Физико-технические основы устройства РОО И ЯО.

В результате ЯРД и ЯРС получаются изотопы с большей энергией связи нуклонов ядра (более устойчивые ядра). При этом разница энергий связи нуклонов ядра исходных и конечных веществ ЯР определяет выделяющуюся огромную ЯЭ. Мощность ЯО принято характеризовать тротиловым эквивалентом – энергией выделяющейся при взрыве ВВ (тринитротолуола – ТНТ), обычно – в килотоннах (КТ).

Удельная энергия: ЯРД (U – 235) = 20

[тонн ТНТ/г ЯВВ]

ЯРС (Д + Т) = 80!

То есть, ЯЭ для ЯРС в 4 раза больше, чем для ЯРД в расчете на 1 грамм ядерного топлива.

ЯРД И ЯПБ.

Физико-технические основы мирного и военного использования ЯРД при общем рассмотрении аналогичны. Нейтроны легко проникают в ядра ЯВВ, быстрые (высокоэнергетические, Е › 0,9 МЭВ) делят ядра любых атомов ЯВВ. В качестве ядерного топлива реакторов АЭС и ЯБП используется U – 235. Деление его может инициироваться даже тепловыми (с низкой энергией) нейтронами. Он дорогой (т.к. = 0,7% в природном уране). В реакторах на быстрых нейтронах (типа установленных на ЧАЭС и др. АЭС) используется и U –238, как сырье для получения (в результате захвата нейтрона ядром урана) оружейного плутония – 239. Таким образом, U –235 (U – 238) и Pu –239 – основное ядерное горючее при ЯРД АЭС и ЯБП.

Условия ЯРД:

- достижение критической массы (КМ) ЯВВ;

- коэффициент развития ЯР К_р 1 (отношение количества вторичных нейтронов звена ЯР к первичным; вторичные – те из 2-3 нейтронов ЯР, которые вызывают дальнейшее деление ядра, остальные рассеиваются).

Масса ЯВВ	Кр ЯР	Протекание ЯРД
- докритическая - критическая (КМ) - над (сверх) критическая	< 1 = 1 > 1	Затухает V = const (АЭС) Цепной характер = ЯВ!

КМ = ¦: - вида, чистоты, формы (для шара КМ = min) и плотности ЯВВ;

- наличия отражателя, окружающего активную зону и уменьшающего КМ, его материала и толщины (углерод – графит, тяжелая вода в реакторах АЭС; Al, Fe, U – 238 в корпусах ЯБП). Поглотителями нейтронов являются бор, кадмий и др. элементы.

Примеры КМ:

- U – 235: КМ = 48 кг. КМ урана в водном растворе – 1 кг.

- Pu – 239: КМ = 17 кт (выгодно!).

Уплотнение ЯВВ (в ЯБП – взрывом) снижает эти КМ соответственно до 12 и 5 кг.

Схема цепной ЯРД

КМ ядерного горючего и К_р ЯР в реакторах АЭС регулируется поднятием и опусканием тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) в толщину отражателя: чем больше отражатель возвращает нейтронов в зону реакции, тем больше К_р, превышение которого не должно на АЭС превышать десятых долей процента (иначе → ЯВ, аналогично ЧАЭС). В других типах ЯЭУ (водо-водяном или др.) замедлителем нейтронов является вода или др. теплоноситель 1-го контура реактора (жидкий металл).

Пример: 30.09.1998 год в Японии на одном из предприятий по обогащению урана, расположенном в черте города, произошел взрыв, не очень сильный, но с мощным радиоактивным заражением воздуха, которое в десятки тысяч раз превысило нормы РБ. Как (после паники) удалось установить, причиной взрыва были халатные действия 3-х рабочих, которые добавили в емкость сразу 70 литров растворов солей урана (вместо 10). Система уран – вода (растворитель и поглотитель нейтронов) перешла в надкритическое состояние – цепную ЯРД. При этом, взрывом сразу разметало раствор с частичным испарением воды (с наведенной в ней мощной радиацией), инициированная ЯРД «погасла» (КМ < критической). Через несколько часов мощность радиации, обусловленной появлением при распаде урана α-радионуклида – радона (газ) и испарением воды с наведенной в ней радиацией, снизилось практически до нормы, что подтвердило: резкое превышение РА обусловлено агрегатным состоянием радионуклидов.

Однако, в первое время после взрыва японские специалисты вынуждены были, по сообщениям прессы, обратиться к физикам-ядерщикам Курчатовского института за консультацией и к Правительству РФ за возможной помощью в средствах индивидуальной защиты. Была ли в этом необходимость? Необходимая и достаточная защита для органов дыхания – противогаз (не респиратор, т.к. радиоактивные вещества – в газовой фазе); для защиты кожных покровов – герметичный изолирующий, но пленочный костюм (достаточно для изоляции кожи от прямого контакта с газообразными радионуклидами и защиты от α-активного радона).

ЯБП содержат в простейшем случае две раздельные половинки ЯВВ, каждая докритической массы (пушечный тип) или одну докритическую массу ЯВВ, окруженную зарядом ВВ, которые при подрыве ЯБП сливаются или уплотняются и переводят ЯВВ в надкритическое состояние – неуправляемую цепную ЯРД (имплозивный – взрывной тип).

ЯРС и ТЯБП.

ЯР синтеза нашли использование только в военных целях в термоядерных боеприпасах. За ними – перспектива получения ЯЭ человечеством в мирных целях. Однако, работы в этом направлении не вышли за рамки научно-исследовательских и опытно-конструкторских.

ЯРС из дейтерия и трития более тяжелого – гелия (основные, с большим выходом нейтронов):

· D + Т > Не + n

· Т + Т > Не + 2n!

Относительно быстро распадающийся при хранении в боеприпасах тритий получают облучением лития (дейтерида лития) в момент ЯВ:

Сложность условий начала ЯРС – огромна (десятки тысяч градусов) температура. Она достигается (до 10 млн. ⁰С) только при ЯРД. Поэтому инициатором ЯРС в ТЯБП служит капсюль ЯБП на ЯРД, «поджигающий» ЯРС.

Схема устройства ТЯБП.

• Типа Деление – Синтез (Д-С) •Комбинированный типа Д-С-Д

а) обычный б) нейтронный

3. Развитие, вид, образование поражающих факторов ЯВ

Классификация ЯВ по мощности.

Мощность ЯВ q [кт]	Время свечения [сек]	Диаметр огненного шара [км]
< 1 – сверхмалый 1 ¸ 10 – малый 10 ¸ 100 – средний 100–1000 – крупный > 1 Мгт – сверхкрупный	~ 0,2 1-2 2-5 5-10 > 10	< 0,2 0,2 ¸ 0,5 0,5 ¸ 1 1 ¸ 2 2 ¸ 5

1) Ядерная реакция

2) Рекомбинация плазмы с выделением мягкого рентгеновского излучения.

3) Передача энергии, нагрев, расширение воздуха, образование светящегося фронта и воздушной ударной волны (ВУВ) (или сейсмовзрывной волны). Подъем и прекращение свечения облака, ослабление ВУВ.

Поражающие факторы (ПФ) ЯВ:

Ø УВ (ударная волна): - воздушная (ВУВ), сейсмовзрывная (СВВ) (сжатие грунта, воды).

Ø СИ (световое излучение)

Ø ПР (проникающая радиация)

Ø РЗ (радиоактивное заражение)

Ø ЭМИ (электромагнитный импульс)

При авариях ЯЭУ основными ПФ являются: РЗ, ПР и гораздо в меньшей силе – разрушительное действие взрыва. Это объясняется тем, что при авариях РОО, выбрасываются, загруженное в реактор огромное количество ядерного горючего (на четвертом блоке ЧАЭС 200 тонн обогащенного урана), в сотни раз большее количество (тыс. тонн) превращенных в пыль других элементов конструкции реактора и теплоносителей с огромной наведенной радиацией (мощности доз или уровня радиации вблизи разрушенного реактора могут достигать тысяч рад/час).

