- Вибуховий характер
- критична збірка
- кульова збірка
- вибух всередину
- Вогненна куля
- Ударна хвиля і атомний гриб
- нейтронне ініціювання
- Нейтрони - повільні і швидкі
Наша сеть партнеров Banwar
Про історію ядерного протистояння наддержав і конструкції перших ядерних бомб написано сотні книг. А ось про сучасний ядерну зброю ходить багато міфів. «Популярна механіка» вирішила внести ясність в це питання і розповісти, як працює саме руйнівну зброю, придумане людиною.
Вибуховий характер
Ядро урану містить 92 протона. Природний уран є в основному суміш двох ізотопів: U238 (в ядрі якого 146 нейтронів) і U235 (143 нейтрона), причому останнього в природному урані лише 0,7%. Хімічні властивості ізотопів абсолютно ідентичні, тому і розділити їх хімічними методами неможливо, але відмінність в масах (235 і 238 одиниць) дозволяє зробити це фізичними методами: суміш Ураном переводять в газ (гексафторид урану), а потім прокачують через незліченні пористі перегородки. Хоча ізотопи урану не відрізняються ні за зовнішнім виглядом, ні хімічно, їх розділяє прірва у властивостях ядерних характерів.
Процес поділу U238 - платний: прилітають ззовні нейтрон повинен принести з собою енергію - 1 МеВ або більше. А U235 безкорисливий: для збудження і подальшого розпаду від прийшов нейтрона нічого не потрібно, цілком достатньо його енергії зв'язку в ядрі.
Ланцюгова реакція При попаданні нейтронів ядро урану-235 легко ділиться, утворюючи нові нейтрони. При певних умовах починається ланцюгова реакція.
При попаданні нейтрона в здатне до поділу ядро утворюється нестійкий компаунд, але дуже швидко (через 10-23-10-22 с) таке ядро розвалюється на два осколка, що не рівних за масою і «миттєво» (протягом 10-16-10- 14 с) випускають по два-три нових нейтрона, так що з часом може розмножуватися і число ядер, що діляться (така реакція називається ланцюгової). Можливо таке тільки в U235, тому що жодній U238 не бажає ділитися від своїх власних нейтронів, енергія яких на порядок менше 1 МеВ. Кінетична енергія частинок - продуктів поділу на багато порядків перевищує енергію, що виділяється при будь-якому акті хімічної реакції, в якій склад ядер не змінюється.
Металевий плутоній існує в шести фазах, щільності яких від 14,7 до 19,8 кг / см3. При температурі нижче 119 градусів Цельсія існує моноклінна альфа-фаза (19,8 кг / см3), але такий плутоній дуже крихкий, а в кубічної гранецентрированной дельта-фазі (15,9) він пластичний і добре обробляється (саме цю фазу і намагаються зберегти за допомогою легуючих добавок). При детонаційному обтисненні ніяких фазових переходів бути не може - плутоній знаходиться в стані квазіжідкості. Фазові переходи небезпечні при виробництві: при великих розмірах деталей навіть при незначній зміні щільності можливе досягнення критичного стану. Звичайно, відбудеться це без вибуху - заготівля просто розжариться, але може відбутися скидання нікелювання (а плутоній дуже токсичний).
критична збірка
Продукти поділу нестабільні і ще довго «оговтуються», випускаючи різні випромінювання (в тому числі нейтрони). Нейтрони, які випускаються через значний час (до десятків секунд) після поділу, називають запізнілими, і хоча частка їх у порівнянні з миттєвими мала (менше 1%), роль, яку вони грають в роботі ядерних установок, - найважливіша.
Забуте старе Вибухові лінзи створювали сходящуюся хвилю. Надійність забезпечувалася парою детонаторів в кожному блоці.
Продукти поділу при численних сутичках з оточуючими атомами віддають їм свою енергію, підвищуючи температуру. Після того як в збірці з речовиною, що ділиться з'явилися нейтрони, потужність тепловиділення може зростати або спадати, а параметри збірки, в якій число ділень в одиницю часу постійно, називають критичними. Критичність збірки може підтримуватися і при великому, і при малому числі нейтронів (при відповідно більшою або меншою потужності тепловиділення). Теплову потужність збільшують, або підкачуючи в критичну збірку додаткові нейтрони ззовні, або роблячи збірку сверхкрітічно (тоді додаткові нейтрони поставляють все більш численні покоління діляться ядер). Наприклад, якщо треба підвищити теплову потужність реактора, його виводять на такий режим, коли кожне покоління миттєвих нейтронів трохи менше численне, ніж попереднє, але завдяки запізнілих нейтронів реактор ледь помітно переходить критичний стан. Тоді він не йде в розгін, а набирає потужність повільно - так, що приріст її можна в потрібний момент зупинити, ввівши поглиначі нейтронів (стрижні, що містять кадмій або бор).
Плутонієва збірка (кульової шар в центрі) була оточена корпусом з урану-238, а потім шаром алюмінію.
Утворені при розподілі нейтрони часто пролітають повз оточуючих ядер, не викликаючи повторного поділу. Чим ближче до поверхні матеріалу народжений нейтрон, тим більше у нього шансів вилетіти з подільного матеріалу і ніколи не повернутися назад. Тому формою збірки, сберегающей найбільшу кількість нейтронів, є куля: для даної маси речовини він має мінімальну поверхню. Нічим не оточений (відокремлений) куля з 94% U235 без порожнин всередині стає критичним при масі в 49 кг і радіусі 85 мм. Якщо ж збірка з такого ж урану є циліндр з довжиною, що дорівнює діаметру, вона стає критичною при масі в 52 кг. Поверхня зменшується і при зростанні щільності. Тому-то вибуховий стиснення, не змінюючи кількості ділиться матеріалу, може призводити збірку в критичний стан. Саме цей процес і відповідає поширеним конструкції ядерного заряду.
У перших ядерних зарядах як джерело нейтронів використовувалися полоній і берилій (в центрі).
кульова збірка
Але найчастіше в ядерній зброї застосовують не уран, а плутоній-239. Його отримують в реакторах, опромінюючи уран-238 потужними нейтронними потоками. Плутоній коштує приблизно в шість разів дорожче U235, але зате при розподілі ядро Pu239 випускає в середньому 2,895 нейтрона - більше, ніж U235 (2,452). До того ж вірогідність поділу плутонію вище. Все це призводить до того, що відокремлений куля Pu239 стає критичним при майже втричі меншою масою, ніж куля з урану, а головне - при меншому радіусі, що дозволяє зменшити габарити критичної збірки.
Шар алюмінію використовувався для того, щоб зменшити хвилю розрідження після детонації вибухівки.
Збірка виконується з двох ретельно підігнаних половинок в формі кульового шару (полою усередині); вона свідомо підкритичними - навіть для теплових нейтронів і навіть після оточення її сповільнювачем. Навколо збірки з дуже точно пригнаних блоків вибухівки монтують заряд. Щоб зберегти нейтрони, треба і при вибуху зберегти благородну форму кулі - для цього шар вибухової речовини необхідно підірвати одночасно по всій його зовнішній поверхні, обжавши збірку рівномірно. Широко поширена думка, що для цього потрібно багато електродетонаторів. Але так було тільки на зорі «бомбостроенія»: для спрацьовування багатьох десятків детонаторів потрібно багато енергії і чималі розміри системи ініціювання. В сучасних зарядах застосовується кілька відібраних за спеціальною методикою, близьких за характеристиками детонаторів, від яких спрацьовує високостабільного (по швидкості детонації) вибухівка в відфрезерованих в шарі полікарбонату канавках (форма яких на сферичної поверхні розраховується із застосуванням методів геометрії Рімана). Детонація зі швидкістю приблизно 8 км / с пробіжить по канавках абсолютно рівні відстані, в один і той же момент часу досягне отворів і підірве основний заряд - одночасно у всіх необхідних точках.
З життя вогненної кулі На малюнках показані перші миті життя вогненної кулі ядерного заряду - радіаційна дифузія (а), розширення гарячої плазми і утворення «пухирів» (б) і зростання потужності випромінювання у видимому діапазоні при відриві ударної хвилі (в).
вибух всередину
Спрямований всередину вибух здавлює збірку тиском понад мільйон атмосфер. Поверхня збірки зменшується, в плутоній майже зникає внутрішня порожнину, щільність збільшується, причому дуже швидко - за десяток мікросекунд стислива збірка проскакує критичний стан на теплових нейтронах і стає істотно сверхкрітічно на нейтронах швидких.
Через період, який визначається незначним часом незначного уповільнення швидких нейтронів, кожен з нового, більш численного їх покоління додає виробленим їм розподілом енергію в 202 МеВ в і без того розпирає жахливим тиском речовина збірки. У масштабах явищ, що відбуваються міцність навіть найкращих легованих сталей настільки мізерна, що нікому і в голову не приходить враховувати її при розрахунках динаміки вибуху. Єдине, що не дає розлетітися збірці, - інерція: щоб розширити плутонієвий куля за десяток наносекунд всього на 1 см, потрібно надати речовині прискорення, в десятки трильйонів разів перевищує прискорення вільного падіння, а це непросто.
Зрештою речовина все ж розлітається, припиняється поділ, але процес на цьому не завершується: енергія перерозподіляється між іонізованних осколками розділилися ядер і іншими випущених при розподілі частинками. Їх енергія - порядку десятків і навіть сотень МеВ, але тільки електрично нейтральні гамма-кванти високих енергій і нейтрони мають шанси уникнути взаємодії з речовиною і «вислизнути». Заряджені ж частинки швидко втрачають енергію в актах зіткнень і іонізації. При цьому випускається випромінювання - правда, вже не жорстке ядерне, а більш м'яке, з енергією на три порядки меншою, але все ж більш ніж достатньою, щоб вибити у атомів електрони - не тільки з зовнішніх оболонок, але і взагалі все. Мішанина з голих ядер, обдертих з них електронів і випромінювання з щільністю в грами на кубічний сантиметр (спробуйте уявити, як добре можна засмагнути під світлом, що придбав щільність алюмінію!) - все те, що мить тому було зарядом, - приходить в якусь подобу рівноваги . У зовсім молодому вогняну кулю встановлюється температура порядку десятків мільйонів градусів.
Вогненна куля
Здавалося б, навіть і м'яке, але рухається зі швидкістю світла випромінювання має залишити далеко позаду речовина, яке його породило, але це не так: в холодному повітрі пробіг квантів кевних енергій становить сантиметри, і рухаються вони не по прямій, а змінюючи напрямок руху, переізлучаясь при кожній взаємодії. Кванти іонізують повітря, поширюються в ньому, подібно вишневому соку, вилиті в стакан з водою. Це явище називають радіаційної дифузією.
Молодий вогненна куля вибуху потужністю в 100 кт через кілька десятків наносекунд після завершення спалаху поділів має радіус 3 м і температуру майже 8 млн кельвінів. Але вже через 30 мікросекунд його радіус становить 18 м, правда, температура спускається нижче мільйона градусів. Куля пожирає простір, а іонізований повітря за його фронтом майже не рухається: передати йому значний імпульс при дифузії випромінювання не може. Але воно накачує в цей повітря величезну енергію, нагріваючи його, і, коли енергія випромінювання вичерпується, куля починає рости за рахунок розширення гарячої плазми, розпирає зсередини тим, що раніше було зарядом. Зростаючи, подібно виникнення бульбашок, плазмова оболонка стоншується. На відміну від міхура, її, звичайно, ніщо не надуває: з внутрішньої сторони майже не залишається речовини, все воно летить від центру по інерції, але через 30 мікросекунд після вибуху швидкість цього польоту - понад 100 км / с, а гідродинамічний тиск в речовині - більше 150 000 атм! Стати надто вже тонкій оболонці не судилося, вона лопається, утворюючи «пухирі».
