كيف تعمل الأسلحة النووية. القنبلة النووية هي أقوى سلاح وقوة قادرة على تسوية النزاعات العسكرية.

طبيعة متفجرة

تحتوي نواة اليورانيوم على 92 بروتونًا. اليورانيوم الطبيعي عبارة عن مزيج من نظيرين: U238 (مع 146 نيوترون في النواة) و U235 (143 نيوترونًا) ، والأخير يمثل 0.7٪ فقط من اليورانيوم الطبيعي. الخصائص الكيميائية للنظائر متطابقة تمامًا ، وبالتالي من المستحيل فصلها بالطرق الكيميائية ، لكن الاختلاف في الكتل (235 و 238 وحدة) يجعل من الممكن القيام بذلك بالطرق الفيزيائية: يتم تحويل خليط اليورانيوم إلى الغاز (سداسي فلوريد اليورانيوم) ، ثم يتم ضخه عبر أقسام مسامية لا حصر لها. على الرغم من أن نظائر اليورانيوم لا يمكن تمييزها سواء في المظهر أو كيميائيًا ، إلا أنها تفصل بينها فجوة في خصائص خصائصها النووية.

يتم الدفع مقابل عملية الانشطار U238: يجب أن يجلب النيوترون القادم من الخارج معه طاقة 1 MeV أو أكثر. و U235 غير مهتم: للإثارة والانحلال اللاحق ، لا يلزم أي شيء من النيوترون الوارد ، وطاقته الرابطة في النواة كافية تمامًا.

عندما يصطدم نيوترون بنواة قادرة على الانشطار ، يتشكل مركب غير مستقر ، ولكن بسرعة كبيرة (في 10 14 ج) يصدر نيوترونين أو ثلاثة نيوترونات جديدة ، بحيث يمكن بمرور الوقت أن يتضاعف عدد النوى الانشطارية (يسمى هذا التفاعل بـ تفاعل تسلسلي). هذا ممكن فقط في U235 ، لأن U238 الجشع لا يريد الانفصال عن النيوترونات الخاصة به ، التي تكون طاقتها أقل من 1 ميجا إلكترون فولت. الطاقة الحركية للجسيمات - نواتج الانشطار بعدة أوامر من حيث الحجم تتجاوز الطاقة المنبعثة خلال أي فعل من تفاعل كيميائي لا يتغير فيه تكوين النوى.

التجمع الحرج

نواتج الانشطار غير مستقرة وتستغرق وقتًا طويلاً "لتصل إلى رشدها" ، وتنبعث منها إشعاعات مختلفة (بما في ذلك النيوترونات). تسمى النيوترونات التي تنبعث بعد فترة زمنية طويلة (تصل إلى عشرات الثواني) بعد الانشطار بالنيوترونات المتأخرة ، وعلى الرغم من أن جزءها صغير مقارنةً بالنيوترونات الآنية (أقل من 1٪) ، فإن الدور الذي تلعبه في تشغيل المنشآت النووية هو الأكثر أهمية.

نواتج الانشطار أثناء الاصطدامات العديدة مع الذرات المحيطة تمنحهم طاقتهم ، مما يرفع درجة الحرارة. بعد ظهور النيوترونات في التجمع مع المادة الانشطارية ، يمكن أن تزيد طاقة إطلاق الحرارة أو تنقص ، وتسمى معلمات التجميع ، التي يكون فيها عدد الانشطار لكل وحدة زمنية ثابتة ، حرجة. يمكن الحفاظ على أهمية التجميع عند عدد كبير أو صغير من النيوترونات (بمعدل إطلاق حرارة أعلى أو أقل). يتم زيادة الطاقة الحرارية إما عن طريق ضخ نيوترونات إضافية في التجمع الحرج من الخارج ، أو عن طريق جعل التجميع فوق الحرج (ثم يتم توفير النيوترونات الإضافية من قبل المزيد والمزيد من الأجيال العديدة من النوى الانشطارية). على سبيل المثال ، إذا كان من الضروري زيادة الطاقة الحرارية للمفاعل ، فإنه يتم إحضاره إلى مثل هذا النظام عندما يكون كل جيل من النيوترونات الفورية أقل عددًا قليلاً من الجيل السابق ، ولكن بسبب تأخر النيوترونات ، بالكاد يمر المفاعل بشكل ملحوظ حالة حرجة. ثم لا تتسارع ، لكنها تكتسب القوة ببطء - بحيث يمكن إيقاف نموها في الوقت المناسب عن طريق إدخال ماصات النيوترونات (قضبان تحتوي على الكادميوم أو البورون).

غالبًا ما تطير النيوترونات الناتجة عن الانشطار عبر النوى المحيطة دون التسبب في انشطار ثانٍ. وكلما اقترب النيوترون من سطح المادة ، زادت فرصه في الخروج من المادة الانشطارية وعدم العودة أبدًا. لذلك ، فإن شكل التجمع الذي يوفر أكبر عدد من النيوترونات هو كرة: بالنسبة لكتلة معينة من المادة ، يكون لها حد أدنى من السطح. تصبح الكرة غير المغلقة (الانفرادية) بنسبة 94٪ U235 بدون تجاويف داخلية حرجة عند كتلة 49 كجم ونصف قطرها 85 مم. إذا كان تجميع نفس اليورانيوم عبارة عن أسطوانة بطول يساوي القطر ، يصبح حرجًا عند كتلة 52 كجم. يتناقص السطح أيضًا مع زيادة الكثافة. لذلك ، فإن الضغط المتفجر ، دون تغيير كمية المواد الانشطارية ، يمكن أن يؤدي بالتجميع إلى حالة حرجة. هذه هي العملية التي تكمن وراء التصميم الواسع النطاق لشحنة نووية.

التجمع الكرة

ولكن في أغلب الأحيان ، لا يستخدم اليورانيوم ، بل يستخدم البلوتونيوم 239 في الأسلحة النووية. يتم إنتاجه في المفاعلات عن طريق تشعيع اليورانيوم 238 بتدفقات نيوترونية قوية. تبلغ تكلفة البلوتونيوم حوالي ستة أضعاف U235 ، ولكن عند الانشطار ، تصدر نواة Pu239 في المتوسط ​​2.895 نيوترون - أكثر من U235 (2.452). بالإضافة إلى ذلك ، فإن احتمال انشطار البلوتونيوم أعلى. كل هذا يؤدي إلى حقيقة أن كرة Pu239 المنفردة تصبح حرجة عند كتلة أقل بمقدار الثلث تقريبًا من كرة اليورانيوم ، والأهم من ذلك ، عند نصف قطر أصغر ، مما يجعل من الممكن تقليل أبعاد التجميع الحرج.

يتكون التجميع من نصفين مثبتين بعناية على شكل طبقة كروية (جوفاء من الداخل) ؛ من الواضح أنها تحت الحرجة - حتى بالنسبة للنيوترونات الحرارية وحتى بعد أن تكون محاطًا بمُهدِئ. يتم تركيب شحنة حول مجموعة كتل متفجرات دقيقة التركيب. من أجل الحفاظ على النيوترونات ، من الضروري الحفاظ على الشكل النبيل للكرة أثناء الانفجار - لهذا ، يجب تقويض طبقة المتفجرات في وقت واحد على سطحها الخارجي بالكامل ، وضغط المجموعة بالتساوي. يُعتقد على نطاق واسع أن هذا يتطلب الكثير من أجهزة التفجير الكهربائية. لكن هذا لم يكن إلا في فجر "القصف": لتشغيل العديد من صواعق التفجير ، كانت هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة وحجم كبير من نظام الإطلاق. في الشحنات الحديثة ، يتم استخدام عدة صواعق يتم اختيارها بواسطة تقنية خاصة قريبة من الخصائص ، والتي يتم من خلالها إطلاق متفجرات عالية الاستقرار (من حيث سرعة التفجير) في أخاديد مطحونة في طبقة بولي كربونات (شكلها على سطح كروي هو محسوبة باستخدام طرق هندسة ريمان). إن التفجير بسرعة حوالي 8 كم / ثانية سوف يمتد مسافات متساوية تمامًا على طول الأخاديد ، ويصل إلى الثقوب في نفس الوقت ويفجر الشحنة الرئيسية - في نفس الوقت في جميع النقاط المطلوبة.

ضجة إلى الداخل

يؤدي الانفجار الموجه إلى الداخل إلى ضغط التجميع بأكثر من مليون ضغط جوي. يتناقص سطح التجميع ، ويختفي التجويف الداخلي تقريبًا في البلوتونيوم ، وتزداد الكثافة ، وبسرعة كبيرة - في غضون عشرة ميكروثانية ، يتخطى التجميع القابل للانضغاط الحالة الحرجة على النيوترونات الحرارية ويصبح فوق الحرج بشكل كبير على النيوترونات السريعة.

بعد فترة يحددها الوقت الضئيل للتباطؤ الضئيل للنيوترونات السريعة ، يضيف كل جيل من جيلهم الجديد الأكثر عددًا طاقة قدرها 202 ميغا إلكترون فولت عن طريق الانشطار إلى مادة التجميع ، التي تنفجر بالفعل بضغط هائل. على مقياس الظواهر التي تحدث ، فإن قوة حتى أفضل أنواع الفولاذ المخلوط هزيلة للغاية بحيث لا يخطر ببال أحد أن يأخذها في الحسبان عند حساب ديناميكيات الانفجار. الشيء الوحيد الذي يمنع التجميع من التحليق هو القصور الذاتي: من أجل توسيع كرة بلوتونيوم بمقدار 1 سم فقط في عشرة نانوثانية ، من الضروري إعطاء المادة تسارعًا أكبر بعشرات تريليونات المرات من تسارع الحر. تقع ، وهذا ليس بالأمر السهل.

في النهاية ، فإن المادة تتباعد عن بعضها ، وتوقف الانشطار ، لكن العملية لا تنتهي عند هذا الحد: يتم إعادة توزيع الطاقة بين الأجزاء المتأينة من النوى المنفصلة والجسيمات الأخرى المنبعثة أثناء الانشطار. تبلغ طاقتها في حدود عشرات بل مئات من MeV ، ولكن فقط كوانتا جاما والنيوترونات المحايدة كهربائياً عالية الطاقة لديها فرصة لتجنب التفاعل مع المادة و "الهروب". تفقد الجسيمات المشحونة الطاقة بسرعة في حالات الاصطدام والتأين. في هذه الحالة ، ينبعث الإشعاع - ومع ذلك ، فهو لم يعد نوويًا صلبًا ، ولكنه أكثر ليونة ، مع طاقة أقل بثلاث مرات من الحجم ، ولكنه لا يزال أكثر من كافٍ لضرب الإلكترونات من الذرات - ليس فقط من الأصداف الخارجية ، ولكن بشكل عام كل شىء. فوضى من النوى المجردة ، والإلكترونات المنزوعة منها ، والإشعاع بكثافة جرامات لكل سنتيمتر مكعب (حاول أن تتخيل مدى قدرتك على اكتساب اللون الأسمر تحت الضوء الذي اكتسب كثافة الألومنيوم!) - كل ذلك منذ لحظة كان عبارة عن شحنة - يأتي في نوع من التوازن. في كرة نارية صغيرة جدًا ، يتم تحديد درجة حرارة لعشرات الملايين من الدرجات.

كرة نارية

يبدو أنه حتى لو كان لينًا ، ولكن يتحرك بسرعة الضوء ، فإن الإشعاع يجب أن يترك المادة التي أدت إلى نشأته ، ولكن هذا ليس كذلك: في الهواء البارد ، مدى كمات الطاقة keV هو السنتيمتر ، وهم يفعلون لا تتحرك في خط مستقيم ، بل تغير اتجاه الحركة ، يعاد انبعاثها مع كل تفاعل. يؤين كوانتا الهواء ، وينتشر فيه ، مثل سكب عصير الكرز في كوب من الماء. هذه الظاهرة تسمى الانتشار الإشعاعي.

كرة نارية صغيرة من انفجار بقوة 100 كيلو طن ، بعد بضع عشرات من النانو ثانية بعد اكتمال انفجار الانشطار ، يبلغ نصف قطرها 3 أمتار ودرجة حرارة تقارب 8 ملايين كلفن. ولكن بعد 30 ميكروثانية ، يبلغ نصف قطرها 18 مترًا ، ومع ذلك ، تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من مليون درجة. تلتهم الكرة الفضاء ، والهواء المؤين خلف مقدمةها لا يتحرك تقريبًا: لا يمكن للإشعاع نقل زخم كبير إليه أثناء الانتشار. لكنها تضخ طاقة هائلة في هذا الهواء ، وتسخنه ، وعندما تجف طاقة الإشعاع ، تبدأ الكرة في النمو بسبب توسع البلازما الساخنة ، تنفجر من الداخل بما كان في السابق شحنة. تتوسع ، مثل الفقاعة المتضخمة ، تصبح قشرة البلازما أرق. على عكس الفقاعة ، بالطبع ، لا شيء يضخمها: لم يتبق أي مادة تقريبًا في الداخل ، وكلها تطير من المركز عن طريق القصور الذاتي ، ولكن بعد 30 ميكروثانية من الانفجار ، تكون سرعة هذه الرحلة أكثر من 100 كم / ثانية ، والضغط الهيدروديناميكي في المادة - أكثر من 150.000 ضغط جوي! ليس من المقدر أن تصبح القشرة رقيقة جدًا ، فهي تنفجر وتشكل "بثورًا".

تعتمد أي من آليات نقل طاقة كرة النار إلى البيئة السائدة على قوة الانفجار: إذا كان كبيرًا ، فإن انتشار الإشعاع يلعب الدور الرئيسي ، إذا كان صغيرًا ، فهو توسع فقاعة البلازما. من الواضح أن الحالة الوسيطة ممكنة أيضًا ، عندما تكون كلتا الآليتين فعالتين.

تلتقط العملية طبقات جديدة من الهواء ، ولم تعد هناك طاقة كافية لتجريد كل الإلكترونات من الذرات. تجف طاقة الطبقة المتأينة وشظايا فقاعة البلازما ، ولم تعد قادرة على تحريك كتلة ضخمة أمامها وتتباطأ بشكل ملحوظ. لكن ما كان الهواء قبل الانفجار يتحرك ، يبتعد عن الكرة ، ويمتص المزيد والمزيد من طبقات الهواء البارد ... يبدأ تكوين موجة الصدمة.

موجة الصدمة والفطر الذري

عندما تنفصل موجة الصدمة عن كرة النار ، تتغير خصائص الطبقة المنبعثة وتزداد قوة الإشعاع في الجزء البصري من الطيف بشكل حاد (ما يسمى الحد الأقصى الأول). علاوة على ذلك ، تتنافس عمليات اللمعان والتغيرات في شفافية الهواء المحيط ، مما يؤدي إلى تحقيق الحد الأقصى الثاني ، وهو أقل قوة ، ولكنه أطول بكثير - لدرجة أن ناتج الطاقة الضوئية أكبر مما هو عليه في الأول كحد أقصى.

بالقرب من الانفجار ، يتبخر كل شيء حوله ، ويذوب ، ولكن حتى أبعد من ذلك ، حيث لم يعد تدفق الحرارة كافياً لإذابة المواد الصلبة ، والتربة ، والصخور ، والمنازل تتدفق مثل السائل تحت ضغط الغاز الهائل الذي يدمر كل روابط القوة ، ساخنة لدرجة أنه لا تطاق للعينين.

أخيرًا ، تنتقل موجة الصدمة بعيدًا عن نقطة الانفجار ، حيث لا يزال هناك رخوة وضعيفة ، لكنها توسعت عدة مرات فوق سحابة من الأبخرة المكثفة التي تحولت إلى غبار أصغر وأشعة جدًا لما كانت بلازما الشحنة ، وماذا اتضح أنه قريب في ساعته العصيبة.من مكان يجب على المرء أن يبقى بعيدًا عنه قدر الإمكان. تبدأ السحابة في الارتفاع. يبرد ، ويغير لونه ، "يضع" غطاءًا أبيض من الرطوبة المتكثفة ، يليه الغبار من سطح الأرض ، ويشكل "ساقًا" مما يُعرف عمومًا بـ "الفطر الذري".

بدء النيوترون

يمكن للقراء اليقظين ، باستخدام قلم رصاص في متناول اليد ، تقدير إطلاق الطاقة أثناء الانفجار. مع الوقت الذي يكون فيه التجمع في الحالة فوق الحرجة لترتيب الميكروثانية ، يكون عمر النيوترونات بترتيب البيكو ثانية وعامل الضرب أقل من 2 ، يتم إطلاق حوالي جيجا جول من الطاقة ، وهو ما يعادل .. 250 كجم من مادة تي إن تي. وأين الكيلو والميغا طن؟

الحقيقة هي أن سلسلة الانشطارات في التجمع لا تبدأ بنيوترون واحد: في الميكروثانية المطلوبة ، يتم حقن الملايين منها في التجمع فوق الحرج. في الشحنات النووية الأولى ، تم استخدام مصادر النظائر لهذا الغرض ، الموجودة في تجويف داخل مجموعة البلوتونيوم: بولونيوم 210 متحد مع البريليوم في لحظة الانضغاط وتسبب في انبعاث النيوترونات بجزيئات ألفا. لكن جميع مصادر النظائر ضعيفة نوعًا ما (تم توليد أقل من مليون نيوترون لكل ميكروثانية في المنتج الأمريكي الأول) ، والبولونيوم قابل للتلف بالفعل - في 138 يومًا فقط يقلل من نشاطه بمقدار النصف. لذلك ، تم استبدال النظائر بنظائر أقل خطورة (لا تشع في حالة إيقاف التشغيل) ، والأهم من ذلك ، أنابيب نيوترونية تنبعث منها بشكل مكثف (انظر الشريط الجانبي): تولد مئات الملايين من النيوترونات في بضع ميكروثانية (مدة النبضة المتكونة بواسطة انبوب). ولكن إذا لم يعمل أو لم يعمل في الوقت المناسب ، فسيحدث ما يسمى بالبوب ​​أو "zilch" - انفجار حراري منخفض الطاقة.

لا يؤدي بدء النيوترونات إلى زيادة إطلاق الطاقة الناتجة عن انفجار نووي بعدة درجات من حيث الحجم فحسب ، بل يجعل أيضًا من الممكن تنظيمه! من الواضح أنه بعد تلقي مهمة قتالية ، يُشار في صياغتها بالضرورة إلى قوة الضربة النووية ، لا أحد يفكك الشحنة من أجل تزويدها بتجميع البلوتونيوم الأمثل لقوة معينة. في الذخيرة ذات مكافئ TNT القابل للتحويل ، يكفي ببساطة تغيير جهد الإمداد لأنبوب النيوترون. وفقًا لذلك ، سيتغير إنتاج النيوترونات وإطلاق الطاقة (بالطبع ، عندما تنخفض الطاقة بهذه الطريقة ، يتم إهدار الكثير من البلوتونيوم الباهظ الثمن).

لكنهم بدأوا يفكرون في الحاجة إلى تنظيم إطلاق الطاقة في وقت لاحق ، وفي السنوات الأولى بعد الحرب لم يكن هناك حديث عن تقليل الطاقة. أقوى وأقوى وأقوى! ولكن اتضح أن هناك قيودًا نووية-فيزيائية وهيدروديناميكية على الأبعاد المسموح بها للمجال دون الحرج. يقترب ما يعادل انفجار مائة كيلو طن من مادة تي إن تي من الحد المادي للذخائر أحادية الطور ، حيث يحدث الانشطار فقط. نتيجة لذلك ، تم التخلي عن الانشطار كمصدر رئيسي للطاقة ، واعتمدوا على ردود فعل من فئة أخرى - التوليف.

الأوهام النووية

تزداد كثافة البلوتونيوم في لحظة الانفجار بسبب انتقال الطور

يتواجد البلوتونيوم المعدني على ست مراحل ، تتراوح كثافتها من 14.7 إلى 19.8 جم / سم 3. عند درجات حرارة أقل من 119 درجة مئوية ، توجد طور ألفا أحادي الميل (19.8 جم / سم 3) ، ولكن هذا البلوتونيوم هش للغاية ، وفي طور دلتا المكعب المتمركز على الوجه (15.9) يكون مطيلًا ومعالجًا جيدًا (هذه هي المرحلة) التي يحاولون الاحتفاظ بها مع إضافات صناعة السبائك). أثناء انضغاط التفجير ، لا يمكن أن يكون هناك انتقالات طورية - بلوتونيوم في حالة شبه سائلة. تعتبر انتقالات الطور خطيرة في الإنتاج: مع وجود أجزاء كبيرة ، حتى مع تغيير طفيف في الكثافة ، يمكن الوصول إلى حالة حرجة. بالطبع ، لن يكون هناك انفجار - ستسخن قطعة العمل ببساطة ، ولكن قد يتم إعادة ضبط طلاء النيكل (والبلوتونيوم شديد السمية).

مصدر النيوترون

في أنبوب نيوتروني مفرغ بين هدف مشبع بالتريتيوم (كاثود) (1) ومجموعة أنود (2) ، يتم تطبيق جهد نبضي قدره 100 كيلو فولت. عندما يكون الجهد الأقصى ، من الضروري أن تظهر أيونات الديوتيريوم بين الأنود والكاثود ، والتي يجب تسريعها. لهذا ، يتم استخدام مصدر أيوني. يتم تطبيق نبضة اشتعال على الأنود (3) ، ويمر التفريغ على سطح السيراميك المشبع بالديوتيريوم (4) ، ويشكل أيونات الديوتيريوم. تسريعًا ، يقصفون هدفًا مشبعًا بالتريتيوم ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق طاقة قدرها 17.6 ميغا إلكترون فولت وتتكون النيوترونات ونواة الهليوم -4.

من حيث تكوين الجسيمات وحتى إنتاجية الطاقة ، فإن هذا التفاعل مماثل للاندماج - عملية اندماج نوى الضوء. في الخمسينيات من القرن الماضي ، اعتقد الكثيرون أن هذا كان اندماجًا ، ولكن اتضح لاحقًا أن "الانهيار" يحدث في الأنبوب: إما بروتون أو نيوترون (يتم تسريع أيون الديوتيريوم منه بواسطة مجال كهربائي) "يتعطل" في الأنبوب. النواة المستهدفة (التريتيوم). إذا تعطل البروتون ، ينفصل النيوترون ويصبح حراً.

النيوترونات - بطيئة وسريعة

في مادة غير انشطارية ، "ترتد" النوى ، تنقل النيوترونات جزءًا من طاقتها إليها ، وكلما كانت النوى أكبر ، أخف (أقرب في الكتلة). كلما زاد عدد اصطدامات النيوترونات ، كلما تباطأت ، وبعد ذلك ، أخيرًا ، وصلوا إلى توازن حراري مع المادة المحيطة - يتم تسخينها (يستغرق هذا أجزاء من الثانية). سرعة النيوترونات الحرارية 2200 م / ث (طاقة 0.025 إلكترون فولت). يمكن للنيوترونات أن تهرب من الوسيط ، وتلتقطها نواتها ، ولكن مع التباطؤ ، تزداد قدرتها على الدخول في التفاعلات النووية بشكل كبير ، لذا فإن النيوترونات التي لا "تضيع" أكثر من تعويض النقص في الأعداد.

لذلك ، إذا كانت كرة من المادة الانشطارية محاطة بمُسِّط ، فإن العديد من النيوترونات ستغادر الوسيط أو يتم امتصاصها فيه ، ولكن سيكون هناك أيضًا تلك التي ستعود إلى الكرة ("الانعكاس") ، وبعد أن فقدت طاقتها ، هي أكثر عرضة للتسبب في أعمال الانشطار. إذا كانت الكرة محاطة بطبقة من البريليوم بسمك 25 مم ، فيمكن حفظ 20 كجم من U235 وسيظل التجميع يصل إلى حالة حرجة. لكن هذه المدخرات تُدفع بمرور الوقت: كل جيل لاحق من النيوترونات ، قبل التسبب في الانشطار ، يجب أن يتباطأ أولاً. هذا التأخير يقلل من عدد الأجيال من النيوترونات المنتجة لكل وحدة زمنية ، مما يعني أن إطلاق الطاقة يتأخر. كلما كانت المواد الانشطارية أقل في التجميع ، كلما تطلب الأمر مزيدًا من الوسيط لتطوير تفاعل متسلسل ، ويستمر الانشطار على نيوترونات ذات طاقة منخفضة باستمرار. في الحالة المحددة ، عندما يتم تحقيق الأهمية الحرجة للنيوترونات الحرارية فقط ، على سبيل المثال ، في محلول أملاح اليورانيوم في وسيط جيد - الماء ، تكون كتلة التجمعات مئات الجرامات ، ولكن المحلول يغلي بشكل دوري. تقلل فقاعات البخار المنبعثة من متوسط ​​كثافة المادة الانشطارية ، ويتوقف التفاعل المتسلسل ، وعندما تغادر الفقاعات السائل ، يتكرر وميض الانشطار (إذا انسدت الوعاء ، فإن البخار يكسرها - ولكن هذا سيكون انفجارًا حراريًا ، خالية من جميع العلامات "النووية" النموذجية).

فيديو: انفجارات نووية

اشترك واقرأ أفضل منشوراتنا في Yandex.Zen. شاهد صورًا جميلة من جميع أنحاء العالم على صفحتنا في انستغرام

إذا وجدت خطأً ، فالرجاء تحديد جزء من النص والضغط على Ctrl + Enter.

إن عالم الذرة رائع للغاية لدرجة أن فهمها يتطلب قطيعة جذرية في المفاهيم المعتادة للمكان والزمان. الذرات صغيرة جدًا لدرجة أنه إذا أمكن تكبير قطرة ماء إلى حجم الأرض ، فإن كل ذرة في هذه القطرة ستكون أصغر من برتقالة. في الواقع ، تتكون قطرة ماء واحدة من 6000 مليار (6000000000000000000000) ذرة هيدروجين وأكسجين. ومع ذلك ، على الرغم من حجمها المجهري ، تمتلك الذرة بنية مشابهة إلى حد ما لهيكل نظامنا الشمسي. في مركزها الصغير بشكل غير مفهوم ، نصف قطره أقل من تريليون من السنتيمتر ، "شمس" ضخمة نسبيًا - نواة الذرة.

حول هذه "الشمس" الذرية "الكواكب" الصغيرة - الإلكترونات - تدور. تتكون النواة من كتلتين أساسيتين لبناء الكون - البروتونات والنيوترونات (لها اسم موحد - النوكليونات). الإلكترون والبروتون عبارة عن جسيمات مشحونة ، وكمية الشحنة في كل منهما متطابقة تمامًا ، ولكن تختلف الشحنات في الإشارة: فالبروتون دائمًا ما يكون موجب الشحنة ، والإلكترون دائمًا سالب. لا يحمل النيوترون شحنة كهربائية وبالتالي يتمتع بنفاذية عالية جدًا.

في المقياس الذري ، تُؤخذ كتلة البروتون والنيوترون كوحدة واحدة. لذلك يعتمد الوزن الذري لأي عنصر كيميائي على عدد البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواته. على سبيل المثال ، ذرة الهيدروجين ، التي تتكون نواتها من بروتون واحد فقط ، لها كتلة ذرية تساوي 1. ذرة هيليوم ، مع نواة من بروتونين ونيوترونين ، لها كتلة ذرية تساوي 4.

تحتوي نوى ذرات العنصر نفسه دائمًا على نفس عدد البروتونات ، ولكن قد يكون عدد النيوترونات مختلفًا. تسمى الذرات التي تحتوي على نوى بنفس عدد البروتونات ولكنها تختلف في عدد النيوترونات وتتعلق بأنواع من نفس العنصر بالنظائر. لتمييزها عن بعضها البعض ، يتم تخصيص رقم يساوي مجموع كل الجسيمات في نواة نظير معين لرمز العنصر.

قد يطرح السؤال: لماذا لا تنهار نواة الذرة؟ بعد كل شيء ، فإن البروتونات الموجودة فيه عبارة عن جسيمات مشحونة كهربائيًا بنفس الشحنة ، والتي يجب أن تتنافر بقوة كبيرة. يفسر ذلك حقيقة أنه يوجد داخل النواة أيضًا ما يسمى بالقوى داخل النواة التي تجذب جزيئات النواة لبعضها البعض. تعوض هذه القوى قوى التنافر للبروتونات ولا تسمح للنواة بالتطاير بشكل تلقائي.

القوى النووية الداخلية قوية جدًا ، لكنها تعمل فقط من مسافة قريبة جدًا. لذلك ، فإن نوى العناصر الثقيلة ، المكونة من مئات النكليونات ، تبين أنها غير مستقرة. تكون جزيئات النواة هنا في حركة مستمرة (ضمن حجم النواة) ، وإذا أضفت قدرًا إضافيًا من الطاقة إليها ، فيمكنها التغلب على القوى الداخلية - سيتم تقسيم النواة إلى أجزاء. كمية هذه الطاقة الزائدة تسمى طاقة الإثارة. من بين نظائر العناصر الثقيلة ، هناك نظائر تبدو على وشك الانهيار الذاتي. يكفي فقط "دفعة" صغيرة ، على سبيل المثال ، ضربة بسيطة في نواة نيوترون (وليس من الضروري حتى تسريعها إلى سرعة عالية) لبدء تفاعل الانشطار النووي. بعض هذه النظائر "الانشطارية" صنعت في وقت لاحق بشكل مصطنع. في الطبيعة ، لا يوجد سوى نظير واحد من هذا القبيل - وهو اليورانيوم 235.

تم اكتشاف أورانوس في عام 1783 من قبل كلابروث ، الذي عزله من طبقة اليورانيوم وأطلق عليه اسم كوكب أورانوس المكتشف مؤخرًا. كما اتضح لاحقًا ، لم يكن في الواقع يورانيوم بحد ذاته ، بل أكسيده. تم الحصول على اليورانيوم النقي ، وهو معدن أبيض فضي
فقط في عام 1842 بليجوت. لم يكن للعنصر الجديد أي خصائص ملحوظة ولم يجذب الانتباه حتى عام 1896 ، عندما اكتشف بيكريل ظاهرة النشاط الإشعاعي لأملاح اليورانيوم. بعد ذلك ، أصبح اليورانيوم موضوعًا للبحث العلمي والتجارب ، ولكن لم يكن له أي تطبيق عملي.

عندما ، في الثلث الأول من القرن العشرين ، أصبحت بنية النواة الذرية واضحة إلى حد ما للفيزيائيين ، حاولوا أولاً تحقيق الحلم القديم للكيميائيين - لقد حاولوا تحويل عنصر كيميائي إلى عنصر آخر. في عام 1934 ، أبلغ الباحثون الفرنسيون ، الزوجان فريدريك وإيرين جوليو كوري ، الأكاديمية الفرنسية للعلوم عن التجربة التالية: عندما تم قصف ألواح الألومنيوم بجزيئات ألفا (نوى ذرة الهيليوم) ، تحولت ذرات الألومنيوم إلى ذرات الفوسفور. ، ولكنها ليست عادية ، ولكنها مشعة ، والتي بدورها تنتقل إلى نظير مستقر من السيليكون. وهكذا ، فإن ذرة الألومنيوم ، بإضافة بروتون واحد ونيوترونين ، تحولت إلى ذرة سيليكون أثقل.

