Atoombom energie
Nils stelde deze vraag op 04 oktober 2018 om 12:45.Graag wil ik hier de vraag stellen waar de energie is, of wat de energiedragers zijn, aan het einde van een kernexplosie.
Een atoombom ontploft op het moment dat er een zogenaamde subkritische massa van uranium wordt samengeperst tot een superkritische massa. Op het moment van samenpersen gaat er een kettingreactie af van kernsplijtingen. Deze kettingreactie stopt zodra de klomp uranium uitzet als gevolg van warmteontwikkeling en weer een subkritische massa wordt. Zie Wikipedia: https://nl.wikipedia.org/wiki/Kernwapen .
Op het einde van de kettingreactie, wanneer de superkritische massa overgaat in een subkritische massa, heeft de klomp uranium dus weer zijn oude volume terug van voor het samenpersen. Dit volume komt dus overeen met het metaal in koude toestand (ongeveer drie liter bij 60kg). Ik zie niet in dat deze klomp in die toestand zoveel kinetische energie heeft om een geweldige ontploffing te veroorzaken. En mocht er wel zoveel kinetische energie zijn, wat maakt dan de ontploffing? Wat zet er uit? Is dat het uitzetten van die ca. drie liter uranium? Of is dat, gebakken, lucht? (Grapje;-)
Kortom, waar is de energie van de kettingreactie als die zo geweldig groot is? Kan dat wel in het uranium zitten bij een volume van drie liter?
Als die energie zich niet uit in de vorm van kinetische energie maar in de vorm van straling, waarom zou die straling een ontploffing tot gevolg hebben? Wat ontploft er dan?
Reacties
Theo de Klerk
op
04 oktober 2018 om 13:13
De vrijkomende energie wordt verder niet meer significant door uranium gebruikt. Het geeft het af door splijting (het is daarna dus geen uranium meer) in de vorm van straling (gamma-gebied) die deels door omliggende materie wordt geabsorbeerd die daardoor heel heet wordt, uitzet en schokgolven veroorzaakt. Deels zal die materie ook ontleden en later allicht weer in andere samenstelling verbinden.
Het zijn vooral de schokgolven, de hitte en de doorgaande gammastraling die de atoombom gevaarlijk maken. Schokgolven en hitte vernielen direct, gammastraling beinvloed alles op zijn weg - indien in mensen opgenomen veroorzaakt het dichtbij (grote intensiteit) verbranding en dood eop grotere afstand grote beschadigingen van het weefsel (stralingsziekte, kanker) die vrij snel of pas na jaren dodelijk blijkt te zijn.
Aanvulling: de bijlage geeft een beschrijving van hoe een atoombom in grote lijn werkt en welke natuurkundige principes daaraan ten grondslag liggen. De rest van dit topic is een welles-nietes verhaal geworden tussen "gelovigen" en "ongelovigen" in het bestaan van de atoombom. Het moge duidelijk zijn dat de bijlage van een "gelovige" is.
Het zijn vooral de schokgolven, de hitte en de doorgaande gammastraling die de atoombom gevaarlijk maken. Schokgolven en hitte vernielen direct, gammastraling beinvloed alles op zijn weg - indien in mensen opgenomen veroorzaakt het dichtbij (grote intensiteit) verbranding en dood eop grotere afstand grote beschadigingen van het weefsel (stralingsziekte, kanker) die vrij snel of pas na jaren dodelijk blijkt te zijn.
Aanvulling: de bijlage geeft een beschrijving van hoe een atoombom in grote lijn werkt en welke natuurkundige principes daaraan ten grondslag liggen. De rest van dit topic is een welles-nietes verhaal geworden tussen "gelovigen" en "ongelovigen" in het bestaan van de atoombom. Het moge duidelijk zijn dat de bijlage van een "gelovige" is.
Bijlagen:
Nils
op
05 oktober 2018 om 12:23
Theo. Inderdaad, uranium heeft een warmtecapaciteit van 0,12 joule per graad celcius per gram. Het kookpunt van uranium is 3900 graden celcius. Een snelle rekensom leert dat de massa uranium in een atoombom, ca. 60kg, slechts een beperkte hoeveelheid energie kan absorberen, circa 8kwh (dat is twee euro stroom).
De vrijgekomen energie moet dus wel zijn ontsnapt in de vorm van straling. Maar nu komt het probleem: wat veroorzaakt dan de ontploffing en wat ontploft, ofwel welke materie zet uit?
Wat wij van zonnestraling weten is dat het lucht niet direct verwarmt. Pas als zonnestraling het aardoppervlak raakt ontstaat er warmte. Waarom zou dit niet gelden voor de straling van een atoombom? Waarom zou de straling van een atoombom al na enkele meters gevangen worden door haar omgeving en overgaan in warmte (kinetische energie)? Hoe anders ontstaat er een ontploffing?
Let wel, het gaat hier specifiek over de werking van een atoombom waarbij de overgang superkritische naar subkritische massa cruciaal is. Bij kernreacties in de zon speelt dit niet; de hoge druk kan het uranium continue bij elkaar houden waardoor er alleen straling ontsnapt.
