Niektoré z neutrónov uvoľnených počas štiepnej reakcie unikajú z reakčnej sféry alebo sú zachytené bez toho, aby došlo k štiepeniu. Ak sa vytvoria podmienky, pri ktorých je rýchlosť straty neutrónov väčšia ako rýchlosť uvoľňovania nových neutrónov pri štiepení, tak reťazová reakcia za týchto podmienok prestane byť samoudržiavacia, čiže sa zastaví. Tým sa uvoľní určitá energia, ktorá však nebude dostatočná a rýchlosť uvoľňovania nových neutrónov bude príliš nízka na to, aby spôsobila účinný výbuch. Na uskutočnenie jadrového výbuchu je preto potrebné vytvoriť podmienky, pri ktorých by boli straty neutrónov minimálne. V tomto smere sú dôležité najmä neutróny, ktoré sú emitované z hmoty štiepnej hmoty a nezúčastňujú sa štiepnej reakcie.
Emisia neutrónov z reakčnej gule prebieha cez vonkajší povrch uránovej (alebo plutóniovej) hmoty. V dôsledku toho bude rýchlosť straty neutrónov v dôsledku ich emisie z hmoty štiepneho materiálu určená veľkosťou povrchu tejto hmoty. Na druhej strane proces štiepenia, v dôsledku ktorého sa uvoľňuje veľa nových neutrónov, prebieha v celej hmote štiepnej látky, a preto rýchlosť uvoľňovania týchto neutrónov závisí od veľkosti tejto hmoty. Keď sa objem štiepneho materiálu zväčšuje, pomer jeho povrchu k hmotnosti klesá; preto sa pomer počtu stratených (emitovaných) neutrónov k počtu nových neutrónov uvoľnených počas štiepnej reakcie zníži.
Tento bod je ľahšie pochopiteľný, ak vezmeme do úvahy kresbu vpravo, ktorá zobrazuje dva guľovité kusy štiepneho materiálu, z ktorých jeden je väčší ako druhý; v oboch prípadoch sa proces štiepenia začína jedným neutrónom, ktorý je na obrázku znázornený ako bod v kruhu. Predpokladá sa, že počas každej štiepnej udalosti sa uvoľnia tri neutróny, to znamená, že sa zachytí jeden neutrón.
Ak je hmotnosť uránu alebo plutónia malá, to znamená, ak je pomer plochy povrchu k objemu veľký, počet stratených neutrónov v dôsledku emisie bude taký veľký, že dôjde k vytvoreniu reťazovej reakcie jadrového štiepenia a preto nebude možné vykonať jadrový výbuch. Ale ako sa zvyšuje hmotnosť uránu alebo plutónia, relatívna strata neutrónov klesá a prichádza bod, kedy sa reťazová reakcia môže stať samoudržiavacou. Množstvo štiepneho materiálu zodpovedajúce tomuto momentu sa nazýva kritická hmotnosť.
Aby teda došlo k jadrovému výbuchu, jadrová zbraň musí obsahovať dostatočné množstvo uránu alebo plutónia, ktoré za daných podmienok presahuje kritické množstvo. V skutočnosti kritická hmotnosť závisí okrem iného od tvaru kúska štiepneho materiálu, jeho zloženia a stupňa kontaminácie cudzími nečistotami, ktoré môžu absorbovať neutróny bez toho, aby došlo k štiepeniu. Obklopením štiepneho materiálu vhodným obalom - neutrónovým reflektorom je možné znížiť straty neutrónov ich emisiou a následne znížiť hodnotu kritickej hmotnosti. Okrem toho prvky s vysokou hustotou a dobrou odrazivosťou pre vysokoenergetické neutróny tiež poskytujú určitú zotrvačnosť štiepnej látky, čím oneskorujú jej expanziu v momente výbuchu. Neutrónový reflektor vďaka svojmu tieniacemu účinku a inerciálnym vlastnostiam umožňuje efektívnejšie využitie štiepneho materiálu v jadrových zbraniach.
Pri ďalšom výročí badabumu v Hirošime a Nagasaki som sa rozhodol prebúdzať internet v otázkach jadrových zbraní, kde a ako vznikli ma málo zaujímalo (už som vedel) - skôr ma zaujímalo, ako 2 kusy plutónia sa neroztopí, ale urobí veľký tresk.
Dávajte pozor na inžinierov – začínajú seačkou a končia atómovou bombou.
Jadrová fyzika je jednou z najškandalóznejších oblastí ctihodných prírodné vedy. Práve do tejto oblasti ľudstvo už pol storočia hádže miliardy dolárov, libier, frankov a rubľov ako do pece neskorého vlaku. Teraz sa zdá, že vlak už nemešká. Búrlivé plamene horiacich fondov a človekohodín utíchli. Pokúsme sa stručne zistiť, aký druh vlaku sa nazýva „jadrová fyzika“.
Izotopy a rádioaktivita
Ako viete, všetko, čo existuje, sa skladá z atómov. Atómy sa zase skladajú z elektrónových obalov, ktoré žijú podľa svojich vlastných ohromujúcich zákonov, a z jadra. Klasická chémia sa o jadro a jeho osobný život vôbec nezaujíma. Atóm sú pre ňu jeho elektróny a ich schopnosť vzájomnej výmeny. A z chemického jadra potrebujete iba jeho hmotnosť na výpočet pomerov činidiel. Jadrová fyzika sa zasa nestará o elektróny. Zaujíma ju maličké (100-tisíckrát menšie ako je polomer obežných dráh elektrónov) zrnko prachu vo vnútri atómu, v ktorom je sústredená takmer všetka jeho hmota.
Čo vieme o jadre? Áno, pozostáva z kladne nabitých protónov a bez nich elektrický náboj neutróny. Nie je to však celkom pravda. Jadro nie je hŕstka guľôčok dvoch farieb, ako na ilustrácii zo školskej učebnice. Fungujú tu úplne iné zákony nazývané silná interakcia, ktoré menia protóny aj neutróny na akýsi nerozoznateľný neporiadok. Náboj tohto neporiadku sa však presne rovná celkovému náboju protónov v ňom zahrnutých a hmotnosť sa takmer (opakujem, takmer) zhoduje s hmotnosťou neutrónov a protónov, ktoré tvoria jadro.
Mimochodom, počet protónov neionizovaného atómu sa vždy zhoduje s počtom elektrónov, ktoré majú tú česť ho obklopovať. Ale s neutrónmi to nie je také jednoduché. Presne povedané, úlohou neutrónov je stabilizovať jadro, keďže bez nich by podobne nabité protóny spolu nevychádzali ani na mikrosekundy.
Vezmime si pre istotu vodík. Najbežnejší vodík. Jeho štruktúra je smiešne jednoduchá - jeden protón obklopený jedným orbitálnym elektrónom. Vo vesmíre je veľa vodíka. Dá sa povedať, že vesmír pozostáva hlavne z vodíka.
Teraz opatrne pridajme k protónu neutrón. Z chemického hľadiska je to stále vodík. Ale z pohľadu fyziky už nie. Po objavení dvoch rôznych vodíkov sa fyzici znepokojili a okamžite prišli s myšlienkou nazvať obyčajný vodík protium a vodík s neutrónom na protóne - deutérium.
Buďme smelí a pridajme do jadra ďalší neutrón. Teraz máme ďalší vodík, ešte ťažší - trícium. Opäť, z chemického hľadiska sa prakticky nelíši od ostatných dvoch vodíkov (dobre, až na to, že teraz reaguje o niečo menej pohotovo). Chcem vás hneď varovať - žiadne úsilie, vyhrážky alebo presviedčanie nemôžu pridať ďalší neutrón do jadra trícia. Tamojšie zákony sú oveľa prísnejšie ako tie ľudské.
