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
Авто на удачу Авто на удачу

Арендуем машину на отдыхе как профи

Cosmopolitan
Самые красивые десерты на Пасху Самые красивые десерты на Пасху

Очень много вкуcнейших куличей и шоколадных яиц

Vogue
Витамины: полное собрание заблуждений Витамины: полное собрание заблуждений

Мифы о витаминах, которые многие принимают за медицинские факты

Популярная механика
Восстание машин уже случилось. Но мы этого не заметили Восстание машин уже случилось. Но мы этого не заметили

Дальнейшее развитие искусственного интеллекта может быть опасным

СНОБ
Тяжелый люкс Тяжелый люкс

Ким Кардашьян интересна с любой стороны

Tatler
Губительная «цифра»: чем автоматизация вредит бизнесу Губительная «цифра»: чем автоматизация вредит бизнесу

Практика фиксировать результат на бумаге повышает эффективность сотрудников

Forbes
Мария Костина. Мой Арцибашев Мария Костина. Мой Арцибашев

«Когда я его увидела — в груди будто колокол ударил!»

Караван историй
Сила жизни Сила жизни

Что за сила пробуждает нас каждое утро и даёт вдохновение жить

Yoga Journal
Разрыв шаблона Разрыв шаблона

Рай­а­н Рей­нольд­с — дерзкий супергерой и примерный отец

Glamour
Три мифа об изменах Три мифа об изменах

Измены приносят боль, унижение, разочарование и потерю доверия

Psychologies
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
Андрей Чадов: В театре ты зависишь от всего Андрей Чадов: В театре ты зависишь от всего

Интервью с Андреем Чадовым

Лиза
«Я три года пил каждый день». Лучшие цитаты Шнура об алкоголе, женщинах и пузе «Я три года пил каждый день». Лучшие цитаты Шнура об алкоголе, женщинах и пузе

В честь 45-го дня рождения Сергея Шнурова вспоминаем его лучшие высказывания

Maxim
Металлурги наступают. Лидеры роста состояния в списке Forbes Металлурги наступают. Лидеры роста состояния в списке Forbes

Кто из самых богатых бизнесменов в России стал за минувший 2017 год еще богаче

Forbes
Долгая история Долгая история

Хозяева купили этот дом в пригороде Мельбурна в далеком 1983 году

AD
Страна муравейников. Почему ипотека в России не решает квартирный вопрос Страна муравейников. Почему ипотека в России не решает квартирный вопрос

Россиянам пора пересмотреть отношение к аренде квартир

Forbes
Как герои стритстайла носят круглые очки Как герои стритстайла носят круглые очки

И с костюмом, и с толстовкой, и с тренчем

GQ
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
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
Чего хотят подростки Чего хотят подростки

Подростки не всегда хотят делать то, что родители считают для них полезным

СНОБ
Юрий Мильнер Юрий Мильнер

«Есть ли места в Солнечной системе, где может существовать жизнь? Их несколько»

РБК
Кризис среднего возраста: когда ожидать и как пережить? Кризис среднего возраста: когда ожидать и как пережить?

Как распознать кризис в себе или в партнере и что делать

Psychologies
На уровне Венесуэлы. Россия поднялась в мировом рейтинге гражданств На уровне Венесуэлы. Россия поднялась в мировом рейтинге гражданств

Аналитики обнаружили рост привлекательности российского гражданства

Forbes
Конец света в отдельно взятой семье Конец света в отдельно взятой семье

Как выйти из зоны недоверия и вернуть теплые отношения с близкими

СНОБ
Женское богатство: как новый закон увеличивает зарплаты актрис в Голливуде Женское богатство: как новый закон увеличивает зарплаты актрис в Голливуде

В Голливуде теперь по-другому ведут переговоры о заключении контрактов

Forbes
Поймать на взлете: как инвестору распознать в стартапе будущий Facebook или Google Поймать на взлете: как инвестору распознать в стартапе будущий Facebook или Google

Когда-то интернет-гиганты были стартапами

Forbes
Стволовые клетки мозга обновляются ограниченно: новое открытие Стволовые клетки мозга обновляются ограниченно: новое открытие

Новые стволовые клетки в организме со временем практически не появляются

Популярная механика
Все по полочкам Все по полочкам

Мебельные стенки немного видоизменились

Лиза
Открыть в приложении