Physik Book 3

31
41

Transcript of Physik Book 3

Page 1: Physik Book 3

41

Page 2: Physik Book 3

42

Το 1919 ο Rutherford πραγµατοποίησε την πρώτη τεχνητή πυρηνική αντίδραση µε ακτίνες α σε πυρήνες αζώτου . ( . )

Μια άλλη ιστορική πυρηνική αντίδραση προκύπτει όταν σε πυρήνες Βυρηλίου προσκρούσουν σωµάτια α. Ο Σάντγουικ (Chadwick) έδωσε την σωστή ερµηνεία της αντίδρασης αυτής που τον οδήγησε στην ανακάλυψη του νετρονίου το 1932. Το 1938 ο Otto Hahn ακτινοβόλησε ουράνιο µε νετρόνια και έκανε την εκπληκτική ανακάλυψη µετατροπής των πυρήνων του ουρανίου (n,β) σε πυρήνες µε υψηλότερο ατοµικό αριθµό όπως Np και Pu .

Ακόµη εξακριβώθηκε από τους Otto Hahn, Strassman και Lisa Meitner η παρουσία του στοιχείου Bario µε ατοµικό αριθµό 56 και του στοιχείου Κrypton µε ατοµικό αριθµό 36. (92=56+36) . Η πρώτη αντίδραση σχάσης πυρήνων γίνεται µε το 238U σε ποσοστό 0,7% σε σχέση µε το 235U .

Page 3: Physik Book 3

43

Σχηµατική παράσταση της πυρηνικής σχάσης του

του όταν συγκρούεται µε νετρόνιο.

Διάγραµµα πυρηνικής σχάσης. ( Σχήµα από το Physik-Fundament der Technik, Fachverlag Leipzig)

Page 4: Physik Book 3

44

Αν χρησιµοποιηθεί ουράνιο -238 η πιθανότητα σχάσης είναι µικρή καθώς σχηµατίζεται ουράνιο -239 (ραδιενεργό ισότοπο). Χρησιµοποιήθηκε αρχικά ως σχάσιµο υλικό το ισότοπο ουράνιο -235 που παρουσιάζει µεγάλη πιθανότητα σχάσης όταν δεχθεί νετρόνιο στον πυρήνα του. Στο Φυσικό Ουράνιο µόνο το 0,7% είναι ουράνιο -235 .Απαιτούνται εποµένως µεγάλες ποσότητες Φυσικού ουρανίου για να πάρουµε σχάσιµες ποσότητες 235 U. O Χηµικός διαχωρισµός είναι δύσκολος λόγω της οµοιότητας που παρουσιάζουν οι ιδιότητες µεταξύ των ισοτόπων (238U , 235U) . Xρησιµοποιήθηκαν εναλλακτική τρόποι διαχωρισµού ισοτόπων λόγω της διαφορετικής ατοµικής µάζας. Το πλουτώνιο -239 έχει µεγάλη πιθανότητα σχάσης αλλά δεν είναι φυσικό στοιχείο . Δηµιουργείται τεχνικά µε πυρηνικές αντιδράσεις σε αντιδραστήρες . Οι πυρήνες µεγάλης ατοµικής µάζας όπως του ουρανίου-235 και ιδιαίτερα του πλουτωνίου -239 παρουσιάζουν µεγάλη πιθανότητα αυθόρµητης διάσπασης , γεγονός που λαµβάνεται υπόψη στην ποσότητα του σχάσιµου υλικού ιδιαίτερα στο σχεδιασµό πυρηνικών όπλων.

1 . Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες παράγουν το δικό τους καύσιµο επειδή παράγουν 239Pu από 238U. Υπολογίζεται ότι για τη ανά τον κόσµο συνολική πυρηνική ισχύ των 3,4 105 ΜW απαιτούνται περισσότεροι από 100 τόνοι πλουτωνίου -239 (239Pu). H ποσότητα αυτή παράγεται κάθε χρόνο από την πρωταρχική πηγή του ουρανίου -235. Το 239Pu παράγεται σε ράβδους και µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε άλλους αντιδραστήρες.

1 O Otto Hahn στη Γερµανία το 1939 βοµβάρδισε πυρήνες 235U µε ταχέως κινούµενα νετρόνια . Η πιθανότητα όµως των νετρονίων αυτών να απορροφηθούν από το 235U ήταν µικρή γι΄ αυτό και απέτυχε το πείραµά του.

Page 5: Physik Book 3

45

Περί τα 435 πυρηνικά εργοστάσια λειτουργούν ανά τον κόσµο και παράγουν περί τα 345000 ΜW εφοδιάζοντας µε ηλεκτρική ισχύ 32 χώρες. Μερικές χώρες εξαρτώνται ζωτικά από την πυρηνική ενέργεια όπως η Γαλλία η οποία παράγει το 76% της ηλεκτρικής της ενέργειας από πυρηνικά εργοστάσια. Άλλες χώρες όπως το Βέλγιο έχει 56% εξάρτηση από την πυρηνική ενέργεια , η Νότιος Κορέα 36% , η Ελβετία 40%, η Σουηδία 47%, η Φιλανδία 30% , η Ιαπωνία 33% , η Βουλγαρία το 46%, η Βρετανία το 25%, η Ουγγαρία το 42%. Στις Ηνωµένες Πολιτείες παράγεται η περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από 105 πυρηνικά εργοστάσια τα οποία παράγουν το 20% της ηλεκτρικής ισχύος (98000 ΜW). Ωστόσο στις Ηνωµένες Πολιτείες δεν παρουσιάζεται αύξηση της εγκατάστασης πυρηνικών εργοστασίων κυρίως λόγω προβληµάτων ασφάλειας λειτουργίας τους και ακόµη προβληµάτων αποθήκευσης των πυρηνικών αποβλήτων. Η δύο αυτοί λόγοι επιβαρύνουν το κόστος λειτουργίας των πυρηνικών εργοστασίων.

Το νερό η ο γραφίτης επιβραδύνει τα υψηλής ταχύτητας νετρόνια στις πυρηνικές αντιδράσεις σχάσης. Αυτή η επιβράδυνση διατηρεί τα νετρόνια στη διαδικασία της αλυσιδωτής αντίδρασης. Το νερό τοποθετείται για ψύξη και επιβράδυνση των νετρονίων ανάµεσα στις ράβδους του σχάσιµου υλικού. Σε Καναδικούς αντιδραστήρες χρησιµοποιήθηκε βαρύ ύδωρ (D2O). Τα νετρόνια που εκπέµπονται σε µια πυρηνική σχάση έχουν ενέργεια υψηλή (στην περιοχή του 1 MeV) . Νετρόνια µε ενέργειες µικρότερες του 1eV (ονοµάζονται και θερµικά νετρόνια) είναι κατάλληλα για τη διατήρηση της πυρηνικής αντίδρασης αφού η πιθανότητα απορρόφησής τους από πυρήνες του σχάσιµου υλικού είναι µεγαλύτερη από τα υψηλής ενέργειας νετρόνια.

2 2 Δεν υπάρχει φωτογραφία του πρώτου αντιδραστήρα του Σικάγου, µάλλον εξαιτίας µέτρων ασφαλείας της εποχής που κατασκευάστηκε.

Page 6: Physik Book 3

46

Για να διατηρηθεί η αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση πχ του 235U πρέπει τουλάχιστον ένα νετρόνιο από κάθε σχάση να συναντάει έναν πυρήνα 235U και να προκαλεί σχάση. Τότε η πυρηνική αντίδραση χαρακτηρίζεται ως κρίσιµη και συνεχίζεται. Η µάζα του σχάσιµου υλικού που διατηρεί την συνθήκη αυτή λέγεται κρίσιµη µάζα. Η κρίσιµη µάζα του καυσίµου εξαρτάται από τη συγκέντρωση των πυρήνων του 235U και από τη γεωµετρία της τοποθέτησής τους. Στην περίπτωση των πυρηνικών όπλων η συγκέντρωση του σχάσιµου υλικού πρέπει να είναι µεγαλύτερη . Για τη διατήρηση της κρίσιµης µάζας του καυσίµου στους πυρηνικούς αντιδραστήρες ελέγχουν την αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης επιβραδύνοντας νετρόνια µε τη χρησιµοποίηση ράβδων επιβραδυντικού υλικού. Οι ράβδοι εισέρχονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα και απορροφούν νετρόνια και διατηρούν τη σχάσιµη µάζα κρίσιµη. Το Ουράνιο στη φύση είναι µίγµα τριών ισοτόπων όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα:

Απεικόνιση της εγκατάστασης που χρησιµοποιήθηκε από την οµάδα του Fermi για να πραγµατοποιήσει την πρώτη ελεγχόµενη πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση , στο Σικάγο στις 2 Δεκεµβρίου του 1942

Οι πυρήνες του Ουράνιου -235 µπορούν να διασπαστούν από νετρόνια που έχουν µικρή σχετικά ενέργεια (βραδέα νετρόνια) . Κατά τη σχάση όµως των πυρήνων προκύπτουν νετρόνια µε µεγάλη ταχύτητα (περίπου 15 103 km/sec) . Προκειµένου να ελεγχθεί η

Ουράνιο-238 99.27% 4,510,000,000-ηµιπερίοδος ζωής

Ουράνιο-235 0.72% 713,000,000- ηµιπερίοδος ζωής

Ουράνιο-234 0.006% 247,000- ηµιπερίοδος ζωής

Page 7: Physik Book 3

47

πυρηνική αντίδραση θα πρέπει τα νετρόνια που προκύπτουν να επιβραδυνθούν. Αυτό το πρόβληµα το έλυσε ο Fermi . Μάλιστα για την εργασία του αυτή σχετικά µε την επιβράδυνση των νετρονίων πήρε και το βραβείο Nobel. Η λύση του προβλήµατος ελέγχου των νετρονίων βασίστηκε στις συγκρούσεις του µε άλλους πυρήνες πριν συγκρουστούν ξανά µε πυρήνες ουρανίου. Η ταχύτητα των νετρονίων σε κάθε νέα σύγκρουση ελαττώνεται και όταν αποκτήσουν την κατάλληλη ενέργεια προκαλούν νέες διασπάσεις. Τα υλικά που προκαλούν επιβράδυνση των νετρονίων πρέπει να έχουν µικρή ατοµική µάζα Η λύση του προβλήµατος ελέγχου των νετρονίων βασίστηκε στις συγκρούσεις του µε άλλους πυρήνες πριν συγκρουστούν ξανά µε πυρήνες ουρανίου. Η ταχύτητα των νετρονίων σε κάθε νέα σύγκρουση ελαττώνεται και όταν αποκτήσουν την κατάλληλη ενέργεια προκαλούν νέες διασπάσεις. Τα υλικά που προκαλούν επιβράδυνση των νετρονίων πρέπει να έχουν µικρή ατοµική µάζα.

Page 8: Physik Book 3

48

Τα πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας εφοδιάζουν µε ηλεκτρική ενέργεια περίπου το 17% της παγκόσµιας ηλεκτρικής ενέργειας. Βέβαια µερικές χώρες εξαρτώνται περισσότερο από την πυρηνική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας . Για παράδειγµα η Γαλλία παράγει περίπου το 75% της ηλεκτρικής της ενέργειας µε πυρηνικά καύσιµα. Σύµφωνα µε τη διεθνή επιτροπή ατοµικής ενέργειας στις Ηνωµένες Πολιτείες παράγεται το 15% της ηλεκτρικής ενέργειας από πυρηνικά εργοστάσια. Για να κατασκευαστεί ένα πυρηνικό εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής εκείνο που χρειάζεται είναι εµπλουτισµένο ουράνιο . Το ουράνιο έχει τη µορφή µικρών νοµισµάτων µε την ίδια διάµετρο και µήκος µιας ίντζας . Τοποθετούνται σε µακρύς ράβδους που χρησιµοποιούνται µαζί . Οι ράβδοι βυθίζονται σε νερό που ενεργεί ως ψύκτης.

Το κέντρο ελέγχου ενός πυρηνικού αντιδραστήρα όπου υπάρχουν όλα τα όργανα παρακολούθησης της λειτουργίας του . Εδώ θα ληφθεί η απόφαση αναστολής της λειτουργίας του αντιδραστήρα σε περίπτωση ενδεχόµενης βλάβης των συστηµάτων του. Για να διατηρήσουµε τον αντιδραστήρα σε λειτουργία πρέπει να χρησιµοποιούνται ράβδοι ελέγχου που απορροφούν νετρόνια . Όταν το σύστηµα των ράβδων ελέγχου ανασηκώνεται ή καταβυθίζεται στον πυρήνα του αντιδραστήρα παράγει αντίστοιχα περισσότερη ή λιγότερη θερµότητα.

Page 9: Physik Book 3

49

Αν οι ράβδοι βυθιστούν τελείως τότε αναστέλλουν τη λειτουργία του αντιδραστήρα. Η δέσµη των ράβδων ουρανίου είναι η πηγή θερµότητας του αντιδραστήρα. Θερµαίνει το νερό και το µετατρέπει σε ατµό που οδηγείται σε τουρµπίνες ατµού. Αυτές είναι συνδεδεµένες µε ηλεκτρογεννήτριες που παράγουν ηλεκτρική ισχύ. Σε µερικούς αντιδραστήρες ο ατµός από τον αντιδραστήρα πηγαίνει σε άλλο εναλλάκτη θερµότητας για να θερµάνει νερό που γίνεται ατµός . Αυτός ο ατµός κινεί την τουρµπίνα . Με αυτόν τον τρόπο το ραδιενεργό νερό ή ο ατµός δεν έρχονται σε επαφή µε την τουρµπίνα . Ακόµη σε µερικούς αντιδραστήρες το ψυκτικό µέσο που είναι σε επαφή µε τον πυρήνα του αντιδραστήρα είναι αέριο διοξείδιο του άνθρακα ή υγρό µέταλλο (Νάτριο ή Κάλιο) ώστε να µπορεί ο αντιδραστήρας να λειτουργήσει σε υψηλότερες θερµοκρασίες.

Υποστηρίζεται από τους πολέµιους της κατασκευής πυρηνικών εργοστασίων ότι η διάρκεια λειτουργίας τους δεν ξεπερνάει τα τριάντα χρόνια και τούτο γιατί µετά επιβαρύνονται από τη ραδιενέργεια που εκπέµπουν και καθίστανται επικίνδυνα για το περιβάλλον και το προσωπικό που τα λειτουργεί. Ακόµη είναι οικονοµικά υψηλό το κόστος αποµάκρυνσης των ραδιενεργών αποβλήτων και συντελούν στη µόλυνση του περιβάλλοντος σε ανεπανόρθωτο βαθµό αφού τα ραδιενεργά κατάλοιπα τους έχουν πολύ µεγάλη ηµιπερίοδο ζωής. Παρόλα αυτά οι γειτονικές µας χώρες (εκτός της Αλβανίας και των Σκοπίων ) έχουν δεχθεί την κατασκευή πυρηνικών εργοστασίων για ηλεκτροπαραγωγή . Μερικές χώρες βέβαια πέρα από την ειρηνική χρησιµοποίηση της πυρηνικής ενέργειας εξετάζουν και τη δυνατότητα αξιοποίησης των πυρηνικών τους εγκαταστάσεων για στρατιωτικούς σκοπούς.

Page 10: Physik Book 3

50

Έχουν καταγραφεί δύο µεγάλα και αρκετά άλλα µικρότερα πυρηνικά ατυχήµατα στην ιστορία των πυρηνικών αντιδραστήρων ισχύος . Το πρώτο στο Three Mile Island κοντά (10 µίλια) στο Harrisburg της Πενσυλβάνιας στις Ηνωµένες Πολιτείες το 1979. Στις 28 Μαρτίου του 1979 η µονάδα 2 υπέστη µερική τήξη όταν οι ράβδοι του καυσίµου Ουρανίου άρχισαν να λειώνουν λόγω της υψηλής θερµοκρασίας. Αυτό το ατύχηµα θεωρείται ότι ήταν το χειρότερο στην πυρηνική ιστορία των Ηνωµένων Πολιτειών της Αµερικής. Η επικρατέστερη αιτία του ατυχήµατος ήταν η βλάβη µιας βαλβίδας ελέγχου του ψυκτικού συστήµατος . Γενικά η τήξη του αντιδραστήρα µπορεί να συµβεί αν αυτός χάσει το ψυκτικό σύστηµα. Χωρίς αυτό η θερµοκρασία στον πυρήνα του αντιδραστήρα ανεβαίνει και αυτό οδηγεί σε τήξη του πυρήνα του αντιδραστήρα. Και αν ακόµα λειτουργήσουν οι ράβδοι ελέγχου που απορροφούν νετρόνια και σταµατούν τις αλυσιδωτές αντιδράσεις του καυσίµου δεν προκαλείται ψύξη αφού δεν λειτουργεί το σύστηµα ψύξης.

