Urano bomba ir bomba, pagaminta iš „nežemiškos“ medžiagos. Urano bomba Šiuolaikinių urano ir plutonio bombų matmenys
Tai atominės bombos tipas, kuriame urano izotopai tarnauja kaip užtaisas. Urano bomba yra sprogstamasis įtaisas, kuriame urano atomų branduolių dalijimasis atlieka pagrindinio energijos šaltinio – branduolinės reakcijos – vaidmenį. Siauresne prasme tai sprogstamasis įtaisas, kuris naudoja sunkiųjų urano branduolių dalijimosi energiją. Prietaisai, kurie naudoja šviesos branduolių sintezės metu išsiskiriančią energiją, vadinami termobranduoliniais įrenginiais. Uranas gamtoje egzistuoja dviejų izotopų, urano-235 ir urano-238, pavidalu. Uranui-235 sugeriant neutroną, skilimo metu išsiskiria nuo vieno iki trijų neutronų.
Uranas-238, priešingai, absorbcijos procese neišskiria naujų neutronų, taip užkertant kelią branduolinei reakcijai. Jis paverčiamas uranu-239, vėliau neptūnu-239 ir galiausiai gana stabiliu plutoniu-239.
Priklausomai nuo branduolinio užtaiso tipo, jį galima suskirstyti į urano bombą, termobranduolinį ginklą ir neutroninį ginklą. Urano bombos skirstomos į taktines, operatyvines-taktines ir strategines. Pati pirmoji urano bomba buvo sukurta Antrojo pasaulinio karo pabaigoje, tiksliau 1944 m., kaip Amerikos itin slapto „Manheteno projekto“ dalis, vadovaujama Roberto Oppenheimerio. Pačias pirmąsias dvi urano bombas 1945 m. rugpjūtį amerikiečiai numetė ant dviejų Japonijos miestų – Hirosimos (rugpjūčio 6 d.) ir Nagasakio (rugpjūčio 9 d.). Urano bombos pagrindas yra nekontroliuojama grandininė urano branduolio dalijimosi reakcija. Yra dvi pagrindinės urano bombų schemos: „patranka“ ir sprogstamasis sprogimas. „Pabūklo“ schema būdinga elementariems vadinamosios 1-osios kartos branduolinių ginklų modeliams. Jo esmė yra „šaudyti“ vienas į kitą du specialius skiliosios medžiagos blokus, turinčius subkritinę masę. Toks detonacijos būdas tikėtinas tik urano šaudmenyse, nes plutonio detonacijos greitis didesnis. Antroji schema paremta bombos kovinės galvutės suardymu taip, kad suspaudimas būtų nukreiptas į židinio tašką, kuris gali būti vienintelis arba gali būti keli. Tai atsitinka tik naudojant specialų kovinės šerdies apvyniojimą sprogstamais užtaisais ir tikslią detonacijos valdymo grandinę.
Kad branduolinė bomba būtų paruošta kovai, urano-235 koncentracija branduoliniame kure turi būti ne mažesnė nei 80%, antraip uranas-238 labai greitai užges nusistovėjusią branduolinę grandininę reakciją. Gamtinis uranas yra beveik visas (apie 99,3 %) urano-238. Dėl to branduolinio kuro gamyboje naudojamas labai sudėtingas, daugiapakopis urano sodrinimo procesas, dėl kurio padidėja dalis urano-235. Urano pagrindu pagamintos bombos buvo pirmieji branduoliniai ginklai, kuriuos žmogus naudojo karinėje aplinkoje („Baby“ bomba, kurią Amerika numetė ant Hirosimos). Dėl daugybės trūkumų, pavyzdžiui, sunkumų gaunant, gaminant ir tiekiant, urano bombos šiandien nėra labai populiarios, užleisdamos vietą tobuloms bomboms, kurių pagrindą sudaro kiti radioaktyvieji elementai, kurių kritinė masė mažesnė. Vadinamasis „branduolinis klubas“ – grupė šalių, kurios disponuoja urano bombomis, apima JAV nuo 1945 m.; Rusija, iš pradžių Sovietų Sąjunga, nuo 1949 m.; Didžioji Britanija – nuo 1952 m.; Prancūzija – nuo 1960 m.; Kinija – nuo 1964 m.; Indija – nuo 1974 m.; Pakistanas – nuo 1998 m., o Šiaurės Korėja – nuo 2006 m. Izraelis nepaaiškina informacijos apie kokių nors branduolinių ginklų egzistavimą, tačiau, bendra visų ekspertų nuomone, turi nemenką arsenalą. Pietų Afrika turėjo didžiausią branduolinį arsenalą, tačiau visos šešios urano bombos buvo sunaikintos savo noru. 1990–1991 metais Ukraina, Baltarusija ir Kazachstanas, kurių teritorijoje buvo dalis SSRS branduolinių ginklų, perdavė jį Rusijos Federacijai, o 1992 m. pasirašius Lisabonos protokolą, buvo oficialiai paskelbtos. šalys, kurios neturėjo branduolinių ginklų. Visos branduolinės valstybės, išskyrus Izraelį ir Pietų Afriką, jau atliko daugybę įvairių urano bombų bandymų. Yra nuomonių, kad Pietų Afrika taip pat atliko kai kuriuos branduolinius bandymus Bouvet salos srityje.
Kuriant atominius ginklus pagal Manheteno projektą, tuo pačiu metu buvo vykdomos dvi branduolinės bombos - urano ir plutonio.
Išbandžius pirmąjį branduolinį užtaisą „Gadget“ (plutonio bombos „Fat Man“ prototipas – FatMan), kitas paruoštas naudoti buvo urano „Kid“ (LittleBoy). Būtent jis 1945 m. rugpjūčio 6 d. buvo numestas ant Hirosimos. Kito „Vaiko“ gamybai prireiks kelių mėnesių urano kaupimosi, todėl antroji numesta bomba buvo „Fat Man“, surinkta Tiniano saloje prieš pat jo atsiradimą. naudoti.
Pirminis „Fat man“ surinkimas ir įvyko Saltwells karinio jūrų laivyno bazėje, Kalifornijoje. Galutinis plutonio šerdies surinkimas ir montavimas buvo atliktas Ramiojo vandenyno Tiniano saloje, kur buvo baigtas statyti pirmasis kovinis plutonio užtaisas. Antrasis smūgis po Hirosimos iš pradžių turėjo būti smogtas Kokurai (Kokurai), praėjus kelioms dienoms po pirmosios atakos, tačiau dėl oro sąlygų Nagasakio miestas buvo subombarduotas.
Urano atominė bomba Little Boy.
Urano užtaisas bomboje susideda iš dviejų dalių: taikinio ir sviedinio. 10 skersmens ir 16 centimetrų ilgio sviedinys yra šešių urano žiedų rinkinys. Jame yra apie 25,6 kg – 40% viso urano. Žiedai sviedinyje yra paremti volframo karbido disku ir plieninėmis plokštėmis ir yra plieninio korpuso viduje. Taikinys sveria 38,46 kg ir yra pagamintas iš tuščiavidurio cilindro, kurio skersmuo 16 cm ir ilgis 16 cm. Struktūriškai jis pagamintas iš dviejų atskirų pusių. Taikinys sumontuotas korpuse, kuris tarnauja kaip neutronų atšvaitas. Iš esmės bomboje panaudoto urano kiekis suteikia kritinę masę net ir be reflektoriaus, tačiau jo buvimas, taip pat sviedinio gamyba iš labiau prisodrinto urano (89 % U-235) nei taikinys (~ 80). % U-235), leidžia padidinti įkrovimo galią.
Urano sodrinimo procesas vyko 3 etapais. Iš pradžių šiluminės difuzijos gamykloje natūrali rūda (0,72 % urano) buvo sodrinama iki 1–1,5 %. Po to sekė dujų difuzijos įrenginys ir paskutinis etapas – elektromagnetinis separatorius, ant kurio jau buvo atliktas urano izotopų atskyrimas. „Kūdikio“ gamybai prireikė 64 kg sodrinto urano, tai yra ~2,5 kritinės masės. Iki 1945 metų vasaros buvo sukaupta apie 50 kg 89 % U-235 ir 14 kg 50 % U-235. Dėl to bendra koncentracija buvo ~80%. Palyginus šiuos skaičius su plutonio šerdimi, kurioje Pu-239 masė tesiekė ~6 kilogramus ir kurioje yra maždaug 5 kritinės masės, išryškėja pagrindinis urano projekto trūkumas: sunku užtikrinti aukštą skiliosios medžiagos superkritiškumą. , todėl ginklo efektyvumas yra mažas.
Kad netyčia neįvyktų grandininė reakcija, taikinyje yra boro kamštis, o sviedinys yra uždarytas boro apvalkalu. Boras yra geras neutronų absorberis, todėl padidina saugumą transportuojant ir sandėliuojant užtaisytus šaudmenis. Kai sviedinys pasiekia taikinį, jo apvalkalas nuskrenda, o taikinio kištukas iš jo išsviedžiamas.
Surinktas bombos korpusas susideda iš volframo karbido korpuso (tarnaujančio kaip neutronų atšvaitas) apjuostos plieniniu apvalkalu, kurio skersmuo apie 60 cm. Bendra šios konstrukcijos masė apie 2,3 tonos. Sumontuotas karbidinis korpusas striukėje išgręžtoje skylėje, kurioje įtaisytas taikinys. Šios skylės apačioje gali būti vienas ar daugiau berilio-polonio iniciatorių. Vamzdis, kuriuo juda urano sviedinys, tvirtai įsriegtas prie plieninio taikinio korpuso, pasiskolintas iš 75 mm priešlėktuvinio pabūklo ir išgręžtas iki 100 mm sviedinio dydžio. Statinės ilgis apytiksliai 2 m, svoris 450 kg, bridžas 34 kg. Bedūmiai milteliai naudojami kaip propelentas. Sviedinio greitis vamzdyje siekia apie 300 m/s, norint jį pajudinti, reikia ne mažesnės kaip 300 kN jėgos.
Little Boy buvo itin nesaugi bomba laikyti ir transportuoti. Net ir atsitiktinis raketinio kuro (kuris varo sviedinį) sprogimas sukelia branduolinį sprogimą. Dėl šios priežasties stebėtojas iš oro ir ginklų specialistas S. Parsonsas nutarė parako į bombą įkelti tik pakilus. Tačiau esant pakankamai stipriam smūgiui krintant, sviedinys gali pajudėti be parako pagalbos, o tai gali sukelti sprogimą nuo kelių tonų iki pilnos galios. Little Boy taip pat yra pavojingas, kai patenka į vandenį. Uranas viduje – iš viso kelios kritinės masės – yra atskirtas oru. Kai vanduo patenka į vidų, jis gali atlikti tarpininko vaidmenį ir sukelti grandininę reakciją. Tai sukels greitą tirpimą arba nedidelį sprogimą, kai išsiskirs dideli radioaktyviųjų medžiagų kiekiai.
Mažojo berniuko surinkimas ir pritaikymas.
Pirmieji sviedinio komponentai buvo baigti Los Alamose 1945 m. birželio 15 d., o jie buvo baigti iki liepos 3 d.
Liepos 14 d. Little Boy ir jam skirtas urano sviedinys buvo pakrauti į Indianapolio laivą ir 16 dieną maždaug. Tinianas, Marianų salos. Laivas į salą atplaukė liepos 26 d.
Bombos taikinys buvo baigtas liepos 24 d., o 26 d. šie komponentai buvo išsiųsti trimis C-54 iš Albuquerque ir atvyko į Tinian 28 d.
Liepos 31 dieną bombos viduje buvo sumontuotas taikinys su sviediniu. Branduolinė ataka numatyta kitą dieną, rugpjūčio 1-ąją, tačiau artėjantis taifūnas privertė operaciją atidėti 5 dienoms.
rugpjūčio 6 d.:
00:00 Paskutinis susitikimas, tikslas – Hirosima. Pilotas – Tibbetsas, antrasis pilotas – Lewisas.
02:45 Bombonešis kyla.
07:30 Bomba visiškai paruošta numesti.
08:50 Lėktuvas skrenda virš Japonijos Šikoku salos.
09:16:02 Little Boy sprogsta 580 m aukštyje Sprogimo išeiga: 12-18 kt, vėliau įvertinta - 15 kt (+/- 20%).
Esant tokiai sprogimo galiai, aukštis, kuriame jis buvo susprogdintas, yra optimalus 12 psi (svarų / kvadratinio colio) smūgio bangos slėgiui, t.y. maksimaliai padidinti plotą, kuriame veikia 12 psi ar didesnis slėgis. Miesto pastatams sunaikinti užtenka 5 psi slėgio, kuris atitinka ~860 aukštį, taigi tokiame aukštyje aukų ir sunaikinimo gali būti dar daugiau. Dėl neapibrėžtumo nustatant galią ir daugybės priežasčių, galinčių sumažinti sprogimo galią, aukštis buvo pasirinktas vidutiniškai mažas, kaip ir esant nedideliam užtaisui. 580 m aukštis yra optimalus 5 kt sprogimui.
Plutonio atominė bomba Storasis žmogus.
Bombos šerdis yra įdėtų sferų rinkinys. Čia jie pateikiami lizdų eilės tvarka, pateikiami sferų išorinių spindulių matmenys:
* sprogstamasis korpusas - 65 cm,
* "stūmiklis" / neutronų absorberis - 23 cm,
* urano korpusas / neutronų reflektorius - 11,5 cm,
* plutonio šerdis - 4,5 cm,
* berilio-polonio neutronų iniciatorius - 1 cm.
neutronų iniciatorius.
Pirmoji pakopa, neutronų iniciatorius, dar vadinamas Urchin, yra 2 cm skersmens ir 0,6 cm storio berilio sferinis apvalkalas, kurio viduje yra 0,8 cm skersmens berilio intarpas. Bendras konstrukcijos svoris apie 7 gramus. Korpuso vidiniame paviršiuje buvo padaryta 15 pleišto formos 2,09 mm gylio plyšių. Pats apvalkalas gaunamas karšto presavimo būdu karbonilo nikelio atmosferoje, jo paviršius ir vidinė sfera padengta nikelio ir aukso sluoksniu. 50 karių polonio-210 (11 mg) buvo nusodinti ant vidinės sferos ir plyšių apvalkale. Aukso ir nikelio sluoksniai apsaugo berilį nuo alfa dalelių, kurias išskiria iniciatorių supantis polonis arba plutonis. Iniciatorius sumontuotas ant kronšteino 2,5 cm skersmens ertmėje plutonio šerdyje.
Urchinas suaktyvinamas, kai smūgio banga pasiekia krūvio centrą. Kai smūgio banga pasiekia plutonio vidinės ertmės sieneles, išgaravusio plutonio smūginė banga veikia iniciatorių, sutraiškydama plyšius su poloniu ir sukurdama Munroe efektą – stiprias medžiagos čiurkšles, kurios greitai sumaišo polonį ir berilį. iš išorinės ir vidinės sferos. Po-210 skleidžiamos alfa dalelės sugeriamos berilio atomų, kurie savo ruožtu išskiria neutronus.
plutonio krūvis.
9 cm rutulys, kurio centre yra 2,5 cm ertmė neutronų iniciatoriui. Šią krūvio formą pasiūlė Robertas Christy, kad sumažintų asimetriją ir nestabilumą sprogimo metu.
Šerdyje esantis plutonis stabilizuojamas mažo tankio delta fazėje (tankis 15,9), sulydant jį su 3 % galio masės (0,8 % masės). Delta fazės naudojimo pranašumai, palyginti su tankesne alfa faze (tankis 19,2), yra tai, kad delta fazė yra lanksti ir lanksti, o alfa fazė yra trapi ir trapi, be to, plutonio stabilizavimas delta fazėje leidžia išvengti susitraukimo aušinimo metu ir ruošinio deformacija po liejimo ar karšto apdirbimo. Gali atrodyti, kad šerdyje naudoti mažesnio tankio medžiagą gali būti nenaudinga, nes geriau naudoti tankesnę medžiagą dėl didesnio efektyvumo ir sumažėjusio plutonio poreikio, tačiau tai nėra visiškai tiesa. Delta stabilizuotas plutonis pereina į alfa fazę esant santykinai žemam dešimčių tūkstančių atmosferų slėgiui. Kelių milijonų atmosferų slėgis, atsirandantis sprogimo metu, daro šį perėjimą kartu su kitais reiškiniais, atsirandančiais tokio suspaudimo metu. Taigi, kai plutonis yra delta fazėje, padidėja tankis ir didesnis reaktyvumas, nei būtų tankios alfa fazės atveju.
Šerdis yra surinkta iš dviejų pusrutulių, tikriausiai iš pradžių išlieta į ruošinius, o po to karštai presuojama karbonilo nikelio atmosferoje. Kadangi plutonis yra chemiškai labai aktyvus metalas ir, be to, kelia pavojų gyvybei, kiekvienas pusrutulis yra padengtas nikelio (arba sidabro, kaip nurodyta programėlės šerdies) sluoksniu. Ši danga sukėlė nepatogumų įtaiso šerdyje. , nes greitas plutonio galvanizavimas nikeliu (arba sidabru) lėmė metalo apvalkalų susidarymą ir jo netinkamumą naudoti šerdyje. Kruopštus šlifavimas ir aukso sluoksnių sluoksniavimas atstatė pusrutulių gautus defektus. Tačiau plonas aukso sluoksnis (apie 0,1 mm storio) tarp pusrutulių bet kuriuo atveju buvo būtina konstrukcijos dalis, padedanti išvengti priešlaikinio smūginės bangos čiurkšlių prasiskverbimo tarp pusrutulių, galinčių per anksti suaktyvinti neutronų iniciatorių.
Urano korpusas/neutroninis reflektorius.
Plutonio užtaisą supa 120 kg sveriantis ir 23 cm skersmens natūralaus urano apvalkalas, kuris aplink plutonį sudaro septynių centimetrų sluoksnį. Urano storis susidaro dėl neutronų išsaugojimo problemos, todėl neutronų lėtėjimui užtikrinti pakanka kelių centimetrų sluoksnio. Storesnis korpusas (daugiau nei 10 cm storio) papildomai užtikrina reikšmingą neutronų išsaugojimą visai struktūrai, tačiau greitoms, eksponentiškai besivystančioms grandininėms reakcijoms būdingas „laikinio sugerties“ efektas sumažina storesnio reflektoriaus naudojimo naudą.
Apie 20% bombos energijos išsiskiria dėl greito urano korpuso dalijimosi. Šerdis ir korpusas kartu sudaro minimaliai subkritinę sistemą. Kai agregatas sprogimo sprogimo pagalba suspaudžiamas iki 2,5 karto didesniu nei įprasta tankis, šerdyje pradeda būti maždaug nuo keturių iki penkių kritinių masių.
„Stumiklis“ / neutronų absorberis.
Uraną supantis 11,5 cm storio aliuminio sluoksnis sveria 120 kg. Pagrindinis šios sferos, vadinamos „stūmikliu“, tikslas yra sumažinti Teiloro bangos poveikį – greitą slėgio mažėjimą, atsirandantį už detonacijos fronto. Sprogimo metu ši banga linkusi didėti, sukeldama vis spartesnį slėgio kritimą, kai detonacijos frontas suartėja į vieną tašką. Dalinis smūginės bangos atspindys, atsirandantis sprogmens (sudėtis „B“)/aliuminio sąsajoje (dėl tankio skirtumo: 1,65/2,71), antrinį frontą siunčia atgal į sprogmenį, slopindamas Taylor bangą. Tai padidina perduodamos bangos slėgį, padidindama suspaudimą šerdies centre.
Aliuminio „stūmiklyje“ taip pat yra dalis boro. Kadangi pats boras yra trapi nemetalinė medžiaga, kurią sunku apdoroti, labai tikėtina, kad jis yra lengvai apdirbamo aliuminio lydinio, vadinamo boraksu (35–50 % boro), pavidalu. Nors bendra jo dalis korpuse yra nedidelė, boras atlieka neutronų sugėriklio vaidmenį, neleidžiant iš jo išspinduliuotiems neutronams, kurių šiluminis greitis sulėtėjo aliuminiu ir sprogmenyse, vėl patekti į plutonio-urano mazgą.
Sprogstamasis apvalkalas ir detonavimo sistema.
Sprogstamasis apvalkalas yra stiprios sprogstamosios medžiagos sluoksnis. Jo storis yra apie 47 cm, o svoris - mažiausiai 2500 kg. Šioje sistemoje yra 32 sprogstamieji lęšiai, iš kurių 20 yra šešiakampiai ir 12 yra penkiakampiai. Lęšiai sujungiami futbolo kamuolio būdu ir sudaro sferinį sprogstamąjį mazgą, kurio skersmuo yra apie 130 cm. Kiekviena turi 3 dalis: dvi iš jų pagamintos iš didelio sprogimo greičio sprogstamosios medžiagos (BB), viena – su mažu. Tolimiausioje greitai detonuojančio sprogmens dalyje yra kūgio formos įduba, užpildyta mažo detonacijos greičio sprogmenimis. Šios poros dalys sudaro aktyvųjį lęšį, galintį sukurti apskritą, augančią smūgio bangą, nukreiptą į centrą. Greitai detonuojančio sprogmens vidus beveik uždengia aliuminio sferą, kad sustiprintų susiliejantį smūgį.
Lęšiai buvo pagaminti precizinio liejimo būdu, todėl prieš naudojant sprogmenį reikėjo išlydyti. Pagrindinis greitai detonuojantis sprogmuo buvo „kompozicija B“, 60 % heksageno (RDX) mišinys – labai greitai detonuojantis, bet prastai tirpstantis smarkus sprogmuo, 39 % TNT (TNT) – labai sprogstantis ir lengvai tirpstantis sprogmuo ir 1 % vaško. „Lėtas“ sprogmuo buvo baratolis – trotilo ir bario nitrato mišinys (tolio dalis paprastai būna 25-33%) su 1% vaško rišikliu.
Lęšių sudėtis ir tankis buvo tiksliai kontroliuojami ir išliko nepakitę. Lęšių sistema buvo pritaikyta labai arti tolerancijos, kad jos dalys būtų sujungtos viena su kita mažesniu nei 1 mm tikslumu, kad būtų išvengta smūginės bangos nehomogeniškumo, tačiau lęšių paviršiaus išlygiavimas buvo dar svarbiau. nei priderinti juos vienas prie kito.
Norint pasiekti labai tikslų detonatoriaus laiką, standartiniuose detonatoriuose trūko pirminių/antrinių sprogstamųjų medžiagų derinių ir elektra šildomų laidų. Šie laidininkai yra plonos vielos gabalėliai, kurie akimirksniu išgaruoja nuo srovės bangos, gaunamos iš galingo kondensatoriaus. Detonuojamas sprogstamasis detonatorius. Kondensatorių baterijos iškrovimas ir vielos išgarinimas visiems detonatoriams gali būti atliekami beveik vienu metu – skirtumas yra +/-10 nanosekundžių. Tokios sistemos minusas yra didelių baterijų poreikis, aukštos įtampos maitinimo šaltinis ir galingas kondensatorių bankas (vadinamas X-Unit, sveriantis apie 200 kg), skirtas vienu metu paleisti 32 detonatorius.
Užbaigtas sprogstamasis korpusas dedamas į duraliuminio korpusą. Korpuso konstrukciją sudarė centrinis diržas, surinktas iš 5 apdirbtų duraliuminio liejinių, ir viršutinis bei apatinis pusrutuliai, sudarantys visą korpusą.
galutinis surinkimo etapas.
Galutiniame bombos projekte numatytas specialus „dangtis“, per kurį pabaigoje klojamos skiliosios medžiagos. Įkrovą galima padaryti kaip visumą, išskyrus plutonio įdėklą su iniciatoriumi. Saugumo sumetimais surinkimas baigiamas prieš pat praktinį naudojimą. Duraliuminio pusrutulis pašalinamas kartu su vienu iš sprogstamųjų lęšių. Neutronų iniciatorius įmontuotas tarp plutonio pusrutulių ir sumontuotas 40 kilogramų urano cilindre, o tada visa konstrukcija įterpiama į urano reflektorių. Lęšis grįžta į savo vietą, prie jo prijungiamas detonatorius, viršuje įsukamas dangtelis.
