Atomfegyverek.ppt

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi
Egyetem
Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki
Középiskolai Fizikatanári Ankét
Székesfehérvár
2005. március 11-14.
Dr. Sükösd Csaba
Nukleáris Technika Tanszék
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Dr. Sükösd Csaba BME
Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14
1934: Szilárd Leó ötlete (szabadalom):
A + n B + több n + energia
láncreakció a neutronok segítségével
1938: Maghasadás felfedezése
(Otto Hahn, F. Strassmann)
U + n hasadványok
1939: Szilárd Leó és Walter Zinn:
U + n hasadványok+ 2,4 n + nagy energia

1939: Niels Bohr: csak a 235U hasad nagy valószínűséggel
Az 238U csak „elnyeli” a neutronokat
238U + n 239U 239Np 239Pu (24400 év)
A 235U sem hasad mindig, az is elnyel
235U + n 236U (24 millió év)
Elméletileg előre lehetett látni, hiszen
Zurán= 92. Ha két egyenlő részre hasadna: Ztermék= 46 (Pd)
(Pd stabil izotópja: 106Pd)
2 stabil Pd atommag: 92 proton +120 neutron
1 stabil U atommag: 92 proton +146 neutron (120 +26)
De: a 235U – ra: hasadási vszínűség/elnyelés >1
238U – ra: hasadási vszínűség/elnyelés <<1

2. Láncreakció:
a neutron-háztartáson alapul
Effektív sokszorozási
tényező: két, egymást
követő n-generáció
számának aránya.
i
i
eff
N
N
k 1


keff
>1 növekszik (szuperkritikus)
=1 állandó (kritikus)
<1 csökken (szubkritikus)

Hogyan változik Ni a neutron-generációk során?
i
i
i
i
i
eff
N
N
N
N
N
k




 1
1
i
i
eff
N
N
k 1


Definíció: azonos
átalakítás
Legyen L a két generáció között eltelt idő : L=t. Ebből 1

t
L
Megszorozva „1-el” a jobb oldalt:  
t
L
N
N
k
i
i
eff




1
Átrendezve: N
L
k
t
N eff








 


 1
Ennek a diff.egyenletnek a megoldása:
t
L
1
keff





 
 e
N
t
N 0
)
(
N
L
k
dt
dN eff








 

1
Végül:

szuperkritikus szubkritikus
t
L
keff
e
N
t
N







 

1
0
)
(

A láncreakció befolyásolása (1)
2x akkora méret, 4x akkora felület, 8x annyi 235U (térfogat),
ezért a kiszökés aránya felére csökken!
oldalhossz felület térfogat
1 6 1
2 4 x 6 8 x 1
Kiszökés aránya:
felület felület
összes 235U térfogat
A kiszökés aránya tehát a rendszer méretének növelésével
csökkenthető. „Kritikus méret, kritikus tömeg”
Keletkezés (hasadás): ~ 235U atommagok összes száma
Keletkezés (hasadás)
Kiszökés
Elnyelődés
~ (állandó sűrűség)

M0 : urán kritikus tömege,
r0 :az urán sűrűsége
R0 : kritikus tömegnyi gömb sugara.
0
0
3
0
3
4
M
R 
 r

0
0
2
0
0
0
3
0
0 3
4
3
4
1
R
R
M
R
M
r

r





















Hozzuk be a tömeg/felület arányt:
Kritikus rendszerre: x = 1
Definiáljuk: 















0
0
3
R
F
M
x
r
Ahol M a rendszer tömege,
F pedig a felülete
Szuperkritikus eset: x > 1 (keletkezés túlsúlya)
Szubkritikus eset: x < 1 (kiszökés túlsúlya)

Első példa:
2 M0 tömegű, r0 sűrűségű gömb:
3
0 2

 R
R
1
26
,
1
2
2
3
2



x
Behelyettesítés után:
Második példa:
2M0 tömegű, r0 sűrűségű gömbhéj
Behelyettesítés után:
1
96
,
0
3
2
3
2



x
Robban!
Nem robban!
















0
0
3
R
F
M
x
r

Harmadik példa: 2 r0 sűrűségnél mekkora a kritikus tömeg?
Először az R sugarat lehet meghatározni:
0
0
0
2
3
1
R
R
R
F
M

















r
és ebből:
2
0
R
R 
Ennek ismeretében
a kritikus tömeg: 4
2
2
3
4
3
4 0
0
3
0
3 M
R
R
M 









 r

r

Nagyobb sűrűségre összepréselve tehát jóval kevesebb
hasadóanyag is elegendő!!! (Teller Ede)

A láncreakció befolyásolása (2)
Keletkezés (hasadás)
Kiszökés
Elnyelődés
A keletkezés/elnyelődés arányának befolyásolása:
Természetes urán: (235U/238U) = 0,0071 (= 0,71 %)
Atomfegyverhez: (235U/238U) > 0,90 (= 90 %)
(ekkor már a 238U elnyelése nem tudja elnyomni a 235U hasadását)
• a neutronok lassítása (atomfegyvereknél nem kell)
• szabályozó elemek, n-elnyelő rudak stb. (nem kell)
• az urán DÚSÍTÁSA: (235U/238U) arány módosítása

Dúsítás:
csak fizikai módszerekkel, mert 238U, 235U kémiailag azonosak.
Tömegkülönbséget kell kihasználni .
Diffúziós módszer: (UF6 gázzal)
Hőmérsékleti egyensúlyban lévő gázkeverékben:
kT
m
m
2
3
2
1
2
1 2
8
8
2
5
5 
 v
v
ebből
0043
,
1
5
8


m
m
8
5
v
v
A gyorsabban mozgó 235UF6 molekulák gyorsabban
diffundálnak. Kicsi a különbség, egy fokozatban csak nagyon
kis dúsulás érhető el. 15 – 20 ezer fokozatra van szükség.

