الكتلة الحرجة في الفيزياء النووية. هجوم نووي: الكتلة الحرجة للشحنة النووية. كرة القدم البلوتونيوم

لقد مر أكثر من شهرين بقليل على نهاية أفظع حرب في تاريخ البشرية. وهكذا ، في 16 يوليو 1945 ، تم اختبار أول قنبلة نووية من قبل الجيش الأمريكي ، وبعد شهر ، مات الآلاف من سكان المدن اليابانية في الجحيم الذري. منذ ذلك الحين ، تم تحسين الأسلحة ، وكذلك وسائل إيصالها إلى الأهداف ، بشكل مستمر لأكثر من نصف قرن.

أراد الجيش أن يحصل على ذخيرة فائقة القوة تحت تصرفه ، مجتاحًا مدنًا وبلدانًا بأكملها من الخريطة بضربة واحدة ، وذخيرة صغيرة جدًا يمكن وضعها في حقيبة. مثل هذا الجهاز من شأنه أن يرفع حرب التخريب إلى مستوى غير مسبوق. في كل من الأول والثاني كانت هناك صعوبات لا يمكن التغلب عليها. والسبب في ذلك هو ما يسمى بالكتلة الحرجة. ومع ذلك ، أول الأشياء أولا.

هذا قلب متفجر

لفهم ترتيب تشغيل الأجهزة النووية وفهم ما يسمى بالكتلة الحرجة ، دعنا نعود إلى المكتب لفترة من الوقت. من دورة الفيزياء المدرسية ، نتذكر قاعدة بسيطة: الشحنات التي تحمل الاسم نفسه تتنافر. هناك ، في المدرسة الثانويةيتم إخبار الطلاب عن بنية النواة الذرية ، المكونة من نيوترونات وجسيمات محايدة وبروتونات موجبة الشحنة. ولكن كيف يكون هذا ممكنا؟ الجسيمات المشحونة إيجابياً قريبة جدًا من بعضها البعض لدرجة أن قوى التنافر يجب أن تكون هائلة.

لا يفهم العلم تمامًا طبيعة القوى النووية التي تربط البروتونات معًا ، على الرغم من دراسة خصائص هذه القوى جيدًا. القوات تعمل فقط من مسافة قريبة جدا. ولكن بمجرد أن تنفصل البروتونات قليلاً في الفضاء ، تبدأ قوى التنافر بالسيطرة ، وتتفكك النواة إلى أجزاء. وقوة هذا التوسع هائلة حقًا. من المعروف أن قوة الذكر البالغ لن تكون كافية لاحتواء بروتونات نواة واحدة فقط من ذرة الرصاص.

ما الذي كان يخافه رذرفورد؟

حبات معظم عناصر الجدول الدوري مستقرة. ومع ذلك ، مع زيادة العدد الذري ، يتناقص هذا الاستقرار. إنها بحجم النوى. تخيل أن نواة ذرة يورانيوم تتكون من 238 نويدات ، منها 92 بروتونات. نعم ، البروتونات على اتصال وثيق مع بعضها البعض ، وتقوم القوى النووية بتدعيم الهيكل بأكمله بشكل آمن. لكن قوة التنافر للبروتونات الموجودة على طرفي نقيض للنواة تصبح ملحوظة.

ماذا فعل رذرفورد؟ لقد قصف الذرات بالنيوترونات (لن يمر الإلكترون عبر غلاف الإلكترون للذرة ، ولن يتمكن البروتون الموجب الشحنة من الاقتراب من النواة بسبب قوى التنافر). نترون يدخل نواة ذرة يسبب انشطاره. تطاير نصفان منفصلان واثنان أو ثلاثة نيوترونات حرة.

هذا الاضمحلال ، بسبب السرعات الهائلة للجسيمات الطائرة ، كان مصحوبًا بإطلاق طاقة هائلة. كانت هناك شائعة مفادها أن رذرفورد أراد إخفاء اكتشافه ، خوفًا من عواقبه المحتملة على البشرية ، لكن هذا على الأرجح ليس أكثر من قصة خيالية.

إذن ما علاقة الكتلة بها ولماذا هي حرجة

وماذا في ذلك؟ كيف يمكن للمرء أن يشع كمية كافية من المعدن المشع بتيار من البروتونات لإنتاج انفجار قوي؟ وما هي الكتلة الحرجة؟ يتعلق الأمر كله بتلك الإلكترونات الحرة القليلة التي تطير من نواة الذرة "المقذوفة" ، والتي بدورها ستصطدم مع نوى أخرى ، مما يؤدي إلى انشطارها. سيبدأ ما يسمى. ومع ذلك ، سيكون من الصعب للغاية إطلاقه.

دعونا نحسن المقياس. إذا أخذنا تفاحة على مائدتنا كنواة ذرة ، فلكي نتخيل نواة ذرة مجاورة ، يجب حمل نفس التفاحة ووضعها على الطاولة حتى في الغرفة المجاورة ، ولكن .. . في البيت المجاور. سيكون النيوترون بحجم حفرة الكرز.

ولكي لا تطير النيوترونات المنبعثة بعيدًا دون جدوى خارج سبيكة اليورانيوم ، وسيجد أكثر من 50٪ منها هدفها في شكل نوى ذرية ، يجب أن يكون لهذه السبيكة الأبعاد المناسبة. هذا ما يسمى بالكتلة الحرجة لليورانيوم - الكتلة التي يصطدم بها أكثر من نصف النيوترونات المنبعثة مع نوى أخرى.

في الواقع ، يحدث ذلك في لحظة. ينمو عدد النوى المنقسمة مثل الانهيار الجليدي ، وتندفع شظاياها في جميع الاتجاهات بسرعات مماثلة لسرعة الضوء ، مما يؤدي إلى تمزيق الهواء الطلق والماء وأي وسيط آخر. من اصطدامها بالجزيئات بيئةتصل درجة حرارة منطقة الانفجار على الفور إلى ملايين الدرجات ، مما يشع حرارة تحرق كل شيء في حي يبلغ طوله عدة كيلومترات.

يزداد حجم الهواء المسخن بشكل حاد على الفور ، مما يخلق موجة صدمة قوية تهب المباني من أساساتها ، وتقلب وتدمر كل شيء في طريقها ... هذه صورة انفجار ذري.

كيف يبدو في الممارسة

جهاز القنبلة الذرية بسيط بشكل مدهش. هناك نوعان من سبائك اليورانيوم (أو أخرى ، كتلة كل منهما أقل قليلاً من الكتلة الحرجة. إحدى السبائك مصنوعة على شكل مخروط ، والأخرى مصنوعة على شكل كرة مخروطية - ثقب على شكل: كما قد تتخيل ، عندما تجمع بين كلا النصفين ، تحصل على كرة تصل إلى الكتلة الحرجة ، هذه هي أبسط قنبلة نووية قياسية ، يتم توصيل نصفين باستخدام شحنة TNT التقليدية (يتم إطلاق المخروط في كرة).

