Kritická hmotnost pro jaderný výbuch. Štěpení atomových jader

Tajemné zařízení schopné uvolnit gigajouly energie za nepopsatelně malé množství času je obklopeno zlověstnou romantikou. Není třeba říkat, že po celém světě byla práce na jaderných zbraních hluboce utajována a samotná bomba byla porostlá množstvím legend a mýtů. Zkusme se s nimi popasovat po pořádku.

Andrej Suvorov

Nic není tak zajímavé jako atomová bomba

Srpna 1945. Ernest Orlando Lawrence v laboratoři atomových bomb

Rok 1954. Osm let po výbuchu na atolu Bikini objevili japonští vědci vysokou úroveň radiace z ryb ulovených v místních vodách

Kritické množství

Každý slyšel, že existuje určité kritické množství, které je třeba nahromadit, aby mohla začít řetězová jaderná reakce. Ale aby došlo ke skutečnému jadernému výbuchu, nestačí jen kritické množství - reakce se zastaví téměř okamžitě, než bude moci být uvolněna jakákoli znatelná energie. Pro výbuch v rozsahu několika kilotun nebo desítek kilotun je nutné současně shromáždit dvě nebo tři, nejlépe čtyři nebo pět kritických hmot.

Zdá se zřejmé, že potřebujete vyrobit dvě nebo více částí z uranu nebo plutonia a v požadovaný okamžik je spojit. Pro spravedlnost je třeba říci, že totéž si mysleli fyzici, když se pustili do stavby jaderné bomby. Realita ale provedla vlastní úpravy.

Faktem je, že kdybychom měli velmi čistý uran-235 nebo plutonium-239, mohli bychom to udělat, ale vědci se museli vypořádat se skutečnými kovy. Obohacením přírodního uranu můžete vytvořit směs obsahující 90% uranu-235 a 10% uranu-238, pokusy zbavit se zbývajícího uranu-238 vedou k velmi rychlému nárůstu nákladů na tento materiál (říká se mu vysoce obohacený uran). Plutonium-239, které se získává v jaderném reaktoru z uranu-238 štěpením uranu-235, nutně obsahuje příměs plutonia-240.

Izotopy uran235 a plutonium239 se nazývají sudé-liché, protože jádra jejich atomů obsahují sudý počet protonů (92 pro uran a 94 pro plutonium) a lichý počet neutronů (143, respektive 145). Všechna sudá lichá jádra těžkých prvků mají společnou vlastnost: zřídka se štěpí spontánně (vědci říkají: „spontánně“), ale snadno se štěpí, když do jádra vstoupí neutron.

Uran-238 a plutonium-240 jsou rovnoměrné. Naopak prakticky nesdílejí neutrony nízkých a středních energií, které jsou emitovány ze štěpných jader, ale na druhou stranu se spontánně štěpí stovky nebo desetitisíckrát častěji, přičemž vytvářejí neutronové pozadí. Toto pozadí velmi ztěžuje vytváření jaderných zbraní, protože způsobuje předčasné zahájení reakce, než se obě části náboje setkají. Z tohoto důvodu by v zařízení připraveném na výbuch měly být části kritického množství umístěny dostatečně daleko od sebe a spojeny vysokou rychlostí.

Dělová bomba

Přesto byla bomba svržená na Hirošimu 6. srpna 1945 vyrobena přesně podle výše uvedeného schématu. Jeho dvě části, cíl a kulka, byly vyrobeny z vysoce obohaceného uranu. Cílem byl válec o průměru 16 cm a výšce 16 cm. V jeho středu byl otvor o průměru 10 cm. V souladu s tímto otvorem byla vyrobena kulka. Celkem bomba obsahovala 64 kg uranu.

Cíl byl obklopen skořápkou, jejíž vnitřní vrstva byla z karbidu wolframu, vnější vrstva byla z oceli. Účel skořápky byl dvojí: držet kulku, když zasáhne cíl, a odrážet alespoň část neutronů emitovaných zpět z uranu. Při zohlednění neutronového reflektoru bylo 64 kg 2,3 kritické hmotnosti. Jak to vyšlo, protože každý kus byl podkritický? Faktem je, že odstraněním střední části z válce snižujeme jeho průměrnou hustotu a zvyšuje se hodnota kritické hmotnosti. Hmotnost této části tedy může překročit kritickou hmotnost pro pevný kus kovu. Je však nemožné zvýšit hmotnost střely tímto způsobem, protože musí být pevná.

Cíl i kulka byly sestaveny z kusů: terč z několika prstenů nízké výšky a kulka ze šesti puků. Důvod je jednoduchý - uranové polotovary musely být malé velikosti, protože během výroby (odlévání, lisování) polotovaru by se celkové množství uranu nemělo blížit kritickému množství. Střela byla uzavřena v tenkostěnné skořepině z nerezové oceli s krytem z karbidu wolframu, jako terčová střela.

Aby nasměrovali kulku do středu cíle, rozhodli se použít hlaveň konvenčního 76,2 mm protiletadlového děla. To je důvod, proč se tomuto typu bomby někdy říká bomba montovaná z děla. Hlaveň se zevnitř nudila na 100 mm, aby do ní mohl vstoupit tak neobvyklý projektil. Délka hlavně byla 180 cm. Do její nabíjecí komory byl naložen obyčejný bezdýmný prach, který vystřelil kulku rychlostí asi 300 m / s. A druhý konec hlavně byl vtlačen do otvoru v cílovém plášti.

Tento design měl spoustu nevýhod.

Bylo to monstrózně nebezpečné: poté, co byl střelný prach vložen do nabíjecí komory, jakákoli nehoda, která by ji mohla zapálit, způsobila výbuch bomby na plný výkon. Z tohoto důvodu byl pyroxylin nabíjen ve vzduchu, když letadlo letělo k cíli.

Při letecké nehodě by se části uranu mohly spojit bez střelného prachu, jednoduše při silném nárazu na zem. Aby se tomu zabránilo, byl průměr střely o zlomek milimetru větší než průměr vývrtu.

Pokud bomba spadla do vody, pak kvůli zpomalení neutronů ve vodě mohla reakce začít i bez spojení částí. Je pravda, že v tomto případě je jaderný výbuch nepravděpodobný, ale došlo by k tepelnému výbuchu, kdy by se uran rozprášil na velkou plochu a došlo k radioaktivnímu znečištění.

Délka bomby tohoto designu byla více než dva metry, a to je prakticky neodolatelné. Koneckonců bylo dosaženo kritického stavu a reakce začala, když do zastavení střely zbývalo ještě dobrých půl metru!

Nakonec byla tato bomba velmi nehospodárná: méně než 1% uranu v ní mělo čas reagovat!

Výhoda dělové bomby byla přesně jedna: nemohla selhat. Nechtěli ji ani vyzkoušet! Američané ale museli otestovat bombu plutonia: její konstrukce byla příliš nová a komplikovaná.

Plutonium fotbalový míč

Když se ukázalo, že i malá (méně než 1%!) Příměs plutonia-240 znemožňuje sestavení plutoniového bombového děla, byli fyzici nuceni hledat jiné způsoby, jak získat kritické množství. A klíč k výbušninám plutonia našel muž, který se později stal nejslavnějším „jaderným špiónem“ - britský fyzik Klaus Fuchs.

Jeho myšlenkou, později nazvanou „imploze“, bylo vytvořit konvergující sférickou rázovou vlnu z rozbíhající se pomocí takzvaných výbušných čoček. Tato rázová vlna měla stlačit kus plutonia tak, aby se jeho hustota zdvojnásobila.

Pokud pokles hustoty způsobí zvýšení kritické hmotnosti, pak by zvýšení hustoty mělo snížit! To platí zejména pro plutonium. Plutonium je velmi specifický materiál. Když se kousek plutonia ochladí z teploty tání na teplotu místnosti, podstoupí čtyři fázové přechody. Na druhém (asi 122 stupňů) se jeho hustota prudce zvýší o 10%. V tomto případě jakýkoli odlitek nevyhnutelně praskne. Aby se tomu zabránilo, je plutonium dopováno nějakým trojmocným kovem, pak se sypký stav stává stabilním. Můžete použít hliník, ale v roce 1945 se obávalo, že částice alfa emitované z jader plutonia během jejich rozpadu vyrazí volné neutrony z hliníkových jader, čímž se zvýší již znatelné pozadí neutronů, takže v první atomové bombě bylo použito gallium.

