У дома > Литература > Уранова бомба и бомба от „неземен“ материал. Уранова бомба Размери на съвременните уранови и плутониеви бомби

Уранова бомба и бомба от „неземен“ материал. Уранова бомба Размери на съвременните уранови и плутониеви бомби

Това е вид атомна бомба, в която като заряд служат изотопи на урана. Урановата бомба е взривно устройство, в което основният източник на енергия е деленето на атомните ядра на урана - ядрена реакция. В по-тесен смисъл това е взривно устройство, което използва енергията на делене на тежки уранови ядра. Устройствата, които използват енергията, освободена при сливането на леките ядра, се наричат термоядрени устройства. Уранът съществува в природата под формата на два изотопа: уран-235 и уран-238. Когато уран-235 абсорбира неутрон по време на разпадането, той излъчва един до три неутрона.

Уран-238, напротив, в процеса на абсорбиране на неутрони не излъчва нови, като по този начин предотвратява възникването на ядрена реакция. Той се превръща в уран-239, след това в нептуний-239 и накрая в относително стабилния плутоний-239.

В зависимост от вида на ядрения заряд може да се раздели на уранова бомба, термоядрено оръжие и неутронно оръжие. Урановите бомби се делят на тактически, оперативно-тактически и стратегически. Първата уранова бомба е създадена в края на Втората световна война, по-точно през 1944 г., като част от американския свръхсекретен проект Манхатън под ръководството на Робърт Опенхаймер. Първите две уранови бомби са хвърлени от американците върху два японски града Хирошима (6 август) и Нагасаки (9 август) през август 1945 г. Гръбнакът на урановата бомба е неконтролираната верижна реакция на делене на ураново ядро. Има два основни дизайна на уранови бомби: "оръдие" и експлозивна имплозия. Дизайнът на „оръдието“ е характерен за елементарни модели на така наречените ядрени оръжия от първо поколение. Същността му се състои в „изстрелване“ един към друг на два специални блока деляща се материя с подкритична маса. Този начин на детонация е вероятен само в уранови боеприпаси, тъй като плутоният има по-висока скорост на детонация. Втората схема се основава на детониране на бойното ядро на бомбата по такъв начин, че компресията да бъде насочена към фокусна точка, която може да бъде единствената или може да има няколко от тях. Това се случва само с помощта на специална облицовка на бойното ядро с експлозивни заряди и наличието на прецизна верига за управление на детонацията.

За да може ядрена бомба да работи, концентрацията на уран-235 в ядреното гориво не трябва да бъде по-малко от 80%, в противен случай уран-238 много бързо ще потуши установената ядрена верижна реакция. Почти целият естествен уран (приблизително 99,3%) се състои от уран-238. В резултат на това при производството на ядрено гориво се използва много сложен, многоетапен процес на обогатяване на уран, в резултат на което се увеличава частта на уран-235. Базираните на уран бомби са първите ядрени оръжия, използвани от човека по време на война (бомбата „Малкото момче“, хвърлена от Америка над Хирошима). Поради редица недостатъци, като трудности при получаването, производството и доставката, урановите бомби не са много популярни днес, отстъпвайки място на усъвършенствани бомби, базирани на други радиоактивни елементи, които имат по-ниска критична маса. Така нареченият „ядрен клуб“, група от държави, които разполагат с уранови бомби, включва Съединените щати от 1945 г.; Русия, първоначално Съветския съюз, от 1949 г.; Великобритания – от 1952 г.; Франция - от 1960 г.; Китай - от 1964 г.; Индия - от 1974 г.; Пакистан - от 1998 г. и Северна Корея - от 2006 г. Израел не обяснява информацията за наличието на ядрени оръжия, но според общото мнение на всички експерти разполага със значителен арсенал. Южна Африка имаше най-големия ядрен арсенал, но всичките шест уранови бомби бяха доброволно унищожени. В периода 1990-1991 г. Украйна, Беларус и Казахстан, на чиято територия се намираше част от ядрените оръжия на СССР, ги прехвърлиха на Руската федерация, а след подписването на Лисабонския протокол през 1992 г. бяха официално обявени за страни без ядрени оръжия. оръжия. Всички ядрени сили, с изключение на Израел и Южна Африка, вече са провели серия от различни тестове на разработените от тях уранови бомби. Има мнения, че Южна Африка също е извършила ядрени опити в района на остров Буве.

По време на създаването на атомни оръжия в рамките на проекта "Манхатън" се работи едновременно по създаването на две ядрени бомби - уран и плутоний.

След тестването на първия ядрен заряд "Gadget" (прототипът на плутониевата бомба "FatMan" - следващата, готова за употреба, беше урановата "LittleBoy". Именно той беше хвърлен над Хирошима на 6 август 1945 г. Производството на друго „Бебе“ щеше да изисква месеци натрупване на уран, така че втората хвърлена бомба беше „Дебелият човек“, сглобена на остров Тиниан малко преди използването му .

Първоначалното сглобяване на Fat Man се състоя във военноморската база Солтуелс, Калифорния.Окончателното сглобяване и инсталиране на плутониевото ядро беше извършено на остров Тиниан, в Тихия океан, където беше завършено изграждането на първия боен плутониев заряд Вторият удар след Хирошима първоначално трябваше да бъде нанесен върху Кокура, няколко дни след първото нападение, но поради метеорологичните условия град Нагасаки беше бомбардиран.

Уранова атомна бомба Little Boy.
Урановият заряд в бомбата се състои от две части: мишена и снаряд. Снарядът с диаметър 10 сантиметра и дължина 16 сантиметра представлява набор от шест уранови пръстена. Съдържа около 25,6 kg - 40% от целия уран. Пръстените в снаряда се поддържат от диск от волфрамов карбид и стоманени плочи и се съдържат в стоманен корпус. Мишената е с маса 38,46 кг и е направена под формата на кух цилиндър с диаметър 16 см и дължина 16 см. Конструктивно тя е направена под формата на две отделни половини. Мишената е монтирана в корпус, който служи като рефлектор на неутрони. По принцип количеството уран, използвано в бомбата, дава критична маса дори без рефлектор, но неговото присъствие, както и производството на снаряд от по-обогатен уран (89% U-235) от целта (~80% U-235), позволява да се увеличи мощността на заряда.

За да се предотврати случайна верижна реакция, мишената съдържа борна запушалка, а снарядът е вграден в борна обвивка. Борът е добър абсорбатор на неутрони, като по този начин повишава безопасността при транспортиране и съхранение на заредени боеприпаси. Когато снарядът достигне целта, обвивката му излита и тапата в целта се изхвърля от нея.

Сглобеният бомбен снаряд се състои от тяло от волфрамов карбид (служещо като рефлектор на неутрони), заобиколено от стоманена обвивка с диаметър приблизително 60 см. Общата маса на тази конструкция е около 2,3 тона. Карбидно тяло е монтирано в дупка пробит в кожуха, в който е монтирана мишена. Дъното на тази дупка може да съдържа един или повече берилиево-полониеви инициатори. Цевта, по която се движи урановият снаряд, е здраво закрепена към стоманеното тяло на мишената; тя е заимствана от 75-милиметрово зенитно оръдие и е пробита, за да пасне на снаряда на 100 mm. Дължината на цевта е около 2 м, теглото - 450 кг, а затворът - 34 кг. Като пропелант се използва бездимен барут. Скоростта на снаряда в цевта достига около 300 m/s, за привеждането му в движение е необходима сила от най-малко 300 kN.

Little Boy беше изключително опасна бомба за съхранение и транспортиране. Детонацията, дори и случайна, на пропеланта (задвижващ снаряда) предизвиква ядрена експлозия. Поради тази причина въздушният наблюдател и оръжеен специалист С. Парсънс решава да зареди барут в бомбата едва след излитане. Въпреки това, при достатъчно силен удар при падане, снарядът може да започне да се движи без помощта на барут, което може да доведе до експлозия от няколко тона до пълна мощност. Малкото момче също е опасно, ако попадне във вода. Уранът вътре - общо няколко критични маси - се отделя от въздуха. Ако водата попадне вътре, тя може да играе ролята на посредник, което води до верижна реакция. Това ще доведе до бързо стопяване или малка експлозия, освобождаваща големи количества радиоактивен материал.

Сглобяване и използване на Little Boy.
Първите компоненти на снаряда са завършени в Лос Аламос на 15 юни 1945 г. и са напълно произведени до 3 юли.

На 14 юли Малкото момче и урановата обвивка за него бяха натоварени на кораба Индианаполис и отпътуваха за острова на 16-ти. Тиниан, Мариански острови. Корабът пристигна на острова на 26 юли.

На 24 юли мишената на бомбата е завършена и на 26-ти компонентите са изпратени на три C-54 от Албакърки и пристигат в Тиниан на 28-ми.

На 31 юли вътре в бомбата бяха монтирани мишена и снаряд. Ядрената атака е планирана за следващия ден, 1 август, но приближаващия тайфун налага операцията да бъде отложена с 5 дни.

6 август:
00:00 Последна среща, цел - Хирошима. Пилот - Тибетс, 2-ри пилот - Луис.
02:45 Бомбардировачът излита.
07:30 Бомбата е напълно готова за хвърляне.
08:50 Самолетът прелита над японския остров Шикоку.
09:16:02 Little Boy експлодира на височина 580 м. Мощност на експлозията: 12-18 kt, според по-късни оценки - 15 kt (+/- 20%).

При такава мощност на взрива височината, на която е бил взривен, е оптимална за налягане на ударната вълна от 12 psi (фунта на квадратен инч), т.е. за да увеличите максимално площта, подложена на 12 psi или повече. За унищожаване на градски сгради е достатъчно налягане от 5 psi, което съответства на височина от ~860, следователно при такава височина жертвите и разрушенията могат да бъдат още по-големи. Поради несигурността при определяне на мощността и големия брой причини, които биха могли да предизвикат намаляване на мощността на експлозията, височината е избрана умерено ниска, както при малък заряд. Височината от 580 m е оптимална за експлозия от 5 kt.

Плутониева атомна бомба Дебел човек.

Ядрото на бомбата е набор от сфери, вложени една в друга. Тук те са изброени в ред на влагане, дадени са размерите за външните радиуси на сферите:

* експлозивен снаряд - 65 см,
* "тласкач"/поглъщател на неутрони - 23 см,
* уранов корпус/неутронен рефлектор - 11,5 см,
* плутониево ядро - 4,5 см,
* берилий-полониев неутронен инициатор - 1 см.

Неутронен инициатор.
Първият етап, неутронният инициатор, наричан още Urchin, е берилиева сферична обвивка с диаметър 2 см и дебелина 0,6 см. Вътре в нея има берилиева обвивка с диаметър 0,8 см. Общото тегло на конструкцията е около 7 грама. На вътрешната повърхност на корпуса са направени 15 клиновидни прореза с дълбочина 2,09 мм. Самата черупка се получава чрез горещо пресоване в атмосфера на карбонил никел, повърхността и вътрешната сфера са покрити със слой никел и злато. 50 кюри полоний-210 (11 mg) са отложени върху вътрешната сфера и пукнатините в черупката. Слоевете злато и никел предпазват берилия от алфа частици, излъчвани от полоний или плутоний, заобикалящ инициатора. Инициаторът е монтиран на скоба вътре в кухина с диаметър 2,5 cm в плутониевата сърцевина.

Urchin се активира, когато ударната вълна достигне центъра на заряда. Когато ударната вълна достигне стените на вътрешната кухина в плутония, ударната вълна от изпарения плутоний действа върху инициатора, смачквайки празнините с полоний и създавайки ефекта на Мънро - силни струи от материал, които бързо смесват полоний и берилий от външни и вътрешни сфери. Алфа частиците, излъчвани от Po-210, се абсорбират от берилиеви атоми, които от своя страна излъчват неутрони.

Плутониев заряд.
Деветсантиметрова сфера с 2,5 см кухина в центъра за неутронен инициатор. Тази форма на заряд е предложена от Робърт Кристи за намаляване на асиметрията и нестабилността по време на имплозия.

Плутоният в активната зона се стабилизира в делта фаза с ниска плътност (плътност 15,9) чрез сливане с 3% галий от количеството на веществото (0,8% от масата). Предимствата на използването на делта фазата пред по-плътната алфа фаза (плътност 19.2) са, че делта фазата е пластична и гъвкава, докато алфа фазата е крехка и крехка, освен това стабилизирането на плутония в делта фазата позволява избягване на свиване по време на охлаждане и деформация на детайла след леене или гореща обработка. Може да изглежда, че използването на материал с по-ниска плътност за активната зона може да е неблагоприятно, тъй като използването на по-плътен материал е за предпочитане поради повишена ефективност и намаляване на необходимото количество плутоний, но това се оказва не съвсем вярно. Делта-стабилизираният плутоний претърпява преход към алфа фаза при относително ниско налягане от десетки хиляди атмосфери. Налягането от няколко милиона атмосфери, което възниква по време на експлозия на имплозия, прави този преход заедно с други явления, които възникват по време на такова компресиране. По този начин, с плутоний в делта фаза има по-голямо увеличение на плътността и по-голям принос на реактивност, отколкото би се случило в случай на плътна алфа фаза.

Сърцевината е сглобена от две полусфери, вероятно първоначално отлети в заготовки и след това обработени чрез горещо пресоване в атмосфера на карбонил никел. Тъй като плутоният е много реактивен метал и освен това е опасен за живота, всяко полукълбо е покрито със слой никел (или сребро, както се съобщава за ядрото на Gadget).Това покритие създава проблеми с ядрото на Gadget, тъй като бързото галванично покритие на плутония с никел (или сребро) доведе до образуване на черупки в метала и неговата непригодност за използване в сърцевината. Внимателното шлайфане и наслояване на златни слоеве възстановява дефектите, създадени от полусферите. Въпреки това, тънък златен слой (с дебелина около 0,1 mm) между полусферите във всеки случай беше необходима част от дизайна, служеща за предотвратяване на преждевременното проникване на струите ударна вълна между полукълбите, които биха могли преждевременно да активират неутронния инициатор.

Уранов корпус/неутронен рефлектор.
Плутониевият заряд е заобиколен от обвивка от естествен уран с тегло 120 кг и диаметър 23 см. Тази обвивка образува седемсантиметров слой около плутония. Дебелината на урана се определя от задачата за запазване на неутроните, така че слой от няколко сантиметра е достатъчен, за да се осигури неутронно спиране. По-дебелото тяло (с дебелина над 10 cm) допълнително осигурява значително запазване на неутрони за цялата структура, но ефектът на "временно поглъщане", присъщ на бързите, експоненциално развиващи се верижни реакции, намалява ползите от използването на по-дебел рефлектор.

Около 20% от енергията на бомбата се освобождава при бързо делене на урановата обвивка. Ядрото и тялото заедно образуват минимално подкритична система. Когато имплозионна експлозия компресира модула до 2,5 пъти нормалната му плътност, ядрото започва да съдържа около четири до пет критични маси.

"Тласкач"/абсорбер на неутрони.
Алуминиевият слой около урана с дебелина 11,5 см тежи 120 кг. Основната цел на тази сфера, наречена "тласкач", е да намали ефекта на вълната на Тейлър, бързото намаляване на налягането, което се случва зад фронта на детонацията. Тази вълна има тенденция да се увеличава по време на имплозия, причинявайки все по-бърз спад на налягането, тъй като фронтът на детонацията се сближава в една точка. Частично отражение на ударната вълна, възникваща при експлозива (състав „B“)/алуминий (поради разликата в плътностите: 1,65/2,71) изпраща вторичния фронт обратно в експлозива, потискайки вълната на Тейлър. Това увеличава налягането на предаваната вълна, увеличавайки компресията в центъра на ядрото.

Алуминиевият „тласкач“ също съдържа част от бор. Тъй като самият бор е крехко неметално вещество и е трудно за използване, вероятно е той да се съдържа под формата на лесна за обработка алуминиева сплав, наречена боракс (35-50% бор). Въпреки че общият му дял в обвивката е малък, борът играе ролята на абсорбатор на неутрони, предотвратявайки изтичащите оттам неутрони да се върнат обратно в плутониево-урановия комплект, забавен в алуминий и експлозиви до топлинни скорости.

Експлозивна обвивка и детонационна система.
Експлозивната обвивка е слой от силно експлозивно вещество. Той е дебел около 47 см и тежи поне 2500 кг. Тази система съдържа 32 експлозивни лещи, 20 от които са шестоъгълни и 12 са петоъгълни. Лещите са свързани помежду си по футболен начин, за да образуват сферичен експлозивен комплект с диаметър приблизително 130 см. Всеки има 3 части: две от тях са направени от експлозив с висока скорост на детонация, една от тях е направена от ниска скорост на детонация. Най-външната част на бързодетониращ експлозив има конусовидна вдлъбнатина, пълна с експлозиви с ниска скорост на детонация. Тези свързващи части образуват активна леща, способна да създава кръгла, нарастваща ударна вълна, насочена към центъра. Вътрешната страна на бързо детониращия експлозив почти покрива алуминиевата сфера, за да подобри конвергиращия удар.

Лещите бяха прецизно отлети, така че експлозивът трябваше да се разтопи преди употреба. Основният бързо детониращ експлозив беше „състав B“, смес от 60% хексаген (RDX) - много бързо детониращ, но слабо топящ се експлозив, 39% TNT (TNT) - силно експлозивен и лесно топим експлозив и 1% восък. „Бавният“ експлозив беше баратол - смес от TNT и бариев нитрат (делът на TNT обикновено е 25-33%) с 1% восък като свързващо вещество.

Съставът и плътността на лещите бяха прецизно контролирани и останаха постоянни. Системата на лещите беше настроена с много тесен допуск, така че частите да пасват една към друга в рамките на по-малко от 1 mm, за да се избегнат нередности в ударната вълна, но подравняването на повърхността на лещата беше дори по-важно от монтирането им една в друга.

За да се постигне много прецизно синхронизиране на детонатора, стандартните детонатори нямаха първични/вторични експлозивни комбинации и имаха електрически нагрети проводници. Тези проводници са парчета тънък проводник, които незабавно се изпаряват от удара на тока, получен от мощен кондензатор. Взривното вещество на детонатора е детонирано. Разреждането на кондензаторната батерия и изпаряването на проводника за всички детонатори може да се извърши почти едновременно - разликата е +/- 10 наносекунди. Недостатъкът на такава система е необходимостта от големи батерии, захранване с високо напрежение и мощна банка от кондензатори (наречени X-Unit, тежащи около 200 kg), предназначени да изстрелват 32 детонатора едновременно.

Готовият експлозивен снаряд е поставен в дуралуминиев корпус. Конструкцията на тялото се състоеше от централен колан, сглобен от 5 обработени дуралуминиеви отливки, и горни и долни полусфери, образуващи пълна обвивка.

Последният етап на сглобяване.
Окончателният дизайн на бомбата включва специален „капак“, през който в края се поставят делящи се материали. Зарядът може да бъде произведен изцяло, с изключение на плутониевата вложка с инициатора. От съображения за безопасност сглобяването се извършва непосредствено преди практическа употреба. Дюралуминиевата полусфера се отстранява заедно с една от експлозивните лещи. Неутронният инициатор се монтира между плутониевите полусфери и се монтира вътре в 40-килограмов уранов цилиндър, след което цялата тази конструкция се поставя вътре в урановия рефлектор. Лещата се връща на мястото си, детонаторът се свързва с нея и капакът се завинтва на място отгоре.

Дебелият човек представляваше сериозен риск, когато се изпращаше и съхраняваше готов за употреба, въпреки че дори и в най-лошия случай беше по-малко опасен от Малкото момче. Критичната маса на активна зона с уранов рефлектор е 7,5 кг плутоний за делта фазата и само 5,5 кг за алфа фазата. Всяка случайна детонация на експлозивната обвивка може да доведе до компресиране на 6,2-килограмовото ядро на Дебелия човек в свръхкритична алфа фаза.Оценената мощност на експлозията от такава неразрешена детонация на заряда ще варира от десетки тонове (грубо казано, порядък повече от експлозивния заряд в бомбата) до няколкостотин тона тротилов еквивалент. Но основната опасност се крие в потока от проникваща радиация по време на експлозията. Гама лъчите и неутроните могат да причинят смърт или сериозно заболяване много по-далеч от зоната на разпространение на ударната вълна.Така малка ядрена експлозия от 20 тона ще причини фатална доза радиация от 640 rem на разстояние 250 m.

От съображения за безопасност транспортирането на Fat Man никога не е било извършено в напълно сглобена форма; бомбите са завършени непосредствено преди употреба.Поради сложността на оръжието този процес изисква поне няколко дни (като се вземат предвид междинните проверки) Сглобената бомба не можеше да работи дълго време поради изтощени батерии на X-Unit.

Очертанията на активна плутониева бомба се състоят главно от експериментален дизайн на Gadget, опакован в стоманена обвивка.Двете половини на стоманения елипсоид са прикрепени към превръзката на системата за взривяване заедно с X-модула, батерии, предпазители и задействаща електроника, разположени на предната страна на черупката.

Както и в Little Boy, предпазителят за голяма надморска височина в Fat Man е радарната далекомерна система Atchis (Archies - нейните антени могат да се видят отстрани на снимките на Little Boy). Когато зарядът достигне необходимата височина над земята (настроена на 1850+-100 фута), той дава сигнал за детонация. Освен това бомбата е оборудвана и с барометричен сензор, който предотвратява експлозия над 7000 фута.

Бойно използване на плутониева бомба.
Окончателното сглобяване на Дебелия човек се състоя на острова. Тиниан.

На 26 юли 1945 г. плутониево ядро с инициатор е изпратено на самолет С-54 от военновъздушната база Къртланд до Тиниан.

На 28 юли ядрото пристига на о. На този ден три B-29 тръгват от Kirtland за Tinian с три предварително сглобени Fat Man.

2 август - B-29 пристига. Датата на бомбардировката е определена като 11 август, целта е арсеналът в Кокура. Неядрената част на първата бомба беше готова до 5 август.

На 7 август идва прогноза за неблагоприятни метеорологични условия за полет на 11, датата на полета се измества на 10 август, след това на 9 август. Поради изместване на датата се работи ускорено по сглобяване на заряда.

Сутринта на 8-ми сглобяването на Дебелия човек е завършено и до 22:00 часа той е натоварен в B-29 „Колата на Блок“.

9 август:
03:47 Самолетът излита от Тиниан, целта е идентифицирана като арсенал Кокур. Пилот - Чарлз Суини.
10:44 Време е за приближаване до Кокура, но целта е невидима при условия на лоша видимост. Зенитният артилерийски огън и появата на японски изтребители ни принуждават да спрем търсенето и да се обърнем към резервната цел - Нагасаки.
Над града имаше облачен слой - както над Кокура, имаше само гориво за едно преминаване, така че бомбата беше пусната в първата подходяща пролука в облаците на няколко мили от определената цел.
11:02 Избухва експлозия на надморска височина 503 м близо до границата на града, мощността според измерванията през 1987 г. е 21 кт. Въпреки факта, че експлозията е избухнала на границата на населена част на града, броят на жертвите надхвърля 70 000 души. Унищожени са и производствените мощности на Мицубиши за оръжие.

Първите атомни бомби - Малко момче и Дебел човек
По време на създаването на атомни оръжия в рамките на проекта "Манхатън" се работи едновременно по създаването на две ядрени бомби - уран и плутоний.

Уранова атомна бомба Little Boy.
Урановият заряд в бомбата се състои от две части: мишена и снаряд. Снарядът с диаметър 10 сантиметра и дължина 16 сантиметра представлява набор от шест уранови пръстена. Съдържа около 25,6 kg - 40% от целия уран. Пръстените в снаряда се поддържат от диск от волфрамов карбид и стоманени плочи и се съдържат в стоманен корпус. Мишената е с маса 38,46 кг и е направена под формата на кух цилиндър с диаметър 16 см и дължина 16 см. Конструктивно тя е направена под формата на две отделни половини. Мишената е монтирана в корпус, който служи като рефлектор на неутрони. По принцип количеството уран, използвано в бомбата, дава критична маса дори без рефлектор, но неговото присъствие, както и производството на снаряд от по-обогатен уран (89% U-235) от целта (~80% U-235), позволява да се увеличи мощността на заряда.

Процесът на обогатяване на уран протича на 3 етапа. Първоначално естествената руда (0,72% уран) е обогатена до 1-1,5% в инсталация за термична дифузия. Последваха газодифузионна инсталация и последният етап - електромагнитен сепаратор, който вече извърши разделянето на изотопите на урана. За производството на „бебето“ са били необходими 64 кг обогатен уран, което е ~2,5 критични маси. До лятото на 1945 г. са натрупани около 50 kg 89% U-235 и 14 kg 50% U-235. В резултат на това общата концентрация беше ~80%. Ако сравним тези показатели с плутониево ядро, масата на Pu-239, в която е само ~6 килограма, съдържаща приблизително 5 критични маси, основният недостатък на проекта за уран става видим: трудността да се осигури висока свръхкритичност на делящото се вещество , което води до ниска ефективност на оръжието.
За да се предотврати случайна верижна реакция, мишената съдържа борна запушалка, а снарядът е вграден в борна обвивка. Борът е добър абсорбатор на неутрони, като по този начин повишава безопасността при транспортиране и съхранение на заредени боеприпаси. Когато снарядът достигне целта, обвивката му излита и тапата в целта се изхвърля от нея.
Сглобеният бомбен снаряд се състои от тяло от волфрамов карбид (служещо като рефлектор на неутрони), заобиколено от стоманена обвивка с диаметър приблизително 60 см. Общата маса на тази конструкция е около 2,3 тона. Карбидно тяло е монтирано в дупка пробит в кожуха, в който е монтирана мишена. Дъното на тази дупка може да съдържа един или повече берилиево-полониеви инициатори. Цевта, по която се движи урановият снаряд, е здраво закрепена към стоманеното тяло на мишената,
той е заимстван от 75-мм противовъздушно оръдие и е отегчен, за да пасне на снаряда до 100 мм. Дължината на цевта е около 2 м, теглото - 450 кг, а затворът - 34 кг. Като пропелант се използва бездимен барут. Скоростта на снаряда в цевта достига около 300 m/s, за привеждането му в движение е необходима сила от най-малко 300 kN.

Сглобяване и използване на Little Boy.
Първите компоненти на снаряда са завършени в Лос Аламос на 15 юни 1945 г. и са напълно произведени до 3 юли.
На 14 юли Малкото момче и урановата обвивка за него бяха натоварени на кораба Индианаполис и отпътуваха за острова на 16-ти. Тиниан, Мариански острови. Корабът пристигна на острова на 26 юли.
На 24 юли мишената на бомбата е завършена и на 26-ти компонентите са изпратени на три C-54 от Албакърки и пристигат в Тиниан на 28-ми.
На 31 юли вътре в бомбата бяха монтирани мишена и снаряд. Ядрената атака е планирана за следващия ден, 1 август, но приближаващия тайфун налага операцията да бъде отложена с 5 дни.
На 5 август бомба е заредена в B-29 № 82 "Enola Gay".
6 август:
00:00 Последна среща, цел - Хирошима. Пилот - Тибетс, 2-ри пилот - Луис.
02:45 Бомбардировачът излита.
07:30 Бомбата е напълно готова за хвърляне.
08:50 Самолетът прелита над японския остров Шикоку.
09:16:02 Little Boy експлодира на височина 580 м. Мощност на експлозията: 12-18 kt, според по-късни оценки - 15 kt (+/- 20%).
При такава мощност на взрива височината, на която е бил взривен, е оптимална за налягане на ударната вълна от 12 psi (фунта на квадратен инч), т.е. за да увеличите максимално площта, подложена на 12 psi или повече. За унищожаване на градски сгради е достатъчно налягане от 5 psi, което съответства на височина от ~860, следователно при такава височина жертвите и разрушенията могат да бъдат още по-големи. Поради несигурността при определяне на мощността и големия брой причини, които биха могли да предизвикат намаляване на мощността на експлозията, височината е избрана умерено ниска, както при малък заряд. Височината от 580 m е оптимална за експлозия от 5 kt.

Плутониева атомна бомба Дебел човек.Ядрото на бомбата е набор от сфери, вложени една в друга. Тук те са изброени в ред на влагане, дадени са размерите за външните радиуси на сферите:

експлозивен снаряд - 65 см,

"тласкач"/абсорбер на неутрони - 23 см,

уранов корпус/неутронен рефлектор - 11,5 см,

плутониево ядро - 4,5 cm,

берилий-полониев неутронен инициатор - 1см.

Неутронен инициатор.
Първият етап, неутронният инициатор, наричан още Urchin, е берилиева сферична обвивка с диаметър 2 см и дебелина 0,6 см. Вътре в нея има берилиева обвивка с диаметър 0,8 см. Общото тегло на конструкцията е около 7 грама. На вътрешната повърхност на корпуса са направени 15 клиновидни прореза с дълбочина 2,09 мм. Самата черупка се получава чрез горещо пресоване в атмосфера на карбонил никел, повърхността и вътрешната сфера са покрити със слой никел и злато. 50 кюри полоний-210 (11 mg) са отложени върху вътрешната сфера и пукнатините в черупката. Слоевете злато и никел предпазват берилия от алфа частици, излъчвани от полоний или плутоний, заобикалящ инициатора. Инициаторът е монтиран на скоба вътре в кухина с диаметър 2,5 cm в плутониевата сърцевина.
Urchin се активира, когато ударната вълна достигне центъра на заряда. Когато ударната вълна достигне стените на вътрешната кухина в плутония, ударната вълна от изпарения плутоний действа върху инициатора, смачквайки празнините с полоний и създавайки ефекта на Мънро - силни струи от материал, които бързо смесват полоний и берилий от външни и вътрешни сфери. Алфа частиците, излъчвани от Po-210, се абсорбират от берилиеви атоми, които от своя страна излъчват неутрони.

Плутониев заряд.
Деветсантиметрова сфера с 2,5 см кухина в центъра за неутронен инициатор. Тази форма на заряд е предложена от Робърт Кристи за намаляване на асиметрията и нестабилността по време на имплозия.
Плутоният в активната зона се стабилизира в делта фаза с ниска плътност (плътност 15,9) чрез сливане с 3% галий от количеството на веществото (0,8% от масата). Предимствата на използването на делта фазата пред по-плътната алфа фаза (плътност 19.2) са, че делта фазата е пластична и гъвкава, докато алфа фазата е крехка и крехка, освен това стабилизирането на плутония в делта фазата позволява избягване на свиване по време на охлаждане и деформация на детайла след леене или гореща обработка. Може да изглежда, че използването на материал с по-ниска плътност за активната зона може да е неблагоприятно, тъй като използването на по-плътен материал е за предпочитане поради повишена ефективност и намаляване на необходимото количество плутоний, но това се оказва не съвсем вярно. Делта-стабилизираният плутоний претърпява преход към алфа фаза при относително ниско налягане от десетки хиляди атмосфери. Налягането от няколко милиона атмосфери, което възниква по време на експлозия на имплозия, прави този преход заедно с други явления, които възникват по време на такова компресиране. По този начин, с плутоний в делта фаза има по-голямо увеличение на плътността и по-голям принос на реактивност, отколкото би се случило в случай на плътна алфа фаза.

Уранов корпус/неутронен рефлектор.
Плутониевият заряд е заобиколен от обвивка от естествен уран с тегло 120 кг и диаметър 23 см. Тази обвивка образува седемсантиметров слой около плутония. Дебелината на урана се определя от задачата за запазване на неутроните, така че слой от няколко сантиметра е достатъчен, за да се осигури неутронно спиране. По-дебелото тяло (с дебелина над 10 cm) допълнително осигурява значително запазване на неутрони за цялата структура, но ефектът на "временно поглъщане", присъщ на бързите, експоненциално развиващи се верижни реакции, намалява ползите от използването на по-дебел рефлектор.
Около 20% от енергията на бомбата се освобождава при бързо делене на урановата обвивка. Ядрото и тялото заедно образуват минимално подкритична система. Когато имплозионна експлозия компресира модула до 2,5 пъти нормалната му плътност, ядрото започва да съдържа около четири до пет критични маси.

"Тласкач"/абсорбер на неутрони.
Алуминиевият слой около урана с дебелина 11,5 см тежи 120 кг. Основната цел на тази сфера, наречена "тласкач", е да намали ефекта на вълната на Тейлър, бързото намаляване на налягането, което се случва зад фронта на детонацията. Тази вълна има тенденция да се увеличава по време на имплозия, причинявайки все по-бърз спад на налягането, тъй като фронтът на детонацията се сближава в една точка. Частично отражение на ударната вълна, възникваща при експлозива (състав „B“)/алуминий (поради разликата в плътностите: 1,65/2,71) изпраща вторичния фронт обратно в експлозива, потискайки вълната на Тейлър. Това увеличава налягането на предаваната вълна, увеличавайки компресията в центъра на ядрото.
Алуминиевият „тласкач“ също съдържа част от бор. Тъй като самият бор е крехко неметално вещество и е трудно за използване, вероятно е той да се съдържа под формата на лесна за обработка алуминиева сплав, наречена боракс (35-50% бор). Въпреки че общият му дял в обвивката е малък, борът играе ролята на абсорбатор на неутрони, предотвратявайки изтичащите оттам неутрони да се върнат обратно в плутониево-урановия комплект, забавен в алуминий и експлозиви до топлинни скорости.

Експлозивна обвивка и детонационна система.
Експлозивната обвивка е слой от силно експлозивно вещество. Той е дебел около 47 см и тежи поне 2500 кг. Тази система съдържа 32 експлозивни лещи, 20 от които са шестоъгълни и 12 са петоъгълни. Лещите са свързани помежду си по футболен начин, за да образуват сферичен експлозивен комплект с диаметър приблизително 130 см. Всеки има 3 части: две от тях са направени от експлозив с висока скорост на детонация, една от тях е направена от ниска скорост на детонация. Най-външната част на бързодетониращ експлозив има конусовидна вдлъбнатина, пълна с експлозиви с ниска скорост на детонация. Тези свързващи части образуват активна леща, способна да създава кръгла, нарастваща ударна вълна, насочена към центъра. Вътрешната страна на бързо детониращия експлозив почти покрива алуминиевата сфера, за да подобри конвергиращия удар.
Лещите бяха прецизно отлети, така че експлозивът трябваше да се разтопи преди употреба. Основният бързо детониращ експлозив беше „състав B“, смес от 60% хексаген (RDX) - много бързо детониращ, но слабо топящ се експлозив, 39% TNT (TNT) - силно експлозивен и лесно топим експлозив и 1% восък. „Бавният“ експлозив беше баратол - смес от TNT и бариев нитрат (делът на TNT обикновено е 25-33%) с 1% восък като свързващо вещество.
Съставът и плътността на лещите бяха прецизно контролирани и останаха постоянни. Системата на лещите беше настроена с много тесен допуск, така че частите да пасват една към друга в рамките на по-малко от 1 mm, за да се избегнат нередности в ударната вълна, но подравняването на повърхността на лещата беше дори по-важно от монтирането им една в друга.
За да се постигне много прецизно синхронизиране на детонатора, стандартните детонатори нямаха първични/вторични експлозивни комбинации и имаха електрически нагрети проводници. Тези проводници са парчета тънък проводник, които незабавно се изпаряват от удара на тока, получен от мощен кондензатор. Взривното вещество на детонатора е детонирано. Разреждането на кондензаторната батерия и изпаряването на проводника за всички детонатори може да се извърши почти едновременно - разликата е +/- 10 наносекунди. Недостатъкът на такава система е необходимостта от големи батерии, захранване с високо напрежение и мощна банка от кондензатори (наречени X-Unit, тежащи около 200 kg), предназначени да изстрелват 32 детонатора едновременно.
Готовият експлозивен снаряд е поставен в дуралуминиев корпус. Конструкцията на тялото се състоеше от централен колан, сглобен от 5 обработени дуралуминиеви отливки, и горни и долни полусфери, образуващи пълна обвивка.

Последният етап на сглобяване.
Окончателният дизайн на бомбата включва специален „капак“, през който в края се поставят делящи се материали. Зарядът може да бъде произведен изцяло, с изключение на плутониевата вложка с инициатора. От съображения за безопасност сглобяването се извършва непосредствено преди практическа употреба. Дюралуминиевата полусфера се отстранява заедно с една от експлозивните лещи. Неутронният инициатор се монтира между плутониевите полусфери и се монтира вътре в 40-килограмов уранов цилиндър, след което цялата тази конструкция се поставя вътре в урановия рефлектор. Лещата се връща на мястото си, детонаторът се свързва с нея и капакът се завинтва на място отгоре.
Дебелият човек представляваше сериозен риск, когато се изпращаше и съхраняваше готов за употреба, въпреки че дори и в най-лошия случай беше по-малко опасен от Малкото момче. Критичната маса на активна зона с уранов рефлектор е 7,5 кг плутоний за делта фазата и само 5,5 кг за алфа фазата. Всяка случайна детонация на експлозивната обвивка може да доведе до компресиране на 6,2-килограмовото ядро на Дебелия човек в свръхкритична алфа фаза.Оценената мощност на експлозията от такава неразрешена детонация на заряда ще варира от десетки тонове (грубо казано, порядък повече от експлозивния заряд в бомбата) до няколкостотин тона тротилов еквивалент. Но основната опасност се крие в потока от проникваща радиация по време на експлозията. Гама лъчите и неутроните могат да причинят смърт или сериозно заболяване много по-далеч от зоната на разпространение на ударната вълна.Така малка ядрена експлозия от 20 тона ще причини фатална доза радиация от 640 rem на разстояние 250 m.
От съображения за безопасност транспортирането на Fat Man никога не е било извършено в напълно сглобена форма; бомбите са завършени непосредствено преди употреба.Поради сложността на оръжието този процес изисква поне няколко дни (като се вземат предвид междинните проверки) Сглобената бомба не можеше да работи дълго време поради изтощени батерии на X-Unit.
Очертанията на активна плутониева бомба се състоят главно от експериментален дизайн на Gadget, опакован в стоманена обвивка.Двете половини на стоманения елипсоид са прикрепени към превръзката на системата за взривяване заедно с X-модула, батерии, предпазители и задействаща електроника, разположени на предната страна на черупката.
Както и в Little Boy, предпазителят за голяма надморска височина в Fat Man е радарната далекомерна система Atchis (Archies - нейните антени могат да се видят отстрани на снимките на Little Boy). Когато зарядът достигне необходимата височина над земята (настроена на 1850+-100 фута), той дава сигнал за детонация. Освен това бомбата е оборудвана и с барометричен сензор, който предотвратява експлозия над 7000 фута.

Бойно използване на плутониева бомба.
Окончателното сглобяване на Дебелия човек се състоя на острова. Тиниан.
На 26 юли 1945 г. плутониево ядро с инициатор е изпратено на самолет С-54 от военновъздушната база Къртланд до Тиниан.
На 28 юли ядрото пристига на о. На този ден три B-29 тръгват от Kirtland за Tinian с три предварително сглобени Fat Man.
2 август - B-29 пристига. Датата на бомбардировката е определена като 11 август, целта е арсеналът в Кокура. Неядрената част на първата бомба беше готова до 5 август.
На 7 август идва прогноза за неблагоприятни метеорологични условия за полет на 11, датата на полета се измества на 10 август, след това на 9 август. Поради изместване на датата се работи ускорено по сглобяване на заряда.
Сутринта на 8-ми сглобяването на Дебелия човек е завършено и до 22:00 часа той е натоварен в B-29 „Колата на Блок“.
9 август:
03:47 Самолетът излита от Тиниан, целта е идентифицирана като арсенал Кокур. Пилот - Чарлз Суини.
10:44 Време е за приближаване до Кокура, но целта е невидима при условия на лоша видимост. Зенитният артилерийски огън и появата на японски изтребители ни принуждават да спрем търсенето и да се обърнем към резервната цел - Нагасаки.
Над града имаше облачен слой - както над Кокура, имаше само гориво за едно преминаване, така че бомбата беше пусната в първата подходяща пролука в облаците на няколко мили от определената цел.
11:02 Избухва експлозия на надморска височина 503 м близо до границата на града, мощността според измерванията през 1987 г. е 21 кт. Въпреки факта, че експлозията е избухнала на границата на населена част на града, броят на жертвите надхвърля 70 000 души. Унищожени са и производствените мощности на Мицубиши за оръжие.

Уранова бомба

Принцип на действие

Ядрените оръжия се основават на неконтролирана верижна реакция на ядрено делене. Има две основни схеми: „оръдие“, иначе наричано балистично, и имплозивно.

« оръдие"Схемата е характерна за най-примитивните модели ядрени оръжия от първо поколение, както и за артилерийски и стрелкови ядрени оръжия, които имат ограничения в калибъра на оръжието. Същността му е да „изстреля“ един към друг два блока деляща се материя с подкритична маса. Този метод на детонация е възможен само в уранови боеприпаси, тъй като плутоният има по-висок неутронен фон, което води до увеличаване на необходимата скорост на свързване на частите на заряда, надхвърляща технически постижимото.

"Имплозивен"схемата включва получаване на свръхкритично състояние чрез компресиране на делящия се материал с фокусирана ударна вълна, създадена от експлозията на конвенционален химически експлозив, на който се придава много сложна форма за фокусиране и детонацията се извършва едновременно в няколко точки с прецизна точност.

Ядрената енергия работи изключително базиран на принципите на делене на тежки елементи, ограничен до стотици килотона . Възможно е, но изключително трудно да се създаде по-мощен заряд, базиран само на ядрено делене. Най-мощният боеприпас в света, базиран единствено на ядрено делене, е тестван в Съединените щати на 15 ноември 1952 г. с мощност на експлозия от 500 kt.

За да може реакцията да се поддържа, е необходимо подходящо „гориво“, което в първите етапи се използва като изотоп на урана.

Уранът се среща в природата под формата на два изотопа - уран-235 и уран-238. Когато уран-235 абсорбира неутрон по време на процеса на разпадане, се освобождават от един до три неутрона:

Уран-238, напротив, когато абсорбира неутрони с умерена енергия, не освобождава нови, пречейки на ядрената реакция. Той се превръща в уран-239, след това в нептуний-239 и накрая в относително стабилен плутоний-239.

За да се гарантира функционалността на ядрена бомба, съдържанието на уран-235 в ядреното гориво трябва да бъде най-малко 80%, в противен случай уран-238 бързо ще потуши ядрената верижна реакция. Почти целият естествен уран (около 99,3%) се състои от уран-238. Следователно при производството на ядрено гориво се използва сложен и многоетапен процес на обогатяване на уран, в резултат на което се увеличава делът на уран-235.

Базираната на уран бомба е първото ядрено оръжие, използвано от човека в битка (бомбата „Малкото момче“, хвърлена над Хирошима). Поради редица недостатъци (трудности при получаване, разработване и доставка), те не са широко разпространени в момента, по-ниски от по-модерните бомби, базирани на други радиоактивни елементи с по-ниска критична маса.

Първото ядрено устройство, детонирано за тестови цели, беше ядреното устройство Gadget. джаджа- устройство, дрънкулка) - прототип на плутониевата бомба "Дебелият човек", пусната в Нагасаки. Тестовете бяха извършени на тестова площадка близо до Аламогордо в Ню Мексико.

Структурно тази бомба се състоеше от няколко сфери, вложени една в друга:

Импулсен неутронен инициатор (INI, „таралеж“, „таралеж“ (англ. таралеж)) - топка с диаметър около 2 см, изработена от берилий, покрита с тънък слой от итриево-полониева сплав или метален полоний-210 - основният източник на неутрони за рязко намаляване на критичната маса и ускоряване на началото на реакцията . Задейства се в момента, в който бойното ядро се прехвърли в свръхкритично състояние (по време на компресията полоний и берилий се смесват с освобождаване на голям брой неутрони). В момента краткотрайният полоний-210 е заменен от дългоживещ плутоний-238, който също е способен да произведе мощен неутронен импулс, когато се смеси с берилий.
Плутоний. Най-чистият възможен изотоп на плутоний-239 е желателен, въпреки че плутоният е легиран с малко количество галий, за да се повиши стабилността на физичните свойства (плътността) и да се подобри свиваемостта на заряда.
Shell (английски) подправяне), служещ като рефлектор на неутрони (от уран).
Стискаща черупка тласкач) изработени от алуминий. Осигурява по-голяма равномерност на компресия от ударната вълна, като в същото време предпазва вътрешните части на заряда от директен контакт с взривното вещество и горещите продукти от неговото разпадане.
Експлозив със сложна детонационна система, която осигурява синхронизирано взривяване на целия експлозив. Синхронността е необходима за създаване на строго сферична компресивна (насочена вътре в топката) ударна вълна. Несферична вълна води до изхвърляне на топчен материал чрез нехомогенност и невъзможност за създаване на критична маса. Създаването на такава система за поставяне на експлозиви и взривяване навремето беше една от най-трудните задачи. Използва се комбинирана схема (система от лещи) от „бързи“ и „бавни“ експлозиви - боратол и TATV.
Корпусът е изработен от щамповани дуралуминиеви елементи - два сферични капака и колан, свързани с болтове.

Бойна железопътна ракетна система БЖРК 15П961 „Молодец” с междуконтинентална ядрена ракета

Ракета RT-23 UTTH и ракетна системакато цяло развит в<КБ>Южное в Днепропетровск, генерален конструктор академик В. Ф. Уткин. Влакът и пусковата установка са разработени в KBSM, Ленинград, главен конструктор академик A.F. Уткин. През 1987-1991г Изградени 12 комплекса .

Съставът на BZHRK включва:

1. Минимум три начални модула

2. Команден модул, състоящ се от 7 коли

3. Автоцистерна със запаси от ГСМ

4. Три дизелови локомотива DM62

Минималният стартов модул включва три коли:

1. Стая за управление на пусковата установка 2.

2. Стартер

3. 3. Поддържащо звено

На следващата годишнина от бадабума в Хирошима и Нагасаки реших да поровя в интернет по въпросите на ядрените оръжия, къде защо и как са създадени не ме интересуваше (вече знаех) - повече ме интересуваше как 2 парчета плутоний не се топят, а правят голям взрив.

Следете инженерите - започват със сеялка и завършват с атомна бомба.

Ядрената физика е една от най-противоречивите области на уважаваните природни науки. Именно в тази област човечеството хвърля милиарди долари, лири, франкове и рубли в продължение на половин век, като в локомотивната пещ на закъснял влак. Сега изглежда влакът вече не закъснява. Бушуващите пламъци от горящи средства и човекочасове утихнаха. Нека се опитаме накратко да разберем какъв вид влак се нарича „ядрена физика“.

Изотопи и радиоактивност

Както знаете, всичко, което съществува, се състои от атоми. Атомите от своя страна се състоят от електронни обвивки, живеещи според собствените си умопомрачителни закони, и ядро. Класическата химия изобщо не се интересува от ядрото и неговия личен живот. За нея атомът е неговите електрони и способността им да обменят взаимодействие. А от ядрото по химия ви трябва само неговата маса, за да изчислите пропорциите на реагентите. На свой ред ядрената физика не се интересува от електроните. Тя се интересува от малка (100 хиляди пъти по-малка от радиуса на електронните орбити) прашинка вътре в атом, в която е концентрирана почти цялата му маса.

Какво знаем за ядрото? Да, той се състои от положително заредени протони и неутрони, които нямат електрически заряд. Това обаче не е съвсем вярно. Ядрото не е шепа топки от два цвята, както е на илюстрацията от училищния учебник. Тук действат напълно различни закони, наречени силно взаимодействие, превръщайки протоните и неутроните в някаква неразличима бъркотия. Зарядът на тази каша обаче е точно равен на общия заряд на протоните, включени в нея, а масата почти (повтарям, почти) съвпада с масата на неутроните и протоните, които съставляват ядрото.

Между другото, броят на протоните на нейонизиран атом винаги съвпада с броя на електроните, които имат честта да го заобикалят. Но с неутроните въпросът не е толкова прост. Строго погледнато, задачата на неутроните е да стабилизират ядрото, тъй като без тях еднакво заредените протони не биха се разбрали дори за микросекунди.

Да вземем водорода за категоричност. Най-често срещаният водород. Структурата му е абсурдно проста - един протон, заобиколен от един орбитален електрон. Във Вселената има много водород. Можем да кажем, че Вселената се състои основно от водород.

Сега нека внимателно добавим неутрон към протона. От химическа гледна точка все още е водород. Но от гледна точка на физиката вече не. След като откриха два различни водорода, физиците се разтревожиха и веднага излязоха с идеята да нарекат обикновения водород протий, а водорода с неутрон при протон - деутерий.

Нека бъдем смели и подадем още един неутрон към ядрото. Сега имаме друг водород, още по-тежък - тритий. Отново, от химическа гледна точка, той практически не се различава от другите два водорода (е, освен че сега реагира малко по-лесно). Искам веднага да ви предупредя - никакви усилия, заплахи или убеждаване не могат да добавят още един неутрон към ядрото на трития. Местните закони са много по-строги от човешките.

И така, протий, деутерий и тритий са изотопи на водорода. Тяхната атомна маса е различна, но зарядът им не е. Но зарядът на ядрото е това, което определя местоположението в периодичната таблица на елементите. Ето защо изотопите се наричат изотопи. Преведено от гръцки означава „заемане на едно и също място“. Между другото, добре познатата тежка вода е същата вода, но с два атома деутерий вместо протий. Съответно свръхтежката вода съдържа тритий вместо протий.

Нека да погледнем нашите водороди отново. И така... Протият е на мястото си, деутерият е на мястото си... Кой друг е това? Къде отиде моят тритий и откъде дойде хелий-3? В нашия тритий един от неутроните явно се отегчи, реши да смени професията си и стана протон. По този начин той генерира електрон и антинеутрино. Загубата на тритий, разбира се, е разочароваща, но сега знаем, че той е нестабилен. Подаването на неутрони не беше напразно.

И така, както разбирате, изотопите са стабилни и нестабилни. Има много стабилни изотопи около нас, но, слава Богу, практически няма нестабилни. Тоест те съществуват, но в толкова разпръснато състояние, че трябва да бъдат получени с цената на много голям труд. Например уран-235, който причини толкова много проблеми на Опенхаймер, съставлява само 0,7% от естествения уран.

Половин живот

Тук всичко е просто. Времето на полуразпад на нестабилен изотоп е периодът от време, през който точно половината от атомите на изотопа ще се разпаднат и ще се превърнат в други атоми. Вече познатият ни тритий има период на полуразпад от 12,32 години. Това е изотоп с доста кратък живот, въпреки че в сравнение с франций-223, който има период на полуразпад от 22,3 минути, тритият ще изглежда като побелял старец.

Никакви макроскопични външни фактори (налягане, температура, влажност, настроението на изследователя, броят на отделянията, местоположението на звездите) не влияят на полуживота. Квантовата механика е безчувствена към подобни глупости.

Масов дефект

Последният въпрос, който остава да се разбере по отношение на механиката на експлозията, е откъде идва енергията: същата, която се освобождава по време на верижната реакция? Тук отново имаше някаква маса. Или по-скоро без неговия „дефект“.

До миналия век учените вярваха, че масата се запазва при всякакви условия, и бяха прави по свой начин. Така че спуснахме метала в киселината - той започна да бълбука в ретортата и газовите мехурчета се втурнаха нагоре през дебелината на течността. Но ако претеглите реагентите преди и след реакцията, без да забравяте освободения газ, масата се сближава. И това винаги ще бъде така, докато оперираме с килограми, метри и химични реакции.

Но веднага щом навлезете в областта на микрочастиците, масата също представлява изненада. Оказва се, че масата на един атом може да не е точно равна на сбора от масите на частиците, които го изграждат. Когато тежко ядро (например уран) се разделя на части, „фрагментите“ тежат общо по-малко от ядрото преди делене. „Разликата“, наричана още дефект на масата, е отговорна за енергиите на свързване в ядрото. И именно тази разлика се превръща в топлина и радиация по време на експлозията, всички според една и съща проста формула: E=mc2.

Това е интересно: така се случва, че е енергийно изгодно да се разделят тежките ядра и да се комбинират леките. Първият механизъм работи в уранова или плутониева бомба, вторият във водородна бомба. Но не можете да направите бомба от желязо, колкото и да се опитвате: тя е точно в средата на тази линия.

Ядрена бомба

Следвайки историческата последователност, нека първо разгледаме ядрените бомби и да изпълним нашия малък „Проект Манхатън“. Няма да ви отегчавам със скучни методи за разделяне на изотопи и математически изчисления на теорията за верижната реакция на делене. Вие и аз имаме уран, плутоний, други материали, инструкции за сглобяване и необходимото количество научно любопитство.

Всички изотопи на урана са нестабилни в една или друга степен. Но уран-235 е в специална позиция. При спонтанния разпад на ядрото на уран-235 (наричан още алфа разпад) се образуват два фрагмента (ядра на други, много по-леки елементи) и няколко неутрона (обикновено 2-3). Ако неутронът, образуван по време на разпада, удари ядрото на друг атом на уран, ще има обикновен еластичен сблъсък, неутронът ще отскочи и ще продължи да търси приключение. Но след известно време ще изразходва енергия (идеално еластични сблъсъци се случват само сред сферични коне във вакуум) и следващото ядро ще се окаже капан - неутронът ще бъде погълнат от него. Между другото, физиците наричат такъв неутрон термичен.

Вижте списъка с известни изотопи на урана. Сред тях няма изотоп с атомна маса 236. Знаете ли защо? Такова ядро живее за част от микросекунди и след това се разпада, освобождавайки огромно количество енергия. Това се нарича принудителен разпад. Някак си е неудобно дори да наречем изотоп с такъв живот изотоп.

Енергията, която се отделя при разпадането на ядрото на уран-235, е кинетичната енергия на осколките и неутроните. Ако изчислите общата маса на продуктите на разпадане на ядрото на урана и след това я сравните с масата на първоначалното ядро, се оказва, че тези маси не съвпадат - първоначалното ядро е по-голямо. Това явление се нарича масов дефект, а обяснението му се съдържа във формулата E0=mс2. Кинетичната енергия на фрагментите, разделена на квадрата на скоростта на светлината, ще бъде точно равна на масовата разлика. Фрагментите се забавят в кристалната решетка на урана, генерирайки рентгеново лъчение, а неутроните, пътувайки, се абсорбират от други уранови ядра или напускат урановата отливка, където се случват всички събития.

Ако отливката с уран е малка, тогава повечето от неутроните ще я напуснат, без да имат време да забавят. Но ако всеки акт на принудителен разпад предизвика поне още един подобен акт поради излъчения неутрон, това вече е самоподдържаща се верижна реакция на делене.

Съответно, ако увеличите размера на отливката, нарастващият брой неутрони ще предизвика актове на принудително делене. И в един момент верижната реакция ще стане неконтролируема. Но това далеч не е ядрен взрив. Просто много „мръсна“ термична експлозия, която ще освободи голям брой много активни и токсични изотопи.

Напълно логичен е въпросът колко уран-235 е необходим, за да се превърне верижната реакция на делене в лавина? Всъщност не е толкова просто. Тук играят роля свойствата на делящия се материал и съотношението обем/повърхност. Представете си един тон уран-235 (веднага ще направя резервация - това е много), който съществува под формата на тънка и много дълга жица. Да, неутрон, който лети по него, разбира се, ще предизвика акт на принудителен разпад. Но частта от неутрони, летящи по жицата, ще бъде толкова малка, че е просто смешно да се говори за самоподдържаща се верижна реакция.

Затова се съгласихме да изчислим критичната маса за сферична отливка. За чист уран-235 критичната маса е 50 kg (това е топка с радиус 9 cm). Разбирате, че такава топка няма да издържи дълго, обаче, нито тези, които я хвърлят.

Ако топка с по-малка маса е заобиколена от неутронен рефлектор (берилият е идеален за него) и в топката се въведе материал за забавяне на неутрони (вода, тежка вода, графит, същият берилий), тогава критичната маса ще стане много по-малък. Чрез използването на най-ефективните рефлектори и неутронни модератори, критичната маса може да бъде увеличена до 250 грама. Това например може да се постигне чрез поставяне на наситен разтвор на сол на уран-235 в тежка вода в сферичен берилиев контейнер.

Критична маса съществува не само за уран-235. Съществуват и редица изотопи, способни на верижни реакции на делене. Основното условие е, че продуктите на разпадане на едно ядро трябва да предизвикват актове на разпадане на други ядра.

И така, имаме две полусферични уранови отливки с тегло 40 кг всяка. Докато стоят на почтително разстояние един от друг, всичко ще бъде спокойно. Ами ако започнете да ги движите бавно? Противно на общоприетото схващане, нищо подобно на гъби няма да се случи. Просто парчетата ще започнат да се нагряват, когато се приближат, и тогава, ако не дойдете на себе си навреме, те ще се нажежат до червено. В крайна сметка те просто ще се стопят и разпространят и всеки, който е преместил отливките, ще умре от неутронно облъчване. А тези, които са гледали това с интерес, ще си залепят перките.

Ами ако е по-бързо? Ще се стопят по-бързо. Още по-бързо? Те ще се стопят още по-бързо. Готино? Дори и да го поставите в течен хелий, това няма да помогне. Ами ако застреляте едно парче в друго? ОТНОСНО! Моментът на истината. Току-що измислихме дизайн на оръдие с уран. Но няма с какво особено да се гордеем, тази схема е най-простата и най-безумната от всички възможни. Да, и полукълбите ще трябва да бъдат изоставени. Както показа практиката, те не са склонни да се слепват гладко. Най-малкото изкривяване - и получавате много скъпо „пърда“, след което ще трябва да почиствате дълго време.

По-добре е да направим къса дебелостенна тръба от уран-235 с маса 30-40 кг, към отвора на която ще закрепим високоякостна стоманена цев от същия калибър, заредена с цилиндър от същия калибър. уран с приблизително същата маса. Нека обградим урановата цел с берилиев неутронен рефлектор. Сега, ако стреляте с уранов „куршум“ по уранова „тръба“, „тръбата“ ще бъде пълна. Тоест ще има ядрен взрив. Просто трябва да стреляте сериозно, така че началната скорост на урановия снаряд да е поне 1 km/s. Иначе пак ще има пердах, но по-силно. Факт е, че когато снарядът и целта се приближават един към друг, те се нагряват толкова много, че започват интензивно да се изпаряват от повърхността, забавяни от насрещните газови потоци. Освен това, ако скоростта е недостатъчна, тогава има шанс снарядът просто да не достигне целта, а да се изпари по пътя.

Ускоряването на заготовка с тегло няколко десетки килограма до такава скорост и на разстояние от няколко метра е изключително трудна задача. Ето защо ще ви трябва не барут, а мощен експлозив, способен да създаде необходимото налягане на газа в цевта за много кратко време. И няма да се налага да почиствате цевта по-късно, не се притеснявайте.

Бомбата Mk-I "Little Boy", хвърлена над Хирошима, е проектирана точно според дизайна на оръдието.

Има, разбира се, дребни детайли, които не взехме предвид в нашия проект, но изобщо не съгрешихме срещу самия принцип.

Така. Детонирахме урановата бомба. Възхищавахме се на гъбата. Сега ще взривим плутония. Само не влачете мишена, снаряд, варел и други боклуци тук. Този трик няма да работи с плутоний. Дори ако изстреляме едно парче в друго със скорост от 5 km/s, суперкритичен монтаж пак няма да работи. Плутоний-239 ще има време да се нагрее, да се изпари и да разруши всичко наоколо. Критичната му маса е малко повече от 6 кг. Можете да си представите колко по-активен е той по отношение на улавянето на неутрони.

Плутоният е необичаен метал. В зависимост от температурата, налягането и примесите съществува в шест модификации на кристалната решетка. Има дори модификации, при които се свива при нагряване. Преходите от една фаза към друга могат да се появят внезапно, докато плътността на плутония може да се промени с 25%.Нека, като всички нормални герои, поемем по заобиколен път. Нека си припомним, че критичната маса се определя по-специално от съотношението на обема към повърхността. Добре, имаме топка с подкритична маса, която има минимална повърхност за даден обем. Да кажем 6 килограма. Радиусът на топката е 4,5 см. Ами ако тази топка е компресирана от всички страни? Плътността ще нараства пропорционално на куба на линейното сгъстяване, а повърхността ще намалява пропорционално на своя квадрат. И ето какво се случва: атомите на плутония ще станат по-плътни, тоест спирачният път на неутрона ще бъде съкратен, което означава, че вероятността от неговото поглъщане ще се увеличи. Но, отново, все още няма да работи за компресиране с необходимата скорост (около 10 km/s). Задънен край? Но не.

При 300°C започва така наречената делта фаза – най-рехавата. Ако плутоният се легира с галий, загрее до тази температура и след това бавно се охлади, делта фазата може да съществува при стайна температура. Но няма да е стабилен. При високо налягане (от порядъка на десетки хиляди атмосфери) ще настъпи рязък преход към много плътна алфа фаза.

Нека поставим плутониева топка в голяма (диаметър 23 см) и тежка (120 кг) куха топка от уран-238. Не се притеснявайте, няма критична маса. Но той перфектно отразява бързите неутрони. И пак ще ни бъдат полезни.Мислите ли, че го гръмнаха? Без значение как е. Плутоният е адски капризно същество. Ще трябва да свършим още малко работа. Нека направим две полусфери от плутоний в делта фаза. Нека оформим сферична кухина в центъра. И в тази кухина ще поставим квинтесенцията на мисълта за ядрените оръжия - неутронния инициатор. Това е малка куха берилиева топка с диаметър 20 и дебелина 6 мм. Вътре в него има друга берилиева топка с диаметър 8 мм. По вътрешната повърхност на кухата топка има дълбоки канали. Цялото нещо е щедро никелирано и позлатено. В жлебовете е поставен полоний-210, който активно излъчва алфа частици. Това е такова чудо на техниката. Как работи? Само за секунда. Имаме още няколко неща за вършене.

Нека обградим урановата обвивка с друга, направена от алуминиева сплав с бор. Дебелината му е около 13 см. Общо нашата „матрьошка“ вече е нараснала до половин метър дебелина и е натрупала тегло от 6 до 250 кг.

Сега нека направим имплозионни „лещи“. Представете си футболна топка. Класически, състоящ се от 20 шестоъгълника и 12 петоъгълника. Ние ще направим такава „топка“ от експлозиви, като всеки от сегментите ще бъде оборудван с няколко електрически детонатора. Дебелината на сегмента е около половин метър. Има и много тънкости в производството на „лещи“, но ако ги опишем, няма да има достатъчно място за всичко останало. Основното нещо е максималната точност на обектива. Най-малката грешка - и целият монтаж ще бъде смачкан от взривното действие на експлозива. Пълният комплект сега има диаметър от около един и половина метра и маса от 2,5 тона. Конструкцията е завършена от електрическа верига, чиято задача е да детонира детонаторите в строго определена последователност с точност до микросекунди.

Всичко. Пред нас е плутониева верига на имплозия.

И сега - най-интересната част.

По време на детонацията експлозивът компресира модула, а алуминиевият „тласкач“ предотвратява разпадането на взривната вълна да се разпространи навътре, следвайки нейния фронт. Преминавайки през урана с насрещна скорост от около 12 km/s, компресионната вълна ще уплътни както него, така и плутония. Плутоният при налягане в зоната на компресия от порядъка на стотици хиляди атмосфери (ефектът от фокусирането на фронта на експлозията) ще скочи рязко в алфа фазата. След 40 микросекунди уран-плутониевата група, описана тук, ще стане не само суперкритична, но няколко пъти по-голяма от критичната маса.

Достигайки инициатора, компресионната вълна ще смачка цялата му структура в монолит. В този случай златно-никелова изолация ще бъде унищожена, полоний-210 ще проникне в берилий поради дифузия, алфа-частиците, излъчени от него и преминаващи през берилия, ще предизвикат колосален поток от неутрони, предизвиквайки верижна реакция на делене през целия обем плутоний, а потокът от „бързи“ неутрони, генериран от разпадането на плутония, ще предизвика експлозия на уран-238. Готово, отгледахме втора гъба, не по-лоша от първата.

Пример за дизайн на плутониева имплозия е бомбата Mk-III "Fatman", пусната над Нагасаки.

Всички трикове, описани тук, са необходими, за да се накара максимален брой плутониеви атомни ядра да реагират. Основната задача е да се запази зарядът в компактно състояние възможно най-дълго и да се предотврати разпръскването му в плазмен облак, в който верижната реакция моментално ще спре. Тук всяка спечелена микросекунда е увеличение с един или два килотона мощност.

Термоядрена бомба

Има общоприето мнение, че ядрената бомба е предпазител за термоядрена. По принцип всичко е много по-сложно, но същността е уловена правилно. Оръжията, базирани на принципите на термоядрения синтез, позволиха да се постигне такава мощност на експлозия, която при никакви обстоятелства не може да бъде постигната чрез верижна реакция на делене. Но единственият източник на енергия досега, който може да „запали“ реакция на термоядрен синтез, е ядрена експлозия.

Помните ли как вие и аз „хранехме“ водородното ядро с неутрони? Така че, ако се опитате да свържете два протона заедно по този начин, нищо няма да се получи. Протоните няма да се слепят поради силите на отблъскване на Кулон. Или ще се разлетят, или ще настъпи бета-разпад и един от протоните ще стане неутрон. Но хелий-3 съществува. Благодарение на един единствен неутрон, който прави протоните по-съвместими един с друг.

По принцип, въз основа на състава на ядрото на хелий-3, можем да заключим, че е напълно възможно да се събере едно ядро на хелий-3 от ядрата на протия и деутерия. Теоретично това е вярно, но такава реакция може да се случи само в дълбините на големи и горещи звезди. Освен това в дълбините на звездите хелият може да се събира дори само от протони, превръщайки някои от тях в неутрони. Но това вече са въпроси на астрофизиката и постижимата за нас опция е да слеем две ядра на деутерий или деутерий и тритий.

Ядреният синтез изисква едно много специфично условие. Това е много висока (109 К) температура. Само със средна кинетична енергия на ядрата от 100 килоелектронволта те са в състояние да се доближат едно до друго на разстояние, при което силното взаимодействие започва да преодолява взаимодействието на Кулон.

Напълно легитимен въпрос - защо ограждате тази градина? Факт е, че по време на синтеза на леки ядра се освобождава енергия от порядъка на 20 MeV. Разбира се, при принудителното делене на ураново ядро тази енергия е 10 пъти по-голяма, но има една уговорка - при най-големите трикове заряд на уран с мощност дори 1 мегатон е невъзможен. Дори за по-усъвършенствана плутониева бомба, постижимата мощност на енергия е не повече от 7-8 килотона на килограм плутоний (при теоретичен максимум от 18 килотона). И не забравяйте, че едно ядро на уран е почти 60 пъти по-тежко от две ядра на деутерий. Ако вземем предвид специфичния енергиен добив, тогава термоядреният синтез е забележимо напред.

И още нещо - за термоядрен заряд няма ограничения за критичната маса. Той просто го няма. Има обаче и други ограничения, но повече за тях по-долу.

По принцип стартирането на термоядрена реакция като източник на неутрони е доста просто. Много по-трудно е да го стартирате като източник на енергия. Тук се сблъскваме с така наречения критерий на Лоусън, който определя енергийната полза от термоядрената реакция. Ако произведението от плътността на реагиращите ядра и времето на тяхното задържане на разстоянието на синтез е по-голямо от 1014 sec/cm3, енергията, предоставена от синтеза, ще надвишава енергията, въведена в системата.

Всички термоядрени програми бяха посветени на постигането на този критерий.

Първият дизайн на термоядрена бомба, който хрумна на Едуард Телър, беше нещо подобно на опит за създаване на плутониева бомба, използвайки дизайн на оръдие. Тоест всичко изглежда правилно, но не работи. Устройството на „класическия супер“ - течен деутерий, в който е потопена плутониева бомба - наистина беше класическо, но далеч от супер.

Идеята за взривяване на ядрен заряд в течен деутерий се оказа задънена улица от самото начало. При такива условия може да се постигне повече или по-малко производство на енергия от термоядрен синтез чрез детониране на ядрен заряд с мощност 500 kt. И изобщо нямаше нужда да говорим за постигане на критерия на Лоусън.

Идеята за заобикаляне на ядрен задействащ заряд със слоеве от термоядрено гориво, осеяно с уран-238 като топлоизолатор и усилвател на експлозия, също хрумна на Телър. И не само него. Първите съветски термоядрени бомби са създадени именно по този проект. Принципът беше съвсем прост: ядрен заряд загрява термоядреното гориво до температурата, при която започва синтезът, и бързите неутрони, генерирани по време на синтеза, експлодират слоеве от уран-238. Ограничението обаче остава същото - при температурата, която може да осигури ядрен тригер, само смес от евтин деутерий и невероятно скъп тритий може да влезе в реакцията на синтез.

Телър по-късно излезе с идеята да използва съединението литий-6 деутерид. Това решение позволи да се изоставят скъпите и неудобни криогенни контейнери с течен деутерий. Освен това, в резултат на облъчване с неутрони, литий-6 се превръща в хелий и тритий, които влизат в реакция на синтез с деутерий.

Недостатъкът на тази схема беше ограничената мощност - само ограничена част от термоядреното гориво, заобикалящо спусъка, имаше време да влезе в реакцията на синтез. Останалото, колкото и да го имаше, отиде в канализацията. Максималната мощност на заряда, получена при използване на „пуф“, беше 720 kt (бомба на British Orange Herald). Очевидно това беше „таванът“.

Вече говорихме за историята на развитието на схемата Teller-Ulam. Сега нека разберем техническите подробности на тази схема, която също се нарича "двустепенна" или "верига за радиационна компресия".

Нашата задача е да нагреем термоядреното гориво и да го задържим в определен обем, за да изпълним критерия на Лоусън. Като оставим настрана американските учения с криогенни схеми, нека вземем за термоядрено гориво вече познатия ни деутерид литий-6.

Ще изберем уран-238 като материал на контейнера за термоядрения заряд. Контейнерът е с цилиндрична форма. По оста на контейнера, вътре в него ще поставим цилиндричен прът от уран-235, който има подкритична маса.

Забележка: неутронната бомба, която беше сензационна за времето си, е същата схема на Телер-Улам, но без уранова пръчка по оста на контейнера. Въпросът е да се осигури мощен поток от бързи неутрони, но да се предотврати изгарянето на цялото термоядрено гориво, което ще консумира неутрони.

Ще запълним останалото свободно пространство на контейнера с литиев-6 деутерид. Нека поставим контейнер в единия край на тялото на бъдещата бомба (това ще бъде втората степен), а в другия край ще монтираме обикновен плутониев заряд с мощност няколко килотона (първата степен). Между ядрения и термоядрения заряд ще монтираме преграда от уран-238, която ще предотврати преждевременното нагряване на деутерида литий-6. Нека запълним останалото свободно пространство вътре в тялото на бомбата с твърд полимер. По принцип термоядрената бомба е готова.

Когато ядрен заряд се детонира, 80% от енергията се освобождава под формата на рентгенови лъчи. Скоростта на разпространението му е много по-висока от скоростта на разпространение на осколките от делене на плутоний. След стотни от микросекундата урановият екран се изпарява и рентгеновото лъчение започва интензивно да се абсорбира от урана на контейнера за термоядрен заряд. В резултат на така наречената аблация (отстраняване на маса от повърхността на нагрят контейнер) възниква реактивна сила, която компресира контейнера 10 пъти. Този ефект се нарича радиационна имплозия или радиационна компресия. В този случай плътността на термоядреното гориво се увеличава 1000 пъти. В резултат на колосалното налягане на радиационната имплозия централната пръчка на уран-235 също се компресира, макар и в по-малка степен, и преминава в суперкритично състояние. По това време термоядреният блок е бомбардиран от бързи неутрони от ядрена експлозия. След преминаване през литий-6 деутерид, те се забавят и се абсорбират интензивно от урановата пръчка.

Верижна реакция на делене започва в пръта, което бързо води до ядрена експлозия вътре в контейнера. Тъй като деутеридът литий-6 е подложен на аблативно компресиране отвън и налягането на ядрена експлозия отвътре, неговата плътност и температура се увеличават още повече. Този момент е началото на реакцията на синтез. По-нататъшната му поддръжка се определя от това колко дълго контейнерът ще задържи термоядрените процеси вътре в себе си, предотвратявайки изтичането на топлинна енергия навън. Именно това определя постигането на критерия на Лоусън. Термоядреното гориво изгаря от оста на цилиндъра до неговия ръб. Температурата на фронта на горене достига 300 милиона Келвина. Пълното развитие на експлозията до изгарянето на термоядреното гориво и унищожаването на контейнера отнема няколкостотин наносекунди - двадесет милиона пъти по-бързо, отколкото ви е отнело да прочетете тази фраза.

Надеждната работа на двустепенната верига зависи от прецизното сглобяване на контейнера и предотвратяването на преждевременно нагряване.

Мощността на термоядрения заряд за веригата Teller-Ulam зависи от мощността на ядрения тригер, който осигурява ефективно компресиране чрез излъчване. Сега обаче има многостъпални вериги, в които енергията на предишния етап се използва за компресиране на следващия. Пример за тристепенна схема е вече споменатата 100-мегатонна „Кузкина майка“.

28.03.2023

Литература

Най-интересното: