Nākamajā badabuma gadadienā Hirosimā un Nagasaki nolēmu meklēt internetu par kodolieroču jautājumiem, kur kāpēc un kā tas tika radīts, mani maz interesēja (es jau zināju) - mani vairāk interesēja tas, kā 2 plutonija gabali nekūst, bet padara plašu.
Sekojiet līdzi inženieriem - tie sākas ar sējmašīnu un beidzas ar atombumbu.
Marsels Pagnols
Kodolfizika ir viena no vispretrunīgākajām cienījamās dabas zinātnes jomām. Tieši šajā apkārtnē cilvēce pusgadsimtu meta miljardus dolāru, mārciņas, frankus un rubļus kā vēlu vilciena lokomotīvju krāsnī. Tagad vilciens, šķiet, vairs nav nokavējis. Dedzinošo līdzekļu niknās liesmas un cilvēka stundas nomira. Mēģināsim īsi saprast, kāds ir vilciens, ko sauc par “kodolfiziku”.
Izotopi un radioaktivitāte
Kā jūs zināt, viss, kas pastāv, sastāv no atomiem. Atomi savukārt sastāv no elektroniskām čaulām, kas dzīvo saskaņā ar viņu prātu plosošajiem likumiem, un kodolu. Klasisko ķīmiju nemaz neinteresē kodols un viņa personīgā dzīve. Viņai atoms ir viņa elektroni un to spēja apmainīties ar mijiedarbību. No ķīmijas kodola, lai aprēķinātu reaģentu proporcijas, ir nepieciešama tikai tā masa. Savukārt kodolfizikai dziļi nerūp elektroni. Viņu interesē sīks (100 tūkstoš reižu mazāks par elektronu orbītas rādiusu) putekļu plankums atoma iekšpusē, kurā koncentrēta gandrīz visa tā masa.
Reklāmas video:
Ko mēs zinām par kodolu? Jā, tas sastāv no pozitīvi lādētiem protoniem un neitroniem bez elektriskās lādiņa. Tomēr tas nav pilnīgi taisnība. Kodols nav nedaudz divkrāsainu bumbiņu, kā ilustrācijā no skolas mācību grāmatas. Šeit darbojas pilnīgi atšķirīgi likumi, kurus sauc par spēcīgu mijiedarbību, pārveidojot gan protonus, gan neitronus par kaut kādu neatšķiramu putru. Tomēr šīs misas lādiņš ir tieši vienāds ar tajā iekļauto protonu kopējo lādiņu, un masa - gandrīz (es atkārtoju, gandrīz) sakrīt ar neitronu un protonu masu, kas veido kodolu.
Starp citu, nejonizēta atoma protonu skaits vienmēr sakrīt ar elektronu skaitu, kuriem ir gods to apņemt. Bet ar neitroniem tas nav tik vienkārši. Faktiski neitronu uzdevums ir stabilizēt kodolu, jo bez tiem līdzīgi uzlādēti protoni nesaskanētu kopā pat mikrosekundēs.
Pieņemsim ūdeņradi noteiktībai. Visizplatītākais ūdeņradis. Viņa ierīce ir smieklīgi vienkārša - viens protons, ko ieskauj viens orbītā esošais elektrons. Ūdeņradis Visumā bez taras. Mēs varam teikt, ka Visumu galvenokārt veido ūdeņradis.
Tagad uzmanīgi pievienosim neitronu protonam. No ķīmijas viedokļa tas joprojām ir ūdeņradis. Bet no fizikas viedokļa vairs ne. Atklājuši divus dažādus ūdeņražus, fiziķi uztraucās un uzreiz domāja par parasto ūdeņraža saukšanu saukt par ūdeņradi, bet ūdeņradi ar neitronu ar protonu - deitēriju.
Paņemsim nervu un pabarosim kodolu ar vēl vienu neitronu. Tagad mums ir vēl viens, vēl smagāks ūdeņradis - tritijs. Tas atkal no ķīmijas viedokļa praktiski neatšķiras no pārējiem diviem ūdeņražiem (labi, izņemot to, ka tagad tas reakcijā nonāk nedaudz mazāk labprātīgi). Es gribu jūs tūlīt brīdināt - nekādas pūles, draudi un brīdinājumi nespēs tritija kodolam pievienot vēl vienu neitronu. Vietējie likumi ir daudz stingrāki nekā cilvēku likumi.
Tātad protiums, deitērijs un tritijs ir ūdeņraža izotopi. Viņu atomu masa ir atšķirīga, bet lādiņš nav. Bet tieši kodola lādiņš nosaka vietu periodisko elementu tabulā. Tāpēc izotopus sauca par izotopiem. Tulkojumā no grieķu valodas tas nozīmē "ieņemt to pašu vietu". Starp citu, labi pazīstamais smagais ūdens ir tas pats ūdens, bet ar diviem deitērija atomiem, nevis protium. Attiecīgi supercietā ūdenī protium vietā ir tritijs.
