Mezi nejkrasnejsi efekty, ktere je mozno vytvorit, patri jaderny vybuch. V nepatrnem okamziku se uvolni ohromne mnozstvi energie, ktere zbytek naloze odpari a promeni v idealni plazma o teplote nekolika milionu kelvinu. Toto se navenek projevuje jako nesmirne jasna, krasna a rozpinajici se koule ohne, sirici kolem sebe tlakovou vlnu nicici vse zive i nezive a zametajici zemsky povrch. Tlakovou vlnu predchazi vlna svetelna a tepelna, ktere trvaji nekolik sekund a zpusobuji oslepnuti a az smrtelne popaleni nechranenych osob. Jsou provazeny radiovym zarenim, zarenim gama a neutrony. Radiovy a magneticky impuls pusobi poskozeni elektroniky, radiacni vlna pusobi silne ionizacne, cimz se narusuje struktura napr. zive tkane a dochazi k poskozeni zivych organismu, v konecnem dusledku vzdy smrtelneho (cimz vas samozrejme nechci odradit od konstrukce takovehoto veseleho zarizeni, vzdyt jednou tam musime vsichni...). Sekundarnim dusledkem jaderneho vybuchu je radioaktivni zamoreni rozsahleho prostoru, coz vsak jeho obyvatele, zejmena z blizkosti epicentra vybuchu, uz nemusi zajimat.
Ionizujici zareni vyvolava fragmentaci molekul, denaturaci bilkovin, stepeni aminokyselin a vznik amoniaku a sulfanu, vznik vodiku a kysliku z vody, inaktivaci enzymu, polymerizaci a depolymerizaci makromolekul - fragmentaci chromozomu a genetickym porucham, v extremnich davkach az lyzi bunky. Podprahovou davku nelze nijak pocitit. Vyssi davky, pusobici jiz dosti skodlive, se pocituji jako stav kocoviny po vypiti vetsiho mnozstvi alkoholu (tzv. rentgenova kocovina).
Mirne prechodne zarudnuti kuze zpusobuje jiz mistni ozareni 5 Gy. Pri davce 10-20 Gy se kuze rozpada, objevuji se vredy. Za dva tydny vypadaji vlasy a byla-li celkova davka vyssi nez 5 Gy, jiz nenarostou.
Prodromalni reakce se projevuje az se zpozdenim. Charakterizuji ji obtize zazivaci a nervove, nechutenstvi (1.2+0.4 Gy), nevolnost (1.7+0.3 Gy), unavnost (1.8+0.5 Gy), skleslost, poceni, bolesti hlavy a apatie, nekdy stridana neklidem. Jiz male davky zpusobuji poskozeni kostni drene s naslednou anemii a poskozenim, eventuelne selhanim imunity organismu. Pri vyssi davce se objevuji zvraceni (2.1+0.5 Gy), prujmy (2.4+0.6 Gy) a caste krvaceni. Davka 2.8+0.5 Gy pusobi po nejake dobe smrt, smrt do 30-60 dnu (pro 50% subjektu) nastava pro jednorazove ozareni cca 4.5 Gy (odhad individualne kolisa mezi 2 a 7 Gy). I velmi nizke davky pusobi silne teratogenicky.
Pozdni projevy zareni jsou napriklad poskozeni kuze - rozsireni koznich cevek, zvysena pigmentace, nekdy i odumirani a zvredovateni, casto vedouci az ke vzniku rakoviny. Dosti bezny je i zakal ocni cocky, zhorsujici zrak az k slepote. Zvyseny sklon k tvorbe nadoru pretrvava az desitky let, stoupa tez pravdepodobnost vzniku leukemie. Asi 0.5% populace je citliva uz na davku 1 Gy. Rada farmakologickych preparatu, radioprotektiv, muze zcasti zmirnit ucinky zareni. Vetsinou jde o latky obsahujici siru, v nouzi lze pouzit i vajecny bilek ve vetsim mnozstvi. Tyto latky se vsak musi uzit asi pul hodiny pred predpokladanym ozarenim. Nebezpecnost radioaktivniho zareni spociva hlavne v jeho smyslove nezjistitelnosti. Vysoke intenzity zareni zpusobuji modravou fluorescenci ocniho obsahu, uvidite-li vsak nekdy neco takoveho, piste zavet, nebot se v dalsich nekolika hodinach nebo mozna i dnech rozloucite s vasi pozemskou existenci. Somaticke priznaky nejsou zadne, eventuelni neprijemne pocity jsou jiz priznaky rozvijejici se nemoci z ozareni.
Principem jaderne pumy je nahle uvolneni velkeho mnozstvi energie ve forme elektromagnetickeho zareni pestre palety vlnovych delek a kineticke energie vzniklych castic. Tato energie vznika pri stepeni atomoveho jadra za dodani maleho mnozstvi energie zachycenym neutronem. Z prirozenych nuklidu je pouze nuklid 235U schopny samovolneho stepeni jadra po zachytu tepelneho neutronu. Jadro tohoto izotopu uranu je jiz v klidovem stavu deformovane, po zachyceni neutronu se rozkmita a posleze se zaskrcuje a rozpada na dve stepne trosky, 2-3 neutrony (ale nekdy i 0-8) stepici dalsi jadra a zpusobujici retezovou reakci a nekolik kvant zareni X. Stepne reakci vsak konkuruje reakce (n,X), protoze emise fotonu je alternativni metoda ztraty energie. Neutron vsak muze byt zachycen i jadrem 238U, pricemz probihaji reakce 238U(n,X) ---> 239U, 239U ---> 239Np ---> 239Pu. Teto reakce se vyuziva v tzv. mnozivych reaktorech, perspektivnich pro jadernou energetiku, protoze vznikajici plutonium lze pouzit jako stepny material pro jadernou reakci.
Stepna reakce probiha podle rovnice:
1 235 A1 A2 1
n + U ---> L + M + z n + x X
0 Z1 Z2 0
kde Z1 + Z2 = 92, A1 + A2 + z = 236 a z = 2.41.
Produkty stepne reakce jsou velmi ruznorode. Muze vzniknout pres 90 ruznych jader s vytezky mezi 0.001 ppm az 7%. Maximalni vytezky jsou pri stepeni tepelnymi neutrony v oblasti jader s A = 85-105 a A = 130-150, pri stepeni rychlymi neutrony (obvykle v mnozivych reaktorech a zejmena v jadernych zbranich) mezi 158-178. V nezanedbatelnem mnozstvi vznika jeste treti jadro - tzv. minoritni stepna troska, kterou je obvykle tritium, helium, lithium ci beryllium. Pomer A/Z u vznikajicich jader je stejny jako u 236U, tedy 1.57 coz je pro dane nuklidy nevyhodne a pomer se upravuje negatronovou premenou v kratsich ci delsich generickych retezcich (lze odvodit z tabulkovych udaju). Celkova energie uvolnena pri stepne reakci je 211 MeV (vcetne energie vznikle pri radioaktivnich premenach sekundarnich produktu - cca 14 MeV). Z toho vyuzitelna energie se pocita cca 201 MeV, nebot asi 10 MeV odnaseji neutrina, ktera maji obrovskou pronikavost.
Vlastni retezova reakce bohuzel nema 100%ni ucinnost, protoze cast zasazenych jader se nerozstepi, cast neutronu je pohlcena nestepitelnymi primesmi a konstrukcnimi prvky a cast neutronu ze soustavy unika. Na techto vlivech zavisi hodnota multiplikacniho faktoru k, coz je pomer poctu neutronu vzniklych stepenim k poctu neutronu pohlcenych v soustave za urcity casovy interval. Je-li k>1 (cim vetsi, tim lepe), dochazi k retezove stepne reakci se vsemi dusledky (svetelne a zvukove efekty).
Kriticka hmotnost soustavy je stav, kdy je unik neutronu z povrchu soustavy kompenzovan zvysenim poctu neutronu vzniklych v celem objemu soustavy. Zavisi na slozeni soustavy (neucinne zachycovani neutronu), materialu okoli (odraz uniklych neutronu zpet do soustavy - pouzitim neutronovych zrcadel lze kritickou hmotnost soustavy znacne snizit) a geometricke forme (na te zavisi pocet uniklych neutronu - nejlepsi je koule). Kriticke hmotnosti je v soustave s kovovym uranem mozne dosahnout jen zvysenim podilu stepitelneho izotopu - obohacovanim uranu. Pro uran obohaceny na 90% je to 24.5 kg pro kouli obklopenou vodou (doporucuji pouzit neutronova zrcadla a pridat male mnozstvi moderatoru - snizeni pravdepodobnosti neucinneho zachytu neutronu (pozn.aut.)).
U termojaderne pumy se vyuziva principu jaderne fuze. Vysokou vazebnou energii vztazenou na 1 nukleon ma helium 42He, proto se jadra s nizsi vazebnou energii mohou premenovat na helium. Reakce mohou probihat pouze za velmi vysoke teploty a tlaku (zajisti jaderna puma). Pri vybuchu vodikove pumy pripadaji v uvahu tyto reakce:
1H + 1H ---> 2H + 0+1e
2H + 1H ---> 3He + X
2H + 2H ---> 3H + 1H
2H + 2H ---> 3He + 10n
3H + 2H ---> 4He + 10n
3He + 3He ---> 4He + 1H + 1H
6Li + 10n ---> 4He + 3H
7Li + 10n ---> 4He + 3H + 10n
a nektere dalsi...
Pri kazde z techto reakci se uvolni 2-18 MeV energie (vyjma posledni reakce, kde se 2.5 MeV spotrebuje). Tato uvolnena energie mnohonasobne zvysuje ucinnost vodikove pumy oproti pume jaderne.Jaderna puma se zde pouziva pouze jako rozbuska. Smrtici ucinek ma vlna zareni, tlakova vlna a vysokoenergeticke neutrony.
Rozeznavame tri zakladni typy jadernych pum:
Zakladnim problemem je dostatecne mnozstvi stepneho materialu. Musi jim byt bud uran (izotop 235U) nebo plutonium (izotop 239Pu), ktery navic musi byt dost cisty (alespon 95%, radeji vice). Mate-li dostatecne mnozstvi financnich prostredku, muzete si jej opatrit na cernem trhu, nejlepe z byvaleho Sovetskeho svazu - odtamtud je nejlevnejsi. Pravdepodobne vsak nebude mit pozadovanou cistotu. Nezoufejte, precistit se da.
Pri nedostatku penez existuji dve reseni. Zpracovani uranove rudy vylucuji, jde o praci nevdecnou a v domacich podminkach neuskutecnitelnou - bylo by nutno zpracovat nekolik desitek tun rudy (nebo spise mnohem vice). Zbyva tedy zpracovani vyhoreleho jaderneho paliva.
Jak sehnat vyhorele palivo vam neporadim z duvodu mozne cenzury casopisu. Legalne to vsak asi nepujde, doporucuji tedy sklady jaderneho odpadu - pri dukladne priprave se vam snad podari prislusne mnozstvi "ojetych" palivovych tyci sehnat.
Nejsnaze si opatrite palivove tyce z lehkovodniho reaktoru, oznacovaneho VVER, u nas VVER-440 v Jaslovskych Bohunicich a v Dukovanech, nebo VVER-1000 v Temeline.
Do jaderneho reaktoru se palivo vklada v tzv. palivovych kazetach. Aktivni zona reaktoru obsahuje nekolik set takovychto palivovych kazet. Palivova kazeta se sklada ze 100-200 palivovych prutu, delkou odpovidajicich vysce aktivni zony reaktoru - t.j. 2-3m. Palivovy prut je tvoren tyci o prumeru 10mm, slozene z na sobe postavenych tablet sintrovaneho UO2 hermeticky uzavrenych v trubce ze specialni slitiny zirkonu. Vsazka uranu do reaktoru VVER-440 je 42t obohacenych na 3.5%, pro reaktor VVER-1000 je to 66t obohacenych na 3.3-4.4%. Palivove pruty maji delku 2500mm pro VVER-440 nebo 3500mm pro VVER-1000.
Velmi dulezitou hodnotou pro vyhorele jaderne palivo je stupen vyhoreni. Udava se nejcasteji jako pomer mnozstvi uvolnene tepelne energie ku puvodnimu mnozstvi jaderneho paliva. Prakticky se udava v jednotkach MW.den/tuna paliva. Vyhoreni 10000 MW.dni/1 tunu paliva odpovida cca 12.3 kg spotrebovaneho stepneho materialu, coz odpovida asi 1.2% paliva. V soucasnych tepelnych reaktorech se dosahuje vyhoreni 10000-35000 MW.dni/t (1-3.5%).
