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
Для сына я друг Для сына я друг

Певица Полина Гагарина рассказывает,чем отличается второе материнство от первого

Домашний Очаг
Главные по мусору: переработкой отходов в Подмосковье займутся структура «Ростеха» и сын генпрокурора Главные по мусору: переработкой отходов в Подмосковье займутся структура «Ростеха» и сын генпрокурора

За раздельный сбор и переработку мусора в Московской области заплатят власти

Forbes
Данила Козловский Данила Козловский

Писатель Цыпкин задает режиссеру Козловскому наводящие вопросы

Maxim
Женское богатство: как новый закон увеличивает зарплаты актрис в Голливуде Женское богатство: как новый закон увеличивает зарплаты актрис в Голливуде

В Голливуде теперь по-другому ведут переговоры о заключении контрактов

Forbes
Chevrolet Orlando: семейные проблемы Chevrolet Orlando: семейные проблемы

Ударит ли Chevrolet Orlando по семейному бюджету

АвтоМир
Непристойные старинные традиции, слишком смелые даже для современного человека Непристойные старинные традиции, слишком смелые даже для современного человека

Публичная проверка потенции и другие примеры раскованного поведения предков

Maxim
Пожизненный купон. Стоит ли инвестировать в «вечные» бонды Россельхозбанка Пожизненный купон. Стоит ли инвестировать в «вечные» бонды Россельхозбанка

18 апреля Россельхозбанк планирует разместить «вечные» бонды на 15 млрд рублей

Forbes
#MeToo — это не конец секса #MeToo — это не конец секса

О том, как выжить в эпоху обвинений в харассменте

GQ
Маркус Хинтерхойзер: музыка страсти Маркус Хинтерхойзер: музыка страсти

Одна из характерных примет нашего времени – оперный бум

СНОБ
Страна жевунов Страна жевунов

Медленное жевание помогает похудеть и избавляет от множества недугов

Добрые советы
Глобальный ихтамнет Глобальный ихтамнет

Как любой конфликт разрешают наемники

Esquire
Шарлто Копли: наемник из «Опасного бизнеса» — о насилии, религии и движении за права женщин Шарлто Копли: наемник из «Опасного бизнеса» — о насилии, религии и движении за права женщин

Актер Шарлто Копли о насилии, духовном пути и движении за права женщин

Maxim
Очаровывать! Что такое истинная красота? Очаровывать! Что такое истинная красота?

Как насчет внутренней красоты? Что она дает и можно ее ли «развивать»?

Psychologies
Бомбическая история: ядерные взрывы в сознании японцев и другие выставки фотобиеннале Бомбическая история: ядерные взрывы в сознании японцев и другие выставки фотобиеннале

Что смотреть на московской Фотобиеннале-2018

Forbes
10 самых невероятных школьных учителей 10 самых невероятных школьных учителей

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

Cosmopolitan
Брат небесный, брат земной Брат небесный, брат земной

NASA исследует близнецов: астронавта и его брата, оставшегося на Земле

Популярная механика
Роли в семье: как найти свою Роли в семье: как найти свою

Можно ли понять, какая роль в семье подходит человеку и как ее поменять?

9 месяцев
Как с помощью мануалов помогать людям, воевать с корпорациями и менять законы Как с помощью мануалов помогать людям, воевать с корпорациями и менять законы

iFixit. Мануал на любой случай: от починки ноутбука до замены лампочки

РБК
Минтранс планирует повысить штрафы за задержку авиарейсов в 14 раз Минтранс планирует повысить штрафы за задержку авиарейсов в 14 раз

Минтранс планирует ужесточить наказание для авиакомпаний за задержку вылетов

Forbes
Палеоядерная бомба: как Луна образовалась благодаря ядерной реакции Палеоядерная бомба: как Луна образовалась благодаря ядерной реакции

Альтернативные гипотезы происхождения Луны

Популярная механика
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
Мяукающие монахини, смеющиеся девочки и другие случаи массовой истерии Мяукающие монахини, смеющиеся девочки и другие случаи массовой истерии

Случаи массовой истерии приобретают пугающий характер, а иногда бывают забавными

Cosmopolitan
Энергетическая гигиена: как поддерживать баланс сил Энергетическая гигиена: как поддерживать баланс сил

Где черпать силы в энергозатратные будни?

Psychologies
Как экономить топливо: приемы экономичного вождения Как экономить топливо: приемы экономичного вождения

Как снизить расход наших нынешних машин

Популярная механика
Песочницы с деньгами. Как акселераторы помогут развитию финансов будущего Песочницы с деньгами. Как акселераторы помогут развитию финансов будущего

Чтобы финтех и традиционные игроки могли встретиться, существуют акселераторы

Forbes
Дикие ягоды Дикие ягоды

Татьяна Бакальчук создала Wildberries — крупнейший интернет-магазин в России

Forbes
В единстве сила В единстве сила

Архитекторы Александра Таранова и Юлия Шмидт оформили загородный дом

AD
«Синдром предков»: когда прошлое семьи вредит вашему настоящему «Синдром предков»: когда прошлое семьи вредит вашему настоящему

Синдроме предков — влияние на жизнь бессознательных семейных сценариев

Psychologies
Что такое суперфуды и зачем они нам нужны Что такое суперфуды и зачем они нам нужны

Продукты, в которых концентрация полезных веществ превышает все показатели

Cosmopolitan
Открыть в приложении