კრიტიკული მასა ბირთვულ ფიზიკაში. ბირთვული შეტევა: ბირთვული მუხტის კრიტიკული მასა. პლუტონიუმის ფეხბურთის ბურთი

ორ თვეზე ცოტა მეტი გავიდა კაცობრიობის ისტორიაში ყველაზე საშინელი ომის დასრულებიდან. ასე რომ, 1945 წლის 16 ივლისს აშშ-ს სამხედროებმა გამოსცადეს პირველი ბირთვული ბომბი და ერთი თვის შემდეგ იაპონიის ქალაქების ათასობით მაცხოვრებელი იღუპება ატომურ ჯოჯოხეთში. მას შემდეგ იარაღი, ისევე როგორც სამიზნეების მიტანის საშუალებები, განუწყვეტლივ იხვეწებოდა ნახევარ საუკუნეზე მეტი ხნის განმავლობაში.

სამხედროებს სურდათ მიეღოთ მათ განკარგულებაში როგორც სუპერ ძლიერი საბრძოლო მასალა, ერთი დარტყმით ამოეგდოთ მთელი ქალაქები და ქვეყნები რუკიდან და ულტრაპატარა, რომლებიც ეტევა პორტფელს. ასეთი მოწყობილობა დივერსიულ ომს უპრეცედენტო დონემდე მიიყვანს. როგორც პირველთან, ასევე მეორესთან იყო გადაულახავი სირთულეები. ამის მიზეზი კრიტიკული მასაა ე.წ. თუმცა, პირველ რიგში.

ასეთი ფეთქებადი ბირთვი

ბირთვული მოწყობილობების მუშაობის თანმიმდევრობის გასაგებად და იმის გასაგებად, თუ რას ჰქვია კრიტიკული მასა, ცოტა ხნით დავუბრუნდეთ სამუშაო მაგიდას. სასკოლო ფიზიკის კურსიდან ჩვენ გვახსოვს მარტივი წესი: ამავე სახელწოდების მუხტები იგერიებენ ერთმანეთს. იქ, შიგნით უმაღლესი სკოლამოსწავლეებს ეუბნებიან ატომის ბირთვის სტრუქტურაზე, რომელიც შედგება ნეიტრონების, ნეიტრალური ნაწილაკებისა და დადებითად დამუხტული პროტონებისგან. მაგრამ როგორ არის ეს შესაძლებელი? დადებითად დამუხტული ნაწილაკები იმდენად ახლოს არიან ერთმანეთთან, რომ ამაღელვებელი ძალები კოლოსალური უნდა იყოს.

მეცნიერებას ბოლომდე არ ესმის იმ ბირთვული ძალების ბუნება, რომლებიც პროტონებს ერთმანეთთან აკავებენ, თუმცა ამ ძალების თვისებები საკმაოდ კარგად არის შესწავლილი. ძალები მოქმედებენ მხოლოდ ძალიან ახლო მანძილზე. მაგრამ როგორც კი პროტონები ოდნავაც კი დაშორდებიან სივრცეში, ამაღელვებელი ძალები იწყებენ გაბატონებას და ბირთვი ნაწილებად იშლება. და ასეთი გაფართოების ძალა მართლაც კოლოსალურია. ცნობილია, რომ ზრდასრული მამაკაცის ძალა საკმარისი არ იქნება ტყვიის ატომის მხოლოდ ერთი ბირთვის პროტონების შესანარჩუნებლად.

რისი ეშინოდა რეზერფორდს?

პერიოდული ცხრილის ელემენტების უმეტესობის ბირთვები სტაბილურია. თუმცა, როგორც ატომური რიცხვი იზრდება, ეს სტაბილურობა მცირდება. ეს დაახლოებით ბირთვების ზომაა. წარმოიდგინეთ ურანის ატომის ბირთვი, რომელიც შედგება 238 ნუკლიდისგან, რომელთაგან 92 პროტონია. დიახ, პროტონები ერთმანეთთან მჭიდრო კავშირშია და ინტრაბირთვული ძალები უსაფრთხოდ ამაგრებენ მთელ სტრუქტურას. მაგრამ ბირთვის საპირისპირო ბოლოებზე განლაგებული პროტონების საგზური ძალა შესამჩნევი ხდება.

რა გააკეთა რეზერფორდმა? მან დაბომბა ატომები ნეიტრონებით (ელექტრონი არ გაივლის ატომის ელექტრონულ გარსს და დადებითად დამუხტული პროტონი ვერ მიუახლოვდება ბირთვს საგზაო ძალების გამო). ნეიტრონი, რომელიც შედის ატომის ბირთვში, იწვევს მის დაშლას. ორი ცალკეული ნახევარი და ორი ან სამი თავისუფალი ნეიტრონი გაფრინდა ერთმანეთისგან.

ამ დაშლას, მფრინავი ნაწილაკების უზარმაზარი სიჩქარის გამო, თან ახლდა უზარმაზარი ენერგიის გამოყოფა. გავრცელდა ჭორი, რომ რეზერფორდს მისი აღმოჩენის დამალვაც კი სურდა, კაცობრიობისთვის მისი შესაძლო შედეგების ეშინოდა, მაგრამ ეს, სავარაუდოდ, სხვა არაფერია, თუ არა ზღაპარი.

რა შუაშია მასა და რატომ არის ის კრიტიკული

Მერე რა? როგორ შეიძლება საკმარისი რადიოაქტიური ლითონის დასხივება პროტონების ნაკადით ძლიერი აფეთქების შესაქმნელად? და რა არის კრიტიკული მასა? ეს ყველაფერი ეხება იმ რამდენიმე თავისუფალ ელექტრონს, რომლებიც გამოფრინდებიან "დაბომბული" ატომური ბირთვიდან, ისინი, თავის მხრივ, სხვა ბირთვებთან შეჯახებით, გამოიწვევს მათ დაშლას. დაიწყება ე.წ., თუმცა მისი გაშვება უკიდურესად რთული იქნება.

მოდით დავხვეწოთ მასშტაბი. თუ ჩვენს მაგიდაზე ვაშლს ავიღებთ ატომის ბირთვად, მაშინ მეზობელი ატომის ბირთვის წარმოსადგენად, იგივე ვაშლი უნდა ატაროთ და მაგიდაზე დადოთ არა გვერდით ოთახში, არამედ.. გვერდით სახლში. ნეიტრონი იქნება ალუბლის ორმოს ზომის.

იმისათვის, რომ გამოსხივებული ნეიტრონები უშედეგოდ არ გაფრინდნენ ურანის კალმის გარეთ და მათგან 50%-ზე მეტმა სამიზნე ატომური ბირთვების სახით იპოვა, ამ ღეროს უნდა ჰქონდეს შესაბამისი ზომები. ეს არის ის, რასაც ურანის კრიტიკულ მასას უწოდებენ - მასას, რომლის დროსაც გამოსხივებული ნეიტრონების ნახევარზე მეტი სხვა ბირთვებს ეჯახება.

სინამდვილეში, ეს ხდება მყისიერად. გაყოფილი ბირთვების რიცხვი ზვავსავით იზრდება, მათი ფრაგმენტები ყველა მიმართულებით მიიჩქარიან სინათლის სიჩქარის შესადარებელი სიჩქარით, ჭრიან ღია ჰაერს, წყალს და ნებისმიერ სხვა საშუალებას. მოლეკულებთან მათი შეჯახებიდან გარემოაფეთქების ტერიტორია მყისიერად თბება მილიონობით გრადუსამდე, ასხივებს სითბოს, რომელიც წვავს ყველაფერს რამდენიმე კილომეტრის სამეზობლოში.

მკვეთრად გახურებული ჰაერი მყისიერად იზრდება ზომაში, ქმნის ძლიერ დარტყმის ტალღას, რომელიც შენობებს საძირკველიდან უბერავს, აბრუნებს და ანადგურებს ყველაფერს მის გზაზე... ასეთია ატომური აფეთქების სურათი.

როგორ გამოიყურება პრაქტიკაში

ატომური ბომბის მოწყობილობა საოცრად მარტივია. არის ურანის ორი ჯოხი (ან სხვა, რომელთაგან თითოეულის მასა ოდნავ ნაკლებია კრიტიკულზე. ერთი ჯოხი დამზადებულია კონუსის სახით, მეორე დამზადებულია ბურთის სახით კონუსით). - ფორმის ხვრელი. როგორც თქვენ ალბათ მიხვდებით, ორივე ნახევრის შერწყმისას მიიღებთ ბურთს, რომელიც აღწევს კრიტიკულ მასას. ეს არის სტანდარტული უმარტივესი ბირთვული ბომბი.

