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
Лампы из будущего Лампы из будущего

Чего ждать от осветительных приборов нового поколения

Огонёк
Правило бутерброда Правило бутерброда

Идеи для завтрака или быстрого перекуса

Лиза
Секрет гостеприимства. Кому Олег Дерипаска подарил часть своего бизнеса Секрет гостеприимства. Кому Олег Дерипаска подарил часть своего бизнеса

Миллиардер Олег Дерипаска создал одну из крупнейших отельных сетей в России

Forbes
Носите тренчи, как у героинь стритстайла Носите тренчи, как у героинь стритстайла

Все секреты героинь стритстайла и в каких тренчах ходить этой весной

Vogue
Приготовь мне барашка Приготовь мне барашка

Семь часов не напрасного ожидания

Огонёк
Эпоха рассрочки. Почему россияне стали чаще брать кредиты в торговых сетях Эпоха рассрочки. Почему россияне стали чаще брать кредиты в торговых сетях

За прошлый год рынок POS-кредитования вырос на 20%

Forbes
Андрей Пронин: Михаил Угаров. Жизнь Андрей Пронин: Михаил Угаров. Жизнь

Театральный критик — о том, каким был знаменитый режиссер

СНОБ
Есть ли эмоции у собак и кошек? Есть ли эмоции у собак и кошек?

Так трудно отказать нашим братьям меньшим в наличии если не разума, то сознания

Популярная механика
Каменный гость Каменный гость

О профилактике мочекаменной болезни

Лиза
Настоящие Рапунцели: взлет и падение длинноволосых сестер Сазерлэнд Настоящие Рапунцели: взлет и падение длинноволосых сестер Сазерлэнд

Во времена, когда не было кино, люди развлекались другими способами

Cosmopolitan
Безопасный город. Почему жители надежнее видеокамер во дворах Безопасный город. Почему жители надежнее видеокамер во дворах

Влюбить человека в место обходится дешевле, чем убирать мусор

Forbes
Олег Табаков. Вспоминая маэстро Олег Табаков. Вспоминая маэстро

Олег Павлович Табаков – народный артист во всех смыслах

Лиза
«Хочу быть суперженщиной» «Хочу быть суперженщиной»

За полтора десятка лет мультяшная девочка Глюк’оZа сильно трансформировалась

OK!
Как воспитать счастливого ребенка в XXI веке: 9 советов психолога Как воспитать счастливого ребенка в XXI веке: 9 советов психолога

Что нужно для счастья и психологического здоровья ребенка

Psychologies
«Наша прелесть»: как общаться с родителями, помешанными на детях? «Наша прелесть»: как общаться с родителями, помешанными на детях?

Как поехать в гости и не поссориться?

Psychologies
Наноалмаз превратили в управляемый источник света Наноалмаз превратили в управляемый источник света

Команда физиков разработала управляемый источник света на основе наноалмаза

Популярная механика
Самолеты против пожара: как работает пожарная авиация в США Самолеты против пожара: как работает пожарная авиация в США

Когда лесные пожары вырываются из-под контроля, пора звать воздушных пожарных

Популярная механика
Красивый фасад. Есть ли преимущества у бизнес-центра в старинном особняке Красивый фасад. Есть ли преимущества у бизнес-центра в старинном особняке

Cтаринные особняки все чаще переделывают под бизнес-центры

Forbes
Гравитационная могила: почему обитатели иных миров не могут улететь в космос Гравитационная могила: почему обитатели иных миров не могут улететь в космос

Астрономы уделяют пристальное внимание супер-Землям

Популярная механика
Они узорят наш район! Они узорят наш район!

Предметы, оказавшись рядом, создают красоту и узоры

Maxim
Расстановка приоритетов Расстановка приоритетов

Peugeot 5008 и Renault Koleos

АвтоМир
Ешь, качай, беги! Ешь, качай, беги!

Фитнес-лайфхаки Миланы Королевой

Cosmopolitan
Пражская весна Пражская весна

Столица Чехии глазами ху­дож­ника Па­вла Пеп­пер­штейна

Vogue
9 историй звезд, чей путь к материнству был тяжелым и трагическим 9 историй звезд, чей путь к материнству был тяжелым и трагическим

Наши героини прошли тяжелые испытания, прежде чем впервые стать мамами

Cosmopolitan
Тарелка профессора Роя: бескрылый летательный аппарат Тарелка профессора Роя: бескрылый летательный аппарат

В США получен патент на «летающую тарелку»

Популярная механика
Столица против периферии. Есть ли шанс у региональных банков выбиться в лидеры Столица против периферии. Есть ли шанс у региональных банков выбиться в лидеры

Вопреки тревожным прогнозам, региональные банки сумели выжить

Forbes
12 из Женевы 12 из Женевы

Главные тренды Женевского автосалона

GQ
Анна Старобинец — о книгах, которые переворачивают душу и разум Анна Старобинец — о книгах, которые переворачивают душу и разум

Почему в российских реалиях практически невозможно написать хороший детектив

Esquire
Три японских секрета стройности Три японских секрета стройности

Что делает рациону жителей Страны восходящего солнца таким исключительным?

Psychologies
Открыть в приложении