Бөліну реакциясы кезінде бөлінген нейтрондардың бір бөлігі реакция сферасынан шығып кетеді немесе бөліну тудырмай ұсталады. Бөліну кезінде нейтрондардың жоғалу жылдамдығы жаңа нейтрондардың бөліну жылдамдығынан жоғары болатын жағдайлар жасалса, онда бұл шарттардағы тізбекті реакция өздігінен жүруін тоқтатады, яғни тоқтайды. Бұл біраз энергияны босатады, бірақ бұл жеткіліксіз болады және жаңа нейтрондардың шығу жылдамдығы тиімді жарылыс туғызу үшін тым төмен болады. Сондықтан ядролық жарылыс жасау үшін нейтрондардың жоғалуы аз болатындай жағдай жасау керек. Осыған байланысты нейтрондардың маңызы ерекше, олар бөлінетін материал массасынан бөлініп шығады және бөліну реакциясына қатыспайды.
Реакция сферасынан нейтрондардың шығарылуы уран (немесе плутоний) массасының сыртқы беті арқылы жүреді. Демек, бөлінетін материалдың массасынан олардың шығарылуына байланысты нейтрондардың жоғалу жылдамдығы осы массаның бетінің өлшемімен анықталатын болады. Екінші жағынан, бөліну процесі, соның нәтижесінде көптеген жаңа нейтрондар бөлініп, бөлінетін заттың бүкіл массасында жүреді, сондықтан бұл нейтрондардың бөліну жылдамдығы осы массаның мөлшеріне байланысты. Бөлінетін материалдың көлемі ұлғайған сайын оның бетінің массасына қатынасы азаяды; демек, бөліну реакциясы кезінде жоғалған (шығарылған) нейтрондар санының жаңа нейтрондар санына қатынасы төмендейді.
Бұл тармақты түсіну оңайырақ, егер оң жақтағы сызбаны қарастырсақ, онда екі сфералық бөлшектелген материалдың бір бөлігі екіншісінен үлкенірек; екі жағдайда да бөліну процесі бір нейтроннан басталады, суретте шеңбердегі нүкте ретінде көрсетілген. Әрбір бөліну оқиғасы кезінде үш нейтрон бөлінеді, яғни бір нейтрон ұсталады деп болжанады.
Егер уранның немесе плутонийдің массасы аз болса, яғни бет ауданының көлемге қатынасы үлкен болса, онда эмиссия нәтижесінде жоғалған нейтрондар саны соншалықты көп болады, бұл ядролық ыдырау тізбегі реакциясын құру және сондықтан ядролық жарылысты жүзеге асыру мүмкін болмайды. Бірақ уранның немесе плутонийдің массасы ұлғайған сайын нейтрондардың салыстырмалы жоғалуы азаяды және тізбекті реакцияның өздігінен жүретін кезі келеді. Осы моментке сәйкес келетін бөлінетін материалдың мөлшері критикалық масса деп аталады.
Осылайша, ядролық жарылыс болуы үшін ядролық қаруда берілген шарттарда сыни массасынан асатын жеткілікті мөлшерде уран немесе плутоний болуы керек. Шындығында, сыни масса, басқалармен қатар, бөлінетін материал бөлігінің пішініне, оның құрамына және нейтрондарды бөлінбей сіңіре алатын бөгде қоспалармен ластану дәрежесіне байланысты. Бөлінетін материалды тиісті қабықпен – нейтрондық шағылыстырғышпен қоршай отырып, олардың сәулеленуіне байланысты нейтрондардың жоғалуын азайтуға, демек, критикалық массаның мәнін азайтуға болады. Сонымен қатар, жоғары тығыздығы және жоғары энергиялы нейтрондар үшін жақсы шағылыстыру қабілеті бар элементтер де жарылғыш заттың кейбір инерциясын қамтамасыз етеді, оның жарылу сәтінде кеңеюін кешіктіреді. Нейтрондық рефлектор өзінің қорғаныс әсері мен инерциялық қасиеттерінің арқасында ядролық қаруда бөлінетін материалды тиімдірек пайдалануға мүмкіндік береді.
Хиросима мен Нагасакидегі бадабумның келесі мерейтойында мен Интернетті ядролық қару туралы сұрақтармен қарауды шештім, олардың қайда және қалай жасалғаны мені онша қызықтырмайды (мен бұрыннан білдім) - мені 2 дана қалай жасайтыны қызықтырды. плутоний ерімейді, бірақ үлкен жарылыс жасайды.
Инженерлерді қадағалаңыз - олар сепкіштен басталып, атом бомбасымен аяқталады.
Ядролық физика - құрметті адамдардың ең жанжалды салаларының бірі жаратылыстану. Дәл осы салаға адамзат жарты ғасыр бойы миллиардтаған долларларды, фунттарды, франктерді және рубльдерді кешіккен пойыздың пешіне лақтырды. Енді пойыз кешікпейтін сияқты. Жанып жатқан қаражат пен адам-сағаттың лаулаған жалыны басылды. Бұл қандай пойыздың «ядролық физика» деп аталатынын қысқаша анықтауға тырысайық.
Изотоптар және радиоактивтілік
Өздеріңіз білетіндей, бар нәрсе атомдардан тұрады. Атомдар, өз кезегінде, өздерінің ақылға қонымды заңдары бойынша өмір сүретін электронды қабықтардан және ядродан тұрады. Классикалық химияны ядро мен оның жеке өмірі мүлде қызықтырмайды. Ол үшін атом - оның электрондары және олардың өзара әрекеттесу қабілеті. Ал химиялық ядродан реагенттердің пропорцияларын есептеу үшін тек оның массасы қажет. Өз кезегінде ядролық физика электрондарға мән бермейді. Оны атомның барлық массасы шоғырланған шағын (электрондық орбиталардың радиусынан 100 мың есе аз) шаң дақтары қызықтырады.
Ядро туралы не білеміз? Иә, ол оң зарядталған және онсыз протондардан тұрады электр зарядынейтрондар. Алайда, бұл мүлдем дұрыс емес. Өзегі мектеп оқулығындағы иллюстрациядағыдай екі түсті шарлар емес. Мұнда күшті өзара әрекеттесу деп аталатын мүлде басқа заңдар жұмыс істейді, олар протондар мен нейтрондарды бір-бірінен ажыратылмайтын тәртіпсіздікке айналдырады. Алайда, бұл беспорядок заряды оған кіретін протондардың жалпы зарядына тура тең, ал массасы дерлік (қайталаймын, дерлік) ядроны құрайтын нейтрондар мен протондардың массасына сәйкес келеді.
Айтпақшы, иондалмаған атомның протондарының саны әрқашан оны қоршау құрметіне ие электрондар санына сәйкес келеді. Бірақ нейтрондармен мәселе оңай емес. Нақтырақ айтқанда, нейтрондардың міндеті ядроны тұрақтандыру болып табылады, өйткені оларсыз бірдей зарядталған протондар тіпті микросекундтар бойына да қосыла алмайды.
Анықтылық үшін сутекті алайық. Ең көп таралған сутегі. Оның құрылымы күлкілі қарапайым - бір орбиталық электронмен қоршалған бір протон. Әлемде сутегі өте көп. Әлем негізінен сутектен тұрады деп айта аламыз.
Енді протонға нейтронды мұқият қосамыз. Химиялық тұрғыдан алғанда, бұл әлі де сутегі. Бірақ физика тұрғысынан, енді жоқ. Екі түрлі сутекті тапқан физиктер алаңдап, бірден кәдімгі сутегі протийін және протондағы нейтронды сутекті - дейтерий деп атау идеясына келді.
Батыл болайық және ядроға тағы бір нейтрон берейік. Енді бізде тағы бір сутегі бар, одан да ауыр - тритий. Тағы да, химиялық тұрғыдан алғанда, ол басқа екі сутектен іс жүзінде ешқандай айырмашылығы жоқ (жақсы, ол қазір азырақ оңай әрекет етеді). Мен сізге бірден ескерткім келеді - ешқандай күш-жігер, қауіп-қатер немесе сендіру тритий ядросына басқа нейтрон қоса алмайды. Жергілікті заңдар адамдікінен әлдеқайда қатал.
Сонымен, протий, дейтерий және тритий сутегінің изотоптары болып табылады. Олардың атомдық массасы әртүрлі, бірақ заряды жоқ. Бірақ оның орналасуын анықтайтын ядроның заряды мерзімді кестеэлементтері. Сондықтан изотоптарды изотоптар деп атайды. Грек тілінен аударғанда «бір жерде тұру» дегенді білдіреді. Айтпақшы, белгілі ауыр су - бұл бірдей су, бірақ протийдің орнына екі дейтерий атомы бар. Тиісінше, аса ауыр суда протийдің орнына тритий бар.
