Загальна характеристика та вражаючі фактори ядерної зброї

Ядерною зброєю називають зброю, вражаюча дія якої ґрунтується на використанні внутрішньоядерної енергії, яка виділяється внаслідок вибухових ядерних реакцій поділу або синтезу ядер елементів. Для того, щоб здійснити ядерний вибух необхідно визволити внутрішню ядерну енергію.

Здійснено два шляхи вивільнення цієї енергії:

- ділення важких ядер на більш легкі осколки (уламки);

- синтез легких ядер в одне більш важке.

Найбільш легко діляться ядра урану та плутонію.

Процес поділу ядра :

Час тривання реакції – порядку 10^-14 сек.

Уламки ділення являють собою близько 300 радіоактивних ізотопів з масовим числом від 70 до 160. При одному акті поділу виділяється в середньому 2,5 нейтрони з енергією порядку 1 МеВ і 7,4 гамма-кванта.

1 еВ – це кінетична енергія електрона, якої він набуває в електричному полі з різністю потенціалів у 1 В.

1 МеВ = 10⁶ ЕВ = 4,45 · 10^-20 кВт / год.

В одному кг урану міститься 2,56 10²⁴ ядер.

Отже, при поділі 1 кг урану виділяється енергія:

,

що еквівалентна енергії, яка утворюється під час вибуху 20 тис. т тротилу.

Основною умовою підтримання ланцюгової ядерної реакції (ЛЯР) є умова, щоб при кожному акті поділу виділялося не менше одного нейтрона, що викликає ділення інших ядер, а для цього речовина, що ділиться, повинна мати масу, не меншу за певну величину Мінімальна маса речовини, що ділиться, даного складу, форми і густини, в якій можливе протікання ЛЯР,називається критичною масою. Критична маса залежить від типу речовини, що ділиться, від форми ядерного заряду, його густини та чистоти.

Атомні заряди. За принципом переведення речовини, що зазнає поділу, в надкритичний стан атомні заряди поділяються на заряди пушкового та імплозивного типів.

В зарядах пушкового типу дві або більше частини речовини, що зазнає поділу, маса кожної з яких є меншою за критичну, швидко з’єднуються одна з іншою в надкритичну масу в результаті вибуху звичайної вибухової речовини (ВР). Перевагою є те, що можливе утворення зарядів малих розмірів та високої стійкості до впливу механічних навантажень (снаряди, міни). В зарядах імплозивного типу речовина, яка ділиться, що має за нормальної густини масу, меншу за критичну, переводиться у надкритичний стан підвищенням її густини в результаті всебічного обтискання за допомогою вибуху звичайної ВР.

Термоядерні заряди. Основними елементами є термоядерне пальне і атомний заряд – ініціатор реакції синтезу.

Для характеристики енергії вибуху ядерного заряду часто використовують поняття “потужність”, яку прийнято кількісно оцінювати тротиловим еквівалентом.

Тротиловий еквівалент ядерних боєприпасів – це маса тротилу, енергія вибуху якого дорівнює енергії, яка виділяється під час повітряного вибуху ядерного засобу (ЯЗ). Він виражається у тонах. За потужністю вибуху ядерні боєприпаси (ЯБ) умовно поділяються на:

надто малі q < 1 [кт]; малі 1 £ q < 10 [кт];

середні 10 £ q < 100 [кт]; великі 100 £ q < 1000 [кт];

надто великі q ³ 1000 [кт].

Види ядерних вибухів.

У зв’язку з тим, що навколишнє середовище впливає на характер фізичних процесів, які супроводжують вибух, ядерні вибухи поділяють на:

висотні – (Н > 10 км): космічні Н > 80 км та стратосферні Н=10‑80км;

повітряні – ( км);

наземні – ( км);

підземні – (Н < 0).

При ланцюговій ядерній реакції (ЛЯР), яка триває 0,1–1 мкс, виділяється речовина з температурою 10⁶‑10⁷ К і під тиском Р – 10⁹ кгс/см². Під час вибуху ядерне паливо відразу перетворюється у плазму гамма-випромінювання, і нейтрони, які випускаються при поділі ядра, частково поглинаються оболонкою боєприпасу, частково виходять за її межі й утворюють могутній потік гамма-випромінювання і нейтронів, який називають проникаючою радіацією (ПР). Високотемпературна плазма є джерелом електромагнітних випромінювань (ЕМВ), основна доля яких припадає на м`яке рентгенівське випромінювання. Під час вибуху в атмосфері гамма-випромінювання і ПР із зони реакції розповсюджуються в навколишнє середовище на відстань 6–8 км, іонізує навколишнє середовище, утворюючи потік швидких електронів, які летять переважно у радіальному напрямку. У результаті цього на деякий час у просторі виникає поділ позитивних і негативних зарядів, що призводить до виникнення електричних і магнітних полів (ЕМІ).

Таким чином, в результаті ядерного вибуху у щільних шарах атмосфери виникають наступні вражаючі фактори:

- ударна хвиля, на яку припадає до 50 % загальної енергії вибуху;

- світлове випромінювання (35 % загальної енергії);

- проникаюча радіація (5 % енергії);

- електромагнітне випромінювання (ЕМВ);

- радіоактивне зараження місцевості РЗМ (10 % енергії).

 

Повітряна ударна хвиля. Ударною хвилею називається різке стиснення середовища, що розповсюджується з надзвуковою швидкістю. Ударні хвилі при ядерному вибуху (ЯВ) можуть виникати у повітрі, ґрунті та воді. Повітряна ударна хвиля – різке стиснення повітря, що розповсюджується з надзвуковою швидкістю. Для захисту від ударної хвилі необхідно використовувати міцні природні екрани (захисні властивості місцевості), заглиблення і герметичні (захисні) споруди, стійкі до ударних навантажень.

Світлове випромінювання (СВ). СВ являє собою електромагнітне випромінювання, спектр якого охоплює ультрафіолетову (УФ), видиму та інфрачервону області спектра (l = 0,01¼1000 мкм): (УФ – 13 %, видима – 45 %, інфрачервона – 42 %). Джерелом світлового випромінювання є область свічення ядерного вибуху, яка у випадку повітряного вибуху становитьться з розжарених газів повітря та пари боєприпасів. Швидкість розповсюдження СВ – 300 000 км/с. СВ викликає опіки шкіряного покриву і як наслідок, термічні ураження.

Проникаюча радіація (ПР). ПР – потік гамма–променів та нейтронів, що випускаються із зони ядерної реакції, області свічення та хмари вибуху. Проникаючими ці випромінювання названо тому, що, на відміну від СВ, вони проникають і через непрозорі матеріали, включаючи грунт, бетон, сталь і т.д.

На долю ПР припадає – 5 % енергії ЯВ, а у нейтронних – 25 %. Час дії на наземні об`єкти – 10–25 с, відстань – 1,5–6 км від центра вибуху. Зі збільшенням висоти вибуху радіус дії ПР збільшується до сотень кілометрів.

Електромагнітне випромінювання. Ядерні вибухи в атмосфері та більш високих шарах призводять до виникнення потужних електромагнітних полів із довжинами хвиль від 1 до 1000 м та більше. Ці поля, у зв’язку з їх коротким часовим існуванням прийнято називати електромагнітним імпульсом (ЕМІ). Вражаюча дія ЕМІ обумовлена виникненням напруги і струмів у провідниках різної протяжності, розташованих у повітрі, на землі та техніці.

Радіоактивне зараження місцевості, приземного шару атмосфери, повітряного простору, води та інших об’єктів виникає внаслідок випадання радіоактивних речовин із хмари ядерного вибуху.

 

Будова ядерного реактора

Ядерний реактор – пристрій, в якому здійснюється керована ланцюгова реакція поділу ядер у заданих умовах (рис. 3.3).

 

Рисунок 3.3 ─ Спрощена схема ядерного реактора:

1 – біологічний захист; 2 – відбивач нейтронів; 3 – система керування і захисту;
4 – ТВЕЛи; 5 – активна зона; 6 – циркуляційний контур теплоносія

 

Активна зона ядерного реактора – простір, у якому в результаті ланцюгової реакції поділу відбувається виділення внутрішньоядерної енергії. Активна зона гетерогенного реактора являє собою структуру зі стрижнів ядерного палива. Вільний простір в основному заповнено сповільнювачем. У реакторах на швидких нейтронах сповільнювач відсутній. Активна зона гомогенного ядерного реактора заповнена однорідною сумішшю ядерного палива і сповільнювача. Основним конструкційним елементом активної зони реактора є тепловиділяючий елемент (ТВЕЛ). У ньому безпосередньо розміщене паливо (як правило, у твердому стані), відбувається виділення основної частини теплової енергії та передача її теплоносію.

Найбільш поширеними в енергетичних реакторах є стрижневі ТВЕЛи. Стрижневими ТВЕЛами споряджені і серійні реактори, що застосовуються на українських АЕС типу ВВЕР-440 (рис. 3.4, a), ВВЕР-1000 (рис. 3.4, б) і РБМК-1000 (рис. 3.4, b).

Стрижневий ТВЕЛ із твердим ядерним паливом (рис. 3.4) складається із наступних основних частин: сердечника – ядерного палива 1, оболонки 2 і кінцевих заглушок 3. Сердечник є основною частиною ТВЕЛа і, як правило являє собою набір паливних таблеток. Висота однієї таблетки – 10–30 мм.

 

 

Рисунок 3.4 ─ Циліндричні стрижневі ТВЕЛи реакторів

 

Паливне завантаження енергетичних реакторів складається з великого числа ТВЕЛів. Наприклад, у реакторі ВВЕР-440 паливне завантаження складають 44000 ТВЕЛів, у ВВЕР-1000–8000, у РБМК-1000–61000. Для забезпечення необхідної твердості стрижневих ТВЕЛів, а також зручності монтажу, перевантаження, транспортування та організації спрямованого потоку теплоносія для ефективного охолодження ТВЕЛів їх комбінують групами. Ці групи складають конструкцію – тепловиділяючу збірку (TBЗ).

Тепловидільна збірка або касета встановлюється в технологічний канал ядерного реактора, в якому здійснюються підведення, відведення і організація спрямованого потоку теплоносія, що омиває ТВЕЛи, забезпечується можливість завантаження і вивантаження TBЗ або касет. Технологічний канал, у якому відсутня розділова труба між сповільнювачем і теплоносієм (наприклад, у водо-водяних реакторах), називають безтрубним каналом. У цьому випадку окремі TBЗ або касети встановлюються безпосередньо у сповільнювач, що заповнює активну зону.

При несумісності матеріалів сповільнювача і теплоносія (наприклад, при використанні графітового сповільнювача і водяного теплоносія) у технологічному каналі є розділова труба між сповільнювачем і теплоносієм, навантажена внутрішнім тиском теплоносія. Канали реактора, утворені розділовими трубами тиску і конструкційне пов’язані з корпусом реактора не рознімними з’єднаннями, називають трубними технологічними каналами реактора. Такі канали застосовуються в реакторах канальної конструкції, наприклад у реакторах типу РБМК.

Циркуляційний контур теплоносія – пристрій, що служить для відведення тепла з активної зони енергетичного реактора (перший контур реактора). Як теплоносій застосовуються: вода, газ, легкоплавкі метали.

Відбивач нейтронів – шар матеріалу, що не зазнає поділу, або конструкція, що оточує активну зону реактора для зменшення витоку нейтронів з активної зони, де відбувається ланцюгова реакція поділу. Нейтрони, що досягають відбивача, частково повертаються в активну зону. Основна вимога до матеріалу відбивача – малий перетин захоплення нейтронів і великий перетин їх розсіювання. Добрими матеріалами для відбивача є: графіт, берилій, важка вода.

Система керування і захисту (СКЗ) – сукупність пристроїв, призначених для забезпечення надійного контролю потужності (інтенсивності ланцюгової реакції), керування та аварійного гасіння ланцюгової реакції.

Біологічний захист – це пристрій, що знижує інтенсивність випромінювання до безпечного для персоналу рівня при роботі ядерного реактора. Конструкція і матеріали захисту залежать від цільового призначення реактора, його типу, потужності. У стаціонарних реакторах, де обмеження ваги і розмірів захисту не має істотного значення, використовуються спеціальні сорти бетону з наповнювачами у виді залізної або барієвої руди. Для захисту реакторів транспортного призначення використовують комбінований захист зі спеціальних матеріалів, що знижують масу і габарити біологічного захисту (карбід бору, бораль, сталь, гібриди деяких металів).

Як ядерне паливо використовують радіоактивні речовини, що можуть підтримувати ланцюгову реакцію ділення ядер. До них відносяться ²³³U, ²³⁵U, ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu або речовини, що містять кожний із перерахованих ізотопів. Найбільш широко використовуються ²³³U, ²³⁵U і ²³⁹Pu.

У природі зустрічається тільки один вид ядерного палива – ²³⁵U.

Через вигоряння ядерного палива та утворення у процесі роботи реактора продуктів поділу знижується реактивність системи. Коли запас реактивності зменшується до значення, близького до нуля, реактор зупиняють для перевантаження палива. На АЕС з реакторами ВВЕР на сьогодні установилася практика проводити перевантаження один раз за рік, поєднуючи період перевантаження з перевіркою стану і ремонтом устаткування.

Обмежувати одним роком також і кампанію завантаженого в реактор палива економічно невигідно, тому що переробка відпрацьованого палива і виготовлення нових ТВЕЛів пов’язані з великими витратами. Тому термін служби ТВЕЛів у реакторі прагнуть продовжити, наприклад до трьох років, вивантажуючи і заміняючи щорічно лише одну третину TBЗ.

Відпрацьоване паливо має дуже високу активність. Для того щоб ця активність трохи знизилася за рахунок розпаду продуктів поділу, що володіють короткими періодами напіврозпаду, воно зберігається якийсь час на АЕС у басейнах витримки. Потім його відправляють у спеціальних транспортних контейнерах або у сховище відпрацьованого ядерного палива (СВЯП), або на заводи з переробки відпрацьованого палива для витягу сировини, що залишилася, і виділення деяких найбільш коштовних продуктів поділу.