Το δεύτερο σηµαντικό ατύχηµα στην ιστορία των πυρηνικών αντιδραστήρων ήταν αυτό που συνέβη στο Chernobyl της Ουκρανίας , 130 Κm βόρεια του Κιέβου. Συνέβη στις 26 Απριλίου του 1986 και ήταν η χειρότερη καταστροφή στην ιστορία ειρηνικής χρησιµοποίησης της πυρηνικής ενέργειας. Νωρίς το πρωί εκείνης της ηµέρας και πριν αρχίσουν οι καθιερωµένοι ηµερήσιοι έλεγχοι η ισχύς του αντιδραστήρα έπεσε απροσδόκητα κοντά στο µηδέν. Το σύστηµα αντέδρασε και κάποιοι ράβδοι καυσίµου έπεσαν στον πυρήνα για να τροφοδοτήσουν µε ισχύ τον αντιδραστήρα. Η ισχύς ανέβηκε και φάνηκε ότι όλα αποκαταστάθηκαν . Στη συνέχεια όµως δύο από τις αντλίες του

Page 11: Physik Book 3

51

συστήµατος ψύξης τέθηκαν σε λειτουργία και η ροή του νερού ψύξης αυξήθηκε. Αυτό προκάλεσε πτώση της στάθµης του νερού στον αντιδραστήρα και προκλήθηκε αύξηση της ροής ύδατος για αναπλήρωση της πτώσης της στάθµης του νερού. Περισσότερη ράβδοι ελέγχου βγήκαν εκτός ώστε να ανέβει η θερµοκρασία και µε την άνοδο της στάθµης του νερού φάνηκε προς στιγµή να αποκαθίσταται κανονική λειτουργία. Με τη µετακίνηση όµως των ράβδων ελέγχου από τον πυρήνα η θερµοκρασία άρχισε ξανά να ανεβαίνει και µε τη χαµηλή πίεση του νερού ψύξης σχηµατίστηκε ατµός . Αυξήθηκε η ισχύς και σχηµατίσθηκε περισσότερος ατµός . Ο αντιδραστήρας σταµάτησε να λειτουργεί χάρις στο σύστηµα ελέγχου των ράβδων απορρόφησης νετρονίων . ¨Όµως η πίεση και η θερµοκρασία στο εσωτερικό του αντιδραστήρα αυξήθηκε δραµατικά και η ράβδοι του καυσίµου θρυµµατίστηκαν. Τότε συνέβηκαν δύο απανωτές εκρήξεις που ήταν αποτέλεσµα επίδρασης του τήγµατος του Ουρανίου µε τον ατµό. Το κέλυφος του αντιδραστήρα έσπασε και ο εξωτερικός αέρας µπήκε µέσα στον αντιδραστήρα.

Στη φωτογραφία φαίνεται ο κατεστραµµένος αντιδραστήρας 4 του Πυρηνικού εργοστασίου στο Chernobyl . Διακρίνεται στο βάθος του σηµείου της έκρηξης η θέση του πυρήνα του αντιδραστήρα. Το ατύχηµα συνέβη στις 1h 23min το πρωϊ της 26ης Απριλίου 1986.

Page 12: Physik Book 3

52

Ο Ανατόλι Ντιάτλοφ (Anatoly Dyatlov) υπεύθυνος µηχανικός του πυρηνικού σταθµού του Chernobyl κατά το ατύχηµα , γράφει στο βιβλίο του : «Πριν από τις 1 και 23¨ δεν καταγράφηκε κάτι στο κεντρικό σύστηµα ελέγχου που θα µπορούσε να δικαιολογήσει µια ταχεία αντίδραση . Η επιτροπή ελέγχου ανέλυσε τα στοιχεία που είχε και απέτυχε να προσδιορίσει την αιτία ταχείας αντίδρασης που ξαφνικά ζήτησε το σύστηµα ελέγχου. Εξ αιτίας της αργής εισόδου των ράβδων ελέγχου και της χαµηλής ροής του νερού, η θερµοκρασία αυξήθηκε. Οι ράβδοι ελέγχου κόλλησαν (εισήλθαν µόνο κατά το ένα τρίτο στον πυρήνα) και δεν κατάφεραν να σταµατήσουν τις πυρηνικές αντιδράσεις. Στις 1 23 47¨ η ισχύς έφτασε απότοµα στα 30 GW , δέκα φορές περισσότερο από το κανονικό, Οι ράβδοι του καυσίµου έλιωσαν και η πίεση του ατµού προκάλεσε έκρηξη καταστρέφοντας τον αντιδραστήρα και σκορπίζοντας τα ραδιενεργά υλικά στο περιβάλλον.»

Μετά την έκρηξη τα όργανα µέτρησης της δόσης ακτινοβολίας (δοσίµετρα ) είχαν καταστραφεί . H πραγµατική τιµή της ακτινοβολίας ήταν σε µερικά µέρη πάνω από 20.000 roentgen /h . (δόση πάνω από 500 roentgen σε 5 ώρες είναι θανατηφόρα). Το απόγευµα όταν έφτασε επιτροπή για να εξετάσει το ατύχηµα δύο άνθρωποι είχαν πεθάνει και πενήντα δύο µεταφέρθηκαν στο νοσοκοµείο. Δυστυχώς ήταν η αρχή των συνεπειών της καταστροφής. Για να περιορίσουν το µέγεθος τις καταστροφής έστειλα εργάτες να καθαρίσουν την περιοχή. Ο αντιδραστήρας αρχικά καλύφτηκε από σακιά µε άµµο και από ελικόπτερα έριξαν βορικό οξύ πάνω από 5000 τόνους στην εβδοµάδα που ακολούθησε το ατύχηµα. Εν τω µεταξύ 203 άνθρωποι µεταφέρθηκαν στα νοσοκοµεία απ΄ τους οποίους 31 πέθαναν από τη ραδιενεργό ακτινοβολία που δέχθηκαν . Από αυτούς οι περισσότεροι ήταν εργάτες καθαρισµού και διασώστες . 135 .000 άνθρωποι αναγκάστηκαν να µετακινηθούν από τη γύρω περιοχή. Οι υγειονοµικές αρχές δήλωσαν ότι για τα επόµενα 70 χρόνια θα αυξηθεί κατά 2% η ασθένεια του καρκίνου στον πληθυσµό που εξετέθη σε ραδιενεργό ακτινοβολία κατά το ατύχηµα. Φυσικά µολύνθηκαν και οι

Page 13: Physik Book 3

53

γειτονικές χώρες και κυρίως η Λευκορωσία που δέχθηκε περί το 60% της µόλυνσης. Ανάµεσα σε εκείνους που επλήγησαν από την καταστροφή ήταν και τα παιδιά . Ιατρικές µελέτες που ήρθαν στο φως ανέφεραν ότι µέχρι το 1995 από τις 700 περιπτώσεις καρκίνου του θυρεοειδούς µεταξύ παιδιών της περιοχής του Chernobyl σηµειώθηκαν δέκα θάνατοι και αυξήθηκε δραµατικά η συχνότητα εµφάνισης της νόσου. Κάτι ανάλογο συνέβη και µε τη Λευχαιµία και τις γενετικές ανωµαλίες που επίσης παρουσίασαν µεγάλη έξαρση στην περιοχή του ατυχήµατος.

H διεθνής επιτροπή πυρηνικής ενέργειας αναφέρει ότι στο πυρηνικό ατύχηµα του Chernobyl έχουµε 400 φορές περισσότερη ραδιενεργό ατύχηµα του Chernobyl έχουµε 400 φορές περισσότερη ραδιενεργό µόλυνση από εκείνη που επέφερε η ρίψη της βόµβας της Χιροσίµα. Η µόλυνση αυτή ήταν επίσης 100 µε 1000 φορές µικρότερη από αυτή που προκάλεσαν οι ατοµικές πυρηνικές δοκιµές στην ατµόσφαιρα. Τονίζουν ακόµη ότι αν και επρόκειτο για µια τοπική καταστροφή οι συνέπειές της ήταν παγκόσµιες. Σύµφωνα µε δηλώσεις Ρώσων πυρηνικών επιστηµόνων περί τα 28.000 km2 µολύνθηκαν µε Καίσιο-137 σε επίπεδο περισσότερο από 185 kBq/m2. Σ αυτή την περιοχή ζούσαν γύρω στους 830.000 ανθρώπους . Ακόµη κάπου 10.500 km2 µολύνθηκαν µε Καίσιο-137 σε επίπεδο 555 kBq/m2.

O αντιδραστήρας Νο 4 σφραγίστηκε µε µπετόν (Σαρκοφάγος) σε µια προσπάθεια να εγκλωβιστούν τα ραδιενεργά κατάλοιπα και να περιοριστεί η διαρροή στην ατµόσφαιρα και στο έδαφος. Η Ουκρανική κυβέρνηση συνέχισε να λειτουργεί τους τρεις αντιδραστήρες που απέµειναν για να καλύψει ενεργειακές ανάγκες . Το 1991 µια πυρκαγιά στον αντιδραστήρα Νο 2 ανάγκασε τις αρχές να διακόψουν τη λειτουργία του για επισκευή. Το 1996 µετά από συµφωνία της Ουκρανικής Κυβέρνησης και της Διεθνούς Επιτροπής Ατοµικής Ενέργειας σταµάτησε ο αντιδραστήρας Νο 1 και τέλος το

Page 14: Physik Book 3

54

Νοέµβριο του 2000 ο πρόεδρος της Ουκρανίας σε τελετή έκλεισε τον αντιδραστήρα Νο 3. Βέβαια η κατασκευή της σαρκοφάγου δεν είναι αποτελεσµατική ενέργεια για να περιορίσει τη µόλυνση και ενδεχόµενη κατάρρευσής της µπορεί να απελευθερώσει νέα ραδιενεργά νέφη. Περίπου 95% του πυρηνικού καυσίµου τη στιγµή του ατυχήµατος (περίπου 180 τόνοι) παραµένουν κάτω από το µπετόν και το νερό εξακολουθεί να διαρρέει και να µολύνει. Το Σεπτέµβριο του 2005 συγκεντρώθηκαν στοιχεία για την καταστροφή του Τσέρνοµπιλ (Ghernobyl) από τη διεθνή επιτροπή ατοµικής ενέργειας, τον παγκόσµιο οργανισµό υγείας, τα Ηνωµένα έθνη και τις κυβερνήσεις της Ουκρανίας, της Ρωσίας και της Λευκορωσίας . Στα στοιχεία αυτά αναφέρεται ότι ο αριθµός των θυµάτων του ατυχήµατος µέχρι τότε πλησιάζει τις 4000 ανθρώπους θύµατα της έκθεσής τους σε ραδιενεργό ακτινοβολία Συγκρίσεις µε άλλες µεγάλες καταστροφές εργοστασίων . Η καταστροφή του Chernobyl είναι η µεγαλύτερη στην ιστορία των πυρηνικών εργοστασίων. Αναφέρουµε ενδεικτικά ότι στις 3 Δεκεµβρίου του 1984 χηµικό εργοστάσιο της Union Carbite στην πόλη Bhopal της Ινδίας έπαθε βλάβη και διέρρευσαν 40 τόνοι τοξικού αερίου (Μεθυλο ισοκυάνιο). Αποτέλεσµα ήταν να πεθάνουν περισσότεροι από 2000 άνθρωποι στη γύρω περιοχή και να τραυµατιστούν πάνω από 150.000. Ακόµη πάνω από 12.000 θάνατοι αποδίδονται επίσηµα σε αιτίες που είχαν σχέση µε τη µόλυνση του περιβάλλοντος σ αυτό το ατύχηµα. Σε άλλη περίπτωση η κατάρρευση του φράγµατος του Banqiao στην Κίνα το 1975 σκότωσε περί του 171.000 ανθρώπους.

Οι ακτινοβολίες διακρίνονται σε ραδιενεργές α,β,γ , ακτινοβολίες νετρονίων καθώς επίσης και σε ηλεκτροµαγνητικές ακτινοβολίες υψηλής συχνότητας όπως οι ακτίνες Χ. Στους οργανισµούς µπορούν να προκαλέσουν ιονισµό σε συστατικά του κυττάρου και έτσι να διαταράξουν την οµαλή λειτουργία τους.

Ακτινοβολία χαρακτηριστικά Πάχος υλικού για

απορρόφηση

α Πυρήνες He++ Φύλλο

Page 15: Physik Book 3

55

χαρτιού 4 cm αέρας

β e- 3 mm Αλουµίνιο

γ Ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία

6 cm Μολύβδου 1 µέτρο Μπετόν

Ο ρυθµός διασπάσεων των ραδιενεργών πυρήνων χαρακτηρίζεται µε

τον όρο ¨ Ενεργότητα¨ και έχει µονάδα µέτρησης το 1 Becquerel .

(1 Bq = 1 διάσπαση /sec) Π.χ το Ουράνιο-238 έχει ειδική ενεργότητα 12400 Bq/gr. H ενεργότητα δεν µπορεί να µας δώσει στοιχεία για τα βιολογικά αποτελέσµατα της ραδιενεργού ακτινοβολίας . Μετρούνται οι απορροφούµενες ραδιενεργές δόσεις και εκφράζονται σε µονάδες ισοδύναµες των δόσεων. Η µονάδα Sievert (Sv) σχετίζεται µε τη µονάδα Rem µε τη σχέση 100rem=1 Sv. 1 Rad= 100 erg /gr 1 Gray= 100 rad= 10000 erg/gr Rem= rads x Q όπου Q είναι ένας παράγοντας µετατροπής των rads από διαφορετικούς τύπους ακτινοβολίας σε µια κοινή κλίµακα βιολογικών βλαβών. Curie : Ένα Curie είναι ίσο µε 3,7 1010 πυρηνικές διασπάσεις το δευτερόλεπτο . Η µονάδα αυτή αποτελεί µέτρο της ραδιενέργειας . Συµβολίζεται µε το Ci και έχει υποπολλαπλάσιες µονάδες( 1 Microcurie => 3,7 104 διασπάσεις /sec , 1 Picocurie=> 3,7 10-2

διασπ/sec ).

Δόση ακτινοβολίας 10Sv (1000 rem) προκαλεί θάνατο µέσα σε λίγες µέρες µετά την έκθεση σε ραδιενεργό ακτινοβολία. Σε δόσεις 4 Sv έως 6 Sv έχουµε πιθανότητα επιβίωσης 50% µέσα σε 4 εβδοµάδες και δόσεις 500Sv προκαλούν άµεσες βλάβες στον ανθρώπινο οργανισµό

Page 16: Physik Book 3

56

όπως στο αίµα αλλοιώσεις , στους οφθαλµούς καταρράκτη κ.α. Από το 2001 θεσπίστηκε ανώτατο όριο ραδιενεργού έκθεσης όσων εργάζονται σε χώρους µε ακτινοβολία και είναι τα 20 mSv το έτος. Για τον υπόλοιπο πληθυσµό δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 2,4 mSv. Η ιονίζουσα ακτινοβολία διαθέτει επαρκεί ενέργεια η οποία όταν εισέλθει σε ένα ουδέτερο µόριο µετατοπίζει ένα τουλάχιστον ηλεκτρόνιο ώστε να προκαλέσει τον ιονισµό του ουδέτερου µορίου .

Η βλάβη που προκαλεί η ακτινοβολία είναι αποτέλεσµα της δράσης της στα άτοµα που συνιστούν τα κύτταρα του οργανισµού . Αν η ακτινοβολία επιδράσει στα άτοµα των µορίων που συνιστούν το DNA τότε έχουµε άµεσα αποτελέσµατα . Αν ακόµη επηρεαστούν άτοµα των χρωµοσωµάτων , αλλοιώνεται το DNA των κυττάρων που περιέχει πληροφορίες σχετικά µε την αναπαραγωγή τους. Οι γενετικές επιπτώσεις µπορεί να αφορούν το ίδιο το άτοµο (σωµατικές µεταλλάξεις ) ή τις µελλοντικές γενιές (γεννητικές µεταλλάξεις ). Αν η έκθεση σε ακτινοβολία είναι σχετικά µικρή τότε η πιθανότητα αλληλεπίδρασης µε το DNA µορίων του κυττάρου είναι επίσης µικρή . Το µεγαλύτερο µέρος του κυττάρου αποτελείται από νερό και η επίδραση της ακτινοβολίας µε µόρια νερού έχει ως αποτέλεσµα το σπάσιµο των δεσµών που κρατούν τα άτοµα του νερού στο µόριό του και να προκύψουν ελεύθερες ρίζες Υδρογόνου και Υδροξυλίου ( Η+ , ΟΗ- ). Αυτές οι ρίζες µπορεί να συνδυαστούν µε άλλα ιόντα και να σχηµατίσουν ενώσεις . Υπάρχει όµως περίπτωση να σχηµατιστούν τοξικά προϊόντα όπως το Υπεροξείδιο του Υδρογόνου (Η2Ο2) και να οδηγήσουν το κύτταρο στην καταστροφή του. Δεν είναι όλα τα ζωντανά κύτταρα ενός οργανισµού στον ίδιο βαθµό ευαίσθητα στις ακτινοβολίες. Εκείνα τα κύτταρα που αναπαράγονται πιο ενεργά είναι περισσότερο ευαίσθητα από άλλα. Η ακτινοβολία µπορεί να οδηγήσει ένα ενεργό κύτταρο στο θάνατό του ή στην αλλοίωση των χαρακτηριστικών του. Μπορούµε να διακρίνουµε τα κύτταρα σχετικά µε το ρυθµό αναπαραγωγής τους σε περισσότερο ευαίσθητα στις ακτινοβολίες όπως για παράδειγµα τα Λεµφοκύτταρα του αίµατος και σε λιγότερο ευαίσθητα όπως τα νευρικά ή τα µυϊκά κύτταρα του σώµατος.