„Fat Man“ kėlė rimtą pavojų tiekiant ir laikant paruoštą naudoti, tačiau net ir blogiausiu atveju pavojus vis tiek buvo mažesnis nei „Little Boy“. Kritinė šerdies su urano reflektoriumi masė yra 7,5 kg plutonio delta fazei ir tik 5,5 kg alfa fazei. Bet koks netyčinis sprogstamojo sviedinio susprogdinimas gali sukelti 6,2 kilogramo storojo žmogaus šerdies suspaudimą į superkritinę alfa fazę. Numatoma tokio neleistino užtaiso sprogimo galia bus nuo dešimčių tonų (maždaug dydžiu daugiau nei sprogstamasis užtaisas bomboje) iki poros šimtų tonų trotilo ekvivalento.Tačiau pagrindinis pavojus slypi prasiskverbiančios spinduliuotės sraute sprogimo metu.Gama spinduliai ir neutronai gali sukelti mirtį ar sunkią ligą toli už smūginės bangos sklidimo zonos. Taigi nedidelis 20 tonų branduolinis sprogimas sukels mirtiną 640 rem spinduliuotės dozę 250 m atstumu.
„Fat Man“ gabenimas ir saugumo sumetimais niekada nebuvo atliktas pilnai surinktas, bombos buvo sukomplektuotos prieš pat panaudojimą. Dėl ginklo sudėtingumo šis procesas užtruko mažiausiai porą dienų (atsižvelgiant į tarpinį patikrinimai). Surinkta bomba ilgą laiką negalėjo būti darbinga dėl X-Unit baterijų išsikrovimo.
Kovinės plutonio bombos kontūrai daugiausia susideda iš eksperimentinio įtaiso, supakuoto į plieninį apvalkalą, konstrukcija. Prie sprogstamosios sistemos tvarsčio pritvirtintos dvi plieninio elipsoido pusės kartu su X bloku, baterijomis, saugikliais ir paleidimo elektronika. dedamas ant priekinės korpuso pusės.
Kaip ir „Little Boy“, „Fat Man“ didelio aukščio saugiklis yra „Atchis“ radaro nuotolio ieškiklio sistema (Archies – jos antenos Little Boy nuotraukose matomos iš šono). Kai užtaisas pasiekia reikiamą aukštį virš žemės (nustatytas į 1850+-100 pėdų), jis duoda signalą detonuoti. Be jo, bomboje taip pat yra barometrinis jutiklis, kuris apsaugo nuo sprogimo virš 7000 pėdų.
Kovoti su plutonio bombos naudojimu.
Galutinis Tolstjako surinkimas įvyko maždaug. Tinianas.
1945 m. liepos 26 d. plutonio šerdis su iniciatoriumi C-54 lėktuvu buvo išsiųsta iš Kirtlando oro pajėgų bazės į Tinianą.
Liepos 28 d. į salą atvyksta branduolys. Šią dieną trys B-29 iš Kirtlando išvyksta į Tinianą su trimis iš anksto surinktais Fat Mans.
Rugpjūčio 2 d. – B-29 atvykimas. Bombardavimo data nustatyta rugpjūčio 11 d., taikinys – Kokuros arsenalas. Nebranduolinė pirmosios bombos dalis buvo paruošta rugpjūčio 5 d.
Rugpjūčio 7 d. ateina prognozė apie nepalankias oro sąlygas skrydžiui 11 d., skrydžio data perkeliama į 10 d., tada į rugpjūčio 9 d. Dėl pasikeitusios datos vyksta pagreitinti įkrovos surinkimo darbai.
8 ryto Fat Man surinkimas baigtas, iki 22:00 jis įkeliamas į B-29 "Block" automobilį.
rugpjūčio 9 d.:
03:47 Lėktuvas pakyla iš Tiniano, taikinys nustatytas kaip Kokur arsenalas. Pilotas – Charlesas Sweeney.
10:44 Priartėjimo prie Kokuros laikas, tačiau prasto matomumo sąlygomis taikinio nesimato. Priešlėktuvinės artilerijos ugnis ir japonų naikintuvų pasirodymas verčia juos nutraukti paieškas ir pasukti link alternatyvaus taikinio – Nagasakio.
Virš miesto susiklostė debesų sluoksnis – kaip ir virš Kokuros, vienam bėgimui liko tik degalų, todėl bomba buvo numesta į pirmą tinkamą tarpą debesyse už kelių kilometrų nuo numatyto taikinio.
11:02 503 m aukštyje netoli miesto ribos įvyksta sprogimas, galia pagal matavimus 1987 m. yra 21 kt. Nepaisant to, kad sprogimas įvyko ant apgyvendintos miesto dalies ribos, aukų skaičius viršijo 70 000 žmonių. Taip pat buvo sunaikinta „Mitsubishi“ ginklų gamyba.
Pirmosios atominės bombos – Little Boy ir Fat Man
Kuriant atominius ginklus pagal Manheteno projektą, tuo pačiu metu buvo vykdomos dvi branduolinės bombos - urano ir plutonio.
Išbandžius pirmąjį branduolinį užtaisą „Gadget“ (plutonio bombos „Fat Man“ prototipas – FatMan), kitas paruoštas naudoti buvo urano „Kid“ (LittleBoy). Būtent jis 1945 m. rugpjūčio 6 d. buvo numestas ant Hirosimos. Kito „Vaiko“ gamybai prireiks kelių mėnesių urano kaupimosi, todėl antroji numesta bomba buvo „Fat Man“, surinkta Tiniano saloje prieš pat jo atsiradimą. naudoti.
Pirminis „Fat man“ surinkimas ir įvyko Saltwells karinio jūrų laivyno bazėje, Kalifornijoje. Galutinis plutonio šerdies surinkimas ir montavimas buvo atliktas Ramiojo vandenyno Tiniano saloje, kur buvo baigtas statyti pirmasis kovinis plutonio užtaisas. Antrasis smūgis po Hirosimos iš pradžių turėjo būti smogtas Kokurai (Kokurai), praėjus kelioms dienoms po pirmosios atakos, tačiau dėl oro sąlygų Nagasakio miestas buvo subombarduotas.
Urano atominė bomba Little Boy.
Urano užtaisas bomboje susideda iš dviejų dalių: taikinio ir sviedinio. 10 skersmens ir 16 centimetrų ilgio sviedinys yra šešių urano žiedų rinkinys. Jame yra apie 25,6 kg – 40% viso urano. Žiedai sviedinyje yra paremti volframo karbido disku ir plieninėmis plokštėmis ir yra plieninio korpuso viduje. Taikinys sveria 38,46 kg ir yra pagamintas iš tuščiavidurio cilindro, kurio skersmuo 16 cm ir ilgis 16 cm. Struktūriškai jis pagamintas iš dviejų atskirų pusių. Taikinys sumontuotas korpuse, kuris tarnauja kaip neutronų atšvaitas. Iš esmės bomboje panaudoto urano kiekis suteikia kritinę masę net ir be reflektoriaus, tačiau jo buvimas, taip pat sviedinio gamyba iš labiau prisodrinto urano (89 % U-235) nei taikinys (~ 80). % U-235), leidžia padidinti įkrovimo galią.
Urano sodrinimo procesas vyko 3 etapais. Iš pradžių šiluminės difuzijos gamykloje natūrali rūda (0,72 % urano) buvo sodrinama iki 1–1,5 %. Po to sekė dujų difuzijos įrenginys ir paskutinis etapas – elektromagnetinis separatorius, ant kurio jau buvo atliktas urano izotopų atskyrimas. „Kūdikio“ gamybai prireikė 64 kg sodrinto urano, tai yra ~2,5 kritinės masės. Iki 1945 metų vasaros buvo sukaupta apie 50 kg 89 % U-235 ir 14 kg 50 % U-235. Dėl to bendra koncentracija buvo ~80%. Palyginus šiuos skaičius su plutonio šerdimi, kurioje Pu-239 masė tesiekė ~6 kilogramus ir kurioje yra maždaug 5 kritinės masės, išryškėja pagrindinis urano projekto trūkumas: sunku užtikrinti aukštą skiliosios medžiagos superkritiškumą. , todėl ginklo efektyvumas yra mažas.
Kad netyčia neįvyktų grandininė reakcija, taikinyje yra boro kamštis, o sviedinys yra uždarytas boro apvalkalu. Boras yra geras neutronų absorberis, todėl padidina saugumą transportuojant ir sandėliuojant užtaisytus šaudmenis. Kai sviedinys pasiekia taikinį, jo apvalkalas nuskrenda, o taikinio kištukas iš jo išsviedžiamas.
Surinktas bombos korpusas susideda iš volframo karbido korpuso (tarnaujančio kaip neutronų atšvaitas) apjuostos plieniniu apvalkalu, kurio skersmuo apie 60 cm. Bendra šios konstrukcijos masė apie 2,3 tonos. Sumontuotas karbidinis korpusas striukėje išgręžtoje skylėje, kurioje įtaisytas taikinys. Šios skylės apačioje gali būti vienas ar daugiau berilio-polonio iniciatorių. Vamzdis, kuriuo juda urano sviedinys, yra tvirtai įsriegtas į plieninį taikinio korpusą,
jis buvo pasiskolintas iš 75 mm priešlėktuvinio pabūklo ir išgręžtas iki 100 mm sviedinio dydžio. Statinės ilgis apytiksliai 2 m, svoris 450 kg, bridžas 34 kg. Bedūmiai milteliai naudojami kaip propelentas. Sviedinio greitis vamzdyje siekia apie 300 m/s, norint jį pajudinti, reikia ne mažesnės kaip 300 kN jėgos.
Little Boy buvo itin nesaugi bomba laikyti ir transportuoti. Net ir atsitiktinis raketinio kuro (kuris varo sviedinį) sprogimas sukelia branduolinį sprogimą. Dėl šios priežasties stebėtojas iš oro ir ginklų specialistas S. Parsonsas nutarė parako į bombą įkelti tik pakilus. Tačiau esant pakankamai stipriam smūgiui krintant, sviedinys gali pajudėti be parako pagalbos, o tai gali sukelti sprogimą nuo kelių tonų iki pilnos galios. Little Boy taip pat yra pavojingas, kai patenka į vandenį. Uranas viduje – iš viso kelios kritinės masės – yra atskirtas oru. Kai vanduo patenka į vidų, jis gali atlikti tarpininko vaidmenį ir sukelti grandininę reakciją. Tai sukels greitą tirpimą arba nedidelį sprogimą, kai išsiskirs dideli radioaktyviųjų medžiagų kiekiai.
Mažojo berniuko surinkimas ir pritaikymas.
Pirmieji sviedinio komponentai buvo baigti Los Alamose 1945 m. birželio 15 d., o jie buvo baigti iki liepos 3 d.
Liepos 14 d. Little Boy ir jam skirtas urano sviedinys buvo pakrauti į Indianapolio laivą ir 16 dieną maždaug. Tinianas, Marianų salos. Laivas į salą atplaukė liepos 26 d.
Bombos taikinys buvo baigtas liepos 24 d., o 26 d. šie komponentai buvo išsiųsti trimis C-54 iš Albuquerque ir atvyko į Tinian 28 d.
Liepos 31 dieną bombos viduje buvo sumontuotas taikinys su sviediniu. Branduolinė ataka numatyta kitą dieną, rugpjūčio 1-ąją, tačiau artėjantis taifūnas privertė operaciją atidėti 5 dienoms.
Rugpjūčio 5 d. į B-29 #82 „Enola Gay“ įkeliama bomba.
rugpjūčio 6 d.:
00:00 Paskutinis susitikimas, tikslas – Hirosima. Pilotas – Tibbetsas, antrasis pilotas – Lewisas.
02:45 Bombonešis kyla.
07:30 Bomba visiškai paruošta numesti.
08:50 Lėktuvas skrenda virš Japonijos Šikoku salos.
09:16:02 Little Boy sprogsta 580 m aukštyje Sprogimo išeiga: 12-18 kt, vėliau įvertinta - 15 kt (+/- 20%).
Esant tokiai sprogimo galiai, aukštis, kuriame jis buvo susprogdintas, yra optimalus 12 psi (svarų / kvadratinio colio) smūgio bangos slėgiui, t.y. maksimaliai padidinti plotą, kuriame veikia 12 psi ar didesnis slėgis. Miesto pastatams sunaikinti užtenka 5 psi slėgio, kuris atitinka ~860 aukštį, taigi tokiame aukštyje aukų ir sunaikinimo gali būti dar daugiau. Dėl neapibrėžtumo nustatant galią ir daugybės priežasčių, galinčių sumažinti sprogimo galią, aukštis buvo pasirinktas vidutiniškai mažas, kaip ir esant nedideliam užtaisui. 580 m aukštis yra optimalus 5 kt sprogimui.
Plutonio atominė bomba Storasis žmogus. Bombos šerdis yra įdėtų sferų rinkinys. Čia jie pateikiami lizdų eilės tvarka, pateikiami sferų išorinių spindulių matmenys:
neutronų iniciatorius.
Pirmoji pakopa, neutronų iniciatorius, dar vadinamas Urchin, yra 2 cm skersmens ir 0,6 cm storio berilio sferinis apvalkalas, kurio viduje yra 0,8 cm skersmens berilio intarpas. Bendras konstrukcijos svoris apie 7 gramus. Korpuso vidiniame paviršiuje buvo padaryta 15 pleišto formos 2,09 mm gylio plyšių. Pats apvalkalas gaunamas karšto presavimo būdu karbonilo nikelio atmosferoje, jo paviršius ir vidinė sfera padengta nikelio ir aukso sluoksniu. 50 karių polonio-210 (11 mg) buvo nusodinti ant vidinės sferos ir plyšių apvalkale. Aukso ir nikelio sluoksniai apsaugo berilį nuo alfa dalelių, kurias išskiria iniciatorių supantis polonis arba plutonis. Iniciatorius sumontuotas ant kronšteino 2,5 cm skersmens ertmėje plutonio šerdyje.
Urchinas suaktyvinamas, kai smūgio banga pasiekia krūvio centrą. Kai smūgio banga pasiekia plutonio vidinės ertmės sieneles, išgaravusio plutonio smūginė banga veikia iniciatorių, sutraiškydama plyšius su poloniu ir sukurdama Munroe efektą – stiprias medžiagos čiurkšles, kurios greitai sumaišo polonį ir berilį. iš išorinės ir vidinės sferos. Po-210 skleidžiamos alfa dalelės sugeriamos berilio atomų, kurie savo ruožtu išskiria neutronus.
plutonio krūvis.
9 cm rutulys, kurio centre yra 2,5 cm ertmė neutronų iniciatoriui. Šią krūvio formą pasiūlė Robertas Christy, kad sumažintų asimetriją ir nestabilumą sprogimo metu.
Šerdyje esantis plutonis stabilizuojamas mažo tankio delta fazėje (tankis 15,9), sulydant jį su 3 % galio masės (0,8 % masės). Delta fazės naudojimo pranašumai, palyginti su tankesne alfa faze (tankis 19,2), yra tai, kad delta fazė yra lanksti ir lanksti, o alfa fazė yra trapi ir trapi, be to, plutonio stabilizavimas delta fazėje leidžia išvengti susitraukimo aušinimo metu ir ruošinio deformacija po liejimo ar karšto apdirbimo. Gali atrodyti, kad šerdyje naudoti mažesnio tankio medžiagą gali būti nenaudinga, nes geriau naudoti tankesnę medžiagą dėl didesnio efektyvumo ir sumažėjusio plutonio poreikio, tačiau tai nėra visiškai tiesa. Delta stabilizuotas plutonis pereina į alfa fazę esant santykinai žemam dešimčių tūkstančių atmosferų slėgiui. Kelių milijonų atmosferų slėgis, atsirandantis sprogimo metu, daro šį perėjimą kartu su kitais reiškiniais, atsirandančiais tokio suspaudimo metu. Taigi, kai plutonis yra delta fazėje, padidėja tankis ir didesnis reaktyvumas, nei būtų tankios alfa fazės atveju.
Šerdis yra surinkta iš dviejų pusrutulių, tikriausiai iš pradžių išlieta į ruošinius, o po to karštai presuojama karbonilo nikelio atmosferoje. Kadangi plutonis yra chemiškai labai aktyvus metalas ir, be to, kelia pavojų gyvybei, kiekvienas pusrutulis yra padengtas nikelio (arba sidabro, kaip nurodyta programėlės šerdies) sluoksniu. Ši danga sukėlė nepatogumų įtaiso šerdyje. , nes greitas plutonio galvanizavimas nikeliu (arba sidabru) lėmė metalo apvalkalų susidarymą ir jo netinkamumą naudoti šerdyje. Kruopštus šlifavimas ir aukso sluoksnių sluoksniavimas atstatė pusrutulių gautus defektus. Tačiau plonas aukso sluoksnis (apie 0,1 mm storio) tarp pusrutulių bet kuriuo atveju buvo būtina konstrukcijos dalis, padedanti išvengti priešlaikinio smūginės bangos čiurkšlių prasiskverbimo tarp pusrutulių, galinčių per anksti suaktyvinti neutronų iniciatorių.
Urano korpusas/neutroninis reflektorius.
Plutonio užtaisą supa 120 kg sveriantis ir 23 cm skersmens natūralaus urano apvalkalas, kuris aplink plutonį sudaro septynių centimetrų sluoksnį. Urano storis susidaro dėl neutronų išsaugojimo problemos, todėl neutronų lėtėjimui užtikrinti pakanka kelių centimetrų sluoksnio. Storesnis korpusas (daugiau nei 10 cm storio) papildomai užtikrina reikšmingą neutronų išsaugojimą visai struktūrai, tačiau greitoms, eksponentiškai besivystančioms grandininėms reakcijoms būdingas „laikinio sugerties“ efektas sumažina storesnio reflektoriaus naudojimo naudą.
Apie 20% bombos energijos išsiskiria dėl greito urano korpuso dalijimosi. Šerdis ir korpusas kartu sudaro minimaliai subkritinę sistemą. Kai agregatas sprogimo sprogimo pagalba suspaudžiamas iki 2,5 karto didesniu nei įprasta tankis, šerdyje pradeda būti maždaug nuo keturių iki penkių kritinių masių.
„Stumiklis“ / neutronų absorberis.
Uraną supantis 11,5 cm storio aliuminio sluoksnis sveria 120 kg. Pagrindinis šios sferos, vadinamos „stūmikliu“, tikslas yra sumažinti Teiloro bangos poveikį – greitą slėgio mažėjimą, atsirandantį už detonacijos fronto. Sprogimo metu ši banga linkusi didėti, sukeldama vis spartesnį slėgio kritimą, kai detonacijos frontas suartėja į vieną tašką. Dalinis smūginės bangos atspindys, atsirandantis sprogmens (sudėtis „B“)/aliuminio sąsajoje (dėl tankio skirtumo: 1,65/2,71), antrinį frontą siunčia atgal į sprogmenį, slopindamas Taylor bangą. Tai padidina perduodamos bangos slėgį, padidindama suspaudimą šerdies centre.
Aliuminio „stūmiklyje“ taip pat yra dalis boro. Kadangi pats boras yra trapi nemetalinė medžiaga, kurią sunku apdoroti, labai tikėtina, kad jis yra lengvai apdirbamo aliuminio lydinio, vadinamo boraksu (35–50 % boro), pavidalu. Nors bendra jo dalis korpuse yra nedidelė, boras atlieka neutronų sugėriklio vaidmenį, neleidžiant iš jo išspinduliuotiems neutronams, kurių šiluminis greitis sulėtėjo aliuminiu ir sprogmenyse, vėl patekti į plutonio-urano mazgą.
Sprogstamasis apvalkalas ir detonavimo sistema.
Sprogstamasis apvalkalas yra stiprios sprogstamosios medžiagos sluoksnis. Jo storis yra apie 47 cm, o svoris - mažiausiai 2500 kg. Šioje sistemoje yra 32 sprogstamieji lęšiai, iš kurių 20 yra šešiakampiai ir 12 yra penkiakampiai. Lęšiai sujungiami futbolo kamuolio būdu ir sudaro sferinį sprogstamąjį mazgą, kurio skersmuo yra apie 130 cm. Kiekviena turi 3 dalis: dvi iš jų pagamintos iš didelio sprogimo greičio sprogstamosios medžiagos (BB), viena – su mažu. Tolimiausioje greitai detonuojančio sprogmens dalyje yra kūgio formos įduba, užpildyta mažo detonacijos greičio sprogmenimis. Šios poros dalys sudaro aktyvųjį lęšį, galintį sukurti apskritą, augančią smūgio bangą, nukreiptą į centrą. Greitai detonuojančio sprogmens vidus beveik uždengia aliuminio sferą, kad sustiprintų susiliejantį smūgį.
Lęšiai buvo pagaminti precizinio liejimo būdu, todėl prieš naudojant sprogmenį reikėjo išlydyti. Pagrindinis greitai detonuojantis sprogmuo buvo „kompozicija B“, 60 % heksageno (RDX) mišinys – labai greitai detonuojantis, bet prastai tirpstantis smarkus sprogmuo, 39 % TNT (TNT) – labai sprogstantis ir lengvai tirpstantis sprogmuo ir 1 % vaško. „Lėtas“ sprogmuo buvo baratolis – trotilo ir bario nitrato mišinys (tolio dalis paprastai būna 25-33%) su 1% vaško rišikliu.
Lęšių sudėtis ir tankis buvo tiksliai kontroliuojami ir išliko nepakitę. Lęšių sistema buvo pritaikyta labai arti tolerancijos, kad jos dalys būtų sujungtos viena su kita mažesniu nei 1 mm tikslumu, kad būtų išvengta smūginės bangos nehomogeniškumo, tačiau lęšių paviršiaus išlygiavimas buvo dar svarbiau. nei priderinti juos vienas prie kito.
Norint pasiekti labai tikslų detonatoriaus laiką, standartiniuose detonatoriuose trūko pirminių/antrinių sprogstamųjų medžiagų derinių ir elektra šildomų laidų. Šie laidininkai yra plonos vielos gabalėliai, kurie akimirksniu išgaruoja nuo srovės bangos, gaunamos iš galingo kondensatoriaus. Detonuojamas sprogstamasis detonatorius. Kondensatorių baterijos iškrovimas ir vielos išgarinimas visiems detonatoriams gali būti atliekami beveik vienu metu – skirtumas yra +/-10 nanosekundžių. Tokios sistemos minusas yra didelių baterijų poreikis, aukštos įtampos maitinimo šaltinis ir galingas kondensatorių bankas (vadinamas X-Unit, sveriantis apie 200 kg), skirtas vienu metu paleisti 32 detonatorius.
Užbaigtas sprogstamasis korpusas dedamas į duraliuminio korpusą. Korpuso konstrukciją sudarė centrinis diržas, surinktas iš 5 apdirbtų duraliuminio liejinių, ir viršutinis bei apatinis pusrutuliai, sudarantys visą korpusą.
galutinis surinkimo etapas.
Galutiniame bombos projekte numatytas specialus „dangtis“, per kurį pabaigoje klojamos skiliosios medžiagos. Įkrovą galima padaryti kaip visumą, išskyrus plutonio įdėklą su iniciatoriumi. Saugumo sumetimais surinkimas baigiamas prieš pat praktinį naudojimą. Duraliuminio pusrutulis pašalinamas kartu su vienu iš sprogstamųjų lęšių. Neutronų iniciatorius įmontuotas tarp plutonio pusrutulių ir sumontuotas 40 kilogramų urano cilindre, o tada visa konstrukcija įterpiama į urano reflektorių. Lęšis grįžta į savo vietą, prie jo prijungiamas detonatorius, viršuje įsukamas dangtelis.
„Fat Man“ kėlė rimtą pavojų tiekiant ir laikant paruoštą naudoti, tačiau net ir blogiausiu atveju pavojus vis tiek buvo mažesnis nei „Little Boy“. Kritinė šerdies su urano reflektoriumi masė yra 7,5 kg plutonio delta fazei ir tik 5,5 kg alfa fazei. Bet koks netyčinis sprogstamojo sviedinio susprogdinimas gali sukelti 6,2 kilogramo storojo žmogaus šerdies suspaudimą į superkritinę alfa fazę. Numatoma tokio neleistino užtaiso sprogimo galia bus nuo dešimčių tonų (maždaug dydžiu daugiau nei sprogstamasis užtaisas bomboje) iki poros šimtų tonų trotilo ekvivalento.Tačiau pagrindinis pavojus slypi prasiskverbiančios spinduliuotės sraute sprogimo metu.Gama spinduliai ir neutronai gali sukelti mirtį ar sunkią ligą toli už smūginės bangos sklidimo zonos. Taigi nedidelis 20 tonų branduolinis sprogimas sukels mirtiną 640 rem spinduliuotės dozę 250 m atstumu.
„Fat Man“ gabenimas ir saugumo sumetimais niekada nebuvo atliktas pilnai surinktas, bombos buvo sukomplektuotos prieš pat panaudojimą. Dėl ginklo sudėtingumo šis procesas užtruko mažiausiai porą dienų (atsižvelgiant į tarpinį patikrinimai). Surinkta bomba ilgą laiką negalėjo būti darbinga dėl X-Unit baterijų išsikrovimo.
Kovinės plutonio bombos kontūrai daugiausia susideda iš eksperimentinio įtaiso, supakuoto į plieninį apvalkalą, konstrukcija. Prie sprogstamosios sistemos tvarsčio pritvirtintos dvi plieninio elipsoido pusės kartu su X bloku, baterijomis, saugikliais ir paleidimo elektronika. dedamas ant priekinės korpuso pusės.
Kaip ir „Little Boy“, „Fat Man“ didelio aukščio saugiklis yra „Atchis“ radaro nuotolio ieškiklio sistema (Archies – jos antenos Little Boy nuotraukose matomos iš šono). Kai užtaisas pasiekia reikiamą aukštį virš žemės (nustatytas į 1850+-100 pėdų), jis duoda signalą detonuoti. Be jo, bomboje taip pat yra barometrinis jutiklis, kuris apsaugo nuo sprogimo virš 7000 pėdų.
Kovoti su plutonio bombos naudojimu.
Galutinis Tolstjako surinkimas įvyko maždaug. Tinianas.
1945 m. liepos 26 d. plutonio šerdis su iniciatoriumi C-54 lėktuvu buvo išsiųsta iš Kirtlando oro pajėgų bazės į Tinianą.
Liepos 28 d. į salą atvyksta branduolys. Šią dieną trys B-29 iš Kirtlando išvyksta į Tinianą su trimis iš anksto surinktais Fat Mans.
Rugpjūčio 2 d. – B-29 atvykimas. Bombardavimo data nustatyta rugpjūčio 11 d., taikinys – Kokuros arsenalas. Nebranduolinė pirmosios bombos dalis buvo paruošta rugpjūčio 5 d.
Rugpjūčio 7 d. ateina prognozė apie nepalankias oro sąlygas skrydžiui 11 d., skrydžio data perkeliama į 10 d., tada į rugpjūčio 9 d. Dėl pasikeitusios datos vyksta pagreitinti įkrovos surinkimo darbai.
8 ryto Fat Man surinkimas baigtas, iki 22:00 jis įkeliamas į B-29 "Block" automobilį.
rugpjūčio 9 d.:
03:47 Lėktuvas pakyla iš Tiniano, taikinys nustatytas kaip Kokur arsenalas. Pilotas – Charlesas Sweeney.
10:44 Priartėjimo prie Kokuros laikas, tačiau prasto matomumo sąlygomis taikinio nesimato. Priešlėktuvinės artilerijos ugnis ir japonų naikintuvų pasirodymas verčia juos nutraukti paieškas ir pasukti link alternatyvaus taikinio – Nagasakio.
Virš miesto susiklostė debesų sluoksnis – kaip ir virš Kokuros, vienam bėgimui liko tik degalų, todėl bomba buvo numesta į pirmą tinkamą tarpą debesyse už kelių kilometrų nuo numatyto taikinio.
11:02 503 m aukštyje netoli miesto ribos įvyksta sprogimas, galia pagal matavimus 1987 m. yra 21 kt. Nepaisant to, kad sprogimas įvyko ant apgyvendintos miesto dalies ribos, aukų skaičius viršijo 70 000 žmonių. Taip pat buvo sunaikinta „Mitsubishi“ ginklų gamyba.
urano bomba
Veikimo principas
Branduoliniai ginklai yra pagrįsti nekontroliuojama branduolio dalijimosi grandinine reakcija. Yra dvi pagrindinės schemos: „patranka“, kitaip vadinama balistine, ir sprogstamoji.
« patranka" schema būdinga primityviausiems 1-osios kartos branduolinių ginklų modeliams, taip pat artilerijos ir šaulių ginklų branduolinei amunicijai, kuri turi ginklų kalibro apribojimus. Jo esmė yra dviejų subkritinės masės skiliųjų medžiagų blokų „šaudymas“ vienas į kitą. Šis detonacijos būdas įmanomas tik urano šaudmenims, nes plutonis turi didesnį neutroninį foną, todėl reikiamas užtaiso dalių prijungimo greitis padidėja viršijant techniškai įmanomą.
"Įspūdingas" schema reiškia superkritinės būsenos gavimą suspaudžiant skiliąją medžiagą fokusuota smūgio banga, susidariusia sprogus įprastiniam cheminiam sprogmeniui, kuriam suteikiama labai sudėtinga forma, kad fokusavimas ir suardymas vienu metu atliekamas keliuose taškuose tiksliai.
Branduolinio krūvio galia veikia išskirtinai sunkiųjų elementų dalijimosi principais, apribotas šimtais kilotonų . Galima, bet nepaprastai sunku, sukurti galingesnį užtaisą, pagrįstą tik branduolio dalijimusi. 1952 metų lapkričio 15 dieną JAV buvo išbandyta galingiausia ginkluotė pasaulyje, pagrįsta tik branduolio dalijimusi, sprogimo išeiga – 500 kt.
Kad reakcija galėtų išsilaikyti, reikalingas atitinkamas „kuras“, kuris pirmuose etapuose buvo naudojamas kaip urano izotopas.
Uranas gamtoje randamas dviejų izotopų – urano-235 ir urano-238 – pavidalu. Kai skilimo proceso metu uranas-235 sugeria neutroną, išsiskiria nuo vieno iki trijų neutronų:
Kita vertus, uranas-238 neišskiria naujų neutronų, kai sugeria vidutinės energijos neutronus, užkertant kelią branduolinei reakcijai. Jis virsta uranu-239, vėliau neptūnu-239 ir galiausiai gana stabiliu plutoniu-239.
Norint užtikrinti branduolinės bombos veikimą, urano-235 kiekis branduoliniame kure turi būti ne mažesnis kaip 80%, kitaip uranas-238 greitai užgesina branduolinę grandininę reakciją. Beveik visas gamtinis uranas (apie 99,3 %) susideda iš urano-238. Todėl branduolinio kuro gamyboje naudojamas sudėtingas ir daugiapakopis urano sodrinimo procesas, dėl kurio padidėja urano-235 dalis.
Urano pagrindu pagaminta bomba tapo pirmuoju branduoliniu ginklu, kurį žmogus naudojo kovinėmis sąlygomis ("Kid" bomba buvo numesta ant Hirosimos). Dėl daugybės trūkumų (sunkumų gauti, tobulinti ir pristatyti) jie šiuo metu nėra įprasti, pasiduoda pažangesnėms bomboms, kurių pagrindą sudaro kiti radioaktyvieji elementai, kurių kritinė masė mažesnė.
Pirmasis branduolinis ginklas, susprogdintas bandymo tikslais, buvo „Gdget“ branduolinis įtaisas „Thing“. programėlė- prietaisas, smulkmena) - ant Nagasakio numestos „Fat Man“ plutonio bombos prototipas. Bandymai buvo atlikti bandymų aikštelėje netoli Alamogordo miesto Naujojoje Meksikoje.
Struktūriškai šią bombą sudarė kelios viena kitose įdėtos sferos:
- Impulsinis neutronų iniciatorius (INI, "ežiukas", "ežiukas" (angl. ežiukas)) - maždaug 2 cm skersmens rutulys, pagamintas iš berilio, padengtas plonu itrio-polonio arba metalinio polonio-210 lydinio sluoksniu - pagrindinis neutronų šaltinis, leidžiantis smarkiai sumažinti kritinę masę ir pagreitinti reakcijos pradžia. Jis užsidega tuo metu, kai kovos šerdis perkeliama į superkritinę būseną (suspaudimo metu susidaro polonio ir berilio mišinys, išsiskiriantis daugybe neutronų). Šiuo metu trumpalaikis polonis-210 buvo pakeistas ilgaamžiu plutoniu-238, kuris taip pat gali sukelti galingą neutronų impulsą, susimaišęs su beriliu.
- Plutonis. Pageidautinas gryniausias plutonio-239 izotopas, nors siekiant padidinti fizinių savybių stabilumą (tankį) ir pagerinti krūvio suspaudžiamumą, plutonis legiruojamas nedideliu kiekiu galio.
- apvalkalas (anglų k.) suklastoti), kuris tarnauja kaip neutronų reflektorius (iš urano).
- suspaudžiamas apvalkalas stūmikas) iš aliuminio. Užtikrina didesnį smūginės bangos suspaudimo tolygumą, tuo pačiu apsaugodamas vidines užtaiso dalis nuo tiesioginio kontakto su sprogmenimis ir karštais jo skilimo produktais.
- Sprogmenys su sudėtinga detonavimo sistema, užtikrinančia viso sprogmens detonaciją, yra sinchronizuojami. Sinchroniškumas būtinas norint sukurti griežtai sferinę gniuždomąją (nukreiptą į rutulio vidų) smūgio bangą. Ne sferinė banga veda prie rutulio medžiagos išstūmimo dėl nehomogeniškumo ir negalėjimo sukurti kritinės masės. Tokios sprogstamųjų medžiagų ir detonacijos vietos nustatymo sistemos sukūrimas vienu metu buvo viena iš sunkiausių užduočių. Naudojama kombinuota schema (lęšių sistema) iš „greitų“ ir „lėtų“ sprogmenų – boratolio ir TATV.
- Korpusas pagamintas iš duraliuminiu štampuotų elementų – dviejų sferinių gaubtų ir varžtais sujungto diržo.
Kovinė geležinkelio raketų sistema BZHRK 15P961 „Molodets“ su tarpžemynine branduoline raketa
Raketa RT-23 UTTH ir raketų sistema paprastai išsivystė<КБ>Pietuose Dnepropetrovske, generalinis dizaineris akademikas V.F. Utkinas. Traukinys ir paleidimo įrenginys buvo sukurti KBSM, Leningrade, vyriausiasis dizaineris akademikas A.F. Utkin. 1987-1991 metais Pastatyta 12 kompleksų .
BZHRK sudėtis apima:
1.Trys minimalūs paleidimo moduliai
2. Komandų modulis, susidedantis iš 7 automobilių
3. Automobilis cisterna su degalų ir tepalų atsargomis
4. Trys lokomotyvai DM62
Minimalus paleidimo modulis apima tris automobilius:
1. Paleidimo įrenginio valdymo kambarys 2.
2. Paleidimo priemonė
3. 3. Tiekimo blokas
Kitą Hirosimos ir Nagasakio badaboom metines nusprendžiau naršyti internete ir ieškoti klausimų apie branduolinį ginklą, kur kodėl ir kaip jis buvo sukurtas, mane mažai domino (jau žinojau) – labiau domėjausi, kaip 2 Plutonio gabalėliai netirpsta, o sudaro dideles plokštes.
Stebėkite inžinierius – jie prasideda sėjamąja ir baigiasi atomine bomba.
Branduolinė fizika yra viena skandalingiausių gerbiamo gamtos mokslo šakų. Būtent šioje srityje žmonija pusšimtį metų meta milijardus dolerių, svarų, frankų ir rublių, kaip į vėlyvo traukinio lokomotyvo krosnį. Dabar atrodo, kad traukinys nebevėluoja. Siautėjusios degančio turto ir darbo valandų liepsnos nurimo. Pabandykime trumpai suprasti, kas yra traukinys, vadinamas „branduoline fizika“.
Izotopai ir radioaktyvumas
Kaip žinote, viskas, kas egzistuoja, yra sudaryta iš atomų. Atomai, savo ruožtu, susideda iš elektronų apvalkalų, kurie gyvena pagal savo protą pučiančius dėsnius, ir branduolio. Klasikinė chemija visiškai nesidomi branduoliu ir jos asmeniniu gyvenimu. Jai atomas yra jo elektronai ir jų gebėjimas keistis sąveika. O iš chemijos šerdies reagentų proporcijoms apskaičiuoti reikia tik jos masės. Savo ruožtu branduolinė fizika nesirūpina elektronais. Ją domina mažytis (100 tūkstančių kartų mažesnis už elektronų orbitų spindulį) dulkių grūdelis atomo viduje, kuriame sutelkta beveik visa jo masė.
Ką mes žinome apie branduolį? Taip, jis sudarytas iš teigiamai įkrautų protonų ir elektriškai neįkrautų neutronų. Tačiau tai nėra visiškai tiesa. Šerdis – ne sauja dviejų spalvų kamuoliukų, kaip iliustracijoje iš mokyklinio vadovėlio. Čia veikia visiškai skirtingi dėsniai, vadinami stipriąja sąveika, kurie ir protonus, ir neutronus paverčia kažkokia niekuo neišsiskiriančia netvarka. Tačiau šios netvarkos krūvis yra tiksliai lygus bendram į jį patenkančių protonų krūviui, o masė beveik (kartosiu, beveik) sutampa su neutronų ir protonų, sudarančių branduolį, mase.
Beje, nejonizuoto atomo protonų skaičius visada sutampa su elektronų, turinčių garbę jį supti, skaičiumi. Tačiau su neutronais reikalas nėra toks paprastas. Griežtai tariant, neutronų užduotis yra stabilizuoti branduolį, nes be jų panašiai įkrauti protonai nesusitvarkytų net mikrosekundes.
Tikslumui paimkime vandenilį. Labiausiai paplitęs vandenilis Jo prietaisas juokingai paprastas – vienas protonas, apsuptas vieno orbitos elektrono. Vandenilis visatoje urmu. Galima sakyti, kad visata daugiausia susideda iš vandenilio.
Dabar atsargiai pridėkime prie protono neutroną. Chemiškai tai vis tiek yra vandenilis. Tačiau fizikos požiūriu – ne. Atradę du skirtingus vandenilius, fizikai sunerimo ir iškart sugalvojo įprastą vandenilį pavadinti protiumu, o vandenilį su neutronu su protonu - deuteriu.
Išdrįskime ir pamaitinkime branduolį dar vienu neutronu. Dabar turime kitą vandenilį, dar sunkesnį – tritį. Vėlgi, chemijos požiūriu, jis praktiškai nesiskiria nuo kitų dviejų vandenilių (na, išskyrus tai, kad dabar jis šiek tiek mažiau noriai dalyvauja reakcijoje). Iš karto noriu perspėti – jokiomis pastangomis, grasinimais ir raginimais į tričio branduolį nepavyks pridėti dar vienu neutronu. Vietos įstatymai yra daug griežtesni nei žmogiškieji.
Taigi, protis, deuteris ir tritis yra vandenilio izotopai. Jų atominė masė skiriasi, bet jų krūvis – ne. Bet būtent branduolio krūvis lemia vietą periodinėje elementų sistemoje. Štai kodėl izotopai vadinami izotopais. Išvertus iš graikų kalbos, tai reiškia „užimti tą pačią vietą“. Beje, gerai žinomas sunkusis vanduo yra tas pats vanduo, tik su dviem deuterio atomais vietoj protiumo. Atitinkamai supersunkiame vandenyje vietoj pročio yra tričio.
Dar kartą pažvelkime į savo vandenilius. Taigi ... Protium yra vietoje, deuteris yra vietoje ... O kas dar čia? Kur dingo mano tritis ir iš kur atsirado helis-3? Mūsų trityje vienas iš neutronų aiškiai nusibodo, nusprendė pakeisti profesiją ir tapo protonu. Tai darydamas jis pagimdė elektroną ir antineutriną. Tričio praradimas, žinoma, nuvilia, bet dabar žinome, kad jis nestabilus. Maitinti neutronus buvo ne veltui.
Taigi, kaip jūs suprantate, izotopai yra stabilūs ir nestabilūs. Aplink mus yra labai daug stabilių izotopų, bet, ačiū Dievui, nestabilių praktiškai nėra. Tai yra, jie yra prieinami, bet tokie išsklaidyti, kad juos reikia gauti labai didelėmis darbo sąnaudomis. Pavyzdžiui, uranas-235, sukėlęs tiek daug rūpesčių Oppenheimeriui, sudaro tik 0,7 % natūralaus urano.
Pusė gyvenimo
Čia viskas paprasta. Nestabilaus izotopo pusinės eliminacijos laikas yra laikotarpis, per kurį tiksliai pusė izotopo atomų suyra ir virsta kitais atomais. Mums jau pažįstamo tričio pusinės eliminacijos laikas yra 12,32 metų. Tai gana trumpalaikis izotopas, nors lyginant su franciumi-223, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 22,3 minutės, tritis atrodys kaip žilabarzdis aksakalis.
Jokie makroskopiniai išoriniai veiksniai (slėgis, temperatūra, drėgmė, tyrėjo nuotaika, paskirstymų kiekis, žvaigždžių išsidėstymas) neturi įtakos pusėjimo trukmei. Kvantinė mechanika nejautri tokioms nesąmonėms.
Populiarus sprogimo mechanikas
Bet kokio sprogimo esmė yra greitas energijos, kuri anksčiau buvo nelaisvoje, surištoje būsenoje, išsiskyrimas. Išsiskyrusi energija išsisklaido, daugiausia virsdama šiluma (netvarkingo molekulių judėjimo kinetinė energija), smūgine banga (taip pat judesys, bet jau sutvarkytas, kryptimi nuo sprogimo centro) ir spinduliuote – iš minkštųjų. infraraudonųjų iki kietųjų trumpųjų bangų kvantų.
Cheminio sprogimo metu viskas yra gana paprasta. Energetiškai palanki reakcija įvyksta, kai tam tikros medžiagos sąveikauja viena su kita. Reakcijoje dalyvauja tik kai kurių atomų viršutiniai elektroniniai sluoksniai, o sąveika nesigilina. Nesunku atspėti, kad bet kurioje medžiagoje yra daug daugiau latentinės energijos. Bet kokios bebūtų eksperimento sąlygos, kad ir kaip sėkmingai pasirinktume reagentus, kad ir kaip koreguotume proporcijas, chemija neleis mums gilintis į atomą. Cheminis sprogimas – primityvus reiškinys, neefektyvus ir, fizikos požiūriu, nepadoriai silpnas.
Branduolinė grandininė reakcija leidžia kasti šiek tiek giliau, įtraukiant ne tik elektronus, bet ir branduolius. Tai skamba tikrai svariai, galbūt tik fizikui, o likusiems pateiksiu paprastą analogiją. Įsivaizduokite milžinišką svorį, aplink kurį kelių kilometrų atstumu sklando elektrifikuotos dulkių dalelės. Tai yra atomas, „svoris“ yra branduolys, o „dulkių dalelės“ yra elektronai. Kad ir ką darytumėte su šiomis dulkių dalelėmis, jos nesuteiks nė šimtosios energijos, kurią galima gauti nuo svarbaus svorio. Ypač jei jis dėl kokių nors priežasčių skyla, o masyvios skeveldros dideliu greičiu išsisklaido į skirtingas puses.
Branduolinis sprogimas suaktyvina sunkiųjų dalelių, sudarančių branduolį, surišimo potencialą. Tačiau tai toli gražu ne riba: materijoje yra daug daugiau latentinės energijos. Ir šios energijos pavadinimas yra masė. Vėlgi, ne fizikui tai skamba kiek neįprastai, bet masė yra energija, tik nepaprastai koncentruota. Kiekviena dalelė: elektronas, protonas, neutronas – visa tai yra mažytės neįtikėtinai tankios energijos gumulėlės, kurios kol kas lieka ramybėje. Tikriausiai žinote formulę E = mc2, kurią taip mėgo anekdotų autoriai, sieninių laikraščių redaktoriai ir mokyklų klasių dizaineriai. Būtent apie tai ji teigia, kad masė yra ne kas kita, kaip energijos forma. Ir tai taip pat suteikia atsakymą į klausimą, kiek energijos galima gauti iš medžiagos maksimaliai.
Visiško masės, tai yra surištos energijos, perėjimo į laisvą energiją procesas vadinamas anihiliacija. Iš lotyniškos šaknies „nihil“ nesunku atspėti jo esmę – tai pavertimas „nieko“, tiksliau, į spinduliavimą. Aiškumo dėlei keli skaičiai.
Sprogimo TNT ekvivalento energija (J)
F-1 granata 60 gramų 2,50*105
Ant Hirosimos numesta bomba 16 kilotonų 6,70*1013
Vieno gramo medžiagos anihiliacija 21,5 kilotonų 8,99*1013
Vienas gramas bet kokios medžiagos (svarbi tik masė) sunaikinimo metu duos daugiau energijos nei maža branduolinė bomba. Palyginti su tokiu grįžimu, juokingi atrodo fizikų pratimai dėl branduolio skilimo, o juo labiau chemikų eksperimentai su aktyviais reagentais.
Anihiliacijai reikalingos atitinkamos sąlygos, būtent materijos kontaktas su antimedžiaga. Ir, skirtingai nei „raudonas gyvsidabris“ ar „filosofinis akmuo“, antimedžiaga yra daugiau nei tikra – mums žinomoms dalelėms panašios antidalelės egzistuoja ir buvo ištirtos, ne kartą buvo atlikti porų „elektronas + pozitronas“ anihiliacijos eksperimentai. praktikoje. Tačiau norint sukurti naikinimo ginklą, būtina surinkti tam tikrą nemažą kiekį antidalelių, taip pat apriboti jų sąlytį su bet kokia medžiaga iki iš tikrųjų kovinio naudojimo. Tai, pah-pah, dar tolima perspektyva.
masės defektas
Paskutinis klausimas, kurį dar reikia išsiaiškinti dėl sprogimo mechanikos, yra iš kur atsiranda energija: ta pati, kuri išsiskiria grandininės reakcijos metu? Čia vėl buvo mišios. O tiksliau – be savo „defekto“.
Iki praėjusio amžiaus mokslininkai manė, kad masė išsaugoma bet kokiomis sąlygomis, ir jie buvo savaip teisūs. Taigi nuleidome metalą į rūgštį – retorta pradėjo virti ir per skysčio tirštį pakilo dujų burbuliukai. Bet jei pasvertume reagentus prieš ir po reakcijos, nepamirštant išsiskiriančių dujų, masė susilieja. Ir taip bus visada, kol operuosime su kilogramais, metrais ir cheminėmis reakcijomis.
Tačiau verta pasigilinti į mikrodalelių sritį, taip pat stebina ir masė. Pasirodo, atomo masė gali būti ne visai lygi jį sudarančių dalelių masių sumai. Dalijant į sunkiojo branduolio dalis (pavyzdžiui, tą patį uraną), „fragmentai“ iš viso sveria mažiau nei branduolys prieš dalijimąsi. „Skirtumas“, dar vadinamas masės defektu, yra branduolyje esančių ryšių energijų atsakomybė. Ir būtent šis skirtumas sprogimo metu patenka į šilumą ir spinduliuotę, viskas pagal tą pačią paprastą formulę: E=mc2.
Tai įdomu: atsitiko taip, kad energetiškai naudinga padalinti sunkiuosius branduolius, o sujungti lengvuosius. Pirmasis mechanizmas veikia urano arba plutonio bomboje, antrasis – vandenilinėje bomboje. Ir jūs negalite padaryti bombos iš geležies su visu savo noru: ji stovi tiksliai šios linijos viduryje.
Atominė bomba
Istorine tvarka pirmiausia pažvelkime į branduolines bombas ir įgyvendinkime savo mažąjį Manheteno projektą. Nevarginsiu jūsų nuobodžiais izotopų atskyrimo metodais ir matematiniais dalijimosi grandininės reakcijos teorijos skaičiavimais. Turime urano, plutonio, kitų medžiagų, surinkimo instrukcijų ir reikiamo mokslinio smalsumo.
Visi urano izotopai tam tikru mastu yra nestabilūs. Tačiau uranas-235 yra ypatingoje padėtyje. Savaiminio urano-235 branduolio skilimo metu (jis dar vadinamas alfa skilimu) susidaro du fragmentai (kitų, daug lengvesnių elementų branduoliai) ir keli neutronai (dažniausiai 2-3). Jei skilimo metu susidaręs neutronas atsitrenks į kito urano atomo branduolį, įvyks eilinis tamprus susidūrimas, neutronas atsimuš ir toliau ieškos nuotykių. Tačiau po kurio laiko jis eikvoš energiją (idealiu atveju tamprūs susidūrimai įvyksta tik sferiniuose arkliuose vakuume), o kitas branduolys pasirodys kaip spąstai - neutronas bus jo absorbuojamas. Beje, toks neutronas fizikoje vadinamas terminiu neutronu.
Pažvelkite į žinomų urano izotopų sąrašą. Tarp jų nėra izotopo, kurio atominė masė būtų 236. Ar žinote kodėl? Toks branduolys gyvena mikrosekundžių dalis, o vėliau suyra, išskirdamas didžiulį energijos kiekį. Tai vadinama priverstiniu skilimu. Izotopą, turintį tokį gyvavimo laiką, net šiek tiek gėdinga vadinti izotopu.
Urano-235 branduolio skilimo metu išsiskirianti energija yra fragmentų ir neutronų kinetinė energija. Jei paskaičiuotume bendrą urano branduolio skilimo produktų masę, o paskui palygintume su pradinio branduolio mase, paaiškėtų, kad šios masės nesutampa – pirminis branduolys buvo didesnis. Šis reiškinys vadinamas masės defektu, o jo paaiškinimas slypi formulėje E0=mс2. Fragmentų kinetinė energija, padalinta iš šviesos greičio kvadrato, bus lygiai lygi masių skirtumui. Fragmentai sulėtėja urano kristalinėje gardelėje, sukelia rentgeno spindulius, o neutronai, nukeliavę, absorbuojami kitų urano branduolių arba palieka urano liejinį, kuriame vyksta visi įvykiai.
Jei urano liejinys yra mažas, dauguma neutronų paliks jį nespėję sulėtėti. Bet jei kiekvienas priverstinio skilimo veiksmas sukelia dar bent vieną tokį patį veiksmą dėl išspinduliuoto neutrono, tai jau yra savaime išsilaikanti grandininė dalijimosi reakcija.
Atitinkamai, jei padidinsite liejinio dydį, didėjantis neutronų skaičius sukels priverstinio dalijimosi veiksmus. Ir tam tikru momentu grandininė reakcija taps nekontroliuojama. Tačiau iki branduolinio sprogimo dar toli. Tiesiog labai „nešvarus“ terminis sprogimas, kurio metu išsiskirs labai daug labai aktyvių ir nuodingų izotopų.
Visai logiškas klausimas – kiek urano-235 reikia, kad dalijimosi grandininė reakcija taptų lavina? Tiesą sakant, ne viskas taip paprasta. Čia turi reikšmės skiliosios medžiagos savybės bei tūrio ir paviršiaus santykis. Įsivaizduokite toną urano-235 (iš karto padarysiu rezervaciją - tai yra daug), kuris egzistuoja plonos ir labai ilgos vielos pavidalu. Taip, palei jį skraidantis neutronas, žinoma, sukels priverstinio skilimo veiksmą. Tačiau palei laidą skraidančių neutronų dalis pasirodys tokia maža, kad kalbėti apie savaime išsilaikančią grandininę reakciją būtų tiesiog juokinga.
Todėl sutarėme atsižvelgti į kritinę sferinio liejimo masę. Grynojo urano-235 kritinė masė yra 50 kg (tai rutulys, kurio spindulys yra 9 cm). Jūs suprantate, kad toks rutulys truks neilgai, kaip ir tie, kurie jį meta.
Tačiau jei mažesnės masės rutulys yra apsuptas neutronų reflektoriaus (tam puikiai tinka berilis), o į rutulį įvedama neutronų stabdiklio medžiaga (vanduo, sunkusis vanduo, grafitas, tas pats berilis), tada kritinė masė. taps daug mažesnis. Naudojant efektyviausius neutronų reflektorius ir moderatorius, galima padidinti kritinę masę iki 250 gramų. Pavyzdžiui, tai galima pasiekti į sferinį berilio indą įdėjus sočiųjų urano-235 druskos tirpalą sunkiajame vandenyje.
Kritinė masė egzistuoja ne tik uranui-235. Yra keletas izotopų, galinčių sukelti dalijimosi grandininę reakciją. Pagrindinė sąlyga – branduolio skilimo produktai turi sukelti kitų branduolių irimo aktus.
Taigi, turime du pusrutulio formos urano liejinius, kurių kiekvienas sveria 40 kg. Kol jie bus pagarbiu atstumu vienas nuo kito, viskas bus ramu. O jei pradėsite juos lėtai judinti? Priešingai populiariems įsitikinimams, nieko panašaus į grybus neatsitiks. Tiesiog gabalai priartėję pradės kaisti, o vėliau, jei laiku nepakeisite nuomonės, jie įkais. Galų gale jie tiesiog ištirps ir pasklis, o visi, kurie perkėlė liejinius, duos ąžuolą nuo neutronų apšvitinimo. O tie, kurie tai stebėjo su susidomėjimu, suklijuos savo plekštes.
O jei greičiau? Greičiau ištirpsta. Dar greičiau? Ištirpsta dar greičiau. Atvėsk? Taip, net nuleiskite jį į skystą helią - nebus jokios prasmės. O jei šaudysi vieną gabalą į kitą? APIE! Tiesos akimirka. Mes ką tik sugalvojome urano patrankos schemą. Tačiau mes neturime kuo ypač didžiuotis, ši schema yra pati paprasčiausia ir meniškiausia iš visų galimų. Taip, ir pusrutulių teks atsisakyti. Jie, kaip parodė praktika, nėra linkę tolygiai sulipti su plokštumomis. Menkiausias iškraipymas – ir gauni labai brangią „krūvą“, po kurios sutvarkyti reikės daug laiko.
Geriau padaryti trumpą storasienį urano-235 vamzdelį, kurio masė 30-40 kg, prie kurio skylės pritvirtinsime tokio pat kalibro didelio stiprumo plieninę statinę, pakrautą to paties urano cilindru. maždaug tokios pat masės. Apsupkime urano taikinį berilio neutronų reflektoriumi. Dabar, jei į urano „vamzdį“ šaudysite urano „kulka“ – bus pilnas „vamzdis“. Tai yra, įvyks branduolinis sprogimas. Jums tereikia rimtai šaudyti, kad urano sviedinio snukio greitis būtų bent 1 km / s. Priešingu atveju vėl bus „krūva“, bet garsiau. Faktas yra tas, kad kai sviedinys ir taikinys artėja vienas prie kito, jie taip įkaista, kad pradeda intensyviai išgaruoti nuo paviršiaus, sulėtindami artėjančius dujų srautus. Be to, jei greitis yra nepakankamas, yra tikimybė, kad sviedinys tiesiog nepasieks tikslo, o pakeliui išgaruos.
Išsklaidyti iki tokio greičio keliasdešimt kilogramų sveriantį diską ir ant poros metrų atkarpos yra nepaprastai sunki užduotis. Štai kodėl jums reikės ne parako, o galingo sprogmens, galinčio per labai trumpą laiką sukurti reikiamą dujų slėgį statinėje. Ir tada jums nereikia valyti statinės, nesijaudinkite.
Ant Hirosimos numesta bomba Mk-I „Little Boy“ buvo sukurta tiksliai pagal pabūklo schemą.
Žinoma, yra smulkių smulkmenų, į kurias savo projekte neatsižvelgėme, tačiau pačiam principui visiškai nenusidėjome.
Taigi. Mes susprogdinome urano bombą. Mėgavosi grybais. Dabar susprogdinsime plutonį. Tik netempkite čia taikinio, sviedinio, vamzdžio ir kitų šiukšlių. Šis skaičius su plutoniu neveiks. Net jei šaudysime vieną gabalą į kitą 5 km/s greičiu, superkritinis mazgas vis tiek neveiks. Plutonis-239 turės laiko sušilti, išgaruoti ir sugadinti viską aplinkui. Jo kritinė masė yra kiek daugiau nei 6 kg. Galite įsivaizduoti, kiek jis aktyvesnis neutronų gaudymo požiūriu.
Plutonis yra neįprastas metalas. Priklausomai nuo temperatūros, slėgio ir priemaišų, jis yra šešių kristalinės gardelės modifikacijų. Yra net modifikacijų, kai kaitinant jis susitraukia. Perėjimai iš vienos fazės į kitą gali būti atliekami staigiai, o plutonio tankis gali pasikeisti 25 %.. Apsukime, kaip ir visi normalūs herojai. Prisiminkite, kad kritinė masė visų pirma nustatoma pagal tūrio ir paviršiaus santykį. Gerai, turime subkritinės masės rutulį, kurio minimalus paviršiaus plotas tam tikram tūriui. Tarkime, 6 kilogramai. Kamuoliuko spindulys 4,5 cm.O jei šis rutulys suspaustas iš visų pusių? Tankis padidės proporcingai tiesinio suspaudimo kubui, o paviršius mažės proporcingai jo kvadratui. Taip ir atsitinka: plutonio atomai taps tankesni, tai yra, sumažės neutrono stabdymo kelias, o tai reiškia, kad padidės jo absorbcijos tikimybė. Bet vėlgi, suspaudimas norimu greičiu (apie 10 km/s) vis tiek neveiks. Aklavietė? O čia jo nėra.
300°C temperatūroje įsijungia vadinamoji delta fazė – pati laisviausia. Jei plutonis yra legiruotas galiu, kaitinamas iki šios temperatūros ir po to lėtai atšaldomas, tada delta fazė gali egzistuoti ir kambario temperatūroje. Bet jis nebus stabilus. Esant aukštam slėgiui (dešimčių tūkstančių atmosferų eilės tvarka) įvyks staigus perėjimas į labai tankią alfa fazę.
Įdėkite plutonio rutulį į didelį (23 cm skersmens) ir sunkų (120 kg) tuščiavidurį urano-238 rutulį. Nesijaudinkite, jis neturi kritinės masės. Bet jis puikiai atspindi greituosius neutronus. Ir jie vis tiek mums pravers.Manai, kad susprogdino? Nesvarbu, kaip. Plutonis yra velniškai kaprizinga būtybė. Dar reikia dirbti. Padarykime du plutonio pusrutulius delta fazėje. Centre suformuokime sferinę ertmę. Ir šioje ertmėje patalpinsime branduolinio ginklo minties kvintesenciją – neutronų iniciatorių. Tai toks mažas tuščiaviduris berilio rutulys, kurio skersmuo yra 20, o storis - 6 mm. Jo viduje yra dar vienas 8 mm skersmens berilio rutulys. Tuščiavidurio rutulio vidiniame paviršiuje yra gilūs grioveliai. Visa tai dosniai nikeliuota ir padengta auksu. Į griovelius dedamas polonis-210, kuris aktyviai išskiria alfa daleles. Tai yra technologijų stebuklas. Kaip tai veikia? Palaukite sekundę. Dar turime atlikti keletą dalykų.
Apjuoskime urano apvalkalą kitu, pagamintu iš aliuminio lydinio su boru. Jos storis apie 13 cm. Iš viso mūsų „matrioška“ dabar priaugo iki pusės metro ir atsigavo nuo 6 iki 250 kg.
Dabar padarykime implozijos „lęšius“. Įsivaizduokite futbolo kamuolį. Klasikinis, susidedantis iš 20 šešiakampių ir 12 penkiakampių. Tokį „rutulį“ pagaminsime iš sprogstamųjų medžiagų, o kiekvieną segmentą aprūpinsime po kelis elektrinius detonatorius. Segmento storis apie pusę metro. „Lęšių“ gamyboje taip pat yra daug subtilybių, tačiau jei jos aprašytos, tai viskam kitam vietos neužteks. Svarbiausia yra maksimalus objektyvų tikslumas. Mažiausia klaida – ir visas agregatas bus sutraiškytas nuo sprogstamųjų medžiagų sprogimo. Dabar viso mazgo skersmuo yra apie pusantro metro, o masė - 2,5 tonos. Projektavimą užbaigia elektros grandinė, kurios užduotis – mikrosekundės tikslumu griežtai apibrėžta seka susprogdinti detonatorius.
Visi. Prieš mus yra plutonio sprogimo schema.
O dabar – įdomiausia.
Detonacijos metu sprogmuo suspaudžia agregatą, o aliuminio „stūmiklis“ neleidžia plisti sprogimo bangos nykimui, sklindančiam po jos priekio į vidų. Praleidusi uraną maždaug 12 km/s priešpriešiniu greičiu, suspaudimo banga kondensuos ir jį, ir plutonį. Plutonis, esant šimtų tūkstančių atmosferų slėgiui suspaudimo zonoje (sprogstamojo fronto fokusavimo efektas), pereis į alfa fazę. Per 40 mikrosekundžių čia aprašytas urano-plutonio mazgas taps ne tik superkritinis, bet ir kelis kartus didesnis už kritinę masę.
Pasiekusi iniciatorių, suspaudimo banga sutraiškys visą jos struktūrą į monolitą. Tokiu atveju aukso-nikelio izoliacija subyrės, polonis-210 prasiskverbs į berilį dėl difuzijos, jo skleidžiamos alfa dalelės, eidamos per berilį, sukels milžinišką neutronų srautą, kuris visame tūryje pradeda dalijimosi grandininę reakciją. plutonio, o „greitųjų“ neutronų srautas, gimęs plutonio skilimo metu, sukels urano-238 sprogimą. Padaryta, užauginome antrą grybą, ne prastesnį už pirmąjį.
Plutonio sprogimo schemos pavyzdys – ant Nagasakio numesta bomba Mk-III „Fatman“.
Visos čia aprašytos gudrybės reikalingos norint priversti reaguoti maksimalų skaičių plutonio atomų branduolių. Pagrindinė užduotis – kuo ilgiau išlaikyti įkrovą kompaktiškoje būsenoje, neleisti jam išsibarstyti į plazmos debesį, kuriame akimirksniu sustos grandininė reakcija. Čia kiekviena įgyta mikrosekundė yra vieno ar dviejų kilotonų galios padidėjimas.
termobranduolinė bomba
Yra populiarus įsitikinimas, kad branduolinė bomba yra termobranduolinės bombos saugiklis. Iš esmės viskas daug sudėtingiau, bet esmė užfiksuota teisingai. Ginklai, pagrįsti termobranduolinės sintezės principais, leido pasiekti tokią sprogimo galią, kurios jokiomis aplinkybėmis nepavyktų pasiekti skilimo grandinine reakcija. Tačiau kol kas vienintelis energijos šaltinis, leidžiantis „uždegti“ termobranduolinės sintezės reakciją, yra branduolinis sprogimas.
Prisimeni, kaip tu ir aš „maitinome“ vandenilio branduolį neutronais? Taigi, jei bandysite tokiu būdu sujungti du protonus, nieko nebus. Protonai nesusilies dėl Kulono atstumiamųjų jėgų. Arba jie išsiskirs, arba įvyks beta skilimas ir vienas iš protonų taps neutronu. Tačiau helis-3 egzistuoja. Dėl vieno neutrono, dėl kurio protonai labiau prisitaiko vienas prie kito.
Iš esmės, remiantis helio-3 branduolio sudėtimi, galima daryti išvadą, kad vienas helio-3 branduolys gali būti visiškai surinktas iš protiumo ir deuterio branduolių. Teoriškai tai tiesa, tačiau tokia reakcija gali vykti tik didelių ir karštų žvaigždžių gelmėse. Be to, žvaigždžių gelmėse net vien iš protonų galima surinkti helio, dalį jų paverčiant neutronais. Bet tai yra astrofizikos klausimai, ir mums pasiekiamas variantas yra sujungti du deuterio branduolius arba deuterio ir tričio branduolius.
Branduolio sintezei reikalinga viena labai specifinė sąlyga. Tai labai aukšta (109 K) temperatūra. Tik tada, kai vidutinė branduolių kinetinė energija yra 100 kiloelektronvoltų, jie gali priartėti prie atstumo, kuriuo stipri sąveika pradeda įveikti Kulono.
Gana teisėtas klausimas – kam aptverti šį sodą? Faktas yra tas, kad lengvųjų branduolių sintezės metu išsiskiria maždaug 20 MeV energija. Žinoma, su priverstiniu urano branduolio skilimu ši energija yra 10 kartų didesnė, tačiau yra vienas įspėjimas – naudojant didžiausius triukus urano užtaisas, kurio talpa net 1 megaton, yra neįmanomas. Net ir pažangesnės plutonio bombos energijos išeiga yra ne didesnė kaip 7–8 kilotonai vienam kilogramui plutonio (teorinis maksimumas – 18 kilotonų). Ir nepamirškite, kad urano branduolys yra beveik 60 kartų sunkesnis už du deuterio branduolius. Jei atsižvelgsime į specifinę energijos išeigą, termobranduolinė sintezė yra pastebimai į priekį.
Ir dar – termobranduoliniam krūviui kritinės masės apribojimų nėra. Jis tiesiog jo neturi. Tačiau yra ir kitų apribojimų, tačiau apie juos - žemiau.
Iš esmės pradėti termobranduolinę reakciją kaip neutronų šaltinį yra gana lengva. Daug sunkiau jį naudoti kaip energijos šaltinį. Čia susiduriame su vadinamuoju Lawson kriterijumi, kuris lemia energetinį termobranduolinės reakcijos pranašumą. Jei reaguojančių branduolių tankio ir jų sulaikymo laiko sintezės atstumu sandauga yra didesnė nei 1014 sek/cm3, sintezės suteikiama energija viršys į sistemą įneštą energiją.
Būtent šio kriterijaus įgyvendinimui buvo skirtos visos termobranduolinės programos.
Pirmoji Edwardo Tellerio idėja apie termobranduolinę bombą buvo tarsi bandymas sukurti plutonio bombą iš patrankos konstrukcijos. Tai yra, atrodo, kad viskas yra teisinga, bet tai neveikia. „Klasikinis super“ prietaisas – skystas deuteris, į kurį panardinta plutonio bomba – iš tiesų buvo klasikinis, bet toli gražu ne super.
Branduolinio užtaiso sprogimo skysto deuterio terpėje idėja nuo pat pradžių pasirodė aklavietė. Tokiomis sąlygomis nedidelį termobranduolinės sintezės energijos kiekį būtų galima pasiekti susprogdinant 500 kt galios branduolinį užtaisą. O apie Lawson kriterijaus pasiekimą kalbėti visai nereikėjo.
Telleriui taip pat kilo mintis apjuosti branduolinį paleidimo užtaisą termobranduolinio kuro sluoksniais, tarp kurių yra uranas-238 kaip šilumos izoliatorius ir sprogimo stiprintuvas. Ir ne tik jam. Pagal šią schemą buvo pastatytos pirmosios sovietinės termobranduolinės bombos. Principas buvo gana paprastas: branduolinis krūvis įkaitina termobranduolinį kurą iki sintezės pradžios temperatūros, o sintezės metu gimę greitieji neutronai susprogdina urano-238 sluoksnius. Tačiau apribojimas išliko tas pats – esant temperatūrai, kurią galėjo užtikrinti branduolinis paleidiklis, tik pigaus deuterio ir neįtikėtinai brangaus tričio mišinys galėjo patekti į sintezės reakciją.
Vėliau Telleris sugalvojo naudoti ličio-6 deuterido junginį. Šis sprendimas leido atsisakyti brangių ir nepatogių kriogeninių indų su skystu deuteriu. Be to, dėl apšvitinimo neutronais litis-6 buvo paverstas heliu ir tričiu, kurie pradėjo sintezės reakciją su deuteriu.
Šios schemos trūkumas buvo ribota galia – tik ribota termobranduolinio kuro, supančio gaiduką, dalis turėjo laiko įsitraukti į sintezės reakciją. Likusi dalis, nesvarbu, kiek tai buvo, nukrito į kanalizaciją. Maksimali įkrovimo galia, gauta naudojant „puffą“, buvo 720 kt (British Orange Herald bomba). Matyt, tai buvo „lubos“.
Mes jau kalbėjome apie Teller-Ulam schemos raidos istoriją. Dabar pažvelkime į šios schemos, kuri dar vadinama „dviejų pakopų“ arba „radiacijos suspaudimo schema“, technines detales.
Mūsų užduotis yra šildyti sintezės kurą ir išlaikyti tam tikrą tūrį, kad būtų įvykdytas Lawson kriterijus. Palikdami nuošalyje amerikietiškas pratybas su kriogeninėmis schemomis, paimkime ličio-6 deuteridą, mums jau žinomą kaip termobranduolinį kurą.
Kaip termobranduolinio užtaiso talpyklos medžiagą pasirinkime uraną-238. Talpykla yra cilindro formos. Jo viduje išilgai konteinerio ašies dedame cilindrinį urano-235 strypą, kurio masė yra subkritinė.
Pastaba: neutroninė bomba, kuri tuo metu sukėlė purslų, yra ta pati Teller-Ulam schema, bet be urano strypo išilgai konteinerio ašies. Tikslas yra užtikrinti galingą greitųjų neutronų srautą, bet neleisti sudeginti viso termobranduolinio kuro, kuris sunaudos neutronus.
Likusi laisvoji konteinerio vieta bus užpildyta ličio-6 deuteridu. Talpyklą pastatysime viename būsimos bombos korpuso gale (tai mums bus antra pakopa), o kitame gale montuosime įprastą kelių kilotonų talpos plutonio užtaisą (pirma pakopa). Tarp branduolinio ir termobranduolinio užtaisų įrengsime urano-238 pertvarą, kuri apsaugo nuo priešlaikinio ličio-6 deuterido įkaitimo. Likusią laisvą erdvę bombos korpuso viduje užpildykime kietu polimeru. Iš esmės termobranduolinė bomba yra paruošta.
Susprogdinus branduolinį užtaisą, 80% energijos išsiskiria rentgeno spindulių pavidalu. Jo plitimo greitis yra daug didesnis nei plutonio dalijimosi fragmentų plitimo greitis. Po šimtųjų mikrosekundės dalių urano ekranas išgaruoja, o rentgeno spinduliuotę pradeda intensyviai sugerti termobranduolinio krūvio talpyklos uranas. Dėl vadinamosios abliacijos (masės abliacijos nuo įkaitinto indo paviršiaus) atsiranda reaktyvioji jėga, kuri suspaudžia talpą 10 kartų. Būtent šis poveikis vadinamas radiacijos sprogimu arba suspaudimu spinduliuote. Šiuo atveju termobranduolinio kuro tankis padidėja 1000 kartų. Dėl didžiulio radiacijos sprogimo slėgio centrinis urano-235 strypas taip pat yra suspaudžiamas, nors ir mažesniu mastu, ir pereina į superkritinę būseną. Iki to laiko termobranduolinį bloką bombarduoja greitieji neutronai iš branduolinio sprogimo. Praėję per ličio-6 deuteridą, jie sulėtėja ir intensyviai absorbuojami urano lazdele.
Strype prasideda dalijimosi grandininė reakcija, greitai sukelianti branduolinį sprogimą konteinerio viduje. Kadangi ličio-6 deuteridas yra veikiamas abliacinio suspaudimo iš išorės ir branduolinio sprogimo slėgio iš vidaus, jo tankis ir temperatūra dar labiau padidėja. Šis momentas yra sintezės reakcijos pradžios pradžia. Tolimesnę jo priežiūrą lemia tai, kiek laiko konteineris išlaikys termobranduolinius procesus savo viduje, neišleisdamas šilumos energijos. Būtent tai lemia Lawson kriterijaus pasiekimą. Termobranduolinis kuras dega nuo cilindro ašies iki jo krašto. Degimo fronto temperatūra siekia 300 milijonų kelvinų. Visiškas sprogimo vystymas iki sintezės kuro išdegimo ir konteinerio sunaikinimo užtrunka porą šimtų nanosekundžių – dvidešimt milijonų kartų greičiau, nei perskaitėte šią frazę.
Patikimas dviejų pakopų grandinės veikimas priklauso nuo tikslaus konteinerio surinkimo ir priešlaikinio jo įkaitimo prevencijos.
Termobranduolinio krūvio galia pagal Teller-Ulam schemą priklauso nuo branduolinio trigerio galios, kuri užtikrina efektyvų suspaudimą spinduliuote. Tačiau dabar yra ir kelių pakopų schemos, kuriose ankstesnio etapo energija naudojama kitam suspausti. Trijų etapų schemos pavyzdys – jau minėta 100 megatonų „Kuzkino mama“.