Сутектерімізге тағы бір назар аударайық. Сонымен... Протий орнында, дейтерий орнында... Бұл тағы кім? Менің тритийім қайда кетті және гелий-3 қайдан келді? Біздің тритийде нейтрондардың бірі анық жалықтырды, мамандығын өзгертуге шешім қабылдады және протонға айналды. Осылайша ол электрон мен антинейтрино тудырды. Тритийдің жоғалуы, әрине, көңіл көншітеді, бірақ біз қазір оның тұрақсыз екенін білеміз. Нейтрондардың қоректенуі бекер болған жоқ.
Сонымен, сіз түсінгендей, изотоптар тұрақты және тұрақсыз. Біздің айналамызда көптеген тұрақты изотоптар бар, бірақ құдайға шүкір, тұрақсыз изотоптар іс жүзінде жоқ. Яғни, олар бар, бірақ соншалықты шашыраңқы күйде оларды өте үлкен еңбектің құнына алуға тура келеді. Мысалы, Оппенгеймерге соншама қиындық тудырған уран-235 табиғи уранның небәрі 0,7 пайызын құрайды.
Жартылай ыдырау мерзімі
Мұнда бәрі қарапайым. Тұрақсыз изотоптың жартылай ыдырау периоды – изотоп атомдарының тура жартысы ыдырап, кейбір басқа атомдарға айналатын уақыт кезеңі. Бізге бұрыннан таныс тритийдің жартылай ыдырау кезеңі 12,32 жыл. Бұл өте қысқа өмір сүретін изотоп, дегенмен 22,3 минуттық жартылай ыдырау кезеңі бар франций-223-пен салыстырғанда тритий сұр сақалды ақсақал болып көрінеді.
Макроскопиялық емес сыртқы факторлар(қысым, температура, ылғалдылық, зерттеушінің көңіл-күйі, таралу саны, жұлдыздардың орналасуы) жартылай шығарылу кезеңіне әсер етпейді. Кванттық механика мұндай сандыраққа сезімтал емес.
Танымал жарылыс механикасы
Кез келген жарылыстың мәні бұрын еркін емес, байланысқан күйде болған энергияның жылдам бөлінуі болып табылады. Бөлінетін энергия негізінен жылуға (молекулалардың ретсіз қозғалысының кинетикалық энергиясы), соққы толқынына (қозғалыс бар, бірақ қазірдің өзінде жарылыс орталығынан бағытта) және радиацияға айналады. инфрақызылдан қатты қысқа толқынды кванттар.
Химиялық жарылыста бәрі салыстырмалы түрде қарапайым. Белгілі бір заттар бір-бірімен әрекеттескенде энергетикалық пайдалы реакция пайда болады. Реакцияға кейбір атомдардың жоғарғы электрондық қабаттары ғана қатысады, ал өзара әрекеттесу тереңірек жүрмейді. Мұны болжау оңай жасырын энергиякез келген затта одан да көп нәрсе бар. Бірақ тәжірибенің шарттары қандай болса да, реагенттерді қаншалықты сәтті таңдасақ та, пропорцияларды қалай тексерсек те, химия атомға тереңірек баруға мүмкіндік бермейді. Химиялық жарылыс - қарабайыр құбылыс, тиімсіз және физика тұрғысынан әдепсіз әлсіз.
Ядролық тізбекті реакция тек электрондарды ғана емес, ядроларды да қоса отырып, сәл тереңірек қазуға мүмкіндік береді. Бұл шын мәнінде маңызды болып көрінеді, мүмкін, тек физик үшін, бірақ қалғандары үшін мен қарапайым ұқсастық беремін. Бірнеше шақырым қашықтықта электрленген шаң бөлшектері бар алып салмақты елестетіп көріңіз. Бұл атом, «салмақ» - ядро, ал «шаң бөлшектері» - электрондар. Бұл шаң дақтарымен не істесеңіз де, олар ауыр салмақтан алуға болатын энергияның жүзден бір бөлігін де қамтамасыз ете алмайды. Әсіресе, қандай да бір себептермен ол екіге бөлініп, массивтік фрагменттер әртүрлі бағытта үлкен жылдамдықпен шашырап кетсе.
Ядролық жарылысядроны құрайтын ауыр бөлшектердің байланыс потенциалымен айналысады. Бірақ бұл шектен алыс: материяда әлдеқайда жасырын энергия бар. Ал бұл энергияның аты – масса. Тағы да, бұл физик емес адам үшін әдеттен тыс естіледі, бірақ масса - бұл энергия, тек өте шоғырланған. Әрбір бөлшек: электрон, протон, нейтрон - мұның бәрі әзірге тыныштықта болатын керемет тығыз энергияның кішкентай шоғырлары. Сіз E=mc2 формуласын білетін шығарсыз, оны әзілқойлар, қабырға газетінің редакторлары және мектеп сыныптарын безендірушілер жақсы көреді. Бұл дәл осы туралы және бұл массаны энергияның бір түрі деп есептейтін нәрсе. Және де ол заттан максималды деңгейге дейін қанша энергия алуға болады деген сұраққа жауап береді.
Массаның, яғни байланысқан энергияның бос энергияға толық ауысу процесі аннигиляция деп аталады. Авторы Латын түбірі«Нигил» оның мәнін болжау оңай - бұл «ештеңеге», дәлірек айтқанда, радиацияға айналу. Түсінікті болу үшін мұнда бірнеше сандар берілген.
Жарылыс тротилінің эквиваленттік энергиясы (Дж)
F-1 гранатасы 60 грамм 2,50*105
Хиросимаға тасталған бомба 16 килотонна 6,70*1013
Бір грамм заттың аннигиляциясы 21,5 килотонна 8,99*1013
Кез келген материяның бір граммы (тек массасы маңызды) жойылған кезде шағын ядролық бомбаға қарағанда көбірек энергия береді. Мұндай қайтарулармен салыстырғанда, физиктердің ядролық ыдырау бойынша жаттығулары, одан да көп химиктердің белсенді реагенттермен тәжірибелері күлкілі болып көрінеді.
Аннигиляция үшін тиісті шарттар қажет, атап айтқанда, заттың антиматериямен жанасуы. Және, «қызыл сынапқа» немесе « философиялық тас", антиматерия шынайы емес - бізге белгілі бөлшектер үшін ұқсас антибөлшектер бар және зерттелді, электрон + позитрон жұптарының аннигиляциясы бойынша тәжірибелер тәжірибеде бірнеше рет жүргізілді. Бірақ жою қаруын жасау үшін антибөлшектердің белгілі бір маңызды көлемін жинау керек, сондай-ақ оларды кез келген затпен жанасудан, шын мәнінде, жауынгерлік қолдануға дейін шектеу керек. Бұл, пах-пах, әлі алыс перспектива.
Жаппай ақау
Жарылыс механикасына қатысты түсінуді қажет ететін соңғы сұрақ - энергия қайдан келеді: тізбекті реакция кезінде бөлінетін сол? Бұл жерде тағы да біраз бұқара болды. Дәлірек айтқанда, оның «кемшілігі» жоқ.
Өткен ғасырға дейін ғалымдар масса кез келген жағдайда сақталады деп есептеді және олар өзінше дұрыс болды. Осылайша біз металды қышқылға түсірдік - ол ретортта көпіршіктене бастады және газ көпіршіктері сұйықтықтың қалыңдығы арқылы жоғары қарай жүгірді. Бірақ егер сіз реагенттерді реакцияға дейін және одан кейін өлшесеңіз, бөлінген газды ұмытпасаңыз, масса жиналады. Біз килограммдармен, метрлермен және химиялық реакциялармен жұмыс істейтін болсақ, бұл әрқашан солай болады.
Бірақ біз микробөлшектердің өрісіне тереңірек үңілсек, масса да таң қалдырады. Атомның массасы оны құрайтын бөлшектердің массаларының қосындысына дәл сәйкес келмеуі мүмкін екен. Ауыр ядро (мысалы, уран) бөліктерге бөлінгенде, «үзінділер» бөліну алдындағы ядродан жалпы салмағы аз болады. «Айырмашылық», сондай-ақ массалық ақау деп аталады, ядродағы байланыс энергияларына жауап береді. Дәл осы айырмашылық жарылыс кезінде жылу мен сәулеленуге түседі, барлығы бірдей қарапайым формула бойынша: E=mc2.
