Urāna bumba un bumba, kas izgatavota no "nepiezemes" materiāla. Urāna bumba Mūsdienu urāna un plutonija bumbu izmēri

Neitronu iniciators.
Pirmais posms, neitronu iniciators, ko sauc arī par Urchin, ir berilija sfērisks apvalks ar diametru 2 cm un biezumu 0,6 cm.Tā iekšpusē atrodas berilija čaula ar diametru 0,8 cm Kopējais konstrukcijas svars ir apmēram 7 grami. Uz korpusa iekšējās virsmas ir izveidotas 15 ķīļveida spraugas ar 2,09 mm dziļumu. Pašu apvalku iegūst, karsti presējot karbonilniķeļa atmosfērā, tā virsma un iekšējā sfēra ir pārklāta ar niķeļa un zelta slāni. 50 polonija-210 karija (11 mg) tika nogulsnētas uz iekšējās sfēras un čaumalas plaisām. Zelta un niķeļa slāņi aizsargā beriliju no alfa daļiņām, ko emitē polonijs vai plutonijs, kas ieskauj iniciatoru. Iniciators ir uzstādīts uz kronšteina, kas atrodas plutonija serdeņa dobumā ar diametru 2,5 cm.
Urchin tiek aktivizēts, kad triecienvilnis sasniedz lādiņa centru. Kad triecienvilnis sasniedz plutonija iekšējā dobuma sienas, triecienvilnis no iztvaicētā plutonija iedarbojas uz iniciatoru, sasmalcinot spraugas ar poloniju un radot Munro efektu - spēcīgas materiāla strūklas, kas ātri sajauc poloniju un beriliju no ārējā un iekšējā sfēra. Po-210 emitētās alfa daļiņas absorbē berilija atomi, kas savukārt izstaro neitronus.

Plutonija lādiņš.
Deviņu centimetru sfēra, kuras centrā ir 2,5 cm dobums neitronu iniciatoram. Šo lādiņa veidu ierosināja Roberts Kristijs, lai samazinātu asimetriju un nestabilitāti sabrukšanas laikā.
Kodolā esošais plutonijs tiek stabilizēts zema blīvuma delta fāzē (blīvums 15,9), sakausējot to ar 3% gallija pēc vielas daudzuma (0,8% pēc masas). Delta fāzes izmantošanas priekšrocības salīdzinājumā ar blīvāko alfa fāzi (blīvums 19,2) ir tādas, ka delta fāze ir kaļama un lokana, bet alfa fāze ir trausla un trausla, turklāt plutonija stabilizācija delta fāzē ļauj izvairīties no saraušanās laikā. sagataves atdzesēšana un deformācija pēc liešanas vai karstās apstrādes. Var šķist, ka zemāka blīvuma materiāla izmantošana kodolam var būt neizdevīga, jo labāk izmantot blīvāku materiālu, jo ir palielināta efektivitāte un samazināts vajadzīgā plutonija daudzums, taču izrādās, ka tas nav pilnīgi taisnība. Delta stabilizētais plutonijs tiek pakļauts pārejai uz alfa fāzi salīdzinoši zemā spiedienā, kas sasniedz desmitiem tūkstošu atmosfēru. Vairāku miljonu atmosfēru spiediens, kas rodas eksplozijas sprādziena laikā, padara šo pāreju kopā ar citām parādībām, kas rodas šādas saspiešanas laikā. Tādējādi ar plutoniju delta fāzē ir lielāks blīvuma pieaugums un lielāka reaktivitātes ievade, nekā tas notiktu blīvas alfa fāzes gadījumā.

Kodols ir salikts no divām puslodēm, iespējams, sākotnēji izlietas sagatavēs un pēc tam apstrādātas, karsti presējot karbonilniķeļa atmosfērā. Tā kā plutonijs ir ļoti reaģējošs metāls un turklāt bīstams dzīvībai, katra puslode ir pārklāta ar niķeļa (vai sudraba, kā ziņots par sīkrīka kodolu) slāni. Šis pārklājums radīja problēmas ar sīkrīka kodolu, jo plutonijs tiek ātri galvanizēts. ar niķeli (vai sudrabu) izraisīja čaulu veidošanos metālā un tā nepiemērotību lietošanai kodolā. Rūpīga zelta slāņu slīpēšana un slāņošana atjaunoja pusložu radītos defektus. Tomēr plāns zelta slānis (apmēram 0,1 mm biezs) starp puslodēm jebkurā gadījumā bija nepieciešama konstrukcijas sastāvdaļa, kas kalpoja, lai novērstu priekšlaicīgu triecienviļņu strūklu iespiešanos starp puslodēm, kas varētu priekšlaicīgi aktivizēt neitronu iniciatoru.

Urāna korpuss/neitronu reflektors.
Plutonija lādiņu ieskauj apvalks, kas izgatavots no dabiskā urāna, kas sver 120 kg un kura diametrs ir 23 cm. Šis apvalks ap plutoniju veido septiņu centimetru slāni. Urāna biezumu nosaka neitronu saglabāšanas uzdevums, tāpēc neitronu bremzēšanas nodrošināšanai pietiek ar vairāku centimetru slāni. Biezāks korpuss (pārsniedz 10 cm biezumā) nodrošina ievērojamu neitronu saglabāšanu visai struktūrai, tomēr "īslaicīgas absorbcijas" efekts, kas raksturīgs ātrai, eksponenciāli attīstošai ķēdes reakcijai, samazina priekšrocības, ko sniedz biezāka reflektora izmantošana.
Apmēram 20% no bumbas enerģijas izdalās ātras urāna apvalka skaldīšanas rezultātā. Kodols un korpuss kopā veido minimāli subkritisku sistēmu. Kad eksplozijas sprādziens saspiež mezglu līdz 2,5 reizes lielākam par tā normālo blīvumu, kodols sāk saturēt apmēram četras līdz piecas kritiskās masas.

"Stūmējs"/neitronu absorbētājs.
Alumīnija slānis, kas ieskauj urānu, 11,5 cm biezs, sver 120 kg. Šīs sfēras, ko sauc par "stūmēju", galvenais mērķis ir samazināt Teilora viļņa ietekmi, strauju spiediena samazināšanos, kas notiek aiz detonācijas frontes. Šim vilnim ir tendence palielināties sabrukšanas laikā, izraisot arvien straujāku spiediena kritumu, detonācijas frontei saplūstot vienā punktā. Daļēja trieciena viļņa atstarošana, kas rodas sprāgstvielas (sastāvs “B”)/alumīnija saskarnē (blīvumu atšķirības dēļ: 1,65/2,71), sekundāro priekšpusi nosūta atpakaļ sprāgstvielai, nomācot Teilora vilni. Tas palielina pārraidītā viļņa spiedienu, palielinot kompresiju serdes centrā.
Alumīnija “stūmējs” satur arī daļu bora. Tā kā bors pats par sevi ir trausla nemetāliska viela un to ir grūti lietot, iespējams, ka tas ir viegli apstrādājama alumīnija sakausējuma veidā, ko sauc par boraks (35–50% bora). Lai gan tā kopējā daļa čaulā ir neliela, boram ir neitronu absorbētāja loma, neļaujot no turienes izplūstošajiem neitroniem atgriezties plutonija-urāna mezglā, kas palēnina alumīniju un sprāgstvielas līdz termiskajam ātrumam.