Velmi dulezite je tez izotopove slozeni vyhoreleho paliva. Je podstatne zavisle na stupni vyhoreni. Obsah nuklidu v pouzitem palivu udava nasledujici tabulka (hodnoty v kg/t uranu):
+------------------------------------+
| nuklid stupen vyhoreni |
| 17700 24300 31800 |
+-------+--------+---------+---------+
| 235U | 19.0 | 15.9 | 11.8 |
| Pu | 7.56 | 10.5 | 10.2 |
| 239Pu | 5.60 | 7.42 | 6.27 |
| 237Np | 0.21 | 0.46 | 0.47 |
| 241Am | 0.09 | 0.12 | 0.14 |
| 244Cm | -- | 0.008 | 0.016 |
| 137Cs | 0.80 | 0.88 | 1.12 |
| 90Sr | 0.29 | 0.36 | 0.47 |
| 99Tc | 0.43 | 0.58 | 0.77 |
| Pd | 0.41 | 0.72 | -- |
+-------+--------+---------+---------+
Z tabulky vyplyva, ze zakladnimi izolovatelnymi aktivnimi komponenty jsou uran a plutonium. Jelikoz se vam pravdepodobne nebude chtit zpracovavat vice nez 1.5-2 tuny vychoziho materialu, mohli byste zkusit smisit kovovy uran s plutoniem - teoreticky by to nemelo byt na ujmu ucinnosti konstruovaneho pristroje.
Prvni fazi zpracovani stepneho materialu je odstraneni obalu a prevedeni do roztoku. Pro nejcasteji pouzivane palivo ve forme UO2 pokryteho nerezavejici oceli nebo slitinou zirkonu je nejlepsi obaly odstranit mechanicky (odsoustruzenim ci odrezanim - jen pro silne povahy) nebo otavit. Tablety spolu se zbytkem pokryti se rozpusti v zredene HNO3 s pridavkem maleho mnozstvi HF. Roztok se filtraci zbavi nerozpustenych casti. Obsahuje velke mnozstvi uranu (1 az 2 mol dm-3), plutonium a ostatni v tabulce uvedene nuklidy. POZOR - pri rozpousteni unikaji plynne nebo alespon silne tekave radioaktivni produkty - jod, ruthenium, xenon, krypton. Vystavovat se jejich pusobeni se nedoporucuje - kdo by chtel prijit o zivot jeste pred dokoncenim prace? Je tedy nutno je zachycovat (vzhledem k jejich chemickym vlastnostem je to cinnost velmi nevdecna), nebo vypoustet do okoli, pokud mozno ve vetsi vzdalenosti od vas a v mene obydlene oblasti - kdo by stal o predcasne prozrazeni?
Mame tedy kysely roztok dusicnanu uranylu, plutonia a ostatnich aktivnich i neaktivnich nuklidu. Jako separacni metodu doporucuji overeny a celosvetove pouzivany proces Purex. Tento proces vyuziva dobrou extrahovatelnost uranu a plutonia z tohoto roztoku roztokem tributylfosfatu (CH3CH2CH2CH2O)3PO oznacovaneho zkratkou TBP v petroleji nebo v CCl4. Nejlepsi extrahovatelnost vykazuje plutonium v oxidacnim stavu IV, proto se do vychoziho roztoku pridava dusitan sodny, ktery jej v tomto stavu stabilizuje. Z roztoku 3M HNO3 o obsahu uranu 0.03 mol.dm-3 lze 30%nim roztokem TBP v petroleji ziskat az 89% U a 60.7% Pu (pomer vodne a organicke faze je 1:1). Naproti tomu ostatni stepne produkty se v roztoku TBP temer nerozpousteji. Z toho vyplyva, ze nejlepsi vytezky dosahnete pri alespon dvoji extrakci.
Plutonium v oxidacnim stavu III je na rozdil od plutonia v oxidacnim stavu IV v roztoku TBP temer nerozpustne. Lze jej odstranit selektivni redukci kyselym roztokem nejlepe amidosiranu zeleznateho a pote odstranenim z vodne faze a redukci na kov, nejlepe vodikem.
Uran se da z roztoku TBP reextrahovat vodou nebo velmi zredenou kyselinou dusicnou. TBP se regeneruje a opakovane pouziva, uran se prevede na tekavy fluorid, deli izotopovou separaci napriklad na sklenene membrane a nakonec redukuje nejlepe vodikem na cisty kov.
Zajimava metoda zpracovani pouziteho paliva je fluorace oxidoveho paliva rozpustenim v kyseline fluorovodikove nebo pusobenim elementarniho fluoru (jen pro silne povahy), oddelenim tekavych fluoridu a pote jejich frakcni destilaci, u uranu i izotopovou separaci a naslednou redukci vodikem ziskat ciste kovy. Teploty varu udane ve řC jsou vypsany v nasledujici tabulce:
+---------+----------+--------------+---------------+
| fluorid | barva | teplota tani | teplota varu |
+---------+----------+--------------+---------------+
| UF4 | zeleny | 1003 | 1418 |
| UF6 | bezbarvy | 64.5 | 56.6(subl.)|
| PuF4 | cerny | 1037 | |
| PuF6 | cerveny | 50.75 | 62.3 |
| ZrF4 | bily | | 600 (subl.) |
| CsF | bezbarvy | 682 | 1251 |
| FeF2 | bily | 1100 | |
| FeF3 | zeleny | 1027 | 1327 |
+---------+----------+--------------+---------------+
Z tabulky vyplyva pomerne jednoducha oddelitelnost jednotlivych fluoridu. Vzhledem k malemu rozdilu mezi teplotou varu UF6 a PuF6 doporucuji oddestilovat jejich smes a oba fluoridy oddelit od sebe destilaci za pouziti kolony. Pripravu fluoridu je nutno provadet v oxidacnim prostredi, aby bylo dosazeno maximalniho vytezku jedinych dvou tekavych fluoridu a nevznikal vytezek snizujici netekavy UF4 a PuF4. Jako oxidacni cinidlo doporucuji pouzit maly pridavek HNO3 nebo K2Cr2O7.
Pri pouziti suche a zejmena mokre metody separace je treba venovat velkou pozornost kritickemu mnozstvi, zejmena pri mokre separaci, kde voda pusobi jako moderator. Prekrocite-li toto mnozstvi, teste se na rychly vzrust teploty a radiace a nasledne destrukce zarizeni i vasi ctene osoby, nehlede na nezadouci upozorneni okoli zvukovymi a mozna i svetelnymi efekty. Zacne-li vam podezrele rust teplota v nadobe s radionuklidy, neprodlene prelijte cast obsahu nadoby do nadoby jine, pokud mozno vzdalenejsi. Ze jste to nestihli? Meli jste byt rychlejsi.
Ziskany UF6 obsahuje seredne mnozstvi nestepitelneho izotopu, pro vyrobu jaderne pumy nepouzitelneho az skodliveho. Izotopova separace je vsak v domacich podminkach obtizne pouzitelna. Ultracentrifugu o dostatecne kapacite se vam pravdepodobne opatrit nepodari, fotochemicka metoda vyzaduje nedostupny zdroj zareni o presne vlnove delce a metoda termodifuze neni vzhledem k technickym problemum dost dobre mozna, zbyva tedy metoda difuze. Metoda difuze se vyznacuje drobnou nevyhodou - je velmi pomala, vyzaduje specialni membrany a mnoho separacnich jednotek zapojenych za sebou podle nasledujiciho schematu (teorii funkce se nebudu zabyvat):
schema ponekud chybi
Pro pozadovanou cistotu izotopu je bohuzel nutno zapojit za sebe az 2300 separacnich jednotek. Produktivita je asi 1-2 g 235U na 1m2 membrany za rok.
Vlastni technicke provedeni separatoru je mozne realizovat jako dlouhou trubku, v niz je uprostred upevnena trubka tvorena membranou:
+====
| > ochuzeny tok
| +==
+==========+ |
| podtlak |
==+------------+==
nastrik > pretlak > obohaceny tok
==================
Zaverem zakladni pravidlo: cim vetsi povrch membrany, tim vyssi rychlost separace.
Jinou perspektivni metodou je separace ve velmi silnem magnetickem poli tvorenem supravodivym magnetem (jehoz konstrukci popiseme dle zajmu ctenaru jindy nebo nikdy) ponorenem do kapalneho dusiku.
