О современном ядерном оружии ходит много мифов

Популярная механикаОбщество

Как работает атомная бомба

Об истории ядерного противостояния сверхдержав и конструкции первых ядерных бомб написаны сотни книг. А вот о современном ядерном оружии ходит много мифов. «Популярная механика» решила внести ясность в этот вопрос и рассказать, как работает самое разрушительное оружие, придуманное человеком.

Александр Прищепенко

Взрывной характер

Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.

Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию — 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.

Цепная реакция. При попадании нейтронов ядро урана-235 легко делится, образуя новые нейтроны. При определенных условиях начинается цепная реакция.

При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.

Металлический плутоний существует в шести фазах, плотности которых от 14,7 до 19,8 кг/см3. При температуре ниже 119 градусов Цельсия существует моноклинная альфа-фаза (19,8 кг/см3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может — плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, произойдет это без взрыва — заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).

Критическая сборка

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, — важнейшая.

Забытое старое. Взрывные линзы создавали сходящуюся волну. Надежность обеспечивалась парой детонаторов в каждом блоке.

Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).

Плутониевая сборка (шаровой слой в центре) была окружена корпусом из урана-238, а затем слоем алюминия.

Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.

В первых ядерных зарядах в качестве источника нейтронов использовались полоний и бериллий (в центре).

Шаровая сборка

Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное — при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

История одной фотографии: американка в Италии История одной фотографии: американка в Италии

Фотография о мужском восхищении женской красотой или о беспощадном харассменте?

Maxim
«Tomb Raider: Лара Крофт» «Tomb Raider: Лара Крофт»

Без намёка на объективацию

Игромания
Дарья Яушева: Строго для родителей Дарья Яушева: Строго для родителей

Что нужно обязательно знать родителям детей с диагнозом «аутизм»

СНОБ
Танцующая с булавами: как одевается гимнастка Маргарита Мамун Танцующая с булавами: как одевается гимнастка Маргарита Мамун

Как одевается спортсменка Маргарита Мамун в обычной жизни

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

Аналитики обнаружили рост привлекательности российского гражданства

Forbes
Самолет на $20 млрд. Как Россия и Китай создают дальнемагистральный лайнер Самолет на $20 млрд. Как Россия и Китай создают дальнемагистральный лайнер

Интервью с конструктором первого российско-китайского самолета

Forbes
Заехали в тупик. Как ОСАГО стало убыточным для страховых компаний Заехали в тупик. Как ОСАГО стало убыточным для страховых компаний

В прошлом году страховые компании ушли в глубокий минус

Forbes
Пять тенденций на весну 2018 Пять тенденций на весну 2018

Как одеться, чтобы заткнуть за пояс героев стритстайла

GQ
Лига плаща: 10 самых запоминающихся тренчей сезона Лига плаща: 10 самых запоминающихся тренчей сезона

10 бежевых плащей разных конфигураций, на которые точно стоит обратить внимание

Cosmopolitan
Самые красивые десерты на Пасху Самые красивые десерты на Пасху

Очень много вкуcнейших куличей и шоколадных яиц

Vogue
Детская жестокость: почему эмоциональный интеллект нужно развивать с детства Детская жестокость: почему эмоциональный интеллект нужно развивать с детства

Про детскую осознанность и умение противостоять агрессивной среде

Forbes
Всему голова Всему голова

Как работает психосоматика

Cosmopolitan
10 фактов о лоботомии 10 фактов о лоботомии

В середине XX века вас могли принудить к лоботомии за своенравный характер

Популярная механика
Вершки и корешки Вершки и корешки

Иван Галантерник уже давно стал для мамы идеальным спутником на модных показах

L’Officiel
Тяга к знаниям. Существует ли гендерная дискриминация в образовании Тяга к знаниям. Существует ли гендерная дискриминация в образовании

Главная причина более высокой доли женщин в образовании

Forbes
Чем опасна «черная» зависть и зачем нам «белая»? Чем опасна «черная» зависть и зачем нам «белая»?

Нет человека, который хотя бы иногда не завидовал другим

Psychologies
Цена санкций. Как сильно обвалится рубль Цена санкций. Как сильно обвалится рубль

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

Forbes
Бегство капиталов: как западные санкции повлияют на рынок элитного жилья Москвы Бегство капиталов: как западные санкции повлияют на рынок элитного жилья Москвы

Быть «богатым русским» на Западе становится все менее комфортно

Forbes
Мудрая пудра Мудрая пудра

Дом, в котором много натуральных материалов, мягких тканей и пастельных оттенков

AD
Выходные пролетели – и ага… Выходные пролетели – и ага…

Что нам мешает отдохнуть за два выходных?

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

Когда-то интернет-гиганты были стартапами

Forbes
Ангел на сценах Москвы и Петербурга. О фестивале Юна Фоссе Ангел на сценах Москвы и Петербурга. О фестивале Юна Фоссе

Фестиваль Юна Фоссе, известного норвежского драматурга и писателя

СНОБ
С любимыми не расставайтесь С любимыми не расставайтесь

Тимур Родригез и его жена Анна

OK!
«Вместо этого появится что-то новое»: 5 лучших показов Гоши Рубчинского «Вместо этого появится что-то новое»: 5 лучших показов Гоши Рубчинского

Гоша — самый узнаваемый из российских дизайнеров

Esquire
Порыв есть. С прорывом проблемы Порыв есть. С прорывом проблемы

Есть ли у нас шанс на инновационный импульс?

Огонёк
Белла Хадид Белла Хадид

Амбассадор Bvlgari про украшения и треники

Numéro
Спасти и сохранить: почему дизайнеры отказываются от натурального меха и выбирают экологичные ткани Спасти и сохранить: почему дизайнеры отказываются от натурального меха и выбирают экологичные ткани

Экология становится таким же большим модным трендом

Vogue
Еда как награда, диалог и табу и ее роль в истории человечества Еда как награда, диалог и табу и ее роль в истории человечества

Как менялись смысл и значение еды со времен древних скандинавов до наших дней

СНОБ
Как в старые-добрые времена: 5 правил чаепития на даче в саду Как в старые-добрые времена: 5 правил чаепития на даче в саду

Советуем тебе устроить дачное чаепитие. Настоящее, как в старые-добрые времена

Cosmopolitan
10 самых невероятных школьных учителей 10 самых невероятных школьных учителей

Если бы у вас были такие учителя, тогда мы вы и прогуливали меньше

Cosmopolitan
Открыть в приложении