Sprādzienbīstama čaula un detonācijas sistēma.
Sprāgstvielas apvalks ir spēcīgas sprāgstvielas slānis. Tas ir apmēram 47 cm biezs un sver vismaz 2500 kg. Šajā sistēmā ir 32 sprādzienbīstamas lēcas, no kurām 20 ir sešstūra formas un 12 ir piecstūrainas. Lēcas ir savienotas kopā futbolam līdzīgā veidā, veidojot sfērisku sprāgstvielu komplektu, kura diametrs ir aptuveni 130 cm. Katrai ir 3 daļas: divas no tām ir izgatavotas no sprāgstvielas ar lielu detonācijas ātrumu, viena no tām ir izgatavota ar mazu detonācijas ātrumu. Ātri detonējošas sprāgstvielas ārējai daļai ir konusa formas padziļinājums, kas piepildīts ar sprāgstvielām ar mazu detonācijas ātrumu. Šīs savienojošās daļas veido aktīvu lēcu, kas spēj radīt apļveida, augošu triecienvilni, kas vērsta uz centru. Ātri detonējošās sprāgstvielas iekšējā puse gandrīz nosedz alumīnija sfēru, lai uzlabotu saplūstošo triecienu.
Lēcas bija precīzi izlietas, tāpēc sprāgstviela pirms lietošanas bija jāizkausē. Galvenā ātri detonējošā sprāgstviela bija “sastāvs B”, 60% heksagēna (RDX) maisījums - ļoti ātri detonējoša, bet slikti kūstoša sprāgstviela, 39% TNT (TNT) - ļoti sprādzienbīstama un viegli kūstoša sprāgstviela un 1%. vasks. “Lēnā” sprāgstviela bija baratols - TNT un bārija nitrāta maisījums (TNT daļa parasti ir 25-33%) ar 1% vasku kā saistvielu.
Lēcu sastāvs un blīvums tika precīzi kontrolēti un palika nemainīgi. Objektīvu sistēma tika noregulēta uz ļoti stingru pielaidi, lai detaļas sakristu kopā mazāk nekā 1 mm robežās, lai izvairītos no nelīdzenumiem triecienviļņā, taču objektīva virsmas izlīdzināšana bija vēl svarīgāka par to salikšanu kopā.
Lai panāktu ļoti precīzu detonatora laiku, standarta detonatoriem nebija primāro/sekundāro sprādzienbīstamo vielu kombināciju un tiem bija elektriski apsildāmi vadītāji. Šie vadītāji ir plānas stieples gabali, kas uzreiz iztvaiko no strāvas pārsprieguma, kas saņemts no jaudīga kondensatora. Detonatora sprādzienbīstamais materiāls tiek uzspridzināts. Kondensatoru baterijas izlādi un stieples iztvaikošanu visiem detonatoriem var veikt gandrīz vienlaikus - starpība ir +/- 10 nanosekundes. Šādas sistēmas negatīvie aspekti ir nepieciešamība pēc lieliem akumulatoriem, augstsprieguma barošanas avota un jaudīgas kondensatoru bankas (ko sauc par X-Unit, kas sver aptuveni 200 kg), kas paredzētas 32 detonatoru vienlaicīgai izšaušanai.
Gatavo sprāgstvielu apvalku ievieto duralumīnija korpusā. Korpusa struktūra sastāvēja no centrālās jostas, kas samontēta no 5 apstrādātiem duralumīnija lējumiem, un augšējās un apakšējās puslodes, kas veido pilnīgu apvalku.

Pēdējais montāžas posms.
Bumbas galīgajā dizainā ir iekļauts īpašs “vāks”, caur kuru galā tiek ievietoti skaldāmie materiāli. Lādiņu var izgatavot pilnībā, izņemot plutonija ieliktni ar iniciatoru. Drošības apsvērumu dēļ montāža tiek pabeigta tieši pirms praktiskās lietošanas. Duralumīnija puslode tiek noņemta kopā ar vienu no sprādzienbīstamām lēcām. Neitronu iniciators ir uzstādīts starp plutonija puslodēm un uzstādīts 40 kg smaga urāna cilindrā, un pēc tam visa šī konstrukcija tiek ievietota urāna atstarotāja iekšpusē. Objektīvs atgriežas savā vietā, tam tiek pievienots detonators, un vāciņš tiek ieskrūvēts vietā.
Fat Man bija nopietns risks, kad tas tika nosūtīts un uzglabāts gatavs lietošanai, lai gan pat sliktākajā gadījumā tas joprojām bija mazāk bīstams nekā Little Boy. Kodola ar urāna reflektoru kritiskā masa ir 7,5 kg plutonija delta fāzei un tikai 5,5 kg alfa fāzei. Jebkura nejauša sprāgstvielas čaulas uzspridzināšana var izraisīt Fat Man 6,2 kilogramus smagas kodola saspiešanu superkritiskajā alfa fāzē. Aprēķinātais sprādziena spēks no šādas nesankcionētas lādiņa detonācijas būtu no desmitiem tonnu (rupji runājot kārtu vairāk nekā sprādzienbīstamais lādiņš bumbā) līdz pāris simtiem tonnu trotila ekvivalenta. Taču galvenās briesmas slēpjas caurejošā starojuma plūsmā sprādziena laikā. Gamma stari un neitroni var izraisīt nāvi vai nopietnas saslimšanas daudz tālāk nekā triecienviļņu izplatīšanās zonu.Tādējādi neliels 20 tonnu kodolsprādziens radīs nāvējošu 640 rem lielu starojuma devu 250 m attālumā.
Drošības apsvērumu dēļ Fat Man transportēšana nekad netika veikta pilnībā samontētā veidā, bumbas tika pabeigtas tieši pirms lietošanas. Ieroča sarežģītības dēļ šis process prasīja vismaz pāris dienas (ņemot vērā starppārbaudes) Samontētā bumba nevarēja darboties ilgu laiku, jo X-Unit baterijas bija zemas.
Dzīvās plutonija bumbas kontūra galvenokārt sastāv no eksperimentālas sīkrīka konstrukcijas, kas iepakota tērauda apvalkā. Abas tērauda elipsoīda puses ir piestiprinātas spridzināšanas sistēmas pārsējam kopā ar X-Unit, akumulatoriem, drošinātājiem un sprūda elektroniku, kas atrodas uz čaulas priekšpuse.
Tāpat kā Little Boy, arī Fat Man augstkalnu drošinātājs ir Atchis radara tālmēra sistēma (Archies - tās antenas var redzēt sānos Little Boy fotogrāfijās). Kad lādiņš sasniedz nepieciešamo augstumu virs zemes (iestatīts uz 1850+-100 pēdām), tas dod signālu par detonāciju. Turklāt bumba ir aprīkota arī ar barometrisko sensoru, kas novērš sprādzienu virs 7000 pēdām.

Plutonija bumbas izmantošanas apkarošana.
Uz salas notika Resnā cilvēka pēdējā montāža. Tinian.
1945. gada 26. jūlijā ar lidmašīnu C-54 no Kērtlendas gaisa spēku bāzes uz Tinjanu tika nosūtīts plutonija kodols ar iniciatoru.
28. jūlijā uz salas ierodas kodols. Šajā dienā trīs B-29 izlido no Kērtlandes uz Tinjanu ar trim iepriekš samontētiem Fat Mans.
2. augusts — ierodas B-29. Sprādziena datums noteikts 11. augusts, mērķis ir arsenāls Kokurā. Pirmās bumbas daļa, kas nav saistīta ar kodolu, bija gatava līdz 5. augustam.
7. augustā nāk prognoze par 11. lidojumam nelabvēlīgiem laikapstākļiem, lidojuma datums tiek pārcelts uz 10. augustu, pēc tam uz 9. augustu. Datuma maiņas dēļ notiek paātrināts darbs pie lādiņa montāžas.
Astotās dienas rītā Fat Man montāža ir pabeigta, un līdz pulksten 22:00 viņš tiek iekrauts B-29 "Block's Car".
9. augusts:
03:47 Lidmašīna paceļas no Tinjanas, mērķis tiek identificēts kā Kokur Arsenāls. Pilots - Čārlzs Svīnijs.
10:44 Laiks tuvoties Kokurai, bet sliktas redzamības apstākļos mērķis ir neredzams. Pretgaisa artilērijas apšaude un japāņu iznīcinātāju parādīšanās liek pārtraukt meklēšanu un pagriezties uz rezerves mērķi – Nagasaki.
Virs pilsētas bija mākoņu kārta - tāpat kā virs Kokuras, vienai piegājienam bija atlikusi tikai degviela, tāpēc bumba tika iemesta pirmajā piemērotajā mākoņu spraugā vairākas jūdzes no noteiktā mērķa.
11:02 503 m augstumā netālu no pilsētas robežas notiek sprādziens, jauda pēc mērījumiem 1987. gadā ir 21 kt. Neskatoties uz to, ka sprādziens notika uz apdzīvotas pilsētas daļas robežas, upuru skaits pārsniedza 70 000 cilvēku. Tika iznīcinātas arī Mitsubishi ieroču ražotnes.