POZOR!!!
Pri teto fazi vyroby je nutno vice nez kdekoliv jinde davat pozor na kriticke mnozstvi! Aparatura je velmi draha (a jeji ziskani jinou cestou nez koupi obtizne), byla by ji skoda.
Mate-li alespon 25 kg cisteho uranu 235, plutonia 239 nebo slitiny obou, mate nejobtiznejsi cast za sebou. S vetsim mnozstvim nedoporucuji pracovat, nebot vznikle potize amater nezvladne. Nyni prichazi finale vyroby - konstrukce vlastni jaderne pumy.
Nejprve si pripravite dve stejne casti polokuloviteho tvaru. Jedna z moznosti je kov roztavit v ochranne atmosfere (napriklad dusikove), jinak riskujete, ze kov vzplane, coz by bylo nejen nebezpecne, ale byla by to i skoda, navic se uvolnuji radioaktivni vypary. Ale protoze po redukci vodikem ziskate kov v podobe jemneho prasku, doporucuji jej slisovat do pozadovaneho tvaru.
Pochopitelne jste kovovy prach neskladovali vsechen pohromade, protoze jinak by byl muj dalsi vyklad zcela zbytecny a vy byste byli rozptyleni v podobe jednoduchych molekul a radikalu ve stale se rozpinajici casti atmosfery.
Nyni je nutno sehnat nebo dle snadno sehnatelnych receptu (kvuli jistemu clenovi redakce nesmim uverejnit pramen, ktery vsak jiste vsichni sami znate) vyrobit neco vybusniny, nejlepe TNT nebo kyseliny pikrove. V pripade horizontalniho postaveni vlastniho pristroje doporucuji spise jakekoliv raketove palivo.
Pro zacatecniky doporucuji nestavet hned rakety, ale umistit naloz do nejake budovy. Je-li alespon jednopatrova, muzete postavit vertikalni konstrukci, je-li pouze prizemni nebo jde-li o sklep, pak (pokud nechcete kopat sachtu, coz je prace nevdecna a nedustojna) se musite spokojit s horizontalni konstrukci.
Vertikalni konstrukce se sklada ze tri alespon sestimetrovych rovnobeznych svislych trubek postavenych v rozich rovnostranneho trojuhelniku. Dolu upevnite jednu polokouli hladkou plochou nahoru, nahore na lyzinach bude spocivat druha polokoule, hladkou plochou dolu. Samozrejme ze se ma setkat s tou spodni. Doporucuje se horni polokouli blokovat napr. ocelovym lankem primerene tloustky. Nad polokouli umistime vhodne tvarovanou naloz, ktera ji ve spravnem okamziku odmrsti smerem dolu (a pretrhne to lanko, proto by nemelo byt prilis silne, dovedete si predstavit tu ostudu kdyby vam to nevyslo?). Odmrsteni je dulezite, protoze polokoule se spolu musi setkat po dostatecne dlouhou dobu (cca 0.5 sekundy), prestoze se zpocatku vehementne odpuzuji.
Horizontalni konstrukce se sklada ze dvou alespon 6 metru dlouhych kolejnic, kde na jedne strane je upevnena polokoule rovnou plochou obracena k druhe polokouli, upevnene na voziku pohanitelnem raketovymi motory (ze stejnych duvodu, jako je u vertikalni konstrukce pouzita vybusnina, ale zde musi vyvinuty tah trvat dele). Kolejnice by mely mit stoupani 2-3% aby se vozik samovolne nerozjel. Jinak byste byli uspesnejsim konstrukterum k smichu. V obou pripadech se doporucuje k roznetce zazehavajici raketovy motor ci vybusninu pripojit casovac. Zde se nedoporucuje prilis setrit, poridte pristroj presny a spolehlivy, protoze by nebylo nejefektnejsi, kdyby vase dlouholete snazeni skoncilo fiaskem. Dobu odpaleni nacasujte asi za 12 hodin a zmizte co nejdal. Pak z bezpecne vzdalenosti pozorujte vysledny efekt.
Behem vyroby pozor na zareni - muzete dostat smrtelnou davku ani se nedozvite jak.
Pouzita a doporucena literatura: