Τι είναι το «The Demon Core» και γιατί ονομάζεται έτσι;

Ο «Πυρήνας του Δαίμονα» ήταν μια υποκρίσιμη μάζα πυρήνα πλουτωνίου 6,2 κιλών που κατασκευάστηκε κατά τη δεκαετία του 1940 για να χρησιμοποιηθεί σε πυρηνικά όπλα. Ο πυρήνας είχε ως αποτέλεσμα τον θάνατο δύο επιστημόνων, γεγονός που του χάρισε το παράξενο και απαίσιο ψευδώνυμο.

Στη δεκαετία του 1940, κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου, οι Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής ανέπτυξαν τρεις πυρήνες ραδιενεργού πλουτωνίου για να χρησιμοποιηθούν στις πυρηνικές τους βόμβες. Μεταξύ αυτών, το πρώτο χρησιμοποιήθηκε στο Trinity Nuclear Test, την πρώτη πυρηνική έκρηξη στον κόσμο. Ο δεύτερος πυρήνας ήταν η καρδιά της πυρηνικής βόμβας «Fat Man» που έπεσε πάνω από την πόλη Ναγκασάκι της Ιαπωνίας.

Η τρίτη έπρεπε να χρησιμοποιηθεί σε άλλη βόμβα, η οποία επρόκειτο να ρίξει πάνω από την πόλη του Τόκιο. Ωστόσο, η Ιαπωνία παραδόθηκε μετά τις εκρήξεις στη Χιροσίμα και στο Ναγκασάκι και ο πόλεμος έλαβε τέλος.

Έτσι, η τρίτη βόμβα δεν είχε άμεση χρήση και ο πυρήνας της, που ονομάστηκε «Rufus» στάλθηκε στο εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό για έρευνα. Εδώ, έλαβε το ψευδώνυμο «The Demon Core» . Λοιπόν, πώς ο «Rufus» έγινε «The Demon Core»; Ας μάθουμε!

Πυρήνας πλουτωνίου που χρησιμοποιείται στην ατομική βόμβα (Πιστωτική φωτογραφία :Ausis/Wikimedia commons)

Τι είναι ο πυρήνας του δαίμονα;

Το Demon Core, με την πρώτη ματιά, μοιάζει με μια συνηθισμένη μεταλλική μπάλα (Photo Credit :twenty20)

Ο πυρήνας του Δαίμονα είναι μια 6,2 kg σφαίρα πλουτωνίου-γαλλίου με διάμετρο 8,9 cm (μικρότερο από μπάσκετ). Το Πλουτώνιο-239 Το ισότοπο που χρησιμοποιείται στον πυρήνα είναι ένα ανθρωπογενές στοιχείο που παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες. Είναι εξαιρετικά ασταθές, ραδιενεργό και διασπάται εκπέμποντας σωματίδια άλφα, τα οποία είναι επιβλαβή για τους ιστούς μας.

Ως εκ τούτου, ο πυρήνας έχει μια επίστρωση νικελίου, η οποία εμποδίζει τα σωματίδια άλφα μικρής εμβέλειας και επίσης αποτρέπει τη σκουριά του πυρήνα. Επιπλέον, λόγω της ραδιενέργειας, ο πυρήνας είναι ζεστός στην αφή.

Τα σωματίδια άλφα είναι μικρής εμβέλειας. Ωστόσο, η εισπνοή και η επαφή με την κυκλοφορία του αίματος μπορεί να είναι θανατηφόρα (Photo Credit :concept w/Shutterstock)

Ο πυρήνας λειτουργεί με βάση την αρχή της πυρηνικής σχάσης. Το Pu-239 είναι ένα σχάσιμο στοιχείο. Δηλαδή, με την απορρόφηση ενός νετρονίου, ο πυρήνας Pu-239 χωρίζεται σε δύο μικρότερους πυρήνες απελευθερώνοντας μεγάλη ποσότητα ενέργειας, μαζί με την απελευθέρωση 2-3 επιπλέον νετρονίων. Αυτά τα νετρόνια στη συνέχεια απορροφώνται από άλλους πυρήνες Pu και η σχάση συνεχίζεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση .

Το Pu-239 υφίσταται πυρηνική σχάση. (Φωτογραφία:OSweetNature/Shutterstock)

Ο πυρήνας είναι κατασκευασμένος με τέτοιο τρόπο ώστε να μην εισέρχεται σε αλυσιδωτή αντίδραση αμέσως από μόνος του, αλλά μόνο όταν το χρειαζόμαστε.

Τι είναι η "Υπερ-κρίσιμη" κατάσταση;

Τα σχάσιμα υλικά υπάρχουν σε τρεις καταστάσεις. υποκρίσιμο, κρίσιμο και υπερκρίσιμο.

Εάν τα άτομα Pu είναι διατεταγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε, κατά μέσο όρο, κάθε γεγονός σχάσης να μην πυροδοτεί απαραίτητα άλλο συμβάν σχάσης, το σύστημα είναι Υποκρίσιμο. Δεν λαμβάνει χώρα αλυσιδωτή αντίδραση σε αυτήν την κατάσταση και η σχάση απλώς εξαφανίζεται.

Κατά μέσο όρο, εάν κάθε αντίδραση σχάσης πυροδοτεί ακριβώς «μία» νέα αντίδραση σχάσης, το σύστημα γίνεται Κρίσιμο και ξεκινά μια σταθερή αλυσιδωτή αντίδραση. Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες λειτουργούν βάσει αυτής της αρχής.

Τέλος, κατά μέσο όρο, εάν κάθε αντίδραση σχάσης πυροδοτεί περισσότερες από μία αντιδράσεις σχάσης, το σύστημα γίνεται Υπερκρίσιμο . Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια εκθετικά αυξανόμενη αλυσιδωτή αντίδραση.

Ωστόσο, ο ρυθμός σχάσης δεν φτάνει μέχρι το άπειρο. Ο ρυθμός σχάσης συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι το σύστημα να φτάσει τελικά στο όριό του. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, λόγω της υπερβολικής ποσότητας ενέργειας, το σύστημα διασπάται και η αντίδραση σταματά. Οι πυρήνες των πυρηνικών βομβών βασίζονται σε αυτήν την αρχή.

Κριτικές καταστάσεις

Έτσι, στον πυρήνα, το πλουτώνιο πρέπει να διατηρείται κάτω από μια ορισμένη μάζα, που ονομάζεται Κρίσιμη μάζα. Είναι η ελάχιστη ποσότητα σχάσιμου υλικού που απαιτείται για τη διατήρηση μιας αλυσιδωτής αντίδρασης. Μόλις το πλουτώνιο φτάσει στην κρίσιμη μάζα του, ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης. Ωστόσο, υπάρχει μια σύλληψη. Όπως υποδηλώνει το όνομα, η κρίσιμη μάζα δεν εξαρτάται μόνο από τη «μάζα».

Για μια δεδομένη μάζα πλουτωνίου, η κρίσιμη μάζα μπορεί να επιτευχθεί με χειρισμό άλλων παραγόντων, όπως η συγκέντρωση, η πυκνότητα ή η καθαρότητα του υλικού. Με άλλα λόγια, η κρισιμότητα μπορεί να επιτευχθεί αυξάνοντας την αλληλεπίδραση πλουτωνίου-νετρονίου. Ας το συζητήσουμε λίγο πιο αναλυτικά.

Πώς να επιτύχετε την κρισιμότητα;

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να επιτευχθεί η κρισιμότητα μιας δεδομένης μάζας πλουτωνίου.

1. Αύξηση της συγκέντρωσης του πλουτωνίου

Όσο πιο κοντά πλησιάζουν τα άτομα του πλουτωνίου, τόσο μεγαλύτερες είναι οι πιθανότητες σύγκρουσής τους με ένα νετρόνιο. Ως εκ τούτου, μια υψηλότερη συγκέντρωση οδηγεί σε κρισιμότητα.

Πολλοί παράγοντες μας βοηθούν να επιτύχουμε μια κλειστή διάταξη ατόμων Pu. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Σχήμα :Ένα σφαιρικό σχήμα είναι ιδανικό για τα άτομα να είναι πιο κοντά. Για παράδειγμα, το Γάλλιο βοηθά στη συγκράτηση του πλουτωνίου σε σφαιρικό σχήμα.
• Πυκνότητα :Εάν η πυκνότητα είναι υψηλή, θα υπάρχει μεγάλος αριθμός ατόμων συσκευασμένα σε μικρό όγκο.
• Καθαρότητα :Όσο πιο καθαρό είναι το υλικό, τόσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση των ατόμων Pu.

2. Μείωση της απώλειας Νετρονίων

Σε μια αντίδραση σχάσης, δεν συλλαμβάνονται όλα τα απελευθερωμένα νετρόνια από άλλους πυρήνες. Μερικά από τα ταχέως κινούμενα νετρόνια διαρρέουν ή διαφεύγουν χωρίς να υποστούν περαιτέρω αντίδραση. Η χρήση ανακλαστών νετρονίων λύνει αυτό το θέμα. Αντικατοπτρίζουν τα νετρόνια πίσω στο σύστημα και βοηθούν στην επίτευξη κρισιμότητας χωρίς αλλαγή της μάζας του πλουτωνίου.

Πειράματα κρισιμότητας

Στο εργαστήριο του Λος Άλαμος, οι επιστήμονες ξεκίνησαν πειράματα κρισιμότητας για να δουν πόσο μακριά θα μπορούσε να φτάσει ο πυρήνας πριν φτάσει στην κρισιμότητα. Χρησιμοποίησαν ανακλαστήρες νετρονίων για να αξιολογήσουν την απόδοση του πυρήνα. Το Demon Core ήταν 5% κάτω από την κρισιμότητα, που σημαίνει ότι ακόμη και μια μικρή σκανδάλη θα μπορούσε να ξεκινήσει την πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση.

Το Super-Criticality εκκινεί την εκθετική αλυσιδωτή αντίδραση

Τα πειράματα κρισιμότητας είναι εξαιρετικά επικίνδυνα. Μόλις ο πυρήνας γίνει κρίσιμος, ξεκινά η αντίδραση σχάσης και εκπέμπεται μια θανατηφόρα ποσότητα ενέργειας και ακτινοβολίας νετρονίων — περισσότερο από αρκετό για να σκοτώσει οποιονδήποτε βρίσκεται κοντά του.

Λαμβάνοντας υπόψη τους κινδύνους που εμπεριέχει, ο διάσημος φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν φέρεται να περιέγραψε το πείραμα ως «Γαργαλάω την ουρά ενός κοιμισμένου δράκου» . Τα λόγια του αργότερα έγιναν αληθινά. Μέσα σε δύο χρόνια, δύο εξέχοντες επιστήμονες υπέκυψαν στη φωτιά του δράκου.

Το πρώτο θύμα:Χάρι Νταγκλιάν

Το 1945, ο Αμερικανός φυσικός Harry K. Daghlian άρχισε να εκτελεί πειράματα κρισιμότητας. Τοποθέτησε τούβλα καρβιδίου βολφραμίου γύρω από τον πυρήνα για να αντανακλούν τα νετρόνια σε αυτόν. Δοκίμασε διαφορετικούς αριθμούς τούβλων και διαφορετικούς προσανατολισμούς για να δει τι θα έφερνε τον πυρήνα πιο κοντά στην κρισιμότητα.

Το πειραματικό στήσιμο του Daghlian. Τούβλα καρβιδίου βολφραμίου που χρησιμοποιούνται ως ανακλαστήρες νετρονίων (Φωτογραφία :Εθνικό Εργαστήριο Los Alamos/Wikimedia Commons)

Ωστόσο, η περιέργεια τον πήρε το καλύτερο. Προσπάθησε να δοκιμάσει τον πυρήνα στο μέγιστο όριο. Στις 21 Αυγούστου 1945, όταν επρόκειτο να τοποθετήσει ένα τελευταίο τούβλο, ο μετρητής έδειξε ότι η τοποθέτηση ενός ακόμη τούβλου θα έκανε τον πυρήνα να γίνει «υπερ-κρίσιμος». Σε εκείνο το σημείο, προσπάθησε προσεκτικά να αφαιρέσει το τούβλο, αλλά κατά λάθοςΤΟ ΕΠΕΣΕ!

Ο δράκος ήταν ξύπνιος!

Υπήρχε μια έντονη λάμψη μπλε φωτός και ένα κύμα θερμότητας καθώς το τούβλο έπεφτε πάνω από τον πυρήνα. Ο Daghlian έλαβε περίπου 500 rads ακτινοβολίας, η οποία είναι πολύ υψηλότερη από το μέγιστο όριο των 200rem. Πήρε αμέσως το τούβλο πίσω, αλλά αυτά τα δευτερόλεπτα έκθεσης είχαν ήδη σκάψει τον τάφο του. Σύντομα, έπεσε σε κώμα και πέθανε 25 ημέρες αργότερα από έκθεση σε ακτινοβολία. Αυτός ήταν ο πρώτος θάνατος λόγω πειράματος κρισιμότητας.

