Критична маса за ядрена експлозия. Разделяне на атомни ядра

Мистериозно устройство, способно да отделя гигаджаули енергия за неописуемо малко време, е заобиколено от зловеща романтика. Излишно е да казвам, че по целия свят се работи ядрени оръжиябили дълбоко секретни, а самата бомба била обрасла с маса от легенди и митове. Нека се опитаме да се справим с тях по ред.

Андрей Суворов

Нищо не е толкова интересно като атомната бомба

август 1945г. Ърнест Орландо Лорънс в лабораторията за атомна бомба

1954 година. Осем години след експлозията на атола Бикини японски учени откриха високо ниворадиация от риба, уловена в местни води

Критична маса

Всеки е чувал, че има определена критична маса, която трябва да се натрупа, за да започне верижна ядрена реакция. Но за да се случи истински ядрен взрив, само критичната маса не е достатъчна - реакцията ще спре почти мигновено, преди забележимата енергия да има време да се освободи. За пълномащабна експлозия от няколко килотона или десетки килотона е необходимо едновременно да се съберат две или три, а за предпочитане четири или пет критични маси.

Изглежда очевидно, че трябва да направите две или повече части от уран или плутоний и да ги свържете в необходимия момент. За да бъдем честни, трябва да се каже, че физиците са мислили същото, когато са предприели изграждането на ядрена бомба. Но реалността направи свои собствени корекции.

Факт е, че ако имахме много чист уран-235 или плутоний-239, можехме да го направим, но учените трябваше да се справят с истински метали. Обогатявайки естествен уран, можете да направите смес, съдържаща 90% уран-235 и 10% уран-238, опитите да се отървете от останалия уран-238 водят до много бързо покачване на цената на този материал (нарича се силно обогатен уран). Плутоний-239, който се получава в ядрен реактор от уран-238 чрез делене на уран-235, задължително съдържа примес от плутоний-240.

Изотопите уран235 и плутоний239 се наричат четно-нечетни, тъй като ядрата на техните атоми съдържат четен брой протони (92 за уран и 94 за плутоний) и нечетен брой неутрони (съответно 143 и 145). Всички четни и нечетни ядра на тежки елементи имат общо свойство: те рядко се делят спонтанно (учените казват: "спонтанно"), но лесно се делят, когато неутрон влезе в ядрото.

Уран-238 и плутоний-240 са четни-четни. Напротив, те практически не споделят неутрони с ниска и умерена енергия, които се излъчват от делещите се ядра, но от друга страна, те се разделят спонтанно стотици или десетки хиляди пъти по-често, образувайки неутронен фон. Този фон прави много трудно създаването на ядрени оръжия, защото предизвиква преждевременно начало на реакцията, преди двете части на заряда да се срещнат. Поради това в устройство, подготвено за експлозия, части от критичната маса трябва да бъдат разположени достатъчно далеч една от друга и свързани с висока скорост.

Оръдие бомба

Въпреки това бомбата, хвърлена върху Хирошима на 6 август 1945 г., е направена точно по горната схема. Двете му части, целта и куршумът, са направени от силно обогатен уран. Мишената беше цилиндър с диаметър 16 см и височина 16 см. В центъра му имаше дупка с диаметър 10 см. В съответствие с тази дупка беше направен куршумът. Общо бомбата съдържа 64 кг уран.

Целта беше заобиколена от черупка, чийто вътрешен слой беше направен от волфрамов карбид, външният слой беше изработен от стомана. Целта на черупката беше двойна: да задържи куршума, когато удари целта, и да отрази поне част от неутроните, излъчени от урана обратно. Като се вземе предвид неутронният рефлектор, 64 кг бяха 2,3 критични маси. Как излезе това, в края на краищата, всяко от парчетата беше подкритично? Факт е, че премахвайки средната част от цилиндъра, намаляваме средната му плътност и стойността на критичната маса се увеличава. По този начин масата на тази част може да надвиши критичната маса за твърдо парче метал. Но е невъзможно да се увеличи масата на куршума по този начин, защото той трябва да е твърд.

И целта, и куршумът бяха сглобени от парчета: мишена от няколко пръстена с ниска височина и куршум от шест шайби. Причината е проста - урановите заготовки трябваше да са с малки размери, тъй като по време на производството (леене, пресоване) на заготовката, общото количество уран не трябва да се доближава до критичната маса. Куршумът е затворен в тънкостенна обвивка от неръждаема стомана, с покритие от волфрамов карбид, подобно на мишената.

За да насочат куршума към центъра на целта, те решават да използват цевта на конвенционален 76,2 мм зенитно оръдие. Ето защо бомба от този тип понякога се нарича бомба за сглобяване на оръдия. Цевта беше пробита отвътре до 100 мм, за да може такъв необичаен снаряд да влезе в нея. Дължината на цевта беше 180 см. В зареждащата й камера беше зареден обикновен бездимен прах, който изстреля куршум със скорост около 300 м / сек. А другият край на цевта беше притиснат в дупка в мишената черупка.

Този дизайн имаше много недостатъци.

Беше чудовищно опасно: след като барутът беше зареден в камерата за зареждане, всяка авария, която можеше да го възпламени, би накарала бомбата да избухне с пълна мощност. Поради това пироксилинът се зарежда във въздуха, когато самолетът лети към целта.

При самолетна катастрофа урановите части могат да се съединят без барут, просто от силен удар в земята. За да се избегне това, диаметърът на куршума беше с част от милиметъра по-голям от диаметъра на отвора.

Ако бомбата падне във водата, тогава поради забавянето на неутроните във водата реакцията може да започне дори без свързване на частите. Вярно е, че в този случай ядрена експлозия е малко вероятна, но би настъпила термична експлозия с разпръскване на уран върху голяма площ и радиоактивно замърсяване.

Дължината на бомба от този дизайн беше повече от два метра и това е практически неустоимо. В крайна сметка беше достигнато критично състояние и реакцията започна, когато имаше още добър половин метър преди куршума да спре!

И накрая, тази бомба беше много разточителна: по-малко от 1% от урана имаше време да реагира в нея!

Предимството на оръдието бомба беше точно едно: тя не можеше да не работи. Те дори нямаше да я тестват! Но американците трябваше да тестват плутониевата бомба: нейният дизайн беше твърде нов и сложен.

Плутониева футболна топка

Когато се оказа, че дори малка (по-малко от 1%!) примес на плутоний-240 прави невъзможно сглобяването на оръдие за плутониева бомба, физиците бяха принудени да търсят други начини за натрупване на критична маса. А ключът към плутониевия експлозив е намерен от човека, който по-късно става най-известният „ядрен шпионин“ – британският физик Клаус Фукс.

Идеята му, наречена по-късно "имплозия", се състоеше в образуването на сближаваща се сферична ударна вълна от разминаваща се, използвайки така наречените експлозивни лещи. Тази ударна вълна трябваше да компресира парче плутоний, така че плътността му да се удвои.

Ако намаляването на плътността води до увеличаване на критичната маса, тогава увеличаването на плътността трябва да я намали! Това е особено вярно за плутония. Плутоният е много специфичен материал. Когато парче плутоний се охлади от температурата на топене до стайна температура, то претърпява четири фазови прехода. При последния (около 122 градуса) плътността му се увеличава рязко с 10%. В този случай всяка отливка неизбежно се напуква. За да се избегне това, плутоният се легира с някакъв тривалентен метал, след което насипното състояние става стабилно. Можете да използвате алуминий, но през 1945 г. имаше опасения, че алфа-частиците, излъчени от плутониеви ядра по време на тяхното разпадане, ще избият свободни неутрони от алуминиевите ядра, увеличавайки вече забележимия неутронен фон, така че галият е използван в първата атомна бомба.

От сплав, съдържаща 98% плутоний-239, 0,9% плутоний-240 и 0,8% галий, е направена топка с диаметър само 9 см и тегло около 6,5 кг. В центъра на топката имаше кухина с диаметър 2 см и се състоеше от три части: две половини и цилиндър с диаметър 2 см. Този цилиндър служи като запушалка, през която преминава инициатор, източник на неутрони , който се задействаше при експлозия на бомба, можеше да се вкара във вътрешната кухина. И трите части трябваше да бъдат никелирани, тъй като плутоният се окислява много активно от въздуха и водата и е изключително опасен, ако попадне в човешкото тяло.

Топката беше заобиколена от неутронен рефлектор от естествен уран 238 с дебелина 7 см и тегло 120 кг. Уранът е добър отражател на бързите неутрони и когато е сглобен, системата е била само леко подкритична, така че вместо плутониева тапа е поставена кадмиева тапа, която абсорбира неутроните. Рефлекторът също така служи за задържане на всички части на критичния възел по време на реакцията, в противен случай по-голямата част от плутония се разпръсква, без да има време да участва в ядрената реакция.

Следва 11,5-сантиметров слой от алуминиева сплав с тегло 120 кг. Предназначението на слоя е същото като на антирефлексното покритие върху лещите на обектива: да накара взривната вълна да проникне в уран-плутониевата конструкция, а не да се отразява от нея. Това отражение се дължи на голямата разлика в плътността между експлозив и уран (приблизително 1:10). Освен това при ударната вълна вълната на компресия е последвана от вълна на разреждане, така наречения ефект на Тейлър. Алуминиевият слой отслаби вълната на разреждане, което намали ефекта на експлозива. Алуминият трябваше да бъде легиран с бор, който поглъща неутрони, излъчвани от ядрата на алуминиеви атоми под въздействието на алфа частици, произтичащи от разпадането на уран-238.

И накрая, отвън имаше онези "експлозивни лещи". Имаше 32 от тях (20 шестоъгълни и 12 петоъгълни), те образуваха структура, подобна на футболна топка. Всяка леща се състоеше от три части, като средната е изработена от специални „бавни“ експлозиви, а външната и вътрешната от „бързи“. Външната част беше сферична отвън, но отвътре имаше конична вдлъбнатина, като на кумулен заряд, но предназначението му беше различно. Този конус беше пълен с бавни експлозиви и взривната вълна беше пречупена на интерфейса като обикновена светлинна вълна. Но приликата тук е много условна. Всъщност формата на този конус е една от истинските тайни на ядрената бомба.

В средата на 40-те години в света няма компютри, които да могат да се използват за изчисляване на формата на такива лещи, и най-важното, дори нямаше подходяща теория. Следователно те са направени изключително чрез проба и грешка. Трябваше да бъдат извършени повече от хиляда експлозии - и не просто извършени, а заснети със специални високоскоростни камери, регистриращи параметрите на взривната вълна. Когато беше разработена по-малката версия, се оказа, че експлозивите не се мащабират толкова лесно и беше необходимо значително да се коригират старите резултати.

Точността на формата трябваше да се спазва с грешка под един милиметър, а съставът и хомогенността на експлозивите трябваше да се спазват много внимателно. Частите можеха да бъдат направени само чрез леене, така че не всички експлозиви бяха подходящи. Бързият експлозив беше смес от RDX и TNT, с два пъти повече RDX. Бавно - същият TNT, но с добавка на инертен бариев нитрат. Скоростта на детонационната вълна при първия експлозив е 7,9 km / s, а при втория - 4,9 km / s.

В центъра на външната повърхност на всяка леща бяха монтирани детонатори. Всичките 32 детонатора трябваше да стрелят едновременно с нечувана точност - по -малко от 10 наносекунди, тоест милиардни части от секундата! По този начин ударният фронт не трябва да е изкривен с повече от 0,1 мм. Съпоставящите се повърхности на лещите трябваше да бъдат съпоставени със същата прецизност, а грешката при производството им беше десет пъти по-голяма! Трябваше да бърникам и да похарча много тоалетна хартия и тиксо, за да компенсирам неточностите. Но системата е станала малко като теоретичен модел.

Трябваше да измисля нови детонатори: старите не осигуряваха правилната синхронизация. Те са направени на базата на проводници, експлодиращи под мощен импулс на електрически ток. За да ги задействат, са били необходими батерия от 32 високоволтови кондензатора и същия брой високоскоростни искрови междини - по един за всеки детонатор. Цялата система, заедно с батериите и зарядното устройство за кондензатор, тежи почти 200 кг в първата бомба. Въпреки това, в сравнение с теглото на експлозивите, което отне 2,5 тона, това не беше много.

И накрая, цялата конструкция беше затворена в сферично дуралуминиево тяло, което се състоеше от широк колан и два капака - горен и долен, всички тези части бяха сглобени на болтове. Дизайнът на бомбата направи възможно сглобяването й без плутониево ядро. За да се постави плутоний на място заедно с парче уранов отражател, горният капак на корпуса беше развит и една взривна леща беше отстранена.

Войната с Япония беше към своя край, а американците много бързаха. Но имплозионната бомба трябваше да бъде тествана. Тази операция беше с кодовото име "Тринити" ("Тринити"). Да, атомната бомба е трябвало да демонстрира силата, която преди е била достъпна само за боговете.

Брилянтен успех

Мястото за теста е избрано в щата Ню Мексико, на място с живописното име Jornadadel Muerto (Пътят на смъртта) – територията е била част от артилерийския полигон Аламагордо. Бомбата започва да се сглобява на 11 юли 1945 г. На 14 юли тя беше издигната на върха на специално изградена 30-метрова кула, проводници бяха свързани към детонаторите и започнаха последните етапи на подготовка, свързани с голям брой измервателна апаратура. На 16 юли 1945 г. в пет и половина сутринта устройството е взривено.

Температурата в центъра на експлозията достига няколко милиона градуса, така че светкавицата ядрена експлозиямного по-ярко от слънцето. Огненото кълбо продължава няколко секунди, след което започва да се издига, потъмнява, от бяло до оранжево, след това пурпурно и се образува известната сега ядрена гъба. Първият гъбен облак се издигна на височина от 11 км.

Енергията на експлозията беше повече от 20 килотона тротилов еквивалент. Повечето от измервателните уреди бяха унищожени, защото физиците разчитаха на 510 тона и поставиха апаратурата твърде близо. Иначе беше успех, блестящ успех!

Но американците се сблъскаха с неочаквано радиоактивно замърсяване на района. Шлейфът от радиоактивни утайки се простира на 160 км на североизток. От малкия град Бингам част от населението трябваше да бъде евакуирано, но поне пет местни жителиполучава дози до 5760 рентгена.

Оказа се, че за да се избегне замърсяване, бомбата трябва да бъде взривена на достатъчно голяма височина, поне километър и половина, след което продуктите на радиоактивния разпад се разпръскват върху площ от стотици хиляди или дори милиони квадратни километра и се разтварят в глобалния радиационен фон.

Втора бомба от този дизайн беше хвърлена върху Нагасаки на 9 август, 24 дни след този тест и три дни след бомбардировката над Хирошима. Оттогава на практика всички атомни боеприпаси са използвали имплозивна технология. По същия начин е направена и първата съветска бомба РДС-1, изпитана на 29 август 1949 г.

