История создания и принцип действия атомной бомбы
Атомная бомба
Мир атома настолько фантастичен, что для его понимания требуется коренная ломка привычных понятий о пространстве и времени. Атомы так малы, что если бы каплю воды можно было увеличить до размеров Земли, то каждый атом в этой капле был бы меньше апельсина. В самом деле, одна капля воды состоит из 6000 миллиардов миллиардов (6000000000000000000000) атомов водорода и кислорода. И тем не менее, несмотря на свои микроскопические размеры, атом имеет строение до некоторой степени сходное со строением нашей солнечной системы. В его непостижимо малом центре, радиус которого менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное «солнце» — ядро атома.
Вокруг этого атомного «солнца» вращаются крохотные «планеты» — электроны. Ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной — протонов и нейтронов (они имеют объединяющее название — нуклоны). Электрон и протон — заряженные частицы, причем количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку: протон всегда заряжен положительно, а электрон — отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда и вследствие этого имеет очень большую проницаемость.
В атомной шкале измерений масса протона и нейтрона принята за единицу. Атомный вес любого химического элемента поэтому зависит от количества протонов и нейтронов, заключенных в его ядре. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу равную 1. Атом гелия, с ядром из двух протонов и двух нейтронов, имеет атомную массу, равную 4.
Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов и относящиеся к разновидностям одного и того же элемента, называются изотопами. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа.
Может возникнуть вопрос: почему ядро атома не разваливается? Ведь входящие в него протоны — электрически заряженные частицы с одинаковым зарядом, которые должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще и так называемые внутриядерные силы, притягивающие частицы ядра друг к другу. Эти силы компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно разлететься.
Внутриядерные силы очень велики, но действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому ядра тяжелых элементов, состоящие из сотен нуклонов, оказываются нестабильными. Частицы ядра находятся здесь в беспрерывном движении (в пределах объема ядра), и если добавить им какое-то дополнительное количество энергии, они могут преодолеть внутренние силы — ядро разделится на части. Величину этой избыточной энергии называют энергией возбуждения. Среди изотопов тяжелых элементов есть такие, которые как бы находятся на самой грани самораспада. Достаточно лишь небольшого «толчка», например, простого попадания в ядро нейтрона (причем он даже не должен разгоняться до большой скорости), чтобы пошла реакция ядерного деления. Некоторые из этих «делящихся» изотопов позже научились получать искусственно. В природе же существует только один такой изотоп — это уран-235.
Уран был открыт в 1783 году Клапротом, который выделил его из урановой смолки и назвал в честь недавно открытой планеты Уран. Как оказалось в дальнейшем, это был, собственно, не сам уран, а его оксид. Чистый уран — металл серебристо-белого цвета — был получен
только в 1842 году Пелиго. Новый элемент не обладал никакими замечательными свойствами и не привлекал к себе внимания вплоть до 1896 года, когда Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. После этого уран сделался объектом научных исследований и экспериментов, но практического применения по-прежнему не имел.
Когда в первой трети XX века физикам более или менее стало понятно строение атомного ядра, они прежде всего попробовали осуществить давнюю мечту алхимиков — постарались превратить один химический элемент в другой. В 1934 году французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри доложили Французской академии наук о следующем опыте: при бомбардировке пластин алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) атомы алюминия превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые свою очередь переходили в устойчивый изотоп кремния. Таким образом, атом алюминия, присоединив один протон и два нейтрона, превращался в более тяжелый атом кремния.
Этот опыт навел на мысль, что если «обстреливать» нейтронами ядра самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио-Кюри, взяв вместо алюминия уран. Результаты эксперимента оказались совсем не те, что они ожидали — вместо нового сверхтяжелого элемента с массовым числом больше, чем у урана, Ган и Штрассман получили легкие элементы из средней части периодической системы: барий, криптон, бром и некоторые другие. Сами экспериментаторы не смогли объяснить наблюдаемое явление. Только в следующем году физик Лиза Мейтнер, которой Ган сообщил о своих затруднениях, нашла правильное объяснение наблюдаемому феномену, предположив, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более легких элементов (вот откуда брались барий, криптон и другие вещества), а также выделяться 2-3 свободных нейтрона. Дальнейшие исследования позволили детально прояснить картину происходящего.
Природный уран состоит из смеси трех изотопов с массами 238, 234 и 235. Основное количество урана приходится на изотоп-238, в ядро которого входят 92 протона и 146 нейтронов. Уран-235 составляет всего 1/140 природного урана (0, 7% (он имеет в своем ядре 92 протона и 143 нейтрона), а уран-234 (92 протона, 142 нейтрона) лишь — 1/17500 от общей массы урана (0, 006%. Наименее стабильным из этих изотопов является уран-235.
Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, вследствие чего образуются более легкие элементы периодической системы. Процесс сопровождается выделением двух или трех свободных нейтронов, которые мчатся с огромной скоростью — около 10 тыс. км/с (их называют быстрыми нейтронами). Эти нейтроны могут попадать в другие ядра урана, вызывая ядерные реакции. Каждый изотоп ведет себя в этом случае по-разному. Ядра урана-238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны без каких-либо дальнейших превращений. Но примерно в одном случае из пяти при столкновении быстрого нейтрона с ядром изотопа-238 происходит любопытная ядерная реакция: один из нейтронов урана-238 испускает электрон, превращаясь в протон, то есть изотоп урана обращается в более
Ну а если представить себе достаточно массивный кусок урана, целиком состоящий из изотопа-235?
Здесь процесс пойдет по-другому: нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции. Для ее начала может быть достаточно считанного количества бомбардирующих частиц.
Действительно, пусть уран-235 бомбардируют всего 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана. При этом выделится 250 новых нейтронов второго поколения (в среднем 2, 5 за одно деление). Нейтроны второго поколения произведут уже 250 делений, при котором выделится 625 нейтронов. В следующем поколении оно станет равным 1562, затем 3906, далее 9670 и т.д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить.
Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство. Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана-235, обладающим, как говорят, критической массой. (Эта масса при нормальных условиях равна 50 кг.) Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (Подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля.)
Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия. Но для того чтобы это оружие стало реальностью, необходимо, чтобы заряд состоял не из природного урана, а из редкого изотопа — 235 (такой уран называют обогащенным). Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана-235.
Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году. Всему комплексу работ было присвоено наименование «Манхэттенского проекта».
Административное руководство проектом осуществлял генерал Гровс, а научное — профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Оба хорошо понимали огромную сложность стоящей перед ними задачи. Поэтому первой заботой Оппенгеймера стало комплектование высокоинтеллектуального научного коллектива. В США тогда было много физиков, эмигрировавших из фашистской Германии. Нелегко было привлечь их к созданию оружия, направленного против их прежней родины. Оппенгеймер лично говорил с каждым, пуская в ход всю силу своего обаяния. Вскоре ему удалось собрать небольшую группу теоретиков, которых он шутливо называл «светилами». И в самом деле, в нее входили крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. (Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Бор, Ферми, Франк, Чедвик, Лоуренс.) Кроме них, было много других специалистов самого разного профиля.
Правительство США не скупилось на расходы, и работы с самого начала приняли грандиозный размах. В 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе. Население этого научного города вскоре достигло 9 тысяч человек. По составу ученых, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос-Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории. «Манхэттенский проект» имел свою полицию, контрразведку, систему связи, склады, поселки, заводы, лаборатории, свой колоссальный бюджет.
Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана-235 зарядом для бомбы, как уже говорилось, мог служить искусственный элемент плутоний-239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой.
Гровс и Оппенгеймер согласились, что работы должны вестись одновременно по двум направлениям, поскольку невозможно наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений.
В самом деле, как можно отделить друг от друга два изотопа, которые лишь незначительно отличаются своим весом и химически ведут себя совершенно одинаково? Ни наука, ни техника никогда еще не сталкивались с такой проблемой. Производство плутония тоже поначалу казалось очень проблематичным. До этого весь опыт ядерных превращений сводился к нескольким лабораторным экспериментам. Теперь же предстояло в промышленном масштабе освоить производство килограммов плутония, разработать и создать для этого специальную установку — ядерный реактор, и научиться управлять течением ядерной реакции.
И там и здесь предстояло разрешить целый комплекс сложных задач. Поэтому «Манхэттенский проект» состоял из нескольких подпроектов, во главе которых стояли видные ученые. Сам Оппенгеймер был главой Лос-Аламосской научной лаборатории. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета. Ферми вел в Чикагском университете исследования по созданию ядерного реактора.
Поначалу важнейшей проблемой было получение урана. До войны этот металл фактически не имел применения. Теперь, когда он потребовался сразу в огромных количествах, оказалось, что не существует промышленного способа его производства.
Компания «Вестингауз» взялась за его разработку и быстро добилась успеха. После очистки урановой смолы (в таком виде уран встречается в природе) и получения окиси урана, ее превращали в тетрафторид (UF4), из которого путем электролиза выделялся металлический уран. Если в конце 1941 года в распоряжении американских ученых было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство на заводах фирмы «Вестингауз» достигло 6000 фунтов в месяц.
Одновременно шла работа над созданием ядерного реактора. Процесс производства плутония фактически сводился к облучению урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была обратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом могли быть делящиеся атомы урана-235, рассеянные в достаточном количестве среди атомов урана-238. Но для того чтобы поддерживать постоянное воспроизводство нейтронов, должна была начаться цепная реакция деления атомов урана-235. Между тем, как уже говорилось, на каждый атом урана-235 приходилось 140 атомов урана-238. Ясно, что у разлетающихся во все стороны нейтронов было гораздо больше вероятности встретить на своем пути именно их. То есть, огромное число выделившихся нейтронов оказывалось без всякой пользы поглощенным основным изотопом. Очевидно, что при таких условиях цепная реакция идти не могла. Как же быть?
Сначала представлялось, что без разделения двух изотопов работа реактора вообще невозможна, но вскоре было установлено одно важное обстоятельство: оказалось, что уран-235 и уран-238 восприимчивы к нейтронам разных энергий. Расщепить ядро атома урана-235 можно нейтроном сравнительно небольшой энергии, имеющим скорость около 22 м/с. Такие медленные нейтроны не захватываются ядрами урана-238 — для этого те должны иметь скорость порядка сотен тысяч метров в секунду. Другими словами уран-238 бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране-235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей — не более 22 м/с. Это явление было открыто итальянским физиком Ферми, который с 1938 года жил в США и руководил здесь работами по созданию первого реактора. В качестве замедлителя нейтронов Ферми решил применить графит. По его расчетам, вылетевшие из урана-235 нейтроны, пройдя через слой графита в 40 см, должны были снизить свою скорость до 22 м/с и начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране-235.
Другим замедлителем могла служить так называемая «тяжелая» вода. Поскольку атомы водорода, входящие в нее, по размерам и массе очень близки к нейтронам, они могли лучше всего замедлять их. (С быстрыми нейтронами происходит примерно то же, что с шарами: если маленький шар ударяется о большой, он откатывается назад, почти не теряя скорости, при встрече же с маленьким шаром он передает ему значительную часть своей энергии — точно так же нейтрон при упругом столкновении отскакивает от тяжелого ядра лишь незначительно замедляясь, а при столкновении с ядрами атомов водорода очень быстро теряет всю свою энергию.) Однако обычная вода не подходит для замедления, так как ее водород имеет тенденцию поглощать нейтроны. Вот почему для этой цели следует использовать дейтерий, входящий в состав «тяжелой» воды.
В начале 1942 года под руководством Ферми в помещении теннисного корта под западными трибунами Чикагского стадиона началось строительство первого в истории ядерного реактора. Все работы ученые проводили сами. Управление реакцией можно осуществлять единственным способом — регулируя число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Ферми предполагал добиться этого с помощью стержней, изготовленных из таких веществ, как бор и кадмий, которые сильно поглощают нейтроны. Замедлителем служили графитовые кирпичи, из которых физики возвели колоны высотой в 3 м и шириной в 1, 2 м. Между ними были установлены прямоугольные блоки с окисью урана. На всю конструкцию пошло около 46 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Для замедления реакции служили введенные в реактор стержни из кадмия и бора.
Если бы этого оказалось недостаточно, то для страховки на платформе, расположенной над реактором, стояли двое ученых с ведрами, наполненными раствором солей кадмия — они должны были вылить их на реактор, если бы реакция вышла из-под контроля. К счастью, этого не потребовалось. 2 декабря 1942 года Ферми приказал выдвинуть все контрольные стержни, и эксперимент начался. Через четыре минуты нейтронные счетчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идет цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать ее по своей воле. Теперь уже не было сомнения, что ядерное оружие — реальность.
В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре
построен еще один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Он состоял из цилиндрической алюминиевой цистерны, содержащей 6, 5 тонн тяжелой воды, в которую было вертикально погружено 120 стержней из металлического урана, заключенные в алюминиевую оболочку. Семь управляющих стержней были сделаны из кадмия. Вокруг цистерны располагался графитовый отражатель, затем экран из сплавов свинца и кадмия. Вся конструкция заключалась в бетонный панцирь с толщиной стенок около 2, 5 м.
Эксперименты на этих опытных реакторах подтвердили возможность промышленного производства плутония.
Главным центром «Манхэттенского проекта» вскоре стал городок Ок-Ридж в долине реки Теннеси, население которого за несколько месяцев выросло до 79 тысяч человек. Здесь в короткий срок был построен первый в истории завод по производству обогащенного урана. Тут же в 1943 году был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана, с поверхности которого путем химического разделения получали плутоний. (Для этого плутоний сначала растворяли, а потом осаждали.) Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония.
Параллельно полным ходом шли исследования по разработке промышленного процесса обогащения урана.
Рассмотрев разные варианты, Гровс и Оппенгеймер решили сосредоточить усилия на двух методах: газодиффузионном и электромагнитном.
Газодиффузионный метод основывался на принципе, известном под названием закона Грэхэма (он был впервые сформулирован в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэхэмом и разработан в 1896 году английским физиком Рейли). В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. В ноябре 1942 года Юри и Даннинг из Колумбийского университета создали на основе метода Рейли газодиффузионный метод разделения изотопов урана.
Так как природный уран — твердое вещество, то его сначала превращали во фтористый уран (UF6). Затем этот газ пропускали через микроскопические — порядка тысячных долей миллиметра — отверстия в перегородке фильтра.
Так как разница в молярных весах газов была очень мала, то за перегородкой содержание урана-235 увеличивалось всего в 1, 0002 раза.
Для того чтобы увеличить количество урана-235 еще больше, полученную смесь снова пропускают через перегородку, и количество урана опять увеличивается в 1, 0002 раза. Таким образом, чтобы повысить содержание урана-235 до 99%, нужно было пропускать газ через 4000 фильтров. Это происходило на огромном газодиффузионном заводе в Ок-Ридж.
В 1940 году под руководством Эрнста Лоуренса в Калифорнийском университете начались исследования по разделению изотопов урана электромагнитным методом. Необходимо было найти такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, пользуясь разностью их масс. Лоуренс предпринял попытку разделить изотопы, используя принцип масс-спектрографа — прибора, с помощью которого определяют массы атомов.
Принцип его действия сводился к следующему: предварительно ионизированные атомы ускорялись электрическим полем, а затем пропускались через магнитное поле, в котором они описывали окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий были пропорциональны массе, легкие ионы оказывались на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые. Если на пути атомов размещали ловушки, то можно было таким образом раздельно собирать различные изотопы.
Таков был метод. В лабораторных условиях он дал неплохие результаты. Но строительство установки, на которой разделение изотопов могло бы производиться в промышленных масштабах, оказалось чрезвычайно сложным. Однако Лоуренсу в конце концов удалось преодолеть все трудности. Результатом его усилий стало появление калутрона, который был установлен на гигантском заводе в Ок-Ридже.
Этот электромагнитный завод был построен в 1943 году и оказался едва ли не самым дорогостоящим детищем «Манхэттенского проекта». Метод Лоуренса требовал большого количества сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высоким напряжением, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Масштабы затрат оказались огромны. Калутрон имел гигантский электромагнит, длина которого достигала 75 м при весе около 4000 тонн.
На обмотки для этого электромагнита пошло несколько тысяч тонн серебряной проволоки.
Все работы (не считая стоимости серебра на сумму 300 миллионов долларов, которое государственное казначейство предоставило только на время) обошлись в 400 миллионов долларов. Только за электроэнергию, затраченную калутроном, министерство обороны заплатило 10 миллионов. Большая часть оборудования ок-риджского завода превосходила по масштабам и точности изготовления все, что когда-либо разрабатывалось в этой области техники.
Но все эти затраты оказались не напрасными. Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, ученые США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония. Тем временем в Лос-Аламосской лаборатории работали над проектом самой бомбы. Принцип ее действия был в общих чертах ясен уже давно: делящееся вещество (плутоний или уран-235) следовало в момент взрыва перевести в критическое состояние (для осуществления цепной реакции масса заряда должна быть даже заметно больше критической) и облучить пучком нейтронов, что влекло за собой начало цепной реакции.
По расчетам, критическая масса заряда превосходила 50 килограмм, но ее смогли значительно уменьшить. Вообще на величину критической массы сильно влияют несколько факторов. Чем больше поверхностная площадь заряда — тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающее пространство. Наименьшей площадью поверхности обладает сфера. Следовательно, сферические заряды при прочих равных условиях имеют наименьшую критическую массу. Кроме того, величина критической массы зависит от чистоты и вида делящихся материалов. Она обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить, к примеру, уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Критическую массу, кроме того, можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана могут быть использованы свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и многие другие.
Одна из возможных конструкций атомной бомбы состоит из двух кусков урана, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы. Соединение заряда и интенсивное облучение его нейтронами, как уже говорилось, вызывает цепную реакцию, в результате которой в первую же секунду температура возрастает до 1 миллиона градусов. За это время успевало разделиться всего около 5% критической массы. Остальная часть заряда в бомбах ранней конструкции испарялась без
всякой пользы.
Первая в истории атомная бомба (ей было дано имя «Тринити») была собрана летом 1945 года. А 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико) был произведен первый на Земле атомный взрыв. Бомбу поместили в центре полигона на вершине стальной 30-метровой башни. Вокруг нее на большом расстоянии размещалась регистрирующая аппаратура. В 9 км находился наблюдательный пункт, а в 16 км — командный. На всех свидетелей этого события атомный взрыв произвел потрясающее впечатление. По описанию очевидцев, было такое ощущение, будто множество солнц соединилось в одно и разом осветило полигон. Затем над равниной возник огромный огненный шар и к нему медленно и зловеще стало подниматься круглое облако пыли и света.
Оторвавшись от земли, этот огненный шар за несколько секунд взлетел на высоту более трех километров. С каждым мгновением он разрастался в размерах, вскоре его диаметр достиг 1, 5 км, и он медленно поднялся в стратосферу. Затем огненный шар уступил место столбу клубящегося дыма, который вытянулся на высоту 12 км, приняв форму гигантского гриба. Все это сопровождалось ужасным грохотом, от которого дрожала земля. Мощность взорвавшейся бомбы превзошла все ожидания.
Как только позволила радиационная обстановка, несколько танков «Шерман», выложенные изнутри свинцовыми плитами, ринулись в район взрыва. На одном из них находился Ферми, которому не терпелось увидеть результаты своего труда. Его глазам предстала мертвая выжженная земля, на которой в радиусе 1, 5 км было уничтожено все живое. Песок спекся в стекловидную зеленоватую корку, покрывавшую землю. В огромной воронке лежали изуродованные остатки стальной опорной башни. Сила взрыва была оценена в 20000 тонн тротила.
Следующим шагом должно было стать боевое применение бомбы против Японии, которая после капитуляции фашистской Германии одна продолжала войну с США и их союзниками. Ракет-носителей тогда еще не было, поэтому бомбардировку предстояло осуществить с самолета. Компоненты двух бомб были с большой осторожностью доставлены крейсером «Индианаполис» на остров Тиниан, где базировалась 509-я сводная группа ВВС США. По типу заряда и конструкции эти бомбы несколько отличались друг от друга.
Первая бомба — «Малыш» — представляла собой крупногабаритную авиационную бомбу с атомным зарядом из сильно обогащенного урана-235. Длина ее была около 3 м, диаметр — 62 см, вес — 4, 1 т.
Вторая бомба — «Толстяк» — с зарядом плутония-239 имела яйцеобразную форму с крупногабаритным стабилизатором. Длина ее
составляла 3, 2 м, диаметр 1, 5 м, вес — 4, 5 т.
6 августа бомбардировщик Б-29 «Энола Гэй» полковника Тиббетса сбросил «Малыша» на крупный японский город Хиросиму. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась, как это и было предусмотрено, на высоте 600 м от земли.
Последствия взрыва были ужасны. Даже на самих пилотов вид уничтоженного ими в одно мгновение мирного города произвел гнетущее впечатление. Позже один из них признался, что они видели в эту секунду самое плохое, что только может увидеть человек.
Для тех же, кто находился на земле, происходящее напоминало подлинный ад. Прежде всего, над Хиросимой прошла тепловая волна. Ее действие длилось всего несколько мгновений, но было настолько мощным, что расплавило даже черепицу и кристаллы кварца в гранитных плитах, превратило в уголь телефонные столбы на расстоянии 4 км и, наконец, настолько испепелило человеческие тела, что от них остались только тени на асфальте мостовых или на стенах домов. Затем из-под огненного шара вырвался чудовищный порыв ветра и промчался над городом со скоростью 800 км/ч, сметая все на своем пути. Не выдержавшие его яростного натиска дома рушились как подкошенные. В гигантском круге диаметром 4 км не осталось ни одного целого здания. Через несколько минут после взрыва над городом прошел черный радиоактивный дождь — это превращенная в пар влага сконденсировалась в высоких слоях атмосферы и выпала на землю в виде крупных капель, смешанных с радиоактивной пылью.
После дождя на город обрушился новый порыв ветра, на этот раз дувший в направлении эпицентра. Он был слабее первого, но все же достаточно силен, чтобы вырывать с корнем деревья. Ветер раздул гигантский пожар, в котором горело все, что только могло гореть. Из 76 тысяч зданий полностью разрушилось и сгорело 55 тысяч. Свидетели этой ужасной катастрофы вспоминали о людях-факелах, с которых сгоревшая одежда спадала на землю вместе с лохмотьями кожи, и о толпах обезумевших людей, покрытых ужасными ожогами, которые с криком метались по улицам. В воздухе стоял удушающий смрад от горелого человеческого мяса. Всюду валялись люди, мертвые и умирающие. Было много таких, которые ослепли и оглохли и, тычась во все стороны, не могли ничего разобрать в царившем вокруг хаосе.
Несчастные, находившиеся от эпицентра на расстоянии до 800 м, за доли секунды сгорели в буквальном смысле слова — их внутренности испарились, а тела превратились в комки дымящихся углей. Находившиеся от эпицентра на расстоянии 1 км, были поражены лучевой болезнью в крайне тяжелой форме. Уже через несколько часов у них началась сильнейшая рвота, температура подскочила до 39-40 градусов, появились одышка и кровотечения. Затем на коже высыпали незаживающие язвы, состав крови резко изменился, волосы выпали. После ужасных страданий, обычно на второй или третий день, наступала смерть.
Всего от взрыва и лучевой болезни погибло около 240 тысяч человек. Около 160 тысяч получили лучевую болезнь в более легкой форме — их мучительная смерть оказалась отсроченной на несколько месяцев или лет. Когда известие о катастрофе распространилось по стране, вся Япония была парализована страхом. Он еще увеличился, после того как 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил вторую бомбу на Нагасаки. Здесь также погибло и было ранено несколько сот тысяч жителей. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало — атомная бомба положила конец Второй мировой войне.
Война закончилась. Она продолжалась всего шесть лет, но успела изменить мир и людей почти до неузнаваемости.
Человеческая цивилизация до 1939 года и человеческая цивилизация после 1945 года разительно не похожи друг на друга. Тому есть много причин, но одна из важнейших — появление ядерного оружия. Можно без преувеличений сказать, что тень Хиросимы лежит на всей второй половине XX века. Она стала глубоким нравственным ожогом для многих миллионов людей, как бывших современниками этой катастрофы, так и родившихся через десятилетия после нее. Современный человек уже не может думать о мире так, как думали о нем до 6 августа 1945 года — он слишком ясно понимает, что этот мир может за несколько мгновений превратиться в ничто.
Современный человек не может смотреть на войну, так как смотрели его деды и прадеды — он достоверно знает, что эта война будет последней, и в ней не окажется ни победителей, ни побежденных. Ядерное оружие наложило свой отпечаток на все сферы общественной жизни, и современная цивилизация не может жить по тем же законам, что шестьдесят или восемьдесят лет назад. Никто не понимал этого лучше самих создателей атомной бомбы.
«Люди нашей планеты, — писал Роберт Оппенгеймер, — должны объединиться. Ужас и разрушение, посеянные последней войной, диктуют нам эту мысль. Взрывы атомных бомб доказали ее со всей жестокостью. Другие люди в другое время уже говорили подобные слова — только о другом оружии и о других войнах. Они не добились успеха. Но тот, кто и сегодня скажет, что эти слова бесполезны, введен в заблуждение превратностями истории. Нас нельзя убедить в этом. Результаты нашего труда не оставляют человечеству другого выбора, кроме как создать объединенный мир. Мир, основанный на законности и гуманизме».
sneg5.com
Принцип устройства ядерной бомбы | lemur59.ru
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНОЙ БОМБЫ
Ядерный заряд разделён на несколько частей докритических размеров, чтобы в каждой из них не могла начаться саморазвивающаяся неуправляемая цепная реакция делений атомов делящегося вещества. Такая реакция возникнет лишь тогда, когда все части заряда будут быстро соединены в одно целое. От скорости сближения отдельных частей в сильной степени зависит полнота протекания реакции и
в конечном счёте мощность взрыва. Для сообщения большой скорости частям заряда можно использовать взрыв обычного взрывчатого вещества. Если части ядерного заряда расположить по радиальным направлениям на некотором расстоянии от центра, а с внешней стороны поместить заряды тротила, то можно осуществить взрыв обычных зарядов, направленный к центру ядерного заряда. Все части ядерного заряда не только с огромной скоростью соединяться в единое целое, но и окажутся на некоторое время сжатыми со всех сторон огромным давлением продуктов взрыва и не смогут разделиться сразу, как только начнётся в заряде цепная ядерная реакция. В результате этого произойдёт значительно большее деление, чем без такого сжатия, и , следовательно, повысится мощность взрыва. Увеличению мощности взрыва при том же количестве делящегося вещества способствует также отражатель нейтронов ( наиболее эффективными отражателями являются бериллий < Be >, графит, тяжёлая вода < h4O > ). Для первого деления, которое положило бы начало цепной реакции, нужен по меньшей мере один нейтрон. Рассчитывать на своевременное начало цепной реакции под действием нейтронов, появляющихся при самопроизвольном ( спонтанном ) делении ядер, нельзя, т.к. оно происходит сравнительно редко: для U-235 – 1 распад в час на 1 гр. вещества. Нейтронов, существующих в свободном виде в атмосфере, также очень мало: через S = 1см/кв. за секунду пролетает в среднем около 6 нейтронов. По этой причине в ядерном заряде применяют искусственный источник нейтронов – своеобразный ядерный капсюль-детонатор. Он обеспечивает также множество начинающихся одновременно делений, поэтому реакция протекает в виде ядерного взрыва.
lemur59.ru
Какой принцип действия атомной бомбы??? 7
Кажется очевидным, что нужно сделать две или несколько деталей из урана или плутония и в требуемый момент соединить их. Справедливости ради надо сказать, что так же думали и физики, когда брались за конструирование ядерной бомбы. Но действительность внесла свои коррективы.
Дело в том, что если бы у нас был очень чистый уран-235 или плутоний-239, то можно было бы так и сделать, но ученым пришлось иметь дело с реальными металлами. Обогащая природный уран, можно сделать смесь, содержающую 90% урана-235 и 10% урана-238, попытки избавиться от остатка урана-238 ведут к очень быстрому удорожанию этого материала (его называют высокообогащенным ураном) . Плутоний-239, который получают в атомном реакторе из урана238 при делении урана-235, обязательно содержит примесь плутония-240.
Изотопы уран235 и плутоний239 называются четно-нечетными, так как ядра их атомов содержат четное число протонов (92 для урана и 94 для плутония) и нечетное число нейтронов (143 и 145 соответственно) . Все четно-нечетные ядра тяжелых элементов обладают общим свойством: они редко делятся самопроизвольно (ученые говорят: спонтанно) , но легко делятся при попадании в ядро нейтрона.
Уран-238 и плутоний-240 четно-четные. Они, наоборот, практически не делятся нейтронами малых и умеренных энергий, которые вылетают из делящихся ядер, но зато в сотни или десятки тысяч раз чаще делятся спонтанно, образуя нейтронный фон. Этот фон очень сильно затрудняет создание ядерных боеприпасов, потому что вызывает преждевременное начало реакции, до того как встретятся две детали заряда. Из-за этого в подготовленном к взрыву устройстве части критической массы должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, а соединяться с большой скоростью.
1) Вспышка. В зависимости от расстояния есть риск ослепнуть и даже получить смертельные ожоги.
2) Электромагнитный импульс, «убивающий» всю электронику в округе.
3) Ударная волна.
4) Взрывная волна.
5) Радиоактивное заражение.
Для осуществления цепной реакции деления используются либо уран-235, либо плутоний-239, либо, в отдельных случаях, уран-233. Уран в природе встречается в виде двух основных изотопов уран-235 (0,72 % природного урана) и уран-238 вс остальное (99,2745 %). Обычно встречается также примесь из урана-234 (0,0055 %), образованная распадом урана-238. Однако, в качестве делящегося вещества можно использовать только уран-235. В уране-238 самостоятельное развитие цепной ядерной реакции невозможно (поэтому он и распространен в природе) . Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 должно быть не ниже 80 %. Поэтому при производстве ядерного топлива для повышения доли урана-235 и применяют сложный и крайне затратный процесс обогащения урана. В США степень обогащенности оружейного урана (доля изотопа 235) превышает 93 % и иногда доводится до 97,5 %.
Альтернативой химическому процессу обогащения урана служит создание плутониевой бомбы на основе изотопа плутоний-239, который для увеличения стабильности физических свойств и улучшения сжимаемости заряда обычно легируется небольшим количеством галлия. Плутоний вырабатывается в ядерных реакторах в процессе длительного облучения урана-238 нейтронами. Аналогично уран-233 получается при облучении нейтронами тория. В США ядерные боеприпасы снаряжаются сплавом 25 или Oraloy, название которого происходит от Oak Ridge (завод по обогащению урана) и aloy (сплав) . В состав этого сплава входит 25 % урана-235 и 75 % плутония-239.
Следует отметить, что сведения об устройстве ядерных боеприпасов до сих пор строго засекречены во всех странах. Только дотошность отдельных западных журналистов и крайне редкие, ничтожные утечки этой закрытой информации, скурпулезно изученные на основе физических знаний, с помощью методов обратной инженерии позволили с определенной вероятностью правильно понять основные принципы. Почти все эти сведения относятся к ядерным боеприпасам, произведенным в США.
Существуют две основные схемы подрыва делящегося заряда: пушечная, иначе называемая баллистической, и имплозивная.
Пушечная схема характерна для некоторых моделей ядерного оружия первого поколения, а также артиллерийских ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру орудия.
Выстрел ядерным снарядом из 280 мм гаубицы. Полигон в Неваде, 1953 г.
Пушечная схема -вероятность преждевременного развития цепной реакции до соединения блоков.
Имплозивная схема подразумевает получение сверхкритического состояния путм обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки. Для фокусировки ударной волны используются так называемые взрывные линзы, и подрыв производится одновременно во многих точках с прецизионной точностью. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в сво время одной из наиболее трудных задач. Формирование сходяшейся ударной волны обеспечивалось использованием взрывных линз из быстрой и медленной взрывчаток боратола и ТАТВ
с появлением неконтролируемой цепной ядерной реакции
а то, что написал Сергей Серов — это уже действия взрыва
2, 3 и 4 обычно идут вместе.. . +радиоактивное заражение
Принцип — цепная реакция. То есть такая, где сам ход реакции инициирует е продолжение.
Ядро НЕКОТОРЫХ (а не любых радиоактивных! ) изотопов урана, плутония, калифорния.. . способно распадаться, захватив нейтрон. При таком распаде выделяется ещ два-три нейтрона. То есть распад ОДНОГО ядра может, в идеальных условиях, вызвать распад ещ двух-трх ядер, те могут вызвать распад ещ нескольких.. . и так далее, то есть инициируется лавинный процесс распада вс большего и большего числа ядер. И распад каждого ядра идт с высвобождением энергии. Поскольку энергии выделяется много (в миллионы раз больше, чем при химической ракции взрыва тротила) , а время взыва крайне мало, то мощность взрыва получается огромной.
Ну а тонкость — что для того, чтоб уран, или плутоний, или ещ какая фигня взорвалась, его масса должна превышать некоторый порог (критическую массу) . Потому что если его слишком мало — образовавшийся нейтрон вылетит на фиг, не успев поглотиться другим ядром. Ну и это же дат ключ к конструкции бомбы — это несколько МАЛЕНЬКИХ кусков начинки, которые, пока они по отдельности, не взрываются. А чтоб они взорвались — их приводят в соприкосновение. Тогда они образуют один большой кусок с массой, превышающей критическую. Ну и бабах.
Во-первых, для того, чтобы эта реакция произошла, надо чтобы взаимодействующие ядра освободились от своих электронов и превратились в так называемую ионизированную плазму. Этого легко достичь, разогрев атомы дейтерия до температуры, при которой электроны приобретают достаточную энергию, чтобы оторваться от ядер. Вторым условием протекания реакции термоядерного синтеза является сближение ядер на расстояние меньше 10 13 см, когда начинает эффективно действовать короткодействующая ядерная сила притяжения. В ионизированной плазме, для того чтобы сблизить ядра необходимо преодолеть дальнодействующую силу электростатического (кулоновского) отталкивания, возникающую при сближении заряженных частиц одного знака. Преодолеть эту силу можно, придав заряженным ядрам кинетическую энергию, достаточную для преодоления электростатического барьера. В случае плазмы дейтерия эта сила составляет минимум 10 кэВ, при которой вероятность образования гелия при столкновении двух ядер дейтерия становится чуть выше нуля. Чем больше кинетическая энергия столкновения ядер дейтерия, тем выше вероятность возникновения реакции термоядерного синтеза. Кинетическая энергия частицам передатся при разогреве плазмы до сверхвысоких температур. Энергия 10 кэВ соответствует температуре плазмы в 100 миллионов градусов. Наиболее эффективно реакция термоядерного синтеза проходит при температуре 200 миллионов градусов.
Резюмируя вышесказанное, получение полезной термоядерной энергии возможно лишь при выполнении следующих условий.
Во-первых, предназначенная для синтеза смесь должна быть нагрета до температуры, при которой кинетическая энергия ядер обеспечивает высокую вероятность их слияния при столкновении.
Во-вторых, реагирующая смесь должна быть очень хорошо термоизолирована, т. е. высокая температура должна поддерживаться достаточно долго, чтобы произошло необходимое число реакций и, выделившаяся за счет этого энергия, превышала энергию, затраченную на нагрев топлива.
Ещ одна проблема состояла в том, чтобы заставить ядра сблизиться на достаточно малое расстояние. Сверхвысокое давление, обеспечивающее это в звездах, объясняется невозможной на Земле силой гравитации (или притяжения масс) . В земных условиях нужное сжатие обеспечивал обычный ядерный взрыв, и на этом была основана водородная бомба. Взрываем небольшую атомную бомбу (принцип действия которой основан на делении тяжелых элементов урана или плутония) и получаем в эпицентре искомые условия. Если там окажется некоторое количество тяжелых изотопов водорода, то начнется неуправляемая термоядерная реакция. Подобные эксперименты практически одновременно были проведены в 1952-53 годах советскими и американскими физиками. Кстати, за успешное испытание водородной (термоядерной) бомбы советский физик Андрей Сахаров получил звание академика в 32 года.
Каким образом происходит разогрев и удержание плазмы высокой плотности для проведения управляемой реакции термоядерного синтеза?
Техническая проблема поддержания реакции управляемого термоядерного синтеза достаточно длительное время заключается в том, что водородная плазма, разогретая до температур сотни миллионов градусов, мгновенно испарит любой сосуд, в который заключена. На сегодняшний день не
info-4all.ru
Как работает атомная бомба?: conymac
А вот вопрос — может ли некий террорист, имея килограмм.. ну или 100 килограмм урана соорудить из него что-нибудь взрывоопасное?
Итак, как же работает атомная бомба? Вспоминаем школьный курс физики. Взрыв есть выделение большого количества энергии за короткий промежуток времени. Откуда берется энергия. Энергия возникает из распада ядра атома. Атомы урана или плутония неустойчивы, и потихоньку стремятся развалиться на атомы более легких элементов, при этом разлетаются лишние нейтроны и выделяется некоторое количество энергии. Ну, вспоминается? Есть еще период полураспада — этакая статистическая величина, промежуток времени, за который «развалится» примерно половина атомов из некоторой массы. То есть лежащий в земле уран постепенно таковым быть перестает, нагревая окружающее пространство. Процесс распада может спровоцировать влетающий в атом нейтрон, вылетевший из недавно развалившегося атома. Но нейтрон может попасть в атом, а может и улететь мимо. Логичный вывод — что бы атомы разваливались чаще, надо что бы их было вокруг больше, то есть что бы плотность вещества была большая в момент, когда нужно организовать взрыв. Помните еще понятие «критическая масса»? Это то количество вещества, когда вылетающих самопроизвольно нейтронов достаточно, что бы вызвать цепную реакцию. То есть «попаданий» в каждый момент времени в атомы будет больше чем «разрушений».
Итак, вырисовывается схема. Возьмем несколько кусков урана докритической массы и соединим их в один блок сверхкритической массы. И тогда произойдёт взрыв.
К счастью, все не так просто, вопрос в том, как именно происходит соединение. Если сближать два докритических куска на некоторое расстояние, то они начнут разогреваться от обмена друг с другом вылетающими нейтронами. Реакция распада от этого усиливается и происходит все большее выделениее энергии. Сблизим ещё сильнее – раскалятся докрасна. Потом добела. Потом расплавятся. Расплав, сближаясь краями, начнёт разогреваться далее и испаряться, и никакой теплосъём или остужение не смогут предотвратить расплавление и испарение, слишком велики запасы энергии в уране.
Поэтому, как куски не сближай бытовыми способами, они до того, как соединиться, расплавят и испарят любое устройство, осуществляющее это сближение, и испарятся сами, разлетевшись, расширившись, удалившись друг от друга и тогда лишь остыв, потому что окажутся на возросшем взаимном удалении. Слепить же куски в один сверхкритический можно, только развив такие огромные скорости сближения, что рост плотности нейтронного потока не будет поспевать за сближением кусков. Это достигается при скоростях сближения порядка 2.5 км в секунду. Вот тогда они успеют влипнуть друг в друга прежде, чем разогреются от энерговыделения. И тогда последующее энерговыделение будет таким пиковым, что возникнет ядерный взрыв с грибом. Порохом до таких скоростей разогнать невозможно – малы размеры бомбы и путей разгона. Поэтому разгоняют взрывчаткой, комбинируя «медленную» и «быструю» взрывчатки, ибо сразу «быстрая» взрывчатка вызовет разрушение куска ударной волной. Но в итоге получают главное – обеспечивают скорость перевода системы в сверхкритическое состояние до того, как она разрушится тепловым образом из-за растущего тепловыделения при сближении. Такая схема называется «пушечной», потому что докритические куски «выстреливаются» навстречу друг другу, успевая соединиться в один сверхкритический кусок и после этого пиковым образом высвободить мощность атомного взрыва.
Осуществить такой процесс на практике крайне сложно — необходим правильный подбор и очень точное совпадение тысяч параметров. Это не взрывчатка, которая взрывается во многих случаях. Просто срабатывание детонаторов и зарядов в бомбе будет, а выделяемая практическая мощность — не будет наблюдаться, будет крайне низкой при очень узкой зоне осуществления активного взрыва. Необходима микросекундная точность срабатывания большого количества зарядов. Необходима устойчивость атомного вещества. Помните ведь, что кроме инициированной реакции распада, есть еще самопроизвольный, вероятностный, процесс. То есть собранная бомба с течением времени постепенно меняет свои свойства. Именно поэтому различают оружейное атомное вещество и то, которое не подходит для создания бомбы. Поэтому не делают атомные бомбы из реакторного плутония, ибо такая бомба будет слишком неустойчивой и опасной скорее для изготовителя, чем для потенциального противника. Процесс разделения атомного вещества на изотопы сам по себе крайне сложен и дорогостоящ, осуществление его возможно лишь в серьезных ядерных центрах. И это радует.
conymac.livejournal.com
Ядерная бомба « Интереcно о науке
Первая ядерная бомба, предназначенная для уничтожения людей была взорвана над Хиросимой в Японии, 6 августа 1945 года. Через 3 дня другая бомба взорвалась вблизи Нагасаки. Смерть и разрушения сопровождаемые этими взрывами были беспрецедентными. Страх и ужас охватил все Японское население, вынудив сдаться их меньше чем через месяц.
Однако после завершения второй мировой войны атомное оружие не отошло на второй план. Начавшаяся холодная война стала огромным психологическим фактором давления между СССР и США. Обе стороны инвестировали огромные средства в разработку и создание новых атомных бомб. Таким образом, на нашей планете за 50 лет накопилось несколько тысяч атомных снарядов. Этого вполне достаточно, чтобы несколько раз уничтожить все живое на Земле. По этой причине в конце 90-х годов между США и Россией был подписан первый договор по разоружению, чтобы снизить опасность всемирной катастрофы. Не смотря на это, в настоящее время 9 стран обладают ядерным оружием, ставя свою оборону на иной уровень. В этой статье мы рассмотрим, из-за чего атомное оружие получило свою разрушительную мощь и как устроена атомная бомба.
Для того, чтобы понять всю мощь атомных бомб необходимо разобраться с понятием радиоактивности. Как известно, наименьшей структурной единицей материи, из которой состоит весь мир вокруг нас, является атом. Атом в свою очередь состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро состоит из нейтронов и протонов. Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны положительный. Нейтроны, как следует из их названия, – нейтральны. Обычно число нейтронов и протонов равно числу электронов в одном атоме. Однако под действием внешних сил число частиц в атомах вещества может измениться.
Нас интересует лишь вариант, когда изменяется число нейтронов, при этом образуется изотоп вещества. Некоторые изотопы вещества устойчивы и встречаются в природе, а некоторые – нестабильны и стремятся распасться. Например, углерод имеет 6 нейтронов. Также, встречается изотоп углерода с 7 нейтронами – достаточно устойчивый элемент, встречающий в природе. Изотоп углерода с 8 нейтронами – это уже нестабильный элемент и стремиться распасться. Это и есть радиоактивный распад. При этом нестабильные ядра, излучают лучи трех видов:
1. Альфа-лучи – достаточно безобидное излучение в виде потока альфа-частиц, которое можно остановить с помощью тонкого листа бумаги и оно не может причинить вред
2. Бета-лучи – более мощное излучение, представляющее собой поток бета-частиц. Их можно остановить с помощью листа металла или толстого куска дерева. Оно также практически безобидно для окружающих живых организмов и предметов.
3. Гамма-лучи – поток электромагнитной энергии, способный проникать сквозь стены домов, корпуса автомобилей, тела живых организмов. Это излучение не так безобидно как два предыдущих. Оно способно ионизировать атомы других веществ, выбивая из них электроны. В живом организме это приводит к разрушению клеток и развитию лучевой болезни.
Еще одним важным свойством изотопов является их более легкое расщепление при бомбардировке нейтронами. Кроме указанных выше лучей также выделяется большое количество энергии, а также несколько новых нейтронов. Если рядом находятся другие атомы изотопов, то они также будут бомбардированы нейтронами и распадутся. При этом каждый из них также выпустит некоторое количество нейтронов и энергии. Именно это свойство и используется в атомной бомбе.
Взрыв ядерной бомбы представляет собой лавинообразную реакцию расщепления атомов радиоактивного вещества, сопровождаемый выбросом огромного количества энергии. Однако на практике не все так просто. Цепная реакция может начаться, только если общий вес радиоактивного вещества превышает критическую массу. Пока вес вещества ниже этого порога, выделяемых нейтронов будет недостаточно для возникновения цепной реакции. Для каждого вещества и изотопа критическая масса – это величина разная и может варьироваться от сотен грамм до десятков килограмм. Для одного из самых известных видов изотопов, используемых в атомных бомбах – уран 235 критическая масса около1 кг. Необходимость достижения критической массы для начала ядерной реакции используется в устройстве атомной бомбы.
В наиболее простом виде атомная бомба состоит из корпуса, взрывного заряда (например, тротил) и радиоактивного вещества. Причем последнее разделяется на две части и изолируются так, чтобы вес каждой из частей не превышал критическую массу, но в сумме они ее достигали. За одной из частей размещается заряд.
Бомба работает следующим образом. В нужный момент, когда сработает детонатор или поступит сигнал извне, заряд с взрывчатым веществом подрывается, и запускает в движение одну из частей по направлению к другой. Соединяясь, части уже превышают критическую массу и образовавшиеся нейтроны вовлекают все больше и больше ядерного материала. В результате образуется ядерный взрыв, сила которого зависит от количества и типа используемого радиоактивного вещества. Также возможная другая конструкция сферической формы, когда одна часть ядерного вещества выполнена в виде шара, а другая, отделенная защитным слоем окружает ее. Заряд окружает внешнюю часть урана и во время взрыва сжимает весь уран вместе.
Во время взрыва атомной бомбы образуется высокий, узнаваемый ядерный гриб. В это время по земле со сверхзвуковой скоростью распространяется ударная волна, разрушая до основания многоэтажные строения, вырывая с корнем деревья как легкие пылинки. Следом идет тепловая волна с температурой несколько тысяч градусов, которая испепеляет все на своем пути. Однако главное оружие атомной бомбы невозможно увидеть – волна радиации, распространяющаяся на многие километры вокруг взрыва и отравляя атмосферу и почву.
Даже если живые организмы смогли перенести первые две волны, то волна радиации вызывает очень скоротечную лучевую болезнь, убивающую за считанные минуты. Такое поражение возможно в радиусе нескольких сотен метров от взрыва. До нескольких километров от взрыва лучевая болезнь убьет человека за несколько часов или дней. Те, кто находился за пределами непосредственного взрыва, также могут получить дозу радиации, употребляя в пищу продукты и воду, а также вдыхая воздух из зараженной зоны. Причем радиация не улетучивается мгновенно. Она накапливается в окружающей среде и может отравлять живые организмы еще долгие десятилетия после взрыва.
Вред от ядерного оружия слишком опасен, чтобы использовать его в любых условиях. От него неизбежно страдает мирное население и природе наносится непоправимый ущерб. Поэтому главное применение ядерных бомб в наше время – это сдерживание от нападения. Даже испытания ядерного оружия в настоящее время запрещены на большей части нашей планеты.
coolsci.ru
Ядерный взрыв
В отличие от ядерных реакторов, в которых происходит регулируемая ядерная реакция деления, при ядерном взрыве происходит экспоненциально быстрое освобождение большого количества ядерной энергии, продолжающееся до тех пор, пока не израсходуется весь ядерный заряд. Ядерная энергия может освобождаться в больших количествах в двух процессах – в цепной реакции деления тяжёлых ядер нейтронами и в реакции соединения (синтеза) лёгких ядер. Обычно в качестве ядерного заряда используют чистые изотопы 235U и 239Pu. Схематически устройство атомной бомбы показано на рис. 1. Для осуществления ядерного взрыва в результате цепной реакции деления необходимо, чтобы масса делящегося вещества (урана-235, плутония-239 и др.) превышала критическую (50 кг для 235U и 11 кг для 239Pu). До взрыва система должна быть подкритической. Обычно это многослойная конструкция. Переход в надкритическое состояние происходит за счет делящегося вещества с помощью сходящейся сферической детонационной волны. Для такого сближения обычно используется химический взрыв вещества из сплава тротила и гексогена. При полном делении 1 кг урана выделяется энергия равная энерговыделению при взрыве 20 килотонн тротила. Атомный взрыв развивается за счёт экспоненциально растущего со временем числа разделившихся ядер. N(t) = N0exp(t/τ). Среднее время
между двумя последовательными актами деления 10-8
сек. Отсюда можно получить для времени полного деления 1 кг ядерной взрывчатки
величину 10-7
– 10-6 сек. Это и определяет время атомного взрыва. Для осуществления термоядерного взрыва используются реакции синтеза лёгких ядер. d + t
4He + n +17.588 МэВ
Сама идея водородной бомбы чрезвычайно проста. Это
цилиндрический контейнер с жидким дейтерием. Дейтерий должен нагреваться после
взрыва обычной атомной бомбы. При достаточно сильном нагреве должно выделятся
большое количество энергии в результате реакции термоядерного синтеза между
ядрами дейтерия. Температура, необходимая для начала термоядерной реакции должна
составлять миллион градусов. Однако детальное исследование величины сечений
реакций синтеза ядер дейтерия, от которой зависит скорость распространения
реакции горения показало, что она протекает недостаточно эффективно и быстро.
Тепловая энергия, которая высвобождается за счет термоядерных реакций,
рассеивается гораздо быстрее, чем пополняется за счет последующих реакций
синтеза. Естественно в этом случае взрывной процесс происходить не будет.
Произойдет разброс горючего материала. Принципиально новое решение состояло в
том, чтобы инициирование термоядерной реакции происходило в результате создания
сверхплотной среды дейтерия. Был предложен способ создания сверхплотной среды
дейтерия под действием рентгеновского излучения, образующегося при взрыве
атомной бомбы. В результате сжатия горючего вещества происходит
самоподдерживающаяся реакция термоядерного синтеза. Схематически реализация
этого подхода показана на рис. 2.
|
nuclphys.sinp.msu.ru
Ядерная бомба Википедия
| В этой статье или разделе имеется список источников или внешних ссылок, но источники отдельных утверждений остаются неясными из-за отсутствия сносок.Утверждения, не подкреплённые источниками, могут быть поставлены под сомнение и удалены. Вы можете улучшить статью, внеся более точные указания на источники. |
Взрыв однофазной ядерной бомбы мощностью 23 кт. Полигон в Неваде (1953 год)Ядерное оружие относится к оружию массового поражения (наряду с биологическим и химическим оружием). Ядерный боеприпас — взрывное устройство, использующее ядерную энергию — энергию, высвобождающуюся в результате лавинообразно протекающей цепной ядерной реакции деления тяжёлых ядер и/или термоядерной реакции синтеза лёгких ядер.
Содержание
- 1 Принцип действия
- 1.1 Ядерные взрывные устройства
- 1.2 Термоядерные взрывные устройства
- 2 Виды ядерных взрывов
- 3 Поражающие факторы
- 4 Классификация ядерных боеприпасов
- 5 Варианты детонации ядерных боеприпасов
- 5.1 Пушечная схема
- 5.2 Имплозивная схема
- 5.2.1 Бустеризация ядерного взрыва
- 5.3 Конструкция типа «Swan»
- 5.4 Термоядерные боеприпасы
- 6 Классы ядерных боеприпасов
- 7 Общая схема ядерного боеприпаса
- 8 Средства доставки ядерных боеприпасов
- 9 История ядерного оружия
- 9.1 Путь к созданию атомной бомбы
- 9.2 Послевоенное совершенствование ядерного оружия
- 10 Ядерный клуб
- 11 Запасы ядерного оружия в мире
- 12 Ядерное разоружение
- 12.1 Принцип нераспространения
- 12.2 Договор о запрещении ядерных испытаний
- 12.3 Советско-американские и российско-американские договоры
- 13 См. также
- 14 Примечания
- 15 Литература
- 16 Ссылки
Принцип действия[ | код]
Действие ядерного оружия основано на использовании энергии взрыва ядерного взрывного устройства, высвобождающейся в результате неуправляемой лавинообразно протекающей цепной реакции деления тяжёлых ядер и/или реакции термоядерного синтеза.
Ядерные взрывные устройства[ | код]
Существует ряд веществ, способных к цепной реакции деления. В ядерном оружии используются Уран-235 или Плутоний-239. Уран в природе встречается в виде смеси трех изотопов: 238U (99,2745 % природного урана), 235U (0,72 %) и 234U (0,0055 %). Цепную ядерную реакцию поддерживает только изотоп 235U. Для обеспечения максимального энерговыхода урановой ядерной бомбы содержание 235U в нём должно быть не менее 80 %. Поэтому при производстве оружейного урана для повышения доли 235U выполняют
ru-wiki.ru