Реклама на портала

Критична маса в ядрената физика. Ядрена атака: Критичната маса на ядрен заряд. Плутониева футболна топка

Изминаха малко повече от два месеца от края на най-тежката война в историята на човечеството. И на 16 юли 1945 г. първата ядрена бомба е изпитана от американските военни, а месец по-късно хиляди жители на японски градове загиват в атомния ад. Оттогава оръжията, както и средствата за доставянето им до цели, непрекъснато се подобряват повече от половин век.

Военните искаха да получат на свое разположение както супермощни боеприпаси, с един удар, които помитаха цели градове и държави от картата, така и свръхмалки, които се вписват в портфолио. Такова устройство би довело саботажната война до безпрецедентно ниво. И с първото, и с второто възникнаха непреодолими трудности. Виновна е така наречената критична маса. Обаче първо първо.

Такова експлозивно ядро

За да разберем работата на ядрените устройства и да разберем какво се нарича критична маса, нека се върнем за малко на бюрото си. От училищния курс по физика си спомняме едно просто правило: едноименните заряди се отблъскват. Пак там, в гимназияна учениците се разказва за структурата на атомното ядро, състоящо се от неутрони, неутрални частици и положително заредени протони. Но как е възможно това? Положително заредените частици са толкова близо една до друга, че силите на отблъскване трябва да са колосални.

Науката не е напълно наясно с природата на вътрешноядрените сили, държащи протоните заедно, въпреки че свойствата на тези сили са проучени доста добре. Силите действат само на много близко разстояние. Но щом протоните се отделят дори леко в пространството, отблъскващите сили започват да преобладават и ядрото се разпръсква на парчета. И силата на такова разширяване е наистина колосална. Известно е, че силата на възрастен мъж не би била достатъчна, за да задържи протоните само на едно-единствено ядро ​​на оловния атом.

От какво се страхуваше Ръдърфорд

Ядрата на повечето елементи от периодичната таблица са стабилни. Въпреки това, с увеличаване на атомния номер, тази стабилност намалява. Става дума за размера на ядрата. Представете си ядрото на уранов атом, състоящо се от 238 нуклида, от които 92 са протони. Да, протоните са в близък контакт един с друг и вътрешноядрените сили сигурно циментират цялата структура. Но силата на отблъскване на протоните, разположени в противоположните краища на ядрото, става забележима.

Какво правеше Ръдърфорд? Той бомбардира атомите с неутрони (електронът няма да премине през електронната обвивка на атома и положително зареден протон няма да може да се приближи до ядрото поради силите на отблъскване). Неутрон, попадайки в ядрото на атома, предизвика неговото делене. Две отделни половини и два или три свободни неутрона, разпръснати встрани.

Това разпадане, поради огромните скорости на разсейващите се частици, беше придружено от освобождаване на огромна енергия. Говореше се, че Ръдърфорд дори е искал да скрие своето откритие, страхувайки се от възможните му последици за човечеството, но това най-вероятно не е нищо повече от приказка.

И така, какво общо има масата с това и защо е критично

И какво тогава? Как можете да облъчите достатъчно радиоактивен метал с поток от протони, за да произведете мощна експлозия? И какво е критична маса? Всичко е за онези няколко свободни електрона, които излитат от "бомбардираното" атомно ядро, те от своя страна, сблъсквайки се с други ядра, ще предизвикат тяхното делене. Ще започне т.нар., пускането му обаче ще бъде изключително трудно.

Нека изясним мащаба. Ако вземем ябълката на нашата маса за ядрото на атом, тогава, за да си представим ядрото на съседен атом, същата ябълка ще трябва да бъде взета и поставена на масата дори не в съседната стая, а .. в съседната къща. Неутронът ще бъде с размерите на черешова костилка.

За да не отлетят освободените неутрони извън урановия слитък, а повече от 50% от тях биха намерили целта си под формата на атомни ядра, този слитък трябва да има съответните размери. Това се нарича критична маса на урана – масата, при която повече от половината от освободените неутрони се сблъскват с други ядра.

Всъщност това се случва за миг. Броят на разцепените ядра нараства като лавина, техните фрагменти се втурват във всички посоки със скорости, сравними със скоростта на светлината, разкъсвайки въздуха, водата и всяка друга среда. От сблъсъците им с молекули околната средазоната на експлозията моментално се нагрява до милиони градуса, излъчвайки топлина, изгаряйки всичко в близост до няколко километра.

Рязко нагрятият въздух мигновено увеличава размерите си, създавайки мощна ударна вълна, която издухва от основите на сградата, преобръща и унищожава всичко по пътя си... такава е картината на атомна експлозия.

Как изглежда на практика

Устройството за атомната бомба е изненадващо просто. Има две слитъци уран (или другият, масата на всеки от които е малко по-малка от критичната. Единият от слитъците е направен под формата на конус, другият - топка с коничен отвор. може да се досетите, когато двете половини се комбинират, се получава топка, която достига критичната маса Това е стандартната най-проста ядрена бомба Две половини са свързани с помощта на конвенционален TNT заряд (конус се изстрелва в топка).

Но не мислете, че такова устройство може да бъде сглобено "на коляно" от всеки. Номерът е, че уранът, за да избухне бомба от него, трябва да е много чист, наличието на примеси е практически нулево.

Защо няма атомна бомба с размер на кутия цигари

Всички по една и съща причина. Критичната маса на най-разпространения изотоп, уран 235, е около 45 кг. Експлозията на толкова много ядрено гориво вече е катастрофа. И е невъзможно да се направи с по-малко вещество - просто няма да работи.

По същата причина не беше възможно да се създадат свръхмощни атомни заряди от уран или други радиоактивни метали. За да бъде бомбата много мощна, тя е направена от дузина блокчета, които при взривяване на детониращи заряди се втурват към центъра, свързвайки се като портокалови резени.

Но какво всъщност се случи? Ако по някаква причина два елемента се срещнат с една хилядна от секундата по-рано от останалите, критичната маса се достигне по-бързо, отколкото останалите биха „пристигнали навреме“, експлозията не се случи с мощността, очаквана от дизайнерите. Проблемът със свръхмощните ядрени оръжия беше решен едва с появата на термоядрени оръжия. Но това е малко по-различна история.

Как работи мирният атом?

Атомната електроцентрала е по същество същата ядрена бомба. Само тази „бомба“ има горивни елементи (горивни елементи), изработени от уран, разположени на определено разстояние един от друг, което не им пречи да обменят неутронни „шокове“.

Горивните пръти са направени под формата на пръти, между които има контролни пръти, изработени от материал, който абсорбира добре неутроните. Принципът на действие е прост:

  • в пространството между урановите пръти се вкарват контролни (абсорбиращи) пръти - реакцията се забавя или спира напълно;
  • контролните пръти се отстраняват от зоната - радиоактивните елементи активно обменят неутрони, ядрената реакция е по-интензивна.

Всъщност се оказва същото атомна бомба, при което критичната маса се достига толкова плавно и се регулира толкова ясно, че не води до експлозия, а само до нагряване на охлаждащата течност.

Въпреки че, за съжаление, както показва практиката, човешкият гений не винаги е в състояние да обуздае тази огромна и разрушителна енергия - енергията на разпада на атомно ядро.

Колкото по-големи са размерите (в края на краищата течът минава само през повърхността) на реактора и колкото по-близо е формата на активната зона на реактора до сферата, толкова по-малък (при равни други условия) е изтичането и по-високо е P.

За верижна реакция k eff = P ∙ k ∞ = 1

Това се постига за определен мин. размер на реактора, който се нарича критичен размер на реактора.

И най-малката маса ядрено гориво, съдържаща се в активната зона на реактора с критичен размер, при която може да възникне верижна реакция на делене на гориво, се нарича критична маса. Стойността му зависи от редица фактори:

1) Степента на обогатяване на горивото;

2) количеството и ядрените свойства на забавителя и конструктивните материали;

3).Наличие на ефективност на рефлектора.

Използването на обогатяване прави възможно намаляването на размера на критичната маса и реактора (обогатяването на урана с изотоп U 235> 5% не води до значително увеличение на неутронния баланс).

Критична маса и размери на активната зона на реактора.

1) Изгаряне на гориво за генериране на дадено количество енергия (данна мощност за дадено време);

2) Компенсиране на вредното поглъщане и компенсиране на температурните ефекти, възникващи в хода на ядрена реакция.

Тъй като масата на зареденото гориво е по-голяма от критичната, до eff> 1, което води до свръхкритично състояние на реактора.

За да се запази k eff = 1, реакторът има система за компенсиране и регулиране, с помощта на която в активната зона се въвеждат специални пластини и пръти, които силно поглъщат неутроните, които се преместват при изгарянето на горивото.

Времето на работа на горивото в реактора при пълната му мощност между товарите се нарича реакторна кампания (регулируемите пръти са изработени от кадмий-113, графит-114, бар-10).


За много от нашите читатели водородната бомба се свързва с атомна бомба, само че много по-мощна. Всъщност това е принципно ново оръжие, което изисква неизмеримо големи интелектуални усилия за създаването си и работи на принципно различни физически принципи.

Единственото общо нещо между атомната и водородната бомба е, че и двете освобождават колосалната енергия, скрита в атомното ядро. Това може да стане по два начина: да се разделят тежките ядра, например уран или плутоний, на по-леки (реакция на делене) или да се принудят най-леките водородни изотопи да се слеят (реакция на синтез). В резултат на двете реакции масата на получения материал винаги е по-малка от масата на първоначалните атоми. Но масата не може да изчезне безследно - тя се превръща в енергия според известната формула на Айнщайн E = mc 2.

За да се създаде атомна бомба, необходимо и достатъчно условие е да се получи достатъчно количество делящ се материал. Работата е доста трудоемка, но нискоинтелектуална, по-близо до минната индустрия, отколкото до високата наука. Основните ресурси за създаването на такива оръжия отиват за изграждането на гигантски уранови мини и заводи за обогатяване. Доказателство за простотата на устройството е фактът, че не е минал дори месец между получаването на плутония, необходим за първата бомба, и първата съветска ядрена експлозия.

