• Este é o centro imediato da explosão, onde ocorre a reação nuclear;
• O epicentro da explosão, localizado no local onde a bomba explodiu.

A energia nuclear liberada durante a explosão de uma bomba atômica é tão forte que começam os tremores sísmicos na Terra. Ao mesmo tempo, esses tremores causam destruição direta apenas a uma distância de várias centenas de metros (embora se levarmos em conta a força da explosão da própria bomba, esses tremores não afetam mais nada).

Fatores de dano durante uma explosão nuclear

A explosão de uma bomba nuclear não causa apenas uma terrível destruição instantânea. As consequências desta explosão serão sentidas não só pelas pessoas apanhadas na área afectada, mas também pelos seus filhos nascidos após a explosão atómica. Os tipos de destruição por armas atômicas são divididos nos seguintes grupos:

• Radiação luminosa que ocorre diretamente durante uma explosão;
• A onda de choque propagada pela bomba imediatamente após a explosão;
• Pulso eletromagnetico;
• Radiação penetrante;
• Contaminação radioativa que pode durar décadas.

Embora à primeira vista um flash de luz pareça ser o menos ameaçador, na verdade é o resultado da liberação de enormes quantidades de calor e energia luminosa. Seu poder e força excedem em muito o poder dos raios solares, portanto, os danos causados ​​pela luz e pelo calor podem ser fatais a uma distância de vários quilômetros.

A radiação liberada durante uma explosão também é muito perigosa. Embora não atue por muito tempo, consegue infectar tudo ao seu redor, pois seu poder de penetração é incrivelmente alto.

A onda de choque durante uma explosão atômica atua de forma semelhante à mesma onda durante as explosões convencionais, apenas seu poder e raio de destruição são muito maiores. Em poucos segundos, causa danos irreparáveis ​​não só às pessoas, mas também aos equipamentos, aos edifícios e ao meio ambiente envolvente.

A radiação penetrante provoca o desenvolvimento da doença da radiação, e o pulso eletromagnético representa perigo apenas para o equipamento. A combinação de todos esses fatores, mais o poder da explosão, faz da bomba atômica a arma mais perigosa do mundo.

Os primeiros testes de armas nucleares do mundo

O primeiro país a desenvolver e testar armas nucleares foram os Estados Unidos da América. Foi o governo dos EUA quem atribuiu enormes subsídios financeiros para o desenvolvimento de novas armas promissoras. No final de 1941, muitos cientistas de destaque no campo do desenvolvimento atômico foram convidados para os Estados Unidos, que em 1945 conseguiram apresentar um protótipo de bomba atômica adequado para testes.

Os primeiros testes mundiais de uma bomba atômica equipada com um dispositivo explosivo foram realizados no deserto do Novo México. A bomba, chamada "Gadget", foi detonada em 16 de julho de 1945. O resultado do teste foi positivo, embora os militares tenham exigido que a bomba nuclear fosse testada em condições reais de combate.

Vendo que faltava apenas um passo antes da vitória da coalizão hitlerista, e que tal oportunidade poderia não surgir novamente, o Pentágono decidiu atacar ataque nuclear de acordo com o último aliado da Alemanha nazista - o Japão. Além disso, o uso de uma bomba nuclear deveria resolver vários problemas ao mesmo tempo:

• Para evitar o derramamento de sangue desnecessário que inevitavelmente ocorreria se as tropas dos EUA pisassem em solo imperial japonês;
• Com um só golpe, colocar os inflexíveis japoneses de joelhos, forçando-os a aceitar termos favoráveis ​​aos Estados Unidos;
• Mostrar à URSS (como possível rival no futuro) que o Exército dos EUA possui uma arma única capaz de exterminar qualquer cidade da face da terra;
• E, claro, ver na prática do que as armas nucleares são capazes em condições reais de combate.

Em 6 de agosto de 1945, a primeira bomba atômica do mundo, usada em operações militares, foi lançada sobre a cidade japonesa de Hiroshima. Esta bomba foi chamada de "Baby" porque pesava 4 toneladas. O lançamento da bomba foi cuidadosamente planejado e atingiu exatamente onde foi planejado. As casas que não foram destruídas pela onda de choque pegaram fogo, pois os fogões que caíram nas casas provocaram incêndios e toda a cidade foi envolvida pelas chamas.