لكن لا تعتقد أن مثل هذا الجهاز يمكن تجميعه "على الركبة" من قبل أي شخص. الحيلة الكاملة هي أن اليورانيوم ، لكي تنفجر منه قنبلة ، يجب أن يكون نقيًا جدًا ، ووجود الشوائب هو صفر عمليًا.

لماذا لا توجد قنبلة ذرية بحجم علبة السجائر

كل هذا لنفس السبب. تبلغ الكتلة الحرجة للنظير الأكثر شيوعًا لليورانيوم 235 حوالي 45 كجم. إن انفجار مثل هذه الكمية من الوقود النووي هو بالفعل كارثة. ومن المستحيل صنعه بكمية أقل من مادة - فهو ببساطة لن يعمل.

للسبب نفسه ، لم يكن من الممكن إنشاء شحنات ذرية فائقة القوة من اليورانيوم أو غيره من المعادن المشعة. من أجل أن تكون القنبلة قوية للغاية ، فقد تم تصنيعها من اثني عشر سبيكة ، والتي عندما تم تفجير عبوات ناسفة ، تم نقلها إلى المركز ، وربطت مثل شرائح البرتقال.

لكن ماذا حدث بالفعل؟ إذا التقى عنصران ، لسبب ما ، أبكر بألف من الثانية عن العناصر الأخرى ، تم الوصول إلى الكتلة الحرجة بشكل أسرع من البقية "تصل في الوقت المناسب" ، فإن الانفجار لم يكن بالقوة التي توقعها المصممون. تم حل مشكلة الأسلحة النووية فائقة القوة فقط مع ظهور أسلحة نووية حرارية. لكن هذه قصة مختلفة قليلاً.

كيف تعمل الذرة المسالمة؟

إن محطة الطاقة النووية هي في الأساس نفس القنبلة النووية. فقط في هذه "القنبلة" توجد TVELs (عناصر الوقود) المصنوعة من اليورانيوم على مسافة ما من بعضها البعض ، مما لا يمنعها من تبادل "الضربة" النيوترونية.

تصنع قضبان الوقود على شكل قضبان ، يوجد بينها قضبان تحكم مصنوعة من مادة تمتص النيوترونات جيدًا. مبدأ العملية بسيط:

• يتم إدخال قضبان التنظيم (الممتصة) في الفراغ بين قضبان اليورانيوم - يتباطأ التفاعل أو يتوقف تمامًا ؛
• تتم إزالة قضبان التحكم من المنطقة - تتبادل العناصر المشعة النيوترونات بنشاط ، ويستمر التفاعل النووي بشكل مكثف.

في الواقع ، اتضح نفس الشيء قنبلة ذرية، حيث يتم الوصول إلى الكتلة الحرجة بسلاسة شديدة ويتم تنظيمها بوضوح بحيث لا يؤدي إلى انفجار ، ولكن يؤدي فقط إلى تسخين المبرد.

على الرغم من أنه ، لسوء الحظ ، كما تظهر الممارسة ، ليس دائمًا العبقرية البشرية قادرة على كبح هذه الطاقة الهائلة والمدمرة - طاقة اضمحلال النواة الذرية.

كلما كانت أبعاد المفاعل أكبر (التسرب يمر فقط عبر السطح) وكلما اقترب شكل قلب المفاعل من الكرة ، كان التسرب أصغر (مع ثبات العوامل الأخرى) وكان التسرب أعلى.

للتفاعل المتسلسل k eff = P ∙ k ∞ = 1

يتم تحقيق ذلك عند حجم دقيق معين للمفاعل ، وهو ما يسمى بالحجم الحرج للمفاعل.

والكتلة الأصغر من الوقود النووي الموجودة في قلب المفاعل ذات الحجم الحرج ، والتي يمكن أن يحدث فيها تفاعل متسلسل لانشطار الوقود ، تسمى الكتلة الحرجة. تعتمد قيمتها على عدد من العوامل:

1). درجة تخصيب الوقود.

2) الكمية والخصائص النووية للوسيط والمواد الإنشائية ؛

3). عاكس فعال.

إن استخدام التخصيب يجعل من الممكن تقليل حجم الكتلة الحرجة والمفاعل (تخصيب اليورانيوم بنظير اليورانيوم 235> 5٪ لا يعطي زيادة كبيرة في توازن النيوترونات).

الكتلة الحرجة وأبعاد قلب المفاعل.

1) احتراق الوقود لتوليد كمية معينة من الطاقة (طاقة معينة لفترة زمنية معينة) ؛

2) تعويض الامتصاص الضار وتعويض تأثيرات درجة الحرارة التي تنشأ في سياق التفاعل النووي.

بمجرد أن تصبح كتلة الوقود المحمل أكبر من الكتلة الحرجة لـ eff> 1 ، مما يؤدي إلى الحالة فوق الحرجة للمفاعل.

للحفاظ على k eff = 1 ، يحتوي المفاعل على نظام تعويض وتحكم ، يتم من خلاله إدخال ألواح وقضبان خاصة في القلب تمتص بقوة النيوترونات ، والتي تتحرك مع احتراق الوقود.

يُطلق على وقت تشغيل الوقود في المفاعل بكامل طاقته بين الأحمال حملة المفاعل (قضبان قابلة للتعديل مصنوعة من الكادميوم 113 ، الجرافيت 114 ، بار 10).

يقرن العديد من قرائنا القنبلة الهيدروجينية بالقنبلة الذرية ، إلا أنها أقوى بكثير. في الواقع ، هذا سلاح جديد في الأساس يتطلب جهودًا فكرية كبيرة بشكل غير متناسب لإنشائه ويعمل على مبادئ فيزيائية مختلفة اختلافًا جذريًا.

الشيء الوحيد الذي تشترك فيه القنبلة الذرية والقنبلة الهيدروجينية هو أن كليهما يطلق الطاقة الهائلة المخبأة في النواة الذرية. يمكن القيام بذلك بطريقتين: تقسيم النوى الثقيلة ، مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم ، إلى نوى أخف (تفاعل انشطار) أو إجبار أخف نظائر الهيدروجين على الاندماج (تفاعل الاندماج). نتيجة لكلا التفاعلين ، تكون كتلة المادة الناتجة دائمًا أقل من كتلة الذرات الأولية. لكن الكتلة لا يمكن أن تختفي بدون أثر - إنها تتحول إلى طاقة وفقًا لمعادلة أينشتاين الشهيرة E = mc 2.

لإنشاء قنبلة ذرية ، فإن الشرط الضروري والكافي هو الحصول على المواد الانشطارية بكميات كافية. العمل شاق إلى حد ما ، لكنه ليس فكريًا جدًا ، وهو أقرب إلى صناعة التعدين منه إلى العلوم العالية. الموارد الرئيسية في صناعة مثل هذه الأسلحة تذهب إلى بناء مناجم اليورانيوم العملاقة ومعامل التخصيب. والدليل على بساطة الجهاز هو حقيقة أنه لم يمر شهر حتى بين الحصول على البلوتونيوم اللازم للقنبلة الأولى وأول انفجار نووي سوفيتي.