Takže protium, deutérium a trícium sú izotopy vodíka. Ich atómová hmotnosť je odlišná, ale ich náboj nie je. Ale je to náboj jadra, ktorý určuje umiestnenie v periodickej tabuľky prvkov. Preto sa izotopy nazývajú izotopy. V preklade z gréčtiny to znamená „zaberať to isté miesto“. Mimochodom, známa ťažká voda je tá istá voda, ale s dvoma atómami deutéria namiesto protia. V súlade s tým superťažká voda obsahuje trícium namiesto protia.
Poďme sa opäť pozrieť na naše vodíky. Takže... Protium je na svojom mieste, deutérium je na mieste... Kto ešte je toto? Kam zmizlo moje trícium a odkiaľ sa vzalo hélium-3? V našom tríciu sa jeden z neutrónov zjavne nudil, rozhodol sa zmeniť povolanie a stal sa protónom. Pritom generoval elektrón a antineutríno. Strata trícia je, samozrejme, sklamaním, ale teraz vieme, že je nestabilné. Prísun neutrónov nebol zbytočný.
Takže, ako ste pochopili, izotopy sú stabilné a nestabilné. Okolo nás je veľa stabilných izotopov, ale, vďaka Bohu, prakticky neexistujú žiadne nestabilné. To znamená, že existujú, ale v takom rozptýlenom stave, že ich treba získať za cenu veľmi veľkej práce. Napríklad urán-235, ktorý spôsobil Oppenheimerovi toľko problémov, tvorí len 0,7 % prírodného uránu.
Polovičný život
Všetko je tu jednoduché. Polčas rozpadu nestabilného izotopu je časový úsek, počas ktorého sa presne polovica atómov izotopu rozpadne a zmení sa na iné atómy. Trícium, ktoré je nám už známe, má polčas rozpadu 12,32 roka. Ide o pomerne krátky izotop, hoci v porovnaní s franciom-223, ktoré má polčas rozpadu 22,3 minúty, bude trícium vyzerať ako starina sivá.
Žiadne makroskopické vonkajšie faktory(tlak, teplota, vlhkosť, nálada výskumníka, počet alokácií, umiestnenie hviezd) neovplyvňujú polčas rozpadu. Kvantová mechanika je voči takýmto nezmyslom necitlivá.
Populárna mechanika výbuchu
Podstatou každého výbuchu je rýchle uvoľnenie energie, ktorá bola predtým v neslobodnom, viazanom stave. Uvoľnená energia sa rozptýli, prevažne sa premení na teplo (kinetická energia neusporiadaného pohybu molekúl), rázovú vlnu (dochádza tiež k pohybu, ale už usporiadanému, v smere od stredu výbuchu) a žiarenie - z mäkkého infračervené až tvrdé krátkovlnné kvantá.
Pri chemickom výbuchu je všetko pomerne jednoduché. Energeticky prospešná reakcia nastáva vtedy, keď sa určité látky vzájomne ovplyvňujú. Reakcie sa zúčastňujú iba horné elektronické vrstvy niektorých atómov a interakcia nejde hlbšie. To je ľahké uhádnuť skrytá energia v akejkoľvek látke je oveľa viac. Ale bez ohľadu na podmienky experimentu, bez ohľadu na to, aké úspešné činidlá vyberieme, bez ohľadu na to, ako skontrolujeme proporcie, chémia nás nepustí hlbšie do atómu. Chemický výbuch je primitívny jav, neúčinný a z hľadiska fyziky neslušne slabý.
Jadrová reťazová reakcia vám umožňuje kopať trochu hlbšie, čím sa do hry dostanú nielen elektróny, ale aj jadrá. To znie skutočne významné, možno len pre fyzika, ale pre zvyšok uvediem jednoduchú analógiu. Predstavte si obrovské závažie s elektrifikovanými prachovými časticami, ktoré sa pohybujú okolo neho vo vzdialenosti niekoľkých kilometrov. Toto je atóm, „váha“ je jadro a „prachové častice“ sú elektróny. Čokoľvek urobíte s týmito škvrnami prachu, neposkytnú vám ani stotinu energie, ktorú možno získať z ťažkej váhy. Najmä ak sa z nejakého dôvodu rozdelí a masívne úlomky sa rozptýlia rôznymi smermi veľkou rýchlosťou.
Jadrový výbuch zapája väzbový potenciál ťažkých častíc, ktoré tvoria jadro. Ale to je ďaleko od limitu: v hmote je oveľa viac skrytej energie. A názov tejto energie je hmotnosť. Opäť to znie pre nefyzika trochu nezvyčajne, ale hmotnosť je energia, len extrémne koncentrovaná. Každá častica: elektrón, protón, neutrón - to všetko sú malé zhluky neuveriteľne hustej energie, ktoré zatiaľ zostávajú v pokoji. Pravdepodobne poznáte vzorec E=mc2, ktorý tak milujú autori vtipov, redaktori nástenných novín a dekoratérky školských tried. To je presne to, o čom to je, a to je to, čo postuluje hmotnosť ako nič iné ako formu energie. A dáva aj odpoveď na otázku, koľko energie sa dá z látky maximálne získať.
Proces úplného prechodu hmoty, teda viazanej energie, na voľnú energiu sa nazýva anihilácia. Autor: Latinský koreň„nihil“ je ľahké uhádnuť o jeho podstate - je to transformácia na „nič“, alebo skôr na žiarenie. Pre prehľadnosť uvádzame niekoľko čísel.
Energia ekvivalentná výbuchu TNT (J)
Granát F-1 60 gramov 2,50*105
Bomba zhodená na Hirošimu 16 kiloton 6,70*1013
Anihilácia jedného gramu hmoty 21,5 kiloton 8,99*1013
Jeden gram akejkoľvek hmoty (dôležitá je iba hmotnosť) po zničení poskytne viac energie ako malá jadrová bomba. V porovnaní s takýmito návratmi pôsobia cvičenia fyzikov o štiepení jadra a ešte viac pokusy chemikov s aktívnymi činidlami smiešne.
Na anihiláciu sú potrebné vhodné podmienky, konkrétne kontakt hmoty s antihmotou. A na rozdiel od „červenej ortuti“ alebo „ kameň mudrcov“, antihmota je viac než skutočná – pre nám známe častice podobné antičastice existujú a boli skúmané a opakovane sa v praxi uskutočňovali experimenty s anihiláciou párov elektrón + pozitrón. Na vytvorenie ničivej zbrane je však potrebné zhromaždiť určitý významný objem antičastíc a tiež obmedziť ich kontakt s akoukoľvek hmotou až po v podstate bojové použitie. Toto, pah-pah, je stále vzdialená perspektíva.
Hromadný defekt
Posledná otázka, ktorú treba pochopiť v súvislosti s mechanikou výbuchu, je, odkiaľ pochádza energia: tá istá, ktorá sa uvoľňuje počas reťazovej reakcie? Tu sa opäť jednalo o masu. Alebo skôr bez jeho „vady“.
Až do minulého storočia vedci verili, že hmota sa zachováva za akýchkoľvek podmienok, a svojim spôsobom mali pravdu. Kov sme teda spustili do kyseliny - v retorte začal bublať a plynové bubliny sa hnali nahor cez hrúbku kvapaliny. Ale ak vážite činidlá pred a po reakcii, nezabúdajúc na uvoľnený plyn, hmotnosť sa zbližuje. A bude to tak vždy, pokiaľ budeme operovať s kilogramami, metrami a chemickými reakciami.
Ale len čo sa ponoríme hlbšie do oblasti mikročastíc, prekvapí aj hmotnosť. Ukazuje sa, že hmotnosť atómu sa nemusí presne rovnať súčtu hmotností častíc, ktoré ho tvoria. Keď je ťažké jadro (napríklad rovnaký urán) rozdelené na časti, „úlomky“ vážia celkovo menej ako jadro pred štiepením. „Rozdiel“, nazývaný aj hmotnostný defekt, je zodpovedný za väzbové energie v jadre. A práve tento rozdiel prechádza do tepla a žiarenia počas výbuchu, všetko podľa rovnakého jednoduchého vzorca: E=mc2.