Page 17: Physik Book 3

57

Τα κύτταρα του σώµατός µας έχουν τροµερή ικανότητα αποκατάστασης των ζηµιών που προκαλεί η ακτινοβολία. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου τα κύτταρα είναι ικανά να αναπληρώσουν πλήρως τις βλάβες που έχουν υποστεί. Στις περιπτώσεις όµως, όπου οι αλλοιώσεις τους είναι πιο σοβαρές τα κύτταρα αυτά αποτελούν την απαρχή όγκων. Η ακτινοβολία µπορεί επίσης να οδηγήσει σε αναιµία. Προκαλεί βλάβη στο DNA των κυττάρων άµεση ή έµµεση µέσω τοξικών µικροµορίων που δηµιουργούνται από την ιοντίζουσα ακτινοβολία. Η ευαισθησία των οργάνων του σώµατος στην ακτινοβολία σχετίζεται µε την ευαισθησία των κυττάρων από τα οποία αποτελούνται. Τα κύτταρα του αίµατος θεωρούνται από τα πλέον ευαίσθητα και έχουν µεγάλο ρυθµό αναπαραγωγής. Τα όργανα επίσης που δηµιουργούν το αίµα παρουσιάζουν µεγάλη ευαισθησία στην ακτινοβολία. Πολύ σηµαντικό για τον οργανισµό µας είναι το ότι στα πλέον ευαίσθητα κυτταρικά συστήµατα ανήκουν και οι κακοήθεις κυτταρικοί όγκοι. Αν δεχθούν µια µικρή δόση ακτινοβολίας οι όγκοι αυτοί καταστρέφονται σε αντίθεση µε τα υγιή κύτταρα τα οποία έχουν την ικανότητα να ανακτήσουν την αρχική του µορφή. Μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας καταστρέφουν τα κύτταρα ενώ µικρές µπορεί να προκαλέσουν βλάβες σε µακρά περίοδο διάρκειας της ακτινοβολίας. Μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας µπορεί να δεχθεί το ανθρώπινο σώµα από έκρηξη πυρηνικών όπλων ή από εµφάνιση πυρηνικών ατυχηµάτων. Για τη πρώτη περίπτωση έχουµε τις καταστροφές στη Χιροσίµα και το Ναγκασάκι . Για τη δεύτερη περίπτωση έρχεται στο νου µας η καταστροφή του πυρηνικού αντιδραστήρα στο Τσερνόµπιλ. Αναφέρουµε επίσης την καταστροφή που έγινε στη Γκοϊάνια της Βραζιλίας το 1987. Κάτοικοι της περιοχής αυτής βρήκαν σε παλαιό κτίριο Νοσοκοµείου ένα µεταλλικό κουτί που περιείχε Καίσιο για ιατρικούς σκοπούς . Από άγνοια άνοιξαν το κουτί έτσι µολύνθηκε η περιοχή. ΄Οσοι ήρθαν σε άµεση επαφή πέθαναν ενώ αρκετοί άλλοι αρρώστησαν από την ακτινοβολία που δέχθηκαν . Παραθέτουµε έναν πίνακα που περιλαµβάνει κλίµακα δόσεων ακτινοβολίας µε τα αντίστοιχα αποτελέσµατα που προκαλεί στο ανθρώπινο σώµα. Δόσεις σε Rad Αποτελέσµατα που προκαλεί η ακτινοβολία

15-25 Επίδραση στο αίµα οµάδας ανθρώπων

Page 18: Physik Book 3

58

50 Επίδραση στο αίµα κάθε ανθρώπου 100 Πρόκληση εµµετού 150 Κατώφλι θανάτου

320-360 Θάνατος 50% σε 60 ηµέρες µε µικρή ιατρική φροντίδα

480-540 Θάνατος 50% σε 60 ηµέρες µε νοσηλεία σε νοσοκοµείο.

1100 Θάνατος ανάλογα µε την αντοχή του οργανισµού.

2000> Ο Θάνατος του οργανισµού είναι βέβαιος.

Η ακτινοβολία µπορεί να προκαλέσει στο ανθρώπινο σώµα και άλλα αποτελέσµατα . Αναφέρουµε πως το δέρµα µπορεί να παρουσιάσει ερεθισµό ή να συµβεί καταρράχτης στους οφθαλµούς αν η δόση είναι στα επίπεδα των 300 rad. Στα 500 rad έχουµε απώλεια µαλλιών και στα 1200 rad παρουσιάζονται φουσκάλες στο δέρµα. Ακόµη στα πρώτα στάδια εµφανίζεται ναυτία, εµετός και απώλεια όρεξης για φαγητό.

Εκείνη την ιστορική ηµέρα της 2ας Δεκεµβρίου του 1942 έγινε η πρώτη επιτυχής ελεγχόµενη πυρηνική αντίδραση. Κάτω από τις κερκίδες ενός γηπέδου του Πανεπιστηµίου του Σικάγου στήθηκε ένας µικρός πυρηνικός αντιδραστήρας . Χρησιµοποιήθηκαν µεγάλες στήλες γραφίτη και ανάµεσά τους σε ανοίγµατα τοποθετήθηκαν ράβδοι Ουρανίου. Σε άλλα ανοίγµατα τοποθετήθηκαν ράβδοι καδµίου για τον έλεγχο της αντίδρασης. Αν όλα συµφωνούσαν µε τη θεωρία

Page 19: Physik Book 3

59

θα έπρεπε µόλις οι ράβδοι εξέρχονταν από τις θέσεις τους να άρχιζε η αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση. Αργά τράβηξε ο Fermi τη µία µετά την άλλη τις ράβδους του καδµίου που φρέναραν την αντίδραση και τότε άρχισε η παραγωγή νετρονίων και η αλυσιδωτή σχάση των πυρήνων. Η ώρα ήταν 15 30 ΄ το απόγευµα στις 2 Δεκεµβρίου 1942. Ήταν µια ιστορική ηµέρα για την ανθρωπότητα που όµως επεφύλασσε και πολλά δεινά γι’ αυτήν. Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας στον κόσµο λειτούργησε µόνο µερικά λεπτά και κατόπιν οι ράβδοι του καδµίου ξανά τοποθετήθηκαν στις θέσεις τους και η αντίδραση σταµάτησε. ¨Όµως η σηµασία του γεγονότος αυτού ήταν τεράστια . Ήταν δυνατόν πλέον να εκµεταλλευτεί ο άνθρωπος την πυρηνική ενέργεια . Για την ιστορία πρέπει να αναφερθεί ότι στην πρώτη ελεγχόµενη πυρηνική αντίδραση της οµάδας Fermi χρησιµοποιήθηκαν 22.000 κοµµάτια οξειδίου του Ουρανίου και 800.000 λίβρες γραφίτη. Ο Fermi µετά το πείραµά του χρησιµοποίησε έναν κανόνα υπολογιστικό και βρήκε ότι τα αποτελέσµατα συµφωνούσαν µε αυτό που ανέµενε.

«Στις 2 Δεκεµβρίου του 1942 ο άνθρωπος κατόρθωσε εδώ να κάνει την πρώτη αυτοσυντηρούµενη αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση και έτσι άρχισε η ελεγχόµενη απελευθέρωση της πυρηνικής ενέργειας.» Η πινακίδα αυτή τοποθετήθηκε στον τοίχο του γηπέδου του Πανεπιστηµίου του Σικάγου στη θέση του πρώτου στον κόσµο πυρηνικού αντιδραστήρα .

Page 20: Physik Book 3

60

Η οµάδα των φυσικών του Fermi που πραγµατοποίησε την πρώτη αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση . Διακρίνονται στην πρώτη σειρά από τα αριστερά ο Fermi και δεύτερος από τα δεξιά ο Szilard. Ο Ούγγρος Φυσικός Ευγένιος Βίνγκερ (Eugene Winger) που ήταν µαζί του έφερε χάρτινα ποτήρια και ένα µπουκάλι Chianti για να γιορτάσουν την αρχή της πυρηνικής εποχής. Ο διευθυντής του εργαστηρίου Άρθρουρ Κόµπτον (Arthur Compton) τηλεφώνησε τα νέα µε συνθηµατικές φράσεις . Πήρε στο τηλέφωνο το πρόεδρο του Πανεπιστηµίου του Harvard , Τζέϊµς Κόναντ (James Conant) , που ήταν επικεφαλής του εθνικού συµβουλίου έρευνας για αµυντικούς σκοπούς , και του είπε : «Ο Ιταλός θαλασσοπόρος έχει µόλις φτάσει στο νέο Κόσµο» . Σε απάντηση του Conant αν αυτό είναι αλήθεια , συµπλήρωσε : « Ήρθε χαρούµενος και ασφαλής».

