Un peu plus de deux mois se sont écoulés depuis la fin de la pire guerre de l'histoire de l'humanité. Et ainsi, le 16 juillet 1945, la première bombe nucléaire a été testée par l'armée américaine, et un mois plus tard, des milliers d'habitants des villes japonaises meurent dans l'enfer atomique. Depuis lors, les armes nucléaires, ainsi que les moyens de les livrer aux cibles, ont été continuellement améliorés pendant plus d'un demi-siècle.
Les militaires voulaient avoir à leur disposition à la fois des munitions super puissantes, balayant des villes et des pays entiers de la carte d'un seul coup, et des munitions ultra-petites pouvant tenir dans une mallette. Un tel dispositif amènerait la guerre de sabotage à un niveau sans précédent. Avec le premier comme avec le second, il y avait des difficultés insurmontables. La raison en est la soi-disant masse critique. Cependant, tout d'abord.
Un tel noyau explosif
Pour comprendre le fonctionnement des engins nucléaires et comprendre ce qu'on appelle la masse critique, revenons un moment au bureau. Du cours de physique de l'école, on retient une règle simple: les charges de même nom se repoussent. Au même endroit, au lycée, on explique aux élèves la structure du noyau atomique, composé de neutrons, de particules neutres etprotons chargés positivement. Mais comment est-ce possible ? Les particules chargées positivement sont si proches les unes des autres que les forces de répulsion doivent être colossales.
La science n'est pas pleinement consciente de la nature des forces intranucléaires qui maintiennent les protons ensemble, bien que les propriétés de ces forces aient été assez bien étudiées. Les forces n'agissent qu'à très courte distance. Mais cela vaut au moins un peu la peine de séparer les protons dans l'espace, car les forces répulsives commencent à prévaloir et le noyau se brise en morceaux. Et la puissance d'une telle expansion est vraiment colossale. On sait que la force d'un homme adulte ne serait pas suffisante pour retenir les protons d'un seul noyau de l'atome de plomb.
De quoi Rutherford avait-il peur
Les noyaux de la plupart des éléments du tableau périodique sont stables. Cependant, à mesure que le numéro atomique augmente, cette stabilité diminue. Il s'agit de la taille des noyaux. Imaginez le noyau d'un atome d'uranium, composé de 238 nucléides, dont 92 sont des protons. Oui, les protons sont en contact étroit les uns avec les autres et les forces intranucléaires cimentent solidement toute la structure. Mais la force répulsive des protons situés aux extrémités opposées du noyau devient perceptible.
Que faisait Rutherford ? Il a bombardé des atomes avec des neutrons (un électron ne traversera pas la coquille électronique d'un atome et un proton chargé positivement ne pourra pas s'approcher du noyau en raison des forces répulsives). Un neutron pénétrant dans le noyau d'un atome provoque sa fission. Deux moitiés séparées et deux ou trois neutrons libres se sont séparés.
Cette désintégration, due à l'énorme vitesse des particules volantes, s'est accompagnée de la libération d'une énorme énergie. Il y avait une rumeur selon laquelle Rutherford voulait même cacher sa découverte, craignant ses conséquences possibles pour l'humanité, mais ce n'est probablement rien de plus qu'un conte de fées.
Alors qu'est-ce que la masse a à voir avec ça et pourquoi est-ce critique
Et alors ? Comment peut-on irradier suffisamment de métal radioactif avec un flux de protons pour produire une puissante explosion ? Et qu'est-ce que la masse critique ? Il s'agit de ces quelques électrons libres qui s'envolent du noyau atomique « bombardé », ils, à leur tour, entrant en collision avec d'autres noyaux, provoqueront leur fission. Une soi-disant réaction nucléaire en chaîne va commencer. Cependant, le lancement sera extrêmement difficile.
Vérifiez la balance. Si nous prenons une pomme sur notre table comme noyau d'un atome, alors pour imaginer le noyau d'un atome voisin, la même pomme devra être portée et posée sur la table pas même dans la pièce voisine, mais…dans la maison voisine. Le neutron aura la taille d'une graine de cerise.
Pour que les neutrons émis ne s'envolent pas en vain à l'extérieur du lingot d'uranium, et que plus de 50% d'entre eux trouvent une cible sous forme de noyaux atomiques, ce lingot doit avoir la taille appropriée. C'est ce qu'on appelle la masse critique de l'uranium - la masse à laquelle plus de la moitié des neutrons émis entrent en collision avec d'autres noyaux.
En fait, ça se passe en un instant. Le nombre de noyaux éclatés croît comme une avalanche, leurs fragments se précipitent dans tous les sens avec des vitesses comparables àla vitesse de la lumière, déchirant l'air libre, l'eau, tout autre milieu. De leurs collisions avec des molécules environnementales, la zone de l'explosion se réchauffe instantanément à des millions de degrés, rayonnant une chaleur qui incinère tout dans une zone de plusieurs kilomètres.
Soudainement, l'air chauffé se dilate instantanément, créant une puissante onde de choc qui fait sauter les bâtiments des fondations, renverse et détruit tout sur son passage… c'est l'image d'une explosion atomique.
À quoi ça ressemble dans la pratique
Le dispositif de la bombe atomique est étonnamment simple. Il y a deux lingots d'uranium (ou d'un autre métal radioactif), dont chacun est légèrement inférieur à la masse critique. L'un des lingots est réalisé sous la forme d'un cône, l'autre est une boule avec un trou en forme de cône. Comme vous pouvez le deviner, lorsque les deux moitiés sont combinées, une balle est obtenue, dans laquelle la masse critique est atteinte. Il s'agit d'une bombe nucléaire simple standard. Les deux moitiés sont connectées à l'aide de la charge TNT habituelle (le cône est tiré dans la balle).
Mais ne pensez pas que n'importe qui puisse assembler un tel appareil "sur le genou". L'astuce est que l'uranium, pour qu'une bombe explose, doit être très pur, la présence d'impuretés est pratiquement nulle.
Pourquoi il n'y a pas de bombe atomique de la taille d'un paquet de cigarettes
Tous pour la même raison. La masse critique de l'isotope le plus courant de l'uranium 235 est d'environ 45 kg. Une explosion de cette quantité de combustible nucléaire est déjà un désastre. Et fabriquer un engin explosif avec moinsquantité de substance est impossible - ça ne marchera tout simplement pas.
Pour la même raison, il n'était pas possible de créer des charges atomiques super puissantes à partir d'uranium ou d'autres métaux radioactifs. Pour que la bombe soit très puissante, elle a été fabriquée à partir d'une douzaine de lingots qui, lorsque des charges détonantes ont explosé, se sont précipités vers le centre, se connectant comme des tranches d'orange.
Mais que s'est-il réellement passé ? Si, pour une raison quelconque, deux éléments se sont rencontrés un millième de seconde plus tôt que les autres, la masse critique a été atteinte plus rapidement que les autres "arriveraient à temps", l'explosion ne s'est pas produite à la puissance attendue par les concepteurs. Le problème des armes nucléaires superpuissantes n'a été résolu qu'avec l'avènement des armes thermonucléaires. Mais c'est une histoire légèrement différente.
Comment fonctionne un atome pacifique
Une centrale nucléaire est essentiellement la même bombe nucléaire. Seule cette "bombe" possède des éléments combustibles (éléments combustibles) constitués d'uranium situés à une certaine distance les uns des autres, ce qui ne les empêche pas d'échanger des neutrons "frappés".
Les éléments combustibles sont réalisés sous forme de barres, entre lesquelles se trouvent des barres de contrôle en matériau qui absorbe bien les neutrons. Le principe de fonctionnement est simple:
- des barres régulatrices (absorbantes) sont insérées dans l'espace entre les barres d'uranium - la réaction ralentit ou s'arrête complètement;
- les barres de contrôle sont retirées de la zone - les éléments radioactifs échangent activement des neutrons, la réaction nucléaire se déroule plus intensément.
En effet, il s'avère que la même bombe atomique,dans lequel la masse critique est atteinte si doucement et est réglée si clairement qu'elle ne conduit pas à une explosion, mais seulement à chauffer le liquide de refroidissement.
Bien que, malheureusement, comme le montre la pratique, le génie humain n'est pas toujours capable de freiner cette énergie énorme et destructrice - l'énergie de la désintégration du noyau atomique.