To je zaujímavé: stáva sa, že je energeticky výhodné deliť ťažké jadrá a kombinovať ľahké. Prvý mechanizmus funguje v uránovej alebo plutóniovej bombe, druhý vo vodíkovej bombe. Bombu však zo železa nevyrobíte, bez ohľadu na to, ako veľmi sa snažíte: je presne v strede tohto radu.
Jadrová bomba
Podľa historickej postupnosti sa najprv zamyslime nad jadrovými bombami a zrealizujme náš malý „Projekt Manhattan“. Nebudem vás nudiť nudnými metódami separácie izotopov a matematickými výpočtami teórie štiepnej reťazovej reakcie. Vy a ja máme urán, plutónium, ďalšie materiály, montážny návod a potrebnú dávku vedeckej zvedavosti.
Všetky izotopy uránu sú do jedného alebo druhého stupňa nestabilné. Ale urán-235 je v osobitnom postavení. Počas samovoľného rozpadu jadra uránu-235 (nazývaného aj alfa rozpad) vznikajú dva fragmenty (jadrá iných, oveľa ľahších prvkov) a niekoľko neutrónov (zvyčajne 2-3). Ak neutrón vzniknutý pri rozpade narazí na jadro iného atómu uránu, dôjde k obyčajnej elastickej zrážke, neutrón sa odrazí a pokračuje v hľadaní dobrodružstva. Po určitom čase však stratí energiu (dokonale elastické zrážky sa vyskytujú iba medzi guľovitými koňmi vo vákuu) a ďalšie jadro sa ukáže ako pasca - neutrón bude absorbovaný. Mimochodom, fyzici nazývajú takýto neutrón tepelný.
Pozrite si zoznam známych izotopov uránu. Medzi nimi nie je žiadny izotop s atómovou hmotnosťou 236. Viete prečo? Takéto jadro žije zlomky mikrosekúnd a potom sa rozpadne, pričom sa uvoľní obrovské množstvo energie. Toto sa nazýva nútený rozklad. Je akosi trápne nazvať izotop s takou životnosťou izotopom.
Energia uvoľnená pri rozpade jadra uránu-235 je kinetická energia fragmentov a neutrónov. Ak vypočítate celkovú hmotnosť produktov rozpadu jadra uránu a potom ju porovnáte s hmotnosťou pôvodného jadra, ukáže sa, že tieto hmotnosti sa nezhodujú - pôvodné jadro bolo väčšie. Tento jav sa nazýva hromadný defekt a jeho vysvetlenie je obsiahnuté vo vzorci E0=mс2. Kinetická energia fragmentov delená druhou mocninou rýchlosti svetla sa bude presne rovnať hmotnostnému rozdielu. Fragmenty sa spomaľujú v kryštálovej mriežke uránu, pričom generujú röntgenové žiarenie, a neutróny, ktoré prešli, sú absorbované inými jadrami uránu alebo opúšťajú uránový odliatok, kde sa odohrávajú všetky udalosti.
Ak je odliatok uránu malý, väčšina neutrónov ho opustí bez toho, aby mala čas spomaliť. Ale ak každý akt núteného rozpadu spôsobí aspoň jeden ďalší podobný akt v dôsledku emitovaného neutrónu, je to už samoudržujúca reťazová reakcia štiepenia.
Ak teda zväčšíte veľkosť odliatku, zvyšujúci sa počet neutrónov spôsobí vynútené štiepenie. A v určitom bode sa reťazová reakcia stane nekontrolovateľnou. Ale toto má ďaleko od jadrového výbuchu. Len veľmi „špinavý“ tepelný výbuch, ktorý uvoľní veľké množstvo veľmi aktívnych a toxických izotopov.
Úplne logická otázka znie: koľko uránu-235 je potrebné na to, aby sa reťazová štiepna reakcia stala lavínou? V skutočnosti to nie je také jednoduché. Úlohu tu zohrávajú vlastnosti štiepneho materiálu a pomer objemu k povrchu. Predstavte si tonu uránu-235 (hneď urobím rezerváciu - to je veľa), ktorý existuje vo forme tenkého a veľmi dlhého drôtu. Áno, neutrón letiaci pozdĺž nej, samozrejme, spôsobí akt núteného rozpadu. Ale zlomok neutrónov lietajúcich pozdĺž drôtu bude taký malý, že je jednoducho smiešne hovoriť o sebestačnej reťazovej reakcii.
Preto sme sa dohodli na výpočte kritickej hmotnosti pre sférický odliatok. Pre čistý urán-235 je kritická hmotnosť 50 kg (ide o guľu s polomerom 9 cm). Chápete, že takáto lopta nevydrží dlho, ale ani tí, ktorí ju hádžu.
Ak je guľa menšej hmotnosti obklopená neutrónovým reflektorom (berýlium je na to ideálne) a do guličky sa zavedie materiál moderátora neutrónov (voda, ťažká voda, grafit, rovnaké berýlium), potom bude kritická hmotnosť oveľa väčšia. menšie. Použitím najúčinnejších reflektorov a neutrónových moderátorov možno kritickú hmotnosť zvýšiť na 250 gramov. To sa dá dosiahnuť napríklad umiestnením nasýteného roztoku soli uránu-235 v ťažkej vode do guľovej berýliovej nádoby.
Kritická hmotnosť existuje nielen pre urán-235. Existuje aj množstvo izotopov schopných štiepnych reťazových reakcií. Hlavnou podmienkou je, že produkty rozpadu jadra musia spôsobiť rozpad iných jadier.
Máme teda dva pologuľové uránové odliatky, každý s hmotnosťou 40 kg. Pokiaľ budú od seba v úctivej vzdialenosti, všetko bude pokojné. Čo ak s nimi začnete pomaly pohybovať? Na rozdiel od všeobecného presvedčenia sa nič podobné hubám nestane. Ide len o to, že kúsky sa začnú zahrievať, keď sa budú približovať, a potom, ak sa včas nespamätáte, budú rozžeravené. Nakoniec sa jednoducho roztopia a rozložia a každý, kto odliatky premiestnil, zomrie na ožiarenie neutrónmi. A kto to so záujmom sledoval, bude si lepiť plutvy.
Čo ak je to rýchlejšie? Rýchlejšie sa roztopia. Ešte rýchlejšie? Roztopia sa ešte rýchlejšie. v pohode? Aj keď ho vložíte do tekutého hélia, nebude to nič dobré. Čo ak strieľate jeden kus na druhý? O! Okamih pravdy. Práve sme prišli s dizajnom uránového dela. Nemáme však na čo byť obzvlášť hrdí, táto schéma je najjednoduchšia a najneumnejšia zo všetkých možných. Áno, a hemisféry budú musieť byť opustené. Ako ukázala prax, nemajú tendenciu hladko sa zlepovať. Najmenšie skreslenie - a dostanete veľmi drahý „prd“, po ktorom budete musieť dlho čistiť.
Je lepšie vyrobiť krátku hrubostennú rúrku z uránu-235 s hmotnosťou 30-40 kg, na otvor ktorej pripevníme sud z vysokopevnostnej ocele rovnakého kalibru, nabitý valcom rovnakého urán približne rovnakej hmotnosti. Obklopme uránový terč berýliovým neutrónovým reflektorom. Ak teraz vystrelíte uránovú „guľku“ na uránovú „rúru“, táto „rúrka“ bude plná. To znamená, že dôjde k jadrovému výbuchu. Len treba strieľať vážne, aby úsťová rýchlosť uránového projektilu bola aspoň 1 km/s. Inak bude zase prd, ale hlasnejší. Faktom je, že keď sa strela a cieľ priblížia k sebe, zahrejú sa natoľko, že sa začnú intenzívne vyparovať z povrchu, spomalené približujúcimi sa prúdmi plynu. Navyše, ak je rýchlosť nedostatočná, potom existuje šanca, že projektil jednoducho nedosiahne cieľ, ale po ceste sa vyparí.
