Annonsering på portalen

Kritisk massa i kärnfysik. Nuclear Attack: den kritiska massan av en kärnladdning. plutonium fotboll

Lite mer än två månader har gått sedan slutet av det mest fruktansvärda kriget i mänsklighetens historia. Och så, den 16 juli 1945, testades den första kärnvapenbomben av den amerikanska militären, och en månad senare dör tusentals invånare i japanska städer i atomhelvetet. Sedan dess har vapen, såväl som sätten att leverera dem till mål, kontinuerligt förbättrats i mer än ett halvt sekel.

Militären ville få till sitt förfogande både superkraftig ammunition, som svepte bort hela städer och länder från kartan med ett slag, och ultrasmå sådana som fick plats i en portfölj. En sådan anordning skulle föra sabotagekriget till en aldrig tidigare skådad nivå. Både med den första och med den andra var det oöverstigliga svårigheter. Anledningen till detta är den så kallade kritiska massan. Men först till kvarn.

En sådan explosiv kärna

För att förstå driftordningen för kärntekniska enheter och förstå vad som kallas kritisk massa, låt oss gå tillbaka till skrivbordet ett tag. Från skolfysikkursen minns vi en enkel regel: laddningar med samma namn stöter bort varandra. Där, in gymnasium eleverna berättas om atomkärnans struktur, bestående av neutroner, neutrala partiklar och positivt laddade protoner. Men hur är detta möjligt? Positivt laddade partiklar ligger så nära varandra att de frånstötande krafterna måste vara kolossala.

Vetenskapen förstår inte helt arten av de intranukleära krafter som håller ihop protoner, även om egenskaperna hos dessa krafter har studerats ganska väl. Krafter verkar bara på mycket nära håll. Men så fort protonerna till och med är något åtskilda i rymden, börjar de frånstötande krafterna råda, och kärnan splittras i bitar. Och kraften i en sådan expansion är verkligen kolossal. Det är känt att styrkan hos en vuxen man inte skulle räcka för att hålla protonerna i bara en enda kärna av blyatomen.

Vad var Rutherford rädd för?

Kärnorna i de flesta element i det periodiska systemet är stabila. Men när atomnumret ökar, minskar denna stabilitet. Det handlar om storleken på kärnorna. Föreställ dig kärnan i en uranatom, bestående av 238 nuklider, varav 92 är protoner. Ja, protoner är i nära kontakt med varandra, och intranukleära krafter cementerar säkert hela strukturen. Men den frånstötande kraften hos protoner som ligger i motsatta ändar av kärnan blir märkbar.

Vad gjorde Rutherford? Han bombarderade atomer med neutroner (en elektron kommer inte att passera genom en atoms elektronskal, och en positivt laddad proton kommer inte att kunna närma sig kärnan på grund av frånstötande krafter). En neutron som kommer in i en atoms kärna orsakar dess klyvning. Två separata halvor och två eller tre fria neutroner flög isär.

Detta förfall, på grund av de flygande partiklarnas enorma hastigheter, åtföljdes av frigörandet av enorm energi. Det gick ett rykte om att Rutherford till och med ville dölja sin upptäckt, rädd för dess möjliga konsekvenser för mänskligheten, men detta är troligen inget annat än en saga.

Så vad har massan med det att göra och varför är det kritiskt

Än sen då? Hur kan man bestråla tillräckligt med radioaktiv metall med en ström av protoner för att producera en kraftig explosion? Och vad är kritisk massa? Allt handlar om de få fria elektronerna som flyger ut ur den "utbommade" atomkärnan, de i sin tur, kolliderar med andra kärnor, kommer att orsaka deras klyvning. Den så kallade kommer att börja, men det kommer att bli extremt svårt att lansera den.

Låt oss förfina skalan. Om vi ​​tar ett äpple på vårt bord som kärnan i en atom, för att föreställa oss kärnan i en angränsande atom, måste samma äpple bäras och läggas på bordet inte ens i nästa rum, men .. i nästa hus. Neutronen kommer att vara lika stor som en körsbärsgrop.

För att de emitterade neutronerna inte ska flyga iväg förgäves utanför urangötet, och mer än 50 % av dem skulle hitta sitt mål i form av atomkärnor, måste detta göt ha lämpliga dimensioner. Detta är vad som kallas den kritiska massan av uran - den massa där mer än hälften av de emitterade neutronerna kolliderar med andra kärnor.

Faktum är att det händer på ett ögonblick. Antalet delade kärnor växer som en lavin, deras fragment rusar i alla riktningar med hastigheter som är jämförbara med ljusets hastighet, river upp luft, vatten och vilket annat medium som helst. Från deras kollisioner med molekyler miljö explosionsområdet värms omedelbart upp till miljontals grader och utstrålar värme som förbränner allt i ett område på flera kilometer.

Den kraftigt uppvärmda luften ökar omedelbart i storlek, vilket skapar en kraftfull stötvåg som blåser bort byggnader från grunden, välter och förstör allt i dess väg ... sådan är bilden av en atomexplosion.

Hur det ser ut i praktiken

Atombombens anordning är förvånansvärt enkel. Det finns två urangöt (eller en annan, vars massa är något mindre än den kritiska. En av göten är gjord i form av en kon, den andra är gjord i form av en boll med en kon -format hål. Som du kanske kan gissa, när du kombinerar båda halvorna får du en boll som når kritisk massa. Detta är den enklaste standardbomben Två halvor är sammankopplade med hjälp av en konventionell TNT-laddning (konen avfyras till en boll).

Men tro inte att en sådan enhet kan monteras "på knäet" av vem som helst. Hela tricket är att uran, för att en bomb ska explodera från det, måste vara väldigt rent, närvaron av föroreningar är praktiskt taget noll.

Varför det inte finns någon atombomb så stor som ett paket cigaretter

Allt av samma anledning. Den kritiska massan för den vanligaste isotopen av uran 235 är cirka 45 kg. Explosionen av en sådan mängd kärnbränsle är redan en katastrof. Och det är omöjligt att göra med en mindre mängd av ett ämne - det kommer helt enkelt inte att fungera.

Av samma anledning var det inte möjligt att skapa superkraftiga atomladdningar från uran eller andra radioaktiva metaller. För att bomben skulle vara mycket kraftfull tillverkades den av ett dussin göt, som, när detonerande laddningar detonerades, rusade till mitten och kopplade ihop som skivor av en apelsin.

Men vad hände egentligen? Om två element av någon anledning möttes en tusendels sekund tidigare än de andra, nåddes den kritiska massan snabbare än resten skulle "anlända i tid", inträffade inte explosionen med den kraft som designerna förväntade sig. Problemet med superkraftiga kärnvapen löstes först med tillkomsten av termonukleära vapen. Men det är en lite annan historia.

Hur fungerar en fredlig atom?

Ett kärnkraftverk är i princip samma kärnvapenbomb. Endast i denna "bomb" är TVELs (bränsleelement) gjorda av uran belägna på ett visst avstånd från varandra, vilket inte hindrar dem från att byta neutron "strike".

Bränslestavar är gjorda i form av stavar, mellan vilka det finns styrstavar av ett material som absorberar neutroner bra. Funktionsprincipen är enkel:

  • reglerande (absorberande) stavar införs i utrymmet mellan uranstavarna - reaktionen saktar ner eller stannar helt;
  • kontrollstavar tas bort från zonen - radioaktiva element utbyter aktivt neutroner, kärnreaktionen fortsätter mer intensivt.

Det visar sig faktiskt likadant atombomb, där den kritiska massan nås så smidigt och regleras så tydligt att det inte leder till en explosion, utan bara till uppvärmning av kylvätskan.

Även om tyvärr, som praktiken visar, inte alltid det mänskliga geniet kan stävja denna enorma och destruktiva energi - energin från atomkärnans förfall.

Ju större dimensioner (läckan går bara genom ytan) på reaktorn och ju närmare formen på reaktorhärden är en sfär, desto mindre (ceteris paribus) läckan och desto högre R.

För en kedjereaktion k eff =P∙k ∞ =1

Detta uppnås vid en viss minsta storlek på reaktorn, vilket kallas reaktorns kritiska storlek.

Och den minsta massan av kärnbränsle som finns i reaktorhärden av en kritisk storlek, vid vilken en kedjereaktion av bränsleklyvning kan inträffa, kallas den kritiska massan. Dess värde beror på ett antal faktorer:

1). graden av bränsleanrikning;

2) kvantitet och nukleära egenskaper hos moderatorn och konstruktionsmaterial;

3). Effektiv reflektor.

Användningen av anrikning och gör det möjligt att minska storleken på den kritiska massan och reaktorn (anrikning av uran med U 235 isotopen >5% ger ingen signifikant ökning av neutronbalansen).

Kritisk massa och dimensioner för reaktorhärden.

1). bränsleutbränning för att generera en given mängd energi (en given effekt för en given tid);

2) kompensation av skadliga absorptioner och kompensation av temperatureffekter som uppstår under en kärnreaktion.

När väl massan av det laddade bränslet är större än det kritiska till eff>1, vilket leder till reaktorns superkritiska tillstånd.

För att hålla k eff =1 har reaktorn ett kompensations- och styrsystem, med hjälp av vilket speciella plattor och stavar förs in i härden som kraftigt absorberar neutroner, som rör sig när bränslet brinner ut.

Drifttiden för bränslet i reaktorn vid sin fulla effekt mellan belastningar kallas reaktorkampanjen (justerbara stavar är gjorda av kadmium-113, grafit-114, bar-10).


Många av våra läsare förknippar vätebomben med atombomben, bara mycket kraftfullare. I själva verket är detta ett i grunden nytt vapen som krävde oproportionerligt stora intellektuella ansträngningar för att skapa det och som fungerar på fundamentalt olika fysiska principer.

Det enda som atombomben och vätebomben har gemensamt är att båda frigör den kolossala energin som är gömd i atomkärnan. Detta kan göras på två sätt: dela tunga kärnor, såsom uran eller plutonium, till lättare (klyvningsreaktion) eller tvinga de lättaste väteisotoperna att smälta samman (fusionsreaktion). Som ett resultat av båda reaktionerna är massan av det resulterande materialet alltid mindre än massan av de initiala atomerna. Men massan kan inte försvinna spårlöst - den förvandlas till energi enligt den berömda Einstein-formeln E=mc 2 .

För att skapa en atombomb är en nödvändig och tillräcklig förutsättning att erhålla klyvbart material i tillräckliga mängder. Arbetet är ganska mödosamt, men inte särskilt intellektuellt, och ligger närmare gruvindustrin än högvetenskap. Huvudresurserna i skapandet av sådana vapen går till byggandet av gigantiska uranminor och anrikningsanläggningar. Bevis på enhetens enkelhet är det faktum att det inte ens gick en månad mellan att man fick det plutonium som var nödvändigt för den första bomben och den första sovjetiska kärnvapenexplosionen.

Låt oss kort komma ihåg funktionsprincipen för en sådan bomb, känd från skolfysiken. Den är baserad på egenskapen hos uran och vissa transuranelement, såsom plutonium, att frigöra mer än en neutron under sönderfallet. Dessa grundämnen kan sönderfalla både spontant och under påverkan av andra neutroner.

Den frigjorda neutronen kan lämna det radioaktiva materialet, eller så kan den kollidera med en annan atom och orsaka en annan fissionsreaktion. När en viss koncentration av ett ämne (kritisk massa) överskrids, börjar antalet nyfödda neutroner som orsakar ytterligare klyvning av atomkärnan att överstiga antalet sönderfallande kärnor. Antalet sönderfallande atomer börjar växa som en lavin och föder nya neutroner, det vill säga en kedjereaktion inträffar. För uran-235 är den kritiska massan cirka 50 kg, för plutonium-239 är den 5,6 kg. Det vill säga, en boll av plutonium som väger lite mindre än 5,6 kg är bara en varm metallbit, och lite mer massa existerar bara under några nanosekunder.

Egentligen är bombens funktion enkel: vi tar två halvklot av uran eller plutonium, var och en något mindre än den kritiska massan, placerar dem på ett avstånd av 45 cm, täcker dem med sprängämnen och exploderar. Uran eller plutonium sintras till en bit superkritisk massa och en kärnreaktion börjar. Allt. Det finns ett annat sätt att starta en kärnreaktion - att komprimera en bit plutonium med en kraftig explosion: avståndet mellan atomerna kommer att minska, och reaktionen börjar med en lägre kritisk massa. Alla moderna atomsprängkapslar arbetar enligt denna princip.

Problemen med atombomben börjar från det ögonblick då vi vill öka explosionens kraft. En enkel ökning av klyvbart material är oumbärlig - så snart dess massa når en kritisk massa detonerar den. Olika geniala scheman utarbetades, till exempel för att göra en bomb inte av två delar, utan från många, vilket gjorde att bomben började likna en urtagen apelsin, och sedan monterade den i ett stycke med en explosion, men ändå, med en kraft på över 100 kiloton blev problemen oöverstigliga.

Men bränslet för termonukleär fusion har ingen kritisk massa. Här hänger solen, fylld med termonukleärt bränsle, över huvudet, en termonukleär reaktion har pågått inuti den i en miljard år, och ingenting exploderar. Dessutom, under fusionsreaktionen, till exempel deuterium och tritium (tung och supertung isotop av väte), frigörs 4,2 gånger mer energi än när samma massa uran-235 förbränns.

Tillverkningen av atombomben var mer experimentell än teoretisk. Skapandet av en vätebomb krävde uppkomsten av helt nya fysiska discipliner: fysiken för högtemperaturplasma och superhögtryck. Innan man började designa en bomb var det nödvändigt att grundligt förstå naturen hos de fenomen som bara uppstår i stjärnornas kärna. Här kunde inga experiment hjälpa – forskarnas verktyg var bara teoretisk fysik och högre matematik. Det är ingen slump att en gigantisk roll i utvecklingen av termonukleära vapen tillhör just matematiker: Ulam, Tikhonov, Samarsky, och så vidare.

klassisk super

I slutet av 1945 föreslog Edward Teller den första vätebombdesignen, kallad "den klassiska super". För att skapa det monstruösa trycket och temperaturen som krävs för att starta fusionsreaktionen, var det meningen att den skulle använda en konventionell atombomb. Själva "klassiska super" var en lång cylinder fylld med deuterium. En mellanliggande "antändning"-kammare med en deuterium-tritiumblandning tillhandahölls också - deuterium- och tritiumsyntesreaktionen börjar vid ett lägre tryck. I analogi med en brand skulle deuterium spela rollen som ved, en blandning av deuterium och tritium - ett glas bensin, och en atombomb - tändstickor. Ett sådant schema kallades ett "rör" - en slags cigarr med en atomtändare i ena änden. Enligt samma schema började sovjetiska fysiker utveckla en vätebomb.

Emellertid bevisade matematikern Stanislav Ulam för Teller på en vanlig glidregel att förekomsten av en fusionsreaktion av rent deuterium i en "super" knappast är möjlig, och blandningen skulle kräva en sådan mängd tritium att det skulle vara nödvändigt för dess produktion. att praktiskt taget frysa produktionen av vapenplutonium i USA.

Sockerpuff

I mitten av 1946 föreslog Teller ett annat schema för vätebomben - "väckarklockan". Den bestod av omväxlande sfäriska lager av uran, deuterium och tritium. Under en kärnvapenexplosion av den centrala laddningen av plutonium skapades det nödvändiga trycket och temperaturen för att starta en termonukleär reaktion i andra skikt av bomben. Men för "väckarklockan" krävdes en atominitiator med hög effekt, och USA (liksom Sovjetunionen) upplevde problem med produktionen av uran och plutonium för vapen.

Hösten 1948 kom Andrei Sacharov på ett liknande upplägg. I Sovjetunionen kallades designen "sloika". För Sovjetunionen, som inte hade tillräckligt med tid för att producera uran-235 och plutonium-239 för vapen, var Sacharov-puffen ett universalmedel. Och det är varför.

I en vanlig atombomb är naturligt uran-238 inte bara värdelöst (energin hos neutroner under sönderfallet räcker inte för att initiera fission), utan också skadligt, eftersom det girigt absorberar sekundära neutroner och saktar ner kedjereaktionen. Därför är uran av vapenkvalitet till 90 % uran-235 isotop. Neutronerna som härrör från termonukleär fusion är dock 10 gånger mer energiska än fissionsneutroner, och naturligt uran-238 bestrålat med sådana neutroner börjar klyvas utmärkt. Den nya bomben gjorde det möjligt att använda uran-238 som sprängämne, som tidigare hade betraktats som avfallsprodukter.

Höjdpunkten med Sacharov-"puffen" var också användningen av ett vitt ljuskristallint ämne, litiumdeutrid 6 LiD, istället för det akut bristfälliga tritiumet.

Som nämnts ovan antänds en blandning av deuterium och tritium mycket lättare än rent deuterium. Men det är här som fördelarna med tritium slutar, och bara nackdelarna kvarstår: i normalt tillstånd är tritium en gas som orsakar lagringssvårigheter; tritium är radioaktivt och, när det sönderfaller, förvandlas det till stabil helium-3, som aktivt slukar välbehövliga snabba neutroner, vilket begränsar bombens hållbarhet till några månader.

Den icke-radioaktiva litiumdeutriden, när den bestrålas med långsamma fissionsneutroner - konsekvenserna av en explosion av en atomsäkring - förvandlas till tritium. Således producerar strålningen från den primära atomexplosionen på ett ögonblick tillräckligt med tritium för en ytterligare termonukleär reaktion, och deuterium finns i litiumdeuterium från allra första början.

Det var en sådan bomb, RDS-6s, som framgångsrikt testades den 12 augusti 1953 på tornet på testplatsen i Semipalatinsk. Explosionens kraft var 400 kiloton, och tvister har ännu inte upphört om det var en riktig termonukleär explosion eller en superkraftig atomexplosion. Faktum är att reaktionen av termonukleär fusion i Sacharovblossen stod för inte mer än 20 % av den totala laddningseffekten. Det huvudsakliga bidraget till explosionen gjordes av sönderfallsreaktionen av uran-238 bestrålat med snabba neutroner, tack vare vilken RDS-6s öppnade eran för de så kallade "smutsiga" bomberna.

Faktum är att den huvudsakliga radioaktiva föroreningen bara är sönderfallsprodukterna (i synnerhet strontium-90 och cesium-137). I huvudsak var Sacharovs "slojka" en gigantisk atombomb, endast något förstärkt av en termonukleär reaktion. Det är ingen slump att endast en explosion av "slojkan" producerade 82% strontium-90 och 75% av cesium-137, som kom in i atmosfären under hela historien om existensen av Semipalatinsk-testplatsen.

amerikanska bomber

Det var dock amerikanerna som detonerade den första vätebomben. 1 november 1952 på Elugelab atollen i Stilla havet 10 megaton fusionsenhet "Mike" testades framgångsrikt. Att kalla en 74-tons amerikansk enhet för en bomb kan vara svårt. "Mike" var en skrymmande anordning storleken på ett tvåvåningshus, fyllt med flytande deuterium vid en temperatur nära absolut noll (Sacharov-"slojkan" var en helt transportabel produkt). Höjdpunkten med "Mike" var dock inte storleken, utan den geniala principen att komprimera termonukleära sprängämnen.

Kom ihåg att huvudidén med vätebomben är att skapa förutsättningar för fusion (superhögt tryck och temperatur) genom en kärnvapenexplosion. I "puff"-schemat är kärnladdningen placerad i mitten, och därför komprimerar den inte deuteriumet så mycket som sprider det utåt - en ökning av mängden termonukleärt sprängämne leder inte till en ökning av kraften - det helt enkelt har inte tid att detonera. Detta är vad som begränsar den maximala kraften för detta schema - världens mest kraftfulla "puff" Orange Herald, sprängd av britterna den 31 maj 1957, gav bara 720 kiloton.

Det skulle vara idealiskt om atomsäkringen kunde fås att explodera inuti och pressa termonukleära sprängämnen. Men hur gör man det? Edward Teller lade fram en briljant idé: att komprimera termonukleärt bränsle inte genom mekanisk energi och neutronflöde, utan genom strålning från den primära atomsäkringen.

I Tellers nya design var den initierande atomnoden åtskild från den termonukleära enheten. När atomladdningen avfyrades översteg röntgenstrålningen chockvågen och fortplantade sig längs den cylindriska kroppens väggar, förångade och förvandlade bombkroppens polyetenbeklädnad till plasma. Plasman utstrålade i sin tur mjukare röntgenstrålar, som absorberades av de yttre skikten av den inre cylindern av uran-238 - "pushern". Skikten började avdunsta explosivt (detta fenomen kallas ablation). Glödande uranplasma kan jämföras med strålarna från en superkraftig raketmotor, vars dragkraft riktas in i cylindern med deuterium. Urancylindern kollapsade, deuteriumets tryck och temperatur nåddes kritisk nivå. Samma tryck komprimerade det centrala plutoniumröret till en kritisk massa, och det detonerade. Explosionen av plutoniumsäkringen pressade mot deuteriumet från insidan, och komprimerade och värmde dessutom det termonukleära sprängämnet, som detonerade. Det intensiva neutronflödet delar uran-238-kärnorna i pushern, vilket orsakar en sekundär sönderfallsreaktion. Allt detta hann hända innan det ögonblick då sprängvågen från den primära kärnexplosionen nådde den termonukleära enheten. Beräkningen av alla dessa händelser som inträffade i miljarddelar av en sekund krävde påfrestningar från de starkaste matematikerna på planeten. Skaparna av "Mike" upplevde inte skräck från 10-megatonsexplosionen, utan obeskrivlig glädje - de lyckades inte bara förstå processerna som sker i den verkliga världen bara i kärnorna av stjärnor, utan också experimentellt testa sina teorier genom att ordna deras liten stjärna på jorden.

Bravo

Genom att överträffa ryssarna när det gäller skönheten i deras design, kunde amerikanerna inte göra sin enhet kompakt: de använde underkylt flytande deuterium istället för Sacharovs pulveriserade litiumdeutrid. I Los Alamos reagerade de på Sacharov-puffet med en viss avundsjuka: "istället för en enorm ko med en hink med rå mjölk använder ryssarna ett paket mjölkpulver." Men båda sidor misslyckades med att dölja hemligheter för varandra. Den 1 mars 1954, nära Bikini-atollen, testade amerikanerna den 15 megaton tunga Bravo-bomben på litiumdeutride och den 22 november 1955 exploderade den första sovjetiska tvåstegs termonukleära bomben RDS-37 med en kapacitet på 1,7 megaton över testplatsen i Semipalatinsk, och demolerade nästan halva testplatsen. Sedan dess har utformningen av den termonukleära bomben genomgått mindre förändringar (till exempel dök en uransköld upp mellan den initierande bomben och huvudladdningen) och har blivit kanonisk. Och i världen finns det inte längre sådana storskaliga naturmysterier som skulle kunna lösas genom ett så spektakulärt experiment. Är det födelsen av en supernova.

Lite teori

Det finns 4 reaktioner i en termonukleär bomb, och de går mycket snabbt. De två första reaktionerna tjänar som materialkälla för den tredje och fjärde, som vid temperaturer av en termonukleär explosion går 30-100 gånger snabbare och ger ett större energiutbyte. Därför förbrukas det resulterande helium-3 och tritium omedelbart.

Atomernas kärnor är positivt laddade och stöter därför bort varandra. För att de ska kunna reagera måste de tryckas rakt mot varandra och övervinna den elektriska avstötningen. Detta är endast möjligt om de rör sig i hög hastighet. Atomernas hastighet är direkt relaterad till temperaturen, som bör nå 50 miljoner grader! Men det räcker inte att värma deuterium till en sådan temperatur; I naturen finns sådana temperaturer med en sådan täthet endast i kärnan av stjärnor.

En mystisk enhet som kan släppa ut gigajoule energi under en obeskrivligt kort tidsperiod är omgiven av olycksbådande romantik. Onödigt att säga att över hela världen var arbetet med kärnvapen djupt hemligt, och själva bomben var övervuxen med en mängd legender och myter. Låt oss försöka hantera dem i ordning.

Andrey Suvorov


Ingenting genererar så mycket intresse som atombomben



augusti 1945. Ernest Orlando Lawrence vid atombombslaboratoriet



1954 Åtta år efter explosionen utanför Bikini-atollen upptäckte japanska forskare hög nivå strålning från fisk som fångats i lokala vatten


Kritisk massa

Alla har hört att det finns en viss kritisk massa som måste vinnas för att starta en kärnkedjereaktion. Det är bara för att en riktig kärnvapenexplosion ska inträffa, det räcker inte med en kritisk massa – reaktionen kommer att stoppa nästan omedelbart, innan märkbar energi hinner frigöras. För en fullskalig explosion på flera kiloton eller tiotals kiloton är det nödvändigt att samtidigt samla två eller tre, och helst fyra eller fem kritiska massor.

Det förefaller uppenbart att två eller flera delar bör vara tillverkade av uran eller plutonium och kopplas ihop vid önskat tillfälle. I rättvisans namn måste det sägas att fysiker också tänkte på samma sätt när de åtog sig designen av en atombomb. Men verkligheten har gjort sina egna justeringar.

Saken är den att om vi hade mycket rent uran-235 eller plutonium-239 så skulle vi kunna göra det, men forskare var tvungna att ta itu med riktiga metaller. Genom att anrika naturligt uran kan du göra en blandning som innehåller 90% uran-235 och 10% uran-238, försök att bli av med resten av uran-238 leder till en mycket snabb ökning av kostnaderna för detta material (det kallas starkt anrikat uran). Plutonium-239, som erhålls i en kärnreaktor från uran-238 under klyvningen av uran-235, innehåller nödvändigtvis en blandning av plutonium-240.

Isotoperna uranium235 och plutonium239 kallas jämna udda eftersom deras kärnor innehåller ett jämnt antal protoner (92 för uran och 94 för plutonium) och ett udda antal neutroner (143 respektive 145). Alla jämna udda kärnor av tunga grundämnen har en gemensam egenskap: de klyvs sällan spontant (forskare säger: "spontant"), men de klyvs lätt när de träffas av en neutronkärna.

Uran-238 och plutonium-240 är jämna. Tvärtom klyver de praktiskt taget inte med neutroner med låg och måttlig energi som flyger ut ur klyvbara kärnor, men å andra sidan klyver de spontant hundratals eller tiotusentals gånger oftare och bildar en neutronbakgrund. Denna bakgrund gör det mycket svårt att skapa kärnvapen, eftersom det gör att reaktionen startar i förtid, innan de två delarna av laddningen möts. På grund av detta, i en anordning förberedd för en explosion, måste delar av den kritiska massan placeras tillräckligt långt från varandra och kopplas ihop med hög hastighet.

kanonbomb

Bomben som släpptes över Hiroshima den 6 augusti 1945 gjordes dock exakt enligt ovanstående schema. Dess två delar, målet och kulan, var gjorda av höganrikat uran. Målet var en cylinder 16 cm i diameter och även 16 cm hög. I dess centrum fanns ett hål 10 cm i diameter. En kula gjordes i enlighet med detta hål. Totalt innehöll bomben 64 kg uran.

Målet var omgivet av ett skal, vars inre skikt var gjord av volframkarbid, det yttre skiktet var gjord av stål. Syftet med granaten var dubbelt: att hålla kulan när den träffade målet, och att reflektera åtminstone en del av neutronerna som emitterades från uranet tillbaka. Med hänsyn till neutronreflektorn var 64 kg 2,3 kritiska massor. Hur kom det sig, eftersom var och en av bitarna var underkritiska? Faktum är att genom att ta bort den mellersta delen av cylindern minskar vi dess genomsnittliga densitet och värdet på den kritiska massan ökar. Således kan massan av denna del överstiga den kritiska massan för ett fast metallstycke. Men det är omöjligt att öka kulans massa på detta sätt, eftersom den måste vara solid.

Både målet och kulan var sammansatta av bitar: ett mål från flera ringar av låg höjd och en kula från sex puckar. Anledningen är enkel - uranämnen måste vara små i storlek, för under tillverkningen (gjutning, pressning) av ämnet bör den totala mängden uran inte närma sig den kritiska massan. Kulan var innesluten i en tunnväggig mantel av rostfritt stål, med en tungstenkarbidhatt som målmanteln.

För att rikta kulan till mitten av målet bestämde vi oss för att använda pipan på en konventionell luftvärnskanon av 76,2 mm kaliber. Det är därför denna typ av bomb ibland kallas en kanonbomb. Pipan var borrad från insidan upp till 100 mm så att en sådan ovanlig projektil kom in i den. Pipans längd var 180 cm. Det vanliga rökfria pulvret laddades i dess laddningskammare, som avfyrade en kula med en hastighet av cirka 300 m/s. Och den andra änden av pipan pressades in i ett hål i målskalet.

Denna design hade många brister.

Det var monstruöst farligt: ​​när krutet väl hade laddats in i laddningskammaren, skulle varje olycka som kunde antända den få bomben att explodera med full kraft. På grund av detta laddades pyroxylin redan i luften när planet flög upp till målet.

Vid en flygolycka kan urandelar kopplas ihop utan krut, helt enkelt från ett kraftigt slag mot marken. För att undvika detta var kulans diameter en bråkdel av en millimeter större än diametern på hålet i pipan.

Om bomben skulle falla i vatten, så kan reaktionen, på grund av måttligheten av neutroner i vattnet, starta även utan att delarna förenas. Visserligen är en kärnvapenexplosion osannolik i det här fallet, men en termisk explosion skulle inträffa, med uran sprutat över ett stort område och radioaktiv förorening.

Längden på en bomb av denna design översteg två meter, och detta är praktiskt taget oöverstigligt. När allt kommer omkring nåddes ett kritiskt tillstånd, och reaktionen började när det fortfarande var en dryg halv meter innan kulan stannade!

Slutligen var denna bomb väldigt slösaktig: mindre än 1 % av uranet hann reagera i den!

Fördelen med kanonbomben var exakt en: den kunde inte misslyckas med att fungera. Hon skulle inte ens testas! Men amerikanerna var tvungna att testa plutoniumbomben: dess design var för ny och komplicerad.

plutonium fotboll

När det visade sig att även en liten (mindre än 1%!) inblandning av plutonium-240 gjorde det omöjligt att sätta ihop en plutoniumbomb med kanon, tvingades fysikerna leta efter andra sätt att få kritisk massa. Och nyckeln till plutoniumsprängämnen hittades av mannen som senare blev den mest kända "kärnspionen" - den brittiske fysikern Klaus Fuchs.

Hans idé, senare kallad "implosion", var att bilda en konvergerande sfärisk stötvåg från en divergerande, med hjälp av de så kallade explosiva linserna. Denna chockvåg var tänkt att komprimera en bit plutonium så att dess densitet fördubblades.

Om en minskning av densiteten orsakar en ökning av den kritiska massan, bör en ökning av densiteten minska den! För plutonium gäller detta särskilt. Plutonium är ett mycket specifikt material. När en bit plutonium kyls från sin smälttemperatur till rumstemperatur genomgår den fyra fasövergångar. Vid den senare (cirka 122 grader) ökar dess densitet abrupt med 10%. I det här fallet kommer varje gjutning oundvikligen att spricka. För att undvika detta legeras plutonium med någon trevärd metall, då blir det lösa tillståndet stabilt. Aluminium kan användas, men 1945 fruktade man att alfapartiklar som släpptes ut från plutoniumkärnor under deras sönderfall skulle slå ut fria neutroner från aluminiumkärnor, vilket ökade den redan märkbara neutronbakgrunden, så gallium användes i den första atombomben.

Av en legering innehållande 98 % plutonium-239, 0,9 % plutonium-240 och 0,8 % gallium tillverkades en kula med en diameter på endast 9 cm och en vikt på ca 6,5 ​​kg. I mitten av kulan fanns ett hålrum med en diameter av 2 cm, och det bestod av tre delar: två halvor och en cylinder med en diameter av 2 cm. Denna cylinder fungerade som en plugg genom vilken en initiator kunde föras in i kulan. den inre kaviteten - en källa till neutroner som fungerade när bomben exploderade. Alla tre delarna var tvungna att nickelpläteras, eftersom plutonium oxideras mycket aktivt av luft och vatten och är extremt farligt om det kommer in i människokroppen.

Bollen var omgiven av en naturlig uran-238 neutronreflektor 7 cm tjock och 120 kg i vikt. Uran är en bra reflektor för snabba neutroner, och det sammansatta systemet var bara lite underkritiskt, så en kadmiumplugg sattes in istället för plutonium, som absorberade neutroner. Reflektorn tjänade också till att hålla alla detaljer i den kritiska sammansättningen under reaktionen, annars skulle det mesta av plutonium flyga isär och inte hinna delta i kärnreaktionen.

Därefter kom ett 11,5 cm lager av aluminiumlegering som vägde 120 kg. Syftet med skiktet är detsamma som beläggningen på objektivens linser: att se till att sprängvågen penetrerar uran-plutonium-enheten och inte reflekteras från den. Denna reflektion beror på den stora densitetsskillnaden mellan sprängämnen och uran (cirka 1:10). I en stötvåg följs dessutom en kompressionsvåg av en sällsynthetsvåg, den så kallade Taylor-effekten. Aluminiumskiktet försvagade sällsynthetsvågen, vilket minskade sprängämnets effekt. Aluminium måste dopas med bor, som absorberade neutroner som emitterades från kärnorna i aluminiumatomer under påverkan av alfapartiklar som härrörde från sönderfallet av uran-238.

Äntligen var de där "explosiva linserna" utanför. Det fanns 32 av dem (20 sexsidiga och 12 femsidiga), de bildade en struktur som liknar en fotboll. Varje lins bestod av tre delar, med den mittersta gjord av ett speciellt "långsamt" sprängämne, och det yttre och inre - från det "snabba". Den yttre delen var sfärisk på utsidan, men inuti hade den en konisk hålighet, som på en formad laddning, bara dess syfte var annorlunda. Denna kon var fylld med långsamma sprängämnen, och den explosiva vågen bröts vid gränsytan som en vanlig ljusvåg. Men likheten här är mycket villkorad. Faktum är att formen på denna kon är en av kärnvapenbombens verkliga hemligheter.

I mitten av 1940-talet fanns det inga datorer i världen som kunde beräkna formen på sådana linser, och viktigast av allt, det fanns inte ens en lämplig teori. Därför gjordes de uteslutande genom försök och misstag. Mer än tusen explosioner var tvungna att utföras - och inte bara utföras, utan fotograferade med speciella höghastighetskameror, som registrerade explosionsvågens parametrar. När en mindre version arbetades fram visade det sig att sprängämnena inte skalade så lätt, och det var nödvändigt att kraftigt korrigera de gamla resultaten.

Formens noggrannhet måste iakttas med ett fel på mindre än en millimeter, och sprängämnenas sammansättning och enhetlighet måste upprätthållas med största försiktighet. Delar kunde endast tillverkas genom gjutning, så alla sprängämnen var inte lämpliga. Snabba sprängämnen var en blandning av hexogen och TNT, med dubbelt så mycket hexogen. Långsam - samma TNT, men med tillsats av inert bariumnitrat. Hastigheten på detonationsvågen i det första sprängämnet är 7,9 km/s och i den andra - 4,9 km/s.

Detonatorerna var monterade i mitten av den yttre ytan av varje lins. Alla 32 detonatorer var tvungna att arbeta samtidigt med oöverträffad noggrannhet - mindre än 10 nanosekunder, det vill säga miljarddels sekund! Således bör stötvågsfronten inte förvrängas med mer än 0,1 mm. Med samma noggrannhet var det nödvändigt att kombinera linsernas matchande ytor, och ändå var felet i deras tillverkning tio gånger större! Jag var tvungen att mixtra och spendera mycket toalettpapper och tejp för att kompensera för felaktigheter. Men systemet har blivit lite som en teoretisk modell.

Jag var tvungen att uppfinna nya sprängkapslar: de gamla gav inte ordentlig synkronisering. De gjordes på basis av ledningar som exploderade under en kraftig impuls av en elektrisk ström. För deras drift behövdes ett batteri med 32 högspänningskondensatorer och samma antal höghastighetsurladdare - en för varje detonator. Hela systemet, tillsammans med batterier och kondensatorladdare, vägde nästan 200 kg i den första bomben. Jämfört med sprängämnets vikt, som tog 2,5 ton, var det dock inte mycket.

Slutligen var hela strukturen innesluten i en sfärisk kropp av duraluminium, bestående av ett brett bälte och två lock - övre och nedre, alla dessa delar monterades på bultar. Bombens design gjorde det möjligt att montera den utan en plutoniumkärna. För att sätta plutoniumet på plats, tillsammans med en bit uranreflektor, skruvades det övre locket av höljet bort och en explosiv lins togs bort.

Kriget med Japan närmade sig sitt slut och amerikanerna hade bråttom. Men implosionsbomben var tvungen att testas. Denna operation fick kodnamnet "Trinity" ("Trinity"). Ja, atombomben var tänkt att visa den kraft som tidigare endast var tillgänglig för gudarna.

lysande framgång

Platsen för testet valdes i delstaten New Mexico, på en plats med det pittoreska namnet Jornadadel Muerto (Dödens väg) - territoriet var en del av Alamagordo-artilleriet. Bomben började monteras den 11 juli 1945. Den 14 juli lyftes hon till toppen av ett specialbyggt 30 m högt torn, ledningar kopplades till sprängkapslarna och slutskedet av förberedelserna gällde bl.a. stor mängd mätinstrument. Den 16 juli 1945, klockan halv sex på morgonen, sprängdes apparaten.

Temperaturen i mitten av explosionen når flera miljoner grader, så blixten från en kärnvapenexplosion är mycket ljusare än solen. Eldklotet varar i några sekunder, börjar sedan stiga, mörkna, från vitt till orange, sedan crimson, och den nu berömda kärnsvampen bildas. Det första svampmolnet steg till en höjd av 11 km.

Explosionens energi var mer än 20 kt TNT. Det mesta av mätutrustningen förstördes, eftersom fysiker räknade med 510 ton och satte utrustningen för nära. I övrigt var det en succé, en strålande succé!

Men amerikanerna ställdes inför en oväntad radioaktiv kontaminering av området. Plymen av radioaktivt nedfall sträckte sig 160 km mot nordost. En del av befolkningen var tvungen att evakueras från den lilla staden Bingham, men minst fem lokala invånare fick doser upp till 5760 roentgens.

Det visade sig att för att undvika kontaminering måste bomben exploderas på tillräckligt hög höjd, minst en och en halv kilometer, sedan sprids de radioaktiva sönderfallsprodukterna över ett område på hundratusentals eller till och med miljoner kvadratkilometer och löses upp i den globala strålningsbakgrunden.

En andra bomb av denna design släpptes på Nagasaki den 9 augusti, 24 dagar efter detta test och tre dagar efter bombningen av Hiroshima. Sedan dess har praktiskt taget alla kärnvapen använt implosionsteknik. Den första sovjetiska bomben RDS-1, testad den 29 augusti 1949, tillverkades enligt samma schema.

För att utföra en klyvningskedjereaktion är det nödvändigt att skapa ett avelsmedium bestående av rent klyvbart material eller klyvbart material och en moderator, vars sammansättning säkerställer utvecklingen av reaktionen. Det bör noteras att strukturella material oundvikligen kommer att finnas i denna miljö. Men valet av ett avelsmedium med de nödvändiga parametrarna ger ännu inte alla förutsättningar för en kedjereaktion. Med en liten storlek och följaktligen massan av avelsmediet kommer de flesta neutroner som uppstår i det att flyga ut utan att hinna orsaka klyvning, och en självuppehållande kedjereaktion (SCR) kommer inte att inträffa. Läckage av neutroner från en volym med ett avelsmedium leder till samma resultat som deras absorption utan fission.

När storleken på avelsmediet ökar, ökar den genomsnittliga längden av neutronbanan i det, och följaktligen antalet kollisioner med kärnor, följt av fission och uppkomsten av nya neutroner. För att beskriva reaktorns beteende i tid , vi använde multiplikationsfaktor k eff - förhållandet mellan antalet neutroner i nästa generation och antalet neutroner i den föregående. I denna tolkning, med en ökning av mediets storlek, växer k eff från noll vid noll fissionssannolikhet till värden större än enhet, med en lavinliknande ökning av antalet neutroner i en serie av generationer.

Med k eff lika med ett förändras inte intensiteten i fissionsprocessen med tiden - processen är självförsörjande, och ett sådant system kallas kritisk . Vid k eff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют subkritisk . När k eff > 1, systemet superkritisk.

Den minsta massan av klyvbart material som krävs för att utföra en självuppehållande fissionsreaktion kallas kritisk massa . Om massan överstiger den kritiska, kommer fler neutroner att födas i varje nästa generation än i den föregående, och kedjereaktionen kommer att utvecklas. Värdet på den kritiska massan beror på egenskaperna hos den klyvbara nukliden (235U eller 239Pu), odlingsmediets sammansättning och dess miljö. Den kritiska massan kan variera från några hundra gram i experimentella enheter till tiotals kilogram i kärnstridsspetsar och flera ton i stora kraftreaktorer. Tänk på en kärnreaktor med naturligt uran. En självuppehållande kedjereaktion kan uppstå i den om antalet sekundära neutroner som produceras av fission och som kan orsaka ytterligare fission är tillräckligt för att hålla klyvningshastigheten i reaktorn på en konstant nivå.