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

Магия математики Магия математики

Как найти Х и зачем это нужно

kiozk originals
Черный Георгин: убийство, которое потрясло весь мир, до сих пор не разгадано Черный Георгин: убийство, которое потрясло весь мир, до сих пор не разгадано

Ее мечтам не суждено было осуществиться. Кто-то взял и разрезал ее пополам

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

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

АвтоМир
Вам мат: почему женщинам надо учиться играть в шахматы Вам мат: почему женщинам надо учиться играть в шахматы

Навыки шахматной игры дают то, чего годами достигают с помощью бизнес-тренингов

Forbes
Восхождение к спуску Восхождение к спуску

Ски-альпинизм пришел в Россию

Огонёк
Полет нормальный. Стоит ли отказаться от путешествий и ждать снижения цен на билеты Полет нормальный. Стоит ли отказаться от путешествий и ждать снижения цен на билеты

Падение рубля ударило по возможности путешествовать

Forbes
Вертикальные роды: можно всем? Вертикальные роды: можно всем?

Плюсы и минусы вертикальных родов

9 месяцев
Переехали! Переехали!

Как российские специалисты работают в NASA

РБК
Страна муравейников. Почему ипотека в России не решает квартирный вопрос Страна муравейников. Почему ипотека в России не решает квартирный вопрос

Россиянам пора пересмотреть отношение к аренде квартир

Forbes
Странные, неудачные и позорные фото, которые звезды хотели бы забыть Странные, неудачные и позорные фото, которые звезды хотели бы забыть

Что чувствуют знаменитости, чей позор разлетается по всему миру

Cosmopolitan
Вечный студент: почему нужно начать учить язык прямо сейчас Вечный студент: почему нужно начать учить язык прямо сейчас

Изучение языков может сделать нас счастливее

Psychologies
Отдай мне все свои деньги: что такое финансовое доминирование Отдай мне все свои деньги: что такое финансовое доминирование

Один из многих фетишей мира БДСМ

Cosmopolitan
Юрий Мильнер Юрий Мильнер

«Есть ли места в Солнечной системе, где может существовать жизнь? Их несколько»

РБК
Маркус Хинтерхойзер: музыка страсти Маркус Хинтерхойзер: музыка страсти

Одна из характерных примет нашего времени – оперный бум

СНОБ
Меркель едет к Трампу. Германия может потерять €1,5 млрд от новых санкций США Меркель едет к Трампу. Германия может потерять €1,5 млрд от новых санкций США

70% немецких компаний рассчитывают сохранить активность и инвестиции

Forbes
Паритет в отношениях Паритет в отношениях

Загородный дом в Подмосковье Павел Бурмакин оформил в классическом стиле

SALON-Interior
Илон Маск и его спутники: почему раздача интернета из космоса под угрозой срыва Илон Маск и его спутники: почему раздача интернета из космоса под угрозой срыва

Реализации задумки Илона Маска может помешать множество объективных причин

Forbes
Как Пабло Пикассо изображал любимых женщин Как Пабло Пикассо изображал любимых женщин

Какими были на самом деле любимые женщины Пикассо

Vogue
На здоровье! На здоровье!

В Израиль, на Мертвое море за новыми ощущениями

Лиза
На Золотом кольце… На Золотом кольце…

Вокруг небольшого городка Иваново есть что посмотреть

Лиза
Как выбрать дорожную сумку и навсегда забыть про унижения в аэропортах? Как выбрать дорожную сумку и навсегда забыть про унижения в аэропортах?

Как отследить утерянный багаж и какая ручная кладь спасет разрядившийся айфон

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

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

Forbes
Все время хочу есть: 7 причин Все время хочу есть: 7 причин

Голод — обычное и нормальное состояние организма

Psychologies
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
Олег Табаков. Вспоминая маэстро Олег Табаков. Вспоминая маэстро

Олег Павлович Табаков – народный артист во всех смыслах

Лиза
Закрытое небо: зачем Госдума лишает авиационную отрасль сотен миллионов евро Закрытое небо: зачем Госдума лишает авиационную отрасль сотен миллионов евро

Один из пунктов контрсанкций, которые хочет ввести Госдума

Forbes
Тропический дождь Тропический дождь

Благодаря дизайну в этом доме круглый год яркое, тёплое лето

SALON-Interior
10 лет Jaguar Land Rover: как индусы спасли автомобильное наследие Британии 10 лет Jaguar Land Rover: как индусы спасли автомобильное наследие Британии

Когда ожидать Jaguar словацкой сборки и на какой мировой рекорд идет Land Rover

Forbes
Всегда быстрый: тест Audi RS 5 Coupe Всегда быстрый: тест Audi RS 5 Coupe

Audi RS 5 нового поколения стала гораздо быстрее и симпатичнее

Популярная механика
Как покупать на вторичном рынке Как покупать на вторичном рынке

Купив подержанное устройство и сделав правильный выбор, можно сэкономить

CHIP
Открыть в приложении