Zrýchliť polotovar vážiaci niekoľko desiatok kilogramov na takú rýchlosť a na vzdialenosť niekoľkých metrov je mimoriadne náročná úloha. Preto nie je potrebný pušný prach, ale silné výbušniny schopné vytvoriť v hlavni správny tlak plynu vo veľmi krátkom čase. krátky čas. A nebudete musieť čistiť sud neskôr, nebojte sa.
Bomba Mk-I „Little Boy“ zhodená na Hirošimu bola navrhnutá presne podľa konštrukcie kanónu.
Sú, samozrejme, drobné detaily, ktoré sme v našom projekte nezohľadnili, no proti samotnému princípu sme sa vôbec neprehrešili.
Takže. Odpálili sme uránovú bombu. Obdivovali sme hubu. Teraz vybuchneme plutónium. Len sem neťahajte cieľ, projektil, hlaveň a iné odpadky. Tento trik nebude fungovať s plutóniom. Aj keď strieľame jeden kus do druhého rýchlosťou 5 km/s, nadkritická zostava stále nebude fungovať. Plutónium-239 sa stihne zahriať, vypariť a zničiť všetko okolo. Jeho kritická hmotnosť je o niečo viac ako 6 kg. Viete si predstaviť, o koľko aktívnejší je z hľadiska zachytávania neutrónov.
Plutónium je nezvyčajný kov. V závislosti od teploty, tlaku a nečistôt existuje v šiestich modifikáciách kryštálovú mriežku. Existujú dokonca úpravy, pri ktorých sa pri zahrievaní zmršťuje. Prechody z jednej fázy do druhej môžu nastať náhle, pričom hustota plutónia sa môže zmeniť o 25%. Poďme, ako všetci normálni hrdinovia. Pripomeňme, že kritická hmotnosť je určená najmä pomerom objemu k povrchu. Dobre, máme guľu s podkritickou hmotnosťou, ktorá má minimálny povrch pre daný objem. Povedzme 6 kilogramov. Polomer loptičky je 4,5 cm Čo ak je táto guľa stlačená zo všetkých strán? Hustota sa zvýši úmerne s kockou lineárnej kompresie a povrch sa zníži úmerne jej štvorcu. A toto sa stane: atómy plutónia budú hustejšie, to znamená, že sa skráti brzdná dráha neutrónu, čo znamená, že sa zvýši pravdepodobnosť jeho absorpcie. Ale opäť to stále nebude fungovať stlačiť pri požadovanej rýchlosti (asi 10 km/s). Slepá ulička? Ale nie.
Pri 300°C začína takzvaná delta fáza – najvoľnejšia. Ak je plutónium dopované gáliom, zahriate na túto teplotu a potom pomaly ochladené, potom delta fáza môže existovať aj pri izbovej teplote. Ale nebude to stabilné. Pri vysokom tlaku (rádovo v desiatkach tisíc atmosfér) dôjde k náhlemu prechodu do veľmi hustej fázy alfa.
Umiestnime plutóniovú guľu do veľkej (priemer 23 cm) a ťažkej (120 kg) dutej gule z uránu-238. Nebojte sa, nemá kritickú hmotnosť. Ale dokonale odráža rýchle neutróny. A ešte sa nám budú hodiť Myslíte, že to vyhodili? Bez ohľadu na to, ako to je. Plutónium je prekliato rozmarná entita. Budeme musieť urobiť viac práce. Urobme dve hemisféry z plutónia v delta fáze. V strede vytvoríme guľovú dutinu. A do tejto dutiny umiestnime kvintesenciu myšlienky jadrových zbraní - neutrónový iniciátor. Jedná sa o malú dutú berýliovú guľôčku s priemerom 20 a hrúbkou 6 mm. Vo vnútri je ďalšia berýliová guľôčka s priemerom 8 mm. Na vnútornom povrchu dutej gule sú hlboké drážky. Celé je to veľkoryso poniklované a pozlátené. V drážkach je umiestnené polónium-210, ktoré aktívne vyžaruje častice alfa. Toto je taký zázrak techniky. ako to funguje? Len sekundu. Ešte nás čaká pár vecí.
Obklopme uránový plášť iným, vyrobeným z hliníkovej zliatiny s bórom. Jeho hrúbka je asi 13 cm Celkovo naša „matrioška“ narástla do hrúbky pol metra a pribrala zo 6 na 250 kg.
Teraz urobme implóziu „šošoviek“. Predstavte si futbalovú loptu. Klasický, pozostávajúci z 20 šesťuholníkov a 12 päťuholníkov. Takúto „guľu“ vyrobíme z výbušnín a každý zo segmentov bude vybavený niekoľkými elektrickými rozbuškami. Hrúbka segmentu je asi pol metra. Pri výrobe „šošoviek“ je tiež veľa jemností, ale ak ich popíšeme, nebude dostatok miesta na všetko ostatné. Hlavná vec je maximálna presnosť objektívu. Najmenšia chyba - a celá zostava bude rozdrvená výbuchom výbušniny. Kompletná zostava má teraz priemer asi jeden a pol metra a hmotnosť 2,5 tony. Konštrukciu dopĺňa elektrický obvod, ktorého úlohou je odpáliť rozbušky v presne definovanom poradí s mikrosekundovou presnosťou.
Všetky. Pred nami je obvod implózie plutónia.
A teraz - najzaujímavejšia časť.
Počas detonácie výbušnina komprimuje zostavu a hliníkový „posun“ bráni rozpadu tlakovej vlny, aby sa šírila dovnútra po jej prednej časti. Po prechode uránom protirýchlosťou asi 12 km/s kompresná vlna zhutní urán aj plutónium. Plutónium pri tlakoch v kompresnej zóne rádovo stoviek tisíc atmosfér (efekt zaostrenia čela výbuchu) preskočí náhle do fázy alfa. Za 40 mikrosekúnd sa tu opísaná zostava urán-plutónium stane nielen superkritickou, ale niekoľkonásobne presahujúcou kritickú hmotnosť.
Po dosiahnutí iniciátora kompresná vlna rozdrví celú svoju štruktúru na monolit. V tomto prípade sa zničí zlato-niklová izolácia, polónium-210 prenikne do berýlia difúziou, ním emitované alfa častice a prechod cez berýlium spôsobia kolosálny tok neutrónov, čo spustí štiepnu reťazovú reakciu v celom objem plutónia a tok „rýchlych“ neutrónov generovaných rozpadom plutónia spôsobí výbuch uránu-238. Hotovo, vyrástla nám druhá huba, nie horšia ako tá prvá.
Príkladom konštrukcie implózie plutónia je bomba Mk-III „Fatman“ zhodená na Nagasaki.
Všetky tu popísané triky sú potrebné na vynútenie maximálneho počtu atómové jadrá plutónium Hlavnou úlohou je udržať náboj v kompaktnom stave čo najdlhšie a zabrániť jeho rozptýleniu do plazmového oblaku, v ktorom sa reťazová reakcia okamžite zastaví. Tu je každá získaná mikrosekunda nárastom o jednu alebo dve kilotony výkonu.
Termonukleárna bomba
Existuje všeobecný názor, že jadrová bomba je zápalkou pre termonukleárnu. V zásade je všetko oveľa komplikovanejšie, ale podstata je zachytená správne. Zbrane založené na princípoch termonukleárnej fúzie umožnili dosiahnuť takú silu výbuchu, ktorú za žiadnych okolností nemožno dosiahnuť štiepnou reťazovou reakciou. Jediným zdrojom energie, ktorý môže „zapáliť“ termonukleárnu fúznu reakciu, je však jadrový výbuch.
Pamätáte si, ako sme vy a ja „kŕmili“ jadro vodíka neutrónmi? Takže ak sa pokúsite spojiť dva protóny týmto spôsobom, nič nebude fungovať. Protóny sa nebudú držať spolu kvôli Coulombovým odpudivým silám. Buď sa rozletia, alebo dôjde k beta rozpadu a jeden z protónov sa stane neutrónom. Ale hélium-3 existuje. Vďaka jedinému neutrónu, vďaka ktorému sú protóny medzi sebou lepšie obývateľné.