მაგრამ არ იფიქროთ, რომ ასეთი მოწყობილობის აწყობა „მუხლზე“ შეიძლება ვინმემ. მთელი ხრიკი იმაშია, რომ ურანი, რომ მისგან ბომბი აფეთქდეს, უნდა იყოს ძალიან სუფთა, მინარევების არსებობა პრაქტიკულად ნულის ტოლია.

რატომ არ არის ატომური ბომბი სიგარეტის კოლოფის ზომის?

ყველა ერთი და იგივე მიზეზით. ურანის 235-ის ყველაზე გავრცელებული იზოტოპის კრიტიკული მასა არის დაახლოებით 45 კგ. ბირთვული საწვავის ასეთი რაოდენობის აფეთქება უკვე კატასტროფაა. და შეუძლებელია ნივთიერების უფრო მცირე რაოდენობით დამზადება - ეს უბრალოდ არ იმუშავებს.

ამავე მიზეზით, შეუძლებელი იყო ურანის ან სხვა რადიოაქტიური ლითონებისგან სუპერძლიერი ატომური მუხტების შექმნა. იმისთვის, რომ ბომბი ძალიან მძლავრი ყოფილიყო, იგი ამზადებდნენ ათიოდე ინგოტისაგან, რომლებიც აფეთქების დროს აფეთქდა, ცენტრისკენ მიისწრაფოდნენ და ერთმანეთს ფორთოხლის ნაჭრებივით უერთდებოდნენ.

მაგრამ რა მოხდა სინამდვილეში? თუ რაიმე მიზეზის გამო, ორი ელემენტი მეორეზე მეათასედი ადრე შეხვდებოდა, კრიტიკული მასა უფრო სწრაფად მიიღწევა, ვიდრე დანარჩენები „დროზე მივიდოდნენ“, აფეთქება არ იყო იმ სიძლიერის, რასაც დიზაინერები ელოდნენ. სუპერძლიერი ბირთვული იარაღის პრობლემა მოგვარდა მხოლოდ თერმობირთვული იარაღის მოსვლასთან ერთად. მაგრამ ეს ოდნავ განსხვავებული ამბავია.

როგორ მუშაობს მშვიდობიანი ატომი?

ატომური ელექტროსადგური არსებითად იგივე ბირთვული ბომბია. მხოლოდ ამ „ბომბში“ ურანისაგან დამზადებული TVEL-ები (საწვავის ელემენტები) განლაგებულია ერთმანეთისგან გარკვეულ მანძილზე, რაც ხელს არ უშლის მათ გაცვალონ ნეიტრონული „დარტყმა“.

საწვავის წნელები მზადდება ღეროების სახით, რომელთა შორის არის ნეიტრონების კარგად შთანთქმის მასალისგან დამზადებული საკონტროლო წნელები. მოქმედების პრინციპი მარტივია:

• ურანის ღეროებს შორის სივრცეში შეჰყავთ მარეგულირებელი (შთამნთქმელი) ღეროები - რეაქცია ნელდება ან საერთოდ ჩერდება;
• საკონტროლო წნელები ამოღებულია ზონიდან - რადიოაქტიური ელემენტები აქტიურად ცვლიან ნეიტრონებს, ბირთვული რეაქცია უფრო ინტენსიურად მიმდინარეობს.

მართლაც, იგივე გამოდის ატომური ბომბი, რომელშიც კრიტიკული მასა მიიღწევა ისე შეუფერხებლად და რეგულირდება ისე მკაფიოდ, რომ არ იწვევს აფეთქებას, არამედ მხოლოდ გამაგრილებლის გაცხელებას.

თუმცა, სამწუხაროდ, როგორც პრაქტიკა გვიჩვენებს, ყოველთვის არ ძალუძს ადამიანის გენიოსს ამ უზარმაზარი და დამღუპველი ენერგიის - ატომური ბირთვის დაშლის ენერგიის შეკავება.

რაც უფრო დიდია რეაქტორის ზომები (გაჟონვა გადის მხოლოდ ზედაპირზე) და რაც უფრო ახლოსაა რეაქტორის ბირთვის ფორმა სფეროსთან, მით უფრო მცირეა (ceteris paribus) გაჟონვა და უფრო მაღალია R.

ჯაჭვური რეაქციისთვის k eff =P∙k ∞ =1

ეს მიიღწევა რეაქტორის გარკვეულ მინ ზომაზე, რომელსაც რეაქტორის კრიტიკულ ზომას უწოდებენ.

ხოლო ბირთვული საწვავის უმცირეს მასას, რომელიც შეიცავს კრიტიკული ზომის რეაქტორის ბირთვს, რომლის დროსაც შეიძლება მოხდეს საწვავის დაშლის ჯაჭვური რეაქცია, ეწოდება კრიტიკული მასა. მისი ღირებულება დამოკიდებულია რამდენიმე ფაქტორზე:

1) საწვავის გამდიდრების ხარისხი;

2) მოდერატორი და სტრუქტურული მასალების რაოდენობა და ბირთვული თვისებები;

3).ეფექტური რეფლექტორი.

გამდიდრების გამოყენება და შესაძლებელს ხდის კრიტიკული მასისა და რეაქტორის ზომის შემცირებას (ურანის გამდიდრება U 235 იზოტოპით >5% არ იძლევა ნეიტრონების ბალანსის მნიშვნელოვან ზრდას).

რეაქტორის ბირთვის კრიტიკული მასა და ზომები.

1) საწვავის დამწვრობა ენერგიის მოცემული მოცულობის გამომუშავებისთვის (მოცემული სიმძლავრე მოცემულ დროს);

2) მავნე შთანთქმის კომპენსაცია და ტემპერატურული ეფექტის კომპენსაცია, რომელიც წარმოიქმნება ბირთვული რეაქციის დროს.

მას შემდეგ, რაც დატვირთული საწვავის მასა მეტია eff>1 კრიტიკულზე, რაც იწვევს რეაქტორის სუპერკრიტიკულ მდგომარეობას.

k eff =1 რომ შევინარჩუნოთ, რეაქტორს აქვს კომპენსაციის და კონტროლის სისტემა, რომლის დახმარებით ბირთვში შეჰყავთ სპეციალური ფირფიტები და ღეროები, რომლებიც ძლიერად შთანთქავენ ნეიტრონებს, რომლებიც მოძრაობენ საწვავის დაწვისას.

რეაქტორში საწვავის მოქმედების დროს სრული სიმძლავრით დატვირთვებს შორის ეწოდება რეაქტორის კამპანია (რეგულირებადი ღეროები დამზადებულია კადმიუმ-113, გრაფიტი-114, ბარი-10).

ბევრი ჩვენი მკითხველი წყალბადის ბომბს უკავშირებს ატომურ ბომბს, მხოლოდ ბევრად უფრო მძლავრს. სინამდვილეში, ეს არის ფუნდამენტურად ახალი იარაღი, რომელიც მოითხოვდა არაპროპორციულად დიდ ინტელექტუალურ ძალისხმევას მის შესაქმნელად და მუშაობს ფუნდამენტურად განსხვავებულ ფიზიკურ პრინციპებზე.

ერთადერთი, რაც ატომურ ბომბსა და წყალბადის ბომბს აერთიანებს, არის ის, რომ ორივე ათავისუფლებს ატომის ბირთვში დამალულ კოლოსალურ ენერგიას. ეს შეიძლება გაკეთდეს ორი გზით: დაყავით მძიმე ბირთვები, როგორიცაა ურანი ან პლუტონიუმი, მსუბუქ ბირთვებად (დაყოფის რეაქცია) ან აიძულეთ წყალბადის ყველაზე მსუბუქი იზოტოპების შერწყმა (შერწყმის რეაქცია). ორივე რეაქციის შედეგად მიღებული მასალის მასა ყოველთვის ნაკლებია საწყისი ატომების მასაზე. მაგრამ მასა უკვალოდ ვერ გაქრება - ის ენერგიად იქცევა ცნობილი აინშტაინის ფორმულით E=mc 2 .

ატომური ბომბის შესაქმნელად აუცილებელი და საკმარისი პირობაა საკმარისად დასაყოფი მასალის მიღება. სამუშაო საკმაოდ შრომატევადია, მაგრამ არა ძალიან ინტელექტუალური და უფრო ახლოს არის სამთო მრეწველობასთან, ვიდრე მაღალ მეცნიერებასთან. ასეთი იარაღის შექმნის ძირითადი რესურსები მიდის გიგანტური ურანის მაღაროებისა და გამდიდრების ქარხნების მშენებლობაზე. მოწყობილობის სიმარტივის დასტურია ის, რომ პირველი ბომბისთვის საჭირო პლუტონიუმის მიღებასა და პირველ საბჭოთა ატომურ აფეთქებას შორის ერთი თვეც არ გასულა.