O clarão brilhante foi seguido por uma onda de calor que queimou toda a vida num raio de 4 quilômetros, e a onda de choque subsequente destruiu a maioria dos edifícios.

Aqueles que sofreram insolação num raio de 800 metros foram queimados vivos. A onda de choque arrancou a pele queimada de muitos. Alguns minutos depois, uma estranha chuva negra começou a cair, composta de vapor e cinzas. Aqueles que foram pegos pela chuva negra sofreram queimaduras incuráveis ​​na pele.

Os poucos que tiveram a sorte de sobreviver sofriam do enjoo da radiação, que na época não só não era estudado, mas também completamente desconhecido. As pessoas começaram a desenvolver febre, vômitos, náuseas e ataques de fraqueza.

Em 9 de agosto de 1945, a segunda bomba americana, chamada “Fat Man”, foi lançada sobre a cidade de Nagasaki. Esta bomba tinha aproximadamente o mesmo poder da primeira, e as consequências de sua explosão foram igualmente destrutivas, embora metade das pessoas tenham morrido.

As duas bombas atômicas lançadas sobre cidades japonesas foram os primeiros e únicos casos no mundo de uso de armas atômicas. Mais de 300 mil pessoas morreram nos primeiros dias após o bombardeio. Cerca de 150 mil morreram devido à doença da radiação.

Após o bombardeio nuclear das cidades japonesas, Stalin recebeu um verdadeiro choque. Tornou-se claro para ele que a questão do desenvolvimento de armas nucleares em Rússia soviética- É uma questão de segurança para todo o país. Já em 20 de agosto de 1945, começou a funcionar uma comissão especial sobre questões de energia atômica, criada com urgência por I. Stalin.

Embora a pesquisa em física nuclear tenha sido realizada por um grupo de entusiastas no Rússia czarista, V Hora soviética ela não recebeu atenção suficiente. Em 1938, todas as pesquisas nesta área foram completamente interrompidas e muitos cientistas nucleares foram reprimidos como inimigos do povo. Depois das explosões nucleares no Japão Autoridade soviética começou drasticamente a restaurar a indústria nuclear no país.

Há evidências de que o desenvolvimento de armas nucleares foi realizado na Alemanha nazista, e foram os cientistas alemães que modificaram a bomba atômica americana “bruta”, de modo que o governo dos EUA retirou da Alemanha todos os especialistas nucleares e todos os documentos relacionados ao desenvolvimento de armas nucleares. armas.

A escola de inteligência soviética, que durante a guerra conseguiu contornar todos os serviços de inteligência estrangeiros, transferiu documentos secretos relacionados com o desenvolvimento de armas nucleares para a URSS em 1943. Ao mesmo tempo, agentes soviéticos infiltraram-se em todos os principais centros de investigação nuclear americanos.

Como resultado de todas essas medidas, já em 1946, as especificações técnicas para a produção de duas bombas nucleares de fabricação soviética estavam prontas:

• RDS-1 (com carga de plutônio);
• RDS-2 (com duas partes de carga de urânio).

A abreviatura “RDS” significava “A Rússia faz isso sozinha”, o que era quase totalmente verdade.

A notícia de que a URSS estava pronta para libertar as suas armas nucleares forçou o governo dos EUA a tomar medidas drásticas. Em 1949, foi desenvolvido o plano Trojan, segundo o qual 70 As maiores cidades A URSS planejou lançar bombas atômicas. Apenas o receio de um ataque retaliatório impediu que este plano se concretizasse.

Esta informação alarmante vinda dos oficiais da inteligência soviética forçou os cientistas a trabalhar em modo de emergência. Já em agosto de 1949, ocorreram os testes da primeira bomba atômica produzida na URSS. Quando os Estados Unidos souberam destes testes, o plano do Trojan foi adiado indefinidamente. Começou a era de confronto entre duas superpotências, conhecida na história como Guerra Fria.

A bomba nuclear mais poderosa do mundo, conhecida como Tsar Bomba, pertence especificamente ao período da Guerra Fria. Cientistas da URSS criaram mais bomba poderosa na história da humanidade. Sua potência era de 60 megatons, embora se planejasse criar uma bomba com potência de 100 quilotons. Esta bomba foi testada em outubro de 1961. O diâmetro da bola de fogo durante a explosão foi de 10 quilômetros, e a onda de choque voou ao redor Terra três vezes. Foi este teste que forçou a maioria dos países do mundo a assinar um acordo para acabar com testes nucleares não apenas na atmosfera terrestre, mas até no espaço.

Embora armas atômicasé um excelente meio de intimidar países agressivos; por outro lado, é capaz de eliminar quaisquer conflitos militares pela raiz, uma vez que uma explosão atómica pode destruir todas as partes no conflito.

Geração de energia nuclear – moderna e rápida método de desenvolvimento produção de eletricidade. Você sabe como funcionam as usinas nucleares? Qual é o princípio de funcionamento de uma usina nuclear? Que tipos de reatores nucleares existem hoje? Tentaremos considerar detalhadamente o esquema de operação de uma usina nuclear, nos aprofundar na estrutura de um reator nuclear e descobrir o quão seguro é o método nuclear de geração de eletricidade.

Qualquer estação é uma área fechada longe de uma área residencial. Existem vários edifícios no seu território. A estrutura mais importante é o edifício do reator, ao lado fica a sala das turbinas, a partir da qual o reator é controlado, e o edifício de segurança.

O esquema é impossível sem um reator nuclear. Um reator atômico (nuclear) é um dispositivo de usina nuclear projetado para organizar uma reação em cadeia de fissão de nêutrons com a liberação obrigatória de energia durante esse processo. Mas qual é o princípio de funcionamento de uma usina nuclear?

Toda a instalação do reator está alojada no edifício do reator, uma grande torre de concreto que esconde o reator e conterá todos os produtos da reação nuclear em caso de acidente. Esta grande torre é chamada de contenção, casca hermética ou zona de contenção.

A zona hermética em novos reatores possui 2 grossas paredes de concreto - conchas.
A camada externa, com 80 cm de espessura, protege a zona de contenção de influências externas.

A casca interna, de 1 metro e 20 cm de espessura, possui cabos de aço especiais que aumentam quase três vezes a resistência do concreto e evitam o desmoronamento da estrutura. Internamente é revestido por uma fina chapa de aço especial, que tem como objetivo servir como proteção adicional à contenção e, em caso de acidente, não liberar o conteúdo do reator para fora da zona de contenção.

Este projeto da usina nuclear permite resistir a um acidente de avião pesando até 200 toneladas, um terremoto de magnitude 8, um tornado e um tsunami.

A primeira cápsula selada foi construída na usina nuclear americana Connecticut Yankee em 1968.

A altura total da zona de contenção é de 50 a 60 metros.

Em que consiste um reator nuclear?

Para compreender o princípio de funcionamento de um reator nuclear e, portanto, o princípio de funcionamento de uma usina nuclear, é necessário compreender os componentes do reator.

• Zona ativa. Esta é a área onde são colocados o combustível nuclear (gerador de combustível) e o moderador. Os átomos de combustível (na maioria das vezes o urânio é o combustível) sofrem uma reação de fissão em cadeia. O moderador foi projetado para controlar o processo de fissão e permite a reação necessária em termos de velocidade e força.
• Refletor de nêutrons. Um refletor envolve o núcleo. Consiste no mesmo material do moderador. Em essência, trata-se de uma caixa cujo objetivo principal é evitar que os nêutrons saiam do núcleo e entrem no ambiente.
• Refrigerante. O refrigerante deve absorver o calor liberado durante a fissão dos átomos do combustível e transferi-lo para outras substâncias. O refrigerante determina em grande parte como uma usina nuclear é projetada. O refrigerante mais popular hoje é a água.
  Sistema de controle do reator. Sensores e mecanismos que alimentam um reator de usina nuclear.

Combustível para usinas nucleares

Em que opera uma usina nuclear? O combustível para usinas nucleares são elementos químicos com propriedades radioativas. Em todas as usinas nucleares, esse elemento é o urânio.

O projeto das estações implica que as usinas nucleares operem com combustível composto complexo, e não com um elemento químico puro. E para extrair combustível de urânio do urânio natural, que é carregado em um reator nuclear, é necessário realizar muitas manipulações.

Urânio enriquecido

O urânio é composto por dois isótopos, ou seja, contém núcleos com massas diferentes. Eles foram nomeados pelo número de prótons e nêutrons do isótopo -235 e do isótopo-238. Pesquisadores do século 20 começaram a extrair urânio 235 do minério, porque... era mais fácil decompor e transformar. Descobriu-se que esse urânio na natureza é de apenas 0,7% (a porcentagem restante vai para o 238º isótopo).

O que fazer neste caso? Eles decidiram enriquecer urânio. O enriquecimento de urânio é um processo no qual muitos dos isótopos 235x necessários permanecem nele e poucos isótopos 238x desnecessários. A tarefa dos enriquecedores de urânio é transformar 0,7% em quase 100% de urânio-235.

O urânio pode ser enriquecido usando duas tecnologias: difusão de gás ou centrífuga de gás. Para utilizá-los, o urânio extraído do minério é convertido ao estado gasoso. É enriquecido na forma de gás.

Urânio em pó

O gás de urânio enriquecido é convertido em estado sólido - dióxido de urânio. Este urânio 235 sólido puro aparece como grandes cristais brancos, que são posteriormente esmagados em pó de urânio.

Comprimidos de urânio

As pastilhas de urânio são discos de metal sólido com alguns centímetros de comprimento. Para formar esses comprimidos a partir do pó de urânio, ele é misturado a uma substância - um plastificante, que melhora a qualidade da prensagem dos comprimidos.

Os discos prensados ​​são cozidos a uma temperatura de 1.200 graus Celsius por mais de um dia para dar aos comprimidos força especial e resistência a altas temperaturas. O modo como uma usina nuclear opera depende diretamente de quão bem o combustível de urânio é comprimido e cozido.

Os comprimidos são cozidos em caixas de molibdênio, pois somente este metal é capaz de não derreter em temperaturas “infernais” de mais de mil e quinhentos graus. Depois disso, o combustível de urânio para usinas nucleares é considerado pronto.

O que são TVEL e FA?

O núcleo do reator parece um enorme disco ou tubo com furos nas paredes (dependendo do tipo de reator), 5 vezes maior corpo humano. Esses buracos contêm urânio combustível, cujos átomos realizam a reação desejada.

É impossível simplesmente jogar combustível no reator, a menos que você queira causar uma explosão em toda a estação e um acidente com consequências para alguns estados próximos. Portanto, o combustível de urânio é colocado em barras de combustível e depois coletado em conjuntos de combustível. O que essas abreviações significam?

• TVEL é um elemento combustível (não confundir com o mesmo nome da empresa russa que os produz). É essencialmente um tubo fino e longo de zircônio feito de ligas de zircônio no qual são colocadas pastilhas de urânio. É nas barras de combustível que os átomos de urânio começam a interagir entre si, liberando calor durante a reação.

O zircônio foi escolhido como material para a produção de varetas combustíveis devido à sua refratariedade e propriedades anticorrosivas.

O tipo de barras de combustível depende do tipo e estrutura do reator. Via de regra, a estrutura e a finalidade das barras de combustível não mudam, o comprimento e a largura do tubo podem ser diferentes.

A máquina carrega mais de 200 pelotas de urânio em um tubo de zircônio. No total, cerca de 10 milhões de pelotas de urânio trabalham simultaneamente no reator.
FA – conjunto de combustível. Os trabalhadores da usina nuclear chamam os conjuntos de combustível de pacotes.

Essencialmente, estas são várias barras de combustível unidas. FA é o combustível nuclear acabado, com o qual uma usina nuclear opera. São os conjuntos de combustível que são carregados no reator nuclear. Cerca de 150 a 400 conjuntos de combustível são colocados em um reator.
Dependendo do reator em que os conjuntos de combustível irão operar, eles podem ser Formas diferentes. Às vezes, os feixes são dobrados em forma cúbica, às vezes em formato cilíndrico, às vezes em formato hexagonal.

Um conjunto de combustível ao longo de 4 anos de operação produz a mesma quantidade de energia que a queima de 670 carros de carvão, 730 tanques de gás natural ou 900 tanques carregados de petróleo.
Hoje, os conjuntos de combustível são produzidos principalmente em fábricas na Rússia, França, EUA e Japão.

Para fornecer combustível para usinas nucleares a outros países, os conjuntos de combustível são selados em tubos metálicos longos e largos, o ar é bombeado para fora dos tubos e entregue por máquinas especiais a bordo de aviões de carga.

O combustível nuclear para usinas nucleares pesa proibitivamente muito, porque... o urânio é um dos metais mais pesados ​​do planeta. Sua gravidade específica é 2,5 vezes maior que a do aço.

Usina nuclear: princípio de funcionamento

Qual é o princípio de funcionamento de uma usina nuclear? O princípio de funcionamento das usinas nucleares é baseado em uma reação em cadeia de fissão de átomos de uma substância radioativa - o urânio. Esta reação ocorre no núcleo de um reator nuclear.

É IMPORTANTE SABER:

Sem entrar nos meandros da física nuclear, o princípio de funcionamento de uma usina nuclear é assim:
Após a partida de um reator nuclear, as barras absorvedoras são removidas das barras de combustível, o que impede a reação do urânio.

Depois que as hastes são removidas, os nêutrons do urânio começam a interagir uns com os outros.

Quando os nêutrons colidem, ocorre uma mini-explosão em nível atômico, a energia é liberada e novos nêutrons nascem, uma reação em cadeia começa a ocorrer. Este processo gera calor.

O calor é transferido para o refrigerante. Dependendo do tipo de refrigerante, ele se transforma em vapor ou gás, que faz girar a turbina.

A turbina aciona um gerador elétrico. É ele quem realmente gera a corrente elétrica.

Se você não monitorar o processo, os nêutrons de urânio podem colidir uns com os outros até explodir o reator e destruir toda a usina nuclear em pedacinhos. O processo é controlado por sensores de computador. Eles detectam um aumento na temperatura ou uma mudança na pressão no reator e podem interromper automaticamente as reações.

Como o princípio de funcionamento das usinas nucleares difere das usinas termelétricas (usinas termelétricas)?

Existem diferenças no trabalho apenas nas primeiras etapas. Numa central nuclear, o refrigerante recebe calor da fissão dos átomos do combustível de urânio; numa central térmica, o refrigerante recebe calor da combustão de combustível orgânico (carvão, gás ou petróleo). Depois que os átomos de urânio ou o gás e o carvão liberam calor, os esquemas de operação das usinas nucleares e das usinas termelétricas são os mesmos.

Tipos de reatores nucleares

O modo como uma usina nuclear opera depende exatamente de como seu reator nuclear funciona. Hoje existem dois tipos principais de reatores, que são classificados de acordo com o espectro dos neurônios:
Um reator de nêutrons lento, também chamado de reator térmico.

Para seu funcionamento é utilizado o urânio 235, que passa pelas etapas de enriquecimento, criação de pelotas de urânio, etc. Hoje, a grande maioria dos reatores usa nêutrons lentos.
Reator de nêutrons rápido.

Esses reatores são o futuro, porque... Eles trabalham com urânio-238, que custa um centavo a dúzia na natureza e não há necessidade de enriquecer esse elemento. A única desvantagem de tais reatores são os custos muito elevados de projeto, construção e inicialização. Hoje, os reatores rápidos de nêutrons operam apenas na Rússia.

O refrigerante em reatores de nêutrons rápidos é mercúrio, gás, sódio ou chumbo.

Os reatores de nêutrons lentos, que todas as usinas nucleares do mundo usam hoje, também vêm em vários tipos.

A organização AIEA (Agência Internacional de Energia Atômica) criou sua própria classificação, que é mais utilizada na indústria global de energia nuclear. Dado que o princípio de funcionamento de uma central nuclear depende em grande parte da escolha do refrigerante e do moderador, a AIEA baseou a sua classificação nestas diferenças.

Do ponto de vista químico, o óxido de deutério é um moderador e refrigerante ideal, porque seus átomos interagem de forma mais eficaz com os nêutrons do urânio em comparação com outras substâncias. Simplificando, a água pesada executa sua tarefa com perdas mínimas e resultados máximos. Porém, sua produção custa dinheiro, enquanto a água comum “leve” e familiar é muito mais fácil de usar.

Alguns fatos sobre reatores nucleares...

É interessante que um reator de uma usina nuclear leve pelo menos 3 anos para ser construído!
Para construir um reator, é necessário um equipamento que funcione com uma corrente elétrica de 210 quiloamperes, um milhão de vezes maior que a corrente que pode matar uma pessoa.

Um invólucro (elemento estrutural) de um reator nuclear pesa 150 toneladas. Existem 6 desses elementos em um reator.

Reator de água pressurizada

Já descobrimos como funciona uma usina nuclear em geral; para colocar tudo em perspectiva, vejamos como funciona o reator nuclear de água pressurizada mais popular.
Atualmente, em todo o mundo, são usados ​​reatores de água pressurizada de geração 3+. Eles são considerados os mais confiáveis ​​e seguros.

Todos os reatores de água pressurizada do mundo, ao longo de todos os anos de operação, já acumularam mais de 1000 anos de operação sem problemas e nunca apresentaram desvios graves.

A estrutura das usinas nucleares que utilizam reatores de água pressurizada implica que água destilada aquecida a 320 graus circule entre as barras de combustível. Para evitar que entre no estado de vapor, é mantido sob pressão de 160 atmosferas. O diagrama da usina nuclear chama isso de circuito primário de água.

A água aquecida entra no gerador de vapor e cede seu calor à água do circuito secundário, após o que “retorna” novamente ao reator. Externamente, parece que os tubos de água do primeiro circuito estão em contato com outros tubos - a água do segundo circuito, eles transferem calor entre si, mas as águas não entram em contato. Os tubos estão em contato.

Assim, fica excluída a possibilidade de entrada de radiação na água do circuito secundário, que posteriormente participará do processo de geração de energia elétrica.

Segurança operacional da central nuclear

Tendo aprendido o princípio de funcionamento das usinas nucleares, devemos compreender como funciona a segurança. A construção de centrais nucleares exige hoje uma maior atenção às regras de segurança.
Os custos de segurança da central nuclear representam aproximadamente 40% do custo total da própria usina.

O projeto da usina nuclear inclui 4 barreiras físicas que impedem a liberação de substâncias radioativas. O que essas barreiras deveriam fazer? No momento certo, ser capaz de interromper a reação nuclear, garantir a remoção constante de calor do núcleo e do próprio reator e evitar a liberação de radionuclídeos além da contenção (zona hermética).

• A primeira barreira é a resistência das pelotas de urânio.É importante que não sejam destruídos pelas altas temperaturas num reator nuclear. Muito do funcionamento de uma central nuclear depende da forma como as pastilhas de urânio são “cozidas” durante a fase inicial de fabrico. Se as pelotas de combustível de urânio não forem cozidas corretamente, as reações dos átomos de urânio no reator serão imprevisíveis.
• A segunda barreira é a estanqueidade das barras de combustível. Os tubos de zircônio devem ser hermeticamente fechados; se o selo for quebrado, na melhor das hipóteses o reator será danificado e o trabalho será interrompido; na pior das hipóteses, tudo voará para o ar.
• A terceira barreira é um reator de aço durável a, (aquela mesma grande torre - zona hermética) que “mantém” todos os processos radioativos. Se a caixa estiver danificada, a radiação escapará para a atmosfera.
• A quarta barreira são as hastes de proteção de emergência. Hastes com moderadores são suspensas acima do núcleo por ímãs, que podem absorver todos os nêutrons em 2 segundos e interromper a reação em cadeia.

Se, apesar do projeto de uma usina nuclear com muitos graus de proteção, não for possível resfriar o núcleo do reator no momento certo e a temperatura do combustível subir para 2.600 graus, então entra em jogo a última esperança do sistema de segurança - a chamada armadilha de fusão.

O fato é que a esta temperatura o fundo do recipiente do reator derreterá e todos os restos de combustível nuclear e estruturas fundidas fluirão para um “vidro” especial suspenso acima do núcleo do reator.

A armadilha de fusão é refrigerada e à prova de fogo. É preenchido com o chamado “material sacrificial”, que interrompe gradualmente a reação em cadeia da fissão.

Assim, o projeto da usina nuclear implica diversos graus de proteção, que eliminam quase completamente qualquer possibilidade de acidente.