Как работает атомная бомба? Объясняем простыми словами!
Рассказываем, как работает атомная бомба, простыми словами. Специально для любителей больших взрывов =)
Существует два типа атомных взрывов, которым может способствовать уран-235: деление и синтез.
Деление, проще говоря, является ядерной реакцией, в которой атомное ядро расщепляется на фрагменты (обычно два фрагмента сопоставимой массы) все время испуская 100 миллионов до нескольких сотен миллионов вольт энергии. Эта энергия извергается взрывом и яростью в атомной бомбе.
Реакция синтеза, с другой стороны, обычно начинается с реакции деления. Но в отличие от делящейся (атомной) бомбы, термоядерная (водородная) бомба черпает свою энергию из слияния ядер различных изотопов водорода в ядра гелия.
Атомная бомба
В этой статье рассматривается атомная бомба или атомная бомба. Огромная сила, стоящая за реакцией в атомной бомбе, возникает из сил, которые удерживают атом вместе. Эти силы сродни, но не совсем таковы, как магнетизм.
Об атомах
Атомы состоят из различных чисел и комбинаций трех субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны группируются вместе, образуя ядро (центральную массу) атома, в то время как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Именно баланс и расположение этих частиц определяют стабильность атома.
Большинство элементов имеют очень стабильные атомы, которые невозможно расщепить, кроме как бомбардировкой ускорителей частиц. Для всех практических целей единственным естественным элементом, атомы которого можно легко расщепить, является Уран — тяжелый металл с самым большим атомом из всех природных элементов и необычно высоким отношением нейтронов к протонам.
Это более высокое соотношение не повышает его «расщепляемость», но оно имеет важное значение для его способности способствовать взрыву, что делает уран-235 исключительным кандидатом на ядерное деление.
Изотопы урана
Существуют два естественных изотопа урана. Природный уран состоит в основном из изотопа U-238, в каждом атоме которого содержится 92 протона и 146 нейтронов (92+146=238). Смешанный с этим 0.6% накопление U-235, только c 143 нейтронами в атоме. Атомы этого более легкого изотопа можно расщеплять, поэтому он «расщепляется» и полезен при создании атомных бомб.
Нейтронно-тяжелый U-238 также играет роль в атомной бомбе, поскольку его нейтронно-тяжелые атомы могут отклонять случайные нейтроны, предотвращая случайную цепную реакцию в урановой бомбе и сохраняя нейтроны, содержащиеся в плутониевой бомбе. U-238 также может быть «насыщен» для производства плутония (Pu-239), искусственного радиоактивного элемента, также используемого в атомных бомбах.
Оба изотопа урана естественно радиоактивны; их громоздкие атомы со временем распадаются. При наличии достаточного времени (сотни тысяч лет) Уран в конечном итоге потеряет столько частиц, что превратится в свинец. Этот процесс распада может быть значительно ускорен в так называемой цепной реакции. Вместо того чтобы распадаться естественно и медленно, атомы насильственно расщепляются бомбардировкой нейтронами.
Цепные ядерные реакции
Одного удара нейтрона достаточно для расщепления менее стабильного атома U-235, создания атомов меньших элементов (чаще всего бария и криптона) и высвобождения тепла и гамма-излучения (самой мощной и смертоносной формы радиоактивности).
Эта цепная реакция происходит, когда «запасные» нейтроны из этого атома вылетают с достаточной силой, чтобы расщепить другие атомы U-235, с которыми они соприкасаются. В теории необходимо расщепить только один атом U-235, который будет выпускать нейтроны, которые будут расщеплять другие атомы, которые будут выпускать нейтроны … и так далее. Эта прогрессия не арифметическая; он геометрический и происходит в миллионную долю секунды.
Минимальная сумма для начала цепной реакции, как описано выше, называется сверхкритической массы. Для чисто U-235, 110 фунтов (50 килограмм). Однако Уран никогда не бывает достаточно чистым, поэтому в действительности потребуется больше, например, U-235, U-238 и плутоний.
О Плутонии
Уран-не единственный материал, используемый для изготовления атомных бомб. Другим материалом является изотоп PU-239 искусственного элемента плутония. Плутоний встречается только в природе в ничтожных, поэтому полезной суммы должны быть изготовлены из урана. В ядерном реакторе более тяжелый изотоп урана U-238 может быть вынужден приобретать дополнительные частицы, в конечном итоге превращаясь в плутоний.
Плутоний сам по себе не начнет быструю цепную реакцию, но эта проблема преодолевается наличием источника нейтронов или высокорадиоактивного материала, который выделяет нейтроны быстрее, чем сам плутоний. В некоторых типах бомб для этой реакции используется смесь элементов бериллия и полония. Только малая часть необходима (закритическая масса около 32 фунта, хотя как немногую по мере того как 22 можно использовать). Материал не расщепляется сам по себе, а просто действует как катализатор большей реакции.
sciencelife.ru
Как работает атомная бомба
Популярная механикаОбщество
Об истории ядерного противостояния сверхдержав и конструкции первых ядерных бомб написаны сотни книг. А вот о современном ядерном оружии ходит много мифов. «Популярная механика» решила внести ясность в этот вопрос и рассказать, как работает самое разрушительное оружие, придуманное человеком.
Александр Прищепенко
Взрывной характер
Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.
Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию — 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.
Цепная реакция. При попадании нейтронов ядро урана-235 легко делится, образуя новые нейтроны. При определенных условиях начинается цепная реакция.При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.
Металлический плутоний существует в шести фазах, плотности которых от 14,7 до 19,8 кг/см3. При температуре ниже 119 градусов Цельсия существует моноклинная альфа-фаза (19,8 кг/см3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может — плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, произойдет это без взрыва — заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).Критическая сборка
Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, — важнейшая.
Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).
Плутониевая сборка (шаровой слой в центре) была окружена корпусом из урана-238, а затем слоем алюминия.Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.
Шаровая сборка
Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное — при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.
kiozk.ru
АТОМНАЯ БОМБА — ЧТО ТАКОЕ? КТО ТАКОЙ?
Есть вещество, 1 кг которого уничтожил во время войны большой японский город Хиросиму. Это вещество—металл УРАН.
В куске урана, как братья-близнецы, мирно живут два вида урана, два ИЗОТОПА. Но если «братьев» отделить, один из них, который называется уран-235, начинает показывать свой буйный характер.
Дело в том, что атомы урана 235 очень непрочные, легко распадаются, и из ядра атома вылетает несколько частиц — нейтронов, которые, как пули, разбивают ещё два-три соседних атома. А их нейтроны в свою очередь — ещё по два-три атома, и ещё, ещё, ещё…
И словно камень покатился с горы, задел по пути второй, третий, а там, глядишь, целая лавина с грохотом летит вниз, сметая всё на своём пути. Так происходит лавинная, или цепная, реакция — взрыв атомной бомбы.
Почему же не взрываются заводы, на которых отделяют уран-235? Потому что взрыв начинается только тогда, когда вес куска урана будет не меньше килограмма. Бомбу делают из двух половинок, каждая меньше килограмма. Когда половинки соединяются, вспыхивает ослепительно яркое, ярче солнца, пламя взрыва.
При распаде одного атома образуется совсем немного тепла. Но ведь даже в кусочке урана величиной с напёрсток — 60 000 000 000 000 000 000 000 атомов! И взрыв даже самой маленькой бомбы получается такой, будто взорвалось 20 000 т обычной взрывчатки — тола.
Температура взрыва — десять миллионов градусов; всё сгорает вокруг, остаётся голая, оплавленная, превратившаяся в камень земля. Взрывная волна гигантской силы сметает дома, опрокидывает, словно игрушечные, железнодорожные вагоны. На месте взрыва земля начинает испускать губительные для всего живого невидимые лучи, и человек заболевает лучевой болезнью. Больше 20 лет назад взорвалась бомба над Хиросимой, а люди там умирают от лучевой болезни до сих пор…
Чтобы делать атомные бомбы, их надо испытывать, взрывать на особых площадках— полигонах. И хотя нет войны, эти испытательные взрывы сеют смерть. Высоко в воздух поднимаются похожие на гриб облака, подхватывая с земли ставшую ядовитой пыль, и несёт ветер лучевую болезнь за тысячи километров от места взрыва… Страшное оружие — атомная бомба!
Вот почему советские люди вместе со всеми миролюбивыми людьми боролись против этих испытаний. И победили. Уже существует договор о прекращении атомных испытаний. Правда, пока не решена главная задача — запретить совсем это страшное оружие, уничтожить его. Но люди знают: так будет!
www.what-who.com