Дамоклов меч: атомная бомба

Дамоклов меч: атомная бомба

    При попадании нейтронов ядро урана-235 легко делится, образуя новые нейтроны. При определенных условиях начинается цепная реакция
    Забытое старое Взрывные линзы создавали сходящуюся волну. Надежность обеспечивалась парой детонаторов в каждом блоке
    Плутониевая сборка (шаровой слой в центре) была окружена корпусом из урана-238, а после этого слоем алюминия
    В первых ядерных зарядах в качестве источника нейтронов употреблялись бериллий и полоний (в центре)
    Слой алюминия употреблялся чтобы уменьшить волну разрежения по окончании детонации взрывчатки
    Из жизни огненного шара На картинках продемонстрированы первые мгновения судьбы огненного шара ядерного заряда — радиационная диффузия (а), расширение тёплой плазмы и образование «опухолей» (б) и возрастание мощности излучения в видимом диапазоне при отрыве ударной волны (в)

Взрывной темперамент

Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой по большей части смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране только 0,7%. Химические особенности изотопов полностью аналогичны, потому и поделить их химическими способами нереально, но различие в весах (235 и 238 единиц) разрешает сделать это физическими способами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а после этого прокачивают через бесчисленные пористые перегородки.

Не смотря на то, что изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в особенностях ядерных характеров.

Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон обязан принести с собой энергию — 1 МэВ либо более. А U235 благороден: для последующего распада и возбуждения от пришедшего нейтрона ничего не нужно, достаточно его энергии связи в ядре.

При попадании нейтрона в талантливое к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но весьма скоро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция именуется цепной). Вероятно такое лишь в U235, по причине того, что жадный U238 не хочет делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых в десять раз меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на большое количество порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не изменяется.

Критическая сборка

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская разные излучения (а также нейтроны). Нейтроны, каковые испускаются через большое время (до десятков секунд) по окончании деления, именуют запаздывающими, и не смотря на то, что часть их если сравнивать с мгновенными мелка (менее 1%), роль, которую они играются в работе ядерных установок, — наиболее значимая.

Продукты деления при бессчётных столкновениях с окружающими атомами отдают им собственную энергию, повышая температуру. По окончании того как в сборке с делящимся веществом показались нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать либо убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени неизменно, именуют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при громадном, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей либо меньшей мощности тепловыделения).

Тепловую мощность увеличивают, или подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, или делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более бессчётные поколения делящихся ядер). К примеру, в случае если нужно повысить тепловую мощность реактора, его выводят на таковой режим, в то время, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее бессчётно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор чуть заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медлительно — так, что прирост ее возможно в необходимый момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, которые содержат кадмий либо бор).

Образующиеся при делении нейтроны довольно часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и ни при каких обстоятельствах не возвратиться обратно. Исходя из этого формой сборки, сберегающей громаднейшее количество нейтронов, есть шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность.

Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей в делается критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. В случае если же сборка из для того чтобы же урана является цилиндром с длиной, равной диаметру, она делается критичной при массе в 52 кг. Поверхность значительно уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние.

Этот процесс и лежит в базе распространенной конструкции ядерного заряда.

Шаровая сборка

Но значительно чаще в ядерном оружии используют не уран, а плутоний-239. Его приобретают в реакторах, облучая уран-238 замечательными нейтронными потоками. Плутоний стоит приблизительно в шесть раз дороже U235, но при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же возможность деления плутония выше.

Все это ведет к тому, что уединенный шар Pu239 делается критичным при практически в три раза меньшей массе, чем шар из урана, а основное — при меньшем радиусе, что разрешает уменьшить габариты критической сборки.

Сборка выполняется из двух шепетильно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой в); она заведомо подкритична — кроме того для тепловых нейтронов а также по окончании окружения ее замедлителем. Около сборки из весьма совершенно верно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Дабы сберечь нейтроны, нужно и при взрыве сохранить добропорядочную форму шара — для этого слой взрывчатого вещества нужно подорвать в один момент по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно.

Обширно распространено вывод, что для этого необходимо большое количество электродетонаторов. Но так было лишь на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось большое количество энергии и большие размеры совокупности инициирования.

В современных зарядах используется пара отобранных по особой методике, родных по чертям детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением способов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно восьмь километров/с пробежит по канавкам полностью равные расстояния, в одинаковый момент времени достигнет отверстий и подорвет главной заряд — в один момент во всех требуемых точках.

Взрыв вовнутрь

Направленный вовнутрь взрыв сдавливает сборку давлением свыше миллиона воздухов. Поверхность сборки значительно уменьшается, в плутонии практически исчезает внутренняя полость, плотность возрастает, причем весьма скоро — за дюжина микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и делается значительно сверхкритичной на нейтронах стремительных.

Через период, определяемый ничтожным временем малого замедления стремительных нейтронов, любой из нового, более бессчётного их поколения додаёт создаваемым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое ужасным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность кроме того самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не позволяет разлететься сборке, — инерция: дабы увеличить плутониевый шар за дюжина наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.

В итоге вещество все же разлетается, заканчивается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия — порядка десятков а также сотен МэВ, но лишь электрически нейтральные гамма-кванты громадных энергий и нейтроны имеют шансы избежать сотрудничества с веществом и «ускользнуть».

Заряженные же частицы скоро теряют энергию в актах ионизаций и столкновений. Наряду с этим испускается излучение — действительно, уже не твёрдое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, дабы выбить у атомов электроны — не только с внешних оболочек, но и по большому счету все.

Мешанина из обнажённых ядер, ободранных с них излучения и электронов с плотностью в граммы на кубический сантиметр (постарайтесь представить, как прекрасно возможно загореть под светом, купившим плотность алюминия!) — все то, что мгновение назад было зарядом, — приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.

Огненный шар

Казалось бы, кроме того и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно покинуть на большом растоянии сзади вещество, которое его породило, но это не верно: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий образовывает сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление перемещения, переизлучаясь при каждом сотрудничестве. Кванты ионизируют воздушное пространство, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление именуют радиационной диффузией.

Юный огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через пара десятков наносекунд по окончании завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру практически 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус образовывает 18 м, действительно, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздушное пространство за его фронтом практически не двигается: передать ему большой импульс при диффузии излучение не имеет возможности.

Но оно накачивает в данный воздушное пространство огромную энергию, нагревая его, и, в то время, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения тёплой плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается.

В отличие от пузыря, ее, само собой разумеется, нет ничего, что надувает: с внутренней стороны практически не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд по окончании взрыва скорость этого полета — более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе — более 150 000 атм! Стать чересчур уж узкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «опухоли».

Какой из механизмов энергопередачи огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она громадна — главную роль играется радиационная диффузия, в случае если мелка — расширение плазменного пузыря. Ясно, что вероятен и промежуточный случай, в то время, когда действенны оба механизма.

Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, дабы ободрать все электроны с атомов, уже не достаточно. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного Начинается образование ударной волны.

атомный гриб и Ударная волна

При отрыве ударной волны от огненного шара изменяются характеристики излучающего слоя и быстро возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Потом соперничают изменения прозрачности и процессы высвечивания окружающего воздуха, что ведет к реализации и второго максимума, менее замечательного, но намного более долгого — так, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.

Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше — плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления жёстких тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под ужасным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.

Наконец, ударная волна уходит на большом растоянии от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся многократно облако из конденсировавшихся, обратившихся в небольшую и весьма радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в собственный ужасный час выяснилось близко к месту, от которого следовало бы держаться как возможно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя собственный цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся жидкости, за ним тянется пыль с поверхности почвы, образуя «ножку» того, что принято именовать «ядерным грибом».

Нейтронное инициирование

Внимательные читатели смогут с карандашом в руках прикинуть выделение энергии при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?

Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого употреблялись изотопные источники, расположенные в полости в плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и собственными альфа-частицами приводил к нейтронной эмиссии.

Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж весьма скоропортящийся — всего за 138 дней снижает собственную активность в два раза. Исходя из этого на смену изотопам пришли менее страшные (не излучающие в невключенном состоянии), а основное — излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за пара микросекунд (столько продолжается формируемый трубкой импульс) рождаются много миллионов нейтронов. А вот если она не сработает либо сработает не вовремя, случится так называемый хлопок, либо «пшик» — маломощный тепловой взрыв.

Нейтронное инициирование не только увеличивает на большое количество порядков выделение энергии ядерного взрыва, но и позволяет регулировать его! Ясно, что, взяв боевую задачу, при постановке которой в обязательном порядке указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, дабы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В снаряде с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно напряжение питания нейтронной трубки.

Соответственно, изменится выделение энергии и выход нейтронов (очевидно, при понижении мощности таким методом исчезает напрасно большое количество дорогого плутония).

Но о необходимости регулирования выделения энергии стали задумываться большое количество позднее, а в первые послевоенные годы бесед о понижении мощности и быть не имело возможности. Замечательнее, замечательнее и еще раз замечательнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных снарядов, в которых происходит лишь деление.

В итоге от деления как главного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса — синтеза. О них — в следующих номерах «ПМ».

Ядерные заблуждения

Плотность плутония в момент взрыва возрастает за счет фазового перехода

Железный плутоний существует в шести фазах, плотность которых от 14,7 до 19,8 г/см3. При температуре ниже 119 °C существует моноклинная альфа-фаза (19,8 г/см3), но таковой плутоний весьма хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и прекрасно обрабатывается (как раз эту фазу и стараются сохранить посредством легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не имеет возможности — плутоний будет в состоянии квазижидкости.

Фазовые переходы страшны при производстве: при громадных размерах подробностей кроме того при малом трансформации плотности вероятно достижение критического состояния. Само собой разумеется, взрыва не последует — заготовка , но может случиться сброс никелирования (а плутоний весьма токсичен).

Нейтронный источник

    В первых ядерных бомбах употреблялся бериллий-полониевый источник нейтронов. В современных зарядах используются значительно более эргономичные нейтронные трубки
    Детонационная разводка.

Канавки, отфрезерованные в слое поликарбоната, позволяют в один момент инициировать процесс детонации во многих точках посредством одного детонатора

В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) (1) и анодным узлом (2) прикладывается импульсное напряжение в 100 кВ. В то время, когда напряжение максимально, нужно, дабы между катодом и анодом были ионы дейтерия, каковые и требуется ускорить. Для этого помогает ионный источник. На его анод (3) подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики (4), образует ионы дейтерия.

Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в следствии чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются ядра и нейтроны гелия-4.

По составу частиц а также по энергетическому выходу эта реакция аналогична синтезу — процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие думали, что это и имеется синтез, но позднее стало известно, что в трубке происходит «срыв»: или протон, или нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). В случае если увязает протон, нейтрон отрывается и делается свободным.

Нейтроны — медленные и стремительные

В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть собственной энергии, тем громадную, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, а после этого, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом — термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов — 2200 м/с (энергия 0,025 эВ).

Нейтроны смогут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их свойство вступать в ядерные реакции значительно возрастает, исходя из этого нейтроны, каковые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.

Так, в случае если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель либо будут поглощены в нем, но будут и такие, каковые возвратятся в шар («отразятся») и, утратив собственную энергию, с намного большей возможностью приведут к актам деления. В случае если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то возможно сэкономить 20 кг U235 и все равно достигнуть критического состояния сборки.

Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, перед тем как привести к делению, должно сперва замедлиться. Эта задержка сокращает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, соответственно, выделение энергии затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах.

В предельном случае, в то время, когда критичность достигается лишь на тепловых нейтронах, к примеру в растворе солей урана в хорошем замедлителе — воде, масса сборок образовывает много граммов, но раствор легко иногда вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция заканчивается, а в то время, когда пузырьки покидают жидкость, вспышка делений повторяется (в случае если закупорить сосуд, пар порвёт его — но это будет тепловой взрыв, лишенный всех обычных «ядерных» показателей).

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№75, январь 2009).

<

h4>

Тайны забытых побед. 8. Дамоклов меч.

Статьи, которые будут Вам интересны: