La următoarea aniversare a badabumului de la Hiroshima și Nagasaki, am decis să cercetez Internetul pentru întrebări cu privire la armele nucleare, unde de ce și cum a fost creat a fost puțin interesant pentru mine (știam deja) - eram mai interesat de modul în care 2 bucăți de plutoniu nu se topesc, ci fac o largă mare.
Fii cu ochii pe ingineri - ei încep cu o semănătoare și se termină cu o bombă atomică.
Marcel Pagnol
Fizica nucleară este una dintre cele mai controversate domenii ale venerabilei științe naturale. În această zonă, omenirea a aruncat timp de o jumătate de secol miliarde de dolari, lire sterline, franci și ruble, ca în cuptorul locomotivei unui tren târziu. Acum trenul pare să nu mai întârzie. Flăcările furioase ale fondurilor arse și ale orelor de muncă s-au stins. Să încercăm să ne dăm seama pe scurt ce fel de tren numit „fizică nucleară” este.
Izotopi și radioactivitate
După cum știți, tot ceea ce există constă din atomi. La rândul lor, atomii constau din cochilii electronice, care trăiesc în conformitate cu legile lor uluitoare și un nucleu. Chimia clasică nu este deloc interesată de nucleu și de viața sa personală. Pentru ea, un atom este electronii săi și capacitatea lor de a schimba interacțiunea. Și din nucleul chimiei, este necesară doar masa sa pentru a calcula proporțiile reactivilor. La rândul său, fizicii nucleare nu îi pasă profund de electroni. Ea este interesată de o mică (100 de mii de ori mai mică decât raza orbitelor de electroni) pâine de praf din interiorul unui atom, în care este concentrată aproape toată masa sa.
Video promotional:
Ce știm despre nucleu? Da, este format din protoni și neutroni încărcați pozitiv fără încărcare electrică. Cu toate acestea, acest lucru nu este pe deplin adevărat. Miezul nu este o mână de bile în două culori, ca într-o ilustrație dintr-un manual școlar. Există cu totul alte legi la locul de muncă, numite interacțiune puternică, care transformă atât protoni cât și neutroni într-un fel de mizerie nedistinguibilă. Cu toate acestea, încărcătura acestui amestec este exact egală cu sarcina totală a protonilor incluși în ea, iar masa - aproape (repet, aproape) coincide cu masa neutronilor și a protonilor care alcătuiesc nucleul.
Apropo, numărul de protoni ai unui atom neionizat coincide întotdeauna cu numărul de electroni care au onoarea de a-l înconjura. Dar cu neutroni nu este atât de simplu. De fapt, sarcina neutronilor este de a stabiliza nucleul, deoarece fără ei, protonii încărcați în mod similar nu s-ar înțelege împreună chiar și în microsecunde.
Să luăm hidrogenul pentru claritate. Cel mai comun hidrogen. Dispozitivul său este simplu de râs - un proton înconjurat de un electron care orbitează. Hidrogenul din Univers în vrac. Putem spune că universul este compus în principal din hidrogen.
Acum să adăugăm cu atenție un neutron la proton. Din punct de vedere al chimiei, este încă hidrogen. Dar din punctul de vedere al fizicii, nu mai este. După ce au descoperit doi hidrogeni diferiți, fizicienii s-au îngrijorat și s-au gândit imediat să numească hidrogen obișnuit protiu și hidrogen cu un neutron cu proton - deuteriu.
Să luăm nervul și să alimentăm nucleul încă un neutron. Acum avem un alt hidrogen, chiar mai greu - tritiul. Din nou, din punctul de vedere al chimiei, practic nu diferă de ceilalți doi hidrogeni (bine, cu excepția faptului că acum intră în reacție puțin mai puțin de bunăvoie). Vreau să te avertizez imediat - niciun efort, amenințări și admonestări nu vor putea adăuga un alt neutron în nucleul tritiului. Legile locale sunt mult mai stricte decât cele umane.
Deci, protiul, deuteriul și tritiul sunt izotopi ai hidrogenului. Masa lor atomică este diferită, dar sarcina lor nu. Dar sarcina nucleară determină amplasarea în tabelul periodic al elementelor. De aceea izotopii au fost numiți izotopi. Tradus din greacă, aceasta înseamnă „a ocupa același loc”. Apropo, bine cunoscuta apă grea este aceeași apă, dar cu doi atomi de deuteriu în loc de protiu. În consecință, apa supraîncărcată conține tritiu în loc de protiu.
Să aruncăm o altă privire asupra hidrogenilor noștri. Deci … Protium este în loc, deuteriu este în loc … Cine mai este acesta? Unde a plecat tritiul meu și de unde a venit heliul-3? În tritiul nostru, unul dintre neutroni l-a ratat în mod clar, a decis să schimbe profesia și a devenit proton. Făcând acest lucru, a dat naștere unui electron și a unui antineutrino. Pierderea tritiului este, desigur, dezamăgitoare, dar acum știm că este instabilă. Hrănirea cu neutroni nu a fost în zadar.
Deci, după cum ați înțeles, izotopii sunt stabili și instabili. Există o mulțime de izotopi stabili în jurul nostru, dar, slavă Domnului, practic nu există instabili. Adică sunt disponibile, dar într-o stare atât de împrăștiată încât trebuie obținute cu prețul multă muncă. De exemplu, uraniul-235, care a provocat atât de multe probleme pentru Oppenheimer, este de doar 0,7% în uraniul natural.
Jumătate de viață
Totul este simplu aici. Timpul de înjumătățire al unui izotop instabil este perioada de timp în care exact jumătate din atomii izotopului se descompun și se transformă în alți atomi. Tritiul deja familiar are un timp de înjumătățire de 12,32 ani. Este un izotop de scurtă durată, deși în comparație cu francium-223, care are un timp de înjumătățire de 22,3 minute, tritiul arată ca un aksakal cu barbă cenușie.
Niciun factor extern macroscopic (presiune, temperatură, umiditate, dispoziția cercetătorului, cantitatea de credite, locația stelelor) nu afectează timpul de înjumătățire. Mecanica cuantică este insensibilă la astfel de prostii.
Mecanica populară a exploziei
Esența oricărei explozii este eliberarea rapidă a energiei care a fost anterior într-o stare nelegată, legată. Energia eliberată este împrăștiată, transformându-se predominant în căldură (energie cinetică a mișcării dezordonate a moleculelor), undă de șoc (și aici mișcare, dar deja ordonată, în direcția din centrul exploziei) și radiații - de la infraroșu moale la cuante cu lungime de undă scurtă.
Cu o explozie chimică, totul este relativ simplu. O reacție benefică din punct de vedere energetic apare atunci când anumite substanțe interacționează între ele. Doar straturile electronice superioare ale unor atomi participă la reacție, iar interacțiunea nu merge mai adânc. Este ușor de ghicit că există mult mai multă energie latentă în orice substanță. Dar, indiferent de condițiile experimentului, indiferent de cât de eficienți am alege reactivii, indiferent de modul în care calibrăm proporțiile, chimia nu ne va lăsa să mergem mai adânc în atom. O explozie chimică este un fenomen primitiv, ineficient și, din punct de vedere al fizicii, obscen de slab.
Reacția în lanț nuclear vă permite să săpați puțin mai adânc, inclusiv în joc nu numai electroni, ci și nuclee. Poate că sună foarte greu doar pentru un fizician, iar pentru restul voi face o simplă analogie. Imaginați-vă o greutate gigantică în jurul căreia particulele de praf electrificate flutură la o distanță de câțiva kilometri. Acesta este un atom, o „greutate” este un nucleu, iar „particulele de praf” sunt electroni. Orice ai face cu aceste boabe de praf, acestea nu vor da nici măcar o sutime din energia care poate fi obținută dintr-o greutate mare. Mai ales dacă, dintr-un anumit motiv, se rupe și resturile masive se împrăștie cu mare viteză în direcții diferite.
O explozie nucleară folosește potențialul de legare al particulelor grele care alcătuiesc nucleul. Dar acest lucru este departe de limită: există mult mai multă energie latentă în materie. Și numele acestei energii este masa. Din nou, pentru un non-fizician, acest lucru sună puțin ciudat, dar masa este energie, doar extrem de concentrată. Fiecare particulă: un electron, un proton, un neutron - toate acestea sunt ciorchini puțini de energie incredibil de densă, care deocamdată este în repaus. Probabil cunoașteți formula E = mc2, pe care o iubesc atât de mult autorii de anecdote, editorii de ziare de perete și designerii de săli de clasă școlare. Exact despre aceasta este vorba și ea este cea care postulează masa ca nimic mai mult decât o formă de energie. Și ea răspunde, de asemenea, la întrebarea despre cât de multă energie se poate obține dintr-o substanță la maxim.
Procesul unei tranziții complete a masei, adică a energiei legate în energie liberă, se numește anihilare. Prin rădăcina latină „nihil” este ușor de ghicit despre esența sa - aceasta este transformarea în „nimic”, sau mai bine zis, în radiații. Pentru claritate, unele numere.
Explozie TNT energie echivalentă (J)
F-1 grenadă 60 grame 2,50 * 105
Bomba a aruncat asupra lui Hiroshima 16 kilotone 6,70 * 1013
Anihilarea unui gram de materie 21,5 kilotone 8,99 * 1013
Un gram din orice materie (doar masa este importantă) în timpul anihilării va da mai multă energie decât o mică bombă nucleară. Comparativ cu o astfel de revenire, exercițiile fizicienilor asupra fisiunii nucleare și cu atât mai mult experimentele chimistilor cu reactivi activi par ridicole.
Pentru anihilare, sunt necesare condiții adecvate, și anume contactul materiei cu antimateria. Și, spre deosebire de „mercurul roșu” sau „piatra filosofală”, antimateria este mai mult decât reală - pentru particulele pe care le cunoaștem, există și au fost studiate antiparticule similare, iar experimentele privind anihilarea perechilor „electron + pozitron” au fost efectuate în mod repetat în practică. Dar, pentru a crea o armă de anihilare, este necesar să se adune un anumit volum de antiparticule și, de asemenea, să se limiteze contactul cu orice materie până la, de fapt, utilizarea militară. Aceasta, pah-pah, este încă o perspectivă îndepărtată.
Defect de masă
Ultima întrebare care rămâne de înțeles în ceea ce privește mecanica unei explozii este de unde provine energia: cea care este eliberată în timpul reacției în lanț? Aici, din nou, nu a fost lipsit de masă. Mai degrabă, fără „defectul” ei.
Până în secolul trecut, oamenii de știință credeau că masa se păstrează în orice condiții și au avut dreptate în felul lor. Așa că am scufundat metalul în acid - replica a crescut și bulele de gaz s-au repezit prin grosimea lichidului. Dar dacă cântăriți reactivii înainte și după reacție, fără a uita gazul eliberat, masa converge. Și va fi întotdeauna așa, în timp ce operăm cu kilograme, metri și reacții chimice.
Dar merită să vă adânciți în zona microparticulelor, deoarece masa prezintă și o surpriză. Se pare că masa unui atom poate să nu fie exact egală cu suma maselor particulelor care îl compun. Când un nucleu greu (de exemplu, uraniu, de exemplu) este împărțit în părți, „fragmentele” în total cântăresc mai puțin decât nucleul înainte de fisiune. „Diferența”, numită și defectul de masă, este responsabilă pentru energiile de legătură din interiorul nucleului. Și această diferență este cea care intră în căldură și radiații în timpul exploziei și totul în conformitate cu aceeași formulă simplă: E = mc2.
Acest lucru este interesant: s-a întâmplat că este avantajos din punct de vedere energetic să împărțiți nucleele grele și să le uniți pe cele ușoare. Primul mecanism funcționează într-o bombă de uraniu sau plutoniu, al doilea într-o bombă cu hidrogen. Și nu puteți face o bombă din fier cu toată dorința: este exact în mijloc în această linie.
Bombă nucleară
Într-o secvență istorică, să ne uităm mai întâi la bombele nucleare și să realizăm micul nostru proiect Manhattan. Nu vă voi plictisi cu metode plictisitoare de separare a izotopilor și calcule matematice ale teoriei reacției în lanț a fisiunii. Tu și cu mine avem uraniu, plutoniu, alte materiale, instrucțiuni de asamblare și partea necesară de curiozitate științifică.
Reacția în lanț de fisiune Am menționat deja că reacția în lanț de fisiune a uraniului a fost efectuată pentru prima dată în decembrie 1942 de Enrico Fermi. Acum, să vorbim despre reacția în lanț nuclear mai detaliat.
Toți izotopii de uraniu sunt instabili într-un grad sau altul. Dar uraniul-235 se află într-o poziție specială. Odată cu dezintegrarea spontană a nucleului de uraniu-235 (numită și dezintegrare alfa), se formează două fragmente (nuclee ale altor elemente mult mai ușoare) și mai mulți neutroni (de obicei 2-3). Dacă neutronul format în timpul decăderii lovește nucleul unui alt atom de uraniu, va exista o coliziune elastică obișnuită, neutronul va sări și va continua să caute aventură. Dar după un timp va irosi energie (în mod ideal coliziuni elastice apar doar cu caii sferici în vid), iar următorul nucleu se va dovedi a fi o capcană - neutronul va fi absorbit de acesta. Apropo, fizicienii numesc astfel de neutroni termici.
Uită-te la lista izotopilor de uraniu cunoscuți. Nu există izotop cu o masă atomică de 236 printre ei. Știți de ce? Un astfel de nucleu trăiește pentru fracțiuni de microsecunde și apoi se descompune odată cu eliberarea unei cantități uriașe de energie. Aceasta se numește decădere forțată. Un izotop cu o astfel de viață este chiar oarecum incomod să numim un izotop.
Energia eliberată în timpul decăderii nucleului de uraniu-235 este energia cinetică a fragmentelor și a neutronilor. Dacă calculăm masa totală a produselor de degradare ale nucleului de uraniu și apoi o comparăm cu masa nucleului original, se dovedește că aceste mase nu coincid - nucleul original a fost mai mare. Acest fenomen se numește defect de masă, iar explicația sa este stabilită în formula E0 = mc2. Energia cinetică a fragmentelor, împărțită la pătratul vitezei luminii, va fi exact egală cu diferența de masă. Fragmentele sunt decelerate în rețeaua cristalină a uraniului, dând naștere la radiații cu raze X, iar neutronii, după ce au călătorit, sunt absorbiți de alți nuclei de uraniu sau părăsesc turnarea uraniului, unde au loc toate evenimentele.
Dacă turnarea uraniului este mică, atunci majoritatea neutronilor o vor părăsi înainte de a putea încetini. Dar dacă fiecare act de decădere forțată provoacă cel puțin încă un astfel de act datorită neutronului emis, acesta este deja o reacție în lanț de fisiune care se autosusține.
În consecință, dacă dimensiunea turnării este crescută, un număr tot mai mare de neutroni va provoca acte de fisiune forțată. Și la un moment dat, reacția în lanț va deveni incontrolabilă. Dar acest lucru este departe de a fi o explozie nucleară. Doar o explozie termică foarte „murdară”, care va elibera un număr mare de izotopi foarte activi și toxici.
Masa critica
O întrebare destul de naturală - cât de mult uraniu-235 este necesar pentru ca reacția în lanț de fisiune să devină o avalanșă? De fapt, nu totul este atât de simplu. Proprietățile materialului fisionabil și raportul volum / suprafață joacă un rol aici. Imaginați-vă o tonă de uraniu-235 (voi face o rezervare imediat - aceasta este o mulțime), care există sub forma unui fir subțire și foarte lung. Da, un neutron care zboară de-a lungul acestuia, desigur, va provoca un act de decădere forțată. Dar fracțiunea de neutroni care zboară de-a lungul firului va fi atât de mică încât este ridicol să vorbim despre o reacție în lanț care se autosusține.
Prin urmare, am convenit să luăm în considerare masa critică pentru o turnare sferică. Pentru uraniul-235 pur, masa critică este de 50 kg (aceasta este o minge cu o rază de 9 cm). Înțelegi că o astfel de minge nu va dura mult, totuși, ca și cei care au aruncat-o.
Dacă o bilă cu masă mai mică este înconjurată de un reflector de neutroni (beriliu este perfect pentru aceasta) și un material este introdus în bilă - un moderator de neutroni (apă, apă grea, grafit, același beriliu), atunci masa critică va deveni mult mai mică. Prin utilizarea celor mai eficiente reflectoare și moderatori de neutroni, masa critică poate fi mărită la 250 de grame. Acest lucru, de exemplu, poate fi realizat prin plasarea unei soluții saturate de sare de uraniu-235 în apă grea într-un recipient sferic de beriliu.
Masa critică nu se limitează la uraniu-235. Există, de asemenea, o serie de izotopi capabili de reacții în lanț de fisiune. Condiția principală este că produsele de descompunere ale unui nucleu trebuie să provoace acte de descompunere ale altor nuclee.
Bomba cu uraniu
Deci, avem două piese turnate de uraniu emisferice cu o greutate de 40 kg. Atâta timp cât sunt la o distanță respectuoasă unul de celălalt, totul va fi calm. Și dacă începi să le miști încet? Contrar credinței populare, nu se va întâmpla nimic. Doar că piesele, pe măsură ce se apropie, vor începe să se încălzească și apoi, dacă nu vă răzgândiți la timp, vă veți încălzi. În cele din urmă, se vor topi și se vor răspândi pur și simplu, iar toți cei care au mutat piesele turnate vor da stejar din iradierea neutronilor. Și cei care au urmărit acest lucru cu interes vor lipi flippers împreună.
Și dacă mai repede? Se va topi mai repede. Mai rapid încă? Se vor topi și mai repede. Misto? Da, chiar dacă îl scufundați în heliu lichid, nu va avea sens. Și dacă trageți o piesă pe alta? DESPRE! Momentul adevărului. Tocmai am venit cu o schemă de tun cu uraniu. Cu toate acestea, nu avem de ce să ne mândrim, această schemă este cea mai simplă și mai ingenioasă dintre toate. Da, și emisferele vor trebui abandonate. Așa cum a arătat practica, ei nu sunt înclinați să se lipească uniform de planuri. Cea mai mică părtinire - și veți obține o „grămadă” foarte scumpă, după care va trebui să faceți curățenie mult timp.
Mai bine faceți un tub scurt cu pereți groși de uraniu-235 cu o masă de 30-40 kg, la gaura căruia atașăm un butoi de oțel de înaltă rezistență de același calibru, încărcat cu un cilindru din același uraniu de aproximativ aceeași masă. Să înconjurăm ținta de uraniu cu un reflector de neutroni de beriliu. Acum, dacă trageți un „glonț” de uraniu asupra „țevii” de uraniu - va exista o „țeavă” completă. Adică va exista o explozie nucleară. Trebuie doar să trageți într-un mod serios, astfel încât viteza de tragere a proiectilului de uraniu să fie de cel puțin 1 km / s. Altfel, din nou, va fi o „grămadă”, dar mai tare. Faptul este că, atunci când proiectilul și ținta se apropie unul de altul, acestea se încălzesc atât de mult încât încep să se evapore intens de la suprafață, fiind încetinite de fluxurile de gaz care vin. Mai mult, dacă viteza este insuficientă, atunci există șansa ca proiectilul să nu atingă ținta, ci să se evapore pe parcurs.
Pentru a accelera la o astfel de viteză, un disc cântărind câteva zeci de kilograme, în plus, pe o distanță de câțiva metri este o sarcină extrem de dificilă. De aceea nu aveți nevoie de praf de pușcă, ci de explozivi puternici capabili să creeze o presiune adecvată a gazului în butoi într-un timp foarte scurt. Și atunci nu trebuie să curățați butoiul, nu vă faceți griji.
Bomba Mk-I „Little Boy” aruncată pe Hiroshima a fost proiectată conform schemei de tun.
Există, desigur, detalii nesemnificative pe care nu le-am luat în considerare în proiectul nostru, dar nu ne-am angajat complet împotriva principiului însuși.
Bombă cu plutoniu
Asa de. Am detonat bomba cu uraniu. Am admirat ciuperca. Acum îl vom arunca pe cel de plutoniu. Doar nu trageți o țintă, un proiectil, un butoi și alte gunoaie aici. Acest număr nu va funcționa cu plutoniu. Chiar dacă tragem o bucată în alta la o viteză de 5 km / s, ansamblul supercritic nu va funcționa. Plutonium-239 va avea timp să se încălzească, să se evapore și să strice totul din jur. Masa sa critică este de puțin peste 6 kg. Vă puteți imagina cât de activ este el în captarea neutronilor.
Plutoniul este un metal neobișnuit. În funcție de temperatură, presiune și impurități, există în șase modificări ale rețelei de cristal. Există chiar modificări în care se micșorează la încălzire. Tranzițiile de la o fază la alta pot fi efectuate brusc, în timp ce densitatea plutoniului se poate schimba cu 25%. Să mergem, ca toți eroii normali. Amintiți-vă că masa critică este determinată, în special, de raportul dintre volum și suprafață. Bine, avem o minge de masă subcritică care are o suprafață minimă pentru un volum dat. Să zicem 6 kilograme. Raza mingii este de 4,5 cm. Și dacă această bilă este stoarsă din toate părțile? Densitatea va crește proporțional cu cubul de compresie liniară, iar suprafața va scădea proporțional cu pătratul său. Și asta se întâmplă: atomii de plutoniu vor deveni mai densi, adică distanța de oprire a neutronului va fi scurtată,ceea ce înseamnă că probabilitatea absorbției sale va crește. Dar, din nou, comprimarea la viteza necesară (aproximativ 10 km / s) încă nu va funcționa. Capat de drum? Dar nu.
La 300 ° C apare așa-numita fază delta - cea mai slabă. Dacă plutoniul este dopat cu galiu, încălzit la această temperatură și apoi răcit lent, atunci faza delta poate exista la temperatura camerei. Dar nu va fi stabil. La presiuni ridicate (de ordinul a zeci de mii de atmosfere), va avea loc o tranziție bruscă într-o fază alfa foarte densă.