Энергия ЯВ выделяется во всей области длин волн (l) спектра электромагнитных излучений (ЭМИ), каждой из которых отвечает своя энергия (Е).

n, g - излучения (ПР), последовательно передавая свою энергию окружающим слоям, создают весь спектр ЭМИ: от мягкого рентгеновского (в результате рекомбинации плазмы), продолжая спектром СИ (УФ, видимый и ИК-спектры), и, заканчивая ЭМИ радиоволнового диапазона, образуют ПФ ЯВ.

В зависимости от высоты ЯВ (разряженности атмосферы) доля энергии, приходящаяся на тот или иной ПФ ЯВ, будет различна. Так, доли энергии наземных ЯВ, приходящиеся на УВ и СИ и составляющие соответственно 50 и 35%, постепенно с увеличением высоты ЯВ с h > 50 км уменьшаются. На высотах h ³ 150 км УВ и СИ как носителей тепловой энергии практически нет. Там энергия полностью выделяется в виде рентгеновского излучения более высокого порядка и энергии плазмы (80%). Рентгеновское излучение не поглощается в безвоздушном пространстве средой и рассеивается, не переходя в тепловую энергию УВ и СИ.

Виды, внешние признаки и ПФ ЯВ определяются мощностью и высотой ЯВ: высотный, воздушный (высокий и низкий), наземный, подземный (подводный). Точка на поверхности земли, над которой произошел взрыв, называется эпицентром.

1. Высотный (> 10 км).

ПФ (при высоте (h) = 10-30 км): ВУВ, СИ, ПР. На высоте (h) > 70 км – рентгеновское излучение.

Космический ЯВ: светящаяся область не образуется – вакуум!

Назначение: уничтожение летящих космических и воздушных целей.

2. Воздушный.

а) высокий h £ 8-10 км (< тропосферы). Светящаяся область - огромный шар.

Шар ® Р/А облако взрыва, поднимается до 10 км.

Столб пыли не соединяется с ним!

ПФ: ВУВ, СИ, ПР, РЗ незначительное.

Назначение: поражение открыто расположенныхлюдей, разрушение зданий, укрытий.

б) низкий – на малой высоте – светящаяся область деформирована (приплюснута) снизу, но не касается земли!

В районе эпицентра (R = n км) грунт взрыхлен и вспучен, в течение до часа закрыт облаком пыли.

ПФ: те же, но их действие в эпицентре выше + РЗ местности вблизи эпицентра.

Назначение: разрушение сооружений и поражение укрытого населения.

3. Наземный – на поверхности земли или в воздухе. Светящаяся область – полусфера на земле. Нижняя часть ее закрыта пылью.

Внешняя картина = ¦ (глубины, мощности ЯВ).

Мощное пылевое облако и столб слиты сразу в «гриб». Облако темное – много грунта. > Р/А. Грунт шлакуется в воронке (Д 200 м, Г = n * 10 м).

ПФ – все.

Назначение: поражение населения и войск в прочных укрытиях с сильным РЗ местности.

4. Подземный – под землей.

Светящаяся. область не видна (под землей). Грунт вспучивается и выбрасывается в воздух. При > глубине ЯВ выброс грунта не происходит. Воронка >, чем при наземном ЯВ.

Непреодолимые!зоны завала разрыхленного грунта.

ПФ: > СВВ грунта, РЗ местности.

Назначение: зоны разрушений и заграждений (воронки, завалы с сильным РЗ в горах, разрушение плотин с затоплением).

5. Подводный – под водой.

Внешняя картина = ¦ (глубины, мощности ЯВ).

Светящаяся область под водой не видна. Водяной купол переходит в полый грибообразный водяной столб («взрывной султан») высотой до км. От основания столба идет поверхностная гравитационная волна высотой до 50 м. Водяной столб, падая, образует кольцевое облако мороси – базисную волну с РЗ – РА облако.

ПФ: подводная ударная волна сжатия.

Назначение: поражение кораблей и подводных лодок разрушение гидротехнических сооружений.

Знание внешней картины ЯВ позволяет определить вид и с помощью несложных расчетов – мощность (по высоте подъема верхней кромки облака) и координаты ЯВ.