Apskatīsim vēlreiz savus ūdeņražus. Tātad … Protium ir vietā, deitērijs ir vietā … Kas tas vēl ir? Kur palika mans tritijs un kur radās hēlijs-3? Mūsu tritiumā viens no neitroniem to nepamanīja, nolēma mainīt profesiju un kļuva par protonu. To darot, viņš radīja elektronu un antineitrīno. Tritija zudums, protams, rada vilšanos, taču tagad mēs zinām, ka tas ir nestabils. Neitronu barošana nebija veltīga.
Tātad, kā jūs sapratāt, izotopi ir stabili un nestabili. Ap mums ir daudz stabilu izotopu, taču, paldies Dievam, praktiski nav nestabilu. Tas ir, tie ir pieejami, taču tādā izkaisītā stāvoklī, ka tie jāiegūst par daudz darbaspēka cenu. Piemēram, urāna-235, kas Oppenheimeram sagādāja tik daudz problēmu, dabiskajā urānā ir tikai 0,7%.
Pus dzīve
Šeit viss ir vienkāršs. Nestabila izotopa pussabrukšanas periods ir laika periods, kurā precīzi puse izotopu atomu sadalās un pārvēršas par dažiem citiem atomiem. Jau pazīstamā tritija pusperiods ir 12,32 gadi. Tas ir diezgan īslaicīgs izotops, lai gan salīdzinājumā ar franciju-223, kura pusperiods ir 22,3 minūtes, šķiet, ka tritijs ir pelēkbārdains aksakāls.
Pusperiodu neietekmē nekādi makroskopiski ārējie faktori (spiediens, temperatūra, mitrums, pētnieka noskaņojums, apropriāciju apjoms, zvaigžņu atrašanās vieta). Kvantu mehānika ir nejutīga pret šādām nejēdzībām.
Populāra sprādziena mehānika
Jebkura sprādziena būtība ir strauja enerģijas izdalīšanās, kas iepriekš bija brīvā, saistītā stāvoklī. Izdalītā enerģija ir izkliedēta, pārsvarā pārvēršoties siltumā (molekulu nesakārtotas kustības kinētiskā enerģija), triecienvilnī (arī šeit kustība, bet jau sakārtota virzienā no sprādziena centra) un starojumā - no mīkstas infrasarkanās līdz cietai īsviļņa kvantai.
Ar ķīmisku sprādzienu viss ir samērā vienkārši. Enerģētiski labvēlīga reakcija notiek, kad noteiktas vielas mijiedarbojas savā starpā. Reakcijā piedalās tikai dažu atomu augšējie elektroniskie slāņi, un mijiedarbība neietilpst dziļāk. Ir viegli uzminēt, ka jebkurā vielā ir daudz vairāk latentās enerģijas. Bet neatkarīgi no eksperimenta apstākļiem, neatkarīgi no tā, cik labus reaģentus mēs izvēlamies, neatkarīgi no tā, kā mēs kalibrējam proporcijas, ķīmija neļaus mums iet dziļāk atomā. Ķīmiskais sprādziens ir primitīva parādība, neefektīva un no fizikas viedokļa neķītri vāja.
Kodola ķēdes reakcija ļauj jums rakt mazliet dziļāk, iekļaujot spēlē ne tikai elektronus, bet arī kodolus. Varbūt tas izklausās ļoti fiziski tikai fizikam, un pārējiem es sniegšu vienkāršu līdzību. Iedomājieties milzīgu svaru, ap kuru elektrificētas putekļu daļiņas plīvo vairāku kilometru attālumā. Tas ir atoms, "svars" ir kodols, un "putekļu daļiņas" ir elektroni. Lai ko jūs darītu ar šiem putekļu graudiem, tie nedos pat simtdaļu enerģijas, ko var iegūt no svara. It īpaši, ja kāda iemesla dēļ tā saplīst un masveida gruveši lielā ātrumā izkliedējas dažādos virzienos.
Kodolsprādziens izmanto smago daļiņu saistošo potenciālu, kas veido kodolu. Bet tas ir tālu no robežas: matērijā ir daudz vairāk latentās enerģijas. Un šīs enerģijas nosaukums ir masa. Arī fiziķim tas izklausās mazliet dīvaini, bet masa ir enerģija, tikai ārkārtīgi koncentrēta. Katra daļiņa: elektrons, protons, neitrons - tas viss ir nepietiekami neticami blīvas enerģijas ķekars, kas pagaidām ir miera stāvoklī. Jūs, iespējams, zināt formulu E = mc2, kuru tik ļoti mīl anekdošu autori, sienas laikrakstu redaktori un skolas klašu dizaineri. Viņa ir tieši tā, un tieši viņa postulē masu kā tikai vienu enerģijas veidu. Un viņa arī atbild uz jautājumu, cik daudz enerģijas var no vielas iegūt maksimāli.
Masas pilnīgas pārejas procesu, tas ir, enerģijas saistīšanu brīvajā enerģijā, sauc par iznīcināšanu. Ar latīņu sakni "nihil" ir viegli uzminēt par tā būtību - tā ir pārveidošanās par "neko", pareizāk sakot, par starojumu. Skaidrības labad daži skaitļi.
Eksplozijas TNT ekvivalenta enerģija (J)
F-1 granāta 60 grami 2,50 * 105
Bumba nometās uz Hirosimas 16 kilotoni 6,70 * 1013
Viena grama vielas iznīcināšana 21,5 kilotoni 8,99 * 1013
Viens grams jebkuras vielas (svarīga ir tikai masa) iznīcināšanas laikā dos vairāk enerģijas nekā maza kodolbumba. Salīdzinot ar šādu atgriešanos, fiziķu vingrinājumi par kodola dalīšanos un vēl jo vairāk ķīmiķu eksperimenti ar aktīvajiem reaģentiem šķiet smieklīgi.
Iznīcināšanai ir nepieciešami atbilstoši apstākļi, proti, vielas saskare ar antimatēriju. Un, atšķirībā no "sarkanā dzīvsudraba" vai "filozofa akmens", antimatter ir vairāk nekā reāls - jo mums zināmās daļiņas pastāv un tiek pētītas līdzīgas anti daļiņas, un praksē atkārtoti ir veikti pāru "elektron + pozitron" iznīcināšanas eksperimenti. Bet, lai izveidotu iznīcināšanas ieroci, ir jāsaliek noteikts svarīgs antipartiklu daudzums, kā arī jāierobežo to kontakts ar jebkuru lietu līdz pat militārai izmantošanai. Tas, pah-pah, joprojām ir tālu izredzes.
Masas defekts
Pēdējais jautājums, kas vēl jāsaprot attiecībā uz sprādziena mehāniku, ir tas, no kurienes nāk enerģija: tā, kas izdalās ķēdes reakcijas laikā? Arī šeit tas neiztika bez masas. Drīzāk bez viņas "defekta".
Līdz pagājušajam gadsimtam zinātnieki uzskatīja, ka masa tiek saglabāta jebkuros apstākļos, un viņiem bija taisnība savā veidā. Tāpēc mēs iemērcām metālu skābē - replika burbuļoja un gāzes burbuļi metās pa šķidruma biezumu. Bet, ja jūs nosverat reaģentus pirms un pēc reakcijas, neaizmirstot par izdalīto gāzi, masa saplūst. Un tas tā būs vienmēr, kamēr mēs darbojamies ar kilogramiem, skaitītājiem un ķīmiskajām reakcijām.
Bet, iedziļinoties mikrodaļiņu zonā, arī masa pārsteidz. Izrādās, ka atoma masa var nebūt precīzi vienāda ar to veidojošo daļiņu masu summu. Kad smags kodols (piemēram, tas pats urāns) tiek sadalīts daļās, "fragmenti" kopumā sver mazāk nekā kodols pirms dalīšanās. "Starpība", ko sauc arī par masas defektu, ir atbildīga par saites enerģijām kodolā. Un tieši šī atšķirība sprādziena laikā nonāk siltumā un starojumā, un tas viss notiek pēc vienas un tās pašas vienkāršās formulas: E = mc2.
Tas ir interesanti: notika tā, ka enerģētiski ir izdevīgi sadalīt smagos kodolus un apvienot vieglos. Pirmais mehānisms darbojas urāna vai plutonija bumbā, otrais ūdeņraža bumbā. Un jūs nevarat izgatavot bumbu no dzelzs ar visu vēlmi: tas šajā līnijā atrodas tieši vidū.
Kodolbumba
Vēsturiskā secībā vispirms apskatīsim kodolbumbas un veiksim mūsu mazo Manhetenas projektu. Es jūs nenodarbināšu ar garlaicīgām izotopu atdalīšanas metodēm un skaldīšanas ķēdes reakcijas teorijas matemātiskiem aprēķiniem. Jums un man ir urāns, plutonijs, citi materiāli, montāžas instrukcijas un vajadzīgā zinātniskās ziņkārības daļa.
Skaldīšanas ķēdes reakcija Es jau minēju, ka urāna dalīšanās ķēdes reakciju pirmo reizi 1942. gada decembrī veica Enriko Fermi. Tagad parunāsim par kodolķēdes reakciju sīkāk.
Visi urāna izotopi ir nestabili vienā vai otrā pakāpē. Bet urāns-235 atrodas īpašā stāvoklī. Ar urāna-235 kodola (saukta arī par alfa sabrukšanu) spontānu sabrukšanu tiek veidoti divi fragmenti (citu, daudz vieglāku elementu kodoli) un vairāki neitroni (parasti 2-3). Ja sabrukšanas laikā izveidojies neitrons ietriecas cita urāna atoma kodolā, notiks parasta elastīga sadursme, neitrons atlecīs un turpinās meklēt piedzīvojumus. Bet pēc kāda laika tas tērēs enerģiju (ideālā gadījumā elastīgas sadursmes notiek tikai ar sfēriskiem zirgiem vakuumā), un nākamais kodols izrādīsies slazds - neitronu tas absorbēs. Starp citu, fiziķi šādus neitronus sauc par termiskiem.
Apskatiet zināmo urāna izotopu sarakstu. Starp tiem nav izotopa ar atomu masu 236. Vai jūs zināt, kāpēc? Šāds kodols dzīvo mikrosekundes daļās, un pēc tam sadalās, atbrīvojot milzīgu enerģijas daudzumu. To sauc par piespiedu sabrukšanu. Izotops ar šādu mūžu ir kaut kā neērts, lai izsauktu par izotopu.
Enerģija, kas izdalās urāna-235 kodola sabrukšanas laikā, ir fragmentu un neitronu kinētiskā enerģija. Ja mēs aprēķinām urāna kodola sabrukšanas produktu kopējo masu un pēc tam salīdzinām to ar sākotnējā kodola masu, izrādās, ka šīs masas nesakrīt - sākotnējais kodols bija lielāks. Šo parādību sauc par masas defektu, un tās skaidrojums ir noteikts formulā E0 = mc2. Fragmentu kinētiskā enerģija, kas dalīta ar gaismas ātruma kvadrātu, būs tieši vienāda ar masas starpību. Fragmenti tiek palēnināti urāna kristāliskajā režģī, izraisot rentgena starojumu, un pārvietotos neitronus absorbē citi urāna kodoli vai atstāj urāna liešanu, kur notiek visi notikumi.
Ja urāna liešana ir maza, tad lielākā daļa neitronu to atstās, pirms tie var palēnināties. Bet, ja katrs piespiedu sabrukšanas akts izdalītā neitrona dēļ izraisa vēl vismaz vienu šādu darbību, tā jau ir pašizturoša skaldīšanas ķēdes reakcija.
Attiecīgi, ja liešanas izmērs tiks palielināts, arvien lielāks neitronu skaits izraisīs piespiedu dalīšanos. Un kādā brīdī ķēdes reakcija kļūs nekontrolējama. Bet tas ir tālu no kodolsprādziena. Tikai ļoti "netīrs" termisks sprādziens, kas atbrīvos lielu skaitu ļoti aktīvu un toksisku izotopu.
Kritiskā masa
Pilnīgi dabisks jautājums - cik daudz urāna-235 nepieciešams, lai skaldīšanas ķēdes reakcija kļūtu par lavīnu? Patiesībā ne viss ir tik vienkārši. Šeit nozīme ir skaldāmo materiālu īpašībām un tilpuma un virsmas attiecībai. Iedomājieties tonnu urāna-235 (es uzreiz rezervēšu - tas ir daudz), kas pastāv plānas un ļoti garas stieples formā. Jā, neitrons, kas lido gar to, protams, izraisīs piespiedu sabrukšanu. Bet neitronu daļa, kas lido pa vadu, būs tik maza, ka ir smieklīgi runāt par pašpietiekamu ķēdes reakciju.
Tāpēc mēs vienojāmies apsvērt kritisko masu sfēriskai liešanai. Tīram urānam-235 kritiskā masa ir 50 kg (tā ir bumba ar 9 cm rādiusu). Jūs saprotat, ka šāda bumba tomēr neturpināsies ilgi, tāpat kā tie, kas to met.
Ja mazākas masas bumbu ieskauj neitronu atstarotājs (berilijs tam ir lieliski piemērots), un bumbā tiek ievadīts materiāls - neitronu moderators (ūdens, smagais ūdens, grafīts, tas pats berilijs), tad kritiskā masa kļūs daudz mazāka. Izmantojot visefektīvākos neitronu atstarotājus un moderatorus, kritisko masu var palielināt līdz 250 gramiem. To, piemēram, var panākt, sfēriskā berilija traukā ievietojot piesātinātu urāna-235 sāls šķīdumu smagā ūdenī.
Kritiskā masa neaprobežojas tikai ar urānu-235. Ir arī vairāki izotopi, kas spēj sadalīt ķēdes reakcijas. Galvenais nosacījums ir tāds, ka kodola sabrukšanas produktiem jāizraisa citu kodolu sabrukšanas akti.
Urāna bumba
Tātad mums ir divi puslodes formas urāna lējumi, kas sver 40 kg. Kamēr viņi atrodas cienījamā attālumā viens no otra, viss būs mierīgi. Un, ja jūs sākat tos lēnām kustināt? Pretēji izplatītajam uzskatam, nekas sēņošana nenotiks. Vienkārši gabali, tuvojoties, sāks sakarst, un tad, ja jūs laikus nedomājat atkal, sakarst. Galu galā tie vienkārši izkusīs un izplatīsies, un visi, kas pārvietoja lējumus, dos ozolu no neitronu apstarošanas. Un tie, kas ar interesi to vēroja, salīmēs pleznas.
Un ja ātrāk? Izkusīs ātrāk. Ātrāk joprojām? Viņi izkusīs vēl ātrāk. Forši? Jā, pat ja jūs to iemērcat šķidrā hēlijā, jēgas nebūs. Un, ja jūs šaujat vienu gabalu uz otru? PAR! Patiesības brīdis. Mēs tikko izdomājām urāna lielgabalu shēmu. Tomēr mums nav ar ko lepoties, šī shēma ir vienkāršākā un izveicīgākā no visām. Jā, un puslodes būs jāatsakās. Kā parādījusi prakse, viņi nav sliecas vienmērīgi turēties kopā ar lidmašīnām. Mazākais sagrozījums - un jūs saņemat ļoti dārgu "ķekaru", pēc kura jums būs jātīra ilgu laiku.
Labāk ir izgatavot īsu biezu sienu urāna-235 cauruli ar 30-40 kg masu, pie kuras atveres mēs piestiprinām tāda paša kalibra augstas stiprības tērauda mucu, kas ielādēta ar tāda paša urāna cilindru, kura masa ir aptuveni vienāda. Apņemsim urāna mērķi ar berilija neitronu atstarotāju. Tagad, ja jūs izšausit urāna "lodi" uz urāna "cauruli" - tur būs pilna "caurule". Tas ir, notiks kodolsprādziens. Tikai jums jāšauj nopietni, lai urāna šāviņa purnas ātrums būtu vismaz 1 km / s. Pretējā gadījumā atkal būs "ķekars", bet skaļāk. Fakts ir tāds, ka, kad lādiņš un mērķis tuvojas viens otram, tie tik ļoti sasilst, ka sāk intensīvi iztvaikot no virsmas, to palēnina tuvojošās gāzes plūsmas. Turklāt, ja ātrums nav pietiekams, tad pastāv iespēja, ka lādiņš vienkārši nesasniedz mērķi, bet pa ceļam iztvaiko.
Paātrināt līdz šādam ātrumam vairāku desmitu kilogramu smags disks, turklāt pāris metru attālumā, ir ārkārtīgi grūts uzdevums. Tāpēc jums nav nepieciešams šaujampulveris, bet gan jaudīgi sprāgstvielas, kas ļoti īsā laikā spēj radīt pareizu gāzes spiedienu mucā. Un tad jums nav jātīra muca, neuztraucieties.
Uz Hirosimas nomestā bumba Mk-I "Mazais zēns" tika veidota pēc lielgabalu shēmas.
Protams, ir nenozīmīgas detaļas, kuras mēs savā projektā neņemām vērā, taču mēs nemaz neesam pretrunā ar pašu principu.
Plutonija bumba
Tātad. Mēs detonējām urāna bumbu. Mēs apbrīnojām sēni. Tagad mēs uzspridzināsim plutoniju. Vienkārši nevelciet šeit mērķi, lādiņu, stobru un citus atkritumus. Šis skaitlis nedarbosies ar plutoniju. Pat ja mēs vienu gabalu šaujam citā ar ātrumu 5 km / s, pārkritiskā montāža joprojām nedarbosies. Plutonium-239 būs laiks iesildīties, iztvaikot un sabojāt visu apkārtējo. Tā kritiskā masa ir nedaudz virs 6 kg. Jūs varat iedomāties, cik daudz viņš ir aktīvāks neitronu uztveršanā.
Plutonijs ir neparasts metāls. Atkarībā no temperatūras, spiediena un piemaisījumiem tas pastāv sešās kristāla režģa modifikācijās. Ir pat modifikācijas, kurās tas samazinās, sildot. Pārejas no vienas fāzes uz otru var veikt pēkšņi, savukārt plutonija blīvums var mainīties par 25%. Apskatīsim, tāpat kā visus parastos varoņus. Atgādinām, ka kritisko masu jo īpaši nosaka tilpuma un virsmas attiecība. Labi, mums ir subkritiskā masas bumba, kurai ir minimālā virsma dotajam tilpumam. Teiksim, 6 kilogrami. Bumbas rādiuss ir 4,5 cm. Un, ja šī bumba tiek izspiesta no visām pusēm? Blīvums palielināsies proporcionāli lineārās saspiešanas kubam, un virsma samazināsies proporcionāli tā kvadrātam. Un tas notiek: plutonija atomi kļūs blīvāki, tas ir, saīsinās neitrona apstāšanās ceļš,kas nozīmē, ka palielināsies tā absorbcijas varbūtība. Bet, atkal, saspiešana ar nepieciešamo ātrumu (apmēram 10 km / s) joprojām nedarbosies. Strupceļš? Bet nē.
300 ° C temperatūrā notiek tā dēvētā delta fāze - visvieglākā. Ja plutonijs tiek leģēts ar galliju, uzkarsēts līdz šai temperatūrai un pēc tam lēnām atdzesēts, tad delta fāze var pastāvēt istabas temperatūrā. Bet tas nebūs stabils. Pie augsta spiediena (apmēram desmitiem tūkstošu atmosfēru) notiks pēkšņa pāreja uz ļoti blīvu alfa fāzi.
Plutonija lodi ievieto lielā (23 cm diametrā) un smagā (120 kg) dobā urāna-238 lodītē. Neuztraucieties, tam nav kritiskās masas. Bet tas lieliski atspoguļo ātros neitronus. Un tie mums joprojām būs noderīgi. Vai jūs domājat, ka viņi to uzspridzināja? Lai kā būtu. Plutonijs ir sasodīti kaprīzs. Mums vēl būs jāstrādā. Delta fāzē izveidosim divas plutonija puslodes. Veidosim sfērisku dobumu centrā. Un šajā dobumā mēs ievietosim domāto kodolieroču kvintesenci - neitronu ierosinātāju. Šī ir tik maza doba berilija bumba ar diametru 20 un biezumu 6 mm. Tās iekšpusē ir vēl viena berilija bumba ar diametru 8 mm. Dobās lodītes iekšējai virsmai ir dziļas rievas. Tas viss ir bagātīgi niķelēts un apzeltīts. Rievās ir polonijs-210, kas aktīvi izstaro alfa daļiņas. Šeit ir tāds tehnoloģiju brīnums. Kā tas darbojas? Uzgaidi mazliet. Mums vēl ir dažas lietas, kas jādara.
Apņemsim urāna apvalku ar citu, kas izgatavots no alumīnija-bora sakausējuma. Tās biezums ir aptuveni 13 cm. Kopumā mūsu "ligzdojošā lelle" tagad ir izaugusi līdz pusmetram un atguvusies no 6 līdz 250 kg.
Tagad mēs izgatavosim implozijas "lēcas". Iedomājieties futbola bumbu. Klasisks, sastāv no 20 sešstūriem un 12 piecstūriem. Izgatavosim šādu "bumbu" no sprāgstvielām un aprīkosim katru no segmentiem ar vairākiem elektriskiem detonatoriem. Segmenta biezums ir aptuveni pusmetrs. "Lēcu" ražošanā ir arī daudz smalkumu, taču, ja jūs tos aprakstāt, tad visam pārējam nepietiek vietas. Galvenais ir maksimāla objektīva precizitāte. Mazākā kļūda - un sprādzienbīstama sprādziena darbība sasmalcinās visu montāžu. Tagad pilnas komplektācijas diametrs ir aptuveni pusotrs metrs un svars - 2,5 tonnas. Projektēšanu pabeidz elektriskā ķēde, kuras uzdevums ir detonatorus detonēt stingri noteiktā secībā ar mikrosekundes precizitāti.
Viss. Pirms mums ir plutonija implozijas shēma.
Un tagad jautrā daļa.
Detonējot, sprāgstviela saspiež mezglu, un alumīnija "stūmējs" neļauj sprādziena viļņa sabrukšanai izplatīties uz iekšu pēc tā priekšpuses. Caur urānu ar pretātrumu aptuveni 12 km / s, kompresijas vilnis sablīvēs gan to, gan plutoniju. Plutonijs pie spiediena simtiem tūkstošu atmosfēras spiediena zonā (sprādzienbīstamas frontes fokusēšanas efekts) lēcīs alfa fāzē. 40 mikrosekundēs šeit aprakstītais urāna-plutonija sastāvs kļūs ne tikai par kritisku, bet arī vairākas reizes lielāks par kritisko masu.
Sasniedzot ierosinātāju, saspiešanas vilnis visu struktūru sasmalcinās monolītā. Šajā gadījumā zelta niķeļa izolācija sabruks, polonijs-210 difūzijas dēļ iekļūs berilijā, tā emitētās alfa daļiņas, izejot cauri berilijam, izraisīs kolosālu neitronu plūsmu, kas visā ķēdes plutonijā sāk ķēdes dalīšanās reakciju, un radīto "ātro" neitronu plūsmu. plutonija sabrukšana izraisīs urāna-238 eksploziju. Gatavs, mēs esam izaudzējuši otro sēni, kas nav sliktāka par pirmo.
Plutonija implozijas shēmas piemērs ir Mk-III bumba "Fatman", kas nomesta uz Nagasaki.
Visi šeit aprakstītie triki ir nepieciešami, lai piespiestu reaģēt maksimālo atomu plutonija kodolu skaitu. Galvenais uzdevums ir pēc iespējas ilgāk saglabāt lādiņu kompaktā stāvoklī, lai tas neizkliedētos kā plazmas mākonis, kurā ķēdes reakcija acumirklī apstāsies. Šeit katra laimētā mikrosekunde ir jaudas pieaugums par vienu vai diviem kilotoniem.
Termobrandu bumba
Pastāv plaši izplatīts uzskats, ka kodolbumba ir kodoltermiskās bumbas drošinātājs. Principā viss ir daudz sarežģītāk, bet būtība tiek notverta pareizi. Ieroči, kas balstīti uz kodoltermiskās kodolsintēzes principiem, ļāva sasniegt tādu eksplozijas jaudu, kuru nekādā gadījumā nevar panākt ar skaldīšanas ķēdes reakciju. Bet līdz šim vienīgais enerģijas avots, kas ļauj "aizdedzināt" kodoltermiskās kodolsintēzes reakciju, ir kodolsprādziens.
Termotu kodolsintēze
Atcerieties, kā mēs “barojām” ūdeņraža kodolu ar neitroniem? Tātad, ja jūs mēģināt šādā veidā savienot divus protonus, no tā nekas neiznāks. Kuloni atgrūžošo spēku dēļ protoni nelīmēsies kopā. Vai nu tie izkliedējas, vai arī notiek beta sabrukšana, un viens no protoniem kļūst par neitronu. Bet hēlijs-3 pastāv. Pateicoties vienam neitronam, kas protonus padara dzīvojamākus savā starpā.
Principā, pamatojoties uz hēlija-3 kodola sastāvu, var secināt, ka vienu hēlija-3 kodolu var pilnībā salikt no protiuma un deitērija kodoliem. Teorētiski tā ir taisnība, taču šāda reakcija var notikt tikai lielu un karstu zvaigžņu zarnās. Turklāt zvaigžņu dziļumos pat no dažiem protoniem var savākt hēliju, dažus no tiem pārveidojot par neitroniem. Bet tie jau ir astrofizikas jautājumi, un mums iespējama iespēja ir apvienot divus deitērija vai deitērija un tritija kodolus.
Kodolu saplūšanai ir nepieciešams viens ļoti specifisks nosacījums. Šī ir ļoti augsta (109 K) temperatūra. Tikai ar 100 keV kodolu vidējo kinētisko enerģiju tie spēj tuvoties attālumam, kurā spēcīgā mijiedarbība sāk pārvarēt Kulona mijiedarbību.
Diezgan pamatots jautājums - kāpēc jāžogo šis dārzs? Fakts ir tāds, ka gaismas kodolu saplūšana atbrīvo enerģiju apmēram 20 MeV. Protams, ar piespiedu urāna kodola šķelšanos šī enerģija ir 10 reizes lielāka, taču ir viena atruna - ar vislielākajiem trikiem urāna lādiņš ar pat 1 megatonu jaudu nav iespējams. Pat progresīvākai plutonija bumbai sasniedzamā enerģijas raža ir ne vairāk kā 7-8 kilotonnas uz kilogramu plutonija (ar teorētisko maksimumu 18 kilotonnas). Neaizmirstiet, ka urāna kodols ir gandrīz 60 reizes smagāks par diviem deitērija kodoliem. Ja mēs ņemam vērā īpatnējo enerģijas ražu, tad kodoltermiskā kodolsintēze ir manāmi priekšā.
Un tomēr - attiecībā uz kodolenerģijas lādiņu kritiskās masas ierobežojumi nav noteikti. Viņam to vienkārši nav. Tomēr ir arī citi ierobežojumi, bet par tiem - zemāk.
Principā sākt kodolreakciju kā neitronu avotu nav pietiekami grūti. Ir daudz grūtāk to palaist kā enerģijas avotu. Šeit mēs saskaramies ar tā saukto Lawson kritēriju, kas nosaka termo kodolreakcijas enerģijas priekšrocības. Ja reaģējošo kodolu blīvuma un to ierobežošanas laika reizinājums kodolsintēzes attālumā ir lielāks par 1014 sek / cm3, kodolsintēzes nodrošinātā enerģija pārsniegs sistēmā ievadīto enerģiju.
Lai sasniegtu šo kritēriju, tika veltītas visas kodoltermiskās programmas.
Klasisks super
Pirmā termobrandu bumbu shēma, kas ienāca Edvarda Tellera prātā, bija kaut kas līdzīgs mēģinājumam izveidot plutonija bumbu, izmantojot lielgabalu shēmu. Tas ir, šķiet, ka viss ir pareizi, bet tas nedarbojas. "Klasiskā super" - šķidrā deitērija, kurā iegremdēta plutonija bumba, ierīce patiešām bija klasiska, taču tālu no super.
Ideja par kodola lādiņa eksploziju šķidrā deitērija vidē sākotnēji izrādījās strupceļš. Šādos apstākļos vismazāko kodoltermiskās kodolsintēzes enerģijas ražu varētu sasniegt, detonējot 500 kt kodolenerģiju. Un par Lawson kritērija sasniegšanu vispār nebija jārunā.
Puff
Ideja apņemt kodolieroču lādiņu ar termoelektrostacijas slāņiem, kas mijās ar urānu-238 kā siltumizolatoru un sprādziena pastiprinātāju, nāca klajā arī Teller. Un ne tikai viņu. Pirmās padomju termoelektroniskās bumbas tika uzbūvētas tieši pēc šīs shēmas. Princips bija pavisam vienkāršs: kodola lādiņš silda kodoldegvielu līdz kodolsintēzes sākuma temperatūrai, un kodolsintēzes laikā radītie ātri neitroni eksplodē urāna-238 slāņus. Tomēr ierobežojums palika nemainīgs - temperatūrā, ko varēja nodrošināt kodolieroču iedarbinātājs, kodolsintēzes reakcijā varēja iekļūt tikai lēta deitērija un neticami dārga tritija maisījums.
Vēlāk Teller nāca klajā ar ideju izmantot savienojuma litija-6 deuterīdu. Šis risinājums ļāva atteikties no dārgiem un neērtiem kriogēniem traukiem ar šķidru deitēriju. Turklāt apstarošanas ar neitroniem rezultātā litijs-6 tika pārveidots par hēliju un tritiju, kas sāka kodolsintēzes reakciju ar deitēriju.
Šīs shēmas trūkums bija ierobežotā jauda - tikai ierobežotai termoelektrostacijas daļai, kas ieskauj sprūdu, bija laiks iekļūt kodolsintēzes reakcijā. Pārējie, lai arī cik tas bija, devās vējā. Maksimālā uzlādes jauda, kas iegūta, izmantojot "dvesmu", bija 720 kt (British Orange Herald bumba). Acīmredzot tie bija "griesti".
Teller-Ulam shēma
Mēs jau runājām par Teller-Ulam shēmas attīstības vēsturi. Tagad sapratīsim šīs ķēdes tehniskās detaļas, ko sauc arī par "divpakāpju" vai "starojuma saspiešanas" ķēdi.
Mūsu uzdevums ir sildīt kodoldegvielu un turēt to noteiktā tilpumā, lai izpildītu Lawson kritēriju. Atmetot amerikāņu vingrinājumus ar kriogēnām ķēdēm, ņemsim par mums jau zināmu litija-6 deuterīdu kā kodoltermisko kurināmo.
Mēs izvēlēsimies urānu-238 kā materiālu kodolieroču lādiņa konteineram. Tvertne ir cilindriska. Gar konteinera asi, tās iekšpusē, mēs ievietojam cilindrisku stieni no urāna-235 ar subkritisko masu.
Piezīme: sensacionālā neitronu bumba tajā laikā ir tā pati Teller-Ulam shēma, bet bez urāna stieņa gar konteinera asi. Punkts ir nodrošināt spēcīgu ātru neitronu plūsmu, bet neļaut nodegt visu termonukleāro degvielu, kas patērēs neitronus.
Pārējo konteinera brīvo vietu aizpildiet ar litija-6 deuterīdu. Mēs ievietosim konteineru vienā no nākamās bumbas korpusa galiem (tas būs otrais posms), un otrā galā mēs uzstādīsim parasto plutonija lādiņu ar vairāku kilotonu ietilpību (pirmais posms). Starp kodolenerģijas un kodolenerģijas lādiņiem mēs uzstādīsim urāna-238 starpsienu, lai novērstu priekšlaicīgu litija-6 deuterīda sildīšanu. Aizpildiet atlikušo brīvo vietu bumbas korpusa iekšpusē ar cietu polimēru. Principā kodolbumba ir gatava.
Detonējot kodola lādiņu, 80% enerģijas izdalās rentgena staru veidā. Tā izplatīšanās ātrums ir daudz lielāks nekā plutonija šķelšanās fragmentiem. Mikrosekundes simtdaļās iztvaiko urāna aizsargs, un rentgenstaru starojumu sāk intensīvi absorbēt termonukleāro lādiņu konteinera urāns. Tā sauktās ablācijas (masas noņemšana no apsildāmā trauka virsmas) rezultātā rodas reaktīvs spēks, kas tvertni saspiež 10 reizes. Tieši šo efektu sauc par radiācijas imploziju vai radiācijas saspiešanu. Šajā gadījumā kodolsintēzes degvielas blīvums palielinās 1000 reizes. Radiācijas implozijas kolosālā spiediena rezultātā arī urāna-235 centrālais stienis, kaut arī mazākā mērā, tiek saspiests un pāriet superkritiskā stāvoklī. Līdz šim laikam kodolbloks tiek bombardēts ar ātriem neitroniem no kodolsprādziena. Pēc litija-6 deuterīda izlaišanas tie palēninās un urāna stienis intensīvi absorbē.
Stienī sākas sadalīšanās ķēdes reakcija, kas ātri noved pie kodolsprādziena konteinera iekšpusē. Tā kā litija-6 deuterīds tiek pakļauts ablatīvai saspiešanai no ārpuses un kodolsprādziena spiedienam no iekšpuses, tā blīvums un temperatūra vēl vairāk palielinās. Šis brīdis ir sintēzes reakcijas sākuma sākums. Tās turpmāko uzturēšanu nosaka tas, cik ilgi konteiners turēs sevī kodolenerģijas procesus, novēršot siltuma enerģijas izdalīšanos ārpusē. Tas nosaka Lawsona kritērija sasniegšanu. Termo kodoldegvielas sadegšana notiek no cilindra ass līdz tā malai. Degšanas priekšējā temperatūra sasniedz 300 miljonus kelvīnu. Lai pilnībā izveidotu sprādzienu līdz termoelektrostacijas degšanai un konteinera iznīcināšanai, nepieciešami pāris simti nanosekunžu - divdesmit miljoni reižu ātrāk, nekā jūs lasāt šo frāzi.
Uzticama divpakāpju ķēdes darbība ir atkarīga no precīzas tvertnes montāžas un priekšlaicīgas sasilšanas novēršanas.
Terminukleārā lādiņa jauda Teller-Ulam shēmai ir atkarīga no kodola sprūda spēka, kas nodrošina efektīvu saspiešanu ar starojumu. Tomēr tagad ir arī daudzpakāpju shēmas, kurās iepriekšējā posma enerģija tiek izmantota nākamā saspiešanai. Trīspakāpju shēmas piemērs ir jau pieminētā 100 megatonu "Kuz'kina māte".