Бұл қызықты: ауыр ядроларды бөлу және жеңілдерді біріктіру энергетикалық жағынан тиімді. Бірінші механизм уран немесе плутоний бомбасында, екіншісі сутегі бомбасында жұмыс істейді. Бірақ сіз қанша тырыссаңыз да, темірден бомба жасай алмайсыз: ол осы сызықтың дәл ортасында.
Ядролық бомба
Тарихи дәйектілікке сүйене отырып, алдымен ядролық бомбаларды қарастырайық және кішкентай «Манхэттен жобасын» жүзеге асырайық. Мен сізді изотоптарды бөлудің қызықсыз әдістерімен және бөліну тізбегі реакциясы теориясының математикалық есептеулерімен жалықтырмаймын. Сізде және менде уран, плутоний, басқа материалдар, құрастыру нұсқаулары және қажетті мөлшердегі ғылыми қызығушылық бар.
Уранның барлық изотоптары бір дәрежеде тұрақсыз. Бірақ уран-235 ерекше жағдайда. Уран-235 ядросының өздігінен ыдырауы кезінде (альфа-ыдырау деп те аталады) екі фрагмент (басқа, әлдеқайда жеңіл элементтердің ядролары) және бірнеше нейтрондар (әдетте 2-3) пайда болады. Егер ыдырау кезінде пайда болған нейтрон басқа уран атомының ядросына соқтығысса, кәдімгі серпімді соқтығыс болады, нейтрон серпіліп, шытырман оқиғаны іздеуді жалғастырады. Бірақ біраз уақыттан кейін ол энергияны ысырап етеді (мінсіз серпімді соқтығыстар вакуумда тек сфералық аттар арасында болады), ал келесі ядро тұзаққа айналады - нейтрон оны жұтады. Айтпақшы, физиктер мұндай нейтрондық термиялық деп атайды.
Уранның белгілі изотоптарының тізімін қараңыз. Олардың арасында атомдық массасы 236 изотоп жоқ. Неге екенін білесіз бе? Мұндай ядро микросекундтардың бір бөлігін өмір сүреді, содан кейін ыдырайды, энергияның үлкен мөлшерін бөледі. Бұл мәжбүрлі ыдырау деп аталады. Мұндай өмір сүретін изотопты изотоп деп атаудың өзі ыңғайсыз.
Уран-235 ядросының ыдырауы кезінде бөлінетін энергия фрагменттердің және нейтрондардың кинетикалық энергиясы болып табылады. Егер сіз уран ядросының ыдырау өнімдерінің жалпы массасын есептеп, содан кейін оны бастапқы ядроның массасымен салыстырсаңыз, бұл массалар сәйкес келмейді - бастапқы ядро үлкенірек болды. Бұл құбылыс массалық ақау деп аталады және оның түсіндірмесі E0=ms2 формуласында берілген. Жарық жылдамдығының квадратына бөлінген фрагменттердің кинетикалық энергиясы массалық айырмашылыққа дәл тең болады. Фрагменттер уранның кристалдық торында баяулайды, рентгендік сәулеленуді тудырады, ал нейтрондар қозғалып, басқа уран ядроларымен жұтылады немесе барлық оқиғалар орын алатын уран құймасынан шығады.
Егер уранның құйылуы аз болса, онда нейтрондардың көпшілігі оны баяулатуға уақытсыз қалдырады. Бірақ егер еріксіз ыдыраудың әрбір актісі шығарылатын нейтронға байланысты кем дегенде тағы бір ұқсас әрекетті тудырса, бұл ыдыраудың өздігінен жүретін тізбекті реакциясы.
Тиісінше, құйма өлшемін үлкейтсеңіз, нейтрондардың көбеюі еріксіз бөліну актілерін тудырады. Және бір сәтте тізбекті реакция бақыланбайтын болады. Бірақ бұл ядролық жарылыс дегеннен алыс. Тек өте «лас» термиялық жарылыс, ол өте белсенді және улы изотоптардың көп мөлшерін шығарады.
Толық қисынды сұрақ туындайды: бөліну тізбегі реакциясы көшкінге айналуы үшін қанша уран-235 қажет? Бұл шын мәнінде қарапайым емес. Бұл жерде бөлінетін материалдың қасиеттері және көлемнің бетке қатынасы маңызды рөл атқарады. Жіңішке және өте ұзын сым түрінде болатын уран-235 тоннасын елестетіп көріңіз (мен бірден тапсырыс беремін - бұл өте көп). Иә, оның бойымен ұшатын нейтрон, әрине, мәжбүрлі ыдырау актісін тудырады. Бірақ сым бойымен ұшатын нейтрондардың үлесі соншалықты аз болады, бұл өздігінен жүретін тізбекті реакция туралы айту күлкілі.
Сондықтан біз сфералық құйма үшін критикалық массаны есептеуге келістік. Таза уран-235 үшін критикалық массасы 50 кг (бұл радиусы 9 см болатын шар). Мұндай доп ұзаққа бармайтынын түсінесің, бірақ оны лақтырғандар да.
Егер массасы кішірек шарды нейтронды шағылыстырғышпен қоршап (ол үшін бериллий өте қолайлы) және нейтронды реттегіш материалды (су, ауыр су, графит, бірдей бериллий) шарға енгізсе, онда критикалық масса көп болады. кішірек. Ең тиімді рефлекторлар мен нейтрондық модераторларды пайдалану арқылы сыни массаны 250 граммға дейін арттыруға болады. Бұған, мысалы, ауыр судағы уран-235 тұзының қаныққан ерітіндісін сфералық бериллий ыдысына салу арқылы қол жеткізуге болады.
Критикалық масса тек уран-235 үшін ғана емес. Бөліну тізбегі реакцияларына қабілетті бірқатар изотоптар да бар. Негізгі шарт - ядроның ыдырау өнімдері басқа ядролардың ыдырау актілерін тудыруы керек.
Сонымен, бізде әрқайсысының салмағы 40 кг болатын екі жарты шар тәрізді уран құймасы бар. Олар бір-бірінен құрметті қашықтықта болғанша, бәрі тыныш болады. Егер сіз оларды баяу жылжыта бастасаңыз ше? Танымал пікірге қарамастан, саңырауқұлақ тәрізді ештеңе болмайды. Бұл бөлшектер жақындаған сайын қыза бастайды, содан кейін уақытында есін жимасаңыз, олар қызып кетеді. Ақырында, олар жай еріп, таралады, ал құймаларды жылжытқандардың бәрі нейтрондық сәулеленуден өледі. Ал бұны қызыға тамашалағандар қанаттарын жапсырады.
Тезірек болса ше? Олар тезірек ериді. Тіпті тезірек пе? Олар одан да тез еріп кетеді. Керемет пе? Егер сіз оны сұйық гелийге салсаңыз да, ол ешқандай пайда әкелмейді. Егер сіз бір бөлікті екіншісіне түсірсеңіз ше? ТУРАЛЫ! Шындық сәті. Біз жаңа ғана уран зеңбірек дизайнын ойлап таптық. Дегенмен, бізде мақтанатын ештеңе жоқ, бұл схема ең қарапайым және мүмкін емес; Иә, және жарты шарлардан бас тартуға тура келеді. Тәжірибе көрсеткендей, олар біркелкі жабысуға бейім емес. Кішкене бұрмалау - және сіз өте қымбат «фарт» аласыз, содан кейін ұзақ уақыт бойы тазалауға тура келеді.
Массасы 30-40 кг болатын қысқа қалың қабырғалы уран-235 құбырын жасаған дұрыс, оның саңылауына сол калибрлі, сол цилиндрмен зарядталған жоғары берік болат бөшкесін бекітеміз. шамамен бірдей массалық уран. Уран нысанасын бериллий нейтронды шағылдырғышпен қоршайық. Енді уран «құбырына» уранның «оқын» атсаң, «құбыр» толып қалады. Яғни, ядролық жарылыс болады. Уран снарядының жылдамдығы кем дегенде 1 км/с болуы үшін сізге байыпты ату керек. Әйтпесе, қайтадан фарт болады, бірақ қаттырақ. Өйткені, снаряд пен нысана бір-біріне жақындаған кезде олар қатты қызады, олар бетінен қарқынды булана бастайды, келе жатқан газ ағындарымен баяулайды. Оның үстіне, егер жылдамдық жеткіліксіз болса, онда снаряд нысанаға жетпей, жол бойында буланып кетуі мүмкін.
Салмағы бірнеше ондаған килограмм дайындаманы осындай жылдамдыққа дейін және бір-екі метр қашықтықта жеделдету өте қиын міндет. Сондықтан да ұнтақ емес, өте қысқа мерзімде бөшкенің ішінде тиісті газ қысымын жасай алатын қуатты жарылғыш заттар қажет. қысқа уақыт. Бөшкені кейін тазалаудың қажеті жоқ, уайымдамаңыз.
Хиросимаға тасталған Mk-I «Кішкентай бала» бомбасы зеңбірек дизайнына сәйкес жасалған.
Әрине, біз өз жобамызда ескермеген ұсақ-түйектер бар, бірақ біз принциптің өзіне қарсы мүлде күнә жасаған жоқпыз.
Сонымен. Біз уран бомбасын жарып жібердік. Біз саңырауқұлаққа таң қалдық. Енді плутонийді жарып жібереміз. Мұнда нысананы, снарядты, бөшкені және басқа қоқысты сүйреп апармаңыз. Бұл трюк плутониймен жұмыс істемейді. Бір бөлікті екіншісіне 5 км/с жылдамдықпен түсірсек те, аса критикалық жинақ бәрібір жұмыс істемейді. Плутоний-239 қызып, буланып, айналадағының бәрін құртып үлгереді. Оның сыни массасы 6 кг-нан сәл артық. Нейтрондарды ұстау тұрғысынан оның қаншалықты белсенді екенін елестете аласыз.
Плутоний - ерекше металл. Температураға, қысымға және қоспаларға байланысты ол алты модификацияда болады кристалдық тор. Тіпті қыздыру кезінде кішірейетін модификациялар бар. Бір фазадан екіншісіне ауысу кенеттен болуы мүмкін, ал плутонийдің тығыздығы 25% -ға өзгеруі мүмкін. Есіңізде болсын, критикалық масса, атап айтқанда, көлемнің бетке қатынасымен анықталады. Жарайды, бізде берілген көлем үшін ең аз бетінің ауданы бар субкритикалық массасы бар шар бар. 6 килограмм делік. Доптың радиусы 4,5 см болса, бұл шарды жан-жағынан қысса ше? Тығыздық сызықтық сығымдау кубына пропорционалды түрде артады, ал беті оның квадратына пропорционалды түрде азаяды. Міне, осылай болады: плутоний атомдары тығызырақ болады, яғни нейтронның тоқтау қашықтығы қысқарады, бұл оның жұтылу ықтималдығы артады. Бірақ, қайтадан, ол қажетті жылдамдықта (шамамен 10 км/с) сығу үшін жұмыс істемейді. Тұйық жол? Бірақ жоқ.
300 ° C температурада дельта фазасы басталады - ең бос. Егер плутоний галлиймен легирленген болса, оны осы температураға дейін қыздырып, содан кейін баяу салқындатса, онда дельта фазасы тіпті температурада да болуы мүмкін. бөлме температурасы. Бірақ ол тұрақты болмайды. Жоғары қысымда (он мыңдаған атмосфералық тәртіпте) өте тығыз альфа фазасына күрт көшу орын алады.
Уран-238-ден жасалған үлкен (диаметрі 23 см) және ауыр (120 кг) қуыс шардың ішіне плутоний шарын салайық. Уайымдамаңыз, оның сыни массасы жоқ. Бірақ ол жылдам нейтрондарды тамаша көрсетеді. Және олар бізге әлі де пайдалы болады деп ойлайсыз ба? Қалай болса да. Плутоний - бұл таңқаларлық құрылым. Біз тағы біраз жұмыс істеуіміз керек. Дельта фазасында плутонийден екі жарты шар жасайық. Ортасында сфералық қуыс жасайық. Және бұл қуысқа біз ядролық қарудың квинтэссенциясын - нейтронды бастаушыны орналастырамыз. Бұл диаметрі 20 және қалыңдығы 6 мм болатын шағын қуыс бериллий шары. Оның ішінде диаметрі 8 мм болатын тағы бір бериллий шары бар. Қуыс шардың ішкі бетінде терең ойықтар бар. Барлығы жомарт никель жалатылған және алтын жалатылған. Полоний-210 альфа бөлшектерін белсенді түрде шығаратын ойықтарға орналастырылған. Бұл технологияның кереметі. Бұл қалай жұмыс істейді? Бір секунд. Әлі де біраз шаруамыз бар.
Уран қабығын бормен алюминий қорытпасынан жасалған тағы бір қабықпен қоршайық. Оның қалыңдығы шамамен 13 см, біздің «матрешка» қазір қалыңдығы жарты метрге дейін өсті және 6-дан 250 кг-ға дейін өсті.
Енді жарылғыш «линзаларды» жасайық. Футбол добын елестетіңіз. 20 алтыбұрыш пен 12 бесбұрыштан тұратын классикалық. Біз жарылғыш заттардан осындай «допты» жасаймыз, ал сегменттердің әрқайсысы бірнеше электрлік детонаторлармен жабдықталады. Сегменттің қалыңдығы шамамен жарты метрді құрайды. Сондай-ақ, «линзаларды» өндіруде көптеген нәзіктіктер бар, бірақ егер біз оларды сипаттайтын болсақ, қалғандарының барлығына орын жеткіліксіз. Ең бастысы - линзаның максималды дәлдігі. Кішігірім қателік - жарылғыш заттың жарылу әрекетінен бүкіл құрастыру қиратылады. Толық құрастырудың диаметрі қазір шамамен бір жарым метр және массасы 2,5 тонна. Дизайн электр тізбегімен аяқталады, оның міндеті детонаторларды микросекундтық дәлдікпен қатаң анықталған дәйектілікпен жару болып табылады.
Барлығы. Біздің алдымызда плутонийдің жарылу тізбегі тұр.
Ал енді - ең қызықты бөлігі.
Детонация кезінде жарылғыш жинақты қысады, ал алюминий «итергіш» жарылыс толқынының ыдырауының алдыңғы жағынан ішке қарай таралуына жол бермейді. Шамамен 12 км/с қарсы жылдамдықпен уран арқылы өтіп, қысу толқыны оны да, плутонийді де тығыздайды. Плутоний қысым аймағында жүздеген мың атмосфераның (жарылыс фронтының фокусының әсері) қысу аймағында альфа фазасына күрт секіреді. 40 микросекундта мұнда сипатталған уран-плутоний жинағы жай ғана суперкритикалық емес, критикалық массадан бірнеше есе үлкен болады.
Бастамашыға жеткеннен кейін қысу толқыны оның бүкіл құрылымын монолитке айналдырады. Бұл жағдайда алтын-никельді оқшаулау бұзылады, полоний-210 диффузия есебінен бериллийге енеді, ол шығаратын және бериллий арқылы өтетін альфа бөлшектері нейтрондардың орасан зор ағынын тудырады, бүкіл бойда бөліну тізбегі реакциясын тудырады. плутоний көлемі және плутонийдің ыдырауын тудырған «жылдам» нейтрондардың ағыны уран-238 жарылуына әкеледі. Дайын, біз екінші саңырауқұлақты өсірдік, біріншіден жаман емес.
Плутонийдің жарылу дизайнына мысал ретінде Нагасакиге тасталған Mk-III «Фатман» бомбасы жатады.
Мұнда сипатталған барлық амалдар максималды санын мәжбүрлеу үшін қажет атомдық ядроларплутоний Негізгі міндет - зарядты барынша ұзақ уақыт бойы жинақы күйде ұстау және оның тізбекті реакция бірден тоқтайтын плазмалық бұлтқа шашырауын болдырмау. Мұнда алынған әрбір микросекунд бір немесе екі килотонна қуаттың артуы болып табылады.
Термоядролық бомба
Ядролық бомба термоядролық бомбаның сақтандырғышы деген пікір бар. Негізінде, бәрі әлдеқайда күрделі, бірақ мәні дұрыс түсірілген. Термоядролық синтез принциптеріне негізделген қарулар ешқандай жағдайда тізбекті ыдырау реакциясы арқылы қол жеткізе алмайтындай жарылыс қуатына қол жеткізуге мүмкіндік берді. Бірақ әзірге термоядролық синтез реакциясын «жандыра» алатын жалғыз энергия көзі - ядролық жарылыс.
Сіз бен біз сутегі ядросын нейтрондармен «қоректендіргеніміз» есіңізде ме? Сонымен, егер сіз екі протонды осылайша қосуға тырыссаңыз, ештеңе жұмыс істемейді. Кулондық итеруші күштердің әсерінен протондар бір-біріне жабыспайды. Немесе олар бір-бірінен ұшып кетеді немесе бета-ыдырау орын алып, протондардың бірі нейтронға айналады. Бірақ гелий-3 бар. Протондарды бір-бірімен өмір сүруге қолайлы ететін жалғыз нейтронның арқасында.
