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

История одной фотографии: американка в Италии История одной фотографии: американка в Италии

Фотография о мужском восхищении женской красотой или о беспощадном харассменте?

Maxim
Лучший бармен 2017 года о коктейлях на лето и стереотипах про девушек в баре Лучший бармен 2017 года о коктейлях на лето и стереотипах про девушек в баре

Лучшим барменом 2017 года стала Кейтлин Стюарт из Royal Dinette в Ванкувере

GQ
Лори и все ее личности: кто такая Лори Эрика Рафф? Лори и все ее личности: кто такая Лори Эрика Рафф?

Зачем девушке потребовалась другая личность?

Cosmopolitan
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
Конфликт поколений: чем блокировка Telegram напоминает крестовый поход детей Конфликт поколений: чем блокировка Telegram напоминает крестовый поход детей

История с ограничением доступа напоминает непонимание поколениями друг друга

Forbes
Мы говорим им «До свидания!» Мы говорим им «До свидания!»

В этом месяце в Нью-Йорке пройдет аукцион века

Tatler
Три способа преодолеть страх провала Три способа преодолеть страх провала

Страх неудач часто мешает добиться успеха

Psychologies
Манекены, волки, Сухуми и постцифровой мир: как устроена вселенная Андро Векуа Манекены, волки, Сухуми и постцифровой мир: как устроена вселенная Андро Векуа

В "Гараже" открылась первая персональная выставка Андро Векуа

Esquire
Кто такая доула: зачем нужна помощница в родах и что она делает Кто такая доула: зачем нужна помощница в родах и что она делает

Давай будем честными: рожать - страшно

Cosmopolitan
Спортивный интерес Спортивный интерес

Данила Козловский о новом фильме и любимой девушке

Cosmopolitan
10 шведских автомобилей, о которых вы ничего не знали 10 шведских автомобилей, о которых вы ничего не знали

Шведский автопром кроме «Вольво», «Сааб» и «Скания»

Популярная механика
Без права голоса. Как быть успешной в бизнесе и оставаться женщиной Без права голоса. Как быть успешной в бизнесе и оставаться женщиной

Как повысить самооценку и не бояться соревноваться с мужчинами

Forbes
Карта, деньги, «Винзавод»: стал ли арт-кластер супругов Троценко успешным бизнес-проектом Карта, деньги, «Винзавод»: стал ли арт-кластер супругов Троценко успешным бизнес-проектом

Как частный центр современного искусства Москвы зарабатывает на искусстве

Forbes
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
Энергетическая гигиена: как поддерживать баланс сил Энергетическая гигиена: как поддерживать баланс сил

Где черпать силы в энергозатратные будни?

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

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

Vogue
Чем себя украсить: топ-10 ювелирных трендов на 2018 год Чем себя украсить: топ-10 ювелирных трендов на 2018 год

Ювелир Евгений Федько рассказывает о главных трендах в украшениях на 2018 год

Cosmopolitan
Позиционное преимущество Позиционное преимущество

Что женщины на самом деле думают о самых популярных сексуальных позах

Maxim
Я бы на вашем месте Я бы на вашем месте

Все об эмпатии, или умении понимать внутреннее состояние другого человека

Добрые советы
Уверенный рост. Квартплата в России увеличится на 4% Уверенный рост. Квартплата в России увеличится на 4%

Министр строительства России Михаил Мень анонсировал рост тарифов на ЖКУ

Forbes
Игорь Николаев: Запас прочности иссяк, проблемы — впереди Игорь Николаев: Запас прочности иссяк, проблемы — впереди

Как России искать свое место в мире, где она никому не нужна

СНОБ
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
Как устроен боулинг Как устроен боулинг

Какие непростые механизмы скрываются за кулисами боулинга

Популярная механика
#MeToo — это не конец секса #MeToo — это не конец секса

О том, как выжить в эпоху обвинений в харассменте

GQ
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
Первому тренеру приготовиться Первому тренеру приготовиться

19 апреля на экраны выходит «Тренер»

СНОБ
10 ключей к здоровой и счастливой жизни 10 ключей к здоровой и счастливой жизни

Здоровый образ жизни — это больше, чем просто спорт и правильное питание

Psychologies
8 привычек, которые изменят вашу жизнь 8 привычек, которые изменят вашу жизнь

Многие хотят изменить жизнь, но мало кто может на это решиться

Psychologies
Лучшие шутки дня и мессенджер «Энигма»! Лучшие шутки дня и мессенджер «Энигма»!

Армянский дайджест авторского юмора с авторской орфографией

Maxim
Похудеть к лету Похудеть к лету

Как это сделать легко и незаметно привести себя в форму?

Лиза
Открыть в приложении