Μνημείο του Daghlian (Φωτογραφία :Pi.1415926535/Wikimedia commons)

Το δεύτερο θύμα:Louis Slotin

Στις 21 Μαΐου 1946, ο πυρήνας των Δαιμονίων πήρε το δεύτερο θύμα του, τον Λούις Σλότιν — ένας φυσικός που ήταν συνεργάτης του Daghlian στο Manhattan Project. Κατά σύμπτωση, πέθανε σε άλλη 21η στο ίδιο νοσοκομείο με τον συνάδελφό του.

Μετά τον θάνατο του Daghlian, ο Slotin συνέχισε με πειράματα κρισιμότητας, αλλά αντί για τούβλα, χρησιμοποίησε δύο ημισφαίρια βηρυλλίου ως ανακλαστήρες νετρονίων.

Η ρύθμιση του Slotin. Το βηρύλλιο υποδιπλασιάζεται ως ανακλαστήρες νετρονίων

Τοποθέτησε τον πυρήνα μέσα στο κάτω ημισφαίριο και σιγά-σιγά κατέβαζε την επάνω σφαίρα πάνω του. Η μείωση της σφαίρας θα αύξανε την ανάκλαση νετρονίων και θα οδηγούσε σε κρισιμότητα. Ωστόσο, εάν η εξωτερική σφαίρα περικλείει πλήρως τον πυρήνα, η πλήρης ανάκλαση νετρονίων θα έκανε τον πυρήνα να γίνει «υπερκρίσιμος». Επομένως, το πείραμα απαιτούσε την τοποθέτηση δύο σφηνών μεταξύ των ημισφαιρίων για να αποτραπεί το πλήρες κλείσιμο.

Ο Σλότιν ήταν λαμπρός, αλλά απερίσκεπτος, και αντί για τις σφήνες, χρησιμοποίησε απλώς την άκρη ενόςεπίπεδου κατσαβιδιού για να αποτρέψει τα ημισφαίρια να περικλείουν τον πυρήνα. Έγειρε το κατσαβίδι για να ρυθμίσει τη σφαίρα και να παρατηρήσει την αλλαγή στην κρισιμότητα. Στις 21 Μαΐου, εκτελούσε ένα παρόμοιο πείραμα με άλλους 7 συναδέλφους του όταν ΤΟ ΚΑΤΣΑΒΙΔΙ ΓΛΙΣΘΗΣΕ! Το κέλυφος έκλεισε τον πυρήνα και έγινε «υπερ-κρίσιμο».

Υπήρχε παρόμοιος καύσωνας και μπλε φως. Ο Σλότιν αμέσως ανασηκώθηκε από τη σφαίρα, αλλά είχε ήδη εκτεθεί σε μια θανατηφόρα ποσότητα ακτινοβολίας (1000 rads). Εννέα ημέρες αργότερα, πέθανε λόγω ασθένειας από την ακτινοβολία. Σύμφωνα με τους γιατρούς, το σώμα του είχε βιώσει κάτι παρόμοιο με ένα «τρισδιάστατο ηλιακό έγκαυμα».

Το ατύχημα του Σλότιν ήταν αποτέλεσμα απλής αμέλειας

Συμπέρασμα

Τα πειράματα κρισιμότητας οδήγησαν έμμεσα στο θάνατο άλλων ανθρώπων, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων και φρουρών ασφαλείας που ήταν παρόντες κατά τη διάρκεια του περιστατικού. Ο θάνατος δύο διακεκριμένων επιστημόνων πυροδότησε μια συζήτηση σχετικά με τις προφυλάξεις και τα μέτρα ασφαλείας που πρέπει να ακολουθούνται κατά τη διάρκεια επιστημονικών πειραμάτων. Ως αποτέλεσμα, η κυβέρνηση σταμάτησε τα πειράματα κρισιμότητας, δεδομένων των κινδύνων. Επίσης, ο πυρήνας του Πλουτωνίου έλαβε το παρατσούκλι του "Demon Core".

Είναι συγκλονιστικό να πιστεύουμε ότι μια μικρή μεταλλική σφαίρα μπορεί να είναι τόσο επικίνδυνη. Αποδεικνύει πόσο παράξενο και εκπληκτικό είναι πραγματικά το σύμπαν. Η ταινία του 1989 "Fat Man and Little Boy" απεικονίζει μια οπτική αναπαράσταση του πυρήνα και του ατυχήματος της κρισιμότητας. Μετά τα περιστατικά, οι αρχές έλιωσαν τον πυρήνα του δαίμονα και τον αναδιατύπωσαν για να χτίσουν νέους πυρήνες. Έτσι, ο πυρήνας έφτασε στο τέλος του και έγινε μέρος μιας νέας εποχής όπλων και πειραματισμών.