دعونا نتذكر بإيجاز مبدأ تشغيل مثل هذه القنبلة ، المعروف من مسار الفيزياء المدرسية. يقوم على خاصية اليورانيوم وبعض عناصر ما بعد اليورانيوم ، مثل البلوتونيوم ، لإطلاق أكثر من نيوترون واحد أثناء الاضمحلال. يمكن أن تتحلل هذه العناصر تلقائيًا وتحت تأثير النيوترونات الأخرى.

قد يترك النيوترون المنطلق المادة المشعة ، أو قد يصطدم بذرة أخرى ، مما يتسبب في تفاعل انشطار آخر. عندما يتم تجاوز تركيز معين من مادة (الكتلة الحرجة) ، فإن عدد النيوترونات حديثي الولادة التي تسبب المزيد من الانشطار للنواة الذرية يبدأ في تجاوز عدد النوى المتحللة. يبدأ عدد الذرات المتحللة في النمو مثل الانهيار الجليدي ، مما يؤدي إلى ولادة نيوترونات جديدة ، أي يحدث تفاعل متسلسل. بالنسبة لليورانيوم 235 ، تبلغ الكتلة الحرجة حوالي 50 كجم ، أما بالنسبة للبلوتونيوم 239 فتبلغ 5.6 كجم. أي أن كرة البلوتونيوم التي تزن أقل بقليل من 5.6 كجم هي مجرد قطعة معدنية دافئة ، وتوجد كتلة أكبر قليلاً لبضع نانو ثانية فقط.

في الواقع ، تشغيل القنبلة بسيط: نأخذ نصفي كرة من اليورانيوم أو البلوتونيوم ، كل منهما أقل بقليل من الكتلة الحرجة ، ونضعهما على مسافة 45 سم ، ونغطيهما بالمتفجرات وننفجر. يتم تلبيد اليورانيوم أو البلوتونيوم في قطعة من الكتلة فوق الحرجة ، ويبدأ التفاعل النووي. كل شئ. هناك طريقة أخرى لبدء تفاعل نووي - لضغط قطعة من البلوتونيوم بانفجار قوي: ستنخفض المسافة بين الذرات ، وسيبدأ التفاعل عند كتلة حرجة أقل. تعمل جميع أجهزة التفجير الذرية الحديثة على هذا المبدأ.

تبدأ مشاكل القنبلة الذرية من اللحظة التي نريد فيها زيادة قوة الانفجار. لا غنى عن زيادة بسيطة في المواد الانشطارية - بمجرد أن تصل كتلتها إلى كتلة حرجة ، فإنها تنفجر. تم وضع مخططات بارعة مختلفة ، على سبيل المثال ، لصنع قنبلة ليس من جزأين ، ولكن من جزأين ، مما جعل القنبلة تبدأ في تشبه البرتقالة التالفة ، ثم تجميعها في قطعة واحدة بانفجار واحد ، ولكن مع قوة من أكثر من 100 كيلوطن ، أصبحت المشاكل مستعصية على الحل.

لكن وقود الاندماج النووي الحراري لا يحتوي على كتلة حرجة. هنا الشمس ، مليئة بالوقود النووي الحراري ، معلقة فوقها ، تفاعل نووي حراري مستمر داخلها منذ مليار سنة ، ولا شيء ينفجر. بالإضافة إلى ذلك ، أثناء تفاعل الاندماج ، على سبيل المثال ، الديوتيريوم والتريتيوم (نظير الهيدروجين الثقيل والثقيل) ، يتم إطلاق 4.2 مرة من الطاقة أكثر مما يحدث عند حرق نفس كتلة اليورانيوم 235.

كان تصنيع القنبلة الذرية تجريبيًا أكثر من نظريًا. تطلب إنشاء قنبلة هيدروجينية ظهور تخصصات فيزيائية جديدة تمامًا: فيزياء البلازما ذات درجة الحرارة العالية والضغوط الفائقة. قبل البدء في تصميم القنبلة ، كان من الضروري أن نفهم تمامًا طبيعة الظواهر التي تحدث فقط في قلب النجوم. لا توجد تجارب يمكن أن تساعد هنا - أدوات الباحثين كانت فقط فيزياء نظرية ورياضيات أعلى. ليس من قبيل المصادفة أن دورًا هائلًا في تطوير الأسلحة النووية الحرارية يعود على وجه التحديد إلى علماء الرياضيات: أولام ، تيخونوف ، سامارسكي ، وما إلى ذلك.

كلاسيك سوبر

بحلول نهاية عام 1945 ، اقترح إدوارد تيلر أول تصميم لقنبلة هيدروجينية ، أطلق عليها اسم "السوبر الكلاسيكي". لإنشاء الضغط الهائل ودرجة الحرارة اللازمة لبدء تفاعل الاندماج ، كان من المفترض استخدام قنبلة ذرية تقليدية. كانت "السوبر الكلاسيكية" نفسها عبارة عن أسطوانة طويلة مليئة بالديوتيريوم. كما تم توفير غرفة "اشتعال" وسيطة بخليط الديوتيريوم والتريتيوم - يبدأ تفاعل تخليق الديوتيريوم والتريتيوم عند ضغط منخفض. بالقياس على النار ، كان من المفترض أن يلعب الديوتيريوم دور الحطب ، ومزيج من الديوتيريوم والتريتيوم - كوب من البنزين ، والقنبلة الذرية - أعواد الثقاب. مثل هذا المخطط كان يسمى "الأنابيب" - نوع من السيجار مع ولاعة ذرية في أحد طرفيه. وفقًا للمخطط نفسه ، بدأ الفيزيائيون السوفييت في تطوير قنبلة هيدروجينية.

ومع ذلك ، أثبت عالم الرياضيات ستانيسلاف أولام لـ Teller وفقًا لقاعدة شريحة عادية أن حدوث تفاعل اندماج من الديوتيريوم النقي في "سوبر" يكاد يكون ممكنًا ، وسيتطلب الخليط مثل هذه الكمية من التريتيوم التي ستكون ضرورية لإنتاجه لتجميد إنتاج البلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة في الولايات المتحدة عمليًا.

نفخة السكر

في منتصف عام 1946 ، اقترح تيلر مخططًا آخر للقنبلة الهيدروجينية - "المنبه". وهي تتألف من طبقات كروية متناوبة من اليورانيوم والديوتيريوم والتريتيوم. أثناء الانفجار النووي للشحنة المركزية للبلوتونيوم ، تم إنشاء الضغط ودرجة الحرارة اللازمين لبدء تفاعل حراري نووي في طبقات أخرى من القنبلة. ومع ذلك ، بالنسبة لـ "المنبه" ، كانت هناك حاجة إلى بادئ ذري عالي الطاقة ، وقد واجهت الولايات المتحدة (مثل الاتحاد السوفيتي بالفعل) مشاكل في إنتاج اليورانيوم والبلوتونيوم المستخدم في صنع الأسلحة.

في خريف عام 1948 ، توصل أندريه ساخاروف إلى مخطط مماثل. في الاتحاد السوفياتي ، كان التصميم يسمى "سلويكا". بالنسبة لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، الذي لم يكن لديه الوقت الكافي لإنتاج اليورانيوم -235 والبلوتونيوم -239 من النوع الذي يستخدم في صنع الأسلحة ، كان نفخة ساخاروف حلاً سحريًا. وهذا هو السبب.

في القنبلة الذرية العادية ، لا يكون اليورانيوم 238 الطبيعي عديم الفائدة فقط (طاقة النيوترونات أثناء التحلل ليست كافية لبدء الانشطار) ، ولكنه ضار أيضًا ، لأنه يمتص بجشع نيوترونات ثانوية ، مما يؤدي إلى إبطاء التفاعل المتسلسل. لذلك ، فإن اليورانيوم المستخدم في صنع الأسلحة يتكون من 90٪ من نظير اليورانيوم -235. ومع ذلك ، فإن النيوترونات الناتجة عن الاندماج النووي الحراري أكثر نشاطًا بعشر مرات من نيوترونات الانشطار ، ويبدأ اليورانيوم الطبيعي 238 المشع بمثل هذه النيوترونات في الانشطار بشكل ممتاز. جعلت القنبلة الجديدة من الممكن استخدام اليورانيوم 238 كمادة متفجرة ، والتي كانت تعتبر في السابق نفايات.

كان أهم ما يميز "نفخة" ساخاروف هو استخدام مادة بلورية ذات ضوء أبيض ، وهي ديوتريد الليثيوم 6 LiD ، بدلاً من التريتيوم الذي يعاني من نقص حاد.

كما ذكرنا سابقًا ، يشتعل خليط من الديوتيريوم والتريتيوم بسهولة أكبر بكثير من الديوتيريوم النقي. ومع ذلك ، هذا هو المكان الذي تنتهي فيه مزايا التريتيوم ، وتبقى العيوب فقط: في الحالة الطبيعية ، يعتبر التريتيوم غازًا ، مما يسبب صعوبات في التخزين ؛ يعتبر التريتيوم مشعًا ، وعندما يتحلل ، يتحول إلى هيليوم 3 مستقر ، يلتهم بنشاط النيوترونات السريعة التي تشتد الحاجة إليها ، مما يحد من العمر الافتراضي للقنبلة إلى بضعة أشهر.

ديوتريد الليثيوم غير المشع ، عند تعريضه للإشعاع بنيوترونات بطيئة الانشطار - نتيجة انفجار فتيل ذري - يتحول إلى تريتيوم. وهكذا ، ينتج إشعاع الانفجار الذري الأولي في لحظة ما يكفي من التريتيوم لتفاعل نووي حراري إضافي ، والديوتيريوم موجود في الليثيوم الديوتيريوم منذ البداية.

تم اختبار هذه القنبلة ، RDS-6s ، بنجاح في 12 أغسطس 1953 على برج موقع اختبار سيميبالاتينسك. كانت قوة الانفجار 400 كيلوطن ، ولم تتوقف الخلافات بعد ما إذا كان انفجارًا نوويًا حراريًا حقيقيًا أم انفجارًا ذريًا فائق القوة. في الواقع ، فإن تفاعل الاندماج النووي الحراري في نفخة ساخاروف لم يمثل أكثر من 20 ٪ من إجمالي طاقة الشحن. كان الإسهام الرئيسي في الانفجار هو تفاعل اضمحلال اليورانيوم 238 المشع بالنيوترونات السريعة ، وبفضل ذلك فتحت RDS-6s عصر ما يسمى بالقنابل "القذرة".

الحقيقة هي أن التلوث الإشعاعي الرئيسي هو فقط منتجات الاضمحلال (على وجه الخصوص ، السترونشيوم 90 والسيزيوم 137). في جوهرها ، كانت "سلويكا" ساخاروف قنبلة ذرية عملاقة ، تم تعزيزها بشكل طفيف فقط من خلال تفاعل نووي حراري. ليس من قبيل المصادفة أن انفجارًا واحدًا فقط من "سلويكا" أنتج 82٪ من السترونشيوم 90 و 75٪ من السيزيوم 137 ، والتي دخلت الغلاف الجوي خلال التاريخ الكامل لوجود موقع اختبار سيميبالاتينسك.

القنابل الأمريكية

ومع ذلك ، كان الأمريكيون هم من فجروا القنبلة الهيدروجينية الأولى. 1 نوفمبر 1952 في Elugelab atoll in المحيط الهاديتم اختبار جهاز الاندماج "مايك" بقوة 10 ميغا طن بنجاح. قد يكون من الصعب تسمية قنبلة بوزن 74 طنًا. كان "مايك" جهازًا ضخمًا بحجم منزل من طابقين ، مملوء بالديوتيريوم السائل عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق (كان ساخاروف "سلويكا" منتجًا قابلاً للنقل تمامًا). ومع ذلك ، فإن أهم ما يميز "مايك" لم يكن الحجم ، ولكن المبدأ المبتكر لضغط المتفجرات النووية الحرارية.

تذكر أن الفكرة الرئيسية للقنبلة الهيدروجينية هي تهيئة الظروف للاندماج (ضغط ودرجة حرارة عاليان للغاية) من خلال انفجار نووي. في مخطط "النفخ" ، توجد الشحنة النووية في المركز ، وبالتالي فهي لا تضغط الديوتيريوم بقدر ما تشتت إلى الخارج - لا تؤدي الزيادة في كمية المتفجرات النووية الحرارية إلى زيادة الطاقة - إنها ببساطة ليس لديه وقت للتفجير. هذا ما يحد من القوة القصوى لهذا المخطط - أعطت أقوى "نفخة" أورانج هيرالد في العالم ، التي فجرها البريطانيون في 31 مايو 1957 ، 720 كيلوطن فقط.

سيكون من المثالي إذا أمكن جعل الفتيل الذري ينفجر بالداخل عن طريق الضغط على المتفجرات النووية الحرارية. ولكن كيف نفعل ذلك؟ طرح إدوارد تيلر فكرة رائعة: ضغط الوقود النووي الحراري ليس عن طريق الطاقة الميكانيكية وتدفق النيوترونات ، ولكن عن طريق الإشعاع من الفتيل الذري الأساسي.

