Как работят ядрените оръжия. Ядрената бомба е най-мощното оръжие и сила, способна да разрешава военни конфликти.

Експлозивен характер

Ядрото на урана съдържа 92 протона. Природният уран е основно смес от два изотопа: U238 (със 146 неутрона в ядрото) и U235 (143 неутрона), като последният е само 0,7% в естествения уран. Химическите свойства на изотопите са абсолютно идентични и поради това е невъзможно да се разделят по химически методи, но разликата в масите (235 и 238 единици) позволява това да се направи чрез физически методи: смес от уран се превръща в газ (ураниев хексафлуорид) и след това се изпомпва през безброй порести прегради. Въпреки че изотопите на урана са неразличими нито на външен вид, нито химически, те са разделени от бездна в свойствата на техните ядрени характеристики.

Процесът на делене на U238 е платен: неутрон, пристигащ отвън, трябва да носи със себе си енергия от 1 MeV или повече. И U235 е незаинтересован: за възбуждане и последващо разпадане не се изисква нищо от входящия неутрон, неговата енергия на свързване в ядрото е напълно достатъчна.

Когато неутрон удари ядро, способно на делене, се образува нестабилно съединение, но много бързо (в 10 14 c), излъчващо два или три нови неутрона, така че с течение на времето броят на делящите се ядра може да се умножи (такава реакция се нарича верижна реакция). Това е възможно само в U235, тъй като алчният U238 не иска да се отдели от собствените си неутрони, чиято енергия е с порядък по-малък от 1 MeV. Кинетичната енергия на частиците - продукти на делене с много порядъци надвишава енергията, освободена по време на всеки акт на химическа реакция, при който съставът на ядрата не се променя.

Критичен монтаж

Продуктите на делене са нестабилни и отнемат много време, за да „дойдат на себе си“, излъчвайки различни лъчения (включително неутрони). Неутроните, които се излъчват след значително време (до десетки секунди) след делене, се наричат ​​забавени неутрони и въпреки че тяхната част е малка в сравнение с мигновените (по-малко от 1%), ролята, която играят в работата на ядрените инсталации, е най-важните.

Продуктите на делене по време на многобройни сблъсъци с околните атоми им дават енергията си, повишавайки температурата. След появата на неутрони в комплекта с делящия се материал мощността на топлоотделяне може да се увеличи или намали, а параметрите на блока, при които броят на деленията за единица време е постоянен, се наричат ​​критични. Критичността на монтажа може да се поддържа както при голям, така и при малък брой неутрони (при съответно по-висока или по-ниска скорост на отделяне на топлина). Топлинната мощност се увеличава или чрез изпомпване на допълнителни неутрони в критичния модул отвън, или чрез превръщане на блока в суперкритичен (тогава допълнителни неутрони се доставят от все повече и повече поколения делящи се ядра). Например, ако е необходимо да се увеличи топлинната мощност на реактора, той се довежда до такъв режим, когато всяко поколение незабавни неутрони е малко по-малко от предишното, но поради забавени неутрони реакторът едва забележимо преминава през критично състояние. Тогава той не се ускорява, а бавно набира мощност - за да може растежът му да бъде спрян в подходящия момент чрез въвеждане на неутронни абсорбери (пръчки, съдържащи кадмий или бор).

Неутроните, произведени от делене, често летят покрай околните ядра, без да причиняват второ делене. Колкото по-близо до повърхността на материала се ражда неутрон, толкова повече шансове има той да излети от делящия се материал и никога да не се върне. Следователно формата на сглобката, която спестява най-голям брой неутрони, е топка: за дадена маса материя тя има минимална повърхност. Незатворена (единична) топка от 94% U235 без кухини вътре става критична при маса от 49 kg и радиус от 85 mm. Ако комплектът от същия уран е цилиндър с дължина, равна на диаметъра, той става критичен при маса от 52 кг. Повърхността също намалява с увеличаване на плътността. Следователно експлозивното компресиране, без да променя количеството на делящия се материал, може да доведе сглобката до критично състояние. Именно този процес е в основата на широко разпространения дизайн на ядрен заряд.

съчмен монтаж

Но най-често в ядрените оръжия не се използва уран, а плутоний-239. Произвежда се в реактори чрез облъчване на уран-238 с мощни неутронни потоци. Плутоният струва около шест пъти повече от U235, но при делене ядрото Pu239 излъчва средно 2,895 неутрона - повече от U235 (2,452). Освен това вероятността от делене на плутония е по-висока. Всичко това води до факта, че самотна топка Pu239 става критична при почти една трета по-малка маса от урановата топка и най-важното при по-малък радиус, което позволява да се намалят размерите на критичната сглобка.

Монтажът е направен от две внимателно монтирани половини под формата на сферичен слой (кух отвътре); очевидно е подкритичен - дори за топлинни неутрони и дори след като е заобиколен от модератор. Около комплекта от много прецизно напаснати блокове от експлозиви е монтиран заряд. За да се спестят неутрони, е необходимо да се запази благородната форма на топката по време на експлозията - за това слоят от експлозив трябва да бъде подкопан едновременно по цялата му външна повърхност, компресирайки сглобката равномерно. Широко разпространено е мнението, че това изисква много електрически детонатори. Но това беше само в зората на "бомбардирането": за работата на много десетки детонатори беше необходима много енергия и значителен размер на системата за иницииране. В съвременните заряди се използват няколко подбрани по специална техника детонатори, близки по характеристики, от които се изстрелва високостабилно (по отношение на скоростта на детонация) взривно вещество в жлебове, фрезовани в поликарбонатен слой (чиято форма върху сферична повърхност се изчислява с помощта на методите на геометрията на Риман). Детонация със скорост около 8 km/s ще измине абсолютно равни разстояния по жлебовете, ще достигне едновременно дупките и ще детонира основния заряд - едновременно във всички необходими точки.

Удар навътре

Насочена навътре експлозия компресира модула с над милион атмосфери налягане. Повърхността на сглобката намалява, вътрешната кухина почти изчезва в плутония, плътността се увеличава и много бързо - за десет микросекунди, свиваемата сглобка прескача критичното състояние на топлинните неутрони и става значително свръхкритична на бързите неутрони.

След период, определен от пренебрежимо малко време на незначително забавяне на бързите неутрони, всяко тяхно ново, по-многобройно поколение добавя 202 MeV енергия чрез делене към материята на сглобката, която вече се пръска от чудовищен натиск. В мащаба на случващите се явления силата дори на най-добрите легирани стомани е толкова оскъдна, че на никого не му хрумва да я вземе предвид при изчисляването на динамиката на експлозията. Единственото нещо, което пречи на модула да се разлети, е инерцията: за да се разшири плутониева топка само с 1 см за десет наносекунди, е необходимо да се придаде на веществото ускорение, което е десетки трилиони пъти по-голямо от ускорението на свободното падане, а това не е лесно.

В крайна сметка материята все пак се разпада, деленето спира, но процесът не свършва дотук: енергията се преразпределя между йонизираните фрагменти на отделените ядра и други частици, излъчени по време на деленето. Тяхната енергия е от порядъка на десетки и дори стотици MeV, но само електрически неутралните високоенергийни гама-кванти и неутрони имат шанс да избегнат взаимодействието с материята и да "избягат". Заредените частици бързо губят енергия при сблъсъци и йонизации. В този случай се излъчва радиация - тя обаче вече не е твърда ядрена, а по-мека, с енергия с три порядъка по-ниска, но все още повече от достатъчна, за да избие електрони от атомите - не само от външните обвивки, но и като цяло всичко Каша от голи ядра, откъснати от тях електрони и радиация с плътност от грамове на кубичен сантиметър (опитайте се да си представите колко добре можете да почернявате под светлина, която е придобила плътността на алуминия!) - всичко, което преди малко беше заряд - идва в някакво равновесие. В много млада огнена топка се установява температура от порядъка на десетки милиони градуси.

Огнена топка

Изглежда, че дори меко, но движещо се със скоростта на светлината, радиацията трябва да остави далеч зад веществото, което го е породило, но това не е така: в студения въздух обхватът на квантите на енергията keV е сантиметри и те правят не се движат по права линия, а променят посоката на движение, преизлъчвани при всяко взаимодействие. Квантите йонизират въздуха, разпространяват се в него, като черешов сок, излят в чаша вода. Това явление се нарича радиационна дифузия.

Младо огнено кълбо от експлозия с мощност 100 kt, няколко десетки наносекунди след завършване на взрива на делене, има радиус от 3 m и температура от почти 8 милиона келвина. Но след 30 микросекунди радиусът му е 18 м, но температурата пада под милион градуса. Топката поглъща пространството, а йонизираният въздух зад нейната предна част почти не се движи: радиацията не може да му предаде значителен импулс по време на дифузия. Но тя изпомпва огромна енергия в този въздух, нагрявайки го и когато радиационната енергия изсъхне, топката започва да расте поради разширяването на гореща плазма, избухваща отвътре с това, което преди е било заряд. Разширявайки се, като надут балон, плазмената обвивка става по-тънка. За разлика от балона, разбира се, нищо не го надува: отвътре почти не е останало вещество, всичко лети от центъра по инерция, но 30 микросекунди след експлозията скоростта на този полет е повече от 100 km / s , а хидродинамичното налягане в веществото - повече от 150 000 атм! Черупката не е предназначена да стане твърде тънка, тя се спуква, образувайки „мехури“.

Кой от механизмите за прехвърляне на енергията на огнено кълбо към околната среда преобладава зависи от силата на експлозията: ако е голяма, основната роля играе дифузията на радиация, ако е малка - разширяването на плазмения мехур. Ясно е, че е възможен и междинен случай, когато и двата механизма са ефективни.

Процесът улавя нови слоеве въздух, вече няма достатъчно енергия за отстраняване на всички електрони от атомите. Енергията на йонизирания слой и фрагменти от плазмения мехур изсъхва, те вече не могат да движат огромна маса пред себе си и значително забавят. Но това, което беше въздухът преди експлозията, се движи, откъсвайки се от топката, поглъщайки все повече и повече слоеве студен въздух ... Започва образуването на ударна вълна.

Ударна вълна и атомна гъба

При отделяне на ударната вълна от огненото кълбо характеристиките на излъчващия слой се променят и мощността на излъчване в оптичната част на спектъра рязко нараства (т.нар. първи максимум). Освен това процесите на луминесценция и промените в прозрачността на околния въздух се конкурират, което води до реализирането на втория максимум, който е по-малко мощен, но много по-дълъг - дотолкова, че изходът на светлинна енергия е по-голям, отколкото в първи максимум.

Близо до експлозията всичко наоколо се изпарява, далеч - се топи, но дори по-нататък, където топлинният поток вече не е достатъчен, за да разтопи твърди частици, почва, скали, къщите текат като течност под чудовищно газово налягане, което разрушава всички силни връзки, горещи до непоносимост за очите.сияние.

И накрая, ударната вълна се движи далеч от точката на експлозията, където остава хлабав и отслабен, но разширен многократно облак от кондензирани пари, които се превърнаха в най-малкия и много радиоактивен прах от това, което беше плазмата на заряда, и какво се оказа близо в своя ужасен час.до място, от което човек трябва да стои възможно най-далече. Облакът започва да се издига. Той се охлажда, променя цвета си, „поставя“ бяла шапка от кондензирана влага, последвана от прах от повърхността на земята, образувайки „крак“ на това, което обикновено се нарича „атомна гъба“.

неутронно иницииране

Внимателните читатели могат с молив в ръка да преценят освобождаването на енергия по време на експлозията. Докато модулът е в суперкритично състояние от порядъка на микросекунди, възрастта на неутроните е от порядъка на пикосекунди и коефициентът на умножение е по-малък от 2, се освобождава около гигаджаул енергия, което е еквивалентно на .. 250 кг тротил. А къде са килограмите и мегатоните?

Факт е, че веригата от деления в сглобката не започва с един единствен неутрон: за необходимата микросекунда милиони от тях се инжектират в суперкритичната сглобка. В първите ядрени заряди за това са използвани изотопни източници, разположени в кухина вътре в плутониевия блок: полоний-210 се комбинира с берилий в момента на компресия и предизвиква неутронно излъчване със своите алфа-частици. Но всички източници на изотопи са доста слаби (по-малко от милион неутрона на микросекунда са генерирани в първия американски продукт), а полоният вече е много нетраен - само за 138 дни намалява активността си наполовина. Следователно изотопите бяха заменени с по-малко опасни (не излъчващи в изключено състояние) и най-важното, по-интензивно излъчващи неутронни тръби (вижте страничната лента): стотици милиони неутрони се раждат за няколко микросекунди (това е колко дълго се формира импулсът от тръбата продължава). Но ако не работи или не работи в точното време, ще настъпи така нареченият поп или „zilch“ - термична експлозия с ниска мощност.

Инициирането на неутрони не само увеличава отделянето на енергия от ядрен взрив с много порядъци, но също така прави възможно регулирането му! Ясно е, че след получаване на бойна мисия, в формулировката на която непременно е посочена силата на ядрен удар, никой не демонтира заряда, за да го оборудва с плутониев монтаж, който е оптимален за дадена мощност. В боеприпаси с превключваем тротилов еквивалент е достатъчно просто да промените захранващото напрежение на неутронната тръба. Съответно, добивът на неутрони и освобождаването на енергия ще се променят (разбира се, когато мощността се намали по този начин, много скъп плутоний се губи).

Но те започнаха да мислят за необходимостта от регулиране на освобождаването на енергия много по-късно и в първите следвоенни години не можеше да се говори за намаляване на мощността. По-мощен, по-мощен и по-мощен! Но се оказа, че има ядрено-физични и хидродинамични ограничения за допустимите размери на подкритичната сфера. TNT еквивалентът на експлозия от сто килотона е близо до физическата граница за еднофазни боеприпаси, в които се получава само делене. В резултат на това деленето като основен източник на енергия беше изоставено и те разчитаха на реакции от друг клас - синтез.

ядрени заблуди

Плътността на плутония в момента на експлозия се увеличава поради фазовия преход

Металният плутоний съществува в шест фази, чиято плътност е от 14,7 до 19,8 g/cm3. При температури под 119 °C има моноклинна алфа фаза (19,8 g/cm3), но такъв плутоний е много крехък, а в кубичната лицево центрирана делта фаза (15,9) е пластичен и добре обработен (това е тази фаза които се опитват да запазят с легиращи добавки). При детонационно компресиране не може да има фазови преходи - плутоният е в квазитечно състояние. Фазовите преходи са опасни при производството: при големи части, дори при лека промяна в плътността, може да се достигне критично състояние. Разбира се, няма да има експлозия - детайлът просто ще се нагрее, но никелирането може да бъде нулирано (а плутоният е много токсичен).

източник на неутрони

Във вакуумна неутронна тръба между наситена с тритий мишена (катод) (1) и аноден възел (2) се прилага импулсно напрежение от 100 kV. Когато напрежението е максимално, е необходимо да се появят деутериеви йони между анода и катода, които трябва да бъдат ускорени. За това се използва източник на йони. Към неговия анод (3) се подава възпламенителен импулс, а разрядът, преминавайки по наситената с деутерий повърхност на керамиката (4), образува деутериеви йони. Ускорявайки се, те бомбардират цел, наситена с тритий, в резултат на което се освобождава енергия от 17,6 MeV и се образуват неутрони и ядра на хелий-4.

От гледна точка на състава на частиците и дори енергийния добив, тази реакция е идентична с синтеза - процес на сливане на леки ядра. През 50-те години на миналия век мнозина вярваха, че това е термоядрен синтез, но по-късно се оказа, че в тръбата настъпва „срив“: или протон, или неутрон (на който деутериевият йон се ускорява от електрическо поле) „се забива“ в целевото ядро ​​(тритий) . Ако протонът затъне, неутронът се откъсва и се освобождава.

Неутрони – бавни и бързи

В неделящо се вещество, "отскачайки" от ядрата, неутроните им предават част от енергията си, колкото по-голяма, толкова по-леки (по-близки по маса) са ядрата. В колкото повече сблъсъци участват неутроните, толкова повече се забавят и накрая влизат в топлинно равновесие с околната материя – термализират се (това отнема милисекунди). Скоростта на топлинните неутрони е 2200 m/s (енергия 0,025 eV). Неутроните могат да избягат от модератора, да бъдат уловени от неговите ядра, но със забавяне способността им да влизат в ядрени реакции се увеличава значително, така че неутроните, които не са „загубени“, повече от компенсират намаляването на броя.

Така че, ако топка от деляща се материя е заобиколена от модератор, много неутрони ще напуснат модератора или ще бъдат погълнати от него, но ще има и такива, които ще се върнат в топката („отразяват“) и, след като са загубили енергията си, са много по-склонни да причинят актове на делене. Ако сферата е заобиколена от слой берилий с дебелина 25 mm, тогава могат да бъдат спестени 20 kg U235 и сглобката все още ще достигне критично състояние. Но такива спестявания се плащат с времето: всяко следващо поколение неутрони, преди да предизвика делене, трябва първо да се забави. Това забавяне намалява броя на поколенията неутрони, произведени за единица време, което означава, че освобождаването на енергия се забавя. Колкото по-малко делящ се материал в сглобката, толкова повече модератор е необходим за развитието на верижна реакция, а деленето протича при неутрони с все по-ниска енергия. В ограничителния случай, когато критичността се постига само на топлинни неутрони, например в разтвор на уранови соли в добър модератор - вода, масата на възлите е стотици грама, но разтворът просто кипи периодично. Освободените мехурчета от пара намаляват средната плътност на делящото се вещество, верижната реакция спира и когато мехурчетата напуснат течността, светкавицата на делене се повтаря (ако съдът е запушен, парата ще го счупи - но това ще бъде термична експлозия , лишен от всички типични "ядрени" признаци).

Видео: Ядрени експлозии

Абонирайте се и четете най-добрите ни публикации в Yandex.Zen. Вижте красиви снимки от цял ​​свят на нашата страница в Instagram

Ако намерите грешка, моля, изберете част от текста и натиснете Ctrl+Enter.

Светът на атома е толкова фантастичен, че разбирането му изисква радикално прекъсване на обичайните концепции за пространство и време. Атомите са толкова малки, че ако капка вода може да бъде увеличена до размера на Земята, всеки атом в тази капка ще бъде по-малък от портокал. Всъщност една капка вода се състои от 6000 милиарда милиарда (600000000000000000000000000000000000000000000си) водородни и кислородни атома. И въпреки това, въпреки микроскопичния си размер, атомът има структура, до известна степен подобна на структурата на нашата слънчева система. В неговия неразбираемо малък център, чийто радиус е по-малък от една трилионна от сантиметъра, се намира сравнително огромно "слънце" - ядрото на атома.

Около това атомно "слънце" се въртят малки "планети" - електрони. Ядрото се състои от два основни градивни елемента на Вселената - протони и неутрони (те имат обединително име - нуклони). Електронът и протонът са заредени частици и количеството заряд във всяка от тях е абсолютно еднакво, но зарядите се различават по знак: протонът винаги е положително зареден, а електронът винаги е отрицателен. Неутронът не носи електрически заряд и следователно има много висока пропускливост.

В атомната скала за измерване масата на протона и неутрона се приема за единица. Следователно атомното тегло на всеки химичен елемент зависи от броя на протоните и неутроните, съдържащи се в неговото ядро. Например водороден атом, чието ядро ​​се състои само от един протон, има атомна маса 1. Атом на хелий с ядро ​​от два протона и два неутрона има атомна маса 4.

Ядрата на атомите на един и същ елемент винаги съдържат еднакъв брой протони, но броят на неутроните може да бъде различен. Атомите, които имат ядра с еднакъв брой протони, но се различават по броя на неутроните и са свързани с разновидности на един и същи елемент, се наричат ​​изотопи. За да се разграничат един от друг, към символа на елемента се присвоява число, равно на сумата от всички частици в ядрото на даден изотоп.

Може да възникне въпросът: защо ядрото на атома не се разпада? В крайна сметка протоните, включени в него, са електрически заредени частици с еднакъв заряд, които трябва да се отблъскват с голяма сила. Това се обяснява с факта, че вътре в ядрото има и така наречените вътрешноядрени сили, които привличат частиците на ядрото една към друга. Тези сили компенсират силите на отблъскване на протоните и не позволяват на ядрото да се разлети спонтанно.

Вътрешноядрените сили са много силни, но действат само на много близко разстояние. Следователно ядрата на тежките елементи, състоящи се от стотици нуклони, се оказват нестабилни. Частиците на ядрото са в постоянно движение тук (в обема на ядрото) и ако добавите допълнително количество енергия към тях, те могат да преодолеят вътрешните сили - ядрото ще бъде разделено на части. Количеството на тази излишна енергия се нарича енергия на възбуждане. Сред изотопите на тежките елементи има такива, които изглежда са на самия ръб на саморазпадане. Достатъчен е само малък „тласък“, например просто попадение в ядрото на неутрон (и дори не е необходимо да се ускорява до висока скорост), за да започне реакцията на ядрено делене. Някои от тези "делящи се" изотопи по-късно са направени изкуствено. В природата има само един такъв изотоп - това е уран-235.

Уран е открит през 1783 г. от Клапрот, който го изолира от уранова смола и го кръсти на наскоро откритата планета Уран. Както се оказа по-късно, това всъщност не беше самият уран, а неговият оксид. Получава се чист уран, сребристо-бял метал
едва през 1842 г. Пелигот. Новият елемент няма забележителни свойства и не привлича внимание до 1896 г., когато Бекерел открива явлението радиоактивност на уранови соли. След това уранът става обект на научни изследвания и експерименти, но все още няма практическо приложение.

Когато през първата третина на 20-ти век структурата на атомното ядро ​​повече или по-малко стана ясна за физиците, те на първо място се опитаха да изпълнят старата мечта на алхимиците - опитаха се да превърнат един химичен елемент в друг. През 1934 г. френските изследователи, съпрузите Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, докладват на Френската академия на науките за следния експеримент: когато алуминиевите плочи са бомбардирани с алфа частици (ядра на хелиевия атом), алуминиевите атоми се превръщат във фосфорни атоми , но не обикновен, а радиоактивен, който от своя страна преминава в стабилен изотоп на силиций. Така един алуминиев атом, след като добави един протон и два неутрона, се превърна в по-тежък силициев атом.

Този опит доведе до идеята, че ако ядрата на най-тежкия съществуващ в природата елемент, уранът, се „обработват“ с неутрони, тогава може да се получи елемент, който не съществува в естествени условия. През 1938 г. немските химици Ото Хан и Фриц Щрасман повтарят в общи линии опита на съпрузите Жолио-Кюри, като вземат уран вместо алуминий. Резултатите от експеримента съвсем не бяха това, което очакваха - вместо нов свръхтежък елемент с масово число, по-голямо от това на урана, Хан и Щрасман получиха леки елементи от средната част на периодичната система: барий, криптон, бром и някои други. Самите експериментатори не можаха да обяснят наблюдаваното явление. Едва на следващата година физикът Лиза Майтнер, на която Хан съобщава за своите трудности, намира правилно обяснение за наблюдавания феномен, предполагайки, че когато уранът е бомбардиран с неутрони, ядрото му се разцепва (разпада). В този случай е трябвало да се образуват ядра от по-леки елементи (оттук са взети барий, криптон и други вещества), както и да се отделят 2-3 свободни неутрона. По-нататъшните изследвания позволиха да се изясни в детайли картината на случващото се.

Природният уран се състои от смес от три изотопа с маси 238, 234 и 235. Основното количество уран се пада на изотопа 238, чието ядро ​​включва 92 протона и 146 неутрона. Уран-235 е само 1/140 от естествения уран (0,7% (има 92 протона и 143 неутрона в ядрото си), а уран-234 (92 протона, 142 неутрона) е само 1/17500 от общата маса на урана ( 0 006% Най-малко стабилният от тези изотопи е уран-235.

От време на време ядрата на неговите атоми спонтанно се разделят на части, в резултат на което се образуват по-леки елементи от периодичната система. Процесът е придружен от освобождаването на два или три свободни неутрона, които се втурват с огромна скорост - около 10 хиляди км / сек (те се наричат ​​бързи неутрони). Тези неутрони могат да ударят други уранови ядра, причинявайки ядрени реакции. Всеки изотоп се държи различно в този случай. Ядрата на уран-238 в повечето случаи просто улавят тези неутрони без никакви допълнителни трансформации. Но в около един случай от пет, когато бърз неутрон се сблъска с ядрото на изотопа 238, възниква любопитна ядрена реакция: един от неутроните на уран-238 излъчва електрон, превръщайки се в протон, тоест изотоп на уран се превръща в повече
тежкият елемент е нептуний-239 (93 протона + 146 неутрона). Но нептуният е нестабилен - след няколко минути един от неговите неутрони излъчва електрон, превръщайки се в протон, след което изотопът на нептуний се превръща в следващия елемент от периодичната система - плутоний-239 (94 протона + 145 неутрона). Ако неутрон навлезе в ядрото на нестабилен уран-235, веднага се получава делене - атомите се разпадат с излъчване на два или три неутрона. Ясно е, че в естествения уран, повечето от чиито атоми принадлежат към изотопа 238, тази реакция няма видими последствия - всички свободни неутрони в крайна сметка ще бъдат абсорбирани от този изотоп.

Но какво ще стане, ако си представим доста масивно парче уран, състоящо се изцяло от изотопа 235?

Тук процесът ще протече по различен начин: неутроните, освободени по време на деленето на няколко ядра, от своя страна, попадайки в съседни ядра, причиняват тяхното делене. В резултат на това се освобождава нова порция неутрони, която разделя следващите ядра. При благоприятни условия тази реакция протича лавинообразно и се нарича верижна реакция. Няколко бомбардиращи частици може да са достатъчни, за да го стартирате.

Наистина, нека само 100 неутрона бомбардират уран-235. Те ще разделят 100 уранови ядра. В този случай ще бъдат освободени 250 нови неутрона от второ поколение (средно 2,5 на делене). Неутроните от второ поколение вече ще произведат 250 деления, при които ще бъдат освободени 625 неутрона. В следващото поколение ще бъде 1562, след това 3906, след това 9670 и т.н. Броят на разделенията ще се увеличи неограничено, ако процесът не бъде спрян.

В действителност обаче само незначителна част от неутроните попадат в ядрата на атомите. Останалите, бързо бързащи между тях, се отнасят в околното пространство. Самоподдържаща се верижна реакция може да възникне само в достатъчно голям масив от уран-235, за който се твърди, че има критична маса. (Тази маса при нормални условия е 50 kg.) Важно е да се отбележи, че деленето на всяко ядро ​​е съпроводено с освобождаване на огромно количество енергия, което се оказва около 300 милиона пъти повече от енергията, изразходвана за делене ! (Изчислено е, че при пълното делене на 1 кг уран-235 се отделя същото количество топлина, както при изгарянето на 3 хиляди тона въглища.)

Този колосален прилив на енергия, освободен за няколко мига, се проявява като експлозия с чудовищна сила и е в основата на действието на ядрените оръжия. Но за да стане това оръжие реалност, е необходимо зарядът да не се състои от естествен уран, а от рядък изотоп - 235 (такъв уран се нарича обогатен). По-късно беше установено, че чистият плутоний също е делящ се материал и може да се използва в атомен заряд вместо уран-235.

Всички тези важни открития са направени в навечерието на Втората световна война. Скоро в Германия и други страни започва тайна работа по създаването на атомна бомба. В Съединените щати този проблем се заема през 1941 г. Целият комплекс от работи е наречен "Проект Манхатън".

Административното ръководство на проекта беше осъществено от генерал Гроувс, а научното ръководство беше осъществено от професор Робърт Опенхаймер от Калифорнийския университет. И двамата добре осъзнаваха огромната сложност на задачата пред тях. Следователно, първата грижа на Опенхаймер е придобиването на високо интелигентен научен екип. В Съединените щати по това време имаше много физици, емигрирали от фашистка Германия. Не беше лесно да ги въвлекат в създаването на оръжия, насочени срещу бившата им родина. Опенхаймер разговаря лично с всеки, използвайки цялата сила на своя чар. Скоро успява да събере малка група теоретици, които шеговито нарича "светила". И всъщност включваше най-големите експерти от онова време в областта на физиката и химията. (Сред тях са 13 носители на Нобелова награда, включително Бор, Ферми, Франк, Чадуик, Лорънс.) Освен тях имаше много други специалисти от различни профили.

Правителството на САЩ не пести от разходите и от самото начало работата придоби грандиозен обхват. През 1942 г. в Лос Аламос е основана най-голямата изследователска лаборатория в света. Населението на този научен град скоро достигна 9 хиляди души. По отношение на състава на учените, обхвата на научните експерименти, броя на специалистите и работниците, участващи в работата, лабораторията в Лос Аламос нямаше равни в световната история. Проектът Манхатън имаше собствена полиция, контраразузнаване, комуникационна система, складове, селища, фабрики, лаборатории и собствен колосален бюджет.

Основната цел на проекта беше да се получи достатъчно делящ се материал, от който да се създадат няколко атомни бомби. В допълнение към уран-235, както вече беше споменато, изкуственият елемент плутоний-239 може да служи като заряд за бомбата, тоест бомбата може да бъде или уран, или плутоний.

Гроувс и Опенхаймер се съгласиха, че работата трябва да се извършва едновременно в две посоки, тъй като е невъзможно да се реши предварително коя от тях ще бъде по-обещаваща. И двата метода бяха коренно различни един от друг: натрупването на уран-235 трябваше да се извърши чрез отделянето му от по-голямата част от естествения уран, а плутоний можеше да бъде получен само в резултат на контролирана ядрена реакция чрез облъчване на уран-238 с неутрони. И двата пътя изглеждаха необичайно трудни и не обещаваха лесни решения.

Наистина, как могат да бъдат разделени един от друг два изотопа, които се различават съвсем малко по теглото си и химически се държат по абсолютно същия начин? Нито науката, нито технологията са се сблъсквали с подобен проблем. Производството на плутоний също изглеждаше много проблематично в началото. Преди това целият опит на ядрените трансформации се свеждаше до няколко лабораторни експеримента. Сега беше необходимо да се овладее производството на килограми плутоний в промишлен мащаб, да се разработи и създаде специална инсталация за това - ядрен реактор и да се научи как да се контролира хода на ядрена реакция.

И тук и там трябваше да се реши цял комплекс от сложни проблеми. Следователно „Проектът Манхатън“ се състои от няколко подпроекта, ръководени от видни учени. Самият Опенхаймер беше ръководител на научната лаборатория в Лос Аламос. Лорънс отговаряше за радиационната лаборатория в Калифорнийския университет. Ферми ръководи изследвания в Чикагския университет за създаването на ядрен реактор.

Първоначално най-важният проблем беше получаването на уран. Преди войната този метал всъщност не е използван. Сега, когато беше необходимо незабавно в огромни количества, се оказа, че няма индустриален начин за производството му.

Компанията Westinghouse предприе своето развитие и бързо постигна успех. След пречистване на уранова смола (в тази форма уранът се среща в природата) и получаване на уранов оксид, той се превръща в тетрафлуорид (UF4), от който чрез електролиза се изолира метален уран. Ако в края на 1941 г. американските учени разполагат само с няколко грама метален уран, то през ноември 1942 г. промишленото му производство в заводите на Уестингхаус достига 6000 фунта на месец.

В същото време се работи по създаването на ядрен реактор. Процесът на производство на плутоний всъщност се свеждаше до облъчването на уранови пръти с неутрони, в резултат на което част от уран-238 трябваше да се превърне в плутоний. Източници на неутрони в този случай могат да бъдат делящи се атоми на уран-235, разпръснати в достатъчни количества сред атомите на уран-238. Но за да се поддържа постоянно възпроизвеждане на неутрони, трябваше да започне верижна реакция на делене на атомите на уран-235. Междувременно, както вече беше споменато, за всеки атом уран-235 имаше 140 атома уран-238. Ясно е, че летящите във всички посоки неутрони е имало много по-голяма вероятност да срещнат точно тях по пътя си. Тоест огромен брой освободени неутрони се оказаха безрезултатни погълнати от основния изотоп. Очевидно при такива условия верижната реакция не може да протече. Как да бъдем?

Първоначално изглеждаше, че без разделянето на два изотопа работата на реактора като цяло е невъзможна, но скоро се установи едно важно обстоятелство: оказа се, че уран-235 и уран-238 са податливи на неутрони с различни енергии. Възможно е да се раздели ядрото на атом на уран-235 с неутрон с относително ниска енергия, имащ скорост около 22 m/s. Такива бавни неутрони не се улавят от ядрата на уран-238 - за това те трябва да имат скорост от порядъка на стотици хиляди метри в секунда. С други думи, уран-238 е безсилен да предотврати началото и развитието на верижна реакция в уран-235, причинена от неутрони, забавени до изключително ниски скорости - не повече от 22 m/s. Това явление е открито от италианския физик Ферми, който живее в САЩ от 1938 г. и ръководи работата по създаването на първия реактор тук. Ферми решава да използва графит като модератор на неутрони. Според неговите изчисления неутроните, излъчени от уран-235, преминавайки през слой от графит от 40 cm, трябваше да намалят скоростта си до 22 m/s и да започнат самоподдържаща се верижна реакция в уран-235.

Така наречената "тежка" вода може да служи като друг модератор. Тъй като водородните атоми, които го съставят, са много близки по размер и маса до неутроните, те биха могли най-добре да ги забавят. (Приблизително същото нещо се случва с бързите неутрони, както и с топките: ако малка топка удари голяма, тя се търкаля назад, почти без да губи скорост, но когато срещне малка топка, тя прехвърля значителна част от енергията си към нея - точно както неутрон при еластичен сблъсък отскача от тежко ядро ​​само леко забавяне и при сблъсък с ядрата на водородните атоми губи цялата си енергия много бързо.) Обикновената вода обаче не е подходяща за забавяне, тъй като нейният водород има тенденция да абсорбират неутрони. Ето защо за тази цел трябва да се използва деутерий, който е част от "тежката" вода.

В началото на 1942 г. под ръководството на Ферми започва строителството на първия в историята ядрен реактор на тенис корта под западните трибуни на стадиона в Чикаго. Цялата работа е извършена от самите учени. Реакцията може да се контролира по единствения начин - чрез регулиране на броя на неутроните, участващи във верижната реакция. Ферми си представи да направи това с пръчки, направени от материали като бор и кадмий, които абсорбират силно неутрони. Като модератор служеха графитни тухли, от които физиците издигнаха колони с височина 3 м и ширина 1,2 м. Между тях бяха монтирани правоъгълни блокове с уранов оксид. Около 46 тона уранов оксид и 385 тона графит са влезли в цялата конструкция. За да се забави реакцията, кадмиеви и борни пръти, въведени в реактора, служат.

Ако това не беше достатъчно, тогава за застраховка на платформа, разположена над реактора, имаше двама учени с кофи, пълни с разтвор на кадмиеви соли - те трябваше да ги излеят върху реактора, ако реакцията излезе извън контрол. За щастие това не се наложи. На 2 декември 1942 г. Ферми нарежда всички контролни пръти да бъдат удължени и експериментът започва. Четири минути по-късно неутронните броячи започнаха да щракат все по-силно и по-силно. С всяка минута интензивността на неутронния поток ставаше все по-голяма. Това показва, че в реактора протича верижна реакция. Продължи 28 минути. Тогава Ферми даде сигнал и спуснатите пръти спряха процеса. Така за първи път човекът освободил енергията на атомното ядро ​​и доказал, че може да го управлява по свое желание. Сега вече нямаше съмнение, че ядрените оръжия са реалност.

През 1943 г. реакторът Ферми е демонтиран и транспортиран до Арагонската национална лаборатория (50 км от Чикаго). Беше тук за малко
е построен друг ядрен реактор, в който като модератор е използвана тежка вода. Състои се от цилиндричен алуминиев резервоар, съдържащ 6,5 тона тежка вода, в който вертикално бяха натоварени 120 пръта метален уран, затворени в алуминиева обвивка. Седемте контролни пръта са направени от кадмий. Около резервоара имаше графитен рефлектор, след това екран, изработен от оловни и кадмиеви сплави. Цялата конструкция беше затворена в бетонна обвивка с дебелина на стената около 2,5 m.

Експериментите в тези експериментални реактори потвърдиха възможността за промишлено производство на плутоний.

Основният център на „Проекта Манхатън“ скоро става град Оук Ридж в долината на река Тенеси, чието население за няколко месеца нараства до 79 хиляди души. Тук за кратко време е построен първият завод за производство на обогатен уран. Веднага през 1943 г. е пуснат промишлен реактор, който произвежда плутоний. През февруари 1944 г. от него се извличат дневно около 300 кг уран, от чиято повърхност чрез химическо отделяне се получава плутоний. (За целта плутоният първо се разтваря и след това се утаява.) След това пречистеният уран отново се връща в реактора. През същата година в безплодната пустиня на южния бряг на река Колумбия започва строителството на огромния завод Ханфорд. Тук бяха разположени три мощни ядрени реактора, даващи няколкостотин грама плутоний дневно.

Успоредно с това изследванията бяха в разгара си за разработване на промишлен процес за обогатяване на уран.

След като разгледаха различни варианти, Гроувс и Опенхаймер решиха да се съсредоточат върху два метода: газова дифузия и електромагнитен.

Методът на газовата дифузия се основава на принцип, известен като закон на Греъм (формулиран за първи път през 1829 г. от шотландския химик Томас Греъм и разработен през 1896 г. от английския физик Райли). В съответствие с този закон, ако два газа, единият от които е по-лек от другия, преминат през филтър с незначителни дупки, тогава през него ще премине малко повече лек газ, отколкото тежък газ. През ноември 1942 г. Urey и Dunning от Колумбийския университет създават метод на газова дифузия за разделяне на уранови изотопи, базиран на метода на Reilly.

Тъй като естественият уран е твърдо вещество, той първо е превърнат в уранов флуорид (UF6). След това този газ беше прекаран през микроскопични - от порядъка на хилядни от милиметъра - дупки във филтърната преграда.

Тъй като разликата в моларните тегла на газовете беше много малка, зад преградата съдържанието на уран-235 се увеличи само с фактор 1,0002.

За да се увеличи още количеството на уран-235, получената смес отново се прекарва през преграда, като количеството на урана отново се увеличава 1,0002 пъти. По този начин, за да се увеличи съдържанието на уран-235 до 99%, беше необходимо газът да премине през 4000 филтъра. Това се случи в огромен завод за газова дифузия в Оук Ридж.

През 1940 г. под ръководството на Ернст Лорънс в Калифорнийския университет започват изследвания върху разделянето на уранови изотопи чрез електромагнитен метод. Беше необходимо да се намерят такива физически процеси, които биха позволили изотопите да бъдат разделени, като се използва разликата в техните маси. Лорънс направи опит да раздели изотопите, използвайки принципа на масспектрограф - инструмент, който определя масите на атомите.

Принципът на действието му беше следният: предварително йонизираните атоми се ускоряваха от електрическо поле и след това преминаваха през магнитно поле, в което описваха кръгове, разположени в равнина, перпендикулярна на посоката на полето. Тъй като радиусите на тези траектории са пропорционални на масата, леките йони се озовават в кръгове с по-малък радиус от тежките. Ако капаните бяха поставени на пътя на атомите, тогава беше възможно по този начин отделно да се събират различни изотопи.

Това беше методът. В лабораторни условия той даде добри резултати. Но изграждането на инсталация, в която отделянето на изотопи може да се извърши в промишлен мащаб, се оказа изключително трудно. Но в крайна сметка Лорънс успя да преодолее всички трудности. Резултатът от неговите усилия беше появата на калутрона, който беше инсталиран в гигантски завод в Оук Ридж.

Тази електромагнитна централа е построена през 1943 г. и се оказва може би най-скъпото плод на въображението на проекта Манхатън. Методът на Лорънс изисква голям брой сложни, все още неразработени устройства, включващи високо напрежение, висок вакуум и силни магнитни полета. Разходите бяха огромни. Калутрон имаше гигантски електромагнит, чиято дължина достигаше 75 м и тежеше около 4000 тона.

Няколко хиляди тона сребърна тел влязоха в намотките на този електромагнит.

Цялата работа (с изключение на цената на среброто на стойност 300 милиона долара, което Държавната хазна предостави само временно) струва 400 милиона долара. Само за електроенергията, изразходвана от калутрона, Министерството на отбраната плати 10 милиона. Голяма част от оборудването във фабриката в Оук Ридж превъзхождаше по мащаб и прецизност всичко, разработвано някога в тази област.

Но всички тези разходи не бяха напразни. След като са похарчили общо около 2 милиарда долара, американските учени до 1944 г. създават уникална технология за обогатяване на уран и производство на плутоний. Междувременно в лабораторията в Лос Аламос работеха върху дизайна на самата бомба. Принципът на действието му беше като цяло ясен от дълго време: делящото се вещество (плутоний или уран-235) трябваше да бъде прехвърлено в критично състояние по време на експлозията (за да възникне верижна реакция, масата на зарядът трябва да е дори забележимо по-голям от критичния) и облъчен с неутронен лъч, което води до началото на верижна реакция.

Според изчисленията критичната маса на заряда надхвърля 50 килограма, но може да бъде значително намалена. Като цяло големината на критичната маса е силно повлияна от няколко фактора. Колкото по-голяма е повърхността на заряда, толкова повече неутрони се излъчват безполезно в околното пространство. Сферата има най-малката повърхност. Следователно сферичните заряди, при равни други условия, имат най-малката критична маса. Освен това стойността на критичната маса зависи от чистотата и вида на делящите се материали. Тя е обратно пропорционална на квадрата на плътността на този материал, което позволява, например, чрез удвояване на плътността, да се намали критичната маса с фактор четири. Необходимата степен на подкритичност може да се получи, например, чрез уплътняване на делящия се материал поради експлозията на конвенционален експлозивен заряд, направен под формата на сферична обвивка, заобикаляща ядрения заряд. Критичната маса може да бъде намалена и чрез обграждане на заряда с екран, който отразява добре неутроните. Като такъв екран могат да се използват олово, берилий, волфрам, естествен уран, желязо и много други.

Един от възможните дизайни на атомната бомба се състои от две парчета уран, които, когато се комбинират, образуват маса, по-голяма от критичната. За да предизвикате експлозия на бомба, трябва да ги съберете възможно най-бързо. Вторият метод се основава на използването на сближаваща се навътре експлозия. В този случай потокът от газове от конвенционален експлозив беше насочен към делящия се материал, намиращ се вътре, и го компресира, докато достигне критична маса. Свързването на заряда и интензивното му облъчване с неутрони, както вече беше споменато, предизвиква верижна реакция, в резултат на която през първата секунда температурата се повишава до 1 милион градуса. През това време само около 5% от критичната маса успяха да се отделят. Останалата част от заряда в ранните проекти на бомби се изпари без
всяко добро.

Първата атомна бомба в историята (наречена "Троица") е сглобена през лятото на 1945 г. А на 16 юни 1945 г. на ядрения полигон в пустинята Аламогордо (Ню Мексико) е извършена първата атомна експлозия на Земята. Бомбата е поставена в центъра на полигона на върха на 30-метрова стоманена кула. Около него на голямо разстояние е поставено записващо оборудване. На 9 км имаше наблюдателен пункт, а на 16 км - команден пункт. Атомната експлозия направи огромно впечатление на всички свидетели на това събитие. Според описанието на очевидци, имало усещане, че много слънца са се слели в едно и са осветили полигона наведнъж. Тогава над равнината се появи огромна огнена топка и кръгъл облак от прах и светлина започна бавно и зловещо да се издига към нея.

След като излетя от земята, това огнено кълбо излетя на височина над три километра за няколко секунди. С всеки миг той нарастваше, скоро диаметърът му достигна 1,5 км и бавно се издигна в стратосферата. След това огненото кълбо отстъпи място на колона от въртящ се дим, който се простираше на височина от 12 км, приемайки формата на гигантска гъба. Всичко това беше придружено от страшен рев, от който земята трепереше. Мощността на взривената бомба надмина всички очаквания.

Веднага щом радиационната ситуация позволи, няколко резервоара Sherman, облицовани с оловни плочи отвътре, се втурнаха в зоната на експлозията. На един от тях беше Ферми, който нямаше търпение да види резултатите от работата си. Пред очите му се появи мъртва изгорена земя, върху която целият живот беше унищожен в радиус от 1,5 км. Пясъкът се сгуши в стъклена зеленикава кора, която покри земята. В огромен кратер лежаха осакатените останки от стоманена опорна кула. Силата на експлозията се оценява на 20 000 тона тротил.

Следващата стъпка трябваше да бъде бойното използване на бомбата срещу Япония, която след капитулацията на нацистка Германия сама продължи войната със Съединените щати и техните съюзници. Тогава нямаше ракети-носители, така че бомбардирането трябваше да се извърши от самолет. Компонентите на двете бомби бяха транспортирани с голямо внимание от USS Indianapolis до остров Тиниан, където беше базирана 509-та композитна група на ВВС на САЩ. По вид заряд и дизайн тези бомби бяха малко по-различни една от друга.

Първата бомба - "Бебе" - беше авиационна бомба с големи размери с атомен заряд от високо обогатен уран-235. Дължината му беше около 3 м, диаметър - 62 см, тегло - 4,1 тона.

Втората бомба - "Дебелият човек" - със заряд от плутоний-239 имаше яйцевидна форма с голям стабилизатор. Дължината му
беше 3,2 м, диаметър 1,5 м, тегло - 4,5 тона.

На 6 август бомбардировачът B-29 Enola Gay на полковник Тибетс хвърли „Хлапето“ над големия японски град Хирошима. Бомбата беше хвърлена с парашут и експлодира, както беше планирано, на височина 600 м от земята.

Последствията от експлозията са ужасни. Дори на самите пилоти гледката на мирния град, унищожен от тях за миг, направи потискащо впечатление. По-късно един от тях призна, че в този момент са видели най-лошото нещо, което човек може да види.

За тези, които бяха на земята, това, което се случваше, изглеждаше като истински ад. На първо място гореща вълна премина над Хирошима. Действието му продължи само няколко мига, но беше толкова мощно, че разтопи дори плочки и кварцови кристали в гранитни плочи, превърна телефонните стълбове във въглища на разстояние от 4 км и накрая така изпепели човешки тела, че от тях останаха само сенки върху асфалтовия тротоар или по стените на къщи. Тогава чудовищен порив на вятъра избяга изпод огнената топка и се втурна над града със скорост от 800 км / ч, помитайки всичко по пътя си. Къщите, които не издържаха на яростния му натиск, рухнаха като посечени. В гигантски кръг с диаметър 4 км не е останала непокътната нито една сграда. Няколко минути след експлозията над града се изсипва черен радиоактивен дъжд - тази влага се превръща в пара, кондензирана във високите слоеве на атмосферата и пада на земята под формата на големи капки, смесени с радиоактивен прах.

След дъжда нов порив на вятъра връхлетя града, като този път духаше по посока на епицентъра. Той беше по-слаб от първия, но все още достатъчно силен, за да изкорени дървета. Вятърът разпалил гигантски огън, в който горяло всичко, което можело да гори. От 76 000 сгради 55 000 са напълно разрушени и изгорени. Свидетели на тази ужасна катастрофа си спомниха хора-факли, от които изгорели дрехи паднаха на земята заедно с парчета кожа, и тълпи обезумели хора, покрити с ужасни изгаряния, които се втурнаха с писъци по улиците. Във въздуха се носеше задушлива миризма на изгоряла човешка плът. Хората лежаха навсякъде, мъртви и умиращи. Имаше много слепи и глухи, които, бъркайки във всички посоки, не можеха да различат нищо в хаоса, който цареше наоколо.

Нещастниците, които са били от епицентъра на разстояние до 800 м, са изгорели за част от секундата в буквалния смисъл на думата - вътрешностите им са се изпарили, а телата им са се превърнали в буци димящи въглища. Разположени на разстояние 1 км от епицентъра, те са били поразени от лъчева болест в изключително тежка форма. След няколко часа те започнаха да повръщат силно, температурата скочи до 39-40 градуса, появиха се задух и кървене. След това по кожата се появиха незаздравяващи язви, съставът на кръвта се промени драстично и косата падна. След ужасни страдания, обикновено на втория или третия ден, настъпваше смърт.

Общо около 240 хиляди души са загинали от експлозията и лъчевата болест. Около 160 хиляди са получили лъчева болест в по-лека форма - мъчителната им смърт е отложена с няколко месеца или години. Когато новината за катастрофата се разпространи из цялата страна, цяла Япония беше парализирана от страх. Той се увеличи още повече, след като самолетът Box Car на майор Суини хвърли втора бомба над Нагасаки на 9 август. Тук също са убити и ранени няколкостотин хиляди жители. Неспособно да устои на новите оръжия, японското правителство капитулира – атомната бомба слага край на Втората световна война.

Войната свърши. Продължи само шест години, но успя да промени света и хората почти до неузнаваемост.

Човешката цивилизация преди 1939 г. и човешката цивилизация след 1945 г. са поразително различни една от друга. Има много причини за това, но една от най-важните е появата на ядрени оръжия. Без преувеличение може да се каже, че сянката на Хирошима лежи над цялата втора половина на 20 век. Това стана дълбоко морално изгаряне за много милиони хора, както тези, които са били съвременници на тази катастрофа, така и тези, родени десетилетия след нея. Съвременният човек вече не може да мисли за света така, както се е мислил преди 6 август 1945 г. - той разбира твърде ясно, че този свят може да се превърне в нищо за няколко мига.

Съвременният човек не може да гледа на войната, както са гледали неговите дядовци и прадядовци - той знае със сигурност, че тази война ще бъде последната и в нея няма да има нито победители, нито победени. Ядрените оръжия са оставили своя отпечатък във всички сфери на обществения живот и съвременната цивилизация не може да живее по същите закони като преди шестдесет или осемдесет години. Никой не разбираше това по-добре от самите създатели на атомната бомба.

„Хората на нашата планета Робърт Опенхаймер пише, трябва да се обедини. Ужасът и разрухата, посята от последната война, ни налага тази мисъл. Експлозиите на атомни бомби го доказаха с цялата си жестокост. Други хора в други времена са казвали подобни думи - само за други оръжия и други войни. Не успяха. Но който днес каже, че тези думи са безполезни, се заблуждава от превратностите на историята. Не можем да бъдем убедени в това. Резултатите от нашия труд не оставят друг избор на човечеството, освен да създаде единен свят. Свят, основан на закона и хуманизма."

Появата на атомни (ядрени) оръжия се дължи на множество обективни и субективни фактори. Обективно, създаването на атомни оръжия се дължи на бързото развитие на науката, което започва с фундаментални открития в областта на физиката през първата половина на ХХ век. Основният субективен фактор беше военно-политическата ситуация, когато държавите от антихитлеристката коалиция започнаха негласна надпревара за разработване на толкова мощни оръжия. Днес ще разберем кой е изобретил атомната бомба, как се е развила в света и Съветския съюз, а също така ще се запознаем с нейното устройство и последствията от нейното използване.

Създаване на атомната бомба

От научна гледна точка далечната 1896 г. е годината на създаването на атомната бомба. Тогава френският физик А. Бекерел открива радиоактивността на урана. Впоследствие урановата верижна реакция започна да се разглежда като източник на огромна енергия и лесен за разработване на най-опасните оръжия в света. Въпреки това Бекерел рядко се споменава, когато се говори за това кой е изобретил атомната бомба.

През следващите няколко десетилетия алфа, бета и гама лъчи бяха открити от учени от цялата Земя. В същото време са открити голям брой радиоактивни изотопи, формулиран е законът за радиоактивното разпадане и е положено началото на изследването на ядрената изомерия.

През 40-те години на миналия век учените откриват неврона и позитрона и за първи път извършват делене на ядрото на атома на урана, придружено от поглъщане на неврони. Именно това откритие се превърна в повратна точка в историята. През 1939 г. френският физик Фредерик Жолио-Кюри патентова първата в света ядрена бомба, която той разработва със съпругата си от чисто научен интерес. Жолио-Кюри е този, който се смята за създател на атомната бомба, въпреки факта, че той е бил твърд защитник на световния мир. През 1955 г., заедно с Айнщайн, Борн и редица други известни учени, той организира движението Pugwash, чиито членове се застъпват за мир и разоръжаване.

Бързо развиващите се, атомните оръжия се превърнаха в безпрецедентен военно-политически феномен, който ви позволява да гарантирате безопасността на своя собственик и да намалите до минимум възможностите на други оръжейни системи.

Как се прави ядрена бомба?

Структурно атомната бомба се състои от голям брой компоненти, основните от които са корпусът и автоматиката. Калъфът е предназначен да предпазва автоматиката и ядрения заряд от механични, термични и други влияния. Автоматиката контролира времевите параметри на експлозията.

Състои се от:

1. Аварийно къртене.
2. Устройства за включване и безопасност.
3. Източник на сила.
4. Различни сензори.

Транспортирането на атомни бомби до мястото на нападение се извършва с помощта на ракети (противовъздушни, балистични или крилати). Ядрените боеприпаси могат да бъдат част от наземна мина, торпедо, авиационна бомба и други елементи. За атомните бомби се използват различни детонационни системи. Най-простото е устройство, при което снаряд, удрящ целта, причинявайки образуването на суперкритична маса, стимулира експлозия.

Ядрените оръжия могат да бъдат голям, среден и малък калибър. Силата на експлозията обикновено се изразява в TNT. Атомните снаряди с малък калибър имат капацитет от няколко хиляди тона тротил. Среднокалибрените вече отговарят на десетки хиляди тона, а капацитетът на едрокалибрените достига милиони тонове.

Принцип на действие

Принципът на действие на ядрената бомба се основава на използването на енергия, освободена по време на ядрена верижна реакция. По време на този процес тежките частици се разделят и леките частици се синтезират. Когато атомна бомба експлодира, огромно количество енергия се освобождава за кратък период от време върху малка площ. Ето защо такива бомби се класифицират като оръжия за масово унищожение.

В зоната на ядрена експлозия се разграничават две ключови области: центърът и епицентърът. В центъра на експлозията процесът на освобождаване на енергия се извършва директно. Епицентърът е проекцията на този процес върху земната или водната повърхност. Енергията на ядрена експлозия, проектирана върху земята, може да доведе до сеизмични трусове, които се разпространяват на значително разстояние. Тези удари причиняват вреда на околната среда само в радиус от няколкостотин метра от точката на експлозията.

Въздействащи фактори

Ядрените оръжия имат следните фактори на увреждане:

1. радиоактивна инфекция.
2. Излъчване на светлина.
3. ударна вълна.
4. електромагнитен импулс.
5. проникваща радиация.

Последиците от експлозия на атомна бомба са пагубни за всички живи същества. Поради освобождаването на огромно количество светлина и топлинна енергия, експлозията на ядрен снаряд е придружена от ярка светкавица. По отношение на мощността тази светкавица е няколко пъти по-силна от слънчевите лъчи, така че има опасност да бъде ударена от светлина и топлинно излъчване в радиус от няколко километра от точката на експлозията.

Друг най-опасен увреждащ фактор на атомните оръжия е радиацията, генерирана по време на експлозията. Действа само минута след взрива, но има максимална пробивна сила.

Най-силен разрушителен ефект има ударната вълна. Тя буквално изтрива от лицето на земята всичко, което се изпречи на пътя й. Проникващата радиация представлява опасност за всички живи същества. При хората предизвиква развитие на лъчева болест. Е, електромагнитният импулс вреди само на технологията. Взети заедно, увреждащите фактори на атомната експлозия носят огромна опасност.

Първи тестове

През цялата история на атомната бомба Америка проявява най-голям интерес към нейното създаване. В края на 1941 г. ръководството на страната отделя огромни средства и средства за това направление. Ръководител на проекта беше Робърт Опенхаймер, който мнозина смятат за създател на атомната бомба. Всъщност той беше първият, който успя да вдъхне живот на идеята на учените. В резултат на това на 16 юли 1945 г. в пустинята на Ню Мексико се провежда първият тест на атомна бомба. Тогава Америка реши, че за да сложи край на войната, трябва да победи Япония, съюзник на нацистка Германия. Пентагонът бързо избра целите за първите ядрени атаки, които трябваше да бъдат ярка илюстрация на силата на американските оръжия.

На 6 август 1945 г. американската атомна бомба, цинично наречена „Бебе“, е хвърлена над град Хирошима. Кадърът се оказа просто перфектен - бомбата избухна на височина 200 метра от земята, поради което взривната й вълна нанесе ужасяващи щети на града. В райони, далеч от центъра, печките на дървени въглища бяха преобърнати, причинявайки тежки пожари.

Яркият проблясък беше последван от гореща вълна, която за 4 секунди действие успя да разтопи керемидите на покривите на къщите и да изпепели телеграфните стълбове. Горещата вълна беше последвана от ударна вълна. Вятърът, който върлуваше през града със скорост около 800 км/ч, събаряше всичко по пътя си. От 76 000 сгради, разположени в града преди експлозията, около 70 000 бяха напълно унищожени.Няколко минути след експлозията започна да вали от небето, големи капки от които бяха черни. Дъждът падна поради образуването в студените слоеве на атмосферата на огромно количество кондензат, състоящ се от пара и пепел.

Хората, които бяха ударени от огненото кълбо в радиус от 800 метра от точката на експлозията, се превърнаха в прах. Тези, които са били малко по-далече от взрива, са с изгорена кожа, чиито остатъци са разкъсани от ударната вълна. Черният радиоактивен дъжд остави нелечими изгаряния по кожата на оцелелите. Тези, които по чудо успели да избягат, скоро започнали да показват признаци на лъчева болест: гадене, треска и пристъпи на слабост.

Три дни след бомбардировката над Хирошима Америка атакува друг японски град - Нагасаки. Втората експлозия имаше същите катастрофални последици като първата.

За секунди две атомни бомби убиха стотици хиляди хора. Ударната вълна на практика изтри Хирошима от лицето на земята. Повече от половината от местните жители (около 240 хиляди души) загинаха веднага от нараняванията си. В град Нагасаки от експлозията загинаха около 73 хиляди души. Много от оцелелите са били изложени на тежка радиация, която е причинила безплодие, лъчева болест и рак. В резултат на това някои от оцелелите умират в ужасни мъки. Използването на атомната бомба в Хирошима и Нагасаки илюстрира ужасната сила на тези оръжия.

Вие и аз вече знаем кой е изобретил атомната бомба, как работи и до какви последствия може да доведе. Сега ще разберем как стоят нещата с ядрените оръжия в СССР.

След бомбардировките на японските градове И. В. Сталин осъзнава, че създаването на съветската атомна бомба е въпрос на национална сигурност. На 20 август 1945 г. в СССР е създаден комитет по ядрена енергетика, оглавяван от Л. Берия.

Струва си да се отбележи, че работата в тази посока се извършва в Съветския съюз от 1918 г., а през 1938 г. в Академията на науките е създадена специална комисия по атомното ядро. С избухването на Втората световна война всяка работа в тази посока е замразена.

През 1943 г. офицери от разузнаването на СССР предават от Англия материали от закрити научни разработки в областта на ядрената енергия. Тези материали показват, че работата на чуждестранни учени по създаването на атомна бомба е напреднала сериозно. В същото време американските жители улесниха въвеждането на надеждни съветски агенти в основните центрове на американските ядрени изследвания. Агентите предават информация за нови разработки на съветски учени и инженери.

Техническо задание

Когато през 1945 г. въпросът за създаването на съветска ядрена бомба стана почти приоритетен, един от ръководителите на проекта Ю. Харитон изготви план за разработване на две версии на снаряда. На 1 юни 1946 г. планът е подписан от висшето ръководство.

Според задачата, дизайнерите трябваше да изградят RDS (Special Jet Engine) от два модела:

1. РДС-1. Бомба с плутониев заряд, който се детонира чрез сферична компресия. Устройството е взето назаем от американците.
2. РДС-2. Бомба с оръдие с два уранови заряда, събиращи се в дулото на оръдието, преди да достигнат критична маса.

В историята на прословутата RDS най-често срещаната, макар и хумористична формулировка беше фразата „Русия го прави сама“. Изобретен е от заместника на Ю. Харитон, К. Щелкин. Тази фраза много точно предава същността на работата, поне за RDS-2.

Когато Америка разбра, че Съветският съюз притежава тайните за създаване на ядрени оръжия, тя се запали да ескалира превантивната война възможно най-скоро. През лятото на 1949 г. се появява Троянският план, според който на 1 януари 1950 г. се предвижда да започнат военни действия срещу СССР. Тогава датата на атаката е изместена в началото на 1957 г., но при условие, че към нея се присъединят всички страни от НАТО.

Тестове

Когато информацията за плановете на Америка дойде в СССР по разузнавателни канали, работата на съветските учени се ускори значително. Западните експерти смятаха, че атомното оръжие в СССР ще бъде създадено не по-рано от 1954-1955 г. Всъщност тестовете на първата атомна бомба в СССР се провеждат още през август 1949 г. На 29 август апаратът РДС-1 беше взривен на полигона в Семипалатинск. В създаването му участва голям екип от учени, ръководени от Курчатов Игор Василиевич. Дизайнът на заряда принадлежи на американците, а електронното оборудване е създадено от нулата. Първата атомна бомба в СССР избухна с мощност 22 kt.

Поради вероятността от ответен удар планът Троян, включващ ядрена атака срещу 70 съветски града, беше осуетен. Тестовете в Семипалатинск отбелязаха края на американския монопол върху притежаването на атомни оръжия. Изобретението на Игор Василиевич Курчатов напълно унищожи военните планове на Америка и НАТО и предотврати развитието на друга световна война. Така започна ерата на мира на Земята, която съществува под заплахата от абсолютно унищожение.

"Ядрен клуб" на света

Към днешна дата не само Америка и Русия имат ядрени оръжия, но и редица други държави. Съвкупността от държави, притежаващи такова оръжие, условно се нарича "ядрен клуб".

Включва:

1. Америка (от 1945 г.).
2. СССР, а сега Русия (от 1949 г.).
3. Англия (от 1952 г.).
4. Франция (от 1960 г.).
5. Китай (от 1964 г.).
6. Индия (от 1974 г.).
7. Пакистан (от 1998 г.).
8. Корея (от 2006 г.).

Израел също има ядрени оръжия, въпреки че ръководството на страната отказва да коментира наличието им. Освен това на територията на страните от НАТО (Италия, Германия, Турция, Белгия, Холандия, Канада) и съюзниците (Япония, Южна Корея, въпреки официалния отказ) има американски ядрени оръжия.

Украйна, Беларус и Казахстан, които притежаваха част от ядрените оръжия на СССР, прехвърлиха своите бомби в Русия след разпадането на Съюза. Тя стана единственият наследник на ядрения арсенал на СССР.

Заключение

Днес научихме кой е изобретил атомната бомба и какво представлява тя. Обобщавайки горното, можем да заключим, че днес ядрените оръжия са най-мощният инструмент на глобалната политика, здраво вграден в отношенията между държавите. От една страна, това е ефективен възпиращ фактор, а от друга - убедителен аргумент за предотвратяване на военна конфронтация и укрепване на мирните отношения между държавите. Ядрените оръжия са символ на цяла епоха, която изисква особено внимателно боравене.

Устройството и принципът на действие се основават на инициализацията и управлението на самоподдържаща се ядрена реакция. Използва се като изследователски инструмент, за производство на радиоактивни изотопи и като източник на енергия за атомни електроцентрали.

принцип на работа (накратко)

Тук се използва процес, при който тежко ядро ​​се разпада на два по-малки фрагмента. Тези фрагменти са в силно възбудено състояние и излъчват неутрони, други субатомни частици и фотони. Неутроните могат да предизвикат ново делене, в резултат на което се отделят повече неутрони и т.н. Такава непрекъсната самоподдържаща се поредица от разделяния се нарича верижна реакция. В този случай се отделя голямо количество енергия, чието производство е целта на използването на атомни електроцентрали.

Принципът на работа на ядрения реактор е такъв, че около 85% от енергията на делене се освобождава за много кратък период от време след началото на реакцията. Останалата част се получава от радиоактивния разпад на продуктите на делене, след като са излъчили неутрони. Радиоактивният разпад е процесът, при който атомът достига по-стабилно състояние. Продължава и след приключване на делбата.

В атомна бомба верижната реакция нараства по интензитет, докато по-голямата част от материала се разцепи. Това се случва много бързо, предизвиквайки изключително мощните експлозии, характерни за подобни бомби. Устройството и принципът на работа на ядрения реактор се основават на поддържането на верижна реакция на контролирано, почти постоянно ниво. Той е проектиран по такъв начин, че да не може да избухне като атомна бомба.

Верижна реакция и критичност

Физиката на реактора за ядрено делене е, че верижната реакция се определя от вероятността за ядрено делене след излъчването на неутрони. Ако населението на последното намалее, тогава скоростта на делене в крайна сметка ще падне до нула. В този случай реакторът ще бъде в подкритично състояние. Ако популацията от неутрони се поддържа на постоянно ниво, тогава скоростта на делене ще остане стабилна. Реакторът ще бъде в критично състояние. И накрая, ако популацията от неутрони расте с течение на времето, скоростта на делене и мощността ще се увеличат. Състоянието на ядрото ще стане суперкритично.

Принципът на работа на ядрения реактор е следният. Преди изстрелването му неутронната популация е близо до нула. След това операторите премахват контролните пръти от ядрото, увеличавайки ядреното делене, което временно поставя реактора в свръхкритично състояние. След достигане на номиналната мощност операторите частично връщат управляващите пръти, регулирайки броя на неутроните. В бъдеще реакторът се поддържа в критично състояние. Когато трябва да се спре, операторите вкарват прътите докрай. Това потиска деленето и довежда ядрото до подкритично състояние.

Типове реактори

Повечето от ядрените инсталации в света генерират енергия, генерирайки топлината, необходима за въртене на турбините, които задвижват генераторите на електрическа енергия. Освен това има много изследователски реактори, а някои страни разполагат с ядрени подводници или надводни кораби.

Електроцентрали

Има няколко типа реактори от този тип, но конструкцията с лека вода е намерила широко приложение. От своя страна може да използва вода под налягане или вряща вода. В първия случай течността под високо налягане се нагрява от топлината на ядрото и влиза в парогенератора. Там топлината от първи контур се предава на втория, който също съдържа вода. Евентуално генерираната пара служи като работна течност в цикъла на парната турбина.

Реакторът от кипящ тип работи на принципа на директен енергиен цикъл. Водата, преминаваща през активната зона, се довежда до кипене при средно ниво на налягане. Наситената пара преминава през серия от сепаратори и сушилни, разположени в корпуса на реактора, което я довежда до прегрято състояние. След това прегрятата водна пара се използва като работна течност за завъртане на турбина.

Високотемпературно газово охлаждане

Високотемпературен реактор с газово охлаждане (HTGR) е ядрен реактор, чийто принцип на работа се основава на използването на смес от графит и горивни микросфери като гориво. Има два конкуриращи се дизайна:

• немската система "fill", която използва 60 мм сферични горивни елементи, които са смес от графит и гориво в графитна обвивка;
• американска версия под формата на графитни шестоъгълни призми, които се свързват, за да образуват активна зона.

И в двата случая охлаждащата течност се състои от хелий под налягане от около 100 атмосфери. В германската система хелият преминава през пролуки в слоя от сферични горивни елементи, а в американската система през отвори в графитни призми, разположени по оста на централната зона на реактора. И двата варианта могат да работят при много високи температури, тъй като графитът има изключително висока температура на сублимация, докато хелият е напълно химически инертен. Горещият хелий може да се използва директно като работен флуид в газова турбина при висока температура или неговата топлина може да се използва за генериране на пара във воден цикъл.

Течен метал и принцип на работа

Реакторите с натриево охлаждане на бързи неутрони получиха голямо внимание през 60-те и 70-те години на миналия век. Тогава изглеждаше, че способността им да се възпроизвеждат в близко бъдеще е необходима за производството на гориво за бързо развиващата се ядрена индустрия. Когато през 80-те години стана ясно, че това очакване е нереалистично, ентусиазмът избледня. Въпреки това редица реактори от този тип са построени в САЩ, Русия, Франция, Великобритания, Япония и Германия. Повечето от тях работят с ураниев диоксид или неговата смес с плутониев диоксид. В Съединените щати обаче най-голям успех има при металните горива.

КАНДУ

Канада е насочила усилията си към реактори, които използват естествен уран. Това елиминира необходимостта за неговото обогатяване да се прибягва до услугите на други държави. Резултатът от тази политика беше деутериево-урановият реактор (CANDU). Управлението и охлаждането в него се осъществява с тежка вода. Устройството и принципът на работа на ядрен реактор е да се използва резервоар със студен D 2 O при атмосферно налягане. Активната зона е пробита от тръби от циркониева сплав с гориво от естествен уран, през които тежка вода го охлажда. Електричеството се произвежда чрез прехвърляне на топлината на делене в тежка вода към охлаждаща течност, която циркулира през парогенератора. След това парата във вторичната верига преминава през конвенционален турбинен цикъл.

Изследователски съоръжения

За научни изследвания най-често се използва ядрен реактор, чийто принцип на работа е използването на водно охлаждане и пластинчати уранови горивни елементи под формата на възли. Способни да работят в широк диапазон от нива на мощност, от няколко киловата до стотици мегавати. Тъй като производството на електроенергия не е основната задача на изследователските реактори, те се характеризират с генерираната топлинна енергия, плътността и номиналната енергия на неутроните в активната зона. Именно тези параметри помагат да се определи количествено способността на изследователския реактор да провежда специфични изследвания. Системите с ниска мощност обикновено се използват в университетите за преподаване, докато високата мощност е необходима в изследователските лаборатории за тестване на материали и ефективност и общи изследвания.

Най-често срещаният изследователски ядрен реактор, структурата и принципът на действие на който е както следва. Активната му зона се намира на дъното на голям дълбок воден басейн. Това опростява наблюдението и поставянето на канали, през които могат да се насочват неутронни лъчи. При ниски нива на мощност не е необходимо обезвъздушаване на охлаждащата течност, тъй като естествената конвекция на охлаждащата течност осигурява достатъчно разсейване на топлината за поддържане на безопасно работно състояние. Топлообменникът обикновено се намира на повърхността или в горната част на басейна, където се натрупва гореща вода.

Корабни инсталации

Първоначалното и основно приложение на ядрените реактори е използването им в подводници. Основното им предимство е, че за разлика от системите за изгаряне на изкопаеми горива, те не изискват въздух за генериране на електричество. Следователно атомната подводница може да остане потопена за дълги периоди от време, докато конвенционалната дизелово-електрическа подводница трябва периодично да се издига на повърхността, за да стартира двигателите си във въздуха. дава стратегическо предимство на военните кораби. Благодарение на него няма нужда да зареждате гориво в чужди пристанища или от лесно уязвими танкери.

Принципът на работа на ядрен реактор на подводница е класифициран. Известно е обаче, че в САЩ се използва високообогатен уран, а забавянето и охлаждането става с лека вода. Дизайнът на първия реактор на атомната подводница USS Nautilus беше силно повлиян от мощни изследователски съоръжения. Неговите уникални характеристики са много голям запас на реактивност, който осигурява дълъг период на работа без презареждане и възможност за рестартиране след спиране. Електрическата станция в подводниците трябва да е много тиха, за да избегне откриването. За да отговорят на специфичните нужди на различни класове подводници, бяха създадени различни модели електроцентрали.

Самолетоносачите на ВМС на САЩ използват ядрен реактор, чийто принцип се смята, че е заимстван от най-големите подводници. Подробности за дизайна им също не са публикувани.

Освен САЩ атомни подводници имат Великобритания, Франция, Русия, Китай и Индия. Във всеки случай дизайнът не беше разкрит, но се смята, че всички те са много сходни - това е следствие от едни и същи изисквания към техническите им характеристики. Русия също има малък флот, който е оборудван със същите реактори като съветските подводници.

Промишлени предприятия

За производствени цели се използва ядрен реактор, чийто принцип е висока производителност с ниско ниво на производство на енергия. Това се дължи на факта, че продължителният престой на плутоний в активната зона води до натрупване на нежелан 240 Pu.

Производство на тритий

Понастоящем тритий (3H или T) е основният материал, произвеждан от такива системи - зарядът за плутоний-239 има дълъг период на полуразпад от 24 100 години, така че страните с арсенали с ядрени оръжия, използващи този елемент, са склонни да го имат повече от необходимо. За разлика от 239 Pu, тритият има период на полуразпад приблизително 12 години. Следователно, за да се поддържат необходимите запаси, този радиоактивен изотоп на водорода трябва да се произвежда непрекъснато. В Съединените щати, река Савана, Южна Каролина, например, работи с няколко тежководни реактора, които произвеждат тритий.

Плаващи силови агрегати

Създадени са ядрени реактори, които могат да осигурят електричество и парно отопление на отдалечени изолирани райони. В Русия, например, малки електроцентрали, специално проектирани да обслужват арктическите общности, намериха приложение. В Китай централа HTR-10 с мощност 10 MW доставя топлина и енергия на изследователския институт, където се намира. Малки контролирани реактори с подобни възможности се разработват в Швеция и Канада. Между 1960 и 1972 г. американската армия използва компактни водни реактори за захранване на отдалечени бази в Гренландия и Антарктика. Те бяха заменени от електроцентрали, работещи с петрол.

Изследване на космоса

Освен това са разработени реактори за захранване и движение в открития космос. Между 1967 и 1988 г. Съветският съюз инсталира малки ядрени инсталации на спътниците Космос за захранване на оборудване и телеметрия, но тази политика стана мишена за критики. Поне един от тези спътници навлезе в земната атмосфера, което доведе до радиоактивно замърсяване на отдалечени райони на Канада. Съединените щати изстреляха само един сателит с ядрена енергия през 1965 г. Въпреки това продължават да се разработват проекти за използването им в полети в дълбокия космос, пилотирано изследване на други планети или на постоянна лунна база. Това задължително ще бъде ядрен реактор с газово охлаждане или течно-метален ядрен реактор, чиито физически принципи ще осигурят възможно най-високата температура, необходима за минимизиране на размера на радиатора. Освен това реакторът на космическия кораб трябва да бъде възможно най-компактен, за да се сведе до минимум количеството материал, използван за екраниране, и да се намали теглото по време на изстрелване и космически полет. Захранването с гориво ще осигури работата на реактора за целия период на космическия полет.

Северна Корея заплашва САЩ със свръхмощен тест на водородна бомба в Тихия океан. Япония, която може да пострада от тестовете, нарече плановете на Северна Корея абсолютно неприемливи. Президентите Доналд Тръмп и Ким Чен-ун псуват в интервюта и говорят за открит военен конфликт. За тези, които не разбират от ядрени оръжия, но искат да са в темата, "Футурист" е съставил наръчник.

Как работят ядрените оръжия?

Подобно на обикновената пръчка динамит, ядрената бомба използва енергия. Само че той се отделя не в хода на примитивна химическа реакция, а в сложни ядрени процеси. Има два основни начина за извличане на ядрена енергия от атом. AT ядрено делене ядрото на атома се разделя на два по-малки фрагмента с неутрон. Ядрен синтез - процесът, чрез който Слънцето генерира енергия - включва комбиниране на два по-малки атома, за да се образува по-голям. При всеки процес, делене или синтез, се освобождават големи количества топлинна енергия и радиация. В зависимост от това дали се използва ядрен делене или синтез, бомбите се делят на ядрен (атомен) и термоядрен .

Можете ли да разкажете повече за ядреното делене?

Експлозия на атомна бомба над Хирошима (1945 г.)

Както си спомняте, атомът се състои от три вида субатомни частици: протони, неутрони и електрони. Центърът на атома се нарича сърцевина , се състои от протони и неутрони. Протоните са положително заредени, електроните са отрицателно заредени, а неутроните изобщо нямат заряд. Съотношението протон-електрон винаги е едно към едно, така че атомът като цяло има неутрален заряд. Например въглероден атом има шест протона и шест електрона. Частиците се държат заедно от фундаментална сила - силна ядрена сила .

Свойствата на един атом могат да варират значително в зависимост от това колко различни частици съдържа. Ако промените броя на протоните, ще имате различен химичен елемент. Ако промените броя на неутроните, получавате изотоп същият елемент, който имате в ръцете си. Например въглеродът има три изотопа: 1) въглерод-12 (шест протона + шест неутрона), стабилна и често срещана форма на елемента, 2) въглерод-13 (шест протона + седем неутрона), който е стабилен, но рядък, и 3) въглерод -14 (шест протона + осем неутрона), който е рядък и нестабилен (или радиоактивен).

Повечето атомни ядра са стабилни, но някои са нестабилни (радиоактивни). Тези ядра спонтанно излъчват частици, които учените наричат ​​радиация. Този процес се нарича радиоактивно разпадане . Има три вида гниене:

Алфа разпад : Ядрото изхвърля алфа частица - два протона и два неутрона, свързани заедно. бета разпад : неутронът се превръща в протон, електрон и антинеутрино. Изхвърленият електрон е бета частица. Спонтанно разделяне: ядрото се разпада на няколко части и излъчва неутрони, а също така излъчва импулс от електромагнитна енергия - гама лъч. Това е последният тип разпад, който се използва в ядрената бомба. Започват свободните неутрони, излъчвани от деленето верижна реакция което освобождава огромно количество енергия.

От какво са направени ядрените бомби?

Те могат да бъдат направени от уран-235 и плутоний-239. Уранът се среща в природата като смес от три изотопа: 238U (99,2745% от естествения уран), 235U (0,72%) и 234U (0,0055%). Най-често срещаният 238 U не поддържа верижна реакция: само 235 U е способен на това.За да се постигне максимална мощност на експлозията, е необходимо съдържанието на 235 U в "пълнежа" на бомбата да е поне 80%. Следователно уранът пада изкуствено обогатяват . За да направите това, сместа от уранови изотопи се разделя на две части, така че една от тях да съдържа повече от 235 U.

Обикновено, когато изотопите се разделят, има много обеднен уран, който не може да започне верижна реакция - но има начин да го накарате да го направи. Факт е, че плутоний-239 не се среща в природата. Но може да се получи чрез бомбардиране на 238 U с неутрони.

Как се измерва мощността им?

Силата на ядрен и термоядрен заряд се измерва в тротилов еквивалент - количеството тринитротолуен, което трябва да бъде детонирано, за да се получи подобен резултат. Измерва се в килотони (kt) и мегатони (Mt). Мощността на свръхмалките ядрени оръжия е по-малка от 1 kt, докато свръхмощните бомби дават повече от 1 Mt.

Мощността на съветската Цар Бомба, според различни източници, варира от 57 до 58,6 мегатона TNT, мощността на термоядрената бомба, която КНДР тества в началото на септември, е около 100 килотона.

Кой създаде ядрени оръжия?

американският физик Робърт Опенхаймер и генерал Лесли Гроувс

През 30-те години на миналия век италиански физик Енрико Ферми демонстрира, че елементи, бомбардирани с неутрони, могат да бъдат превърнати в нови елементи. Резултатът от тази работа беше откритието бавни неутрони , както и откриването на нови елементи, които не са представени в периодичната таблица. Малко след откритието на Ферми немски учени Ото Хан и Фриц Щрасман бомбардира уран с неутрони, което води до образуването на радиоактивен изотоп на барий. Те стигнаха до заключението, че неутроните с ниска скорост карат ядрото на урана да се разпадне на две по-малки части.

Тази работа развълнува умовете на целия свят. В Принстънския университет Нилс Бор работил с Джон Уилър да се разработи хипотетичен модел на процеса на делене. Те предполагат, че уран-235 претърпява делене. Приблизително по същото време други учени откриха, че процесът на делене произвежда още повече неутрони. Това накара Бор и Уилър да зададат важен въпрос: могат ли свободните неутрони, създадени от деленето, да предизвикат верижна реакция, която да освободи огромно количество енергия? Ако е така, тогава могат да бъдат създадени оръжия с невъобразима сила. Техните предположения бяха потвърдени от френския физик Фредерик Жолио-Кюри . Неговото заключение беше тласък за разработването на ядрени оръжия.

Физиците от Германия, Англия, САЩ и Япония са работили върху създаването на атомни оръжия. Преди избухването на Втората световна война Алберт Айнщайн писа до президента на Съединените щати Франклин Рузвелт че нацистка Германия планира да пречисти уран-235 и да създаде атомна бомба. Сега се оказа, че Германия е далеч от провеждането на верижна реакция: те работят върху "мръсна", силно радиоактивна бомба. Както и да е, правителството на САЩ хвърли всичките си усилия за създаването на атомна бомба в най-кратки срокове. Стартира проектът Манхатън, ръководен от американски физик Робърт Опенхаймер и общ Лесли Гроувс . В него участваха видни учени, емигрирали от Европа. До лятото на 1945 г. е създадено атомно оръжие на базата на два вида делящ се материал - уран-235 и плутоний-239. Една бомба, плутониевата "Нещото", беше взривена по време на тестове, а други две, урановата "Хлапето" и плутониевата "Дебелия човек", бяха хвърлени върху японските градове Хирошима и Нагасаки.

Как работи термоядрената бомба и кой я е изобретил?

Термоядрената бомба се основава на реакцията ядрен синтез . За разлика от ядреното делене, което може да се случи както спонтанно, така и принудително, ядреният синтез е невъзможен без доставка на външна енергия. Атомните ядра са положително заредени, така че се отблъскват. Тази ситуация се нарича бариера на Кулон. За да се преодолее отблъскването, е необходимо тези частици да се разпръснат до луди скорости. Това може да стане при много високи температури – от порядъка на няколко милиона келвина (откъдето идва и името). Има три вида термоядрени реакции: самоподдържащи се (протичат във вътрешността на звездите), контролирани и неконтролирани или експлозивни - използват се във водородни бомби.

Идеята за бомба с термоядрен синтез, инициирана от атомен заряд, е предложена от Енрико Ферми на неговия колега Едуард Телър през 1941 г., в самото начало на проекта Манхатън. По това време обаче тази идея не беше търсена. Разработките на Teller се подобриха Станислав Улам , правейки идеята за термоядрена бомба осъществима на практика. През 1952 г. първото термоядрено взривно устройство е тествано на атола Enewetok по време на операцията Ivy Mike. Това обаче беше лабораторна проба, непригодна за бой. Година по-късно Съветският съюз взривява първата в света термоядрена бомба, сглобена по проект на физици. Андрей Сахаров и Юлия Харитон . Устройството приличаше на пластова торта, така че страхотното оръжие беше наречено "Sloika". В хода на по-нататъшното развитие се роди най-мощната бомба на Земята - "Цар Бомба" или "Кузкината майка". През октомври 1961 г. той е тестван на архипелага Нова Земля.

От какво са направени термоядрените бомби?

Ако сте мислили така водород и термоядрените бомби са различни неща, сбъркал си. Тези думи са синоними. Това е водород (или по-скоро неговите изотопи - деутерий и тритий), който е необходим за извършване на термоядрена реакция. Има обаче една трудност: за да се взриви водородна бомба, първо е необходимо да се получи висока температура по време на конвенционална ядрена експлозия - едва тогава атомните ядра ще започнат да реагират. Следователно в случая на термоядрена бомба дизайнът играе важна роля.

Широко известни са две схеми. Първият е "пуфът" на Сахаров. В центъра имаше ядрен детонатор, който беше заобиколен от слоеве литиев деутерид, смесен с тритий, които бяха разпръснати със слоеве обогатен уран. Този дизайн направи възможно постигането на мощност в рамките на 1 Mt. Втората е американската схема Телър-Улам, където ядрената бомба и изотопите на водорода са разположени отделно. Изглеждаше така: отдолу - контейнер със смес от течен деутерий и тритий, в центъра на който имаше "запалителна свещ" - плутониева пръчка, а отгоре - конвенционален ядрен заряд и всичко това в черупка от тежък метал (например обеднен уран). Бързите неутрони, произведени по време на експлозията, предизвикват реакции на атомно делене в урановата обвивка и добавят енергия към общата енергия на експлозията. Добавянето на допълнителни слоеве литиев уран-238 деутерид ви позволява да създавате снаряди с неограничена мощност. През 1953 г. съветският физик Виктор Давиденко случайно повтори идеята на Телер-Улам и на нейна основа Сахаров излезе с многоетапна схема, която направи възможно създаването на оръжия с безпрецедентна сила. По тази схема работеше майката на Кузкина.

Какви други бомби има?

Има и неутронни, но това като цяло е страшно. Всъщност неутронната бомба е термоядрена бомба с нисък капацитет, 80% от енергията на експлозията на която е радиация (неутронно лъчение). Прилича на обикновен ядрен заряд с ниска мощност, към който е добавен блок с изотоп на берилий - източник на неутрони. Когато ядрено оръжие експлодира, започва термоядрена реакция. Този тип оръжие е разработено от американски физик Самюел Коен . Смяташе се, че неутронните оръжия унищожават целия живот дори в убежища, но обхватът на унищожаване на такива оръжия е малък, тъй като атмосферата разпръсква бързи неутронни потоци, а ударната вълна е по-силна на големи разстояния.

Но какво да кажем за кобалтовата бомба?

Не, синко, фантастично е. Нито една държава официално няма кобалтови бомби. Теоретично това е термоядрена бомба с кобалтова обвивка, която осигурява силно радиоактивно замърсяване на района дори при относително слаба ядрена експлозия. 510 тона кобалт могат да заразят цялата повърхност на Земята и да унищожат целия живот на планетата. Физик Лео Силард , който описа този хипотетичен дизайн през 1950 г., го нарече „Машината на Страшния съд“.

Кое е по-хладно: ядрена бомба или термоядрена?

Пълномащабен модел на "Цар-бомба"

Водородната бомба е много по-модерна и технологично напреднала от атомната бомба. Неговата експлозивна сила далеч надхвърля тази на атомната и е ограничена само от броя на наличните компоненти. При термоядрена реакция за всеки нуклон (така наречените съставни ядра, протони и неутрони) се отделя много повече енергия, отколкото при ядрена реакция. Например, по време на деленето на ураново ядро ​​един нуклон представлява 0,9 MeV (мегаелектронволт), а по време на синтеза на хелиево ядро ​​от водородни ядра се освобождава енергия, равна на 6 MeV.

Като бомби доставямкъм целта?

Първоначално те бяха свалени от самолети, но противовъздушната отбрана непрекъснато се подобряваше и доставянето на ядрени оръжия по този начин се оказа неразумно. С нарастването на производството на ракетна технология всички права за доставка на ядрени оръжия бяха прехвърлени на балистични и крилати ракети от различни бази. Следователно бомбата вече не е бомба, а бойна глава.

Има мнение, че севернокорейската водородна бомба е твърде голяма, за да бъде монтирана на ракета - така че ако КНДР реши да вдъхне живот на заплахата, тя ще бъде откарана с кораб до мястото на експлозията.

Какви са последствията от ядрена война?

Хирошима и Нагасаки са само малка част от възможния апокалипсис. Например добре известната хипотеза за "ядрената зима", изложена от американския астрофизик Карл Сейгън и съветския геофизик Георгий Голицин. Предполага се, че експлозията на няколко ядрени бойни глави (не в пустинята или водата, а в населените места) ще предизвика много пожари и голямо количество дим и сажди ще изпръскат в атмосферата, което ще доведе до глобално охлаждане. Хипотезата е критикувана чрез сравняване на ефекта с вулканичната активност, която има малък ефект върху климата. Освен това някои учени отбелязват, че глобалното затопляне е по-вероятно да дойде, отколкото охлаждането - обаче и двете страни се надяват, че никога няма да разберем.

Разрешени ли са ядрени оръжия?

След надпреварата във въоръжаването през 20-ти век страните промениха решението си и решиха да ограничат използването на ядрени оръжия. ООН прие договори за неразпространение на ядрени оръжия и за забрана на ядрени опити (последният не беше подписан от младите ядрени сили Индия, Пакистан и КНДР). През юли 2017 г. беше приет нов договор за забрана на ядрените оръжия.

„Всяка държава страна се задължава никога и при никакви обстоятелства да не разработва, тества, произвежда, произвежда, придобива по друг начин, притежава или складира ядрени оръжия или други ядрени експлозивни устройства“, гласи първият член на договора.

Документът обаче няма да влезе в сила, докато 50 държави не го ратифицират.