De vrijgekomen energie moet dus wel zijn ontsnapt in de vorm van straling. Maar nu komt het probleem: wat veroorzaakt dan de ontploffing en wat ontploft, ofwel welke materie zet uit?
Wat wij van zonnestraling weten is dat het lucht niet direct verwarmt. Pas als zonnestraling het aardoppervlak raakt ontstaat er warmte. Waarom zou dit niet gelden voor de straling van een atoombom? Waarom zou de straling van een atoombom al na enkele meters gevangen worden door haar omgeving en overgaan in warmte (kinetische energie)? Hoe anders ontstaat er een ontploffing?
Let wel, het gaat hier specifiek over de werking van een atoombom waarbij de overgang superkritische naar subkritische massa cruciaal is. Bij kernreacties in de zon speelt dit niet; de hoge druk kan het uranium continue bij elkaar houden waardoor er alleen straling ontsnapt.
Theo de Klerk
op
05 oktober 2018 om 16:40
warmtecapaciteit en kookpunt van uranium zijn in deze situatie totaal irrelevant. Na de splijting is het geen uranium meer - alleen vervalproducten plus een enorme hoeveelheid energie in de vorm van straling (E= mc2) die hier ongecontroleerd vrijkomt en in een kerncentrale (die op hetzelfde principe is gebaseerd) als het goed werkt wel onder controle is.
De energie die plotseling vrijkomt doet de lokale omgeving enorm oververhitten (gasdeeltjes krijgen grote snelheid en bouwen grote druk op, verpakking zet door hitte enorm uit en scheurt) en zoals elk te heet wordende verpakking knalt die dan door de opgebouwde druk uit elkaar. In dat opzicht een zelfde idee als bij een gewone bom - alleen komt hier miljoenen malen meer energie vrij dan een ordinaire bom (die via chemische reactie energie vrijmaakt en niet via kernsplijting).
Dus wat veroorzaakt de ontploffing? De ontstane hitte door vrijgekomen energie.
Welke materie zet uit? Alles. Maar vooral het gas zal (zie gaswet) enorm uitzetten en de drukgolf veroorzaken.
Straling geeft zijn energie het beste af aan beschenen oppervlakken. Maar dat zegt niet dat een bestraald gas geen energie (warmte) opneemt. Het Compton-effect geeft aan hoe elektronen (die in elk gas zitten) afbuigen als een foton erop botst - alsof het twee biljardballen zijn die opelkaar botsen. Gammastraling die op atomen botst duwen die atomen ook in andere richtingen, verliezen wat energie erbij en gaan verder. Dat gebeurt in de zon ook: in het centrum komt door fusie veel energie vrij (gamma) en naar mate de fotonen naar de rand komen, verliezen ze door de vele botsingen telkens een beetje energie. (Feitelijk wordt het hele foton geabsorbeerd, maar stoot een deeltje een nieuw foton met minder energie weer uit). Het kan 100 000 jaar duren voor zo'n foton uit het centrum van de zon eindelijk aan het oppervlak is. Daarna nog 8 minuten naar de aarde. En dan is van het oorspronkelijke gammafoton nog maar een zichtbaar licht foton overgebleven.
Dergelijke botsingen treden ook op direct na de kernexplosie: gammafotonen staan hun energie af aan omliggende deeltjes. Het feit dat je de paddestoel ziet geeft aan dat het zichtbaar licht fotonen zijn. Er is dan dus al heel veel energie afgestaan (namelijk ΔE = Egamma - Ezichtbaar_licht). De nog "in tact zijnde" gammafotonen zie je niet, maar merk je later wel (verbranding, kankergezwellen e.d.)
>overgang superkritische naar subkritische massa cruciaal
Zeker, en die tijd is heel kort. Maar in gang gezette processen gaan nog tijden door...
>Bij kernreacties in de zon speelt dit niet; de hoge druk kan het uranium continue bij elkaar houden
Ik hoop dat je dit anders bedoelt, maar er is geen kernsplijting van uranium in de zon maar het veel efficientere, veiliger, milieuvriendelijkere fusieproces van 4 waterstofatomen naar helium. Op aarde proberen we van kerncentrales (op splijtingsbasis) af te komen door fusie-centrales te maken. Alleen lukt dat nog niet goed door allerlei technische problemen (Iter is een poging hiertoe).
De energie die plotseling vrijkomt doet de lokale omgeving enorm oververhitten (gasdeeltjes krijgen grote snelheid en bouwen grote druk op, verpakking zet door hitte enorm uit en scheurt) en zoals elk te heet wordende verpakking knalt die dan door de opgebouwde druk uit elkaar. In dat opzicht een zelfde idee als bij een gewone bom - alleen komt hier miljoenen malen meer energie vrij dan een ordinaire bom (die via chemische reactie energie vrijmaakt en niet via kernsplijting).
Dus wat veroorzaakt de ontploffing? De ontstane hitte door vrijgekomen energie.
Welke materie zet uit? Alles. Maar vooral het gas zal (zie gaswet) enorm uitzetten en de drukgolf veroorzaken.
Straling geeft zijn energie het beste af aan beschenen oppervlakken. Maar dat zegt niet dat een bestraald gas geen energie (warmte) opneemt. Het Compton-effect geeft aan hoe elektronen (die in elk gas zitten) afbuigen als een foton erop botst - alsof het twee biljardballen zijn die opelkaar botsen. Gammastraling die op atomen botst duwen die atomen ook in andere richtingen, verliezen wat energie erbij en gaan verder. Dat gebeurt in de zon ook: in het centrum komt door fusie veel energie vrij (gamma) en naar mate de fotonen naar de rand komen, verliezen ze door de vele botsingen telkens een beetje energie. (Feitelijk wordt het hele foton geabsorbeerd, maar stoot een deeltje een nieuw foton met minder energie weer uit). Het kan 100 000 jaar duren voor zo'n foton uit het centrum van de zon eindelijk aan het oppervlak is. Daarna nog 8 minuten naar de aarde. En dan is van het oorspronkelijke gammafoton nog maar een zichtbaar licht foton overgebleven.
Dergelijke botsingen treden ook op direct na de kernexplosie: gammafotonen staan hun energie af aan omliggende deeltjes. Het feit dat je de paddestoel ziet geeft aan dat het zichtbaar licht fotonen zijn. Er is dan dus al heel veel energie afgestaan (namelijk ΔE = Egamma - Ezichtbaar_licht). De nog "in tact zijnde" gammafotonen zie je niet, maar merk je later wel (verbranding, kankergezwellen e.d.)
>overgang superkritische naar subkritische massa cruciaal
Zeker, en die tijd is heel kort. Maar in gang gezette processen gaan nog tijden door...
>Bij kernreacties in de zon speelt dit niet; de hoge druk kan het uranium continue bij elkaar houden
Ik hoop dat je dit anders bedoelt, maar er is geen kernsplijting van uranium in de zon maar het veel efficientere, veiliger, milieuvriendelijkere fusieproces van 4 waterstofatomen naar helium. Op aarde proberen we van kerncentrales (op splijtingsbasis) af te komen door fusie-centrales te maken. Alleen lukt dat nog niet goed door allerlei technische problemen (Iter is een poging hiertoe).
Nils
op
05 oktober 2018 om 17:40
'warmtecapaciteit en kookpunt van uranium zijn in deze situatie totaal irrelevant. Na de splijting is er geen uranium meer - alleen vervalproducten plus een enorme hoeveelheid energie in de vorm van straling (E= mc2) die hier ongecontroleerd vrijkomt en in een kerncentrale (die op hetzelfde principe is gebaseerd) als het goed werkt wel onder controle is.'
U geeft niet aan hoe die superkritische massa, van irrelevant welk materiaal dan ook, zoveel energie kan huisvesten, anders dan kernenergie. Al bij zeer geringe hoeveelheid vrijgekomen kernenergie veranderd de massa uranium in een kokende soep, weer terug in een subkritische massa, waarin geen kettingreactie meer mogelijk is. Deze hoeveelheid energie is te gering om als grote bom te fungeren. De warmtecapaciteit geeft een bovengrens van wat mogelijk is zonder externe druk om de soep bij elkaar te houden.
E = mc^2 is nogal misleidend omdat er maar een geringe hoeveelheid massa overgaat in energie. Na elke splijting hebben we twee, of meer, deeltjes met vrijwel even grote massa.
'Dus wat veroorzaakt de ontploffing? De ontstane hitte door vrijgekomen energie.
Welke materie zet uit? Alles. Maar vooral het gas zal (zie gaswet) enorm uitzetten en de drukgolf veroorzaken.'
Op de vraag wie of wat de energiedrager is van de kernenergie die overgaat in een andere vorm van energie heb ik nog geen antwoord. 'Alles' is wat vaag. Het gas is lucht? Bij een chemische ontploffing is het de vaste stof die overgaat in gasvorm en daardoor enorm in volume uitzet. U suggereert dat het explosieve materiaal hier lucht is, dat al gasvormig is? Geeft dit een explosie of niet meer dan een harde wind?
Dus de kernenergie gaat over in warmte? Maar warmte van wat op het moment dat het uranium en de restproducten nog nauwelijks 3900 graden hebben bereikt?
Bij warmte hebben we het uiteindelijk over kinetische energie. Hoe kan de kinetische energie van het uranium en de restproducten nog gering zijn, minder dan 3900 graden, maar de kinetische energie van de deeltjes die de soep verlaten hebben zou vele ordes groter zijn? Dit begrijp ik niet. Volgens mij gaat het hier om botsingen van deeltjes en ik zie niet hoe de deeltjes die de soep verlaten duizenden malen meer bewegingsenergie bevatten dan de deeltjes die achterblijven. Alsof er op de kermis bij de botsauto’s ineens een jongetje met 500km per uur de kermis af vliegt, en de rest rijdt rustig rond. De hoeveelheid energie der deeltjes moet in dezelfde orde liggen.
Over uw opmerking over de paddenstoelwolk. Dit is een ander onderwerp maar ook hier kan ik de vraag stellen: welke materie is dit? Waar komt die stofkolom van tientallen kilometers hoog en misschien wel een kilometer breed vandaan? Deze materie kan niet uit de bom zelf komen want zoveel materie is er aanvankelijk niet. Waterdamp is het ook niet lijkt mij want de boel wordt verhit, niet afgekoeld. De direct na de explosie opstijgende wolk lijkt uit het niets te komen.
