Ketjureaktion synty

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Historian vaarallisin koe? Jos meisseli lipsahtaa, syttyy ydinpommi sormien välissä - ja lipsahtihan se

Vaarallisten aineiden ja työkoneiden käsittelyssä työturvallisuutta pidetään nykyisin itsestäänselvänä prioriteettina sekä teollisuustyöpaikoilla että tutkimuksessa. Tilanne ei kuitenkaan ollut sama vielä muutamia vuosikymmeniä sitten.

Laboratoriokokeiden joukossa poikkeuksellisen vaarallisen – ehkä jopa historiallisen vaarallisen – esimerkin tahallisesta varomattomuudesta antoivat aikanaan Manhattan-projektin ydinfyysikot Los Alamosin tutkimuskeskuksessa Yhdysvalloissa. Toukokuussa 1946 tutkija Louis Slotin kuoli kokeessa, jossa hän sääti plutoniumpalloa mahdollisimman lähelle kriittisen massan rajaa käsivaralta ruuvimeisselin avulla.

Jälkikäteen otettu valokuva, joka havainnollistaa Slotinin koejärjestelyä. Slotin kannatteli puolipallon muotoista neutroniheijastinta ruuvimeisselinsä varassa. Tietoja koejärjestelyn fysikaalisesta perustasta kerrotaan alempana artikkelissa.

[Kuva: DOE / WIkimedia Commons]
Kokeessa hänen meisselinsä lipsahti, minkä seurauksena pallo saavutti kriittisen massan, ja siinä syttyi ydinfissioiden ketjureaktio. Pallon ympärillä näkyi sininen välähdys, ja koetta samassa huoneessa seuranneet tutkijat kertoivat tunteneensa säteilyn aiheuttaman lämpöaallon.

Slotin sai kuin saikin pelastettua tilanteen karkaamasta pienimuotoiseksi ydinräjähdykseksi, mutta hän itse kuoli säteilymyrkytykseen 9 päivän kuluttua.

Mitä tarkoittaa kriittinen massa?

Fissioherkkien materiaalien, kuten plutoniumin isotooppi 239:n, kriittinen massa ei ole verrattavissa tavanomaisten räjähteiden ominaisuuksiin. Esimerkiksi räjähdysherkillä kaasuilla on niin sanotut räjähdysrajat eli kriittiset konsentraatiot: jos kaasua laimentaa ilman joukkoon riittävästi, se ei syty enää ollenkaan. Samoin käy, jos kaasusta tulee liian väkevää.

Jos plutonium- tai uraanikappale sen sijaan on saavuttanut kriittisen massan, ketjureaktio karkaa käsistä välittömästi ja spontaanisti, ilman ulkoista sytytystä tai minimaalisintakaan ärsykettä. Toisin sanoen kriittisen massan ylittäviä kuormia ei voi edes teoriassa säilyttää yhdessä paikassa yhdellä kertaa.

Ketjureaktion toiminta perustuu siihen, että jokaisessa fissiossa eli atomiytimen halkeamisessa syntyy tytärydinten lisäksi pari kolme vapaata neutronia. Jos nämä neutronit osuvat matkallaan uusiin fissioherkkiin ytimiin, ne aiheuttavat uuden halkeamisen.

LISÄÄ YDINASEISTA
Kuvaraportti ydinkokeista - katso historian hurjimmat sienipilvet

Ydinräjähdys 30 km päässä: "Näin valoa vasten luut käsieni läpi"

Tässä on Hitlerin viimeinen uraanikuutio

Mikäli plutoniumkappale on riittävän pieni, suurin osa neutroneista pääsee karkuun. Riittävän suuri kappale kuitenkin imee itseensä niin paljon neutroneita, että jokainen halkeaminen synnyttää keskimäärin enemmän kuin yhden uuden fission. Tällöin ketjureaktio on päässyt valloilleen, sillä neutronien määrä kasvaa joka "kierroksella" eksponentiaalisesti.

Slotinin koejärjestely tarkemmin

Kriittinen massa kuitenkaan ei ole muuttumaton ainevakio, vaan siihen voivat vaikuttaa ulkoiset tekijät, kuten paine ja fissioherkän kappaleen ympärille asetetut neutroniheijastimet.

Slotinin testasi vaarallisessa kokeessaan juuri neutroniheijastimia. Plutoniumpallon alapuolelle hän oli asentanut berylliumista valmistetun onton puolipallon, joka toimi heijastimena. Plutoniumkappaleen yläpuolella sijaitsi toinen berylliumkuori, joka lepäsi toiselta laidaltansa alemman puolipallon päällä ja toiselta laidaltansa Slotinin ruuvimeisselin varassa.

Kokeen tarkoituksena oli päästä niin lähelle kriittisen massan rajaa kuin mahdollista kuitenkaan ylittämättä sitä. Kriittisyyden rajaa Slotin seurasi säteilymittarin avulla.

Meisselin lipsahdettua päällimmäinen berylliumkuori tippui kiinni alempaan, ja kriittinen massa ylittyi.

Kaaviokuva henkilöiden sijoittautumisesta Slotinin koehuoneessa.

[Kuva: DOE(?) / Virginia Tech]
Lipsahduksesta kuitenkaan ei seurannut välitöntä ydinräjähdystä. Tämä saattoi johtua siitä, että kriittinen massa oli ylittynyt erittäin niukasti. Vaikka ketjureaktio syttyi, ja sen nopeus kasvoi eksponentiaalisesti, oli kasvu kuitenkin äärimmäisen hidasta.

Toisaalta on mahdollista, että Slotinin koejärjestely itse asiassa ei aivan saavuttanut välittömästi ylikriittistä tilaa, vaan jäi siitä hiuksenhienosti ja saavutti ainoastaan viivästyneesti ylikriittisen tilan.

Sen sijaan ydinaseissa kriittinen massa saadaan ylittymään hyvin selvästi, kun plutoniumpallo puristuu nopeasti kasaan tavanomaisten räjähdysaineiden aiheuttamassa sisään päin suuntautuvassa paineessa. Näin pallo muuttuu alikriittisestä ylikriittiseksi nopeasti, ja ketjureaktio riistäytyy käsistä muutamassa mikrosekunnissa.

Samalla tämä sisäänpäin käännetty räjähdys eli imploosio estää ketjureaktion energiaa haihduttamasta plutoniumia tiehensä liian nopeasti. Ilman koossa pitävää voimaa ydinpommista tulee suutari: sen energiantuotto jää korkeintaan muutamiin tnt-tonneihin.

Tällainen ydinaseiden mittapuulla pienimuotoinen räjähdys olisi saattanut seurata myös Slotinin kokeesta, jollei tutkija itse olisi ymmärtänyt toimia nopeasti. Heti lipsaduksen satuttua hän nosti neutroniheijastimen pois paikaltaan, mikä keskeytti ketjureaktion ja pelasti muut huoneessa läsnäolleet henkilöt.

Slotinin koe tunnettiin myös osuvasti kuvainnollisella nimellä lohikäärmeen hännän kutittaminen (engl. tickling the dragon's tail). Hänen käyttämänsä plutoniumpallo räjäytettiin myöhemmin Crossroads Able -testissä.
-----

Onko tosiaan niin että tuossa tilanteessa ei mikään fysikaalinen ilmiö ei estänyt pluomia räjähtämästä pommina? Luulisi että ei oikein kerkiä käsin estämään millisekunneissa tapahtuvia reaktiota ja reaktio on rajoittunut jostain syystä.

Kommentit (2)

Vierailija

No tuossahan sanottiin, että Sloan ei päässy kriittisen rajan yli?

Ja kyllähän se exponentiaalinen reaktiokin voi olla tarpeeksi hidas, jos raja ylittyy vain 0.000...0001 tai on täsmälleen oikea. (Jossa ... on todella paljon nollia.) massa yksiköllä (Sopiva yksikkö.)? Tai reaktio jäi 0.000...0001 (Jossa ... on todella paljon nollia.) massa yksikköä (Sopiva yksikkö.) vajaaksi kriittisestä massasta?

Zäp
Seuraa 
Viestejä2299
Liittynyt19.10.2009

Kriittinen massa ei tarkoita vielä ydinpommia. Kun ketjureaktio lähtee käyntiin, fissioivan materiaalin lämpenemisestä seuraavat luontaiset takaisinkytkennät alkavat puuttua peliin ja katkaisevat reaktion kasvun viimeistään siinä vaiheessa kun materiaali alkaa sulaa ja geometria muuttaa muotoaan alikriittiseksi. Tuossa Slotinin kriittisyysonnettomuudessa ei menty ihan niin pitkälle.

Se, mikä ydinpommista tekee ydinpommin, on kriittisen massan kokoamisen nopeus. Systeemin kasvutekijä pitää saada reilusti yli ykkösen ennen kuin luonnollisesta taustasäteilystä tulevat neutronit käynnistävät ketjureaktion. Toinen olennainen tekijä on ketjureaktion sytyttäminen oikealla hetkellä. Plutoniumpommissa kriittinen massa saavutetaan puristamalla fissiopolttoainetta räjähdysaineen paineella. Tila jossa systeemi on riittävän ylikriittinen on äärimmäisen lyhytikäinen, ja jos polttoaineeseen ei saada yhtään neutronia, pommi jää kokonaan räjähtämättä. Sellaisia olosuhteita joissa ketjureaktio lähtee kasvamaan sellaisella nopeudella että tuloksena on todellinen ydinräjähdys on käytännössä mahdotonta saada aikaan vahingossa, vaikka materiaalit olisivatkin oikeita.

Uusimmat

Suosituimmat