Reklaam portaalis

Kriitiline mass tuumafüüsikas. Tuumarünnak: tuumalaengu kriitiline mass. plutooniumi jalgpallipall

Inimkonna ajaloo kohutavaima sõja lõpust on möödas veidi rohkem kui kaks kuud. Ja nii katsetasid USA sõjaväelased 16. juulil 1945 esimest tuumapommi ja kuu aega hiljem surevad tuhanded Jaapani linnade elanikud aatomipõrgus. Sellest ajast peale on relvi ja ka vahendeid nende sihtmärkideni toimetamiseks pidevalt täiustatud enam kui poole sajandi jooksul.

Sõjaväelased tahtsid saada enda käsutusse nii ülivõimsat laskemoona, mis pühkis ühe hoobiga kaardilt terveid linnu ja riike, kui ka üliväikesi, mis mahuvad portfelli. Selline seade viiks sabotaažisõja enneolematule tasemele. Nii esimese kui ka teisega oli ületamatuid raskusi. Selle põhjuseks on nn kriitiline mass. Siiski kõigepealt kõigepealt.

Selline plahvatusohtlik tuum

Tuumaseadmete tööjärjekorra mõistmiseks ja kriitiliseks massiks nimetatava mõistmiseks läheme korraks tagasi töölaua juurde. Koolifüüsika kursusest meenub lihtne reegel: samanimelised laengud tõrjuvad üksteist. Seal, sisse Keskkoolõpilastele räägitakse neutronitest, neutraalsetest osakestest ja positiivselt laetud prootonitest koosneva aatomituuma ehitusest. Aga kuidas see võimalik on? Positiivselt laetud osakesed on üksteisele nii lähedal, et tõukejõud peavad olema kolossaalsed.

Teadus ei mõista täielikult prootoneid koos hoidvate tuumasiseste jõudude olemust, kuigi nende jõudude omadusi on üsna hästi uuritud. Jõud toimivad ainult väga lähedalt. Kuid niipea, kui prootonid on ruumis pisutki eraldunud, hakkavad tõukejõud võimust võtma ja tuum puruneb tükkideks. Ja sellise laienemise jõud on tõeliselt kolossaalne. On teada, et täiskasvanud mehe tugevusest ei piisa vaid ühe plii aatomi tuuma prootonite hoidmiseks.

Mida Rutherford kartis?

Enamiku perioodilisustabeli elementide tuumad on stabiilsed. Aatomarvu suurenedes see stabiilsus aga väheneb. See on umbes südamike suurus. Kujutage ette uraani aatomi tuuma, mis koosneb 238 nukliidist, millest 92 on prootonid. Jah, prootonid on üksteisega tihedas kontaktis ja tuumasisesed jõud tsementeerivad kindlalt kogu struktuuri. Kuid tuuma vastasotstes paiknevate prootonite tõukejõud muutub märgatavaks.

Mida Rutherford tegi? Ta pommitas aatomeid neutronitega (elektron ei läbi aatomi elektronkihti ja positiivselt laetud prooton ei saa tõukejõudude tõttu tuumale läheneda). Aatomi tuuma sisenev neutron põhjustab selle lõhustumise. Kaks eraldi poolt ja kaks-kolm vaba neutronit lendasid lahku.

Selle lendavate osakeste tohututest kiirustest tingitud lagunemisega kaasnes tohutu energia vabanemine. Käisid kuulujutud, et Rutherford tahtis isegi oma avastust varjata, kartes selle võimalikke tagajärgi inimkonnale, kuid see pole tõenäoliselt midagi muud kui muinasjutt.

Mis siis massil sellega pistmist on ja miks see kriitiline on

Mis siis? Kuidas saab prootonite vooluga kiiritada piisavalt radioaktiivset metalli, et tekitada võimas plahvatus? Ja mis on kriitiline mass? Asi on nendes vähestes vabades elektronides, mis "välja pommitatud" aatomituumast välja lendavad, need omakorda põhjustavad teiste tuumadega kokkupõrkel nende lõhustumise. Algab nn.. Käivitamine on aga ülimalt keeruline.

Täpsustame skaalat. Kui võtame oma laual oleva õuna aatomi tuumana, siis selleks, et naaberaatomi tuuma ette kujutada, tuleb sama õun kaasas kanda ja lauale panna isegi mitte kõrvalruumis, vaid .. .. kõrvalmajas. Neutron saab olema kirsikaevu suurune.

Selleks, et eraldunud neutronid ei lendaks asjata väljapoole uraani valuplokki ja üle 50% neist leiaks oma sihtmärgi aatomituumade kujul, peab see valuplokk olema vastavate mõõtmetega. Seda nimetatakse uraani kriitiliseks massiks – mass, mille juures enam kui pooled emiteeritud neutronitest põrkuvad teiste tuumadega.

Tegelikult juhtub see hetkega. Lõhenenud tuumade arv kasvab nagu laviin, nende killud tormavad valguse kiirusega võrreldava kiirusega igas suunas, rebides lahti vaba õhku, vett ja mis tahes muud keskkonda. Nende kokkupõrgetest molekulidega keskkond plahvatuse piirkond kuumeneb hetkega miljonite kraadideni, kiirgades soojust, mis põletab mitme kilomeetri naabruses kõik.

Järsult kuumenenud õhk suureneb hetkega, tekitades võimsa lööklaine, mis lööb hooned vundamentidest lahti, kummutab ja hävitab kõik, mis teele jääb... selline pilt on aatomiplahvatusest.

Kuidas see praktikas välja näeb

Aatomipommi seade on üllatavalt lihtne. Uraani valuplokke on kaks (või mõni muu, kummagi mass on kriitilisest veidi väiksem. Üks valuplokkidest on tehtud koonuse, teine ​​koonusega kuuli kujul -kujuline auk.Nagu arvata võib, saab mõlema poole kombineerimisel palli, mis saavutab kriitilise massi.See on tavaline lihtsaim tuumapomm Kaks poolt ühendatakse tavalise TNT laengu abil (koonus tulistatakse kuuliks).

Kuid ärge arvake, et sellist seadet saab keegi "põlve peal" kokku panna. Kogu nipp seisneb selles, et uraan, et sellest pomm plahvatada saaks, peab olema väga puhas, lisandite olemasolu on praktiliselt null.

Miks pole suitsupaki suurust aatomipommi

Kõik samal põhjusel. Kõige tavalisema uraani 235 isotoobi kriitiline mass on umbes 45 kg. Sellise tuumakütuse koguse plahvatus on juba katastroof. Ja seda on võimatu teha väiksema koguse ainega - see lihtsalt ei tööta.

Samal põhjusel ei olnud võimalik luua ülivõimsaid aatomilaenguid uraanist või teistest radioaktiivsetest metallidest. Selleks, et pomm oleks väga võimas, valmistati see tosinast valuplokist, mis detoneerivate laengute lõhkamisel tormasid keskele, ühendudes nagu apelsiniviilud.

Aga mis tegelikult juhtus? Kui kaks elementi mingil põhjusel kohtusid teistest tuhandiksekundi võrra varem, saavutati kriitiline mass kiiremini, kui ülejäänud “õigeks ajaks kohale jõuaksid”, polnud plahvatus sellise võimsusega, nagu disainerid ootasid. Ülivõimsate tuumarelvade probleem lahenes alles termotuumarelvade tulekuga. Aga see on veidi teine ​​lugu.

Kuidas rahumeelne aatom töötab?

Tuumaelektrijaam on sisuliselt sama tuumapomm. Ainult sellel "pommil" on uraanist valmistatud kütusevardad (kütuseelemendid), mis asuvad üksteisest teatud kaugusel, mis ei takista neil neutronite "lööke" vahetamast.

Kütusevardad on valmistatud varraste kujul, mille vahel on neutroneid hästi imavast materjalist juhtvardad. Toimimispõhimõte on lihtne:

  • uraanivarraste vahele viiakse reguleerivad (absorbeerivad) vardad - reaktsioon aeglustub või peatub sootuks;
  • kontrollvardad eemaldatakse tsoonist - radioaktiivsed elemendid vahetavad aktiivselt neutroneid, tuumareaktsioon kulgeb intensiivsemalt.

Tõepoolest, see selgub sama aatompomm, milles kriitiline mass saavutatakse nii sujuvalt ja on nii selgelt reguleeritud, et see ei too kaasa plahvatust, vaid ainult jahutusvedeliku kuumenemist.

Kuigi kahjuks, nagu näitab praktika, ei suuda inimgeenius alati seda tohutut ja hävitavat energiat – aatomituuma lagunemise energiat – ohjeldada.

Mida suuremad on reaktori mõõtmed (leke käib ainult läbi pinna) ja mida lähemal on reaktori südamiku kuju sfäärile, seda väiksem (ceteris paribus) on leke ja kõrgem R.

Ahelreaktsiooni korral k eff =P∙k ∞ =1

See saavutatakse reaktori teatud minimaalse suuruse juures, mida nimetatakse reaktori kriitiliseks suuruseks.

Ja kriitilise suurusega reaktori südamikus sisalduvat väikseimat tuumakütuse massi, mille juures võib toimuda kütuse lõhustumise ahelreaktsioon, nimetatakse kriitiliseks massiks. Selle väärtus sõltub mitmest tegurist:

1).kütuse rikastamise aste;

2) moderaatori ja konstruktsioonimaterjalide kogus ja tuumaomadused;

3).Tõhus helkur.

Rikastamise kasutamine ja võimaldab vähendada kriitilise massi ja reaktori suurust (uraani rikastamine U 235 isotoobiga >5% ei anna olulist neutronite tasakaalu tõusu).

Reaktori südamiku kriitiline mass ja mõõtmed.

1) kütuse läbipõlemine teatud energiahulga genereerimiseks (antud võimsus teatud aja jooksul);

2) tuumareaktsiooni käigus tekkivate kahjulike neeldumiste ja temperatuurimõjude kompenseerimine.

Kui laaditud kütuse mass on suurem kui kriitiline eff> 1, mis viib reaktori ülekriitilisse olekusse.

K eff =1 hoidmiseks on reaktoris kompensatsiooni- ja juhtimissüsteem, mille abil viiakse südamikusse spetsiaalsed plaadid ja vardad, mis neelavad tugevalt neutroneid, mis kütuse läbipõlemisel liiguvad.

Kütuse tööaega reaktoris täisvõimsusel koormuste vahel nimetatakse reaktori kampaaniaks (reguleeritavad vardad on valmistatud kaadmium-113, grafiit-114, bar-10).


Paljud meie lugejad seostavad vesinikupommi aatomipommiga, ainult palju võimsamaga. Tegelikult on see põhimõtteliselt uus relv, mille loomine nõudis ebaproportsionaalselt suuri intellektuaalseid jõupingutusi ja töötab põhimõtteliselt erinevatel füüsilistel põhimõtetel.

Ainuke, mis aatomipommil ja vesinikupommil on ühine, on see, et mõlemad vabastavad aatomituumas peidus oleva kolossaalse energia. Seda saab teha kahel viisil: jagada rasked tuumad, nagu uraan või plutoonium, kergemateks (lõhustumisreaktsioon) või sundida kergemaid vesiniku isotoope ühinema (fusioonireaktsioon). Mõlema reaktsiooni tulemusena on saadud materjali mass alati väiksem kui algsete aatomite mass. Kuid mass ei saa jäljetult kaduda – see muutub kuulsa Einsteini valemi E=mc 2 järgi energiaks.

Aatomipommi loomiseks on vajalik ja piisav tingimus piisavas koguses lõhustuva materjali saamine. Töö on üsna töömahukas, kuid mitte väga intellektuaalne ja on lähemal mäetööstusele kui kõrgteadusele. Peamised ressursid selliste relvade loomisel lähevad hiiglaslike uraanikaevanduste ja rikastamistehaste ehitamiseks. Seadme lihtsusest annab tunnistust tõsiasi, et esimese pommi jaoks vajaliku plutooniumi saamise ja nõukogude esimese tuumaplahvatuse vahel ei möödunud kuudki.

Meenutagem põgusalt koolifüüsika kursusest tuntud sellise pommi tööpõhimõtet. See põhineb uraani ja mõnede transuraanielementide, näiteks plutooniumi, omadusel vabastada lagunemise käigus rohkem kui üks neutron. Need elemendid võivad laguneda nii spontaanselt kui ka teiste neutronite mõjul.

Vabanenud neutron võib radioaktiivsest materjalist lahkuda või põrkuda mõne teise aatomiga, põhjustades uue lõhustumisreaktsiooni. Aine teatud kontsentratsiooni (kriitilise massi) ületamisel hakkab vastsündinud neutronite arv, mis põhjustab aatomituuma edasist lõhustumist, ületama lagunevate tuumade arvu. Lagunevate aatomite arv hakkab laviinina kasvama, sünnitades uusi neutroneid ehk toimub ahelreaktsioon. Uraan-235 kriitiline mass on umbes 50 kg, plutoonium-239 puhul 5,6 kg. See tähendab, et veidi alla 5,6 kg kaaluv plutooniumipall on vaid soe metallitükk ja veidi rohkem massi eksisteerib vaid mõne nanosekundi jooksul.

Tegelikult on pommi tööpõhimõte lihtne: võtame kaks uraani või plutooniumi poolkera, millest igaüks on veidi alla kriitilise massi, asetame need 45 cm kaugusele, katame lõhkeainega ja plahvatame. Uraan või plutoonium paagutatakse ülekriitiliseks massiks ja algab tuumareaktsioon. Kõik. Tuumareaktsiooni käivitamiseks on veel üks võimalus – suruda plutooniumitükk kokku võimsa plahvatusega: aatomite vaheline kaugus väheneb ja reaktsioon algab väiksema kriitilise massiga. Kõik kaasaegsed aatomidetonaatorid töötavad sellel põhimõttel.

Aatomipommi probleemid saavad alguse hetkest, mil soovime plahvatuse võimsust suurendada. Lõhustuva materjali lihtne suurendamine on hädavajalik – niipea, kui selle mass jõuab kriitilise piirini, plahvatab see. Mõeldi välja erinevaid geniaalseid skeeme, et näiteks pomm teha mitte kahest osast, vaid paljudest, mis panid pommi meenutama roogitud apelsini ja siis ühe plahvatusega, kuid siiski jõuga üheks tükiks kokku panema. üle 100 kilotonni, muutusid probleemid ületamatuks.

Kuid termotuumasünteesi kütusel ei ole kriitilist massi. Siin ripub pea kohal termotuumakütusega täidetud Päike, mille sees on miljard aastat kestnud termotuumareaktsioon ja miski ei plahvata. Lisaks vabaneb näiteks deuteeriumi ja triitiumi (vesiniku raske ja üliraske isotoop) termotuumasünteesi käigus 4,2 korda rohkem energiat kui sama massiga uraan-235 põletamisel.

Aatomipommi valmistamine oli pigem eksperimentaalne kui teoreetiline. Vesinikpommi loomine eeldas täiesti uute füüsikaliste distsipliinide tekkimist: kõrgtemperatuurse plasma ja ülikõrge rõhu füüsika. Enne pommi projekteerimise alustamist oli vaja põhjalikult mõista ainult tähtede tuumas esinevate nähtuste olemust. Siin ei aidanud ükski katse – teadlaste töövahenditeks olid vaid teoreetiline füüsika ja kõrgem matemaatika. Pole juhus, et hiiglaslik roll termotuumarelvade väljatöötamisel kuulub just matemaatikutele: Ulam, Tihhonov, Samarsky jne.

klassikaline super

1945. aasta lõpuks pakkus Edward Teller välja esimese vesinikupommi disaini, mida nimetati "klassikaliseks superks". Termotuumareaktsiooni käivitamiseks vajaliku koletu rõhu ja temperatuuri tekitamiseks pidi see kasutama tavalist aatomipommi. "Klassikaline super" ise oli pikk silinder, mis oli täidetud deuteeriumiga. Samuti oli ette nähtud vahepealne "süüte" kamber deuteeriumi-triitiumi seguga - deuteeriumi ja triitiumi sünteesi reaktsioon algab madalamal rõhul. Analoogiliselt tulega pidi deuteerium täitma küttepuude rolli, deuteeriumi ja triitiumi segu - klaas bensiini ja aatomipomm - tikud. Sellist skeemi nimetati "toruks" - omamoodi sigariks, mille ühes otsas on aatomsüütaja. Sama skeemi järgi asusid nõukogude füüsikud välja töötama vesinikupommi.

Kuid matemaatik Stanislav Ulam tõestas Tellerile tavalisel slaidireeglil, et puhta deuteeriumi fusioonireaktsiooni toimumine "super" on vaevalt võimalik ja segu vajaks nii palju triitiumi, et selle valmistamiseks oleks vaja. praktiliselt külmutada relvade kvaliteediga plutooniumi tootmine USA-s.

Suhkrupahv

1946. aasta keskel pakkus Teller välja veel ühe vesinikupommi skeemi – "äratuskella". See koosnes uraani, deuteeriumi ja triitiumi vahelduvatest sfäärilistest kihtidest. Plutooniumi kesklaengu tuumaplahvatuse käigus tekkis termotuumareaktsiooni käivitamiseks vajalik rõhk ja temperatuur pommi teistes kihtides. "Äratuskella" jaoks oli aga vaja suure võimsusega aatomiinitsiaatorit ja USA-l (nagu ka NSVL-il) oli probleeme relvade kvaliteediga uraani ja plutooniumi tootmisega.

1948. aasta sügisel tuli sarnase skeemi välja Andrei Sahharov. Nõukogude Liidus nimetati seda disaini "sloika". NSV Liidu jaoks, kellel polnud piisavalt aega relvade uraan-235 ja plutoonium-239 tootmiseks, oli Sahharovi pahtel imerohi. Ja sellepärast.

Tavalises aatomipommis pole looduslik uraan-238 mitte ainult kasutu (neutronite energiast lagunemise ajal ei piisa lõhustumise algatamiseks), vaid ka kahjulik, kuna neelab ahnelt sekundaarseid neutroneid, aeglustades ahelreaktsiooni. Seetõttu on relvakvaliteediga uraan 90% uraan-235 isotoobist. Termotuumasünteesi tulemusena tekkivad neutronid on aga 10 korda energilisemad kui lõhustumisneutronid ning selliste neutronitega kiiritatud looduslik uraan-238 hakkab suurepäraselt lõhustuma. Uus pomm võimaldas kasutada lõhkeainena uraan-238, mida seni peeti jäätmeteks.

Sahharovi "puff" tipphetk oli ka valge heleda kristalse aine, liitiumdeutriid 6 LiD kasutamine ägedalt puuduliku triitiumi asemel.

Nagu eespool mainitud, süttib deuteeriumi ja triitiumi segu palju kergemini kui puhas deuteerium. Siin aga lõppevad triitiumi eelised ja jäävad vaid miinused: tavaolekus on triitium gaas, mis tekitab raskusi ladustamisel; triitium on radioaktiivne ja muutub lagunedes stabiilseks heelium-3-ks, õgides aktiivselt väga vajalikke kiireid neutroneid, mis piirab pommi säilivusaega mõne kuuga.

Mitteradioaktiivne liitiumdeutriid muutub aeglase lõhustumise neutronitega kiiritamisel - aatomikaitsme plahvatuse tagajärgedega - triitiumiks. Seega tekitab primaarse aatomiplahvatuse kiirgus hetkega piisavalt triitiumi edasiseks termotuumareaktsiooniks ja deuteerium on liitiumdeuteeriumis juba algusest peale olemas.

Just sellist pommi, RDS-6-sid, katsetati edukalt 12. augustil 1953 Semipalatinski katsepolügooni tornis. Plahvatuse võimsus oli 400 kilotonni ja vaidlused pole veel vaibunud, kas tegemist oli tõelise termotuumaplahvatusega või ülivõimsa aatomiplahvatusega. Tõepoolest, termotuumasünteesi reaktsioon Sahharovi pahvis ei moodustanud rohkem kui 20% kogu laengu võimsusest. Peamise panuse plahvatusele andis kiirete neutronitega kiiritatud uraan-238 lagunemisreaktsioon, tänu millele avasid RDS-6-d nn "määrdunud" pommide ajastu.

Fakt on see, et peamine radioaktiivne saaste on vaid lagunemissaadused (eriti strontsium-90 ja tseesium-137). Sisuliselt oli Sahharovi "sloika" hiiglaslik aatomipomm, mida ainult veidi täiustas termotuumareaktsioon. Pole juhus, et ainult üks "sloika" plahvatus andis 82% strontsium-90 ja 75% tseesium-137, mis sattus atmosfääri kogu Semipalatinski katsepaiga eksisteerimise ajaloo jooksul.

ameerika pommid

Esimese vesinikupommi lõhkasid aga ameeriklased. 1. novembril 1952 aastal Elugelabi atollil vaikne ookean 10 megatonnise termotuumasünteesi seadet "Mike" testiti edukalt. 74-tonnise Ameerika seadme pommiks nimetamine võib olla keeruline. "Mike" oli kahekorruselise maja suurune mahukas seade, mis oli absoluutse nullilähedasel temperatuuril täidetud vedela deuteeriumiga (Sahharovi "sloika" oli täiesti transporditav toode). "Mike'i" kõrghetk polnud aga suurus, vaid geniaalne termotuumalõhkeainete kokkupressimise põhimõte.

Tuletage meelde, et vesinikupommi põhiidee on luua tuumaplahvatuse kaudu tingimused termotuumasünteesiks (ülikõrge rõhk ja temperatuur). "Puff" skeemis asub tuumalaeng keskel ja seetõttu ei suru see deuteeriumi nii palju kokku, kuivõrd hajutab seda väljapoole - termotuumalõhkeaine koguse suurenemine ei too kaasa võimsuse suurenemist - see lihtsalt tal pole aega plahvatada. Just see piirabki selle skeemi maksimaalset võimsust – maailma võimsaim “pahvak” Orange Herald, mille britid 31. mail 1957 õhku lasid, andis vaid 720 kilotonni.

Ideaalne oleks, kui aatomikaitsme saaks sees plahvatama panna, pigistades termotuumalõhkeaineid. Aga kuidas seda teha? Edward Teller esitas hiilgava idee: suruda termotuumakütust mitte mehaanilise energia ja neutronvoo, vaid primaarse aatomikaitsme kiirguse abil.