‘>overgang superkritische naar subkritische massa cruciaal
Zeker, en die tijd is heel kort. Maar in gang gezette processen gaan nog tijden door...’
Welke processen gaan nog tijden door? Het omzetten van kernenergie in andere vormen van energie in ieder geval niet. En veel kinetische energie hebben we aanvankelijk niet.
U geeft niet aan hoe die superkritische massa, van irrelevant welk materiaal dan ook, zoveel energie kan huisvesten, anders dan kernenergie. Al bij zeer geringe hoeveelheid vrijgekomen kernenergie veranderd de massa uranium in een kokende soep, weer terug in een subkritische massa, waarin geen kettingreactie meer mogelijk is. Deze hoeveelheid energie is te gering om als grote bom te fungeren. De warmtecapaciteit geeft een bovengrens van wat mogelijk is zonder externe druk om de soep bij elkaar te houden.
E = mc^2 is nogal misleidend omdat er maar een geringe hoeveelheid massa overgaat in energie. Na elke splijting hebben we twee, of meer, deeltjes met vrijwel even grote massa.
'Dus wat veroorzaakt de ontploffing? De ontstane hitte door vrijgekomen energie.
Welke materie zet uit? Alles. Maar vooral het gas zal (zie gaswet) enorm uitzetten en de drukgolf veroorzaken.'
Op de vraag wie of wat de energiedrager is van de kernenergie die overgaat in een andere vorm van energie heb ik nog geen antwoord. 'Alles' is wat vaag. Het gas is lucht? Bij een chemische ontploffing is het de vaste stof die overgaat in gasvorm en daardoor enorm in volume uitzet. U suggereert dat het explosieve materiaal hier lucht is, dat al gasvormig is? Geeft dit een explosie of niet meer dan een harde wind?
Dus de kernenergie gaat over in warmte? Maar warmte van wat op het moment dat het uranium en de restproducten nog nauwelijks 3900 graden hebben bereikt?
Bij warmte hebben we het uiteindelijk over kinetische energie. Hoe kan de kinetische energie van het uranium en de restproducten nog gering zijn, minder dan 3900 graden, maar de kinetische energie van de deeltjes die de soep verlaten hebben zou vele ordes groter zijn? Dit begrijp ik niet. Volgens mij gaat het hier om botsingen van deeltjes en ik zie niet hoe de deeltjes die de soep verlaten duizenden malen meer bewegingsenergie bevatten dan de deeltjes die achterblijven. Alsof er op de kermis bij de botsauto’s ineens een jongetje met 500km per uur de kermis af vliegt, en de rest rijdt rustig rond. De hoeveelheid energie der deeltjes moet in dezelfde orde liggen.
Over uw opmerking over de paddenstoelwolk. Dit is een ander onderwerp maar ook hier kan ik de vraag stellen: welke materie is dit? Waar komt die stofkolom van tientallen kilometers hoog en misschien wel een kilometer breed vandaan? Deze materie kan niet uit de bom zelf komen want zoveel materie is er aanvankelijk niet. Waterdamp is het ook niet lijkt mij want de boel wordt verhit, niet afgekoeld. De direct na de explosie opstijgende wolk lijkt uit het niets te komen.
‘>overgang superkritische naar subkritische massa cruciaal
Zeker, en die tijd is heel kort. Maar in gang gezette processen gaan nog tijden door...’
Welke processen gaan nog tijden door? Het omzetten van kernenergie in andere vormen van energie in ieder geval niet. En veel kinetische energie hebben we aanvankelijk niet.
Theo de Klerk
op
05 oktober 2018 om 17:47
>E = mc^2 is nogal misleidend omdat er maar een geringe hoeveelheid massa overgaat in energie. Na elke splijting hebben we twee, of meer, deeltjes met vrijwel even grote massa.
En toch werkt het zo. Want c2 (3.108)2 is nogal groot dus ook als het massadefect klein is, komt er een grote hoeveelheid energie bij vrij. De zon neemt maar weinig in massa af (ook al is het miljoenen kilogrammen per seconde) en geeft toch veel energie af.
Maar ik heb geen zin in deze discussie waar steeds "standaard" processen in twijfel worden gesteld - ga eerst maar eens een goede verhandeling over kernenergie, energie-omzetting uit materie lezen. Als daarna er nog problemen en vragen zijn, dan zien we wel verder.
>Waar komt die stofkolom van tientallen kilometers hoog en misschien wel een kilometer breed vandaan?
Van de omgeving waar de bom explodeert. Een gewone explosie om een gebouw te slopen geeft ook enorme stofwolken (maar niet zo heet). Dat stof zit ook niet in de dynamietstaven maar komt uit de opgeblazen gebouwen.
En toch werkt het zo. Want c2 (3.108)2 is nogal groot dus ook als het massadefect klein is, komt er een grote hoeveelheid energie bij vrij. De zon neemt maar weinig in massa af (ook al is het miljoenen kilogrammen per seconde) en geeft toch veel energie af.
Maar ik heb geen zin in deze discussie waar steeds "standaard" processen in twijfel worden gesteld - ga eerst maar eens een goede verhandeling over kernenergie, energie-omzetting uit materie lezen. Als daarna er nog problemen en vragen zijn, dan zien we wel verder.