Ze slitiny obsahující 98% plutonia-239, 0,9% plutonia-240 a 0,8% galia byla vyrobena koule o průměru pouhých 9 cm a hmotnosti asi 6,5 kg. Ve středu koule byla dutina o průměru 2 cm a skládala se ze tří částí: dvou polovin a válce o průměru 2 cm. Tento válec sloužil jako zátka, přes kterou iniciátor, zdroj neutronů , který byl spuštěn při výbuchu bomby, mohl být vložen do vnitřní dutiny. Všechny tři části musely být poniklovány, protože plutonium je velmi aktivně oxidováno vzduchem a vodou a je extrémně nebezpečné, pokud se dostane do lidského těla.

Míč byl obklopen reflektorem neutronu z přírodního uranu 238 o tloušťce 7 cm a hmotnosti 120 kg. Uran je dobrým reflektorem rychlých neutronů, a když byl sestaven, byl systém jen mírně podkritický, takže místo plutoniové zátky byla vložena kadmiová zátka, která absorbovala neutrony. Reflektor také sloužil k držení všech částí kritické sestavy během reakce, jinak se většina plutonia rozptýlila a neměla čas se zúčastnit jaderné reakce.

Jako další přišla na řadu 11,5 centimetrová vrstva hliníkové slitiny o hmotnosti 120 kg. Účel vrstvy je stejný jako u antireflexní vrstvy na čočkách objektivu: aby výbuchová vlna pronikla do sestavy uran-plutonium a neodrážela se od ní. Tento odraz je způsoben velkým rozdílem v hustotě mezi výbušninou a uranem (přibližně 1:10). V rázové vlně navíc za kompresní vlnou následuje rarefakční vlna, takzvaný Taylorův efekt. Hliníková vrstva oslabila vzácnou vlnu, což snížilo účinek výbušnin. Hliník musel být dopován bórem, který absorboval neutrony emitované z jader atomů hliníku pod vlivem alfa částic vznikajících rozpadem uranu-238.

Konečně venku byly ty „výbušné čočky“. Bylo jich 32 (20 šestihranných a 12 pětibokých), tvořily strukturu podobnou fotbalovému míči. Každá čočka se skládala ze tří částí, přičemž střední byla vyrobena ze speciálních „pomalých“ výbušnin a vnější a vnitřní z „rychlých“. Vnější část byla zvenčí sférická, ale uvnitř byla kónická prohlubeň, jako na tvarovaném náboji, ale její účel byl jiný. Tento kužel byl naplněn pomalými výbušninami a výbuchová vlna byla na rozhraní lomena jako obyčejná světelná vlna. Ale podobnost je zde velmi podmíněná. Ve skutečnosti je tvar tohoto kužele jedním ze skutečných tajemství jaderné bomby.

V polovině čtyřicátých let neexistovaly na světě počítače, které by bylo možné použít k výpočtu tvaru takových čoček, a hlavně neexistovala ani vhodná teorie. Proto byly vyrobeny výhradně metodou pokusu a omylu. Muselo být provedeno více než tisíc výbuchů - a nejen provedeno, ale fotografováno speciálními vysokorychlostními kamerami, které registrovaly parametry výbuchové vlny. Když byla zpracována menší verze, ukázalo se, že výbušniny se tak snadno nekalkulovaly, a bylo nutné velmi upravit staré výsledky.

Přesnost formy musela být dodržena s chybou menší než jeden milimetr a velmi pečlivě bylo třeba udržovat složení a homogenitu výbušnin. Díly bylo možné vyrábět pouze odléváním, takže ne všechny výbušniny byly vhodné. Rychlá výbušnina byla směs RDX a TNT s dvojnásobkem RDX. Pomalý - stejný TNT, ale s přídavkem inertního dusičnanu barnatého. Rychlost detonační vlny v první výbušnině je 7,9 km / s, ve druhé - 4,9 km / s.

Rozbušky byly umístěny ve středu vnějšího povrchu každé čočky. Všech 32 rozbušek muselo střílet současně s neslýchanou přesností - méně než 10 nanosekund, tedy miliardtiny sekundy! Čelo tlumiče tedy nemělo být zkresleno o více než 0,1 mm. Spojovací povrchy čoček musely být sladěny se stejnou přesností a chyba při jejich výrobě byla desetkrát větší! Musel jsem si pohrát a utratit spoustu toaletního papíru a pásky, abych vyrovnal nepřesnosti. Ale systém se stal trochu jako teoretický model.

Musel jsem vymyslet nové rozbušky: ty staré neposkytovaly správnou synchronizaci. Byly vyrobeny na základě drátů explodujících pod silným pulsem elektrického proudu. K jejich spuštění byla zapotřebí baterie 32 vysokonapěťových kondenzátorů a stejný počet vysokorychlostních jiskřišť-jedna pro každou rozbušku. Celý systém spolu s bateriemi a kondenzátorovou nabíječkou vážil v první bombě téměř 200 kg. Ve srovnání s hmotností výbušnin, která zabrala 2,5 tuny, to ale nebylo nic moc.

Nakonec byla celá konstrukce uzavřena do sférického duralového těla, které se skládalo ze širokého pásu a dvou krytů - horní a dolní, všechny tyto části byly sestaveny na svornících. Konstrukce bomby umožňovala sestavit ji bez plutoniového jádra. Aby bylo možné vložit plutonium na místo společně s kouskem uranového reflektoru, odšrouboval se horní kryt a odstranila se jedna výbušná čočka.

Válka s Japonskem se chýlila ke konci a Američané velmi spěchali. Implozní bombu ale bylo nutné vyzkoušet. Tato operace dostala kódové označení „Trinity“ („Trinity“). Ano, atomová bomba měla demonstrovat sílu, která byla dříve k dispozici pouze bohům.

Brilantní úspěch

Místo pro test bylo vybráno ve státě Nové Mexiko, na místě s malebným názvem Jornadadel Muerto (Cesta smrti) - území bylo součástí dělostřelecké palby Alamagordo. Bomba se začala montovat 11. července 1945. 14. července byla vyzdvižena na vrchol speciálně postavené 30metrové věže, k rozbuškám byly připojeny dráty a začaly finální fáze přípravy, spojené s velkým počtem měřicího zařízení. 16. července 1945 v půl šesté ráno bylo zařízení odpáleno.

Teplota ve středu výbuchu dosahuje několika milionů stupňů, takže výbuch jaderného výbuchu je mnohem jasnější než Slunce. Ohnivá koule trvá několik sekund, poté začne stoupat, tmavnout, z bílé na oranžovou, pak karmínovou a vytvoří se nyní slavná jaderná houba. První houbový oblak vystoupal do výšky 11 km.

Energie výbuchu byla více než 20 kt ekvivalentu TNT. Většina měřicího zařízení byla zničena, protože fyzici počítali s 510 tunami a dali zařízení příliš blízko. Jinak to byl úspěch, brilantní úspěch!

Američané ale čelili nečekané radioaktivní kontaminaci oblasti. Oblouk radioaktivního spadu se táhne 160 km na severovýchod. Část populace musela být evakuována z malého města Bingham, ale nejméně pět místních obyvatel dostalo dávky až 5760 roentgenů.

Ukázalo se, že aby se zabránilo kontaminaci, musí být bomba odpálena v dostatečně vysoké nadmořské výšce, alespoň kilometr a půl, pak jsou produkty radioaktivního rozpadu rozptýleny na ploše stovek tisíc nebo dokonce milionů kilometrů čtverečních a rozpustí se na globálním radiačním pozadí.

Druhá bomba tohoto designu byla svržena na Nagasaki 9. srpna, 24 dní po tomto testu a tři dny po bombardování Hirošimy. Od té doby prakticky všechna atomová munice používala implozní technologii. První sovětská bomba RDS-1, testovaná 29. srpna 1949, byla vyrobena stejným způsobem.

Pro bezpečnou práci s jadernými nebezpečnými štěpnými látkami musí být parametry zařízení méně než kritické. Jako standardní parametry jaderné bezpečnosti se používají: množství, koncentrace a objem jaderně nebezpečného štěpného materiálu; průměr válcového zařízení; tloušťka ploché vrstvy pro zařízení ve tvaru desky. Normativní parametr je nastaven na základě přípustného parametru, který je menší než kritický a neměl by být během provozu zařízení překročen. V tomto případě je nutné, aby charakteristiky ovlivňující kritické parametry byly v přísně definovaných mezích. Používají se následující přípustné parametry: počet M přidat, objem V přidat, průměr D přidat, tloušťka vrstvy t přidat.

Pomocí závislosti kritických parametrů na koncentraci štěpného nuklidu nebezpečného pro jadernou energii se stanoví taková hodnota kritického parametru, pod kterou při jakékoli koncentraci SCRP není možné. Například pro roztoky plutonia a obohacených solí uranu má kritická hmotnost, objem, průměr nekonečného válce a tloušťka nekonečné ploché vrstvy minimum v oblasti optimálního zpomalení. U směsí obohaceného kovového uranu s vodou má kritická hmotnost i roztoky výrazné minimum v oblasti optimálního zpomalení a kritický objem, průměr nekonečného válce a tloušťka nekonečné ploché vrstvy při vysokém obohacení (> 35%) mají minimální hodnoty v nepřítomnosti moderátora. (r n / r 5 = 0); pro obohacení pod 35%mají kritické parametry směsi minimum při optimálním zpomalení. Parametry nastavené na základě minimálních kritických parametrů samozřejmě zajišťují bezpečnost v celém rozsahu koncentrace. Tyto parametry se nazývají bezpečné, jsou menší než minimální kritické parametry. Používají se následující bezpečné parametry: množství, koncentrace, objem, průměr, tloušťka vrstvy.

Při zajišťování jaderné bezpečnosti systému podle přípustného parametru je koncentrace štěpného nuklidu (někdy množství moderátoru) nutně omezena; zároveň při použití bezpečného parametru nejsou na koncentraci kladena žádná omezení (nebo částka moderátora).

2 KRITICKÁ HMOTA

Zda se řetězová reakce vyvine nebo ne, závisí na výsledku soutěže mezi čtyřmi procesy:

(1) Emise neutronů z uranu,

(2) zachycení neutronů uranem bez štěpení,

(3) zachycení neutronů nečistotami.

(4) zachycení neutronů štěpením uranu.

Pokud je ztráta neutronů v prvních třech procesech menší než počet neutronů uvolněných ve čtvrtém, pak dojde k řetězové reakci; jinak je to nemožné. Je zřejmé, že pokud je první tři procesy velmi pravděpodobné, pak přebytek neutronů uvolněných během štěpení nebude schopen zajistit pokračování reakce. Například v případě, kdy je pravděpodobnost postupu (2) (zachycení uranem bez štěpení) mnohem vyšší než pravděpodobnost zachycení štěpením, je řetězová reakce nemožná. Další obtíž přináší izotopický přírodní uran: skládá se ze tří izotopů: 234 U, 235 U a 238 U, jejichž příspěvky jsou 0,006, 0,7 a 99,3%. Je důležité, aby pravděpodobnosti procesů (2) a (4) byly různé pro různé izotopy a aby různě závisely na energii neutronů.

Pro posouzení konkurence mezi různými procesy z hlediska vývoje řetězového procesu jaderného štěpení ve hmotě je zaveden koncept „kritického množství“.

Kritické množství- minimální hmotnost štěpného materiálu zajišťující průběh soběstačné řetězové reakce štěpení. Čím nižší je poločas štěpení a čím vyšší je obohacení pracovního prvku štěpným izotopem, tím nižší je kritické množství.

Kritické množství - minimální množství štěpného materiálu potřebné k zahájení samovolné štěpné řetězové reakce. Multiplikační faktor neutronů v takovém množství hmoty je roven jedné.

Kritické množství je hmotnost štěpného materiálu reaktoru v kritickém stavu.

Kritické rozměry jaderného reaktoru- nejmenší rozměry jádra reaktoru, ve kterých je stále možné provádět samovolnou štěpnou reakci jaderného paliva. Za kritický objem se obvykle považuje kritický objem jádra.

Kritický objem jaderného reaktoru- objem jádra reaktoru v kritickém stavu.

Relativní množství neutronů emitovaných z uranu lze snížit změnou jeho velikosti a tvaru. V kouli jsou povrchové efekty úměrné čtverci a objemové efekty jsou úměrné krychli poloměru. Emise neutronů z uranu je povrchový efekt, který závisí na velikosti povrchu; zachycení s dělením nastává v celém objemu obsazeném materiálem, a proto je

volumetrický efekt. Čím větší je množství uranu, tím menší je pravděpodobnost, že emise neutronů z převážné části uranu převáží nad štěpením se štěpením a zabrání řetězové reakci. Ztráta neutronů na neštěpivé odchyty je hromadný efekt, podobný uvolňování neutronů štěpením, takže nárůst velikosti nemění jejich relativní důležitost.

Kritické rozměry zařízení obsahujícího uran lze definovat jako rozměry, při kterých je počet neutronů uvolněných během štěpení přesně stejný jako jejich ztráta v důsledku emise a zachycení, která nejsou doprovázena štěpením. Jinými slovy, pokud jsou rozměry menší než kritické, pak se podle definice nemůže vyvinout řetězová reakce.

Kritické množství mohou tvořit pouze liché izotopy. V přírodě se nachází pouze 235 U a 239 Pu a 233 U jsou umělé, vznikají v jaderném reaktoru (v důsledku zachycení neutronů 238 U

a 232 Th se dvěma následnými β - rozpady).

V přírodní uran, štěpná řetězová reakce se nemůže vyvinout s jakýmkoli množstvím uranu, avšak v izotopech, jako jeŘetězového procesu 235 U a 239 Pu je relativně snadné dosáhnout. V přítomnosti moderátoru neutronů dochází v přírodním uranu také k řetězové reakci.

Předpokladem řetězové reakce je přítomnost dostatečně velkého množství štěpné hmoty, protože v malých vzorcích většina neutronů proletí vzorkem, aniž by zasáhla jakékoli jádro. Při dosažení dojde k řetězové reakci jaderného výbuchu

štěpná hmota nějakého kritického množství.

Nechť existuje kousek hmoty schopné štěpení, například 235 U, do kterého spadne neutron. Tento neutron buď způsobí štěpení, nebo bude látkou zbytečně absorbován, nebo po rozptýlení unikne vnějším povrchem. Je důležité, co se stane v další fázi - bude počet neutronů v průměru klesat nebo klesat, tj. řetězová reakce oslabí nebo se vyvine, tj. zda bude systém v podkritickém nebo v nadkritickém (výbušném) stavu. Protože emise neutronů je regulována velikostí (pro kouli - poloměrem), vzniká koncept kritické velikosti (a hmotnosti). Aby došlo k výbuchu, musí být velikost větší než kritická velikost.

Kritickou velikost štěpného systému lze odhadnout, pokud je známa střední volná dráha neutronů ve štěpném materiálu.

Neutron, letící hmotou, se příležitostně srazí s jádrem, jako by viděl svůj průřez. Velikost průřezu jádra je σ = 10-24 cm2 (stodola). Pokud N je počet jader v kubických centimetrech, pak kombinace L = 1 / N σ udává průměrnou střední volnou dráhu neutronu vzhledem k jaderné reakci. Délka neutronové dráhy je jedinou dimenzionální veličinou, která může sloužit jako výchozí bod pro hodnocení kritické velikosti. V jakékoli fyzikální teorii se používají metody podobnosti, které jsou zase konstruovány z bezrozměrných kombinací dimenzionálních veličin, charakteristik systému a hmoty. Tak bezrozměrný

číslo je poměr poloměru kusu štěpného materiálu k délce dráhy neutronů v něm. Pokud předpokládáme, že bezrozměrné číslo je v řádu jednoty a délka dráhy při typické hodnotě N = 1023, L = 10 cm

(pro σ = 1) (obvykle σ je obvykle mnohem vyšší než 1, takže kritické množství je menší než náš odhad). Kritické množství závisí na průřezu štěpné reakce konkrétního nuklidu. K vytvoření atomové bomby jsou tedy zapotřebí přibližně 3 kg plutonia nebo 8 kg 235 U (s implozivním schématem a v případě čistých 235 U) U sudového schématu atomové bomby přibližně 50 kg zbraně- je nutný uran (s hustotou uranu 1,895 104 kg / m3 je poloměr koule přibližně 8,5 cm, což se překvapivě dobře shoduje s naším odhadem

R = L = 10 cm).