Πως αποφασίστηκε η κατασκευή της ατοµικής βόµβας και ποιοι αποφάσισαν να τη χρησιµοποιήσουν και να καταστρέψουν τη Χιροσίµα και το Ναγκασάκι στην Ιαπωνία.

Leo Szilard (1898-1964)

Page 21: Physik Book 3

61

Μετά από έξη σχεδόν µήνες από τότε που ανακαλύφτηκε η σχάση του Ουρανίου άρχισε να γίνεται στον τύπο των ΗΠΑ συζήτηση σχετική µε τις προοπτικές που ανοίγονταν για τη χρήση της ατοµικής ενέργειας. Εκείνο τον 73 καιρό δεν υπήρχαν ακόµη σχέδια αξιοποίησης της ατοµικής ενέργειας ,ωστόσο κάποιοι επιστήµονες είχαν αρχίσει να ανησυχούν για τη δυνατότητα κατασκευής ατοµικών όπλων από τη ναζιστική Γερµανία . Ο Λεό Ζίλαρντ (1898-1964) ήταν Ούγγρος, εβραϊκής καταγωγής Φυσικός ,που το 1942 εργάστηκε στις ΗΠΑ στο πρόγραµµα Μανχάταν που οδήγησε στην κατασκευή της ατοµικής Βόµβας. Ο Ζίλαρντ γνωρίζοντας τις δυνατότητες εκµετάλλευσης της πυρηνικής ενέργειας για στρατιωτικούς σκοπούς από τη Γερµανία , προσπάθησε να κινητοποιήσει την κυβέρνηση των ΗΠΑ στην κατεύθυνση ενός προγράµµατος ατοµικής ενέργειας. Για να το επιτύχει επηρέασε τον Einstein ο οποίος πείσθηκε για την ανάγκη να εργαστούν στις ΗΠΑ και να εκµεταλλευτούν πριν από τους Γερµανούς τις δυνατότητες που προσέφερε η σχάση του πυρήνα του ατόµου. Το καλοκαίρι του 1939 έγραψε µαζί µε τον Άϊνστάϊν ένα γράµµα στον πρόεδρο Ρούσβελτ . Σ’ αυτό το γράµµα εξηγούσαν στον πρόεδρο την ανάγκη µιας προσπάθειας στην Αµερική που θα οδηγούσε στην κατασκευή ατοµικών όπλων . Η αρχή του ιστορικού εκείνου δισέλιδου γράµµατος έχει ως εξής : Albert Einstein Old Grove Rd. Nassau Point Peconic, Long Island August 2nd 1939 F.D. Roosevelt President of the United States White House Washington, D.C. Sir: Some recent work by E.Fermi and L. Szilard, which has been com- municated to me in manuscript, leads me to expect that the element uran- ium may be turned into a new and important source of energy in the im-

Page 22: Physik Book 3

62

mediate future. . . . .

Σε πλήρη µετάφραση : « Πρόσφατες εργασίες των , Ερρίκου Φέρµι και Λεό Ζίλαρντ (E.Fermi και L. Szilard) που κοινοποιήθηκαν σε µένα χειρόγραφα µε οδηγούν στο συµπέρασµα ότι το στοιχείο ουράνιο µπορεί να αποτελέσει µια σηµαντική πηγή ενέργειας στο προσεχές µέλλον. Επιβεβαιωµένες απόψεις αυτού του θέµατος που έχει προκύψει πρέπει να προκαλέσουν εγρήγορση της διοίκησης. Πιστεύω πως είναι χρέος µου να επιστήσω την προσοχή σας στα ακόλουθα 3γεγονότα. Τους τελευταίους τέσσαρες µήνες έχει καταστεί δυνατόν , µε την εργασία του Joliot στη Γαλλία αλλά και των Fermi και Szilard στην Αµερική , ότι µπορεί να γίνει δυνατή η αλυσιδωτή πυρηνική αντίδραση σε µεγάλη µάζα ουρανίου από την οποία να προκύψει τεράστια ποσότητα ενέργειας και νέα ραδιενεργά στοιχεία . Αυτό τώρα φαίνεται κατορθωτό στο άµεσο µέλλον. Το νέο αυτό φαινόµενο θα µπορούσε να οδηγήσει στην κατασκευή µεγάλης ισχύος βοµβών νέου τύπου . Μια βόµβα αυτού του νέου τύπου µεταφερόµενη µε πλοίο µπορεί να εκραγεί σε ένα λιµάνι και να προκαλέσει την καταστροφή του καθώς και της γύρω περιοχής.

3 Ο Ιούλιος Ρόµπερτ Οππενχάϊµερ γεννήθηκε στη Νέα Υόρκη στις 22 Απριλίου 1904.Φοίτησε στο πανεπιστήµιο του Harvard στη Μασσαχουσέτη των ΗΠΑ το 1922 , στο Cambridge της Αγγλίας το 1925 και στο Gottingen της Γερµανίας το 1926 κοντά στον Max Born,όπου έλαβε το διδακτορικό του στη Θεωρητική Φυσική ,σε ηλικία 22 ετών.

O Einstein και ο Szilard µε το γράµµα που εστάλη στον τότε Πρόεδρο Roosevelt.

Page 23: Physik Book 3

63

Τέτοιες βόµβες όµως πρέπει πρώτα να δοκιµαστούν πολύ καλά ώστε να είναι δυνατόν να µεταφερθούν και αεροπορικώς». -2η σελίδα - « Οι ΗΠΑ έχουν πολύ φτωχά πετρώµατα ουρανίου και σε µέτριες ποσότητες. Υπάρχουν µερικά καλά πετρώµατα στον Καναδά αλλά και στην πρώην Τσεχοσλοβακία . Τα πιο σηµαντικά πετρώµατα ουρανίου όµως ευρίσκονται στο Βελγικό Κογκό. Από αυτή τη άποψη πιστεύω πως πρέπει να έχουµε συνεχή επαφή µε την οµάδα των Φυσικών που εργάζεται στην Αµερική πάνω στις αλυσιδωτές πυρηνικές αντιδράσεις. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να ορίσετε ένα πρόσωπο της εµπιστοσύνης σας το οποίο θα χειριστεί το ακόλουθο έργο : α/ Την προσέγγιση κυβερνητικών τµηµάτων που θα διευκολύνουν το έργο του ασφαλούς εφοδιασµού των πετρωµάτων ουρανίου για τις ΗΠΑ. β/ Θα επιταχύνουν την πειραµατική εργασία η οποία προς το παρών χρηµατοδοτείται από πανεπιστηµιακά εργαστήρια . Τα χρήµατα µπορούν να εξευρεθούν από ιδιωτικές πηγές και από εθελοντικές εισφορές . Μπορεί επίσης να γίνει συνεργασία µε βιοµηχανικά εργαστήρια για την παραγωγή των απαραίτητων υλικών». Γνωρίζω πως η Γερµανία έχει ήδη σταµατήσει τις πωλήσεις ουρανίου από την Τσεχοσλοβακία την οποία κατέχει. Θα µπορούσε ίσως να βοηθήσει στην επανάληψη των πωλήσεων ο βοηθός γραµµατέας , von Weizsacker που συνδέεται µε το ινστιτούτο Kaiser- Wilhelm στο Βερολίνο όπου εργάζονται µερικοί Αµερικανοί στον τοµέα του Ουρανίου. Ειλικρινώς δικός σας .-Υπογραφή Albert Einstein . »

Robert Oppenheimer 1904-1967

Page 24: Physik Book 3

64

Το σχέδιο Μανχάτταν (Manhattan) : Μια γιγαντιαία επιχείρηση που οδήγησε στην κατασκευή της ατοµικής βόµβας. Τον Ιούνιο του 1942 ο τότε πρόεδρος των ΗΠΑ Ρούσβελτ έφερε το σχέδιο κατασκευής της ατοµικής βόµβας στο τµήµα πολέµου του υπουργείου στρατιωτικών. Για να αποκρύψουν αυτό το υψηλής µυστικότητας σχέδιο του έδωσαν το όνοµα –Project Manhattan- και δηµιούργησαν ένα σώµα µηχανικών µε έδρα τη Νέα Υόρκη. Μετά από τρεις µήνες διορίστηκε επικεφαλής του σχεδίου Manhattan o στρατηγός Leslie Groves.Έργο του Groves ήταν να οργανώσει µια γιγαντιαία επιχείρηση διαχωρισµού µικρών ποσοτήτων ουρανίου και πλουτωνίου που ήταν απαραίτητες για την κατασκευή της ατοµικής βόµβας. Αυτή η επιχείρηση στο απόγειό της τα µέσα του 1944 απασχολούσε πάνω από 130.000 επιστήµονες και τεχνικούς. Στο τέλος του 1942 ο Στρατηγός Groves επέλεξε τον Robert Oppenheimer να ηγηθεί ενός νέου εργαστηρίου που θα είχε σαν σκοπό το σχεδιασµό της ατοµικής βόµβας. Αυτό το εργαστήριο ο Oppenheimer το εγκατέστησε στο Los Alamos του Νέου Μεξικού και το πλαισίωσε µε φηµισµένους φυσικούς όπως ο Fermi που εργάστηκαν εκεί σε πλήρη µυστικότητα . Στο Los Alamos λειτούργησε το εργαστήριο τα τελευταία δύο χρόνια του πολέµου και σχεδίασε δύο τύπους βοµβών . τη βόµβα Ουρανίου που έπεσε στη Χιροσίµα και τη βόµβα πλουτωνίου στο Ναγκασάκι.

Η περιοχή που αποφασίστηκε να δοκιµαστεί η βόµβα πλουτωνίου (Fat man) είναι µια έκταση στο µέσο της ερήµου κοντά στο Αλαµογκόρντο του Νέου Μεξικού .Στην έκταση αυτή µε διαστάσεις 60 χ 40 µίλια κατά µία εκδοχή ο Oppenheimer έδωσε την κωδική ονοµασία «Trinity» . Η περιοχή θεωρήθηκε κατάλληλη για να δηµιουργηθεί πεδίο δοκιµών των ατοµικών όπλων. Στις 16 Ιουλίου του 1945 , 5:29:45 το πρωϊ έγινε εκεί η πρώτη πυρηνική δοκιµή . Η έκρηξη δηµιούργησε κρατήρα διαµέτρου µισού µιλίου και η θερµότητα µετέτρεψε την άµµο της ερήµου σε γυαλί. Ο µόνος συγγραφέας που βρέθηκε κοντά στην έκρηξη ήταν ο William Laurence , o οποίος έγραψε ότι ήταν σαν να βρέθηκε στην αρχή της δηµιουργίας του κόσµου όταν ο Θεός είπε «Γεννηθήτω το φως» Ο Μηχανισµός της έκρηξης µε το όνοµα “gadget” συναρµολογήθηκε λίγα µίλια µακρύτερα από τη θέση της έκρηξης ,

Page 25: Physik Book 3

65

στο « Mc Donald Ranch » µια περιοχή που είναι επισκέψιµη δύο φορές το χρόνο, το πρώτο Σάββατο του Απριλίου και του Οκτωβρίου. Αιτία των αραιών επισκέψεων είναι η προστασία των επισκεπτών από την ακτινοβολία που ακόµα παραµένει στην περιοχή. Η δοκιµή στο Trinity είχε επιτυχία. Επρόκειτο για µια ποσότητα 6 Kgr Πλουτωνίου συµπιεσµένου σε υπερκρίσιµη κατάσταση και η ισχύς που απελευθερώθηκε από την έκρηξη ήταν ισοδύναµη µε εκείνη που θα προκαλούσαν 20 χιλιάδες τόνοι ΤΝΤ αν είχαν εκραγεί. Ο Enrico Fermi που παρακολουθούσε την έκρηξη αυτή από απόσταση 10 µιλίων , αναφέρει : « Η έκρηξη έγινε στις 5 30΄ το πρωΐ . Προστάτευα το πρόσωπό µου µε ένα κάλυµµα µε γυαλί µπροστά. Η πρώτη µου εντύπωση για την έκρηξη ήταν µια έντονη λάµψη φωτός και µια αίσθηση θερµότητας στα ακάλυπτα µέρη του σώµατος. Παρόλο που δεν κοιτούσα κατευθείαν προς το σηµείο της έκρηξης είχαν την εντύπωση ότι ξαφνικά η περιοχή έγινε λαµπρότερη . Όταν κοίταξα προς την κατεύθυνση της έκρηξης µέσα από τα σκοτεινά γυαλιά που φορούσα διέκρινα µια συσσώρευση από φλόγες που ανέβαιναν προς τα πάνω. Μετά από µερικά δευτερόλεπτα οι φλόγες έχασαν τη λαµπρότητά τους και σχηµατίστηκε µια κολόνα καπνού µε µια εκτεινόµενη κεφαλή σαν ένα γιγάντιο µανιτάρι που γρήγορα κοκκίνισε πέρα από τα σύννεφα κάπου στα 30 χιλιάδες πόδια (περίπου 10 Km) . Αφού ο καπνός έφτασε στο µέγιστο ύψος σταθεροποιήθηκε πριν ο αέρας τον διασκορπίσει. Μετά από περίπου 40 δευτερόλεπτα από την έκρηξη ο αέρας έφτασε στο µέρος µου. Θέλησα να εκτιµήσω τη δύναµή του και άφησα να πέσουν έξη χαρτάκια να τα παρασύρει ο αέρας . Τα χαρτάκια αυτά πήγαν περίπου δυόµισυ µέτρα µακρυά µου και από αυτό εκτίµησα ότι η ισχύς της έκρηξης ήταν περίπου ίση µε δέκα χιλιάδες τόνους ΤΝΤ.»

Η περιοχή Trinity περιφραγµένη και προστατευµένη από επισκέψεις σήµερα

Page 26: Physik Book 3

66

O τότε πρόεδρος των ΗΠΑ Τρούµαν ανέβαλε τη συνάντηση κορυφής στο Πότσδαµ της υπό κατοχή τότε Γερµανίας προκειµένου να γίνει η πυρηνική δοκιµή και να την ανακοινώσει στον πρόεδρο της τότε Σοβιετικής Ένωσης , Στάλιν. Η Διάσκεψη αυτή έγινε τελικά στις 24 Ιουλίου 1945 και ο ίδιος ο Τρούµαν περιγράφει τη σκηνή της ανακοίνωσης του νέου ατοµικού όπλου στον Στάλιν υπό τα βλέµµατα του πρωθυπουργού της Βρετανίας Τσώρτσιλ. Γράφει ο Τρούµαν στις σηµειώσεις του: « Στις 24 Ιουλίου µε την ευκαιρία της συνάντησης είπα στον Στάλιν ότι εµείς είχαµε ένα νέο όπλο ασυνήθιστης καταστρεπτικής δύναµης. Ο Ρώσος πρόεδρος φάνηκε να µη δείχνει ιδιαίτερο ενδιαφέρον . Είπε µόνο ότι χάρηκε που το άκουσε και ήλπιζε ότι εµείς θα κάναµε καλή χρήση εναντίον της Ιαπωνίας» Ο Τσώρτσιλ από την πλευρά του γράφει στο βιβλίο του µε τον τίτλο «Θρίαµβος και τραγωδία» , τα εξής : « Εγώ βρισκόµουν πέντε γυάρδες µακριά και παρακολουθούσα µε προσοχή τη συνοµιλία Ο Στάλιν φάνηκε να δείχνει ευχαριστηµένος µε όσα άκουγε. Αργότερα όταν περιµέναµε τα αυτοκίνητά µας πλησίασα τον Τρούµαν και του είπα –Πως πήγε; «Δεν έκανε καµιά ερώτηση», απάντησε.

.

