Grandininė branduolių dalijimosi reakcija

Atradę branduolių dalijimosi reakciją, fizikai greitai suprato ypatingą jos svarbą: reakcijos metu išlėkę neutronai pataikys į kitus urano branduolius ir šie taip pat dalysis, išspinduliuodami naujus neutronus. Susiklosčius tam tikroms sąlygoms, gali prasidėti nevaldoma branduolių skilimų griūtis (8.2.1 pav.). Savaime besiplečianti branduolių dalijimosi reakcija vadinama grandininè branduolių dalijimosi reãkcija. Jai palaikyti pakanka reakcijos metu iš skylančių branduolių ir skeveldrų išlėkusių neutronų.

Sukélti grandininę branduolių dalijimosi reakciją nėra paprasta. Būtina, kad, pasidalijus pirmajam urano izotopo branduoliui, vietoje vieno sugerto neutrono atsirastų 2–3 nauji neutronai, jie skaldytų kitus branduolius, iš jų išlėkę neutronai – dar kitus ir t. t. Iš gamtoje esančių cheminių elementų branduolių ši savybė būdinga tik $$ {}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$$ branduoliams. Gamtiniame urane izotopo $$ {}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$$ yra mažiau nei 1 %, likusi dalis – $$ {}_{92}{}^{238}\mathrm{U}$$, todėl, norint gauti tinkamą branduolinį kurą, gamtinį uraną būtina sódrinti – papildyti izotopu $$ {}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$$. Tai ilgas ir sudėtingas procesas, jam reikia daug sąnaudų.

Mažuose tinkamo urano bandiniuose dauguma neutronų pralekia, nepataikydami nė į vieną branduolį. Todėl prasidėjusi reakcija gali nuslopti.

• urano bandinyje turi būti sutelktas pakankamas izotopo $$ {}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$$ kiekis, t. y. turi būti pasiektà reikiamà jo atomų koncentrãcija (atomų skaičius bandinyje);
• branduolinio kuro masė turi būti ne mažesnė už tam tikrą ribinę.

Mažiausia urano masė, kuriai esant dar gali vykti grandininė branduolių dalijimosi reakcija, vadinama kritine masè. Kritinės masės didumas priklauso nuo branduolinio kuro medžiagos, jos tankio, priemaišų, branduolinio užtaiso formos, jo aplinkos. Rutulio formos urano kritinė masė – apie 50 kg. Toks rutulys gali būti tinklinio kamuolio dydžio.

Kai branduolinio kuro masė tampa lygi kritinei arba ją viršija, grandininė branduolių dalijimosi reakcija sparčiai plėtojasi. Jos sustabdyti ar kitaip suvaldyti tampa neįmanoma ir per labai trumpą laikotarpį išsiskiria milžiniškas energijos kiekis – įvyksta branduolinis sprogimas. Taip veikia atòminė bòmba – aviacinė bomba su branduoliniu užtaisu. Joje esantis urano branduolinis užtaisas padalytas į dvi dalis (gali būti ir daugiau). Kiekvienos jų masė mažesnė už kritinę. Suveikus sprogstamajam užtaisui, urano dalis įstumiama į kitą branduolinio užtaiso dalį. Bendra urano masė viršija kritinę ir įvyksta branduolinis sprogimas (8.2.2 pav.). Kritinė masė užtaise gali būti padidinama ir kitais būdais.

Atominėms bomboms kaip branduolinis užtaisas tinka grynas gamtinis uranas $$ {}_{92}{}^{235}\mathrm{U}$$ arba dirbtinis plutonis $$ {}_{94}{}^{239}\mathrm{Pu}$$. Plutonio branduolinio užtaiso kritinė masė – apie 10 kg, o bendra atominės bombos masė gali būti nuo kelių šimtų kilogramų iki kelių tonų.

Sprogus atominei bombai, pasireiškia griaunamasis, šiluminis ir radioaktyvusis poveikiai. Branduolinis sprogimas gali vykti ore (orinis), arti žemės ar vandens arba jų paviršiuje (paviršinis), žemėje (požeminis), vandenyje (povandeninis). Ore sprogimas vyksta kelių šimtų metrų aukštyje virš žemės paviršiaus. Pastatus griaunančios ir medžius raunančios sprogimo bangos greitis epicentre (sprogimo vietoje) siekia 1 500 km/h, 0,5 km atstumu nuo epicentro – 1 000 km/h. Temperatūra epicentre – daugiau kaip 3 500 °C. 0,5 km atstumu nuo epicentro lydosi keramika, akmenys nuo karščio pabąla, 2 km atstumu nuo epicentro užsidega žmonių drabužiai. Bombos sprogimo metu didelė branduolinio užtaiso dalis išsisklaido ir užteršia atmosferą, žemės paviršių bei vandenį radioaktyviosiomis medžiagomis, skleidžiančiomis alfa, beta, gama daleles ir neutronus. Didžiąją dalį alfa ir beta dalelių sugeria oras, gama dalelės ir neutronai pasiekia žemės paviršių ir sunaikina ar pažeidžia gyvųjų organizmų ląsteles.