За безопасна работа с ядрено опасни делящи се вещества параметрите на оборудването трябва да са по-ниски от критичните. Като стандартни параметри на ядрената безопасност се използват: количеството, концентрацията и обема на ядрено-опасния делящ се материал; диаметър на цилиндричното оборудване; дебелината на плоския слой за плочаобразно оборудване. Нормативният параметър се задава въз основа на допустимия параметър, който е по -малък от критичния и не трябва да се надвишава по време на работа на оборудването. В този случай е необходимо характеристиките, влияещи върху критичните параметри, да са в строго определени граници. Използват се следните допустими параметри: брой M add, обем V add, диаметър D add, дебелина на слоя t add.

Използвайки зависимостта на критичните параметри от концентрацията на ядрено опасен делящ се нуклид, се определя такава стойност на критичния параметър, под която при всяка концентрация SCRP е невъзможен. Например, за разтвори на плутоний и обогатени уранови соли, критичната маса, обемът, диаметърът на безкраен цилиндър и дебелината на безкраен плосък слой имат минимум в областта на оптимално забавяне. За смеси от обогатен метален уран с вода, критичната маса, както и за разтворите, има изразен минимум в областта на оптималното забавяне, а критичният обем, диаметърът на безкраен цилиндър и дебелината на безкраен плосък слой при високо обогатяване (> 35%) имат минимални стойности при липса на модератор. (r n / r 5 = 0); за обогатяване под 35%, критичните параметри на сместа имат минимум при оптимално забавяне. Очевидно параметрите, зададени въз основа на минималните критични параметри, осигуряват безопасност в целия диапазон на концентрация. Тези параметри се наричат безопасни, те са по -малки от минималните критични параметри. Използват се следните безопасни параметри: количество, концентрация, обем, диаметър, дебелина на слоя.

При осигуряване на ядрена безопасност на системата според допустимия параметър концентрацията на делящия се нуклид (понякога количеството на модератора) е задължително ограничена; в същото време, когато се използва безопасен параметър, не се налагат ограничения върху концентрацията (или на сумата на модератора).

2 КРИТИЧНА МАСА

Дали верижна реакция ще се развие или не, зависи от резултата от конкуренцията между четири процеса:

(1) Емисия на неутрони от уран,

(2) улавяне на неутрони от уран без делене,

(3) улавяне на неутрони от примеси.

(4) улавяне на неутрони от уран с делене.

Ако загубата на неутрони в първите три процеса е по -малка от броя на освободените неутрони в четвъртия, тогава възниква верижна реакция; иначе е невъзможно. Очевидно, ако от първите трипроцеси е много вероятно, тогава излишъкът от неутрони, освободени по време на деленето, не може да осигури продължаване на реакцията. Например, в случай, че вероятността за процес (2) (улавяне от уран без делене) е много по-висока от вероятността за улавяне с делене, верижната реакция е невъзможна. Допълнителна трудност създава изотопният природен уран: той се състои от три изотопа: 234 U, 235 U и 238 U, чийто принос е съответно 0,006, 0,7 и 99,3%. Важно е, че вероятностите за процеси (2) и (4) са различни за различните изотопи и зависят различно от неутронната енергия.

За да се оцени конкуренцията на различни процеси от гледна точка на развитието на верижен процес на ядрено делене в материята, се въвежда понятието "критична маса".

Критична маса- минималната маса на делящ се материал, осигуряваща потока на самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене. Колкото по-нисък е полуживотът на делене и колкото по-високо е обогатяването на работния елемент с делящ се изотоп, толкова по-ниска е критичната маса.

Критична маса -минималното количество делящ се материал, необходимо за иницииране на самоподдържаща се верижна реакция на делене. Коефициентът на умножение на неутроните в такова количество материя е равен на единица.

Критична масае масата на делящия се материал на реактора в критично състояние.

Критични размери на ядрен реактор- най-малките размери на активната зона на реактора, при които все още може да се проведе самоподдържаща се реакция на делене на ядрено гориво. Обикновено критичният обем се приема за критичния обем на ядрото.

Критичен обем на ядрен реактор- обемът на активната зона на реактора в критично състояние.

Относителното количество неутрони, излъчвани от урана, може да бъде намалено чрез промяна на неговия размер и форма. В сферата повърхностните ефекти са пропорционални на квадрата, а ефектите на обема са пропорционални на куба на радиуса. Излъчването на неутрони от урана е повърхностен ефект, който зависи от размера на повърхността; улавянето с разделяне се случва в целия обем, зает от материала, и следователно е

обемния ефект. Колкото по-голямо е количеството уран, толкова по-малко е вероятно емисиите на неутрони от по-голямата част от урана да надделеят над улавянето с делене и да предотврати верижна реакция. Загубата на неутрони при улавяне без делене е обемен ефект, подобен на освобождаването на неутрони чрез улавяне на делене, така че увеличаването на размера не променя относителната им важност.

Критичните размери на устройство, съдържащо уран, могат да се дефинират като размерите, при които броят на неутроните, освободени по време на делене, е точно равен на загубата им поради емисии и улавяния, които не са придружени от делене. С други думи, ако размерите са по-малки от критичните, тогава по дефиниция не може да се развие верижна реакция.

Само нечетни изотопи могат да образуват критичната маса. В природата се среща само 235 U, а 239 Pu и 233 U са изкуствени, те се образуват в ядрен реактор (в резултат на улавяне на неутрони от 238 U

и 232 Th с два последващи β - разпада).

V естествен уран, верижна реакция на делене не може да се развие с каквото и да е количество уран, обаче, в изотопи като напр.Верижният процес 235 U и 239 Pu е сравнително лесен за постигане. В присъствието на забавител на неутрони в естествения уран също протича верижна реакция.

Предпоставка за верижна реакция е наличието на достатъчно голямо количество делящо се вещество, тъй като в малки проби повечето неутрони прелитат през пробата, без да удрят ядро. При достигане възниква верижна реакция на ядрена експлозия

делящо се вещество с някаква критична маса.

Нека има парче материя, способно на делене, например 235 U, в което пада неутрон. Този неутрон или ще предизвика делене, или ще бъде безполезно абсорбиран от веществото, или, след като се дифузира, ще избяга през външната повърхност. Важно е какво ще се случи на следващия етап – ще намалее или ще намалее средно броят на неутроните, т.е. верижна реакция ще отслабне или ще се развие, т.е. дали системата ще бъде в подкритично или в свръхкритично (експлозивно) състояние. Тъй като излъчването на неутрони се регулира от размера (за сфера - от радиуса), възниква концепцията за критичен размер (и маса). За да се развие експлозия, размерът трябва да е по-голям от критичния размер.

Критичният размер на делящата се система може да бъде оценен, ако е известен средният свободен път на неутроните в делящия се материал.

Неутрон, летящ през материята, от време на време се сблъсква с ядрото, сякаш вижда напречното му сечение. Размерът на напречното сечение на сърцевината е σ = 10-24 cm2 (обор). Ако N е броят на ядрата в кубичен сантиметър, тогава комбинацията L = 1 / N σ дава средния среден свободен път на неутрон по отношение на ядрена реакция. Дължината на неутронния път е единствената размерна величина, която може да служи като отправна точка за оценка на критичния размер. По всяко физическа теориясе използват методи на подобие, които от своя страна се конструират от безразмерни комбинации от размерни величини, характеристики на системата и материя. Толкова безразмерно

числото е съотношението на радиуса на парче делящ се материал към дължината на пътя на неутроните в него. Ако приемем, че безразмерното число е от порядъка на единица и дължината на пътя при типична стойност N = 1023, L = 10 cm

(за σ = 1) (обикновено σ обикновено е много по-високо от 1, така че критичната маса е по-малка от нашата оценка). Критичната маса зависи от напречното сечение за реакцията на делене на конкретен нуклид. Така че, за да се създаде атомна бомба, са необходими приблизително 3 кг плутоний или 8 кг 235 U (с имплозивна схема и в случай на чиста 235 U) С цевна схема на атомна бомба, приблизително 50 кг оръжие- изисква се клас уран (С плътност на урана от 1,895 104 kg / m3, радиусът на топката тази маса е приблизително 8,5 cm, което съвпада изненадващо добре с нашата оценка

R = L = 10 cm).

Нека сега да извлечем по-строга формула за изчисляване на критичния размер на парче делящ се материал.

Както знаете, разпадането на ядрото на уран произвежда няколко свободни неутрона. Някои от тях напускат пробата, а някои се абсорбират от други ядра, което ги кара да се разделят. Верижна реакция възниква, когато броят на неутроните в пробата започне да расте като лавина. За определяне на критичната маса може да се използва уравнението за неутронна дифузия:

	∂C	D C + β C
	∂t

където С е концентрацията на неутроните, β> 0 е константата на скоростта на реакцията на размножаване на неутроните (подобно на константата на радиоактивния разпад, тя има размерност 1 / сек, D е коефициентът на неутронна дифузия,

Нека пробата има формата на топка с радиус R. След това трябва да намерим решение на уравнение (1), което удовлетворява граничното условие: C (R, t) = 0.

След това правим промяната C = ν e β t

∂C

∂ν

ν = D

+ βν e

∂t

Получава се класическото уравнение на топлопроводимостта:

∂ν

D ν

∂t

Решението на това уравнение е добре известно

π 2 n 2

ν (r, t) =

sin π n re

π 2 n

β −

C (r, t) =

sin π n re

r n = 1

Верижната реакция ще протече при условие (т.е

C (r, t)

t → ∞ → ∞), така че за поне едно n коефициентът in

степента е положителна.

Ако β - π 2 n 2 D> 0,

тогава β> π 2 n 2 D и критичният радиус на сферата:

R = π n

Ако π

≥ R, тогава за всяко n няма да има нарастващ показател

Ако π

< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту.

Ще се ограничим до първия член на поредицата, n = 1:

R = π

Критична маса:

M = ρ V = ρ

Нарича се минималната стойност на радиуса на топката, при която възниква верижна реакция

критичен радиус , а масата на съответната топка екритична маса.

Замествайки стойността за R, получаваме формулата за изчисляване на критичната маса:

M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Критичната маса зависи от формата на пробата, коефициента на размножаване на неутроните и коефициента на неутронна дифузия. Определянето им е сложен експериментален проблем, поради което получената формула се използва за определяне на посочените коефициенти, а извършените изчисления са доказателство за съществуването на критична маса.

Ролята на размера на пробата е очевидна: с намаляване на размера, процентът на неутроните, излъчвани през нейната повърхност, се увеличава, така че при малки (под критичните!) Размери на пробата, верижна реакция става невъзможна дори при благоприятно съотношение между процесите на поглъщане и образуване на неутрони.

За силно обогатен уран критичната маса е около 52 кг, за оръжейния плутоний - 11 кг. Нормативните документи за защита на ядрени материали от кражба посочват критичната маса: 5 кг 235 U или 2 кг плутоний (за схема за имплозивна атомна бомба). За оръдейна система критичните маси са много по -високи. Въз основа на тези стойности се изгражда интензивността на защитата на делящите се вещества от терористични атаки.

Коментирайте. Критичната маса на 93,5% обогатена метална уранова система (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) е 52 kg без рефлектор и 8,9 kg, когато системата е заобиколена от неутронен рефлектор, изработен от берилиев оксид. Критичната маса на воден разтвор на уран е около 5 кг.

Стойността на критичната маса зависи от свойствата на веществото (като напречни сечения на делене и улавяне на радиация), от плътността, количеството примеси, формата на продукта, а също и от околната среда. Например наличието на неутронни рефлектори може значително да намали критичната маса. За определен делящ се материал количеството материал, което съставлява критичната маса, може да варира в широк диапазон и зависи от плътността, характеристиките (вид материал и дебелина) на отражателя, както и от естеството и процента на всеки инертен присъстващи разредители (като кислород в уранов оксид, 238 U в частично обогатен 235 U или химически примеси).

За сравнение представяме критичните маси на топки без рефлектор за няколко вида материали с определена стандартна плътност.

За сравнение представяме следните примери за критични маси: 10 kg 239 Pu, метал в алфа фаза

(плътност 19,86 g / cm3); 52 кг 94% 235 U (6% 238 U), метал (плътност 18,72 g / cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)

при плътност в кристална форма 11 g / cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) при плътност в кристал

под формата на 11,4 g / cm3. Най -малката критична маса се притежава от разтвори на соли на чисти делящи се нуклиди във вода с рефлектор на воден неутрон. За 235 U критичната маса е 0,8 kg, за 239 Pu - 0,5 kg, за 251 Cf -

Критичната маса M е свързана с критичната дължина l: M lx, където x зависи от формата на пробата и варира от 2 до 3. Зависимостта на формата е свързана с изтичане на неутрони през повърхността: колкото по-голяма е повърхността, толкова по-голям е критичният маса. Пробата с минимална критична маса има формата на топка. Раздел. 5. Основни прогнозни характеристики на чисти изотопи, способни за ядрено делене

							Неутрони
	Получаване		Критично	Плътност	температура	Разсейване на топлината	спонтанен
	Получаване	полуживот	Критично	Плътност	температура	Разсейване на топлината	спонтанен
	(източник)	полуживот		г/см³	топене °С
		T 1/2					105 (кг сек)
231Pa
232U	Реакторът е включен
232U
	неутрони
233U
235U	Естествено	7038 × 108 години

236U		2,3416 × 107 години? Килограма
237Np		2,14 × 107 години
236Pu
238Pu
239Pu
240 Pu
241Pu
242Pu
241 сутринта
242 mAm
243 mAm
243 сутринта
243 см
244 см
245 см
246 см
247 см		1,56 × 107 години
248 см
249 Вж
250Cf
251 Вж
252 Вж

Нека се спрем малко по -подробно на критичните параметри на изотопите на някои елементи. Да започнем с урана.

Както вече беше споменато няколко пъти, 235 U (0,72% clark) е от особено значение, тъй като се разделя под действието на термични неутрони (σ f = 583 barn), като същевременно отделя „еквивалент на топлинна енергия“ от 2 × 107 kWh / k . Тъй като в допълнение към α-разпадането на 235 U, той също се разпада спонтанно (T 1/2 = 3,5 × 1017 години), неутроните винаги присъстват в масата на урана, което означава, че могат да се създадат условия за възникването на самоподдържаща се верижна реакция на делене. За метален уран с обогатяване 93,5% критичната маса е: 51 kg без рефлектор; 8,9 кг с рефлектор от берилиев оксид; 21,8 кг с пълен воден рефлектор. Дадени са критичните параметри на хомогенни смеси от уран и неговите съединения

Критични параметри на плутониеви изотопи: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = от 12 до 7,45 kg. Най-голям интерес представляват смесите от изотопи: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Високото специфично отделяне на енергия на 238 Pu води до окисляване на метала във въздуха, поради което е най-вероятно той да се използва под формата на оксиди. При производството на 238 Pu съпътстващият изотоп е 239 Pu. Съотношението на тези изотопи в сместа определя както стойността на критичните параметри, така и тяхната зависимост с промяна в съдържанието на модератора. Различни оценки на критичната маса за гола метална сфера от 238 Pu дават стойности от 12 до 7,45 kg, в сравнение с критична маса за 239 Pu от 9,6 kg. Тъй като ядрото 239 Pu съдържа нечетен брой неутрони, критичната маса ще намалее, когато в системата се добави вода. Критичната маса на 238 Pu нараства с добавянето на вода. За смес от тези изотопи общият ефект от добавянето на вода зависи от изотопното съотношение. При масово съдържание на 239 Pu от 37% или по-малко, критичната маса на смес от изотопи 239 Pu и 238 Pu не намалява при добавяне на вода към системата. В този случай допустимото количество от 239 Pu-238 Pu диоксиди е 8 kg. С други

В съотношение 238 Pu и 239 Pu диоксиди, минималната стойност на критичната маса варира от 500 g за чисти 239 Pu до 24,6 kg за чисти 238 Pu.

Раздел. 6. Зависимост на критичната маса и критичния обем на уран от обогатяването в 235 U.

Забележка. I - хомогенна смес от метален уран и вода; II - хомогенна смес от уранов диоксид и вода; III - разтвор на уранилфлуорид във вода; IV - разтвор на уранил нитрат във вода. * Данни, получени с помощта на графична интерполация.

Друг изотоп с нечетен брой неутрони е 241 Pu. Минималната критична маса за 241 Pu се достига във водни разтвори при концентрация 30 g/L и е 232 kg. Когато 241 Pu се получава от облъчено гориво, той винаги е придружен от 240 Pu, което не го превишава по съдържание. При еднакво съотношение на нуклидите в изотопната смес минималната критична маса от 241 Pu надвишава критичната маса от 239 Pu. Следователно, по отношение на минималната критична маса, изотопът 241 Pu при

оценката на ядрената безопасност може да замени 239 Pu, ако изотопната смес съдържа равни количества

241 Pu и 240 Pu.

Раздел. 7. Минимални критични параметри на уран, обогатен 100% с 233 U.

Нека сега разгледаме критичните характеристики на америциевите изотопи. Наличието на изотопи 241 Am и 243 Am в сместа увеличава критичната маса от 242 m Am. За водни разтвори има съотношение на изотопи, при което системата винаги е подкритична. Когато масовото съдържание на 242 m Am в смес от 241 Am и 242 m Am е по-малко от 5%, системата остава подкритична до концентрацията на америций в разтвори и механични смеси на диоксид с вода, равна на 2500 g / L. 243 Am смесен с 242m Am също се увеличава

критичната маса на сместа, но в по -малка степен, тъй като напречното сечение на улавяне на термични неутрони за 243 Am е с порядък по -ниско, отколкото за 241 Am

Раздел. 8. Критични параметри на хомогенни плутониеви (239 Pu + 240 Pu) сферични сглобки.

Раздел. 9. Зависимост на критичната маса и обем за плутониеви съединения * от изотопния състав на плутония

* Основен нуклид 94 239 Pu.

Забележка. I - хомогенна смес от метален плутоний и вода; II - хомогенна смес от плутониев диоксид и вода; III хомогенна смес от плутониев оксалат и вода; IV - разтвор на плутониев нитрат във вода.

Раздел. 10. Зависимост на минималната критична маса от 242 m Am от съдържанието й в смес от 242 m Am и 241 Am (критичната маса е изчислена за AmO2 + H2O в сферична геометрия с воден рефлектор):

	Критична маса 242 m Am, g

За малки масова част 245 Cm трябва да се има предвид, че 244 Cm също има крайна критична маса в системи без забавители. Други изотопи на кюрий с нечетен брой неутрони имат минимална критична маса няколко пъти по-голяма от 245 Cm. В сместа СmО2 + Н2О изотопът 243 Cm има минимална критична маса около 108 g, а 247 Cm - около 1170 g.

За критична маса може да се счита, че 1 g от 245 Cm е еквивалентен на 3 g от 243 Cm или 30 g от 247 Cm. Минимална критична маса 245 Cm, g, в зависимост от съдържанието на 245 Cm в смес от изотопи 244 Cm и 245 Cm за СmО2 +

Н2О се описва достатъчно добре с формулата

	Мкр = 35,5+
		ξ + 0,003

където ξ е масовата част от 245 Cm в сместа от изотопи на кюрий.

Критичната маса зависи от напречното сечение на реакцията на делене. Когато създавате оръжия, всякакви трикове могат да намалят критичната маса, необходима за експлозия. Така че, за да се създаде атомна бомба, са необходими 8 кг уран-235 (с имплозивна схема и в случай на чист уран-235; при използване на 90% уран-235 и с цевна схема на атомна бомба, най-малко Необходими са 45 кг оръжеен уран). Критичната маса може да бъде значително намалена чрез обграждане на делящата се проба със слой от неутроноотразяващ материал, като берилий или естествен уран. Рефлекторът връща значителна част от неутроните, излъчени през повърхността на пробата. Например, ако използвате отражател с дебелина 5 см, изработен от материали като уран, желязо, графит, критичната маса ще бъде половината от критичната маса на „голата топка“. По-дебелите рефлектори намаляват критичната маса. Берилият е особено ефективен, осигурявайки критична маса от 1/3 от стандартната критична маса. Системата за топлинни неутрони има най-голям критичен обем и минимална критична маса.

Важна роля играе степента на обогатяване на делящия се нуклид. Природният уран със съдържание на 235 U от 0,7% не може да се използва за производството на атомни оръжия, тъй като останалата част от урана (238 U) интензивно абсорбира неутрони, предотвратявайки развитието на верижен процес. Следователно урановите изотопи трябва да се отделят, което е трудна и отнема много време задача. Разделянето трябва да се извърши до 235 U степени на обогатяване над 95%. По пътя е необходимо да се отървете от примесите на елементи с високо напречно сечение на улавяне на неутрони.

Коментирайте. Когато приготвят оръжеен уран, те не просто се отърват от ненужните примеси, а ги заменят с други примеси, които допринасят за верижния процес, например въвеждат елементи - размножители на неутрони.

Нивото на обогатяване на уран оказва значително влияние върху критичната маса. Например, критичната маса на урана с обогатяване с 235 U от 50% е 160 kg (3 пъти масата на 94% уран), а критичната маса на 20% уран е 800 kg (тоест, ~ 15 пъти повече от критична маса 94% уран). Подобни коефициенти на зависимост от нивото на обогатяване се прилагат за уранов оксид.

Критичната маса е обратно пропорционална на квадрата на плътността на материала, M k ~ 1 / ρ 2,. По този начин критичната маса на металния плутоний в делта фазата (плътност 15,6 g / cm3) е 16 kg. Това обстоятелство се взема предвид при проектирането на компактна атомна бомба. Тъй като вероятността за улавяне на неутрони е пропорционална на концентрацията на ядрата, увеличаването на плътността на пробата, например в резултат на нейното компресиране, може да доведе до появата на критично състояние в пробата. В ядрените взривни устройства маса от делящ се материал, която е в безопасно подкритично състояние, се превръща в експлозивна свръхкритична с помощта на насочена експлозия, която подлага заряда на силна степен на компресия.

КРИТИЧНА МАСА, минималната маса на материал, способен да се раздели, необходима за започване на ВЕРИЖНА РЕАКЦИЯ в атомна бомба или ядрен реактор. В атомна бомба експлодиращият материал е разделен на части, всяка от които е по-малко критична ... ... Научно-технически енциклопедичен речник

Вижте МАСА КРИТИЧНО. Райзберг Б.А., Лозовски Л.Ш., Стародубцева Е.Б. .. Съвременен икономически речник. 2-ро изд., Rev. М.: ИНФРА М. 479 стр. 1999 г. ... Икономически речник

КРИТИЧНА МАСА- най-малката (виж) деляща се материя (уран 233 или 235, плутоний 239 и др.), при която може да възникне и продължи самоподдържаща се верижна реакция на делене на атомни ядра. Стойността на критичната маса зависи от вида на делящото се вещество, неговата ... ... Голяма политехническа енциклопедия

КРИТИЧНА маса, минималната маса на делящото се вещество (ядрено гориво), осигуряваща протичането на самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене. Критичната маса (Mcr) зависи от вида на ядреното гориво и неговата геометрична ... ... Съвременна енциклопедия

Минималната маса на делящия се материал, която осигурява хода на самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене ... Голям енциклопедичен речник

Критичната маса е най-малката маса гориво, в която може да се осъществи самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене с определен дизайн и състав на ядрото (зависи от много фактори, например: състав на горивото, модератор, форма . ...... Термини за ядрена енергия

критична маса- Най-малката маса гориво, в която може да се осъществи самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене с определен дизайн и състав на активната зона (зависи от много фактори, например: състав на горивото, модератор, форма на ядрото и ... ... Ръководство за технически преводач

Критична маса- КРИТИЧНА МАСА, минималната маса на делящото се вещество (ядрено гориво), осигуряваща протичането на самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене. Критичната маса (Mcr) зависи от вида на ядреното гориво и неговата геометрична ... ... Илюстриран енциклопедичен речник

Минималното количество ядрено гориво, съдържащо делящи се нуклиди (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), с което е възможна верижна реакция на ядрено делене (виж Ядрено делене. Ядрен реактор, ядрена експлозия). K. m. Зависи от размера и формата ... ... Физическа енциклопедия

Минималната маса на делящия се материал, която осигурява протичането на самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене. * * * КРИТИЧНА МАСА КРИТИЧНА МАСА, минималната маса на делящата се материя, осигуряваща потока на самоподдържаща се ... енциклопедичен речник

Книги

Критична маса, Веселова Н. Г. Р. Державин, елитът влезе ... Категория: Други публикации
Критична маса, Наталия Веселова, В книгата на Наталия Веселова, член на Руския междурегионален съюз на писателите, редовен член на Академията за руска литература и изящни изкуства. G.R.Derzhavin, избрани истории са въведени ... Категория:

Изминаха малко повече от два месеца от края на най-тежката война в историята на човечеството. И на 16 юли 1945 г. американските военни изпробват първия ядрена бомба, а месец по-късно хиляди жители на японски градове загиват в атомния ад. Оттогава оръжията, както и средствата за доставянето им до цели, непрекъснато се подобряват повече от половин век.

Военните искаха да получат на свое разположение както супермощни боеприпаси, с един удар, които помитаха цели градове и държави от картата, така и свръхмалки, които се вписват в портфолио. Такова устройство би довело саботажната война до безпрецедентно ниво. И с първото, и с второто възникнаха непреодолими трудности. Виновна е така наречената критична маса. Първи неща обаче първо.

Такова експлозивно ядро

За да разберете реда на работа ядрени устройстваи за да разберем какво се нарича критична маса, нека се върнем за малко към бюрото. От училищен курсфизици, помним едно просто правило: едноименните заряди се отблъскват. Пак там, в гимназияучениците се разказват за структурата на атомното ядро, състоящо се от неутрони, неутрални частици и положително заредени протони. Но как е възможно това? Положително заредените частици са толкова близо една до друга, че силите на отблъскване трябва да са колосални.

Науката не е напълно наясно с природата на вътрешноядрените сили, държащи протоните заедно, въпреки че свойствата на тези сили са проучени доста добре. Силите действат само върху много в близост... Но щом протоните се отделят дори леко в пространството, отблъскващите сили започват да преобладават и ядрото се разпръсква на парчета. И силата на такова разширяване е наистина колосална. Известно е, че силата на възрастен мъж не би била достатъчна, за да задържи протоните само на едно-единствено ядро на оловния атом.

От какво се страхуваше Ръдърфорд

Ядрата на повечето елементи от периодичната таблица са стабилни. Въпреки това, с увеличаване на атомния номер, тази стабилност намалява. Става дума за размера на ядрата. Представете си ядрото на уранов атом, състоящо се от 238 нуклида, от които 92 са протони. Да, протоните са в близък контакт един с друг и вътрешноядрените сили сигурно циментират цялата структура. Но силата на отблъскване на протоните, разположени в противоположните краища на ядрото, става забележима.

Какво правеше Ръдърфорд? Той бомбардира атомите с неутрони (електронът няма да премине през електронната обвивка на атома, а положително зареденият протон няма да може да се доближи до ядрото поради отблъскващите сили). Неутрон, попадайки в ядрото на атома, предизвика неговото делене. Две отделни половини и два или три свободни неутрона, разпръснати встрани.

Това разпадане, поради огромните скорости на разсейващите се частици, беше придружено от освобождаване на огромна енергия. Говореше се, че Ръдърфорд дори е искал да скрие своето откритие, страхувайки се от възможните му последици за човечеството, но това най-вероятно не е нищо повече от приказка.

И така, какво общо има масата с това и защо е критично

И какво тогава? Как можете да облъчите достатъчно радиоактивен метал с поток от протони, за да произведете мощна експлозия? И какво е критична маса? Всичко е за онези няколко свободни електрона, които излитат от "бомбардираното" атомно ядро, те от своя страна, сблъсквайки се с други ядра, ще предизвикат тяхното делене. Ще започне т.нар., пускането му обаче ще бъде изключително трудно.

Нека изясним мащаба. Ако вземем ябълката на нашата маса за ядрото на атом, тогава, за да си представим ядрото на съседен атом, същата ябълка ще трябва да бъде взета и поставена на масата дори не в съседната стая, а .. в съседната къща. Неутронът ще бъде с размерите на черешова костилка.

За да не отлетят освободените неутрони извън урановия слитък и повече от 50% от тях биха намерили целта си под формата на атомни ядра, този слитък трябва да има съответните размери. Това е това, което се нарича критична маса на уран - масата, при която повече от половината от освободените неутрони се сблъскват с други ядра.

Всъщност това се случва за миг. Броят на разцепените ядра нараства като лавина, техните фрагменти се втурват във всички посоки със скорости, сравними със скоростта на светлината, разкъсвайки въздуха, водата и всяка друга среда. От сблъсъците им с молекули заобикаляща средазоната на експлозията моментално се нагрява до милиони градуса, излъчвайки топлина, изгаряйки всичко в близост до няколко километра.

Рязко нагрятият въздух мигновено увеличава размерите си, създавайки мощна ударна вълна, която издухва от основите на сградата, преобръща и унищожава всичко по пътя си... такава е картината на атомна експлозия.

Как изглежда на практика

Устройството за атомната бомба е изненадващо просто. Има две слитъци уран (или другият, масата на всеки от които е малко по-малка от критичната. Единият от слитъците е направен под формата на конус, другият - топка с коничен отвор. може да се досетите, когато двете половини се комбинират, се получава топка, която достига критичната маса Това е стандартната най-проста ядрена бомба Две половини са свързани с помощта на конвенционален TNT заряд (конусът се изстрелва в топката).

Но не мислете, че такова устройство може да бъде сглобено "на коляно" от всеки. Номерът е, че уранът, за да избухне бомба от него, трябва да е много чист, наличието на примеси е практически нулево.

Защо няма атомна бомба с размерите на кутия цигари

Всички по една и съща причина. Критичната маса на най-разпространения изотоп, уран 235, е около 45 кг. Експлозията на толкова много ядрено гориво вече е катастрофа. И е невъзможно да се направи с по-малко вещество - просто няма да работи.

По същата причина не беше възможно да се създадат свръхмощни атомни заряди от уран или други радиоактивни метали. За да бъде бомбата много мощна, тя е направена от дузина блокчета, които при взривяване на детониращи заряди се втурват към центъра, свързвайки се като портокалови резени.

Но какво всъщност се случи? Ако по някаква причина два елемента се срещнат с една хилядна от секундата по-рано от останалите, критичната маса се достигне по-бързо, отколкото останалите биха „пристигнали навреме“, експлозията не се случи с мощността, очаквана от дизайнерите. Проблемът със свръхмощните ядрени оръжия беше решен едва с появата на термоядрени оръжия. Но това е малко по-различна история.

Как работи мирният атом?

Атомната електроцентрала е по същество същата ядрена бомба. Само тази „бомба“ има горивни елементи (горивни елементи), изработени от уран, разположени на определено разстояние един от друг, което не им пречи да обменят неутронни „шокове“.

Горивните пръти са направени под формата на пръти, между които има контролни пръти, изработени от материал, който абсорбира добре неутроните. Принципът на действие е прост:

в пространството между урановите пръти се вкарват контролни (абсорбиращи) пръти - реакцията се забавя или спира напълно;
контролните пръти се отстраняват от зоната - радиоактивните елементи активно обменят неутрони, ядрената реакция протича по-интензивно.

Действително се получава същата атомна бомба, при която критичната маса се достига толкова плавно и се регулира толкова ясно, че не води до експлозия, а само до нагряване на охлаждащата течност.

Въпреки че, за съжаление, както показва практиката, човешкият гений не винаги е в състояние да обуздае тази огромна и разрушителна енергия - енергията на разпадането на атомно ядро.

За много от нашите читатели водородната бомба се свързва с атомна бомба, само че много по-мощна. Всъщност това е фундаментално ново оръжие, което изискваше неизмеримо големи интелектуални усилия за създаването си и работи на коренно различни физически принципи.

Единственото общо нещо между атомната бомба и водородната бомба е, че и двете освобождават колосалната енергия, скрита в атомното ядро. Това може да стане по два начина: да се разделят тежките ядра, например уран или плутоний, на по-леки (реакция на делене) или да се принудят най-леките водородни изотопи да се слеят (реакция на синтез). В резултат на двете реакции масата на получения материал винаги е по-малка от масата на първоначалните атоми. Но масата не може да изчезне без следа - тя се превръща в енергия според известната формула на Айнщайн E = mc 2.

За да се създаде атомна бомба, е необходимо и достатъчно условиее да се получи достатъчно количество делящ се материал. Работата е доста трудоемка, но нискоинтелектуална, по-близо до минната индустрия, отколкото до високата наука. Основните ресурси за създаването на такива оръжия отиват за изграждането на гигантски уранови мини и заводи за обогатяване. Доказателство за простотата на устройството е фактът, че не е изминал дори месец от получаването на плутония, необходим за първата бомба и първата съветска ядрена експлозия.

Нека припомним накратко принципа на действие на такава бомба, известен от курса на училищната физика. Тя се основава на свойството на урана и някои трансуранови елементи, например плутония, да отделят повече от един неутрон по време на разпад. Тези елементи могат да се разпадат както спонтанно, така и под въздействието на други неутрони.

Освободеният неутрон може да напусне радиоактивния материал или да се сблъска с друг атом, причинявайки следващата реакция на делене. Когато определена концентрация на вещество (критична маса) бъде превишена, броят на новородените неутрони, причинявайки по-нататъшно делене на атомното ядро, започва да надвишава броя на разпадащите се ядра. Броят на разпадащите се атоми започва да расте като лавина, пораждайки нови неутрони, тоест възниква верижна реакция. За уран-235 критичната маса е около 50 кг, за плутоний-239 - 5,6 кг. Тоест, топка плутоний с тегло малко по-малко от 5,6 кг е просто топло парче метал, а с маса малко повече има само няколко наносекунди.

Действителната работа на бомбата е проста: вземаме две полукълба от уран или плутоний, всяко малко по-малко от критичната маса, поставяме ги на разстояние 45 см, заобикаляме ги с експлозиви и детонираме. Уранът или плутоният се синтероват в парче свръхкритична маса и започва ядрена реакция. Всичко. Има и друг начин за бягане ядрена реакция- компрес мощна експлозияпарче плутоний: разстоянието между атомите ще намалее и реакцията ще започне при по-ниска критична маса. Всички съвременни атомни детонатори работят на този принцип.

Проблемите на атомната бомба започват от момента, в който искаме да увеличим силата на експлозията. Просто увеличение на делящия се материал не може да се откаже - веднага щом масата му достигне критична, той детонира. Бяха измислени различни гениални схеми, например да се направи бомба не от две части, а от много, което направи бомбата да прилича на изкормен портокал и след това да я събере на едно парче с една експлозия, но все пак, със сила на над 100 килотона, проблемите станаха непреодолими.

Но горивото за термоядрен синтез няма критична маса. Тук Слънцето, напълнено с термоядрено гориво, виси над главата, вътре в него от милиард години тече термоядрена реакция и нищо не избухва. Освен това по време на реакцията на синтез, например на деутерий и тритий (тежък и свръхтежък изотоп на водорода), се отделя 4,2 пъти повече енергия, отколкото при изгаряне на същата маса уран-235.

Създаването на атомната бомба беше по-скоро експериментален, отколкото теоретичен процес. Създаването на водородната бомба изискваше появата на напълно нови физически дисциплини: физика на високотемпературната плазма и свръхвисоките налягания. Преди да започнете да проектирате бомба, беше необходимо да разберете напълно естеството на явленията, които се случват само в ядрото на звездите. Никакви експерименти не можеха да помогнат тук - инструментите на изследователите бяха само теоретична физикаи висша математика. Неслучайно гигантската роля в развитието на термоядрените оръжия принадлежи именно на математиците: Улам, Тихонов, Самарски и др.

Класически супер

До края на 1945 г. Едуард Телър предлага първия дизайн на водородна бомба, наречен "класически супер". За да се създаде чудовищното налягане и температура, необходими за започване на реакцията на синтез, трябваше да се използва обикновена атомна бомба. Самият "класически супер" беше дълъг цилиндър, пълен с деутерий. Предвижда се и междинна "запалителна" камера със смес от деутерий-тритий - реакцията на синтеза на деутерий и тритий започва при по-ниско налягане. По аналогия с огъня, деутерият трябваше да играе ролята на дърва за огрев, смес от деутерий и тритий - чаша бензин, и атомна бомба - кибрит. Тази схема се нарича "лула" - вид пура с атомна запалка в единия край. По същата схема съветските физици започнаха да разработват водородна бомба.

Математикът Станислав Улам обаче доказа на Телер чрез обикновено плъзгащо правило, че синтезът на чист деутерий в "супер" едва ли е възможен и сместа ще изисква такова количество тритий, че за производството му ще е необходимо практически да се замрази производството на оръжеен плутоний в Съединените щати.

Бутер със захар

В средата на 1946 г. Телър предлага друга схема за водородна бомба - "будилника". Състои се от редуване сферични слоевеуран, деутерий и тритий. По време на ядрена експлозия на централния заряд на плутоний се създават необходимите налягане и температура за започване на термоядрена реакция в други слоеве на бомбата. „Будилникът“ обаче изискваше атомен инициатор с голяма мощност и САЩ (както и СССР) изпитваха проблеми с производството на оръжеен уран и плутоний.

През есента на 1948 г. Андрей Сахаров стига до подобна схема. В Съветския съюз структурата се наричаше "пуф". За СССР, който нямаше време да произвежда оръжеен уран-235 и плутоний-239 в достатъчни количества, пуфта на Сахаров беше панацея. И ето защо.

В обикновена атомна бомба естественият уран-238 е не само безполезен (енергията на неутроните по време на разпад не е достатъчна за иницииране на делене), но и вреден, тъй като алчно абсорбира вторични неутрони, забавяйки верижната реакция. Следователно оранжевият уран е 90% съставен от изотопа уран-235. Въпреки това, неутроните, получени в резултат на термоядрен синтез, са 10 пъти по-енергични от неутроните на делене и естественият уран-238, облъчен с такива неутрони, започва да се разделя отлично. Новата бомба направи възможно използването на уран-238 като експлозив, който преди се считаше за производствен отпадък.

Акцентът на „пуфта“ на Сахаров беше и използването на бяла лека кристална субстанция, литиев деутерид 6 LiD, вместо остро дефицитния тритий.

Както бе споменато по-горе, смес от деутерий и тритий се запалва много по-лесно от чистия деутерий. Тук обаче предимствата на трития свършват, но остават само недостатъците: в нормално състояние тритият е газ, което причинява трудности при съхранение; тритийът е радиоактивен и, разлагайки се, се превръща в стабилен хелий-3, активно поглъщайки така необходимите бързи неутрони, което ограничава срока на годност на бомбата до няколко месеца.

Нерадиоактивният литиев деутерид, когато се облъчи с бавни неутрони на делене - последствията от експлозията на атомен предпазител - се превръща в тритий. По този начин, излъчването на първичната атомна експлозия за миг произвежда достатъчно количество тритий за по-нататъшна термоядрена реакция и деутерий присъства в литиевия деутерид първоначално.

Именно такава бомба, RDS-6s, беше успешно изпитана на 12 август 1953 г. на кулата на полигона в Семипалатинск. Силата на експлозията е била 400 килотона и дебатът не е спирал досега, дали това е била истинска термоядрена експлозия или свръхмощна атомна. Действително, реакцията на термоядрен синтез в пуфта на Сахаровская представлява не повече от 20% от общата мощност на заряда. Основен принос за експлозията има реакцията на разпадане на уран-238, облъчен с бързи неутрони, благодарение на което RDS-6 отварят ерата на така наречените "мръсни" бомби.

Факт е, че основното радиоактивно замърсяване се осигурява от продуктите на разпадане (по-специално стронций-90 и цезий-137). По същество „пуфта“ на Сахаров беше гигантска атомна бомба, само леко засилено от термоядрена реакция. Неслучайно само една експлозия на "пуфта" даде 82% стронций-90 и 75% цезий-137, които попаднаха в атмосферата през цялата история на Семипалатински полигон.

Американски бомби

Независимо от това, американците са взривили първата водородна бомба. На 1 ноември 1952 г. 10 -мегатонното термоядрено устройство Mike е успешно тествано на атола Elugelab в Тихия океан. 74-тонно американско устройство трудно може да се нарече бомба. "Майк" беше обемисто устройство с размерите на двуетажна къща, напълнено с течен деутерий при температура, близка до абсолютната нула ("пуфта" на Сахаров беше доста транспортируем продукт). Връхната точка на "Майк" обаче не беше размерът, а гениалният принцип на изстискване на термоядрени експлозиви.

Припомнете си, че основната идея на водородната бомба е да създаде условия за синтез (ултра високо налягане и температура) чрез ядрена експлозия. В схемата "пуф" ядреният заряд е разположен в центъра и следователно той не толкова компресира деутерия, колкото го разпръсква навън - увеличаването на количеството на термоядрените експлозиви не води до увеличаване на мощността - просто не има време да детонира. Това е, което ограничава максималната мощност на тази схема – най-мощният „пуф“ в света Orange Herald, взривен от британците на 31 май 1957 г., даде само 720 килотона.

В идеалния случай би било да накараме атомен предпазител да експлодира навътре, като компресира термоядрени експлозиви. Но как да направите това? Едуард Телър предложи блестяща идея: да се компресира термоядрено гориво не чрез механична енергия и поток на неутрон, а чрез излъчване на първичния атомен предпазител.

В новия дизайн на Teller иницииращият атомен монтаж е отделен от термоядрения блок. Когато се задейства атомен заряд, рентгеновите лъчи изпреварват ударната вълна и се разпространяват по стените на цилиндричното тяло, изпарявайки и трансформирайки полиетиленовата вътрешна облицовка на тялото на бомбата в плазма. Плазмата от своя страна отново излъчваше по-меки рентгенови лъчи, които бяха погълнати от външните слоеве на вътрешния цилиндър, изработен от уран-238 – „тласкача“. Слоевете започнаха да се изпаряват експлозивно (това явление се нарича аблация). Урановата плазма с нажежаема жичка може да се сравни със струите на свръхмощен ракетен двигател, чиято тяга е насочена в цилиндър, пълен с деутерий. Урановият цилиндър се срина, налягането и температурата на деутерия достигнаха критични нива. Същото налягане компресира централната плутониева тръба до критична маса и тя детонира. Експлозията на плутониевия предпазител притисна деутерия отвътре, като допълнително компресира и нагрява термоядрения експлозив, който детонира. Интензивен поток от неутрони разцепва ядрата на уран-238 в "тласкача", причинявайки вторична реакция на разпад. Всичко това имаше време да се случи до момента, в който взривната вълна от първичната ядрена експлозия достигна до термоядрения блок. Изчисляването на всички тези събития, случващи се в милиардни от секундата, изискваше ума на най-силните математици на планетата. Създателите на "Майк" изпитаха не ужас от 10-мегатонната експлозия, а неописуема наслада - те успяха не само да разберат процесите, които реалния святотиват само в ядрата на звездите, но също така експериментално тестват теориите си, като подреждат собствена малка звезда на Земята.

Браво

След като заобиколиха руснаците по отношение на красотата на дизайна, американците не можаха да направят устройството си компактно: те използваха течен преохладен деутерий вместо прахообразен литиев деутрид от Сахаров. В Лос Аламос реагираха на „пуфта“ на Сахаров със зърно завист: „вместо огромна крава с кофа сурово мляко, руснаците използват кашон сухо мляко“. И двете страни обаче не успяха да скрият тайни една от друга. На 1 март 1954 г. американците изпробват 15-мегатонна бомба Bravo на литиев деутрид близо до атола Бикини, а на 22 ноември 1955 г. първата съветска двустепенна термоядрена бомба RDS-37 с мощност 1,7 мегатона избухна над Семипалатинск полигон, разрушаващ почти половин полигон. Оттогава дизайнът на термоядрената бомба претърпя малки промени (например между иницииращата бомба и основния заряд се появи уранов щит) и стана каноничен. И в света вече няма толкова мащабни мистерии на природата, които биха могли да бъдат разрешени с такъв грандиозен експеримент. Това ли е раждането на свръхнова.

Малко теория

В термоядрена бомба има 4 реакции и те протичат много бързо. Първите две реакции служат като източник на материал за третата и четвъртата, които при температури на термоядрен взрив протичат 30-100 пъти по-бързо и дават по-голям добив на енергия. Следователно, получените хелий-3 и тритий незабавно се консумират.

Ядрата на атомите са положително заредени и следователно се отблъскват. За да могат да реагират, те трябва да бъдат натиснати челно, преодолявайки електрическото отблъскване. Това е възможно само ако се движат с висока скорост. Скоростта на атомите е пряко свързана с температурата, която трябва да достигне 50 милиона градуса! Но не е достатъчно деутерият да се нагрее до такава температура, все пак е необходимо да се предпази от разсейване от чудовищно налягане от около милиард атмосфери! В природата такива температури с такава плътност се срещат само в ядрото на звездите.