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
Фальшивая реальность Фальшивая реальность

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

CHIP
Каменный гость Каменный гость

О профилактике мочекаменной болезни

Лиза
Следуй за мной: можно ли предотвратить ущерб от инсайдерской торговли Следуй за мной: можно ли предотвратить ущерб от инсайдерской торговли

Банк России уличил в инсайдерской торговле трейдера

Forbes
Зеленые небеса: чем занимается одна из самых дорогих финтех-компаний США Зеленые небеса: чем занимается одна из самых дорогих финтех-компаний США

Онлайн-кредитор GreenSky выйдет на IPO при оценке капитализации в $5 млрд

Forbes
Время перемен. Почему армянским революционерам придется договариваться с Россией Время перемен. Почему армянским революционерам придется договариваться с Россией

Армении придется решать накопившиеся вопросы в отношениях с соседями

Forbes
«Русал» Дерипаски опасается дефолта из-за санкций США «Русал» Дерипаски опасается дефолта из-за санкций США

Акции компании «Русал» на Гонконгской бирже упали в цене на 50%

Forbes
Истинная красота Парижа — в доме Шарлотты де Файе Истинная красота Парижа — в доме Шарлотты де Файе

It girl и дизайнер — о своей жизни в потайном сердце французской столицы

Vogue
Милош Бикович примеряет вещи Henderson и уходит из актеров в продюсеры Милош Бикович примеряет вещи Henderson и уходит из актеров в продюсеры

Милош экспериментирует со стилем в вещах из новой коллекции Henderson

GQ
Нефть и песок. Зачем наследному принцу Саудовской Аравии американские деньги Нефть и песок. Зачем наследному принцу Саудовской Аравии американские деньги

Саудовской Аравии пришлось потратить $200 млрд, чтобы свести концы с концами

Forbes
Валерия: “Шаг в пропасть, я зажмурилась и перестала дышать” Валерия: “Шаг в пропасть, я зажмурилась и перестала дышать”

Выводы, которые Валерия сделала еще до 50 лет

Psychologies
Новые купе и кабриолет C-Класса Новые купе и кабриолет C-Класса

Секрет успеха C-Класса связан с широким рядом моделей

Cosmopolitan
Управляющая компания Управляющая компания

Ищем при­зна­ки гор­мо­наль­ных на­рушений

Glamour
«Расслабьтесь и начните работать над собой» «Расслабьтесь и начните работать над собой»

Как вернуть себе целостность?

Psychologies
Вспышка русского света: лампа русского инженера Вспышка русского света: лампа русского инженера

Лампы русского инженера Яблочкова первыми стали применяться в Европе

Популярная механика
Верхом на единороге. Основатель Revolut Николай Сторонский может попасть в рейтинг Forbes Верхом на единороге. Основатель Revolut Николай Сторонский может попасть в рейтинг Forbes

Британский финтех-стартап с русскими корнями Revolut и его успех

Forbes
Нужны ли вам ботинки на толстой подошве? Нужны ли вам ботинки на толстой подошве?

Как носить такую обувь в стиле 50-х, если вы не отчаянный хулиган

GQ
10 ключей к здоровой и счастливой жизни 10 ключей к здоровой и счастливой жизни

Здоровый образ жизни — это больше, чем просто спорт и правильное питание

Psychologies
«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
Лучшие фотографии 2017 года по версии World Press Photo Лучшие фотографии 2017 года по версии World Press Photo

В Амстердаме объявили лауреатов международного конкурса World Press Photo

Esquire
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
Он не устроит! Как правильно флиртовать с разными знаками зодиака Он не устроит! Как правильно флиртовать с разными знаками зодиака

Астролог продолжает помогать нам готовиться к свиданиям с мужчинами

Cosmopolitan
Made In Саша Made In Саша

Как работа актрисой помогла Александре Ревенко полюбить себя

Esquire
Лучшие шутки дня и мессенджер «Энигма»! Лучшие шутки дня и мессенджер «Энигма»!

Армянский дайджест авторского юмора с авторской орфографией

Maxim
Цена санкций. Как сильно обвалится рубль Цена санкций. Как сильно обвалится рубль

С момента введения новых санкций США рубль потерял к доллару и евро более 9%

Forbes
Частичка истории Частичка истории

Стать причастным к автомобильной истории Suzuki дорогого стоит

АвтоМир
Щитовидная железа Щитовидная железа

Щитовидную железу называют дирижёром всей гормональной системы человека

Yoga Journal
Витамины: полное собрание заблуждений Витамины: полное собрание заблуждений

Мифы о витаминах, которые многие принимают за медицинские факты

Популярная механика
Какие навыки работы с компьютером должен освоить ребенок? Какие навыки работы с компьютером должен освоить ребенок?

Какими навыками работы с офисными программами следует владеть подростку

Psychologies
«Их надо обязательно вытаскивать» «Их надо обязательно вытаскивать»

Кто такие украинские политзэки и кого из них освободили

Русский репортер
Открыть в приложении