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Todo o volume do intercontinental Míssil balístico, dezenas de metros e toneladas de ligas ultra-fortes, combustível de alta tecnologia e eletrônicos perfeitos são necessários apenas para uma coisa - para entregar uma ogiva ao seu destino: um cone de um metro e meio de altura e espessura na base com um humano tronco.

Vamos dar uma olhada em alguma ogiva típica (na realidade, pode haver diferenças de design entre as ogivas). Este é um cone feito de ligas resistentes leves. Dentro, há anteparos, estruturas, uma estrutura de energia - quase tudo é como em um avião. A estrutura de suporte de carga é coberta com revestimento de metal durável. Uma espessa camada de revestimento protetor de calor é aplicada à pele. Parece um antigo cesto neolítico, generosamente revestido com argila e queimado nas primeiras experiências humanas com calor e cerâmica. A semelhança é fácil de explicar: tanto a cesta quanto a ogiva terão que resistir ao calor externo.

Dentro do cone, fixados em seus "assentos", estão dois "passageiros" principais para os quais tudo foi iniciado: uma unidade de carga termonuclear e uma unidade de controle de carga, ou uma unidade de automação. Eles são incrivelmente compactos. A unidade de automação é do tamanho de um frasco de cinco litros de pepinos em conserva 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 e quatrocentos quilotons. Dois passageiros estão interligados por comunicação, como gêmeos siameses, e através desta conexão eles trocam algo constantemente. O diálogo deles está em andamento o tempo todo, mesmo quando o foguete está em alerta, mesmo quando esses gêmeos estão sendo levados da fábrica.

Há também um terceiro passageiro - uma unidade para medir o movimento da ogiva ou, em geral, para controlar seu voo. No último caso, os controles operacionais são integrados à ogiva, permitindo que você altere a trajetória. Por exemplo, sistemas pneumáticos executivos ou sistemas de pó. E também uma rede elétrica de bordo com fontes de alimentação, linhas de comunicação com um estágio, na forma de fios e conectores protegidos, proteção contra pulso eletromagnético e sistema de termostato - para manter a temperatura de carga necessária.

A tecnologia pela qual as ogivas são separadas do foguete e seguem seus próprios cursos é um grande tópico separado sobre o qual você pode escrever livros.

Primeiro, vamos explicar o que é "apenas uma ogiva". É um dispositivo que hospeda fisicamente uma carga termonuclear a bordo de um míssil balístico intercontinental. O foguete tem uma ogiva chamada, na qual uma, duas ou mais ogivas podem ser localizadas. 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 procriação), que, após ser expulsa da atmosfera pelo veículo lançador, passa a realizar uma série de ações programadas para orientação individual e separação das ogivas localizadas nele; formações de batalha de blocos e falsos alvos, que também estão inicialmente localizados na plataforma, são alinhadas no espaço. Assim, cada bloco é exibido em uma trajetória que garante que ele atinja um determinado alvo na superfície da Terra.

Os blocos de combate são diferentes. Aqueles que se movem ao longo de trajetórias balísticas após a separação da plataforma são chamados de incontroláveis. Após a separação, ogivas controladas começam a "viver suas próprias vidas". Eles são equipados com motores de orientação para manobras no espaço sideral, superfícies de direção aerodinâmica para controle de voo atmosférico, possuem sistema de controle inercial a bordo, diversos dispositivos computacionais, um radar com computador próprio ... E, claro, uma ogiva.

A ogiva praticamente controlada combina as propriedades de uma espaçonave não tripulada e uma aeronave hipersônica não tripulada. Todas as ações no espaço e durante o voo na atmosfera, este dispositivo deve funcionar de forma autônoma.

Após a separação da plataforma de reprodução, a ogiva voa por um tempo relativamente longo em uma altitude muito elevada - no espaço. Nesse momento, o sistema de controle da unidade realiza toda uma série de reorientações a fim de criar condições para definição precisa próprios parâmetros de movimento, facilitando a superação da zona de possível explosões nucleares anti-míssil ...
Antes de entrar na alta atmosfera, o computador de bordo calcula a orientação necessária da ogiva e a executa. Por volta do mesmo período, ocorrem as sessões de determinação da posição real por radar, para as quais também é necessário realizar uma série de manobras. Em seguida, a antena localizadora é atirada para trás e a seção atmosférica de movimento da ogiva começa.

Abaixo, na frente da ogiva, estendia-se um enorme e contrastante brilho de alturas formidáveis, coberto por uma névoa azul de oxigênio, coberto com suspensões de aerossol, um quinto oceano sem limites. Lentamente, e quase imperceptivelmente, após os efeitos residuais da separação, a ogiva continua sua descida ao longo de uma trajetória suave. Mas uma brisa muito incomum puxou suavemente em sua direção. Ele a tocou um pouco - e tornou-se perceptível, ele cobriu 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, porque é muito etérea. O vento que sopra sobre a ogiva é eletricamente condutor. A velocidade do cone é tão alta que ele literalmente esmaga as moléculas de ar em fragmentos eletricamente carregados com seu impacto, e ocorre a ionização do ar por impacto. Essa brisa de plasma é chamada de fluxo hipersônico de alto número Mach e é vinte vezes a velocidade do som.

Devido à alta rarefação, a brisa é quase imperceptível nos primeiros segundos. Crescendo e se condensando com o aprofundamento na atmosfera, a princípio ele esquenta mais do que pressiona a ogiva. Mas aos poucos ela começa a apertar seu cone com força. O fluxo vira a ogiva de cabeça para baixo. Ele não se desdobra imediatamente - o cone balança ligeiramente para a frente e para trás, diminuindo gradualmente suas oscilações e, finalmente, se estabiliza.

Densificando à medida que desce, o fluxo pressiona cada vez mais a ogiva, diminuindo seu vôo. A temperatura diminui gradualmente com a desaceleração. Dos enormes valores do início da entrada, o brilho branco-azulado de dezenas de milhares de Kelvin, ao brilho branco-amarelado de 5 a 6 mil graus. Esta é a temperatura das camadas superficiais do Sol. A radiância se torna deslumbrante porque a densidade do ar está aumentando rapidamente e, com ela, o fluxo de calor para as paredes da ogiva. O escudo térmico está carbonizado e começa a queimar.

Não queima devido ao atrito com o ar, como muitas vezes é dito incorretamente. Devido à enorme velocidade hipersônica do movimento (agora quinze vezes mais rápido que o som), outro cone diverge no ar do topo do casco - uma onda de choque, como se encerrasse uma ogiva. O ar que entra, entrando no cone da onda de choque, se comprime instantaneamente muitas vezes e pressiona com força contra a superfície da ogiva. De compressão abrupta, instantânea e repetida, sua temperatura imediatamente salta para vários milhares de graus. A razão para isso é a velocidade louca do que está acontecendo, o dinamismo proibitivo do processo. A compressão gás-dinâmica do fluxo, e não o atrito, é o que agora está aquecendo as laterais da ogiva.

O arco é o pior. É aqui que se forma a maior compactação do contrafluxo. A área desta vedação move-se ligeiramente para a frente, como se se destacasse do corpo. E fica na frente, assumindo o formato de lente grossa ou travesseiro. Essa formação é chamada de "choque de arco destacado". É várias vezes mais espesso do que o resto do cone da onda de choque em torno da ogiva. A compressão do fluxo livre frontal é a mais forte aqui. Portanto, o amortecedor de arco separado tem a temperatura e a densidade de calor mais altas. Este pequeno sol queima a proa da ogiva de forma radiante - destacando, irradiando calor de si mesmo diretamente para o nariz do casco e causando queimadura severa da proa. Portanto, existe a camada mais espessa de proteção térmica. É a onda de choque de proa que ilumina a área por muitos quilômetros ao redor da ogiva que voa na atmosfera em uma noite escura.

Limitado por um gol

A carga de fusão e a unidade de controle comunicam-se constantemente uma com a outra. Esse "diálogo" começa imediatamente após a instalação da ogiva do míssil e termina no momento de uma explosão nuclear. Todo esse tempo, o sistema de controle prepara a carga para a atuação, como um treinador-boxeador para uma luta responsável. E no momento certo dá o último e mais importante comando.

Quando o foguete é colocado em alerta, sua carga é totalmente equipada: um ativador de nêutron pulsado, detonadores e outros equipamentos são instalados. Mas ele ainda não está pronto para a explosão. Manter um míssil nuclear em uma mina ou em um lançador móvel por décadas, pronto para explodir a qualquer momento, é simplesmente perigoso.

Portanto, durante o vôo, o sistema de controle coloca a carga em um estado de prontidão para uma explosão. Isso acontece gradualmente, usando algoritmos sequenciais complexos baseados em duas condições principais: a confiabilidade do movimento em direção ao objetivo e o controle sobre o processo. Caso um desses fatores desvie dos valores calculados, a preparação será encerrada. A eletrônica transfere a carga para um grau cada vez maior de prontidão, a fim de dar um comando para operar no ponto calculado.

E quando uma equipe de combate para detonação chega a uma carga totalmente preparada da unidade de controle, a explosão ocorrerá imediatamente, instantaneamente. Uma ogiva, voando na velocidade de uma bala de franco-atirador, passará apenas alguns centésimos de milímetro, sem ter tempo de deslocar no espaço nem mesmo a espessura de um fio de cabelo humano, quando sua carga começa, se desenvolve, passa completamente e o termonuclear a reação já terminou, tendo liberado toda a potência nominal.

Tendo mudado muito tanto por fora quanto por dentro, a ogiva passou para a troposfera - os últimos dez quilômetros de altura. Ela desacelerou muito. O vôo hipersônico degenerou para um som supersônico de três ou quatro unidades Mach. A ogiva já está brilhando fracamente, morrendo e se aproximando do alvo.

Uma explosão na superfície da Terra raramente é planejada - apenas para objetos aprofundados no solo, como silos de mísseis. A maioria dos objetivos está na superfície. E para sua maior derrota, a detonação é realizada a uma certa altura, dependendo da potência da carga. Para 20 quilotons táticos, isso é 400-600 m. Para um megaton estratégico, a altura ideal de explosão é 1200 m. Por quê? Duas ondas viajam pela área da explosão. Mais perto do epicentro, a onda de choque atingirá mais cedo. Ela cairá e será refletida, saltando para os lados, onde se fundirá com uma nova onda que acaba de chegar aqui de cima, do ponto de explosão. Duas ondas - caindo do centro da explosão e refletidas na superfície - se somam, formando a onda de choque mais poderosa na camada superficial, o principal fator de destruição.

Em lançamentos de teste, a ogiva geralmente atinge o solo sem obstáculos. A bordo está meio centro de explosivos, detonados ao cair. Pelo que? Primeiro, a ogiva é um objeto classificado e deve ser destruída de forma confiável após o uso. Em segundo lugar, é necessário para os sistemas de medição do aterro - para a detecção rápida do ponto de incidência e medição dos desvios.

O funil de fumaça, de muitos metros de comprimento, completa o quadro. Mas antes disso, alguns quilômetros antes do impacto, um cassete blindado de um dispositivo de armazenamento com um registro de tudo o que foi gravado a bordo durante o vôo é disparado da ogiva de teste. Esta unidade flash blindada protege contra a perda de informações a bordo. Ela será encontrada mais tarde, quando um helicóptero chega com um grupo especial de busca. E eles vão registrar os resultados de um vôo fantástico.

O reator nuclear funciona sem problemas e com precisão. Do contrário, como você sabe, haverá problemas. Mas o que está acontecendo lá dentro? Vamos tentar formular o princípio de operação de um reator nuclear (atômico) de forma breve, clara, com paradas.

Na verdade, o mesmo processo está acontecendo lá como em uma explosão nuclear. Só agora a explosão ocorre muito rapidamente, e no reator tudo isso é esticado para muito tempo... Como resultado, tudo permanece são e salvo e recebemos energia. Não tanto que tudo ao redor explodisse imediatamente, mas o suficiente para fornecer eletricidade à cidade.

Antes de entender como está indo uma reação nuclear controlada, você precisa saber o que reação nuclear geralmente.

Reação nuclear É o processo de transformação (fissão) de núcleos atômicos durante sua interação com partículas elementares e gama quanta.

As reações nucleares podem ocorrer com absorção e liberação de energia. As segundas reações são utilizadas no reator.

Reator nuclear É um aparelho cuja finalidade é manter uma reação nuclear controlada com a liberação de energia.

Freqüentemente, um reator nuclear também é chamado de atômico. Observe que não há nenhuma diferença fundamental aqui, mas do ponto de vista da ciência, é mais correto usar a palavra "nuclear". Existem muitos tipos de reatores nucleares agora. Estes são enormes reatores industriais projetados para gerar energia em usinas de energia, reatores nucleares submarinos, pequenos reatores experimentais usados ​​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 muito distante. Aconteceu nos EUA sob a liderança de Fermi. Este reator foi denominado "Chicago Woodpile".