Нека припомним накратко принципа на действие на такава бомба, известен от курса на училищната физика. Тя се основава на свойството на урана и някои трансуранови елементи, като плутоний, да отделят повече от един неутрон по време на разпад. Тези елементи могат да се разпадат както спонтанно, така и под въздействието на други неутрони.

Освободеният неутрон може да напусне радиоактивния материал или да се сблъска с друг атом, причинявайки следващата реакция на делене. При превишаване на определена концентрация на вещество (критична маса), броят на новородените неутрони, причинявайки по-нататъшно делене на атомното ядро, започва да надвишава броя на разпадащите се ядра. Броят на разпадащите се атоми започва да расте като лавина, пораждайки нови неутрони, тоест възниква верижна реакция. За уран-235 критичната маса е около 50 кг, за плутоний-239 - 5,6 кг. Тоест, топка плутоний с тегло малко по-малко от 5,6 кг е просто топло парче метал, а с маса малко повече има само няколко наносекунди.

Действителната работа на бомбата е проста: вземаме две полукълба от уран или плутоний, всяко малко по-малко от критичната маса, поставяме ги на разстояние 45 см, заобикаляме ги с експлозиви и детонираме. Уранът или плутоният се синтероват в парче свръхкритична маса и започва ядрена реакция. Всичко. Има и друг начин да се започне ядрена реакция - да се изстиска парче плутоний с мощна експлозия: разстоянието между атомите ще намалее и реакцията ще започне при по-ниска критична маса. Всички съвременни атомни детонатори работят на този принцип.

Проблемите на атомната бомба започват от момента, в който искаме да увеличим силата на експлозията. Просто увеличение на делящия се материал не може да се откаже - веднага щом масата му достигне критична, той детонира. Бяха измислени различни гениални схеми, например да се направи бомба не от две части, а от много, което направи бомбата да прилича на изкормен портокал и след това да я събере на едно парче с една експлозия, но все пак, със сила на над 100 килотона, проблемите станаха непреодолими.

Но горивото за термоядрен синтез няма критична маса. Тук Слънцето, напълнено с термоядрено гориво, виси над главата, вътре в него от милиард години тече термоядрена реакция и нищо не избухва. Освен това по време на реакцията на синтез, например на деутерий и тритий (тежък и свръхтежък изотоп на водорода), се отделя 4,2 пъти повече енергия, отколкото при изгаряне на същата маса уран-235.

Създаването на атомната бомба беше по-скоро експериментален, отколкото теоретичен процес. Създаването на водородната бомба изисква появата на напълно нови физически дисциплини: физика на високотемпературната плазма и свръхвисоките налягания. Преди да започнем да проектираме бомба, беше необходимо да разберем напълно природата на явленията, които се случват само в ядрото на звездите. Никакви експерименти не можеха да помогнат - само теоретичната физика и висшата математика бяха инструментите на изследователите. Неслучайно гигантската роля в развитието на термоядрените оръжия принадлежи на математиците: Улам, Тихонов, Самарски и др.

Класически супер

Към края на 1945 г. Едуард Телър предлага първия дизайн на водородна бомба, наречен "класически супер". За да се създаде чудовищното налягане и температура, необходими за започване на реакцията на синтез, е трябвало да се използва обикновена атомна бомба. Самият "класически супер" беше дълъг цилиндър, пълен с деутерий. Предвижда се и междинна "запалителна" камера със смес от деутерий-тритий - реакцията на синтеза на деутерий и тритий започва при по-ниско налягане. По аналогия с огъня, деутерият трябваше да играе ролята на дърва за огрев, смес от деутерий с тритий - чаша бензин, и атомна бомба - кибрит. Тази схема се нарича "лула" - вид пура с атомна запалка в единия край. По същата схема съветските физици започнаха да разработват водородна бомба.

Математикът Станислав Улам обаче доказа на Телер чрез обикновено плъзгащо правило, че синтезът на чист деутерий в "супер" едва ли е възможен и сместа ще изисква такова количество тритий, че за производството му ще е необходимо практически да се замрази производството на оръжеен плутоний в Съединените щати.

Бутер със захар

В средата на 1946 г. Телър предлага друга схема за водородна бомба - "будилника". Състои се от редуващи се сферични слоеве от уран, деутерий и тритий. По време на ядрена експлозия на централния заряд на плутоний се създават необходимите налягане и температура за започване на термоядрена реакция в други слоеве на бомбата. „Будилникът“ обаче изискваше атомен инициатор с висока мощност и Съединените щати (както и СССР) имаха проблеми с производството на оръжейни уран и плутоний.

През есента на 1948 г. Андрей Сахаров стига до подобна схема. В Съветския съюз структурата се наричаше "пуф". За СССР, който нямаше време да произвежда оръжеен уран-235 и плутоний-239 в достатъчни количества, пуфта на Сахаров беше панацея. И ето защо.