Негізінде, гелий-3 ядросының құрамына сүйене отырып, протий мен дейтерий ядроларынан бір гелий-3 ядросын жинауға әбден болады деген қорытынды жасауға болады. Теориялық тұрғыдан бұл дұрыс, бірақ мұндай реакция тек үлкен және ыстық жұлдыздардың тереңдігінде болуы мүмкін. Сонымен қатар, жұлдыздардың тереңдігінде, тіпті тек протондардан да гелий жиналуы мүмкін, олардың бір бөлігін нейтронға айналдырады. Бірақ бұл қазірдің өзінде астрофизика сұрақтары және біз үшін мүмкін болатын нұсқа екі дейтерий ядросын немесе дейтерий мен тритийді біріктіру болып табылады.
Ядролық синтез бір ерекше шартты талап етеді. Бұл өте жоғары (109 К) температура. Тек орташамен кинетикалық энергия 100 килоэлектронвольтты ядролар оларға күшті әсерлесу кулондық әсерлесуді жеңе бастайтын қашықтыққа жақындауға қабілетті.
Толық заңды сұрақ - бұл балабақшаны не үшін қоршау керек? Өйткені, жеңіл ядролардың қосылуы кезінде 20 МэВ дәрежелі энергия бөлінеді. Әрине, уран ядросының мәжбүрлі бөлінуімен бұл энергия 10 есе көп, бірақ бір ескерту бар - ең үлкен трюкпен тіпті 1 мегатонна қуаты бар уран заряды мүмкін емес. Тіпті неғұрлым жетілдірілген плутоний бомбасы үшін де қол жеткізілетін энергия плутонийдің килограммына 7-8 килотоннан аспайды (теориялық максимум 18 килотонна). Уран ядросы екі дейтерий ядросынан 60 есе ауыр екенін ұмытпаңыз. Егер меншікті энергия шығымын қарастыратын болсақ, онда термоядролық синтез айтарлықтай алда болады.
Дегенмен - термоядролық заряд үшін критикалық массаға ешқандай шектеулер жоқ. Ол жай ғана жоқ. Дегенмен, басқа шектеулер бар, бірақ олар туралы төменде толығырақ.
Негізінде нейтрондардың көзі ретінде термоядролық реакцияны бастау өте қарапайым. Оны энергия көзі ретінде іске қосу әлдеқайда қиын. Мұнда біз термоядролық реакцияның энергетикалық пайдасын анықтайтын Лоусон критерийіне тап болдық. Егер әрекеттесуші ядролардың тығыздығының көбейтіндісі және олардың біріктіру қашықтығында ұсталу уақытының көбейтіндісі 1014 сек/см3-тен көп болса, синтездейтін энергия жүйеге енгізілген энергиядан асып түседі.
Барлық термоядролық бағдарламалар осы критерийге қол жеткізуге арналды.
Эдвард Теллердің алғашқы термоядролық бомбасының дизайны зеңбірек дизайнын пайдаланып плутоний бомбасын жасау әрекетіне ұқсас нәрсе болды. Яғни, бәрі дұрыс сияқты, бірақ ол жұмыс істемейді. «Классикалық супер» құрылғысы - плутоний бомбасы батырылған сұйық дейтерий - шынымен де классикалық болды, бірақ суперден алыс.
Сұйық дейтерийдегі ядролық зарядты жару идеясы басынан бастап тұйыққа тірелді. Мұндай жағдайларда термоядролық синтез энергиясының азды-көпті шығуына қуаты 500 кт ядролық зарядты жару арқылы қол жеткізуге болады. Лоусонның критерийіне қол жеткізу туралы айтудың қажеті жоқ еді.
Ядролық триггер зарядын жылу изоляторы және жарылысты күшейткіш ретінде уран-238-мен қиылысатын термоядролық отын қабаттарымен қоршау идеясы Теллердің де ойына келді. Және ол ғана емес. Алғашқы кеңестік термоядролық бомбалар дәл осы жоба бойынша жасалған. Бұл принцип өте қарапайым болды: ядролық заряд термоядролық отынды синтез басталатын температураға дейін қыздырады және синтез кезінде пайда болатын жылдам нейтрондар уран-238 қабаттарын жарып жібереді. Дегенмен, шектеу өзгеріссіз қалды - ядролық триггер қамтамасыз ете алатын температурада синтез реакциясына арзан дейтерий мен керемет қымбат тритий қоспасы ғана кіре алады.
Теллер кейінірек литий-6 дейтерид қосындысын пайдалану идеясын ұсынды. Бұл шешім сұйық дейтерийі бар қымбат және ыңғайсыз криогенді контейнерлерден бас тартуға мүмкіндік берді. Сонымен қатар, нейтрондармен сәулелендіру нәтижесінде литий-6 гелий мен тритийге айналды, олар дейтериймен синтез реакциясына түсті.
Бұл схеманың кемшілігі шектеулі қуат болды - триггерді қоршап тұрған термоядролық отынның шектеулі бөлігі ғана синтез реакциясына түсуге үлгерді. Қалғандары қанша болса да, ағын суға кетті. «Пуф» көмегімен алынған максималды заряд қуаты 720 кт болды (British Orange Herald бомбасы). Шамасы, бұл «төбе» болды.
Теллер-Улам схемасының даму тарихы туралы жоғарыда айттық. Енді «екі сатылы» немесе «радиациялық сығымдау тізбегі» деп те аталатын бұл схеманың техникалық мәліметтерін түсінейік.
Біздің міндетіміз - Лоусон критерийін орындау үшін термоядролық отынды қыздыру және оны белгілі бір көлемде ұстау. Криогендік схемалары бар американдық жаттығуларды былай қойғанда, термоядролық отын ретінде бізге бұрыннан белгілі литий-6 дейтеридін алайық.
Біз термоядролық заряд үшін контейнер материалы ретінде уран-238-ді таңдаймыз. Контейнердің пішіні цилиндрлік. Контейнердің осі бойымен оның ішіне уран-235-тен жасалған цилиндрлік таяқшаны орналастырамыз, оның массасы критикалық асты.
Ескерту: өз уақытында сенсациялық болған нейтрон бомбасы дәл сол Теллер-Улам схемасы, бірақ контейнер осінің бойында уран таяқшасы жоқ. Мәселе жылдам нейтрондардың қуатты ағынын қамтамасыз ету, бірақ нейтрондарды тұтынатын барлық термоядролық отынның жануын болдырмау.
Біз контейнердің қалған бос орнын литий-6 дейтеридімен толтырамыз. Болашақ бомбаның денесінің бір шетіне контейнер орналастырайық (бұл екінші кезең болады), ал екінші шетіне біз бірнеше килотондық қуаттың қарапайым плутоний зарядын орнатамыз (бірінші кезең). Ядролық және термоядролық зарядтардың арасына уран-238-ден жасалған қалқаны орнатамыз, ол литий-6 дейтеридінің мерзімінен бұрын қызып кетуіне жол бермейді. Бомба корпусының ішіндегі қалған бос орынды қатты полимермен толтырайық. Негізінде термоядролық бомба дайын.
Ядролық заряд жарылған кезде энергияның 80% рентген сәулелері түрінде бөлінеді. Оның таралу жылдамдығы плутоний ыдырау фрагменттерінің таралу жылдамдығынан әлдеқайда жоғары. Микросекундтың жүзден бір бөлігінен кейін уран экраны буланып, рентген сәулесі термоядролық заряд контейнерінің уранымен қарқынды түрде сіңе бастайды. Абляция деп аталатын (қыздырылған ыдыстың бетінен массаны алу) нәтижесінде ыдысты 10 рет қысатын реактивті күш пайда болады. Бұл әсер радиациялық жарылу немесе радиациялық қысу деп аталады. Бұл жағдайда термоядролық отынның тығыздығы 1000 есе артады. Радиациялық жарылыстың орасан зор қысымы нәтижесінде уран-235-тің орталық таяқшасы да аз дәрежеде қысылып, суперкритикалық күйге өтеді. Осы уақытқа дейін термоядролық қондырғы ядролық жарылыстан жылдам нейтрондармен бомбаланады. Литий-6 дейтеридінен өткеннен кейін олар баяулайды және уран таяқшасына қарқынды түрде сіңеді.