أدت هذه التجربة إلى فكرة أنه إذا تم "قصف" نوى أثقل العناصر الموجودة في الطبيعة - اليورانيوم ، بالنيوترونات ، فيمكن الحصول على عنصر غير موجود في الظروف الطبيعية. في عام 1938 ، كرر الكيميائيون الألمان أوتو هان وفريتز ستراسمان بشكل عام تجربة أزواج جوليوت كوري ، حيث أخذوا اليورانيوم بدلاً من الألمنيوم. لم تكن نتائج التجربة كما توقعوا على الإطلاق - فبدلاً من عنصر جديد فائق الثقل بعدد كتلته أكبر من كتلة اليورانيوم ، تلقى هان وستراسمان عناصر خفيفة من الجزء الأوسط من النظام الدوري: الباريوم والكريبتون والبروم و بعض الآخرين. لم يتمكن المجربون أنفسهم من تفسير الظاهرة المرصودة. لم تجد الفيزيائية ليزا مايتنر ، التي أبلغها هان عن صعوباتها ، تفسيرًا صحيحًا للظاهرة المرصودة إلا في العام التالي ، مما يشير إلى أنه عندما تم قصف اليورانيوم بالنيوترونات ، فإن نواته تنقسم (تنشطر). في هذه الحالة ، يجب أن تكون نوى عناصر أخف قد تكونت (هذا هو المكان الذي أُخذ منه الباريوم والكريبتون ومواد أخرى) ، بالإضافة إلى 2-3 نيوترونات حرة. سمح مزيد من البحث لتوضيح صورة ما يحدث بالتفصيل.

يتكون اليورانيوم الطبيعي من مزيج من ثلاثة نظائر بكتل 238 و 234 و 235. تقع الكمية الرئيسية من اليورانيوم على النظير 238 ، التي تضم نواتها 92 بروتونًا و 146 نيوترونًا. اليورانيوم -235 هو 1/140 فقط من اليورانيوم الطبيعي (0.7٪ (يحتوي على 92 بروتون و 143 نيوترون في نواته) ، واليورانيوم -234 (92 بروتونًا ، 142 نيوترونًا) يمثل 1/17500 فقط من إجمالي كتلة اليورانيوم ( 006٪ أقل هذه النظائر استقرارًا هو اليورانيوم 235.

من وقت لآخر ، تنقسم نوى ذراتها تلقائيًا إلى أجزاء ، ونتيجة لذلك تتشكل عناصر أخف من النظام الدوري. تترافق هذه العملية مع إطلاق اثنين أو ثلاثة من النيوترونات الحرة ، والتي تندفع بسرعة هائلة - حوالي 10 آلاف كم / ثانية (يطلق عليها اسم نيوترونات سريعة). يمكن لهذه النيوترونات أن تصطدم بنوى يورانيوم أخرى مسببة تفاعلات نووية. يتصرف كل نظير بشكل مختلف في هذه الحالة. في معظم الحالات ، تلتقط نوى اليورانيوم 238 هذه النيوترونات دون أي تحولات أخرى. ولكن في حالة واحدة تقريبًا من أصل خمسة ، عندما يصطدم نيوترون سريع بنواة النظير 238 ، يحدث تفاعل نووي غريب: أحد نيوترونات اليورانيوم 238 يصدر إلكترونًا ، يتحول إلى بروتون ، أي نظير اليورانيوم يتحول إلى المزيد
العنصر الثقيل هو النبتونيوم 239 (93 بروتون + 146 نيوترون). لكن النبتونيوم غير مستقر - بعد بضع دقائق ، يصدر أحد نيوتروناته إلكترونًا ، يتحول إلى بروتون ، وبعد ذلك يتحول نظير النبتونيوم إلى العنصر التالي في النظام الدوري - البلوتونيوم 239 (94 بروتونًا + 145 نيوترونًا). إذا دخل نيوترون إلى نواة يورانيوم -235 غير المستقر ، يحدث الانشطار على الفور - تتحلل الذرات مع انبعاث نيوترونين أو ثلاثة. من الواضح أنه في اليورانيوم الطبيعي ، الذي تنتمي معظم ذراته إلى النظير 238 ، فإن هذا التفاعل ليس له عواقب واضحة - سيتم امتصاص جميع النيوترونات الحرة في النهاية بواسطة هذا النظير.

ولكن ماذا لو تخيلنا قطعة ضخمة إلى حد ما من اليورانيوم ، تتكون بالكامل من النظير 235؟

هنا ستسير العملية بشكل مختلف: النيوترونات التي يتم إطلاقها أثناء انشطار عدة نوى ، والتي بدورها تسقط في نوى مجاورة ، تسبب انشطارها. نتيجة لذلك ، يتم إطلاق جزء جديد من النيوترونات ، والذي يقسم النوى التالية. في ظل ظروف مواتية ، يستمر رد الفعل هذا مثل الانهيار الجليدي ويسمى رد الفعل المتسلسل. قد يكفي قصف بعض الجسيمات لبدء ذلك.

في الواقع ، دع 100 نيوترون فقط تقصف اليورانيوم 235. سيقومون بتقسيم 100 نواة من اليورانيوم. في هذه الحالة ، سيتم إطلاق 250 نيوترونًا جديدًا من الجيل الثاني (بمعدل 2.5 لكل انشطار). ستنتج نيوترونات الجيل الثاني بالفعل 250 انشطارًا ، حيث سيتم إطلاق 625 نيوترونًا. في الجيل القادم سيكون 1562 ، ثم 3906 ، ثم 9670 ، وهكذا. سيزداد عدد الأقسام بلا حدود إذا لم يتم إيقاف العملية.

ومع ذلك ، في الواقع ، يدخل جزء ضئيل فقط من النيوترونات إلى نوى الذرات. يتم نقل الباقين ، الذين يندفعون بسرعة بينهم ، بعيدًا في الفضاء المحيط. يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل مستدام ذاتيًا فقط في مجموعة كبيرة بما فيه الكفاية من اليورانيوم -235 ، والذي يُقال إنه يحتوي على كتلة حرجة. (هذه الكتلة في الظروف العادية هي 50 كجم). من المهم ملاحظة أن انشطار كل نواة يترافق مع إطلاق كمية هائلة من الطاقة ، والتي تبين أنها تزيد بنحو 300 مليون مرة عن الطاقة التي يتم إنفاقها على الانشطار. ! (تم حساب أنه مع الانشطار الكامل لـ 1 كجم من اليورانيوم -235 ، يتم إطلاق نفس كمية الحرارة كما هو الحال عند حرق 3 آلاف طن من الفحم).

هذه الزيادة الهائلة في الطاقة ، التي تم إطلاقها في غضون لحظات ، تتجلى على أنها انفجار للقوة الوحشية وتكمن وراء تشغيل الأسلحة النووية. ولكن لكي يصبح هذا السلاح حقيقة ، من الضروري ألا تتكون الشحنة من اليورانيوم الطبيعي ، ولكن من نظير نادر - 235 (يسمى هذا اليورانيوم المخصب). اكتشف لاحقًا أن البلوتونيوم النقي هو أيضًا مادة قابلة للانشطار ويمكن استخدامه في شحنة ذرية بدلاً من اليورانيوم 235.

تم إجراء كل هذه الاكتشافات المهمة عشية الحرب العالمية الثانية. سرعان ما بدأ العمل السري في ألمانيا ودول أخرى لإنشاء قنبلة ذرية. في الولايات المتحدة ، تم تناول هذه المشكلة في عام 1941. تم تسمية مجمع الأعمال بالكامل باسم "مشروع مانهاتن".

تم تنفيذ القيادة الإدارية للمشروع من قبل الجنرال غروفز ، وتولى التوجيه العلمي البروفيسور روبرت أوبنهايمر من جامعة كاليفورنيا. كان كلاهما مدركًا تمامًا للتعقيد الهائل للمهمة المنوطة بهما. لذلك ، كان اهتمام أوبنهايمر الأول هو اكتساب فريق علمي ذكي للغاية. في الولايات المتحدة في ذلك الوقت كان هناك العديد من الفيزيائيين الذين هاجروا من ألمانيا الفاشية. لم يكن من السهل إشراكهم في صناعة أسلحة موجهة ضد وطنهم السابق. تحدث أوبنهايمر إلى الجميع شخصيًا ، مستخدمًا القوة الكاملة لسحره. سرعان ما تمكن من جمع مجموعة صغيرة من المنظرين ، الذين أطلق عليهم مازحا "النجوم". وفي الواقع ، ضمت أكبر الخبراء في ذلك الوقت في مجال الفيزياء والكيمياء. (من بينهم 13 فائزًا بجائزة نوبل ، بما في ذلك بور ، فيرمي ، فرانك ، تشادويك ، لورانس.) بالإضافة إلى هؤلاء ، كان هناك العديد من المتخصصين الآخرين من مختلف التشكيلات.

لم تبخل حكومة الولايات المتحدة في الإنفاق ، ومنذ البداية اتخذ العمل نطاقًا ضخمًا. في عام 1942 ، تم تأسيس أكبر معمل أبحاث في العالم في لوس ألاموس. وصل عدد سكان هذه المدينة العلمية قريبًا إلى 9 آلاف شخص. من حيث تكوين العلماء ، ونطاق التجارب العلمية ، وعدد المتخصصين والعاملين المشاركين في العمل ، فإن مختبر لوس ألاموس لم يكن له مثيل في تاريخ العالم. كان لمشروع مانهاتن شرطته الخاصة ، والاستخبارات المضادة ، ونظام الاتصالات ، والمستودعات ، والمستوطنات ، والمصانع ، والمختبرات ، وميزانيته الضخمة الخاصة.

كان الهدف الرئيسي للمشروع هو الحصول على ما يكفي من المواد الانشطارية لصنع عدة قنابل ذرية. بالإضافة إلى اليورانيوم 235 ، كما ذكرنا سابقًا ، يمكن أن يكون العنصر الاصطناعي البلوتونيوم 239 بمثابة شحنة للقنبلة ، أي أن القنبلة يمكن أن تكون إما يورانيوم أو بلوتونيوم.

اتفق غروفز وأوبنهايمر على أن العمل يجب أن يتم في وقت واحد في اتجاهين ، لأنه من المستحيل تحديد أي منهما سيكون واعدًا بشكل أكبر. كانت كلتا الطريقتين مختلفتين اختلافًا جوهريًا عن بعضهما البعض: كان يجب تنفيذ تراكم اليورانيوم -235 عن طريق فصله عن الجزء الأكبر من اليورانيوم الطبيعي ، ولا يمكن الحصول على البلوتونيوم إلا نتيجة تفاعل نووي متحكم فيه عن طريق تعريض اليورانيوم 238 بالإشعاع. النيوترونات. بدا كلا المسارين صعبًا بشكل غير عادي ولم يعدا بحلول سهلة.

في الواقع ، كيف يمكن فصل نظيرين عن بعضهما البعض ، والتي تختلف اختلافًا طفيفًا في وزنها وتتصرف كيميائيًا بنفس الطريقة تمامًا؟ لم يواجه العلم ولا التكنولوجيا مثل هذه المشكلة على الإطلاق. كما بدا إنتاج البلوتونيوم مشكلة كبيرة في البداية. قبل ذلك ، تم تقليص التجربة الكاملة للتحولات النووية إلى عدة تجارب معملية. الآن كان من الضروري إتقان إنتاج كيلوغرامات من البلوتونيوم على نطاق صناعي ، وتطوير وإنشاء منشأة خاصة لهذا - مفاعل نووي ، ومعرفة كيفية التحكم في مسار التفاعل النووي.

وهنا وهناك كان لابد من حل مجموعة كاملة من المشاكل المعقدة. لذلك ، تألف "مشروع مانهاتن" من عدة مشاريع فرعية ، برئاسة علماء بارزين. كان أوبنهايمر نفسه رئيسًا لمختبر لوس ألاموس للعلوم. كان لورانس مسؤولاً عن مختبر الإشعاع بجامعة كاليفورنيا. قاد فيرمي بحثًا في جامعة شيكاغو حول إنشاء مفاعل نووي.

في البداية ، كانت المشكلة الأكثر أهمية هي الحصول على اليورانيوم. قبل الحرب ، لم يكن لهذا المعدن أي فائدة. الآن بعد أن تم الاحتياج إليه بكميات كبيرة على الفور ، اتضح أنه لا توجد طريقة صناعية لإنتاجه.

شرعت شركة Westinghouse في تطويرها وحققت نجاحًا سريعًا. بعد تنقية راتنج اليورانيوم (في هذا الشكل ، يوجد اليورانيوم في الطبيعة) والحصول على أكسيد اليورانيوم ، تم تحويله إلى رباعي فلوريد (UF4) ، والذي تم عزل اليورانيوم المعدني منه بالتحليل الكهربائي. إذا كان لدى العلماء الأمريكيين في نهاية عام 1941 بضعة جرامات فقط من اليورانيوم المعدني تحت تصرفهم ، ففي نوفمبر 1942 وصل الإنتاج الصناعي في مصانع ويستنجهاوس إلى 6000 رطل شهريًا.

في نفس الوقت ، كان العمل جاريا لإنشاء مفاعل نووي. عملية إنتاج البلوتونيوم في الواقع تتجه نحو تشعيع قضبان اليورانيوم بالنيوترونات ، ونتيجة لذلك تحول جزء من اليورانيوم 238 إلى بلوتونيوم. مصادر النيوترونات في هذه الحالة يمكن أن تكون ذرات اليورانيوم -235 الانشطارية المنتشرة بكميات كافية بين ذرات اليورانيوم 238. ولكن من أجل الحفاظ على التكاثر المستمر للنيوترونات ، يجب أن يبدأ تفاعل متسلسل لانشطار ذرات اليورانيوم 235. وفي الوقت نفسه ، كما ذكرنا سابقًا ، لكل ذرة من اليورانيوم 235 كان هناك 140 ذرة من اليورانيوم 238. من الواضح أن النيوترونات التي تطير في جميع الاتجاهات كانت على الأرجح تلتقي بها بالضبط في طريقها. وهذا يعني أن عددًا كبيرًا من النيوترونات المنبعثة اتضح أن النظير الرئيسي يمتصها دون جدوى. من الواضح ، في ظل هذه الظروف ، أن التفاعل المتسلسل لا يمكن أن يستمر. كيف تكون؟

في البداية بدا أنه بدون فصل نظيرين ، كان تشغيل المفاعل مستحيلًا بشكل عام ، ولكن سرعان ما تم تحديد ظرف واحد مهم: اتضح أن اليورانيوم 235 واليورانيوم 238 كانا عرضة للنيوترونات ذات الطاقات المختلفة. من الممكن تقسيم نواة ذرة يورانيوم -235 بنيوترون ذو طاقة منخفضة نسبيًا ، وسرعته حوالي 22 م / ث. لا يتم التقاط هذه النيوترونات البطيئة بواسطة نوى اليورانيوم 238 - ولهذا يجب أن تصل سرعتها إلى مئات الآلاف من الأمتار في الثانية. بعبارة أخرى ، اليورانيوم 238 عاجز عن منع بدء وتطور التفاعل المتسلسل في اليورانيوم -235 الناجم عن تباطؤ النيوترونات إلى سرعات منخفضة للغاية - لا تزيد عن 22 م / ث. اكتشف هذه الظاهرة الفيزيائي الإيطالي فيرمي ، الذي عاش في الولايات المتحدة منذ عام 1938 وأشرف على العمل على إنشاء أول مفاعل هنا. قرر Fermi استخدام الجرافيت كوسيط للنيوترونات. وفقًا لحساباته ، فإن النيوترونات المنبعثة من اليورانيوم -235 ، بعد مرورها عبر طبقة من الجرافيت 40 سم ، يجب أن تقلل سرعتها إلى 22 م / ث وأن تبدأ تفاعلًا متسلسلًا مستدامًا ذاتيًا في اليورانيوم -235.