>Waar komt die stofkolom van tientallen kilometers hoog en misschien wel een kilometer breed vandaan?
Van de omgeving waar de bom explodeert. Een gewone explosie om een gebouw te slopen geeft ook enorme stofwolken (maar niet zo heet). Dat stof zit ook niet in de dynamietstaven maar komt uit de opgeblazen gebouwen.
Nils
op
05 oktober 2018 om 17:54
Tsja, E=MC^2, alleen dat was de discussie niet.
U komt er niet uit, begrijp ik?
Ik heb sterk de indruk dat het verhaal over kernbommen niet klopt. Het kan eenvoudigweg niet zonder een constante druk van de splijtstof te handhaven of te koelen. Dat gebeurt niet in een atoombom.
Graag zet ik de discussie voort. Wie durft?
U komt er niet uit, begrijp ik?
Ik heb sterk de indruk dat het verhaal over kernbommen niet klopt. Het kan eenvoudigweg niet zonder een constante druk van de splijtstof te handhaven of te koelen. Dat gebeurt niet in een atoombom.
Graag zet ik de discussie voort. Wie durft?
Theo de Klerk
op
05 oktober 2018 om 21:47
Ik ben er allang uit en als het verhaal niet klopt dan wijst de praktijk anders uit.
Maar - om maar even aan te geven dat E = mc2 er alles mee te maken heeft:
Neem 1 kg water die van -100ºC via smelten bij 0ºC naar +100ºC gaat om te koken en als damp naar 200ºC gaat. Water is een van een energie-vretende stoffen om op te warmen:
-100 naar 0: 220 . 103 J
0 smelten: 334 . 103 J
0 - 100: 418 . 103 J
100 koken: 2260 . 103 J
100-200: 200 . 103 J
Totaal: 3432 . 103 J Met E = mc2 is daar dan 3432.103/(3.108)2 = 3,8 . 10-11 kg massaverlies voor nodig. Bijna niks dus. Als die bom al een kilogram water zou bevatten zou 3,8 . 10-11 kg massaverlies al meteen (vrijwel instantaan) -100 graden koud ijs in 200 graden damp omzetten. En daarmee gigantisch in volume doen toenemen.
De niet-kritische massa wordt op traditionele wijze met wat TNT als chemische bom op elkaar gedrukt zodat het overkritisch wordt, onmiddellijk begint te splijten en daarbij heel veel energie vrijmakend die alles in de buurt doet verdampen en de rest (grootste deel) van de energie onveranderd als gammastraling wegsnelt.
Maar goed... geloof wat je geloven wilt, maar lees er eens over en reken het ook eens na. Succes met de discussie.
Maar - om maar even aan te geven dat E = mc2 er alles mee te maken heeft:
Neem 1 kg water die van -100ºC via smelten bij 0ºC naar +100ºC gaat om te koken en als damp naar 200ºC gaat. Water is een van een energie-vretende stoffen om op te warmen:
-100 naar 0: 220 . 103 J
0 smelten: 334 . 103 J
0 - 100: 418 . 103 J
100 koken: 2260 . 103 J
100-200: 200 . 103 J
Totaal: 3432 . 103 J Met E = mc2 is daar dan 3432.103/(3.108)2 = 3,8 . 10-11 kg massaverlies voor nodig. Bijna niks dus. Als die bom al een kilogram water zou bevatten zou 3,8 . 10-11 kg massaverlies al meteen (vrijwel instantaan) -100 graden koud ijs in 200 graden damp omzetten. En daarmee gigantisch in volume doen toenemen.
De niet-kritische massa wordt op traditionele wijze met wat TNT als chemische bom op elkaar gedrukt zodat het overkritisch wordt, onmiddellijk begint te splijten en daarbij heel veel energie vrijmakend die alles in de buurt doet verdampen en de rest (grootste deel) van de energie onveranderd als gammastraling wegsnelt.
Maar goed... geloof wat je geloven wilt, maar lees er eens over en reken het ook eens na. Succes met de discussie.
nils
op
06 oktober 2018 om 11:09
Laten we terugkeren naar het onderwerp. E=mc^2 is een waarheid als een koe en die bestrijd ik ook helemaal niet.
De kern van de zaak is, hoe kan er aan een blokje uranium miljarden joule aan energie ontsnappen zonder dat het blokje zelf expandeert? Want dat is wat de atoombomtheorie ons wil doen geloven? Wie biedt?
De kern van de zaak is, hoe kan er aan een blokje uranium miljarden joule aan energie ontsnappen zonder dat het blokje zelf expandeert? Want dat is wat de atoombomtheorie ons wil doen geloven? Wie biedt?
Theo de Klerk
op
06 oktober 2018 om 11:36
Het blokje expandeert ook (smelt/verdampt) en wordt van kritisch weer niet-kritisch. Slechts een klein deel ervan zal splijten. Daarbij komt de energie vrij: heel veel want er hoeft maar weinig massa te verdwijnen hiervoor in het splijtingsproces. De rest (eenmaal gesmolten of verdampt of tot plasma veranderd) is niet kritisch (meer) en blijft "ongebruikt" voor de energie-vrijgave van de bom.
