Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki 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

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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 Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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) 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) De: a 235U – ra: hasadási vszínűség/elnyelés >1 238U – ra: hasadási vszínűség/elnyelés <<1 Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 2. Láncreakció: a neutron-háztartáson alapul Effektív sokszorozási tényező: két, egymást követő n-generáció számának aránya. >1 növekszik (szuperkritikus) keff =1 állandó (kritikus) <1 csökken (szubkritikus) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Hogyan változik Ni a neutron-generációk során? azonos átalakítás Definíció: Legyen L a két generáció között eltelt idő : L=Dt. Ebből Megszorozva „1-el” a jobb oldalt: Átrendezve: Végül: Ennek a diff.egyenletnek a megoldása: Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME szubkritikus szuperkritikus Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Keletkezés (hasadás) Kiszökés Elnyelődés A láncreakció befolyásolása (1) Keletkezés (hasadás): ~ 235U atommagok összes száma felület felület ~ (állandó sűrűség) Kiszökés aránya: összes 235U térfogat oldalhossz felület térfogat 1 6 1 2 4 x 6 8 x 1 2x akkora méret, 4x akkora felület, 8x annyi 235U (térfogat), ezért a kiszökés aránya felére csökken! A kiszökés aránya tehát a rendszer méretének növelésével csökkenthető. „Kritikus méret, kritikus tömeg” Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME M0 : urán kritikus tömege, r0 :az urán sűrűsége R0 : kritikus tömegnyi gömb sugara. Hozzuk be a tömeg/felület arányt: Ahol M a rendszer tömege, F pedig a felülete Definiáljuk: Kritikus rendszerre: x = 1 Szuperkritikus eset: x > 1 (keletkezés túlsúlya) Szubkritikus eset: x < 1 (kiszökés túlsúlya) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Első példa: 2 M0 tömegű, r0 sűrűségű gömb: Robban! Behelyettesítés után: Második példa: 2M0 tömegű, r0 sűrűségű gömbhéj Behelyettesítés után: Nem robban! Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Harmadik példa: 2 r0 sűrűségnél mekkora a kritikus tömeg? Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Harmadik példa: 2 r0 sűrűségnél mekkora a kritikus tömeg? Először az R sugarat lehet meghatározni: és ebből: Ennek ismeretében a kritikus tömeg: Nagyobb sűrűségre összepréselve tehát jóval kevesebb hasadóanyag is elegendő!!! (Teller Ede) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Keletkezés (hasadás) Kiszökés Elnyelődés A láncreakció befolyásolása (2) A keletkezés/elnyelődés arányának befolyásolása: a neutronok lassítása (atomfegyvereknél nem kell) szabályozó elemek, n-elnyelő rudak stb. (nem kell) az urán DÚSÍTÁSA: (235U/238U) arány módosítása 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) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Dúsítás: csak fizikai módszerekkel, mert 238U, 235U kémiailag azonosak. Tömegkülönbséget kell kihasználni . Diffúziós módszer: (UF6 gázzal) Hőmérsékleti egyensúlyban lévő gázkeverékben: ebből A gyorsabban mozgó 235UF6 molekulák gyorsabban diffundálnak. Kicsi a különbség, egy fokozatban csak nagyon kis dúsulás érhető el. 15 – 20 ezer fokozatra van szükség. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Ultracentrifuga módszer: (UF6 gázzal) „Barometrikus magassági formula” gázkeverékben: 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. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Az uránbomba működése: Alapelv: két – egyenként a kritikus tömegnél kisebb – urándarab, majd összelőjük őket. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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 n-forrás: a-forrás + Be lapka (a-részek hatótávolsága ~ mm), ekkor már keff>1 és a láncreakció gyorsan kiterjed. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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 Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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 Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Az atombomba hatásai (1): Tűzgömb (középpontban néhány millió fok) Rtg- gamma- és neutron- sugárzás a robbanáskor Intenzív hősugárzás (gyújt,éget) Gombafelhő és „fekete eső” Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Az atombomba hatásai (2): Lökéshullám (rombol) Környezet radioaktív szennyezettsége, Inkorporált radioaktivitás, Sugárbetegség Sugárzások késői hatásai (leukémia, rák) Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME 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! ” Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

Köszönöm a megtisztelő figyelmüket ! Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Százezernyi gyertya úszik a Motoyasu folyón minden év aug. 6-án Köszönöm a megtisztelő figyelmüket !