|
|
בשנת 1934 גילה המדען האיטלקי אנריקו מרפי שהפגזת אורניום בניוטרונים
אכן מביאה להיוצרות יסודות רדיואקטיבים. פרמי חשב שאלו היסודות 93 ו.-94
לאחר כ-5 שנים שני חוקרים גרמניים, האן שטרסמן, הצליחו להראות שהיסודות
שהתקבלו היו האיזוטופ של בריום()Ba ולנתן(. )La
אם כך אז נשאלה השאלה,מה בעצם קרה?
בשנת 1939 המדענים פריש ומיינטר העלו את הרעיון שהתהליך שקרה הוא
דוגמא של תגובה גרעינית שלא היה ידוע אז. הם שיערו שכאשר הניוטרון נבלע
בגרעין האורניום נוצר איזוטופ בילתי יציב אשר מתבקע לשני חלקים כמעט
שווים. התהליך הזה נקרא ביקוע.
תוך זמן קצר, נגתלו בתוצרים של הביקוע יסודות רבים בעלי מספרים
אטומים בינוניים ()30-60 נוסף על כך ,גילו המדענים שבהליך נפלטים 2 או 3
ניוטרונים.
אנרגיית הביקוע:
אפשר לראות ע"י חישוב פשוט שהמסה של התוצרים בביקוע נמוכה יותר ממסת
המגיבים. את פיחות המסה נסמן ב-דלתא .M
כמו כן בתגובות גרעיניות משחררת אנרגיה. את האנרגיה הזו נסמן
ב-דלתא .E
אלברט איינשטין הראה שקיים קשר כמותי בין כמות האנרגיה המשתחררת לבין
פיחות המסה. את הקשר הזה ביטא איינשטין באמצעות המישואה:
mcבריבוע = E
c =מהירות האור
בעזרת שיטות שפותחו בראשית המאה יכלו המדענים לקבוע את המסות של
גרעינים וחלקים בגרעין בדיוק רב. יחידת המסה נקראה מסה אטומית.
להלן תהליך ביקוע רגיל וטיפוסי:
תגובת שרשרת פצצת אטום וכור אטומי:
בכדי שיהיה ניתן להפיק מהתהליך כמויות אנרגיה גדולות ,צריך התהליך
"לקיים את עצמו" כלומר,שהניוטרונים שנפלטים יגרמו גם הם לביקוע נוסף וכך
כל ביקוע יגרום לכמה ביקועים נוספים וזה התהליך שנקרא "תגובת שרשרת"
ע"י חישובים הגיעו המדענים לעובדה שאחרי כ-76 דורות של ביקועים יתבקעו
6*10בחזקת 23 גרעינים של אורניום שהם מול אחד בלבד. אם ניקח בחשבון את
העובדה שהתהליך מתרחש במהירות של שבריר של שניה ,נוכל להבין שיש אפשרות
לשיחרור כמות עצומה של אנרגיה.לשם כך אנו צריכים לדאוג לכמות אורניום
מתאימה (מסה קריטית) ולדאוג לתנאים שימנעו "בריחה" של הניוטרונים הנוצרים
בכל דור של ביקועים . אלה הם התנאים אשר קימים בפצצת אטום רגילה ומכאן בא
כח ההרס שבה והטמפרטורה הגבוהה שהיא פולטת. בתנאים אלה תגובת השרשרת לא
ניתנת לשליטה.
כור:
כור גרעיני הינו מתקן שבו מיתרחש תהליך הביקוע גרעיני אך האנרגיה שנוצרת
משמשת להפעלת טורבינות שמיצרות חשמל ולא למטרות מלחמה.בכור אטומי יש קודם
כל אורן רגיל במסה גבוהה יותר מהמסה הקריטית ,כמו כן צריך מקור של
ניוטרונים שיגרמו לביקוע ראשוני. כאשר אטום קולט ניוטרון הוא הופך
לרדיואקטיבי ואז הוא פולט קרינת )בתא(ולפעמים גם קרינת )גמא( שמסוכנות
לאדם . לשם סינון הקרינה משתמשים בכור בקירות עבים של בטון ובמים כך
מסתננת לפחות רובה. כמו כן גם קרינת ניוטרונים מסוכנת לאדם )אפילו יותר
מקרינה רגילה( לסינון קרינה זו משתמשים במקלות קדמיום ()Cd שבולעים
ניוטרונים ובעוד כמה חומרים מבודדים.
כדי לדאוג לפעילותו התקינה של הכור ,מצד אחד שלא יהיה בזבוז אנרגיה ומצד
שני לא לגרום לפיצוץ יש לדאוג שרק ניוטרון אחד יגרום לביקוע )בכל דור( זאת
עושים ע"י החומרים שהוזכרו קודם.
|
|
|
|
|
פצצת האטום
|
ביקוע:
פצצת האטום מקבלת את האנרגיה שלה מתוך ביקוע של ליבת אטומים של אורניום או פלוטוניום. אלברט איינשטיין הסביר איך ביקוע של אטומים כבדים יכול ליצור אנרגיה המשחררת רמות גבוהות מאוד של חום וקרינה. הוא פרסם את התיאוריה שלו ב1905- .
e=mc
משוואה זו מציינת שהמסה הנתונה (m) קשורה עם כמות האנרגיה (e), שווה למסה כפול הריבוע של מהירות האור (c).
