Una bomba all'uranio e una bomba realizzata con materiale "ultraterreno". Bomba all'uranio Dimensioni delle moderne bombe all'uranio e al plutonio

Iniziatore di neutroni.
Il primo stadio, l'iniziatore di neutroni, chiamato anche Urchin, è un guscio sferico di berillio con un diametro di 2 cm e uno spessore di 0,6 cm.Al suo interno è presente un rivestimento di berillio con un diametro di 0,8 cm.Il peso totale della struttura è di circa 7 grammi. Sulla superficie interna della calotta sono praticate 15 fessure a forma di cuneo della profondità di 2,09 mm. La conchiglia stessa è ottenuta mediante pressatura a caldo in atmosfera di nichel carbonilico; la sua superficie e la sfera interna sono ricoperte da uno strato di nichel e oro. 50 curie di polonio-210 (11 mg) si sono depositati sulla sfera interna e sulle crepe del guscio. Strati di oro e nichel proteggono il berillio dalle particelle alfa emesse dal polonio o dal plutonio che circonda l'iniziatore. L'iniziatore è montato su una staffa all'interno di una cavità del diametro di 2,5 cm nel nucleo di plutonio.
Urchin si attiva quando l'onda d'urto raggiunge il centro della carica. Quando l'onda d'urto raggiunge le pareti della cavità interna del plutonio, l'onda d'urto del plutonio evaporato agisce sull'iniziatore, schiacciando gli spazi vuoti con il polonio e creando l'effetto Munroe: forti getti di materiale che mescolano rapidamente polonio e berillio dal plutonio. sfere esterne ed interne. Le particelle alfa emesse dal Po-210 vengono assorbite dagli atomi di berillio, che a loro volta emettono neutroni.

Carica di plutonio.
Una sfera di nove centimetri, con una cavità di 2,5 cm al centro per un iniziatore di neutroni. Questa forma di carica è stata proposta da Robert Christy per ridurre l'asimmetria e l'instabilità durante l'implosione.
Il plutonio nel nucleo viene stabilizzato nella fase delta a bassa densità (densità 15,9) fondendolo con il 3% di gallio in quantità di sostanza (0,8% in massa). I vantaggi dell'utilizzo della fase delta rispetto alla fase alfa più densa (densità 19,2) sono che la fase delta è malleabile e flessibile, mentre la fase alfa è fragile e fragile, inoltre, la stabilizzazione del plutonio nella fase delta consente di evitare il restringimento durante raffreddamento e deformazione del pezzo dopo fusione o lavorazione a caldo. Può sembrare che l'utilizzo di un materiale a densità inferiore per il nucleo possa essere svantaggioso, poiché l'utilizzo di un materiale più denso è preferibile a causa della maggiore efficienza e della riduzione della quantità di plutonio richiesta, ma ciò risulta non essere del tutto vero. Il plutonio stabilizzato delta subisce una transizione alla fase alfa a pressioni relativamente basse di decine di migliaia di atmosfere. La pressione di diversi milioni di atmosfere che si verifica durante un'esplosione da implosione rende possibile questa transizione insieme ad altri fenomeni che si verificano durante tale compressione. Pertanto, con il plutonio nella fase delta si verifica un maggiore aumento di densità e un maggiore apporto di reattività rispetto a quanto si verificherebbe nel caso di una fase alfa densa.

Il nucleo è assemblato da due emisferi, probabilmente originariamente fusi in pezzi grezzi e poi lavorati mediante pressatura a caldo in un'atmosfera di nichel carbonile. Poiché il plutonio è un metallo molto reattivo e, inoltre, pericoloso per la vita, ogni emisfero è rivestito con uno strato di nichel (o argento, come riportato per il nucleo del Gadget). Questo rivestimento creò problemi al nucleo del Gadget, poiché la rapida elettroplaccatura del plutonio con nichel (o argento) ha portato alla formazione di gusci nel metallo e alla sua inidoneità all'uso nel nucleo. Un'attenta molatura e stratificazione degli strati d'oro ha ripristinato i difetti creati dagli emisferi. Tuttavia, un sottile strato d'oro (spessore circa 0,1 mm) tra gli emisferi era in ogni caso una parte necessaria del progetto, servendo a impedire la penetrazione prematura dei getti di onde d'urto tra gli emisferi, che potrebbero attivare prematuramente l'iniziatore di neutroni.

Alloggiamento in uranio/riflettore di neutroni.
La carica di plutonio è circondata da un involucro di uranio naturale del peso di 120 kg e del diametro di 23 cm, che forma uno strato di sette centimetri attorno al plutonio. Lo spessore dell'uranio è determinato dal compito di preservare i neutroni, quindi uno strato di diversi centimetri è sufficiente per garantire la frenatura dei neutroni. Un corpo più spesso (superiore a 10 cm di spessore) fornisce inoltre una significativa conservazione dei neutroni per l'intera struttura, tuttavia, l'effetto di "assorbimento temporaneo" inerente alle reazioni a catena veloci e a sviluppo esponenziale riduce i vantaggi dell'utilizzo di un riflettore più spesso.
Circa il 20% dell'energia della bomba viene rilasciata dalla rapida fissione dell'involucro di uranio. Il nucleo e il corpo insieme formano un sistema minimamente subcritico. Quando un'esplosione per implosione comprime l'insieme fino a 2,5 volte la sua densità normale, il nucleo inizia a contenere circa 4-5 masse critiche.

"Spingitore"/assorbitore di neutroni.
Lo strato di alluminio che circonda l'uranio, spesso 11,5 cm, pesa 120 kg. Lo scopo principale di questa sfera, detta "spintore", è quello di ridurre l'effetto dell'onda Taylor, la rapida diminuzione di pressione che si verifica dietro il fronte di detonazione. Quest'onda tende ad aumentare durante l'implosione, provocando una caduta di pressione sempre più rapida man mano che il fronte di detonazione converge in un punto. La riflessione parziale dell'onda d'urto che si verifica nell'interfaccia esplosivo (composizione “B”)/alluminio (a causa della differenza di densità: 1,65/2,71) rimanda il fronte secondario nell'esplosivo, sopprimendo l'onda di Taylor. Ciò aumenta la pressione dell'onda trasmessa, aumentando la compressione al centro del nucleo.
Lo “spingitore” di alluminio contiene anche una percentuale di boro. Poiché il boro stesso è una sostanza non metallica fragile e difficile da usare, è probabile che sia contenuto sotto forma di una lega di alluminio facile da lavorare chiamata borace (35-50% di boro). Sebbene la sua proporzione totale nel guscio sia piccola, il boro svolge il ruolo di assorbitore di neutroni, impedendo ai neutroni che fuoriescono da lì di ritornare nell'insieme plutonio-uranio, rallentato nell'alluminio e negli esplosivi a velocità termiche.

Proiettile esplosivo e sistema di detonazione.
L'involucro esplosivo è uno strato ad alto esplosivo. Ha uno spessore di circa 47 cm e un peso di almeno 2500 kg. Questo sistema contiene 32 lenti esplosive, 20 delle quali esagonali e 12 pentagonali. Le lenti sono collegate insieme come in un pallone da calcio per formare un insieme esplosivo sferico, di circa 130 cm di diametro. Ciascuno è composto da 3 parti: due di esse sono costituite da un esplosivo ad alta velocità di detonazione, una di queste è costituita da una bassa velocità di detonazione. La parte più esterna di un esplosivo a detonazione rapida ha una rientranza a forma di cono piena di esplosivo a bassa velocità di detonazione. Queste parti accoppiate formano una lente attiva in grado di creare un'onda d'urto circolare e crescente diretta verso il centro. Il lato interno dell'esplosivo a detonazione rapida copre quasi la sfera di alluminio per migliorare l'impatto convergente.
Le lenti erano realizzate con precisione, quindi l'esplosivo doveva essere fuso prima dell'uso. Il principale esplosivo a detonazione rapida era la "composizione B", una miscela al 60% di esageno (RDX) - un esplosivo ad alta detonazione molto rapida ma che si scioglie poco, al 39% di TNT (TNT) - un esplosivo altamente esplosivo e che si scioglie facilmente e all'1% cera. L'esplosivo "lento" era il baratolo, una miscela di TNT e nitrato di bario (la proporzione di TNT è solitamente del 25-33%) con l'1% di cera come legante.
La composizione e la densità delle lenti sono state controllate con precisione e sono rimaste costanti. Il sistema di lenti è stato regolato con una tolleranza molto stretta, in modo che le parti si incastrassero insieme entro meno di 1 mm per evitare irregolarità nell'onda d'urto, ma l'allineamento della superficie della lente era ancora più importante del loro assemblaggio.
Per ottenere una tempistica del detonatore molto precisa, i detonatori standard non avevano combinazioni esplosive primarie/secondarie e avevano conduttori riscaldati elettricamente. Questi conduttori sono pezzi di filo sottile che evaporano istantaneamente dall'ondata di corrente ricevuta da un potente condensatore. Il materiale esplosivo del detonatore viene fatto esplodere. Lo scarico del banco di condensatori e l'evaporazione del filo per tutti i detonatori possono essere effettuati quasi contemporaneamente: la differenza è di +/- 10 nanosecondi. Lo svantaggio di un tale sistema è la necessità di batterie di grandi dimensioni, un alimentatore ad alta tensione e un potente banco di condensatori (chiamato X-Unit, del peso di circa 200 kg) progettati per accendere 32 detonatori contemporaneamente.
Il proiettile esplosivo finito è collocato in un alloggiamento in duralluminio. La struttura del corpo era costituita da una cintura centrale assemblata da 5 pezzi fusi di duralluminio lavorato e dagli emisferi superiore e inferiore che formavano un guscio completo.

La fase finale dell'assemblaggio.
Il progetto finale della bomba prevede uno speciale "coperchio" attraverso il quale vengono posti i materiali fissili all'estremità. La carica può essere realizzata interamente, ad eccezione dell'inserto di plutonio con l'iniziatore. Per ragioni di sicurezza, il montaggio viene completato immediatamente prima dell'uso pratico. L'emisfero di duralluminio viene rimosso insieme a una delle lenti esplosive. L'iniziatore di neutroni è installato tra gli emisferi di plutonio e montato all'interno di un cilindro di uranio da 40 chilogrammi, quindi l'intera struttura viene posizionata all'interno del riflettore di uranio. La lente ritorna al suo posto, il detonatore è collegato ad essa e il coperchio viene avvitato in alto.
Fat Man rappresentava un serio rischio quando veniva spedito e immagazzinato pronto per l'uso, sebbene anche nella peggiore delle ipotesi fosse comunque meno pericoloso di Little Boy. La massa critica di un nucleo con un riflettore di uranio è di 7,5 kg di plutonio per la fase delta e di soli 5,5 kg per la fase alfa. Qualsiasi detonazione accidentale del proiettile esplosivo potrebbe provocare la compressione del nucleo da 6,2 chilogrammi di Fat Man in una fase alfa supercritica. La potenza stimata dell'esplosione derivante da una tale detonazione non autorizzata della carica varierebbe da decine di tonnellate (in parole povere, un ordine di grandezza superiore alla carica esplosiva della bomba) fino a un paio di centinaia di tonnellate di TNT equivalente. Ma il pericolo principale risiede nel flusso di radiazioni penetranti durante l'esplosione. I raggi gamma e i neutroni possono causare morte o malattie gravi molto più lontano di quanto la zona di propagazione delle onde d'urto: una piccola esplosione nucleare di 20 tonnellate provocherà una dose letale di radiazioni di 640 rem a una distanza di 250 m.
Per ragioni di sicurezza, il trasporto di Fat Man non è mai stato effettuato completamente assemblato, le bombe sono state completate immediatamente prima dell'uso e, a causa della complessità dell'arma, questo processo ha richiesto almeno un paio di giorni (tenendo conto dei controlli intermedi). La bomba assemblata non poteva rimanere operativa per molto tempo a causa delle batterie dell'X-Unit scariche.
Il contorno di una bomba al plutonio vivo consiste principalmente in un gadget sperimentale racchiuso in un guscio d'acciaio. Le due metà dell'ellissoide d'acciaio sono attaccate alla benda del sistema di esplosione insieme all'X-Unit, alle batterie, ai fusibili e all'elettronica di innesco situati sul lato anteriore del guscio.
Come in Little Boy, la miccia ad alta quota in Fat Man è il sistema di telemetro radar Atchis (Archies - le sue antenne possono essere viste lateralmente nelle fotografie di Little Boy). Quando la carica raggiunge l'altezza richiesta dal suolo (impostata su 1850+-100 piedi), dà il segnale di esplodere. Inoltre, la bomba è dotata anche di un sensore barometrico che impedisce un'esplosione al di sopra dei 7.000 piedi.

Uso in combattimento di una bomba al plutonio.
Sull'isola ebbe luogo l'assemblea finale del Fat Man. Tiniano.
Il 26 luglio 1945, un nucleo di plutonio con un iniziatore fu inviato su un aereo C-54 dalla base aeronautica di Kirtland a Tinian.
Il 28 luglio il nucleo arriva sull'isola. In questo giorno, tre B-29 partono da Kirtland per Tinian con tre Fat Man preassemblati.
2 agosto: arrivo del B-29. La data dell'attentato è fissata per l'11 agosto, l'obiettivo è l'arsenale di Kokura. La parte non nucleare della prima bomba era pronta il 5 agosto.
Il 7 agosto arrivano previsioni di condizioni meteorologiche sfavorevoli per il volo dell'11, la data del volo viene spostata al 10 agosto, poi al 9 agosto. A causa dello spostamento della data, sono in corso lavori accelerati per assemblare la carica.
La mattina dell'8, l'assemblaggio di Fat Man è completato e alle 22:00 viene caricato sul B-29 "Block's Car".
9 agosto:
03:47 L'aereo decolla da Tinian, l'obiettivo è identificato come l'arsenale di Kokur. Pilota: Charles Sweeney.
10:44 È ora di avvicinarsi a Kokura, ma il bersaglio è invisibile in condizioni di scarsa visibilità. Il fuoco dell'artiglieria antiaerea e l'apparizione dei combattenti giapponesi ci costringono a interrompere la ricerca e a dirigerci verso l'obiettivo della riserva: Nagasaki.
C'era uno strato di nuvole sopra la città - come su Kokura, era rimasto solo carburante per un passaggio, quindi la bomba fu sganciata nel primo varco adatto tra le nuvole a diverse miglia dal bersaglio designato.
11:02 Si verifica un'esplosione ad un'altitudine di 503 m vicino al confine della città, la potenza secondo le misurazioni del 1987 è di 21 kt. Nonostante l'esplosione sia avvenuta al confine di una parte popolata della città, il numero delle vittime ha superato le 70.000 persone. Anche gli impianti di produzione di armi della Mitsubishi furono distrutti.

Bomba all'uranio

Principio operativo

Le armi nucleari si basano su una reazione a catena incontrollata di fissione nucleare. Esistono due schemi principali: “a cannone”, altrimenti detto balistico, e implosivo.

« Cannone" Lo schema è tipico per i modelli più primitivi di armi nucleari di prima generazione, così come per l'artiglieria e le armi nucleari di piccolo calibro che hanno restrizioni sul calibro dell'arma. La sua essenza è "sparare" l'uno verso l'altro due blocchi di materia fissile di massa subcritica. Questo metodo di detonazione è possibile solo nelle munizioni all'uranio, poiché il plutonio ha un fondo neutronico più elevato, il che porta ad un aumento della velocità richiesta di connessione delle parti cariche, superando quanto tecnicamente realizzabile.

"Implosivo" lo schema prevede l'ottenimento di uno stato supercritico comprimendo il materiale fissile con un'onda d'urto focalizzata creata dall'esplosione di un esplosivo chimico convenzionale, a cui viene data una forma molto complessa per la focalizzazione e la detonazione viene effettuata simultaneamente in più punti con precisione e precisione.

Energia nucleare lavorando in esclusiva basato sui principi della fissione degli elementi pesanti, limitata a centinaia di kilotoni . È possibile, ma estremamente difficile, creare una carica più potente basata solo sulla fissione nucleare. La munizione più potente al mondo basata esclusivamente sulla fissione nucleare fu testata negli Stati Uniti il ​​15 novembre 1952, con una potenza di esplosione di 500 kt.

Affinché la reazione possa sostenersi, è necessario un “combustibile” appropriato, che nelle prime fasi veniva utilizzato come isotopo dell'uranio.

L'uranio si presenta in natura sotto forma di due isotopi: uranio-235 e uranio-238. Quando l'uranio-235 assorbe un neutrone durante il processo di decadimento, vengono rilasciati da uno a tre neutroni:

L'uranio-238, al contrario, quando assorbe neutroni di energia moderata, non ne rilascia di nuovi, interferendo con la reazione nucleare. Si trasforma in uranio-239, poi in nettunio-239 e infine nel relativamente stabile plutonio-239.

Per garantire la funzionalità di una bomba nucleare, il contenuto di uranio-235 nel combustibile nucleare deve essere almeno dell'80%, altrimenti l'uranio-238 estinguerà rapidamente la reazione nucleare a catena. Quasi tutto l'uranio naturale (circa il 99,3%) è costituito da uranio-238. Pertanto, nella produzione di combustibile nucleare, viene utilizzato un processo di arricchimento dell'uranio complesso e in più fasi, a seguito del quale aumenta la percentuale di uranio-235.

La bomba a base di uranio è stata la prima arma nucleare utilizzata dall'uomo in combattimento (la bomba "Little Boy" sganciata su Hiroshima). A causa di una serie di svantaggi (difficoltà nell'ottenimento, nello sviluppo e nella consegna), al momento non sono molto diffusi, inferiori alle bombe più avanzate basate su altri elementi radioattivi con una massa critica inferiore.

Il primo ordigno nucleare fatto esplodere a scopo di test è stato il dispositivo nucleare Gadget. gadget- dispositivo, gingillo) - prototipo della bomba al plutonio "Fat Man", sganciata su Nagasaki. I test sono stati effettuati in un sito di prova vicino ad Alamogordo nel Nuovo Messico.

Strutturalmente, questa bomba era costituita da diverse sfere annidate l'una nell'altra:

1. Iniziatore di neutroni pulsati (INI, "riccio", "monello" (ing. monello)) - una sfera con un diametro di circa 2 cm fatta di berillio, rivestita con un sottile strato di lega ittrio-polonio o polonio metallico-210 - la fonte primaria di neutroni per ridurre drasticamente la massa critica e accelerare l'inizio della reazione . Viene attivato nel momento in cui il nucleo di combattimento viene trasferito in uno stato supercritico (durante la compressione, polonio e berillio si mescolano con il rilascio di un gran numero di neutroni). Attualmente, il polonio-210 a vita breve è stato sostituito dal plutonio-238 a lunga vita, che è anche in grado di produrre un potente impulso di neutroni se miscelato con il berillio.
2. Plutonio. È desiderabile l'isotopo più puro possibile del plutonio-239, sebbene il plutonio sia drogato con una piccola quantità di gallio per aumentare la stabilità delle proprietà fisiche (densità) e migliorare la comprimibilità della carica.
3. Conchiglia (inglese) manomettere), che funge da riflettore di neutroni (dall'uranio).
4. Conchiglia da spremere spintore) in alluminio. Garantisce una maggiore uniformità di compressione da parte dell'onda d'urto, proteggendo allo stesso tempo le parti interne della carica dal contatto diretto con l'esplosivo e con i prodotti caldi della sua decomposizione.
5. Un esplosivo con un complesso sistema di detonazione che garantisce la detonazione sincronizzata dell'intero esplosivo. La sincronicità è necessaria per creare un'onda d'urto compressiva strettamente sferica (diretta all'interno della palla). Un'onda non sferica porta all'espulsione di materiale sferico a causa della disomogeneità e dell'impossibilità di creare una massa critica. La creazione di un tale sistema per il posizionamento di esplosivi e la detonazione era un tempo uno dei compiti più difficili. Viene utilizzato uno schema combinato (sistema di lenti) di esplosivi "veloci" e "lenti": boratolo e TATV.
6. Il corpo è costituito da elementi in duralluminio stampato: due coperture sferiche e una cintura, collegate da bulloni.

Sistema missilistico ferroviario da combattimento BZHRK 15P961 “Molodets” con un missile nucleare intercontinentale

Missile e sistema missilistico RT-23 UTTH generalmente sviluppato in<КБ>Yuzhnoe a Dnepropetrovsk, accademico progettista generale V.F. Utkin. Il treno e il lanciatore sono stati sviluppati presso KBSM, Leningrado, capo progettista accademico A.F. Utkin. Nel 1987-1991 12 complessi costruiti .

La composizione del BZHRK comprende:

1.Tre moduli iniziali minimi

2. Modulo di comando composto da 7 vetture

3. Vagone cisterna con riserva di carburanti e lubrificanti

4. Tre locomotive diesel DM62

Il modulo di lancio minimo comprende tre auto:

1. Sala di controllo del lanciatore 2.

2. Lanciatore

3. 3. Unità di supporto

Nel prossimo anniversario del disastro di Hiroshima e Nagasaki, ho deciso di setacciare Internet sulle questioni relative alle armi nucleari, dove e perché e come sono state create mi interessava poco (lo sapevo già) - ero più interessato a come 2 pezzi di plutonio non si sciolgono ma fanno un big bang.

Tieni d'occhio gli ingegneri: iniziano con una seminatrice e finiscono con una bomba atomica.

La fisica nucleare è una delle aree più controverse delle venerande scienze naturali. È in quest'area che da mezzo secolo l'umanità getta miliardi di dollari, sterline, franchi e rubli, come nella fornace della locomotiva di un treno in ritardo. Adesso il treno non sembra più essere in ritardo. Le fiamme violente dei fondi bruciati e delle ore di lavoro si placarono. Proviamo a capire brevemente che tipo di treno si chiama “fisica nucleare”.

Isotopi e radioattività

Come sai, tutto ciò che esiste è costituito da atomi. Gli atomi, a loro volta, sono costituiti da gusci di elettroni, che vivono secondo le proprie leggi strabilianti, e da un nucleo. La chimica classica non è affatto interessata al nucleo e alla sua vita personale. Per lei, un atomo sono i suoi elettroni e la loro capacità di scambiare interazioni. E del nucleo chimico basta la sua massa per calcolare le proporzioni dei reagenti. A sua volta, la fisica nucleare non si preoccupa degli elettroni. È interessata a un minuscolo granello di polvere (100mila volte più piccolo del raggio delle orbite degli elettroni) all'interno di un atomo, in cui è concentrata quasi tutta la sua massa.

Cosa sappiamo del nucleo? Sì, è costituito da protoni e neutroni carichi positivamente che non hanno carica elettrica. Tuttavia, questo non è del tutto vero. Il nucleo non è una manciata di palline di due colori, come nell'illustrazione del libro di testo scolastico. Qui sono in gioco leggi completamente diverse chiamate interazione forte, che trasformano sia i protoni che i neutroni in una sorta di disordine indistinguibile. Tuttavia, la carica di questo pasticcio è esattamente uguale alla carica totale dei protoni in esso contenuti, e la massa quasi (ripeto, quasi) coincide con la massa dei neutroni e dei protoni che compongono il nucleo.

Del resto il numero di protoni di un atomo non ionizzato coincide sempre con il numero di elettroni che hanno l'onore di circondarlo. Ma con i neutroni la questione non è così semplice. A rigor di termini, il compito dei neutroni è quello di stabilizzare il nucleo, poiché senza di loro i protoni con carica simile non andrebbero d'accordo nemmeno per microsecondi.

Prendiamo l'idrogeno per chiarezza. L'idrogeno più comune. La sua struttura è ridicolmente semplice: un protone circondato da un elettrone orbitale. C’è molto idrogeno nell’Universo. Possiamo dire che l'Universo è costituito principalmente da idrogeno.

Ora aggiungiamo con attenzione un neutrone al protone. Da un punto di vista chimico è pur sempre idrogeno. Ma dal punto di vista della fisica, non più. Avendo scoperto due diversi idrogeni, i fisici si preoccuparono e immediatamente venne l'idea di chiamare l'idrogeno ordinario protio, e l'idrogeno con un neutrone e un protone - deuterio.

Siamo audaci e diamo un altro neutrone al nucleo. Ora abbiamo un altro idrogeno, ancora più pesante: il trizio. Anche in questo caso, da un punto di vista chimico, non è praticamente diverso dagli altri due idrogeni (beh, tranne che ora reagisce un po' meno prontamente). Voglio avvertirti subito: nessuno sforzo, minaccia o persuasione può aggiungere un altro neutrone al nucleo di trizio. Le leggi locali sono molto più severe di quelle umane.

Quindi, protio, deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno. La loro massa atomica è diversa, ma la loro carica no. Ma è la carica del nucleo che determina la posizione nella tavola periodica degli elementi. Ecco perché gli isotopi sono chiamati isotopi. Tradotto dal greco significa “occupare lo stesso posto”. A proposito, la famosa acqua pesante è la stessa acqua, ma con due atomi di deuterio invece del protio. Di conseguenza, l'acqua superpesante contiene trizio invece di protio.

Diamo di nuovo un'occhiata ai nostri idrogeni. Quindi... il protio è a posto, il deuterio è a posto... chi altro è questo? Dov'è finito il mio trizio e da dove viene l'elio-3? Nel nostro trizio, uno dei neutroni si è chiaramente annoiato, ha deciso di cambiare professione ed è diventato un protone. In tal modo, ha generato un elettrone e un antineutrino. La perdita di trizio è, ovviamente, deludente, ma ora sappiamo che è instabile. L'alimentazione dei neutroni non è stata vana.

Quindi, come capisci, gli isotopi sono stabili e instabili. Ci sono molti isotopi stabili intorno a noi, ma, grazie a Dio, praticamente non ce ne sono di instabili. Cioè, esistono, ma in uno stato così dispersivo che devono essere ottenuti a costo di un grandissimo lavoro. Ad esempio, l’uranio-235, che ha causato tanti problemi a Oppenheimer, costituisce solo lo 0,7% dell’uranio naturale.

Metà vita

Tutto è semplice qui. L'emivita di un isotopo instabile è il periodo di tempo durante il quale esattamente la metà degli atomi dell'isotopo decade e si trasforma in altri atomi. Il trizio, a noi già familiare, ha un tempo di dimezzamento di 12,32 anni. Questo è un isotopo dalla vita piuttosto breve, anche se rispetto al francio-223, che ha un'emivita di 22,3 minuti, il trizio sembrerà un sambuco dalla barba grigia.

Nessun fattore esterno macroscopico (pressione, temperatura, umidità, umore del ricercatore, numero di allocazioni, posizione delle stelle) influenza il tempo di dimezzamento. La meccanica quantistica è insensibile a queste sciocchezze.

Meccanica popolare dell'esplosione

L'essenza di ogni esplosione è il rapido rilascio di energia che prima si trovava in uno stato non libero e legato. L'energia rilasciata viene dissipata, trasformandosi prevalentemente in calore (l'energia cinetica del movimento disordinato delle molecole), un'onda d'urto (qui c'è anche movimento, ma già ordinato, nella direzione dal centro dell'esplosione) e radiazione - da dagli infrarossi morbidi ai quanti duri a onde corte.

In un'esplosione chimica, tutto è relativamente semplice. Una reazione energeticamente benefica si verifica quando determinate sostanze interagiscono tra loro. Solo gli strati elettronici superiori di alcuni atomi partecipano alla reazione e l'interazione non va in profondità. È facile intuire che in ogni sostanza c'è molta più energia nascosta. Ma qualunque siano le condizioni dell'esperimento, non importa quanto successo abbiano i reagenti che selezioniamo, non importa come controlliamo le proporzioni, la chimica non ci permetterà di approfondire l'atomo. Un'esplosione chimica è un fenomeno primitivo, inefficace e, dal punto di vista della fisica, indecentemente debole.

La reazione a catena nucleare ti consente di scavare un po' più a fondo, mettendo in gioco non solo gli elettroni, ma anche i nuclei. Ciò suona davvero significativo, forse, solo per un fisico, ma per il resto darò una semplice analogia. Immagina un peso gigantesco con particelle di polvere elettrizzate che svolazzano attorno ad una distanza di diversi chilometri. Questo è un atomo, il “peso” è il nucleo e le “particelle di polvere” sono gli elettroni. Qualunque cosa tu faccia con questi granelli di polvere, non forniranno nemmeno un centesimo dell'energia che può essere ottenuta da un peso elevato. Soprattutto se, per qualche motivo, si divide e enormi frammenti si disperdono in direzioni diverse a grande velocità.

Un'esplosione nucleare coinvolge il potenziale di legame delle particelle pesanti che compongono il nucleo. Ma questo è ben lungi dall’essere il limite: nella materia c’è molta più energia nascosta. E il nome di questa energia è massa. Ancora una volta, questo suona un po’ insolito per un non fisico, ma la massa è energia, solo estremamente concentrata. Ogni particella: elettrone, protone, neutrone: tutti questi sono minuscoli grumi di energia incredibilmente densa, che per il momento rimangono a riposo. Probabilmente conosci la formula E=mc2, tanto amata dagli scrittori di barzellette, dai redattori di giornali murali e dai decoratori di aule scolastiche. Si tratta esattamente di questo, ed è ciò che presuppone la massa come nient'altro che una forma di energia. E dà anche la risposta alla domanda su quanta energia si può ottenere al massimo da una sostanza.

Il processo di completa transizione della massa, cioè dell'energia legata, in energia libera è chiamato annichilazione. Dalla radice latina "nihil" è facile indovinare la sua essenza: questa è la trasformazione in "niente", o meglio, in radiazione. Per chiarezza ecco alcuni numeri.

Energia equivalente TNT di esplosione (J)

Granata F-1 60 grammi 2,50*105

Bomba sganciata su Hiroshima 16 kilotoni 6,70*1013

Annientamento di un grammo di materia 21,5 kilotoni 8,99*1013

Un grammo di materia (solo la massa è importante) dopo l'annientamento fornirà più energia di una piccola bomba nucleare. Rispetto a tali rendimenti, gli esercizi dei fisici sulla fissione nucleare, e ancor di più gli esperimenti dei chimici con reagenti attivi, sembrano ridicoli.

Per l'annientamento sono necessarie condizioni appropriate, vale a dire il contatto della materia con l'antimateria. E, a differenza del "mercurio rosso" o della "pietra filosofale", l'antimateria è più che reale: per le particelle a noi conosciute, esistono e sono state studiate antiparticelle simili, e gli esperimenti sull'annichilazione delle coppie "elettrone + positrone" sono stati ripetutamente effettuato in pratica. Ma per creare un'arma di annientamento è necessario raccogliere un certo volume significativo di antiparticelle e anche limitarle dal contatto con qualsiasi materia fino, appunto, all'uso in combattimento. Questa, pah-pah, è ancora una prospettiva lontana.

Difetto di massa

L'ultima domanda che resta da capire riguardo alla meccanica di un'esplosione è da dove arriva l'energia: la stessa che si libera durante la reazione a catena? Anche in questo caso c'era una massa coinvolta. O meglio, senza il suo “difetto”.

Fino al secolo scorso, gli scienziati credevano che la massa si conservasse in qualsiasi condizione, e a modo loro avevano ragione. Quindi abbiamo abbassato il metallo nell'acido: ha iniziato a bollire nella storta e le bolle di gas si sono precipitate verso l'alto attraverso lo spessore del liquido. Ma se si pesano i reagenti prima e dopo la reazione, senza dimenticare il gas rilasciato, la massa converge. E sarà sempre così finché si opererà con chilogrammi, metri e reazioni chimiche.

Ma non appena ci si addentra nel campo delle microparticelle, anche la massa presenta una sorpresa. Si scopre che la massa di un atomo potrebbe non essere esattamente uguale alla somma delle masse delle particelle che lo compongono. Quando un nucleo pesante (ad esempio l'uranio) viene diviso in parti, i “frammenti” pesano complessivamente meno del nucleo prima della fissione. La “differenza”, chiamata anche difetto di massa, è responsabile delle energie di legame all’interno del nucleo. Ed è proprio questa differenza che si traduce in calore e radiazione durante l'esplosione, tutto secondo la stessa semplice formula: E=mc2.

Questo è interessante: si dà il caso che sia energeticamente vantaggioso dividere i nuclei pesanti e unire quelli leggeri. Il primo meccanismo funziona in una bomba all'uranio o al plutonio, il secondo in una bomba all'idrogeno. Ma non puoi costruire una bomba con il ferro, non importa quanto ci provi: è proprio nel mezzo di questa linea.

Bomba nucleare

Seguendo la sequenza storica, consideriamo prima le bombe nucleari e realizziamo il nostro piccolo “Progetto Manhattan”. Non ti annoierò con metodi noiosi di separazione isotopica e calcoli matematici della teoria della reazione a catena di fissione. Tu ed io abbiamo uranio, plutonio, altri materiali, istruzioni di montaggio e la necessaria curiosità scientifica.

Tutti gli isotopi dell'uranio sono instabili in un modo o nell'altro. Ma l’uranio-235 si trova in una posizione speciale. Durante il decadimento spontaneo del nucleo dell'uranio-235 (chiamato anche decadimento alfa), si formano due frammenti (nuclei di altri elementi molto più leggeri) e diversi neutroni (di solito 2-3). Se il neutrone formato durante il decadimento colpisce il nucleo di un altro atomo di uranio, si verificherà una normale collisione elastica, il neutrone rimbalzerà e continuerà la sua ricerca di avventure. Ma dopo un po 'sprecherà energia (le collisioni perfettamente elastiche si verificano solo tra i cavalli sferici nel vuoto) e il nucleo successivo si rivelerà una trappola: il neutrone ne verrà assorbito. A proposito, i fisici chiamano questo neutrone termico.

Guarda l'elenco degli isotopi conosciuti dell'uranio. Tra questi non esiste alcun isotopo con massa atomica 236. Sai perché? Un tale nucleo vive per una frazione di microsecondi e poi decade, rilasciando un'enorme quantità di energia. Questo si chiama decadimento forzato. È in qualche modo imbarazzante persino chiamare isotopo un isotopo con una vita così lunga.

L'energia rilasciata durante il decadimento del nucleo dell'uranio-235 è l'energia cinetica di frammenti e neutroni. Se calcoli la massa totale dei prodotti di decadimento del nucleo di uranio e poi la confronti con la massa del nucleo originale, si scopre che queste masse non coincidono: il nucleo originale era più grande. Questo fenomeno è chiamato difetto di massa e la sua spiegazione è contenuta nella formula E0=mñ2. L'energia cinetica dei frammenti divisa per il quadrato della velocità della luce sarà esattamente uguale alla differenza di massa. I frammenti vengono decelerati nel reticolo cristallino dell'uranio, generando radiazione di raggi X, e i neutroni, dopo aver viaggiato, vengono assorbiti da altri nuclei di uranio o lasciano la fusione dell'uranio, dove si svolgono tutti gli eventi.

Se il getto di uranio è piccolo, la maggior parte dei neutroni lo lascerà senza avere il tempo di rallentare. Ma se ogni atto di decadimento forzato provoca almeno un altro atto simile a causa del neutrone emesso, questa è già una reazione a catena di fissione autosufficiente.

Di conseguenza, se si aumenta la dimensione del getto, un numero crescente di neutroni causerà atti di fissione forzata. E ad un certo punto la reazione a catena diventerà incontrollabile. Ma questo è ben lungi dall’essere un’esplosione nucleare. Solo un’esplosione termica molto “sporca”, che rilascerà un gran numero di isotopi molto attivi e tossici.

Una domanda del tutto logica è: quanto uranio-235 è necessario affinché la reazione a catena di fissione diventi una valanga? In realtà non è così semplice. In questo caso giocano un ruolo importante le proprietà del materiale fissile e il rapporto volume/superficie. Immagina una tonnellata di uranio-235 (farò subito una prenotazione - è molto), che esiste sotto forma di un filo sottile e molto lungo. Sì, un neutrone che lo percorre, ovviamente, causerà un atto di decadimento forzato. Ma la frazione di neutroni che volano lungo il filo sarà così piccola che è semplicemente ridicolo parlare di una reazione a catena autosufficiente.

Pertanto, abbiamo concordato di calcolare la massa critica per una fusione sferica. Per l'uranio-235 puro, la massa critica è di 50 kg (questa è una palla con un raggio di 9 cm). Capisci che una palla del genere non durerà a lungo, tuttavia, nemmeno coloro che la lanciano.

Se una palla di massa più piccola è circondata da un riflettore di neutroni (il berillio è perfetto per questo) e un materiale moderatore di neutroni (acqua, acqua pesante, grafite, lo stesso berillio) viene introdotto nella palla, la massa critica diventerà molto più piccola. Utilizzando i riflettori e i moderatori di neutroni più efficaci, la massa critica può essere aumentata a 250 grammi. Ciò, ad esempio, può essere ottenuto ponendo una soluzione satura di sale di uranio-235 in acqua pesante in un contenitore sferico di berillio.

La massa critica esiste non solo per l’uranio-235. Esistono anche numerosi isotopi capaci di reazioni a catena di fissione. La condizione principale è che i prodotti di decadimento di un nucleo debbano provocare atti di decadimento di altri nuclei.

Quindi, abbiamo due getti di uranio emisferici del peso di 40 kg ciascuno. Finché rimarranno a rispettosa distanza l’uno dall’altro, tutto sarà calmo. E se iniziassi a muoverli lentamente? Contrariamente alla credenza popolare, non accadrà nulla di simile ai funghi. È solo che i pezzi inizieranno a scaldarsi man mano che si avvicinano e poi, se non torni in te in tempo, diventeranno roventi. Alla fine, semplicemente si scioglieranno e si diffonderanno e tutti coloro che hanno spostato i getti moriranno a causa dell'irradiazione di neutroni. E coloro che lo hanno osservato con interesse incolleranno insieme le loro pinne.

E se fosse più veloce? Si scioglieranno più velocemente. Ancora più veloce? Si scioglieranno ancora più velocemente. Freddo? Anche se lo metti nell’elio liquido, non servirà a nulla. E se sparassi un pezzo contro l'altro? DI! Il momento della verità. Abbiamo appena ideato il progetto di un cannone all'uranio. Tuttavia non abbiamo nulla di cui essere particolarmente orgogliosi: questo schema è il più semplice e il più ingenuo possibile. Sì, e gli emisferi dovranno essere abbandonati. Come ha dimostrato la pratica, non tendono ad aderire perfettamente. La minima distorsione - e ottieni una "scoreggia" molto costosa, dopo di che dovrai ripulire per molto tempo.

È meglio realizzare un tubo corto e a pareti spesse di uranio-235 con una massa di 30-40 kg, all'apertura del quale fisseremo una canna di acciaio ad alta resistenza dello stesso calibro, caricata con un cilindro dello stesso uranio di circa la stessa massa. Circondiamo il bersaglio di uranio con un riflettore di neutroni al berillio. Ora, se spari un “proiettile” di uranio contro un “tubo” di uranio, il “tubo” sarà pieno. Cioè, ci sarà un'esplosione nucleare. Devi solo sparare seriamente, in modo che la velocità iniziale del proiettile di uranio sia di almeno 1 km/s. Altrimenti ci sarà di nuovo una scoreggia, ma più forte. Il fatto è che quando il proiettile e il bersaglio si avvicinano l'uno all'altro, si riscaldano così tanto che iniziano ad evaporare intensamente dalla superficie, rallentati dai flussi di gas in arrivo. Inoltre, se la velocità è insufficiente, c'è la possibilità che il proiettile semplicemente non raggiunga il bersaglio, ma evapori lungo il percorso.

Accelerare un pezzo grezzo del peso di diverse decine di chilogrammi a una tale velocità e su una distanza di un paio di metri è un compito estremamente difficile. Ecco perché non avrai bisogno di polvere da sparo, ma di un potente esplosivo in grado di creare la giusta pressione del gas nella canna in brevissimo tempo. E non dovrai pulire la canna più tardi, non preoccuparti.

La bomba Mk-I "Little Boy" sganciata su Hiroshima è stata progettata esattamente secondo il design del cannone.

Ci sono, ovviamente, piccoli dettagli di cui non abbiamo tenuto conto nel nostro progetto, ma non abbiamo assolutamente peccato contro il principio stesso.

COSÌ. Abbiamo fatto esplodere la bomba all'uranio. Abbiamo ammirato il fungo. Adesso faremo esplodere il plutonio. Basta non trascinare qui un bersaglio, un proiettile, un barile e altri rifiuti. Questo trucco non funzionerà con il plutonio. Anche se sparassimo un pezzo l’uno contro l’altro a una velocità di 5 km/s, un assemblaggio supercritico non funzionerebbe comunque. Il plutonio-239 avrà il tempo di riscaldarsi, evaporare e rovinare tutto intorno. La sua massa critica è poco più di 6 kg. Potete immaginare quanto sia più attivo in termini di cattura dei neutroni.

Il plutonio è un metallo insolito. A seconda della temperatura, della pressione e delle impurità, esiste in sei modifiche del reticolo cristallino. Esistono anche modifiche in cui si restringe quando riscaldato. Le transizioni da una fase all'altra possono avvenire all'improvviso, mentre la densità del plutonio può cambiare del 25%.Facciamo, come tutti gli eroi normali, una deviazione. Ricordiamo che la massa critica è determinata, in particolare, dal rapporto tra volume e superficie. Ok, abbiamo una palla di massa subcritica che ha un'area superficiale minima per un dato volume. Diciamo 6 chilogrammi. Il raggio della palla è 4,5 cm Cosa succede se questa palla viene compressa da tutti i lati? La densità aumenterà in proporzione al cubo di compressione lineare, e la superficie diminuirà in proporzione al suo quadrato. E questo è ciò che accade: gli atomi di plutonio diventeranno più densi, cioè la distanza di arresto del neutrone sarà ridotta, il che significa che aumenterà la probabilità del suo assorbimento. Ma, ancora una volta, non funzionerà comunque per comprimere alla velocità richiesta (circa 10 km/s). Senza uscita? Ma no.

A 300°C inizia la cosiddetta fase delta, la più sciolta. Se il plutonio viene drogato con gallio, riscaldato a questa temperatura e poi raffreddato lentamente, la fase delta può esistere a temperatura ambiente. Ma non sarà stabile. Ad alta pressione (nell'ordine di decine di migliaia di atmosfere), si verificherà una brusca transizione verso una fase alfa molto densa.

Mettiamo una palla di plutonio in una palla cava grande (diametro 23 cm) e pesante (120 kg) fatta di uranio-238. Non preoccuparti, non ha massa critica. Ma riflette perfettamente i neutroni veloci. E ci saranno comunque utili. Pensi che l'abbiano fatto saltare in aria? Non importa come sia. Il plutonio è un’entità dannatamente capricciosa. Dovremo lavorare ancora un po'. Realizziamo due emisferi dal plutonio nella fase delta. Formiamo una cavità sferica al centro. E in questa cavità collocheremo la quintessenza del pensiero sulle armi nucleari: l'iniziatore di neutroni. Questa è una piccola sfera cava di berillio con un diametro di 20 e uno spessore di 6 mm. Al suo interno c'è un'altra sfera di berillio con un diametro di 8 mm. Sulla superficie interna della sfera cava sono presenti profonde scanalature. Il tutto è generosamente nichelato e placcato in oro. Nelle scanalature è posizionato il polonio-210, che emette attivamente particelle alfa. Questo è un vero miracolo della tecnologia. Come funziona? Solo un secondo. Abbiamo ancora alcune cose da fare.

Circondiamo il guscio di uranio con un altro, fatto di una lega di alluminio con boro. Il suo spessore è di circa 13 cm, in totale la nostra “matrioska” è ora cresciuta fino a mezzo metro di spessore e ha guadagnato peso da 6 a 250 kg.

Ora realizziamo le “lenti” per implosione. Immagina un pallone da calcio. Classico, composto da 20 esagoni e 12 pentagoni. Realizzeremo una tale "palla" con esplosivi e ciascuno dei segmenti sarà dotato di diversi detonatori elettrici. Lo spessore del segmento è di circa mezzo metro. Ci sono anche molte sottigliezze nella produzione delle "lenti", ma se le descriviamo, non ci sarà abbastanza spazio per tutto il resto. La cosa principale è la massima precisione dell'obiettivo. Il minimo errore e l'intero gruppo verrà schiacciato dall'azione esplosiva dell'esplosivo. L'insieme completo ha ora un diametro di circa un metro e mezzo e una massa di 2,5 tonnellate. Il progetto è completato da un circuito elettrico il cui compito è quello di far esplodere i detonatori in una sequenza rigorosamente definita con precisione al microsecondo.

Tutto. Davanti a noi c'è un circuito di implosione del plutonio.

E ora... la parte più interessante.

Durante la detonazione, l'esplosivo comprime l'insieme e lo “spingitore” in alluminio impedisce al decadimento dell'onda d'urto di propagarsi verso l'interno seguendone il fronte. Dopo aver attraversato l'uranio con una controvelocità di circa 12 km/s, l'onda di compressione compatterà sia quest'ultimo che il plutonio. Il plutonio a pressioni nella zona di compressione dell'ordine di centinaia di migliaia di atmosfere (l'effetto della focalizzazione del fronte di esplosione) salterà bruscamente nella fase alfa. In 40 microsecondi, l’insieme uranio-plutonio qui descritto diventerà non solo supercritico, ma parecchie volte maggiore della massa critica.

Dopo aver raggiunto l'iniziatore, l'onda di compressione schiaccerà la sua intera struttura in un monolite. In questo caso, l'isolamento in oro-nichel verrà distrutto, il polonio-210 penetrerà nel berillio per diffusione, le particelle alfa da esso emesse e passando attraverso il berillio causeranno un colossale flusso di neutroni, innescando una reazione a catena di fissione durante l'intero volume di plutonio, e il flusso di neutroni “veloci” generato dal decadimento del plutonio causerà un’esplosione di uranio-238. Fatto, abbiamo coltivato un secondo fungo, non peggiore del primo.

Un esempio di un progetto di implosione del plutonio è la bomba Mk-III "Fatman" sganciata su Nagasaki.

Tutti i trucchi qui descritti sono necessari per forzare la reazione del numero massimo di nuclei atomici di plutonio. Il compito principale è mantenere la carica in uno stato compatto il più a lungo possibile e impedire che si disperda in una nuvola di plasma, nella quale la reazione a catena si fermerà immediatamente. Qui, ogni microsecondo guadagnato equivale a un aumento di uno o due kilotoni di potenza.

Bomba termonucleare

È opinione comune che una bomba nucleare sia la miccia di una bomba termonucleare. In linea di principio, tutto è molto più complicato, ma l'essenza viene catturata correttamente. Le armi basate sui principi della fusione termonucleare hanno permesso di raggiungere una potenza di esplosione tale che in nessun caso può essere raggiunta da una reazione a catena di fissione. Ma finora l’unica fonte di energia che può “accendere” una reazione di fusione termonucleare è un’esplosione nucleare.

Ricordi come tu ed io abbiamo "alimentato" il nucleo di idrogeno con neutroni? Quindi, se provi a collegare due protoni insieme in questo modo, non funzionerà nulla. I protoni non si uniscono tra loro a causa delle forze repulsive di Coulomb. O voleranno in pezzi, oppure si verificherà il decadimento beta e uno dei protoni diventerà un neutrone. Ma l’elio-3 esiste. Grazie a un singolo neutrone, che rende i protoni più compatibili tra loro.

In linea di principio, in base alla composizione del nucleo di elio-3, possiamo concludere che è del tutto possibile assemblare un nucleo di elio-3 dai nuclei di protio e deuterio. In teoria questo è vero, ma una tale reazione può avvenire solo nelle profondità di stelle grandi e calde. Inoltre, nelle profondità delle stelle, l'elio può essere raccolto anche solo dai protoni, trasformandone alcuni in neutroni. Ma queste sono già questioni di astrofisica, e l’opzione realizzabile per noi è quella di unire due nuclei di deuterio oppure deuterio e trizio.

La fusione nucleare richiede una condizione molto specifica. Questa è una temperatura molto alta (109 K). Solo con un'energia cinetica media i nuclei di 100 kiloelettronvolt riescono ad avvicinarsi l'uno all'altro fino a una distanza alla quale l'interazione forte comincia a superare l'interazione di Coulomb.

Una domanda del tutto legittima: perché recintare questo giardino? Il fatto è che durante la fusione di nuclei leggeri viene rilasciata energia dell'ordine di 20 MeV. Naturalmente, con la fissione forzata di un nucleo di uranio, questa energia è 10 volte maggiore, ma c'è un avvertimento: con i più grandi trucchi, una carica di uranio con una potenza anche di 1 megatone è impossibile. Anche per una bomba al plutonio più avanzata, la produzione di energia ottenibile non supera i 7-8 kilotoni per chilogrammo di plutonio (con un massimo teorico di 18 kilotoni). E non dimenticare che un nucleo di uranio è quasi 60 volte più pesante di due nuclei di deuterio. Se consideriamo la resa energetica specifica, la fusione termonucleare è notevolmente in vantaggio.

E ancora una cosa: per una carica termonucleare non ci sono restrizioni sulla massa critica. Semplicemente non ce l'ha. Esistono, tuttavia, altre restrizioni, ma ne parleremo più avanti.

In linea di principio, avviare una reazione termonucleare come fonte di neutroni è abbastanza semplice. È molto più difficile lanciarlo come fonte di energia. Qui siamo di fronte al cosiddetto criterio di Lawson, che determina il beneficio energetico di una reazione termonucleare. Se il prodotto tra la densità dei nuclei reagenti e il tempo della loro permanenza alla distanza di fusione è maggiore di 1014 sec/cm3, l'energia fornita dalla fusione supererà l'energia immessa nel sistema.

Tutti i programmi termonucleari erano dedicati al raggiungimento di questo criterio.

Il primo progetto di bomba termonucleare che venne in mente a Edward Teller fu qualcosa di simile al tentativo di creare una bomba al plutonio utilizzando il progetto di un cannone. Cioè, tutto sembra essere corretto, ma non funziona. Il dispositivo del “super classico” - deuterio liquido in cui è immersa una bomba al plutonio - era sì classico, ma tutt'altro che super.

L'idea di far esplodere una carica nucleare nel deuterio liquido si è rivelata un vicolo cieco fin dall'inizio. In tali condizioni, una produzione più o meno grande di energia da fusione termonucleare potrebbe essere ottenuta facendo esplodere una carica nucleare con una potenza di 500 kt. E non c’era affatto bisogno di parlare del raggiungimento del criterio di Lawson.

Anche a Teller venne l'idea di circondare una carica di innesco nucleare con strati di combustibile termonucleare intervallati da uranio-238 come isolante termico e amplificatore di esplosione. E non solo lui. Le prime bombe termonucleari sovietiche furono costruite proprio secondo questo progetto. Il principio era abbastanza semplice: una carica nucleare riscalda il combustibile termonucleare alla temperatura alla quale inizia la fusione, e i neutroni veloci generati durante la fusione fanno esplodere strati di uranio-238. Tuttavia, la limitazione rimaneva la stessa: alla temperatura che poteva fornire un innesco nucleare, solo una miscela di deuterio economico e trizio incredibilmente costoso poteva entrare nella reazione di fusione.

Successivamente Teller ebbe l'idea di utilizzare il composto deuteruro di litio-6. Questa soluzione ha permesso di abbandonare costosi e scomodi contenitori criogenici con deuterio liquido. Inoltre, come risultato dell'irradiazione con neutroni, il litio-6 è stato convertito in elio e trizio, che sono entrati in una reazione di fusione con il deuterio.

Lo svantaggio di questo schema era la potenza limitata: solo una parte limitata del combustibile termonucleare che circondava l'innesco aveva il tempo di entrare nella reazione di fusione. Il resto, non importa quanto fosse, è andato in malora. La potenza di carica massima ottenuta utilizzando il “puff” è stata di 720 kt (bomba British Orange Herald). A quanto pare, questo era il “tetto”.

Abbiamo già parlato della storia dello sviluppo dello schema Teller-Ulam. Vediamo ora i dettagli tecnici di questo circuito, chiamato anche "circuito a due stadi" o "circuito di compressione delle radiazioni".

Il nostro compito è riscaldare il combustibile termonucleare e trattenerlo in un certo volume per soddisfare il criterio di Lawson. Tralasciando gli esercizi americani con schemi criogenici, prendiamo il deuteruro di litio-6, a noi già noto, come combustibile termonucleare.

Sceglieremo l'uranio-238 come materiale contenitore per la carica termonucleare. Il contenitore è di forma cilindrica. Lungo l'asse del contenitore, al suo interno collocheremo un'asta cilindrica di uranio-235, che ha una massa subcritica.

Nota: la bomba al neutrone, sensazionale a suo tempo, è lo stesso schema Teller-Ulam, ma senza una barra di uranio lungo l'asse del contenitore. Il punto è fornire un potente flusso di neutroni veloci, ma impedire l'esaurimento di tutto il combustibile termonucleare, che consumerà neutroni.

Riempiremo lo spazio libero rimanente del contenitore con deuteruro di litio-6. Posizioniamo un contenitore a un'estremità del corpo della futura bomba (questo sarà il secondo stadio), e all'altra estremità monteremo una normale carica di plutonio con una potenza di diversi kilotoni (il primo stadio). Tra la carica nucleare e quella termonucleare installeremo un divisorio fatto di uranio-238, che impedirà il riscaldamento prematuro del deuteruro di litio-6. Riempiamo lo spazio libero rimanente all'interno del corpo della bomba con polimero solido. In linea di principio, la bomba termonucleare è pronta.

Quando una carica nucleare viene fatta esplodere, l’80% dell’energia viene rilasciata sotto forma di raggi X. La velocità della sua diffusione è molto superiore alla velocità di diffusione dei frammenti di fissione del plutonio. Dopo centesimi di microsecondo, lo schermo di uranio evapora e la radiazione a raggi X inizia ad essere assorbita intensamente dall'uranio del contenitore di carica termonucleare. Come risultato della cosiddetta ablazione (rimozione della massa dalla superficie di un contenitore riscaldato), si forma una forza reattiva che comprime il contenitore 10 volte. Questo effetto è chiamato implosione delle radiazioni o compressione delle radiazioni. In questo caso, la densità del combustibile termonucleare aumenta di 1000 volte. Come risultato della colossale pressione dell'implosione delle radiazioni, anche la barra centrale dell'uranio-235 viene compressa, sebbene in misura minore, e entra in uno stato supercritico. A questo punto, l'unità termonucleare è bombardata da neutroni veloci provenienti da un'esplosione nucleare. Dopo aver attraversato il deuteruro di litio-6, rallentano e vengono assorbiti intensamente dalla barra di uranio.

Nella barra inizia una reazione a catena di fissione, che porta rapidamente a un'esplosione nucleare all'interno del contenitore. Poiché il deuteruro di litio-6 è sottoposto alla compressione ablativa dall'esterno e alla pressione di un'esplosione nucleare dall'interno, la sua densità e temperatura aumentano ancora di più. Questo momento è l'inizio della reazione di sintesi. La sua ulteriore manutenzione è determinata da quanto tempo il contenitore manterrà i processi termonucleari al suo interno, impedendo all'energia termica di fuoriuscire all'esterno. Questo è precisamente ciò che determina il raggiungimento del criterio di Lawson. Il combustibile termonucleare brucia dall'asse del cilindro fino al bordo. La temperatura del fronte di combustione raggiunge i 300 milioni di Kelvin. Il pieno sviluppo dell'esplosione fino all'esaurimento del combustibile termonucleare e alla distruzione del contenitore richiede un paio di centinaia di nanosecondi, venti milioni di volte più velocemente di quanto ci hai messo per leggere questa frase.

Il funzionamento affidabile del circuito a due stadi dipende dal preciso assemblaggio del contenitore e dalla prevenzione del riscaldamento prematuro.

La potenza della carica termonucleare per il circuito Teller-Ulam dipende dalla potenza dell'innesco nucleare, che garantisce un'efficace compressione mediante radiazione. Oggi però esistono circuiti multistadio in cui l'energia dello stadio precedente viene utilizzata per comprimere quello successivo. Un esempio di uno schema in tre fasi è la già citata “madre Kuzkina” da 100 megatoni.

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