Atominė energija ir jos panaudojimas

DR. INŽ. J. VĖBRA

II. ATOMINIAI GINKLAI

1. Atomo skilimu pagrįsta bomba.

A. — Uranijaus — 235 bomba. Jau esame minėje pirmojoj šio straipsnio dalyje, kad Uranijaus izotopo — 235 branduolin gali patekti gana įvairaus greičio neutronai. Įsmigus į jo branduolį neutronui, U-235 atomas suskyla į dvi dali, kartu išmesdamas 3 ar 4 didelio greičio neutronus ir milžinišką kiekį energijos — šilimos, šviesos, ir įvairių kitų bangavimų pavidale. Ši U-235 atomo savybė ir buvo panaudota pirmosios atominės bombos, gamyboje, kuriai realizuoti kariaujančių kraštų lenktynės prasidėjo 1939 metais.

Atomui sprogus, išmestieji neutronai, lėkdami milžinišku greičiu, susiduria su kitais U-235 atomų branduoliais, į juos įsminga ir juos susprogdina. Kiekvienas iš sprogusių naujų atomų išmeta po tris ar keturis neutronus, kurie, savo eilėj, susprogdina kitus U-235 atomus ir t.t. Prasidėjusioji reakcija vyksta savaime: sprogęs vienas atomas savo išmestaisiais neutronais susprogdina vieną ar daugiau kitų atomų, kurie sprogdami išmeta daugiau neutronų, susprogdinančių dar kitus atomus ir t.t. Pasidaro lyg ir pavienių, elementarinių, reakcijų ar sprogimų grandinė. Sakoma, kad turime reikalo su grandinine reakcija.

Kad grandinine reakcija nesustotų (sprogimų grandinė nenutrūktų), reikia, kad, atomui sprogūs, iš jo trijų ar keturių išmestų neutronų bent vienas, sutiktų savo kelyje U-235 atomo branduolį ir jį susprogdintų. Iš pirmosios gi šio straipsnio dalies žinome, kad medžiaga, net ir tokia tanki ir sunki, kaip uranijus, yra labai koringa. Tiesa, kietose medžiagose atomai yra susiglaudę, liečiasi viens su kitu, bet gi atomo branduolio skersmuo apie 10.000 kartų yra mažesnis už viso atomo skersmenį. Tokiu būdu, net ir šio sunkaus metalo užimamoji erdvė yra beveik tuščia, ir atomo sprogimo metu išmestiesiems neutronams yra platūs keliai išlėkti į erdves, nesusidūrus su kito atomo branduoliu. Kuomet tai atsitinka, grandininė reakcija sustoja ir sprogimas neįvyksta. Sprogimo tikrumas pareina nuo U-235 gabalo dydžio. Kuo U-235 gabalas didesnis, tuo neutronams per metalą, kelias ilgesnis, ir tuo didesnė tikimybė, kad jie pakeliui susidurs su dar nesprogusio atomo branduoliu ir jį susprogdins. Iš to seka, kad turi būti tam tikra riba, žemiau kurios, vienam-kitam U-235 atomui, sprogus, jų išmestieji, ne-utronai išsilaksto į erdves, neužkliudę kitų atomų, branduolių; priešingai, U-235 metalo gabalui viršijant šią I ribą, prasidėjusioji grandininė reakcija nenutrūksta, ir kelių milijoninių sekundės dalių laikotarpyje įvyksta viso gabalo sprogimas.

Prieš pradėsiant atominės bombos gamybą, buvo labai svarbu nustatyti šj “kritiškąjį” Uranijui-235 charakteringąjį tūrį, žemiau kurio ir prasidėjusioji reakcija savaime    sustoja, ovirš kurio sprogimas vyksta iki galo. 1942 metų pabaigoje, New Mexico tyruose, Los Alamos vietovėje, buvo pastatyta speciali atominei energijai tirti laboratorija, kurioje atliktieji bandymai parodė, kad greitas neutronas laisvai pralekia uranijaus metalu apie 10 cm, iki sutinka savoj kelyje uranijaus atomo branduolį. Iš čia sekė, kad kritiškasis U-235 gabalo tūris turėtų būti apie 15 cm skersmens rutulys, sveriantis maždaug 36 kg. Žymiai žemiau šios kritiškosios ribos U-235 gabalai nepavojingi, o didesnis gabalas neišvengiamai sprogsta, net ir savaime, nes erdvėje klajojančių neutronų visuomet yra, vienam gi tokio neutrono užgautam U-235 atomui sprogus prasidėjusioji reakcija staiga išsivystytų į milžinišką sprogimą.

Nustačius U-235 metalo gabalo kritiškąjį tūrį, paaiškėjo, kiek reikalinga šios retos medžiagos atominei bombai pagaminti, šis kiekis turi bū- , ti žymiai didesnis, negu kritiškasis,— sakysime, apie 50 kg. Betgi natūraliniame uranijuje, kuris jau pats iki šiol buvo gana retas metalas (prieš II Pas. karą pasaulinė metinė urani-į jaus produkcija tesiekė 45,000 kg.), izotopo - 235 tėra tik 0,7%. Tad jį iš natūralaus uranijaus masės išskirti tikrai nelengvas uždavinys. Cheminės priemonės čia netinka, nes visi uranijaus izotopai turi tas pačias chemines savybes (vienodai yra įvairių reagentų veikiami). Izotopas-235 skiriasi nuo izotopor238 tik nedideliu (apie 1,2%), atominio svorio skirtumu, kuriuo ir teko pasinaudoti.

1919 m. izotopams skirstyti anglų fizikas F. W. Aston sugalvojo aparatą, kuris buvo pavadintas masių spektrografu, šj aparatą tobulino ir plačiai naudojo daugelis tyrinėtojų. Masių spektografe izotopu mišinys praleidžiamas pirma per stiprų elektrinį lauką, paskui per taip pat stiprų magnetinį lauką, statmeną elektriniam. Elektrinis laukas tuo labiau nukreipia to paties svorio atomus nuo jų pirmykštės krypties, kuo jie lėtesni. Panašiai elgiasi ir magnetinis laukas, tik priešinga kryptimi. Elektrinio ir magnetinio laukų stiprumą galima taip parinkti, kad elektrinio lauko išsklaidytus įvairaus greičio bet vienodo svorio atomus magnetinis laukas vėl surinktų į vieną tašką. Bet jei mišinyje yra įvairaus svorio atomų (pvz., to paties elemento įvairių izotopų), tuomet, paeiliui, elektrinioir magnetinio lauko paveiktos, jų trajektorijos pasiskirsto pagal atominius svorius. Iš čia galimybė izotopus atskirti.

Masių spektrografas atliko didelį patarnavimą mokslui. Jo pagalba buvo išaiškinta ir išskirta daugelis įvairių elementų izotopų. Amerikiečiai šį laboratorinį aparatą 1943 metais perkėlė į pramonę ir panaudojo U-235 izotopūi išskirti. Oak Ridge dirbtuvėse (oficialiai vadinamose Clinton Engineer Works), Tennessee valstybėj, buvo pastatyti šiuo principu milžiniški aparatai ir paleisti į darbą. Masių spektrografo našumas pasirodė labai mažas ir jo naudojimas dideliems izotopų kiekiams išskirti labai neekonomiškas. Buvo ieškota patogesnių būdų. Fizinių būdų medžiagoms skirstyti yra daug. Gana patogi distiliacija — medžiagos išgarinimas ir po to sekąs garų sukondensavimas, juos ataušinant: lengvesnysis izotopas arba jo junginiai susikoncentruoja pirmalakose, o sunkesnysis — pasturlakose. Antras dažnai vartojamas būdas yra elektrolizas:    medžiagos tirpalan įmerkus prokšteles, sujungtas su skirtingo ženklo tolydinės elektros srovės šaltiniu. Įelektrinti atomai (jonai) keliauja vieni prie vienos plokštelės  (elektrodo), kiti prie kitos ir sunkesnieji jų keliauja lėčiau negu lengvesnieji; šis izotopų greičio skirtumas gali būti panaudotas jiems atskirti. Elektrolizo būdu, palyginti, gana nesunkiai atskiriami vandenilio izotopai. Dujinių arba į dujas galimų, paversti elementų izotopams atskirti sėkmingai naudojama dujų difuzija: dujų skverbimasis per labai mažas skylutes: kuo lengvesnis atomas, tuo jis greitesnis ir lengviau prasmunka, pro mikroskopišką skylutę, koncentruodamasis pirmosiose kitapus pertvaros surinktose frakcijose. Yra ir kitas — taip vadinamas šiluminės difuzijos būdas: tarp dviejų stačių sienų. kurių viena karšta, kita šalta, praleidžiamas dujų pavidale skirtingų izotopų mišinys; sunkesnieji atomai ar molekulos koncentruojasi prie šaltos sienos ir pagal ją slenka žemyn, tuo tarpu kai lengvesnieji renkasi prie karštos sienos ir pagal ją kyla aukštyn.

Nebloga priemonė garų centrifugavimas: kaip lengvesnė grietinė centrifūgoj atskiriama nuo sunkesnio pieno, taip ir lengvesnieji atomai (ar molekulos) atskiriami nuo sunkesniųjų, kurie renkasi centrifūgos pakraščiuos (periferijoj), tuo tarpu kai lengvesnieji išsiurbiami per tuščiavidurę -centrifūgos ašį.

Bandyta distiliaciją ir centrifūgavimą apjungti viename procese, įren-giant dideliu greičiu sukamus distiliacijos bokštus.

Žemės plutoj uranijaus ištekliai nėra maži (beveik tiek pat kiek vario), bet jis labai išsisklaidęs, todėl jo dideliems kiekiams iš rūdos išskirti reikia nemažai pastangų. Didžiumą uranijaus JAV gauna iš Colorado ir iš Kanados — Didžiojo Lokio ežero srities. Uranijaus metalurgijos problema buvo gana greit patenkinamai išspręsta, bet jos išsprendimas nedaug tepriartino prie atominės bombos, nes bombai reikalingas uranijaus izoto-pas-235, kurio natūraliniame uranijuje tėra 0.7% ir kurio išskyrimas iš natūralaus uranijaus sudarė daugsunkesnę problemą. Uranijaus izotopui-235 išskirti JAV karo žinyba -pradžioje pasirinko du būdu:    elektro-magnetinį ir dujų difuzijos būdą.

Pirmoji įmonė — jau minėtoji Clinton Engineer Works—buvo pradėta statyti 1942 m. rudenį, ant Clinch upės, Tennessee valstybėj, 233 kvadr. kilometrų plote. Ji buvo paleista į darbą 1943 metais. Joje dirbo nuo pat pradžios apie 75.000 nuo pasaulio izoliuotų darbininkų. Buvo pastatyta šimtai milžiniškų elektro-magnetinių mašinų, kurių kiekvienam elektromagnetui pagaminti buvo panaudota 

 

 apie 100 tonu sidabro. Bet ir šių kolosalinių įrengimų produkcija buvo gana maža. USA inžinierių dėmesį patraukė anglų propaguojamas dujų difuzijos būdas, uranijaus izotopui-235 išskirti. Buvo įrengta didelis skaičius kamerų, pertvertų nepaprastai tankiais iš storų atsparaus metalo plokščių pagamintais sietais (skylučių skersmuo vos 25 millimikronai— 25 milijonines dalys milimetro). Vienoj pusėj sieto įpumpuojami suslėgti sausi uranijaus garai; per sietą jie veržiasi gretimom kameron, iš kurios iščiulptas oras. Uranijaus izotopo-235 atomams esant: lengvesniems ir greitesniems negu izotopo-238, pirmieji šiek tiek lengviau prasiskverbia per sietą ir antrojoj kameroj U-235 nuošimtis padidėja. Tačiau pakankamai koncentruotam uranijaus-235 izotopui gauti šią operaciją tenka pakartoti apie 4000 kartų. Tad visą šią mašineriją sudaro tūkstančiai galingų siurblių ir hektarais matuojamas nepaprastai brangių sietų plotas; visa tai aptarnauti reikia apie 25.000 darbininkų. Vis dėlto dujų difuzijos būdas uranijaus izotopams atskirti pasirodė ekonomiškesnis, negu perkėlimas elektromagnetinių masių spektrografu iš laboratorijos į pramonę, šiuo metu Union Carbide a. Carbon Corp. pradeda statyti didelę (kainuosiančią apie 500.000.000 dol.) naują įmonę, Kentucky valstybėj, netoli miesto Paducah, kurioj, taip pat dujų difuzijos būdu, bus gaminamas uranijaus įzotopas-235 atominių ginklų reikalams.

Išskirtas U-235 buvo siunčiamas, druskų pavidale, į Atominės Energijos Tyrimų Laboratoriją Los Alamos (New Mexico), čia buvo nustatytas uranijaus izotopo-235 kritiškasis tūris, kuris laikomas paslaptyje, tačiau atrodo, kad yra artimas 15 cm diametro rutuliui, sveriančiam apie 36 kg. žymiai mažesnis uranijaus izotopo-235 kiekis gali saugiai gulėti ilgus metus ginklavimo sandėliuose, žymiai didesnis — momentaliai sprogsta, išvystydamas iki tol žemėj nepatirtą temperatūrą ir slėgimą.

Atominių bombų konstrukcijos kompetentiškų žinybų dar neskelbiamos, tačiau manoma, kad pirmoji uranijaus bomba buvo sudaryta iš dviejų U-235 gabalų, kurių kiekvienas svėrė apie 23 kg. Vienas jų, žiedo pavidalo, apgaubtas storu plieno sluogs-niu, buvo įmontuotas į patrankos vamzdžio laibgalį, o kitas — tarnavo sviediniu, kurio dugną sudarė storas ypatingai atsparaus plieno padas, su įsispraudžiančiais į patrankos vamzdžio graižtvas vario žiedais, o smailgalį — kadmijaus (į cinką panašaus metalo) kūgis. Užapakalyje sviedinio tilpo stiprus užtaisas, kurį padegus,sviedinys pasiekia uranijaus žiedą 1800 metrų į sekundę greičiau. Sviediniui įsmigus į žiedo kiaurimę, Ura nijaus izotopo-235 masė prašoka kri tiškąją ir įvyksta sprogimas.

Metalas kadmijus sulaiko neutronus. Iš jo pagamintas sviedinio smailgalys apsaugo uraninę bombą nuo perankstyvo sprogimo, kol dar tik nedidelė sviedinio dalis tėra įsmigusi į žiedo kiaurimę. Žiedą gaubiantis storas plieno kiautas, turi panašų tikslą: jis sugražina atgal į uranijaus masę pirmuosius neutronus, apsaugodamas uraninį žiedą nuo išgaravimo ir išsitaškymo per pirmąją milijoninę sekundės dalį nuo bombos sprogimo pradžios.

 

Kaip žiedo plieninis gaubtas, taip ir iš kadmijaus pagamintas sviedinio smailgalys, gana efektingi, nors vis dėlto sprogimas įvyksta tik daliai sviedinio spėjus įsmigti į žiedo kiaurimę, ir didesnioji bombai panaudoto

 

uranijaus dalis nuo nepaprasto sprogimo metu išsivystančio karščio (apie 10-15 milijonų laipsnių Celsijaus) išgaruoja, nespėdamas susprogti:    garams išsiplėčiant ir U-235 branduoliams dar labiau nutolstant viens nuo kito, sprogimo išmesti neutronai išsisklaido nebesusidurdami su dar nesprogusiais U-235 atomų branduoliais r grandininė reakcija sustoja. Tokiu būdu, čia pavaizduotos uraninės bombos sprogimas labai nepilnas ir jai tobulinti lieka plačios ribos.Uranijaus-235 sprogstamasis užtaisas (žiedas-sviedinys), parako užtaisas ir padegikas, kaip minėjome, įmontuoti į patrankos vamzdį, kuris aptrauktas storos skardos gaubtu ir aprūpintas skardiniais krypties sparneriais bei parašiutiniais vairais, sudaro oro topedą apie 60 cm. diametro ir pusaštunto metro ilgio, kuri sveria puspenktos tonos, šios konstrukcijos bomba buvusi susprogdinta 1945 m. rugpiučio 6 d. virš Hirošimos, Japonijoj.

B. Plutonijaus bomba. Pirmosios šio straipsnio dalies pabaigoje minėjome, kad lėtam (apie 5-10 km. greičio per sekundę) neutronui įsmigus į uranijaus-238 branduolį, pastarasis pavirsta nepastoviu uranijaus-239 atomu, kuris tuojau pat išmeta iš savo branduolio vieną elektroną, pavirsdamas nauju — Neptunijaus atomu. Neptunijus taip pat nepastovus ir, savo eilėj, išmesdamas iš savo branduolio kitą elektroną, pavirsta dar kitu — Plutonijaus atomu. Plu-tonijus—gana pastovus naujas radio aktyvus elementas, kurio pusamžis siekia 20.000 metų (per 20.000 metų plutonijaus gabalas sumažėja pusiau; pusė jo savaime, palaipsniui, suskyla ir išsispinduliuoja į erdves). Greito neutrono užgautas, plutonijaus atomo branduolys skyla panašiai U-235 atomo branduoliui, atpalaiduodamas milžinišką energijos kiekį. Tad plutonijus taip pat gali būti panaudotas atominės bombos gamybai, netgi sėkmingiau, nes plutonijaus kritiška masė truputį mažesnė negu U-235 ir jį pagaminti iš natūralaus uranijaus lengviau, negu išskirti lengvesnįjį uranijaus izotopą. Dabartiniu metu plutonijus yra visiškai pakeitęs urani-jų-235 atominių bombų gamyboje ir šią gamybą žymiai atpiginęs.

Pirmoji didelė įmonė plutonijui gaminti buvo pastatyta 1944 metais kalnuotoj Hanfordo vietovėj, prie Columbia upės, Washington valstybėj, įmonės pastatai išmėtyti, saugumo sumetimais, 2600 kvadr. kilometrų plote. Pagrindinius gamybinius įrengimus sudaro 3 milžiniški “reaktoriai”. Kiekvieną reaktorių sudaro 3 metrų storio betono sienomis (spinduliavimui sulaikyti) apsupti didžiuliai grafito blokai, su cilindrinėmis skylėmis natūralaus uranijaus stripams (rąstams) įtalpinti. Didžiulis uranijaus stripas padengiamas aliuminine skarda ir įstumiamas į jam skirtą grafito bloke skylę, kuri taip pat išklota aliuminijaus skarda. Aliuminijus — vienintelė šiam reikalui tinkanti medžiaga, nes nesulaiko neutronų. Tarp uranijaus stripo ir skylės sienų pasilieka labai mažas (apie 1 mm.) tarpas, per kurį pumpuojamas dideliu slėgimu aušinimo vanduo; aušinimo problema labai opi, nes kiekvienas uranijaus-235 gramo skilimas išskiria tiek šilimos, kiek pusketvirtos tonos sudegintų anglių, tad be labai stipraus aušinimo uranijaus stripai bematant susilydytų.

Natūraliniame uranijuje yra 0.7% uranijaus-235, kurio atomų branduoliai savaime sproginėja, išmesdami labai greitus neutronus, šie greiti neutronai, lėkdami nuo vieno uranijaus stripo prie kito, per juos skiriantį storą grafito sluogsnį susiduria su anglies atomų branduoliais (grafitas yra anglies rūšis), pasidalina su jais savo kinetine energija ir sulėtėja. Lėti neutronai, patekę į kitą uranijaus stripą, įsminga į uranijaus-238 atomų branduolius ir juos transmu-tuoja į nepastovų uranijų-239—neptunijų—plutonijų. Ši reakcija vyksta lėtai ir į sprogimą neišsivysto, nes, kaip žinome, natūraliniame uranijuje mažai pastovaus uranijaus izotopo-235 tėra vos 0.7%. Plutonijaus irgi daug nesusidaro, nes nuo U-235 branduolių sproginėjimo atsiradę nauji lengvi atomai absorbuoja neutronus ir‘ reakcija greit tiek sulėtėja, kad ją toliau tęsti neapsimoka. Susidarius vos 0.1% plutonijaus, uranijaus stripai iš grafitinio bloko išimami ir tirpinami rūgštyse. Iš tirpalo plutonijus (kurio cheminės savybės gana ryškiai skiriasi nuo uranijaus) iškrisdinamas tinkamai parinktais chemiškais reagentais. Atskyrus plutonijų, tirpalas valomas nuo barijaus, kriptono ir kt. uranijaus atomo “trupinių", uranijus iš tirpalo atgaunamas druskų pavidale, atgaivinamas į metalinį uranijų, gryninamas ir vėl liejamas į didžiulius stripus, kurie iš naujo kišami į reaktoriaus grafitinio blokos skyles, naujiems plutonijaus kiekiams gaminti. Gamyba, kaip matome, labai varginga ir lėta: visa milžiniška Hanfordo įmonė tepagamina vos apie 9 plutonijaus kilogramus per dieną. Kiek tobulesnį plutonijaus gamybos procesą naudoja kanadiečiai, mažesnio masto įmonėje prie Ottawa upės.

Darbininkai šios rūšies įmonėse turi būti stropiai saugojami nuo uranijaus ir, plutonijaus spinduliavimo, kuris žmogaus.organizmui nepaprastai kenksmingas, gamma spinduliai sunaikina kaulų smegenis, kuriose gaminasi kraujo ląstelės; šių spindulių paveiktas žmogus įgyja nepagydomą anemiją. Todėl šios rūšies įmonėse dauguma gamybinių veiksmų atliekami iš atstumo, painių elektriškų aparatų pagalba. Pavojingesnėse vietose laikomi narvuose kralikai ir pelės (jautresni radioaktyvių medžiagų spinduliams negu žmogus), darbininkų kraujas dažnai tikrinamas, dėvimi specialūs darbužiai ir t.t.

Plutonijaus bombų konstrukcija turėtų būti panaši U-235 bombos konstrukcijai.    (Bus daugiau)

 

ATOMINIS LĖKTUVAS

Atomine energija varomas lėktuvas vėl pažengė priekin smagų žingsnį. Jungtiniame Karo Aviacijos ir Atominės Energijos komisijos pranešime visuomenės žiniai atidengta, kad didžios paslapties apgaubtas NEPA projektas (Nuclear Enegry for Propulsion of. Aircraft) Oak Ridge, Tenn., vietovėje užbaigė teoretinio planavimo laikotarpį, kaip pakinkyti atominę energiją lėktuvui. Dabar belieka parengti brėžinius bandomajam atominiam varikliui, šios srities žinovai pranašauja, kad tokio lėktuvo greitis sieks apie 2.500 mylių (val. 4.000 km. vai.); o su vienu svaru U-235, kurio energija būtų tolygi 6.000.-000 galonų aviacinio benzino (per 24.000.000 litrų), atomine energijavaromas B-36 galėtu apskristi pasaulį 80 kartų.


Amerikos karo aviacija Korėjos fronte, ieškodama keliuose priešo dalinių ir aprūpinimo vorų, naudoja nematomus spindulius, kurie labai panašūs infra raudoniesiems spinduliams.    ....