Masa critică în fizica nucleară. Atacul nuclear: masa critică a unei încărcături nucleare. minge de fotbal cu plutoniu

Au trecut puțin mai mult de două luni de la sfârșitul celui mai teribil război din istoria omenirii. Și așa, pe 16 iulie 1945, prima bombă nucleară a fost testată de armata americană, iar o lună mai târziu, mii de locuitori ai orașelor japoneze mor în iadul atomic. De atunci, armele, precum și mijloacele de livrare a acestora către ținte, au fost îmbunătățite continuu timp de mai bine de jumătate de secol.

Armata dorea să pună la dispoziție atât muniție super-puternică, măturand orașe și țări întregi de pe hartă dintr-o singură lovitură, cât și pe cele ultra-mice care încap într-o servietă. Un astfel de dispozitiv ar aduce războiul de sabotaj la un nivel fără precedent. Atât cu primul, cât și cu al doilea au fost dificultăți de netrecut. Motivul pentru aceasta este așa-numita masă critică. Cu toate acestea, primul lucru.

Un astfel de miez exploziv

Pentru a înțelege ordinea de funcționare a dispozitivelor nucleare și a înțelege ceea ce se numește masă critică, să ne întoarcem la birou pentru o vreme. De la cursul de fizică de la școală, ne amintim o regulă simplă: încărcăturile cu același nume se resping reciproc. Acolo, în liceu studenților li se spune despre structura nucleului atomic, format din neutroni, particule neutre și protoni încărcați pozitiv. Dar cum este posibil acest lucru? Particulele încărcate pozitiv sunt atât de aproape unele de altele încât forțele de respingere trebuie să fie colosale.

Știința nu înțelege pe deplin natura forțelor intranucleare care țin protonii împreună, deși proprietățile acestor forțe au fost studiate destul de bine. Forțele acționează doar la distanță foarte apropiată. Dar de îndată ce protonii sunt chiar puțin separați în spațiu, forțele de respingere încep să prevaleze, iar nucleul se sparge în bucăți. Iar puterea unei astfel de expansiuni este cu adevărat colosală. Se știe că puterea unui bărbat adult nu ar fi suficientă pentru a reține protonii unui singur nucleu al atomului de plumb.

De ce i-a fost frică lui Rutherford?

Miezurile majorității elementelor din tabelul periodic sunt stabile. Cu toate acestea, pe măsură ce numărul atomic crește, această stabilitate scade. Este cam de dimensiunea miezurilor. Imaginează-ți nucleul unui atom de uraniu, format din 238 de nuclizi, dintre care 92 sunt protoni. Da, protonii sunt în contact strâns unii cu alții, iar forțele intranucleare cimentează în siguranță întreaga structură. Dar forța de respingere a protonilor localizați la capetele opuse ale nucleului devine vizibilă.

Ce a făcut Rutherford? A bombardat atomii cu neutroni (un electron nu va trece prin învelișul de electroni a unui atom, iar un proton încărcat pozitiv nu se va putea apropia de nucleu din cauza forțelor de respingere). Un neutron care intră în nucleul unui atom provoacă fisiunea acestuia. Două jumătăți separate și doi sau trei neutroni liberi s-au separat.

Această dezintegrare, din cauza vitezei enorme ale particulelor zburătoare, a fost însoțită de eliberarea de energie enormă. A existat un zvon că Rutherford ar fi vrut chiar să-și ascundă descoperirea, temându-se de posibilele consecințe ale acesteia pentru umanitate, dar cel mai probabil acesta nu este altceva decât un basm.

Deci, ce legătură are masa cu ea și de ce este critică

Și ce dacă? Cum se poate iradia suficient metal radioactiv cu un flux de protoni pentru a produce o explozie puternică? Și ce este masa critică? Este vorba despre acei câțiva electroni liberi care zboară din nucleul atomic „bombardat”, ei, la rândul lor, ciocnind cu alte nuclee, își vor provoca fisiunea. Așa-zisul va începe, dar va fi extrem de greu de lansat.

Să rafinăm scara. Dacă luăm un măr pe masa noastră ca nucleu al unui atom, atunci pentru a ne imagina nucleul unui atom vecin, același măr va trebui să fie purtat și pus pe masă nici măcar în camera alăturată, dar... în casa alăturată. Neutronul va avea dimensiunea unei gropi de cireșe.

Pentru ca neutronii emiși să nu zboare în zadar în afara lingoului de uraniu, iar peste 50% dintre ei și-ar găsi ținta sub formă de nuclee atomice, acest lingou trebuie să aibă dimensiunile corespunzătoare. Aceasta este ceea ce se numește masa critică a uraniului - masa la care mai mult de jumătate din neutronii emiși se ciocnesc cu alte nuclee.

De fapt, se întâmplă într-o clipă. Numărul de nuclee divizate crește ca o avalanșă, fragmentele lor se repezi în toate direcțiile cu viteze comparabile cu viteza luminii, smulgând aerul liber, apa și orice alt mediu. Din ciocnirile lor cu moleculele mediu inconjurator zona exploziei se încălzește instantaneu până la milioane de grade, radiind căldură care incinerează totul într-un cartier de câțiva kilometri.

Aerul puternic încălzit crește instantaneu în dimensiune, creând o undă de șoc puternică care aruncă clădirile de pe fundații, răstoarnă și distruge totul în cale... așa este imaginea unei explozii atomice.

Cum arată în practică

Dispozitivul bombei atomice este surprinzător de simplu. Există două lingouri de uraniu (sau altul, masa fiecăruia fiind puțin mai mică decât cea critică. Unul dintre lingouri este făcut sub formă de con, celălalt este făcut sub formă de minge cu con - gaură în formă. După cum ați putea ghici, când combinați ambele jumătăți, obțineți o minge care atinge masa critică. Aceasta este cea mai simplă bombă nucleară standard. Două jumătăți sunt conectate folosind o încărcătură TNT convențională (conul este tras într-o bilă) .

Dar să nu credeți că un astfel de dispozitiv poate fi asamblat „pe genunchi” de oricine. Tot truc este că uraniul, pentru ca o bombă să explodeze din el, trebuie să fie foarte pur, prezența impurităților este practic nulă.

De ce nu există o bombă atomică de mărimea unui pachet de țigări

Toate din același motiv. Masa critică a celui mai comun izotop al uraniului 235 este de aproximativ 45 kg. Explozia unei asemenea cantități de combustibil nuclear este deja un dezastru. Și este imposibil să faci cu o cantitate mai mică de substanță - pur și simplu nu va funcționa.

Din același motiv, nu a fost posibil să se creeze încărcături atomice super-puternice din uraniu sau din alte metale radioactive. Pentru ca bomba să fie foarte puternică, a fost făcută dintr-o duzină de lingouri, care, la detonarea încărcăturilor detonante, s-au repezit în centru, conectându-se ca felii de portocală.

Dar ce s-a întâmplat de fapt? Dacă, dintr-un motiv oarecare, două elemente s-au întâlnit cu o miime de secundă mai devreme decât celelalte, masa critică a fost atinsă mai repede decât ar „veni în timp” restul, explozia nu a avut loc la puterea la care se așteptau proiectanții. Problema armelor nucleare superputernice a fost rezolvată doar odată cu apariția armelor termonucleare. Dar asta este o poveste puțin diferită.

Cum funcționează un atom pașnic?

O centrală nucleară este în esență aceeași bombă nucleară. Doar această „bombă” are bare de combustibil (elemente de combustibil) din uraniu situate la o oarecare distanță unele de altele, ceea ce nu le împiedică să facă schimb de „lovituri” cu neutroni.

Tijele de combustibil sunt realizate sub formă de tije, între care se află tije de control dintr-un material care absoarbe bine neutronii. Principiul de funcționare este simplu:

• în spațiul dintre tijele de uraniu se introduc tije reglatoare (absorbante) - reacția încetinește sau se oprește cu totul;
• tijele de control sunt îndepărtate din zonă - elementele radioactive schimbă activ neutroni, reacția nucleară decurge mai intens.

Într-adevăr, se dovedește la fel bombă atomică, în care masa critică este atinsă atât de ușor și este reglată atât de clar încât nu duce la o explozie, ci doar la încălzirea lichidului de răcire.

Deși, din păcate, așa cum arată practica, nu întotdeauna geniul uman este capabil să frâneze această energie uriașă și distructivă - energia dezintegrarii nucleului atomic.

Cu cât sunt mai mari dimensiunile (scurgerea trece doar prin suprafață) ale reactorului și cu cât forma miezului reactorului este mai apropiată de o sferă, cu atât scurgerea este mai mică (ceteris paribus) și cu atât R este mai mare.

Pentru o reacție în lanț k eff =P∙k ∞ =1

Acest lucru se realizează la o anumită dimensiune minimă a reactorului, care se numește dimensiunea critică a reactorului.

Și cea mai mică masă de combustibil nuclear conținută în miezul reactorului de o dimensiune critică, la care poate avea loc o reacție în lanț de fisiune a combustibilului, se numește masă critică. Valoarea sa depinde de o serie de factori:

1).gradul de îmbogățire a combustibilului;

2) cantitatea și proprietățile nucleare ale moderatorului și materialelor structurale;

3).Reflector eficient.

Utilizarea îmbogățirii și face posibilă reducerea dimensiunii masei critice și a reactorului (îmbogățirea uraniului cu izotopul U 235 >5% nu dă o creștere semnificativă a bilanţului neutronilor).

Masa critică și dimensiunile miezului reactorului.

1). consumul de combustibil pentru a genera o cantitate dată de energie (o putere dată pentru un timp dat);

2) compensarea absorbțiilor dăunătoare și compensarea efectelor de temperatură care apar în cursul unei reacții nucleare.

Odată ce masa combustibilului încărcat este mai mare decât valoarea critică la eff>1, ceea ce duce la starea supercritică a reactorului.

Pentru a menține k eff =1, reactorul are un sistem de compensare și control, cu ajutorul căruia se introduc în miez plăci și tije speciale care absorb puternic neutronii, care se mișcă pe măsură ce combustibilul se arde.

Timpul de funcționare al combustibilului din reactor la puterea sa maximă între sarcini se numește campanie de reactor (tijele reglabile sunt fabricate din cadmiu-113, grafit-114, bar-10).

Mulți dintre cititorii noștri asociază bomba cu hidrogen cu bomba atomică, doar că mult mai puternică. De fapt, aceasta este o armă fundamental nouă, care a necesitat eforturi intelectuale disproporționat de mari pentru crearea ei și funcționează pe principii fizice fundamental diferite.

Singurul lucru pe care bomba atomică și bomba cu hidrogen îl au în comun este că ambele eliberează energia colosală ascunsă în nucleul atomic. Acest lucru se poate face în două moduri: împărțiți nucleele grele, cum ar fi uraniul sau plutoniul, în altele mai ușoare (reacție de fisiune) sau forțați cei mai ușori izotopi de hidrogen să fuzioneze (reacție de fuziune). Ca rezultat al ambelor reacții, masa materialului rezultat este întotdeauna mai mică decât masa atomilor inițiali. Dar masa nu poate dispărea fără urmă - se transformă în energie conform celebrei formule Einstein E=mc 2 .

Pentru a crea o bombă atomică, o condiție necesară și suficientă este obținerea de material fisionabil în cantități suficiente. Lucrarea este destul de laborioasă, dar nu foarte intelectuală și este mai aproape de industria minieră decât de înaltă știință. Principalele resurse în crearea unor astfel de arme sunt direcționate către construcția de mine gigantice de uraniu și a instalațiilor de îmbogățire. Dovadă a simplității dispozitivului este faptul că nu a trecut nici măcar o lună între obținerea plutoniului necesar primei bombe și prima explozie nucleară sovietică.

Să ne amintim pe scurt principiul de funcționare al unei astfel de bombe, cunoscut din cursul de fizică școlară. Se bazează pe proprietatea uraniului și a unor elemente transuraniu, cum ar fi plutoniul, de a elibera mai mult de un neutron în timpul dezintegrarii. Aceste elemente se pot descompune atât spontan, cât și sub influența altor neutroni.

Neutronul eliberat poate părăsi materialul radioactiv sau se poate ciocni cu un alt atom, provocând o altă reacție de fisiune. Când o anumită concentrație a unei substanțe (masă critică) este depășită, numărul de neutroni nou-născuți care provoacă fisiunea ulterioară a nucleului atomic începe să depășească numărul de nuclee în descompunere. Numărul de atomi în descompunere începe să crească ca o avalanșă, dând naștere la noi neutroni, adică are loc o reacție în lanț. Pentru uraniu-235 masa critică este de aproximativ 50 kg, pentru plutoniu-239 este de 5,6 kg. Adică, o minge de plutoniu care cântărește puțin mai puțin de 5,6 kg este doar o bucată de metal caldă și există puțin mai multă masă pentru doar câteva nanosecunde.

De fapt, funcționarea bombei este simplă: luăm două emisfere de uraniu sau plutoniu, fiecare puțin mai mică decât masa critică, le așezăm la o distanță de 45 cm, le acoperim cu explozibili și explodăm. Uraniul sau plutoniul sunt sinterizate într-o bucată de masă supercritică și începe o reacție nucleară. Tot. Există o altă modalitate de a începe o reacție nucleară - de a comprima o bucată de plutoniu cu o explozie puternică: distanța dintre atomi va scădea, iar reacția va începe la o masă critică mai mică. Toate detonatoarele atomice moderne funcționează pe acest principiu.

Problemele bombei atomice încep din momentul în care dorim să creștem puterea exploziei. O simplă creștere a materialului fisionabil este indispensabilă - de îndată ce masa sa atinge una critică, detonează. Au fost concepute diverse scheme ingenioase, de exemplu, pentru a face o bombă nu din două părți, ci din multe, ceea ce a făcut ca bomba să înceapă să semene cu o portocală eviscerată și apoi să o asamblați într-o singură bucată cu o explozie, dar totuși, cu o putere. de peste 100 de kilotone, problemele au devenit insurmontabile.

Dar combustibilul pentru fuziunea termonucleară nu are o masă critică. Aici Soarele, plin cu combustibil termonuclear, atârnă deasupra capului, o reacție termonucleară are loc în interiorul lui de un miliard de ani și nimic nu explodează. În plus, în timpul reacției de fuziune, de exemplu, deuteriu și tritiu (izotop greu și supergreu al hidrogenului), este eliberată de 4,2 ori mai multă energie decât atunci când se arde aceeași masă de uraniu-235.

Fabricarea bombei atomice a fost mai mult experimentală decât teoretică. Crearea unei bombe cu hidrogen a necesitat apariția unor discipline fizice complet noi: fizica plasmei de înaltă temperatură și a presiunilor superînalte. Înainte de a începe proiectarea unei bombe, a fost necesar să înțelegem temeinic natura fenomenelor care apar numai în miezul stelelor. Niciun experiment nu ar putea ajuta aici - instrumentele cercetătorilor erau doar fizica teoretică și matematica superioară. Nu este o coincidență că un rol gigantic în dezvoltarea armelor termonucleare aparține tocmai matematicienilor: Ulam, Tikhonov, Samarsky și așa mai departe.

super clasic

Până la sfârșitul anului 1945, Edward Teller a propus primul proiect de bombă cu hidrogen, numit „super clasic”. Pentru a crea presiunea și temperatura monstruoase necesare pentru a începe reacția de fuziune, trebuia să folosească o bombă atomică convențională. „Superul clasic” în sine era un cilindru lung umplut cu deuteriu. De asemenea, a fost prevăzută o cameră intermediară de „aprindere” cu un amestec de deuteriu-tritiu - reacția de sinteză a deuteriului și a tritiului începe la o presiune mai mică. Prin analogie cu un foc, deuteriul trebuia să joace rolul lemnului de foc, un amestec de deuteriu și tritiu - un pahar de benzină și o bombă atomică - chibrituri. O astfel de schemă a fost numită „țeavă” - un fel de trabuc cu o brichetă atomică la un capăt. Conform aceleiași scheme, fizicienii sovietici au început să dezvolte o bombă cu hidrogen.

Cu toate acestea, matematicianul Stanislav Ulam i-a dovedit lui Teller pe o regulă de calcul obișnuită că apariția unei reacții de fuziune a deuteriu pur într-un „super” este cu greu posibilă, iar amestecul ar necesita o asemenea cantitate de tritiu încât pentru producerea sa ar fi necesar. pentru a îngheța practic producția de plutoniu de calitate pentru arme în Statele Unite.

Puf de zahăr

La mijlocul anului 1946, Teller a propus o altă schemă pentru bomba cu hidrogen - „ceasul cu alarmă”. Constata din straturi sferice alternante de uraniu, deuteriu si tritiu. În timpul unei explozii nucleare a încărcăturii centrale de plutoniu, au fost create presiunea și temperatura necesare pentru a începe o reacție termonucleară în alte straturi ale bombei. Cu toate acestea, pentru „ceasul cu alarmă” era necesar un inițiator atomic de mare putere, iar Statele Unite (ca, într-adevăr, URSS) au întâmpinat probleme cu producția de uraniu și plutoniu pentru arme.

În toamna anului 1948, Andrei Saharov a venit cu o schemă similară. În Uniunea Sovietică, designul a fost numit „sloika”. Pentru URSS, care nu a avut suficient timp pentru a produce uraniu-235 și plutoniu-239 de calitate pentru arme, puful Saharov a fost un panaceu. Si de aceea.

Într-o bombă atomică obișnuită, uraniul natural-238 este nu numai inutil (energia neutronilor în timpul dezintegrarii nu este suficientă pentru a iniția fisiunea), ci și dăunător, deoarece absoarbe cu lăcomie neutronii secundari, încetinind reacția în lanț. Prin urmare, uraniul de calitate pentru arme este izotop de uraniu-235 de 90%. Cu toate acestea, neutronii rezultați din fuziunea termonucleară sunt de 10 ori mai energici decât neutronii de fisiune, iar uraniul-238 natural iradiat cu astfel de neutroni începe să se fisiune excelent. Noua bombă a făcut posibilă utilizarea uraniului-238 ca exploziv, care fusese considerat anterior drept deșeuri.

Punctul culminant al „pufului” Saharov a fost, de asemenea, utilizarea unei substanțe cristaline cu lumină albă, deutrură de litiu 6 LiD, în locul tritiuului cu deficit acut.

După cum am menționat mai sus, un amestec de deuteriu și tritiu se aprinde mult mai ușor decât deuteriul pur. Totuși, aici se termină avantajele tritiului și rămân doar dezavantaje: în stare normală, tritiul este un gaz, ceea ce provoacă dificultăți la depozitare; tritiul este radioactiv și, pe măsură ce se descompune, se transformă în heliu-3 stabil, devorând în mod activ neutronii rapidi foarte necesari, ceea ce limitează perioada de valabilitate a bombei la câteva luni.

Deutrura de litiu neradioactivă, atunci când este iradiată cu neutroni de fisiune lentă - consecințele unei explozii a unei siguranțe atomice - se transformă în tritiu. Astfel, radiația exploziei atomice primare într-o clipă produce suficient tritiu pentru o reacție termonucleară ulterioară, iar deuteriul este prezent în litiu deuteriu încă de la început.

A fost o astfel de bombă, RDS-6, care a fost testată cu succes la 12 august 1953 pe turnul locului de testare Semipalatinsk. Puterea exploziei a fost de 400 de kilotone, iar disputele nu au încetat încă dacă a fost o explozie termonucleară reală sau una atomică super-puternică. Într-adevăr, reacția de fuziune termonucleară în puful Saharov a reprezentat nu mai mult de 20% din puterea totală de încărcare. Principala contribuție la explozie a fost adusă de reacția de descompunere a uraniului-238 iradiat cu neutroni rapizi, datorită căreia RDS-6-urile au deschis epoca așa-numitelor bombe „murdare”.

Faptul este că principala contaminare radioactivă este doar produsele de descompunere (în special, stronțiul-90 și cesiu-137). În esență, „sloika” Saharov a fost o bombă atomică uriașă, doar ușor îmbunătățită de o reacție termonucleară. Nu este o coincidență că o singură explozie a „sloika” a produs 82% stronțiu-90 și 75% cesiu-137, care a intrat în atmosferă pe parcursul întregii istorii a existenței locului de testare Semipalatinsk.

bombe americane

Cu toate acestea, americanii au fost cei care au detonat prima bombă cu hidrogen. 1 noiembrie 1952 pe atolul Elugelab în Oceanul Pacific Dispozitivul de fuziune de 10 megatone „Mike” a fost testat cu succes. A numi bombă unui dispozitiv american de 74 de tone poate fi dificil. „Mike” era un dispozitiv voluminos de mărimea unei case cu două etaje, umplut cu deuteriu lichid la o temperatură apropiată de zero absolut („sloika” Saharov era un produs complet transportabil). Cu toate acestea, punctul culminant al lui „Mike” nu a fost dimensiunea, ci principiul ingenios al comprimării explozivilor termonucleari.

Amintiți-vă că ideea principală a bombei cu hidrogen este de a crea condiții pentru fuziune (presiune și temperatură superînaltă) printr-o explozie nucleară. În schema „puf”, sarcina nucleară este situată în centru și, prin urmare, nu comprimă atât de mult deuteriul, ci îl împrăștie în exterior - o creștere a cantității de exploziv termonuclear nu duce la o creștere a puterii - pur și simplu nu are timp să detoneze. Acesta este ceea ce limitează puterea maximă a acestei scheme - cel mai puternic „puf” din lume Orange Herald, aruncat în aer de britanici la 31 mai 1957, a dat doar 720 de kilotone.

Ideal ar fi dacă siguranța atomică ar putea fi făcută să explodeze înăuntru, storcând explozivi termonucleari. Dar cum să faci asta? Edward Teller a prezentat o idee genială: să comprimați combustibilul termonuclear nu prin energie mecanică și flux de neutroni, ci prin radiația de la fuzibilul atomic primar.

În noul design al lui Teller, nodul atomic de inițiere a fost distanțat de blocul termonuclear. Când sarcina atomică a declanșat, radiația de raze X a depășit unda de șoc și s-a propagat de-a lungul pereților corpului cilindric, evaporându-se și transformând căptușeala interioară din polietilenă a corpului bombei în plasmă. Plasma, la rândul său, a reradiat raze X mai moi, care au fost absorbite de straturile exterioare ale cilindrului interior de uraniu-238 - „împingătorul”. Straturile au început să se evapore exploziv (acest fenomen se numește ablație). Plasma incandescentă de uraniu poate fi comparată cu jeturile unui motor de rachetă super-puternic, a cărui tracțiune este direcționată în cilindrul cu deuteriu. Cilindrul de uraniu s-a prăbușit, s-au atins presiunea și temperatura deuteriului nivel critic. Aceeași presiune a comprimat tubul central de plutoniu la o masă critică și a detonat. Explozia fitilului de plutoniu a apăsat pe deuteriu din interior, comprimând și încălzind suplimentar explozivul termonuclear, care a detonat. Fluxul intens de neutroni împarte nucleele de uraniu-238 din împingător, provocând o reacție secundară de descompunere. Toate acestea au avut timp să se întâmple înainte de momentul în care valul de explozie din explozia nucleară primară a ajuns în unitatea termonucleară. Calculul tuturor acestor evenimente care au avut loc în miliarde de secundă a necesitat efortul minții celor mai puternici matematicieni de pe planetă. Creatorii lui „Mike” au experimentat nu groază de la explozia de 10 megatone, ci o încântare de nedescris - au reușit nu numai să înțeleagă procesele care au loc în lumea reală doar în miezurile stelelor, ci și să-și testeze experimental teoriile prin aranjarea lor. stea mică de pe Pământ.

Bravo

Depășindu-i pe ruși în ceea ce privește frumusețea designului lor, americanii nu au reușit să-și facă dispozitivul compact: au folosit deuteriu lichid suprarăcit în loc de deutrură de litiu sub formă de pulbere a lui Saharov. În Los Alamos, ei au reacționat la puful lui Saharov cu un anumit grad de invidie: „în loc de o vacă uriașă cu o găleată de lapte crud, rușii folosesc un pachet de lapte praf”. Cu toate acestea, ambele părți nu au reușit să ascundă secrete una de cealaltă. La 1 martie 1954, lângă atolul Bikini, americanii au testat bomba Bravo de 15 megatone pe deutrură de litiu, iar pe 22 noiembrie 1955, prima bombă termonucleară sovietică în două etape RDS-37 cu o capacitate de 1,7 megatone a explodat peste. amplasamentul de testare Semipalatinsk, demolând aproape jumătate din terenul de testare. De atunci, designul bombei termonucleare a suferit modificări minore (de exemplu, un scut de uraniu a apărut între bomba de inițiere și încărcătura principală) și a devenit canonic. Și în lume nu mai există mistere atât de mari ale naturii, care ar putea fi rezolvate printr-un experiment atât de spectaculos. Asta e nașterea unei supernove.

Un pic de teorie Există 4 reacții într-o bombă termonucleară și acestea au loc foarte repede. Primele două reacții servesc ca sursă de material pentru a treia și a patra, care, la temperaturile unei explozii termonucleare, se desfășoară de 30-100 de ori mai repede și oferă un randament energetic mai mare. Prin urmare, heliul-3 și tritiul rezultate sunt imediat consumate. Nucleele atomilor sunt încărcate pozitiv și, prin urmare, se resping reciproc. Pentru ca ei să reacționeze, trebuie să fie împinși frontal, depășind repulsia electrică. Acest lucru este posibil doar dacă se deplasează cu viteză mare. Viteza atomilor este direct legata de temperatura, care ar trebui sa ajunga la 50 de milioane de grade! Dar nu este suficient să încălziți deuteriul la o astfel de temperatură; În natură, astfel de temperaturi la o asemenea densitate se găsesc doar în miezul stelelor.

Un dispozitiv misterios capabil să elibereze gigajouli de energie într-o perioadă de timp indescriptibil de scurtă este înconjurat de romantism de rău augur. Inutil să spun că peste tot în lume, munca la arme nucleare a fost profund clasificată, iar bomba în sine a fost acoperită cu o mulțime de legende și mituri. Să încercăm să ne ocupăm de ei în ordine.

Andrei Suvorov

Nimic nu generează atât de mult interes ca bomba atomică

august 1945. Ernest Orlando Lawrence la laboratorul de bombe atomice

1954 La opt ani după explozia de pe atolul Bikini, oamenii de știință japonezi au descoperit nivel inalt radiații de la peștii prinși în apele locale

Masa critica

Toată lumea a auzit că există o anumită masă critică care trebuie câștigată pentru a începe o reacție nucleară în lanț. Dar pentru ca o explozie nucleară reală să aibă loc, o masă critică nu este suficientă - reacția se va opri aproape instantaneu, înainte ca energia vizibilă să aibă timp să fie eliberată. Pentru o explozie la scară largă de mai multe kilotone sau zeci de kilotone, este necesar să se colecteze simultan două sau trei, și de preferință patru sau cinci mase critice.

Pare evident că două sau mai multe părți ar trebui făcute din uraniu sau plutoniu și conectate la momentul necesar. Pentru dreptate, trebuie spus că și fizicienii au gândit la fel atunci când s-au asumat proiectarea unei bombe nucleare. Dar realitatea și-a făcut propriile ajustări.

Chestia este că dacă am avea uraniu-235 sau plutoniu-239 foarte pur, am putea face asta, dar oamenii de știință trebuiau să se ocupe de metale reale. Prin îmbogățirea uraniului natural, puteți face un amestec care conține 90% uraniu-235 și 10% uraniu-238, încercările de a scăpa de restul de uraniu-238 duc la o creștere foarte rapidă a costului acestui material (se numește uraniu foarte îmbogățit). Plutoniul-239, care se obține într-un reactor nuclear din uraniu-238 în timpul fisiunii uraniului-235, conține în mod necesar un amestec de plutoniu-240.

Izotopii uraniu235 și plutoniu239 sunt numiți par-impari deoarece nucleele lor conțin un număr par de protoni (92 pentru uraniu și 94 pentru plutoniu) și un număr impar de neutroni (143 și, respectiv, 145). Toate nucleele par-impare ale elementelor grele au o proprietate comună: rareori se fisionează spontan (oamenii de știință spun: „spontan”), dar se fisionează ușor atunci când sunt lovite de un nucleu de neutroni.

Uraniul-238 și plutoniul-240 sunt egale. Dimpotrivă, practic nu se fisionează cu neutroni de energii joase și moderate care zboară din nucleele fisionabile, ci, pe de altă parte, se fisiază spontan de sute sau zeci de mii de ori mai des, formând un fundal neutronic. Acest fundal face foarte dificilă crearea de arme nucleare, deoarece face ca reacția să înceapă prematur, înainte ca cele două părți ale încărcăturii să se întâlnească. Din acest motiv, într-un dispozitiv pregătit pentru o explozie, părțile masei critice trebuie să fie amplasate suficient de departe unele de altele și conectate la o viteză mare.

bombă cu tun

Cu toate acestea, bomba aruncată pe Hiroshima pe 6 august 1945, a fost făcută exact după schema de mai sus. Cele două părți ale sale, ținta și glonțul, au fost fabricate din uraniu foarte îmbogățit. Ținta era un cilindru de 16 cm în diametru și, de asemenea, de 16 cm înălțime.În centrul său era o gaură de 10 cm în diametru.A fost făcut un glonț în conformitate cu această gaură. În total, bomba conținea 64 kg de uraniu.

Ținta era înconjurată de o carcasă, al cărei strat interior era din carbură de tungsten, stratul exterior din oțel. Scopul obuzului a fost dublu: să țină glonțul atunci când a lovit ținta și să reflecte cel puțin o parte din neutronii emiși din spatele uraniului. Luând în considerare reflectorul de neutroni, 64 kg au reprezentat 2,3 mase critice. Cum a apărut, pentru că fiecare dintre piese a fost subcritică? Faptul este că prin îndepărtarea părții de mijloc a cilindrului, îi reducem densitatea medie și valoarea masei critice crește. Astfel, masa acestei piese poate depăși masa critică pentru o bucată solidă de metal. Dar este imposibil să crești masa glonțului în acest fel, deoarece acesta trebuie să fie solid.

Atât ținta, cât și glonțul au fost asamblate din bucăți: o țintă din mai multe inele de înălțime mică și un glonț din șase puci. Motivul este simplu - semifabricatele de uraniu trebuiau să aibă dimensiuni mici, deoarece în timpul fabricării (turnării, presarii) semifabricatului, cantitatea totală de uraniu nu ar trebui să se apropie de masa critică. Glonțul a fost învelit într-o jachetă din oțel inoxidabil cu pereți subțiri, cu un capac din carbură de tungsten, ca și jacheta țintă.

Pentru a direcționa glonțul spre centrul țintei, am decis să folosim țeava unui tun antiaerien convențional de calibrul 76,2 mm. Acesta este motivul pentru care acest tip de bombă este uneori denumit bombă tun. Butoiul a fost plictisit din interior până la 100 mm, astfel încât un proiectil atât de neobișnuit a intrat în el. Lungimea țevii a fost de 180 cm. Pulberea obișnuită fără fum a fost încărcată în camera sa de încărcare, care a tras un glonț cu o viteză de aproximativ 300 m / s. Și celălalt capăt al țevii a fost presat într-o gaură din carcasa țintă.

Acest design a avut o mulțime de neajunsuri.

A fost monstruos de periculos: odată ce praful de pușcă a fost încărcat în camera de încărcare, orice accident care ar putea să se aprindă ar face ca bomba să explodeze la putere maximă. Din această cauză, piroxilina a fost încărcată deja în aer când avionul a zburat până la țintă.

În cazul unui accident de avion, piesele din uraniu s-ar putea conecta fără praf de pușcă, pur și simplu de la o lovitură puternică la sol. Pentru a evita acest lucru, diametrul glonțului era cu o fracțiune de milimetru mai mare decât diametrul orificiului țevii.

Dacă bomba ar cădea în apă, atunci datorită moderației neutronilor în apă, reacția ar putea începe chiar și fără ca părțile să fie combinate. Adevărat, în acest caz o explozie nucleară este puțin probabilă, dar ar avea loc o explozie termică, cu uraniu pulverizat pe o suprafață mare și contaminare radioactivă.

Lungimea unei bombe cu acest design a depășit doi metri, iar acest lucru este practic de netrecut. Până la urmă, s-a ajuns la o stare critică, iar reacția a început când mai era o jumătate de metru bun până să se oprească glonțul!

În cele din urmă, această bombă a fost foarte risipitoare: mai puțin de 1% din uraniu a avut timp să reacționeze în ea!

Avantajul bombei-tun era exact unul: nu putea să nu funcționeze. Nici măcar nu urma să fie testată! Dar americanii au trebuit să testeze bomba cu plutoniu: designul ei era prea nou și complicat.

minge de fotbal cu plutoniu

Când s-a dovedit că chiar și un amestec mic (mai puțin de 1%!) de plutoniu-240 a făcut imposibilă asamblarea unei bombe cu plutoniu cu ajutorul unui tun, fizicienii au fost forțați să caute alte modalități de a câștiga masă critică. Iar cheia explozibililor cu plutoniu a fost găsită de bărbatul care a devenit ulterior cel mai faimos „spion nuclear” - fizicianul britanic Klaus Fuchs.

Ideea lui, numită mai târziu „implozie”, a fost să formeze o undă de șoc sferică convergentă dintr-una divergentă, folosind așa-numitele lentile explozive. Această undă de șoc trebuia să comprime o bucată de plutoniu, astfel încât densitatea acesteia să se dubleze.

Dacă o scădere a densității determină o creștere a masei critice, atunci o creștere a densității ar trebui să o scadă! Pentru plutoniu, acest lucru este valabil mai ales. Plutoniul este un material foarte specific. Când o bucată de plutoniu este răcită de la temperatura sa de topire la temperatura camerei, suferă patru tranziții de fază. La acesta din urmă (aproximativ 122 de grade), densitatea sa crește brusc cu 10%. În acest caz, orice turnare se va crăpa inevitabil. Pentru a evita acest lucru, plutoniul este aliat cu un metal trivalent, apoi starea liberă devine stabilă. Aluminiul poate fi folosit, dar în 1945 s-a temut că particulele alfa emise de nucleele de plutoniu în timpul dezintegrarii lor vor elimina neutronii liberi din nucleele de aluminiu, crescând fundalul neutronilor deja vizibil, așa că galiul a fost folosit în prima bombă atomică.

Dintr-un aliaj care contine 98% plutoniu-239, 0,9% plutoniu-240 si 0,8% galiu s-a realizat o bila cu diametrul de numai 9 cm si o greutate de aproximativ 6,5 kg. În centrul mingii era o cavitate cu diametrul de 2 cm și era formată din trei părți: două jumătăți și un cilindru cu diametrul de 2 cm. Acest cilindru servea ca dop prin care putea fi introdus un inițiator în cavitatea internă – o sursă de neutroni care a funcționat când bomba a explodat. Toate cele trei părți trebuiau să fie nichelate, deoarece plutoniul este oxidat foarte activ de aer și apă și este extrem de periculos dacă pătrunde în corpul uman.

Bila a fost înconjurată de un reflector de neutroni cu uraniu-238 natural de 7 cm grosime și 120 kg în greutate. Uraniul este un bun reflector al neutronilor rapizi, iar sistemul asamblat a fost doar ușor subcritic, așa că a fost introdus un dop de cadmiu în loc de plutoniu, care a absorbit neutronii. Reflectorul a servit și pentru a păstra toate detaliile ansamblului critic în timpul reacției, altfel cea mai mare parte a plutoniului s-ar destrăma, neavând timp să ia parte la reacția nucleară.

Urmează un strat de 11,5 cm de aliaj de aluminiu cu o greutate de 120 kg. Scopul stratului este același cu cel al acoperirii de pe lentilele obiectivelor: să se asigure că valul de explozie pătrunde în ansamblul uraniu-plutoniu și nu se reflectă din acesta. Această reflexie se datorează diferenței mari de densitate dintre explozivi și uraniu (aproximativ 1:10). În plus, într-o undă de șoc, o undă de compresie este urmată de o undă de rarefacție, așa-numitul efect Taylor. Stratul de aluminiu a slăbit valul de rarefacție, ceea ce a redus efectul explozivului. Aluminiul a trebuit să fie dopat cu bor, care a absorbit neutronii emiși din nucleele atomilor de aluminiu sub influența particulelor alfa rezultate din dezintegrarea uraniului-238.

În cele din urmă, acele „lentile explozive” erau afară. Erau 32 dintre ele (20 cu șase laturi și 12 cu cinci laturi), formau o structură similară cu o minge de fotbal. Fiecare lentilă era compusă din trei părți, cea din mijloc formată dintr-un exploziv special „lent”, iar cea exterioară și interioară – de la „rapid”. Partea exterioară era sferică la exterior, dar în interior avea o cavitate conică, ca pe o sarcină în formă, doar scopul ei era diferit. Acest con a fost umplut cu explozibili lenți, iar unda explozivă a fost refractată la interfață ca o undă de lumină obișnuită. Dar asemănarea aici este foarte condiționată. De fapt, forma acestui con este unul dintre adevăratele secrete ale bombei nucleare.

La mijlocul anilor 1940, nu existau computere în lume care să poată calcula forma unor astfel de lentile și, cel mai important, nici măcar nu exista o teorie potrivită. Prin urmare, acestea au fost făcute exclusiv prin încercare și eroare. A trebuit să fie efectuate peste o mie de explozii - și nu doar efectuate, ci fotografiate cu camere speciale de mare viteză, înregistrând parametrii undei de explozie. Când a fost elaborată o versiune mai mică, s-a dovedit că explozivii nu s-au scalat atât de ușor și a fost necesar să se corecteze foarte mult rezultatele vechi.

Precizia formei trebuia respectată cu o eroare mai mică de un milimetru, iar compoziția și uniformitatea explozivilor trebuia menținută cu cea mai mare grijă. Piesele puteau fi făcute numai prin turnare, așa că nu toți explozivii erau potriviți. Explozivii rapidi erau un amestec de hexogen și TNT, cu de două ori mai mult hexogen. Lent - același TNT, dar cu adaos de azotat de bariu inert. Viteza undei de detonare în primul exploziv este de 7,9 km/s, iar în al doilea - 4,9 km/s.

Detonatoarele au fost montate în centrul suprafeței exterioare a fiecărei lentile. Toate cele 32 de detonatoare au trebuit să funcționeze simultan cu o precizie nemaivăzută - mai puțin de 10 nanosecunde, adică miliarde de secundă! Astfel, frontul undei de șoc nu trebuie distorsionat cu mai mult de 0,1 mm. Cu aceeași precizie, a fost necesară combinarea suprafețelor de împerechere ale lentilelor și totuși eroarea în fabricarea lor a fost de zece ori mai mare! A trebuit să schimb și să cheltui multă hârtie igienică și bandă pentru a compensa inexactitățile. Dar sistemul a devenit puțin ca un model teoretic.

A trebuit să inventez detonatoare noi: cele vechi nu asigurau o sincronizare adecvată. Au fost realizate pe baza unor fire care explodau sub un impuls puternic al unui curent electric. Pentru funcționarea lor, a fost nevoie de o baterie de 32 de condensatoare de înaltă tensiune și același număr de descărcatoare de mare viteză - câte unul pentru fiecare detonator. Întregul sistem, împreună cu bateriile și încărcătorul condensatorului, cântărea aproape 200 kg în prima bombă. Cu toate acestea, în comparație cu greutatea explozivului, care a luat 2,5 tone, nu a fost mult.

În cele din urmă, întreaga structură a fost închisă într-un corp sferic din duraluminiu, constând dintr-o centură largă și două capace - superior și inferior, toate aceste părți au fost asamblate pe șuruburi. Designul bombei a făcut posibilă asamblarea acesteia fără miez de plutoniu. Pentru a pune plutoniul la loc, împreună cu o bucată de reflector de uraniu, capacul superior al carcasei a fost deșurubat și a fost îndepărtată o lentilă explozivă.

Războiul cu Japonia se apropia de sfârșit, iar americanii se grăbeau. Dar bomba cu implozie a trebuit testată. Această operațiune a primit numele de cod „Trinity” („Trinity”). Da, bomba atomică trebuia să demonstreze puterea disponibilă anterior doar zeilor.

succes genial

Locul pentru test a fost ales în statul New Mexico, într-un loc cu numele pitoresc de Jornadadel Muerto (Calea morții) - teritoriul făcea parte din poligonul de artilerie Alamagordo. Bomba a început să fie asamblată pe 11 iulie 1945. Pe 14 iulie, ea a fost ridicată în vârful unui turn special construit de 30 m înălțime, firele au fost conectate la detonatoare, iar etapele finale ale pregătirilor legate de cantitate mare echipament de măsurat. Pe 16 iulie 1945, la cinci și jumătate dimineața, aparatul a fost aruncat în aer.

Temperatura din centrul exploziei atinge câteva milioane de grade, așa că fulgerul unei explozii nucleare este mult mai strălucitor decât Soarele. Mingea de foc durează câteva secunde, apoi începe să se ridice, să se întunece, de la alb la portocaliu, apoi purpuriu, și se formează acum celebra ciupercă nucleară. Primul nor de ciuperci s-a ridicat la o înălțime de 11 km.

Energia exploziei a fost de peste 20 kt de TNT. Majoritatea echipamentelor de măsurare au fost distruse, deoarece fizicienii au contat pe 510 tone și au pus echipamentul prea aproape. În afară de asta, a fost un succes, un succes strălucit!

Dar americanii s-au confruntat cu o contaminare radioactivă neașteptată a zonei. Pena de precipitații radioactive s-a întins pe 160 km spre nord-est. O parte din populație a trebuit să fie evacuată din orășelul Bingham, dar cel puțin cinci locuitori locali au primit doze de până la 5760 roentgens.

S-a dovedit că, pentru a evita contaminarea, bomba trebuie explodata la o altitudine suficient de mare, cel puțin un kilometru și jumătate, apoi produsele de descompunere radioactivă se dispersează pe o suprafață de sute de mii sau chiar milioane de kilometri pătrați. și se dizolvă în fondul de radiație global.

O a doua bombă de acest design a fost aruncată pe Nagasaki pe 9 august, la 24 de zile după acest test și la trei zile după bombardarea Hiroshima. De atunci, aproape toate armele nucleare au folosit tehnologia de implozie. Prima bombă sovietică RDS-1, testată pe 29 august 1949, a fost realizată după aceeași schemă.

Pentru a realiza o reacție în lanț de fisiune, este necesar să se creeze un mediu de reproducere format din material fisionabil pur sau material fisionabil și un moderator, a cărui compoziție asigură dezvoltarea reacției. Trebuie remarcat faptul că materialele structurale vor fi inevitabil prezente în acest mediu. Cu toate acestea, selecția unui mediu de reproducere cu parametrii necesari nu oferă încă toate condițiile pentru o reacție în lanț. Cu o dimensiune mică și, în consecință, cu masa mediului de reproducere, majoritatea neutronilor care apar în acesta vor zbura fără a avea timp să provoace fisiune și nu va avea loc o reacție în lanț autosusținută (SCR). Scurgerea neutronilor dintr-un volum cu un mediu de reproducere duce la același rezultat ca și absorbția lor fără fisiune.

Pe măsură ce dimensiunea mediului de reproducere crește, lungimea medie a căii neutronilor în acesta crește și, în consecință, numărul de ciocniri cu nucleele, urmat de fisiune și apariția de noi neutroni Pentru a descrie comportamentul reactorului în timp. , noi am folosit factor de multiplicare k eff - raportul dintre numărul de neutroni din generația următoare și numărul de neutroni din cea anterioară.În această interpretare, cu o creștere a dimensiunii mediului, k eff crește de la zero la probabilitatea de fisiune zero la valori mai mari decât unitatea, cu o creștere asemănătoare unei avalanșe a numărului de neutroni într-o serie de generații.

Cu k eff egal cu unu, intensitatea procesului de fisiune nu se modifică în timp - procesul este auto-susținut și un astfel de sistem se numește critic . La k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют subcritic . Când k eff > 1, sistemul supercritic.

Se numește masa minimă de material fisionabil necesară pentru a desfășura o reacție de fisiune auto-susținută masa critica . Dacă masa o depășește pe cea critică, atunci în fiecare generație următoare se vor naște mai mulți neutroni decât în ​​cea anterioară și se va dezvolta reacția în lanț. Valoarea masei critice depinde de proprietățile nuclidului fisionabil (235 U sau 239 Pu), de compoziția mediului de reproducere și de mediul acestuia. Masa critică poate varia de la câteva sute de grame în dispozitivele experimentale până la zeci de kilograme în focoasele nucleare și câteva tone în reactoarele mari de putere. Luați în considerare un reactor nuclear cu uraniu natural. O reacție în lanț auto-susținută poate avea loc în ea dacă numărul de neutroni secundari produși prin fisiune și capabili să provoace o fisiune suplimentară este suficient pentru a menține rata de fisiune în reactor la un nivel constant.