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
Роли в семье: как найти свою Роли в семье: как найти свою

Можно ли понять, какая роль в семье подходит человеку и как ее поменять?

9 месяцев
Lada XRay: свое, родное Lada XRay: свое, родное

Lada XRay поселилась в редакционном парке на излете зимы

АвтоМир
Лампы из будущего Лампы из будущего

Чего ждать от осветительных приборов нового поколения

Огонёк
Как заработать 30 000 долларов за неделю! Берут всех, но придется реально вкалывать! Как заработать 30 000 долларов за неделю! Берут всех, но придется реально вкалывать!

Знаешь, какая работа считается самой опасной в мире? Ловля королевского краба

Maxim
Советы по пикапу от птиц! Советы по пикапу от птиц!

Птицы в совершенстве освоили искусство соблазнения

Maxim
Свой человек: чем дружба с чиновниками грозит малому и среднему бизнесу Свой человек: чем дружба с чиновниками грозит малому и среднему бизнесу

Корпоративный GR помогает добиваться нужных решений в интересах компании

Forbes
Радуга подарков Hermès Радуга подарков Hermès

Чайные пары, вазы, шкатулки, скульптуры, подносы, ключницы от Hermès

Vogue
Последнее кадастровое предупреждение. Что не так с налогом на имущество в России Последнее кадастровое предупреждение. Что не так с налогом на имущество в России

Проблемы с кадастровой оценкой недвижимости в России привели к росту недовольных

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
Стоит съесть: птитим в «НаВолне», брускетту в Zizo Gourmet, роллы в City Voice Стоит съесть: птитим в «НаВолне», брускетту в Zizo Gourmet, роллы в City Voice

В лучших ресторанах России можно поесть без ущерба для кошелька

Forbes
7 вещей, которые не выйдут из моды в 2018 году 7 вещей, которые не выйдут из моды в 2018 году

Стилеобразующие вещи, которые мы покупали в прошлом году

Cosmopolitan
Части вселенной Части вселенной

Все, что нужно знать об империи «Мстителей»

GQ
Игорь Николаев: Запас прочности иссяк, проблемы — впереди Игорь Николаев: Запас прочности иссяк, проблемы — впереди

Как России искать свое место в мире, где она никому не нужна

СНОБ
Одежный партнер. Как модная революция изменила экономику России Одежный партнер. Как модная революция изменила экономику России

Торговля готовым платьем повлияла не только на облик, но и на экономику России

Forbes
Изобретателем года назвали физика, снявшего кино внутри живого организма Изобретателем года назвали физика, снявшего кино внутри живого организма

МРТ позволяет заглянуть внутрь человеческого тела без рентгеновского излучения

Популярная механика
5 невероятных историй о людях, которым пришлось делать операцию самим себе 5 невероятных историй о людях, которым пришлось делать операцию самим себе

Удаление аппендикса, ампутация руки, кесарево сечение — это можно сделать самому

Maxim
Катерина Мурашова: Как провести отпуск с ребенком, чтобы всем было интересно Катерина Мурашова: Как провести отпуск с ребенком, чтобы всем было интересно

Как сделать семейную поездку насыщенной, образовательной и не скучной

СНОБ
Попадание в сеть Попадание в сеть

Подключенные автомобили смогут коммуницировать между собой и с инфраструктурой

CHIP
Самолёты с арочным крылом Самолёты с арочным крылом

Спортивный самолет с необычными крыльями

Популярная механика
Разные интересы: проблема или возможность? Разные интересы: проблема или возможность?

Как сохранить союз, если общих тем мало

Psychologies
Джо Демпси из “Игры престолов”: “Гребля — это совсем не мое” Джо Демпси из “Игры престолов”: “Гребля — это совсем не мое”

У Джо Демпси новый большой проект: шпионский триллер

Esquire
Ум и отвага. Как войти в список Forbes, бросив вызов бывшему работодателю Ум и отвага. Как войти в список Forbes, бросив вызов бывшему работодателю

Бывшая сотрудница Cisco вошла в число 72 женщин-миллиардеров

Forbes
«Если у тебя нет с женой такого секса, будто ты спрыгнул с пятидесяти метров в воду и улетел, — считай, его нет совсем!» «Если у тебя нет с женой такого секса, будто ты спрыгнул с пятидесяти метров в воду и улетел, — считай, его нет совсем!»

Николай Фоменко о природе секса и других удовольствиях

Maxim
Переехали! Переехали!

Как российские специалисты работают в NASA

РБК
Mercedes-Benz S-Класса: гуляем на полную Mercedes-Benz S-Класса: гуляем на полную

Mercedes-Benz W221. Как обезопасить себя от покупки роскошной обузы?

АвтоМир
Внимание, перегрев! Внимание, перегрев!

Мы живем в постоянном напряжении и устаем… Неужели этому не будет конца?

Psychologies
Прозрачный бизнес: как Lalique зарабатывает на вазах, молодежи и черепах Прозрачный бизнес: как Lalique зарабатывает на вазах, молодежи и черепах

За 130 лет семейная мануфактура Lalique выросла в многопрофильную корпорацию

Forbes
Дмитрий Волков: Почему мы должны бояться искусственного интеллекта? Дмитрий Волков: Почему мы должны бояться искусственного интеллекта?

О том, почему нам нужно бояться искусственного интеллекта

СНОБ
Долгая история Долгая история

Хозяева купили этот дом в пригороде Мельбурна в далеком 1983 году

AD
Открыть в приложении