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
Girl in Vogue: Миа Моретти Girl in Vogue: Миа Моретти

Американская модница рассказала Vogue о своем отношении к моде планах на лето

Vogue
5 женщин Жана-Поля Бельмондо 5 женщин Жана-Поля Бельмондо

Анна Карина, Катрин Денев и другие легендарные экранные возлюбленные

Vogue
Романтики наших дней Романтики наших дней

Елена Касаткина оформила дом в Подмосковье в духе “романтического классицизма”

AD
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
Михалина Ольшанская — самая смелая актриса своего поколения Михалина Ольшанская — самая смелая актриса своего поколения

Польская актриса возвращается на наши экраны в военной драме «Собибор»

Vogue
Проще пареной репы. Как женщины управляют продуктовым ритейлом Проще пареной репы. Как женщины управляют продуктовым ритейлом

Что видит женщина в магазинной еде, и чего не видит мужчина?

Forbes
Взять верный TON: насколько перспективна блокчейн-платформа Дурова Взять верный TON: насколько перспективна блокчейн-платформа Дурова

Поможет ли блокировка мессенджера в России выходу проекта на ICO?

Forbes
Экология отношений: 7 правил Экология отношений: 7 правил

Какие навыки помогут в создании экологичных отношений?

Psychologies
Желаю любви и радости! Желаю любви и радости!

Что может сделать каждый, кто хочет улучшить свое состояние?

Psychologies
Жертва во спасение. Олег Дерипаска поднял курс рубля Жертва во спасение. Олег Дерипаска поднял курс рубля

Решение Олега Дерипаски позитивно сказалось на курсе рубля

Forbes
Следуй за мной: можно ли предотвратить ущерб от инсайдерской торговли Следуй за мной: можно ли предотвратить ущерб от инсайдерской торговли

Банк России уличил в инсайдерской торговле трейдера

Forbes
Что носили мужчины на этой неделе Что носили мужчины на этой неделе

На этой неделе мужчины одевались так, как хочется им, а не стилистам

GQ
Как экономить топливо: приемы экономичного вождения Как экономить топливо: приемы экономичного вождения

Как снизить расход наших нынешних машин

Популярная механика
Химчистка: умный подход Химчистка: умный подход

Рассказываем о тонкостях, а также даем полезные советы – бери на заметку!

Лиза
Идеальный перекус Идеальный перекус

Любимые орешки «с изюминкой»

Лиза
Стыдно, когда не видно Стыдно, когда не видно

Бороться за лайки теперь принято, не жалея округлившегося живота своего

Tatler
Семейный agile: три бизнес-принципа в воспитании детей Семейный agile: три бизнес-принципа в воспитании детей

Почему дети сами должны выбирать для себя наказания и зачем нужен семейный бренд

Forbes
Игра в команде. Чему могут научить сотрудников стресс и виртуальная реальность Игра в команде. Чему могут научить сотрудников стресс и виртуальная реальность

Новые методы обучения персонала могут сделать любой бизнес эффективнее

Forbes

Секс для женщины в 50-е считался занятием смущающим и неловким

Cosmopolitan
«Их надо обязательно вытаскивать» «Их надо обязательно вытаскивать»

Кто такие украинские политзэки и кого из них освободили

Русский репортер
Страховое бессилие. Почему водители отказываются от ОСАГО Страховое бессилие. Почему водители отказываются от ОСАГО

В чем причина падения спроса на обязательное автострахование?

Forbes
«Кококо» в «Северянах»: гастрольный ужин Игоря Гришечкина «Кококо» в «Северянах»: гастрольный ужин Игоря Гришечкина

19 апреля в ресторане «Северяне» состоится специальный ужин с Игорем Гришечкиным

Cosmopolitan
Домашние хлопоты: почему материнство способствует успеху в бизнесе Домашние хлопоты: почему материнство способствует успеху в бизнесе

Если вы вышли в декрет, это не повод бросить все и уйти с головой в семейный быт

Forbes
Джинсы- Джинсы-

За какими модными мастхэвами "охотились" 40 лет назад

Cosmopolitan
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
10 самых невероятных школьных учителей 10 самых невероятных школьных учителей

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

Cosmopolitan
Путешествуем дешево! Подсказки для «новеньких» Путешествуем дешево! Подсказки для «новеньких»

Как решиться отправиться в отпуск без путевки? Наша читательница дает стимул

Лиза
Как устроен боулинг Как устроен боулинг

Какие непростые механизмы скрываются за кулисами боулинга

Популярная механика
Я худею: от чего стоит отказаться, чтобы быстрее терять вес Я худею: от чего стоит отказаться, чтобы быстрее терять вес

О повседневных привычках, которые стоит забыть на время

Cosmopolitan
Открыть в приложении