Page 27: Physik Book 3

67

Στις 25 Ιουλίου 1945 ο τότε πρόεδρος των ΗΠΑ Τρούµαν σηµειώνει στο ηµερολόγιό του : « Έχουµε ανακαλύψει το πιο τροµερό όπλο στην ιστορία της ανθρωπότητας. Ίσως είναι κάτι ανάλογο µε τη φωτιά που προκάλεσε τη βιβλική καταστροφή στην κοιλάδα του Ευφράτη την εποχή του Νώε και της µυθικής κιβωτού. Έχουµε βρει τον τρόπο να διασπάσουµε το άτοµο. Το πείραµα στο Νέο Μεξικό ήταν καταπληκτικό. Δεκατρείς λίµπρες εκρηκτικού προκάλεσαν ολοκληρωτική διάλυση ενός χαλύβδινου πύργου ύψους 60 ποδιών , δηµιούργησαν κρατήρα βάθους 6 ποδιών µε 1200 πόδια διάµετρο. Η έκρηξη έγινε ορατή 200 µίλια µακριά. Αυτό το όπλο πρέπει να χρησιµοποιηθεί εναντίον της Ιαπωνίας µέχρι τις 10 Αυγούστου. Έχω πει στο γραµµατέα Στίµσον ότι πρέπει να χρησιµοποιηθεί εναντίον στρατιωτικών στόχων και όχι εναντίων αµάχων. Ο στόχος πρέπει να είναι καθαρά στρατιωτικός και πρέπει να προηγηθεί προειδοποίηση.» και καταλήγει ο πρόεδρος Τρούµαν «Είναι βέβαια καλό πράγµα για την ανθρωπότητα το γεγονός ότι ούτε ο Χίτλερ , ούτε ο Στάλιν κατάφεραν να ανακαλύψουν την ατοµική βόµβα. Φαίνεται ότι είναι το πιο τροµερό πράγµα που έχει ανακαλυφθεί , αλλά µπορεί να γίνει πολύ χρήσιµο.». Παρά το γεγονός ότι η απόφαση είχε ληφθεί υπήρχαν αντιδράσεις επιστηµόνων που µετείχαν στο πρόγραµµα Μανχάταν αλλά δεν ήθελαν να χρησιµοποιηθεί η ατοµική βόµβα εναντίον πόλεων της Ιαπωνίας. Ένας από αυτούς ήταν και ο Ζίλαρντ που στις 17 Ιουλίου του 1945 έστειλε στον πρόεδρο των ΗΠΑ Χάρυ Τρούµαν αναφορά που την υπέγραφαν επίσης 60 επιστήµονες του εργαστηρίου µεταλλουργικής του πανεπιστηµίου του Σικάγου. Σ΄ αυτή την αναφορά οι εβδοµήντα επιστήµονες που εργάζονταν για το σχέδιο Μανχάτταν επεσήµαιναν στον πρόεδρο Τρούµαν (Truman) τις ηθικές κυρίως ευθύνες και όχι µόνο τη σκοπιµότητα της απόφασης χρησιµοποίησης της ατοµικής βόµβας.

Page 28: Physik Book 3

68

H Χιροσίµα 40 χρόνια µετά την καταστροφή της είναι µια σύγχρονη πόλη 1 εκ. κατοίκ H 6η Αυγούστου 1945 είναι µια µέρα που στην παγκόσµια ιστορία θυµίζει τον όλεθρο που προκάλεσε στην Χιροσίµα η πρώτη ατοµική βόµβα . Σήµερα είναι γνωστό πως ο τότε πρόεδρος των ΗΠΑ Χάρυ Τρούµαν στις 30 Ιουλίου 1945 έδωσε την τελική του απόφαση για τη ρίψη της βόµβας στην Ιαπωνία. Η απόφαση δόθηκε µετά την

H Χιροσίµα αµέσως µετά την καταστροφή που προκάλεσε η ατοµική βόµβα της 6 Αυγούστου 1945.

Page 29: Physik Book 3

69

απόρριψη της διακήρυξης του Πότσδαµ µε την οποία οι σύµµαχοι ζητούσαν την παράδοση της Ιαπωνίας . Η βόµβα που είχε την κωδική ονοµασία «Little Boy» µεταφέρθηκε µε ένα αεροπλάνο τύπου Β-59 που έφερε το όνοµα « Enola Gay» και είχε κυβερνήτη τον P.W. Tibbets. H βόµβα αφέθηκε πάνω από την πόλη της Χιροσίµα στις 8. 15΄ το πρωΐ . Η έκρηξη ακολούθησε 43 sec µετά την ρίψη της σε ύψος περίπου 600 µέτρων πάνω από το έδαφος σε απόσταση µόλις 200 µέτρα µακριά από τον στόχο που ήταν µια γέφυρα του ποταµού που διέσχιζε την πόλη. Αµέσως ακολούθησε στο σηµείο της έκρηξης θερµοκρασία που για ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου έφτασε τα 100 εκ βαθµούς και η πίεση του αέρα το ένα εκατοµµύριο ατµόσφαιρες.

Το φως και θερµότητα ήταν απίστευτα έντονα και οι άνθρωποι που βρέθηκαν σε

Το φως και θερµότητα ήταν απίστευτα έντονα και οι άνθρωποι που βρέθηκαν σε ακτίνα ενός χιλιοµέτρου από το σηµείο της έκρηξης αφανίστηκαν και σε πολλές περιπτώσεις έµεινε η σκιά τους στην άσφαλτο. Ο αέρας κατά κύµατα πίεσης σάρωσε τις οικοδοµές και ισχυρή ραδιενεργός βροχή άρχισε να πέφτει πάνω από την κατεστραµµένη πόλη. Μια επιφάνεια περί τα 40 τετραγωνικά χιλιόµετρα αφανίστηκε ολοκληρωτικά . Το 70% των κτιρίων κατέρρευσαν ή έπαθαν σοβαρές ζηµιές . Από τους 350 χιλ κατοίκους που είχε η πόλη εκείνο το πρωΐ 65 χιλ σκοτώθηκαν άµεσα , 70 χιλ τραυµατίστηκαν σοβαρά και από αυτούς τις επόµενες µέρες πέθαναν 15 χιλ . Κατά τους Ιάπωνες αυτοί που επέζησαν αν είχαν δεχθεί δόση ραδιενεργού ακτινοβολίας περί τα 200 Roentgen , ασθένησαν σοβαρά και πέθαναν αργότερα σε Νοσοκοµεία.

Μνηµείο της καταστροφής στη Xirosima.

Page 30: Physik Book 3

70

Υπολογίζεται ότι η βόµβα είχε ισχύ ισοδύναµη µε 20 χιλ ΤΝΤ και απελευθερώθηκε µε τη σχάση µάζας Ουρανίου -235 λίγο περισσότερης από ένα Kgr. Αξίζει να παραθέσουµε µερικούς υπολογισµούς συγκρίνοντας την ύλη ΤΝΤ και την πυρηνική σχάση του Ουρανίου -235. 1 γραµµάριο ΤΝΤ (Τρινιτροτολουόλιο) ελευθερώνει ενέργεια κατά τη έκρηξή του ίση περίπου µε 1 Kilokalorie. 20 χιλ τόνοι TΝΤ ελευθερώνουν 2.1010 Kilokalorie ή 8.1020

erg. Από την σχέση του Einstein Ε=m.c2 που εκφράζει την ισοδυναµία µάζας και ενέργειας όπου η ταχύτητα του φωτός ( σε cm/sec) στο τετράγωνο είναι : c2= 9. 1020 m2/sec2 , έχουµε την ίδια ενέργεια από ισοδύναµη µάζα Ουρανίου περί το ένα gr .

Φωτογραφία της ατοµικής βόµβας της Χιροσίµα.

Η βόµβα Πλουτωνίου σκό- τωσε άµεσα 40 χιλ και τραυµάτισε σοβαρά άλλες 25 χιλ κατοίκους. Οι καταστροφές ήταν µικρότερες από τη Χιροσίµα και λόγω της διαµόρφωσης του εδάφους που δεν προκάλεσε κύµατα ανάκλασης . Το 40% των κτιρίων καταστράφηκε.

Page 31: Physik Book 3

71

Πρότυπο της βόµβας του Ναγκασάκι.

Xαρακτηριστικά της βόµβας :

Η βόµβα του Ναγκασάκι είχε µήκος 2,34 m και διάµετρο 1,52 m. Είχε βάρος 4630 Κgr και µέγεθος σχεδόν διπλάσιο από την Βόµβα της Χιροσίµα. Η έκρηξη έγινε σε ύψος 550 m πάνω από το έδαφος και ήταν ισοδύναµη µε την έκρηξη 21 χιλ τόνων ΤΝΤ. Η βόµβα αυτή είχε την κωδική ονοµασία «Fat Man» και περιείχε Πλουτώνιο που ήταν τοποθετηµένο στο κέντρο της σε υποκρίσιµη κατάσταση. Ένα αριθµός πυροκροτητών είχε τοποθετηθεί γύρω από τη µάζα του Πλουτωνίου ώστε µετά την έκρηξή τους να προκαλέσει µε πίεση κρίσιµη κατάσταση στο Πλουτώνιο. Αρχικά θεώρησαν ότι θα µπορούσε να βληθούν δύο κοµµάτια υποκρίσιµης κατάστασης ώστε να πλησιάσουν και να έχουµε πυρηνική έκρηξη . Η µέθοδος αυτή χρησιµοποιήθηκε στη βόµβα της Χιροσίµα.