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
Спасти и сохранить: почему дизайнеры отказываются от натурального меха и выбирают экологичные ткани Спасти и сохранить: почему дизайнеры отказываются от натурального меха и выбирают экологичные ткани

Экология становится таким же большим модным трендом

Vogue
Стальное упорство: как Владимир Лисин преодолел путь к вершине списка Forbes Стальное упорство: как Владимир Лисин преодолел путь к вершине списка Forbes

Владимир Лисин упрямо и решительно берется за любое дело

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

Много прекрасного для тех, кто успел соскучиться по смокингам

GQ
Миллиарды из трущоб: как самый богатый человек Индии зарабатывает на мобильной связи Миллиарды из трущоб: как самый богатый человек Индии зарабатывает на мобильной связи

Можно ли сделать связь доступной для беднейших слоев населения южной Азии?

Forbes
Столица против периферии. Есть ли шанс у региональных банков выбиться в лидеры Столица против периферии. Есть ли шанс у региональных банков выбиться в лидеры

Вопреки тревожным прогнозам, региональные банки сумели выжить

Forbes
Андалузская дева Андалузская дева

Татьяна Котова спряталась в Испании, думая, что туда не дотянутся наши объективы

Maxim
Покусился за святое. Трамп пообещал остановить «искусственное завышение» цен на нефть Покусился за святое. Трамп пообещал остановить «искусственное завышение» цен на нефть

Нефтяные котировки на заявлениях главы Белого дома пошли вниз

Forbes
Фальшивая реальность Фальшивая реальность

Президент США в порно? Приложение позволяет подставлять другие лица в видео

CHIP
На порядок выше На порядок выше

Знакомимся с бас­кет­бо­ли­ста­ми московского ЦСКА

Vogue
Аппарат Gaia может быть использован для поиска внеземных цивилизаций Аппарат Gaia может быть использован для поиска внеземных цивилизаций

Недавно астрономы составили самую подробную карту Млечного Пути

Популярная механика
Заехали в тупик. Как ОСАГО стало убыточным для страховых компаний Заехали в тупик. Как ОСАГО стало убыточным для страховых компаний

В прошлом году страховые компании ушли в глубокий минус

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

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

Лиза
Милош Бикович: Милош Бикович:

Милош Бикович рассказал, как физика влияет на его работу

Esquire
Индийская кухня Индийская кухня

Индийская кухня: яркая, очень пряная и чаще всего вегетарианская

9 месяцев
Если это любовь Если это любовь

19 мая состоится свадьба принца Гарри Уэльского и актрисы Меган Маркл

OK!
Дикие ягоды. Как семья преподавателя создавала интернет-магазин Wildberries Дикие ягоды. Как семья преподавателя создавала интернет-магазин Wildberries

Татьяна Бакальчук начала бизнес в небольшой квартире и вошла в список Forbes

Forbes
Сто лет со дня первого танкового сражения: как это было Сто лет со дня первого танкового сражения: как это было

Как сто лет назад британские и немецкие танки впервые сошлись в бою

Популярная механика
Живые камни: как искусственные алмазы завоевывают рынок Живые камни: как искусственные алмазы завоевывают рынок

Технология производства синтетических алмазов

Forbes
Вечный Октоберфест: как получить гражданство Германии за инвестиции Вечный Октоберфест: как получить гражданство Германии за инвестиции

О чем важно помнить, если вы решились на переезд в Германию

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
Твои планы на выходные: Ruski и Insight Твои планы на выходные: Ruski и Insight

Захватывающий дух вид с высоты 354 м. в самых высоких ресторанах Европы.

Cosmopolitan
Свой человек: чем дружба с чиновниками грозит малому и среднему бизнесу Свой человек: чем дружба с чиновниками грозит малому и среднему бизнесу

Корпоративный GR помогает добиваться нужных решений в интересах компании

Forbes
На Золотом кольце… На Золотом кольце…

Вокруг небольшого городка Иваново есть что посмотреть

Лиза
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
Тяжелый люкс Тяжелый люкс

Ким Кардашьян интересна с любой стороны

Tatler
7 ключей, чтобы найти цель в жизни 7 ключей, чтобы найти цель в жизни

Несколько нетривиальных советов, которые помогут определиться со смыслом жизни

Psychologies
Революция нам не по размеру Революция нам не по размеру

О том, почему нам не стоить так радоваться последним событиям в Армении

СНОБ
10 лучших альбомов месяца 10 лучших альбомов месяца

10 наиболее интересных альбомов апреля

Esquire
Звездопад по заказу Звездопад по заказу

Японский стартап ALE хочет ввести моду на запуск искусственных метеоров

РБК
Открыть в приложении