Telleri uues disainis asus initsieeriv aatomisõlm termotuumaplokist eemal. Röntgenkiirgus ületas aatomilaengu töötamise ajal lööklaine ja levis mööda silindrilise keha seinu, aurustades ja muutes plasmaks pommi korpuse polüetüleenist sisevoodri. Plasma omakorda kiirgas uuesti pehmemaid röntgenikiirgusid, mida neelasid uraan-238 sisemise silindri - "tõukuri" - välimised kihid. Kihid hakkasid plahvatuslikult aurustuma (seda nähtust nimetatakse ablatsiooniks). Hõõguvat uraaniplasmat võib võrrelda ülivõimsa rakettmootori jugadega, mille tõukejõud suunatakse deuteeriumiga silindrisse. Uraani silinder varises kokku, saavutati deuteeriumi rõhk ja temperatuur kriitiline tase. Sama rõhk surus keskse plutooniumitoru kriitilise massini ja see plahvatas. Plutooniumi süütenööri plahvatus surus seestpoolt vastu deuteeriumi, surudes ja soojendades lisaks termotuumalõhkeainet, mis plahvatas. Intensiivne neutronivoog lõhestab tõukuris olevad uraan-238 tuumad, põhjustades sekundaarse lagunemisreaktsiooni. Sellel kõigel oli aega juhtuda enne hetke, mil primaarsest tuumaplahvatusest tekkinud lööklaine jõudis termotuumaüksuseni. Kõigi nende sekundi miljardites osades toimuvate sündmuste arvutamine nõudis planeedi tugevaimate matemaatikute mõistuse pinget. "Mike'i" loojad ei kogenud 10-megatonnisest plahvatusest mitte õudust, vaid kirjeldamatut naudingut - neil õnnestus mitte ainult mõista protsesse, mis reaalses maailmas toimuvad ainult tähtede tuumades, vaid ka katseliselt katsetada oma teooriaid, korraldades oma teooriaid. väike täht Maal.

Braavo

Oma disaini ilu poolest venelasi edestades ei suutnud ameeriklased oma seadet kompaktseks muuta: nad kasutasid Sahharovi pulbrilise liitiumdeutriidi asemel ülejahutatud vedelat deuteeriumi. Los Alamoses reageeriti Sahharovi pahvile teatud kadedusega: "toorpiimaämbriga tohutu lehma asemel kasutavad venelased piimapulbrit." Mõlemad pooled ei suutnud aga üksteise eest saladusi varjata. 1. märtsil 1954 katsetasid ameeriklased Bikini atolli lähedal liitiumdeutriidi peal 15 megatonnist Bravo pommi ja 22. novembril 1955 plahvatas esimene Nõukogude kaheastmeline termotuumapomm RDS-37, mille võimsus oli 1,7 megatonni. Semipalatinski katsepolügooni, lammutades peaaegu poole katsepaigast. Sellest ajast saadik on termotuumapommi konstruktsioon läbi teinud väiksemaid muudatusi (näiteks initsieeriva pommi ja põhilaengu vahele tekkis uraanikilp) ning muutunud kanooniliseks. Ja maailmas pole enam selliseid mastaapseid looduse mõistatusi, mida saaks lahendada nii suurejoonelise katsega. Kas see on supernoova sünd.

Natuke teooriat

Termotuumapommis on 4 reaktsiooni ja need kulgevad väga kiiresti. Esimesed kaks reaktsiooni on materjali allikaks kolmandale ja neljandale reaktsioonile, mis termotuumaplahvatuse temperatuuridel kulgevad 30-100 korda kiiremini ja annavad suurema energiasaagi. Seetõttu tarbitakse saadud heelium-3 ja triitium kohe ära.

Aatomite tuumad on positiivselt laetud ja seetõttu tõrjuvad üksteist. Selleks, et nad reageeriksid, tuleb neid peaga suruda, ületades elektrilise tõukejõu. See on võimalik ainult siis, kui nad liiguvad suurel kiirusel. Aatomite kiirus on otseselt seotud temperatuuriga, mis peaks ulatuma 50 miljoni kraadini! Kuid deuteeriumi kuumutamisest sellise temperatuurini ei piisa; Looduses leidub selliseid temperatuure sellise tihedusega ainult tähtede tuumas.

Salapärane seade, mis on võimeline kirjeldamatult lühikese aja jooksul vabastama gigadžaule energiat, on ümbritsetud kurjakuulutava romantikaga. Ütlematagi selge, et kogu maailmas oli tuumarelvade kallal töötamine sügavalt salastatud ning pomm ise oli kasvanud legendide ja müütide massiga. Proovime nendega järjekorras hakkama saada.

Andrei Suvorov


Miski ei tekita nii suurt huvi kui aatomipomm



august 1945. Ernest Orlando Lawrence aatomipommi laboris



1954. aastal Kaheksa aastat pärast plahvatust Bikini atolli lähedal avastasid Jaapani teadlased kõrge tase kohalikest vetest püütud kalade kiirgus


Kriitiline mass

Kõik on kuulnud, et tuumaahelreaktsiooni käivitamiseks on vaja saavutada teatud kriitiline mass. Kuid tõelise tuumaplahvatuse toimumiseks ei piisa ühest kriitilisest massist - reaktsioon peatub peaaegu kohe, enne kui märgatav energia jõuab vabaneda. Mitme kilotonni või kümne kilotonnise täismahus plahvatuse jaoks on vaja korraga koguda kaks või kolm, eelistatavalt neli või viis kriitilist massi.

Näib ilmselge, et kaks või enam osa tuleks valmistada uraanist või plutooniumist ja ühendada need vajalikul hetkel. Ausalt öeldes peab ütlema, et samamoodi mõtlesid ka füüsikud, kui nad tuumapommi projekteerima asusid. Kuid tegelikkus on teinud omad korrektiivid.

Asi on selles, et kui meil oleks väga puhas uraan-235 või plutoonium-239, saaksime seda teha, kuid teadlased pidid tegelema tõeliste metallidega. Loodusliku uraani rikastamisega saate valmistada segu, mis sisaldab 90% uraan-235 ja 10% uraan-238, katsed ülejäänud uraan-238-st vabaneda toovad kaasa selle materjali väga kiire hinnatõusu (seda nimetatakse nn. kõrgelt rikastatud uraan). Plutoonium-239, mis saadakse tuumareaktoris uraan-238-st uraan-235 lõhustumise käigus, sisaldab tingimata plutoonium-240 segu.

Isotoope uraan235 ja plutoonium239 nimetatakse paaris-paarituteks, kuna nende tuumad sisaldavad paarisarv prootoneid (uraani puhul 92 ja plutooniumi puhul 94) ja paaritu arvu neutroneid (vastavalt 143 ja 145). Kõigil raskete elementide paarituumatel on ühine omadus: nad lõhustuvad harva spontaanselt (teadlased ütlevad: "iseeneslikult"), kuid lõhustuvad kergesti, kui neid tabab neutronituum.

Uraan-238 ja plutoonium-240 on paaris-paar. Vastupidi, need praktiliselt ei lõhustu lõhustuvatest tuumadest välja lendavate madala ja mõõduka energiaga neutronitega, teisalt aga lõhustuvad spontaanselt sadu või kümneid tuhandeid kordi sagedamini, moodustades neutronfooni. See taust muudab tuumarelvade loomise väga keeruliseks, kuna see põhjustab reaktsiooni enneaegset algust, enne kui laengu kaks osa kokku saavad. Seetõttu peavad plahvatuseks ettevalmistatud seadmes kriitilise massi osad asuma üksteisest piisavalt kaugel ja olema ühendatud suurel kiirusel.

kahuripomm

6. augustil 1945 Hiroshimale heidetud pomm valmistati aga täpselt ülaltoodud skeemi järgi. Selle kaks osa, sihtmärk ja kuul, olid valmistatud kõrgelt rikastatud uraanist. Sihtmärgiks oli 16 cm läbimõõduga ja ka 16 cm kõrgune silinder, mille keskel oli 10 cm läbimõõduga auk.Selle augu järgi tehti kuul. Kokku sisaldas pomm 64 kg uraani.

Sihtmärki ümbritses kest, mille sisemine kiht oli valmistatud volframkarbiidist, välimine kiht terasest. Korpusel oli kaks eesmärki: hoida kuuli sihtmärki tabades ja peegeldada vähemalt osa uraanist eralduvatest neutronitest tagasi. Võttes arvesse neutronreflektorit, oli 64 kg 2,3 kriitilist massi. Kuidas see juhtus, sest iga tükk oli alakriitiline? Fakt on see, et silindri keskosa eemaldamisega vähendame selle keskmist tihedust ja kriitilise massi väärtus tõuseb. Seega võib selle osa mass ületada tahke metallitüki kriitilise massi. Kuid kuuli massi pole sel viisil võimalik suurendada, sest see peab olema tahke.

Nii märklaud kui ka kuul olid kokku pandud tükkidest: sihtmärk mitmest madalast rõngast ja kuul kuuest litrist. Põhjus on lihtne – uraani toorikud pidid olema mõõtmetelt väikesed, sest tooriku valmistamisel (valamisel, pressimisel) ei tohtinud uraani üldkogus läheneda kriitilisele massile. Kuul oli ümbritsetud õhukese seinaga roostevabast terasest ümbrisega, mille volframkarbiidist kate oli nagu märklaud.

Kuuli suunamiseks sihtmärgi keskele otsustasime kasutada tavapärase 76,2 mm kaliibriga õhutõrjekahuri toru. Seetõttu nimetatakse seda tüüpi pommi mõnikord ka kahuripommiks. Tünn oli seest kuni 100 mm puuritud, nii et selline ebatavaline mürsk tungis sinna sisse. Tünni pikkus oli 180 cm, selle laadimiskambrisse laaditi tavaline suitsuvaba pulber, mis tulistas kuuli kiirusega umbes 300 m/s. Ja tünni teine ​​ots suruti sihikusse auku.

Sellel disainil oli palju puudusi.

See oli tohutult ohtlik: kui püssirohi laadimiskambrisse laaditi, põhjustas iga õnnetus, mis võib selle süttida, pommi täisvõimsusel plahvatada. Seetõttu oli püroksüliin laetud juba õhus, kui lennuk sihtmärgini lendas.

Lennukiõnnetuse korral võivad uraaniosad ühenduda ilma püssirohuta, lihtsalt tugeva löögi tõttu maapinnale. Selle vältimiseks oli kuuli läbimõõt murdosa millimeetri võrra suurem kui toru ava läbimõõt.

Kui pomm peaks vette kukkuma, siis neutronite aeglustumise tõttu vees saaks reaktsioon alata ka ilma osade ühendamiseta. Tõsi, sellisel juhul on tuumaplahvatus ebatõenäoline, kuid toimuks termiline plahvatus, kus uraan pihustatakse suurele alale ja radioaktiivne saaste.

Sellise konstruktsiooniga pommi pikkus ületas kahe meetri ja see on praktiliselt ületamatu. Saavutati ju kriitiline seisund ja reaktsioon algas siis, kui kuuli peatumiseni oli veel tubli pool meetrit!

Lõpuks oli see pomm väga raiskav: vähem kui 1% uraanist jõudis selles reageerida!

Suurtükipommi eelis oli täpselt üks: see ei saanud mitte töötada. Teda ei kavatsetud isegi testida! Kuid ameeriklased pidid katsetama plutooniumipommi: selle disain oli liiga uus ja keeruline.

plutooniumi jalgpallipall

Kui selgus, et isegi tilluke (alla 1%!) plutoonium-240 segu muudab plutooniumipommi kahuri abil kokkupanemise võimatuks, olid füüsikud sunnitud otsima teisi võimalusi kriitilise massi saavutamiseks. Ja plutooniumi lõhkeainete võtme leidis mees, kellest sai hiljem kuulsaim "tuumaluuraja" – Briti füüsik Klaus Fuchs.

Tema idee, mida hiljem nimetati "implosiooniks", oli moodustada lahknevast sfäärilisest lööklainest koonduv sfääriline lööklaine, kasutades nn plahvatusläätsi. See lööklaine pidi suruma kokku plutooniumitüki nii, et selle tihedus kahekordistus.

Kui tiheduse vähenemine põhjustab kriitilise massi suurenemist, siis tiheduse suurenemine peaks seda vähendama! Eriti kehtib see plutooniumi kohta. Plutoonium on väga spetsiifiline materjal. Kui plutooniumitükk jahutatakse sulamistemperatuurilt toatemperatuurini, toimub selles neli faasisiiret. Viimasel (umbes 122 kraadi) suureneb selle tihedus järsult 10%. Sel juhul praguneb iga valas paratamatult. Selle vältimiseks legeeritakse plutoonium mõne kolmevalentse metalliga, seejärel muutub lahtine olek stabiilseks. Alumiiniumi võib kasutada, kuid 1945. aastal kardeti, et nende lagunemise käigus plutooniumi tuumadest eralduvad alfaosakesed löövad alumiiniumi tuumadest välja vabu neutroneid, suurendades niigi märgatavat neutronifooni, mistõttu kasutati galliumi esimeses aatomipommis.

98% plutoonium-239, 0,9% plutoonium-240 ja 0,8% galliumi sisaldavast sulamist valmistati vaid 9 cm läbimõõduga ja umbes 6,5 kg kaaluv pall. Palli keskel oli 2 cm läbimõõduga õõnsus, mis koosnes kolmest osast: kahest poolest ja 2 cm läbimõõduga silindrist. See silinder toimis korgina, mille kaudu sai initsiaatorit sisestada. sisemine õõnsus – neutronite allikas, mis töötas pommi plahvatamisel. Kõik kolm osa tuli nikeldada, sest plutoonium oksüdeerub õhu ja vee toimel väga aktiivselt ning on inimkehasse sattudes ülimalt ohtlik.

Palli ümbritses 7 cm paksune ja 120 kg kaaluv looduslik uraan-238 neutronreflektor. Uraan on hea kiirete neutronite reflektor ja kokkupandud süsteem oli vaid veidi alakriitiline, mistõttu sisestati plutooniumi asemel kaadmiumikork, mis neelas neutroneid. Reflektor hoidis reaktsiooni ajal ka kõiki kriitilise sõlme detaile, vastasel juhul lendaks suurem osa plutooniumist laiali, ilma et oleks aega tuumareaktsioonis osaleda.

Edasi tuli 120 kg kaaluv 11,5 cm kiht alumiiniumisulamist. Kihi eesmärk on sama, mis objektiivide läätsede kattekihil: tagada, et lööklaine tungib läbi uraani-plutooniumi sõlme, mitte ei peegeldu sealt. See peegeldus on tingitud lõhkeainete ja uraani suurest tiheduse erinevusest (ligikaudu 1:10). Lisaks järgneb lööklaines kompressioonilainele haruldane laine, nn Taylori efekt. Alumiiniumikiht nõrgendas harvenduslainet, mis vähendas lõhkeaine mõju. Alumiinium tuli legeerida booriga, mis neelas uraan-238 lagunemisel tekkivate alfaosakeste mõjul alumiiniumi aatomite tuumadest eralduvad neutronid.

Lõpuks olid need "lõhkeobjektiivid" väljas. Neid oli 32 (20 kuuetahulist ja 12 viietahulist), moodustasid jalgpallipalli sarnase struktuuri. Iga objektiiv koosnes kolmest osast, millest keskmine oli valmistatud spetsiaalsest "aeglasest" lõhkeainest ning välimine ja sisemine - "kiirest". Välisosa oli väljast sfääriline, kuid sees oli koonusekujuline õõnsus, nagu vormitud laengul, ainult selle otstarve oli erinev. See koonus oli täidetud aeglaste lõhkeainetega ja lõhkeaine laine murdus liideses nagu tavaline valguslaine. Kuid sarnasus on siin väga tingimuslik. Tegelikult on selle koonuse kuju üks tuumapommi tõelisi saladusi.

1940. aastate keskel ei olnud maailmas arvuteid, mis suudaksid selliste objektiivide kuju välja arvutada, ja mis kõige tähtsam, polnud isegi sobivat teooriat. Seetõttu tehti need eranditult katse-eksituse meetodil. Läbi tuli teha üle tuhande plahvatuse – ja mitte lihtsalt läbi viia, vaid pildistada spetsiaalsete kiirete kaameratega, salvestades lööklaine parameetreid. Väiksema versiooni väljatöötamisel selgus, et lõhkekehad ei mastaabugi nii kergesti ning vanu tulemusi oli vaja kõvasti korrigeerida.

Vormi täpsust tuli jälgida alla millimeetrise veaga ning ülima hoolega hoida lõhkeaine koostist ja ühtlust. Osasid sai valmistada ainult valamise teel, mistõttu kõik lõhkeained ei sobinud. Kiired lõhkeained olid heksogeeni ja TNT segu, milles oli kaks korda rohkem heksogeeni. Aeglane - sama TNT, kuid inertse baariumnitraadi lisamisega. Detonatsioonilaine kiirus esimeses lõhkeaines on 7,9 km/s ja teises - 4,9 km/s.

Detonaatorid paigaldati iga objektiivi välispinna keskele. Kõik 32 detonaatorit pidid töötama üheaegselt ennekuulmatu täpsusega – vähem kui 10 nanosekundi ehk miljardiksekundi võrra! Seega ei tohiks lööklainefront olla moonutatud rohkem kui 0,1 mm. Sama täpsusega oli vaja kombineerida läätsede vastaspindu ja ometi oli viga nende valmistamisel kümme korda suurem! Pidin nokitsema ja kulutama palju tualettpaberit ja teipi, et ebatäpsusi kompenseerida. Kuid süsteem on muutunud vähe nagu teoreetiline mudel.

Pidin leiutama uued detonaatorid: vanad ei taganud korralikku sünkroniseerimist. Need valmistati juhtmete põhjal, mis plahvatasid võimsa elektrivoolu impulsi all. Nende tööks oli vaja 32 kõrgepingekondensaatori akut ja sama palju kiirlaadijaid – iga detonaatori kohta üks. Kogu süsteem koos akude ja kondensaatorilaadijaga kaalus esimeses pommis ligi 200 kg. Võrreldes lõhkekeha kaaluga, mis võttis 2,5 tonni, ei olnud seda aga palju.

Lõpuks ümbritseti kogu konstruktsioon duralumiiniumist sfäärilise korpusega, mis koosnes laiast vööst ja kahest kattest - ülemisest ja alumisest, kõik need osad olid kokku pandud poltide külge. Pommi konstruktsioon võimaldas selle kokku panna ilma plutooniumisüdamikuta. Plutooniumi paika panemiseks koos uraanireflektori tükiga keerati korpuse pealmine kate lahti ja eemaldati üks lõhkekeha.

Sõda Jaapaniga oli lõppemas ja ameeriklastel oli kiire. Plahvatuspommi tuli aga katsetada. See operatsioon sai koodnime "Kolmainsus" ("Kolmainsus"). Jah, aatomipomm pidi demonstreerima jõudu, mis varem oli kättesaadav ainult jumalatele.

hiilgav edu

Katse koht valiti New Mexico osariigis, maalilise nimega Jornadadel Muerto (Surmatee) kohas - territoorium kuulus Alamagordo suurtükiväe polku. Pommi hakati kokku panema 11. juulil 1945. aastal. 14. juulil tõsteti ta spetsiaalselt ehitatud 30 m kõrguse torni tippu, ühendati juhtmed detonaatoritega ning sellega seonduvad ettevalmistused. suur kogus mõõteseadmed. 16. juulil 1945 hommikul kell pool kuus lasti seade õhku.

Temperatuur plahvatuse keskmes ulatub mitme miljoni kraadini, seega on tuumaplahvatuse sähvatus palju eredam kui Päike. Tulekera kestab paar sekundit, seejärel hakkab tõusma, tumenema, valgest oranžiks, seejärel karmiinpunaseks ja moodustub nüüd kuulus tuumaseen. Esimene seenepilv kerkis 11 km kõrgusele.

Plahvatuse energiaks oli üle 20 kt TNT. Suurem osa mõõteseadmetest hävis, sest füüsikud arvestasid 510 tonniga ja panid aparatuuri liiga lähedale. Peale selle oli see edukas, suurepärane edu!

Kuid ameeriklased seisid silmitsi piirkonna ootamatu radioaktiivse saastatusega. Radioaktiivsete sademete voog ulatus 160 km kaugusele kirdes. Osa elanikkonnast tuli Binghami väikelinnast evakueerida, kuid vähemalt viis kohalikku elanikku said doose kuni 5760 röntgenit.

Selgus, et saastumise vältimiseks tuleb pomm plahvatada piisavalt kõrgel, vähemalt pooleteise kilomeetri kõrgusel, seejärel hajuvad radioaktiivsed lagunemissaadused sadade tuhandete või isegi miljonite ruutkilomeetrite suurusele alale. ja lahustuvad globaalses kiirgusfoonis.

Teine selle konstruktsiooniga pomm visati Nagasakile 9. augustil, 24 päeva pärast seda katset ja kolm päeva pärast Hiroshima pommitamist. Sellest ajast peale on praktiliselt kõik tuumarelvad kasutanud implosioonitehnoloogiat. Esimene Nõukogude pomm RDS-1, mida katsetati 29. augustil 1949, valmistati sama skeemi järgi.

Lõhustumisahelreaktsiooni läbiviimiseks on vaja luua puhtast lõhustuvast materjalist ehk lõhustuvast materjalist ja moderaatorist koosnev aretuskeskkond, mille koostis tagab reaktsiooni arengu. Tuleb märkida, et selles keskkonnas on paratamatult konstruktsioonimaterjale. Nõutavate parameetritega aretussöötme valik ei anna aga veel kõiki tingimusi ahelreaktsiooniks. Väikese suuruse ja vastavalt ka paljunduskeskkonna massiga lendab enamik selles tekkivatest neutronitest välja, ilma et neil oleks aega lõhustumist põhjustada ja isemajandav ahelreaktsioon (SCR) ei toimu. Neutronite lekkimine pesitsuskeskkonnaga mahust annab sama tulemuse kui nende neeldumine ilma lõhustumiseta.

Paljunemiskeskkonna suuruse kasvades suureneb selles neutronite tee keskmine pikkus ja sellest tulenevalt ka tuumadega kokkupõrgete arv, millele järgneb lõhustumine ja uute neutronite ilmumine Kirjeldada reaktori käitumist ajas. , me kasutasime korrutustegur k eff - järgmise põlvkonna neutronite arvu ja eelmise põlvkonna neutronite arvu suhe. Selles tõlgenduses kasvab keskkonna suuruse suurenemisega k eff nullist nullist lõhustumise tõenäosuse korral ühtsusest suuremate väärtusteni, kusjuures neutronite arv suureneb põlvkondade kaupa laviinitaoliselt.

Kui k eff on võrdne ühega, siis lõhustumisprotsessi intensiivsus ajas ei muutu – protsess on isemajandav ja selline süsteem on nn. kriitiline . Kell k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют alakriitiline . Kui k eff > 1, süsteem ülekriitiline.

Lõhustuva materjali minimaalset massi, mis on vajalik isemajanduva lõhustumisreaktsiooni läbiviimiseks, nimetatakse kriitiline mass . Kui mass ületab kriitilist, siis igas järgmises põlvkonnas sünnib rohkem neutroneid kui eelmises ja areneb ahelreaktsioon. Kriitilise massi väärtus sõltub lõhustuva nukliidi omadustest (235 U või 239 Pu), sigimiskeskkonna koostisest ja selle keskkonnast. Kriitiline mass võib varieeruda mõnesajast grammist katseseadmetes kuni kümnete kilogrammideni tuumalõhkepeades ja mitme tonnini suurtes jõureaktorites. Mõelge loodusliku uraani tuumareaktorile. Selles võib tekkida isemajandav ahelreaktsioon, kui lõhustumisel tekkivate ja edasist lõhustumist esile kutsuvate sekundaarsete neutronite arv on piisav, et hoida lõhustumise kiirust reaktoris konstantsel tasemel.