A badabum következő évfordulóján Hirosimán és Nagaszakiban úgy döntöttem, hogy az atomfegyverek kérdései után kutatom az internetet, hogy miért és hogyan hozták létre, ez kevéssé érdekelt (már tudtam) - inkább az érdekelt, hogy 2 darab plutónium hogyan nem olvad meg, hanem nagy szélességet jelent.
Figyelje a mérnököket - egy vetőgéppel kezdődnek és atombombával végződnek.
Marcel Pagnol
Az atomfizika a tiszteletreméltó természettudomány egyik legvitatottabb területe. Ezen a területen dobta az emberiség fél évszázadon keresztül dollármilliárdokat, fontot, frankot és rubelt, mint egy kései vonat mozdonyos kemencéjébe. Most úgy tűnik, hogy a vonat már nem késik. Az égő pénzeszközök és emberórák tomboló lángjai elapadtak. Próbáljuk meg röviden megérteni, hogy milyen típusú vonat az úgynevezett "atomfizika".
Izotópok és radioaktivitás
Mint tudják, minden létező atomokból áll. Az atomok viszont elektronikus kagylókból állnak, amelyek az észbontó törvényeik szerint élnek, és egy mag. A klasszikus kémiát egyáltalán nem érdekli a mag és a személyes élete. Számára az atom az elektronja és az a képességük, hogy kölcsönhatásba lépjenek egymással. A kémia magjából pedig csak a tömegére van szükség a reagensek arányának kiszámításához. Viszont a magfizika nem törődik mélyen az elektronokkal. Az atom belsejében található apró porszem (100 ezerszer kisebb, mint az elektronpálya sugara) érdekli, amelyben szinte teljes tömege koncentrálódik.
Promóciós videó:
Mit tudunk a magról? Igen, pozitív töltésű, elektromos töltés nélküli protonokból és neutronokból áll. Ez azonban nem teljesen igaz. A mag nem egy maréknyi kétszínű golyó, mint egy iskolai tankönyv illusztrációján. Teljesen más törvények működnek, ezeket erős kölcsönhatásnak nevezik, amelyek mind a protonokat, mind a neutronokat valamiféle megkülönböztethetetlen rendetlenséggé alakítják. Ennek a cefrének a töltése azonban pontosan megegyezik a benne lévő protonok teljes töltésével, és a tömeg - szinte (ismétlem, majdnem) egybeesik a magot alkotó neutronok és protonok tömegével.
Egyébként egy ionizálatlan atom protonjainak száma mindig egybeesik azzal az elektronszámmal, amelyeknek megtiszteltetésük van körülfogni. De a neutronokkal ez nem ilyen egyszerű. Ami azt illeti, a neutronok feladata a mag stabilizálása, mivel nélkülük a hasonló töltésű protonok még mikroszekundumokkal sem jönnének össze.
Vegyünk hidrogént a meghatározhatóság érdekében. A leggyakoribb hidrogén. Készüléke nevetségesen egyszerű - egy protont egy keringő elektron vesz körül. A hidrogén az Univerzumban ömlesztve. Mondhatjuk, hogy az univerzum főleg hidrogénből áll.
Most adjunk hozzá óvatosan egy neutronot a protonhoz. A kémia szempontjából továbbra is hidrogén. De a fizika szempontjából már nem. Két különböző hidrogént felfedezve a fizikusok aggódni kezdtek, és azonnal arra gondoltak, hogy a közönséges hidrogént protiumnak, a hidrogént pedig egy neutron és proton - deutérium nevének nevezik.
Fogjuk meg az ideget, és tápláljuk a magot még egy neutronnal. Most van egy másik, még nehezebb hidrogénünk - a trícium. Megint a kémia szempontjából gyakorlatilag nem különbözik a másik két hidrogéntől (nos, kivéve, hogy most kicsit kevésbé szívesen lép be a reakcióba). Azonnal figyelmeztetni akarlak - semmiféle erőfeszítés, fenyegetés és intés nem képes újabb neutron hozzáadására a tríciummagba. A helyi törvények sokkal szigorúbbak, mint az emberi törvények.
Tehát a protium, a deutérium és a trícium a hidrogén izotópjai. Atomtömegük más, de töltésük nem. De a nukleáris töltés határozza meg a helyet az elemek periódusos rendszerében. Ezért hívták az izotópokat izotópoknak. Görögből lefordítva ez azt jelenti, hogy "ugyanazt a helyet foglalja el". Egyébként a jól ismert nehézvíz ugyanaz a víz, de protium helyett két deutérium atomgal rendelkezik. Ennek megfelelően a túlsúlyos víz a protium helyett tríciumot tartalmaz.
Vessünk egy újabb pillantást hidrogénjeinkre. Tehát … Protium a helyén, deutérium a helyén … Ki más ez? Hova lett a tríciumom és honnan jött a hélium-3? A tríciumunkban az egyik neutron egyértelműen hiányolta, úgy döntött, hogy szakmát vált, és proton lett. Ennek során elektront és antineutrinót eredményezett. A trícium elvesztése természetesen kiábrándító, de ma már tudjuk, hogy instabil. A neutronok etetése nem volt hiábavaló.
Tehát, mint megértette, az izotópok stabilak és instabilak. Sok stabil izotóp van körülöttünk, de hála Istennek, gyakorlatilag nincs instabil. Vagyis léteznek, de olyan szétszórt állapotban, hogy rengeteg munka árán kell megszerezni őket. Például az urán-235, amely ekkora gondot okozott az Oppenheimer-kórban, csak 0,7% a természetes uránban.
Fél élet
Itt minden egyszerű. Az instabil izotóp felezési ideje az az időtartam, amely alatt az izotóp atomjainak pontosan a fele lebomlik, és más atomokká alakul. A már ismert trícium felezési ideje 12,32 év. Ez meglehetősen rövid élettartamú izotóp, bár a francium-223-hoz, amelynek felezési ideje 22,3 perc, a trícium szürke szakállú aksakalnak tűnik.
Semmi makroszkopikus külső tényező (nyomás, hőmérséklet, páratartalom, a kutató hangulata, az előirányzatok összege, a csillagok elhelyezkedése) nem befolyásolja a felezési időt. A kvantummechanika érzéketlen az ilyen ostobaságokra.
Népszerű robbanásmechanika
Minden robbanás lényege az energia gyors felszabadulása, amely korábban szabad, kötött állapotban volt. A felszabadult energia szétszórt, túlnyomórészt hővé (a molekulák rendezetlen mozgásának kinetikus energiájává), lökéshullámgá (itt is mozgássá, de már rendezetté, a robbanás középpontjától irányba) és sugárzásgá alakul át - a lágy infravöröstől a kemény rövid hullámhosszúságú kvantumokig.
Kémiai robbanással minden viszonylag egyszerű. Energetikailag előnyös reakció akkor következik be, amikor bizonyos anyagok kölcsönhatásba lépnek egymással. Csak néhány atom felső elektronrétege vesz részt a reakcióban, és az interakció nem megy mélyebbre. Könnyű kitalálni, hogy bármely anyagban sokkal több látens energia van. De hiába a kísérlet körülményei, bármennyire is jó reagenst választunk, hiába kalibráljuk az arányokat, a kémia nem enged mélyebbre az atomba. A kémiai robbanás primitív jelenség, hatástalan és a fizika szempontjából obszcén módon gyenge.
A nukleáris láncreakció lehetővé teszi, hogy egy kicsit mélyebbre ásson, beleértve a játékban nemcsak az elektronokat, hanem az atommagokat is. Ez talán csak egy fizikus számára hangzik igazán súlyosan, a többiek számára pedig egyszerű hasonlatot fogok adni. Képzeljen el egy óriási súlyt, amely körül villamosított porszemcsék repkednek néhány kilométeres távolságban. Ez egy atom, a „tömeg” egy mag, a „porszemcsék” pedig elektronok. Bármit is csináljon ezekkel a porszemekkel, még a százas részét sem adják meg annak az energiának, amelyet egy tömegből nyerhetünk. Különösen, ha valamilyen oknál fogva felbomlik, és a hatalmas törmelék nagy sebességgel szétszóródik különböző irányokba.
A nukleáris robbanás felhasználja a magot alkotó nehéz részecskék kötési potenciálját. De ez messze van a határtól: sokkal több látens energia van az anyagban. Ennek az energiának a neve tömeg. Ismét egy nem fizikus számára ez kissé furcsán hangzik, de a tömeg energia, csak rendkívül koncentrált. Minden részecske: egy elektron, egy proton, egy neutron - mindezek egyelőre nyugalomban hihetetlenül sűrű energiájú csomók. Valószínűleg ismeri az E = mc2 képletet, amelyet az anekdoták szerzői, a falújságok szerkesztői és az iskolai tantermek tervezői annyira szeretnek. Pontosan erről van szó, és ő az, aki a masszát csak egy energiaformának posztulálja. És válaszol arra a kérdésre is, hogy mennyi energiát lehet nyerni egy anyagból maximálisan.
A tömeg teljes átmenetének folyamatát, vagyis az energiát a szabad energiához kötve megsemmisítésnek nevezzük. A latin "nihil" gyök alatt könnyen kitalálható a lényege - ez a "semmivé", vagy inkább sugárzattá való átalakulás. Az érthetőség kedvéért néhány szám.
Robbanási TNT egyenértékű energia (J)
F-1 gránát 60 gramm 2,50 * 105
A bomba Hirosimára esett 16 kilotonna 6,70 * 1013
Egy gramm anyag megsemmisítése 21,5 kilotonna 8,99 * 1013
A megsemmisítés során egy gramm bármilyen anyag (csak a tömeg fontos) több energiát ad, mint egy kis atombomba. Egy ilyen visszatéréssel összehasonlítva a fizikusok maghasadással kapcsolatos gyakorlatai és még inkább a vegyészek aktív reagensekkel végzett kísérletei nevetségesnek tűnnek.
A megsemmisítéshez megfelelő körülményekre van szükség, nevezetesen az anyag érintkezéséhez az antianyaggal. És ellentétben a "vörös higannyal" vagy a "filozófus kövével", az antianyag több mint valós - az általunk ismert részecskék számára hasonló antirészecskék léteznek és tanulmányozódtak, és a gyakorlatban többször végeztek kísérleteket az "elektron + pozitron" párok megsemmisítésére. De a megsemmisítő fegyver létrehozásához bizonyos súlyú antirészecskék mennyiségét kell összeállítani, és korlátozni kell őket bármilyen kérdéssel való érintkezésből, sőt, a katonai felhasználásig. Ez, pah-pah, még mindig távoli kilátás.
Tömeghiba
Az utolsó kérdés, amelyet egy robbanás mechanikájával kapcsolatban még meg kell érteni, az, honnan származik az energia: az, amely felszabadul a láncreakció során? Itt sem volt mise nélkül. Inkább a "hibája" nélkül.
A múlt századig a tudósok úgy vélték, hogy a tömeg minden körülmények között megőrződik, és a maguk módján igazuk volt. Így mártsuk a fémet a savba - a visszavágás felbugyogott, és a gázbuborékok felfelé rohantak a folyadék vastagságán keresztül. De ha megméri a reagenseket a reakció előtt és után, anélkül, hogy megfeledkezne a felszabaduló gázról, a tömeg konvergál. És ez mindig így lesz, miközben kilogrammokkal, méterekkel és kémiai reakciókkal operálunk.
De miután elmélyült a mikrorészecskék területén, a tömeg is meglep. Kiderült, hogy egy atom tömege nem feltétlenül egyenlő az azt alkotó részecskék tömegének összegével. Ha egy nehéz magot (például ugyanazt az uránt) részekre osztják, a "töredékek" összességében kevesebbet mérnek, mint a mag a hasadás előtt. A tömegkülönbségnek is nevezett "különbség" felelős a magban lévő kötési energiákért. És ez a különbség megy a hőbe és a sugárzásba a robbanás során, és mindezt ugyanazon egyszerű képlet szerint: E = mc2.
Ez érdekes: úgy történt, hogy energetikailag előnyös a nehéz magokat felosztani és a könnyűeket egyesíteni. Az első mechanizmus egy urán- vagy plutóniumbombában működik, a második egy hidrogénbombában. És nem lehet vágyból bombát készíteni minden vágy mellett: pontosan középen van ebben a sorban.
Atombomba
Történelmi sorrendben nézzük meg először az atombombákat, és hajtsuk végre a kis manhattani projektünket. Nem unatkozom unalmas izotópszétválasztási módszerekkel és a hasadási láncreakció elméletének matematikai számításával. Neked és nekem van urán, plutónium, egyéb anyagok, szerelési utasítások és a tudományos kíváncsiság szükséges része.
Hasadási láncreakció Már említettem, hogy az urán hasadási láncreakciót először 1942 decemberében hajtotta végre Enrico Fermi. Most beszéljünk részletesebben a nukleáris láncreakcióról.
Valamennyi urán-izotóp egy vagy másik fokon instabil. De az urán-235 különleges helyzetben van. Az urán-235 mag (alfa-bomlásnak is nevezett) spontán bomlásával két fragmens (más, sokkal könnyebb elemek magjai) és több neutron (általában 2-3) képződik. Ha a bomlás során képződött neutron eltalálja egy másik uránatom magját, akkor rendes rugalmas ütközés következik be, a neutron lepattan és folytatja a kalandkeresést. De egy idő után energiát pazarol (ideális esetben rugalmas ütközések csak gömb alakú lovaknál fordulnak elő vákuumban), és a következő mag csapdának bizonyul - a neutron felszívódik rajta. Egyébként a fizikusok ilyen neutronokat termikusnak neveznek.
Nézze meg az ismert urán-izotópok listáját. Nincs közöttük olyan izotóp, amelynek atomtömege 236. Tudod miért? Egy ilyen mag mikroszekundum töredékig él, majd hatalmas mennyiségű energia felszabadulásával bomlik le. Ezt nevezzük kényszeres bomlásnak. Egy ilyen élettartamú izotóp valahogy kínos izotópnak nevezni.
Az urán-235 mag bomlása során felszabaduló energia a fragmentumok és a neutronok kinetikus energiája. Ha kiszámítjuk az uránmag bomlástermékeinek teljes tömegét, majd összehasonlítjuk az eredeti mag tömegével, kiderül, hogy ezek a tömegek nem esnek egybe - az eredeti mag nagyobb volt. Ezt a jelenséget tömeghibának nevezzük, és magyarázatát az E0 = mc2 képlet tartalmazza. A töredékek mozgási energiája, elosztva a fénysebesség négyzetével, pontosan megegyezik a tömegek különbségével. A töredékek az urán kristályrácsában lassulnak, ami röntgensugárzást eredményez, és a neutronok, miután eljutottak, más uránmagok elnyelik, vagy elhagyják az uránöntvényt, ahol minden esemény megtörténik.
Ha az uránöntés kicsi, akkor a neutronok többsége elhagyja azt, mielőtt lelassulna. De ha a kényszerű bomlás minden egyes cselekménye a kibocsátott neutron miatt még legalább egy ilyen aktust okoz, ez már a hasadás önfenntartó láncreakciója.
Ennek megfelelően, ha az öntvény méretét megnöveljük, akkor a növekvő számú neutron kényszerhasadásokat okoz. És valamikor a láncreakció ellenőrizhetetlenné válik. De ez messze van egy nukleáris robbanástól. Csak egy nagyon "piszkos" termikus robbanás, amely nagyszámú nagyon aktív és mérgező izotópot szabadít fel.
Kritikus tömeg
Egészen természetes kérdés - mennyi urán-235 szükséges ahhoz, hogy a hasadási láncreakció lavinává váljon? Valójában nem minden ilyen egyszerű. Itt szerepet játszanak a hasadó anyag tulajdonságai, valamint a térfogat és a felület aránya. Képzeljen el egy tonna uránt-235 (azonnal foglalok - ez sok), amely vékony és nagyon hosszú vezeték formájában létezik. Igen, a mentén repülő neutron természetesen kényszerű pusztulást okoz. De a huzal mentén repülő neutronok frakciója olyan kicsi lesz, hogy nevetséges önfenntartó láncreakcióról beszélni.
Ezért megállapodtunk abban, hogy figyelembe vesszük a gömbös casting kritikus tömegét. A tiszta urán-235 esetében a kritikus tömeg 50 kg (ez egy 9 cm sugarú golyó). Megértette, hogy egy ilyen labda nem fog sokáig tartani, mint azok, akik leadják.
Ha egy kisebb tömegű gömböt egy neutron reflektor vesz körül (a berillium tökéletes hozzá), és egy anyagot - egy neutron moderátort (víz, nehéz víz, grafit, ugyanaz a berillium) - viszünk be a golyóba, akkor a kritikus tömeg sokkal kisebb lesz. A neutronok leghatékonyabb reflektorainak és moderátorainak alkalmazásával a kritikus tömeg 250 grammra növelhető. Ez például úgy érhető el, hogy az urán-235 só telített oldatát nehéz vízben gömb alakú berilliumtartályba helyezzük.
A kritikus tömeg nem korlátozódik az urán-235-re. Számos olyan izotóp is létezik, amelyek képesek hasadási láncreakciókra. A fő feltétel az, hogy egy mag bomlástermékeinek más magok bomlását okozzák.
Uránbomba
Tehát két félgömb alakú uránöntvényünk van, 40 kg súlyú. Amíg tisztelettudó távolságban vannak egymástól, minden nyugodt lesz. És ha lassan mozgatni kezdi őket? A közhiedelemmel ellentétben semmi gombásodás nem fog történni. Csak annyi, hogy a darabok, ahogy közelebb kerülnek, kezdenek melegedni, majd ha időben nem gondolkodik meg, akkor felmelegszik. Végül egyszerűen megolvadnak és elterjednek, és mindenki, aki mozgatta az öntvényeket, tölgyet ad a neutron besugárzásából. És akik ezt érdeklődéssel figyelték, összeragasztják a papucsokat.
És ha gyorsabban? Gyorsabban olvad. Még gyorsabban? Még gyorsabban olvadnak. Menő? Igen, akkor is, ha folyékony héliumba mártod, nincs értelme. És ha az egyik darabot a másikra lövi? RÓL RŐL! Az igazság pillanata. Most találtunk ki egy uránágyú-rendszert. Nincs azonban mire büszkék lennünk, ez a séma a legegyszerűbb és a legügyesebb. Igen, és a félgömböket el kell hagyni. Amint a gyakorlat megmutatta, nem hajlandók egyenletesen összetartani a síkokat. A legkisebb elfogultság - és nagyon drága "csokrot" kap, ami után sokáig kell takarítania.
Jobb, ha egy rövid, vastag falú, 30-40 kg tömegű urán-235 csövet készítünk, amelynek lyukához ugyanolyan kaliberű, nagy szilárdságú acélhordót erősítünk, hozzávetőlegesen azonos tömegű uránból készült hengerrel. Vegyük körül az urán célt berillium neutron reflektorral. Ha most egy urán „golyót” lő az urán „csőre”, akkor egy teljes „cső” lesz. Vagyis atomrobbanás lesz. Csak neked kell komolyan lőni, hogy az urán lövedék szájsebessége legalább 1 km / s legyen. Ellenkező esetben megint "csomó" lesz, de hangosabban. Az a tény, hogy amikor a lövedék és a cél közeledik egymáshoz, annyira felmelegszenek, hogy intenzíven elpárologni kezdenek a felszínről, amit a szembejövő gázáramok lassítanak. Sőt, ha a sebesség nem elegendő, akkor van esély arra, hogy a lövedék egyszerűen ne érje el a célt, hanem útközben elpárologjon.
Ilyen sebességre gyorsulni egy több tíz kilogrammos, sőt néhány méteres tárcsa rendkívül nehéz feladat. Ezért nem puskaporra, hanem erős robbanóanyagokra van szükség, amelyek nagyon rövid idő alatt képesek létrehozni a megfelelő gáznyomást a hordóban. És akkor nem kell megtisztítania a hordót, ne aggódjon.
A Hirosimára dobott Mk-I "kisfiú" bombát az ágyú sémája szerint tervezték.
Vannak természetesen jelentéktelen részletek, amelyeket nem vettünk figyelembe a projektünkben, de egyáltalán nem sértettük az alapelvet.
Plutónium bomba
Így. Felrobbantottuk az uránbombát. Megcsodáltuk a gombát. Most felrobbantjuk a plutóniumot. Csak ne rángasson ide célt, lövedéket, hordót és egyéb szemetet. Ez a szám plutóniummal nem fog működni. Még akkor is, ha az egyik darabot 5 km / s sebességgel a másikba lőjük, a szuperkritikus szerelés mégsem fog működni. A Plutonium-239-nek lesz ideje felmelegedni, elpárologni és elrontani mindent a környéken. Kritikus tömege alig haladja meg a 6 kg-ot. El tudja képzelni, mennyivel aktívabb a neutronok befogásában.
A plutónium szokatlan fém. A hőmérséklet, a nyomás és a szennyeződések függvényében a kristályrács hat módosításában létezik. Vannak olyan módosítások is, amelyekben hevítés közben zsugorodik. Az egyik fázisból a másikba történő átmenet hirtelen megvalósulhat, míg a plutónium sűrűsége 25% -kal változhat. Emlékezzünk arra, hogy a kritikus tömeget különösen a térfogat és a felület aránya határozza meg. Oké, van egy szubkritikus tömeggömbünk, amelynek minimális felülete van egy adott térfogatra. Mondjuk 6 kilogramm. A gömb sugara 4,5 cm. És ha ezt a gömböt minden oldalról megszorítjuk? A sűrűség a lineáris tömörítés kockájával arányosan növekszik, a felület pedig négyzetével arányosan csökken. És ez történik: a plutónium atomjai sűrűbbé válnak, vagyis lerövidül a neutron féktávolságaami azt jelenti, hogy abszorpciójának valószínűsége megnő. De ismételten a kívánt sebességgel (kb. 10 km / s) történő tömörítés még mindig nem fog működni. Zsákutca? De nem.
300 ° C-on az úgynevezett deltafázis lép fel - a leglazább. Ha a plutóniumot galliummal adalékoljuk, erre a hőmérsékletre melegítjük, majd lassan lehűtjük, akkor a deltafázis szobahőmérsékleten is fennállhat. De nem lesz stabil. Nagy nyomáson (több tízezer atmoszféra nagyságú) hirtelen átmenet következik be egy nagyon sűrű alfa fázisba.
Helyezze a plutónium gömböt egy nagy (23 cm átmérőjű) és nehéz (120 kg) üreges urán-238 golyóba. Ne aggódjon, nincs kritikus tömege. De tökéletesen tükrözi a gyors neutronokat. És akkor is hasznosak lesznek számunkra. Szerinted felrobbantották? Nem számít, hogy van. A plutónium rohadtul szeszélyes entitás. Még dolgoznunk kell. Készítsünk két félgömb plutóniumot a delta fázisban. Képezzünk egy gömb alakú üreget a közepén. És ebben az üregben elhelyezzük a nukleáris fegyverek gondolatának kvintessenciáját - egy neutronindítót. Ez egy ilyen kicsi, üreges berilliumgömb, amelynek átmérője 20, vastagsága 6 mm. Belsejében van egy újabb berilliumgömb, amelynek átmérője 8 mm. Az üreges gömb belső felületén mély barázdák vannak. Mindez nagyvonalúan nikkelezett és aranyozott. A polónium-210 a barázdákba kerül, amelyek aktívan alfa részecskéket bocsátanak ki. Itt van a technika ilyen csodája. Hogyan működik? Várjunk csak. Van még néhány tennivalónk.
Vegyük körül az uránhéjat egy másik alumínium-bór ötvözetből. Vastagsága körülbelül 13 cm. Összesen "fészkelő babánk" mára fél méterre nőtt és 6-ról 250 kg-ra tért magához.
Most imploziós lencséket fogunk gyártani. Képzelj el egy futball-labdát. Klasszikus, 20 hatszögből és 12 ötszögből áll. Készítsünk ilyen "gömböt" robbanóanyagokból, és mindegyik szegmenst szereljük fel több elektromos detonátorral. A szegmens vastagsága körülbelül fél méter. A "lencsék" gyártásában is sok finomság van, de ha leírja őket, akkor minden másra nincs elég hely. A legfontosabb az objektív maximális pontossága. A legkisebb hiba - és az egész szerelvényt a robbanóanyagok robbantási hatása fogja leverni. A teljes szerelvény átmérője körülbelül másfél méter, súlya 2,5 tonna. A tervet egy elektromos áramkör egészíti ki, amelynek feladata a detonátorok szigorúan meghatározott sorrendben történő mikroszekundum pontossággal történő felrobbantása.
Összes. Előttünk egy plutónium implóziós séma.
Most jön a szórakoztató rész.
Robbantáskor a robbanóanyag összenyomja az egységet, és az alumínium "toló" nem engedi, hogy a robbanási hullám bomlása befelé terjedjen elöl. Mintegy 12 km / s ellensebességű uránon áthaladva, a kompressziós hullám mind a plutóniumot tömöríti. A több százezer atmoszféra sűrítési tartományban lévő nyomáson a plutónium (a robbanó front fókuszálásának hatása) az alfa fázisba ugrik. 40 mikroszekundum alatt az itt leírt urán-plutónium-összeállítás nemcsak szuperkritikussá válik, hanem többszörösen nagyobb, mint a kritikus tömeg.
Az iniciátorhoz érve a kompressziós hullám teljes szerkezetét monolittá zúzza. Ebben az esetben az arany-nikkel szigetelés összeomlik, a diffúzió miatt a polónium-210 behatol a berilliumba, az általa kibocsátott alfa-részecskék a berilliumon áthaladva olyan kolonális neutronáramot okoznak, amelyek a teljes plutónium térfogatában lánchasadásos reakciót indítanak el, és a "gyorsan" létrejövő "gyors" neutronok fluxusa a plutónium bomlása az urán-238 robbanását okozza. Kész, egy második gombát termesztettünk, amely nem rosszabb, mint az első.
A plutónium robbantási sémára példa a Nagasaki-ra dobott Mk-III "Fatman" bomba.
Az itt leírt összes trükkre azért van szükség, hogy az atomi plutóniummagok maximális számát reagálni kényszerítsük. A fő feladat a töltés minél hosszabb ideig kompakt állapotban tartása, annak megakadályozása, hogy szétszóródjon, mint egy plazmafelhő, amelyben a láncreakció azonnal leáll. Itt minden nyert mikroszekundum egy vagy két kilotonna teljesítmény növekedést jelent.
Termonukleáris bomba
Széles körben elterjedt a meggyőződés, hogy az atombomba a biztosítéka a termonukleáris bombának. Elvileg minden sokkal bonyolultabb, de a lényeget helyesen rögzítik. A termonukleáris fúzió elvein alapuló fegyverek olyan robbanási erő elérését tették lehetővé, amely hasadási láncreakcióval semmilyen körülmények között nem érhető el. De eddig az egyetlen energiaforrás, amely lehetővé teszi a termonukleáris fúziós reakció "meggyújtását", egy nukleáris robbanás.
Termonukleáris fúzió
Emlékszel, hogyan tápláltuk a hidrogénmagot neutronokkal? Tehát, ha megpróbál ilyen módon két protont összekapcsolni, akkor semmi sem lesz belőle. A protonok nem fognak összeragadni a Coulomb taszító erők miatt. Vagy szétszóródnak, vagy béta-bomlás következik be, és az egyik proton neutronná válik. De létezik hélium-3. Egyetlen neutronnak köszönhetően, amely a protonokat élhetőbbé teszi egymással.
Elvileg a hélium-3 mag összetétele alapján arra lehet következtetni, hogy a hélium-3 egy magja teljesen összeszerelhető a protium és a deutérium magjaiból. Elméletileg ez így van, de ilyen reakció csak nagy és forró csillagok belében fordulhat elő. Sőt, a csillagok belsejében a hélium akár csak a protonokból is összegyűjthető, és ezek egy részét neutronokká alakítja. De ezek már az asztrofizika kérdései, és elérhető lehetőség számunkra két deutérium vagy deutérium és trícium egyesítése.
A magok fúziójához egy nagyon specifikus feltétel szükséges. Ez nagyon magas (109 K) hőmérséklet. Csak 100 keV atommag átlagos kinetikus energiájával képesek megközelíteni azt a távolságot, amelyen az erős kölcsönhatás elkezdi legyőzni a Coulomb-kölcsönhatást.
Elég jogos kérdés - miért kerítjük ezt a kertet? Az a tény, hogy a könnyű magok fúziója körülbelül 20 MeV energiát szabadít fel. Természetesen az uránmag kényszerű hasadásával ez az energia tízszer nagyobb, de van egy figyelmeztetés - a legnagyobb trükkökkel lehetetlen az urán töltés, amelynek kapacitása akár 1 megaton is. Még egy fejlettebb plutónium bomba esetében is az elérhető energiahozam legfeljebb 7-8 kiloton / kilogramm plutónium (elméleti maximum 18 kilotonna). És ne felejtsük el, hogy az uránmag közel 60-szor nehezebb, mint két deutériummag. Ha figyelembe vesszük a fajlagos energiahozamot, akkor a termonukleáris fúzió észrevehetően előrébb tart.
És mégis - a termonukleáris töltés esetében nincsenek korlátozások a kritikus tömegre vonatkozóan. Egyszerűen nincs. Vannak azonban más korlátozások is, de róluk - alább.
Elvileg a termonukleáris reakció elindítása neutronforrásként nem elég nehéz. Sokkal nehezebb energiaforrásként elindítani. Itt állunk szemben az úgynevezett Lawson-kritériummal, amely meghatározza a termonukleáris reakció energiaelőnyét. Ha a reakcióba lépő magok sűrűségének és bezáródási idejének szorzata a fúziós távolságon nagyobb, mint 1014 sec / cm3, akkor a fúzió által biztosított energia meghaladja a rendszerbe bevitt energiát.
Valamennyi termonukleáris program ennek a kritériumnak a teljesítésére irányult.
Klasszikus szuper
Az első termonukleáris bombarendszer, amely Edward Teller eszébe jutott, hasonlított ahhoz, hogy egy ágyúséma segítségével próbáltunk plutónium bombát létrehozni. Vagyis úgy tűnik, hogy minden helyes, de nem működik. A "klasszikus szuper" - folyékony deutérium, amelyben egy plutónium bomba van - eszköze valóban klasszikus volt, de korántsem szuper.
A nukleáris töltet folyékony deutérium táptalajban történő robbanásának gondolata kezdetben zsákutcának bizonyult. Ilyen körülmények között a legkisebb termonukleáris fúziós energia hozama érhető el 500 kt-os atomtöltet felrobbantásával. És egyáltalán nem kellett beszélni a Lawson-kritérium teljesítéséről.
Pöfékel
A Teller szintén felvetette azt az ötletet, hogy egy atomindító töltetet termonukleáris tüzelőanyag-rétegekkel vegyenek körül, amelyek hőszigetelőként és robbanáserősítőként urán-238-mal tarkítottak. És nemcsak ő. Az első szovjet termonukleáris bombákat pontosan ennek a sémának megfelelően készítették el. Az elv meglehetősen egyszerű volt: a nukleáris töltés a termonukleáris üzemanyagot a fúzió kezdetének hőmérsékletére melegíti, és a fúzió során keletkező gyors neutronok felrobbantják az urán-238 rétegeket. A korlátozás azonban változatlan maradt - azon a hőmérsékleten, amelyet a nukleáris ravaszt biztosítani tudott, csak olcsó deutérium és hihetetlenül drága trícium keveréke léphet be a fúziós reakcióba.
Később Teller a lítium-6-deuterid vegyület alkalmazásának ötletével állt elő. Ez a megoldás lehetővé tette a drága és kényelmetlen folyékony deutériumtartalmú kriogén tartályok elhagyását. Ezenkívül a neutronokkal végzett besugárzás eredményeként a lítium-6 héliummá és tríciummá alakult, amelyek fúziós reakcióba léptek a deutériummal.
Ennek a sémának a hátránya a korlátozott teljesítmény volt - a triggert körülvevő termonukleáris üzemanyagnak csak egy részének volt ideje belépni a fúziós reakcióba. A többi, bármennyire is volt, szélnek ment. A "puff" használatakor a maximális töltési teljesítmény 720 kt volt (British Orange Herald bomba). Nyilvánvalóan "mennyezet" volt.
Teller-Ulam séma
A Teller-Ulam séma kialakításának történetéről már beszéltünk. Most ismerjük meg ennek az áramkörnek a technikai részleteit, amelyet "kétlépcsős" vagy "sugárzási sűrítési" áramkörnek is neveznek.
Feladatunk a termonukleáris üzemanyag felmelegítése és bizonyos térfogatban tartása a Lawson-kritérium teljesítése érdekében. Ha eltekintünk a kriogén áramkörökkel végzett amerikai gyakorlatoktól, vegyük a már ismert lítium-6-deuteridot termonukleáris üzemanyagként.
Az urán-238-at választjuk a termonukleáris töltés tartályának anyagául. A tartály hengeres. A tartály tengelye mentén, benne urán-235 henger alakú rudat helyezünk el, amelynek szubkritikus tömege van.
Megjegyzés: az akkori szenzációs neutronbomba megegyezik a Teller-Ulam sémával, de a tartálytengely mentén uránrúd nélkül. A lényeg az, hogy gyors neutronok áramlását biztosítsuk, de ne tegyük lehetővé az összes termonukleáris üzemanyag kiégését, amely neutronokat fog fogyasztani.
Töltse ki a tartály szabad helyének maradékát lítium-6-deuteriddal. A tartályt a leendő bomba testének egyik végére helyezzük (ez lesz a második szakasz), a másik végén pedig egy hagyományos, több kilotonnás kapacitású plutónium töltetet szerelünk fel (első szakasz). A nukleáris és a termonukleáris töltések közé urán-238 partíciót telepítünk, hogy megakadályozzuk a lítium-6 deuterid idő előtti felmelegedését. Töltse meg a bomba testében lévő szabad hely maradékát szilárd polimerrel. Elvileg a termonukleáris bomba készen áll.
Ha egy nukleáris töltetet felrobbantanak, az energia 80% -a röntgensugarak formájában szabadul fel. Szaporítási sebessége jóval nagyobb, mint a plutónium hasadási fragmenseké. Mikroszekundum században az uránpajzs elpárolog, és a röntgensugárzást intenzíven elnyelni kezdi a termonukleáris töltéstartály uránja. Az úgynevezett abláció (a tömeg eltávolítása a fűtött tartály felületéről) eredményeként reaktív erő jelenik meg, amely a tartályt 10-szer összenyomja. Ezt a hatást nevezzük sugárzási implóziónak vagy sugárzási kompressziónak. Ebben az esetben a fúziós üzemanyag sűrűsége 1000-szer növekszik. A sugárzási behatolás kolosszális nyomásának eredményeként az urán-235 központi rúdja is összenyomódik, bár kisebb mértékben, és szuperkritikus állapotba kerül. Ekkorra a termonukleáris blokkot gyors neutronok bombázzák egy atomrobbanás következtében. A lítium-6-deuterid áthaladása után lelassulnak, és az uránrúd intenzíven felszívódik.
A hasadási láncreakció megkezdődik a rúdban, ami gyorsan nukleáris robbanáshoz vezet a tartály belsejében. Mivel a lítium-6 deuteridot kívülről ablatív kompressziónak és belülről a nukleáris robbanás nyomásának teszik ki, sűrűsége és hőmérséklete még jobban megnő. Ez a pillanat a szintézisreakció kezdetének kezdete. További karbantartását az határozza meg, hogy a tartály mennyi ideig tartja magában a termonukleáris folyamatokat, megakadályozva a hőenergia kiengedését. Ez határozza meg a Lawson-kritérium teljesülését. A termonukleáris üzemanyag égése a henger tengelyétől annak széléig tart. Az égés elülső hőmérséklete eléri a 300 millió kelvint. Pár száz nanoszekundumba kerül a robbanás teljes kialakulása a termonukleáris üzemanyag kiégéséig és a tartály megsemmisítéséig - húszmilliószor gyorsabb, mint ezt a kifejezést olvassa.
A kétlépcsős áramkör megbízható működése a tartály pontos összeállításától és az idő előtti felmelegedés megelőzésétől függ.
A Teller-Ulam-séma termonukleáris töltésének ereje függ a nukleáris ravasztól, amely biztosítja a sugárzás általi hatékony összenyomást. Most azonban vannak olyan többlépcsős sémák is, amelyekben az előző szakasz energiáját felhasználják a következő tömörítésére. A háromlépcsős rendszerre példa a már említett 100 megatonnás "Kuz'kina anya".