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
Деньги на старость. Депутаты предложили увеличить пенсии в среднем на 6200 рублей Деньги на старость. Депутаты предложили увеличить пенсии в среднем на 6200 рублей

Правительство России не поддержало законопроект, предусматривающий рост пенсий

Forbes
На Золотом кольце… На Золотом кольце…

Вокруг небольшого городка Иваново есть что посмотреть

Лиза
Золотая антилопа: как научиться правильному отношению к деньгам Золотая антилопа: как научиться правильному отношению к деньгам

Часто российские предприниматели допускают те же ошибки, что и жадный Раджа

Forbes
Зеленые небеса: чем занимается одна из самых дорогих финтех-компаний США Зеленые небеса: чем занимается одна из самых дорогих финтех-компаний США

Онлайн-кредитор GreenSky выйдет на IPO при оценке капитализации в $5 млрд

Forbes
Владимир Овчаренко Владимир Овчаренко

Основатель аукциона Vladey Владимир Овчаренко — об ужине с Джеффом Кунсом

GQ
10 автомобилей, сделанных в Бельгии: вы знали об этом? 10 автомобилей, сделанных в Бельгии: вы знали об этом?

В Бельгии имеется своё автомобилестроение

Популярная механика
Частичка истории Частичка истории

Стать причастным к автомобильной истории Suzuki дорогого стоит

АвтоМир
Как устроена машинка бессмертия Как устроена машинка бессмертия

За 4 миллиарда лет ни одна из клеток, от которых вы произошли, не умерла

СНОБ
Пагубное влияние. В каких случаях от личного бренда больше вреда, чем пользы Пагубное влияние. В каких случаях от личного бренда больше вреда, чем пользы

Узнаваемое лицо вызывает больше доверия к продукту. Чем это вредно

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

Несколько нетривиальных советов, которые помогут определиться со смыслом жизни

Psychologies
Четкий взгляд на мир глазами космонавта Четкий взгляд на мир глазами космонавта

Можно ли в скафандре носить очки и увидеть в них НЛО

Maxim
Озарение миллиардера: Илон Маск поверил в людей и начал борьбу с «пьяными ленивцами» Озарение миллиардера: Илон Маск поверил в людей и начал борьбу с «пьяными ленивцами»

Илон Маск заявил, что разочарован в автоматизации производства

Forbes
Свой среди чужих: как победить страхи и стать успешной Свой среди чужих: как победить страхи и стать успешной

Пять советов, которые помогут вам стать востребованным профессионалом

Forbes
Чем заняться в Москве в честь Дня благотворителя Чем заняться в Москве в честь Дня благотворителя

13 апреля в России отмечается День мецената и благотворителя

Cosmopolitan
Функция vs декор Функция vs декор

Новая работа Алексея Николашина — интерьер в стиле софт–минимализм

SALON-Interior
Андрей Смирнов: Заяц должен быть серым Андрей Смирнов: Заяц должен быть серым

Эту очень личную историю режиссер посвятил врачу Антонине Николаевне Петровой

СНОБ
Прогулка по Венеции Прогулка по Венеции

Главной темой интерьера этой квартиры в центре Иркутска стала Венеция

SALON-Interior
Традиционные ценности: как меняются вкусы коллекционеров-миллиардеров Традиционные ценности: как меняются вкусы коллекционеров-миллиардеров

Тренды российского арт-рынка находят отражение в коллекциях миллиардеров

Forbes
Для сына я друг Для сына я друг

Певица Полина Гагарина рассказывает,чем отличается второе материнство от первого

Домашний Очаг
Танцующая с булавами: как одевается гимнастка Маргарита Мамун Танцующая с булавами: как одевается гимнастка Маргарита Мамун

Как одевается спортсменка Маргарита Мамун в обычной жизни

Cosmopolitan
Берегись электромобиля. Как вернуть доверие пассажиров к беспилотному транспорту Берегись электромобиля. Как вернуть доверие пассажиров к беспилотному транспорту

В безопасности технологии самоуправляемых транспортных средств есть сомнения

Forbes
Как живут наследники Гетти Как живут наследники Гетти

Правнук нефтяного миллиардера Джозеф с женой Сабиной и их квартира в Лондоне

Vogue
Советы по пикапу от птиц! Советы по пикапу от птиц!

Птицы в совершенстве освоили искусство соблазнения

Maxim
10 фрагментов человеческих тел, которые продавались на аукционах 10 фрагментов человеческих тел, которые продавались на аукционах

Некоторые знаменитости и исторические фигуры продолжают "путешествовать" по миру

Популярная механика
Как бывший чиновник придумал «умное» кольцо и заполучил в клиенты метро и банки Как бывший чиновник придумал «умное» кольцо и заполучил в клиенты метро и банки

PayRing. Производство колец для бесконтактных платежей

РБК
Очаровывать! Что такое истинная красота? Очаровывать! Что такое истинная красота?

Как насчет внутренней красоты? Что она дает и можно ее ли «развивать»?

Psychologies
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
Режим тишины. Почему иностранные банки заморозили рост своего бизнеса в России Режим тишины. Почему иностранные банки заморозили рост своего бизнеса в России

Иностранные банки перестали интересоваться корпоративными кредитами и розницей

Forbes
Вас там не хватало Вас там не хватало

В Оксфорде скандал — студентки жалуются на однокурсников

Tatler
Открыть в приложении