På neste jubileum for badabum i Hiroshima og Nagasaki bestemte jeg meg for å lete på Internett etter spørsmål om atomvåpen, hvor hvorfor og hvordan det ble opprettet var av liten interesse for meg (jeg visste allerede) - jeg var mer interessert i hvordan 2 stykker plutonium ikke smelter, men gjør en stor bredde.
Hold øye med ingeniørene - de starter med en såmaskin og ender med en atombombe.
Marcel Pagnol
Kjernefysikk er et av de mest kontroversielle områdene innen ærverdige naturvitenskap. Det var i dette området menneskeheten i et halvt århundre kastet milliarder av dollar, pund, franc og rubler, som inn i lokovnen til et sent tog. Nå ser det ut til at toget ikke lenger er sent. De rasende flammene av brennende midler og arbeidstimer døde. La oss prøve å kort finne ut hva slags tog som kalles "kjernefysikk".
Isotoper og radioaktivitet
Som du vet består alt som eksisterer av atomer. Atomer, i sin tur, består av elektroniske skjell, som lever i henhold til deres tankesprengende lover, og en kjerne. Klassisk kjemi er ikke interessert i kjernen og hans personlige liv. For henne er et atom hans elektroner og deres evne til å utveksle interaksjon. Og fra kjernekjernen er det bare massen som trengs for å beregne proporsjonene av reagenser. I sin tur bryr kjernefysikk seg ikke dypt om elektroner. Hun er interessert i et lite (100 tusen ganger mindre enn radiusen til elektronbanene) støvflekk inne i et atom, hvor nesten hele massen er konsentrert.
Kampanjevideo:
Hva vet vi om kjernen? Ja, den består av positivt ladede protoner og nøytroner uten elektrisk ladning. Dette er imidlertid ikke helt sant. Kjernen er ikke en håndfull tofargede baller, som i en illustrasjon fra en skolebok. Det er helt forskjellige lover her som kalles sterk interaksjon, og forvandler både protoner og nøytroner til et slags uforståelig rot. Imidlertid er ladningen til denne mosen nøyaktig lik den totale ladningen av protonene som er inkludert i den, og massen - nesten (jeg gjentar nesten) sammenfaller med massen av nøytroner og protoner som utgjør kjernen.
Forresten, antall protoner til et ikke-ionisert atom sammenfaller alltid med antall elektroner som har æren av å omgi det. Men med nøytroner er det ikke så enkelt. Faktisk er oppgaven til nøytroner å stabilisere kjernen, siden uten dem ville ikke tilsvarende ladede protoner komme overens sammen selv i mikrosekunder.
La oss ta hydrogen for klarhet. Det vanligste hydrogenet. Enheten hans er latterlig enkel - ett proton omgitt av ett elektron som kretser. Hydrogen i universet i bulk. Vi kan si at universet hovedsakelig består av hydrogen.
La oss nå legge nøytron til protonen. Fra kjemisk synspunkt er det fremdeles hydrogen. Men fra fysikkens synspunkt, ikke lenger. Etter å ha oppdaget to forskjellige hydrogener, ble fysikere bekymret og tenkte umiddelbart å kalle vanlig hydrogenprotium, og hydrogen med et nøytron med et proton - deuterium.
La oss få nerven og mate kjernen enda en nøytron. Nå har vi enda et hydrogen, enda tyngre - tritium. Fra kjemisk synspunkt skiller det seg igjen praktisk talt ikke fra de to andre hydrogenene (vel, bortsett fra at det nå kommer mindre reagerende inn i reaksjonen). Jeg vil advare deg med en gang - ingen anstrengelser, trusler og formaninger vil være i stand til å legge et nytt nøytron til tritiumkjernen. Lokale lover er mye strengere enn menneskelige.
Så protium, deuterium og tritium er isotoper av hydrogen. Atommassen deres er forskjellig, men ladningen er ikke. Men det er kjerneladningen som bestemmer plasseringen i det periodiske elementet. Derfor ble isotoper kalt isotoper. Oversatt fra gresk betyr dette "å okkupere samme sted." For øvrig er det velkjente tungtvannet det samme vannet, men med to deuteriumatomer i stedet for protium. Følgelig inneholder supertungt vann tritium i stedet for protium.
La oss ta en titt på hydrogenene våre. Så … Protium på plass, deuterium på plass … Hvem andre er dette? Hvor gikk tritium mitt og hvor kom helium-3 fra? I vårt tritium savnet en av nøytronene det tydelig, bestemte seg for å bytte yrke og ble proton. Ved å gjøre det ga han opphav til et elektron og en antineutrino. Tapet av tritium er selvfølgelig skuffende, men vi vet nå at det er ustabilt. Å mate nøytroner var ikke forgjeves.
Så, som du forsto, er isotoper stabile og ustabile. Det er mange stabile isotoper rundt oss, men, gudskjelov, det er praktisk talt ingen ustabile. Det vil si at de eksisterer, men i en så spredt tilstand at de må oppnås på bekostning av mye arbeid. For eksempel er uran-235, som forårsaket så mye problemer for Oppenheimer, bare 0,7% i naturlig uran.
Halvt liv
Alt er enkelt her. Halveringstiden til en ustabil isotop er tidsperioden der nøyaktig halvparten av atomer i isotopen forfaller og blir til andre atomer. Det allerede kjente tritiumet har en halveringstid på 12,32 år. Det er en ganske kortvarig isotop, men sammenlignet med francium-223, som har en halveringstid på 22,3 minutter, ser tritium ut til å være en gråskjegget aksakal.
Ingen makroskopiske ytre faktorer (trykk, temperatur, fuktighet, stemningen til forskeren, mengden bevilgninger, stjernenes plassering) påvirker halveringstiden. Kvantemekanikk er ufølsom for slikt tull.
Populær eksplosjonsmekanikk
Essensen av enhver eksplosjon er rask frigjøring av energi som tidligere var i en ufri, bundet tilstand. Den frigjorte energien er spredt, og blir overveiende til varme (kinetisk energi av forstyrret bevegelse av molekyler), sjokkbølge (også her, bevegelse, men allerede bestilt, i retning fra eksplosjonens sentrum) og stråling - fra myk infrarød til hard kvantitet med kort bølgelengde.
Med en kjemisk eksplosjon er alt relativt enkelt. En energisk gunstig reaksjon oppstår når visse stoffer samhandler med hverandre. Bare de øvre elektroniske lagene til noen atomer deltar i reaksjonen, og interaksjonen går ikke dypere. Det er lett å gjette at det er mye mer latent energi i ethvert stoff. Men uansett hvilke betingelser eksperimentet har, uansett hvor gode reagensene vi velger, uansett hvordan vi kalibrerer proporsjonene, vil kjemi ikke la oss gå dypere inn i atomet. En kjemisk eksplosjon er et primitivt fenomen, ineffektivt og, fra fysikkens synspunkt, uanstendig svakt.
Kjernekjedereaksjonen lar deg grave litt dypere, inkludert i spillet ikke bare elektroner, men også kjerner. Dette høres veldig tungt ut, kanskje bare for en fysiker, og for resten vil jeg gi en enkel analogi. Se for deg en enorm vekt rundt hvilken elektrifiserte støvpartikler flagrer i en avstand på flere kilometer. Dette er et atom, en "vekt" er en kjerne, og "støvpartikler" er elektroner. Uansett hva du gjør med disse støvkornene, vil de ikke gi engang en hundredel av energien som kan oppnås med en tung vekt. Spesielt hvis det av en eller annen grunn bryter sammen og massivt rusk sprer seg i stor fart i forskjellige retninger.
En kjernefysisk eksplosjon bruker bindingspotensialet til de tunge partiklene som utgjør kjernen. Men dette er langt fra grensen: det er mye mer latent energi i materie. Og navnet på denne energien er masse. Igjen, for en ikke-fysiker høres dette litt rart ut, men masse er energi, bare ekstremt konsentrert. Hver partikkel: et elektron, et proton, et nøytron - alt dette er sparsomme bunter med utrolig tett energi, som foreløpig er i ro. Du kjenner sannsynligvis formelen E = mc2, som forfattere av anekdoter, redaktører av veggaviser og designere av skoleklasserom elsker så mye. Hun handler akkurat om dette, og det er hun som postulerer masse som ikke mer enn en form for energi. Og hun svarer også på spørsmålet om hvor mye energi som maksimalt kan oppnås fra et stoff.
Prosessen med en fullstendig overgang av masse, det vil si bundet energi til fri energi, kalles utslettelse. Av den latinske roten "nihil" er det lett å gjette om essensen - det er transformasjon til "ingenting", eller rettere sagt, til stråling. For klarhetens skyld, noen få tall.
