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Text File  |  1994-07-17  |  6KB  |  88 lines

  1.                        GENERAL REACTOR DESIGN
  2.  
  3. Nuclear Reactors are powered by fission.  Fission was first discovered by Hahn
  4. and Strassmann in Germany by bombarding the uranium nucleaus with neutrons. It
  5. would follow that if there were neutrons among the products of fission, then
  6. they could produce additional fissions and a chain-reaction might result.
  7. Fermi, the leading nuclear physicist of the time decided to look into the
  8. matter.  It was found (by Bohr & Wheeler) that U235 produced fission more
  9. readily than U238.  The hard part in getting the pile to work is what is
  10. called the reproductive factor.  A chain reaction can only occur if the number
  11. of neutrons emmited in fission is greater than one.  If the number was one,
  12. then no chain reaction would occur.  If two were emitted, then a geometric
  13. progression could be created that would  lead to a "chain-reaction". Now this
  14. is complicated by the fact that when the neutrons leave the nucleus, they are
  15. moving very fast.  In order to promote fission, it is necessary to have slow
  16. moving neutrons. So we get back to the hard part:  It is necessary to have a
  17. reproductive factor that after slowing, is greater than one. Obviously, the
  18. larger the reproductive factor, the larger the reaction (very large
  19. reproduction factors will cause a rather large boom). To complicate matters,
  20. the "free path" of the neutron, or the average distance it travels before
  21. being absorbed by the nucleus, is long and if you can't keep the neutron from
  22. escaping the uranium, then no reaction.  To overcome the problem, a lattice of
  23. uranium cells could be "piled" on top of one another in order to promote the
  24. reaction. (Hence: Chain-Reacting Pile) The pile consists of slugs of pure
  25. Uranium arranged in a space lattice embedded in a matrix of graphite.  The
  26. slugs could be referred to as "fuel rods".  The Graphite is used to slow the
  27. nuetrons down, and something like boron steel (control rods) is capable of
  28. being inserted to help control the neutron flux. Boron steel & cadmium both
  29. absorb neutrons.
  30.  
  31. The amount of energy that any neutron gets in the reaction is a matter of
  32. chance, and a due to technical problems, the game of slowing down and catching
  33. neutrons can be very tricky.  If the neutron is moving too fast to be captured
  34. by the uranium nucleus, then it just bounces off in what is known as an
  35. "inelastic collision".  In this event essentially no speed is lost.  But if
  36. the neutron strikes a material of small atomic weight, such as carbon
  37. (graphite), then an "elastic colision" occurs where the graphite particle
  38. absorbs energy, and the neutron slows down. It takes about 15 collisions with
  39. carbon to slow the neutron down by a factor of 10.  This would mean that about
  40. 110 such collisions are needed in order to bring a 1,000,000-volt neutron down
  41. to "thermal energy" or about 1/40 of a volt.
  42.  
  43. The "collision cross section" for cadmium is about 10E-24 centimeters, or one
  44. barn.  This is very large in atomic terms and makes hitting the cadmium as
  45. easy as "hitting a barn".  The collision cross section for carbon is only
  46. about one five thousandths of a barn. Now the De Broglie wavelength of a
  47. particle gets bigger as its speed gets smaller, so as the neutron gets
  48. smaller, it sort of spreads out and has a greater chance of hitting the
  49. nuclei. (or one might say that its capture cross section gets larger as its
  50. velocity decreases.  Of course nuetrons can get lost, be absorbed by the
  51. carbon, or mutate the uranium into another isotope (resonance absorbsion). The
  52. losses must be taken into consideration when calculating the reproductive
  53. factor. The proportions of carbon and uranium must be precisely controlled in
  54. order to get a chain reaction.
  55.  
  56. If you have a homogenous mixture, then on the average every second nuclei will
  57. be a uranium one and the neutrons will never slow down enough and be lost due
  58. to reasonance absorbtion.  To get around this, a "lumpy" mixture is used in
  59. the pile.  A neutron has to get through a lump of carbon (slowing it down) and
  60. if one doesn't hit enough carbon, it will mutate only the outer layer of the
  61. U235 lump, leaving the rest O.K.
  62.  
  63. Anyway, take a lattice cell (cube) of 8.25 inches per side. (composed of U
  64. metal and UO2 imbedded in graphite.  Pile them in approximately a flattened
  65. rotational ellipsoid with a polar radius of 121 inches, and an equatorial
  66. radius of 153 inches. Support the bugger with a wooden frame, (oh, you'll need
  67. about six tons for this, a small pile.  Larger piles yield larger reproduction
  68. factors.) and you have it.  You should have a reproduction factor of about
  69. 1.067.  Each metal lump should weigh about six lbs. (available from
  70. Westinghouse, Metal Hydrides, and Ames)  Lumps of about seven or eight pounds
  71. would give a better reprodution factor, but would increase the amount of U
  72. metal needed.  Each lump UO2 should weigh about 4.71 lbs. Diferent piles can
  73. be mixed together, but put your best materials near the middle.  Layer the
  74. graphite bearing Uranium alternating it with graphite. Ordinary wood working
  75. machines can be used to to shape & smooth the graphite to specs. (Graphite can
  76. be obtained from Nat'l Carbon, Speer Graphite, U.S. Graphite, I would suggest
  77. about 14 tons, or 40,000 bricks) In order to press the uranium dioxide lumps,
  78. any good hydrolic press will do.  Make sure that the die is made from a good
  79. quality tool steel, hardened and polished. Stearic acid can be used as a
  80. lubricant (0.5% diluted in acetone) with ethylene glycol added as a wetting
  81. agent.  You'll need about 150 to 175lbs of pressure. As long as you are
  82. careful you can use different forms of uranium and graphite and still get a
  83. good pile.  I'd suggest surrounding the entire thing with a neutron absorbing
  84. material such as cadmium. Once you get it up, pull out all of the control rods
  85. but one (one is all you need on a small pile anyway).  Remove the last one
  86. slowly till it is about halfway out.  check your neutron detectors and pull it
  87. out slowly (a geometric reaction starts slow, buts will pick up speed), until
  88. you get the output that you wish.