يمكن أن يكون ما يسمى بالماء "الثقيل" بمثابة وسيط آخر. نظرًا لأن ذرات الهيدروجين التي يتكون منها قريبة جدًا من حيث الحجم والكتلة للنيوترونات ، فمن الأفضل إبطائها. (يحدث نفس الشيء تقريبًا مع النيوترونات السريعة كما هو الحال مع الكرات: إذا اصطدمت كرة صغيرة بأخرى كبيرة ، فإنها تتراجع ، تقريبًا دون أن تفقد سرعتها ، ولكن عندما تلتقي بكرة صغيرة ، فإنها تنقل جزءًا كبيرًا من طاقتها إليها - تمامًا مثل النيوترون في اصطدام مرن يرتد من نواة ثقيلة فقط يتباطأ قليلاً ، وعند الاصطدام بنواة ذرات الهيدروجين يفقد كل طاقته بسرعة كبيرة.) ومع ذلك ، فإن الماء العادي غير مناسب للإبطاء ، لأن الهيدروجين يميل لامتصاص النيوترونات. لهذا السبب يجب استخدام الديوتيريوم ، وهو جزء من الماء "الثقيل" ، لهذا الغرض.

في أوائل عام 1942 ، تحت قيادة فيرمي ، بدأ بناء أول مفاعل نووي على الإطلاق في ملعب التنس تحت المدرجات الغربية لملعب شيكاغو. تم تنفيذ جميع الأعمال من قبل العلماء أنفسهم. يمكن التحكم في التفاعل بالطريقة الوحيدة - عن طريق تعديل عدد النيوترونات المشاركة في التفاعل المتسلسل. تصور فيرمي القيام بذلك باستخدام قضبان مصنوعة من مواد مثل البورون والكادميوم ، والتي تمتص النيوترونات بقوة. كان طوب الجرافيت بمثابة وسيط ، حيث أقام الفيزيائيون أعمدة ارتفاعها 3 أمتار وعرضها 1.2 متر ، وتم تركيب كتل مستطيلة من أكسيد اليورانيوم بينها. ذهب حوالي 46 طنًا من أكسيد اليورانيوم و 385 طنًا من الجرافيت إلى الهيكل بأكمله. لإبطاء التفاعل ، يتم إدخال قضبان الكادميوم والبورون في المفاعل.

إذا لم يكن هذا كافيًا ، فمن أجل التأمين ، على منصة تقع فوق المفاعل ، كان هناك عالمان مع دلاء مملوءة بمحلول أملاح الكادميوم - كان من المفترض أن يسكباها على المفاعل إذا خرج التفاعل عن السيطرة. لحسن الحظ ، لم يكن هذا مطلوبًا. في 2 ديسمبر 1942 ، أمر فيرمي بتمديد جميع قضبان التحكم ، وبدأت التجربة. بعد أربع دقائق ، بدأت عدادات النيوترونات في النقر بصوت أعلى وأعلى. مع كل دقيقة ، تزداد شدة تدفق النيوترونات. يشير هذا إلى حدوث تفاعل متسلسل في المفاعل. استمر لمدة 28 دقيقة. ثم أشار فيرمي ، وأوقفت القضبان المنخفضة العملية. وهكذا ، وللمرة الأولى ، أطلق الإنسان طاقة النواة الذرية وأثبت أنه يستطيع التحكم فيها متى شاء. الآن لم يعد هناك أي شك في أن الأسلحة النووية أصبحت حقيقة واقعة.

في عام 1943 ، تم تفكيك مفاعل فيرمي ونقله إلى مختبر أراغون الوطني (50 كم من شيكاغو). كان هنا بعد قليل
تم بناء مفاعل نووي آخر ، حيث تم استخدام الماء الثقيل كوسيط. وهي تتألف من خزان أسطواني من الألومنيوم يحتوي على 6.5 طن من الماء الثقيل ، حيث تم تحميل 120 قضيبًا من معدن اليورانيوم عموديًا ، ومحاطة بقذيفة من الألومنيوم. صنعت قضبان التحكم السبعة من الكادميوم. حول الخزان كان هناك عاكس من الجرافيت ، ثم شاشة مصنوعة من سبائك الرصاص والكادميوم. كان الهيكل بأكمله محاطًا بقشرة خرسانية بسماكة حوالي 2.5 متر.

أكدت التجارب في هذه المفاعلات التجريبية إمكانية الإنتاج التجاري للبلوتونيوم.

سرعان ما أصبح المركز الرئيسي لـ "مشروع مانهاتن" بلدة أوك ريدج في وادي نهر تينيسي ، والتي نما عدد سكانها في غضون بضعة أشهر إلى 79 ألف نسمة. هنا ، في وقت قصير ، تم بناء أول مصنع لإنتاج اليورانيوم المخصب. في عام 1943 ، تم إطلاق مفاعل صناعي ينتج البلوتونيوم. في فبراير 1944 ، تم استخراج حوالي 300 كجم من اليورانيوم منه يوميًا ، تم الحصول على البلوتونيوم من سطحه بالفصل الكيميائي. (للقيام بذلك ، تم أولاً إذابة البلوتونيوم ثم ترسبه). ثم تمت إعادة اليورانيوم المنقى إلى المفاعل مرة أخرى. في نفس العام ، في الصحراء القاحلة المقفرة على الضفة الجنوبية لنهر كولومبيا ، بدأ البناء في مصنع هانفورد الضخم. توجد هنا ثلاثة مفاعلات نووية قوية تعطي مئات الجرامات من البلوتونيوم يومياً.

في موازاة ذلك ، كان البحث على قدم وساق لتطوير عملية صناعية لتخصيب اليورانيوم.

بعد النظر في الخيارات المختلفة ، قرر جروفز وأوبنهايمر التركيز على طريقتين: نشر الغاز والكهرومغناطيسية.

استندت طريقة انتشار الغاز إلى مبدأ يُعرف بقانون جراهام (صاغه الكيميائي الاسكتلندي توماس جراهام لأول مرة عام 1829 وطوره الفيزيائي الإنجليزي رايلي عام 1896). وفقًا لهذا القانون ، إذا تم تمرير غازين ، أحدهما أخف من الآخر ، عبر مرشح بفتحات صغيرة بشكل مهمل ، فسيمر عبره غاز خفيف أكثر قليلاً من الغاز الثقيل. في تشرين الثاني (نوفمبر) 1942 ، ابتكر أوري ودننغ في جامعة كولومبيا طريقة انتشار غازي لفصل نظائر اليورانيوم على أساس طريقة رايلي.

نظرًا لأن اليورانيوم الطبيعي مادة صلبة ، فقد تم تحويله أولاً إلى فلوريد اليورانيوم (UF6). ثم تم تمرير هذا الغاز عبر ثقوب مجهرية - بترتيب جزء من الألف من المليمتر - في حاجز المرشح.

نظرًا لأن الاختلاف في الأوزان المولية للغازات كان صغيرًا جدًا ، فقد زاد محتوى اليورانيوم 235 فقط بعامل 1.0002 خلف الحاجز.

من أجل زيادة كمية اليورانيوم 235 أكثر ، يتم تمرير الخليط الناتج مرة أخرى عبر فاصل ، وتزداد كمية اليورانيوم مرة أخرى بمقدار 1.0002 مرة. وبالتالي ، من أجل زيادة محتوى اليورانيوم 235 إلى 99٪ ، كان من الضروري تمرير الغاز عبر 4000 مرشح. حدث هذا في مصنع انتشار غازي ضخم في أوك ريدج.

في عام 1940 ، تحت قيادة إرنست لورانس في جامعة كاليفورنيا ، بدأ البحث حول فصل نظائر اليورانيوم بالطريقة الكهرومغناطيسية. كان من الضروري إيجاد مثل هذه العمليات الفيزيائية التي تسمح بفصل النظائر باستخدام الاختلاف في كتلها. حاول لورنس فصل النظائر باستخدام مبدأ مطياف الكتلة - أداة تحدد كتل الذرات.

كان مبدأ عملها على النحو التالي: تم تسريع الذرات المتأينة مسبقًا بواسطة مجال كهربائي ، ثم مرت عبر مجال مغناطيسي وصفوا فيه الدوائر الموجودة في مستوى عمودي على اتجاه المجال. نظرًا لأن أنصاف أقطار هذه المسارات كانت متناسبة مع الكتلة ، فقد انتهى الأمر بالأيونات الخفيفة في دوائر بنصف قطر أصغر من الدوائر الثقيلة. إذا تم وضع المصائد في مسار الذرات ، فمن الممكن بهذه الطريقة جمع نظائر مختلفة بشكل منفصل.

كانت هذه هي الطريقة. في ظل ظروف معملية ، أعطى نتائج جيدة. ولكن ثبت أن إنشاء مصنع يمكن فيه فصل النظائر على نطاق صناعي صعب للغاية. ومع ذلك ، تمكن لورانس في النهاية من التغلب على جميع الصعوبات. كانت نتيجة جهوده ظهور الكالوترون ، الذي تم تثبيته في مصنع عملاق في أوك ريدج.

تم بناء هذا المصنع الكهرومغناطيسي في عام 1943 واتضح أنه ربما يكون أغلى من بنات أفكار مشروع مانهاتن. تتطلب طريقة لورانس عددًا كبيرًا من الأجهزة المعقدة ، والتي لم يتم تطويرها حتى الآن ، والتي تتضمن جهدًا عاليًا وفراغًا عاليًا ومجالات مغناطيسية قوية. كانت التكاليف هائلة. كان لدى كالوترون مغناطيس كهربي عملاق يصل طوله إلى 75 م ويزن حوالي 4000 طن.

دخلت عدة آلاف من الأطنان من الأسلاك الفضية في لفات هذا المغناطيس الكهربائي.

كلف العمل بأكمله (باستثناء تكلفة الفضة بقيمة 300 مليون دولار ، والتي قدمتها خزانة الدولة بشكل مؤقت فقط) 400 مليون دولار. فقط للكهرباء التي ينفقها الكالترون ، دفعت وزارة الدفاع 10 ملايين. كان الكثير من المعدات في مصنع أوك ريدج متفوقًا من حيث الحجم والدقة على أي شيء تم تطويره في هذا المجال.

لكن كل هذه النفقات لم تذهب سدى. بعد إنفاق ما مجموعه حوالي 2 مليار دولار ، ابتكر العلماء الأمريكيون بحلول عام 1944 تقنية فريدة لتخصيب اليورانيوم وإنتاج البلوتونيوم. في هذه الأثناء ، في مختبر لوس ألاموس ، كانوا يعملون على تصميم القنبلة نفسها. كان مبدأ تشغيله واضحًا بشكل عام لفترة طويلة: كان يجب نقل المادة الانشطارية (البلوتونيوم أو اليورانيوم -235) إلى حالة حرجة وقت الانفجار (لحدوث تفاعل متسلسل ، يجب نقل كتلة يجب أن تكون الشحنة أكبر بشكل ملحوظ من الشحنة الحرجة) وتشعيعها بحزمة نيوترونية ، مما يستلزم بداية تفاعل متسلسل.

وفقًا للحسابات ، تجاوزت الكتلة الحرجة للشحنة 50 كيلوجرامًا ، ولكن يمكن تقليلها بشكل كبير. بشكل عام ، يتأثر حجم الكتلة الحرجة بشدة بعدة عوامل. كلما كبرت مساحة الشحنة ، زاد انبعاث النيوترونات بلا فائدة في الفضاء المحيط. الكرة لديها أصغر مساحة سطح. وبالتالي ، فإن الشحنات الكروية ، مع تساوي الأشياء الأخرى ، لها أصغر كتلة حرجة. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد قيمة الكتلة الحرجة على نقاوة ونوع المواد الانشطارية. يتناسب عكسياً مع مربع كثافة هذه المادة ، مما يسمح ، على سبيل المثال ، بمضاعفة الكثافة ، بتقليل الكتلة الحرجة بمقدار أربعة أضعاف. يمكن الحصول على الدرجة المطلوبة دون الحرجية ، على سبيل المثال ، عن طريق ضغط المواد الانشطارية بسبب انفجار شحنة متفجرة تقليدية مصنوعة في شكل قذيفة كروية تحيط بالشحنة النووية. يمكن أيضًا تقليل الكتلة الحرجة من خلال إحاطة الشحنة بشاشة تعكس النيوترونات جيدًا. يمكن استخدام الرصاص ، والبريليوم ، والتنغستن ، واليورانيوم الطبيعي ، والحديد ، وغيرها الكثير مثل هذه الشاشة.

يتكون أحد التصاميم المحتملة للقنبلة الذرية من قطعتين من اليورانيوم ، والتي عند الجمع بينهما تشكل كتلة أكبر من الكتلة الحرجة. من أجل التسبب في انفجار قنبلة ، يجب أن تجمعهم معًا في أسرع وقت ممكن. الطريقة الثانية تعتمد على استخدام انفجار داخلي متقارب. في هذه الحالة ، تم توجيه تدفق الغازات من مادة متفجرة تقليدية نحو المادة الانشطارية الموجودة بداخلها وضغطها حتى تصل إلى الكتلة الحرجة. يؤدي اتصال الشحنة وإشعاعها الشديد بالنيوترونات ، كما ذكرنا سابقًا ، إلى حدوث تفاعل متسلسل ، ونتيجة لذلك ، ترتفع درجة الحرارة في الثانية الأولى إلى مليون درجة. خلال هذا الوقت ، تمكن حوالي 5 ٪ فقط من الكتلة الحرجة من الانفصال. تبخرت بقية الشحنة في تصميمات القنابل المبكرة بدونها
أي خير.

تم تجميع أول قنبلة ذرية في التاريخ (أطلق عليها اسم "الثالوث") في صيف عام 1945. وفي 16 يونيو 1945 ، تم تنفيذ أول انفجار ذري على الأرض في موقع التجارب النووية في صحراء ألاموغوردو (نيو مكسيكو). ووضعت القنبلة في وسط موقع الاختبار فوق برج من الصلب طوله 30 مترا. تم وضع معدات التسجيل حولها على مسافة كبيرة. على بعد 9 كم كان هناك مركز مراقبة ، وعلى بعد 16 كم - مركز قيادة. ترك الانفجار الذري انطباعًا هائلًا لدى جميع الشهود على هذا الحدث. وفقًا لوصف شهود العيان ، كان هناك شعور بأن العديد من الشموس اندمجت في واحدة وأضاءت المضلع في وقت واحد. ثم ظهرت كرة ضخمة من النار فوق السهل ، وبدأت سحابة مستديرة من الغبار والنور تتصاعد نحوه ببطء وبشكل ينذر بالسوء.

بعد الإقلاع من الأرض ، طارت كرة النار هذه إلى ارتفاع أكثر من ثلاثة كيلومترات في بضع ثوانٍ. مع كل لحظة نما فيها حجمها ، سرعان ما وصل قطرها إلى 1.5 كيلومتر ، وارتفعت ببطء إلى طبقة الستراتوسفير. ثم أفسحت كرة النار الطريق لعمود من الدخان الملتف ، امتد إلى ارتفاع 12 كم ، على شكل فطر عملاق. كان كل هذا مصحوبًا بزئير رهيب ارتعدت منه الأرض. فاقت قوة القنبلة المنفجرة كل التوقعات.

بمجرد أن سمح الوضع الإشعاعي ، اندفعت العديد من دبابات شيرمان ، المبطنة بألواح الرصاص من الداخل ، إلى منطقة الانفجار. كان على أحدهم فيرمي ، الذي كان حريصًا على رؤية نتائج عمله. ظهرت الأرض المحروقة الميتة أمام عينيه ، حيث دمرت الحياة كلها داخل دائرة نصف قطرها 1.5 كيلومتر. تبلد الرمل في قشرة زجاجية مخضرة تغطي الأرض. في حفرة ضخمة وضعت بقايا مشوهة لبرج دعم فولاذي. وقدرت قوة الانفجار بحوالي 20 ألف طن من مادة تي إن تي.

كانت الخطوة التالية هي الاستخدام القتالي للقنبلة ضد اليابان ، والتي ، بعد استسلام ألمانيا الفاشية ، واصلت وحدها الحرب مع الولايات المتحدة وحلفائها. لم تكن هناك عربات إطلاق في ذلك الوقت ، لذلك كان يجب تنفيذ القصف من طائرة. تم نقل مكونات القنبلتين بعناية فائقة من قبل يو إس إس إنديانابوليس إلى جزيرة تينيان ، حيث كان مقر مجموعة القوات الجوية الأمريكية 509 المركبة. حسب نوع الشحنة والتصميم ، كانت هذه القنابل مختلفة بعض الشيء عن بعضها البعض.

القنبلة الأولى - "بيبي" - كانت قنبلة جوية كبيرة الحجم بشحنة ذرية من اليورانيوم 235 عالي التخصيب. كان طوله حوالي 3 أمتار ، وقطره - 62 سم ​​، ووزنه - 4.1 طن.

القنبلة الثانية - "فات مان" - المشحونة بالبلوتونيوم 239 كانت على شكل بيضة مع مثبت كبير الحجم. طوله
كان 3.2 م ، قطرها 1.5 م ، الوزن - 4.5 طن.

في 6 أغسطس ، أسقط مفجر الكولونيل تيبيتس بي 29 إينولا جاي "كيد" على مدينة هيروشيما اليابانية الكبيرة. أسقطت القنبلة بالمظلة وانفجرت كما كان مخططا على ارتفاع 600 متر من الأرض.

كانت عواقب الانفجار رهيبة. حتى على الطيارين أنفسهم ، كان مشهد المدينة المسالمة التي دمروها في لحظة انطباعًا محبطًا. لاحقًا ، اعترف أحدهم بأنهم رأوا في تلك اللحظة أسوأ شيء يمكن لأي شخص رؤيته.

بالنسبة لأولئك الذين كانوا على الأرض ، بدا ما كان يحدث وكأنه جحيم حقيقي. بادئ ذي بدء ، مرت موجة حر فوق هيروشيما. استمر تأثيرها بضع لحظات فقط ، لكنها كانت قوية لدرجة أنها أذابت حتى البلاط وبلورات الكوارتز في ألواح الجرانيت ، وحولت أعمدة الهاتف إلى فحم على مسافة 4 كيلومترات ، وأخيراً ، أحرقت أجساد بشرية لدرجة أن الظلال بقيت منها فقط. على الرصيف الأسفلت.أو على جدران المنازل. ثم هربت عاصفة من الرياح الهائلة من تحت كرة النار واندفعت فوق المدينة بسرعة 800 كم / ساعة ، جرفت كل شيء في طريقها. انهارت المنازل التي لم تستطع تحمل هجومه الغاضب وكأنها قد قُطعت. في دائرة عملاقة يبلغ قطرها 4 كيلومترات ، لم يبق مبنى واحد سليمًا. بعد دقائق قليلة من الانفجار ، مرت أمطار سوداء مشعة فوق المدينة - تحولت هذه الرطوبة إلى بخار مكثف في الطبقات العالية من الغلاف الجوي وسقط على الأرض على شكل قطرات كبيرة ممزوجة بالغبار المشع.

بعد هطول الأمطار ، ضربت رياح جديدة المدينة ، وهذه المرة تهب في اتجاه مركز الزلزال. كان أضعف من الأول ، لكنه كان لا يزال قوياً بما يكفي لاقتلاع الأشجار. أشعلت الريح حريقًا هائلاً اشتعل فيه كل ما يمكن أن يحترق. من بين 76000 مبنى ، تم تدمير 55000 بالكامل وإحراقها. واستذكر شهود هذه الكارثة الرهيبة مشاعل الناس التي سقطت منها الملابس المحترقة على الأرض مع تمزق الجلد ، وحشود من الناس المذهولين ، المغطاة بحروق مروعة ، الذين اندفعوا وهم يصرخون في الشوارع. كانت هناك رائحة خانقة من لحم بشري محترق في الهواء. يرقد الناس في كل مكان ، موتى ومحتضرون. كان هناك الكثير من المكفوفين والصم ، ولم يتمكنوا ، وهم يدقون في كل الاتجاهات ، من صنع أي شيء في الفوضى التي سادت حولهم.

المؤسفون ، الذين كانوا من مركز الزلزال على مسافة تصل إلى 800 متر ، احترقوا في جزء من الثانية بالمعنى الحرفي للكلمة - تبخرت دواخلهم وتحولت أجسادهم إلى كتل من الفحم المدخن. على مسافة كيلومتر واحد من مركز الزلزال ، أصابهم مرض الإشعاع في شكل شديد الخطورة. في غضون ساعات قليلة ، بدأوا في التقيؤ بشدة ، وقفزت درجة الحرارة إلى 39-40 درجة ، وظهر ضيق في التنفس ونزيف. ثم ظهرت قرح غير قابلة للشفاء على الجلد ، وتغير تكوين الدم بشكل كبير ، وتساقط الشعر. بعد معاناة رهيبة ، عادة في اليوم الثاني أو الثالث ، حدثت الوفاة.

في المجموع ، توفي حوالي 240 ألف شخص من جراء الانفجار والأمراض الإشعاعية. تلقى حوالي 160 ألفًا من المرض الإشعاعي في شكل أخف - تأخر موتهم المؤلم لعدة أشهر أو سنوات. عندما انتشرت أخبار الكارثة في جميع أنحاء البلاد ، أصيبت اليابان بالشلل والخوف. وزادت أكثر بعد أن أسقطت طائرة الميجر سويني بوكس ​​كار قنبلة ثانية على ناغازاكي في 9 أغسطس. كما قُتل وجُرح مئات الآلاف من السكان هنا. غير قادر على مقاومة الأسلحة الجديدة ، استسلمت الحكومة اليابانية - وضعت القنبلة الذرية نهاية للحرب العالمية الثانية.

انتهت الحرب. استمرت ست سنوات فقط ، لكنها تمكنت من تغيير العالم والناس تقريبًا إلى درجة يصعب التعرف عليها.

الحضارة الإنسانية قبل عام 1939 والحضارة الإنسانية بعد عام 1945 مختلفة بشكل لافت للنظر عن بعضها البعض. هناك أسباب كثيرة لذلك ، ولكن من أهمها ظهور الأسلحة النووية. يمكن القول دون مبالغة أن ظل هيروشيما ظل طوال النصف الثاني من القرن العشرين. لقد أصبح حرقًا أخلاقيًا عميقًا للعديد من الملايين من الناس ، سواء أولئك الذين كانوا معاصرين لهذه الكارثة والذين ولدوا بعد عقود من الزمان. لم يعد بإمكان الإنسان المعاصر التفكير في العالم بالطريقة التي كان يعتقد بها قبل 6 أغسطس 1945 - إنه يفهم بوضوح شديد أن هذا العالم لا يمكن أن يتحول إلى لا شيء في غضون لحظات قليلة.

لا يمكن للإنسان الحديث أن ينظر إلى الحرب ، كما شاهدها أجداده وأجداده - فهو يعلم على وجه اليقين أن هذه الحرب ستكون الأخيرة ، ولن يكون فيها رابحون ولا خاسرون فيها. لقد تركت الأسلحة النووية بصماتها على جميع مجالات الحياة العامة ، ولا يمكن للحضارة الحديثة أن تعيش بنفس القوانين التي كانت عليها قبل ستين أو ثمانين عامًا. لا أحد يفهم هذا أفضل من صانعي القنبلة الذرية أنفسهم.

"الناس على كوكبنا كتب روبرت أوبنهايمر ، يجب أن يتحدوا. الرعب والدمار الذي زرعته الحرب الأخيرة يملي علينا هذه الفكرة. أثبتت تفجيرات القنابل الذرية ذلك بكل قسوة. قال أشخاص آخرون في أوقات أخرى كلمات مماثلة - فقط عن الأسلحة الأخرى والحروب الأخرى. لم ينجحوا. لكن من يقول اليوم أن هذه الكلمات عديمة الفائدة تنخدعه تقلبات التاريخ. لا يمكننا أن نكون مقتنعين بهذا. لا تترك نتائج عملنا خيارًا آخر للبشرية سوى إنشاء عالم موحد. عالم قائم على القانون والانسانية ".

كان ظهور الأسلحة الذرية (النووية) بسبب كتلة من العوامل الموضوعية والذاتية. من الناحية الموضوعية ، جاء إنشاء الأسلحة الذرية بفضل التطور السريع للعلم ، والذي بدأ بالاكتشافات الأساسية في مجال الفيزياء في النصف الأول من القرن العشرين. كان العامل الذاتي الرئيسي هو الوضع العسكري السياسي ، عندما بدأت دول التحالف المناهض لهتلر سباقًا غير معلن لتطوير مثل هذه الأسلحة القوية. سنكتشف اليوم من اخترع القنبلة الذرية وكيف تطورت في العالم والاتحاد السوفيتي ، ونتعرف أيضًا على أجهزتها وعواقب استخدامها.

صنع القنبلة الذرية

من وجهة نظر علمية ، كان عام 1896 البعيد هو عام إنشاء القنبلة الذرية. عندها اكتشف الفيزيائي الفرنسي أ. بيكريل النشاط الإشعاعي لليورانيوم. بعد ذلك ، أصبح يُنظر إلى تفاعل اليورانيوم المتسلسل كمصدر للطاقة الهائلة ، ومن السهل تطوير أخطر الأسلحة في العالم. ومع ذلك ، نادرًا ما يتم ذكر بيكريل عند الحديث عن من اخترع القنبلة الذرية.

على مدى العقود القليلة التالية ، اكتشف علماء من جميع أنحاء الأرض أشعة ألفا وبيتا وغاما. في الوقت نفسه ، تم اكتشاف عدد كبير من النظائر المشعة ، وصياغة قانون الاضمحلال الإشعاعي ، ووضعت بداية دراسة التماكب النووي.

في الأربعينيات من القرن الماضي ، اكتشف العلماء العصبون والبوزيترون ، وأجروا لأول مرة انشطار نواة ذرة اليورانيوم ، مصحوبًا بامتصاص الخلايا العصبية. كان هذا الاكتشاف هو الذي أصبح نقطة تحول في التاريخ. في عام 1939 ، حصل الفيزيائي الفرنسي فريديريك جوليو كوري على براءة اختراع أول قنبلة نووية في العالم ، والتي طورها مع زوجته بدافع الاهتمام العلمي البحت. يعتبر جوليو كوري هو صانع القنبلة الذرية ، على الرغم من حقيقة أنه كان مدافعًا قويًا عن السلام العالمي. في عام 1955 ، قام مع أينشتاين ، بورن وعدد من العلماء المشهورين الآخرين ، بتنظيم حركة بوغواش ، التي دعا أعضاؤها إلى السلام ونزع السلاح.

أصبحت الأسلحة الذرية سريعة التطور ظاهرة عسكرية سياسية غير مسبوقة تسمح لك بضمان سلامة مالكها وتقليل قدرات أنظمة الأسلحة الأخرى إلى الحد الأدنى.

كيف تصنع القنبلة النووية؟

من الناحية الهيكلية ، تتكون القنبلة الذرية من عدد كبير من المكونات ، أهمها الغلاف والأتمتة. تم تصميم العلبة لحماية الأتمتة والشحنة النووية من التأثيرات الميكانيكية والحرارية وغيرها. تتحكم الأتمتة في معلمات الوقت للانفجار.

إنها تتكون من:

1. هدم الطوارئ.
2. أجهزة التسليح والسلامة.
3. مصدر الطاقة.
4. أجهزة استشعار مختلفة.

يتم نقل القنابل الذرية إلى مكان الهجوم بمساعدة صواريخ (مضادة للطائرات أو بالستية أو كروز). يمكن أن تكون الذخيرة النووية جزءًا من لغم أرضي وطوربيد وقنبلة جوية وعناصر أخرى. بالنسبة للقنابل الذرية ، يتم استخدام أنظمة تفجير مختلفة. أبسطها هو الجهاز الذي تحفز فيه قذيفة تصيب هدفًا ، مسببة تكوين كتلة فوق حرجة ، على انفجار.

يمكن أن تكون الأسلحة النووية من عيار كبير ومتوسط ​​وصغير. عادة ما يتم التعبير عن قوة الانفجار من حيث مادة تي إن تي. تتمتع القذائف الذرية ذات العيار الصغير بسعة عدة آلاف من الأطنان من مادة تي إن تي. تتوافق العيارات المتوسطة بالفعل مع عشرات الآلاف من الأطنان ، وتصل قدرة العيار الكبير إلى ملايين الأطنان.

مبدأ التشغيل

يعتمد مبدأ تشغيل القنبلة النووية على استخدام الطاقة المنبعثة خلال تفاعل نووي متسلسل. خلال هذه العملية ، يتم تقسيم الجزيئات الثقيلة وتصنيع الجسيمات الخفيفة. عندما تنفجر القنبلة الذرية ، يتم إطلاق كمية هائلة من الطاقة في فترة زمنية قصيرة على مساحة صغيرة. وهذا هو سبب تصنيف هذه القنابل على أنها أسلحة دمار شامل.

في مجال التفجير النووي ، هناك مجالان رئيسيان مميزان: المركز ومركز الزلزال. في مركز الانفجار ، تتم عملية إطلاق الطاقة مباشرة. مركز الزلزال هو إسقاط هذه العملية على الأرض أو سطح الماء. يمكن أن تؤدي طاقة الانفجار النووي ، المسقطة على الأرض ، إلى حدوث هزات زلزالية تنتشر على مسافة كبيرة. هذه الصدمات تلحق الضرر بالبيئة فقط في دائرة نصف قطرها عدة مئات من الأمتار من نقطة الانفجار.

العوامل المؤثرة

الأسلحة النووية لها عوامل الضرر التالية:

1. تلوث اشعاعي.
2. انبعاث الضوء.
3. هزة أرضية.
4. النبض الكهرومغناطيسي.
5. اختراق الإشعاع.

عواقب انفجار القنبلة الذرية ضارة بكل الكائنات الحية. بسبب إطلاق كمية هائلة من الضوء والطاقة الحرارية ، فإن انفجار المقذوفات النووية يكون مصحوبًا بوميض ساطع. من حيث القوة ، يكون هذا الفلاش أقوى بعدة مرات من أشعة الشمس ، لذلك هناك خطر التعرض للإشعاع الضوئي والحراري داخل دائرة نصف قطرها عدة كيلومترات من نقطة الانفجار.

العامل المدمر الآخر الأكثر خطورة للأسلحة الذرية هو الإشعاع المتولد أثناء الانفجار. إنه يعمل بعد دقيقة واحدة فقط من الانفجار ، لكن لديه قوة اختراق قصوى.

موجة الصدمة لها أقوى تأثير مدمر. تمحو حرفيا كل ما يقف في طريقها من على وجه الأرض. يشكل اختراق الإشعاع خطراً على جميع الكائنات الحية. في البشر ، يتسبب في تطور مرض الإشعاع. حسنًا ، النبض الكهرومغناطيسي يضر بالتكنولوجيا فقط. مجتمعة ، العوامل المدمرة للانفجار الذري تحمل خطرا كبيرا.

الاختبارات الأولى

طوال تاريخ القنبلة الذرية ، أظهرت أمريكا أكبر اهتمام في إنشائها. في نهاية عام 1941 ، خصصت قيادة البلاد مبلغًا كبيرًا من الأموال والموارد لهذا الاتجاه. كان مدير المشروع روبرت أوبنهايمر ، الذي يعتبره الكثيرون صانع القنبلة الذرية. في الواقع ، كان أول من استطاع إحياء فكرة العلماء. نتيجة لذلك ، في 16 يوليو 1945 ، تم إجراء أول اختبار للقنبلة الذرية في صحراء نيو مكسيكو. ثم قررت أمريكا أنه من أجل إنهاء الحرب تمامًا ، فإنها بحاجة إلى هزيمة اليابان ، حليفة ألمانيا النازية. وسرعان ما اختار البنتاغون أهداف الهجمات النووية الأولى ، والتي كان من المفترض أن تكون مثالاً حياً على قوة الأسلحة الأمريكية.

في السادس من أغسطس عام 1945 ، أُسقطت القنبلة الذرية الأمريكية ، التي أطلق عليها بشكل ساخر "بيبي" ، على مدينة هيروشيما. تبين أن الطلقة كانت مثالية - انفجرت القنبلة على ارتفاع 200 متر من الأرض ، مما تسبب في تسبب موجة الانفجار في أضرار مروعة للمدينة. وفي مناطق بعيدة عن المركز ، انقلبت مواقد الفحم ، مما تسبب في اندلاع حرائق شديدة.

أعقب الوميض الساطع موجة حر ، تمكنت في غضون 4 ثوانٍ من إذابة البلاط على أسطح المنازل وحرق أعمدة التلغراف. أعقب موجة الحر موجة صدمة. الرياح التي اجتاحت المدينة بسرعة حوالي 800 كم / ساعة دمرت كل شيء في طريقها. ومن بين 76 ألف مبنى كانت موجودة في المدينة قبل الانفجار ، دمر نحو 70 ألفا تدميرا كاملا ، وبعد دقائق قليلة من الانفجار بدأت السماء تمطر من السماء ، وكانت قطرات كبيرة منها سوداء. سقط المطر بسبب تكوين كمية هائلة من المكثفات في الطبقات الباردة من الغلاف الجوي ، تتكون من بخار ورماد.

الأشخاص الذين أصيبوا بكرة نارية في دائرة نصف قطرها 800 متر من مكان الانفجار تحولوا إلى غبار. أولئك الذين كانوا على بعد مسافة قصيرة من الانفجار قد احترقوا في الجلد ، مزقت بقاياها موجة الصدمة. ترك المطر المشع الأسود حروقا مستعصية على جلد الناجين. أولئك الذين تمكنوا من الفرار بأعجوبة سرعان ما بدأت تظهر عليهم علامات المرض الإشعاعي: الغثيان والحمى ونوبات الضعف.

بعد ثلاثة أيام من قصف هيروشيما ، هاجمت أمريكا مدينة يابانية أخرى - ناغازاكي. كان للانفجار الثاني نفس العواقب الكارثية للانفجار الأول.

في غضون ثوانٍ ، قتلت قنبلتان ذريتان مئات الآلاف من الأشخاص. لقد قضت موجة الصدمة عمليا على هيروشيما عن وجه الأرض. أكثر من نصف السكان المحليين (حوالي 240 ألف شخص) ماتوا على الفور متأثرين بجراحهم. في مدينة ناجازاكي ، توفي حوالي 73 ألف شخص من جراء الانفجار. وتعرض كثير ممن نجوا من هذه الأمراض للإشعاع الشديد الذي تسبب في العقم والأمراض الإشعاعية والسرطان. ونتيجة لذلك ، مات بعض الناجين في معاناة مروعة. أظهر استخدام القنبلة الذرية في هيروشيما وناجازاكي القوة الرهيبة لهذه الأسلحة.

أنت وأنا نعرف بالفعل من اخترع القنبلة الذرية ، وكيف تعمل وما هي العواقب التي يمكن أن تؤدي إليها. الآن سوف نكتشف كيف كانت الأمور مع الأسلحة النووية في الاتحاد السوفياتي.

بعد قصف المدن اليابانية ، أدرك I.V. Stalin أن إنشاء القنبلة الذرية السوفيتية كان مسألة تتعلق بالأمن القومي. في 20 أغسطس 1945 ، تم إنشاء لجنة للطاقة النووية في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية برئاسة ل. بيريا.

تجدر الإشارة إلى أن العمل في هذا الاتجاه قد تم تنفيذه في الاتحاد السوفيتي منذ عام 1918 ، وفي عام 1938 ، تم إنشاء لجنة خاصة حول النواة الذرية في أكاديمية العلوم. مع اندلاع الحرب العالمية الثانية ، تم تجميد كل الأعمال في هذا الاتجاه.

في عام 1943 ، سلم ضباط المخابرات في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية من إنجلترا مواد من الأعمال العلمية المغلقة في مجال الطاقة النووية. أوضحت هذه المواد أن عمل العلماء الأجانب على إنشاء قنبلة ذرية قد تقدم بشكل خطير. في الوقت نفسه ، سهّل السكان الأمريكيون إدخال عملاء سوفيات موثوقين إلى المراكز الرئيسية للأبحاث النووية الأمريكية. نقل الوكلاء معلومات حول التطورات الجديدة إلى العلماء والمهندسين السوفييت.

مهمة فنية

عندما أصبحت قضية صنع قنبلة نووية سوفيتية في عام 1945 من الأولويات تقريبًا ، وضع أحد قادة المشروع ، يو خاريتون ، خطة لتطوير نسختين من القذيفة. في 1 يونيو 1946 ، تم التوقيع على الخطة من قبل القيادة العليا.

وفقًا للمهمة ، كان على المصممين بناء RDS (محرك نفاث خاص) من طرازين:

1. RDS-1. قنبلة بشحنة بلوتونيوم يتم تفجيرها بواسطة ضغط كروي. تم استعارة الجهاز من الأمريكيين.
2. RDS-2. قنبلة مدفع بها شحنتان من اليورانيوم تتقاربان في ماسورة المدفع قبل أن تصل إلى الكتلة الحرجة.

في تاريخ RDS سيئ السمعة ، كانت الصيغة الأكثر شيوعًا ، وإن كانت روح الدعابة ، هي عبارة "روسيا تفعل ذلك بنفسها". اخترعها نائب يو خاريتون ، ك.شيلكين. تنقل هذه العبارة بدقة جوهر العمل ، على الأقل بالنسبة لـ RDS-2.

عندما اكتشفت أمريكا أن الاتحاد السوفيتي يمتلك أسرار صنع الأسلحة النووية ، أصبحت حريصة على تصعيد الحرب الوقائية في أسرع وقت ممكن. في صيف عام 1949 ، ظهرت خطة ترويان ، والتي بموجبها في 1 يناير 1950 ، تم التخطيط لبدء الأعمال العدائية ضد الاتحاد السوفيتي. ثم تم نقل تاريخ الهجوم إلى بداية عام 1957 ، ولكن بشرط أن تنضم إليه جميع دول الناتو.

الاختبارات

عندما وصلت المعلومات حول خطط أمريكا إلى الاتحاد السوفيتي من خلال قنوات الاستخبارات ، تسارع عمل العلماء السوفييت بشكل كبير. يعتقد الخبراء الغربيون أن الأسلحة الذرية في الاتحاد السوفياتي لن يتم إنشاؤها قبل عام 1954-1955. في الواقع ، أجريت اختبارات القنبلة الذرية الأولى في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية بالفعل في أغسطس 1949. في 29 أغسطس ، تم تفجير جهاز RDS-1 في ملعب التدريب في سيميبالاتينسك. شارك في إنشائها فريق كبير من العلماء بقيادة كورتشاتوف إيغور فاسيليفيتش. كان تصميم الشحنة ملكًا للأمريكيين ، وتم إنشاء المعدات الإلكترونية من الصفر. انفجرت القنبلة الذرية الأولى في الاتحاد السوفياتي بقوة 22 كيلو طن.

نظرًا لاحتمال توجيه ضربة انتقامية ، تم إحباط خطة ترويان ، التي تضمنت هجومًا نوويًا على 70 مدينة سوفيتية. كانت الاختبارات في سيميبالاتينسك بمثابة نهاية الاحتكار الأمريكي لامتلاك الأسلحة الذرية. دمر اختراع إيغور فاسيليفيتش كورشاتوف الخطط العسكرية لأمريكا وحلف شمال الأطلسي تمامًا ومنع تطور حرب عالمية أخرى. هكذا بدأ عصر السلام على الأرض ، الذي يوجد تحت تهديد الإبادة المطلقة.

"النادي النووي" في العالم

حتى الآن ، لا تمتلك أمريكا وروسيا أسلحة نووية فحسب ، بل تمتلك أيضًا عددًا من الدول الأخرى. إن مجموعة الدول التي تمتلك مثل هذه الأسلحة تسمى بشكل مشروط "النادي النووي".

ويشمل:

1. أمريكا (منذ عام 1945).
2. اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، والآن روسيا (منذ عام 1949).
3. إنجلترا (منذ 1952).
4. فرنسا (منذ 1960).
5. الصين (منذ 1964).
6. الهند (منذ 1974).
7. باكستان (منذ 1998).
8. كوريا (منذ 2006).

تمتلك إسرائيل أيضًا أسلحة نووية ، على الرغم من أن قيادة الدولة ترفض التعليق على وجودها. بالإضافة إلى ذلك ، على أراضي دول الناتو (إيطاليا وألمانيا وتركيا وبلجيكا وهولندا وكندا) وحلفاء (اليابان وكوريا الجنوبية ، على الرغم من الرفض الرسمي) ، هناك أسلحة نووية أمريكية.

أوكرانيا وبيلاروسيا وكازاخستان ، التي تمتلك بعض الأسلحة النووية لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، نقلت قنابلها إلى روسيا بعد انهيار الاتحاد. أصبحت الوريث الوحيد للترسانة النووية لاتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية.

استنتاج

اليوم تعلمنا من اخترع القنبلة الذرية وما هي. بإيجاز ما ورد أعلاه ، يمكننا أن نستنتج أن الأسلحة النووية هي اليوم أقوى أداة للسياسة العالمية ، وهي راسخة بقوة في العلاقات بين البلدان. فهو من ناحية رادع فعال ومن ناحية أخرى حجة مقنعة لمنع المواجهة العسكرية وتعزيز العلاقات السلمية بين الدول. الأسلحة النووية هي رمز لعصر كامل يتطلب معالجة دقيقة بشكل خاص.

يعتمد الجهاز ومبدأ التشغيل على التهيئة والتحكم في تفاعل نووي مستدام ذاتيًا. يتم استخدامه كأداة بحث لإنتاج النظائر المشعة وكمصدر للطاقة لمحطات الطاقة النووية.

مبدأ العمل (باختصار)

هنا ، يتم استخدام عملية تتفكك فيها النواة الثقيلة إلى جزأين أصغر. هذه الشظايا في حالة شديدة الإثارة وتصدر نيوترونات وجزيئات دون ذرية وفوتونات أخرى. يمكن للنيوترونات أن تسبب انشقاقات جديدة ، ونتيجة لذلك تنبعث المزيد من النيوترونات ، وهكذا. تسمى هذه السلسلة المستمرة من الانقسامات المستمرة بالتفاعل المتسلسل. في هذه الحالة ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة ، يكون إنتاجها هو الغرض من استخدام محطات الطاقة النووية.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي هو أنه يتم إطلاق حوالي 85 ٪ من طاقة الانشطار خلال فترة زمنية قصيرة جدًا بعد بدء التفاعل. ينتج الباقي عن طريق التحلل الإشعاعي لنواتج الانشطار بعد انبعاثها للنيوترونات. التحلل الإشعاعي هو العملية التي تصل بها الذرة إلى حالة أكثر استقرارًا. يستمر حتى بعد الانتهاء من التقسيم.

في القنبلة الذرية ، تزداد شدة التفاعل المتسلسل حتى يتم تقسيم معظم المواد. يحدث هذا بسرعة كبيرة ، مما ينتج عنه انفجارات شديدة القوة من سمات هذه القنابل. يعتمد الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي على الحفاظ على تفاعل متسلسل عند مستوى ثابت ومحكم تقريبًا. إنه مصمم بطريقة لا يمكن أن تنفجر مثل القنبلة الذرية.

رد الفعل المتسلسل والحرجية

فيزياء مفاعل الانشطار النووي هي أن التفاعل المتسلسل يتحدد باحتمالية الانشطار النووي بعد انبعاث النيوترونات. إذا انخفض عدد سكان هذا الأخير ، فإن معدل الانشطار سينخفض ​​في النهاية إلى الصفر. في هذه الحالة ، سيكون المفاعل في حالة دون حرجة. إذا تم الحفاظ على عدد النيوترونات عند مستوى ثابت ، فإن معدل الانشطار سيظل ثابتًا. سيكون المفاعل في حالة حرجة. وأخيرًا ، إذا نما عدد النيوترونات بمرور الوقت ، فإن معدل الانشطار والطاقة سيزدادان. ستصبح حالة النواة فوق حرجة.

مبدأ تشغيل المفاعل النووي هو على النحو التالي. قبل إطلاقه ، كان عدد النيوترونات قريبًا من الصفر. يقوم المشغلون بعد ذلك بإزالة قضبان التحكم من القلب ، مما يؤدي إلى زيادة الانشطار النووي ، مما يضع المفاعل مؤقتًا في حالة فوق الحرجة. بعد الوصول إلى القدرة الاسمية ، يعيد المشغلون قضبان التحكم جزئيًا ، ويعدلون عدد النيوترونات. في المستقبل ، يتم الحفاظ على المفاعل في حالة حرجة. عندما يحتاج الأمر إلى التوقف ، يقوم المشغلون بإدخال القضبان بالكامل. هذا يمنع الانشطار ويجلب النواة إلى حالة دون حرجة.

أنواع المفاعلات

تعمل معظم المنشآت النووية في العالم على توليد الطاقة ، وتوليد الحرارة اللازمة لتدوير التوربينات التي تشغل مولدات الطاقة الكهربائية. هناك أيضًا العديد من مفاعلات الأبحاث ، وبعض الدول لديها غواصات تعمل بالطاقة النووية أو سفن سطحية.

محطات توليد الكهرباء

هناك عدة أنواع من المفاعلات من هذا النوع ، لكن تصميم الماء الخفيف وجد تطبيقًا واسعًا. في المقابل ، يمكنها استخدام الماء المضغوط أو الماء المغلي. في الحالة الأولى ، يتم تسخين السائل تحت ضغط مرتفع بواسطة حرارة القلب ويدخل إلى مولد البخار. هناك ، يتم نقل الحرارة من الدائرة الأولية إلى الدائرة الثانوية ، والتي تحتوي أيضًا على الماء. يعمل البخار المتولد في النهاية كسائل عامل في دورة التوربينات البخارية.

يعمل مفاعل الغليان على مبدأ دورة الطاقة المباشرة. الماء ، الذي يمر عبر المنطقة النشطة ، يغلي عند مستوى ضغط متوسط. يمر البخار المشبع عبر سلسلة من الفواصل والمجففات الموجودة في وعاء المفاعل ، مما يؤدي به إلى حالة التسخين المفرط. ثم يتم استخدام بخار الماء المحمص كسائل عامل لتشغيل التوربين.

تبريد الغاز بدرجة حرارة عالية

المفاعل عالي الحرارة المبرد بالغاز (HTGR) هو مفاعل نووي يعتمد مبدأ تشغيله على استخدام خليط من الجرافيت وكريات الوقود المجهرية كوقود. يوجد تصميمان متنافسان:

• نظام "ملء" الألماني ، الذي يستخدم عناصر وقود كروية 60 مم ، وهي مزيج من الجرافيت والوقود في غلاف الجرافيت ؛
• نسخة أمريكية على شكل مناشير جرافيت سداسية الشكل تتشابك لتشكل منطقة نشطة.

في كلتا الحالتين ، يتكون المبرد من الهيليوم عند ضغط حوالي 100 ضغط جوي. في النظام الألماني ، يمر الهيليوم عبر فجوات في طبقة عناصر الوقود الكروية ، وفي النظام الأمريكي ، من خلال ثقوب في موشورات الجرافيت الواقعة على طول محور المنطقة المركزية للمفاعل. يمكن أن يعمل كلا الخيارين في درجات حرارة عالية جدًا ، حيث يحتوي الجرافيت على درجة حرارة تسامي عالية للغاية ، في حين أن الهيليوم خامل كيميائيًا تمامًا. يمكن استخدام الهيليوم الساخن مباشرة كسائل عامل في التوربينات الغازية عند درجة حرارة عالية ، أو يمكن استخدام حرارتها لتوليد البخار في دورة المياه.

المعدن السائل ومبدأ العمل

حظيت المفاعلات النيوترونية السريعة المبردة بالصوديوم باهتمام كبير في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي. ثم بدا أن قدرتها على التكاثر في المستقبل القريب كانت ضرورية لإنتاج الوقود للصناعة النووية سريعة التطور. عندما اتضح في الثمانينيات أن هذا التوقع غير واقعي ، تلاشى الحماس. ومع ذلك ، فقد تم بناء عدد من المفاعلات من هذا النوع في الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا وفرنسا وبريطانيا العظمى واليابان وألمانيا. يعمل معظمهم على ثاني أكسيد اليورانيوم أو خليطه مع ثاني أكسيد البلوتونيوم. ومع ذلك ، كان النجاح الأكبر في الولايات المتحدة هو استخدام الوقود المعدني.

كاندو

ركزت كندا جهودها على المفاعلات التي تستخدم اليورانيوم الطبيعي. وهذا يلغي الحاجة إلى إثرائها للجوء إلى خدمات الدول الأخرى. كانت نتيجة هذه السياسة مفاعل الديوتيريوم واليورانيوم (كاندو). يتم التحكم والتبريد فيه بواسطة الماء الثقيل. إن الجهاز ومبدأ تشغيل المفاعل النووي هو استخدام خزان بارد D 2 O عند الضغط الجوي. القلب مثقوب بأنابيب مصنوعة من سبيكة الزركونيوم بوقود اليورانيوم الطبيعي ، والتي من خلالها يبرد الماء الثقيل. يتم إنتاج الكهرباء عن طريق تحويل حرارة الانشطار في الماء الثقيل إلى سائل تبريد يتم تدويره عبر مولد البخار. ثم يمر البخار في الدائرة الثانوية عبر دورة توربينية تقليدية.

مرافق البحوث

بالنسبة للبحث العلمي ، غالبًا ما يتم استخدام المفاعل النووي ، ومبدأ تشغيله هو استخدام عناصر تبريد الماء ووقود اليورانيوم الرقائقي في شكل تجميعات. قادرة على العمل على نطاق واسع من مستويات الطاقة ، من بضعة كيلوواط إلى مئات الميجاوات. نظرًا لأن توليد الطاقة ليس المهمة الرئيسية لمفاعلات البحث ، فهي تتميز بالطاقة الحرارية المتولدة والكثافة والطاقة الاسمية للنيوترونات في اللب. هذه المعلمات هي التي تساعد في تحديد قدرة مفاعل البحث على إجراء مسوحات محددة. عادةً ما تُستخدم الأنظمة منخفضة الطاقة في الجامعات للتدريس ، بينما تكون الطاقة العالية مطلوبة في مختبرات الأبحاث لاختبار المواد والأداء والأبحاث العامة.

المفاعل النووي البحثي الأكثر شيوعًا ، هيكل ومبدأ تشغيله على النحو التالي. تقع منطقته النشطة في قاع بركة كبيرة عميقة من المياه. هذا يبسط مراقبة ووضع القنوات التي يمكن من خلالها توجيه الحزم النيوترونية. في مستويات الطاقة المنخفضة ، ليست هناك حاجة لنزيف سائل التبريد ، حيث يوفر الحمل الحراري الطبيعي لسائل التبريد تبديدًا كافيًا للحرارة للحفاظ على حالة تشغيل آمنة. يوجد المبادل الحراري عادة على السطح أو أعلى البركة حيث يتراكم الماء الساخن.

منشآت السفن

التطبيق الأصلي والرئيسي للمفاعلات النووية هو استخدامها في الغواصات. ميزتها الرئيسية هي أنها ، على عكس أنظمة احتراق الوقود الأحفوري ، لا تتطلب الهواء لتوليد الكهرباء. لذلك ، يمكن أن تظل الغواصة النووية مغمورة لفترات طويلة من الزمن ، في حين أن الغواصة التقليدية التي تعمل بالديزل والكهرباء يجب أن ترتفع بشكل دوري إلى السطح لبدء تشغيل محركاتها في الهواء. يعطي ميزة استراتيجية للسفن البحرية. بفضل ذلك ، ليست هناك حاجة للتزود بالوقود في الموانئ الأجنبية أو من الناقلات المعرضة للخطر بسهولة.

مبدأ تشغيل مفاعل نووي على غواصة مصنف. ومع ذلك ، فمن المعروف أنه في الولايات المتحدة الأمريكية يستخدم اليورانيوم عالي التخصيب ، ويتم التباطؤ والتبريد بالماء الخفيف. تأثر تصميم المفاعل الأول للغواصة النووية USS Nautilus بشدة بمرافق البحث القوية. تتميز ميزاته الفريدة بهامش تفاعلي كبير للغاية ، مما يضمن فترة طويلة من التشغيل دون إعادة التزود بالوقود والقدرة على إعادة التشغيل بعد إيقاف التشغيل. يجب أن تكون محطة الطاقة في الغواصات هادئة جدًا لتجنب اكتشافها. لتلبية الاحتياجات المحددة لفئات مختلفة من الغواصات ، تم إنشاء نماذج مختلفة من محطات الطاقة.

تستخدم حاملات الطائرات التابعة للبحرية الأمريكية مفاعلًا نوويًا ، يُعتقد أن مبدأه مستعار من أكبر الغواصات. كما لم يتم نشر تفاصيل تصميمها.

بالإضافة إلى الولايات المتحدة ، تمتلك بريطانيا وفرنسا وروسيا والصين والهند غواصات نووية. في كل حالة ، لم يتم الكشف عن التصميم ، ولكن يُعتقد أن جميعها متشابهة جدًا - وهذا نتيجة لنفس المتطلبات لخصائصها التقنية. تمتلك روسيا أيضًا أسطولًا صغيرًا تم تجهيزه بنفس المفاعلات مثل الغواصات السوفيتية.

المنشآت الصناعية

لأغراض الإنتاج ، يتم استخدام مفاعل نووي ، مبدأ تشغيله هو إنتاجية عالية مع انخفاض مستوى إنتاج الطاقة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن بقاء البلوتونيوم لفترة طويلة في القلب يؤدي إلى تراكم 240 Pu غير المرغوب فيه.

إنتاج التريتيوم

في الوقت الحاضر ، يعتبر التريتيوم (3 H أو T) هو المادة الرئيسية التي تنتجها هذه الأنظمة - شحنة البلوتونيوم 239 لها عمر نصف طويل يبلغ 24100 سنة ، لذلك فإن البلدان التي لديها ترسانات أسلحة نووية تستخدم هذا العنصر تميل إلى امتلاكها أكثر. من اللازم. على عكس 239 Pu ، يبلغ نصف عمر التريتيوم حوالي 12 عامًا. وبالتالي ، من أجل الحفاظ على الإمدادات الضرورية ، يجب إنتاج هذا النظير المشع للهيدروجين بشكل مستمر. في الولايات المتحدة ، على سبيل المثال ، يقوم نهر سافانا بولاية ساوث كارولينا بتشغيل العديد من مفاعلات الماء الثقيل التي تنتج التريتيوم.

وحدات الطاقة العائمة

تم إنشاء مفاعلات نووية يمكنها توفير الكهرباء والتدفئة بالبخار للمناطق النائية المعزولة. في روسيا ، على سبيل المثال ، تم استخدام محطات الطاقة الصغيرة المصممة خصيصًا لخدمة مجتمعات القطب الشمالي. في الصين ، تزود محطة HTR-10 بقدرة 10 ميجاوات الحرارة والطاقة لمعهد الأبحاث حيث يوجد. يتم تطوير مفاعلات صغيرة يتم التحكم فيها ذات قدرات مماثلة في السويد وكندا. بين عامي 1960 و 1972 ، استخدم الجيش الأمريكي مفاعلات مائية مدمجة لتشغيل القواعد البعيدة في جرينلاند وأنتاركتيكا. تم استبدالها بمحطات الطاقة التي تعمل بالنفط.

استكشاف الفضاء

بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير مفاعلات لتزويد الطاقة والحركة في الفضاء الخارجي. بين عامي 1967 و 1988 ، قام الاتحاد السوفيتي بتركيب منشآت نووية صغيرة على أقمار كوزموس لتزويد المعدات بالطاقة والقياس عن بعد ، لكن هذه السياسة أصبحت هدفاً للنقد. دخل واحد على الأقل من هذه الأقمار الصناعية إلى الغلاف الجوي للأرض ، مما أدى إلى تلوث إشعاعي للمناطق النائية في كندا. أطلقت الولايات المتحدة قمرًا صناعيًا واحدًا يعمل بالطاقة النووية في عام 1965. ومع ذلك ، يستمر تطوير المشاريع لاستخدامها في رحلات الفضاء السحيقة ، والاستكشاف المأهول للكواكب الأخرى ، أو على قاعدة قمرية دائمة. سيكون بالضرورة مفاعلًا نوويًا مبردًا بالغاز أو بمعدن سائل ، وستوفر مبادئه الفيزيائية أعلى درجة حرارة ممكنة ضرورية لتقليل حجم المبرد. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون مفاعل المركبة الفضائية مضغوطًا قدر الإمكان لتقليل كمية المواد المستخدمة في التدريع وتقليل الوزن أثناء الإطلاق ورحلات الفضاء. سيضمن تزويد الوقود تشغيل المفاعل طوال فترة الرحلة الفضائية.

تهدد كوريا الشمالية الولايات المتحدة باختبار قنبلة هيدروجينية فائقة القوة في المحيط الهادئ. ووصفت اليابان ، التي قد تعاني من الاختبارات ، خطط كوريا الشمالية بأنها غير مقبولة على الإطلاق. الرئيسان دونالد ترامب وكيم جونغ أون يقسمان في المقابلات ويتحدثان عن صراع عسكري مفتوح. بالنسبة لأولئك الذين لا يفهمون الأسلحة النووية ، ولكنهم يريدون أن يكونوا في الموضوع ، قام "فيوتشرست" بتجميع دليل.

كيف تعمل الأسلحة النووية؟

تستخدم القنبلة النووية الطاقة مثل عصا الديناميت العادية. فقط يتم إطلاقه ليس في سياق تفاعل كيميائي بدائي ، ولكن في عمليات نووية معقدة. هناك طريقتان رئيسيتان لاستخراج الطاقة النووية من الذرة. في الانشطار النووي تنقسم نواة الذرة إلى جزأين أصغر باستخدام نيوترون. الاندماج النووي - العملية التي تولد بها الشمس الطاقة - تتضمن الجمع بين ذرتين أصغر لتشكيل واحدة أكبر. في أي عملية ، انشطار أو اندماج ، يتم إطلاق كميات كبيرة من الطاقة الحرارية والإشعاع. اعتمادًا على استخدام الانشطار النووي أو الاندماج ، يتم تقسيم القنابل إلى نووي (ذري) و نووي حراري .

هل يمكنك توضيح الانشطار النووي؟

انفجار القنبلة الذرية فوق هيروشيما (1945)

كما تتذكر ، تتكون الذرة من ثلاثة أنواع من الجسيمات دون الذرية: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. مركز الذرة يسمى جوهر تتكون من البروتونات والنيوترونات. البروتونات موجبة الشحنة ، والإلكترونات سالبة الشحنة ، والنيوترونات ليس لها شحنة على الإطلاق. تكون نسبة البروتون إلى الإلكترون دائمًا واحدًا إلى واحد ، وبالتالي فإن الذرة ككل لها شحنة متعادلة. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الكربون على ستة بروتونات وستة إلكترونات. تتماسك الجسيمات معًا بواسطة قوة أساسية - قوة نووية قوية .

يمكن أن تختلف خصائص الذرة اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على عدد الجسيمات المختلفة التي تحتوي عليها. إذا قمت بتغيير عدد البروتونات ، سيكون لديك عنصر كيميائي مختلف. إذا قمت بتغيير عدد النيوترونات ، تحصل على النظير نفس العنصر الذي بين يديك. على سبيل المثال ، يحتوي الكربون على ثلاثة نظائر: 1) كربون -12 (ستة بروتونات + ستة نيوترونات) ، شكل ثابت ومتكرر للعنصر ، 2) كربون -13 (ستة بروتونات + سبعة نيوترونات) ، وهو مستقر ولكنه نادر ، و 3) الكربون -14 (ستة بروتونات + ثمانية نيوترونات) وهو نادر وغير مستقر (أو مشع).

معظم النوى الذرية مستقرة ، لكن بعضها غير مستقر (مشع). تنبعث هذه النوى تلقائيًا جزيئات يسميها العلماء إشعاعًا. هذه العملية تسمى الاضمحلال الإشعاعي . هناك ثلاثة أنواع من الاضمحلال:

تسوس ألفا : تقوم النواة بإخراج جسيم ألفا - بروتونان ونيوترونان مرتبطان ببعضهما البعض. تسوس بيتا : يتحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو. الإلكترون المقذوف هو جسيم بيتا. الانقسام العفوي: النواة تتفكك إلى عدة أجزاء وتصدر نيوترونات ، وتصدر أيضًا نبضًا من الطاقة الكهرومغناطيسية - أشعة جاما. إنه النوع الأخير من الاضمحلال الذي يستخدم في القنبلة النووية. تبدأ النيوترونات الحرة المنبعثة من الانشطار تفاعل تسلسلي الذي يطلق كمية هائلة من الطاقة.

مم تصنع القنابل النووية؟

يمكن تصنيعها من اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239. يوجد اليورانيوم في الطبيعة كمزيج من ثلاثة نظائر: 238U (99.2745٪ من اليورانيوم الطبيعي) ، 235U (0.72٪) و 234 U (0.0055٪). 238 U الأكثر شيوعًا لا تدعم التفاعل المتسلسل: فقط 235 U هي القادرة على ذلك ، ولتحقيق أقصى قوة انفجار ، من الضروري أن يكون محتوى 235 U في "حشو" القنبلة 80٪ على الأقل. لذلك ، يسقط اليورانيوم بشكل مصطنع يثرى . للقيام بذلك ، يتم تقسيم خليط نظائر اليورانيوم إلى جزأين بحيث يحتوي أحدهما على أكثر من 235 وحدة.

عادة ، عندما يتم فصل النظائر ، يوجد الكثير من اليورانيوم المستنفد الذي لا يمكنه بدء تفاعل متسلسل - ولكن هناك طريقة للقيام بذلك. الحقيقة هي أن البلوتونيوم 239 لا يوجد في الطبيعة. ولكن يمكن الحصول عليها بقذف 238 يو بالنيوترونات.

كيف يتم قياس قوتهم؟

تقاس قوة الشحنة النووية والنووية الحرارية بما يعادل TNT - كمية ثلاثي نيتروتولوين التي يجب تفجيرها للحصول على نتيجة مماثلة. يقاس بالكيلوطن (kt) والميغا طن (Mt). قوة الأسلحة النووية فائقة الصغر أقل من 1 كيلو طن ، بينما تعطي القنابل فائقة القوة أكثر من مليون طن.

تراوحت قوة قنبلة القيصر السوفيتي ، وفقًا لمصادر مختلفة ، من 57 إلى 58.6 ميجا طن من مادة تي إن تي ، وكانت قوة القنبلة النووية الحرارية التي اختبرتها كوريا الديمقراطية في أوائل سبتمبر حوالي 100 كيلو طن.

من صنع أسلحة نووية؟

الفيزيائي الأمريكي روبرت أوبنهايمر والجنرال ليزلي غروفز

في الثلاثينيات من القرن الماضي ، كان فيزيائيًا إيطاليًا إنريكو فيرمي أظهر أن العناصر التي يتم قصفها بالنيوترونات يمكن تحويلها إلى عناصر جديدة. كانت نتيجة هذا العمل الاكتشاف نيوترونات بطيئة وكذلك اكتشاف عناصر جديدة غير ممثلة في الجدول الدوري. بعد وقت قصير من اكتشاف فيرمي ، العلماء الألمان أوتو هان و فريتز ستراسمان قصف اليورانيوم بالنيوترونات ، مما أدى إلى تكوين نظير مشع من الباريوم. وخلصوا إلى أن النيوترونات منخفضة السرعة تتسبب في انقسام نواة اليورانيوم إلى قطعتين أصغر.

أثار هذا العمل أذهان العالم كله. في جامعة برينستون نيلز بور عمل مع جون ويلر لتطوير نموذج افتراضي لعملية الانشطار. اقترحوا أن اليورانيوم 235 يخضع للانشطار. في نفس الوقت تقريبًا ، اكتشف علماء آخرون أن عملية الانشطار أنتجت المزيد من النيوترونات. دفع هذا بوهر وويلر إلى طرح سؤال مهم: هل يمكن للنيوترونات الحرة الناتجة عن الانشطار أن تطلق تفاعلًا متسلسلاً من شأنه إطلاق كمية هائلة من الطاقة؟ إذا كان الأمر كذلك ، فعندئذ يمكن صنع أسلحة ذات قوة لا يمكن تصورها. تم تأكيد افتراضاتهم من قبل الفيزيائي الفرنسي فريدريك جوليو كوري . وكان استنتاجه الدافع لتطوير الأسلحة النووية.

عمل علماء الفيزياء في ألمانيا وإنجلترا والولايات المتحدة واليابان على صنع أسلحة ذرية. قبل اندلاع الحرب العالمية الثانية البرت اينشتاين كتب إلى رئيس الولايات المتحدة فرانكلين روزافيلت أن ألمانيا النازية تخطط لتنقية اليورانيوم 235 وإنشاء قنبلة ذرية. اتضح الآن أن ألمانيا كانت بعيدة عن إجراء سلسلة من ردود الفعل: كانوا يعملون على قنبلة "قذرة" عالية الإشعاع. مهما كان الأمر ، فقد بذلت حكومة الولايات المتحدة كل جهودها لصنع قنبلة ذرية في أقصر وقت ممكن. تم إطلاق مشروع مانهاتن بقيادة فيزيائي أمريكي روبرت أوبنهايمر وعامة ليزلي جروفز . وحضره علماء بارزون هاجروا من أوروبا. بحلول صيف عام 1945 ، تم إنشاء سلاح نووي على أساس نوعين من المواد الانشطارية - اليورانيوم 235 والبلوتونيوم 239. تم تفجير قنبلة واحدة ، وهي البلوتونيوم "ثينج" ، أثناء الاختبارات ، وألقيت اثنتان أخريان ، هما اليورانيوم "كيد" والبلوتونيوم "فات مان" ، على مدينتي هيروشيما وناجازاكي اليابانيتين.

كيف تعمل القنبلة النووية الحرارية ومن اخترعها؟

القنبلة النووية الحرارية تعتمد على التفاعل الاندماج النووي . على عكس الانشطار النووي ، الذي يمكن أن يحدث بشكل عفوي وإجباري ، فإن الاندماج النووي مستحيل بدون إمدادات الطاقة الخارجية. النوى الذرية موجبة الشحنة ، لذا فهي تتنافر. هذا الوضع يسمى حاجز كولوم. للتغلب على التنافر ، من الضروري تفريق هذه الجسيمات بسرعات مجنونة. يمكن القيام بذلك في درجات حرارة عالية جدًا - في حدود عدة ملايين من الكلفن (ومن هنا جاءت التسمية). هناك ثلاثة أنواع من التفاعلات النووية الحرارية: ذاتية الاستدامة (تحدث في باطن النجوم) ، خاضعة للرقابة وغير خاضعة للرقابة أو متفجرة - تُستخدم في القنابل الهيدروجينية.

اقترح إنريكو فيرمي فكرة القنبلة الاندماجية النووية الحرارية التي بدأتها شحنة ذرية على زميله. إدوارد تيلر في عام 1941 ، في بداية مشروع مانهاتن. ومع ذلك ، في ذلك الوقت لم تكن هذه الفكرة مطلوبة. تحسنت تطورات تيلر ستانيسلاف أولام ، مما يجعل فكرة القنبلة النووية الحرارية ممكنة عمليًا. في عام 1952 ، تم اختبار أول جهاز متفجر نووي حراري في Enewetok Atoll أثناء عملية Ivy Mike. ومع ذلك ، كانت عينة معملية ، غير مناسبة للقتال. بعد عام ، قام الاتحاد السوفيتي بتفجير أول قنبلة نووية حرارية في العالم ، تم تجميعها وفقًا لتصميم علماء الفيزياء. أندريه ساخاروف و جوليا خاريتون . كان الجهاز يشبه طبقة الكعكة ، لذلك أطلق على السلاح الهائل لقب "Puff". في سياق مزيد من التطوير ، ولدت أقوى قنبلة على وجه الأرض ، "القيصر بومبا" أو "أم كوزكين". في أكتوبر 1961 ، تم اختباره في أرخبيل نوفايا زيمليا.

مم تصنع القنابل النووية الحرارية؟

إذا كنت تعتقد ذلك هيدروجين والقنابل النووية الحرارية أشياء مختلفة ، كنت مخطئا. هذه الكلمات مترادفة. إن الهيدروجين (أو بالأحرى نظائره - الديوتيريوم والتريتيوم) هو المطلوب لإجراء تفاعل نووي حراري. ومع ذلك ، هناك صعوبة: من أجل تفجير قنبلة هيدروجينية ، من الضروري أولاً الحصول على درجة حرارة عالية أثناء انفجار نووي تقليدي - عندها فقط ستبدأ النوى الذرية في التفاعل. لذلك ، في حالة القنبلة النووية الحرارية ، يلعب التصميم دورًا مهمًا.

مخططان معروفان على نطاق واسع. الأول هو "نفخة" ساخاروف. في الوسط كان هناك مفجر نووي ، محاط بطبقات من ديوتريد الليثيوم الممزوج بالتريتيوم ، والتي تتخللها طبقات من اليورانيوم المخصب. جعل هذا التصميم من الممكن تحقيق قوة في حدود 1 متر. والثاني هو مخطط Teller-Ulam الأمريكي ، حيث تم وضع القنبلة النووية ونظائر الهيدروجين بشكل منفصل. بدا الأمر هكذا: من الأسفل - وعاء به خليط من الديوتيريوم السائل والتريتيوم ، في وسطه يوجد "شمعة احتراق" - قضيب بلوتونيوم ، ومن أعلى - شحنة نووية تقليدية ، وكل هذا في قذيفة من المعدن الثقيل (على سبيل المثال ، اليورانيوم المستنفد). تتسبب النيوترونات السريعة التي يتم إنتاجها أثناء الانفجار في حدوث تفاعلات انشطارية ذرية في غلاف اليورانيوم وتضيف طاقة إلى إجمالي الطاقة الناتجة عن الانفجار. تسمح لك إضافة طبقات إضافية من ديوتريد الليثيوم واليورانيوم -238 بإنشاء مقذوفات ذات طاقة غير محدودة. في عام 1953 عالم الفيزياء السوفياتي فيكتور دافدينكو كرر بالصدفة فكرة تيلر-أولام ، وعلى أساسها توصل ساخاروف إلى مخطط متعدد المراحل جعل من الممكن صنع أسلحة ذات قوة غير مسبوقة. وفقًا لهذا المخطط ، عملت والدة كوزكينا.

ما هي القنابل الأخرى الموجودة؟

هناك أيضًا نيوترونات ، لكن هذا مخيف بشكل عام. في الواقع ، القنبلة النيوترونية هي قنبلة نووية حرارية منخفضة القوة ، 80٪ من طاقة الانفجار منها عبارة عن إشعاع (إشعاع نيوتروني). يبدو أنه شحنة نووية عادية منخفضة الإنتاجية ، يضاف إليها كتلة تحتوي على نظير البريليوم - مصدر للنيوترونات. عندما ينفجر سلاح نووي ، يبدأ تفاعل نووي حراري. تم تطوير هذا النوع من الأسلحة من قبل فيزيائي أمريكي صموئيل كوهين . كان يعتقد أن الأسلحة النيوترونية تدمر الحياة كلها حتى في الملاجئ ، ومع ذلك ، فإن نطاق تدمير هذه الأسلحة صغير ، لأن الغلاف الجوي ينثر تدفقات النيوترونات السريعة ، وتكون موجة الصدمة أقوى على مسافات كبيرة.

لكن ماذا عن قنبلة الكوبالت؟

لا يا بني ، هذا رائع. لا يوجد بلد رسمي لديه قنابل الكوبالت. من الناحية النظرية ، هذه قنبلة نووية حرارية بقذيفة من الكوبالت ، والتي توفر تلوثًا إشعاعيًا قويًا للمنطقة حتى مع انفجار نووي ضعيف نسبيًا. 510 أطنان من الكوبالت يمكن أن تصيب سطح الأرض بالكامل وتدمر كل أشكال الحياة على هذا الكوكب. فيزيائي ليو تسيلارد ، الذي وصف هذا التصميم الافتراضي في عام 1950 ، أطلق عليه اسم "آلة يوم القيامة".

أيهما أكثر برودة: قنبلة نووية أم نووية حرارية؟

نموذج بالحجم الكامل لـ "Tsar-bomba"

القنبلة الهيدروجينية أكثر تطوراً وتقدماً من الناحية التكنولوجية من القنبلة الذرية. تفوق قوتها التفجيرية بكثير تلك الخاصة بالقوة الذرية وهي محدودة فقط بعدد المكونات المتاحة. في تفاعل نووي حراري ، لكل نواة (ما يسمى النوى المكونة والبروتونات والنيوترونات) ، يتم إطلاق طاقة أكثر بكثير من التفاعل النووي. على سبيل المثال ، أثناء انشطار نواة اليورانيوم ، تمثل إحدى النوى 0.9 ميغا إلكترون فولت (megaelectronvolt) ، وأثناء تخليق نواة الهيليوم من نوى الهيدروجين ، يتم إطلاق طاقة تساوي 6 MeV.

مثل القنابل ايصالإلى الهدف؟

في البداية ، تم إسقاطها من الطائرات ، ولكن تم تحسين الدفاعات الجوية باستمرار ، وأثبت تسليم الأسلحة النووية بهذه الطريقة أنه غير حكيم. مع نمو إنتاج تكنولوجيا الصواريخ ، تم نقل جميع حقوق نقل الأسلحة النووية إلى الصواريخ الباليستية والصواريخ الانسيابية من قواعد مختلفة. لذلك ، لم تعد القنبلة قنبلة ، بل هي رأس حربي.

هناك رأي مفاده أن القنبلة الهيدروجينية الكورية الشمالية أكبر من أن يتم تركيبها على صاروخ - لذلك إذا قررت كوريا الديمقراطية إعادة التهديد إلى الحياة ، فسيتم نقلها عن طريق السفن إلى موقع الانفجار.

ما هي عواقب الحرب النووية؟

هيروشيما وناجازاكي ليستا سوى جزء صغير من نهاية العالم المحتملة. على سبيل المثال ، الفرضية المعروفة "الشتاء النووي" ، التي طرحها عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي كارل ساجان والجيوفيزيائي السوفيتي جورجي غوليتسين. من المفترض أن انفجار العديد من الرؤوس النووية (ليس في الصحراء أو المياه ، ولكن في المستوطنات) سوف يتسبب في العديد من الحرائق ، وسوف تتناثر كمية كبيرة من الدخان والسخام في الغلاف الجوي ، مما سيؤدي إلى تبريد عالمي. تم انتقاد الفرضية من خلال مقارنة التأثير بالنشاط البركاني ، والذي له تأثير ضئيل على المناخ. بالإضافة إلى ذلك ، يلاحظ بعض العلماء أن الاحترار العالمي من المرجح أن يحدث أكثر من التبريد - ومع ذلك ، يأمل كلا الجانبين ألا نعرف أبدًا.

هل الأسلحة النووية مسموح بها؟

بعد سباق التسلح في القرن العشرين ، غيرت الدول رأيها وقررت الحد من استخدام الأسلحة النووية. تبنت الأمم المتحدة معاهدات بشأن عدم انتشار الأسلحة النووية وحظر التجارب النووية (لم يتم التوقيع على الأخيرة من قبل القوى النووية الشابة ، الهند وباكستان وكوريا الديمقراطية). في يوليو 2017 ، تم اعتماد معاهدة جديدة لحظر الأسلحة النووية.

تنص المادة الأولى من المعاهدة على أن "كل دولة طرف تتعهد على الإطلاق ، تحت أي ظرف من الظروف ، بتطوير أو اختبار أو تصنيع أو تصنيع أو اقتناء أو امتلاك أو تخزين أسلحة نووية أو أجهزة متفجرة نووية أخرى".

ومع ذلك ، لن تدخل الوثيقة حيز التنفيذ حتى تصدق عليها 50 دولة.