В обикновена атомна бомба естественият уран-238 е не само безполезен (енергията на неутроните по време на разпадане не е достатъчна за иницииране на делене), но и вреден, тъй като той алчно абсорбира вторични неутрони, забавяйки верижната реакция. Следователно, оръжейният уран е 90% съставен от изотоп уран-235. Въпреки това, неутроните, получени в резултат на термоядрен синтез, са 10 пъти по-енергични от неутроните на делене и естественият уран-238, облъчен с такива неутрони, започва да се разделя отлично. Новата бомба направи възможно използването на уран-238 като експлозив, който преди се смяташе за производствен отпадък.

Акцентът на „пуфта“ на Сахаров беше и използването на бяла лека кристална субстанция, литиев деутерид 6 LiD, вместо остро дефицитния тритий.

Както бе споменато по-горе, смес от деутерий и тритий се запалва много по-лесно от чистия деутерий. Тук обаче предимствата на трития свършват, но остават само недостатъците: в нормално състояние тритият е газ, което причинява трудности при съхранение; тритият е радиоактивен и, разпадайки се, се превръща в стабилен хелий-3, активно поглъщайки така необходимите бързи неутрони, което ограничава срока на годност на бомбата до няколко месеца.

Нерадиоактивният литиев деутерид, когато се облъчи с бавни неутрони на делене - последствията от експлозията на атомен предпазител - се превръща в тритий. По този начин, излъчването на първичната атомна експлозия за миг произвежда достатъчно количество тритий за по-нататъшна термоядрена реакция и деутерий първоначално присъства в литиевия деутрид.

Именно такава бомба, RDS-6s, беше успешно изпитана на 12 август 1953 г. на кулата на полигона в Семипалатинск. Мощността на експлозията беше 400 килотона и дебатът не е спрял досега, дали е била истинска термоядрена експлозия или свръхмощна атомна. Действително, реакцията на термоядрен синтез в пуфта на Сахаровская представлява не повече от 20% от общата мощност на заряда. Основен принос за експлозията има реакцията на разпадане на уран-238, облъчен с бързи неутрони, благодарение на което RDS-6 отвориха ерата на така наречените "мръсни" бомби.

Факт е, че основното радиоактивно замърсяване се осигурява от продуктите на разпада (по-специално стронций-90 и цезий-137). По същество „пуфта“ на Сахаров беше гигантска атомна бомба, само леко подсилена от термоядрена реакция. Неслучайно само една експлозия на "пуфта" даде 82% стронций-90 и 75% цезий-137, които попаднаха в атмосферата през цялата история на Семипалатински полигон.

американски бомби

Въпреки това американците взривиха първата водородна бомба. 1 ноември 1952 г. на атола Елугелаб в тихоокеанскиуспешно изпробвано 10 мегатонно термоядрен апарат "Майк". 74-тонно американско устройство трудно може да се нарече бомба. "Майк" беше обемисто устройство с размерите на двуетажна къща, напълнено с течен деутерий при температура, близка до абсолютната нула ("пуфта" на Сахаров беше доста транспортируем продукт). Връхната точка на "Майк" обаче не беше размерът, а гениалният принцип на изстискване на термоядрени експлозиви.

Припомнете си, че основната идея на водородната бомба е да създаде условия за синтез (ултра високо налягане и температура) чрез ядрена експлозия. В схемата "пуф" ядреният заряд е разположен в центъра и следователно той не толкова компресира деутерия, колкото го разпръсква навън - увеличаването на количеството на термоядрените експлозиви не води до увеличаване на мощността - просто не има време да детонира. Това е, което ограничава максималната мощност на тази схема – най-мощният „пуф“ в света Orange Herald, взривен от британците на 31 май 1957 г., даде само 720 килотона.

В идеалния случай би било да накараме атомен предпазител да експлодира навътре, компресирайки термоядрени експлозиви. Но как да направите това? Едуард Телър изложи брилянтна идея: да се компресира термоядрено гориво не чрез механична енергия и неутронен поток, а чрез излъчване на първичния атомен предпазител.

В новия дизайн на Телър началната атомна единица беше отделена от термоядрената единица. Когато атомният заряд се задейства, рентгеновите лъчи изпреварват ударната вълна и се разпространяват по стените на цилиндричното тяло, изпарявайки и трансформирайки полиетиленовата вътрешна облицовка на тялото на бомбата в плазма. Плазмата от своя страна отново излъчваше по-меки рентгенови лъчи, които бяха погълнати от външните слоеве на вътрешния цилиндър, изработен от уран-238 – „тласкача“. Слоевете започнаха да се изпаряват експлозивно (това явление се нарича аблация). Урановата плазма с нажежаема жичка може да се сравни със струите на свръхмощен ракетен двигател, чиято тяга е насочена в цилиндър, пълен с деутерий. Урановият цилиндър се срути, налягането и температурата на деутерия са достигнати критично ниво... Същото налягане компресира централната плутониева тръба до критична маса и тя детонира. Експлозията на плутониевия предпазител притисна деутерия отвътре, като допълнително компресира и нагрява термоядрения експлозив, който детонира. Интензивен поток от неутрони разцепва ядрата на уран-238 в "тласкача", причинявайки вторична реакция на разпад. Всичко това имаше време да се случи до момента, в който взривната вълна от първичната ядрена експлозия достигна до термоядрения блок. Изчисляването на всички тези събития, случващи се в милиардни от секундата, изискваше ума на най-силните математици на планетата. Създателите на "Майк" изпитаха не ужас, а неописуема наслада от 10-мегатонната експлозия - те успяха не само да разберат процесите, които протичат само в ядрата на звездите в реалния свят, но и да изпробват експериментално своите теории чрез подреждане тяхната малка звезда на Земята.

Браво

След като заобиколиха руснаците в красотата на дизайна, американците не можаха да направят устройството си компактно: те използваха течен преохладен деутерий вместо прахообразен литиев деутрид от Сахаров. В Лос Аламос реагираха на „пуфта“ на Сахаров със зърно завист: „вместо огромна крава с кофа сурово мляко, руснаците използват кашон сухо мляко“. И двете страни обаче не успяха да скрият тайни една от друга. На 1 март 1954 г. американците изпробват 15-мегатонна бомба Bravo на литиев деутрид близо до атола Бикини, а на 22 ноември 1955 г. първата съветска двустепенна термоядрена бомба RDS-37 с мощност 1,7 мегатона избухна над Семипалатинск тестова площадка, разрушавайки почти половин полигон. Оттогава дизайнът на термоядрената бомба претърпя малки промени (например между иницииращата бомба и основния заряд се появи уранов щит) и стана каноничен. И в света вече няма толкова мащабни мистерии на природата, които биха могли да бъдат разрешени с такъв грандиозен експеримент. Това ли е раждането на свръхнова.

Малко теория

В термоядрена бомба има 4 реакции и те протичат много бързо. Първите две реакции служат като източник на материал за третата и четвъртата, които при температури на термоядрен взрив протичат 30-100 пъти по-бързо и дават по-голям добив на енергия. Следователно, получените хелий-3 и тритий незабавно се консумират.

Ядрата на атомите са положително заредени и следователно се отблъскват. За да могат да реагират, те трябва да бъдат избутани челно, преодолявайки електрическото отблъскване. Това е възможно само ако се движат с висока скорост. Скоростта на атомите е пряко свързана с температурата, която трябва да достигне 50 милиона градуса! Но не е достатъчно деутерият да се нагрее до такава температура, все пак е необходимо да се предпази от разсейване от чудовищно налягане от около милиард атмосфери! В природата такива температури при такава плътност се срещат само в ядрото на звездите.

Мистериозно устройство, способно да отделя гигаджаули енергия за неописуемо малко време, е заобиколено от зловеща романтика. Излишно е да казвам, че по целия свят работата по ядрените оръжия беше дълбоко секретна, а самата бомба беше обрасла с маса от легенди и митове. Нека се опитаме да се справим с тях по ред.

Андрей Суворов


Нищо не е толкова интересно като атомната бомба



август 1945г. Ърнест Орландо Лорънс в лабораторията за атомна бомба



1954 година. Осем години след експлозията на атола Бикини японски учени откриха високо ниворадиация от риба, уловена в местни води


Критична маса

Всеки е чувал, че има определена критична маса, която трябва да се натрупа, за да започне верижна ядрена реакция. Но за да се случи истинска ядрена експлозия, самата критична маса не е достатъчна - реакцията ще спре почти мигновено, преди каквато и да е забележима енергия да успее да се освободи. За пълномащабна експлозия от няколко килотона или десетки килотона е необходимо едновременно да се съберат две или три, а за предпочитане четири или пет критични маси.

Изглежда очевидно, че трябва да направите две или повече части от уран или плутоний и да ги свържете в необходимия момент. Заради справедливостта трябва да се каже, че физиците мислеха същото, когато се заеха с конструирането на ядрена бомба. Но реалността направи свои собствени корекции.

Факт е, че ако имахме много чист уран-235 или плутоний-239, можехме да го направим, но учените трябваше да се справят с истински метали. Обогатявайки естествен уран, можете да направите смес, съдържаща 90% уран-235 и 10% уран-238, опитите да се отървете от останалия уран-238 водят до много бързо покачване на цената на този материал (нарича се силно обогатен уран). Плутоний-239, който се получава в ядрен реактор от уран-238 чрез делене на уран-235, задължително съдържа примес на плутоний-240.

Изотопите уран235 и плутоний239 се наричат ​​четно-нечетни, тъй като ядрата на техните атоми съдържат четен брой протони (92 за уран и 94 за плутоний) и нечетен брой неутрони (съответно 143 и 145). Всички четно-нечетни ядра на тежки елементи имат общо свойство: те рядко се делят спонтанно (учените казват: "спонтанно"), но лесно се делет, когато неутрон навлезе в ядрото.

Уран-238 и плутоний-240 са четни-четни. Напротив, те практически не споделят неутрони с ниска и умерена енергия, които се излъчват от делящите се ядра, но от друга страна, те се разделят спонтанно стотици или десетки хиляди пъти по-често, образувайки неутронен фон. Този фон прави много трудно създаването на ядрени оръжия, защото предизвиква преждевременно начало на реакцията, преди двете части на заряда да се срещнат. Поради това в устройство, подготвено за експлозия, части от критичната маса трябва да бъдат разположени достатъчно далеч една от друга и свързани с висока скорост.

Оръдие бомба

Въпреки това бомбата, хвърлена върху Хирошима на 6 август 1945 г., е направена точно по горната схема. Двете му части, целта и куршумът, са направени от силно обогатен уран. Мишената беше цилиндър с диаметър 16 см и височина 16 см. В центъра му имаше дупка с диаметър 10 см. В съответствие с тази дупка беше направен куршумът. Общо бомбата съдържа 64 кг уран.

Целта беше заобиколена от черупка, чийто вътрешен слой беше направен от волфрамов карбид, външният слой беше изработен от стомана. Целта на черупката беше двойна: да задържи куршума, когато удари целта, и да отрази поне част от неутроните, излъчени от урана обратно. Като се вземе предвид неутронният рефлектор, 64 кг бяха 2,3 критични маси. Как излезе това, в края на краищата, всяко от парчетата беше подкритично? Факт е, че премахвайки средната част от цилиндъра, намаляваме средната му плътност и стойността на критичната маса се увеличава. По този начин масата на тази част може да надвиши критичната маса за твърдо парче метал. Но е невъзможно да се увеличи масата на куршума по този начин, защото той трябва да е твърд.

И целта, и куршумът бяха сглобени от парчета: мишена от няколко пръстена с ниска височина и куршум от шест шайби. Причината е проста - урановите заготовки трябваше да са малки по размер, тъй като по време на производството (леене, пресоване) на заготовката общото количество уран не трябва да се доближава до критичната маса. Куршумът беше затворен в тънкостенна обвивка от неръждаема стомана, с капак от волфрамов карбид, подобно на мишената.

За да насочат куршума към центъра на целта, те решават да използват цевта на конвенционален 76,2 мм зенитно оръдие. Ето защо бомба от този тип понякога се нарича бомба с оръдие. Цевта беше пробита отвътре до 100 мм, за да може такъв необичаен снаряд да влезе в нея. Дължината на цевта била 180 см. В зарядната му камера бил зареден обикновен бездимен барут, който изстрелвал куршум със скорост около 300 m/s. А другият край на цевта беше притиснат в дупка в мишената черупка.

Този дизайн имаше много недостатъци.

Беше чудовищно опасно: след като барутът беше зареден в камерата за зареждане, всяка авария, която можеше да го възпламени, би накарала бомбата да експлодира с пълна мощност. Поради това пироксилинът се зарежда във въздуха, когато самолетът лети към целта.

При самолетна катастрофа урановите части могат да се съединят без барут, просто от силен удар в земята. За да се избегне това, диаметърът на куршума беше с част от милиметъра по-голям от диаметъра на отвора.

Ако бомбата падне във водата, тогава поради забавянето на неутроните във водата реакцията може да започне дори без свързване на частите. Вярно е, че в този случай ядрена експлозия е малко вероятна, но би настъпила термична експлозия с разпръскване на уран върху голяма площ и радиоактивно замърсяване.

Дължината на бомба от този дизайн беше повече от два метра и това е практически неустоимо. В крайна сметка беше достигнато критично състояние и реакцията започна, когато имаше още добър половин метър преди куршума да спре!

И накрая, тази бомба беше много разточителна: по-малко от 1% от урана имаше време да реагира в нея!

Предимството на оръдието бомба беше точно едно: тя не можеше да не работи. Дори нямаше да я тестват! Но американците трябваше да тестват плутониевата бомба: нейният дизайн беше твърде нов и сложен.

Плутониева футболна топка

Когато се оказа, че дори малка (по-малко от 1%!) примес на плутоний-240 прави невъзможно сглобяването на оръдие за плутониева бомба, физиците бяха принудени да търсят други начини за натрупване на критична маса. А ключът към плутониевия експлозив е намерен от човека, който по-късно става най-известният „ядрен шпионин“ – британският физик Клаус Фукс.

Идеята му, наречена по-късно "имплозия", е да образува сближаваща се сферична ударна вълна от разминаваща се, използвайки така наречените експлозивни лещи. Тази ударна вълна е трябвало да компресира парче плутоний, така че плътността му да се удвои.

Ако намаляването на плътността води до увеличаване на критичната маса, тогава увеличаването на плътността трябва да я намали! Това е особено вярно за плутония. Плутоният е много специфичен материал. Когато парче плутоний се охлади от температурата на топене до стайна температура, то претърпява четири фазови прехода. При последния (около 122 градуса) плътността му се увеличава рязко с 10%. В този случай всяка отливка неизбежно се напуква. За да се избегне това, плутоният се легира с някакъв тривалентен метал, след което насипното състояние става стабилно. Можете да използвате алуминий, но през 1945 г. имаше опасения, че алфа-частиците, излъчени от плутониеви ядра по време на тяхното разпадане, ще избият свободни неутрони от алуминиевите ядра, увеличавайки вече забележимия неутронен фон, така че галият е използван в първата атомна бомба.

От сплав, съдържаща 98% плутоний-239, 0,9% плутоний-240 и 0,8% галий, е направена топка с диаметър само 9 см и тегло около 6,5 кг. В центъра на топката имаше кухина с диаметър 2 см и се състоеше от три части: две половини и цилиндър с диаметър 2 см. Този цилиндър служи като запушалка, през която преминава инициатор, източник на неутрони , който се задейства при експлозия на бомбата, може да се вкара във вътрешната кухина. И трите части трябваше да бъдат никелирани, тъй като плутоният се окислява много активно от въздуха и водата и е изключително опасен, ако попадне в човешкото тяло.

Топката беше заобиколена от неутронен рефлектор от естествен уран 238 с дебелина 7 см и тегло 120 кг. Уранът е добър отражател на бързите неутрони и когато е сглобен, системата е била само леко подкритична, така че вместо плутониева тапа е поставена кадмиева тапа, която абсорбира неутроните. Рефлекторът също така служи за задържане на всички части на критичния възел по време на реакцията, в противен случай по-голямата част от плутония се разпръсква, без да има време да участва в ядрената реакция.

След това дойде 11,5-сантиметров слой от алуминиева сплав с тегло 120 кг. Предназначението на слоя е същото като на антирефлексното покритие върху лещите на обектива: да накара взривната вълна да проникне в уран-плутониевия модул, а не да се отрази от него. Това отражение се дължи на голямата разлика в плътността между експлозив и уран (приблизително 1:10). Освен това при ударната вълна компресионната вълна е последвана от вълна на разреждане, т. нар. ефект на Тейлър. Алуминиевият слой отслабва вълната на разреждане, което намалява ефекта на експлозивите. Алуминият трябваше да бъде легиран с бор, който абсорбира неутроните, излъчени от ядрата на алуминиевите атоми под въздействието на алфа частици, възникващи от разпада на уран-238.

И накрая, отвън имаше онези "експлозивни лещи". Имаше 32 от тях (20 шестоъгълни и 12 петоъгълни), те образуваха структура, подобна на футболна топка. Всяка леща се състоеше от три части, като средната беше изработена от специални "бавни" експлозиви, а външната и вътрешната - от "бързи". Външната част беше сферична отвън, но отвътре имаше конична вдлъбнатина, като на кумулен заряд, но предназначението му беше различно. Този конус беше пълен с бавни експлозиви и взривната вълна беше пречупена на интерфейса като обикновена светлинна вълна. Но приликата тук е много условна. Всъщност формата на този конус е една от истинските тайни на ядрената бомба.

В средата на 40-те години в света не е имало компютри, които да се използват за изчисляване на формата на такива лещи и най-важното е, че дори не е имало подходяща теория. Следователно те са направени изключително чрез проба и грешка. Трябваше да бъдат извършени повече от хиляда експлозии - и не просто извършени, а заснети със специални високоскоростни камери, регистриращи параметрите на взривната вълна. Когато беше разработена по-малката версия, се оказа, че експлозивите не се мащабират толкова лесно и беше необходимо значително да се коригират старите резултати.

Точността на формата трябваше да се спазва с грешка под един милиметър, а съставът и хомогенността на експлозивите трябваше да се спазват много внимателно. Частите можеха да бъдат направени само чрез леене, така че не всички експлозиви бяха подходящи. Бързият експлозив беше смес от RDX и TNT, с два пъти повече RDX. Бавно - същият TNT, но с добавка на инертен бариев нитрат. Скоростта на детонационната вълна в първия експлозив е 7,9 km/s, а във втория - 4,9 km/s.

Детонаторите бяха монтирани в центъра на външната повърхност на всяка леща. Всичките 32 детонатора трябваше да изстрелят едновременно с нечувана прецизност – по-малко от 10 наносекунди, тоест милиардни от секундата! По този начин фронтът на удара не трябва да бъде изкривен с повече от 0,1 mm. Съпоставящите се повърхности на лещите трябваше да бъдат съпоставени със същата прецизност, а грешката при производството им беше десет пъти по-голяма! Трябваше да бърникам и да похарча много тоалетна хартия и тиксо, за да компенсирам неточностите. Но системата е станала малко като теоретичен модел.

Трябваше да измисля нови детонатори: старите не осигуряваха правилната синхронизация. Те са направени на базата на проводници, експлодиращи под мощен импулс на електрически ток. За да ги задействат, са били необходими батерия от 32 високоволтови кондензатора и същия брой високоскоростни искрови междини - по един за всеки детонатор. Цялата система, заедно с батерии и кондензаторно зарядно устройство, тежи почти 200 кг в първата бомба. Но в сравнение с теглото на експлозивите, които взеха 2,5 тона, това не беше много.