Ultracentrifuga módszer: (UF6 gázzal)
„Barometrikus magassági formula” gázkeverékben:
kT
mgx


 e
x 0
)
( r
r
földi „g” esetén csak elhanyagolhatóan
kis dúsulás, de ultracentrifugával
„g” több nagyságrenddel megnövelhető,
és így nagyobb mértékű dúsulás érhető el.
néhány ezer fokozat már elég
Modern francia-japán lézeres módszer:
(UF6 gázzal)
Lézerrel kiválasztja (gerjeszti), utána
erős villanófénnyel szétbontja a már
gerjesztett molekulákat.

Az uránbomba működése:
Alapelv: két – egyenként a
kritikus tömegnél kisebb –
urándarab, majd összelőjük
őket.

n-forrás: a-forrás + Be lapka (a-részek hatótávolsága ~ mm),
ekkor már keff>1 és a láncreakció gyorsan kiterjed.
t
L
keff
e
N
t
N







 

1
0
)
(
Számoljunk egy kicsit!
L ~ 10-7 s (gyors neutronok!)
keff ~ 1,2
N(t) ~ 1023
Ezekből : t ~ 4,5·10-6 s
A láncreakció a másodperc milliomod
része alatt makroszkopikus anyagmeny-
nyiségre terjed ki!
A puskagolyó sebessége ~ 1000 m/s, ezért ennyi idő alatt
a két félgömb kb. 4,5 mm utat fut be.
Probléma: állandó neutronforrás a láncreakció már akkor
beindul, amikor a két félgömb még messze van atompukkanás

Hiroshima
1945. aug. 6. (8 óra 15 perc 17 s)
Az Enola Gay kioldotta az első atom-
bombát („Little Boy”)
kb. 9000 m magasan.
A bomba 40 s-el később felrobbant
kb. 1000 m magasságban.
Robbanóereje kb. 12000 t TNT-nek
felelt meg.
A láncreakció mindössze az urántöltet
1 %-ra terjedt ki

A plutóniumbomba működése:
Hasadóanyag: tiszta 239Pu
Előállítása atomreaktorokban:
238U + n 239U 239Np 239Pu
Használt üzemanyagban felgyűlik, és
onnan kémiai módszerekkel elválasztható
(Nemzetközi Atomenergia Ügynökség
szerepe a felügyeletben)
Uránbomba alapelve nem használható,
Pu spontán hasad (kis valószínűséggel)
állandó n-forrást jelent atompukkanás
Megoldás: implózió (befelé robbantás)
(Neumann, Teller)

A 239Pu előállítása: a hanfordi atomreaktorokkal (Wigner Jenő)
(vízhűtésű, grafittal moderált).
1945-re két bomba alapanyaga készült el.
Trinity:
1945. július 16, Alamogordo
(hegyekkel övezett sivatag, USA)
hajnalban

Nagaszaki
1945. aug. 9. (11 óra 02 perc)
A Bock’s Car kioldotta az első Pu-
bombát („Fat Man”).
A bomba kb. 503 m magasságban
robbant fel.
Robbanóereje kb. 22000 t TNT-nek
felelt meg.
A láncreakció kb 1 kg plutóniumra
terjedt ki (a kb. 10 kg-nyi töltetből)

Az atombomba hatásai (1):
• Tűzgömb
(középpontban néhány
millió fok)
• Rtg- gamma- és neutron-
sugárzás a robbanáskor
• Intenzív hősugárzás
(gyújt,éget)
• Gombafelhő és „fekete eső”

Az atombomba hatásai (2):
• Lökéshullám (rombol)
• Környezet radioaktív szennyezettsége,
• Inkorporált radioaktivitás,
• Sugárbetegség
• Sugárzások késői hatásai
(leukémia, rák)

Az atombomba halálos áldozatai
• különféle adatok jelentek meg
• pontos számadatunk máig sincs.
(a hivatalos okmányok szinte teljesen megsemmisültek)
Mai becslések:
Hiroshima:
kb. 350 000 ember tartózkodott ott a robbanáskor,
ebből kb. 43 000 katonai személy és kb. 50 000 koreai.
kb. 140 000± 10 000 halt meg az 1945. év végéig,
ebből 20 000 a katonai személy és kb. 20 000 koreai.
Nagaszaki:
kb. 270 000 személy érintett,
ebből kb. 70 000± 10 000 halt meg 1945 végéig.
ezekből kb. 2000 koreai.

Szilárd Leó: 1945 májusa (!):
„Ne használják az atomfegyvert emberek ellen. Ha okvetlenül
szükséges, „mutassák meg” a japánoknak: robbantsák fel
10 km magasan éjszaka Tokió fölött, hogy mindenki láthassa a
szörnyű erejét, de senkinek a haja szála se görbüljön meg”
Teller Ede:
„Azt, hogy Hiroshimára le kellett-e dobni az atombombát, én
nem tudom. Én azt hiszem, hogy ez hiba volt. De hogy Nagaszakira
ledobni hiba volt, abban egészen biztos vagyok! ”

Köszönöm a megtisztelő figyelmüket !
Százezernyi gyertya úszik a Motoyasu folyón minden év aug. 6-án

Atomfegyverek.ppt

Recommended

Recommended

More Related Content

Featured

Featured (20)

Atomfegyverek.ppt