Urāna bumba

Darbības princips

Kodolieroču pamatā ir nekontrolēta kodola skaldīšanas ķēdes reakcija. Ir divas galvenās shēmas: “lielgabals”, ko citādi sauc par ballistisko, un implozīvs.

« Lielgabals" Shēma ir raksturīga primitīvākajiem pirmās paaudzes kodolieroču modeļiem, kā arī artilērijas un kājnieku ieroču kodolieročiem, kuriem ir ieroča kalibra ierobežojumi. Tās būtība ir “izšaut” divus subkritiskās masas skaldāmās vielas blokus vienu pret otru. Šī detonācijas metode ir iespējama tikai urāna munīcijā, jo plutonijam ir augstāks neitronu fons, kas noved pie nepieciešamā lādiņa daļu savienojuma ātruma palielināšanās, pārsniedzot tehniski sasniedzamo.

"Iespaidīgs" shēma paredz superkritiskā stāvokļa iegūšanu, saspiežot skaldmateriālu ar fokusētu triecienvilni, ko rada parastās ķīmiskās sprāgstvielas sprādziens, kam fokusēšanai tiek piešķirta ļoti sarežģīta forma un detonācija tiek veikta vienlaicīgi vairākos punktos ar precīzu precizitāti.

Kodolenerģija strādā tikai pamatojoties uz smago elementu skaldīšanas principiem, ierobežots līdz simtiem kilotonu . Ir iespējams, bet ārkārtīgi grūti izveidot jaudīgāku lādiņu, kas balstīts tikai uz kodola skaldīšanu. Pasaulē jaudīgākā munīcija, kuras pamatā ir tikai kodola skaldīšana, tika izmēģināta ASV 1952. gada 15. novembrī ar sprādziena jaudu 500 kt.

Lai reakcija spētu uzturēt sevi, ir nepieciešama atbilstoša “degviela”, kas pirmajos posmos tika izmantota kā urāna izotops.

Urāns dabā sastopams divu izotopu formā - urāns-235 un urāns-238. Kad urāns-235 sabrukšanas procesā absorbē neitronu, tiek atbrīvoti no viena līdz trim neitroniem:

Gluži pretēji, urāns-238, absorbējot mērenas enerģijas neitronus, neizdala jaunus, traucējot kodolreakciju. Tas pārvēršas par urānu-239, pēc tam par neptūniju-239 un visbeidzot par samērā stabilu plutoniju-239.

Lai nodrošinātu kodolbumbas funkcionalitāti, urāna-235 saturam kodoldegvielā jābūt vismaz 80%, pretējā gadījumā urāns-238 ātri nodzēsīs kodolenerģijas ķēdes reakciju. Gandrīz viss dabiskais urāns (apmēram 99,3%) sastāv no urāna-238. Tāpēc kodoldegvielas ražošanā tiek izmantots sarežģīts un daudzpakāpju urāna bagātināšanas process, kā rezultātā palielinās urāna-235 īpatsvars.

Uz urāna bāzes izgatavotā bumba bija pirmais kodolierocis, ko cilvēki izmantoja kaujā (bumba "Mazā puika" tika nomesta uz Hirosimu). Sakarā ar vairākiem trūkumiem (grūtības iegūt, izstrādāt un piegādāt), tās pašlaik nav plaši izplatītas, zemākas par modernākām bumbām, kuru pamatā ir citi radioaktīvie elementi ar mazāku kritisko masu.

Pirmā kodolierīce, kas tika detonēta izmēģinājumu nolūkos, bija Gadget kodolierīce. sīkrīku- ierīce, piekariņš) - plutonija bumbas "Fat Man" prototips, kas nomests uz Nagasaki. Pārbaudes tika veiktas izmēģinājumu poligonā netālu no Alamogordo Ņūmeksikā.

Strukturāli šī bumba sastāvēja no vairākām sfērām, kas bija ievietotas viena otras iekšpusē:

1. Impulsu neitronu iniciators (INI, "ezis", "ezis" (eng. eži)) - apmēram 2 cm diametra bumbiņa, kas izgatavota no berilija, pārklāta ar plānu itrija-polonija sakausējuma vai metāla polonija-210 kārtu - primāro neitronu avotu, lai strauji samazinātu kritisko masu un paātrinātu reakcijas sākšanos . Tas tiek iedarbināts brīdī, kad kaujas kodols tiek pārnests uz superkritisko stāvokli (saspiešanas laikā polonijs un berilijs tiek sajaukti, atbrīvojot lielu skaitu neitronu). Pašlaik īslaicīgais polonijs-210 ir aizstāts ar ilgmūžīgu plutoniju-238, kas arī spēj radīt spēcīgu neitronu impulsu, ja to sajauc ar beriliju.
2. Plutonijs. Vēlams pēc iespējas tīrāks plutonija-239 izotops, lai gan plutonijs ir leģēts ar nelielu daudzumu gallija, lai palielinātu fizikālo īpašību stabilitāti (blīvumu) un uzlabotu lādiņa saspiežamību.
3. Shell (angļu valodā) viltot), kas kalpo kā neitronu atstarotājs (no urāna).
4. Saspiežot čaulu stūmējs) izgatavots no alumīnija. Nodrošina lielāku triecienviļņa saspiešanas vienmērīgumu, vienlaikus aizsargājot lādiņa iekšējās daļas no tiešas saskares ar sprāgstvielu un karstajiem tās sadalīšanās produktiem.
5. Sprāgstviela ar sarežģītu detonācijas sistēmu, kas nodrošina visas sprāgstvielas sinhronizētu detonāciju. Sinhronitāte ir nepieciešama, lai izveidotu stingri sfērisku saspiešanas (novirzītu bumbas iekšpusē) triecienvilni. Nesfērisks vilnis noved pie lodīšu materiāla izgrūšanas neviendabīguma dēļ un neiespējamības izveidot kritisko masu. Šādas sprāgstvielu izvietošanas un detonācijas sistēmas izveide savulaik bija viens no grūtākajiem uzdevumiem. Tiek izmantota “ātro” un “lēno” sprāgstvielu kombinētā shēma (lēcu sistēma) - boratols un TATV.
6. Korpuss ir izgatavots no štancētiem duralumīnija elementiem - diviem sfēriskiem vākiem un jostas, kas savienotas ar skrūvēm.

Kaujas dzelzceļa raķešu sistēma BZHRK 15P961 “Molodets” ar starpkontinentālo kodolraķeti

RT-23 UTTH raķete un raķešu sistēma parasti attīstījās<КБ>Južnoja Dņepropetrovskā, galvenais dizainers akadēmiķis V.F. Utkins. Vilciens un palaišanas iekārta tika izstrādāta KBSM, Ļeņingradā, galvenais dizaineris akadēmiķis A.F. Utkins. 1987.-1991.gadā Uzcelti 12 kompleksi .

BZHRK sastāvā ietilpst:

1. Trīs minimālie starta moduļi

2. Komandu modulis, kas sastāv no 7 automašīnām

3. Autocisternas ar degvielas un smērvielu rezervēm

4. Trīs dīzeļlokomotīves DM62

Minimālais palaišanas modulis ietver trīs automašīnas:

1. Palaišanas ierīces vadības telpa 2.

2. Palaišanas iekārta

3. 3. Atbalsta vienība

Nākamajā badabuma gadadienā Hirosimā un Nagasaki es nolēmu pārlūkot internetu par jautājumiem par kodolieročiem, kur, kāpēc un kā tie tika izveidoti, mani maz interesēja (es jau zināju) - mani vairāk interesēja, kā 2 plutonija gabali nekūst, bet rada lielu sprādzienu.