Maar het kleine deel dat wel de splijting doorgaat, ook al duurt dit maar microseconden, levert de effecten van de ontploffende atoombom.
En dat kleine deel zorgt, via massaverlies bij splijting en E=mc2, voor vrijmaken van een enorme hoeveelheid energie. Hierdoor kunnen allerlei andere processen die dergelijke energie nodig hebben, ontstaan en vaak langduriger voortbestaan. Die processen zijn de feitelijke vernielers bij de bom - niet dat beetje uranium dat splijt - dat is slechts de oorzaak.
Vergelijk het met de dominosteen-wedstrijd. Slechts 1 steentje hoef je om te gooien (splijting) om nog minutenlang de rest te zien omvallen (gevolg van de bom: overige processen).
Jan van de Velde
op
06 oktober 2018 om 12:51
nils plaatste:
Laten we terugkeren naar het onderwerp.nils plaatste:
De kern van de zaak is, hoe kan er aan een blokje uranium miljarden joule aan energie ontsnappen zonder dat het blokje zelf expandeert?https://www.reddit.com/r/askscience/comments/4jvx60/what_is_the_time_elapsed_in_a_nuclear_detonation/
Let's use the Fat Man Plutonium bomb as our example, since it's pretty straightforward. You have a 6.2 kg Plutonium core (roughly 25.9 moles), which would have a density of 19.8 g/cm3when uncompressed. So let's say the implosion compresses the core by a factor of 2, increasing the density to 39.6 g/cm3, which means we have a sphere 3.34cm in radius. Nuclear bomb physicists use the timescale of a "shake" which is 10 nanoseconds. This is roughly the amount of time it takes for a fission generated neutron to traverse the core, and also the same time scale for which one "generation" of neutron mediated fission reactions spawns the next "generation". For simplicity's sake I'll keep a constant neutron multiplication factor of 2:1, though in reality it would start higher and fall off as the core expands and reduces in density. Also, I'm completely ignoring the energy transfer from the implosion itself, though it's not inconsiderable.
Start off with the first generation:
- 10 ns: 1 fission reaction, 180 MeV of fission energy released
- 100 ns: 10 generations, 1 thousand fission reactions, 180 GeV
- 200 ns: 20 generations, 1 million fission reactions, 190 TeV
- 300 ns: 30 generations, 1.1 billion fission reactions, 200 PeV
- 400 ns: 40 generations, 1.1 trillion fission reactions, 200 EeV (32 Joules)
- 500 ns: 50 generations, 1.1 quadrillion fission reactions, 200 ZeV (32 kilojoules)
- 600 ns: 60 generations, 1.2 quintillion fission reactions, 220 YeV (32 megajoules), at this point the core has been vaporized and is at a temperature of above 20 thousand Kelvin, the fission reactions still continue, this is now essentially a gas-phase nuclear reactor, but the Plutonium atoms are traveling about 1.6 km/s (1.6 mm/us) and will soon expand so much that it will destroy the criticality of the core, since it is only ~33mm in radius
- 700 ns: 70 generations, 1.2e21 (0.0020 moles) fission reactions, 34 gigajoules, the core is now a plasma at millions of Kelvin with atoms moving at 10s of mm/us, the core is expanding at 10-25% in size every 100 ns now
- 800 ns: 80 generations, 2.0 moles of fission reactions, 35 terajoules, the core is a superheated plasma at nearly a hundred million Kelvin, Plutonium atoms are moving at an average speed of 100 km/s (100 mm/us), the core will have expanded by perhaps 50% over its maximum compressed size at this point, and is nearing the boundary of criticality (which is affected by density due to the mean-free path length of neutrons)
- 810 ns: 81 generations, approximately 4 moles of fission reactions (~1kg of Plutonium fissioned), 88 trillion joules of fission energy released (21 kilotons TNT equivalent), the superheated plasma core has now expanded so much that it is no longer critical, fission reactions peter out
At this point the fission part of the bomb has done its work and released its energy but it will take many additional seconds for the bomb to "explode" in a proper sense. Remember that there were a lot of simplifying assumptions that went into these calculations, but still as a first order approximation they're not that bad. So there you have it, 1 microsecond as the time for the "physics package" to do its work.
In the first millisecond the superheated bomb core will expand to a size of several meters. In several milliseconds the bomb will expand further, creating a shockwave, while the nearby area is heated intensely from the light and radiation of the glowing hot bomb remnants. The nuclear fireball cools as it expands and as it interacts with additional matter, but starting from a temperature of tens of millions of degrees it is still as hot as the surface of the Sun when it is several meters in radius. Within 25 milliseconds the fireball is 100m across, for an air burst it would still not have contacted the ground, but the radiation and heat would have.
Wrap your head around it, en hou alsjeblieft op met dat "wie durft" en "wie biedt".
groet, Jan
Nils
op
07 oktober 2018 om 12:01
Bedankt voor de tijdslijn, vreemd overigens dat Wikipedia stelt dat de kettingreactie al eindigt na 10 nanoseconden.
Dus mijn vraag komt met deze tijdslijn op het volgende neer. Na 500 ns is er slechts 32 kilojoule aan kernenergie afgegeven en dat kan het blokje uranium nog makkelijk zelf absorberen door temperatuurstijging. Het uranium is dan nog in vaste toestand.
Overigens las ik dat een atoombom maar 2% van het uranium doet splijten dus de eerdere stelling dat het uranium verdwijnt is overdreven, waarmee de warmtecapaciteit van uranium relevant blijft. Zie bron: http://nl.wikisage.org/wiki/Kernwapen
Bij 600 nanoseconden is er, slechts, 32 megajoule aan kernenergie gegenereert en dat is iets meer dan de 8 kilowattuur waar ik eerder in de discussie het kookpunt van uranium legde. Op dit moment hebben we dus uranium in gasvorm.
Nu komt de kernvraag terug: hoe kan het uranium, dat bij 3900 graden gasvormig werd, nog een exponentiële versnellende kettingreactie herbergen? Mag ik aannemen dat boven het smeltpunt het uranium al geen superkritische massa meer is waardoor de kettingreactie niet meer versnelt en dus gaat uitdoven? Hoe komen we dus in 100ns, van 600 naar 700 nanoseconden van 1,2 quintillion, 1,2 maal 1018 naar duizend keer zoveel iteraties, 1,2 maal 1021?
Een bijkomend argument is het volgende: het uranium werd, in de kanonversie van de bom, samengeperst door twee blokjes uranium te laten botsen met hoge snelheid. Nu wordt tijdens dit samenpersen het uranium vloeibaar. Verdwijnt hierdoor niet zonder meer elke mechanische contractie? Je kunt toch ook niet twee vloeistoffen op elkaar afschieten en hopen dat zij samenpersen? Dat zou betekenen dat het uranium al bij smeltpunt geen exponentiële kettingreactie meer kan herbergen. Dat is 1132 graden Celsius.
Volgens de bovenstaande tijdslijn zien we zelfs in gasfase nog een verduizendvoudiging van het aantal reacties. Blijft deze gaswolk, die vrij kan expanderen, dan een superkritische massa? Dit kan toch helemaal niet; het volume wordt toch veel te groot en de kans dat neutronen nog een atoomkern raken duizelingwekkend klein?
Mijn betoog is dus dat bij de bovenstaande tijdslijn de kettingreactie uitdooft tussen 600 en 700ns. Dan is er te weinig energie vrijgekomen om van een bom te spreken.
En, nee, het gaat hier niet om geloven maar om overtuigen.
Dus mijn vraag komt met deze tijdslijn op het volgende neer. Na 500 ns is er slechts 32 kilojoule aan kernenergie afgegeven en dat kan het blokje uranium nog makkelijk zelf absorberen door temperatuurstijging. Het uranium is dan nog in vaste toestand.
Overigens las ik dat een atoombom maar 2% van het uranium doet splijten dus de eerdere stelling dat het uranium verdwijnt is overdreven, waarmee de warmtecapaciteit van uranium relevant blijft. Zie bron: http://nl.wikisage.org/wiki/Kernwapen
Bij 600 nanoseconden is er, slechts, 32 megajoule aan kernenergie gegenereert en dat is iets meer dan de 8 kilowattuur waar ik eerder in de discussie het kookpunt van uranium legde. Op dit moment hebben we dus uranium in gasvorm.
Nu komt de kernvraag terug: hoe kan het uranium, dat bij 3900 graden gasvormig werd, nog een exponentiële versnellende kettingreactie herbergen? Mag ik aannemen dat boven het smeltpunt het uranium al geen superkritische massa meer is waardoor de kettingreactie niet meer versnelt en dus gaat uitdoven? Hoe komen we dus in 100ns, van 600 naar 700 nanoseconden van 1,2 quintillion, 1,2 maal 1018 naar duizend keer zoveel iteraties, 1,2 maal 1021?
Een bijkomend argument is het volgende: het uranium werd, in de kanonversie van de bom, samengeperst door twee blokjes uranium te laten botsen met hoge snelheid. Nu wordt tijdens dit samenpersen het uranium vloeibaar. Verdwijnt hierdoor niet zonder meer elke mechanische contractie? Je kunt toch ook niet twee vloeistoffen op elkaar afschieten en hopen dat zij samenpersen? Dat zou betekenen dat het uranium al bij smeltpunt geen exponentiële kettingreactie meer kan herbergen. Dat is 1132 graden Celsius.
Volgens de bovenstaande tijdslijn zien we zelfs in gasfase nog een verduizendvoudiging van het aantal reacties. Blijft deze gaswolk, die vrij kan expanderen, dan een superkritische massa? Dit kan toch helemaal niet; het volume wordt toch veel te groot en de kans dat neutronen nog een atoomkern raken duizelingwekkend klein?
Mijn betoog is dus dat bij de bovenstaande tijdslijn de kettingreactie uitdooft tussen 600 en 700ns. Dan is er te weinig energie vrijgekomen om van een bom te spreken.
En, nee, het gaat hier niet om geloven maar om overtuigen.
Jan van de Velde
op
07 oktober 2018 om 13:03
Nils plaatste:
Mijn betoog is dus dat bij de bovenstaande tijdslijn de kettingreactie uitdooft tussen 600 en 700ns.Volgens jou kan het allemaal niet, volgens duizenden kernproeven wel, en zelfs nog beter. Wen nou eens aan de idee dat op de tijdschalen waarin jij gewend bent te denken andere omstandigheden heersen dan in zo'n kernbom. Ook een gas kan dan nog sterker zijn samengeperst dan een "gewone" vaste stof.