V zásade, na základe zloženia jadra hélia-3, môžeme konštatovať, že je celkom možné zostaviť jedno jadro hélia-3 z jadier protia a deutéria. Teoreticky je to pravda, no takáto reakcia môže nastať len v hĺbkach veľkých a horúcich hviezd. Navyše, v hlbinách hviezd sa hélium môže zbierať dokonca aj zo samotných protónov, čím sa niektoré z nich menia na neutróny. Ale to sú už otázky astrofyziky a pre nás dosiahnuteľná možnosť je spojiť dve jadrá deutéria alebo deutérium a trícium.
Jadrová fúzia si vyžaduje jednu veľmi špecifickú podmienku. Ide o veľmi vysokú (109 K) teplotu. Len s priemerom kinetická energia Jadrá 100 kiloelektrónvoltov sú schopné sa k nim priblížiť na vzdialenosť, v ktorej silná interakcia začína prekonávať Coulombovu interakciu.
Úplne legitímna otázka – prečo oplotiť túto záhradu? Faktom je, že pri fúzii ľahkých jadier sa uvoľňuje energia rádovo 20 MeV. Samozrejme, pri nútenom štiepení jadra uránu je táto energia 10-krát väčšia, ale je tu jedno varovanie - s najväčšími trikmi je uránová nálož s výkonom dokonca 1 megatona nemožná. Dokonca aj pre pokročilejšiu plutóniovú bombu nie je dosiahnuteľný energetický výkon väčší ako 7-8 kiloton na kilogram plutónia (s teoretickým maximom 18 kiloton). A nezabudnite, že jadro uránu je takmer 60-krát ťažšie ako dve jadrá deutéria. Ak vezmeme do úvahy špecifický energetický výťažok, potom je termonukleárna fúzia výrazne pred nami.
A predsa - pre termonukleárnu nálož neexistujú žiadne obmedzenia kritického množstva. Jednoducho na to nemá. Existujú však aj ďalšie obmedzenia, ale viac o nich nižšie.
Spustenie termonukleárnej reakcie ako zdroja neutrónov je v princípe celkom jednoduché. Oveľa náročnejšie je spustiť ho ako zdroj energie. Tu sa stretávame s takzvaným Lawsonovým kritériom, ktoré určuje energetický prínos termonukleárnej reakcie. Ak je súčin hustoty reagujúcich jadier a času ich zotrvania na fúznej vzdialenosti väčší ako 1014 s/cm3, energia poskytnutá fúziou prevýši energiu zavedenú do systému.
Všetky termonukleárne programy boli určené na dosiahnutie tohto kritéria.
Prvý návrh termonukleárnej bomby, ktorý napadol Edwardovi Tellerovi, bol niečo podobné pokusu o vytvorenie plutóniovej bomby pomocou konštrukcie dela. To znamená, že všetko sa zdá byť správne, ale nefunguje to. Zariadenie „klasického super“ – tekutého deutéria, v ktorom je ponorená plutóniová bomba – bolo skutočne klasické, ale zďaleka nie super.
Myšlienka explodovať jadrovú nálož v tekutom deutériu sa od samého začiatku ukázala ako slepá ulička. Za takýchto podmienok by bolo možné dosiahnuť väčší či menší výkon termonukleárnej fúznej energie odpálením jadrovej nálože o sile 500 kt. A o dosiahnutí Lawsonovho kritéria nebolo vôbec potrebné hovoriť.
Tellerovi napadla aj myšlienka obklopiť jadrovú spúšťaciu nálož vrstvami termonukleárneho paliva rozptýleného s uránom-238 ako tepelným izolátorom a zosilňovačom výbuchu. A nielen on. Prvé sovietske termonukleárne bomby boli vyrobené presne podľa tohto návrhu. Princíp bol celkom jednoduchý: jadrová nálož ohrieva termojadrové palivo na teplotu, pri ktorej začína fúzia, a rýchle neutróny generované počas fúzie explodujú vrstvy uránu-238. Obmedzenie však zostalo rovnaké - pri teplote, ktorú by mohol poskytnúť jadrový spúšťač, mohla do fúznej reakcie vstúpiť iba zmes lacného deutéria a neuveriteľne drahého trícia.
Teller neskôr prišiel s nápadom použiť zlúčeninu lítium-6 deuterid. Toto riešenie umožnilo opustiť drahé a nepohodlné kryogénne nádoby s tekutým deutériom. Okrem toho sa lítium-6 v dôsledku ožiarenia neutrónmi premenilo na hélium a trícium, ktoré vstúpili do fúznej reakcie s deutériom.
Nevýhodou tejto schémy bol obmedzený výkon - iba obmedzená časť termonukleárneho paliva obklopujúceho spúšť mala čas vstúpiť do fúznej reakcie. Zvyšok, bez ohľadu na to, koľko toho bolo, išiel dole vodou. Maximálny nabíjací výkon získaný pomocou „puffu“ bol 720 kt (bomba British Orange Herald). Zrejme to bol „strop“.
Už sme hovorili o histórii vývoja schémy Teller-Ulam. Teraz pochopme technické detaily tohto obvodu, ktorý sa tiež nazýva "dvojstupňový" alebo "obvod kompresie žiarenia".
Našou úlohou je zohriať termonukleárne palivo a udržať ho v určitom objeme, aby sa splnilo Lawsonovo kritérium. Ak ponecháme bokom americké cvičenia s kryogénnymi schémami, zoberme si ako termonukleárne palivo nám už známy deuterid lítny-6.
Ako materiál nádoby pre termonukleárnu nálož zvolíme urán-238. Nádoba je valcového tvaru. Pozdĺž osi nádoby do nej umiestnime valcovú tyč z uránu-235, ktorá má podkritickú hmotnosť.
Poznámka: Neutrónová bomba, ktorá bola vo svojej dobe senzačná, je rovnaká Teller-Ulamova schéma, ale bez uránovej tyče pozdĺž osi kontajnera. Cieľom je zabezpečiť silný tok rýchlych neutrónov, ale zabrániť vyhoreniu všetkého termonukleárneho paliva, ktoré spotrebuje neutróny.
Zvyšný voľný priestor nádoby vyplníme lítium-6 deuteridom. Na jeden koniec tela budúcej bomby (to bude druhý stupeň) umiestnime nádobu a na druhý koniec namontujeme obyčajnú plutóniovú nálož o sile niekoľkých kiloton (prvý stupeň). Medzi jadrovú a termonukleárnu nálož nainštalujeme prepážku z uránu-238, ktorá zabráni predčasnému zahriatiu deuteridu lítneho-6. Zvyšný voľný priestor vo vnútri tela bomby vyplníme pevným polymérom. V zásade je termonukleárna bomba pripravená.
Pri výbuchu jadrovej nálože sa 80 % energie uvoľní vo forme röntgenového žiarenia. Rýchlosť jeho šírenia je oveľa vyššia ako rýchlosť šírenia fragmentov štiepenia plutónia. Po stotinách mikrosekundy sa uránová clona vyparí a röntgenové žiarenie začne intenzívne pohlcovať urán termonukleárnej nálože. V dôsledku takzvanej ablácie (odstránenia hmoty z povrchu ohrievanej nádoby) vzniká reaktívna sila, ktorá nádobu 10x stlačí. Tento efekt sa nazýva radiačná implózia alebo radiačná kompresia. V tomto prípade sa hustota termonukleárneho paliva zvyšuje 1000-krát. V dôsledku kolosálneho tlaku radiačnej implózie je centrálna tyč uránu-235 tiež stlačená, aj keď v menšej miere, a prechádza do superkritického stavu. V tomto čase je termonukleárna jednotka bombardovaná rýchlymi neutrónmi z jadrového výbuchu. Po prechode lítium-6 deuteridom sa spomaľujú a sú intenzívne absorbované uránovou tyčou.