Sekojiet līdzi inženieriem – viņi sākas ar sējmašīnu un beidzas ar atombumbu.

Kodolfizika ir viena no vispretrunīgākajām cienījamo dabaszinātņu jomām. Tieši šajā jomā cilvēce pusgadsimtu kā lokomotīves krāsnī iemeta miljardus dolāru, mārciņu, franku un rubļu. Tagad šķiet, ka vilciens vairs nekavē. Degošo līdzekļu un darba stundu niknās liesmas norima. Mēģināsim īsi izdomāt, kāda veida vilcienu sauc par “kodolfiziku”.

Izotopi un radioaktivitāte

Kā zināms, viss esošais sastāv no atomiem. Atomi, savukārt, sastāv no elektronu apvalkiem, kas dzīvo saskaņā ar saviem prāta likumiem, un kodola. Klasisko ķīmiju nemaz neinteresē kodols un tā personīgā dzīve. Viņai atoms ir tā elektroni un to spēja apmainīties ar mijiedarbību. Un no ķīmijas kodola jums ir nepieciešama tikai tā masa, lai aprēķinātu reaģentu proporcijas. Savukārt kodolfizikai nerūp elektroni. Viņa interesējas par niecīgu (100 tūkstošus reižu mazāku par elektronu orbītu rādiusu) putekļu plankumu atoma iekšienē, kurā ir koncentrēta gandrīz visa tā masa.

Ko mēs zinām par kodolu? Jā, tas sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un neitroniem, kuriem nav elektriskā lādiņa. Tomēr tā nav gluži taisnība. Kodols nav sauja divu krāsu bumbiņu, kā ilustrācijā no skolas mācību grāmatas. Šeit darbojas pilnīgi atšķirīgi likumi, ko sauc par spēcīgu mijiedarbību, pārvēršot gan protonus, gan neitronus par kaut kādu neatšķiramu putru. Tomēr šī putra lādiņš ir tieši vienāds ar tajā iekļauto protonu kopējo lādiņu, un masa gandrīz (atkārtoju, gandrīz) sakrīt ar neitronu un protonu masu, kas veido kodolu.

Starp citu, nejonizēta atoma protonu skaits vienmēr sakrīt ar elektronu skaitu, kam ir gods to apņemt. Bet ar neitroniem lieta nav tik vienkārša. Stingri sakot, neitronu uzdevums ir stabilizēt kodolu, jo bez tiem līdzīgi lādēti protoni neiztiktu kopā pat mikrosekundes.

Noteiktības labad ņemsim ūdeņradi. Visizplatītākais ūdeņradis. Tās uzbūve ir smieklīgi vienkārša – viens protons, ko ieskauj viens orbitālais elektrons. Visumā ir daudz ūdeņraža. Var teikt, ka Visums galvenokārt sastāv no ūdeņraža.

Tagad uzmanīgi pievienosim protonam neitronu. No ķīmiskā viedokļa tas joprojām ir ūdeņradis. Bet no fizikas viedokļa vairs ne. Atklājot divus dažādus ūdeņražus, fiziķi uztraucās un nekavējoties nāca klajā ar ideju saukt parasto ūdeņraža protiju, bet ūdeņradi ar neitronu pie protona - deitēriju.

Būsim drosmīgi un pabarosim kodolā vēl vienu neitronu. Tagad mums ir cits ūdeņradis, vēl smagāks – tritijs. Atkal no ķīmiskā viedokļa tas praktiski neatšķiras no pārējiem diviem ūdeņražiem (nu, izņemot to, ka tagad tas reaģē nedaudz mazāk viegli). Es gribu jūs uzreiz brīdināt – nekādas pūles, draudi vai pārliecināšana nevar pievienot tritija kodolam vēl vienu neitronu. Vietējie likumi ir daudz stingrāki nekā cilvēku likumi.

Tātad protijs, deitērijs un tritijs ir ūdeņraža izotopi. Viņu atomu masa ir atšķirīga, bet lādiņš nav. Bet tas ir kodola lādiņš, kas nosaka atrašanās vietu elementu periodiskajā tabulā. Tāpēc izotopus sauc par izotopiem. Tulkojumā no grieķu valodas tas nozīmē “ieņemt to pašu vietu”. Starp citu, labi zināmais smagais ūdens ir tas pats ūdens, bet ar diviem deitērija atomiem protija vietā. Attiecīgi supersmags ūdens satur tritiju, nevis protiju.

Paskatīsimies vēlreiz uz mūsu ūdeņražiem. Tātad... Protijs ir vietā, deitērijs ir vietā... Kurš vēl šis ir? Kur pazuda mans tritijs un no kurienes nāca hēlijs-3? Mūsu tritijā vienam no neitroniem acīmredzami kļuva garlaicīgi, viņš nolēma mainīt profesiju un kļuva par protonu. To darot, tas radīja elektronu un antineitrīnu. Tritija zudums, protams, rada vilšanos, taču tagad mēs zinām, ka tas ir nestabils. Neitronu barošana nebija veltīga.

Tātad, kā jūs saprotat, izotopi ir stabili un nestabili. Mums apkārt ir daudz stabilu izotopu, bet, paldies Dievam, nestabilu praktiski nav. Tas ir, tie pastāv, bet tik izkliedētā stāvoklī, ka tie ir jāiegūst par ļoti liela darbaspēka cenu. Piemēram, urāns-235, kas Oppenheimeram sagādāja tik daudz nepatikšanas, veido tikai 0,7% no dabiskā urāna.

Pus dzīve

Šeit viss ir vienkārši. Nestabila izotopa pussabrukšanas periods ir laika periods, kurā tieši puse izotopa atomu sadalīsies un pārvērtīsies citos atomos. Mums jau pazīstamā tritija pussabrukšanas periods ir 12,32 gadi. Šis ir diezgan īslaicīgs izotops, lai gan, salīdzinot ar franciju-223, kura pussabrukšanas periods ir 22,3 minūtes, tritijs šķitīs pelēks bārdains vecākais.

Nekādi makroskopiski ārējie faktori (spiediens, temperatūra, mitrums, pētnieka noskaņojums, sadalījumu skaits, zvaigžņu atrašanās vieta) neietekmē pussabrukšanas periodu. Kvantu mehānika ir nejutīga pret šādām muļķībām.

Populāra sprādziena mehānika

Jebkura sprādziena būtība ir ātra enerģijas izdalīšanās, kas iepriekš bija nebrīvā, saistītā stāvoklī. Atbrīvotā enerģija tiek izkliedēta, pārsvarā pārvēršoties siltumā (molekulu nesakārtotās kustības kinētiskā enerģija), triecienvilnī (šeit ir arī kustība, bet jau sakārtota, virzienā no sprādziena centra) un starojumā - no plkst. no mīkstā infrasarkanā līdz cietajiem īsviļņu kvantiem.

Ķīmiskā sprādzienā viss ir salīdzinoši vienkārši. Enerģētiski labvēlīga reakcija notiek, ja noteiktas vielas mijiedarbojas viena ar otru. Reakcijā piedalās tikai dažu atomu augšējie elektroniskie slāņi, un mijiedarbība neiet dziļāk. Ir viegli uzminēt, ka jebkurā vielā ir daudz vairāk slēptās enerģijas. Bet neatkarīgi no eksperimenta apstākļiem, neatkarīgi no tā, cik veiksmīgi mēs izvēlētos reaģentus, neatkarīgi no tā, kā mēs pārbaudām proporcijas, ķīmija neļaus mums iedziļināties atomā. Ķīmiskais sprādziens ir primitīva parādība, neefektīva un, no fizikas viedokļa, nepieklājīgi vāja.

