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
Отдых на природе. Депутаты предложили использовать маткапитал на покупку дач Отдых на природе. Депутаты предложили использовать маткапитал на покупку дач

За 11 лет действия материнского капитала им полностью распорядились только 54,3%

Forbes
Паритет в отношениях Паритет в отношениях

Загородный дом в Подмосковье Павел Бурмакин оформил в классическом стиле

SALON-Interior
«Я никогда не был по-настоящему богат». О чем говорил миллиардер Араз Агаларов на Forbes Club «Я никогда не был по-настоящему богат». О чем говорил миллиардер Араз Агаларов на Forbes Club

Самое интересное из выступления Араза Агаларова на Forbes Club

Forbes
Ароматы империи Ароматы империи

Как в России развивалось производство косметики и парфюмерии

Forbes
12 из Женевы 12 из Женевы

Главные тренды Женевского автосалона

GQ
Черная кошка, розовая пантера Черная кошка, розовая пантера

В истории «Розовых пантер» интересно и необычно все

Maxim
Есть ли эмоции у собак и кошек? Есть ли эмоции у собак и кошек?

Так трудно отказать нашим братьям меньшим в наличии если не разума, то сознания

Популярная механика
Май в Таиланде Май в Таиланде

Таиланд прекрасен в любое время года

Домашний Очаг
Зачем нам нужна откровенность Зачем нам нужна откровенность

Может быть, пора повернуться друг к другу и поговорить по душам?

Psychologies
Хорошие знакомые Хорошие знакомые

У Focus, и у Octavia достаточно поклонников. Какие качества их привлекают?

АвтоМир
Лига плаща: 10 самых запоминающихся тренчей сезона Лига плаща: 10 самых запоминающихся тренчей сезона

10 бежевых плащей разных конфигураций, на которые точно стоит обратить внимание

Cosmopolitan
Таинственная история исчезновения Полин Пикар Таинственная история исчезновения Полин Пикар

Двухлетняя Полин Пикар пропала в апреле 1922 года

Cosmopolitan
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
Больше чем поёт Больше чем поёт

Как фронтмен Therr Maitz оттачивает свое произношение и музыкальный стиль

Esquire
Со знаком плюс Со знаком плюс

Как извлечь выгоду из недостатков

Cosmopolitan
«Мария Магдалина»: евангельский фильм с женщиной в главной роли «Мария Магдалина»: евангельский фильм с женщиной в главной роли

Рецензия на фильм "Мария Магдалина"

Esquire
«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
Внимание, перегрев! Внимание, перегрев!

Мы живем в постоянном напряжении и устаем… Неужели этому не будет конца?

Psychologies
«Чего здесь такого?»: Сечин впервые явился в суд по делу Улюкаева «Чего здесь такого?»: Сечин впервые явился в суд по делу Улюкаева

Мосгорсуд рассматривает апелляцию защиты бывшего министра экономики

Forbes
Нико Пиросмани. Жил-был художник один Нико Пиросмани. Жил-был художник один

Бездомный гений превратил в персональную галерею почти весь город

Караван историй
Желаю любви и радости! Желаю любви и радости!

Что может сделать каждый, кто хочет улучшить свое состояние?

Psychologies
Апокалипсис сегодня Апокалипсис сегодня

Ольга Куриленко встретилась с нами накануне премьеры фильма «Дыши во мгле»

OK!
Советская стратегическая сверхзвуковая ракета Советская стратегическая сверхзвуковая ракета

Стало ясно, насколько ракета «Метеорит» опередила свое время.

Популярная механика
Похудеть к лету Похудеть к лету

Как это сделать легко и незаметно привести себя в форму?

Лиза
Сам себе режиссер: как руководить самоорганизующейся командой Сам себе режиссер: как руководить самоорганизующейся командой

Команда, способная работать самостоятельно, будет полезна любому бизнесу

Forbes
Приправить и подать Приправить и подать

Дизайнер Светлана Дикушина обожает интерьеры с перчинкой

SALON-Interior
Тэнди Ньютон: “Мир Дикого Запада” по сравнению реальностью — это детский лепет” Тэнди Ньютон: “Мир Дикого Запада” по сравнению реальностью — это детский лепет”

Актриса Тэнди Ньютон рассказала Esquire о втором сезоне «Мира Дикого Запада»

Esquire
В ожидании чуда: что происходит с российскими светофорами В ожидании чуда: что происходит с российскими светофорами

В России увеличилось время ожидания на светофоре

Forbes
«Входной билет в космос» «Входной билет в космос»

Авиационный перевозчик S7 Group надеется стать еще и космическим

РБК
Открыть в приложении