Физические основы атомного заряда

В основе атомной бомбы лежали открытия довоенного времени: деление урана и цепная нейтронная реакция. Деление урана - энергетическое направление. Как известно, все элементы составлены из ядер (протон и нейтрон) и . В легких ядрах число р и n сопоставимо, а в тяжелых преобладают нейтроны.

92 – кол-во р

238 – 92=146 – (нейтронов).

Размеры ядра в 100 тыс. раз меньше размера атома, внутри которого располагаются . Поэтому ядерные силы >> атомных. При делении n происходит (под действием n) распад ядра на 2 осколка, в большинстве случаев равных по массе. Этот принцип и положен в основу ядерной бомбы.

+ энергия

	(Ва)

Для сравнения, при химических реакциях (взрыв пороха, тротила) выделяющаяся энергия в 10 млн. раз меньше.

Первая бомба «Толстяк» (FATMAN) весила около 5 тонн и имела мощность ~ 15 кт (кт=10⁶ кг тротилового эквивалента) (15 кт = 15×10⁶ кт в тротиловом эквиваленте).

Т.е. бомба превосходит химический аналог» 3000 раз (по весу).

Т.к. h=16%.

Вторая особенность деления состоит в том, что в результате деления ядра образуются два нейтрона:

U²³⁵ → 2Ва +2n +g_{излучения} + Е;

(n + U) = x₁ + x₂ + 2n + g + E.

Это приводит к возможности цепной реакции – нарастающему экспоненциальному потоку нейтронов (2…3n). Опытным путем выяснили, что для реализации взрыва пригодны нечетные изотопы (U²³⁵ и Pu²³⁹). В свое время также возлагали надежды на кюрий²⁴⁵ (но он не нашел применения, т.к. превосходил Pu²³⁹ по стоимости в 10 раз).

U²³⁵ является изотопом природного урана (U²³⁸), в нем его содержится менее 1%.

Таблица 3 – Добыча урана в тоннах

	до 1945 г.	1945 г.	конец 1949 г.
СССР
США

 

В СССР наибольшее распространение получил центробежный способ разделения изотопов. На его основе сейчас идут поставки обогащенного урана внутри страны и на экспорт.

U²³⁵ – ВОУ > 20% в ЯО,

U²³⁵» 5% в АЭС.

Pu²³⁹ – искусственный изотоп. Его получают в промышленных реакторах. U²³⁸ при облучении захватывает нейтроны, а затем через a-b-распад переходит в Pu²³⁹, при этом образуется очень вредный Pu²⁴⁰.

В оружейном Pu содержание Pu²⁴⁰ не более 7%.

U²³³ – ДМ реакторного происхождения, получается при облучении тория (Тr).

Нейтроны, испытывая многократное взаимодействие в расщепленной среде, могут достигать ее границы и исчезать. В бесконечной среде таких потерь нет. И наоборот, если размер области (н, ядро) сопоставим с длиной пробега нейтрона, их потери за счет вылетов преобладают. Вводится понятие критического размера, критической массы.

Наиболее экономичной геометрической фигурой, имеющей наименьшую критическую массу, является шар, т.к. он обладает минимальным отношением поверхности и объема. Объем пропорционален весу, кол-во ядра ~ кол-во рождаемых нейтронов, поверхность ~ вероятность вылета n из среды.

В надкритическом состоянии поток нейтронов возрастает, в подкритическом состоянии реакция деления затухает: критическое
состояние – стационарный уровень нейтронов (сколько рождается, столько уходит).

Любое взрывное устройство должно обладать механизмом, способным перевести из безопасного (подкритичного) состояния во взрывное (надкритичное). Но каким бы не был механизм, он не может быть мгновенным, он растянут во времени. Реально используют 2 способа перевода в надкритическое состояние: медленный и быстрый.

Медленный способ (применен на «Малыше»): имеется 2 куска U, каждый из которых подкритичен (»75% от критической массы), т.е. если считать для U²³⁵ крит. массу ~ 60 кг, то куски ~ 45 кг. При совмещении кусков с помощью пороха возникает надкритичность. Принцип сближения, способ к импульсному размножению нейтронов. Этот способ не пригоден для Рu из-за большого нейтронного фона, у Рu фон в сотни раз больше, чем у U, т.е. рождение нейтронов.

Состояние:

1. Надкритическое N_1n >

2. Критическое N_1n =

3. Подкритическое N_1n < .

60 кг U ~ 15 кТ

6 кг Рu ~ 15 кТ, т.е.

низкий h урановой бомбы.

Быстрый способ называется имплозией («взрыв внутрь»): Рu распределен в виде тонкой сферической оболочки и окружен взрывчатым веществом. Снаружи ВВ устанавливаются капсюли-детонаторы, которые по внешнему сигналу с помощью фокусирующих линз образуют в ВВ сферическую детонационную сходящуюся волну. Энергия ВВ передается оболочке из Рu и она сжимается к центру, преобразуясь в шар. При повышении плотности снижается критическая масса (зависимость – критическая масса уменьшается обратно пропорционально квадрату плотности). Т.е. если крит. масса U=60 кг, то при сжатии в 2 раза, крит. масса =15 кг. Крит. масса Рu=12 кг, при сжатии в 2 раза, то крит. масса Рu=3 кг. В современных бомбах минимальная масса Рu=2 кг; 1 кг ~ 20 кТ.

Т.о. вторым существенным обстоятельством на пути создания бомбы является то, что мало просто иметь делящиеся вещества, надо научиться переводить эти вещества через критичное состояние с максимальной эффективностью.

При имплозии t нахождения вещества в сжатом состоянии имеет важное значение, поэтому это и определяет вместе с конечной величиной сжатия кол-во Рu (min), способное к взрыву.

 

 

 

 

Рис.19 – Сжатие ДМ

 

Переход через критическое состояние должен быть хорошо организован, без чрезмерной динамики и без замедления. Чрезмерно быстрое сжатие и сопровождаемое его большое давление может привести к ситуации, когда цепная реакция не успеет развиться («раскол» по физике). Очень медленное сжатие приводит к цепной реакции, развивающейся после перехода через критическую массу, вещество малой плотности и малой энергии. Взрыв произойдет до самого благоприятного момента (max сжатия) («неполный взрыв» - жаргон физиков).

Нейтронный источник, вызывающий реакцию деления, должен включаться в момент max сжатия:

1) В центре заряда содержится небольшое количество дейтерия, тогда

D + D = He + n + 3,25 МэВ

Результат ударной волны – возникает реакция D+D с выделением нейтрона. Установлено, что число нейтронов достаточно для инициирования цепной реакции

2) Термоядерная схема: деление – синтез – деление

D + Т → n, a-частицы, причем

Е_n > 14 МэВ, что нейтроны вызывают деление U

Т – тритий (Н )

Рu, U²³⁵, Т – три основных элемента современных бомб.

 

Действие ядерного оружия

Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, обладала мощностью 20 кт. Разрушению был подвержен практически весь город. Общее число пострадавших составило 240 тыс. человек (78 т. убитых, 64 т. раненых,
163 т. – остаточная радиация).

Мощность современных ЯЗ выражается в мегатоннах. При ударе боеприпасом 10-20 Мт площадь разрушения составит 500 км², больше площади города с миллионным населением. Непосредственная угроза для жизни в радиусе 60 км, воронка диаметром 800 м и глубиной 75-90 м. зона поражения по ветру протянется на сотни км (от Лондона до Парижа). Это – одиночный взрыв. Пожар лесов с выделением энергии, превосходящей энергию самого взрыва в десятки раз.

При массовых взрывах – ядерная зима.

Многие глобальные эффекты в силу их грандиозности не могут быть определенно предсказаны, оценены и смоделированы в лабораторных условиях. Вместе с тем, природа дает примеры неустойчивости, например, в виде ледниковых периодов, изменивших климат Земли. Наличие каменного угля, останков мамонтов на Таймыре и в Якутии свидетельствуют как о длительном тепловом периоде, так и о внезапном похолодании.

Можно считать, что люди сейчас располагают силой в виде ядерной энергии, способной вызвать необратимые последствия для всей экосистемы, включая человека. Такова беспросветная картина массовой ядерной войны. Современное ядерное оружие несет характер абсолютного, его усовершенствование не может обнаружить сколько-нибудь существенных преимуществ по сравнению с достигнутым.

Поражающими факторами ядерного оружия являются ударная волна, проникающее излучение, радиация, электромагнитный импульс, световая вспышка. Каждый фактор, связан с другими по уровню воздействия. В зависимости от условий применения в той или иной мере могут быть усилены или ослаблены отдельные факторы. Влияние атмосферы сказывается на уровне действия проникающей радиации. Характерная длина поглощения на поверхности Земли составляет ~200 м. Другой пример – «чистая» (без ДМ, Т+Д, воспламеняемый обычным ВВ (1-2 т)) нейтронная бомба. При выходе нейтронов 10^{20 – 21} радиус поражения составляет сотни метров и является преобладающим.

Многие страны имеют развитую атомную промышленность, предназначенную для нормального функционирования АЭС. АЭС содержит в себе быстро распадающуюся радиоактивность (дни) на уровне бомбы мощностью ~ 100 кт, и долгоживущую радиоактивность (годы), в десятки раз превосходящую взрыв мегатонной бомбы. Пример – Чернобыль. Отсюда следует, что всякое преднамеренное разрушение АЭС следует приравнивать к использованию ЯО.

Разрушение других объектов промышленности (химкомбинатов, гидростанций и др.) может вызвать экологическую катастрофу большую, чем использование ЯО.

Парадокс современного мира заключается в том, что наиболее развитые в промышленном и военном отношении государства, подвергаются наибольшей опасности.

Противоречия, порожденные развитием военной техники прямо отражаются на настроении общества. Мы начинаем бояться там, где следует гордиться – в химии, биологии, ядерной науке.