Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki

Az előadások a következő témára: "Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki"— Előadás másolata:

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

2 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

3 Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME
Elméletileg előre lehetett látni, hiszen Zurán= 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 ( ) 1939: Niels Bohr: csak a 235U hasad nagy valószínűséggel Az 238U csak „elnyeli” a neutronokat 238U + n U Np Pu (24400 év) A 235U sem hasad mindig, az is elnyel 235U + n U (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

4 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

5 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

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

7 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 x 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

8 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

9 Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME
Első példa: 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

10 Harmadik példa: 2 r0 sűrűségnél mekkora a kritikus tömeg?
Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME Harmadik példa: 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

11 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

12 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 – 20 ezer fokozatra van szükség. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

13 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

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

15 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

16 Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME
Hiroshima aug. 6. (8 óra 15 perc 17 s) Az Enola Gay kioldotta az első atom- bombát („Little Boy”) kb m magasan. A bomba 40 s-el később felrobbant kb m magasságban. Robbanóereje kb t TNT-nek felelt meg. A láncreakció mindössze az urántöltet %-ra terjedt ki Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

17 Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME
A plutóniumbomba működése: Hasadóanyag: tiszta 239Pu Előállítása atomreaktorokban: 238U + n U Np Pu 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

18 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

19 Az első atombombák, Hiroshima, Nagaszaki Dr. Sükösd Csaba BME
Nagaszaki 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 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

20 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

21 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

22 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 ember tartózkodott ott a robbanáskor, ebből kb katonai személy és kb koreai. kb ± halt meg az év végéig, ebből a katonai személy és kb koreai. Nagaszaki: kb személy érintett, ebből kb ± halt meg 1945 végéig. ezekből kb koreai. Középiskolai Fizikatanári Ankét Székesfehérvár 2005 március 11-14

23 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

24 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 !