მოკლედ გავიხსენოთ ასეთი ბომბის მოქმედების პრინციპი, რომელიც ცნობილია სასკოლო ფიზიკის კურსიდან. ის დაფუძნებულია ურანის და ზოგიერთი ტრანსურანის ელემენტის, როგორიცაა პლუტონიუმის თვისებაზე, დაშლის დროს ერთზე მეტი ნეიტრონის გამოყოფა. ამ ელემენტებს შეუძლიათ იშლება როგორც სპონტანურად, ასევე სხვა ნეიტრონების გავლენის ქვეშ.

გამოთავისუფლებულმა ნეიტრონმა შეიძლება დატოვოს რადიოაქტიური მასალა, ან შეიძლება სხვა ატომს შეეჯახოს, რამაც გამოიწვიოს სხვა დაშლის რეაქცია. როდესაც ნივთიერების (კრიტიკული მასის) გარკვეული კონცენტრაცია აღემატება, ახალშობილი ნეიტრონების რიცხვი, რომლებიც იწვევენ ატომის ბირთვის შემდგომ დაშლას, იწყებს აჭარბებს დაშლის ბირთვების რაოდენობას. დაშლის ატომების რიცხვი იწყებს ზრდას, როგორც ზვავი, შობს ახალ ნეიტრონებს, ანუ ხდება ჯაჭვური რეაქცია. ურანი-235-ისთვის კრიტიკული მასა დაახლოებით 50 კგ-ია, პლუტონიუმ-239-ისთვის - 5,6 კგ. ანუ, პლუტონიუმის ბურთი, რომელიც იწონის 5,6 კგ-ზე ოდნავ ნაკლებს, არის მხოლოდ თბილი ლითონის ნაჭერი და ცოტა მეტი მასა არსებობს მხოლოდ რამდენიმე ნანოწამში.

სინამდვილეში, ბომბის მოქმედება მარტივია: ვიღებთ ურანის ან პლუტონიუმის ორ ნახევარსფეროს, თითოეული კრიტიკულ მასაზე ოდნავ ნაკლები, ვათავსებთ 45 სმ მანძილზე, ვფარავთ ასაფეთქებელი ნივთიერებებით და ვფეთქდებით. ურანი ან პლუტონიუმი იშლება სუპერკრიტიკულ მასაში და იწყება ბირთვული რეაქცია. ყველაფერი. არსებობს ბირთვული რეაქციის დაწყების კიდევ ერთი გზა - შეკუმშოს პლუტონიუმის ნაჭერი ძლიერი აფეთქებით: ატომებს შორის მანძილი შემცირდება და რეაქცია დაიწყება უფრო დაბალი კრიტიკული მასით. ყველა თანამედროვე ატომური დეტონატორი მუშაობს ამ პრინციპზე.

ატომური ბომბის პრობლემები იწყება იმ მომენტიდან, როცა გვინდა გავზარდოთ აფეთქების ძალა. დასაშლელი მასალის მარტივი ზრდა შეუცვლელია - როგორც კი მისი მასა კრიტიკულს მიაღწევს, ის აფეთქდება. შეიმუშავეს სხვადასხვა ეშმაკური სქემები, მაგალითად, ბომბის გასაკეთებლად არა ორი ნაწილისგან, არამედ მრავალი ნაწილისგან, რამაც ბომბი დაემსგავსა გაფუჭებულ ფორთოხალს და შემდეგ შეკრიბა იგი ერთ ნაწილად ერთი აფეთქებით, მაგრამ მაინც სიმძლავრით. 100 კილოტონაზე მეტი, პრობლემები გადაულახავი გახდა.

მაგრამ თერმობირთვული შერწყმის საწვავს არ აქვს კრიტიკული მასა. აქ თერმობირთვული საწვავით სავსე მზე კიდია თავზე, მასში თერმობირთვული რეაქცია მილიარდი წელია მიმდინარეობს და არაფერი ფეთქავს. გარდა ამისა, შერწყმის რეაქციის დროს, მაგალითად, დეიტერიუმი და ტრიტიუმი (წყალბადის მძიმე და ზემძიმე იზოტოპი), 4,2-ჯერ მეტი ენერგია გამოიყოფა, ვიდრე ურანი-235-ის იგივე მასის დაწვისას.

ატომური ბომბის დამზადება უფრო ექსპერიმენტული იყო, ვიდრე თეორიული. წყალბადის ბომბის შექმნამ მოითხოვა სრულიად ახალი ფიზიკური დისციპლინების გაჩენა: მაღალი ტემპერატურის პლაზმისა და სუპერმაღალი წნევის ფიზიკა. ბომბის დიზაინის დაწყებამდე საჭირო იყო საფუძვლიანად გაგება იმ ფენომენების ბუნება, რომლებიც მხოლოდ ვარსკვლავების ბირთვში ხდება. აქ ვერანაირი ექსპერიმენტი ვერ დაგვეხმარება – მკვლევართა ინსტრუმენტები იყო მხოლოდ თეორიული ფიზიკა და უმაღლესი მათემატიკა. შემთხვევითი არ არის, რომ გიგანტური როლი თერმობირთვული იარაღის შემუშავებაში სწორედ მათემატიკოსებს ეკუთვნის: ულამს, ტიხონოვს, სამარსკის და ა.შ.

კლასიკური სუპერ

1945 წლის ბოლოს ედვარდ თელერმა შესთავაზა პირველი წყალბადის ბომბის დიზაინი, რომელსაც უწოდეს "კლასიკური სუპერ". შერწყმის რეაქციის დასაწყებად საჭირო ამაზრზენი წნევისა და ტემპერატურის შესაქმნელად, მას უნდა გამოეყენებინა ჩვეულებრივი ატომური ბომბი. თავად „კლასიკური სუპერ“ იყო დეიტერიუმით სავსე გრძელი ცილინდრი. ასევე უზრუნველყოფილი იყო შუალედური „ანთების“ კამერა დეიტერიუმ-ტრიტიუმის ნარევით - დეიტერიუმის და ტრიტიუმის სინთეზის რეაქცია იწყება უფრო დაბალი წნევით. ხანძრის ანალოგიით, დეიტერიუმს შეშის როლი უნდა ეთამაშა, დეიტერიუმისა და ტრიტიუმის ნარევი - ჭიქა ბენზინი, ხოლო ატომური ბომბი - ასანთი. ასეთ სქემას ეწოდა "მილაკი" - ერთგვარი სიგარა ატომური სანთებელა ერთ ბოლოში. ამავე სქემის მიხედვით, საბჭოთა ფიზიკოსებმა დაიწყეს წყალბადის ბომბის შემუშავება.

თუმცა, მათემატიკოსმა სტანისლავ ულამმა ტელერს ჩვეულებრივი სლაიდის წესით დაუმტკიცა, რომ სუფთა დეიტერიუმის შერწყმის რეაქცია "სუპერში" ძნელად შესაძლებელია და ნარევი მოითხოვდა ტრიტიუმის ისეთ რაოდენობას, რომ მისი წარმოებისთვის საჭირო იქნებოდა. შეერთებულ შტატებში იარაღის კლასის პლუტონიუმის წარმოების პრაქტიკულად გაყინვა.

შაქრის ფაფა

1946 წლის შუა რიცხვებში ტელერმა შემოგვთავაზა წყალბადის ბომბის კიდევ ერთი სქემა - "მაღვიძარა". იგი შედგებოდა ურანის, დეიტერიუმის და ტრიტიუმის მონაცვლეობითი სფერული ფენებისგან. პლუტონიუმის ცენტრალური მუხტის ბირთვული აფეთქების დროს შეიქმნა საჭირო წნევა და ტემპერატურა ბომბის სხვა ფენებში თერმობირთვული რეაქციის დასაწყებად. ამასთან, "მაღვიძარასთვის" საჭირო იყო მაღალი სიმძლავრის ატომური ინიციატორი და შეერთებულ შტატებს (როგორც, მართლაც, სსრკ-ს) პრობლემები შეექმნა იარაღის ხარისხის ურანისა და პლუტონიუმის წარმოებასთან დაკავშირებით.