Eksplosjon TNT-ekvivalent energi (J)
F-1 granat 60 gram 2,50 * 105
Bommen falt på Hiroshima 16 kiloton 6,70 * 1013
Tilintetgjørelse av ett gram materie 21,5 kiloton 8,99 * 1013
Ett gram av ethvert materiale (bare masse er viktig) under utslettelse vil gi mer energi enn en liten atombombe. Sammenlignet med en slik tilbakekomst, virker øvelsene til fysikere om kjernefisjon, og enda mer eksperimenter fra kjemikere med aktive reagenser latterlige.
For utslettelse er nødvendige forhold nødvendig, nemlig kontakt med materie med antimateriale. Og, i motsetning til "rødt kvikksølv" eller "filosofens stein", er antimateriale mer enn ekte - for partiklene vi kjenner, finnes lignende antipartikler og har blitt studert, og eksperimenter med utslettelse av par "elektron + positron" har blitt utført gjentatte ganger i praksis. Men for å skape et utslettelsesvåpen, er det nødvendig å sette sammen et visst tungt volum antipartikler, og også å begrense dem fra kontakt med ethvert forhold opp til faktisk militær bruk. Dette, pah-pah, er fremdeles et fjernt prospekt.
Massedefekt
Det siste spørsmålet som gjenstår å bli avklart angående mekanikken til en eksplosjon er hvor kommer energien fra: den som frigjøres under kjedereaksjonen? Også her var det ikke uten masse. Snarere uten hennes "mangel".
Fram til forrige århundre trodde forskere at masse ble bevart under alle forhold, og de hadde rett på sin egen måte. Så vi dyppet metallet i syren - retorten boblet opp og gassbobler styrtet oppover gjennom tykkelsen på væsken. Men hvis du veier reagensene før og etter reaksjonen, uten å glemme den frigitte gassen, konvergerer massen. Og det vil alltid være slik, mens vi opererer med kilo, meter og kjemiske reaksjoner.
Men det er verdt å fordype seg i området med mikropartikler, da massen også gir en overraskelse. Det viser seg at massen til et atom kanskje ikke er nøyaktig lik summen av massene til partiklene som utgjør det. Når en tung kjerne (for eksempel det samme uranet) er delt inn i deler, veier "fragmentene" totalt sett mindre enn kjernen før fisjon. "Forskjellen", også kalt massefeil, er ansvarlig for bindingsenergiene i kjernen. Og det er denne forskjellen som går inn i varme og stråling under eksplosjonen, og alt etter samme enkle formel: E = mc2.
Dette er interessant: det skjedde slik at det er energisk fordelaktig å dele tunge kjerner, og forene lette. Den første mekanismen fungerer i en uran- eller plutoniumbombe, den andre i en hydrogenbombe. Og du kan ikke lage en bombe av jern med alt ønsket: den er akkurat i midten i denne linjen.
Atombombe
I en historisk sekvens, la oss først se på atombombene og gjennomføre vårt lille Manhattan-prosjekt. Jeg vil ikke kjede deg med kjedelige metoder for isotopseparasjon og matematiske beregninger av teorien om kjedereaksjon av fisjon. Du og jeg har uran, plutonium, andre materialer, monteringsanvisninger og den nødvendige andelen vitenskapelig nysgjerrighet.
Fisjonskjedereaksjon Jeg har allerede nevnt at uranfisjonskjedereaksjonen først ble utført i desember 1942 av Enrico Fermi. La oss nå snakke om kjernefysiske kjedereaksjoner mer detaljert.
Alle uranisotoper er ustabile i en eller annen grad. Men uran-235 er i en spesiell posisjon. Med det spontane forfallet av uran-235-kjernen (også kalt alfa-forfall) dannes to fragmenter (kjerner av andre, mye lettere elementer) og flere nøytroner (vanligvis 2-3). Hvis nøytronet dannet under forfallet treffer kjernen til et annet uranatom, vil det være en vanlig elastisk kollisjon, nøytronen vil sprette av og fortsette å lete etter eventyr. Men etter en stund vil den kaste bort energi (ideelt sett oppstår elastiske kollisjoner bare med sfæriske hester i vakuum), og den neste kjernen vil vise seg å være en felle - nøytronen vil bli absorbert av den. Forresten, fysikere kaller slikt nøytron termisk.
Se på listen over kjente uranisotoper. Det er ingen isotop med en atommasse på 236. Vet du hvorfor? En slik kjerne lever i brøkdeler av mikrosekunder, og forfaller deretter med frigjøring av en enorm mengde energi. Dette kalles tvunget forfall. En isotop med en slik levetid er til og med vanskelig å kalle en isotop.
Energien som frigjøres under forfallet til uran-235-kjernen er den kinetiske energien til fragmenter og nøytroner. Hvis vi beregner den totale massen av forfallsproduktene til urankjernen, og deretter sammenligner den med massen til den opprinnelige kjernen, viser det seg at disse massene ikke faller sammen - den opprinnelige kjernen var større. Dette fenomenet kalles en massefeil, og forklaringen er nedfelt i formelen E0 = mс2. Fragmentenes kinetiske energi delt på kvadratet av lysets hastighet vil være nøyaktig lik forskjellen i masse. Fragmentene bremses i krystallgitteret av uran, noe som gir opphav til røntgenstråling, og nøytronene, etter å ha reist, absorberes av andre urankjerner eller forlater uranstøpet, der alle hendelser finner sted.
Hvis uranstøpingen er liten, vil de fleste nøytronene forlate den før de kan bremse. Men hvis hver handling med tvunget forfall forårsaker minst en slik handling på grunn av det utstrålte nøytronet, er dette allerede en selvopprettholdende kjedereaksjon av fisjon.
Følgelig, hvis størrelsen på støpingen økes, vil et økende antall nøytroner forårsake handlinger av tvungen fisjon. Og på et eller annet tidspunkt vil kjedereaksjonen bli ukontrollerbar. Men dette er langt fra en atomeksplosjon. Bare en veldig "skitten" termisk eksplosjon, som vil frigjøre et stort antall veldig aktive og giftige isotoper.
Kritisk masse
Helt et naturlig spørsmål - hvor mye uran-235 er nødvendig for at fisjonskjedereaksjonen skal bli et skred? Faktisk er ikke alt så enkelt. Egenskapene til det fissile materialet og forholdet mellom volum og overflate spiller en rolle her. Tenk deg massevis av uran-235 (jeg tar en reservasjon med en gang - det er mye), som eksisterer i form av en tynn og veldig lang ledning. Ja, et nøytron som flyr langs det, vil selvfølgelig forårsake en handling av tvunget forfall. Men brøkdelen av nøytroner som flyr langs ledningen vil være så liten at det er latterlig å snakke om en selvopprettholdende kjedereaksjon.
Derfor ble vi enige om å vurdere den kritiske massen for en sfærisk støping. For rent uran-235 er den kritiske massen 50 kg (dette er en ball med en radius på 9 cm). Du forstår at en slik ball ikke vil vare lenge, som de som kaster den.
Hvis en ball med mindre masse er omgitt av en nøytronreflektor (beryllium er perfekt for den), og et materiale blir introdusert i ballen - en nøytronmoderator (vann, tungt vann, grafitt, samme beryllium), vil den kritiske massen bli mye mindre. Ved å bruke de mest effektive reflektorene og moderatorene til nøytroner, kan den kritiske massen økes til 250 gram. Dette kan for eksempel oppnås ved å plassere en mettet løsning av uran-235 salt i tungt vann i en sfærisk berylliumbeholder.
Den kritiske massen er ikke begrenset til uran-235. Det er også en rekke isotoper som er i stand til å splitte kjedereaksjoner. Hovedbetingelsen er at forfallsproduktene til en kjerne må forårsake forfall av andre kjerner.
Uranbombe
Så vi har to halvkuleformede uranstøp som veier 40 kg. Så lenge de er i respektfull avstand fra hverandre, vil alt være rolig. Og hvis du begynner å bevege dem sakte? I motsetning til hva mange tror, vil ingenting soppdannelse skje. Det er bare at brikkene, når de nærmer seg, vil begynne å varme seg opp, og deretter, hvis du ikke tenker igjen i tide, blir du varmere opp. Til slutt vil de rett og slett smelte og spre seg, og alle som flyttet støpegodset vil gi eik fra nøytronbestråling. Og de som så dette med interesse, vil lime flippene sammen.
Og hvis raskere? Smelter raskere. Raskere fremdeles? De vil smelte enda raskere. Kul? Ja, selv om du dypper det i flytende helium, vil det ikke være noen mening. Og hvis du skyter ett stykke på et annet? OM! Sannhetens øyeblikk. Vi kom nettopp med en urankanonordning. Vi har imidlertid ingenting å være stolte av, denne ordningen er den enkleste og mest kunstneriske av alle. Ja, og halvkulene må forlates. Som praksis har vist, er de ikke tilbøyelige til å holde seg jevnt sammen av fly. Den minste forvrengning - og du får en veldig dyr "gjeng", hvoretter du må rydde opp i lang tid.
Bedre å lage et kort tykkvegget rør av uran-235 med en masse på 30-40 kg, til hullet som vi fester et høyfast stålfat av samme kaliber, lastet med en sylinder av samme uran med omtrent samme masse. La oss omslutte uranmålet med en beryllium-nøytronreflektor. Nå, hvis du skyter en uran "kule" mot et uran "rør" - vil det være et fullt "rør". Det vil si at det vil være en atomeksplosjon. Bare du trenger å skyte på en seriøs måte, slik at snutehastigheten til uranprosjektilet er minst 1 km / s. Ellers vil det igjen være en "haug", men høyere. Faktum er at når prosjektilet og målet nærmer seg hverandre, varmes de opp så mye at de begynner å fordampe intensivt fra overflaten og blir bremset av møtende gassstrømmer. Dessuten, hvis hastigheten er utilstrekkelig, er det en sjanse for at prosjektilet rett og slett ikke når målet, men fordamper underveis.
Å akselerere til en slik hastighet er en plate som veier flere titalls kilo, dessuten over en avstand på et par meter, en ekstremt vanskelig oppgave. Derfor trenger du ikke krutt, men kraftige eksplosiver som er i stand til å skape riktig gasstrykk i fatet på veldig kort tid. Og da trenger du ikke å rense fatet, ikke bekymre deg.
Mk-I "Little Boy" -bomben som ble kastet på Hiroshima ble designet i henhold til kanonskjemaet.
Det er selvfølgelig ubetydelige detaljer som vi ikke tok hensyn til i prosjektet vårt, men vi forpliktet oss ikke helt mot selve prinsippet.
Plutoniumbombe
Så. Vi detonerte uranbomben. Vi beundret soppen. Nå vil vi sprenge plutonium-en. Bare ikke dra et mål, et prosjektil, et fat og annet søppel hit. Dette tallet fungerer ikke med plutonium. Selv om vi skyter ett stykke i et annet med en hastighet på 5 km / s, vil den superkritiske forsamlingen fortsatt ikke fungere. Plutonium-239 får tid til å varme opp, fordampe og ødelegge alt rundt. Den kritiske massen er litt over 6 kg. Du kan forestille deg hvor mye mer aktiv han er i å fange nøytroner.
Plutonium er et uvanlig metall. Avhengig av temperatur, trykk og urenheter, eksisterer den i seks modifikasjoner av krystallgitteret. Det er til og med modifikasjoner der den krymper når den varmes opp. Overgangene fra en fase til en annen kan gjøres brått, mens plutoniumdensiteten kan endres med 25%. La oss, som alle normale helter, gå rundt. Husk at den kritiske massen bestemmes, spesielt, av forholdet mellom volum og overflate. Ok, vi har en subkritisk massekule som har en minimum overflate for et gitt volum. La oss si 6 kilo. Ballens radius er 4,5 cm. Og hvis denne ballen blir presset fra alle sider? Tettheten vil øke proporsjonalt med kuben for lineær kompresjon, og overflaten vil avta proporsjonalt med kvadratet. Og dette er hva som skjer: plutoniumatomer vil bli tettere, det vil si at avstanden til nøytronet vil forkortenoe som betyr at sannsynligheten for absorpsjon vil øke. Men igjen vil komprimering med ønsket hastighet (ca. 10 km / s) fortsatt ikke fungere. Blindvei? Men nei.
Ved 300 ° C oppstår den såkalte delta-fasen - den mest løse. Hvis plutonium er dopet med gallium, oppvarmet til denne temperaturen og deretter langsomt avkjølt, kan delta-fasen eksistere ved romtemperatur. Men det vil ikke være stabilt. Ved høyt trykk (i størrelsesorden titusenvis av atmosfærer) vil en brå overgang til en veldig tett alfafase forekomme.
Plasser plutoniumkulen i en stor (23 cm diameter) og tung (120 kg) hul uran-238 kul. Ikke bekymre deg, den har ikke kritisk masse. Men det gjenspeiler perfekt raske nøytroner. Og de vil fortsatt være nyttige for oss. Tror du de sprengte det? Uansett hvordan det er. Plutonium er en forbannet lunefull enhet. Vi må fortsatt jobbe. La oss lage to halvkuler av plutonium i deltafasen. La oss danne et sfærisk hulrom i midten. Og i dette hulrommet vil vi plassere kvintensen av atomvåpenetanken - en nøytroninitiator. Dette er en så liten hul berylliumkule med en diameter på 20 og en tykkelse på 6 mm. Inne er det en annen berylliumkule med en diameter på 8 mm. Det er dype spor på den indre overflaten av den hule kulen. Alt dette er sjenerøst forniklet og gullbelagt. Sporene inneholder polonium-210, som aktivt avgir alfapartikler. Her er et slikt mirakel av teknologi. Hvordan virker det? Vent litt. Vi har fortsatt noen få ting å gjøre.
La oss omgjøre uranskallet med et annet laget av en aluminiumborlegering. Tykkelsen er omtrent 13 cm. Totalt har vår "matryoshka" nå vokst til en halv meter og gjenopprettet fra 6 til 250 kg.
Nå skal vi lage implosjon "linser". Se for deg en fotball. Klassisk, bestående av 20 sekskanter og 12 femkanter. La oss lage en slik "ball" fra eksplosiver, og utstyre hvert av segmentene med flere elektriske detonatorer. Segmenttykkelsen er omtrent en halv meter. Det er også mange finesser i produksjonen av "linser", men hvis du beskriver dem, er det ikke nok plass til alt annet. Det viktigste er maksimal objektivnøyaktighet. Den minste feil - og hele forsamlingen vil bli knust av sprengningsaksjonen av eksplosiver. Den komplette monteringen har nå en diameter på omtrent en og en halv meter og en vekt på 2,5 tonn. Designet fullføres av en elektrisk krets som har som oppgave å detonere detonatorene i en strengt definert sekvens med en nøyaktighet på et mikrosekund.
Alle. Før oss er et plutonium implosjonsskjema.
Og nå den morsomme delen.
Når detonereres, komprimerer det eksplosive stoffet, og aluminiumskubben tillater ikke forfallet av eksplosjonsbølgen å spre seg innover etter fronten. Etter å ha gått gjennom uran med en mothastighet på ca 12 km / s, kompresjonsbølgen vil komprimere både den og plutonium. Plutonium ved trykk i kompresjonssonen i størrelsesorden hundretusenvis av atmosfærer (effekten av å fokusere den eksplosive fronten) vil hoppe inn i alfafasen. I løpet av 40 mikrosekunder vil uran-plutoniumsamlingen beskrevet her ikke bare bli superkritisk, men flere ganger større enn den kritiske massen.
Etter å ha nådd initiativtakeren, vil kompresjonsbølgen knuse hele strukturen til en monolit. I dette tilfellet vil gull-nikkelisolasjonen kollapse, polonium-210 på grunn av diffusjon vil trenge inn i beryllium, alfapartiklene som sendes ut av det, som passerer gjennom beryllium, vil forårsake en kolossal strøm av nøytroner som starter en kjedesplittingsreaksjon i hele volumet av plutonium, og strømmen av "raske" nøytroner generert forfall av plutonium, vil forårsake en eksplosjon av uran-238. Ferdig, vi har dyrket en annen sopp, ikke verre enn den første.
Et eksempel på et plutonium-implosjonsskjema er Mk-III "Fatman" -bomben som ble kastet på Nagasaki.
Alle triksene som er beskrevet her er nødvendige for å tvinge maksimalt antall atom-plutoniumkjerner til å reagere. Hovedoppgaven er å holde ladningen i en kompakt tilstand så lenge som mulig, for å forhindre at den sprer seg som en plasmasky, der kjedereaksjonen umiddelbart vil stoppe. Her er hvert vunnet mikrosekund en økning på en eller to kiloton kraft.
Termonukleær bombe
Det er en utbredt oppfatning at en atombombe er sikringen for en termonukleær bombe. I prinsippet er alt mye mer komplisert, men essensen blir fanget riktig. Våpen basert på prinsippene for termonuklear fusjon gjorde det mulig å oppnå en slik eksplosjonskraft som under ingen omstendigheter kan oppnås ved en fisjonskjedereaksjon. Men så langt er den eneste energikilden som gjør det mulig å "tenne" en termonuklear fusjonsreaksjon en atomeksplosjon.
Termonukleær fusjon
Husker du hvordan vi "matet" hydrogenkjernen med nøytroner? Så hvis du prøver å koble to protoner sammen på denne måten, vil ingenting komme ut av det. Protonene vil ikke holde sammen på grunn av Coulombs frastøtende krefter. Enten sprer de seg, eller det oppstår beta-forfall, og et av protonene blir et nøytron. Men helium-3 eksisterer. Takket være et enkelt nøytron, som gjør protoner mer levelig med hverandre.
I prinsippet, basert på sammensetningen av helium-3-kjernen, kan det konkluderes med at en kjerne av helium-3 kan være fullstendig samlet fra kjerner av protium og deuterium. I teorien er dette sant, men en slik reaksjon kan bare forekomme i tarmene til store og varme stjerner. Dessuten kan helium i det indre av stjerner samles fra protoner alene, og konvertere noen av dem til nøytroner. Men dette er allerede spørsmål om astrofysikk, og et oppnåelig alternativ for oss er å slå sammen to kjerner av deuterium eller deuterium og tritium.
En veldig spesifikk tilstand er nødvendig for fusjon av kjerner. Dette er en veldig høy (109 K) temperatur. Bare med en gjennomsnittlig kinetisk energi til kjerner på 100 keV er de i stand til å nærme seg en avstand der den sterke interaksjonen begynner å overvinne Coulomb-interaksjonen.
Ganske legitimt spørsmål - hvorfor gjerde denne hagen? Faktum er at fusjonen av lette kjerner frigjør en energi på omtrent 20 MeV. Selvfølgelig, med tvungen spaltning av en urankjerne, er denne energien 10 ganger mer, men det er en advarsel - med de største triksene er en uranladning med en kapasitet på til og med 1 megaton umulig. Selv for en mer avansert plutoniumbombe er det oppnåelige energiutbyttet ikke mer enn 7-8 kiloton per kilo plutonium (med et teoretisk maksimum på 18 kiloton). Og ikke glem at en urankjerne er nesten 60 ganger tyngre enn to deuteriumkjerner. Hvis vi vurderer det spesifikke energiutbyttet, er termonuklear fusjon merkbart foran.
Og likevel - for en termonukleær ladning er det ingen begrensninger på den kritiske massen. Han har det rett og slett ikke. Det er imidlertid andre begrensninger, men om dem - nedenfor.
I prinsippet er det ikke vanskelig nok å starte en termonukleær reaksjon som en nøytronkilde. Det er mye vanskeligere å lansere det som en energikilde. Her står vi overfor det såkalte Lawson-kriteriet, som bestemmer energifordelen til en termonukleær reaksjon. Hvis produktet av tettheten til de reagerende kjernene og tidspunktet for deres inneslutning ved fusjonsavstanden er større enn 1014 sek / cm3, vil energien som tilveiebringes av fusjonen overstige energien som er innført i systemet.
Alle termonukleære programmer var dedikert til å oppnå dette kriteriet.
Klassisk super
Den første termonukleære bombeordningen som kom til Edward Tellers sinn var noe som lignet på å prøve å lage en plutoniumbombe ved hjelp av et kanonskjema. Det vil si at alt ser ut til å være riktig, men det fungerer ikke. Enheten til den "klassiske super" - flytende deuterium der en plutoniumbombe er nedsenket - var virkelig klassisk, men langt fra super.
Ideen om en eksplosjon av en kjernefysisk ladning i et flytende deuteriummedium viste seg å være en blindvei i utgangspunktet. Under slike forhold kunne et minste utbytte av termonuklear fusjonsenergi oppnås ved å detonere en atomkraft på 500 kt. Og det var ikke nødvendig å snakke om oppnåelsen av Lawson-kriteriet i det hele tatt.
Puff
Ideen om å omringe den kjernefysiske triggerladningen med lag med termonukleært drivstoff, ispedd uran-238 som varmeisolator og en eksplosjonsforsterker, kom også Teller på. Og ikke bare ham. De første sovjetiske termonukleære bombene ble bygget nøyaktig i henhold til denne ordningen. Prinsippet var ganske enkelt: en kjernefysisk ladning varmer opp et termonukleært drivstoff til temperaturen i begynnelsen av fusjonen, og raske nøytroner generert under fusjonen eksploderer lag av uran-238. Begrensningen forble imidlertid den samme - ved temperaturen som atomutløseren kunne gi, var det bare en blanding av billig deuterium og utrolig dyrt tritium som kunne komme inn i fusjonsreaksjonen.
Senere kom Teller på ideen om å bruke forbindelsen litium-6 deuterid. Denne løsningen gjorde det mulig å forlate dyre og upraktiske kryogene beholdere med flytende deuterium. I tillegg, som et resultat av bestråling med nøytroner, ble litium-6 omdannet til helium og tritium, som inngikk en fusjonsreaksjon med deuterium.
Ulempen med denne ordningen var den begrensede kraften - bare en begrenset del av det termonukleære drivstoffet som omringet avtrekkeren hadde tid til å komme inn i fusjonsreaksjonen. Resten, uansett hvor mye det var, gikk til vinden. Maksimal ladekraft oppnådd ved bruk av "puff" var 720 kt (British Orange Herald-bombe). Tilsynelatende var det et "tak".
Teller-Ulam-ordningen
Vi har allerede snakket om historien til utviklingen av Teller-Ulam-ordningen. La oss nå forstå de tekniske detaljene i denne kretsen, som også kalles "to-trinns" eller "strålingskompresjonskrets".
Vår oppgave er å varme opp det termonukleære drivstoffet og holde det i et visst volum for å oppfylle Lawson-kriteriet. La oss ta bort de amerikanske øvelsene med kryogene kretsløp, la oss ta litium-6-deuterid, som vi allerede har kjent, som et termonukleært drivstoff.
Vi vil velge uran-238 som materiale for beholderen for termonukleær ladning. Beholderen er sylindrisk. Langs aksen til beholderen, inne i den, vil vi plassere en sylindrisk stang laget av uran-235, som har en subkritisk masse.
Merk: den oppsiktsvekkende nøytronbomben på den tiden er den samme Teller-Ulam-ordningen, men uten uranstangen langs containeraksen. Poenget er å gi en kraftig strøm av raske nøytroner, men ikke å tillate utbrenthet av alt termonukleært drivstoff, som vil konsumere nøytroner.
Fyll resten av beholderen med litium-6 deuterid. Vi vil plassere containeren i den ene enden av kroppen til den fremtidige bomben (dette vil være den andre fasen), og i den andre enden vil vi montere en konvensjonell plutoniumladning med en kapasitet på flere kiloton (første trinn). Mellom atom- og termonukleære ladninger vil vi installere en uran-238-partisjon for å forhindre for tidlig oppvarming av litium-6-deuterid. Fyll resten av ledig plass inne i bombehuset med solid polymer. I utgangspunktet er den termonukleære bomben klar.
Når en kjernefysisk ladning detoneres, frigjøres 80% av energien i form av røntgenstråler. Dens forplantningshastighet er mye høyere enn for plutoniumfisjoneringsfragmenter. I hundredeler av en mikrosekund fordamper uranskjoldet, og røntgenstrålingen begynner å bli intensivt absorbert av uran fra den termonukleære ladningsbeholderen. Som et resultat av den såkalte ablasjonen (fjerning av masse fra overflaten til den oppvarmede beholderen), oppstår en reaktiv kraft som komprimerer beholderen 10 ganger. Det er denne effekten som kalles stråleimplosjon eller strålingskompresjon. Samtidig øker tettheten til fusjonsbrenselet 1000 ganger. Som et resultat av det kolossale trykket av strålingsimplosjon komprimeres også den sentrale stangen til uran-235, om enn i mindre grad, og går over i en superkritisk tilstand. På denne tiden bombarderes den termonukleære blokken med raske nøytroner fra en atomeksplosjon. Etter å ha passert gjennom litium-6 deuterid, reduseres de og absorberes intenst av uranstangen.
En fisjonskjedereaksjon begynner i stangen, og fører raskt til en kjernefysisk eksplosjon inne i containeren. Siden litium-6-deuterid utsettes for ablativ komprimering fra utsiden og trykket fra en kjernefysisk eksplosjon fra innsiden, øker dens tetthet og temperatur enda mer. Dette øyeblikket er begynnelsen på starten av syntesereaksjonen. Dets videre vedlikehold bestemmes av hvor lenge beholderen vil holde termonukleære prosesser i seg selv, og forhindre utslipp av termisk energi utenfor. Dette er det som bestemmer oppnåelsen av Lawson-kriteriet. Forbrenningen av termonukleært drivstoff går fra sylinderaksen til kanten. Forbrenningstemperaturen når 300 millioner kelvin. Det tar et par hundre nanosekunder å utvikle en eksplosjon helt opp til utbrentheten av det termonukleære drivstoffet og ødeleggelsen av beholderen - tjue millioner ganger raskere enn du leser denne setningen.
Pålitelig drift av totrinnskretsen avhenger av nøyaktig beholdermontering og forebygging av for tidlig oppvarming.
Kraften til den termonukleære ladningen for Teller-Ulam-ordningen avhenger av kraften til den kjernefysiske utløseren, som sikrer effektiv kompresjon ved stråling. Imidlertid er det nå også flere trinns ordninger der energien fra forrige trinn brukes til å komprimere den neste. Et eksempel på et tretrinnsoppsett er den allerede nevnte 100 megaton "Kuz'kina-moren".