Nils plaatste:
vreemd overigens dat Wikipedia stelt dat de kettingreactie al eindigt na 10 nanoseconden.Groet, Jan
Nils
op
07 oktober 2018 om 14:42
Wikipedia (https://nl.wikipedia.org/wiki/Kernwapen): Een "generatie" duurt dus ongeveer 10 ns (10 nanoseconde, ook een shake genoemd), en binnen 1 μs (1 microseconde, 100 shakes) stopt de kettingreactie.
Inderdaad, dit herinnerde ik mij verkeerd.
Inderdaad, dit herinnerde ik mij verkeerd.
Nils
op
07 oktober 2018 om 14:55
Beste Jan,
Uw laatste argument is niet langer natuurkundig maar historisch. Ik denk niet dat een discussie daarover op dit forum thuishoort. Overigens is dat wel een interessante discussie en hier vind u wat informatie over de kennis tot dusver: https://www.thedailybell.com/all-articles/news-analysis/on-this-atom-bomb-anniversary-youre-being-lied-to-about-hiroshima-and-much-more-to-make-you-fearful/
Dank voor uw inbreng in de discussie.
(link verwijderd - moderator)
Uw laatste argument is niet langer natuurkundig maar historisch. Ik denk niet dat een discussie daarover op dit forum thuishoort. Overigens is dat wel een interessante discussie en hier vind u wat informatie over de kennis tot dusver: https://www.thedailybell.com/all-articles/news-analysis/on-this-atom-bomb-anniversary-youre-being-lied-to-about-hiroshima-and-much-more-to-make-you-fearful/
Dank voor uw inbreng in de discussie.
(link verwijderd - moderator)
Nils
op
07 oktober 2018 om 15:05
U stelt dat een gas nog sterker kan worden samengeperst dan een vaste stof. Hoe dan? Het blok uranium dat wordt afgeschoten op het andere blok beweegt zich vrij door de loop van het kanon en wordt pas aan het eind tegengehouden. Waarom zou het vaste uranium niet gewoon uitzetten, ook al hebben we het over slechts honderden nanoseconden?
En mocht het uranium worden tegengehouden, welke materiaal kan de vermeende 20.000 graden kelvin aan? Of de helft? Er is gewoon niets op aarde dat de druk op de ketel kan houden.
En mocht het uranium worden tegengehouden, welke materiaal kan de vermeende 20.000 graden kelvin aan? Of de helft? Er is gewoon niets op aarde dat de druk op de ketel kan houden.
Nils
op
07 oktober 2018 om 15:27
Ik bedenk mij net dat de tweede opmerking in het geval van een plutoniumbom niet eens relevant is. Het plutonium zit verpakt in een bom die uit elkaar spat bij de ontsteking van de bom, daarna is er niets om de druk op de ketel te houden.
Jan van de Velde
op
07 oktober 2018 om 15:40
Nils plaatste:
Waarom zou het vaste uranium niet gewoon uitzetten, ook al hebben we het over slechts honderden nanoseconden?Ontwerp je apparaat zó dat die massa nét lang genoeg kritisch kan blijven, en je hebt een bom. En dat dat kan hebben duizenden kernproeven bewezen. Dat dat technisch niet eenvoudig is is een geluk, want er lopen teveel malloten rond op deze aardbol die zo'n bommetje wel zouden willen hebben.
Alice in Wonderland:
"Alice laughed: "There's no use trying," she said; "one can't believe impossible things.""I daresay you haven't had much practice," said the Queen. "When I was younger, I always did it for half an hour a day. Why, sometimes I've believed as many as six impossible things before breakfast."
Jan van de Velde
op
07 oktober 2018 om 15:47
Over voorstellingsvermogen gesproken: de meeste mensen die ik ken geloven ook niet dat een tennisbal bij een flinke klap met de tennisracket eventjes nagenoeg plat is.
Onze ogen zien dat niet, maar slowmotionopnames tonen dat wel aan.
https://www.youtube.com/watch?v=VHV1YbeznCo
groet, Jan
Onze ogen zien dat niet, maar slowmotionopnames tonen dat wel aan.
https://www.youtube.com/watch?v=VHV1YbeznCo
groet, Jan
Theo de Klerk
op
07 oktober 2018 om 15:50
We hebben het hier dus weer over zo'n "fake news" site waar veel mensen toch telkens weer in geloven - tot in Washington aan toe. Laat maar. Overtuigen heeft net zoveel zin als een Jehova getuige ertoe overhalen misdaden aan te geven. Of de aarde rond te laten zijn.
Moderator
op
07 oktober 2018 om 16:13
Nils plaatste:
hier vind u wat informatie over de kennis tot dusver: https://www.thedailybell.com/Hiermee gaan we deze discussies maar beëindigen. Natuurkunde.nl heeft wel wat beters te doen dan eindeloos te gaan discussiëren over samenzweringstheorieën zoals die over internet blijven rondstuiteren.
met vriendelijke groeten,
Moderator
Dit topic is gesloten voor verdere reacties.