1948 წლის შემოდგომაზე ანდრეი სახაროვმა მოიფიქრა მსგავსი სქემა. საბჭოთა კავშირში დიზაინს "სლოიკა" უწოდეს. სსრკ-სთვის, რომელსაც არ ჰქონდა საკმარისი დრო იარაღის ხარისხის ურანი-235-ისა და პლუტონიუმ-239-ის წარმოებისთვის, სახაროვის ფაფა პანაცეა იყო. და ამიტომ.

ჩვეულებრივ ატომურ ბომბში ბუნებრივი ურანი-238 არა მხოლოდ გამოუსადეგარია (ნეიტრონების ენერგია დაშლის დროს არ არის საკმარისი დაშლის დასაწყებად), არამედ საზიანოა, რადგან ის ხარბად შთანთქავს მეორად ნეიტრონებს, ანელებს ჯაჭვურ რეაქციას. ამრიგად, იარაღის ხარისხის ურანი არის 90% ურანი-235 იზოტოპი. თუმცა, თერმობირთვული შერწყმის შედეგად მიღებული ნეიტრონები 10-ჯერ უფრო ენერგიულია, ვიდრე დაშლის ნეიტრონები და ასეთი ნეიტრონებით დასხივებული ბუნებრივი ურანი-238 შესანიშნავად იწყებს დაშლას. ახალმა ბომბმა შესაძლებელი გახადა ურანი-238-ის გამოყენება ასაფეთქებლად, რომელიც მანამდე ნარჩენ პროდუქტად ითვლებოდა.

სახაროვის "პუფის" მთავარი წერტილი ასევე იყო თეთრი სინათლის კრისტალური ნივთიერების, ლითიუმის დეიტრიდი 6 LiD, მწვავე დეფიციტის ტრიტიუმის ნაცვლად.

როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ნარევი აალდება ბევრად უფრო ადვილად, ვიდრე სუფთა დეიტერიუმი. თუმცა, აქ მთავრდება ტრიტიუმის უპირატესობები და რჩება მხოლოდ უარყოფითი მხარეები: ნორმალურ მდგომარეობაში ტრიტიუმი არის გაზი, რომელიც იწვევს შენახვას სირთულეებს; ტრიტიუმი რადიოაქტიურია და მისი დაშლისას იქცევა სტაბილურ ჰელიუმ-3-ად, რომელიც აქტიურად შთანთქავს საჭირო სწრაფ ნეიტრონებს, რაც ზღუდავს ბომბის შენახვის ვადას რამდენიმე თვემდე.

არარადიოაქტიური ლითიუმის დეიტრიდი, ნელი დაშლის ნეიტრონებით დასხივებისას - ატომური დაუკრავის აფეთქების შედეგები - იქცევა ტრიტიუმად. ამრიგად, პირველადი ატომური აფეთქების გამოსხივება მყისიერად წარმოქმნის საკმარის ტრიტიუმს შემდგომი თერმობირთვული რეაქციისთვის და დეიტერიუმი თავიდანვე იმყოფება ლითიუმის დეიტერიუმში.

სწორედ ასეთი ბომბი RDS-6s წარმატებით გამოსცადეს 1953 წლის 12 აგვისტოს სემიპალატინსკის საცდელი ადგილის კოშკზე. აფეთქების სიმძლავრე 400 კილოტონას შეადგენდა და კამათი ჯერ არ შეწყვეტილა, ეს იყო ნამდვილი თერმობირთვული აფეთქება თუ სუპერ ძლიერი ატომური. მართლაც, სახაროვის პუფში თერმობირთვული შერწყმის რეაქციამ შეადგინა მთლიანი დამუხტვის სიმძლავრის არაუმეტეს 20%. აფეთქებაში მთავარი წვლილი შეიტანა სწრაფი ნეიტრონებით დასხივებული ურანი-238-ის დაშლის რეაქციამ, რომლის წყალობითაც RDS-6-ებმა გახსნეს ეგრეთ წოდებული „ბინძური“ ბომბების ეპოქა.

ფაქტია, რომ მთავარი რადიოაქტიური დაბინძურება მხოლოდ დაშლის პროდუქტებია (კერძოდ, სტრონციუმ-90 და ცეზიუმ-137). არსებითად, სახაროვის "სლოიკა" იყო გიგანტური ატომური ბომბი, მხოლოდ ოდნავ გაძლიერებული თერმობირთვული რეაქციით. შემთხვევითი არ არის, რომ "სლოიკას" მხოლოდ ერთმა აფეთქებამ წარმოქმნა სტრონციუმ-90-ის 82% და ცეზიუმ-137-ის 75%, რომელიც ატმოსფეროში შევიდა სემიპალატინსკის საცდელი ადგილის არსებობის მთელი ისტორიის განმავლობაში.

ამერიკული ბომბები

თუმცა, სწორედ ამერიკელებმა ააფეთქეს პირველი წყალბადის ბომბი. 1952 წლის 1 ნოემბერს ელუგელაბის ატოლზე ქ წყნარი ოკეანე 10 მეგატონიანი fusion მოწყობილობა „მაიკი“ წარმატებით გამოცდა. 74 ტონიანი ამერიკული მოწყობილობის ბომბის დარქმევა შეიძლება რთული იყოს. "მაიკი" იყო ორსართულიანი სახლის ზომის მოცულობითი მოწყობილობა, სავსე თხევადი დეიტერიუმით აბსოლუტურ ნულთან ახლოს ტემპერატურაზე (სახაროვის "სლოიკა" სრულიად ტრანსპორტირებადი პროდუქტი იყო). თუმცა „მაიკის“ მთავარი გამორჩევა იყო არა ზომა, არამედ თერმობირთვული ასაფეთქებელი ნივთიერებების შეკუმშვის გენიალური პრინციპი.

შეგახსენებთ, რომ წყალბადის ბომბის მთავარი იდეა არის ბირთვული აფეთქების გზით შერწყმის პირობების შექმნა (ზემაღალი წნევა და ტემპერატურა). "პუფის" სქემაში, ბირთვული მუხტი მდებარეობს ცენტრში და, შესაბამისად, ის არ შეკუმშავს დეიტერიუმს ისე, როგორც აფანტავს მას გარეთ - თერმობირთვული ასაფეთქებელი ნივთიერების რაოდენობის ზრდა არ იწვევს სიმძლავრის გაზრდას - ეს უბრალოდ აფეთქების დრო არ აქვს. ეს არის ის, რაც ზღუდავს ამ სქემის მაქსიმალურ სიმძლავრეს - მსოფლიოში ყველაზე მძლავრმა "პუფმა" Orange Herald-მა, რომელიც ბრიტანელებმა ააფეთქეს 1957 წლის 31 მაისს, მისცა მხოლოდ 720 კილოტონა.

იდეალური იქნება, თუ ატომური დაუკრავენ შიგნიდან აფეთქდებიან, თერმობირთვული ასაფეთქებელი ნივთიერებების შეკუმშვით. მაგრამ როგორ უნდა გავაკეთოთ ეს? ედვარდ თელერმა წამოაყენა ბრწყინვალე იდეა: თერმობირთვული საწვავის შეკუმშვა არა მექანიკური ენერგიითა და ნეიტრონული ნაკადით, არამედ პირველადი ატომური დაუკრავენის გამოსხივებით.

ტელერის ახალ დიზაინში, ინიციატორი ატომური კვანძი დაშორებული იყო თერმობირთვული ერთეულისგან. ატომური მუხტის მოქმედების დროს რენტგენის გამოსხივება აჭარბებდა დარტყმის ტალღას და გავრცელდა ცილინდრული სხეულის კედლებზე, აორთქლდა და პლაზმად გადააქცია ბომბის სხეულის პოლიეთილენის შიდა საფარი. პლაზმა, თავის მხრივ, ხელახლა ასხივებდა უფრო რბილ რენტგენის სხივებს, რომლებიც შეიწოვებოდა ურანი-238-ის შიდა ცილინდრის გარე შრეებით - „პუშერი“. ფენებმა ფეთქებად დაიწყო აორთქლება (ამ მოვლენას აბლაცია ეწოდება). ინკანდესენტური ურანის პლაზმა შეიძლება შევადაროთ ზემძლავრი სარაკეტო ძრავის ჭავლებს, რომლის ბიძგი მიმართულია ცილინდრში დეიტერიუმთან ერთად. ურანის ცილინდრი ჩამოინგრა, დეიტერიუმის წნევა და ტემპერატურა მიაღწია კრიტიკული დონე. იმავე წნევამ შეკუმშა ცენტრალური პლუტონიუმის მილი კრიტიკულ მასამდე და ის აფეთქდა. პლუტონიუმის დაუკრავის აფეთქება დეიტერიუმს შიგნიდან ეჭირა, დამატებით შეკუმშვა და აცხელა თერმობირთვული ასაფეთქებელი ნივთიერება, რომელიც აფეთქდა. ინტენსიური ნეიტრონული ნაკადი ყოფს ურანი-238 ბირთვებს ბიძგში, რაც იწვევს მეორად დაშლის რეაქციას. ამ ყველაფერს ჰქონდა დრო, რომ მომხდარიყო იმ მომენტამდე, როდესაც პირველადი ბირთვული აფეთქების აფეთქების ტალღა მიაღწია თერმობირთვულ ერთეულს. ყველა ამ მოვლენის გამოთვლა, რომელიც ხდება წამის მემილიარდედში, მოითხოვდა პლანეტის უძლიერესი მათემატიკოსების გონების დაძაბვას. "მაიკის" შემქმნელებმა განიცადეს არა საშინელება 10 მეგატონის აფეთქებისგან, არამედ ენით აღუწერელი აღფრთოვანება - მათ მოახერხეს არა მხოლოდ გაეგოთ რეალურ სამყაროში მიმდინარე პროცესები მხოლოდ ვარსკვლავების ბირთვებში, არამედ ექსპერიმენტულად გამოსცადეს თავიანთი თეორიები მათი მოწყობით. პატარა ვარსკვლავი დედამიწაზე.

ბრავო

რუსებს თავიანთი დიზაინის სილამაზით აჯობა, ამერიკელებმა ვერ შეძლეს თავიანთი მოწყობილობის კომპაქტური გამხნევება: სახაროვის ფხვნილი ლითიუმის დეიტრიდის ნაცვლად იყენებდნენ სუპერგაცივებულ თხევად დეიტერიუმს. ლოს ალამოსში მათ სახაროვის ფუფუნზე გარკვეული შურით უპასუხეს: „უზარმაზარი ძროხის ნაცვლად, ვედრო ნედლი რძით, რუსები იყენებენ რძის ფხვნილის შეკვრას“. თუმცა, ორივე მხარემ ერთმანეთისგან საიდუმლოების დამალვა ვერ მოახერხა. 1954 წლის 1 მარტს ბიკინის ატოლთან ამერიკელებმა გამოსცადეს 15 მეგატონიანი ბრავოს ბომბი ლითიუმის დეიტრიდზე, ხოლო 1955 წლის 22 ნოემბერს აფეთქდა პირველი საბჭოთა ორსაფეხურიანი თერმობირთვული ბომბი RDS-37, რომლის სიმძლავრე იყო 1,7 მეგატონა. სემიპალატინსკის საცდელი ადგილი, რომელმაც საცდელი ადგილის თითქმის ნახევარი გაანადგურა. მას შემდეგ თერმობირთვული ბომბის დიზაინმა მცირე ცვლილებები განიცადა (მაგალითად, საინიციატორ ბომბსა და მთავარ მუხტს შორის გამოჩნდა ურანის ფარი) და გახდა კანონიკური. და მსოფლიოში აღარ არსებობს ბუნების ისეთი ფართომასშტაბიანი საიდუმლოებები, რომელთა ამოხსნაც შეიძლებოდა ასეთი სანახაობრივი ექსპერიმენტით. ეს არის სუპერნოვას დაბადება.

ცოტა თეორია თერმობირთვულ ბომბში 4 რეაქციაა და ისინი ძალიან სწრაფად მიმდინარეობს. პირველი ორი რეაქცია ემსახურება მასალის წყაროს მესამე და მეოთხეს, რომლებიც თერმობირთვული აფეთქების ტემპერატურაზე 30-100-ჯერ უფრო სწრაფად მიმდინარეობს და უფრო დიდ ენერგეტიკულ გამომუშავებას იძლევა. ამიტომ, შედეგად მიღებული ჰელიუმ-3 და ტრიტიუმი დაუყოვნებლივ მოიხმარენ. ატომების ბირთვები დადებითად არის დამუხტული და ამიტომ იგერიებენ ერთმანეთს. იმისთვის, რომ მათ რეაგირება მოახდინონ, საჭიროა მათ წინ წამოწევა, ელექტრული მოგერიების დასაძლევად. ეს შესაძლებელია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ისინი მოძრაობენ დიდი სიჩქარით. ატომების სიჩქარე პირდაპირ კავშირშია ტემპერატურასთან, რომელმაც უნდა მიაღწიოს 50 მილიონ გრადუსს! მაგრამ დეიტერიუმის ასეთ ტემპერატურაზე გაცხელება საკმარისი არ არის; ბუნებაში, ასეთი სიმკვრივის ტემპერატურა მხოლოდ ვარსკვლავების ბირთვშია.

იდუმალი მოწყობილობა, რომელსაც შეუძლია გიგაჯოულების ენერგია გამოუშვას უაღრესად მოკლე დროში, გარშემორტყმულია საშინელი რომანით. ზედმეტია იმის თქმა, რომ მთელ მსოფლიოში ბირთვულ იარაღზე მუშაობა ღრმად იყო კლასიფიცირებული და თავად ბომბი გადატვირთული იყო ლეგენდებისა და მითების მასით. შევეცადოთ გაუმკლავდეთ მათ თანმიმდევრობით.

ანდრეი სუვოროვი

არაფერი არ იწვევს იმდენ ინტერესს, როგორც ატომური ბომბი

1945 წლის აგვისტო. ერნესტ ორლანდო ლოურენსი ატომური ბომბის ლაბორატორიაში

1954 წ ბიკინის ატოლთან აფეთქებიდან რვა წლის შემდეგ იაპონელმა მეცნიერებმა აღმოაჩინეს მაღალი დონეადგილობრივ წყლებში დაჭერილი თევზის რადიაცია

Კრიტიკული მასა

ყველამ გაიგო, რომ არსებობს გარკვეული კრიტიკული მასა, რომელიც უნდა მოიპოვოს ბირთვული ჯაჭვური რეაქციის დასაწყებად. მაგრამ რეალური ბირთვული აფეთქებისთვის, ერთი კრიტიკული მასა საკმარისი არ არის - რეაქცია თითქმის მყისიერად შეჩერდება, სანამ შესამჩნევი ენერგია გამოთავისუფლდება. რამდენიმე კილოტონის ან ათობით კილოტონის სრულმასშტაბიანი აფეთქებისთვის საჭიროა ერთდროულად ორი ან სამი და სასურველია ოთხი ან ხუთი კრიტიკული მასის შეგროვება.

აშკარაა, რომ ორი ან მეტი ნაწილი უნდა იყოს დამზადებული ურანის ან პლუტონიუმისგან და დაკავშირებული იყოს საჭირო მომენტში. სამართლიანობისთვის უნდა ითქვას, რომ ფიზიკოსებიც ასე ფიქრობდნენ, როდესაც ბირთვული ბომბის შექმნას იკისრებდნენ. მაგრამ რეალობამ შეიტანა საკუთარი კორექტირება.

საქმე იმაშია, რომ ძალიან სუფთა ურანი-235 ან პლუტონიუმ-239 რომ გვქონდეს, ამის გაკეთება შეგვეძლო, მაგრამ მეცნიერებს რეალურ ლითონებთან უწევდათ საქმე. ბუნებრივი ურანის გამდიდრებით, შეგიძლიათ გააკეთოთ ნარევი, რომელიც შეიცავს 90% ურანი-235 და 10% ურანი-238, ურანი-238-ის დარჩენილი ნაწილისგან თავის დაღწევის მცდელობები იწვევს ამ მასალის ღირებულების ძალიან სწრაფ ზრდას (ეს ე.წ. უაღრესად გამდიდრებული ურანი). პლუტონიუმი-239, რომელიც მიიღება ბირთვულ რეაქტორში ურანი-238-დან ურანი-235-ის დაშლის დროს, აუცილებლად შეიცავს პლუტონიუმ-240-ის ნარევს.

იზოტოპებს uranium235 და plutonium239 ეწოდება ლუწი-კენტი, რადგან მათი ბირთვები შეიცავს პროტონების ლუწი რაოდენობას (92 ურანი და 94 პლუტონიუმისთვის) და კენტი რაოდენობის ნეიტრონები (143 და 145, შესაბამისად). მძიმე ელემენტების ყველა ლუწი-კენტ ბირთვს აქვს საერთო თვისება: ისინი იშვიათად იშლება სპონტანურად (მეცნიერები ამბობენ: „სპონტანურად“), მაგრამ ადვილად იშლება ნეიტრონული ბირთვის დარტყმისას.

