Seuraavana badabumin vuosipäivänä Hiroshimassa ja Nagasakissa päätin tutkia Internetiä ydinaseita koskevissa kysymyksissä, missä miksi ja miten se luotiin, minua ei kiinnosta juurikaan (tiesin jo) - minua kiinnosti enemmän, kuinka 2 kappaletta plutoniumia ei sula, mutta tekee siitä laajan.
Pidä silmällä insinöörejä - he alkavat kylvökoneella ja päättyvät atomipommilla.
Marcel Pagnol
Ydinfysiikka on yksi kunnioitettavan luonnontieteen kiistanalaisimmista alueista. Juuri tällä alueella ihmiskunta heitti puolen vuosisadan ajan miljardeja dollareita, puntaa, frangia ja ruplaa, kuten myöhään saapuneen junan veturiuuniin. Nyt juna ei enää näytä myöhästyvän. Palavien varojen ja työtuntien raivostuneet liekit kuihtuivat. Yritetään selvittää lyhyesti millainen juna on "ydinfysiikka".
Isotoopit ja radioaktiivisuus
Kuten tiedätte, kaikki olemassa oleva koostuu atomista. Atomit puolestaan koostuvat elektronisista säiliöistä, jotka elävät järkyttävien lakiensa mukaisesti, ja ytimestä. Klassinen kemia ei ole lainkaan kiinnostunut ytimestä ja hänen henkilökohtaisesta elämästään. Hänen atominsa on hänen elektroninsa ja niiden kyky vaihtaa vuorovaikutusta. Ja kemian ytimestä tarvitaan vain sen massa reagenssien osuuksien laskemiseksi. Puolestaan ydinfysiikka ei välitä syvästi elektronista. Häntä kiinnostaa pieni (100 tuhatta kertaa pienempi kuin elektronin kiertoradan säde) pölypilkku atomin sisällä, johon lähes koko sen massa on keskittynyt.
Mainosvideo:
Mitä tiedämme ytimestä? Kyllä, se koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja neutroneista ilman sähkövarausta. Tämä ei kuitenkaan ole täysin totta. Ydin ei ole kourallinen kaksivärisiä palloja, kuten koulun oppikirjan kuvassa. Työssä on täysin erilaisia lakeja, joita kutsutaan voimakkaaksi vuorovaikutukseksi, jotka muuttavat sekä protonit että neutronit eräänlaiseksi erottamattomaksi sotkuksi. Tämän soseen varaus on kuitenkin täsmälleen yhtä suuri kuin siihen sisältyvien protonien kokonaisvaraus, ja massa - melkein (toistan melkein) osuu yhteen ytimen muodostavien neutronien ja protonien massaan.
Muuten ionisoimattoman atomin protonien määrä on aina yhtäpitävä elektronien lukumäärän kanssa, joilla on kunnia ympäröivät sitä. Mutta neutronien kanssa se ei ole niin yksinkertaista. Itse asiassa neutronien tehtävänä on stabiloida ydin, koska ilman niitä vastaavasti varautuneet protonit eivät tule toimeen edes mikrosekunnissa.
Otetaan vety tarkkuuden vuoksi. Yleisin vety. Hänen laite on naurettavan yksinkertainen - yksi protoni ympäröi yksi kiertävä elektroni. Vety universumissa irtotavarana. Voimme sanoa, että maailmankaikkeus koostuu pääasiassa vedystä.
Lisätään nyt neutroni varovasti protoniin. Kemian kannalta se on edelleen vety. Mutta fysiikan näkökulmasta, ei enää. Löydettyään kaksi erilaista vetyä fyysikot olivat huolissaan ja ajattelivat heti kutsuvan tavallista vetyprotumia ja vetyä neutronin kanssa protonin kanssa - deuterium.
Otetaan hermo ja syötetään ydin toiseen neutroniin. Nyt meillä on toinen vety, vielä painavampi - tritium. Kemian näkökulmasta se taas ei käytännössä eroa kahdesta muusta vedystä (paitsi, että se menee nyt reaktioon vähän vähemmän halukkaasti). Haluan varoittaa sinua heti - mikään ponnistus, uhkaukset ja kehotukset eivät pysty lisäämään uutta neutronia tritium-ytimeen. Paikalliset lait ovat paljon tiukempia kuin ihmislait.
Joten protium, deuterium ja tritium ovat vedyn isotooppeja. Niiden atomimassa on erilainen, mutta niiden varaus ei ole. Mutta ydinpanos määrittää sijainnin jaksollisessa elementtitaulukossa. Siksi isotooppeja kutsuttiin isotoopeiksi. Kreikaksi käännettynä tämä tarkoittaa "saman paikan miehittämistä". Muuten tunnettu raskas vesi on sama vesi, mutta siinä on kaksi deuteriumatomia protiumin sijasta. Vastaavasti erittäin raskas vesi sisältää tritiumia protiumin sijasta.
Katsotaanpa toinen katsaus vetyihimme. Joten … Protium paikallaan, deuterium paikallaan … Kuka muu tämä on? Mistä tritium meni ja mistä helium-3 tuli? Tritiumissamme yksi neutroneista kaipasi sitä selvästi, päätti vaihtaa ammattia ja tuli protoniksi. Näin tehdessään hän synnytti elektronin ja antineutriinon. Tritiumin menetys on tietysti pettymys, mutta tiedämme nyt, että se on epävakaa. Neutronien ruokinta ei ollut turhaa.
Joten, kuten ymmärrät, isotoopit ovat vakaita ja epävakaita. Ympärillämme on paljon vakaita isotooppeja, mutta, kiitos jumalan, ei ole käytännössä yhtään epävakaita. Eli ne ovat olemassa, mutta niin hajallaan tilassa, että ne on hankittava paljon työvoiman kustannuksella. Esimerkiksi uraani-235, joka aiheutti niin paljon vaivaa Oppenheimerille, on vain 0,7% luonnollisessa uraanissa.
Puolikas elämä
Kaikki on täällä yksinkertaista. Epävakaan isotoopin puoliintumisaika on ajanjakso, jonka aikana tarkalleen puolet isotoopin atomeista hajoaa ja muuttuu muiksi atomeiksi. Jo tutun tritiumin puoliintumisaika on 12,32 vuotta. Se on melko lyhytikäinen isotooppi, vaikka verrattuna frangiumi-223: een, jonka puoliintumisaika on 22,3 minuuttia, tritium näyttää harmaapartoiselta aksakalilta.
Mitään makroskooppisia ulkoisia tekijöitä (paine, lämpötila, kosteus, tutkijan mieliala, määrärahojen määrä, tähtien sijainti) ei ole vaikutusta puoliintumisaikaan. Kvanttimekaniikka on epäherkkä tällaiselle hölynpölylle.
Suosittu räjähdysmekaniikka
Minkä tahansa räjähdyksen ydin on nopean energian vapautuminen, joka oli aiemmin vapaassa, sidotussa tilassa. Vapautunut energia hajaantuu ja muuttuu pääasiassa lämpöksi (molekyylien häiriintyneen liikkeen kineettiseksi energiaksi), iskuaalloksi (myös tässä liikeiksi, mutta jo järjestetyksi suuntaan räjähdyksen keskustasta) ja säteilyksi - pehmeästä infrapunasta kovaan lyhytaallokseen.
Kemiallisen räjähdyksen myötä kaikki on suhteellisen yksinkertaista. Energisesti hyödyllinen reaktio tapahtuu, kun tietyt aineet ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Vain joidenkin atomien ylemmät elektroniset kerrokset osallistuvat reaktioon, eikä vuorovaikutus mene syvemmälle. On helppo arvata, että missä tahansa aineessa on paljon piilevämpää energiaa. Mutta riippumatta kokeen olosuhteista, riippumatta siitä, kuinka hyvät reagenssit valitsemme, riippumatta siitä, miten kalibroimme mittasuhteet, kemia ei anna meidän mennä syvemmälle atomiin. Kemiallinen räjähdys on alkeellinen ilmiö, tehoton ja fysiikan näkökulmasta ilkeästi heikko.
Ydinketjureaktion avulla voit kaivaa hieman syvemmälle, mukaan lukien pelin lisäksi elektronit, mutta myös ytimet. Tämä kuulostaa todella painavalta, ehkä vain fyysikolle, ja loput annan yksinkertaisen analogian. Kuvittele jättimäinen paino, jonka ympärillä sähköistetyt pölyhiukkaset räpyttelevät useiden kilometrien etäisyydellä. Tämä on atomi, "paino" on ydin ja "pölyhiukkaset" ovat elektroneja. Mitä tahansa teetkin näillä pölyjyvillä, ne eivät anna edes sadasosaa energiasta, joka voidaan saada painopainosta. Varsinkin jos se jostain syystä rikkoutuu ja massiiviset roskat leviävät suurella nopeudella eri suuntiin.
Ydinräjähdys käyttää ytimen muodostavien raskaiden hiukkasten sitoutumispotentiaalia. Mutta tämä on kaukana rajasta: aineessa on paljon enemmän piilevää energiaa. Ja tämän energian nimi on massa. Jälleen muulle kuin fyysikalle tämä kuulostaa hieman oudolta, mutta massa on energiaa, vain erittäin keskittynyt. Jokainen hiukkanen: elektroni, protoni, neutroni - kaikki nämä ovat niukkoja nippuja uskomattoman tiheää energiaa, toistaiseksi levossa. Luultavasti tiedät kaavan E = mc2, jota anekdoottien kirjoittajat, seinälehtien toimittajat ja koululuokkien suunnittelijat rakastavat niin paljon. Hän kertoo tarkalleen tästä, ja juuri hän postuloi massan vain yhtenä energiamuotona. Ja hän vastaa myös kysymykseen siitä, kuinka paljon energiaa aineesta voidaan saada maksimiin.
Prosessia massan täydellisestä siirtymisestä, toisin sanoen energian sitoutumisesta vapaaseen energiaan, kutsutaan tuhoamiseksi. Latinalaisen juuren "nihil" avulla on helppo arvata sen olemus - tämä on muutos "ei mitään" tai pikemminkin säteilyksi. Selvyyden vuoksi muutama numero.
Räjähdys TNT -ekvivalentti energia (J)
F-1 kranaatti 60 grammaa 2,50 * 105
Pommi pudotettiin Hiroshimaan 16 kilotonnille 6,70 * 1013
Yhden gramman aineen tuhoaminen 21,5 kilotonnia 8,99 * 1013
Yksi gramma mitä tahansa ainetta (vain massa on tärkeä) tuhon aikana antaa enemmän energiaa kuin pieni ydinpommi. Tällaiseen paluuseen verrattuna fyysikkojen ydinfissioharjoitukset ja vielä enemmän kemistien kokeet aktiivisilla reagensseilla näyttävät naurettavilta.
Tuhoamiseen tarvitaan sopivia olosuhteita, nimittäin aineen kosketusta antiaineen kanssa. Ja toisin kuin "punainen elohopea" tai "filosofin kivi", antiaine on enemmän kuin todellista - tiedettäville hiukkasille on olemassa ja tutkittu vastaavia hiukkasia, ja käytännössä on toistuvasti tehty kokeita parien "elektroni + positroni" tuhoamisesta. Mutta tuhoavan aseen luomiseksi on tarpeen koota tietty painava määrä hiukkasia, ja myös rajoittaa niiden kosketusta mihinkään asiaan, itse asiassa sotilaalliseen käyttöön. Tämä, pah-pah, on edelleen kaukainen mahdollisuus.
Massavirhe
Viimeinen kysymys, joka on vielä selvitettävä räjähdyksen mekaniikasta, on mistä energia tulee: ketjureaktion aikana vapautuva energia? Tässäkin se ei ollut ilman massaa. Pikemminkin ilman hänen "vikaa".
Viime vuosisadalle asti tutkijat uskoivat, että massa säilyy kaikissa olosuhteissa, ja he olivat oikeassa omalla tavallaan. Joten kastimme metallin happoon - retortti kupli ja kaasukuplat ryntäävät nesteen paksuuden läpi. Mutta jos punnitset reagenssit ennen reaktiota ja sen jälkeen, unohtamatta vapautunutta kaasua, massa lähentyy. Ja näin on aina, kun toimimme kilogrammoilla, metreillä ja kemiallisilla reaktioilla.