Em 1946, o primeiro reator soviético foi iniciado sob a liderança de Kurchatov. O corpo desse reator era uma bola de sete metros de diâmetro. Os primeiros reatores não tinham sistema de refrigeração e sua potência era mínima. Aliás, o reator soviético tinha potência média de 20 watts, enquanto o americano tinha apenas 1 watt. Para efeito de comparação: a potência média dos reatores de energia 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 (atômico)

Qualquer reator nuclear tem várias partes: zona ativa com combustível e moderador , refletor de nêutrons , refrigerante , sistema de controle e proteção ... Isótopos são mais frequentemente usados ​​como combustível em reatores urânio (235, 238, 233), plutônio (239) e tório (232). A zona ativa é uma caldeira através da qual flui água comum (portador de calor). Entre outros fluidos de transferência de calor, "água pesada" e grafite líquida são menos comumente usados. Se falamos sobre o funcionamento de uma usina nuclear, então um reator nuclear é usado para gerar calor. A própria eletricidade é gerada pelo mesmo método que em outros tipos de usinas de energia - o vapor faz girar uma turbina e a energia do movimento é convertida em energia elétrica.

Abaixo está um diagrama do funcionamento de um reator nuclear.

Como já dissemos, durante a decadência de um núcleo de urânio pesado, elementos mais leves e vários nêutrons são formados. Os nêutrons resultantes colidem com outros núcleos, também causando sua fissão. Nesse caso, o número de nêutrons cresce como uma avalanche.

Precisa 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 é extinta. Mas se você mantiver o valor do coeficiente igual a um, a reação continuará por um longo tempo e de forma estável.

A questão é como fazer isso? No reator, o combustível está na chamada elementos de combustível (TVELakh). São bastonetes em que, na forma de pequenos comprimidos, existe Combustível nuclear ... As barras de combustível são conectadas em cassetes hexagonais, dos quais podem haver centenas no reator. Os cassetes com barras de combustível são posicionados verticalmente, sendo que cada barra de combustível possui um sistema que permite ajustar a profundidade de sua imersão no núcleo. Além dos próprios cassetes, entre eles há 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 abaixadas 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 próprio princípio de operação, mas como iniciar e fazer o reator funcionar? Grosso modo, aqui está - um pedaço de urânio, mas uma reação em cadeia não começa por si mesma. O fato é que na física nuclear existe um conceito massa crítica .

A massa crítica é a massa de matéria físsil necessária para iniciar uma reação em cadeia nuclear.

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 energia ideal em vários estágios.

Neste artigo, tentamos dar uma idéia geral da estrutura e do princípio de operação de um reator nuclear (atômico). Se você tiver alguma dúvida sobre o tema ou na universidade fez um problema em física nuclear, entre em contato especialistas da nossa empresa... Nós, como de costume, estamos prontos para ajudá-lo a resolver qualquer questão urgente em seus estudos. Enquanto isso, estamos fazendo isso, sua atenção é outro vídeo educacional!

Natureza explosiva

O núcleo de urânio contém 92 prótons. O urânio natural é basicamente uma mistura de dois isótopos: U238 (com 146 nêutrons em seu núcleo) e U235 (143 nêutrons), sendo este último apenas 0,7% no urânio natural. Propriedades quimicas os isótopos são absolutamente idênticos, 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 então bombeado através de inúmeras partições porosas. Embora os isótopos de urânio não sejam indistinguíveis nem na aparência nem quimicamente, eles são separados por um abismo nas propriedades dos caracteres nucleares.

O processo de fissão do U238 é realizado: um nêutron vindo de fora deve trazer consigo uma energia de 1 MeV ou mais. E o U235 está desinteressado: nada é necessário do nêutron que entra para excitar e então decair, sua energia de ligação no núcleo é o bastante.

Quando um nêutron entra em um núcleo capaz de fissão, um composto instável é formado, mas muito rapidamente (após 10−23−10−22 s) tal núcleo se divide em dois fragmentos, não iguais em massa e "instantaneamente" (dentro de 10 −16−10− 14 s) emitindo dois ou três novos nêutrons, de modo que, com o tempo, o número de núcleos de fissão pode se multiplicar (essa reação é chamada de reação em cadeia). Isso só é possível no U235, porque o ganancioso U238 não quer se dividir de seus próprios nêutrons, cuja energia é uma ordem de magnitude inferior a 1 MeV. A energia cinética das partículas - produtos da fissão é muitas ordens de magnitude maior do que a energia liberada durante qualquer ato de uma reação química na qual a composição dos núcleos não muda.

Construção crítica

Os produtos da fissão são instáveis ​​e “ganham vida” por um longo tempo, emitindo várias radiações (incluindo nêutrons). Nêutrons que são emitidos após um tempo considerável (até dezenas de segundos) após a fissão são chamados de retardados e, embora sua proporção 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 em numerosas colisões com os átomos circundantes dão a eles sua energia, aumentando a temperatura. Depois que os nêutrons aparecem na montagem com matéria físsil, a taxa de liberação de calor pode aumentar ou diminuir, e os parâmetros da montagem, nos quais o número de fissões por unidade de tempo é constante, são chamados de críticos. A criticidade da montagem pode ser mantida em um grande e um pequeno número de nêutrons (em uma potência de liberação de calor correspondentemente maior ou menor). A energia térmica é aumentada bombeando nêutrons adicionais do lado de fora para a montagem crítica, ou tornando a montagem supercrítica (então, mais e mais gerações de núcleos físseis fornecem nêutrons adicionais). Por exemplo, se for necessário aumentar a potência térmica do reator, ele é levado a tal regime quando cada geração de nêutrons imediatos é ligeiramente menos numerosa que a anterior, mas graças aos nêutrons retardados, o reator mal passa um estado crítico. Então, ele não entra em aceleração, mas ganha força lentamente - de forma que seu crescimento pode ser interrompido no momento certo pela introdução de absorvedores de nêutrons (bastonetes contendo cádmio ou boro).

Os nêutrons produzidos durante a fissão freqüentemente passam pelos núcleos circundantes sem causar fissão repetida. Quanto mais próximo um nêutron nasce da superfície de um material, mais chances ele tem de voar para fora do material físsil e nunca mais voltar. Portanto, uma forma de montagem que salva o maior número nêutrons é uma esfera: para uma dada massa de matéria, ela tem uma superfície mínima. Uma bola não fechada (solitária) de 94% U235 sem cavidades internas torna-se crítica com uma massa de 49 kg e um 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 superfície também diminui com o aumento da densidade. Portanto, a compressão explosiva, sem alterar a quantidade de material físsil, pode levar o conjunto a um estado crítico. É esse processo que fundamenta o projeto comum de uma carga nuclear.

Montagem de bola

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

A montagem é realizada a partir de duas metades cuidadosamente encaixadas em forma de camada esférica (oca no interior); é deliberadamente subcrítico - mesmo para nêutrons térmicos e mesmo depois de ser cercado por um moderador. Uma carga é montada em torno de um conjunto de blocos de explosivos montados com muita precisão. Para salvar nêutrons, é necessário preservar a forma nobre da bola durante a explosão - para isso, a camada de explosivo deve ser detonada simultaneamente em toda a superfície externa, pressionando o conjunto de maneira uniforme. É amplamente aceito que isso requer muitos detonadores elétricos. Mas isso foi apenas no início do "bombardeio": acionar muitas dezenas de detonadores exigia muita energia e dimensões consideráveis ​​do sistema de iniciação. Nas cargas modernas, são utilizados vários detonadores selecionados de acordo com uma técnica especial, de características semelhantes, a partir dos quais um explosivo altamente estável (em termos de velocidade de detonação) é acionado em ranhuras fresadas em uma camada de policarbonato (cuja forma é esférica superfície é calculada usando os métodos da geometria de Riemann). A detonação a uma velocidade de cerca de 8 km / s percorrerá as ranhuras a distâncias absolutamente iguais, ao mesmo tempo que atingirá os orifícios e detonará a carga principal - simultaneamente em todos os pontos necessários.

Explosão para dentro

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

Após um período determinado pelo tempo insignificante de desaceleração insignificante de nêutrons rápidos, cada uma de sua nova e mais numerosa geração adiciona 202 MeV de energia por fissão no material já estourado da montagem, que está estourando com pressão monstruosa. Na escala dos fenômenos que estão ocorrendo, a resistência mesmo dos melhores aços de liga é tão escassa que nem mesmo ocorre a ninguém levá-la em consideração ao calcular a dinâmica de uma explosão. A única coisa que impede o conjunto de espalhar é a inércia: para expandir a bola de plutônio em apenas 1 cm em uma dezena de nanossegundos, é necessário dar à substância uma aceleração dezenas de trilhões de vezes maior que a aceleração da gravidade , e isso não é fácil.

No final, a matéria se espalha, a fissão para, mas o processo não para 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 quanta gama de alta energia eletricamente neutra e nêutrons têm uma chance de evitar a interação com a matéria e "escapar". Partículas carregadas perdem energia rapidamente em colisões e ionizações. Nesse caso, a radiação é emitida - é verdade, não mais um núcleo duro, mas mais suave, com uma energia três ordens de magnitude menor, mas ainda mais do que suficiente para eliminar elétrons dos átomos - não apenas das camadas externas, mas tudo em geral. Uma mistura de núcleos nus, elétrons retirados deles e radiação com densidade de gramas por centímetro cúbico (tente imaginar o quão bem você pode se bronzear sob uma luz que adquiriu a densidade de alumínio!) - tudo que era uma carga um momento atrás - chega a uma espécie de equilíbrio ... Em uma bola de fogo muito jovem, uma temperatura da ordem de dezenas de milhões de graus é estabelecida.

Bola fogo

Pareceria que mesmo suave, mas movendo-se à velocidade da luz, a radiação deveria deixar para trás a substância que lhe deu origem, mas não é assim: no ar frio, o alcance dos quanta de energias keV é de centímetros, e eles não se mova em linha reta, mas mude a direção do movimento, reemitida a cada interação. Os quanta ionizam o ar, espalham-se nele, como suco de cereja despejado em um copo d'água. Este fenômeno é denominado difusão de radiação.

Uma jovem bola de fogo de explosão com uma potência de 100 kt algumas dezenas de nanossegundos após a conclusão do flash de fissão tem um raio de 3 me uma temperatura de quase 8 milhões de kelvin. Mas depois de 30 microssegundos, seu raio é de 18 m; no entanto, a temperatura cai abaixo de um milhão de graus. A esfera devora o espaço, e o ar ionizado atrás de sua frente dificilmente se move: a radiação não pode transferir um momento significativo para ela durante a difusão. Mas ele bombeia uma energia enorme neste ar, aquecendo-o, e quando a energia da radiação seca, a bola começa a crescer devido à expansão do plasma quente, explodindo de dentro com o que antes era uma carga. Expandindo-se, como uma bolha inflada, o envelope de plasma torna-se mais fino. Ao contrário de uma bolha, claro, nada a infla: quase não sobra substância no interior, toda ela voa do centro por inércia, mas 30 microssegundos após a explosão, a velocidade desse vôo é superior a 100 km / s , e a pressão hidrodinâmica na substância - mais de 150.000 atm! Não se destina a tornar-se uma casca muito fina, rebenta, formando "bolhas".

Qual dos mecanismos de transferência de energia da bola de fogo ambiente prevalece, depende da potência de explosão: se for grande, a difusão da radiação desempenha o papel principal, se for pequena, a expansão da bolha de plasma. É claro que um caso intermediário 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 está se esgotando, eles não são mais capazes de mover uma grande massa na frente deles e diminuir a velocidade visivelmente. Mas o que era ar antes da explosão se move, rompendo-se com a bola, absorvendo novas camadas de ar frio ... Começa a formação de uma onda de choque.

Onda de choque e cogumelo atômico

Quando a onda de choque é separada da bola de fogo, as características da camada emissora mudam e a potência de radiação na parte óptica do espectro aumenta drasticamente (o chamado primeiro máximo). Além disso, os processos de iluminação e mudanças na transparência do ar circundante competem, o que leva à realização de um segundo máximo, menos poderoso, 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 ele derrete, mas ainda mais longe, onde o fluxo de calor não é mais suficiente para derreter sólidos, solo, rochas, casas fluem como líquido sob a pressão monstruosa do gás que destrói todos os laços de força, aquecido a insuportável para o brilho dos olhos.

Finalmente, a onda de choque vai longe do ponto de explosão, onde uma nuvem solta e enfraquecida, mas muitas vezes se expandiu de vapores condensados ​​que se transformaram na menor e muito radioativa poeira hora terrível acabou ficando perto de um lugar do qual se deveria ter ficado o mais longe possível. A nuvem começa a subir. Ele esfria, muda de cor, "veste" uma capa branca de umidade condensada, a poeira da superfície da terra se estende atrás dela, formando uma "perna" do que é comumente chamado de "cogumelo atômico".

Iniciação de nêutrons

Leitores atentos podem, com um lápis na mão, estimar a liberação de energia de uma explosão. Quando a montagem está no estado supercrítico da ordem dos microssegundos, a idade dos nêutrons é da ordem dos picossegundos e o fator de multiplicação é menor que 2, cerca de um gigajoule de energia é liberado, o que é equivalente a ... 250 kg de TNT. E onde estão os quilos e os megatons?

O fato é que a cadeia de fissões em uma montagem não começa com um nêutron: no microssegundo necessário, milhões deles são injetados na montagem supercrítica. Nas primeiras cargas nucleares, para isso, foram utilizadas fontes de isótopos, localizadas em uma cavidade dentro da montagem do plutônio: o polônio-210 no momento da compressão combinado com o berílio e causou a emissão de nêutrons com suas partículas alfa. Mas todas as fontes isotópicas são bastante fracas (menos de um milhão de nêutrons por microssegundo foram gerados no primeiro produto americano), e o polônio já é muito perecível - em apenas 138 dias ele reduz sua atividade pela metade. Portanto, os isótopos foram substituídos por menos perigosos (não emitindo em um estado desconectado) e, o mais importante, tubos de nêutrons de emissão mais intensa (ver inserção): em alguns microssegundos (é quanto tempo o pulso gerado pelo tubo dura) centenas nascem de milhões de nêutrons. Mas se não funcionar ou não funcionar na hora certa, ocorrerá o chamado algodão, 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 magnitude, mas também torna possível regulá-la! É claro que, tendo recebido uma missão de combate, em cuja formulação deve ser indicada a potência de um ataque nuclear, ninguém desmonta a carga para equipá-la com um conjunto de plutônio ótimo para uma dada potência. Em uma munição 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 sobre a 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 físico-nucleares e hidrodinâmicas sobre as dimensões permitidas da esfera subcrítica. O equivalente TNT a uma explosão de cem quilotons está perto do limite físico para munições monofásicas, nas quais ocorre apenas a fissão. Como resultado, eles abandonaram a fissão como a principal fonte de energia e confiaram em reações de outra classe - a síntese.

Delírios nucleares

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

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

Fonte de nêutrons

Uma tensão de pulso de 100 kV é aplicada em um tubo de nêutrons a vácuo entre um alvo tritiado (cátodo) (1) e um conjunto de ânodo (2). Quando a tensão é máxima, é necessário que o íon deutério apareça entre o ânodo e o cátodo, que deve ser acelerado. Uma fonte de íons é usada para isso. Um pulso de ignição é aplicado em seu ânodo (3), e a descarga, passando pela superfície da cerâmica saturada com deutério (4), forma íons de deutério. Tendo acelerado, eles bombardeiam um alvo saturado com trítio, como resultado do qual uma energia de 17,6 MeV é liberada e nêutrons e núcleos de hélio-4 são formados.

Em termos de composição das partículas e mesmo em termos de rendimento energético, esta reação é idêntica à síntese - o processo de fusão dos núcleos leves. Na década de 1950, muitos acreditavam que isso era fusão, mas depois descobriu-se que havia uma "quebra" no tubo: um próton ou um nêutron (do qual é composto o íon deutério acelerado por um campo elétrico) "fica preso ”No núcleo alvo (trítio) ... Se um próton se liga, o nêutron se separa e fica livre.

Nêutrons - lento e rápido

Na matéria não físsil, "saltando" dos núcleos, os nêutrons transferem para eles parte de sua energia, quanto maior for o mais leve (mais próximo deles em massa) os núcleos. Que em mais colisões eram acompanhadas de nêutrons, quanto mais eles desaceleram e, então, finalmente, entram em equilíbrio térmico com a matéria circundante - eles são termalizados (leva milissegundos). Velocidade do nêutron térmico - 2200 m / s (energia 0,025 eV). Os nêutrons podem escapar do moderador e são capturados por seus núcleos, mas com uma desaceleração sua capacidade de entrar em reações nucleares aumenta significativamente, portanto, nêutrons que não são “perdidos” mais do que compensam a diminuição em números.

Assim, se uma bola de matéria físsil for circundada por um moderador, muitos nêutrons sairão do moderador ou serão absorvidos por ela, mas também haverá aqueles que retornarão à bola (“refletida”) e, tendo perdido sua energia, são muito mais propensos a causar fissão. Se a bola for circundada por uma camada de berílio de 25 mm de espessura, 20 kg de U235 podem ser economizados e ainda assim atingir um estado crítico de montagem. Mas essa economia é paga com o tempo: cada geração subsequente de nêutrons, antes de causar a fissão, deve primeiro diminuir a velocidade. Esse atraso reduz o número de gerações de nêutrons produzidos por unidade de tempo, o que significa que a liberação de energia é atrasada. Quanto menos matéria físsil na montagem, mais moderador é necessário para o desenvolvimento de uma reação em cadeia, e a fissão prossegue com nêutrons de baixa energia cada vez mais. No caso limite, quando a criticidade é alcançada apenas em 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 apenas ferve periodicamente. As bolhas de vapor liberadas reduzem a densidade média da substância físsil, a reação em cadeia para e, quando as bolhas deixam o líquido, o flash de fissão se repete (se o vaso estiver obstruído, o vapor irá rompê-lo - mas será uma explosão térmica desprovido de todos os sinais "nucleares" típicos).

Vídeo: explosões nucleares

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

O primeiro teste, realizado pelos americanos em instalações reais no Japão, inflamou ao limite a situação entre a URSS e os EUA. As poderosas explosões que trovejaram nas cidades japonesas e praticamente destruíram toda a vida nelas, forçaram Stalin a abandonar muitas de suas reivindicações no cenário mundial. A maioria dos físicos soviéticos foi "lançada" com urgência no desenvolvimento de armas nucleares.

Quando e como surgiram as armas nucleares?

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

O final do século 19 e o início do século 20 foram um momento decisivo na história da invenção das armas nucleares. Foi neste período de tempo que os cientistas países diferentes o mundo foi capaz 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, que depende do número de átomos radioativos na amostra de teste;
• A isometria nuclear nasceu.

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

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

Como funciona a bomba atômica

Uma bomba atômica consiste em muitos elementos, os principais dos quais são:

• Corpo de bomba atômica;
• Um 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 casco 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, capaz de destruir tudo ao seu redor.

A tarefa de automação inclui controle total sobre a explosão no momento certo, portanto, o sistema consiste nos seguintes elementos:

• Um dispositivo responsável por uma detonação de emergência;
• Fonte de alimentação para o sistema de automação;
• Sistema de sensor de explosão;
• Dispositivo de armar;
• Dispositivo de proteção.

Quando os primeiros testes foram realizados, as bombas nucleares foram lançadas por aeronaves que conseguiram sair da área afetada. As bombas atômicas modernas são tão poderosas que seu lançamento só pode ser executado por meio de mísseis de cruzeiro, balísticos ou, pelo menos, antiaéreos.

Vários sistemas de detonação são usados ​​em bombas atômicas. O mais simples deles é um dispositivo convencional que é acionado quando um projétil atinge um alvo.

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

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

É interessante que na maioria das vezes o poder de todas as bombas nucleares é medido precisamente em Equivalente TNT, já que para armas atômicas não há escala separada para medir o poder da explosão.

Algoritmos de ação de bombas nucleares

Qualquer bomba atômica opera segundo o princípio de usar energia nuclear, que é liberada durante uma reação nuclear. Este procedimento é baseado na divisão de núcleos pesados ​​ou na síntese dos pulmões. Uma vez que no decorrer dessa reação uma enorme quantidade de energia é liberada, e no menor tempo possível, o raio de destruição de uma bomba nuclear é muito impressionante. Por causa desse recurso arma nuclear pertencem à classe de armas de destruição em massa.

No processo que começa quando uma bomba atômica explode, existem dois pontos principais:

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

A energia nuclear liberada durante a explosão de uma bomba atômica é tão forte que os choques sísmicos começam no solo. Ao mesmo tempo, esses choques trazem destruição direta apenas a uma distância de várias centenas de metros (embora se levarmos em conta a força da explosão da própria bomba, esses choques não afetam mais nada).

Fatores de dano em uma explosão nuclear

A explosão de uma bomba nuclear traz mais do que uma terrível destruição instantânea. As consequências dessa explosão serão sentidas não apenas pelas pessoas presas na área afetada, mas também por seus filhos nascidos após a explosão atômica. Os tipos de destruição por armas atômicas são divididos nos seguintes grupos:

• Radiação luminosa que ocorre diretamente durante a explosão;
• Onda de choque propagada pela bomba imediatamente após a explosão;
• Impulso eletromagnético;
• Radiação penetrante;
• Contaminação radioativa que pode persistir por décadas.

Embora, à primeira vista, um flash de luz represente a menor ameaça, na verdade ele é formado como resultado da liberação de uma grande quantidade 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 a explosão também é muito perigosa. Embora não dure muito, consegue infectar tudo ao seu redor, já que sua capacidade de penetração é incrivelmente grande.

Uma onda de choque em uma explosão atômica age como a mesma onda em explosões convencionais, apenas seu poder e raio de dano são muito maiores. Em poucos segundos, inflige danos irreparáveis ​​não só às pessoas, mas também a equipamentos, edifícios e à natureza circundante.

A radiação penetrante provoca o desenvolvimento do mal da radiação, e o pulso eletromagnético é perigoso apenas para a tecnologia. A combinação de todos esses fatores, mais o poder da explosão, fazem 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 Estados Unidos que alocou enormes subsídios monetários para o desenvolvimento de novas armas promissoras. No final de 1941, muitos cientistas destacados no campo do desenvolvimento atômico foram convidados aos Estados Unidos, que em 1945 foram capazes de apresentar um protótipo de uma bomba atômica adequada para teste.

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

Vendo que faltava apenas um passo para a vitória da coalizão hitlerista, e mais essa oportunidade não pode ser apresentada, o Pentágono decidiu infligir ataque nuclear de acordo com o último aliado da Alemanha nazista - Japão. Além disso, o uso de uma bomba nuclear deveria resolver vários problemas de uma vez:

• Evite o derramamento de sangue desnecessário que inevitavelmente aconteceria se as tropas dos EUA entrassem no território do Japão Imperial;
• Com um golpe, coloque os inflexíveis japoneses de joelhos, forçando-os a concordar com as condições favoráveis ​​aos Estados Unidos;
• Mostre à URSS (como possível rival no futuro) que o Exército dos Estados Unidos possui armas únicas, capazes de varrer qualquer cidade da face da Terra;
• E, é claro, na prática, certifique-se do que as armas nucleares são capazes de fazer em condições reais de combate.

Em 6 de agosto de 1945, a primeira bomba atômica do mundo, usada nas hostilidades, foi lançada na cidade japonesa de Hiroshima. Essa bomba foi batizada de "Kid", pois seu peso era de 4 toneladas. O lançamento da bomba foi cuidadosamente planejado e atingiu exatamente onde foi planejado. Aquelas casas que não foram destruídas pela onda de choque foram queimadas, pois os fogões que caíram nas casas provocaram incêndios, e toda a cidade foi engolfada pelas chamas.

Depois de um clarão brilhante, uma onda de calor se seguiu, que queimou toda a vida em um raio de 4 quilômetros, e a onda de choque que se seguiu destruiu a maioria dos edifícios.

Aqueles que sofreram insolação em um raio de 800 metros foram queimados vivos. A onda de choque arrancou a pele queimada de muitos. Alguns minutos depois, uma estranha chuva negra caiu, que consistia em vapor e cinzas. Aqueles que foram expostos à chuva negra apresentavam queimaduras incuráveis ​​na pele.

Os poucos que tiveram sorte o suficiente para sobreviver adoeceram com o enjoo da radiação, que na época não era apenas inexplorado, mas também completamente desconhecido. As pessoas desenvolveram febre, vômitos, náuseas e crises de fraqueza.

Em 9 de agosto de 1945, a segunda bomba americana, chamada "Fat Man", foi lançada na cidade de Nagasaki. Essa bomba tinha quase o mesmo poder que a primeira e as consequências de sua explosão foram igualmente devastadoras, embora metade do número de pessoas tenha morrido.

As duas bombas atômicas lançadas sobre cidades japonesas foram os primeiros e únicos casos de armas atômicas usadas no mundo. Mais de 300.000 pessoas morreram nos primeiros dias após o bombardeio. Cerca de 150 mil morreram de doenças causadas pela radiação.

Após o bombardeio nuclear de cidades japonesas, Stalin recebeu um choque real. Ficou claro para ele que a questão do desenvolvimento de armas nucleares em Rússia soviética- é uma questão de segurança de 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 em Rússia czarista, v Hora soviética ela não recebeu a devida atenção. Em 1938, todas as pesquisas nesta área foram completamente interrompidas e muitos cientistas nucleares foram reprimidos como inimigos do povo. Após explosões nucleares no Japão Autoridade soviética abruptamente começou 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 finalizaram a bomba atômica americana "bruta", então o governo dos EUA retirou da Alemanha todos os especialistas nucleares e todos os documentos relacionados ao desenvolvimento de armas nucleares.

A escola de inteligência soviética, que durante a guerra foi capaz de contornar todos os serviços de inteligência estrangeiros, em 1943 transferiu para a URSS documentos secretos relacionados ao desenvolvimento de armas nucleares. Ao mesmo tempo, agentes soviéticos foram introduzidos em todos os principais centros de pesquisa nuclear americanos.

Como resultado de todas essas medidas, já em 1946, estava pronto o trabalho técnico para a fabricação de duas bombas nucleares de fabricação soviética:

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

A abreviatura "RDS" significa "Rússia se faz", o que é quase totalmente verdade.

A notícia de que a URSS estava pronta para lançar suas armas nucleares forçou o governo dos Estados Unidos a tomar medidas drásticas. Em 1949, o plano Troyan foi desenvolvido, de acordo com o qual 70 As maiores cidades A URSS planejava lançar bombas atômicas. Apenas o medo de retaliação impediu que este plano fosse realizado.

Essas informações alarmantes vindas de oficiais da inteligência soviética forçaram os cientistas a trabalhar em modo de emergência. Já em agosto de 1949, foi testada a primeira bomba atômica produzida na URSS. Quando os EUA souberam desses testes, o plano do Trojan foi adiado indefinidamente. Começou a era de confronto entre as duas superpotências, conhecida na história como Guerra Fria.