ურანი-238 და პლუტონიუმ-240 თანაბარია. პირიქით, ისინი პრაქტიკულად არ იშლება დაბალი და ზომიერი ენერგიების ნეიტრონებით, რომლებიც გამოფრინდებიან გაფანტული ბირთვებიდან, მაგრამ, მეორე მხრივ, ისინი სპონტანურად იშლება ასობით ან ათობით ათასი ჯერ უფრო ხშირად, ქმნიან ნეიტრონულ ფონს. ეს ფონი ძალიან ართულებს ბირთვული იარაღის შექმნას, რადგან იწვევს რეაქციის ნაადრევად დაწყებას, მუხტის ორი ნაწილის შეხვედრამდე. ამის გამო, აფეთქებისთვის მომზადებულ მოწყობილობაში, კრიტიკული მასის ნაწილები ერთმანეთისგან საკმარისად შორს უნდა იყოს განლაგებული და დაკავშირებული იყოს დიდი სიჩქარით.

ქვემეხის ბომბი

თუმცა 1945 წლის 6 აგვისტოს ჰიროშიმაზე ჩამოგდებული ბომბი ზუსტად ზემოაღნიშნული სქემის მიხედვით იყო დამზადებული. მისი ორი ნაწილი, სამიზნე და ტყვია, გაკეთდა უაღრესად გამდიდრებული ურანისაგან. სამიზნე იყო ცილინდრი 16სმ დიამეტრის და ასევე 16სმ სიმაღლისა.მის ცენტრში იყო ნახვრეტი 10სმ დიამეტრის.ამ ნახვრეტის შესაბამისად გაკეთდა ტყვია. სულ ბომბი შეიცავდა 64 კგ ურანს.

მიზანს გარს აკრავდა ჭურვი, რომლის შიდა ფენა შედგებოდა ვოლფრამის კარბიდისგან, გარე ფენა ფოლადისგან. ჭურვის დანიშნულება ორგვარი იყო: ტყვიის შეკავება მიზანში მოხვედრისას და ურანისგან გამოსხივებული ნეიტრონების ნაწილის მაინც ასახვა უკან. ნეიტრონული რეფლექტორის გათვალისწინებით, 64 კგ იყო 2,3 კრიტიკული მასა. როგორ მოხდა ეს, რადგან თითოეული ნაწილი ქვეკრიტიკული იყო? ფაქტია, რომ ცილინდრის შუა ნაწილის ამოღებით ვამცირებთ მის საშუალო სიმკვრივეს და იზრდება კრიტიკული მასის მნიშვნელობა. ამრიგად, ამ ნაწილის მასა შეიძლება აღემატებოდეს ლითონის მყარი ნაწილის კრიტიკულ მასას. მაგრამ ამ გზით ტყვიის მასის გაზრდა შეუძლებელია, რადგან ის მყარი უნდა იყოს.

როგორც სამიზნე, ასევე ტყვია აწყობილი იყო ნაჭრებისგან: სამიზნე დაბალი სიმაღლის რამდენიმე რგოლიდან და ტყვია ექვსი პაკისგან. მიზეზი მარტივია - ურანის ბლანკები მცირე ზომის უნდა ყოფილიყო, რადგან ბლანკის დამზადების (ჩამოსხმის, დაწნეხვის) დროს ურანის მთლიანი რაოდენობა არ უნდა მიუახლოვდეს კრიტიკულ მასას. ტყვია ჩასმული იყო თხელკედლიან უჟანგავი ფოლადის ქურთუკში, სამიზნე ქურთუკის მსგავსი ვოლფრამის კარბიდის თავსახურით.

ტყვიის მიზნის ცენტრში გადასატანად გადავწყვიტეთ გამოგვეყენებინა ჩვეულებრივი 76,2 მმ კალიბრის საზენიტო იარაღის ლულა. ამიტომაც ამ ტიპის ბომბს ზოგჯერ ქვემეხის ბომბად მოიხსენიებენ. ლულა შიგნიდან 100 მმ-მდე მოწყენილი იყო ისე, რომ მასში ისეთი უჩვეულო ჭურვი შევიდა. ლულის სიგრძე იყო 180 სმ. მის დამტენ კამერაში ჩასვეს ჩვეულებრივი უკვამლო ფხვნილი, რომელიც დაახლოებით 300 მ/წმ სიჩქარით ისროდა ტყვიას. ხოლო ლულის მეორე ბოლო დაჭერილი იყო სამიზნის ჭურვის ნახვრეტში.

ამ დიზაინს ბევრი ნაკლი ჰქონდა.

ეს იყო ურჩხულად საშიში: როგორც კი დენთი ჩაიტვირთებოდა დამუხტვის პალატაში, ნებისმიერი უბედური შემთხვევა, რომელიც მას აალებდა, გამოიწვევს ბომბის სრული სიმძლავრის აფეთქებას. ამის გამო, პიროქსილინი დამუხტული იყო უკვე ჰაერში, როდესაც თვითმფრინავი აფრინდა სამიზნეზე.

თვითმფრინავის ავარიის შემთხვევაში, ურანის ნაწილები შეიძლება დაუკავშირდეს დენთის გარეშე, უბრალოდ მიწაზე ძლიერი დარტყმისგან. ამის თავიდან ასაცილებლად ტყვიის დიამეტრი ლულის ნახვრეტის დიამეტრზე ფრაქცია მილიმეტრით აღემატებოდა.

თუ ბომბი წყალში ჩავარდებოდა, მაშინ წყალში ნეიტრონების ზომიერების გამო რეაქცია შეიძლება დაიწყოს ნაწილების გაერთიანების გარეშეც. მართალია, ამ შემთხვევაში ბირთვული აფეთქება ნაკლებად სავარაუდოა, მაგრამ მოხდება თერმული აფეთქება, ურანის შესხურებით დიდ ფართობზე და რადიოაქტიური დაბინძურებით.

ამ დიზაინის ბომბის სიგრძე ორ მეტრს აღემატებოდა და ეს პრაქტიკულად გადაულახავია. კრიტიკულ მდგომარეობას ხომ მიაღწიეს და რეაქცია მაშინ დაიწყო, როცა ტყვიის გაჩერებამდე ჯერ კიდევ კარგა ნახევარი მეტრი იყო!

დაბოლოს, ეს ბომბი ძალიან ფუჭი იყო: ურანის 1%-ზე ნაკლებს ჰქონდა დრო მასში რეაგირებისთვის!

ქვემეხის ბომბის უპირატესობა ზუსტად ერთი იყო: არ შეიძლებოდა არ ემუშავა. ის არც აპირებდა ტესტირებას! მაგრამ ამერიკელებს მოუწიათ პლუტონიუმის ბომბის გამოცდა: მისი დიზაინი ძალიან ახალი და რთული იყო.

პლუტონიუმის ფეხბურთის ბურთი

როდესაც გაირკვა, რომ პლუტონიუმ-240-ის მცირე (1%-ზე ნაკლები!) შერევითაც კი შეუძლებელი გახდა პლუტონიუმის ბომბის ქვემეხით შეკრება, ფიზიკოსები იძულებულნი გახდნენ ეძიათ კრიტიკული მასის მოპოვების სხვა გზები. ხოლო პლუტონიუმის ასაფეთქებელი ნივთიერებების გასაღები იპოვა ადამიანმა, რომელიც მოგვიანებით გახდა ყველაზე ცნობილი "ბირთვული ჯაშუში" - ბრიტანელი ფიზიკოსი კლაუს ფუქსი.

მისი იდეა, რომელსაც მოგვიანებით "იმპლოზია" უწოდეს, იყო ე.წ. ამ დარტყმის ტალღამ უნდა შეკუმშოს პლუტონიუმის ნაჭერი ისე, რომ მისი სიმკვრივე გაორმაგებულიყო.

თუ სიმკვრივის შემცირება იწვევს კრიტიკული მასის მატებას, მაშინ სიმკვრივის მატებამ უნდა შეამციროს იგი! პლუტონიუმისთვის ეს განსაკუთრებით მართალია. პლუტონიუმი ძალიან სპეციფიკური მასალაა. როდესაც პლუტონიუმის ნაჭერი გაცივდება მისი დნობის ტემპერატურიდან ოთახის ტემპერატურამდე, ის გადის ოთხ ფაზურ გადასვლას. ამ უკანასკნელზე (დაახლოებით 122 გრადუსი) მისი სიმკვრივე მკვეთრად იზრდება 10%-ით. ამ შემთხვევაში, ნებისმიერი ჩამოსხმა აუცილებლად გაიბზარება. ამის თავიდან ასაცილებლად, პლუტონიუმის შენადნობი ხდება სამვალენტიანი ლითონისგან, შემდეგ კი ფხვიერი მდგომარეობა სტაბილური ხდება. ალუმინის გამოყენება შესაძლებელია, მაგრამ 1945 წელს შიშობდნენ, რომ პლუტონიუმის ბირთვებიდან გამოსხივებული ალფა ნაწილაკები ალუმინის ბირთვებიდან თავისუფალ ნეიტრონებს გამოგლიჯავდნენ, რაც უკვე შესამჩნევი ნეიტრონის ფონს გაზრდიდა, ამიტომ გალიუმი გამოიყენეს პირველ ატომურ ბომბში.

