О современном ядерном оружии ходит много мифов

Популярная механикаОбщество

Как работает атомная бомба

Об истории ядерного противостояния сверхдержав и конструкции первых ядерных бомб написаны сотни книг. А вот о современном ядерном оружии ходит много мифов. «Популярная механика» решила внести ясность в этот вопрос и рассказать, как работает самое разрушительное оружие, придуманное человеком.

Александр Прищепенко

Взрывной характер

Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.

Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию — 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.

Цепная реакция. При попадании нейтронов ядро урана-235 легко делится, образуя новые нейтроны. При определенных условиях начинается цепная реакция.

При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.

Металлический плутоний существует в шести фазах, плотности которых от 14,7 до 19,8 кг/см3. При температуре ниже 119 градусов Цельсия существует моноклинная альфа-фаза (19,8 кг/см3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может — плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, произойдет это без взрыва — заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).

Критическая сборка

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, — важнейшая.

Забытое старое. Взрывные линзы создавали сходящуюся волну. Надежность обеспечивалась парой детонаторов в каждом блоке.

Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).

Плутониевая сборка (шаровой слой в центре) была окружена корпусом из урана-238, а затем слоем алюминия.

Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.

В первых ядерных зарядах в качестве источника нейтронов использовались полоний и бериллий (в центре).

Шаровая сборка

Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное — при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Таяние многолетней мерзлоты оказалось причиной выбросов древнего термогенного метана Таяние многолетней мерзлоты оказалось причиной выбросов древнего термогенного метана

Из-за глобального потепления слой мерзлоты стал проницаемым газогидратов

N+1
Миллиарды из трущоб: как самый богатый человек Индии зарабатывает на мобильной связи Миллиарды из трущоб: как самый богатый человек Индии зарабатывает на мобильной связи

Можно ли сделать связь доступной для беднейших слоев населения южной Азии?

Forbes
Продажный соискатель: чем образ хорошего работодателя бывает полезен бизнесу Продажный соискатель: чем образ хорошего работодателя бывает полезен бизнесу

Какие преимущества дает правильный имидж компании-работодателя на рынке труда?

Forbes
Золотая антилопа: как научиться правильному отношению к деньгам Золотая антилопа: как научиться правильному отношению к деньгам

Часто российские предприниматели допускают те же ошибки, что и жадный Раджа

Forbes
На порядок выше На порядок выше

Знакомимся с бас­кет­бо­ли­ста­ми московского ЦСКА

Vogue
Воры на доверии: как научиться технике финансовой безопасности Воры на доверии: как научиться технике финансовой безопасности

Технологии упрощают денежные переводы, но этим пользуются и злоумышленники

Forbes
Вокалистка и ударница Вокалистка и ударница

Ве­ра Бреж­не­ва рассказывает о том, как все успеть и не сломаться

Glamour
Май в Таиланде Май в Таиланде

Таиланд прекрасен в любое время года

Домашний Очаг
Эмили Блант: “Мужчины хотят снимать фильмы о сильных женщинах” Эмили Блант: “Мужчины хотят снимать фильмы о сильных женщинах”

Эмили Блант — о новом проекте и о том, как совмещать личную жизнь и работу

Esquire
Роковое влечение Роковое влечение

От чего зависит желание и почему иногда оно пропадает?

Cosmopolitan
Выходные в Москве: 6 ресторанов, куда стоит пойти с детьми Выходные в Москве: 6 ресторанов, куда стоит пойти с детьми

Рестораторы делают все, чтобы и родителям и их любимым чадам было комфортно

Cosmopolitan
Я люблю фас Я люблю фас

Писатель Алексей Сальников — о том, почему ротвейлеры лучше людей

GQ
Фальшивая реальность Фальшивая реальность

Президент США в порно? Приложение позволяет подставлять другие лица в видео

CHIP
Как дома Как дома

Если ты не успела придумать, куда поехать на майские, еще не все потеряно

Лиза
Мудрая пудра Мудрая пудра

Дом, в котором много натуральных материалов, мягких тканей и пастельных оттенков

AD
Твои планы на выходные: Ruski и Insight Твои планы на выходные: Ruski и Insight

Захватывающий дух вид с высоты 354 м. в самых высоких ресторанах Европы.

Cosmopolitan
Кандидат на вылет. Как инвестору подготовиться к изменению индекса Dow Jones Кандидат на вылет. Как инвестору подготовиться к изменению индекса Dow Jones

Компания General Electric рискует вылететь из индекса Dow Jones

Forbes
Красота по-американски: за что мы любим Кэролин Бессетт-Кеннеди Красота по-американски: за что мы любим Кэролин Бессетт-Кеннеди

На волне ностальгии по 1990-м вспоминаем Кэролин Бессетт-Кеннеди

Vogue
Старость при деньгах. Как самостоятельно накопить на пенсию Старость при деньгах. Как самостоятельно накопить на пенсию

Какие правила помогут обеспечить достойную жизнь после 55?

Forbes
«Мои мозги ходят в тренажерный зал» «Мои мозги ходят в тренажерный зал»

Интервью c Семёном Слепаковым

OK!
Прогулка по Венеции Прогулка по Венеции

Главной темой интерьера этой квартиры в центре Иркутска стала Венеция

SALON-Interior
Как устроена жизнь в самой знаменитой высотке Лондона Как устроена жизнь в самой знаменитой высотке Лондона

Истории жильцов Треллик-тауэр — образца бруталистской архитектуры 1970-х годов

Esquire
Медовый месяц с проходимцем: редактор Cosmo тестирует Jeep Renegade Медовый месяц с проходимцем: редактор Cosmo тестирует Jeep Renegade

«Медовый месяц» с красавчиком по имени Jeep Renegade

Cosmopolitan
Лучший бармен 2017 года о коктейлях на лето и стереотипах про девушек в баре Лучший бармен 2017 года о коктейлях на лето и стереотипах про девушек в баре

Лучшим барменом 2017 года стала Кейтлин Стюарт из Royal Dinette в Ванкувере

GQ
Кто такие Кто такие

Повальное увлечение ЗОЖ породило новую субкультуру

Cosmopolitan
Без права голоса. Как быть успешной в бизнесе и оставаться женщиной Без права голоса. Как быть успешной в бизнесе и оставаться женщиной

Как повысить самооценку и не бояться соревноваться с мужчинами

Forbes
«Мария Магдалина»: евангельский фильм с женщиной в главной роли «Мария Магдалина»: евангельский фильм с женщиной в главной роли

Рецензия на фильм "Мария Магдалина"

Esquire
Уволить Цукерберга: как Facebook выжить между политикой и экономикой Уволить Цукерберга: как Facebook выжить между политикой и экономикой

Политики стремятся вернуть контроль над инструментами массового воздействия

Forbes
Одолжить с умом. Как сменить депозит на облигацию и заработать больше Одолжить с умом. Как сменить депозит на облигацию и заработать больше

Как грамотно собрать портфель из долговых бумаг

Forbes
7 самых дорогих и красивых отелей мира 7 самых дорогих и красивых отелей мира

Самые необычные, роскошные и комфортабельные отели со всего земного шара

Популярная механика
Открыть в приложении