Накрая цялата конструкция беше затворена в сферично дуралуминиево тяло, което се състоеше от широк колан и два капака - горен и долен, всички тези части бяха сглобени на болтове. Дизайнът на бомбата направи възможно сглобяването й без плутониево ядро. За да се постави плутоний на място заедно с парче уранов рефлектор, горният капак на корпуса беше отвитен и една експлозивна леща беше премахната.

Войната с Япония беше към своя край, а американците много бързаха. Но имплозивната бомба трябваше да бъде тествана. Тази операция беше с кодовото име Trinity (Trinity). Да, атомната бомба е трябвало да демонстрира силата, която преди е била достъпна само за боговете.

Брилянтен успех

Мястото за теста е избрано в щата Ню Мексико, на място с живописното име Jornadadel Muerto (Пътят на смъртта) – територията е била част от артилерийския полигон Аламагордо. Бомбата започва да се сглобява на 11 юли 1945 г. На 14 юли тя беше издигната на върха на специално изградена 30 м висока кула, проводниците бяха свързани към детонаторите и крайните етапи на подготовка, свързани с голяма сумаизмервателно оборудване. На 16 юли 1945 г. в пет и половина сутринта устройството е взривено.

Температурата в центъра на експлозията достига няколко милиона градуса, така че експлозията на ядрена експлозия е много по-ярка от Слънцето. Огненото кълбо продължава няколко секунди, след което започва да се издига, потъмнява, от бяло до оранжево, след това пурпурно и се образува известната сега ядрена гъба. Първият гъбен облак се издигна на височина от 11 км.

Енергията на експлозията е над 20 kt еквивалент на тротил. Повечето от измервателните уреди бяха унищожени, тъй като физиците разчитаха на 510 тона и поставиха апаратурата твърде близо. Иначе беше успех, блестящ успех!

Но американците се сблъскаха с неочаквано радиоактивно замърсяване на района. Шлейфът от радиоактивни утайки се простира на 160 км на североизток. Част от населението трябваше да бъде евакуирано от малкия град Бингам, но поне петима местни жители получиха дози до 5760 рентгена.

Оказа се, че за да се избегне замърсяване, бомбата трябва да бъде взривена на достатъчно голяма височина, най-малко километър и половина, след което продуктите на радиоактивния разпад се разпръскват върху площ от стотици хиляди или дори милиони квадратни километра и се разтварят в глобалния радиационен фон.

Втора бомба от този дизайн беше хвърлена върху Нагасаки на 9 август, 24 дни след този тест и три дни след бомбардировките над Хирошима. Оттогава на практика всички атомни боеприпаси са използвали имплозивна технология. По същия начин е направена и първата съветска бомба РДС-1, изпитана на 29 август 1949 г.

За да се извърши верижна реакция на делене, е необходимо да се създаде среда за размножаване, състояща се от чисто делящо се вещество или делящо се вещество и модератор, чийто състав осигурява възможност за развитие на реакцията. Трябва да се отбележи, че строителните материали неизбежно ще присъстват в тази среда. Въпреки това, изборът на среда за размножаване с необходимите параметри все още не осигурява всички условия за верижна реакция. С малък размер и съответно масата на средата за размножаване повечето от неутроните, възникващи в нея, ще излетят, без да имат време да причинят делене и няма да настъпи самоподдържаща се верижна реакция (SCR). Изтичането на неутрони от обема с размножаващата среда води до същия резултат като тяхното поглъщане без делене.

С увеличаване на размера на размножителната среда, средната дължина на пътя на неутроните в нея се увеличава и, следователно, броят на сблъсъците с ядрата, последвани от делене и появата на нови неутрони.За да се опише поведението на реактора във времето, имаше въвежда се коефициентът на умножение k eff - съотношението на броя на неутроните в следващото поколение към броя на неутроните в предишното.В тази интерпретация, с увеличаване на размера на средата, k eff нараства от нула при нулева вероятност за делене до стойности, по-големи от единица, с лавинообразно увеличение на броя на неутроните в поредица от поколения.

Когато k eff е равно на единица, интензивността на процеса на делене не се променя с времето - процесът е самоподдържащ се и такава система се нарича критичен ... При k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют подкритични ... За k eff> 1, системата свръхкритични.

Минималната маса на делящия се материал, необходима за извършване на самоподдържаща се реакция на делене, се нарича критична маса . Ако масата надвиши критичната, тогава във всяко следващо поколение ще се произвеждат повече неутрони, отколкото в предишното, и ще се развие верижната реакция. Стойността на критичната маса зависи от свойствата на делящия се нуклид (235 U или 239 Pu), състава на средата за размножаване и нейната среда. Критичната маса може да варира от няколкостотин грама в експериментални устройства до десетки килограми в ядрени бойни глави и няколко тона в големи енергийни реактори. Помислете за ядрен реактор с естествен уран... В него може да възникне самоподдържаща се верижна реакция, ако броят на вторичните неутрони, произведени по време на деленето и способни да причинят по-нататъшно делене, се окаже достатъчен за поддържане на скоростта на делене в реактора на постоянно ниво.