في التصميم الجديد لـ Teller ، تم تباعد العقدة الذرية البادئة بعيدًا عن الوحدة الحرارية النووية. تجاوزت الأشعة السينية أثناء تشغيل الشحنة الذرية موجة الصدمة وانتشرت على طول جدران الجسم الأسطواني ، وتبخرت وتحولت إلى بلازما البطانة الداخلية من البولي إيثيلين لجسم القنبلة. أعادت البلازما ، بدورها ، إشعاع أشعة سينية أكثر ليونة ، والتي امتصتها الطبقات الخارجية من الأسطوانة الداخلية لليورانيوم 238 - "الدافع". بدأت الطبقات بالتبخر بشكل متفجر (تسمى هذه الظاهرة الاجتثاث). يمكن مقارنة بلازما اليورانيوم المتوهجة بطائرات محرك صاروخي فائق القوة ، يتم توجيه دفعها إلى الأسطوانة مع الديوتيريوم. انهارت اسطوانة اليورانيوم ، ووصل ضغط ودرجة حرارة الديوتيريوم مستوى حرج. ضغط نفس الضغط على أنبوب البلوتونيوم المركزي إلى كتلة حرجة ، ثم انفجر. ضغط انفجار فتيل البلوتونيوم على الديوتيريوم من الداخل ، بالإضافة إلى ضغط وتسخين المتفجرات النووية الحرارية التي انفجرت. يقسم التدفق الشديد للنيوترونات نوى اليورانيوم 238 في الدافع ، مما يتسبب في تفاعل اضمحلال ثانوي. كل هذا كان ليحدث قبل اللحظة التي وصلت فيها موجة الانفجار من الانفجار النووي الأولي إلى الوحدة الحرارية النووية. تطلب حساب كل هذه الأحداث التي تحدث في جزء من المليار من الثانية إجهاد عقول أقوى علماء الرياضيات على هذا الكوكب. لم يشعر مبتكرو فيلم "مايك" بالرعب من انفجار 10 ميغا طن ، بل بهجة لا توصف - فقد تمكنوا ليس فقط من فهم العمليات التي تحدث في العالم الحقيقي فقط في قلب النجوم ، ولكن أيضًا اختبار نظرياتهم تجريبياً من خلال ترتيبها نجم صغير على الأرض.

أحسنت

تفوق الأمريكيون على الروس من حيث جمال تصميمهم ، فلم يتمكنوا من جعل أجهزتهم مضغوطة: فقد استخدموا الديوتيريوم السائل فائق التبريد بدلاً من مسحوق ديوتريد الليثيوم المسحوق في ساخاروف. في لوس ألاموس ، تفاعلوا مع نفخة ساخاروف بدرجة من الحسد: "بدلاً من بقرة ضخمة مع دلو من الحليب الخام ، يستخدم الروس عبوة من الحليب المجفف." ومع ذلك ، فشل كلا الجانبين في إخفاء الأسرار عن بعضهما البعض. في 1 مارس 1954 ، بالقرب من بيكيني أتول ، اختبر الأمريكيون قنبلة برافو 15 ميغا طن على ديوتريد الليثيوم ، وفي 22 نوفمبر 1955 ، انفجرت أول قنبلة نووية حرارية سوفيتية من مرحلتين RDS-37 بسعة 1.7 ميغا طن فوق موقع اختبار Semipalatinsk ، مما أدى إلى هدم ما يقرب من نصف موقع الاختبار. منذ ذلك الحين ، خضع تصميم القنبلة النووية الحرارية لتغييرات طفيفة (على سبيل المثال ، ظهر درع من اليورانيوم بين القنبلة البادئة والشحنة الرئيسية) وأصبح قانونيًا. وفي العالم ، لم يعد هناك مثل هذا النطاق الواسع من ألغاز الطبيعة ، والتي يمكن حلها بمثل هذه التجربة المذهلة. هل هذه ولادة مستعر أعظم.

قليلا من النظرية توجد 4 ردود أفعال في القنبلة النووية الحرارية ، وهي تتقدم بسرعة كبيرة. يعمل التفاعلان الأولان كمصدر للمواد في التفاعلين الثالث والرابع ، اللذان ، عند درجات حرارة انفجار نووي حراري ، يتقدمان بسرعة 30-100 مرة ويعطيان عائدًا أكبر من الطاقة. لذلك ، يتم استهلاك الهيليوم 3 والتريتيوم الناتج على الفور. نوى الذرات موجبة الشحنة وبالتالي تتنافر. لكي يتفاعلوا ، يجب دفعهم وجهاً لوجه ، للتغلب على التنافر الكهربائي. هذا ممكن فقط إذا تحركوا بسرعة عالية. سرعة الذرات مرتبطة ارتباطا مباشرا بدرجة الحرارة التي ينبغي أن تصل إلى 50 مليون درجة! لكن لا يكفي تسخين الديوتيريوم إلى درجة الحرارة هذه ؛ في الطبيعة ، توجد درجات حرارة كهذه عند مثل هذه الكثافة فقط في قلب النجوم.

جهاز غامض قادر على إطلاق غيغا جول من الطاقة خلال فترة زمنية قصيرة بشكل لا يوصف محاط بالرومانسية المشؤومة. وغني عن القول ، في جميع أنحاء العالم ، كان العمل على الأسلحة النووية سريًا للغاية ، وكانت القنبلة نفسها مليئة بمجموعة من الأساطير والأساطير. دعونا نحاول التعامل معهم بالترتيب.

أندري سوفوروف

لا شيء يولد نفس القدر من الاهتمام مثل القنبلة الذرية

أغسطس 1945. إرنست أورلاندو لورانس في معمل القنبلة الذرية

1954 بعد ثماني سنوات من الانفجار الذي وقع قبالة جزيرة بيكيني أتول ، اكتشف العلماء اليابانيون مستوى عالالإشعاع من الأسماك التي يتم صيدها في المياه المحلية

الكتلة الحرجة

لقد سمع الجميع أن هناك كتلة حرجة معينة يجب اكتسابها لبدء تفاعل نووي متسلسل. هذا فقط من أجل حدوث انفجار نووي حقيقي ، لا تكفي كتلة حرجة واحدة - سيتوقف التفاعل على الفور تقريبًا ، قبل أن يتوفر الوقت الكافي لإطلاق الطاقة الملحوظة. من أجل انفجار واسع النطاق يصل إلى عدة كيلوطن أو عشرات الكيلوطنات ، من الضروري جمع اثنين أو ثلاثة في نفس الوقت ، ويفضل أربع أو خمس كتل حرجة.

من الواضح أنه يجب تصنيع جزأين أو أكثر من اليورانيوم أو البلوتونيوم وتوصيلهما في الوقت المطلوب. في الإنصاف ، يجب القول أن الفيزيائيين فكروا أيضًا بنفس الطريقة عندما قاموا بتصميم قنبلة نووية. لكن الواقع قام بتعديلاته الخاصة.

الشيء هو ، إذا كان لدينا يورانيوم 235 أو بلوتونيوم 239 نقيًا جدًا ، فيمكننا فعل ذلك ، لكن كان على العلماء التعامل مع معادن حقيقية. بتخصيب اليورانيوم الطبيعي يمكنك صنع خليط يحتوي على 90٪ يورانيوم -235 و 10٪ يورانيوم -238 ، محاولات التخلص من ما تبقى من اليورانيوم 238 تؤدي إلى ارتفاع سريع جدا في تكلفة هذه المادة (يطلق عليها) اليورانيوم عالي التخصيب). يحتوي البلوتونيوم -239 ، الذي يتم الحصول عليه في مفاعل نووي من اليورانيوم 238 أثناء انشطار اليورانيوم -235 ، بالضرورة على خليط من البلوتونيوم -240.

يُطلق على نظيري اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239 زوجيًا لأن نواتهما تحتوي على عدد زوجي من البروتونات (92 لليورانيوم و 94 للبلوتونيوم) وعددًا فرديًا من النيوترونات (143 و 145 على التوالي). جميع النوى الزوجية الفردية للعناصر الثقيلة لها خاصية مشتركة: نادرًا ما تنشطر تلقائيًا (يقول العلماء: "تلقائيًا") ، لكنها تنشطر بسهولة عندما تصطدم بنواة نيوترونية.

اليورانيوم 238 والبلوتونيوم -240 متساويان. على العكس من ذلك ، فهي لا تنشطر عمليًا مع نيوترونات ذات طاقات منخفضة ومتوسطة تطير من النوى الانشطارية ، ولكن من ناحية أخرى ، فإنها تنشطر تلقائيًا مئات أو عشرات الآلاف من المرات في كثير من الأحيان ، وتشكل خلفية نيوترونية. تجعل هذه الخلفية من الصعب جدًا صنع أسلحة نووية ، لأنها تؤدي إلى بدء رد الفعل قبل الأوان ، قبل أن يلتقي جزأا الشحنة. لهذا السبب ، في جهاز مُعد للانفجار ، يجب أن تكون أجزاء من الكتلة الحرجة بعيدة بما يكفي عن بعضها البعض ، ومتصلة بسرعة عالية.

قنبلة مدفع

ومع ذلك ، فإن القنبلة التي ألقيت على هيروشيما في 6 أغسطس 1945 ، تم تصنيعها بالضبط وفقًا للمخطط أعلاه. وصُنع جزأاه ، الهدف والرصاصة ، من اليورانيوم عالي التخصيب. كان الهدف اسطوانة قطرها 16 سم وارتفاعها ايضا 16 سم وفي وسطها ثقب قطره 10 سم صنعت رصاصة وفقا لهذه الفتحة. في المجموع ، احتوت القنبلة على 64 كجم من اليورانيوم.

كان الهدف محاطًا بقذيفة ، كانت الطبقة الداخلية منها مصنوعة من كربيد التنجستن ، وكانت الطبقة الخارجية مصنوعة من الفولاذ. كان الغرض من القذيفة مزدوجًا: إمساك الرصاصة عندما تصيب الهدف ، وعكس جزء على الأقل من النيوترونات المنبعثة من ظهر اليورانيوم. مع الأخذ في الاعتبار عاكس النيوترون ، 64 كجم كانت 2.3 كتلة حرجة. كيف حدث ذلك ، لأن كل قطعة كانت دون حرجة؟ الحقيقة هي أنه عن طريق إزالة الجزء الأوسط من الأسطوانة ، فإننا نخفض متوسط ​​كثافتها وتزيد قيمة الكتلة الحرجة. وبالتالي ، قد تتجاوز كتلة هذا الجزء الكتلة الحرجة لقطعة معدنية صلبة. لكن من المستحيل زيادة كتلة الرصاصة بهذه الطريقة ، لأنها يجب أن تكون صلبة.

تم تجميع كل من الهدف والرصاصة من قطع: هدف من عدة حلقات منخفضة الارتفاع ، ورصاصة من ستة كرات. السبب بسيط - يجب أن تكون فراغات اليورانيوم صغيرة الحجم ، لأنه أثناء التصنيع (الصب ، الضغط) على الفراغ ، يجب ألا تقترب الكمية الإجمالية لليورانيوم من الكتلة الحرجة. كانت الرصاصة مغلفة بسترة رقيقة الجدران من الفولاذ المقاوم للصدأ ، مع غطاء من كربيد التنجستن مثل الغلاف المستهدف.

من أجل توجيه الرصاصة إلى مركز الهدف ، قررنا استخدام فوهة البندقية التقليدية المضادة للطائرات من عيار 76.2 ملم. هذا هو السبب في أن هذا النوع من القنابل يشار إليه أحيانًا باسم قنبلة مدفع. كان البرميل يشعر بالملل من الداخل حتى 100 مم بحيث دخلت إليه مثل هذه المقذوفات غير العادية. كان طول البرميل 180 سم ، وتم تحميل المسحوق العادي الذي لا يدخن في حجرة الشحن الخاصة به ، والتي أطلقت رصاصة بسرعة حوالي 300 م / ث. وتم الضغط على الطرف الآخر من البرميل في ثقب في القذيفة المستهدفة.

كان لهذا التصميم الكثير من أوجه القصور.

كان الأمر شديد الخطورة: بمجرد تحميل البارود في غرفة الشحن ، فإن أي حادث يمكن أن يشعله سيؤدي إلى انفجار القنبلة بكامل قوتها. وبسبب هذا ، تم شحن البيروكسيلين بالفعل في الهواء عندما طارت الطائرة نحو الهدف.

في حالة وقوع حادث طائرة ، يمكن لأجزاء اليورانيوم الاتصال بدون بارود ، وذلك ببساطة من ضربة قوية على الأرض. لتجنب ذلك ، كان قطر الرصاصة أكبر بجزء من المليمتر من قطر التجويف في البرميل.

إذا سقطت القنبلة في الماء ، فبسبب اعتدال النيوترونات في الماء ، يمكن أن يبدأ التفاعل حتى بدون دمج الأجزاء. صحيح ، في هذه الحالة ، من غير المحتمل حدوث انفجار نووي ، ولكن سيحدث انفجار حراري ، مع رش اليورانيوم على مساحة كبيرة والتلوث الإشعاعي.

تجاوز طول القنبلة من هذا التصميم مترين ، وهذا لا يمكن التغلب عليه فعليًا. بعد كل شيء ، تم الوصول إلى حالة حرجة ، وبدأ رد الفعل عندما كان لا يزال هناك نصف متر جيد قبل توقف الرصاصة!

أخيرًا ، كانت هذه القنبلة مهدرة جدًا: أقل من 1٪ من اليورانيوم كان لديه الوقت للتفاعل فيها!

كانت ميزة القنبلة المدفعية واحدة بالضبط: لا يمكن أن تفشل في العمل. لم تكن حتى ستختبر! لكن كان على الأمريكيين اختبار قنبلة البلوتونيوم: كان تصميمها جديدًا ومعقدًا للغاية.

كرة القدم البلوتونيوم

عندما اتضح أنه حتى المزيج الصغير (أقل من 1٪) من البلوتونيوم -240 جعل من المستحيل تجميع قنبلة بلوتونيوم بواسطة مدفع ، اضطر الفيزيائيون إلى البحث عن طرق أخرى لاكتساب الكتلة الحرجة. وعثر على مفتاح متفجرات البلوتونيوم الرجل الذي أصبح فيما بعد أشهر "جاسوس نووي" - الفيزيائي البريطاني كلاوس فوكس.

كانت فكرته ، التي سميت فيما بعد "الانفجار الداخلي" ، هي تشكيل موجة صدمة كروية متقاربة من موجة متباعدة ، باستخدام ما يسمى بالعدسات المتفجرة. كان من المفترض أن تضغط موجة الصدمة هذه على قطعة من البلوتونيوم بحيث تتضاعف كثافتها.

