В середине прошлого века устройство атомной бомбы было строжайшей тайной. Только крайне ограниченный круг учёных, приближённых к правительствам великих держав, был посвящён в этот секрет. Прочим же смертным полагалось лишь знать, что к делу имеет какое-то отношение формула E=mc², что нужен уран и что всё это очень сильное колдунство.
Сейчас всё изменилось. Ныне устройство атомной бомбы можно узнать из открытых источников, но по-прежнему мало кто представляет, как работает самое страшное оружие человечества. А разобраться стоит. Например, чтобы определять, где в книгах и фильмах фантастические допущения, где антинаучная чушь, а где автор справочник прочёл, но ничего не понял.
Шаровой заряд
Атомное оружие основано на эффекте цепной реакции. Ядра некоторых изотопов тяжёлых металлов нестабильны и, захватив пролетающий мимо нейтрон, немедленно распадаются. При этом возникают как крупные осколки, так и ещё несколько свободных нейтронов. Они могут спровоцировать распад других ядер — и в результате выделится ещё больше нейтронов. Этот лавинообразный процесс приводит к стремительному выделению энергии — ядерному взрыву, мощность которого эквивалентна 25 тоннам тротила на каждый грамм распавшегося изотопа.
Разумеется, цепная реакция не начнётся, если слиток металла недостаточно велик и большая часть освободившихся нейтронов просто улетает за его пределы. Чтобы произошёл взрыв, количество расщепляющегося материала должно превысить некую критическую массу. Минимальное взрывоопасное количество вещества — 47 килограммов для урана-235 и 10 килограммов для плутония-239: на практике только эти два металла используются для создания ядерных взрывных устройств.
Уже вторая, сброшенная на Нагасаки бомба «Толстяк», имела шаровой заряд
Может показаться, что создать критическую массу легко: взять два слитка урана, каждый пуда по полтора, и соединить. Но это не лучшая идея, поэтому при изготовлении ядерных боеприпасов используются сложно устроенные имплозивные, или шаровые заряды. Их эффект основан на том, что при воздействии силы на поверхность сферы по мере приближения к её центру давление будет возрастать в квадрате. Как следствие, шаровой заряд представляет собой «матрёшку». Внешний сферический слой образует обычная «химическая» взрывчатка, по поверхности которой равномерно распределены 64 детонатора. Все детонаторы должны сработать одновременно — тогда происходит взрыв, который порождает направленную к центру ударную волну.
Если хотя бы один детонатор не сработает вовремя, сжатие будет ассиметричным и приведёт лишь к разрушению боеприпаса. И это служит надёжной защитой. Бомба может выпасть с самолёта, упасть вместе с самолётом, сгореть в вагоне в результате железнодорожной катастрофы, в неё даже может попасть артиллерийский снаряд (правда, последнее испытывалось только на макетах). В худшем случае это приведёт к подрыву обычной, химической взрывчатки, но незапланированной детонации ядерного заряда не произойдёт.
Следом за взрывчаткой в шаровом заряде располагается слой алюминия. Лёгкий металл нужен, чтобы увеличить радиус заряда, а значит, и итоговое давление в центре сферы. Внутрь полой алюминиевой сферы вкладывается тампер — полая сфера из обеднённого урана, которая служит массивным поршнем
Через тампер концентрическая ударная волна передаётся на третью, самую маленькую полую сферу, изготовленную из ядерной взрывчатки — урана или плутония. В самом же центре находится миниатюрный источник нейтронов на основе трития. Масса «ядерной взрывчатки» в шаровом заряде обычно в полтора-три раза меньше критической. Развитие цепной реакции в боеприпасе происходит благодаря дополнительным нейтронам, испускаемым тритием, увеличению плотности металла в момент максимального сжатия, а также потому, что урановый тампер отражает рождающиеся при распаде ядер нейтроны внутрь, не позволяя им покидать зону реакции.
Шаровой заряд первой советской атомной бомбы РДС-1 (Фото: Музей ядерного оружия РФЯЦ-ВНИИЭФ)
«Шаровая» конструкция позволяет безопасно заложить в боеприпас и сверхкритический заряд расщепляющегося изотопа. Рекорд здесь принадлежит британцам: они изготовили тонкостенную плутониевую сферу, масса которой превышала критическую в 12 раз! Но тогда сынов Туманного Альбиона просто заели амбиции: как же так, у Советов и Штатов есть водородная бомба, а у них нет. На изготовление этого чуда техники королевство потратило годичный запас расщепляющихся материалов.
Повысить мощность боеприпаса можно и без такой траты дефицитных материалов. В активированном шаровом заряде цепной распад продолжается не до исчерпания горючего, как в обычной бомбе, а до разрушения устройства. Испарившийся урановый шар уже не обладает достаточной плотностью, чтобы поддерживать цепную реакцию. У первых имплозивных бомб до распыления заряда успевало выгореть лишь 10% ядерной взрывчатки, а у современных этот показатель колеблется от 30 до 60%. Увеличить степень выгорания можно, обеспечив дополнительное сжатие. Для этого используется большой — до четверти тонны — заряд химической взрывчатки. Хорошо помогает и увеличение толщины тампера. Конечно, дополнительная инертная масса лишь краткий миг способна противостоять рвущемуся из зоны реакции ядерному пламени. Но когда интенсивность реакции нарастает по экспоненте, даже этот миг имеет огромное значение.
Водородная бомба
На этапе горения лития и урана термоядерная бомба по устройству напоминает звезду. Она полностью состоит из плазмы — раскалённого ионизированного газа, но при этом плотнее свинца
Ещё сильнее разрушительную силу современных ядерных боеприпасов можно повысить капсулой с термоядерным горючим. Рядом с первым шаровым зарядом, играющим роль детонатора, размещается второй, устроенный несколько иначе. Вместо слоя химической взрывчатки он покрыт инертным пластиком. Сразу под ним располагается тампер из обеднённого урана. А между тампером и центральной полой сферой, изготовленной из плутония, размещается слой дейтерида лития-6 — соединения лёгкого изотопа лития с тяжёлым водородом. Этот белый порошок не радиоактивен и совершенно безопасен, если не поливать его водой.
Подрыв первого шарового заряда превращает пластиковый слой в перегретую плазму, давление которой приводит к имплозии термоядерной капсулы. Её плутониевая сердцевина достигает критической плотности и тоже взрывается. Литий, поглощая образовавшиеся нейтроны, разлагается на гелий и сверхтяжёлый водород — тритий. Температура на фронте столкновения ударных волн в этот момент оказывается достаточной, чтобы началась реакция термоядерного синтеза с участием дейтерия и трития. А это означает третий взрыв — примерно в сто раз сильнее двух первых.
Царь-бомба, она же «Кузькина мать», самая мощная термоядерная бомба в истории (макет, Croquant | CC BY-SA 3.0)
Но и детонация термоядерного горючего — только вторая фаза термоядерного взрыва. Если ядерный взрыв прекращается после разрушения взрывного устройства, то механизм водородной бомбы продолжает работать и после перехода в плазменное агрегатное состояние. При синтезе ядер тяжёлого и сверхтяжёлого водорода рождаются ядра гелия и нейтроны. Энергия нейтронов настолько велика, что они не захватываются тяжёлыми ядрами, а разбивают их, как бильярдный шар пирамиду.
Под градом нейтронов в реакцию вступает уран-238, в обычных условиях вполне безопасный. Это третья фаза взрыва, увеличивающая его мощность ещё впятеро. Вклад энергии от распада ядер урана не так уж велик, но этот процесс порождает новые тучи нейтронов. А чем плотнее нейтронный поток, тем больше лития перейдёт в тритий, тем выше будет КПД взрывного устройства. Водородную бомбу можно собрать таким образом, что выгорание каждого из трёх компонентов — плутония, дейтрида лития и обеднённого урана — превысит 90%. А это чудовищная энергия.
Субкилотонные боеприпасы
«Малыш», первая атомная бомба, применённая в бою, относилась к пушечному типу
Ядерные боеприпасы ценятся в первую очередь за мощь, но иногда компактность оказывается важнее. Как следствие, некоторое распространение (практически только в США) получили так называемые пушечные заряды. Они состоят из плутониевого цилиндра с отверстием в центре, стержня из того же металла, небольшого количества пороха, который вколачивает стержень в отверстие, единственного детонатора для инициации процессов и… всё. Очевидными преимуществами пушечной схемы были предельная простота, безукоризненная надёжность срабатывания и крошечные размеры.
Но заряд пушечного типа не просто надёжен, а слишком надёжен. Это его главный недостаток. Тепловое или механическое повреждение боеприпаса не выведет его из строя, а напротив — может заставить сработать. В СССР посчитали, что янки — crazy, и копировать этот ужас не стали.
«Дэви Крокетт» — надкалиберная ядерная мина для стрельбы из противотанковых 106-мм безоткатных пушек. Американцы действительно намеревались отстреливаться «Крокеттами» от советских танков и наклепали немало этих боеприпасов. Смешной тротиловый эквивалент — всего 10 тонн — позволял бить прямой наводкой
Вторым недостатком пушечных зарядов стала их расточительность. Количество ядерной взрывчатки обязательно должно быть сверхкритическим. То есть расщепляющегося металла «на выстрел» уходит в среднем в три раза больше, чем при другой схеме. Если же пересчитывать на килотонны, разница оказывается ошеломляющей: КПД пушечного заряда не выше 1%. Таким он был у единственного в истории стратегического боеприпаса с зарядом пушечного типа — бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Но там всё устройство весило четыре тонны, а урановые детали были помещены в обрезок орудийного ствола. А при использовании пушечного заряда без сверхпрочного корпуса КПД падает до 0,01–0,004%. Американцы, впрочем, считали, что крайне низкая — от 10 до 150 тонн в тротиловом эквиваленте — мощность для тактического ядерного боеприпаса не изъян, а достоинство.
Примитивное устройство пушечного заряда породило миф, что ядерную бомбу можно собрать в гараже. Но частному лицу достать несколько десятков килограммов почти чистого урана-235 невозможно. А плутоний вдобавок стремительно окисляется на воздухе, очень ядовит и практически не поддаётся механической обработке. Попытавшись изготовить кустарным способом из небольших плутониевых слитков детали взрывного устройства, самоделкин умрёт от лучевой болезни, от отравления или в результате вспыхнувшего в гараже пожара, но ничего не достигнет.
Советский 420-мм миномёт 2Б1 «Ока» предназначался для стрельбы ядерными боеприпасами
2С7 «Пион». В 1970-х годах в СССР появились миниатюрные шаровые заряды, которые помещались в снаряд 203-мм пушки, но мощность их обычно составляла 5–15 килотонн, и «тактическими» такие боеприпасы можно было назвать лишь условно
Уран или плутоний?
На первый взгляд преимущества плутония над ураном, критическая масса которого впятеро выше, очевидны. Заряд получается миниатюрным. При распаде плутоний выделяет больше свободных нейтронов, чем уран, что крайне важно, например, при изготовлении термоядерных боеприпасов. К тому же обогащённый уран очень дорог в производстве, плутоний же добывается из отработанного топлива для атомных электростанций.
Но на практике выбор не так прост, поскольку плутоний — металл радиоактивный. Если период полураспада урана-235 — 713 миллионов лет, то у плутония-239 он составляет всего 24 тысячи лет. К тому же извлекаемый из АЭС плутоний на самом деле представляет собой смесь изотопов, излучение которых выводит из строя электронные компоненты боеприпаса и на молекулярном уровне «разъедает» химическое взрывчатое вещество.
Как следствие, в военном деле обычно используется специальный «оружейный» плутоний, который провёл в активной зоне ядерного реактора всего 1–2 месяца. Доля тяжёлых примесей в нём составляет 2–7%. Но такой плутоний уже очень недёшев и всё равно радиоактивен.
Большая часть обогащённого урана производится в России
«Грязная» бомба
В романе Дмитрия Глуховского (признан в России СМИ, исполняющим функции иностранного агента) «Метро 2033» даже спустя 20 лет после ядерной бомбардировки радиация не позволяет выжившим покинуть убежища. Такое видение постапокалиптического мира в фантастической литературе стало каноническим. Хотя на практике всё иначе — Хиросиму и Нагасаки быстро отстроили на прежнем месте, и жители их не оставляли.
Чтобы увеличить радиационное воздействие ядерного боеприпаса (особенно в глобальном масштабе и долгосрочной перспективе), в 1950 году американский физик Лео Сциллард предложил заменить в шаровом заряде урановый и алюминиевый тамперы на оболочку из кобальта. Взрыв, конечно, будет слабее, но, захватывая нейтроны, безвредный кобальт-59 превращается в очень опасный радиоактивный изотоп кобальт-60, широко применяющийся при производстве промышленных источников гамма-излучения. Если таких бомб сделать достаточно много и разом взорвать даже на своей территории, полагал учёный, то кобальт рассеется по всей планете с потоками воздуха… и вот тогда точно конец!
Одна из особенностей ядерных зарядов пушечного типа — непредсказуемые колебания мощности взрыва в пределах 2–2.5 раз. Она зависит от того, на каком именно этапе вхождения плутониевого стержня в цилиндр вспыхивала цепная реакция (фото: (National Nuclear Security Administration, 1953)
Фантастов идея вдохновила. Кобальтовая «бомба Судного дня» упоминается в фильме «Доктор Стрейнджлав, или Как я перестал бояться и полюбил атомную бомбу» Стэнли Кубрика, в романах Роджера Желязны, Агаты Кристи, Сергея Лукьяненко. Однако военные и политики отнеслись к идее без особого энтузиазма. В реальности «грязные» бомбы действительно разрабатывались, по крайней мере в СССР, но никогда не принимались на вооружение и не производились. Даже испытания проводились только имитационные — с использованием нерадиоактивных изотопов.
В результате испытаний от идеи быстро отказались. Вопреки прогнозам, загрязнённая площадь была невелика — как средство массового поражения кобальтовый заряд уступал по эффективности даже многим химическим боеприпасам. «Грязная бомба» не выдерживала критики и как ультимативное оборонительное оружие, создающего на пути противника непроходимую зону. Предсказать точное расположение, размер и форму смертоносного пятна оказалось невозможно.
Калифорниевая бомба
Калифорний часто называют самым дорогим веществом в мире. Это не совсем так, но среди изотопов, которые производят промышленно, он чемпион
Фантасты уже много лет обдумывают идеи ядерной взрывчатки на основе экзотических веществ. Во вселенной Великорасы Александра Зорича, например, применяются сверхмощные калифорниевые боеприпасы. Почему калифорниевые? Вероятно, автор заглянул в справочник и узнал, что данный металл обладает критической массой впятеро меньшей, чем у плутония… Но из этого же не следует, что взрыв калифорниевой бомбы будет впятеро сильнее при том же весе! Напротив, безопасный — подкритический — шаровой заряд из калифорния окажется не только в 3000 раз дороже и в 30 раз радиоактивнее, но и впятеро слабее плутониевого.
Но, может быть, использование синтетических изотопов с минимальной критической массой позволит создать миниатюрное взрывное устройство? Теоретически это возможно, но зачем военным безумно дорогая, зато слабенькая атомная бомба, умещающаяся в кейс, знают только фантасты. Советский «ядерный ранец» РЯ-6 мощностью в одну килотонну с зарядом на основе плутония весил всего 25 кг, и военные не считали, что им нужно что-то ещё легче.
Нейтронная бомба: миф и реальность
Противоположностью «грязной» кобальтовой бомбе можно считать нейтронную: она не заражает территорию, поражает только живую силу и оставляет невредимыми материальные ценности. Во всяком случае, такого мнения придерживалась как американская, так и советская пресса в 70–80-х годах. Последняя также утверждала, что нейтронные боеприпасы есть только у США, прозрачно намекая на тягу вероятного противника к чужим материальным ценностям.
Приближая источник радиации к бериллиевой мишени, нейтроны можно испускать направленно. На марсоходе Curiosity установлена нейтронная пушка российского производства. Поговаривают, что мощность этого устройства слишком высока для исследовательских целей (фото: NASA)
Как и в случае кобальтовой бомбы, все утверждения о свойствах нейтронных боеприпасов оказались вымыслом. Устройство представляло собой обычный шаровой заряд, в котором слои алюминия и урана заменены слоем бериллия. Такое решение снижало КПД, зато бериллий, поглощая ядра гелия, появляющиеся в результате распада плутония, испускал нейтроны — слишком быстрые, чтобы поддерживать цепную реакцию, но не обладающие достаточной энергией для раскалывания ядер. Как следствие, взрыв (формально термоядерный!) выходил совсем слабым — 5 килотонн или около того. Причём нейтроны уносили до 80% выделившейся энергии.
Нейтронные боевые части планировалось устанавливать на противоракеты для уничтожения советских боеголовок. Перехват осуществлялся на орбите, но в вакууме ударная волна не образуется, а рентгеновское и световое излучение позволяло поразить цель на дистанции не более километра от подрыва заряда. Предполагалось, что использование нейтронных боеприпасов позволит увеличить радиус поражения в полтора раза. К тому же боеприпасы такого типа можно без опаски применять над собственной территорией: рентгеновского излучения там кот наплакал, а нейтроны теряют «убойную силу» в атмосфере из-за сопротивления азота.
После появления современных противоракет, позволяющих перехватывать боеголовки на минимальной высоте (и едва ли не прямым попаданием!), производство нейтронных боеприпасов потеряло смысл. Откуда взялся миф про «сохранение материальных ценностей» — тайна. Если подорвать нейтронный заряд вблизи от поверхности, действительно возникнет узкая — метров триста шириной — зона, в которой уровень радиации всё ещё будет смертельным, а каменные здания уже устоят, хотя и будут объяты пламенем. Но никакой практической ценности эта особенность не имеет.