Așezați bila de plutoniu într-o bilă de uraniu-238 goală mare (23 cm diametru) și grea (120 kg). Nu vă faceți griji, nu are masă critică. Dar reflectă perfect neutronii rapizi. Și ne vor fi în continuare de folos. Crezi că l-au aruncat în aer? Oricât ar fi. Plutoniul este o entitate al naibii de capricioasă. Încă va trebui să lucrăm. Să facem două emisfere de plutoniu în faza delta. Să formăm o cavitate sferică în centru. Și în această cavitate vom plasa chintesența gândirii armelor nucleare - un inițiator de neutroni. Aceasta este o bilă mică de beriliu, cu un diametru de 20 și o grosime de 6 mm. În interior este o altă bilă de beriliu cu un diametru de 8 mm. Suprafața interioară a bilei goale are caneluri adânci. Toate acestea sunt generos placate cu nichel și placate cu aur. Șanțurile conțin poloniu-210, care emite în mod activ particule alfa. Iată un astfel de miracol al tehnologiei. Cum functioneazã? Asteapta o secunda. Mai avem câteva lucruri de făcut.
Să înconjurăm învelișul de uraniu cu altul dintr-un aliaj de aluminiu-bor. Grosimea sa este de aproximativ 13 cm. În total, „matrioșka” noastră a crescut acum la jumătate de metru și s-a recuperat de la 6 la 250 kg.
Acum vom face lentile de implozie. Imaginați-vă o minge de fotbal. Clasic, format din 20 de hexagoane și 12 pentagone. Să facem o astfel de „minge” din explozivi și să dotăm fiecare segment cu mai multe detonatoare electrice. Grosimea segmentului este de aproximativ jumătate de metru. Există, de asemenea, o mulțime de subtilități în fabricarea „lentilelor”, dar dacă le descrieți, atunci nu există suficient spațiu pentru orice altceva. Principalul lucru este precizia maximă a obiectivului. Cea mai mică eroare - și întregul ansamblu va fi zdrobit de acțiunea explozivă a explozivilor. Ansamblul complet are acum un diametru de aproximativ un metru și jumătate și o greutate de 2,5 tone. Proiectarea este completată de un circuit electric a cărui sarcină este de a detona detonatoarele într-o secvență strict definită cu o precizie de o microsecundă.
Toate. În fața noastră este o schemă de implozie a plutoniului.
Și acum partea amuzantă.
Când este detonat, explozivul comprimă ansamblul, iar „împingătorul” din aluminiu nu permite decăderea undei de explozie să se propage spre interior, urmând partea frontală a acestuia. După ce a trecut prin uraniu cu o viteză contra de aproximativ 12 km / s, unda de compresie va compacta atât acesta, cât și plutoniul. Plutoniul la presiuni în zona de compresie de ordinul a sute de mii de atmosfere (efectul focalizării frontului exploziv) va sări în faza alfa. În 40 de microsecunde, ansamblul uraniu-plutoniu descris aici va deveni nu doar supercritic, ci de câteva ori mai mare decât masa critică.
Ajuns la inițiator, unda de compresie își va zdrobi întreaga structură într-un monolit. În acest caz, izolația auriu-nichel se va prăbuși, poloniul-210, datorită difuziei, va pătrunde în beriliu, particulele alfa emise de acesta, trecând prin beriliu, vor provoca un flux colosal de neutroni care declanșează o reacție de fisiune în lanț în întregul volum de plutoniu și fluxul de neutroni „rapizi” generați decăderea plutoniului, va provoca o explozie de uraniu-238. Gata, am cultivat o a doua ciupercă, nu mai rea decât prima.
Un exemplu de schemă de implozie de plutoniu este bomba Mk-III „Fatman” aruncată pe Nagasaki.
Toate trucurile descrise aici sunt necesare pentru a forța numărul maxim de nuclee atomice de plutoniu să reacționeze. Sarcina principală este menținerea încărcării într-o stare compactă cât mai mult timp posibil, pentru a preveni împrăștierea acesteia ca un nor de plasmă, în care reacția în lanț se va opri instantaneu. Aici, fiecare microsecundă câștigată este o creștere de una sau două kilotone de putere.
Bombă termonucleară
Există o credință larg răspândită că o bombă nucleară este siguranța unei bombe termonucleare. În principiu, totul este mult mai complicat, dar esența este surprinsă corect. Armele bazate pe principiile fuziunii termonucleare au făcut posibilă obținerea unei astfel de puteri de explozie care în niciun caz nu poate fi realizată printr-o reacție în lanț de fisiune. Dar până acum singura sursă de energie care permite „aprinderea” unei reacții de fuziune termonucleară este o explozie nucleară.
Fuziunea termonucleară
Vă amintiți cum am „hrănit” nucleul de hidrogen cu neutroni? Deci, dacă încercați să conectați doi protoni împreună în acest fel, nimic nu va ieși din el. Protonii nu se vor lipi împreună din cauza forțelor respingătoare ale Coulombului. Fie se împrăștie, fie se produce dezintegrarea beta, iar unul dintre protoni devine neutron. Dar heliul-3 există. Mulțumită unui singur neutron, ceea ce face ca protonii să fie mai locuibili între ei.
În principiu, pe baza compoziției nucleului de heliu-3, se poate concluziona că un nucleu de heliu-3 poate fi complet asamblat din nucleele de protiu și deuteriu. În teorie, acest lucru este adevărat, dar o astfel de reacție poate avea loc numai în intestinele stelelor mari și fierbinți. Mai mult, în interiorul stelelor, heliul poate fi colectat chiar și numai din protoni, transformând unii dintre ei în neutroni. Dar acestea sunt deja întrebări de astrofizică, iar o opțiune realizabilă pentru noi este să îmbinăm două nuclee de deuteriu sau deuteriu și tritiu.
O condiție foarte specifică este necesară pentru fuziunea nucleelor. Aceasta este o temperatură foarte ridicată (109 K). Numai cu o energie cinetică medie a nucleelor de 100 keV sunt capabili să se apropie de o distanță la care interacțiunea puternică începe să depășească interacțiunea Coulomb.
O întrebare destul de legitimă - de ce să îngrădim această grădină? Faptul este că fuziunea nucleelor de lumină eliberează o energie de aproximativ 20 MeV. Desigur, cu fisiunea forțată a unui nucleu de uraniu, această energie este de 10 ori mai mare, dar există o singură avertizare - cu cele mai mari trucuri, o încărcare de uraniu cu o capacitate de chiar și 1 megaton este imposibilă. Chiar și pentru o bombă de plutoniu mai avansată, randamentul energetic realizabil nu depășește 7-8 kilotoni pe kilogram de plutoniu (cu un maxim teoretic de 18 kilotoni). Și nu uitați că un nucleu de uraniu este de aproape 60 de ori mai greu decât două nuclee de deuteriu. Dacă luăm în considerare randamentul specific al energiei, atunci fuziunea termonucleară este vizibil în față.
Și totuși - pentru o sarcină termonucleară nu există restricții asupra masei critice. Pur și simplu nu o are. Există, totuși, alte restricții, dar despre ele - mai jos.
În principiu, pornirea unei reacții termonucleare ca sursă de neutroni nu este suficient de dificilă. Este mult mai dificil să îl lansezi ca sursă de energie. Aici ne confruntăm cu așa-numitul criteriu Lawson, care determină avantajul energetic al unei reacții termonucleare. În cazul în care produsul densității nucleelor care reacționează și timpul de închidere a acestora la distanța de fuziune este mai mare de 1014 sec / cm3, energia furnizată de fuziune va depăși energia introdusă în sistem.
Toate programele termonucleare au fost dedicate realizării acestui criteriu.
Super clasic
Prima schemă de bombe termonucleare care i-a venit în minte lui Edward Teller a fost ceva asemănător încercării de a crea o bombă de plutoniu folosind o schemă de tun. Adică, totul pare a fi corect, dar nu funcționează. Dispozitivul „super clasic” - deuteriu lichid, în care este cufundată o bombă de plutoniu - era într-adevăr clasic, dar departe de a fi super.
Ideea unei explozii a unei încărcături nucleare într-un mediu lichid de deuteriu s-a dovedit a fi inițial o fundătură. În astfel de condiții, s-ar putea obține un randament minim de energie de fuziune termonucleară prin detonarea unei sarcini nucleare de 500 kt. Și nu a fost nevoie să vorbim despre realizarea criteriului Lawson.
Sufla
Teller a venit și cu ideea de a înconjura un declanșator de încărcare nucleară cu straturi de combustibil termonuclear, intercalat cu uraniu-238 ca izolator termic și ca amplificator de explozie. Și nu numai el. Primele bombe termonucleare sovietice au fost construite exact conform acestei scheme. Principiul a fost destul de simplu: o sarcină nucleară încălzește un combustibil termonuclear la temperatura de la începutul fuziunii, iar neutronii rapide generați în timpul fuziunii explodează straturi de uraniu-238. Cu toate acestea, limitarea a rămas aceeași - la temperatura pe care o poate oferi un declanșator nuclear, doar un amestec de deuteriu ieftin și tritiu incredibil de scump ar putea intra în reacția de fuziune.
Mai târziu, Teller a venit cu ideea de a folosi compusul deuteridă litiu-6. Această soluție a făcut posibilă abandonarea recipientelor criogenice scumpe și incomode cu deuteriu lichid. În plus, ca urmare a iradierii cu neutroni, litiul-6 a fost transformat în heliu și tritiu, care au intrat într-o reacție de fuziune cu deuteriul.
Dezavantajul acestei scheme era puterea limitată - doar o parte limitată a combustibilului termonuclear care înconjura declanșatorul a avut timp să intre în reacția de fuziune. Restul, oricât ar fi fost, s-au dus la vânt. Puterea maximă de încărcare obținută atunci când se utilizează „puful” a fost de 720 kt (bomba British Orange Herald). Aparent, era un „tavan”.
Schema Teller-Ulam
Am vorbit deja despre istoria dezvoltării schemei Teller-Ulam. Acum să înțelegem detaliile tehnice ale acestui circuit, care este numit și circuitul „în două etape” sau „compresia radiației”.
Sarcina noastră este să încălzim combustibilul termonuclear și să-l menținem într-un anumit volum pentru a îndeplini criteriul Lawson. Lăsând deoparte exercițiile americane cu circuite criogenice, să luăm deuterida de litiu-6, deja cunoscută de noi, ca combustibil termonuclear.
Vom alege uraniul-238 ca material pentru containerul pentru încărcarea termonucleară. Recipientul este cilindric. De-a lungul axei containerului, în interiorul acestuia, așezăm o tijă cilindrică din uraniu-235, care are o masă subcritică.
Notă: bomba senzațională de neutroni din acel moment este aceeași schemă Teller-Ulam, dar fără tija de uraniu de-a lungul axei containerului. Ideea este de a oferi un flux puternic de neutroni rapizi, dar nu de a permite arderea întregului combustibil termonuclear, care va consuma neutroni.
Umpleți restul spațiului liber al recipientului cu deuteridă de litiu-6. Vom așeza containerul într-unul dintre capetele corpului viitoarei bombe (aceasta va fi a doua etapă), iar la celălalt capăt vom monta o încărcătură convențională de plutoniu cu o capacitate de mai mulți kilotoni (prima etapă). Între sarcinile nucleare și termonucleare, vom instala o partiție de uraniu-238 pentru a preveni încălzirea prematură a deuteridului de litiu-6. Umpleți restul spațiului liber din corpul bombei cu polimer solid. În principiu, bomba termonucleară este gata.
Atunci când o încărcătură nucleară este detonată, 80% din energie este eliberată sub formă de raze X. Viteza sa de propagare este mult mai mare decât cea a fragmentelor de fisiune a plutoniului. În sutimi de microsecundă, scutul de uraniu se evaporă, iar radiația cu raze X începe să fie absorbită intens de uraniul containerului de încărcare termonucleară. Ca urmare a așa-numitei ablații (îndepărtarea masei de pe suprafața recipientului încălzit), apare o forță reactivă care comprimă recipientul de 10 ori. Acest efect este numit implozie sau compresie a radiației. În acest caz, densitatea combustibilului de fuziune crește de 1000 de ori. Ca urmare a presiunii colosale a imploziei de radiații, tija centrală a uraniului-235 este, de asemenea, comprimată, deși într-o măsură mai mică, și trece într-o stare supercritică. În acest moment, blocul termonuclear este bombardat cu neutroni rapidi dintr-o explozie nucleară. După trecerea prin deuteridul de litiu-6, acestea încetinesc și sunt absorbite intens de tija de uraniu.
O reacție în lanț de fisiune începe în tijă, ducând rapid la o explozie nucleară în interiorul containerului. Deoarece deuterida de litiu-6 este supusă comprimării ablative din exterior și presiunii unei explozii nucleare din interior, densitatea și temperatura cresc și mai mult. Acest moment este începutul declanșării reacției de sinteză. Întreținerea sa suplimentară este determinată de cât timp containerul va păstra procesele termonucleare în sine, împiedicând eliberarea de energie termică în exterior. Aceasta este ceea ce determină realizarea criteriului Lawson. Arderea combustibilului termonuclear se desfășoară de pe axa cilindrului până la marginea acestuia. Temperatura frontului de ardere atinge 300 de milioane de kelvin. Este nevoie de câteva sute de nanosecunde pentru a dezvolta pe deplin o explozie până la epuizarea combustibilului termonuclear și distrugerea containerului - de douăzeci de milioane de ori mai repede decât ați citit această frază.
Funcționarea fiabilă a circuitului în două trepte depinde de asamblarea precisă a containerului și de prevenirea încălzirii premature.
Puterea sarcinii termonucleare pentru schema Teller-Ulam depinde de puterea declanșatorului nuclear, care asigură o compresie eficientă prin radiații. Cu toate acestea, acum există scheme cu mai multe etape, în care energia etapei anterioare este utilizată pentru a comprima următoarea. Un exemplu de schemă în trei etape este „mama Kuz'kina” de 100 de megatoni deja menționată.