כמות קטנה מאוד של חומר שווה לכמות גדולה של אנרגיה.
לדוגמא: ק"ג אחד של חומר המומר לגמרי לאנרגיה יהיה שווה לאנרגיה המשוחררת ע"י פיצוץ 22 מגה טון של TNT.
הנויטרון הוא המרכיב הכי אפקטיבי הגורם לביקוע אורניום.
זקוקים רק לנויטרון אחד כדי לפרק אטום. כאשר האטום מתבקע הוא מתחלק לשני אטומים קטנים יותר שתמיד רדיואקטיביים ומשחררים כמות עצומה של אנרגיה ו2- או 3 נויטרונים.
שחרור הנויטרונים יכול לפגוע בליבות של אורניום אשר גורם להם להתפצל באותה הדרך. זוהי תגובת שרשרת (שורה של ביקועים).
מסה קריטית:
אם היה לך כדור קטן העשוי מחומר שניתן לבקעו כמו אורניום 235, בערך כגודלו של כדור גולף, הוא לא יחזיק מעמד בתגובת שרשרת. יותר מדי נויטרונים יברחו דרך פני השטח ויאבדו את תגובת השרשרת-זה נקאר כמות סבקריטית.
במסה של אורניום 235 (בגודל של כדור בייסבול) יש יותר נויטרונים הפוגעים באטומים של חומר הניתן לביקוע מאשר בורחים דרך פני השטח-הם מקיימים תגובת שרשרת.
הכמות המינימלית של חומר הניתן לביקוע, הדרושה על מנת לקיים תגובת שרשרת ידועה בתור מסה קריטית.
הגדלת גודל הכדור יוצרת התכווצות סופר קריטית שבה נוצרים, בזה אחר זה, דורות של חומר הניתן לביקוע, הגדל באופן מהיר, ומוביל לפיצוץ אפשרי כתוצאה משחרור מהיר של כמות אנרגיה עצומה.
חומר כבד הקרוי טמפר, סובב את המסה הבקיעה ומונע ממנה התפלגות בטרם עת. הטמפר מוריד גם ממספר הנויטרונים שבורחים.
יצירת הפיצוץ:
כאשר המדענים בנו את הפצצה הם לא יכלו ליצור מסה סופר קריטית של חומר בקיע בגלל שהוא היה מתפוצץ. עקפו בעיה זו ע"י יצירת שתי כמויות סבקריטיות של חומר בקיע והרכבתם בתוך הפצצה בנפרד זה מזה – הם לא נוצרים קריטים עד שהפיצוץ מופעל כדי להעביר אחת מהמסות הסבקריטיות על השניה. כוח הפגיעה מאחה את שני החומרים הסבקריטים יחדיו – כך הם יכולים ליצור מסה קריטית.
ביקוע
ביקוע גרעיני מתרחש כאשר גרעין של איזוטופים מסוימים, כמו, למשל, אורניום ופלוטוניום, פוגש נויטרונים. גרעיני האיזוטופים הללו, אינם יציבים ותוספת של כמות מזערית של אנרגיה בדמות נויטרון חיצוני, תגרום לפיצול מיידי לשני חלקים שווים בערך, בליווי שחרור כמות עצומה של אנרגיה (180 מגה וואט של אנרגיה זמינה) וכמה נויטרונים חדשים (בממוצע של כ- 2.52 לאורניום 235 נויטרונים וכ- 2.95 נויטרונים לפלוטוניום 239). במידה ונויטרון אחד (בממוצע) מכל ביקוע, נפגש ויוצר ביקוע מתקבלת תגובת שרשרת. אם (בממוצע) יותר מנויטרון אחד מכל ביקוע מעורר ביקוע אחר, אז מספר הנויטרונים ושיעור תפוקת האנרגיה יגדלו במשך הזמן.
שני תנאים חייבים להתקיים כדי שביקוע יהיה שמיש ליצירת פיצוצים רבי-עוצמה:
1)מספר הנויטרונים שהושקע בביקוע חייב להישאר נמוך.
2)הקצב שבו תגובת השרשרת מתרחשת חייב להיות מהיר מאוד.
הפצצה הגרעינית מצויה במירוץ נגד עצמה: היא צריכה לבקע בהצלחה את רוב החומר המצוי בה לפני שתפוצץ את עצמה.
הדרגה בה תכנון הפצצה מצליח במירוץ זה קובע את יעילותה. פצצה אשר תכנונה גרוע או אשר אינה מתפקדת כראוי עלולה "להיכשל" ולשחרר רק כמות חלקית מהאנרגיה הפוטנציאלית שלה.