Применение ядерных зарядов в мирных целях, несомненно, возобновится, когда этого позволит политическая ситуация. По сравнению с энергетическим атомным реактором бомба представляет небольшую радиационную опасность, а выгода может быть значительной (на фото — Седанский кратер, созданный мирным ядерным взрывом)
Проблему сохранения материальной инфраструктуры пытались решить советские инженеры, работавшие в 1980-х над созданием «чистых», или «спектральных» бомб. Применение боеприпаса такого типа не должно было вызывать заражение местности. Для этого в конструкции термоядерной бомбы урановые детали заменяли на свинцовые — ядра этого металла выдерживают попадание быстрых нейтронов и не активируются медленными. Количество использованного плутония сводилось к минимуму благодаря изощрённым способам усиления имплозии. При сгорании же лития радиоактивных веществ не образуется. Таким образом, подрыв бомбы на высоте нескольких километров позволял рентгеновской вспышкой очистить большую площадь от позвоночных без какого-либо иного ущерба для экологии.
Насколько известно, спектральные боеприпасы в СССР серийно не производились. Наступила эпоха разрядки, и применение ядерных зарядов для создания собственных, а не сохранения чужих материальных ценностей стало более эффективным экономически. «Мирные» ядерные взрывы в Советском Союзе производились несколько раз в год для изменения рельефа, создания подземных хранилищ отходов, геологической разведки, а также чтобы упростить добычу полезных ископаемых. «Чистые» заряды при этом оказались бы очень кстати, но мораторий на ядерные испытания вскоре привёл к свёртыванию программы.
Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Постоянный автор «Мира фантастики», публикует научные и исторические статьи c 2004 года.
Каждый ребенок мечтает взорвать или сжечь школу. Потому что душа ребенка жаждет справедливости и взывает к отмщению.
А можно ли, вооружившись знаниями, изготовить дома небольшую атомную бомбу, чтобы окончательно решить школьный вопрос?
Вообще, проблема применения накопленных знаний в целях разрушения встает перед человечеством каждый раз, когда оно овладевает какой-то новой энергией. Овладели огнем — придумали, как использовать его в военном деле. Изобрели порох, стали воевать с его помощью. Изобрели аэропланы — начали на них воевать. Ну и, разумеется, когда в начале ХХ века люди открыли феномен радиоактивности и поняли, что перед ними источник энергии необычайной силы, тут же встал вопрос: а как его применить для убийства других людей? Ведь энергия распада атомных ядер огромна, и Эйнштейн вовсе не зря сравнивал ее с овладением огнем. Только Эйнштейн мечтал об атомных электростанциях, а военные — об оружии.
«А нельзя ли сделать атомную бомбу на основе явления распада?» — задумался в свое время Гитлер. Точнее, не сам Гитлер, конечно, он-то в физике не разбирался и вообще имел довольно специфические представления о реальности. Задумались немецкие физики. Им было о чем подумать…
Мария и Пьер Кюри работали над проблемой распада вещества еще до Первой мировой войны, которая прокатилась по Европе тяжелым бульдозером. Германия ту войну проиграла. В результате в Германии пришел к власти Гитлер, и через двадцать лет после Первой мировой началась Вторая мировая война. Но физики, принявшие у супругов Кюри эстафету исследований, не обращая внимания на политические бури и войны, увлеченно продолжали работу. И вот всего за год до начала Второй мировой войны немецкие физики обнаружили одно чертовски интересное явление.
Оказалось, что если в ядро изотопа урана-235 попадает случайный нейтрон, ядро может развалиться. Оно ведет себя, как капля жидкости — в эту «жидкость» ударяет прилетевший нейтрон, от удара «капля» деформируется, из круглой становясь продолговатой, то есть ее края разъезжаются. И в этот миг расстояние между протонами на дальних краях начинает превышать радиус действия ядерных сил, то есть того самого сильного взаимодействия, которое и держит нуклоны в ядре. Оно ведь очень короткодействующее! И тогда силы электростатического отталкивания между дальними протонами расталкивают куски ядра с огромной скоростью. Ядро урана разваливается на две части — барий и криптон (найдите эти вещества в таблице Менделеева). При этом еще получается уйма энергии в виде гамма-излучения и парочка лишних свободных нейтронов.
Распад урана под воздействием случайного протона
Физики подсчитали, что из одного грамма урана-235 можно извлечь энергии столько же, сколько от сжигания 3 тонн каменного угля. Но что будет инициировать дальнейшую реакцию? Да вот те самые два нейтрона, которые получились в ее результате! Мы начали с одного случайного нейтрона, в результате нейтронного удара по ядру получили осколки, кучу энергии и еще целых два нейтрона. Если теперь оба они попадут в соседние ядра и разрушат их, то у нас получится уже 4 свободных нейтрона! Если те попадут в соседние ядра, будет 8 нейтронов. Потом 16. И так далее. Пойдет цепная реакция с высвобождением все большей и большей энергии. Взрыв!
Атомный взрыв!
А если эта парочка нейтронов не попадет по соседним ядрам, а вылетит из куска урана и будет поглощена окружающей уран средой? Тогда цепная реакция не пойдет. И взрыва не будет.
Для взрыва нужно, чтобы первое делящееся ядро урана-235 довольно плотно окружали такие же ядра. Нейтронное излучение очень проникающее, нейтрон может пролететь в металле довольно долгий путь, не попасть при этом ни в одно ядро и вылететь из куска металла на волю. А попасть нейтрону в соседнее ядро не так-то и просто, потому что атом ведь практически пуст! Его маленькое ядро окружает довольно разреженная шуба электронных орбит. Это огромная планетная система! Вокруг ядра урана летает 92 электрона — если не верите, посмотрите в таблицу Менделеева или на рисунок выше.
? А знаете, как соотносится количество вещества в атоме с объемом самого атома?
Ядро атома меньше диаметра дальней электронной орбиты в 100 тысяч раз! Если мысленно атомное ядро увеличить до размеров горошины, то размер самого атома будет в полкилометра! При этом электроны в тысячи раз меньше протонов. То есть если ядро у нас теперь получилось с горошину, то электрон — размером с пылинку. И получается, что эти пылинки кружатся вокруг ядра-горошинки на расстоянии в сотни метров.
И вот в такую горошинку нам нужно попасть другой горошинкой (точнее, осколком горошинки) с расстояния в километры! Вероятность попадания ничтожна. Но ведь и атомов в веществе миллиарды, а значит вероятность попадания вырастает в миллиарды раз! То есть ничтожно малую величину нам нужно умножить на огромную и посмотреть, что перевесит. Иными словами, возникает вопрос: сколько атомов урана-235 слепить в комок, чтобы получившиеся в результате первичной реакции нейтроны попали все-таки в ядра атомов прежде, чем вылетят из куска металла?
Ответ на этот вопрос есть: критическая масса урана-235 содержится в шарике диаметром всего в 18 сантиметров. Небольшой мячик такой. В этом количестве металлического урана-235 содержится как раз такое число атомов, которое гарантированно обеспечит цепную реакцию — ядерный взрыв. То есть если сложить полмячика и полмячика вместе, они тут же взорвутся. Поэтому в хозяйственных магазинах уран-235 продается только по половинкам, а сложить его можно уже дома или около школы, чтобы проверить — сработает или нет.
Думаю, есть смысл послать маму в магазин и попросить купить две упаковки урана. Только смотрите, чтобы она не перепутала и брала именно 235-й, потому что уран-238 таким полезным свойством не обладает.
Но донесет ли мама из магазина эти две половинки? Сколько вообще весит шарик урана диаметром в 18 сантиметров? Если вы посмотрите в таблицу чудесного старика Менделеева, то увидите, что уран находится далеко внизу, то есть представляет собой довольно тяжелый элемент, что понятно: это вам не водород с одним нуклоном, в ядре урана этих нуклонов аж целых 235!
В общем, не буду вас томить и сразу скажу, что металлический урановый шар диаметром в 18 см весит 52 килограмма. Мама не донесет. Поэтому, если школы (и половины города) не жалко, то пожалейте хотя бы маму и не посылайте ее такие тяжести таскать.
Другое дело плутоний-239. Из него тоже можно делать атомные бомбы, причем критическая масса плутония составляет всего 11 кг при диаметре шарика в 9 см. Это получается по 5,5 кило в каждой руке. Мама донесет…
В общем, если слиток радиоактивного металла превышает критическую массу, он сам по себе взрывается.
А если не превышает, ядра атомов в куске металла просто постепенно распадаются, металл греется, гамма-излучает, но не взрывается, поскольку не начинается цепная реакция — нейтроны не успевают попасть в соседнее ядро, как уже вылетают из слитка наружу.
Так выглядит плутоний — тяжелый радиоактивный серебристый металл
Но мы немножко отвлеклись. Поэтому перенесем наше внимание с мамы на Гитлера.
Итак, в марте 1939 года, за несколько месяцев до Второй мировой войны французские физики опубликовали статью о том, что из металлического урана можно добывать энергию для мирных целей, а также использовать его в военном деле для создания бомб чудовищной мощности. Эта статья не осталась незамеченной. И потому уже в апреле к военным властям Германии обратились немецкие физики с предложением создать урановую бомбу.
К 20 сентября идея дошла до Гитлера. Вторая мировая война шла к тому времени уже три недели, правда, тогда еще никто не знал, что началась именно мировая война — немецкие войска успешно давили последнее сопротивление поляков, а им на помощь за три дня до указанной даты пришли советские войска, напавшие на Польшу с другой стороны. Казалось, военный пожар уже практически угас: Польша, согласно договору о дружбе, заключенному между Германией и СССР, поделена между двумя друзьями и перестала существовать, а Гитлера тем не менее ставят в известность о том, что возможно создание чудо-оружия.
Гитлеру даже показали мультфильм, в котором самолет с крестами на крыльях сбрасывал над Англией какой-то металлический ящик, после чего разворачивался и улетал обратно. Когда самолет был уже достаточно далеко от места сброса, срабатывает взрыватель, который резко сближает две половинки критической массы металла — и происходит ядерный взрыв. Вспышка — и Лондона нет. Миллионы людей гибнут в один момент.
Гитлер был в восторге от этого мультика! Он захлопал в ладоши и выделил ученым финансирование для создания столь чудесного приспособления.
Так началась работа по созданию урановой бомбы. Координировал всю работу Физический институт, который возглавлял великий немецкий физик Гейзенберг, именем которого назван так называемый принцип Гейзенберга, о котором мы еще поговорим. Гейзенберг был гений, он получил Нобелевскую премию в 32 года, а это о многом говорит.
Создание атомной бомбы — процесс непростой. Он находился на самом острие науки, человечество еще никогда ничего подобного не создавало, нужно было решить массу непростых чисто инженерных задач. Для этого у немцев было, казалось, все необходимое — талантливые физики, мощная научная школа, отличная передовая промышленность.
Однако для того, чтобы добывать уран, нужны еще две вещи — урановая руда и тяжелая вода. С рудой все понятно. Как железо добывается из железной руды, так и уран — из урановой. Но месторождений железной руды на Земле много, потому что железо — очень распространенный химический элемент. А вот уран — элемент очень редкий, его месторождений на Земле не так много. Правда, немцам повезло. Урановое месторождение было в Чехии, а Чехию немцы к тому времени уже захватили. Там добывали как раз ту самую руду — смоляную обманку, с которой экспериментировала Мария Кюри.
А вот зачем нужна тяжелая вода? И что это вообще такое?
Мы с вами уже знаем, что такое тяжелый и сверхтяжелый водород. Это дейтерий и тритий, то есть водород, у которого в ядре атома не одинокий протон, а протон с нейтроном (дейтерий) или даже с двумя нейтронами (тритий). Так вот, тяжелая вода — это вода, сделанная не из кислорода и водорода, как обычная вода, а из кислорода и тяжелого водорода. Если вода дейтериевая, она называется тяжелой, а если тритиевая — сверхтяжелой.
Молекулы тяжелой и сверхтяжелой воды всегда содержатся в очень небольшом количестве среди молекул обычной воды (на 7000 тысяч молекул обычной воды приходится одна тяжелая). Именно из обычной воды тяжелую воду и добывают путем обогащения — как из руды полезный материал. Правда, процесс этот долгий, нудный и весьма энергозатратный. Впервые небольшое количество тяжелой воды физиками было добыто в 1933 году — как раз в тот год, когда фашисты пришли к власти в Германии.
Поехали на воды!..
Любопытно, что свое название тяжелая вода вполне оправдывает, она действительно тяжелее обычной воды. А сверхтяжелая вода, соответственно, еще тяжелее. Сверхтяжелая вода замерзает при температуре +9 °C, а кипит при температуре +104 °C.
Ученые — существа любопытные. Им было интересно, как отнесутся к тяжелой воде живые существа. Выяснилось, что в небольших дозах — нормально. Человек может хлопнуть стакан-другой тяжелой воды, и ему ничего не будет. Другое дело, если все время поить животное только тяжелой водой.
Человек, как и прочие живые существа, примерно на 70 % состоит из воды. Все жизненные биохимические реакции в нашем теле идут в водном растворе. Когда мы пьем воду, она всасывается, проходит через все клеточки, принося туда вместе с собой питательные вещества в виде раствора. А затем выводит из клеточек продукты распада и отходы. Таким образом человек — большой сложный фильтр, который все время промывается. И что же будет, если начать его или другое живое существо «промывать» тяжелой водой?
Над людьми такие эксперименты, конечно, не ставились, но вот опыты над животными показали, что постепенное упорное замещение в организме обычной воды на тяжелую даром не проходит. Когда четверть всей воды, из которой состоит организм, заменена тяжелой, животное теряет способность к размножению. А когда концентрация тяжелой воды достигает половины, животное погибает. И этот эффект достигается всего за неделю.
Почему такое происходит? Казалось бы, какая разница организму, какая в нем вода? А все дело именно в тяжести. Поскольку в ядре атома тяжелого водорода вдвое больше нуклонов, молекулы тяжелой воды больше весят и потому чуть хуже и медленнее участвуют в биохимических реакциях, сбивая тонкие настройки организма, который сначала компенсирует эти изменения, а потом просто перестает справляться.
Не менее интересен вопрос, а сколько видов тяжелой воды существует?
Мы знаем два вида — тяжелая (в которой вместо водорода дейтерий) и сверхтяжелая вода (в которой вместо водорода тритий). Но!
Но в молекуле воды два атома водорода! Смекаете?
Вода обозначается химиками химической формулой Н2О, эта запись и означает, что в молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. А что если не оба атома водорода, а только один будет заменен дейтерием? Возможно такое?
Конечно!
Как правило, так и есть. Подобную воду — из водорода и дейтерия называют полутяжелой. И вероятность такого варианта как раз намного больше, чем вероятность того, что два столь редких изотопа, как дейтерий, встретятся с одной молекулой кислорода, чтобы образовать молекулу тяжелой воды. В природе чаще встречается вода полутяжелая.
Ученые люди обычный водород обозначают латинской буквой Н (от латинского слова Hydrargyrum), тяжелый водород обозначают значком D (дейтерий), а сверхтяжелый — значком Т (тритий).
А теперь попробуем написать все возможные комбинации, которые могут изотопы водорода образовывать с кислородом (О):
Н-О-Н обычная вода
D-O-H полутяжелая вода
D-O-D тяжелая вода
Т-О-Т сверхтяжелая вода
T-O-H не имеет специального названия, давайте назовем ее «сверхполулегкая» вода
D-O-T не имеет специального названия, предлагаю назвать ее «сверхполутяжелая» вода
Но и это еще не все, ребята! Ведь изотопы имеются не только у водорода, но и у кислорода! Помимо обычного кислорода-16, существуют еще стабильные изотопы О17 и О18. Вода с такими тяжелыми изотопами кислорода называется тяжелокислородной.
И если теперь записать все возможное количество комбинаций, которые могут составить между собой изотопы кислорода и водорода, получится 18 видов различных «вод». Причем 9 из них стабильные, а 9 других слаборадиоактивные.
Круто?
Так вот, тяжелая вода была нужна Гитлеру, точнее его физикам, как элемент технологического процесса при обогащении оружейного металла — в качестве замедлителя цепной реакции. А тяжелую воду в то время в мире производили только в одном месте — в Норвегии. Норвежцы еще до войны построили в горах под Осло завод по производству тяжелой воды — для лабораторных исследований этого вещества. Поскольку добыча тяжелой воды дело чрезвычайно энергоемкое, завод обеспечивала питанием целая электростанция, которая работала на дармовой энергии водопадов, которых в Норвегии — пруд пруди. Норвегию Гитлер благополучно захватил. Вместе с заводом.
За месяц завод вырабатывал всего 11 килограммов тяжелой воды. А нацистам нужно было несколько тонн, поэтому они дали задание резко повысить производительность. Это удалось сделать, и к 1942 году завод постепенно вышел на производство 4,5 тонн тяжелой воды в год.
Место, где волею судеб оказался завод, считалось неприступным, туда вела всего одна дорога, но фашисты все равно обнесли завод колючей проволокой и выставили охрану, которую несли несколько сотен автоматчиков. Завод прикрывали с воздуха батарея 88-миллиметровых зенитных орудий и несколько счетверенных зенитных установок калибром 20 мм. Радиолокаторов тогда еще не было, поэтому самолеты засекались на дальних подступах с помощью специальных рупоров-звукоуловителей.
Английская разведка донесла про интерес гитлеровцев к тяжелой воде. В Лондоне все сразу поняли и решили завод уничтожить. Но как? Производство находилось в ущелье, под защитой не только пушек и гор, но и многометрового бетонного слоя, поэтому разбомбить его с воздуха было не так-то просто. Решили послать диверсионную группу. И вот в ноябре 1942 года к Норвегии направились два английских бомбардировщика, которые тащили на буксире два планера с десантниками. План был такой — у берегов Норвегии безмоторные и потому бесшумные планеры отцепятся от буксиров, по-тихому подлетят и выбросят диверсантов, которые перебьют охрану и взорвут завод.
Операция полностью провалилась! При подлете буксирующие бомбардировщики попали в зону сложных метеоусловий, из-за пурги и потери видимости один самолет потерпел крушение, врезавшись в гору. У второго обледенел и потому оторвался сильно отяжелевший буксировочный трос. В результате планер совершил аварийную посадку, а экипаж самолета дал на базу открытым текстом тревожную радиограмму, которую, разумеется, перехватили немцы и тоже не на шутку встревожились: а что это в Норвегии делают английские военные самолеты? После чего выслали вооруженный отряд на прочесывание местности. Этот отряд и отловил английских диверсантов, которых по законам военного времени расстреляли, к большому неудовольствию немецкой тайной полиции — гестапо. В гестапо считали, что с расстрелом поторопились, нужно было применить к пленникам пытки и узнать, зачем их послали в Норвегию.
А англичане решили немного переменить тактику. Они заслали в Норвегию диверсантов-парашютистов, и те вошли в контакт с силами норвежского Сопротивления. Норвежцы провели диверсантов к секретному заводу по подземному туннелю, через который тянулись кабели. Под емкости с тяжелой водой были заложены несколько десятков килограммов взрывчатки, и вскоре огромный взрыв сотряс стены завода.
Разрушения были огромны. А главное — пропали все запасы тяжелой воды. Раздосадованным немцам потребовалось целых полгода, чтобы восстановить производство. На сей раз они усилили меры безопасности так, что никакие диверсанты на завод проникнуть уже не могли.
Англичане снова взялись за голову и начали думать, что же делать в такой ситуации. И придумали. Тяжелую воду отправляли в Германию на кораблях. Нельзя уничтожить ее на заводе, так давайте топить корабли!.. Норвежские подпольщики сообщали английской разведке, когда и на каком судне повезут очередную партию тяжелой воды, и англичане устраивали налет, стараясь затопить судно.
А параллельно решили попробовать все-таки тот вариант, от которого отказались вначале — бомбардировку завода. И в ноябре 1943 года направили на этот маленький заводик целых 140 бомбардировщиков, которые сбросили 80 бомб. Но завод, удачно расположенный и защищенный, уцелел. Была разрушена только электростанция.
Не дожидаясь второго налета, который мог оказаться более удачным, немцы решили от греха подальше перевезти всю наработанную к тому времени тяжелую воду в Германию. На тот момент ее скопилось на складе 15 тонн. Перевозить цистерны должны были на корабле «Гидро», о чем английской разведке стало известно. Они отдали приказ норвежским подпольщикам взорвать корабль. И те сделали это, пронеся на борт бомбу с часовым механизмом — несмотря на то, что на судне плыли ни в чем не повинные мирные граждане. Они погибли вместе с кораблем.
Правда, по всей видимости, немцам удалось-таки обмануть английскую разведку! Когда в 2006 году норвежские водолазы обследовали затонувший «Гидро», на его борту обнаружили не 15, а всего полтонны тяжелой воды. А где остальные 14,5 тонн? По всей видимости, погрузка на «Гидро» была отвлекающим маневром для английской разведки, а тяжелую воду немцы переправили в Германию каким-то другим способом.
Но изготовить ядерную бомбу до конца войны они так и не успели. Первыми атомную бомбу сделали американцы и даже успели ее применить в войне с Японией. Урановую бомбу они сбросили на японский город Хиросиму, а плутониевую — на город Нагасаки.
Хиросима была уничтожена практически полностью, там одномоментно погибло 80 тысяч мирных жителей, причем среди них были и американские военнопленные. В Нагасаки погибло 75 тысяч мирных жителей. И впоследствии еще десятки тысяч в обоих городах умерли от лучевой болезни.
Это было первое и последнее военное применение ядерного оружия в истории земной цивилизации.
Нейтронная бомба
Через какое-то время после того, как физики открыли три вида ионизирующего излучения (альфа, бета, гамма), они обнаружили еще один вид — нейтронное излучение. Из названия понятно, что нейтронное излучение — это просто поток энергичных нейтронов, летящих с большой скоростью. Они очень опасны при проникновении в тело. Поэтому была даже придумана нейтронная бомба (разновидность атомной бомбы), которая при взрыве давала сравнительно небольшие разрушения зданий и сооружений, но убивала все живое мощным нейтронным излучением. Нейтронное оружие никогда не применялось, но идея была именно такой — выкосить излучением живую силу противника.
Нейтронное излучение легко прошивает даже танковую броню толщиной в 15–20 сантиметров. На это и был расчет у изобретателей. Никто не укроется!.. Однако вскоре выяснилось, что нейтроны легко задерживаются материалами, содержащими водород — водой, полиэтиленом, парафином, из которого свечи делают. Недорогие добавки к броне надежно защищали экипаж, а простая полуметровая насыпь из влажного грунта, за которой могли спрятаться пехотинцы, ослабляла нейтронное излучение в сто раз.
Правда, у нейтронного излучения есть еще вторичный фактор поражения — взаимодействуя с различными веществами, нейтроны могут создавать радиоактивные изотопы в этом веществе. Мы помним, что изотоп — это атом, в ядре которого есть лишние нейтроны. Так вот, если вещество наберется этих шальных нейтронов, в изобилии летящих от бомбы, оно потом начинает само излучать.
Поэтому нейтронную бомбу еще называют грязной бомбой.
Оригинал взят у 
don_kikhot в Инструкция по изготовлению атомной бомбы
Возьмите два куска обогащенного урана и распилите их на четыре части.
Все.. Атомная бомба готова…
Если четыре распиленные части соединить вместе (и посильнее надавить), то, в случае превышения критической массы, между ними начнется неуправляемая цепная реакция деления ядер, которая приведет к ядерному взрыву.
А можно еще проще: возьмите два куска обогащенного урана, такие, чтобы их общий вес превышал 50 кг. Распиливать ничего не надо. Глубоко вдохните (в последний раз) и соедините их вместе. Будет «ба-бах». И не просто «ба-бах», а грандиозный «ба-бах». Такой «ба-бах», что мало никому не покажется.
Принцип действия атомной бомбы основан на физических свойствах вещества.
А вы думали, что атомная бомба – это сложно?
Сложно – это достать обогащенный уран.
Сложно – это не получить смертельную дозу радиоактивного облучения во время работы с обогащенным ураном.
Сложно – это сделать ракету, которая доставит атомную бомбу к месту назначения.
Сложно – это сделать так, чтобы атомная бомба не взорвалась раньше времени.
И еще много других «сложно»…
А сама по себе, атомная бомба – это не сложно. Компьютер, по которому вы читаете эту заметку, конструктивно гораздо сложнее атомной бомбы.
Так что, если какая-нибудь страна говорит, что атомная энергия им нужна исключительно в мирных целях, им надо верить. Они говорят правду. Но если в будущем звезды на небе сойдутся
[Error: Irreparable invalid markup (‘<span […] </span>’) in entry. Owner must fix manually. Raw contents below.]
Оригинал взят у <lj user=»kiril_soltisuk» /> в <a href=»http://kiril-soltisuk.livejournal.com/16273.html»>Инструкция по изготовлению атомной бомбы</a><div class=»repost»><a href=»http://kiril-soltisuk.livejournal.com/pics/catalog/411/14985″ target=»_blank»><img alt=»n_bomb» src=»http://ic.pics.livejournal.com/kiril_soltisuk/32694210/14985/14985_original.gif» title=»n_bomb» width=»400″ /></a>
<p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Возьмите два куска обогащенного урана и распилите их на четыре части.</span></p><lj-cut>
<p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Все.. Атомная бомба готова…</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Если четыре распиленные части соединить вместе (и посильнее надавить), то, в случае превышения критической массы, между ними начнется неуправляемая цепная реакция деления ядер, которая приведет к ядерному взрыву.
А можно еще проще: возьмите два куска обогащенного урана, такие, чтобы их общий вес превышал 50 кг. Распиливать ничего не надо. Глубоко вдохните (в последний раз) и соедините их вместе. Будет "ба-бах". И не просто "ба-бах", а грандиозный "ба-бах". Такой "ба-бах", что мало никому не покажется.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Принцип действия атомной бомбы основан на физических свойствах вещества.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>А вы думали, что атомная бомба – это сложно?</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Сложно – это достать обогащенный уран.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Сложно – это не получить смертельную дозу радиоактивного облучения во время работы с обогащенным ураном.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Сложно – это сделать ракету, которая доставит атомную бомбу к месту назначения.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Сложно – это сделать так, чтобы атомная бомба не взорвалась раньше времени.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>И еще много других «сложно»…</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>А сама по себе, атомная бомба – это не сложно. Компьютер, по которому вы читаете эту заметку, конструктивно гораздо сложнее атомной бомбы.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>Так что, если какая-нибудь страна говорит, что атомная энергия им нужна исключительно в мирных целях, им надо верить. Они говорят правду. Но если в будущем звезды на небе сойдутся</span><span style=»font-size: large;» </span><span style=»font-size: large;»>так</span><span style=»font-size: large; text-indent: 27pt;»>, что они передумают, обогащенный уран, а следовательно, атомная бомба будут в их распоряжении.</span></p><p style=»text-indent:27.0pt;»></p><p style=»text-indent:27.0pt;»><span style=»font-size:large;»>А дальше – включайте фантазию…</span><lj-repost button=»Разместить у себя на странице»></lj-repost></p></lj-cut></div>
Лекция
о принципах действия и устройстве ядерного оружия.
(10-11
класс)
1.Введение
Джинн
был выпущен из бутылки в августе 1942 года, когда официально были начаты работы
по созданию атомной бомбы — «Манхэттенский проект». 16 июля 1945 года
в 5:29:45 на полигоне в штате Нью-Мексико в ходе операции «Trinity»
был взорван первый плутониевый заряд «Gadget», мощностью в 20 кТ.
Итак,
что же такое ядерный взрыв?
Действие
ядерного оружия основано на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся
при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана или плутония
и при термоядерных реакциях синтеза легких ядер изотопов водорода в более
тяжелые.
Развитие
взрыва ядерного заряда любого вида начинается с цепной ядерной реакции деления.
Осколки деления, нейтроны, бета частицы и гамма-излучения, несущие энергию,
освободившуюся при взрыве, взаимодействуя с атомами не прореагировавшей части
вещества заряда, передают им большую часть своей энергии, в результате чего в
зоне реакции возникает температура в десятки миллионов градусов.
При
ядерном взрыве происходит чрезвычайно быстрое (доли мкс) выделение энергии, при
этом температура в зоне реакции достигает десятков миллионов градусов, а
давление — около миллиарда атмосфер. Он сопровождается ослепительной вспышкой и
громовым звуком. После вспышки образуется огненный шар, а при наземном взрыве —
огненное полушарие, исчезающее через несколько секунд. На месте огненного шара
появляется клубящееся грибовидное облако, увлекающее за собой на большую высоту
сотни, тысячи тонн измельченного и подвергшегося радиоактивному заражению
грунта. Облако может разносится ветром на сотни километров от взрыва.
Мощность
ядерных боеприпасов принято измерять в тротиловом эквиваленте, т.е. количеством
обычного взрывчатого вещества (тротила), при взрыве которого выделяется столько
же энергии, что и при взрыве данного ядерного боезапаса. По мощности ядерные
боеприпасы условно подразделяют на сверхмалые (мощностью до 1 кт), малые (1 —
10 кт), средние (10 — 100 кт), крупные (100 кт — 1 Мт), сверхкрупные (свыше 1
Мт).
2.Пушечная схема
Прежде
чем создать простейшую атомную бомбу необходимо разделить изотопы природного
урана газодиффузионным способом с тысячекратными повторениями цикла. Почему
возможно и почему так много циклов? Потому что уран оружейный – У-235 – имеет
массовое различие с неоружейным изотопом У-238 на целых три нуклона: 238 – 235
= 3. Это достаточно много: 0.0127659, или, грубо, 1.28 %. Соответственно, на
этот процент и даже меньше произойдёт разделение при одной прогонке через
разделительную систему ( не вдаваясь в её подробности ) – возможности
разделения таки успевают «поймать», «зацепить» это массовое отличие изотопов
урана и сработать, хотя и слабо, но сработать. А для увеличения степени
разделения это «слабо» повторяют 3-5 тысяч раз. В итоге разделённость
накапливается, и мы получаем У-235.
Подрыв
боеприпаса осуществляется крайне быстрым (1-2 км/с) соединением 2-х кусков
урана, которые вместе образуют критическую массу. При этом необходимо как можно
дольше удерживать уран в критическом состоянии для получения достаточной
мощности взрыва. Иначе бомба разрушится раньше чем прореагирует большая часть
вещества.
3.
Имплозия
А вот
плутоний разделить центрифугирование нельзя. Почему? А потому что у него два
изотопа, оружейный и не оружейный, отличаются лишь на один нуклон – их атомные
массы соседние: оружейный 239 и не оружейный 240 ( другие изотопы, Пл-238,
Пл-241, Пл-242, Пл-243 и Пл-244 не рассматриваем в данном эссе ). 1/239 =
0.0041841, или 0.42%. Такое различие промышленные «урановые методы» разделения
уже «не зацепляют». Оружейный плутоний получают синтетическим путем в
специальных оружейных реакторах. Металлургия плутония – крайне сложная
технология, доступная только развитым в промышленном отношении странам.
Плутоний
компактной отливки всегда тёплый на ощупь, он имеет температуру 50-60 градусов
от непрерывно идущей реакции. Сто грамм плутония выделяют примерно столько же
тепла, сколько сто грамм человеческого тела за счёт метаболизма. Плутоний
заманчив, поскольку его критическая масса может быть 5
кг, а не 50, как у урана. 5 кг плутония – это примерно размер куриного желтка.
Кусок размером в яйцо даст взрыв в 20 килотонн. Но как его подорвать? При
сближении он начнёт ускорять энерговыделение с такой скоростью, что никакая
пушечная схема не поможет. Нужны скорости 10-12 и более км в сек. Никакая
взрывчатка до таких скоростей никакой осколок разогнать неспособна. Разгон
массы – затраты энергии, и чем выше скорость разгоняемой массы, тем больше в
неё надо вложить энергии. А взрывные процессы скоротечны. Да и напора энергии
того нет – химическая реакция имеет свои ограничения в этом смысле.
Но
плутоний – удивительный металл во многих отношениях. Он имеет, например, шесть
( а смотря как считать и семь ) разных фазовых состояний – более, чем любой
другой химический элемент. В некоторых своих фазовых формах он при нагревании
сжимается, а не расширяется, как все нормальные металлы и вещества. При
переходе из одной фазы в другую он может менять аномально плотность — на 25% !
Причем при трёхстах градусах он находится в легкой дельта-фазе, а с понижением
температуры оседает в плотную альфа-фазу с этим самым увеличение плотности на
25%. Дельта-фаза нестабильна и возвращается в альфа-фазу при комнатной
температуре и атмосферном давлении, но если добавить в плутоний чуточку галлия,
процента три, стабилизировав его, то дельта-фаза будет метастабильна –
останется таковой уже и при комнатной температуре. А вот если её обжать
давлением 1 килобар, то он сожмётся в плотную альфа-фазу с ростом плотности.
Вот
отсюда и начали подбираться к его взрыву. Если кусок плутония поместить в
сильное нейтронное поле, в плотный импульс нейтронов, чтобы до критических
условий оставалось немного, а потом увеличить плотность на 25% так, чтобы эти
критические условия были пройдены и наступили условия сверхкритические, то
цепная ядерная реакция запустится и кусок взорвётся. Нужно два фактора: создать
мощное нейтронное поле исходного куска и затем в этом плотном нейтронном поле
обжать его для перевода в сверхкритическое состояние. Чем? Взрывом взрывчатки
со всех сторон куска! Если взять очень мощную взрывчатку, то скорость её
ударной волны будет ( а тем более в металле ) порядка 5-6 км/сек с каждой
стороны куска. С обоих сторон сложить – будет 10-12
км в сек. А взрывное давление в этой ударной волне, проходя по куску, обожмёт
его в плотную альфа-фазу. Причем скорость 5-6 км/сек будет реальной – мы ведь
не разгоняем массу, это скорость не тела, а ударной волны! Скорость звука в
рельсе от удара молотком тоже несколько км/сек.
Вот
оно, решение, ключ к подрыву плутония: надо организовать точный и быстрый
подрыв взрывчатки со всех сторон куска плутония в исходной «лёгкой» фазе,
который очень быстро переведёт плутоний из лёгкой кристаллической фазы в плотную,
и погрузить его одновременно в очень плотное нейтронное поле. Это поле
создаётся специальным устройством, или компонентом бомбы, так называемым ИНИ,
импульсным нейтронным инициатором. Он, при срабатывании даёт пиковый выброс
нейтронов и нейтронный поток высокой плотности. В этот момент со многих точек строго
одновременно, с управлением на микросекундном уровне, то есть с точностью одна
миллионная секунды, даётся подрыв слоя взрывчатки вокруг плутония. Возникает
направленный внутрь сферический взрыв – имплозия. Главное – это взрыв,
направленный внутрь и обжимающий объект. При этом она должна быть очень точной
– при малейших перекосах и неравномерностях ударной волны ядро из плутония
будет раздроблено в пыль бризантным действием. И только при совершенно симметричном,
со всех сторон, нажатием ударной волной плутониевому ядру некуда будет
дробиться, все потенциальные осколки, наоборот, будут сжиматься к центру –
плутоний без разрушения перейдёт в плотную альфа-фазу. Поэтому имплозия должна
быть очень высокого качества – прежде всего по скорости и равномерности, ну и
по стабильному давлению во фронте волны. Качество имплозии – ключ к подрыву.
4.
Термоядерная реакция
Термоя́дерная
реа́кция (синоним: ядерная реакция синтеза) —
разновидность ядерной
реакции, при которой легкие атомные
ядра объединяются в более тяжелые.
Для
того чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силу
электростатического отталкивания (см. ниже), для этого
они должны иметь большую кинетическую энергию. Если предположить, что кинетическая
энергия ядер определяется их тепловым движением то можно сказать, что для
реакции синтеза нужна большая температура.
Поэтому реакция названа «термоядерной».
5. Слойка
Идея
«слойки», пришла на ум сначала Теллеру, потом в 1948 А. Д. Сахарову,
затем британским ученым. Но будучи тупиковой ветвью развития термоядерных
систем отмерла в СССР после американских тестов Ivy Mike и Castle Bravo. По
схеме «слойка» в Советском Союзе создана бомба РДС-6с (12 августа
1953 400 кт с тритиевым усилением: 40 кт — триггер, 60-80 кт синтез, остальное
— деление урановых оболочек; 250 кт без трития), а в Англии этот дизайн вылился
в Orange Herald (31 мая 1957, 720 кт: 300 кт — триггер).