إذا تسبب انخفاض الكثافة في زيادة الكتلة الحرجة ، فإن الزيادة في الكثافة يجب أن تقللها! بالنسبة للبلوتونيوم ، هذا صحيح بشكل خاص. البلوتونيوم مادة محددة للغاية. عندما يتم تبريد قطعة من البلوتونيوم من درجة حرارة انصهارها إلى درجة حرارة الغرفة ، فإنها تخضع لأربع انتقالات. في الأخير (حوالي 122 درجة) ، تزداد كثافته فجأة بنسبة 10٪. في هذه الحالة ، فإن أي صب سوف يتصدع حتمًا. لتجنب ذلك ، يتم خلط البلوتونيوم ببعض المعادن ثلاثية التكافؤ ، ثم تصبح الحالة السائبة مستقرة. يمكن استخدام الألمنيوم ، ولكن في عام 1945 ، كان يُخشى أن جزيئات ألفا المنبعثة من نوى البلوتونيوم أثناء تحللها ستقضي على النيوترونات الحرة من نوى الألومنيوم ، مما يزيد من الخلفية النيوترونية الملحوظة بالفعل ، لذلك تم استخدام الغاليوم في القنبلة الذرية الأولى.

من سبيكة تحتوي على 98٪ بلوتونيوم -239 ، 0.9٪ بلوتونيوم -240 و 0.8٪ غاليوم ، تم صنع كرة بقطر 9 سم فقط ووزن حوالي 6.5 كجم. يوجد في وسط الكرة تجويف بقطر 2 سم ، ويتكون من ثلاثة أجزاء: نصفان وأسطوانة بقطر 2 سم. تعمل هذه الأسطوانة كقابس يمكن من خلاله إدخال البادئ في التجويف الداخلي - مصدر للنيوترونات التي عملت عندما انفجرت القنبلة. يجب أن تكون جميع الأجزاء الثلاثة مطلية بالنيكل ، لأن البلوتونيوم يتأكسد بشكل فعال للغاية عن طريق الهواء والماء ويكون خطيرًا للغاية إذا دخل جسم الإنسان.

كانت الكرة محاطة بعاكس نيوتروني طبيعي من اليورانيوم 238 بسمك 7 سم ووزنه 120 كجم. يعتبر اليورانيوم عاكسًا جيدًا للنيوترونات السريعة ، وكان النظام المُجمع دون حرج قليلًا ، لذلك تم إدخال سدادة من الكادميوم بدلاً من البلوتونيوم ، الذي يمتص النيوترونات. يعمل العاكس أيضًا على الاحتفاظ بجميع تفاصيل التجميع الحرج أثناء التفاعل ، وإلا فإن معظم البلوتونيوم سيتطاير بعيدًا ، ولن يكون لديه وقت للمشاركة في التفاعل النووي.

ثم جاءت بعد ذلك طبقة من سبائك الألومنيوم مقاس 11.5 سم تزن 120 كجم. والغرض من الطبقة هو نفس الغرض من طلاء عدسات الأهداف: التأكد من أن موجة الانفجار تخترق مجموعة اليورانيوم والبلوتونيوم ولا تنعكس عنها. يرجع هذا الانعكاس إلى اختلاف الكثافة الكبير بين المتفجرات واليورانيوم (حوالي 1:10). بالإضافة إلى ذلك ، في موجة الصدمة ، تتبع موجة الضغط موجة خلخلة ، تسمى تأثير تايلور. أضعفت طبقة الألمنيوم موجة الخلخلة ، مما قلل من تأثير المتفجرات. كان لابد من مخدر الألومنيوم بالبورون ، الذي يمتص النيوترونات المنبعثة من نوى ذرات الألومنيوم تحت تأثير جسيمات ألفا الناتجة عن اضمحلال اليورانيوم 238.

أخيرًا ، كانت تلك "العدسات المتفجرة" بالخارج. كان هناك 32 منهم (20 ستة جوانب و 12 خماسي الجوانب) ، شكلوا هيكلًا مشابهًا لكرة القدم. تتكون كل عدسة من ثلاثة أجزاء ، الجزء الأوسط مصنوع من متفجر خاص "بطيء" ، والجزء الخارجي والداخلي - من "الصيام". كان الجزء الخارجي كرويًا من الخارج ، لكن بداخله كان به تجويف مخروطي الشكل ، كما هو الحال على شحنة مشكلة ، وكان الغرض منه فقط مختلفًا. كان هذا المخروط مليئًا بالمتفجرات البطيئة ، وانكسرت الموجة المتفجرة عند الواجهة مثل موجة الضوء العادية. لكن التشابه هنا مشروط للغاية. في الحقيقة شكل هذا المخروط هو أحد الأسرار الحقيقية للقنبلة النووية.

في منتصف الأربعينيات من القرن الماضي ، لم يكن هناك أجهزة كمبيوتر في العالم يمكنها حساب شكل مثل هذه العدسات ، والأهم من ذلك ، لم يكن هناك حتى نظرية مناسبة. لذلك ، فقد تم إجراؤها حصريًا عن طريق التجربة والخطأ. كان لا بد من تنفيذ أكثر من ألف انفجار - وليس فقط تنفيذها ، ولكن تم تصويرها بكاميرات خاصة عالية السرعة ، تسجل معالم موجة الانفجار. عندما تم عمل نسخة أصغر ، اتضح أن المتفجرات لم يكن حجمها بهذه السهولة ، وكان من الضروري تصحيح النتائج القديمة بشكل كبير.

يجب ملاحظة دقة النموذج مع وجود خطأ أقل من ملليمتر ، ويجب الحفاظ على تكوين المتفجرات وتوحيدها بعناية فائقة. لا يمكن صنع الأجزاء إلا عن طريق الصب ، لذلك لم تكن كل المتفجرات مناسبة. كانت المتفجرات السريعة عبارة عن خليط من مادة الهكسوجين ومادة تي إن تي ، مع ضعف كمية الهكسوجين. بطيء - نفس مادة تي إن تي ، ولكن مع إضافة نترات الباريوم الخاملة. سرعة موجة التفجير في أول انفجار هو 7.9 كم / ث ، وفي الثانية - 4.9 كم / ث.

تم تركيب المفجرات في وسط السطح الخارجي لكل عدسة. كان على جميع المفجرات الـ 32 أن تعمل في وقت واحد بدقة غير مسبوقة - أقل من 10 نانوثانية ، أي أجزاء من المليار من الثانية! وبالتالي ، يجب ألا تتشوه مقدمة موجة الصدمة بأكثر من 0.1 مم. بنفس الدقة ، كان من الضروري دمج أسطح تزاوج العدسات ، ومع ذلك كان الخطأ في تصنيعها أكبر بعشر مرات! اضطررت إلى العبث وإنفاق الكثير من ورق التواليت والشريط اللاصق للتعويض عن عدم الدقة. لكن النظام أصبح قليلاً مثل النموذج النظري.

اضطررت إلى ابتكار صواعق جديدة: لم توفر القديمة تزامنًا مناسبًا. لقد تم تصنيعها على أساس انفجار الأسلاك تحت دفعة قوية من التيار الكهربائي. لتشغيلها ، كانت هناك حاجة إلى بطارية مكونة من 32 مكثفًا عالي الجهد ونفس العدد من أجهزة التفريغ عالية السرعة - واحدة لكل مفجر. كان وزن النظام بأكمله ، جنبًا إلى جنب مع البطاريات وشاحن المكثف ، 200 كجم تقريبًا في القنبلة الأولى. ومع ذلك ، بالمقارنة مع وزن المتفجرات التي استوعبت 2.5 طن ، فإنها لم تكن كثيرة.

أخيرًا ، تم وضع الهيكل بأكمله في جسم كروي دورالومين ، يتكون من حزام عريض وغطاءان - علوي وسفلي ، تم تجميع كل هذه الأجزاء على براغي. جعل تصميم القنبلة من الممكن تجميعها بدون نواة بلوتونيوم. من أجل وضع البلوتونيوم في مكانه ، إلى جانب قطعة من عاكس اليورانيوم ، تم فك الغطاء العلوي للعلبة وإزالة عدسة متفجرة واحدة.

كانت الحرب مع اليابان على وشك الانتهاء ، وكان الأمريكيون في عجلة من أمرهم. لكن كان لابد من اختبار القنبلة الداخلية. أعطيت هذه العملية الاسم الرمزي "الثالوث" ("الثالوث"). نعم ، كان من المفترض أن تُظهر القنبلة الذرية القوة التي كانت متاحة سابقًا للآلهة فقط.

نجاح باهر

تم اختيار مكان الاختبار في ولاية نيو مكسيكو ، في مكان يحمل الاسم الخلاب لـ Jornadadel Muerto (طريقة الموت) - كانت المنطقة جزءًا من مجموعة مدفعية Alamagordo. بدأ تجميع القنبلة في 11 يوليو 1945. في 14 يوليو ، تم رفعها إلى قمة برج ارتفاعه 30 مترًا تم تشييده خصيصًا ، وتم توصيل الأسلاك بالصواعق ، والمراحل النهائية من الاستعدادات المتعلقة كمية كبيرةأجهزة قياس. في 16 يوليو 1945 ، في الخامسة والنصف صباحًا ، تم تفجير العبوة.

تصل درجة الحرارة في مركز الانفجار إلى عدة ملايين من الدرجات ، لذا فإن وميض الانفجار النووي يكون أكثر سطوعًا من الشمس. تدوم كرة النار بضع ثوان ، ثم تبدأ في الارتفاع ، وتغمق ، من الأبيض إلى البرتقالي ، ثم القرمزي ، ويتشكل الفطر النووي الشهير الآن. ارتفعت أول سحابة عيش الغراب إلى ارتفاع 11 كم.

كانت طاقة الانفجار أكثر من 20 كيلو طن من مادة تي إن تي. تم تدمير معظم أجهزة القياس ، لأن الفيزيائيين أحصوا على 510 أطنان ووضعوا المعدات في مكان قريب جدًا. بخلاف ذلك ، كان نجاحًا ، نجاحًا باهرًا!

لكن الأمريكيين واجهوا تلوثًا إشعاعيًا غير متوقع في المنطقة. امتد عمود التساقط الإشعاعي لمسافة 160 كم إلى الشمال الشرقي. تم إجلاء جزء من السكان من بلدة بينغهام الصغيرة ، لكن خمسة من السكان المحليين على الأقل تلقوا جرعات تصل إلى 5760 رونتجين.

اتضح أنه من أجل تجنب التلوث ، يجب تفجير القنبلة على ارتفاع عالٍ بدرجة كافية ، على الأقل كيلومتر ونصف ، ثم تنتشر منتجات الاضمحلال الإشعاعي على مساحة مئات الآلاف أو حتى ملايين الكيلومترات المربعة وتذوب في الخلفية الإشعاعية العالمية.

تم إلقاء قنبلة ثانية من هذا التصميم على ناغازاكي في 9 أغسطس ، بعد 24 يومًا من هذا الاختبار وبعد ثلاثة أيام من قصف هيروشيما. منذ ذلك الحين ، استخدمت جميع الأسلحة النووية تقريبًا تقنية الانفجار الداخلي. تم صنع القنبلة السوفيتية الأولى RDS-1 ، التي تم اختبارها في 29 أغسطس 1949 ، وفقًا لنفس المخطط.

لإجراء تفاعل تسلسلي انشطاري ، من الضروري إنشاء وسط تكاثر يتكون من مادة انشطارية نقية أو مادة انشطارية وسيط ، يضمن تكوينه تطوير التفاعل. وتجدر الإشارة إلى أن المواد الإنشائية ستكون حتمًا موجودة في هذه البيئة. ومع ذلك ، فإن اختيار وسط تربية مع المعلمات المطلوبة لا يوفر حتى الآن جميع الشروط للتفاعل المتسلسل. مع حجم صغير ، وبالتالي كتلة وسط التكاثر ، فإن معظم النيوترونات الناشئة فيه سوف تطير دون أن يكون لديها وقت لتسبب الانشطار ، ولن يحدث تفاعل متسلسل مستدام ذاتيًا (SCR). يؤدي تسرب النيوترونات من حجم مع وسط تكاثر إلى نفس نتيجة امتصاصها بدون انشطار.

مع زيادة حجم وسط التكاثر ، يزداد متوسط ​​طول مسار النيوترونات فيه ، وبالتالي يزداد عدد الاصطدامات مع النوى ، يليها الانشطار وظهور نيوترونات جديدة. لوصف سلوك المفاعل في الوقت المناسب ، كنا عامل الضرب ك إف - نسبة عدد النيوترونات في الجيل التالي إلى عدد النيوترونات في الجيل السابق.في هذا التفسير ، مع زيادة حجم الوسط ، ينمو k eff من الصفر عند احتمال الانشطار الصفري إلى قيم أكبر من الوحدة ، مع زيادة تشبه الانهيار الجليدي في عدد النيوترونات في سلسلة من الأجيال.

مع k eff يساوي واحدًا ، لا تتغير شدة عملية الانشطار بمرور الوقت - العملية ذاتية الاستدامة ، ويسمى هذا النظام حرج . في k إف< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют دون الحرجة . عندما k eff> 1 ، فإن النظام فوق الحرجة.

يسمى الحد الأدنى من كتلة المادة الانشطارية المطلوبة لإجراء تفاعل انشطاري مستدام ذاتيًا الكتلة الحرجة . إذا تجاوزت الكتلة الكتلة الحرجة ، فسيولد في كل جيل تالٍ مزيد من النيوترونات مقارنةً بالجيل السابق ، وسيتطور التفاعل المتسلسل. تعتمد قيمة الكتلة الحرجة على خصائص النويدات الانشطارية (235 U أو 239 Pu) ، وتكوين وسط التكاثر وبيئته. يمكن أن تختلف الكتلة الحرجة من بضع مئات من الجرامات في الأجهزة التجريبية إلى عشرات الكيلوجرامات في الرؤوس الحربية النووية وعدة أطنان في مفاعلات الطاقة الكبيرة. لننظر إلى مفاعل نووي طبيعي يورانيوم. يمكن أن يحدث تفاعل تسلسلي مستدام ذاتيًا إذا كان عدد النيوترونات الثانوية الناتجة عن الانشطار والقادرة على التسبب في مزيد من الانشطار كافياً للحفاظ على معدل الانشطار في المفاعل عند مستوى ثابت.