V tyči začína štiepna reťazová reakcia, ktorá rýchlo vedie k jadrovému výbuchu vo vnútri nádoby. Keďže deuterid lítium-6 je vystavený ablatívnej kompresii zvonku a tlaku jadrového výbuchu zvnútra, jeho hustota a teplota sa ešte viac zvyšujú. Tento moment je začiatkom syntéznej reakcie. Jeho ďalšia údržba je daná tým, ako dlho bude kontajner v sebe zadržiavať termonukleárne procesy, čím sa zabráni úniku tepelnej energie von. To je presne to, čo určuje dosiahnutie Lawsonovho kritéria. Termonukleárne palivo dohorí od osi valca až po jeho okraj. Teplota čela spaľovania dosahuje 300 miliónov Kelvinov. Úplné rozvinutie explózie, kým nevyhorí termonukleárne palivo a nádoba sa nezničí, trvá niekoľko stoviek nanosekúnd – dvadsať miliónov krát rýchlejšie, ako vám trvalo prečítať túto frázu.
Spoľahlivá prevádzka dvojstupňového okruhu závisí od presnej montáže nádoby a zabránenia predčasnému zahriatiu.
Výkon termonukleárnej nálože pre Teller-Ulamov obvod závisí od výkonu jadrovej spúšte, ktorá zaisťuje účinnú kompresiu radiáciou. Teraz však existujú viacstupňové obvody, v ktorých sa energia predchádzajúceho stupňa používa na stlačenie nasledujúceho stupňa. Príkladom trojstupňovej schémy je už spomínaná 100-megatonová „Kuzkina matka“.
Mnoho našich čitateľov spája vodíkovú bombu s atómovou, len oveľa výkonnejšou. V skutočnosti ide o zásadne novú zbraň, ktorá si na jej vytvorenie vyžadovala neúmerne veľké intelektuálne úsilie a funguje na zásadne odlišných fyzikálnych princípoch.
Jediné, čo majú atómová a vodíková bomba spoločné, je to, že obe uvoľňujú kolosálnu energiu ukrytú v atómovom jadre. Dá sa to urobiť dvoma spôsobmi: rozdeliť ťažké jadrá, napríklad urán alebo plutónium, na ľahšie (štiepna reakcia) alebo prinútiť najľahšie izotopy vodíka, aby sa spojili (fúzna reakcia). V dôsledku oboch reakcií je hmotnosť výsledného materiálu vždy menšia ako hmotnosť pôvodných atómov. Ale hmota nemôže zmiznúť bez stopy – mení sa na energiu podľa známeho Einsteinovho vzorca E=mc 2.
Na vytvorenie atómovej bomby je nevyhnutnou a postačujúcou podmienkou získanie štiepneho materiálu v dostatočnom množstve. Práca je dosť náročná na prácu, ale s nízkou intelektovou úrovňou, ktorá leží bližšie k ťažobnému priemyslu ako k vysoká veda. Hlavné zdroje na výrobu takýchto zbraní sa vynakladajú na výstavbu obrovských uránových baní a závodov na obohacovanie uránu. O jednoduchosti zariadenia svedčí fakt, že medzi výrobou plutónia potrebného na prvú bombu a prvým sovietskym jadrovým výbuchom neuplynul ani mesiac.
Pripomeňme si v krátkosti princíp fungovania takejto bomby, známy zo školských kurzov fyziky. Je založená na vlastnosti uránu a niektorých transuránových prvkov, napríklad plutónia, uvoľniť počas rozpadu viac ako jeden neutrón. Tieto prvky sa môžu rozpadnúť buď spontánne, alebo pod vplyvom iných neutrónov.
Uvoľnený neutrón môže opustiť rádioaktívny materiál alebo sa môže zraziť s iným atómom, čo spôsobí ďalšiu štiepnu reakciu. Keď sa prekročí určitá koncentrácia látky (kritická hmotnosť), počet novorodených neutrónov, ktoré spôsobujú ďalšie štiepenie atómového jadra, začína prevyšovať počet rozpadajúcich sa jadier. Počet rozpadajúcich sa atómov začína lavíne narastať a rodia sa nové neutróny, čiže nastáva reťazová reakcia. Pre urán-235 je kritická hmotnosť asi 50 kg, pre plutónium-239 - 5,6 kg. To znamená, že guľa plutónia s hmotnosťou o niečo menej ako 5,6 kg je len teplý kus kovu a hmotnosť o niečo viac trvá len niekoľko nanosekúnd.
Skutočná prevádzka bomby je jednoduchá: vezmeme dve hemisféry uránu alebo plutónia, každú o niečo menšiu ako je kritická hmotnosť, umiestnime ich do vzdialenosti 45 cm, zakryjeme ich výbušninami a odpálime. Urán alebo plutónium sa speká na kúsok superkritickej hmoty a začína jadrová reakcia. Všetky. Existuje ďalší spôsob, ako spustiť jadrovú reakciu - stlačiť kúsok plutónia silným výbuchom: vzdialenosť medzi atómami sa zníži a reakcia začne pri nižšej kritickej hmotnosti. Na tomto princípe fungujú všetky moderné atómové rozbušky.
Problémy s atómovou bombou začínajú od okamihu, keď chceme zvýšiť silu výbuchu. Jednoduché zvýšenie štiepneho materiálu nestačí - akonáhle jeho hmotnosť dosiahne kritickú hmotnosť, exploduje. Boli vynájdené rôzne dômyselné schémy, napríklad vyrobiť bombu nie z dvoch častí, ale z mnohých, vďaka čomu sa bomba začala podobať vypitvanému pomaranču, a potom ju poskladať do jedného kusu jedným výbuchom, ale stále so silou. nad 100 kiloton, problémy sa stali neprekonateľnými.
Palivo pre termonukleárnu fúziu však nemá kritické množstvo. Tu nám nad hlavou visí Slnko naplnené termonukleárnym palivom, v jeho vnútri už miliardu rokov prebieha termonukleárna reakcia – a nič nevybuchne. Okrem toho sa pri syntéznej reakcii napríklad deutéria a trícia (ťažký a superťažký izotop vodíka) uvoľňuje 4,2-krát viac energie ako pri spaľovaní rovnakej hmotnosti uránu-235.
Výroba atómovej bomby bola skôr experimentálnym ako teoretickým procesom. Tvorba vodíková bomba si vyžiadal vznik úplne nových fyzikálnych disciplín: fyziky vysokoteplotnej plazmy a ultravysokých tlakov. Pred začatím konštrukcie bomby bolo potrebné dôkladne pochopiť podstatu javov, ktoré sa vyskytujú iba v jadre hviezd. Žiadne experimenty tu nepomohli - nástrojmi vedcov boli iba teoretická fyzika a vyššia matematika. Nie je náhoda, že gigantickú úlohu vo vývoji termonukleárnych zbraní majú matematici: Ulam, Tikhonov, Samarsky atď.
Klasika super
Do konca roku 1945 Edward Teller navrhol prvý dizajn vodíkovej bomby, nazvaný „klasická super“. Na vytvorenie monštruózneho tlaku a teploty potrebnej na spustenie fúznej reakcie mala použiť konvenčnú atómovú bombu. Samotný „klasický super“ bol dlhý valec naplnený deutériom. K dispozícii bola aj medziľahlá „zapaľovacia“ komora so zmesou deutéria a trícia - syntézna reakcia deutéria a trícia začína pri nižšom tlaku. Analogicky s ohňom, deutérium malo hrať úlohu palivového dreva, zmes deutéria a trícia - pohár benzínu a atómová bomba - zápalka. Táto schéma sa nazývala „fajka“ - druh cigary s atómovým zapaľovačom na jednom konci. Sovietski fyzici začali vyvíjať vodíkovú bombu podľa rovnakej schémy.
Matematik Stanislav Ulam však pomocou obyčajného logaritmu Tellerovi dokázal, že výskyt fúznej reakcie čistého deutéria v „super“ je sotva možný a zmes by vyžadovala také množstvo trícia, že na jej výrobu by prakticky zmraziť výrobu plutónia na zbrane v Spojených štátoch.
Posypte cukrom
V polovici roku 1946 Teller navrhol ďalší dizajn vodíkovej bomby - „budík“. Pozostával zo striedajúcich sa sférických vrstiev uránu, deutéria a trícia. Pri jadrovom výbuchu centrálnej náplne plutónia sa vytvoril potrebný tlak a teplota na spustenie termonukleárnej reakcie v ďalších vrstvách bomby. „Budík“ však vyžadoval vysokovýkonný atómový iniciátor a Spojené štáty (rovnako ako ZSSR) mali problémy s výrobou uránu a plutónia na zbrane.
Na jeseň 1948 prišiel k podobnej schéme Andrej Sacharov. V Sovietskom zväze sa dizajn nazýval „sloyka“. Pre ZSSR, ktorý nemal čas vyrábať zbrojný urán-235 a plutónium-239 v dostatočnom množstve, bola Sacharovova nadýchaná pasta všeliekom. A tu je dôvod.
V konvenčnej atómovej bombe je prírodný urán-238 nielen zbytočný (energia neutrónov počas rozpadu nestačí na spustenie štiepenia), ale aj škodlivý, pretože dychtivo pohlcuje sekundárne neutróny a spomaľuje reťazovú reakciu. Preto 90 % uránu určeného na zbrane pozostáva z izotopu uránu-235. Neutróny vznikajúce pri termonukleárnej fúzii sú však 10-krát energetickejšie ako štiepne neutróny a prírodný urán-238 ožiarený takýmito neutrónmi sa začína vynikajúco štiepiť. Nová bomba umožnila použiť urán-238, ktorý bol predtým považovaný za odpadový produkt, ako výbušninu.
Vrcholom Sacharovovho „lístkového cesta“ bolo tiež použitie bielych pľúc namiesto akútne vzácneho trícia. kryštalická látka- deuterid lítny 6 LiD.
Ako bolo uvedené vyššie, zmes deutéria a trícia sa vznieti oveľa ľahšie ako čisté deutérium. Tu však výhody trícia končia a zostávajú len nevýhody: v normálnom stave je trícium plyn, ktorý spôsobuje ťažkosti so skladovaním; trícium je rádioaktívne a rozkladá sa na stabilné hélium-3, ktoré aktívne spotrebúva veľmi potrebné rýchle neutróny, čím sa obmedzuje skladovateľnosť bomby na niekoľko mesiacov.
Nerádioaktívny deutrid lítia sa po ožiarení pomalými štiepnymi neutrónmi – následky výbuchu atómovej poistky – zmení na trícium. Žiarenie z primárneho atómového výbuchu teda okamžite produkuje dostatočné množstvo trícia pre ďalšiu termonukleárnu reakciu a deutérium je spočiatku prítomné v deuteride lítnom.
Presne takáto bomba, RDS-6, bola úspešne otestovaná 12. augusta 1953 na veži testovacieho areálu Semipalatinsk. Sila výbuchu bola 400 kiloton a stále sa vedú diskusie o tom, či išlo o skutočný termonukleárny výbuch, alebo o supersilný atómový. Koniec koncov, termonukleárna fúzna reakcia v Sacharovovej nadýchanej paste netvorila viac ako 20% celkového nabíjacieho výkonu. K výbuchu prispela hlavne rozpadová reakcia uránu-238 ožiareného rýchlymi neutrónmi, vďaka čomu RDS-6 otvorili éru takzvaných „špinavých“ bômb.
Faktom je, že hlavná rádioaktívna kontaminácia pochádza z produktov rozpadu (najmä stroncia-90 a cézia-137). Sacharovovo „lístkové cesto“ bolo v podstate obrovskou atómovou bombou, len mierne vylepšenou termonukleárnou reakciou. Nie je náhoda, že len jedna explózia „lístkového cesta“ vyprodukovala 82 % stroncia-90 a 75 % cézia-137, ktoré sa dostalo do atmosféry počas celej histórie testovacej lokality Semipalatinsk.
Americké bomby
Boli to však Američania, ktorí ako prví odpálili vodíkovú bombu. 1. novembra 1952 bolo na atole Elugelab v Tichom oceáne úspešne otestované termonukleárne zariadenie Mike s výťažnosťou 10 megaton. 74-tonové americké zariadenie by bolo ťažké nazvať bombou. „Mike“ bolo objemné zariadenie veľkosti dvojposchodového domu, naplnené tekutým deutériom pri teplote blízkej absolútnej nule (Sacharovovo „lístkové cesto“ bolo úplne prenosným výrobkom). Vrcholom „Mikea“ však nebola jeho veľkosť, ale dômyselný princíp stláčania termonukleárnych výbušnín.
Pripomeňme, že hlavnou myšlienkou vodíkovej bomby je vytvorenie podmienok pre fúziu (ultravysoký tlak a teplota) prostredníctvom jadrového výbuchu. V schéme „nafúknutia“ je jadrový náboj umiestnený v strede, a preto deutérium ani tak nestláča, ako ho rozptyľuje smerom von - zvýšenie množstva termonukleárnej výbušniny nevedie k zvýšeniu výkonu - jednoducho to nie je mať čas vybuchnúť. To je presne to, čo obmedzuje maximálnu silu tejto schémy - najsilnejší „puf“ na svete, Orange Herald, vyhodený do vzduchu Britmi 31. mája 1957, vyniesol iba 720 kiloton.
Ideálne by bolo, keby sme vo vnútri nechali vybuchnúť atómovú rozbušku a stlačili termonukleárnu výbušninu. Ale ako to urobiť? Edward Teller predložil geniálny nápad: stlačiť termonukleárne palivo nie mechanickou energiou a tokom neutrónov, ale žiarením primárnej atómovej poistky.
V Tellerovom novom dizajne bola iniciačná atómová jednotka oddelená od termonukleárnej jednotky. Keď sa spustil atómový náboj, röntgenové žiarenie predchádzalo rázovej vlne a šírilo sa pozdĺž stien valcového telesa, vyparovalo sa a premieňalo polyetylénové vnútorné obloženie tela bomby na plazmu. Plazma zase vyžarovala mäkšie röntgenové lúče, ktoré boli absorbované vonkajšími vrstvami vnútorného valca uránu-238 - „tlačidla“. Vrstvy sa začali explozívne odparovať (tento jav sa nazýva ablácia). Horúcu uránovú plazmu môžeme prirovnať k prúdom supervýkonného raketového motora, ktorého ťah smeruje do valca s deutériom. Uránová fľaša sa zrútila, tlak a teplota deutéria dosiahli kritickú úroveň. Rovnaký tlak stlačil centrálnu plutóniovú trubicu na kritickú hmotnosť a tá explodovala. Výbuch plutóniovej rozbušky tlačil na deutérium zvnútra, čím ďalej stláčal a zahrieval termonukleárnu trhavinu, ktorá vybuchla. Intenzívny prúd neutrónov štiepi jadrá uránu-238 v „tlačidle“, čo spôsobuje sekundárnu rozpadovú reakciu. To všetko sa stihlo udiať ešte pred momentom, keď tlaková vlna z primárneho jadrového výbuchu dosiahla termonukleárny blok. Výpočet všetkých týchto udalostí, vyskytujúcich sa v miliardtinách sekundy, si vyžadoval mozgovú silu najsilnejších matematikov na planéte. Tvorcovia „Mike“ nezažili hrôzu z 10-megatonovej explózie, ale neopísateľnú radosť - podarilo sa im nielen pochopiť procesy, ktoré sa v skutočnom svete vyskytujú iba v jadrách hviezd, ale aj experimentálne otestovať svoje teórie nastavením vzbudiť svoju malú hviezdu na Zemi.