Нейтронне джерело У вакуумній нейтронної трубці між насиченою тритієм мішенню (катодом) 1 і анодним вузлом 2 прикладається імпульсна напруга в сотню кіловольт. Коли напруга максимально, необхідно, щоб між анодом і катодом виявилися іони дейтерію, які і потрібно прискорити. Для цього служить іонний джерело. На його анод 3 подається підпалює імпульс, і розряд, проходячи по поверхні насиченою дейтерієм кераміки 4, утворює іони дейтерію. Прискорившись, вони бомбардують мішень, насичену тритієм, в результаті чого виділяється енергія 17,6 МеВ і утворюються нейтрони і ядра гелію-4. По складу частинок і навіть з енергетичного виходу ця реакція ідентична синтезу - процесу злиття легких ядер. У 1950-х багато хто так і вважали, але пізніше з'ясувалося, що в трубці відбувається «зрив»: або протон, або нейтрон (з яких складається іон дейтерію, розігнаний електричним полем) «грузне» в ядрі мішені (тритію). Якщо грузне протон, то нейтрон відривається і стає вільним.
Який з механізмів передачі енергії вогненної кулі навколишньому середовищу превалює, залежить від потужності вибуху: якщо вона велика - основну роль відіграє радіаційна дифузія, якщо мала - розширення плазмового міхура. Зрозуміло, що можливий і проміжний випадок, коли ефективні обидва механізму.
Процес захоплює нові шари повітря, енергії на те, щоб обдерти все електрони з атомів, вже не вистачає. Вичерпується енергія іонізованого шару і обривків плазмового міхура, вони вже не в силах рухати перед собою величезну масу і помітно сповільнюються. Але те, що до вибуху було повітрям, рухається, відірвавшись від кулі, вбираючи в себе все нові верстви повітря холодного ... Починається утворення ударної хвилі.
Ударна хвиля і атомний гриб
При відриві ударної хвилі від вогняної кулі змінюються характеристики випромінюючого шару і різко зростає потужність випромінювання в оптичній частині спектра (так званий перший максимум). Далі конкурують процеси можна показати і зміни прозорості навколишнього повітря, що призводить до реалізації та другого максимуму, менш потужного, але значно більш тривалого - настільки, що вихід світлової енергії більше, ніж в першому максимумі.
Поблизу вибуху все навколишнє випаровується, подалі - плавиться, а й ще далі, де тепловий потік вже недостатній для плавлення твердих тіл, грунт, скелі, будинки течуть, як рідина, під жахливим, що руйнує все на міцність зв'язку напором газу, розпеченого до нестерпного для очей сяйва.
Нарешті, ударна хвиля йде далеко від точки вибуху, де залишається пухке і ослабле, але розширилося у багато разів хмара з конденсованих, які звернулися в найменшу і дуже радіоактивний пил парів того, що побувало плазмою заряду, і того, що в свій страшний час виявилося близько до місця, від якого слід було б триматися якнайдалі. Хмара починає підніматися вгору. Воно остигає, змінюючи свій колір, «одягає» білу шапку сконденсировавшейся вологи, за ним тягнеться пил з поверхні землі, утворюючи «ніжку» того, що прийнято називати «атомним грибом».
нейтронне ініціювання
Уважні читачі можуть з олівцем в руках прикинути енерговиділення при вибуху. При часу перебування збірки в сверхкритическом стані порядку мікросекунд, віком нейтронів порядку пикосекунд і коефіцієнті розмноження менш 2 виділяється близько гігаджоуль енергії, що еквівалентно ... 250 кг тротилу. А де ж кіло і мегатонни?
Нейтрони - повільні і швидкі
У не ділиться речовині, «відскакуючи» від ядер, нейтрони передають їм частину своєї енергії, тим більшу, ніж легше (ближче їм по масі) ядра. Чим в більшій кількості зіткнень взяли участь нейтрони, тим більше вони сповільнюються, і, нарешті, приходять в теплову рівновагу з навколишнім речовиною - термалізуются (це займає мілісекунди). Швидкість теплових нейтронів - 2200 м / с (енергія 0,025 еВ). Нейтрони можуть вислизнути з сповільнювач, захоплюються його ядрами, але з уповільненням їх здатність вступати в ядерні реакції істотно зростає, тому нейтрони, які «не загубилися», з лишком компенсують спад чисельності.
Так, якщо куля ділиться речовини оточити сповільнювачем, багато нейтрони покинуть сповільнювач або будуть поглинені в ньому, але будуть і такі, які повернуться в кулю ( «відіб'ються») і, втративши свою енергію, з набагато більшою ймовірністю викличуть акти поділу. Якщо куля оточити шаром берилію товщиною 25 мм, то, можна заощадити 20 кг U235 і все одно досягти критичного стану збірки. Але за таку економію платять часом: кожне наступне покоління нейтронів, перш ніж викликати поділ, має спочатку сповільнитися. Ця затримка зменшує число поколінь нейтронів, які народжуються в одиницю часу, а значить, енерговиділення затягується. Чим менше речовини, що ділиться в збірці, тим більше потрібно сповільнювач для розвитку ланцюгової реакції, а розподіл йде на все більш низькоенергетичних нейтронах. У граничному випадку, коли критичність досягається тільки на теплових нейтронах, наприклад - в розчині солей урану в хорошому сповільнювачі - воді, маса збірок - сотні грамів, але розчин просто періодично закипає. Виділяються бульбашки пара зменшують середню щільність речовини, що ділиться, ланцюгова реакція припиняється, а, коли бульбашки залишають рідину - спалах поділів повторюється (якщо закупорити судину, пар розірве його - але це буде тепловий вибух, позбавлений всіх типових «ядерних» ознак).
Справа в тому, що ланцюг поділів в збірці починається не з одного нейтрона: в потрібну мікросекунду їх впорскують в надкритичне збірку мільйонами. У перших ядерних зарядах для цього використовувалися ізотопні джерела, розташовані в порожнині всередині плутонієвої збірки: полоній-210 в момент стиснення з'єднувався з берилієм і своїми альфа-частками викликав нейтронну емісію. Але все ізотопні джерела слабенькі (в першому американському виробі генерувалося менше мільйона нейтронів за мікросекунду), а полоній вже дуже швидко псується - всього за 138 діб знижує свою активність вдвічі. Тому на зміну ізотопів прийшли менш небезпечні (не випромінює в невключенном стані), а головне - що випромінюють інтенсивніше нейтронні трубки (див. Врізку): за кілька мікросекунд (стільки триває формується трубкою імпульс) народжуються сотні мільйонів нейтронів. А ось якщо вона не спрацює або спрацює невчасно, відбудеться так званий бавовна, або «пшик» - малопотужний тепловий вибух.
Нейтронне ініціювання не тільки збільшує на багато порядків енерговиділення ядерного вибуху, але і дає можливість регулювати його! Зрозуміло, що, отримавши бойове завдання, при постановці якої обов'язково вказується потужність ядерного удару, ніхто не розбирає заряд, щоб оснастити його плутонієвої складанням, оптимальної для заданої потужності. У боєприпасі з перемикається тротиловим еквівалентом досить просто змінити напруга живлення нейтронної трубки. Відповідно, зміниться вихід нейтронів і виділення енергії (зрозуміло, при зниженні потужності таким способом пропадає дарма багато дорогого плутонію).
Але про необхідність регулювання енерговиділення стали замислюватися набагато пізніше, а в перші повоєнні роки розмов про зниження потужності і бути не могло. Могутніше, могутніше і ще раз потужніше! Але виявилося, що існують ядерно-фізичні та гідродинамічні обмеження допустимих розмірів докритичній сфери. Тротиловий еквівалент вибуху в сотню кілотонн близький до фізичної межі для однофазних боєприпасів, в яких відбувається тільки розподіл. В результаті від ділення як основного джерела енергії відмовилися, ставку зробили на реакції іншого класу - синтезу.
Стаття «Дамоклів меч» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №1, Январь 2009 ).
А де ж кіло і мегатонни?