A bomba nuclear mais poderosa do mundo, conhecida como Czar Bomba, pertence exatamente ao período da Guerra Fria. Cientistas da URSS são os que mais criaram bomba poderosa na história da humanidade. Seu poder era de 60 megatons, embora se planejasse criar uma bomba com 100 kilotons de poder. 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 explosão voou ao redor terra três vezes. Foi essa provação que levou a maioria dos países do mundo a assinar um fim testes nucleares não apenas na atmosfera da terra, mas também no espaço.

No entanto arma atômicaé um excelente dissuasor para países agressivos, por outro lado, é capaz de extinguir qualquer conflito militar pela raiz, uma vez que uma explosão atômica pode destruir todas as partes no conflito.

Energia nuclear - moderna e rápida forma de desenvolvimento extração de eletricidade. Você sabe como as usinas nucleares são organizadas? Qual é o princípio de funcionamento de uma usina nuclear? Que tipos de reatores nucleares existem hoje? Tentaremos considerar em detalhes o esquema de operação de uma usina nuclear, mergulhar na estrutura de um reator nuclear e descobrir o quão seguro é o método atômico de geração de eletricidade.

Qualquer estação é uma área fechada longe de uma área residencial. Existem vários edifícios em seu território. A estrutura mais importante é o prédio do reator, ao lado dele fica a sala das turbinas, de onde o reator é controlado, e o prédio da segurança.

O circuito é impossível sem um reator nuclear. Um reator atômico (nuclear) é um dispositivo NPP 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 usina do reator está instalada no prédio do reator, uma grande torre de concreto que esconde o reator e, em caso de acidente, conterá todos os produtos de uma reação nuclear. Essa grande torre é conhecida como contenção, contenção ou contenção.

A área de contenção nos novos reatores tem 2 paredes grossas de concreto - conchas.
O invólucro externo, com 80 cm de espessura, protege a área de contenção de influências externas.

A casca interna, de 1 metro e 20 cm de espessura, possui em seu dispositivo cabos de aço especial, que quase triplicam a resistência do concreto e evitam que a estrutura se desintegre. No interior, é forrado com uma fina chapa de aço especial, que se destina a servir como proteção adicional da contenção e, em caso de acidente, não liberar o conteúdo do reator para fora da área de contenção.

Tal dispositivo da usina nuclear pode resistir a uma queda de avião de até 200 toneladas, um terremoto de 8 pontos, tornado e tsunami.

Pela primeira vez, um recinto selado foi construído na usina nuclear American Connecticut Yankee em 1968.

A altura total da área de contenção é de 50-60 metros.

Em que consiste um reator nuclear?

Para entender o princípio de operação de um reator nuclear e, portanto, o princípio de operação de uma usina nuclear, você precisa entender os componentes do reator.

• Zona ativa. Esta é a área onde o combustível nuclear (liberação de calor) e o moderador são colocados. Os átomos de combustível (na maioria das vezes o urânio é o combustível) sofrem uma reação em cadeia de fissão. O retardador é projetado para controlar o processo de fissão e permite que você execute a reação necessária com velocidade e força.
• Refletor de nêutrons. O refletor circunda a zona ativa. Consiste no mesmo material que o retardador. Na verdade, é uma caixa cujo principal objetivo é impedir que os nêutrons saiam do núcleo e entrem no meio ambiente.
• Portador de calor. 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 organizada. O transportador de calor mais popular hoje é a água.
  Sistema de controle do reator. Sensores e mecanismos que impulsionam um reator de usina nuclear.

Combustível para usinas nucleares

Em que funciona a usina nuclear? Combustíveis para usinas nucleares são elementos químicos com propriedades radioativas. Em todas as usinas nucleares, o urânio é um desses elementos.

O projeto das estações implica que as usinas nucleares operam com um 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, muitas manipulações precisam ser realizadas.

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 isótopo-235 e isótopo-238. Pesquisadores do século 20 começaram a extrair urânio 235 do minério, porque era mais fácil decompor e transformar. Descobriu-se que há apenas 0,7% desse urânio na natureza (o percentual restante foi para o 238º isótopo).

O que fazer neste caso? Eles decidiram enriquecer urânio. O enriquecimento de urânio é um processo em que muitos isótopos 235x necessários e poucos 238x desnecessários são deixados nele. A tarefa dos enriquecedores de urânio é fazer quase 100% do urânio-235 de 0,7%.

O urânio pode ser enriquecido usando duas tecnologias - difusão gasosa ou centrifugação de gás. Para seu uso, o urânio extraído do minério é convertido em estado gasoso. É enriquecido na forma de gás.

Pó de urânio

O gás de urânio enriquecido é convertido em um estado sólido - dióxido de urânio. Esse urânio 235 puro e sólido parece grandes cristais brancos, que mais tarde são transformados em pó de urânio.

Comprimidos de urânio

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

As arruelas prensadas são cozidas a uma temperatura de 1200 graus Celsius por mais de um dia para dar aos comprimidos uma força especial e resistência a altas temperaturas. O funcionamento de uma usina nuclear depende diretamente de quão bem o urânio combustível é comprimido e cozido.

Os comprimidos são cozidos em caixas de molibdênio, porque apenas este metal é capaz de não derreter em temperaturas "infernais" acima de um mil e quinhentos graus. Depois disso, o combustível de urânio para a usina nuclear é considerado pronto.

O que são TVEL e TVS?

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

É impossível apenas jogar combustível no reator, bem, se você não quiser uma explosão de toda a estação e um acidente com consequências para alguns estados próximos. Portanto, o urânio combustível é colocado em barras de combustível e, em seguida, coletado em conjuntos de combustível. O que essas siglas significam?

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

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

O tipo de barras de combustível depende do tipo e da estrutura do reator. Como 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 estão operando simultaneamente no reator.
FA - conjunto de combustível. Os trabalhadores da NPP chamam os pacotes de conjuntos de combustível.

Na verdade, são várias barras de combustível presas umas às outras. Conjuntos de combustível são combustível nuclear pronto, o que funciona uma usina nuclear. São os conjuntos de combustível que são carregados em um reator nuclear. Um reator contém cerca de 150-400 conjuntos de combustível.
Dependendo do reator em que o conjunto de combustível irá operar, eles são Formas diferentes... Às vezes, as vigas se dobram em uma forma cúbica, às vezes em um cilindro, às vezes em uma forma hexagonal.

Um conjunto de combustível para 4 anos de operação gera a mesma quantidade de energia da queima de 670 vagões de carvão, 730 tanques de gás natural ou 900 tanques carregados com óleo.
Hoje, os conjuntos de combustível são produzidos principalmente em fábricas na Rússia, França, EUA e Japão.

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

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 a do aço.