Kodolķēdes reakcija ļauj rakt nedaudz dziļāk, iesaistot ne tikai elektronus, bet arī kodolus. Tas izklausās patiešām nozīmīgi, iespējams, tikai fiziķim, bet par pārējo es sniegšu vienkāršu analoģiju. Iedomājieties milzu svaru ar elektrificētām putekļu daļiņām, kas plīvo ap to vairāku kilometru attālumā. Tas ir atoms, “svars” ir kodols, un “putekļu daļiņas” ir elektroni. Lai ko jūs darītu ar šiem putekļu plankumiem, tie nesniegs ne simtdaļu no enerģijas, ko var iegūt no liela svara. It īpaši, ja kāda iemesla dēļ tas sadalās un masīvi fragmenti lielā ātrumā izkliedējas dažādos virzienos.

Kodolsprādziens ietver smago daļiņu, kas veido kodolu, saistīšanās potenciālu. Bet tas ir tālu no robežas: matērijā ir daudz vairāk slēptās enerģijas. Un šīs enerģijas nosaukums ir masa. Atkal, tas izklausās nedaudz neparasti nefiziķim, bet masa ir enerģija, tikai ārkārtīgi koncentrēta. Katra daļiņa: elektrons, protons, neitrons - tie visi ir mazi neticami blīvas enerģijas gabali, kas pagaidām paliek miera stāvoklī. Jūs droši vien zināt formulu E=mc2, ko tik ļoti iecienījuši joku rakstītāji, sienas avīžu redaktori un skolas klases dekoratori. Tieši par to ir runa, un tas ir tas, kas izvirza masu kā tikai enerģijas veidu. Un tas arī sniedz atbildi uz jautājumu, cik daudz enerģijas var iegūt no vielas līdz maksimumam.

Masas, tas ir, saistītās enerģijas, pilnīgas pārejas procesu brīvā enerģijā sauc par iznīcināšanu. No latīņu saknes “nihil” ir viegli uzminēt tā būtību - tā ir pārvēršanās par “neko”, vai drīzāk, par starojumu. Skaidrības labad šeit ir daži skaitļi.

Eksplozijas TNT ekvivalenta enerģija (J)

F-1 granāta 60 grami 2,50*105

Uz Hirosimas nomesta bumba 16 kilotonnas 6,70*1013

Viena grama vielas iznīcināšana 21,5 kilotonni 8,99*1013

Viens grams jebkuras vielas (svarīga ir tikai masa) pēc iznīcināšanas dos vairāk enerģijas nekā maza kodolbumba. Salīdzinot ar šādu atdevi, fiziķu vingrinājumi par kodola skaldīšanu un vēl jo vairāk ķīmiķu eksperimenti ar aktīviem reaģentiem šķiet smieklīgi.

Iznīcināšanai ir nepieciešami atbilstoši apstākļi, proti, vielas kontakts ar antimateriālu. Un atšķirībā no “sarkanā dzīvsudraba” vai “filozofu akmens” antimateriāls ir vairāk nekā reāls – mums zināmajām daļiņām līdzīgas antidaļiņas pastāv un ir pētītas, un vairākkārt ir veikti eksperimenti par “elektronu + pozitronu” pāru iznīcināšanu. veiktas praksē. Bet, lai izveidotu iznīcināšanas ieroci, ir jāsavāc noteikts ievērojams daudzums antidaļiņu, kā arī jāierobežo to saskare ar jebkuru vielu līdz pat kaujas lietošanai. Tas, pah-pah, joprojām ir tālu izredzes.

Masveida defekts

Pēdējais jautājums, kas vēl jāsaprot attiecībā uz sprādziena mehāniku, ir tas, no kurienes nāk enerģija: tā pati, kas izdalās ķēdes reakcijas laikā? Šeit atkal bija iesaistīta kāda masa. Pareizāk sakot, bez tā “defekta”.

Līdz pagājušajam gadsimtam zinātnieki uzskatīja, ka masa tiek saglabāta jebkuros apstākļos, un viņiem bija taisnība savā veidā. Tāpēc mēs nolaidām metālu skābē - tas sāka burbuļot retortē un gāzes burbuļi metās augšup cauri šķidruma biezumam. Bet, ja jūs nosverat reaģentus pirms un pēc reakcijas, neaizmirstot izdalīto gāzi, masa saplūst. Un tā tas būs vienmēr, kamēr darbosimies ar kilogramiem, skaitītājiem un ķīmiskām reakcijām.

Taču, tiklīdz iedziļināties mikrodaļiņu laukā, pārsteigumu sagādā arī masa. Izrādās, ka atoma masa var nebūt precīzi vienāda ar to daļiņu masu summu, kas to veido. Kad smago kodolu (piemēram, urānu) sadala daļās, “fragmenti” kopā sver mazāk nekā kodols pirms skaldīšanas. "Atšķirība", ko sauc arī par masas defektu, ir atbildīga par saistošajām enerģijām kodolā. Un tieši šī atšķirība sprādziena laikā nonāk siltumā un starojumā, un tas viss notiek saskaņā ar to pašu vienkāršo formulu: E=mc2.

Tas ir interesanti: notiek tā, ka enerģētiski izdevīgi ir sadalīt smagos kodolus un apvienot vieglos. Pirmais mehānisms darbojas urāna vai plutonija bumbā, otrais ūdeņraža bumbā. Bet jūs nevarat izgatavot bumbu no dzelzs, lai kā jūs mēģinātu: tā atrodas šīs līnijas vidū.

Kodolbumba

Sekojot vēsturiskajai secībai, vispirms apsvērsim kodolbumbas un īstenosim savu mazo “Manhetenas projektu”. Es jūs nenogurdināšu ar garlaicīgajām izotopu atdalīšanas metodēm un skaldīšanas ķēdes reakcijas teorijas matemātiskiem aprēķiniem. Mums un jums ir urāns, plutonijs, citi materiāli, montāžas instrukcijas un nepieciešamā zinātniskā zinātkāre.

Visi urāna izotopi vienā vai otrā pakāpē ir nestabili. Bet urāns-235 atrodas īpašā stāvoklī. Urāna-235 kodola spontānās sabrukšanas laikā (ko sauc arī par alfa sabrukšanu) veidojas divi fragmenti (citu, daudz vieglāku elementu kodoli) un vairāki neitroni (parasti 2-3). Ja sabrukšanas laikā izveidojies neitrons nonāks cita urāna atoma kodolā, notiks parasta elastīga sadursme, neitrons atspēkosies un turpinās piedzīvojumu meklējumus. Bet pēc kāda laika tas tērēs enerģiju (ideāli elastīgas sadursmes notiek tikai starp sfēriskiem zirgiem vakuumā), un nākamais kodols izrādīsies lamatas - neitronu tas absorbēs. Starp citu, fiziķi šādu neitronu sauc par termisku.

Apskatiet zināmo urāna izotopu sarakstu. Starp tiem nav izotopu ar atommasu 236. Vai jūs zināt, kāpēc? Šāds kodols dzīvo mikrosekunžu daļu un pēc tam sadalās, atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu. To sauc par piespiedu samazināšanos. Ir kaut kā neērti pat izotopu ar tādu mūžu saukt par izotopu.

Urāna-235 kodola sabrukšanas laikā izdalītā enerģija ir fragmentu un neitronu kinētiskā enerģija. Ja aprēķināt urāna kodola sabrukšanas produktu kopējo masu un pēc tam salīdzināt to ar sākotnējā kodola masu, izrādās, ka šīs masas nesakrīt - sākotnējais kodols bija lielāks. Šo parādību sauc par masas defektu, un tās skaidrojums ir ietverts formulā E0=mс2. Fragmentu kinētiskā enerģija, dalīta ar gaismas ātruma kvadrātu, būs tieši vienāda ar masu starpību. Fragmenti tiek palēnināti urāna kristāliskajā režģī, radot rentgena starojumu, un neitroni, pārvietojoties, tiek absorbēti citos urāna kodolos vai atstāj urāna liešanu, kur notiek visi notikumi.

Ja urāna lējums ir mazs, lielākā daļa neitronu to pametīs bez laika palēnināties. Bet, ja katrs piespiedu sabrukšanas akts izraisa vēl vismaz vienu līdzīgu darbību emitētā neitrona dēļ, tā jau ir pašpietiekama skaldīšanas ķēdes reakcija.

Attiecīgi, ja palielināsiet lējuma izmēru, pieaugošs neitronu skaits izraisīs piespiedu skaldīšanas aktus. Un kādā brīdī ķēdes reakcija kļūs nekontrolējama. Bet tas ir tālu no kodolsprādziena. Tikai ļoti “netīrs” termiskais sprādziens, kas atbrīvos lielu skaitu ļoti aktīvu un toksisku izotopu.

Pilnīgi loģisks jautājums ir: cik daudz urāna-235 ir nepieciešams, lai skaldīšanas ķēdes reakcija kļūtu par lavīnu? Patiesībā tas nav tik vienkārši. Šeit liela nozīme ir skaldāmā materiāla īpašībām un tilpuma un virsmas attiecībai. Iedomājieties tonnu urāna-235 (es tūlīt rezervēšu - tas ir daudz), kas pastāv plānas un ļoti garas stieples veidā. Jā, gar to lidojošs neitrons, protams, izraisīs piespiedu sabrukšanas aktu. Bet neitronu daļa, kas lido gar vadu, būs tik maza, ka ir vienkārši smieklīgi runāt par pašpietiekamu ķēdes reakciju.

Tāpēc mēs vienojāmies aprēķināt kritisko masu sfēriskam lējumam. Tīram urānam-235 kritiskā masa ir 50 kg (tā ir bumbiņa ar rādiusu 9 cm). Tu saproti, ka tāda bumba ilgi neturēsies, tomēr arī tie, kas to met.

Ja mazākas masas bumbiņu ieskauj neitronu atstarotājs (tam lieliski piemērots berilijs) un bumbiņā tiek ievadīts neitronu moderators (ūdens, smagais ūdens, grafīts, tas pats berilijs), tad kritiskā masa kļūs daudz lielāka. mazāks. Izmantojot efektīvākos reflektorus un neitronu moderatorus, kritisko masu var palielināt līdz 250 gramiem. To, piemēram, var panākt, ievietojot piesātinātu urāna-235 sāls šķīdumu smagajā ūdenī sfēriskā berilija traukā.

Kritiskā masa pastāv ne tikai urānam-235. Ir arī vairāki izotopi, kas spēj veikt skaldīšanas ķēdes reakcijas. Galvenais nosacījums ir tāds, ka kodola sabrukšanas produktiem ir jāizraisa citu kodolu sabrukšanas akti.

Tātad mums ir divi puslodes formas urāna lējumi, kas katrs sver 40 kg. Kamēr viņi atradīsies cieņpilnā attālumā viens no otra, viss būs mierīgi. Ko darīt, ja sākat tos lēnām kustināt? Pretēji izplatītajam uzskatam nekas sēnēm līdzīgs nenotiks. Vienkārši gabaliņi, tuvojoties, sāks uzkarst, un tad, ja jūs laikus nesanāks, tie kļūs karsti. Galu galā tie vienkārši izkusīs un izplatīsies, un visi, kas pārvietoja lējumus, mirs no neitronu apstarošanas. Un tie, kas to skatījās ar interesi, salīmēs spuras kopā.

Ko darīt, ja tas ir ātrāk? Tie izkusīs ātrāk. Vēl ātrāk? Tie izkusīs vēl ātrāk. Forši? Pat ja jūs to ievietojat šķidrā hēlijā, tas nedos nekādu labumu. Ko darīt, ja tu šauj vienu gabalu uz otru? PAR! Patiesības brīdis. Mēs tikko izdomājām urāna lielgabala dizainu. Taču mums nav ar ko īpaši lepoties, šī shēma ir visvienkāršākā un nemākslotākā no visām iespējamām. Jā, un puslodes būs jāatsakās. Kā liecina prakse, tie nemēdz vienmērīgi salipt kopā. Mazākais izkropļojums - un jūs saņemat ļoti dārgu “fartu”, pēc kuras jums būs ilgi jātīra.

Labāk ir izgatavot īsu, biezu sienu cauruli no urāna-235 ar masu 30-40 kg, pie kuras atveres pievienosim tāda paša kalibra augstas stiprības tērauda stobru, kas uzlādēts ar tāda paša cilindra. urāns ar aptuveni tādu pašu masu. Apņemsim urāna mērķi ar berilija neitronu reflektoru. Tagad, ja jūs šaujat ar urāna "lodi" pa urāna "cauruli", "caurule" būs pilna. Tas ir, notiks kodolsprādziens. Jāšauj tikai nopietni, lai urāna šāviņa purnas ātrums būtu vismaz 1 km/s. Citādi atkal būs farss, bet skaļāks. Fakts ir tāds, ka, kad šāviņš un mērķis tuvojas viens otram, tie uzkarst tik ļoti, ka sāk intensīvi iztvaikot no virsmas, ko palēnina pretimnākošās gāzes plūsmas. Turklāt, ja ātrums ir nepietiekams, pastāv iespēja, ka šāviņš vienkārši nesasniegs mērķi, bet pa ceļam iztvaiko.

Paātrināt vairākus desmitus kilogramus smagu sagatavi līdz šādam ātrumam un pāris metru attālumā ir ārkārtīgi grūts uzdevums. Tāpēc jums būs nepieciešams nevis šaujampulveris, bet spēcīgs sprāgstviela, kas ļoti īsā laikā spēj radīt pareizu gāzes spiedienu mucā. Un vēlāk jums nebūs jātīra muca, neuztraucieties.

Uz Hirosimas nomestā bumba Mk-I "Little Boy" tika izstrādāta tieši pēc lielgabala konstrukcijas.

Protams, ir nelielas detaļas, kuras mēs savā projektā neņēmām vērā, taču mēs nemaz negrēkojāmies pret pašu principu.

Tātad. Mēs uzspridzinājām urāna bumbu. Apbrīnojām sēni. Tagad mēs uzspridzināsim plutoniju. Tikai nevelciet šeit mērķi, šāviņu, stobru un citus atkritumus. Šis triks nedarbosies ar plutoniju. Pat ja mēs iešaujam vienu gabalu citā ar ātrumu 5 km/s, superkritisks mezgls tik un tā nedarbosies. Plutonijs-239 paspēs uzkarst, iztvaikot un sabojāt visu apkārtējo. Tā kritiskā masa ir nedaudz vairāk par 6 kg. Varat iedomāties, cik tas ir aktīvāks neitronu uztveršanas ziņā.

Plutonijs ir neparasts metāls. Atkarībā no temperatūras, spiediena un piemaisījumiem tas pastāv sešās kristāliskā režģa modifikācijās. Ir pat modifikācijas, kurās tas karsējot saraujas. Pārejas no vienas fāzes uz otru var notikt pēkšņi, savukārt plutonija blīvums var mainīties par 25%.Ejam, kā jau visi parastie varoņi, pa līkumu. Atcerēsimies, ka kritisko masu jo īpaši nosaka tilpuma un virsmas attiecība. Labi, mums ir subkritiskās masas lode, kurai ir minimālais virsmas laukums noteiktam tilpumam. Teiksim, 6 kilogrami. Bumbiņas rādiuss ir 4,5 cm.Ko darīt, ja šī bumba ir saspiesta no visām pusēm? Blīvums palielināsies proporcionāli lineārās saspiešanas kubam, un virsma samazināsies proporcionāli tā kvadrātam. Un tas notiek: plutonija atomi kļūs blīvāki, tas ir, neitrona bremzēšanas ceļš tiks saīsināts, kas nozīmē, ka palielināsies tā absorbcijas iespējamība. Bet, atkal, tas joprojām nedarbosies, lai saspiestu ar nepieciešamo ātrumu (apmēram 10 km/s). Strupceļš? Bet nē.

Pie 300°C sākas tā sauktā delta fāze – pati vaļīgākā. Ja plutonijs ir leģēts ar galliju, uzkarsēts līdz šai temperatūrai un pēc tam lēnām atdzesēts, delta fāze var pastāvēt istabas temperatūrā. Bet tas nebūs stabils. Augstā spiedienā (apmēram desmitiem tūkstošu atmosfēru) notiks pēkšņa pāreja uz ļoti blīvu alfa fāzi.