Pojďme nyní odvodit přísnější vzorec pro výpočet kritické velikosti kusu štěpného materiálu.

Jak víte, rozpad jádra uranu produkuje několik volných neutronů. Některé z nich opustí vzorek a některé jsou absorbovány jinými jádry, což způsobí jejich štěpení. K řetězové reakci dochází, když počet neutronů ve vzorku začne růst jako lavina. K určení kritické hmotnosti lze použít neutronovou difúzní rovnici:

	∂C	D C + β C
	.T

kde С je koncentrace neutronů, β> 0 je rychlostní konstanta reakce násobení neutronů (podobně jako konstanta radioaktivního rozpadu má rozměr 1 / s, D je koeficient difúze neutronů,

Nechť má vzorek tvar koule o poloměru R. Potom musíme najít řešení pro rovnici (1), které splňuje okrajovou podmínku: C (R, t) = 0.

Provedeme změnu C = ν e β t, pak

∂C

∂ν

ν = D

+ βν e

Získal klasickou rovnici tepelné vodivosti:

∂ν

D ν

Řešení této rovnice je dobře známé

π 2 n 2

ν (r, t) =

hřích π n re

π 2 n

β −

C (r, t) =

hřích π n re

r n = 1

Řetězová reakce bude probíhat za podmínky (tj

C (r, t)

t → ∞ → ∞) tak, že pro alespoň jedno n koeficient v

exponent je kladný.

Pokud β - π 2 n 2 D> 0,

pak β> π 2 n 2 D a kritický poloměr koule:

R = π n

Pokud π

≥ R, pak pro jakékoli n nebude růst žádný exponent

Pokud π

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

Omezíme se na první člen řady, n = 1:

R = π

Kritické množství:

M = ρ V = ρ

Minimální hodnota poloměru koule, při které dochází k řetězové reakci, se nazývá

kritický poloměr , a hmotnost odpovídající koule je kritické množství.

Dosazením hodnoty za R získáme vzorec pro výpočet kritického množství:

M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Kritická hmotnost závisí na tvaru vzorku, faktoru multiplikace neutronů a koeficientu difúze neutronů. Jejich stanovení je složitý experimentální problém, proto se získaný vzorec používá ke stanovení uvedených koeficientů a provedené výpočty jsou důkazem existence kritického množství.

Úloha velikosti vzorku je zřejmá: s poklesem velikosti se procento neutronů emitovaných jeho povrchem zvyšuje, takže při malých (pod kritických!) Velikostech vzorků je řetězová reakce nemožná i při příznivém poměru mezi procesy absorpce a tvorba neutronů.

U vysoce obohaceného uranu je kritická hmotnost asi 52 kg, u plutonia určeného pro zbraně - 11 kg. Regulační dokumenty na ochranu jaderných materiálů před krádeží udávají kritickou hmotnost: 5 kg 235 U nebo 2 kg plutonia (pro schéma implozivní atomové bomby). Pro kanónový systém jsou kritické hmotnosti mnohem vyšší. Na základě těchto hodnot je postavena intenzita ochrany štěpných látek před teroristickými útoky.

Komentář. Kritická hmotnost 93,5% systému obohacování uranu (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) je 52 kg bez reflektoru a 8,9 kg, když je systém obklopen neutronovým reflektorem vyrobeným z oxidu berylia. Kritická hmotnost vodného roztoku uranu je asi 5 kg.

Hodnota kritické hmotnosti závisí na vlastnostech látky (jako jsou průřezy štěpení a zachycování záření), na hustotě, množství nečistot, tvaru produktu a také na životním prostředí. Například přítomnost neutronových reflektorů může výrazně snížit kritickou hmotnost. U konkrétního štěpného materiálu se množství materiálu, které tvoří kritickou hmotnost, může měnit v širokém rozsahu a závisí na hustotě, charakteristikách (typu materiálu a tloušťce) reflektoru, jakož i na povaze a procentu všech inertních přítomná ředidla (jako je kyslík v oxidu uranu, 238 U v částečně obohaceném 235 U nebo chemické nečistoty).

Pro účely srovnání uvádíme kritické hmotnosti koulí bez reflektoru pro několik typů materiálů s určitou standardní hustotou.

Pro srovnání uvádíme následující příklady kritických hmot: 10 kg 239 Pu, kov v alfa fázi

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

v hustotě v krystalické formě 11 g / cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) při hustotě v krystalické formě

forma 11,4 g / cm3. Nejmenší kritickou hmotnost mají roztoky solí čistých štěpných nuklidů ve vodě s vodním neutronovým reflektorem. Pro 235 U je kritická hmotnost 0,8 kg, pro 239 Pu - 0,5 kg, pro 251 Cf -

Kritická hmotnost M se vztahuje ke kritické délce l: M lx, kde x závisí na tvaru vzorku a pohybuje se od 2 do 3. Tvarová závislost je spojena s únikem neutronů povrchem: čím větší povrch, tím větší kritická Hmotnost. Vzorek s minimální kritickou hmotností má tvar koule. Tab. 5. Hlavní odhadované charakteristiky čistých izotopů schopných jaderného štěpení

							Neutrony
	Přijímání		Kritické	Hustota	Teplota	Odvod tepla	spontánní
	Přijímání	poločas rozpadu	Kritické	Hustota	Teplota	Odvod tepla	spontánní
	(zdroj)	poločas rozpadu		g / cm³	tání ° C
		T 1/2					105 (kg s)
231 Pa
232U	Reaktor zapnutý
232U
	neutrony
233U
235U	Přírodní	7038 × 108 let

236U		2,3416 × 107 let starý? Kg
237 Np		2,14 × 107 let
236 Pu
238 Pu
239 Pu
240Pu
241 Pu
242 Pu
241 dop
242 mAh
243 mAh
243 dop
243 cm
244 cm
245 cm
246 cm
247 cm		1,56 × 107 let
248 cm
249 Srov
250 Srov
251 Srov
252 Srov

Pojďme se trochu podrobněji zabývat kritickými parametry izotopů některých prvků. Začněme uranem.

Jak již bylo několikrát zmíněno, 235 U (0,72% clarke) je zvláště důležité, protože štěpí působením tepelných neutronů (σ f = 583 barn), přičemž uvolňuje „ekvivalent tepelné energie“ 2 × 107 kWh / k . Vzhledem k tomu, že kromě α-rozpadu 235 U také spontánně štěpí (T 1/2 = 3,5 × 1017 let), jsou v uranové hmotě vždy přítomny neutrony, což znamená, že lze vytvořit podmínky pro výskyt soběstačná štěpná řetězová reakce. Pro kov uranu s obohacením 93,5% je kritická hmotnost: 51 kg bez reflektoru; 8,9 kg s reflektorem oxidu berylia; 21,8 kg s plným vodním reflektorem. Kritické parametry homogenních směsí uranu a jeho sloučenin jsou uvedeny v

Kritické parametry izotopů plutonia: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = od 12 do 7,45 kg. Největší zájem jsou o směsi izotopů: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Vysoké uvolňování specifické měrné energie 238 Pu vede k oxidaci kovu na vzduchu; proto se s největší pravděpodobností používá ve formě oxidů. Při výrobě 238 Pu je doprovodný izotop 239 Pu. Poměr těchto izotopů ve směsi určuje jak hodnotu kritických parametrů, tak jejich závislost se změnou obsahu moderátoru. Různé odhady kritické hmotnosti pro holé kovové koule 238 Pu dávají hodnoty od 12 do 7,45 kg, ve srovnání s kritickou hmotností pro 239 Pu 9,6 kg. Protože jádro 239 Pu obsahuje lichý počet neutronů, kritické množství se po přidání vody do systému sníží. Kritické množství 238 Pu se zvyšuje přidáním vody. U směsi těchto izotopů závisí celkový účinek přidání vody na poměru izotopů. Při obsahu hmotnosti 239 Pu 37% nebo méně se kritické množství směsi izotopů 239 Pu a 238 Pu nesnižuje, když se do systému přidá voda. V tomto případě je přípustné množství 239 Pu-238 Pu dioxidů 8 kg. S ostatními

V poměru 238 Pu a 239 Pu dioxidů se minimální hodnota kritické hmotnosti pohybuje od 500 g pro čistý 239 Pu do 24,6 kg pro čistý 238 Pu.

Tab. 6. Závislost kritického množství a kritického objemu uranu na obohacení v 235 U.

Poznámka. I - homogenní směs kovového uranu a vody; II - homogenní směs oxidu uraničitého a vody; III - roztok fluoridu uranylu ve vodě; IV - roztok dusičnanu uranylu ve vodě. * Data získaná pomocí grafické interpolace.

Další izotop s lichým počtem neutronů je 241 Pu. Minimální kritická hmotnost pro 241 Pu je dosažena ve vodných roztocích o koncentraci 30 g / l a je 232 kg. Když je z ozářeného paliva získáno 241 Pu, je vždy doprovázeno 240 Pu, což jej svým obsahem nepřekračuje. Při stejném poměru nuklidů ve směsi izotopů minimální kritické množství 241 Pu překračuje kritické množství 239 Pu. V důsledku toho s ohledem na minimální kritické množství izotopu 241 Pu při

hodnocení jaderné bezpečnosti může nahradit 239 Pu, pokud směs izotopů obsahuje stejná množství

241 Pu a 240 Pu.

Tab. 7. Minimální kritické parametry uranu obohaceného o 100% ve 233 U.

Uvažujme nyní o kritických charakteristikách izotopů americium. Přítomnost izotopů 241 Am a 243 Am ve směsi zvyšuje kritickou hmotnost 242 m Am. U vodných roztoků existuje poměr izotopů, při kterém je systém vždy podkritický. Když je hmotnostní obsah 242 m Am ve směsi 241 Am a 242 m Am menší než 5%, zůstává systém podkritický až do koncentrace americiia v roztocích a mechanických směsích oxidu s vodou rovnající se 2500 g / l. 243 am smíchaných s 242 m Am také roste

kritické množství směsi, ale v menší míře, protože průřez zachycení tepelných neutronů pro 243 dop. je řádově nižší než pro 241 m

Tab. 8. Kritické parametry sférických sestav homogenního plutonia (239 Pu + 240 Pu).

Tab. 9. Závislost kritické hmotnosti a objemu sloučenin plutonia * na izotopickém složení plutonia

* Hlavní nuklid 94 239 Pu.

Poznámka. I - homogenní směs kovového plutonia a vody; II - homogenní směs oxidu plutonia a vody; III homogenní směs oxalátu plutonia a vody; IV - roztok dusičnanu plutonia ve vodě.

Tab. 10. Závislost minimální kritické hmotnosti 242 m Am na jejím obsahu ve směsi 242 m Am a 241 Am (kritická hmotnost se vypočítá pro AmO2 + H2O v sférické geometrii s vodním reflektorem):

	Kritická hmotnost 242 m Am, g

Při nízkém hmotnostním zlomku 245 Cm je třeba vzít v úvahu, že 244 Cm má také konečnou kritickou hmotnost v systémech bez moderátorů. Jiné izotopy kuria s lichým počtem neutronů mají minimální kritickou hmotnost několikrát větší než 245 cm. Ve směsi СmО2 + Н2О má izotop 243 Cm minimální kritickou hmotnost asi 108 g a 247 Cm - asi 1170 g.

Kritickou hmotnost lze považovat za 1 g 245 Cm, což odpovídá 3 g 243 Cm nebo 30 g 247 Cm. Minimální kritické množství 245 Cm, g, v závislosti na obsahu 245 Cm ve směsi izotopů 244 Cm a 245 Cm pro СmО2 +

Н2О je dostatečně dobře popsán vzorcem

	M cr = 35,5 +
		ξ + 0,003

kde ξ je hmotnostní zlomek 245 Cm ve směsi izotopů kuria.

Kritické množství závisí na průřezu štěpné reakce. Při vytváření zbraní mohou všechny druhy triků snížit kritické množství potřebné k výbuchu. K vytvoření atomové bomby je tedy zapotřebí 8 kg uranu-235 (s implozivním schématem a v případě čistého uranu-235; při použití 90% uranu-235 a se sudovým schématem atomové bomby alespoň Je vyžadováno 45 kg uranu vhodného pro zbraně). Kritickou hmotnost lze výrazně snížit obklopením štěpného vzorku vrstvou materiálu odrážejícího neutrony, jako je berylium nebo přírodní uran. Reflektor vrací významnou část neutronů emitovaných povrchem vzorku. Pokud například použijete reflektor o tloušťce 5 cm, vyrobený z materiálů, jako je uran, železo, grafit, kritická hmotnost bude polovina kritické hmotnosti „holé koule“. Silnější reflektory snižují kritickou hmotnost. Zvláště účinné je beryllium, které poskytuje kritickou hmotnost 1/3 standardní kritické hmotnosti. Tepelný neutronový systém má největší kritický objem a minimální kritickou hmotnost.

Důležitou roli hraje stupeň obohacení štěpného nuklidu. Přírodní uran s obsahem 235 U 0,7% nelze použít k výrobě atomových zbraní, protože zbytek uranu (238 U) intenzivně absorbuje neutrony, což brání rozvoji řetězového procesu. Izotopy uranu je proto nutné oddělit, což je obtížný a časově náročný úkol. Separace musí být provedena až do 235 stupňů obohacení U nad 95%. Po cestě je nutné se zbavit nečistot prvků s vysokým průřezem zachycení neutronů.

Komentář. Při přípravě uranu na úrovni zbraní se nejen zbaví nepotřebných nečistot, ale nahradí je jinými nečistotami, které přispívají k řetězovému procesu, například zavádějí prvky - chovatelé neutronů.

Úroveň obohacení uranu má významný vliv na kritické množství. Například kritická hmotnost uranu s obohacením 235 U 50% je 160 kg (3násobek hmotnosti 94% uranu) a kritická hmotnost 20% uranu je 800 kg (tj. ~ 15krát více než kritické množství 94% uranu). Podobné koeficienty závislosti na úrovni obohacení platí pro oxid uranu.

Kritická hmotnost je nepřímo úměrná druhé mocnině hustoty materiálu M k ~ 1 / ρ 2 ,. Kritická hmotnost kovového plutonia v delta fázi (hustota 15,6 g / cm3) je tedy 16 kg. Tato okolnost se bere v úvahu při navrhování kompaktní atomové bomby. Protože pravděpodobnost zachycení neutronů je úměrná koncentraci jader, může zvýšení hustoty vzorku, například v důsledku jeho stlačení, vést ke vzniku kritického stavu ve vzorku. V jaderných výbušných zařízeních se množství štěpného materiálu, který je v bezpečném podkritickém stavu, přemění na výbušný nadkritický pomocí řízeného výbuchu, který podrobí náboj silnému stupni stlačení.

KRITICKÁ HMOTNOST, minimální hmotnost materiálu schopného štěpení, požadovaného pro zahájení REAKCE ŘETĚZU v atomové bombě nebo jaderném reaktoru. U atomové bomby je explodující materiál rozdělen na části, z nichž každá je méně kritická ... ... Vědecký a technický encyklopedický slovník

Viz MASS CRITICAL. Raizberg BA, Lozovsky L.Sh., Starodubtseva EB .. Moderní ekonomický slovník. 2. vyd., Rev. M.: INFRA M. 479 s. 1999 ... Ekonomický slovník

KRITICKÉ MNOŽSTVÍ- nejmenší (viz) štěpná hmota (uran 233 nebo 235, plutonium 239 atd.), při které může vzniknout a pokračovat samonosná řetězová reakce štěpení atomových jader. Hodnota kritického množství závisí na druhu štěpné látky, její ... ... Velká polytechnická encyklopedie

KRITICKÁ hmotnost, minimální hmotnost štěpné hmoty (jaderného paliva), zajišťující průběh soběstačné řetězové reakce štěpení. Kritické množství (Mcr) závisí na typu jaderného paliva a jeho geometrickém uspořádání ... ... Moderní encyklopedie

Minimální hmotnost štěpného materiálu, která zajišťuje průběh soběstačné řetězové reakce štěpení ... Velký encyklopedický slovník

Kritická hmotnost je nejmenší množství paliva, ve kterém může probíhat samonosná řetězová reakce štěpení jader se specifickým designem a složením jádra (závisí na mnoha faktorech, například: složení paliva, moderátor, tvar. ... ... Termíny jaderné energie

kritické množství- Nejmenší množství paliva, ve kterém může při určité konstrukci a složení jádra probíhat samonosná řetězová reakce jaderného štěpení (závisí na mnoha faktorech, například: složení paliva, moderátor, tvar jádra a ... ... Technická příručka překladače

Kritické množství- KRITICKÁ HMOTNOST, minimální hmotnost štěpné hmoty (jaderného paliva), zajišťující průběh soběstačné řetězové reakce štěpení. Kritické množství (Mcr) závisí na typu jaderného paliva a jeho geometrickém uspořádání ... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník

Minimální množství jaderného paliva obsahujícího štěpné nuklidy (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), s nímž je možná řetězová reakce štěpení jader (viz Jaderné štěpení. Jaderný reaktor, jaderný výbuch). K. m. Záleží na velikosti a tvaru ... ... Fyzická encyklopedie

Minimální hmotnost štěpného materiálu, která zajišťuje průběh soběstačné řetězové reakce štěpení. * * * KRITICKÁ HMOTNOST KRITICKÁ HMOTNOST, minimální hmotnost štěpné hmoty, zajišťující tok soběstačné ... encyklopedický slovník

Knihy

Kritická mše, Veselá N. G.R.Derzhavin, vyvolení zadali ... Kategorie: Ostatní publikace
Kritická mše, Natalya Veselova, do knihy Natalyy Veselové, členky Ruského meziregionálního svazu spisovatelů, řádného člena Akademie ruské literatury a výtvarného umění. G.R.Derzhavin, vybrané příběhy zadány ... Kategorie:

Od konce nejhorší války v dějinách lidstva uplynuly něco málo přes dva měsíce. A 16. července 1945 byla americkou armádou testována první jaderná bomba a o měsíc později v atomovém pekle umírají tisíce obyvatel japonských měst. Od té doby se zbraně, stejně jako způsoby jejich doručování k cílům, neustále vylepšují po více než půl století.

Armáda chtěla mít k dispozici jak supervýkonnou munici, jednou ranou, která smetla celá města a země z mapy, tak ultramalé, které zapadnou do portfolia. Takové zařízení by dostalo sabotážní válku na nebývalou úroveň. S prvním i druhým vyvstaly nepřekonatelné potíže. Na vině je takzvané kritické množství. Nejprve však nejprve.

Takové výbušné jádro

Abychom porozuměli fungování jaderných zařízení a porozuměli tomu, čemu se říká kritické množství, vraťme se na chvíli ke svému stolu. Ze školního kurzu fyziky si pamatujeme jednoduché pravidlo: náboje se stejným názvem odpuzují. Na stejném místě, na střední škole, jsou studenti informováni o struktuře atomového jádra, skládající se z neutronů, neutrálních částic a kladně nabitých protonů. Ale jak je to možné? Kladně nabité částice jsou tak blízko sebe, odpudivé síly musí být kolosální.

Věda si není plně vědoma povahy intranukleárních sil, které drží protony pohromadě, přestože vlastnosti těchto sil byly studovány docela dobře. Síly působí pouze na velmi krátkou vzdálenost. Jakmile jsou ale protony v prostoru byť jen nepatrně odděleny, začnou převládat odpudivé síly a jádro se rozpadne na kousky. A síla takové expanze je opravdu kolosální. Je známo, že síla dospělého muže by nestačila na to, aby udržela protony pouze v jednom jediném jádru atomu olova.

Čeho se Rutherford bál

Jádra většiny prvků periodické tabulky jsou stabilní. S nárůstem atomového čísla však tato stabilita klesá. Je to o velikosti jader. Představte si jádro atomu uranu, skládající se z 238 nuklidů, z nichž 92 jsou protony. Ano, protony jsou spolu v těsném kontaktu a intranukleární síly bezpečně cementují celou strukturu. Ale odpudivá síla protonů umístěných na opačných koncích jádra se stává znatelnou.

Co dělal Rutherford? Atomy bombardoval neutrony (elektron neprojde elektronovým obalem atomu a kladně nabitý proton se kvůli odpudivým silám nebude moci přiblížit k jádru). Neutron, který spadl do jádra atomu, způsobil jeho štěpení. Dvě oddělené poloviny a dva nebo tři volné neutrony roztroušené do stran.

Tento úpadek, způsobený obrovskými rychlostmi rozptylových částic, byl doprovázen uvolněním obrovské energie. Říkalo se, že Rutherford dokonce chtěl skrýt svůj objev, protože se bál jeho možných důsledků pro lidstvo, ale s největší pravděpodobností to není nic jiného než pohádka.

Co s tím má tedy hmota společného a proč je kritická

No a co? Jak můžete ozářit dost radioaktivního kovu proudem protonů, aby došlo k silné explozi? A co je kritické množství? Je to všechno o těch pár volných elektronech, které vyletí z „vybombardovaného“ atomového jádra, a ta zase srazí s jinými jádry, způsobí jejich štěpení. Takzvané začnou, ale bude velmi obtížné je spustit.

Pojďme si ujasnit měřítko. Pokud vezmeme jablko na stůl jako jádro atomu, pak, abychom si představili jádro sousedního atomu, bude nutné vzít stejné jablko a položit ho na stůl ani ve vedlejší místnosti, ale ... ... ve vedlejším domě. Neutron bude mít velikost třešňové jámy.

Aby uvolněné neutrony neodletěly ztracené mimo uranový ingot a více než 50% z nich by našlo svůj cíl ve formě atomových jader, musí mít tento ingot příslušné rozměry. Tomu se říká kritické množství uranu - hmotnost, při které se více než polovina uvolněných neutronů srazí s jinými jádry.

Ve skutečnosti se to stane v okamžiku. Počet rozdělených jader roste jako lavina, jejich fragmenty se řítí všemi směry rychlostí srovnatelnou s rychlostí světla, trhají vzduch, vodu a jakékoli jiné médium. Po jejich srážkách s molekulami prostředí se oblast výbuchu okamžitě zahřeje na miliony stupňů a vyzařuje teplo, které spaluje vše v blízkosti několika kilometrů.

Ostře ohřátý vzduch se okamžitě zvětší a vytvoří silnou rázovou vlnu, která odletí od základů budovy, převrátí a zničí vše, co jí stojí v cestě ... takový je obraz atomového výbuchu.

Jak to vypadá v praxi

Zařízení pro atomovou bombu je překvapivě jednoduché. Existují dva ingoty uranu (nebo druhý, přičemž hmotnost každého z nich je o něco menší než u kritického. Jeden ze slitků je vyroben ve formě kužele, druhý - koule s kónickým otvorem. mohl hádat, když se obě poloviny spojí, získá se koule, která dosáhne kritické hmotnosti. Toto je standardní nejjednodušší jaderná bomba Dvě poloviny jsou spojeny pomocí konvenční nálože TNT (kužel je vystřelen do koule).

Ale nemyslete si, že takové zařízení může sestavit „na koleno“ kdokoli. Jde o to, že uran, aby z něj vybuchla bomba, musí být velmi čistý, přítomnost nečistot je prakticky nulová.

Proč neexistuje atomová bomba o velikosti krabičky cigaret

Vše ze stejného důvodu. Kritické množství nejhojnějšího izotopu, uranu 235, je asi 45 kg. Výbuch tolika jaderného paliva je již katastrofou. A s menší hmotností to nejde udělat - prostě to nepůjde.

Ze stejného důvodu nebylo možné vytvořit super silné atomové náboje z uranu nebo jiných radioaktivních kovů. Aby byla bomba velmi silná, byla vyrobena z tuctu ingotů, které se po odpálení detonačních náloží vrhly do středu a spojovaly se jako plátky pomeranče.

Ale co se vlastně stalo? Pokud se z nějakého důvodu dva prvky setkaly o tisícinu sekundy dříve než ostatní, kritického množství bylo dosaženo rychleji, než by ostatní „dorazily včas“, k výbuchu nedošlo při síle očekávané konstruktéry. Problém supervýkonných jaderných zbraní byl vyřešen až s příchodem termonukleárních zbraní. Ale to je trochu jiný příběh.

Jak funguje mírumilovný atom?

Jaderná elektrárna je v podstatě stejná jaderná bomba. Pouze tato „bomba“ má palivové články (palivové články) z uranu umístěné v určité vzdálenosti od sebe, což jim nebrání ve výměně neutronových „šoků“.

Palivové tyče jsou vyráběny ve formě tyčí, mezi kterými jsou ovládací tyče z materiálu, který dobře absorbuje neutrony. Princip fungování je jednoduchý:

do prostoru mezi uranovými tyčemi jsou vloženy kontrolní (absorbující) tyče - reakce se zpomalí nebo úplně zastaví;
ze zóny jsou odstraněny kontrolní tyče - radioaktivní prvky si aktivně vyměňují neutrony, jaderná reakce je intenzivnější.

Ve skutečnosti se získá stejná atomová bomba, ve které je kritické hmotnosti dosaženo tak hladce a regulováno tak jasně, že nevede k výbuchu, ale pouze k ohřevu chladicí kapaliny.

Ačkoli, bohužel, jak ukazuje praxe, lidský génius není vždy schopen omezit tuto obrovskou a ničivou energii - energii rozpadu atomového jádra.

Mnoho našich čtenářů spojuje vodíkovou bombu s atomovou bombou, jen mnohem silnější. Ve skutečnosti se jedná o zásadně novou zbraň, která ke svému vytvoření vyžadovala nezměrně velké intelektuální úsilí a funguje na zásadně odlišných fyzikálních principech.

Jediná společná věc mezi atomovou bombou a vodíkovou bombou je, že obě uvolňují kolosální energii skrytou v atomovém jádru. To lze provést dvěma způsoby: rozdělit těžká jádra, například uran nebo plutonium, na lehčí (štěpná reakce) nebo přinutit nejlehčí izotopy vodíku ke sloučení (fúzní reakce). V důsledku obou reakcí je hmotnost výsledného materiálu vždy menší než hmotnost původních atomů. Hmota ale nemůže beze stopy zmizet - mění se v energii podle Einsteinova slavného vzorce E = mc 2.

K vytvoření atomové bomby je nezbytnou a dostatečnou podmínkou získání dostatečného množství štěpného materiálu. Práce je docela pracná, ale málo intelektuální, ležící blíže těžebnímu průmyslu než vysoké vědě. Hlavní zdroje pro výrobu takových zbraní jdou na výstavbu obřích uranových dolů a závodů na obohacování uranu. Důkazem jednoduchosti zařízení je skutečnost, že mezi přijetím plutonia nezbytného pro první bombu a první sovětskou jadernou explozí neuplynul ani měsíc.

Pojďme si krátce připomenout princip fungování takové bomby, známý z kurzu školní fyziky. Je založen na vlastnosti uranu a některých transuranických prvků, jako je plutonium, emitovat během rozpadu více než jeden neutron. Tyto prvky se mohou rozpadat jak spontánně, tak pod vlivem jiných neutronů.

Uvolněný neutron může opustit radioaktivní materiál nebo se může srazit s jiným atomem, což způsobí další štěpnou reakci. Při překročení určité koncentrace látky (kritické hmotnosti) začne počet novorozených neutronů, způsobující další štěpení atomového jádra, převyšovat počet rozpadajících se jader. Počet rozpadajících se atomů začíná růst jako lavina, což vede k vzniku nových neutronů, to znamená, že dochází k řetězové reakci. Pro uran-235 je kritická hmotnost asi 50 kg, pro plutonium-239-5,6 kg. To znamená, že kulička plutonia vážící o něco méně než 5,6 kg je jen teplý kus kovu a s hmotností o něco více existuje jen několik nanosekund.

Vlastní provoz bomby je jednoduchý: odebereme dvě polokoule uranu nebo plutonia, každou o něco menší než kritické množství, umístíme je na vzdálenost 45 cm, obklopíme výbušninami a detonujeme. Uran nebo plutonium se slinuje na kus superkritické hmoty a začíná jaderná reakce. Všechno. Existuje další způsob, jak zahájit jadernou reakci - zmáčknout kousek plutonia silnou explozí: vzdálenost mezi atomy se zmenší a reakce začne s nižším kritickým množstvím. Na tomto principu fungují všechny moderní atomové rozbušky.

Problémy atomové bomby začínají od okamžiku, kdy chceme zvýšit sílu výbuchu. Od jednoduchého nárůstu štěpného materiálu nelze upustit - jakmile jeho hmotnost dosáhne kritické hmotnosti, vybuchne. Byly vynalezeny různé důmyslné schémata, například vyrobit bombu ne ze dvou částí, ale z mnoha, což způsobilo, že bomba připomínala vykuchaný pomeranč, a poté ji shromáždit v jednom kuse jednou explozí, ale přesto s mocí přes 100 kilotun, problémy se staly nepřekonatelnými.

Palivo pro termonukleární fúzi však nemá kritické množství. Tady nad hlavou visí Slunce naplněné termonukleárním palivem, v něm už miliardu let probíhá termonukleární reakce a nic nevybuchne. Během fúzní reakce, například deuteria a tritia (těžkého a supertěžkého izotopu vodíku), se navíc uvolní 4,2krát více energie, než když se spálí stejná hmotnost uranu-235.

Výroba atomové bomby byla spíše experimentální než teoretický proces. Vytvoření vodíkové bomby vyžadovalo vznik zcela nových fyzikálních oborů: fyziky vysokoteplotního plazmatu a ultra vysokých tlaků. Před zahájením konstrukce bomby bylo nutné důkladně porozumět povaze jevů, které se vyskytují pouze v jádru hvězd. Zde nemohly pomoci žádné experimenty - nástroji výzkumníků byla pouze teoretická fyzika a vyšší matematika. Není náhoda, že obrovská role ve vývoji termonukleárních zbraní náleží matematikům: Ulamovi, Tichonovovi, Samarskému atd.

Klasika super

Do konce roku 1945 navrhl Edward Teller první konstrukci vodíkové bomby, přezdívanou „klasická super“. K vytvoření monstrózního tlaku a teploty potřebných ke spuštění fúzní reakce měla použít obyčejnou atomovou bombu. Samotné „klasické super“ byl dlouhý válec naplněný deuteriem. Počítalo se také s mezilehlou „zapalovací“ komorou se směsí deuterium -tritium - reakce syntézy deuteria a tritia začíná při nižším tlaku. Analogicky s ohněm mělo deuterium hrát roli palivového dříví, směsi deuteria s tritiem - sklenice benzínu a atomová bomba - zápalky. Toto schéma se nazývá „dýmka“ - druh doutníku s atomovým zapalovačem na jednom konci. Podle stejného schématu začali sovětští fyzici vyvíjet vodíkovou bombu.

Matematik Stanislav Ulam však Tellerovi na obyčejném skluzavém pravidle dokázal, že syntéza čistého deuteria v „super“ byla stěží možná a směs by vyžadovala takové množství tritia, že pro jeho výrobu by bylo nutné prakticky zmrazit výroba plutonia na úrovni zbraní ve Spojených státech.

Cukrový puf

V polovině roku 1946 navrhl Teller další schéma vodíkové bomby - „budík“. Skládal se ze střídajících se sférických vrstev uranu, deuteria a tritia. Při jaderném výbuchu centrálního náboje plutonia byl vytvořen potřebný tlak a teplota pro zahájení termonukleární reakce v dalších vrstvách bomby. „Budík“ však vyžadoval atomový iniciátor vysokého výkonu a Spojené státy (stejně jako SSSR) měly problémy s výrobou uranu a plutonia na úrovni zbraní.

Na podzim roku 1948 přišel Andrej Sacharov k podobnému schématu. V Sovětském svazu se této struktuře říkalo „puff“. Pro SSSR, který neměl čas vyrábět v dostatečném množství uran-235 a plutonium-239 na úrovni zbraní, byl Sacharovův obláček všelékem. A proto.

V běžné atomové bombě je přírodní uran-238 nejen zbytečný (energie neutronů během rozpadu nestačí k zahájení štěpení), ale také škodlivý, protože chamtivě absorbuje sekundární neutrony a zpomaluje řetězovou reakci. Proto je uran na úrovni zbraní z 90% složen z izotopu uranu-235. Neutrony vyplývající z termonukleární fúze jsou však 10krát energetičtější než štěpné neutrony a přírodní uran-238, ozářený takovými neutrony, se začíná excelentně štěpit. Nová bomba umožnila použít uran-238 jako výbušninu, která byla dříve považována za odpad z výroby.

Vrcholem Sacharovova „pufu“ bylo také použití bílé světelné krystalické látky, deuteridu lithného 6 LiD, místo akutně deficitního tritia.

Jak bylo uvedeno výše, směs deuteria a tritia se zapaluje mnohem snadněji než čisté deuterium. Zde však výhody tritia končí, ale zůstávají pouze nevýhody: v normálním stavu je tritium plyn, který způsobuje potíže při skladování; tritium je radioaktivní a rozpadá se na stabilní helium-3, které aktivně pohlcuje tolik potřebné rychlé neutrony, což omezuje trvanlivost bomby na několik měsíců.

Neradioaktivní deuterid lithný se při ozáření pomalými štěpnými neutrony - důsledky výbuchu atomové pojistky - mění v tritium. Radiace primárního atomového výbuchu tedy v okamžiku produkuje dostatečné množství tritia pro další termonukleární reakci a deuterium je zpočátku přítomno v deutridu lithia.

Byla to taková bomba RDS-6, která byla úspěšně testována 12. srpna 1953 ve věži testovacího místa Semipalatinsk. Síla exploze byla 400 kilotun a debata se až dosud nezastavila, ať už se jednalo o skutečnou termonukleární explozi nebo supervýkonnou atomovou. Reakce termonukleární fúze v Sacharovově bafě představovala maximálně 20% celkového nabíjecího výkonu. Hlavní podíl na výbuchu měla rozpadová reakce uranu-238 ozářeného rychlými neutrony, díky kterému RDS-6 zahájily éru takzvaných „špinavých“ bomb.

Faktem je, že hlavní radioaktivní kontaminaci zajišťují produkty rozpadu (zejména stroncium-90 a cesium-137). V podstatě byl Sacharovův „obláček“ gigantickou atomovou bombou, jen mírně vylepšenou termonukleární reakcí. Není náhoda, že pouhý jeden výbuch „pufu“ poskytl 82% stroncia-90 a 75% cesia-137, které se dostalo do atmosféry po celou historii testovacího místa Semipalatinsk.

Americké bomby

Přesto to byli Američané, kteří odpálili první vodíkovou bombu. 1. listopadu 1952 bylo 10megatonové fúzní zařízení Mike úspěšně testováno na atolu Elugelab v Tichém oceánu. 74tunové americké zařízení lze jen stěží nazvat bombou. „Mike“ bylo objemné zařízení o velikosti dvoupodlažního domu, naplněné tekutým deuteriem při teplotě blízké absolutní nule (Sacharovův „puf“ byl docela přenosný produkt). Vrcholem „Mikea“ však nebyla velikost, ale důmyslný princip mačkání termonukleárních výbušnin.

Připomeňme si, že hlavní myšlenkou vodíkové bomby je vytvořit podmínky pro fúzi (ultravysoký tlak a teplota) prostřednictvím jaderného výbuchu. Ve schématu „pufování“ je jaderná nálož umístěna ve středu, a proto nestlačuje tolik deuterium, jako jej rozptyluje směrem ven - zvýšení množství termonukleárních výbušnin nevede ke zvýšení výkonu - jednoduše ano nemají čas vybuchnout. Právě to omezuje maximální výkon tohoto schématu - nejmocnější „puff“ na světě Orange Herald, odpálený Brity 31. května 1957, dal jen 720 kilotun.

V ideálním případě by bylo nechat atomovou pojistku explodovat dovnitř a stlačit termonukleární výbušniny. Ale jak to udělat? Edward Teller předložil skvělý nápad: stlačit termonukleární palivo nikoli mechanickou energií a neutronovým tokem, ale zářením primární atomové pojistky.

V novém designu Tellera byla iniciační atomová sestava oddělena od termonukleárního bloku. Když byl spuštěn atomový náboj, rentgenové paprsky byly před rázovou vlnou a šířily se podél stěn válcového tělesa, odpařovaly se a transformovaly vnitřní polyetylenovou výstelku těla bomby na plazmu. Plazma zase emitovala měkčí rentgenové paprsky, které byly absorbovány vnějšími vrstvami vnitřního válce vyrobeného z uranu-238-„tlačného“. Vrstvy se začaly explozivně vypařovat (tomuto jevu se říká ablace). Žhavená uranová plazma se dá přirovnat k tryskám super výkonného raketového motoru, jehož tah je směrován do válce naplněného deuteriem. Uranový válec se zhroutil, tlak a teplota deuteria dosáhly kritických úrovní. Stejný tlak stlačil centrální plutoniovou trubici na kritickou hmotu a ta vybuchla. Výbuch pojistky plutonia přitlačil na deuterium zevnitř, navíc stlačil a zahřál termonukleární výbušninu, která detonovala. Intenzivní tok neutronů štěpí jádra uranu-238 v „posunovači“, což způsobuje sekundární rozkladnou reakci. To vše se muselo stát až do okamžiku, kdy výbuchová vlna z primárního jaderného výbuchu dosáhla termonukleárního bloku. Výpočet všech těchto událostí probíhajících v miliardtinách sekundy vyžadoval mysl nejsilnějších matematiků planety. Tvůrci "Mike" nezažili hrůzu, ale nepopsatelné potěšení z výbuchu o velikosti 10 megatonů - dokázali nejen pochopit procesy, které v reálném světě probíhají pouze v jádrech hvězd, ale také experimentálně testovat své teorie uspořádáním jejich malá hvězda na Zemi.

Bravo

Poté, co Američané obešli Rusy v kráse designu, nemohli Američané své zařízení zkompaktnit: místo práškového deutridu lithia od Sacharova použili tekutý podchlazený deuterium. V Los Alamos reagovali na Sacharovův „obláček“ zrnkem závisti: „místo obrovské krávy s kýblem surového mléka Rusové používají balíček suchého mléka“. Obě strany však nedokázaly před sebou skrýt tajemství. 1. března 1954 Američané testovali 15megatonovou bombu Bravo na deutridu lithia poblíž atolu Bikini a 22. listopadu 1955 explodovala nad Semipalatinskem první sovětská dvoustupňová termonukleární bomba RDS-37 s kapacitou 1,7 megatun testovací místo, demolice téměř poloviny mnohoúhelníku. Od té doby prošel design termonukleární bomby menšími změnami (například mezi iniciační bombou a hlavní náloží se objevil uranový štít) a stal se kanonickým. A na světě již neexistují tak rozsáhlá tajemství přírody, která by mohla být vyřešena tak velkolepým experimentem. Je to zrození supernovy?

Trochu teorie

V termonukleární bombě jsou 4 reakce, které probíhají velmi rychle. První dvě reakce slouží jako zdroj materiálu pro třetí a čtvrtou, které při teplotách termonukleárního výbuchu probíhají 30–100krát rychleji a dávají větší energetický výnos. Výsledné helium-3 a tritium jsou proto okamžitě spotřebovány.

Jádra atomů jsou kladně nabitá, a proto se navzájem odpuzují. Aby mohli reagovat, je třeba je tlačit čelně, překonat elektrický odpor. To je možné pouze tehdy, pokud se pohybují vysokou rychlostí. Rychlost atomů je přímo úměrná teplotě, která by měla dosáhnout 50 milionů stupňů! Nestačí však zahřát deuterium na takovou teplotu, je stále nutné zabránit jeho rozptýlení monstrózním tlakem asi miliardy atmosfér! V přírodě se takové teploty v takové hustotě nacházejí pouze v jádru hvězd.