Usina nuclear: como funciona

Qual é o princípio de funcionamento de uma usina nuclear? O princípio de funcionamento de uma usina nuclear é baseado em uma reação em cadeia de fissão de átomos de uma substância radioativa - o urânio. Essa reação ocorre no centro de um reator nuclear.

É IMPORTANTE SABER:

Se você não entrar nos meandros da física nuclear, o princípio de operação de uma usina nuclear é assim:
Depois de iniciar um reator nuclear, as barras de absorção são removidas das barras de combustível, que não permitem que o urânio reaja.

Uma vez que os bastões são removidos, os nêutrons de urânio começam a interagir uns com os outros.

Quando os nêutrons colidem, uma miniexplosão ocorre no 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 gira a turbina.

A turbina aciona um gerador elétrico. É ele quem, de fato, gera uma corrente elétrica.

Se você não seguir o processo, nêutrons de urânio podem colidir uns com os outros até explodir o reator e explodir toda a usina nuclear em pedacinhos. Sensores de computador controlam o processo. Eles detectam aumento de temperatura ou mudança de pressão no reator e podem interromper automaticamente as reações.

Qual a diferença entre o princípio de funcionamento de uma usina nuclear e as usinas termelétricas (termelétricas)?

Existem diferenças de trabalho apenas nos primeiros estágios. Em uma usina nuclear, o refrigerante recebe calor da fissão dos átomos de combustível de urânio, em uma usina termelétrica, o refrigerante recebe calor da combustão de combustível fóssil (carvão, gás ou óleo). Depois que os átomos de urânio ou o gás com carvão liberaram calor, os esquemas de operação das usinas nucleares e térmicas são os mesmos.

Tipos de reatores nucleares

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

Para seu funcionamento é utilizado o urânio 235º, que passa pelas etapas de enriquecimento, confecção de pelotas de urânio, etc. Hoje, os reatores de nêutrons lentos são a esmagadora maioria.
Reator de nêutrons rápido.

O futuro pertence a esses reatores, uma vez que eles trabalham com o urânio-238, que é uma dúzia de centavos na natureza e esse elemento não precisa ser enriquecido. A desvantagem de tais reatores reside apenas nos custos muito elevados de projeto, construção e lançamento. Hoje, os reatores rápidos operam apenas na Rússia.

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

Os reatores de nêutrons lentos usados ​​por todas as usinas nucleares do mundo também são de vários tipos.

A organização IAEA (a agência internacional de energia atômica) criou sua própria classificação, que é usada com mais frequência no mundo da energia atômica. Como o princípio de operação de uma usina nuclear depende em grande parte da escolha do refrigerante e do moderador, a AIEA baseou sua classificação nessas diferenças.

Do ponto de vista químico, o óxido de deutério é um moderador e refrigerante ideal, porque seus átomos interagem mais efetivamente com nêutrons de urânio em comparação com outras substâncias. Simplificando, a água pesada realiza sua tarefa com perdas mínimas e resultados máximos. No entanto, sua produção custa dinheiro, enquanto a usual água "leve" e familiar para nós é muito mais fácil de usar.

Alguns fatos sobre reatores nucleares ...

É interessante que um reator NPP tenha sido construído por pelo menos 3 anos!
Para construir um reator, é necessário um equipamento que opere com corrente elétrica de 210 quilo amperes, um milhão de vezes maior do que a corrente que pode matar uma pessoa.

Uma casca (elemento estrutural) de um reator nuclear pesa 150 toneladas. Em um reator, existem 6 desses elementos.

Reator de água pressurizada

Já descobrimos como funciona uma usina nuclear como um todo, para colocar tudo nas prateleiras, vamos ver como funciona o reator nuclear de água pressurizada mais popular.
Hoje, em todo o mundo, são usados ​​reatores de água pressurizada da geração 3+. Eles são considerados os mais confiáveis ​​e seguros.

Todos os reatores de água pressurizada do mundo durante todos os anos de operação no total já conseguiram ganhar mais de 1000 anos de operação sem problemas e nunca apresentaram desvios graves.

A estrutura de uma usina nuclear baseada em reatores de água pressurizada implica que água destilada, aquecida a 320 graus, circule entre as barras de combustível. Para evitar que entre em estado de vapor, é mantido sob pressão de 160 atmosferas. O esquema NPP chama isso de água do circuito primário.

A água aquecida entra no gerador de vapor e libera seu calor para a água do circuito secundário, após o qual "retorna" novamente ao reator. Externamente, parece que os tubos do circuito primário de água estão em contato com outros tubos - a água do circuito secundário, eles transferem calor entre si, mas a água não está em contato. Os tubos estão em contato.

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

Segurança operacional da NPP

Tendo aprendido o princípio de operação de uma usina nuclear, devemos entender como a segurança é organizada. O dispositivo de uma usina nuclear hoje requer maior atenção às regras de segurança.
O custo da segurança da usina nuclear é de aproximadamente 40% do custo total da própria usina.

4 barreiras físicas são colocadas no esquema NPP, que impedem a liberação de substâncias radioativas. O que essas barreiras devem fazer? No momento certo, ser capaz de interromper a reação nuclear, para garantir a remoção constante de calor do núcleo e do próprio reator, para evitar a liberação de radionucleídeos fora da contenção (zona pressurizada).

• A primeira barreira é a resistência das pelotas de urânio.É importante que eles não sejam destruídos por altas temperaturas em um reator nuclear. Em grande medida, o funcionamento de uma usina nuclear depende de como os comprimidos de urânio foram "cozidos" no estágio inicial de produção. Se as pelotas de urânio combustível não forem cozidas corretamente, as reações dos átomos de urânio no reator serão imprevisíveis.
• A segunda barreira é o aperto das barras de combustível. Os tubos de zircônio devem ser hermeticamente fechados; se a estanqueidade for quebrada, na melhor das hipóteses o reator será danificado e o trabalho interrompido, na pior das hipóteses - tudo explodirá.
• A terceira barreira é um forte vaso de reator de aço a, (a mesma grande torre - zona hermética) que "contém" em si todos os processos radioativos. O casco será danificado - radiação será liberada na atmosfera.
• A quarta barreira são as hastes de proteção de emergência. Acima do núcleo, hastes com moderadores são suspensas em 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 vários 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 a última esperança do sistema de segurança entra em ação - a chamada armadilha de derretimento.

O fato é que, nessa temperatura, o fundo do vaso do reator derreterá, e todos os restos do combustível nuclear e das estruturas derretidas serão drenados para um "vidro" especial suspenso acima do núcleo do reator.

A armadilha de derretimento é resfriada e refratária. Ele é preenchido com o chamado "material de sacrifício", que gradualmente interrompe a reação em cadeia de fissão.

Assim, o esquema NPP implica vários graus de proteção, o que exclui praticamente por completo qualquer possibilidade de acidente.