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
Анна Горозия:«Я не пропагандирую позицию Анна Горозия:«Я не пропагандирую позицию

Анна Горозия о том, каково это — быть женой рэпера

Cosmopolitan
Работать больше или дольше: как измерить лень в экономике Работать больше или дольше: как измерить лень в экономике

Прибыль и продолжительность рабочего дня не дают полной картины о бизнесе

Forbes
Звезды нас ждут: как супертелескоп Джеймса Уэбба будет искать жизнь во Вселенной Звезды нас ждут: как супертелескоп Джеймса Уэбба будет искать жизнь во Вселенной

В скором времени у NASA появится целое семейство космических телескопов

Forbes
Если это любовь Если это любовь

19 мая состоится свадьба принца Гарри Уэльского и актрисы Меган Маркл

OK!
Человеческая слабость: как избавить искусственный интеллект от расизма Человеческая слабость: как избавить искусственный интеллект от расизма

Искусственный интеллект наследует не только лучшие, но и худшие качества людей

Forbes
Где у него кнопка? Где у него кнопка?

Все о сексе будущего

Cosmopolitan
Города берет: как массовый спорт развивает экономику регионов Города берет: как массовый спорт развивает экономику регионов

Соревнования по триатлону собирают все больше участников

Forbes
Хозяин Кузбасса: кому Аман Тулеев оставляет Кемеровскую область Хозяин Кузбасса: кому Аман Тулеев оставляет Кемеровскую область

Владимир Путин принял отставку Амана Тулеева

Forbes
Всему голова Всему голова

Как работает психосоматика

Cosmopolitan
Протест Рунета: почему блокировка Telegram может привести к цифровой анархии Протест Рунета: почему блокировка Telegram может привести к цифровой анархии

Действия Роскомнадзора затронули топ-менеджмент крупных интернет-площадок России

Forbes
Джо Демпси из “Игры престолов”: “Гребля — это совсем не мое” Джо Демпси из “Игры престолов”: “Гребля — это совсем не мое”

У Джо Демпси новый большой проект: шпионский триллер

Esquire
Сильный Пол Сильный Пол

Знаменитый на весь мир дизайнер мужской одежды Пол Смит

Esquire
Бывает ли друзей слишком много? Бывает ли друзей слишком много?

Сколько друзей нам нужно для счастья?

Psychologies
Давайте полегче Давайте полегче

Да­ко­та Фэн­нинг за­ду­мы­ва­ет­ся о ма­те­рин­стве

Vogue
Дерматиломания: как угомонить руки Дерматиломания: как угомонить руки

Дерматиломания — психологическое расстройство поведения

Psychologies
Как заработать 30 000 долларов за неделю! Берут всех, но придется реально вкалывать! Как заработать 30 000 долларов за неделю! Берут всех, но придется реально вкалывать!

Знаешь, какая работа считается самой опасной в мире? Ловля королевского краба

Maxim
«Второй Волоколамск хотите?» Как Коломна пытается не стать столицей мусорного протеста «Второй Волоколамск хотите?» Как Коломна пытается не стать столицей мусорного протеста

Проблемы с мусорными полигонами превратили Подмосковье в самый горячий регион

СНОБ
Парадокс санкций. ЦБ прогнозирует резкий рост зарплат в 2018 году Парадокс санкций. ЦБ прогнозирует резкий рост зарплат в 2018 году

В бюджетной сфере оплата труда будет расти благодаря повышению МРОТ

Forbes
Бедное искусство: работы итальянских художников выставили на торги в Милане Бедное искусство: работы итальянских художников выставили на торги в Милане

Аукцион Sotheby’s пройдет 18 и 19 апреля в дни проведения Milan Design Week

Forbes
Брат небесный, брат земной Брат небесный, брат земной

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

Популярная механика
«Косплей - это игра на публику» «Косплей - это игра на публику»

Косплей-дуэт Adelhaid и Faeryx

Мир Фантастики
Носите тренчи, как у героинь стритстайла Носите тренчи, как у героинь стритстайла

Все секреты героинь стритстайла и в каких тренчах ходить этой весной

Vogue
Зеленый шум Зеленый шум

Почему мы волнуемся об экологии, но продолжаем уничтожать природу?

Psychologies
А был ли секс? А был ли секс?

Что делать, когда страсти в отношениях становится все меньше и меньше...

Elle
Дом смерти в Лос-Фелиз: загадочная рождественская трагедия Дом смерти в Лос-Фелиз: загадочная рождественская трагедия

Лос-Фелиз — идиллический район Лос-Анджелеса

Cosmopolitan
Дайте силу Дайте силу

Что вообще такое «феминистская мода»? Как она выглядит?

L’Officiel
Что ваш дом говорит о вас? Что ваш дом говорит о вас?

Как дом характеризует нас в глазах окружающих?

Psychologies
Если не сумка-пакет: как обыграть прозрачный тренд, избежав чудаковатости Если не сумка-пакет: как обыграть прозрачный тренд, избежав чудаковатости

Попробуйте выставить напоказ содержимое вашей сумки

Cosmopolitan
Одолжить с умом. Как сменить депозит на облигацию и заработать больше Одолжить с умом. Как сменить депозит на облигацию и заработать больше

Как грамотно собрать портфель из долговых бумаг

Forbes
Открыть в приложении