შენადნობიდან, რომელიც შეიცავს 98% პლუტონიუმ-239, 0,9% პლუტონიუმ-240 და 0,8% გალიუმს, გაკეთდა ბურთი, რომლის დიამეტრი იყო მხოლოდ 9 სმ და წონა დაახლოებით 6,5 კგ. ბურთის ცენტრში იყო 2 სმ დიამეტრის ღრუ და შედგებოდა სამი ნაწილისგან: ორი ნახევრისგან და 2 სმ დიამეტრის ცილინდრისგან. შიდა ღრუ - ნეიტრონების წყარო, რომელიც მუშაობდა ბომბის აფეთქებისას. სამივე ნაწილი უნდა იყოს მონიკელებული, რადგან პლუტონიუმი ძალიან აქტიურად იჟანგება ჰაერით და წყლით და უკიდურესად საშიშია ადამიანის ორგანიზმში მოხვედრის შემთხვევაში.

ბურთი გარშემორტყმული იყო ბუნებრივი ურანი-238 ნეიტრონული რეფლექტორით 7 სმ სისქით და 120 კგ წონით. ურანი სწრაფი ნეიტრონების კარგი რეფლექტორია და აწყობილი სისტემა მხოლოდ ოდნავ სუბკრიტიკული იყო, ამიტომ პლუტონიუმის ნაცვლად კადმიუმის დანამატი ჩასვეს, რომელიც ნეიტრონებს შთანთქავდა. რეფლექტორი ასევე ემსახურებოდა რეაქციის დროს კრიტიკული შეკრების ყველა დეტალის შენარჩუნებას, წინააღმდეგ შემთხვევაში პლუტონიუმის უმეტესი ნაწილი ცალ-ცალკე გაფრინდებოდა და დრო არ ექნებოდა მონაწილეობა მიიღოს ბირთვულ რეაქციაში.

შემდეგ მოვიდა ალუმინის შენადნობის 11,5 სმ ფენა, რომელიც იწონის 120 კგ. ფენის დანიშნულება იგივეა, რაც ობიექტებზე ლინზების დაფარვისას: დარწმუნდეს, რომ აფეთქების ტალღა შეაღწევს ურანი-პლუტონიუმის შეკრებას და არ აირეკლება მისგან. ეს ასახვა გამოწვეულია ასაფეთქებელ ნივთიერებებსა და ურანს შორის დიდი სიმკვრივის სხვაობით (დაახლოებით 1:10). გარდა ამისა, დარტყმის ტალღაში შეკუმშვის ტალღას მოსდევს იშვიათი ტალღა, ე.წ. ტეილორის ეფექტი. ალუმინის ფენა ასუსტებდა იშვიათ ტალღას, რამაც შეამცირა ასაფეთქებელი ნივთიერების ეფექტი. ალუმინის დოპინგი უნდა ყოფილიყო ბორით, რომელიც შთანთქავდა ალუმინის ატომების ბირთვებიდან გამოყოფილ ნეიტრონებს ურანი-238-ის დაშლის შედეგად წარმოქმნილი ალფა ნაწილაკების გავლენის ქვეშ.

საბოლოოდ, ეს "ასაფეთქებელი ლინზები" გარეთ იყო. მათგან 32 იყო (20 ექვსმხრივი და 12 ხუთმხრივი), მათ შექმნეს ფეხბურთის ბურთის მსგავსი სტრუქტურა. თითოეული ლინზა სამი ნაწილისგან შედგებოდა, შუა ერთი სპეციალური „ნელი“ ფეთქებადი მასალისგან იყო დამზადებული, ხოლო გარე და შიდა - „სწრაფისგან“. გარე ნაწილი გარედან სფერული იყო, შიგნით კი კონუსური ღრუ ჰქონდა, ფორმის მუხტის მსგავსად, მხოლოდ მისი დანიშნულება იყო განსხვავებული. ეს კონუსი ივსებოდა ნელი ფეთქებადი ნივთიერებებით და ფეთქებადი ტალღა ირღვევა ინტერფეისზე, როგორც ჩვეულებრივი სინათლის ტალღა. მაგრამ მსგავსება აქ ძალიან პირობითია. სინამდვილეში, ამ კონუსის ფორმა ბირთვული ბომბის ერთ-ერთი ნამდვილი საიდუმლოა.

1940-იანი წლების შუა ხანებში მსოფლიოში არ არსებობდა კომპიუტერები, რომლებსაც შეეძლოთ ასეთი ლინზების ფორმის გამოთვლა და რაც მთავარია, არ არსებობდა შესაბამისი თეორიაც კი. ამიტომ, ისინი გაკეთდა ექსკლუზიურად საცდელი და შეცდომით. ათასზე მეტი აფეთქება უნდა განხორციელებულიყო - და არა მხოლოდ განხორციელებული, არამედ გადაღებული სპეციალური მაღალსიჩქარიანი კამერებით, აფეთქების ტალღის პარამეტრების აღრიცხვა. როდესაც უფრო მცირე ვერსია შეიმუშავეს, აღმოჩნდა, რომ ასაფეთქებელი ნივთიერებები ასე მარტივად არ მასშტაბურდებოდა და საჭირო იყო ძველი შედეგების დიდად გასწორება.

ფორმის სიზუსტე უნდა დაკვირვებულიყო მილიმეტრზე ნაკლები შეცდომით, ხოლო ფეთქებადი ნივთიერებების შემადგენლობა და ერთგვაროვნება უნდა შენარჩუნებულიყო მაქსიმალური სიფრთხილით. ნაწილების დამზადება შეიძლებოდა მხოლოდ ჩამოსხმის გზით, ამიტომ ყველა ასაფეთქებელი ნივთიერება არ იყო შესაფერისი. სწრაფი ასაფეთქებელი ნივთიერებები იყო ჰექსოგენისა და ტროტილის ნარევი, ორჯერ მეტი ჰექსოგენით. ნელი - იგივე ტროტილი, მაგრამ ინერტული ბარიუმის ნიტრატის დამატებით. დეტონაციის ტალღის სიჩქარე პირველ ასაფეთქებელ ნივთიერებაში 7,9 კმ/წმ-ია, ხოლო მეორეში - 4,9 კმ/წმ.

დეტონატორები დამონტაჟებული იყო თითოეული ლინზის გარე ზედაპირის ცენტრში. 32-ვე დეტონატორს მოუწია ერთდროულად მუშაობა გაუგონარი სიზუსტით - 10 ნანოწამზე ნაკლები, ანუ წამის მილიარდი მეასედი! ამრიგად, დარტყმის ტალღის ფრონტი არ უნდა იყოს დამახინჯებული 0,1 მმ-ზე მეტით. იმავე სიზუსტით საჭირო იყო ლინზების შესაჯვარებელი ზედაპირების შერწყმა, თუმცა მათ დამზადებაში შეცდომა ათჯერ მეტი იყო! უზუსტობების კომპენსაციისთვის მომიწია ბევრი ტუალეტის ქაღალდის და ლენტის დახარჯვა. მაგრამ სისტემა ცოტათი დაემსგავსა თეორიულ მოდელს.

ახალი დეტონატორების გამოგონება მომიწია: ძველები სათანადო სინქრონიზაციას არ ახორციელებდნენ. ისინი გაკეთდა მავთულის საფუძველზე, რომელიც აფეთქდა ელექტრული დენის ძლიერი იმპულსით. მათი მუშაობისთვის საჭირო იყო 32 მაღალი ძაბვის კონდენსატორის ბატარეა და ამდენივე ჩქაროსნული გამხსნელი – თითო დეტონატორზე. მთელი სისტემა, ბატარეებთან და კონდენსატორის დამტენთან ერთად, პირველ ბომბში თითქმის 200 კგ-ს იწონიდა. თუმცა, ასაფეთქებელი ნივთიერების წონასთან შედარებით, რომელსაც 2,5 ტონა დასჭირდა, ეს არ იყო ბევრი.