Ievietosim plutonija lodi lielā (diametrs 23 cm) un smagā (120 kg) dobā lodītē, kas izgatavota no urāna-238. Neuztraucieties, tam nav kritiskās masas. Bet tas lieliski atspoguļo ātros neitronus. Un viņi joprojām mums noderēs.. Vai jūs domājat, ka viņi to uzspridzināja? Vienalga kā ir. Plutonijs ir sasodīti kaprīza būtne. Mums būs jāpadara vēl kāds darbs. Izgatavosim divas puslodes no plutonija delta fāzē. Centrā veidosim sfērisku dobumu. Un šajā dobumā ievietosim kodolieroču domas kvintesenci - neitronu iniciatoru. Šī ir maza doba berilija bumbiņa ar diametru 20 un biezumu 6 mm. Tās iekšpusē ir vēl viena berilija bumbiņa ar diametru 8 mm. Uz dobās lodītes iekšējās virsmas ir dziļas rievas. Visa lieta ir bagātīgi niķelēta un apzeltīta. Rievās ir ievietots polonijs-210, kas aktīvi izstaro alfa daļiņas. Tas ir tāds tehnoloģiju brīnums. Kā tas darbojas? Tikai sekundi. Mums vēl ir jāpaveic dažas lietas.

Apņemsim urāna apvalku ar citu, kas izgatavots no alumīnija sakausējuma ar boru. Tās biezums ir aptuveni 13 cm.Kopumā mūsu “matrjoška” šobrīd izaugusi līdz pusmetra biezumam un svarā pieņēmusies no 6 līdz 250 kg.

Tagad izgatavosim implozijas “lēcas”. Iedomājieties futbola bumbu. Klasika, kas sastāv no 20 sešstūriem un 12 piecstūriem. Šādu “bumbiņu” izgatavosim no sprāgstvielām, un katrs no segmentiem būs aprīkots ar vairākiem elektriskiem detonatoriem. Segmenta biezums ir aptuveni pusmetrs. "Lēcu" ražošanā ir arī daudz smalkumu, taču, ja mēs tos aprakstīsim, visam pārējam vietas nepietiks. Galvenais ir maksimāla objektīva precizitāte. Mazākā kļūda - un viss komplekts tiks saspiests sprāgstvielas spridzināšanas rezultātā. Pilnīgajam kompleksam tagad ir aptuveni pusotra metra diametrs un 2,5 tonnas masa. Konstrukciju noslēdz elektriskā ķēde, kuras uzdevums ir detonēt detonatorus stingri noteiktā secībā ar mikrosekundes precizitāti.

Visi. Mūsu priekšā ir plutonija sabrukšanas ķēde.

Un tagad - interesantākā daļa.

Detonācijas laikā sprāgstviela saspiež mezglu, un alumīnija “stūmējs” neļauj sprādziena viļņam izplatīties uz iekšu pēc tā priekšpuses. Izbraucot cauri urānam ar pretātrumu aptuveni 12 km/s, kompresijas vilnis sablīvēs gan to, gan plutoniju. Plutonijs, ja spiediens kompresijas zonā ir aptuveni simtiem tūkstošu atmosfēru (sprādziena frontes fokusēšanas efekts), pēkšņi pāries alfa fāzē. 40 mikrosekundēs šeit aprakstītais urāna-plutonija mezgls kļūs ne tikai superkritisks, bet vairākas reizes lielāks par kritisko masu.

Sasniedzot iniciatoru, kompresijas vilnis visu tā struktūru sasmalcina monolītā. Šajā gadījumā zelta-niķeļa izolācija tiks iznīcināta, polonijs-210 difūzijas dēļ iekļūs berilijā, tā izstarotās alfa daļiņas, kas iet cauri berilijam, izraisīs kolosālu neitronu plūsmu, izraisot dalīšanās ķēdes reakciju visā garumā. plutonija tilpums, un "ātro" neitronu plūsma, ko radīja plutonija sabrukšana, izraisīs urāna-238 sprādzienu. Gatavs, esam izaudzējuši otru sēni, ne sliktāku par pirmo.

Plutonija eksplozijas konstrukcijas piemērs ir Mk-III "Fatman" bumba, kas nomesta Nagasaki.

Visi šeit aprakstītie triki ir nepieciešami, lai piespiestu reaģēt maksimālajam skaitam plutonija atomu kodolu. Galvenais uzdevums ir noturēt lādiņu pēc iespējas ilgāk kompaktā stāvoklī un novērst tā izkliedi plazmas mākonī, kurā ķēdes reakcija uzreiz apstāsies. Šeit katra iegūtā mikrosekunde ir vienas vai divu kilotonu jaudas pieaugums.

Kodoltermiskā bumba

Pastāv izplatīts uzskats, ka kodolbumba ir termokodolbumbas drošinātājs. Principā viss ir daudz sarežģītāk, bet būtība ir tverta pareizi. Ieroči, kuru pamatā ir kodolsintēzes principi, ir ļāvuši sasniegt tādu sprādziena jaudu, ko nekādā gadījumā nevar sasniegt ar skaldīšanas ķēdes reakciju. Taču vienīgais enerģijas avots, kas līdz šim var “aizdedzināt” kodolsintēzes reakciju, ir kodolsprādziens.

Atcerieties, kā jūs un es "barojām" ūdeņraža kodolu ar neitroniem? Tātad, ja jūs mēģināt savienot divus protonus šādā veidā, nekas nedarbosies. Kulona atgrūšanas spēku dēļ protoni nesalīmēsies. Vai nu tie izlidos viens no otra, vai arī notiks beta sabrukšana un viens no protoniem kļūs par neitronu. Bet hēlijs-3 pastāv. Pateicoties vienam neitronam, kas padara protonus savstarpēji saderīgākus.

Principā, pamatojoties uz hēlija-3 kodola sastāvu, mēs varam secināt, ka ir pilnīgi iespējams savākt vienu hēlija-3 kodolu no protija un deitērija kodoliem. Teorētiski tā ir taisnība, taču šāda reakcija var notikt tikai lielu un karstu zvaigžņu dziļumos. Turklāt zvaigžņu dziļumos hēliju var savākt pat no protoniem vien, daļu no tiem pārvēršot neitronos. Bet tie jau ir astrofizikas jautājumi, un mums ir iespēja apvienot divus deitērija kodolus jeb deitēriju un tritiju.

Kodolsintēzei nepieciešams viens ļoti specifisks nosacījums. Tā ir ļoti augsta (109 K) temperatūra. Tikai ar vidējo kodolu kinētisko enerģiju 100 kiloelektronvoltu tie spēj tuvoties viens otram līdz attālumam, kurā spēcīgā mijiedarbība sāk pārvarēt Kulona mijiedarbību.

Pilnīgi leģitīms jautājums – kāpēc šo dārzu iežogot? Fakts ir tāds, ka gaismas kodolu saplūšanas laikā tiek atbrīvota enerģija aptuveni 20 MeV. Protams, ar urāna kodola piespiedu skaldīšanu šī enerģija ir 10 reizes lielāka, taču ir viens brīdinājums - ar lielākajiem trikiem urāna lādiņš ar jaudu pat 1 megatonu nav iespējams. Pat progresīvākai plutonija bumbai sasniedzamā enerģijas izlaide ir ne vairāk kā 7–8 kilotonnas uz kilogramu plutonija (ar teorētisko maksimumu 18 kilotonnas). Un neaizmirstiet, ka urāna kodols ir gandrīz 60 reizes smagāks par diviem deitērija kodoliem. Ja ņemam vērā īpatnējo enerģijas ieguvi, tad kodolsintēze ir manāmi priekšā.

Un vēl viena lieta - kodoltermiskajam lādiņam nav ierobežojumu attiecībā uz kritisko masu. Viņam tā vienkārši nav. Tomēr ir arī citi ierobežojumi, bet vairāk par tiem tālāk.

Principā kodoltermiskās reakcijas sākšana kā neitronu avots ir diezgan vienkārša. Ir daudz grūtāk to palaist kā enerģijas avotu. Šeit mēs saskaramies ar tā saukto Lousona kritēriju, kas nosaka termokodolreakcijas enerģētisko ieguvumu. Ja reaģējošo kodolu blīvuma un to aiztures laika reizinājums kodolsintēzes attālumā ir lielāks par 1014 sek/cm3, kodolsintēzes sniegtā enerģija pārsniegs sistēmā ievadīto enerģiju.

Visas kodoltermiskās programmas bija paredzētas šī kritērija sasniegšanai.

Pirmā termokodolbumbas konstrukcija, kas radās Edvardam Telleram, bija kaut kas līdzīgs mēģinājumam izveidot plutonija bumbu, izmantojot lielgabala konstrukciju. Tas ir, šķiet, ka viss ir pareizi, bet tas nedarbojas. “Klasiskā super” ierīce - šķidrais deitērijs, kurā ir iegremdēta plutonija bumba - patiešām bija klasiska, taču tālu no super.

Ideja par kodollādiņa eksplodēšanu šķidrā deitērijā jau no paša sākuma izrādījās strupceļš. Šādos apstākļos lielāku vai mazāku kodolsintēzes enerģijas izlaidi varētu sasniegt, detonējot kodollādiņu ar jaudu 500 kt. Un vispār nebija jārunā par Lousona kritērija sasniegšanu.

Telleram radās arī ideja aptvert kodolsprūda lādiņu ar kodoltermiskās degvielas slāņiem, kas mijas ar urānu-238 kā siltumizolatoru un sprādziena pastiprinātāju. Un ne tikai viņam. Pirmās padomju kodolbumbas tika uzbūvētas tieši saskaņā ar šo projektu. Princips bija pavisam vienkāršs: kodollādiņš uzsilda kodoltermisko degvielu līdz temperatūrai, kurā sākas kodolsintēze, un kodolsintēzes laikā radītie ātrie neitroni eksplodē urāna-238 slāņus. Tomēr ierobežojums palika nemainīgs - kodolsintēzes reakcijā varēja iesaistīties tikai lēta deitērija un neticami dārga tritija maisījums.

Vēlāk Tellers nāca klajā ar ideju izmantot litija-6 deuterīda savienojumu. Šis risinājums ļāva atteikties no dārgiem un neērtiem kriogēniem konteineriem ar šķidru deitēriju. Turklāt apstarošanas ar neitroniem rezultātā litijs-6 tika pārveidots par hēliju un tritiju, kas nonāca kodolsintēzes reakcijā ar deitēriju.

Šīs shēmas trūkums bija ierobežotā jauda - tikai ierobežotai daļai kodoldegvielas, kas ieskauj sprūdu, bija laiks iesaistīties kodolsintēzes reakcijā. Pārējais, neatkarīgi no tā, cik daudz bija, aizgāja kanalizācijā. Maksimālā uzlādes jauda, ​​kas iegūta, izmantojot “puff”, bija 720 kt (British Orange Herald bumba). Acīmredzot tie bija “griesti”.

Mēs jau runājām par Teller-Ulam shēmas attīstības vēsturi. Tagad sapratīsim šīs ķēdes tehniskās detaļas, ko sauc arī par "divpakāpju" vai "starojuma kompresijas ķēdi".

Mūsu uzdevums ir uzsildīt kodoltermisko degvielu un noturēt to noteiktā tilpumā, lai izpildītu Lousona kritēriju. Atstājot malā amerikāņu vingrinājumus ar kriogēnām shēmām, par kodoldegvielu ņemsim mums jau zināmo litija-6 deuterīdu.

Par termokodollādiņa konteinera materiālu izvēlēsimies urānu-238. Tvertnei ir cilindriska forma. Gar konteinera asi, tā iekšpusē ievietosim cilindrisku stieni no urāna-235, kuram ir subkritiskā masa.

Piezīme: neitronu bumba, kas savā laikā bija sensacionāla, ir tā pati Tellera-Ulam shēma, bet bez urāna stieņa gar konteinera asi. Mērķis ir nodrošināt spēcīgu ātro neitronu plūsmu, bet novērst visas kodoltermiskās degvielas izdegšanu, kas patērēs neitronus.

Atlikušo konteinera brīvo vietu aizpildīsim ar litija-6 deuterīdu. Noliksim konteineru topošās bumbas korpusa vienā galā (tas būs otrais posms), bet otrā galā montēsim parastu plutonija lādiņu ar vairāku kilotonu jaudu (pirmā pakāpe). Starp kodollādiņiem un kodoltermisko lādiņu uzstādīsim starpsienu no urāna-238, kas novērsīs priekšlaicīgu litija-6 deuterīda uzkaršanu. Aizpildīsim atlikušo brīvo vietu bumbas korpusa iekšpusē ar cietu polimēru. Principā kodoltermiskā bumba ir gatava.

Kad tiek uzspridzināts kodollādiņš, 80% enerģijas izdalās rentgenstaru veidā. Tā izplatīšanās ātrums ir daudz lielāks nekā plutonija skaldīšanas fragmentu izplatīšanās ātrums. Pēc mikrosekundes simtdaļām urāna ekrāns iztvaiko, un rentgena starojumu sāk intensīvi absorbēt kodoltermiskā lādiņa tvertnes urāns. Tā sauktās ablācijas (masas noņemšana no sakarsēta trauka virsmas) rezultātā rodas reaktīvs spēks, kas saspiež trauku 10 reizes. Šo efektu sauc par radiācijas saspiešanu vai radiācijas kompresiju. Šajā gadījumā kodoltermiskās degvielas blīvums palielinās 1000 reizes. Radiācijas trieciena kolosālā spiediena rezultātā arī urāna-235 centrālais stienis tiek saspiests, lai gan mazākā mērā, un nonāk superkritiskā stāvoklī. Līdz tam laikam kodoltermisko bloku bombardē kodolsprādziena radītie ātrie neitroni. Izejot cauri litija-6 deuterīdam, tie palēninās un intensīvi absorbējas urāna stienī.

Stieņā sākas sadalīšanās ķēdes reakcija, kas ātri noved pie kodolsprādziena konteinera iekšpusē. Tā kā litija-6 deuterīds tiek pakļauts ablatīvai kompresijai no ārpuses un kodolsprādziena spiedienam no iekšpuses, tā blīvums un temperatūra palielinās vēl vairāk. Šis brīdis ir sintēzes reakcijas sākums. Tā turpmāko apkopi nosaka tas, cik ilgi konteiners sevī saglabās kodoltermiskos procesus, neļaujot siltumenerģijai izkļūt ārā. Tas ir tieši tas, kas nosaka Lawson kritērija sasniegšanu. Kodoldegviela izdeg no cilindra ass līdz tā malai. Degšanas frontes temperatūra sasniedz 300 miljonus Kelvinu. Pilnīga sprādziena attīstība līdz kodoldegvielas izdegšanai un konteinera iznīcināšanai aizņem pāris simtus nanosekunžu – divdesmit miljonus reižu ātrāk, nekā bija nepieciešams, lai izlasītu šo frāzi.

Divpakāpju ķēdes uzticama darbība ir atkarīga no precīzas tvertnes montāžas un priekšlaicīgas sasilšanas novēršanas.

Termonukleārā lādiņa jauda Teller-Ulam ķēdei ir atkarīga no kodolsprūda jaudas, kas nodrošina efektīvu saspiešanu ar starojumu. Tomēr tagad ir daudzpakāpju ķēdes, kurās iepriekšējā posma enerģija tiek izmantota nākamās saspiešanai. Trīspakāpju shēmas piemērs ir jau minētā 100 megatonu “Kuzkina māte”.

Interesantākais:

Kāpēc tiek nogalināti krievu diplomāti Čurkins

Turpinājums – pulkvedis Kasads – LiveJournal

FSO priekšnieks gatavojas pelnītai atpūtai.Atjaunošanās kursa nav