Одна из
первых и самая ясная идея построения термоядерного заряда закдючается в простом
окружении ядра делящейся атомной бомбы слоем термоядерного горючего. Излучение
от атомного взрыва способно сжать 7-16 слоев горючего, перемежающегося со
слоями делящегося материала и нагреть его примерно до такой же температуры, как
и само делящиеся ядро. Впервые эту идею высказал Э. Теллер в 1946 году. Эта
система обладала целым рядом потенциальных преимуществ. Быстрые нейтроны,
рожденные при реакциях в слоях термоядерного горючего, должны были вызвать
деления в соседних слоях делящихся материалов, что должно было приводить к
заметному увеличению энерговыделения. В результате ионизационного сжатия
термоядерного горючего в процессе взрыва должна была сильно увеличиться его
плотность и резко возрасти скорость термоядерных реакций.
Расчеты показывают, что при температурах
атомного взрыва может начаться только одна реакция — дейтерия с тритием:
D + T
-> He4 + n + 17.588 MeV
это требовало бы
использования очень дорогого и столь же неудобного трития.
В сентябре 1947 Теллер предложил использовать новое
термоядерное горючее — дейтерид лития-6. Это должно было привести к
значительному увеличению производства трития в процессе самой реакции и тем
самым заметно увеличить эффективность термоядерного горения
Li6 + n -> T + He4 + 4.78 MeV
требовался по
меньшей мере 12-см слой дейтерида, чтобы полностью утилизировать все
поступающие от первичного заряда нейтроны. А еще реакция распада лития, кроме
производства трития, еще больше повышала температуру, помогая начаться синтезу.
Захват всех нейтронов создаст выделение энергии примерно в 2.5% от мощности
триггера. И все это тепло поступит непосредственно в горючие.
Урановые
оболочки, окружающие термоядерное топливо, первоначально выполняют роль
теплоизоляторов, не давая энергии выйти за пределы капсулы с топливом. Без них
горючие, состоящие из легких элементов и поэтому полностью ионизированное, было
бы абсолютно прозрачно для теплового излучения, и не прогрелось бы до высоких
температур. Непрозрачный уран, поглощая эту энергию, возвращает часть ее
обратно в топливо. Кроме того, они увеличивают сжатие горючего путем
сдерживания его теплового расширения. На втором этапе, уран подвергается
распаду за счет нейтронов, появившихся при синтезе. Это настолько усиливает
энергетический выход, что схема становится более-менее актуальной для
реализации.
6.
Схема с неограниченным энерговыделением
Идея Теллера-Улама
использует тот факт, что при обычном атомном взрыве 80% энергии выделяется в
виде мягких рентгеновских лучей, а не в виде осколков деления. Естественно,
рентгеновские лучи намного опережают расширяющиеся (со скоростью около 1000
км/с) остатки плутония. Это позволяет использовать их для сжатия и поджога
отдельной емкости с термоядерным горючим (второй ступени), путем обжатия
излучением, до того, как расширяющийся первичный заряд разрушит ее.
В материале все это воплощается следующим образом. Компоненты бомбы
помещаются в цилиндрический корпус с пусковым атомным зарядом
(«триггером») на одном конце. Термоядерное топливо в виде цилиндра
или эллипсоида помещается в корпус-толкатель — слой очень плотного материала — урана/вольфрама.
Внутри цилиндра аксиально помещен стержень из Pu-239 или U-235, 2-3
см в диаметре. Все оставшееся пространство корпуса заполняется пластмассой.
Триггер от цилиндра с горючим отделен защитной крышкой из урана или вольфрама.
После
взрыва пускового заряда рентгеновские лучи, испускаемые из области реакции
деления, распространяются по пластмассовому наполнителю. Основные составляющие
пластмассы — атомы углерода и водорода, которые полностью ионизируются и
становятся совершенно прозрачными для рентгена. Урановый экран между триггером
и капсулой с горючим, а так же сам корпус капсулы предотвращают преждевременный
нагрев дейтерида лития. Тепловое равновесие устанавливается чрезвычайно быстро,
так что температура и плотность энергии сохраняются постоянными на всем пути
распространения излучения. Когда урановый корпус бомбы нагревается, то начинает
расширяться и охлаждаться путем уноса массы (абляции). Явление уноса, подобно
огненной струи ракетного двигателя направленного внутрь капсулы, развивает
огромное давление на термоядерное горючие, вызывая прогрессирующее его обжатие.
Установившееся тепловое равновесие обеспечивает равномерность распределения
давления со всех сторон.
Примечание.
Безусловно, что после срабатывания первичного заряда «корпус» капсулы
(да и вообще всё устройство) представляет собой многократно ионизированную
плазму, именно так это и надо понимать в дальнейшем.
Прозрачная углеродно-водородная плазма тормозит раннее расширение
плазм корпусов капсулы и всей бомбы, сохраняя канал для распространения
рентгеновского излучения от перекрытия его тяжелыми атомами корпусов.
Сила, сжимающая и ускоряющая термоядерное горючие, развивается
исключительно благодаря абляции. Два остальных возможных источника давления —
давление плазмы (давление, развиваемое тепловым движением плазмы между
корпусами) и давление рентгеновских фотонов — не оказывают непосредственного
влияния на обжатие.
Оказываемое на капсулу (состоящую из уранового корпуса, горючего и
стержня из делящегося материала) давление приводит к цилиндрической (либо
сферической) имплозии, уменьшая ее диаметр примерно в 30 (10) раз. Плотность
материала капсулы возрастает в 1000 раз. Это большее сжатие, чем производимое
взрывчатой оболочкой триггера на его плутониевое ядро, поскольку энергия, достаточная
для уничтожения небольшого города, тратится на сжатие нескольких килограммов
топлива. Но этого еще недостаточно.
Вместе с тем маловероятно, что стержень внутри капсулы подвергается
такому экстремальному сжатию. Находящийся в центре, он воспринимает очень
сильное ударное воздействие и разогревается до высокой температуры, при этом
сжимаясь в ~4 раза. Однако этого хватает для приведения его в надкритическое
состояние. Быстрые нейтроны, в избытке имеющиеся при делении триггера,
замедляются дейтеридом лития до тепловых скоростей и начинают цепную реакцию в
стержне так скоро, как быстро он переходит в сверхкритическое состояние. Его
взрыв, действующий наподобие «запальной свечи», вызывает еще большее
увеличивает давления и температуры в центре капсулы, делая их достаточными для
разжигания термоядерной реакции. Далее, самоподдерживающаяся реакция горения
двигается к внешним областям капсулы с топливом. Корпус капсулы мешает выходу
теплового излучения за ее пределы, значительно увеличивая эффективность горения.
Температуры, возникающие в ходе термоядерной реакции многократно превышают
образующиеся при цепном делении (до 300 миллионов °K). С ростом температуры
растет и скорость прохождения реакций.
Все это происходит примерно в полтора миллиарда раза быстрее, чем
заняло это описание — всего за несколько сотен наносекунд.
Для срабатывания этой схемы крайне важны условия симметрии заряда и
точного соблюдения условий эффективной лучевой имплозии. Так, например, неудача
эксперимента Koon, в ходе операции Castle, произошла из-за ошибки в проекте
устройства. Нейтронный поток от пускового заряда достиг второй ступени,
предразогрев ее, и таким образом, помешав ее эффективному обжатию. Остальные
изделия, испытанные в Castle, содержали бор-10, служащий хорошим поглотителем
нейтронов и снижающим этот эффект предварительного разогрева термоядерного
топлива.
Двухступенчатая схема Теллера-Улама позволяет создавать столь
мощные заряды, на сколько хватит мощности триггера для сверхбыстрого обжатия
большого количества горючего. Для дальнейшего увеличения величины заряда можно
использовать энергию второй ступени для сжатия третьей. Вообще, на каждой
стадии в таких устройствах возможно усиление мощности в 10-100 раз.
7.
Кузькина мать
Сила
взрыва в 100 Мт обеспечит полное уничтожение прилегающей территории на
расстоянии в 35 км, серьезные повреждения на 50
км и ожоги третьей степени на дистанции в 77
км. Такое оружие способно разрушить целый регион — мегаполис со всеми
пригородами.
Максимальная мощность бомбы 100 Мт для испытания была снижена
вдвое, заменой урановой оболочки третьей ступени заряда на свинцовую. Это
снизило вклад урановой части с 51.5 до 1.5 Мт. Однако заряд мощностью в 50 Мт
все равно является максимальным из когда-либо произведенных и испытанных.
Бомба имеет трехступенчатую схему. Выход 50% мощности обеспечивался
термоядерной частью, а вторые 50% — за счет деления урановых корпусов третьей и
второй ступеней нейтронами термоядерной реакции.
Безусловно,
это было экспериментальное устройство, испытание которого имело сугубо
политическое и психологическое значение, необходимое для доказательства военной
мощи Советского Союза. Ибо такой заряд, пусть даже в виде конструкционно
завершенной бомбы, способный обеспечить выход 100 Мт — все-таки это не
поставленный на вооружение образец, для которого решены проблемы доставки в
боевых условиях и безопасного и длительного хранения.
Если
бы бомба испытывалась с номинальным зарядом 100 Мт, это привело бы к
сильнейшему радиоактивному заражению местности, увеличив общемировой выброс
радиации (на тот момент) на 25%. Впрочем, даже несмотря на взрыв
«чистой» версии, где 97% энергии выделялось за счет термоядерных
реакций, испытание послужило причиной беспрецедентного выхода радиоактивных
изотопов в атмосферу. Дальнейшее разработка, модернизация и производство бомбы
не производилась.
8. Поражающие факторы ядерного взрыва
Ударная волна —
область резкого сжатия среды, распространяющаяся во все стороны от места взрыва
со сверхзвуковой скоростью. В зависимости от среды распространения различают
ударную волну в воздухе, в воде или грунте (сейсмовзрывные волны). Ударная
волна образуется за счёт колоссальной энергии, выделяемой в зоне реакции, где
образуется исключительно высокая температура, а давление достигает миллиардов
атмосфер. Вблизи центра взрыва скорость распространения волны в несколько раз
превышает скорость звука. На больших расстояниях она переходит в обычную
акустическую волну и приближается к скорости звука.
Ударная волна может нанести незащищённым людям и животным
травмы, контузии или быть причиной их гибели. Непосредственное поражение
ударной волной приводит к перемещению тела человека в пространстве. Косвенные
поражения люди и животные получают под воздействием летящих с большой скоростью
осколков стекла, камней, дерева и других предметов. Ударная волна может нанести
человеку от лёгких до крайне тяжёлых травм. Воздействуя на здания и сооружения,
ударная волна наносит им слабые, средние, сильные или полные разрушения. Объём
разрушений зависит от характера строений, их этажности и плотности застройки.
Световое излучение, по своей природе — поток лучистой
энергии оптического диапазона — близок к спектру солнечного излучения. Источник
светового излучения — светящаяся область взрыва, состоящая из нагретых до
высоких температур веществ ядерного боеприпаса, воздуха и грунта. Температура
светящейся области некоторое время сравнима с температурой на Солнце (8000 — 10
000оС). Продолжительность действия — до десятков секунд.
При воздействии на людей световое излучение вызывает ожоги
открытых участков тела, временное ослепление или ожог сетчатки глаза. Возможны
вторичные ожоги от горящих зданий, растительности, воспламенившейся или тлеющей
одежды. По данным иностранной печати, в гг. Хиросима и Нагасаки примерно 50%
всех смертельных случаев было вызвано ожогами, из них 20 — 30% —
непосредственно световым излучением и 70 — 80% — ожогами от пожаров. Т.к.
световое излучение распространяется прямолинейно, то любая непрозрачная
преграда, любой объект, дающий тень, может служить защитой от него. Тепловое
воздействие светового излучения на материалы приводит к пожарам за многие
километры от эпицентра взрыва. Так, при воздушном ядерном взрыве мощностью 1 Мт
в ясную солнечную погоду деревянные строения воспламеняются на расстоянии до 20
км от центра взрыва.
Проникающая радиация представляет собой гамма-излучение и
поток нейтронов, испускаемых в окружающую среду из зоны ядерного взрыва. Кроме
этого, выделяются ионизирующие излучения в виде альфа- и бета-частиц, но из-за
малого свободного пробега их воздействием на людей и материалы пренебрегают.
Время действия проникающей радиации не превышает 10 — 15 секунд с момента
взрыва.
Основные параметры, характеризующие ионизирующее излучение
— доза и мощность дозы излучения, поток и плотность потока энергии.
Ионизирующая (повреждающая) способность гамма-лучей характеризуется
экспозиционной дозой излучения и на практике измеряется в рентгенах (Р).
Мощность экспозиционной дозы измеряется в Р/ч.
Распространяясь в среде, гамма-излучение изменяет
физическую структуру вещества. При ионизации атомы и молекулы клеток живой
ткани за счёт нарушения химических связей и распада жизненно важных веществ
погибают или теряют способность к дальнейшей жизнедеятельности.
При воздействии проникающей радиации у людей и животных
может возникнуть лучевая болезнь, степень которой зависит от экспозиционной
дозы излучения, времени воздействия, площади облаков излучения тела и общего
состояния организма. Доза 50 — 80 Р, полученная за первые четверо суток
(однократная доза), не вызывает поражения и потерю трудоспособности у людей, за
исключением некоторых изменений крови. При общей экспозиционной дозе 100 — 200
Р возникает лучевая болезнь I степени, которая излечима; при дозе 200 — 400 Р —
лучевая болезнь II степени (возможны смертельные исходы — до 20%); при 400 —
600 Р — лучевая болезнь III степени (20 — 70% смертельных исходов, чаще от
инфекционных осложнений или кровотечений); 600 Р и более — лучевая болезнь IV
степени (без лечения заканчивается смертью в течение двух недель).
Безопасной для человека является однократно поглощенная
экспозиционная доза излучения — 50 Р. Проникающая радиация вызывает обратимые и
необратимые изменения в материалах, элементах радиотехнической, оптической,
электронной аппаратуры.
Электромагнитный импульс (ЭМИ) — кратковременное магнитное
поле, возникающее при взрыве ядерного заряда в результате взаимодействия
гамма-лучей и нейтронов с атомами окружающей среды. ЭМИ непосредственного
действия на человека не оказывает. В момент взрыва на доли секунд возникает
импульс электрического тока и появляется разность потенциалов относительно
земли в линиях связи, сигнализации, на металлоконструкциях. При этом может
произойти пробой изоляции кабелей, повреждение входных элементов аппаратуры,
выгорание плавких вставок предохранителей и т.д. Кроме этого, высокие
потенциалы относительно земли на металлоконструкциях опасны для обслуживающего
персонала.
Радиоактивное заражение имеет ряд особенностей: большая
площадь заражения; длительность сохранения поражающего действия (дни, недели,
месяцы); трудность обнаружения радиоактивных веществ. При наземном взрыве
огненный шар касается поверхности земли. Окружающая среда сильно нагревается.
Значительная часть грунта и скальных пород испаряется и захватывается огненным
шаром. Радиоактивные вещества оседают на расплавленных частицах грунта. В
результате образуется мощное облако, состоящее из огромного количества
радиоактивных и неактивных частиц. За 7 — 10 минут облако поднимается и
достигает своей максимальной высоты, стабилизируется, приобретает грибовидную
форму и под действием воздушных потоков перемещается в определённом
направлении. Большая часть осадков выпадает в течение первых 10 — 20 часов. При
этом происходит заражение поверхности земли, воздуха, воды, материальных
объектов.
Местность считается зараженной при уровне радиации 0,5 Р/ч.
Introduction: How to Make a Atomic Bomb Model
In this instructable I will show you how to make an atomic bomb model from very simple components. In this bomb model you will reuse and recycle many materials that you may throw it, so you can benefit from it.
Step 1: How It Works
After putting the switch keys in the atomic bomb, the bomb is thrown , when it reaches a specific height the barometric sensors catch that signal and initiate sparks in conventional explosives( TNT) which propel the sub critical mass of uranium 235 into another sub critical mass of uranium 235 that contains in its core a neutron intiator , when the two masses are together they are called critical mass .neutron core intiates the chain reaction of nuclear fission of uranium 235 and the bomb is exploded resulting a big amount of energy and gives electromagnetic radiation.
Step 2: Components and Materials
- plastic gallon
- blade
- spray paint
- wires
- glue gun and glue
- wooden sticks
- pvc tube
- cartoon tube
- marker
scissor
Step 3: Cut the Gallon
- By using a blade, cut the gallon in half.
Step 4: Paint It
- Paint the gallon using a spray.
Step 5: Take Off the Handle
- Take off the handle of the gallon.
Step 6: Painting
- After painting the gallon, paint the small pvc tube.
Step 7: Designing
- Cut from a paper the proper letters that you need, here it is TNT.
- Glue the letters on the TNT (pvc) cylinder.
Step 8: Gluing
- Glue the TNT cylinder to the top side of the gallon.
- Glue the green pvc tube in side the gallon through it’s center.
- Glue the cartoon cylinder at the other side of the gallon.
Step 9: Glue the Pvc Cylinder
- Add TNT pvc cylinder to the upper part of the gallon.
Step 10: Add the Sub Critical Mass Model
- Add an cartoon cylinder to the bottom of the gallon.
- Type on it the needed information (U-235 sub critical mass)
Step 11: Add the Pvc Tube
- Glue the pvc tube after putting it in the middle of the bomb structure.
- This tube is the uranium barrel that should pass through it.
Step 12: Labeling
- Label the tube from the TNT side .
- Write uranium sub critical mass and it’s symbol.
Step 13: Building the Rear Part
- Cut four card boards into equal rectangles.
- Join the four cards together using a glue gun.
Step 14: Add the Wooden Sticks
- Cut four equal wooden sticks to support the rear part.
- Glue the sticks to terminals of the rear part (rectangle).
Step 15: Paint the Rear Part
Step 16: Adding Wires
- Collect many colors of electric wires that gives it the real view.
- Glue the wires randomly inside the structure
Step 17: Form the Barometric Sensors
- Cut two small cartoon cards.
- Cut four small wooden sticks.
Step 18: Glue the Barometric Sensors
Glue them at the center of the model.
Step 19: Add the Rear Part
- Add the rear part to the whole structure.
- Add it using glue gun and scotch.