אופי תהליך הביקוע
גרעין של אטום יכול ליצור איטראקציה עם נויטרון העובר בקרבתו בשתי דרכים בסיסיות:
1)הוא יכול לגרום לסטיית הנויטרון לכיוון אחר, בזמן שהוא גוזל ממנו חלק מהאנרגיה הקינטית שלו.2) או שהוא יכול ללכוד אותו, פעולה שתשפיע על הגרעין בכמה צורות- החשובות בהן הן הביקוע וקליטה.
הסיכוי שגרעין מסוים יפזר או ילכוד נויטרון נמדד בחתך מייצג של הפיזור והלכידה בהתאמה. החתך המייצג של הלכידה הכוללת יכול להתחלק לתת-חתכים מייצגים אחרים - של הקליטה ושל הביקוע.
יציבותו של גרעין אטומי נקבעת על פי אנרגית הקשירה שלו – כמות האנרגיה הנדרשת לפצלו. כל פעם שנויטרון או פרוטון נלכד על ידי גרעין אטומי, הגרעיו מסדר מחדש את המבנה שלו. אם משתחררת אנרגיה בזמן סידור זה, אנרגית הקשירה פוחתת. אם האנרגיה נספגת, אנרגית הקשירה גודלת. האיזוטופים החשובים לשחרור רב של אנרגיה באמצעות ביקוע הם אורניום235-, פלוטוניום239- ואורניום233-. אנרגית הקשירה של שלושת האיזוטופים הללו היא כל כך נמוכה עד כדי כך, שכאשר נויטרון נלכד, האנרגיה הנפלטת בעקבות הסידור-מחדש עולה עליה בגודלה. באותו זמן, הגרעין כבר אינו יציב והוא צריך להפטר מעודף האנרגיה, או להתפצל לשני חלקים. מאחר והבקוע מתרחש בלי קשר לאנרגיה הקינטית של הנויטרון (אין צורך באנרגיה נוספת מהתנועה של הגרעין על מנת לפצלו), תהליך זה נקרא "ביקוע איטי".
לעומת זאת, כאשר האיזוטופ השופע, אורניום238-, לוכד נויטרון, יש לו חוסר באנרגית קשירה של 1 מגה וואט לאחר הסידור-מחדש הפנימי. אם הוא לוכד נויטרון עם אנרגיה קינטית העולה על 1 מגה וואט, אז אנרגיה זו בצירוף עם האנרגיה שמשתחררת בסידור-מחדש, יכולה להתגבר על אנרגית הקשירה ולגרום לביקוע. מאחר ונויטרון מהיר בעל אנרגיה קינטית רבה נדרש לתהליך, תהליך זה נקרא "ביקוע מהיר".
ביסודות ישנה מגמה, שלפיה היחס בין הנויטרונים לפרוטונים בגרעין האטומי עולה בהתאם למספר האטומי שלהם(מספר הפרוטונים שמכיל הגרעין, הקובע איזה יסוד זה).
יסודות מורכבים יותר זקוקים, באופן יחסי, ליותר נויטרונים על מנת להקנות יציבות לגרעין. כאשר גרעין של אטום מורכב כמו אורניום (בעל מס' אטומי 92) מתפצל לחלקים, בעלי מס' אטומי נמוך יותר, הוא נוטה לקבל נויטרונים נוספים. נויטרונים אלו מוקרנים במהירות רבה על ידי החלקים. בממוצע, מספר הנויטרונים המיוצרים גדול ממספר הנויטרונים שהביקוע צורך.
ביקוע הוא תהליך סטטיסטי. לעיתים רחוקות, הגרעין מתפצל לחלקים בעלי מסה ומס' אטומי כמעט זהים.
במקום זאת לגודל ולמספר האטומי של החלקיקים יש חלוקה שווה סביב שתי דרכים (אחד של החלקיק הקל יותר – בערך 95, ואחד עבור החלקיק הכבד יותר – בערך 135). בדומה, מספר הניוטרונים המיוצרים בגיוון מאפס עד שש ויותר , והאנרגיה הקינטית שלהם מגוונת מ-0.5MeV עד ליותר מ4- MeV , האנרגיה הסבירה ביותר היא 0.75 MeV הממוצע הוא 2.
האנרגיה המשוחררת על ידי ביקוע נתונה כאן:
Kinetic energy of fission fragments 165 +/- 5
Instantaneous gamma rays 7 +/- 1
Kinetic energy of neutrons 5 +/- 0.5
Beta particles from product decay 7 +/- 1
Gamma rays from product decay 6 +/- 1
Neutrinos from product decay 10
TOTAL 200 +/- 6
(יש לקרוא נתונים אלו מימין לשמאל)
כול האנרגיה הקינטית משוחררת לסביבה מיידית , כמו רוב קרני הגאמה המיידיות. תוצרי הביקוע הלא יציב משחררים את האנרגיות שלהם בקצב משתנה, חלקם במיידיות.
התוצר הסופי שהוא בערך 180 MeV הוא למעשה מאפשר יצירה של פיצוץ אטומי , שארית האנרגיה מופיעה עם הזמן בתור נשורת (או שהיא נסחבת על ידי ניוטרונים שלא ניתנים לגילוי).
|
|
|
|