Таяқшада бөліну тізбегі реакциясы басталады, ол тез арада контейнер ішіндегі ядролық жарылысқа әкеледі. Литий-6 дейтериді сырттан аблативті қысуға және ішкі жағынан ядролық жарылыс қысымына ұшырайтындықтан, оның тығыздығы мен температурасы одан да артады. Бұл сәт синтез реакциясының басталуы болып табылады. Оны одан әрі күтіп ұстау контейнердің жылу энергиясының сыртқа шығуына жол бермей, өзінің ішіндегі термоядролық процестерді қанша уақыт сақтайтынымен анықталады. Бұл Лоусон критерийіне жетуді дәл анықтайды. Термоядролық отын цилиндр осінен оның шетіне дейін жанып кетеді. Жану фронтының температурасы 300 миллион Кельвинге жетеді. Термоядролық отын жанып, контейнер жойылғанша жарылыстың толық дамуы бірнеше жүз наносекундты алады - бұл фразаны оқуға кеткеннен жиырма миллион есе жылдамырақ.
Екі сатылы контурдың сенімді жұмысы контейнерді дәл жинауға және мерзімінен бұрын қыздыруды болдырмауға байланысты.
Теллер-Улам тізбегі үшін термоядролық зарядтың қуаты сәулелену арқылы тиімді қысуды қамтамасыз ететін ядролық триггердің қуатына байланысты. Дегенмен, қазір көп сатылы схемалар бар, оларда алдыңғы кезеңнің энергиясы келесіні сығуға жұмсалады. Үш сатылы схеманың мысалы ретінде жоғарыда айтылған 100 мегатондық «Кузкина анасы» болып табылады.
Біздің оқырмандарымыздың көпшілігі сутегі бомбасын атомдық бомбамен байланыстырады, тек әлдеқайда күшті. Шын мәнінде, бұл түбегейлі жаңа қару, оны жасау үшін пропорционалды емес үлкен зияткерлік күш-жігерді қажет етті және түбегейлі басқа физикалық принциптерде жұмыс істейді.
Атом және сутегі бомбаларының ортақ жалғыз нәрсесі - екеуі де атом ядросында жасырылған орасан зор энергияны шығарады. Мұны екі жолмен жасауға болады: ауыр ядроларды, мысалы, уранды немесе плутонийді жеңіліректерге бөлу (бөлу реакциясы) немесе сутегінің ең жеңіл изотоптарын біріктіруге мәжбүрлеу (біріктіру реакциясы). Екі реакцияның нәтижесінде алынған материалдың массасы әрқашан бастапқы атомдардың массасынан аз болады. Бірақ масса ізсіз жоғала алмайды - ол Эйнштейннің әйгілі E=mc 2 формуласы бойынша энергияға айналады.
Атом бомбасын жасау үшін қажетті және жеткілікті шарт - жеткілікті мөлшерде бөлінетін материалды алу. Жұмыс өте көп еңбекті қажет етеді, бірақ интеллектуалды деңгейі төмен, тау-кен өнеркәсібіне қарағанда жақынырақ. жоғары ғылым. Мұндай қаруларды жасаудың негізгі ресурстары алып уран кеніштері мен байыту зауыттарын салуға жұмсалады. Құрылғының қарапайымдылығының дәлелі - бірінші бомбаға қажетті плутонийді өндіру мен алғашқы кеңестік ядролық жарылыс арасында бір айдан аз уақыт өткен.
Мектептегі физика курстарынан белгілі мұндай бомбаның жұмыс істеу принципін қысқаша еске түсірейік. Ол уранның және кейбір трансуран элементтерінің, мысалы, плутонийдің ыдырау кезінде бір нейтроннан артық бөліну қасиетіне негізделген. Бұл элементтер өздігінен немесе басқа нейтрондардың әсерінен ыдырауы мүмкін.
Бөлінген нейтрон радиоактивті материалды қалдыруы мүмкін немесе ол басқа атоммен соқтығысып, басқа бөліну реакциясын тудыруы мүмкін. Заттың белгілі бір концентрациясы (критикалық масса) асып кеткенде, атом ядросының одан әрі ыдырауын тудыратын жаңа туған нейтрондар саны ыдырайтын ядролар санынан асып кете бастайды. Шіріген атомдар саны көшкін сияқты өсе бастайды, жаңа нейтрондар туады, яғни тізбекті реакция жүреді. Уран-235 үшін критикалық масса шамамен 50 кг, плутоний-239 үшін - 5,6 кг. Яғни, салмағы 5,6 кг-нан сәл аз плутоний шары жай ғана жылы металл бөлігі, ал одан сәл артық массасы бірнеше наносекундқа ғана жетеді.
Бомбаның нақты жұмысы қарапайым: біз уранның немесе плутонийдің екі жарты шарын аламыз, олардың әрқайсысы сыни массасынан сәл аз, оларды 45 см қашықтықта орналастырамыз, оларды жарылғыш заттармен жауып, жарып жібереміз. Уран немесе плутоний суперкритикалық массаның бір бөлігіне біріктіріліп, ядролық реакция басталады. Барлығы. Ядролық реакцияны бастаудың тағы бір жолы бар – плутоний бөлігін күшті жарылыспен сығу: атомдар арасындағы қашықтық азаяды, ал реакция төменірек критикалық массада басталады. Барлық заманауи атомдық детонаторлар осы принцип бойынша жұмыс істейді.
Атом бомбасының проблемалары біз жарылыс күшін арттырғымыз келген сәттен басталады. Бөлінетін материалды жай ғана көбейту жеткіліксіз - оның массасы критикалық массаға жеткенде, ол жарылып кетеді. Әр түрлі тапқыр схемалар ойлап табылды, мысалы, бомбаны екі бөліктен емес, көптеген бөліктерден жасау, бұл бомбаны апельсинге ұқсай бастады, содан кейін оны бір жарылыспен бір бөлікке жинады, бірақ бәрібір күшті. 100 килотоннан астам проблемалар шешілмейтін болды.
Бірақ термоядролық синтезге арналған отынның сыни массасы жоқ. Мұнда термоядролық отынмен толтырылған Күн төбесінде ілулі тұр, оның ішінде миллиард жыл бойы термоядролық реакция жүріп жатыр - ештеңе жарылмайды. Сонымен қатар, мысалы, дейтерий мен тритийдің (сутегінің ауыр және аса ауыр изотопы) синтез реакциясы уран-235-тің бірдей массасын жағуға қарағанда 4,2 есе көп энергия бөледі.
Атом бомбасын жасау теориялық емес, тәжірибелік процесс болды. Жасау сутегі бомбасымүлдем жаңа физикалық пәндердің пайда болуын талап етті: жоғары температуралы плазма және ультра жоғары қысымдар физикасы. Бомба жасауды бастамас бұрын, тек жұлдыздардың өзегінде болатын құбылыстардың табиғатын мұқият түсіну қажет болды. Мұнда ешқандай эксперимент көмектесе алмады - зерттеушілердің құралдары тек теориялық физика мен жоғары математика болды. Термоядролық қаруды жасауда үлкен рөл математиктерге тиесілі екендігі кездейсоқ емес: Улам, Тихонов, Самарский және т.б.
Классикалық супер
1945 жылдың аяғында Эдвард Теллер «классикалық супер» деп аталатын бірінші сутегі бомбасының дизайнын ұсынды. Термоядролық реакцияны бастау үшін қажетті құбыжық қысым мен температураны жасау үшін кәдімгі атом бомбасын пайдалану керек болды. «Классикалық супер» өзі дейтериймен толтырылған ұзын цилиндр болды. Дейтерий-тритий қоспасы бар аралық «жану» камерасы да қамтамасыз етілді - дейтерий мен тритийдің синтез реакциясы төмен қысымда басталады. Отқа ұқсастығы бойынша дейтерий отын, дейтерий мен тритий қоспасы - бір стақан бензин және атом бомбасы - сіріңке рөлін атқаруы керек еді. Бұл схема «құбыр» деп аталды - бір ұшында атомдық оттығы бар сигара түрі. Кеңестік физиктер сол схема бойынша сутегі бомбасын жасай бастады.
Дегенмен, математик Станислав Улам кәдімгі слайд ережесін қолдана отырып, Теллерге таза дейтерийдің «суперде» синтез реакциясының пайда болуы екіталай екенін және қоспаға тритийдің соншалықты көп мөлшерін қажет ететінін дәлелдеді. АҚШ-та қару-жарақ плутонийінің өндірісін іс жүзінде тоқтату қажет.
Қантпен араластырыңыз
1946 жылдың ортасында Теллер тағы бір сутегі бомбасының дизайнын - «оятар сағатты» ұсынды. Ол уран, дейтерий және тритийдің ауыспалы сфералық қабаттарынан тұрды. Плутонийдің орталық зарядының ядролық жарылысы кезінде бомбаның басқа қабаттарында термоядролық реакцияның басталуы үшін қажетті қысым мен температура жасалды. Дегенмен, «оятар сағат» үшін жоғары қуатты атом бастамашысы қажет болды, ал Құрама Штаттарда (сонымен қатар КСРО) қару-жарақ деңгейіндегі уран мен плутонийді өндіруде проблемалар болды.
1948 жылдың күзінде Андрей Сахаров осындай схемаға келді. Кеңес Одағында дизайн «слойка» деп аталды. Уран-235 пен плутоний-239 жеткілікті мөлшерде қару-жарақ өндіруге үлгермеген КСРО үшін Сахаровтың қатпарлы пастасы панацея болды. Міне, себебі.
Кәдімгі атом бомбасында табиғи уран-238 тек пайдасыз ғана емес (ыдырау кезіндегі нейтрондық энергия бөлінуді бастау үшін жеткіліксіз), сонымен қатар зиянды, өйткені ол екінші реттік нейтрондарды ынтамен жұтып, тізбекті реакцияны бәсеңдетеді. Сондықтан қару-жарақ деңгейіндегі уранның 90%-ы уран-235 изотопынан тұрады. Дегенмен, термоядролық синтез нәтижесінде пайда болған нейтрондар бөлінетін нейтрондарға қарағанда 10 есе энергияға ие және мұндай нейтрондармен сәулеленген табиғи уран-238 тамаша ыдырай бастайды. Жаңа бомба жарылғыш зат ретінде бұрын қалдық болып саналатын уран-238-ді пайдалануға мүмкіндік берді.
Сахаровтың «қатты қамырының» ерекшелігі өте тапшы тритийдің орнына ақ өкпені қолдану болды. кристалдық зат- литий дейтериді 6 LiD.
Жоғарыда айтылғандай, дейтерий мен тритий қоспасы таза дейтерийге қарағанда әлдеқайда оңай тұтанады. Дегенмен, осы жерде тритийдің артықшылығы аяқталады және тек кемшіліктер қалады: қалыпты күйде тритий газ болып табылады, бұл сақтау кезінде қиындықтар туғызады; тритий радиоактивті және тұрақты гелий-3-ке ыдырайды, ол өте қажет жылдам нейтрондарды белсенді түрде тұтынады, бомбаның сақтау мерзімін бірнеше айға дейін шектейді.
Радиоактивті емес литий дейтриді, баяу бөлінетін нейтрондармен сәулеленгенде - атомдық сақтандырғыш жарылысының салдары - тритийге айналады. Осылайша, алғашқы атомдық жарылыстан шыққан сәуле бірден термоядролық реакция үшін тритийдің жеткілікті мөлшерін шығарады, ал дейтерий бастапқыда литий дейтеридінде болады.
Дәл осындай бомба РДС-6 1953 жылы 12 тамызда Семей полигонының мұнарасында сәтті сынақтан өтті. Жарылыстың қуаты 400 килотонна болды, оның нағыз термоядролық жарылыс па, әлде аса қуатты атомдық па деген пікірталастар әлі де бар. Өйткені, Сахаровтың қатпарлы пастасындағы термоядролық синтез реакциясы зарядтың жалпы қуатының 20% -нан аспайтын. Жарылысқа негізгі үлес тез нейтрондармен сәулеленген уран-238 ыдырау реакциясы болды, соның арқасында RDS-6 «лас» деп аталатын бомбалар дәуірін бастады.
Өйткені, негізгі радиоактивті ластану ыдырау өнімдерінен (атап айтқанда, стронций-90 және цезий-137) келеді. Негізінде, Сахаровтың «қатты қамыры» термоядролық реакцияның әсерінен аз ғана күшейген алып атом бомбасы болды. Семей полигонының бүкіл тарихында атмосфераға енген стронций-90-ның 82%-ы және цезий-137-нің 75%-ы бір ғана «қатпарлы қамыр» жарылысынан пайда болғаны кездейсоқ емес.
Американдық бомбалар
Алайда сутегі бомбасын бірінші болып жарған америкалықтар болды. 1952 жылы 1 қарашада Тынық мұхитындағы Елугелаб атоллында өнімділігі 10 мегатонна болатын Майк термоядролық құрылғысы сәтті сынақтан өтті. 74 тонналық американдық құрылғыны бомба деп айту қиын болар еді. «Майк» абсолютті нөлге жақын температурада сұйық дейтериймен толтырылған екі қабатты үйдің көлеміндегі көлемді құрылғы болды (Сахаровтың «қатты қамыры» толығымен тасымалданатын өнім болды). Дегенмен, «Майктың» ерекшелігі оның өлшемі емес, термоядролық жарылғыш заттарды сығудың керемет принципі болды.
Еске салайық, сутегі бомбасының негізгі идеясы - ядролық жарылыс арқылы синтезге (ультра жоғары қысым мен температура) жағдай жасау. «Пуф» схемасында ядролық заряд орталықта орналасқан, сондықтан ол дейтерийді қатты қыспайды, оны сыртқа шашады - термоядролық жарылғыш заттың мөлшерін көбейту қуаттың ұлғаюына әкелмейді - бұл жай ғана емес. жарылуға уақыт бар. Дәл осы схеманың максималды қуатын шектейтін нәрсе - әлемдегі ең қуатты «паф», 1957 жылы 31 мамырда британдықтар жарған Orange Herald бар болғаны 720 килотонна берді.
Егер біз атомдық сақтандырғышты термоядролық жарылғышты қысып, ішіне жарып жіберсек, тамаша болар еді. Бірақ мұны қалай жасауға болады? Эдвард Теллер тамаша идеяны алға тартты: термоядролық отынды механикалық энергиямен және нейтрондар ағынымен емес, бастапқы атомдық сақтандырғыштың сәулеленуімен қысу.
Теллердің жаңа дизайнында бастамашы атомдық блок термоядролық блоктан бөлінген. Атом заряды іске қосылғанда, рентгендік сәуле соққы толқынынан бұрын болды және цилиндрлік дененің қабырғалары бойымен таралады, буланып, бомба корпусының полиэтиленді ішкі қабатын плазмаға айналдырды. Плазма, өз кезегінде, уран-238 ішкі цилиндрінің сыртқы қабаттары - «итергіш» сіңірген жұмсақ рентген сәулелерін қайта шығарды. Қабаттар қатты булана бастады (бұл құбылыс абляция деп аталады). Ыстық уран плазмасын өте қуатты зымыран қозғалтқышының ағындарымен салыстыруға болады, оның күші дейтерийі бар цилиндрге бағытталған. Уран баллоны опырылып, дейтерийдің қысымы мен температурасы критикалық деңгейге жетті. Дәл осындай қысым орталық плутоний түтігін критикалық массаға дейін қысып, ол жарылды. Плутоний сақтандырғышының жарылуы дейтерийге ішкі жағынан басылып, одан әрі сығымдалып, термоядролық жарылғышты қыздырып, жарылды. Нейтрондардың қарқынды ағыны «итергіштегі» уран-238 ядроларын бөліп, қайталама ыдырау реакциясын тудырады. Мұның бәрі бастапқы ядролық жарылыстың жарылыс толқыны термоядролық блокқа жеткенге дейін болды. Секундтың миллиардтан бір бөлігінде болатын осы оқиғалардың барлығын есептеу үшін планетадағы ең күшті математиктердің ақыл-ой қабілеті қажет болды. «Майктың» жасаушылары 10 мегатонналық жарылыстан сұмдық емес, сөзбен жеткізгісіз ләззат көрді - олар нақты әлемде тек жұлдыздардың өзектерінде болатын процестерді түсініп қана қоймай, сонымен қатар өз теорияларын орнату арқылы эксперименталды түрде тексере алды. Жердегі өздерінің кішкентай жұлдыздарын шығарады.
Браво
Дизайнының әдемілігі бойынша ресейліктерді басып озған американдықтар өздерінің құрылғысын ықшам жасай алмады: олар Сахаровтың ұнтағы литий дейтеридінің орнына сұйық қатты салқындатылған дейтерийді пайдаланды. Лос-Аламоста олар Сахаровтың «қатты қамырына» аздап қызғанышпен жауап берді: «орыстар бір шелек шикі сүті бар үлкен сиырдың орнына бір қап құрғақ сүтті пайдаланады». Алайда екі жақ бір-бірінен сыр жасыра алмады. 1954 жылы 1 наурызда Бикини атоллының жанында американдықтар литий дейтриді қолданатын 15 мегатонналық «Браво» бомбасын, ал 1955 жылы 22 қарашада қуаты 1,7 мегатонна болатын алғашқы кеңестік екі сатылы РДС-37 термоядролық бомбасын сынады. Семей полигонының үстінде жарылып, полигонның жартысына жуығын қиратты. Содан бері термоядролық бомбаның дизайны шамалы өзгерістерге ұшырады (мысалы, бастама бомбасы мен негізгі заряд арасында уран қалқаны пайда болды) және канондық болды. Әлемде мұндай керемет эксперимент арқылы шешілетін табиғаттың бұдан артық ауқымды құпиялары қалмады. Мүмкін супернованың дүниеге келуі.
| Кішкене теория Термоядролық бомбада 4 реакция бар және олар өте жылдам жүреді. Алғашқы екі реакция термоядролық жарылыс температурасында 30-100 есе жылдамырақ жүріп, энергияның көп шығымдылығын беретін үшінші және төртінші реакциялар үшін материал көзі ретінде қызмет етеді. Сондықтан пайда болған гелий-3 пен тритий бірден жұмсалады. Атомдардың ядролары оң зарядты, сондықтан бір-бірін тебеді. Олар әрекет ету үшін электрлік итеруді жеңе отырып, оларды бір-біріне итеру керек. Бұл олар жоғары жылдамдықпен қозғалса ғана мүмкін болады. Атомдардың жылдамдығы 50 миллион градусқа жетуі керек температураға тікелей байланысты! Бірақ дейтерийді мұндай температураға дейін қыздыру жеткіліксіз; оны шамамен миллиард атмосфералық қысымның шашырауынан сақтау керек! Табиғатта мұндай тығыздықтағы мұндай температура жұлдыздардың өзегінде ғана кездеседі. |
Бөліну тізбегі реакциясын жүргізу үшін құрамы реакцияның дамуын қамтамасыз ететін таза бөлінетін заттан немесе бөлінетін заттан және модератордан тұратын тұқымдық ортаны құру қажет. Айта кету керек, бұл ортада құрылымдық материалдар сөзсіз болады. Дегенмен, қажетті параметрлері бар асыл тұқымды ортаны таңдау тізбекті реакцияның барлық жағдайларын әлі қамтамасыз етпейді. Кішкентай мөлшерімен және сәйкесінше асыл тұқымды ортаның массасымен онда пайда болған нейтрондардың көпшілігі бөлінуді тудыруға уақытсыз ұшып кетеді және өздігінен жүретін тізбекті реакция (SCR) болмайды. Көбею ортасы бар көлемнен нейтрондардың ағуы олардың бөлінусіз сіңірілуімен бірдей нәтижеге әкеледі.
Көбею ортасының мөлшері ұлғайған сайын ондағы нейтрондардың орташа жолының ұзындығы артады, демек, кейіннен бөлінуімен және жаңа нейтрондардың пайда болуымен ядролармен соқтығыстардың саны уақыт өте келе реактордың әрекетін сипаттау үшін, ол болды көбейту коэффициенті k eff енгізілді - келесі ұрпақтағы нейтрондар санының алдыңғысындағы нейтрондар санына қатынасы.Бұл интерпретацияда ортаның өлшемі ұлғайған сайын, кефф нөлден бөліну ықтималдығы нөлден ұрпақтар қатарындағы нейтрондар санының көшкін тәрізді ұлғаюымен бірліктен үлкен мәндерге дейін артады.
k eff кезінде, біріне тең, бөліну процесінің қарқындылығы уақыт өте келе өзгермейді – процесс өзін-өзі қамтамасыз етеді және мұндай жүйе деп аталады. сыни . k eff кезінде< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют субкритикалық . k eff > 1 жүйе болғанда аса сыни.
Өздігінен жүретін бөліну реакциясы жүруі үшін қажет бөлінетін материалдың ең аз массасы деп аталады сыни масса . Егер масса критикалық деңгейден асып кетсе, онда әрбір келесі ұрпақта алдыңғыға қарағанда көбірек нейтрондар туып, тізбекті реакция дамиды. Критикалық массаның мәні бөлінетін нуклидтің қасиеттеріне (235 U немесе 239 Pu), асыл тұқымды ортаның құрамына және оны қоршаған ортаға байланысты. Критикалық массаның шамасы тәжірибелік құрылғыларда бірнеше жүз граммнан ядролық оқтұмсықтарда ондаған килограммға дейін және үлкен қуатты реакторларда бірнеше тоннаға дейін өзгеруі мүмкін. Табиғи уранды пайдаланатын ядролық реакторды қарастырайық. Реактордағы бөліну жылдамдығын тұрақты деңгейде ұстап тұру үшін бөліну кезінде пайда болатын және одан әрі бөлінулерді тудыруға қабілетті екінші реттік нейтрондардың саны жеткілікті болса, онда өздігінен жүретін тізбекті реакция пайда болуы мүмкін.
КРИТИКАЛЫҚ МАССА, атом бомбасында немесе атом реакторында ТІЗІРЛІК РЕАКЦИЯНЫ бастау үшін қажет бөлінуге қабілетті материалдың ең аз массасы. Атом бомбасында жарылғыш материал бөліктерге бөлінеді, олардың әрқайсысы сыни ... ... Ғылыми-техникалық энциклопедиялық сөздік
КРИТИКАЛЫҚ массаны қараңыз. Райзберг Б.А., Лозовский Л.Ш., Стародубцева Е.Б. Қазіргі заманғы экономикалық сөздік. 2-ші басылым, рев. М.: INFRA M. 479 б.. 1999 ... Экономикалық сөздік
КРИТИКАЛЫҚ МАССА- атом ядроларының бөлінуінің өздігінен жүретін тізбекті реакциясы пайда болуы және жалғасуы мүмкін ең кішкентай (қараңыз) бөлінетін зат (уран 233 немесе 235, плутоний 239 және т.б.). Критикалық массаның мәні бөлінетін заттың түріне, оның... ... Үлкен политехникалық энциклопедия
КРИТИКАЛЫҚ масса, өздігінен жүретін ядролық ыдырау тізбекті реакциясының пайда болуын қамтамасыз ететін бөлінетін материалдың (ядролық отынның) ең аз массасы. Критикалық массаның мәні (Mcr) ядролық отын түріне және оның геометриялық... ... Қазіргі энциклопедия
Тізбекті ядролық ыдырау реакциясын қамтамасыз ететін бөлінетін материалдың ең аз массасы... Үлкен энциклопедиялық сөздік
Критикалық масса - ядроның белгілі бір құрылымы мен құрамын ескере отырып, ядролық ыдыраудың өздігінен жүретін тізбекті реакциясы жүретін отынның ең аз массасы (көптеген факторларға байланысты, мысалы: отын құрамы, модератор, пішін... .. . Ядролық энергия терминдері
сыни масса- ядроның белгілі бір конструкциясы мен құрамын ескере отырып, ядролық ыдыраудың өздігінен жүретін тізбекті реакциясы жүруі мүмкін отынның ең аз массасы (көптеген факторларға байланысты, мысалы: отын құрамы, модератор, ядро пішіні және... .. . Техникалық аудармашыға арналған нұсқаулық
Критикалық масса- КРИТИКАЛЫҚ МАССА, өздігінен жүретін ядролық ыдырау тізбекті реакциясының пайда болуын қамтамасыз ететін бөлінетін материалдың (ядролық отынның) ең аз массасы. Критикалық массаның мәні (Mcr) ядролық отын түріне және оның геометриялық... ... Иллюстрацияланған энциклопедиялық сөздік
Тізбекті ядролық ыдырау реакциясы мүмкін болатын бөлінетін нуклидтері бар ядролық отынның ең аз мөлшері (233U, 235U, 239Pu, 251Cf) («Ядролық бөліну» бөлімін қараңыз). Ядролық реактор, Ядролық жарылыс). К.м өлшемі мен пішініне байланысты ... ... Физикалық энциклопедия
Тізбекті ядролық бөліну реакциясын қамтамасыз ететін бөлінетін материалдың ең аз массасы. * * * КРИТИКАЛЫҚ МАССА КРИТИКАЛЫҚ МАССА, өзін-өзі қамтамасыз ететін ағынды қамтамасыз ететін бөлінетін материалдың ең аз массасы ... Энциклопедиялық сөздік