საბოლოოდ, მთელი სტრუქტურა ჩასმული იყო დურალუმინის სფერულ სხეულში, რომელიც შედგებოდა ფართო სარტყლისგან და ორი საფარისგან - ზედა და ქვედა, ყველა ეს ნაწილი აწყობილი იყო ჭანჭიკებზე. ბომბის დიზაინმა შესაძლებელი გახადა მისი აწყობა პლუტონიუმის ბირთვის გარეშე. პლუტონიუმის ადგილზე დასაყენებლად, ურანის რეფლექტორთან ერთად, გარსაცმის ზედა საფარი ამოიღეს და ერთი ასაფეთქებელი ლინზა ამოიღეს.

იაპონიასთან ომი დასასრულს უახლოვდებოდა და ამერიკელები ჩქარობდნენ. მაგრამ აფეთქების ბომბი უნდა გამოსცადეს. ამ ოპერაციას მიენიჭა კოდური სახელი "სამება" ("სამება"). დიახ, ატომური ბომბი უნდა ეჩვენებინა ძალა, რომელიც ადრე მხოლოდ ღმერთებისთვის იყო ხელმისაწვდომი.

ბრწყინვალე წარმატება

ტესტის ადგილი აირჩიეს ნიუ-მექსიკოს შტატში, ჯორნადადელ მუერტოს (სიკვდილის გზა) თვალწარმტაცი სახელწოდებით - ტერიტორია ალამაგორდოს საარტილერიო დიაპაზონის ნაწილი იყო. ბომბის აწყობა დაიწყო 1945 წლის 11 ივლისს. 14 ივლისს იგი აიყვანეს სპეციალურად აშენებული 30 მ სიმაღლის კოშკის თავზე, მავთულები მიუერთეს დეტონატორებს და მზადების ბოლო ეტაპები ეხებოდა დიდი რაოდენობითსაზომი მოწყობილობა. 1945 წლის 16 ივლისს, დილის ხუთის ნახევარზე, მოწყობილობა ააფეთქეს.

აფეთქების ცენტრში ტემპერატურა რამდენიმე მილიონ გრადუსს აღწევს, ამიტომ ბირთვული აფეთქების ციმციმი მზეზე ბევრად კაშკაშაა. ცეცხლოვანი ბურთი რამდენიმე წამს გრძელდება, შემდეგ იწყებს ამოსვლას, ბნელდება, თეთრიდან ნარინჯისფერში იქცევა, შემდეგ ჟოლოსფერი ხდება და იქმნება ახლა ცნობილი ბირთვული სოკო. პირველი სოკოს ღრუბელი 11 კმ სიმაღლეზე ავიდა.

აფეთქების ენერგია 20 კტ ტროტილს აღემატებოდა. საზომი აღჭურვილობის უმეტესი ნაწილი განადგურდა, რადგან ფიზიკოსებმა 510 ტონა დათვალეს და აღჭურვილობა ძალიან ახლოს დააყენეს. გარდა ამისა, ეს იყო წარმატება, ბრწყინვალე წარმატება!

მაგრამ ამერიკელები ტერიტორიის მოულოდნელი რადიოაქტიური დაბინძურების წინაშე აღმოჩნდნენ. რადიოაქტიური ჩამონადენის ნალექი ჩრდილო-აღმოსავლეთით 160 კმ-ზე იყო გადაჭიმული. მოსახლეობის ნაწილის ევაკუაცია მოხდა პატარა ქალაქ ბინგჰემიდან, მაგრამ სულ მცირე ხუთმა ადგილობრივმა მცხოვრებმა მიიღო 5760 რენტგენის დოზა.

აღმოჩნდა, რომ დაბინძურების თავიდან აცილების მიზნით, ბომბი უნდა აფეთქდეს საკმარისად მაღალ სიმაღლეზე, მინიმუმ კილომეტრნახევარზე, შემდეგ რადიოაქტიური დაშლის პროდუქტები იშლება ასობით ათასი ან თუნდაც მილიონობით კვადრატული კილომეტრის ფართობზე. და იხსნება გლობალურ რადიაციულ ფონზე.

ამ დიზაინის მეორე ბომბი ჩამოაგდეს ნაგასაკიზე 9 აგვისტოს, ამ გამოცდიდან 24 დღის შემდეგ და ჰიროშიმას დაბომბვიდან სამი დღის შემდეგ. მას შემდეგ, პრაქტიკულად ყველა ბირთვული იარაღი იყენებდა აფეთქების ტექნოლოგიას. პირველი საბჭოთა ბომბი RDS-1, რომელიც გამოცდა 1949 წლის 29 აგვისტოს, დამზადდა იმავე სქემით.

დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განსახორციელებლად საჭიროა სუფთა დასაშლელი მასალისაგან ან დასაშლელი მასალისგან და მოდერატორისგან შემდგარი გასამრავლებელი გარემოს შექმნა, რომლის შემადგენლობაც უზრუნველყოფს რეაქციის განვითარებას. უნდა აღინიშნოს, რომ ამ გარემოში აუცილებლად იქნება სტრუქტურული მასალები. თუმცა, საჭირო პარამეტრების მქონე სანაშენე გარემოს შერჩევა ჯერ კიდევ არ იძლევა ჯაჭვური რეაქციის ყველა პირობას. მცირე ზომით და, შესაბამისად, გამრავლების საშუალების მასით, მასში წარმოქმნილი ნეიტრონების უმეტესი ნაწილი გაფრინდება ისე, რომ დრო არ ჰქონდეს გახლეჩვას, და თვითშენარჩუნებული ჯაჭვური რეაქცია (SCR) არ მოხდება. ნეიტრონების გაჟონვა მოცულობიდან გამრავლების გარემოთი იწვევს იმავე შედეგს, რასაც მათი შეწოვა დაშლის გარეშე.

გამრავლების გარემოს ზომის მატებასთან ერთად იზრდება მასში ნეიტრონული ბილიკის საშუალო სიგრძე და შესაბამისად ბირთვებთან შეჯახების რაოდენობა, რასაც მოჰყვება დაშლა და ახალი ნეიტრონების გამოჩენა. რეაქტორის დროში ქცევის აღწერა. , გამოვიყენეთ გამრავლების კოეფიციენტი k eff - შემდეგი თაობის ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობა წინა თაობის ნეიტრონების რაოდენობასთან.ამ ინტერპრეტაციით, საშუალო ზომის მატებასთან ერთად, k eff იზრდება ნულიდან ნულიდან გაყოფის ალბათობით ერთიანობაზე მეტ მნიშვნელობებამდე, ზვავის მსგავსი ზრდით ნეიტრონების რაოდენობაში თაობების სერიაში.

როდესაც k eff უდრის ერთს, დაშლის პროცესის ინტენსივობა დროთა განმავლობაში არ იცვლება - პროცესი თვითშენარჩუნებულია და ასეთ სისტემას ე.წ. კრიტიკული . ზე k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют სუბკრიტიკული . როდესაც k eff > 1, სისტემა სუპერკრიტიკული.

თვითშენარჩუნებული დაშლის რეაქციის განსახორციელებლად საჭირო დაშლის მასალის მინიმალური მასა ეწოდება კრიტიკული მასა . თუ მასა გადააჭარბებს კრიტიკულს, მაშინ ყოველ მომდევნო თაობაში უფრო მეტი ნეიტრონი დაიბადება, ვიდრე წინაში და განვითარდება ჯაჭვური რეაქცია. კრიტიკული მასის მნიშვნელობა დამოკიდებულია დაშლის ნუკლიდის თვისებებზე (235 U ან 239 Pu), სანაშენე გარემოს შემადგენლობასა და მის გარემოზე. კრიტიკული მასა შეიძლება განსხვავდებოდეს რამდენიმე ასეული გრამიდან ექსპერიმენტულ მოწყობილობებში ათეულ კილოგრამამდე ბირთვულ ქობინებში და რამდენიმე ტონამდე დიდი ენერგიის რეაქტორებში. განვიხილოთ ბუნებრივი ურანის ბირთვული რეაქტორი. მასში შეიძლება მოხდეს თვითშენარჩუნებული ჯაჭვური რეაქცია, თუ დაშლის შედეგად წარმოქმნილი მეორადი ნეიტრონების რაოდენობა, რომლებსაც შეუძლიათ შემდგომი გახლეჩა, საკმარისია რეაქტორში დაშლის სიჩქარის მუდმივ დონეზე შესანარჩუნებლად.