О современном ядерном оружии ходит много мифов

Популярная механикаОбщество

Как работает атомная бомба

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

Александр Прищепенко

Взрывной характер

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

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

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

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

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

Критическая сборка

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

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

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

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

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

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

Шаровая сборка

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

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Таяние многолетней мерзлоты оказалось причиной выбросов древнего термогенного метана Таяние многолетней мерзлоты оказалось причиной выбросов древнего термогенного метана

Из-за глобального потепления слой мерзлоты стал проницаемым газогидратов

N+1
Традиционные ценности: как меняются вкусы коллекционеров-миллиардеров Традиционные ценности: как меняются вкусы коллекционеров-миллиардеров

Тренды российского арт-рынка находят отражение в коллекциях миллиардеров

Forbes
Как устроена жизнь в самой знаменитой высотке Лондона Как устроена жизнь в самой знаменитой высотке Лондона

Истории жильцов Треллик-тауэр — образца бруталистской архитектуры 1970-х годов

Esquire
Google — крупнейший блокировщик рекламы Google — крупнейший блокировщик рекламы

Google Chrome блокирует рекламу. Но для индустрии рекламы это не оскорбление

CHIP
Возвращение «Индейца» Возвращение «Индейца»

Прошлое и настоящее мотоцикла Indian

Популярная механика
Первому тренеру приготовиться Первому тренеру приготовиться

19 апреля на экраны выходит «Тренер»

СНОБ
В чем ехать за город в майские праздники? В чем ехать за город в майские праздники?

Что надеть, чтобы даже на шашлыках выглядеть классно

GQ
Что носили мужчины на этой неделе Что носили мужчины на этой неделе

Много классно одетых мужчин и Роберт-Дауни-младший

GQ
Олег Табаков. Вспоминая маэстро Олег Табаков. Вспоминая маэстро

Олег Павлович Табаков – народный артист во всех смыслах

Лиза
Летопись в кольцах: бревна рассказали историю древних кочевников Летопись в кольцах: бревна рассказали историю древних кочевников

За сотни лет до нашей эры Юго-Восточный Алтай населяли древние кочевники

Популярная механика
10 основ летнего мужского гардероба, согласно фильму «Талантливый мистер Рипли» 10 основ летнего мужского гардероба, согласно фильму «Талантливый мистер Рипли»

Учимся элегантно одеваться на отдыхе

Esquire
Люди и звери со двора объедков Люди и звери со двора объедков

Я очень люблю животных и птиц. Но не люблю свинство

Psychologies
Будет вкусно: 6 лучших Будет вкусно: 6 лучших

Где в Москве вкусно готовят мясо

Cosmopolitan
Тропический дождь Тропический дождь

Благодаря дизайну в этом доме круглый год яркое, тёплое лето

SALON-Interior
Секрет гостеприимства. Кому Олег Дерипаска подарил часть своего бизнеса Секрет гостеприимства. Кому Олег Дерипаска подарил часть своего бизнеса

Миллиардер Олег Дерипаска создал одну из крупнейших отельных сетей в России

Forbes
Быть женой миллиардера: правила жизни пианистки Элен Мерсье-Арно Быть женой миллиардера: правила жизни пианистки Элен Мерсье-Арно

Элен Мерсье-Арно — о приемах в тайм-менеджменте и знакомстве со своим мужем

Forbes
10 автомобилей, сделанных в Бельгии: вы знали об этом? 10 автомобилей, сделанных в Бельгии: вы знали об этом?

В Бельгии имеется своё автомобилестроение

Популярная механика
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
Части вселенной Части вселенной

Все, что нужно знать об империи «Мстителей»

GQ
Из пучины: жуткие истории, рассказанные рыбаками и моряками Из пучины: жуткие истории, рассказанные рыбаками и моряками

Что приходилось видеть рыбакам и морякам, оставшись один на один со стихией?

Cosmopolitan
Черная быль. Что именно произошло на Чернобыльской АЭС и чем все кончилось Черная быль. Что именно произошло на Чернобыльской АЭС и чем все кончилось

С момента катастрофы на Чернобыльской АЭС прошло уже много лет

Maxim
Как устроена машинка бессмертия Как устроена машинка бессмертия

За 4 миллиарда лет ни одна из клеток, от которых вы произошли, не умерла

СНОБ
Три новых бургера, которые ты сможешь приготовить дома даже пьяным (особенно пьяным!) Три новых бургера, которые ты сможешь приготовить дома даже пьяным (особенно пьяным!)

Как приготовить правильный, смачный бургер

Maxim
Ум и отвага. Как войти в список Forbes, бросив вызов бывшему работодателю Ум и отвага. Как войти в список Forbes, бросив вызов бывшему работодателю

Бывшая сотрудница Cisco вошла в число 72 женщин-миллиардеров

Forbes
Зайка моя, я твой... Зайка моя, я твой...

Секс-фетиши, о которых ты не знала

Cosmopolitan
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
Самые скандальные случаи, когда фирмы отзывали свою продукцию Самые скандальные случаи, когда фирмы отзывали свою продукцию

В погоне за выручкой корпорации теряют миллионы долларов, а покупатели — жизнь!

Maxim
Под стеклянным колпаком: что даст рынку механизм оздоровления страховщиков Под стеклянным колпаком: что даст рынку механизм оздоровления страховщиков

В апреле Госдума приняла закон о санации страховщиков

Forbes
Проверка на стресс: наука о страхе Проверка на стресс: наука о страхе

Можно ли предсказать поведение человека перед лицом опасности?

Популярная механика
Дом смерти в Лос-Фелиз: загадочная рождественская трагедия Дом смерти в Лос-Фелиз: загадочная рождественская трагедия

Лос-Фелиз — идиллический район Лос-Анджелеса

Cosmopolitan
Открыть в приложении