Bravo
Američania, ktorí prekonali Rusov v kráse dizajnu, nedokázali urobiť svoje zariadenie kompaktným: namiesto Sacharovovho práškového deuteridu lítneho použili tekuté podchladené deutérium. V Los Alamos reagovali na Sacharovovo „lístkové cesto“ s trochou závisti: „Rusi namiesto obrovskej kravy s vedrom surového mlieka používajú vrecko sušeného mlieka“. Obom stranám sa však nepodarilo pred sebou ukryť tajomstvá. 1. marca 1954 neďaleko atolu Bikini Američania otestovali 15-megatonovú bombu „Bravo“ s použitím deutridu lítneho a 22. novembra 1955 prvú sovietsku dvojstupňovú termonukleárnu bombu RDS-37 s výkonom 1,7 megatony. explodoval nad testovacou plochou Semipalatinsk a zdemoloval takmer polovicu testovacej plochy. Odvtedy prešla konštrukcia termonukleárnej bomby menšími zmenami (napríklad medzi iniciačnou bombou a hlavnou náložou sa objavil uránový štít) a stala sa kanonickou. A na svete už nezostali žiadne veľké záhady prírody, ktoré by sa dali vyriešiť takýmto veľkolepým experimentom. Možno zrod supernovy.
| Trochu teórie V termonukleárnej bombe sú 4 reakcie a prebiehajú veľmi rýchlo. Prvé dve reakcie slúžia ako zdroj materiálu pre tretiu a štvrtú, ktoré pri teplotách termonukleárneho výbuchu prebiehajú 30-100-krát rýchlejšie a poskytujú väčší energetický výťažok. Preto sa výsledné hélium-3 a trícium okamžite spotrebujú. Jadrá atómov sú kladne nabité, a preto sa navzájom odpudzujú. Aby zareagovali, treba ich tlačiť čelne, čím prekonajú elektrické odpudzovanie. To je možné len vtedy, ak sa pohybujú vysokou rýchlosťou. Rýchlosť atómov priamo súvisí s teplotou, ktorá by mala dosiahnuť 50 miliónov stupňov! Zahriatie deutéria na takú teplotu však nestačí; V prírode sa takéto teploty pri takýchto hustotách nachádzajú iba v jadre hviezd. |
Na uskutočnenie štiepnej reťazovej reakcie je potrebné vytvoriť rozmnožovacie médium pozostávajúce z čistej štiepnej látky alebo štiepnej látky a moderátora, ktorého zloženie zabezpečuje vývoj reakcie. Treba poznamenať, že v tomto prostredí budú nevyhnutne prítomné konštrukčné materiály. Výber chovného média s potrebnými parametrami však ešte neposkytuje všetky podmienky na reťazovú reakciu. S malou veľkosťou, a teda aj hmotnosťou živného média, väčšina neutrónov v ňom generovaných vyletí bez toho, aby mala čas spôsobiť štiepenie a nenastane samoudržujúca reťazová reakcia (SCR). Únik neutrónov z objemu so živným médiom vedie k rovnakému výsledku ako ich absorpcia bez štiepenia.
S rastúcou veľkosťou živného prostredia sa zvyšuje priemerná dĺžka dráhy neutrónov v ňom a následne sa zvyšuje počet zrážok s jadrami s následným štiepením a tvorbou nových neutrónov. to bolo bol zavedený multiplikačný faktor keff - pomer počtu neutrónov v nasledujúcej generácii k počtu neutrónov v predchádzajúcej. V tejto interpretácii, keď sa veľkosť média zvyšuje, keff sa zvyšuje z nuly s nulovou pravdepodobnosťou štiepenia na hodnoty väčšie ako jednota s lavínovitým zvýšením počtu neutrónov v sérii generácií.
Pri k eff, rovný jednej, intenzita štiepneho procesu sa v čase nemení – proces je samoudržiavací a takýto systém je tzv. kritický . Pri k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют podkritické . Keď k eff > 1 systém nadkritické.
Minimálna hmotnosť štiepneho materiálu potrebná na to, aby prebehla samoudržiavacia štiepna reakcia, sa nazýva kritické množstvo . Ak hmotnosť prekročí kritickú, potom sa v každej ďalšej generácii narodí viac neutrónov ako v predchádzajúcej a rozvinie sa reťazová reakcia. Hodnota kritickej hmotnosti závisí od vlastností štiepneho nuklidu (235 U alebo 239 Pu), zloženia živného prostredia a jeho prostredia. Veľkosť kritickej hmotnosti sa môže meniť od niekoľkých stoviek gramov v experimentálnych zariadeniach až po desiatky kilogramov v jadrových hlaviciach a niekoľko ton vo veľkých energetických reaktoroch. Predstavte si jadrový reaktor využívajúci prírodný urán. Môže v ňom dôjsť k samoudržiavacej reťazovej reakcii, ak počet sekundárnych neutrónov produkovaných počas štiepenia a schopných spôsobiť ďalšie štiepenie je dostatočný na udržanie rýchlosti štiepenia v reaktore na konštantnej úrovni.
KRITICKÁ HMOTNOSŤ, minimálna hmotnosť materiálu schopného štiepenia potrebná na spustenie REŤAZOVEJ REAKCIE v atómovej bombe alebo atómovom reaktore. V atómovej bombe je explodujúci materiál rozdelený na časti, z ktorých každá je menej ako kritická... ... Vedecko-technický encyklopedický slovník
Pozri KRITICKÚ HMOTNOSŤ. Raizberg B.A., Lozovsky L.Sh., Starodubtseva E.B.. Moderný ekonomický slovník. 2. vydanie, rev. M.: INFRA M. 479 s.. 1999 ... Ekonomický slovník
KRITICKÁ HMOTA- najmenšia (pozri) štiepna látka (urán 233 alebo 235, plutónium 239 atď.), pri ktorej môže vzniknúť a prebiehať samoudržiavacia reťazová reakcia štiepenia jadier atómov. Hodnota kritickej hmotnosti závisí od typu štiepnej látky, jej... ... Veľká polytechnická encyklopédia
KRITICKÁ hmotnosť, minimálna hmotnosť štiepneho materiálu (jadrového paliva), ktorá zabezpečuje priebeh samoudržiavacej reťazovej reakcie jadrového štiepenia. Hodnota kritickej hmotnosti (Mcr) závisí od typu jadrového paliva a jeho geometrického... ... Moderná encyklopédia
Minimálna hmotnosť štiepneho materiálu, ktorá zaisťuje samoudržiavaciu reťazovú reakciu jadrového štiepenia... Veľký encyklopedický slovník
Kritická hmotnosť je najmenšia hmotnosť paliva, v ktorej môže dôjsť k samoudržiavacej reťazovej reakcii jadrového štiepenia pri určitej konštrukcii a zložení jadra (závisí od mnohých faktorov, napríklad: zloženie paliva, moderátor, tvar... .. . Pojmy jadrová energetika
kritické množstvo- Najmenšia hmotnosť paliva, v ktorej môže dôjsť k samoudržiavacej reťazovej reakcii jadrového štiepenia pri určitej konštrukcii a zložení aktívnej zóny (závisí od mnohých faktorov, napríklad: zloženie paliva, moderátor, tvar jadra a... .. . Technická príručka prekladateľa
Kritická hmotnosť- KRITICKÁ HMOTNOSŤ, minimálna hmotnosť štiepneho materiálu (jadrového paliva), ktorá zaisťuje priebeh samoudržiavacej reťazovej reakcie jadrového štiepenia. Hodnota kritickej hmotnosti (Mcr) závisí od typu jadrového paliva a jeho geometrického... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník
Minimálne množstvo jadrového paliva obsahujúceho štiepne nuklidy (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), v ktorom je možná reťazová reakcia jadrového štiepenia (pozri Jadrové štiepenie. Jadrový reaktor, jadrový výbuch). K.m. závisí od veľkosti a tvaru...... Fyzická encyklopédia
Minimálna hmotnosť štiepneho materiálu, ktorá zaisťuje samoudržateľnú reťazovú reakciu jadrového štiepenia. * * * KRITICKÁ HMOTNOSŤ KRITICKÁ HMOTNOSŤ, minimálna hmotnosť štiepneho materiálu, ktorá zaisťuje prietok autonómneho ... Encyklopedický slovník