Mutta on syytä kaivaa mikrohiukkasten alueelle, koska massa on myös yllätys. On käynyt ilmi, että atomin massa ei välttämättä ole täsmälleen yhtä suuri kuin sen muodostavien hiukkasten massojen summa. Kun raskas ydin (esimerkiksi uraani esimerkiksi) jaetaan osiin, "fragmentit" painavat yhteensä vähemmän kuin ydin ennen fissiota. "Ero", jota kutsutaan myös massavirheeksi, on vastuussa ytimen sidosenergiasta. Ja tämä ero menee lämpöön ja säteilyyn räjähdyksen aikana ja kaikki saman yksinkertaisen kaavan mukaan: E = mc2.
Tämä on mielenkiintoista: tapahtui niin, että on energisesti edullista jakaa raskaat ytimet ja yhdistää kevyet ytimet. Ensimmäinen mekanismi toimii uraani- tai plutoniumpommissa, toinen vetypommissa. Ja et voi tehdä pommia raudasta kaikella halulla: se on täsmälleen keskellä tässä linjassa.
Ydinpommi
Katsotaanpa historiallisessa järjestyksessä ensin ydinpommit ja toteutetaan pieni Manhattan-projekti. En tyydytä sinua tylsillä menetelmillä isotooppien erottamiseksi ja matemaattisilla laskelmilla fissioketjureaktiosta. Sinulla ja minulla on uraania, plutoniumia, muita materiaaleja, asennusohjeet ja tarvittava osuus tieteellisestä uteliaisuudesta.
Fissioketjureaktio Olen jo maininnut, että Enrico Fermi suoritti uraanifissioketjureaktion ensimmäisen kerran joulukuussa 1942. Puhutaan nyt ydinketjureaktiosta tarkemmin.
Kaikki uraanin isotoopit ovat epästabiileja jossakin määrin. Mutta uraani-235 on erityisessä asemassa. Uraani-235-ytimen (kutsutaan myös alfa-hajoamiseksi) spontaanin hajoamisen myötä muodostuu kaksi fragmenttia (muiden, paljon kevyempien elementtien ytimet) ja useita neutroneja (yleensä 2-3). Jos hajoamisen aikana muodostunut neutroni osuu toisen uraaniatomin ytimeen, tapahtuu tavallinen joustava törmäys, neutroni ponnahtaa pois ja etsii edelleen seikkailua. Mutta jonkin ajan kuluttua se tuhlaa energiaa (mieluiten joustavat törmäykset tapahtuvat vain pallomaisilla hevosilla tyhjiössä), ja seuraava ydin osoittautuu ansaksi - neutroni absorboi sen. Muuten, fyysikot kutsuvat tällaista neutronia termiseksi.
Katso luettelo tunnetuista uraanin isotoopeista. Niiden joukossa ei ole isotooppia, jonka atomimassa on 236. Tiedätkö miksi? Tällainen ydin elää mikrosekuntien murto-osina ja sitten hajoaa vapauttamalla valtavan määrän energiaa. Tätä kutsutaan pakotetuksi hajoamiseksi. Tällaisen käyttöiän omaava isotooppi on jotenkin kiusallista kutsua isotoopiksi.
Uraani-235-ytimen hajoamisen aikana vapautuva energia on fragmenttien ja neutronien kineettinen energia. Jos lasketaan uraanin ytimen hajoamistuotteiden kokonaismassa ja verrataan sitä sitten alkuperäisen ytimen massaan, käy ilmi, että nämä massat eivät ole yhteneviä - alkuperäinen ydin oli suurempi. Tätä ilmiötä kutsutaan massavirheeksi, ja sen selitys on esitetty kaavassa E0 = mc2. Fragmenttien kineettinen energia jaettuna valon nopeuden neliöllä on täsmälleen yhtä suuri kuin massojen ero. Fragmentit hidastuvat uraanin kideverkossa aiheuttaen röntgensäteilyä, ja kulkeutuneet neutronit absorboivat muut uraanin ytimet tai lähtevät uraanivalusta, jossa kaikki tapahtumat tapahtuvat.
Jos uraanivalu on pieni, suurin osa neutronista jättää sen ennen kuin ne voivat hidastua. Mutta jos jokainen pakotetun hajoamisen teko aiheuttaa ainakin yhden tällaisen teon päästetyn neutronin takia, se on jo itsensä ylläpitävä halkeamisketjureaktio.
Vastaavasti, jos valun kokoa kasvatetaan, kasvava määrä neutroneja aiheuttaa pakotetun fissio-toiminnan. Ja jossain vaiheessa ketjureaktio muuttuu hallitsemattomaksi. Mutta tämä on kaukana ydinräjähdyksestä. Vain hyvin "likainen" terminen räjähdys, joka vapauttaa suuren määrän erittäin aktiivisia ja myrkyllisiä isotooppeja.
Kriittinen massa
Aivan luonnollinen kysymys - kuinka paljon uraania-235 tarvitaan, jotta fissioketjureaktiosta tulee lumivyöry? Itse asiassa kaikki ei ole niin yksinkertaista. Fissioituvan materiaalin ominaisuuksilla ja tilavuuden ja pinnan suhteella on merkitystä tässä. Kuvittele tonnia uraania-235 (varaan heti - tämä on paljon), joka on olemassa ohuen ja erittäin pitkän langan muodossa. Kyllä, sitä pitkin lentävä neutroni aiheuttaa tietysti pakotetun hajoamisen. Mutta johtoa pitkin lentävien neutronien osuus on niin pieni, että on naurettavaa puhua itseään ylläpitävästä ketjureaktiosta.
Siksi sovimme harkitsemaan pallomaisen valun kriittistä massaa. Puhtaan uraani-235: n kriittinen massa on 50 kg (tämä on pallo, jonka säde on 9 cm). Ymmärrät, että tällainen pallo ei kuitenkaan kestä kauan, kuten ne, jotka heittävät sen.
Jos pienemmän massan palloa ympäröi neutroniheijastin (beryllium sopii siihen täydellisesti) ja palloon tuodaan materiaali - neutronimoderaattori (vesi, raskas vesi, grafiitti, sama beryllium), niin kriittinen massa tulee paljon pienemmäksi. Tehokkaimpia heijastimia ja neutronimoderaattoreita käyttämällä kriittinen massa voidaan nostaa 250 grammaan. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi asettamalla uraanin-235-suolan kylläinen liuos raskasvesiin pallomaisessa berylliumsäiliössä.
Kriittinen massa ei rajoitu uraani-235: een. On myös useita isotooppeja, jotka kykenevät fissioketjureaktioihin. Tärkein edellytys on, että ytimen hajoamistuotteiden on aiheuduttava muiden ytimien hajoamista.
Uraanipommi
Joten meillä on kaksi puolipallon muotoista uraanivalua, jotka painavat 40 kg. Niin kauan kuin he ovat kunnioittavan etäisyyden päässä toisistaan, kaikki on rauhallista. Ja jos aloitat niiden siirtämisen hitaasti? Toisin kuin yleisesti uskotaan, mitään sieniä ei tapahdu. Se on vain, että palat, kun ne lähestyvät, alkavat lämmetä, ja sitten, jos et muuta mieltäsi ajoissa, ne lämpenevät. Loppujen lopuksi ne yksinkertaisesti sulavat ja leviävät, ja kaikki, jotka siirtävät valukappaleita, antavat tammea neutronisäteilystä. Ja ne, jotka katselivat tätä mielenkiinnolla, kiinnittävät räpylät yhteen.
Ja jos nopeammin? Sulaa nopeammin. Nopeampi silti? Ne sulavat vielä nopeammin. Viileä? Kyllä, vaikka kastat sen nestemäiseen heliumiin, siinä ei ole mitään järkeä. Ja jos amput yhden kappaleen toiseen? NOIN! Totuuden hetki. Olemme juuri keksineet uraanitykkiohjelman. Meillä ei kuitenkaan ole mitään ylpeää, tämä järjestelmä on yksinkertaisin ja taidokkain. Kyllä, ja pallonpuoliskot on hylättävä. Kuten käytäntö on osoittanut, he eivät ole taipuvaisia tarttumaan tasaisesti tasoihin. Pienin puolueellisuus - ja saat erittäin kalliin "nipun", jonka jälkeen sinun on puhdistettava pitkään.
Parempi on tehdä lyhyt paksuseinämäinen uraani-235-putki, jonka massa on 30-40 kg, ja jonka reikään kiinnitämme saman kaliiperin lujan teräsputken, joka on ladattu sylinterillä, jolla on suunnilleen sama massa. Ympäröidään uraanikohde berylliumneutroniheijastimella. Jos ammutat uraanin "luodin" uraanin "putkeen" - siellä on täysi "putki". Toisin sanoen tapahtuu ydinräjähdys. Vain sinun täytyy ampua vakavalla tavalla, jotta uraanimurskan kuononopeus on vähintään 1 km / s. Muuten taas tulee "nippu", mutta kovempi. Tosiasia on, että kun ammuksen ja kohteen lähestyessä toisiaan, ne lämpenevät niin paljon, että ne alkavat haihtua voimakkaasti pinnalta, mikä hidastuu tulevista kaasuvirroista. Lisäksi, jos nopeus on riittämätön, on mahdollista, että ammus ei yksinkertaisesti saavuta tavoitetta, vaan haihtuu matkan varrella.
Kiihdyttää tällaiseen nopeuteen useita kymmeniä kiloja painava levy muutaman metrin etäisyydellä on erittäin vaikea tehtävä. Siksi ei tarvitse ruutia, vaan voimakkaita räjähteitä, jotka pystyvät luomaan oikean kaasupaineen tynnyriin hyvin lyhyessä ajassa. Ja sitten sinun ei tarvitse puhdistaa tynnyriä, älä huoli.
Hiroshimalle pudotettu Mk-I "Pikkupoika" -pommi suunniteltiin tykkiohjelman mukaan.
On tietysti merkityksettömiä yksityiskohtia, joita emme ottaneet huomioon projektissamme, mutta emme sitoudu täysin itse periaatetta vastaan.
Plutoniumpommi
Niin. Räjäytimme uraanipommin. Ihailimme sieniä. Nyt räjäytämme plutoniumin. Älä vain vedä maalia, ammusta, tynnyriä ja muuta roskaa tänne. Tämä numero ei toimi plutoniumin kanssa. Vaikka ampumme yhden kappaleen toiseen nopeudella 5 km / s, ylikriittinen kokoonpano ei silti toimi. Plutonium-239: llä on aikaa lämmetä, haihtua ja pilata kaikki ympärillä olevat. Sen kriittinen massa on hieman yli 6 kg. Voit kuvitella kuinka paljon aktiivisempi se on neutronien sieppauksessa.
Plutonium on epätavallinen metalli. Lämpötilasta, paineesta ja epäpuhtauksista riippuen se esiintyy kuudella modifikaatiolla kideverkossa. On jopa muutoksia, joissa se kutistuu kuumennettaessa. Siirtymät vaiheesta toiseen voidaan suorittaa äkillisesti, kun taas plutoniumtiheys voi muuttua 25%. Muistakaamme, että kriittinen massa määräytyy erityisesti tilavuuden ja pinnan suhteen perusteella. Okei, meillä on alikriittinen massapallo, jolla on minimipinta tietylle tilavuudelle. Sanotaan 6 kiloa. Pallon säde on 4,5 cm, ja jos tätä palloa puristetaan kaikilta puolilta? Tiheys kasvaa suhteessa lineaarisen puristuksen kuutioon ja pinta pienenee suhteessa neliöön. Ja näin tapahtuu: plutoniumiatomeista tulee tiheämpiä, toisin sanoen neutronien pysäytysmatkaa lyhennetään,mikä tarkoittaa, että sen imeytymisen todennäköisyys kasvaa. Mutta taas pakkaus vaaditulla nopeudella (noin 10 km / s) ei silti toimi. Umpikuja? Mutta ei.
300 ° C: ssa tapahtuu ns. Delta-vaihe - löysin. Jos plutoniumia seostetaan galliumilla, kuumennetaan tähän lämpötilaan ja jäähdytetään sitten hitaasti, niin deltafaasi voi esiintyä huoneenlämpötilassa. Mutta se ei ole vakaa. Korkeissa paineissa (suuruusluokkaa kymmeniä tuhansia ilmakehiä) tapahtuu äkillinen siirtyminen erittäin tiheään alfa-vaiheeseen.
Aseta plutoniumpallo suureen (halkaisijaltaan 23 cm) ja raskaaseen (120 kg) onttoon uraani-238-palloon. Älä huoli, sillä ei ole kriittistä massaa. Mutta se heijastaa täydellisesti nopeita neutroneja. Ja ne ovat silti hyödyllisiä meille. Luuletko, että he räjäyttivät sen? Ei ole väliä kuinka se on. Plutonium on pirun omituinen yksikkö. Meidän on vielä tehtävä töitä. Tehdään kaksi plutoniumin puolipalloa delta-vaiheessa. Muodostetaan pallomainen ontelo keskelle. Ja tähän onteloon sijoitamme ydinaseiden ajatuksen - neutronien initiaattorin - kvintesenssin. Tämä on niin pieni ontto berylliumpallo, jonka halkaisija on 20 ja paksuus 6 mm. Sen sisällä on toinen berylliumpallo, jonka halkaisija on 8 mm. Onton pallon sisäpinnalla on syviä uria. Kaikki tämä on runsaasti nikkelöity ja kullattu. Polonium-210 sijoitetaan uriin, jotka lähettävät aktiivisesti alfa-hiukkasia. Tässä on sellainen tekniikan ihme. Kuinka se toimii? Hetkinen. Meillä on vielä muutama tehtävä.
Ympäröidään uraanikuori toisella alumiini-booriseoksesta. Sen paksuus on noin 13 cm. Kokonaisuudessaan "pesimäisnukkeemme" on nyt kasvanut puoleen metriin ja toipunut 6 - 250 kilosta.
Nyt aiomme valmistaa imploosilinssejä. Kuvittele jalkapallo. Klassinen, koostuu 20 kuusikulmasta ja 12 viisikulmasta. Tehdään tällainen "pallo" räjähteistä ja varustetaan jokainen osa useilla sähköisillä sytyttimillä. Segmentin paksuus on noin puoli metriä. "Linssien" valmistuksessa on myös paljon hienovaraisuuksia, mutta jos kuvaat niitä, niin kaikelle muulle ei ole tarpeeksi tilaa. Tärkeintä on objektiivin suurin tarkkuus. Pienin virhe - ja koko kokoonpano murskataan räjähteiden räjäytystoiminnolla. Koko kokoonpanon halkaisija on nyt noin puolitoista metriä ja paino 2,5 tonnia. Suunnittelun täydentää sähköpiiri, jonka tehtävänä on räjähtää räjäyttimet tarkasti määritellyssä järjestyksessä mikrosekunnin tarkkuudella.
Kaikki. Edessämme on plutoniumin räjähdyskaavio.
Nyt tulee hauska osa.
Räjähtäessään räjähde puristaa kokoonpanoa, ja alumiininen "työntäjä" ei salli räjähdysaallon hajoamisen etenemän sisäänpäin sen etuosan jälkeen. Ohitettuaan uraanin vastinopeudella noin 12 km / s puristusaalto tiivistää sekä sen että plutoniumin. Plutonium paineissa puristusvyöhykkeellä, joka on luokkaa satoja tuhansia ilmakehiä (räjähtävän rintaman kohdentamisen vaikutus), hyppää alfa-vaiheeseen. 40 mikrosekunnissa tässä kuvattu uraani-plutoniumyhdistelmä ei tule pelkästään ylikriittiseksi, vaan useita kertoja suurempi kuin kriittinen massa.
Saavutettuaan aloittajan puristusaalto murskaa koko rakenteensa monoliitiksi. Tällöin kulta-nikkeli-eriste romahtaa, polonium-210 tunkeutuu diffuusion takia berylliumiin, sen päästämät alfahiukkaset, jotka kulkevat berylliumin läpi, aiheuttavat valtavan neutronivirran, joka laukaisee ketjun fissioreaktion koko plutoniumin tilavuudessa ja syntyvien "nopeiden" neutronien virtauksen plutoniumin hajoaminen aiheuttaa uraani-238: n räjähdyksen. Valmis, olemme kasvattaneet toisen sienen, joka ei ole huonompi kuin ensimmäinen sieni.
Esimerkki plutoniumin räjähdyssuunnitelmasta on Nagasakiin pudotettu Mk-III "Fatman" -pommi.
Kaikkia tässä kuvattuja temppuja tarvitaan pakottamaan enimmäismäärä atomiplutoniumytimiä reagoimaan. Päätehtävänä on pitää varaus kompaktissa tilassa niin kauan kuin mahdollista, jotta se ei siristu kuin plasmapilvi, jossa ketjureaktio loppuu välittömästi. Tässä jokainen voitettu mikrosekunti on yhden tai kahden kilotonnin tehon lisäys.
Lämpöydinpommi
Yleisesti uskotaan, että ydinpommi on lämpöydinpommin sulake. Periaatteessa kaikki on paljon monimutkaisempaa, mutta ydin on kaapattu oikein. Lämpöydinfuusion periaatteisiin perustuvat aseet mahdollistivat sellaisen räjähdysvoiman saavuttamisen, jota ei missään olosuhteissa voida saavuttaa fissioketjureaktiolla. Mutta toistaiseksi ainoa energialähde, joka sallii "sytyttää" ydinfuusioreaktion, on ydinräjähdys.
Lämpöydinfuusio
Muistatko, kuinka "syötimme" vetyydintä neutroneilla? Joten jos yrität liittää kaksi protonia yhteen tällä tavalla, siitä ei tule mitään. Protonit eivät tartu yhteen Coulombin karkottavien voimien takia. Joko ne sironnut, tai beetahajoaminen tapahtuu ja yhdestä protoneista tulee neutroni. Mutta helium-3 on olemassa. Kiitos yhden neutronin, joka tekee protoneista helpommin elettäviä keskenään.
Periaatteessa helium-3-ytimen koostumuksen perusteella voidaan päätellä, että yksi helium-3-ydin voidaan koota kokonaan protiumin ja deuteriumin ytimistä. Teoriassa tämä on niin, mutta tällainen reaktio voi tapahtua vain suurten ja kuumien tähtien suolistossa. Tähtien sisätiloissa heliumia voidaan kerätä jopa pelkästään protoneista muuntamalla osa niistä neutroneiksi. Mutta nämä ovat jo astrofysiikan kysymyksiä, ja meille saavutettavissa oleva vaihtoehto on yhdistää kaksi deuteriumin tai deuteriumin ja tritiumin ydintä.
Yksi hyvin erityinen ehto on välttämätön ytimien fuusioimiseksi. Tämä on erittäin korkea (109 K) lämpötila. Vasta 100 keV: n keskimääräisen kineettisen energian ollessa 100 keV ne pystyvät lähestymään toisiaan etäisyydellä, jolla vahva vuorovaikutus alkaa voittaa Coulomb-vuorovaikutuksen.
Melko oikeutettu kysymys - miksi aita tämä puutarha? Tosiasia on, että kevyiden ytimien fuusio vapauttaa noin 20 MeV: n energian. Tietysti uraanin ytimen pakotetun fissioinnin myötä tämä energia on kymmenen kertaa enemmän, mutta on olemassa yksi varoitus - suurimpien temppujen kanssa uraanivaraus, jonka kapasiteetti on jopa 1 megaton, on mahdotonta. Jopa edistyneemmälle plutoniumpommille saavutettavissa oleva energiantuotto on enintään 7-8 kilotonnia kilogrammalta plutoniumia (teoreettisesti enintään 18 kilotonnia). Ja älä unohda, että uraanin ydin on lähes 60 kertaa raskaampi kuin kaksi deuterium-ydintä. Jos otetaan huomioon ominaisenergiatuotto, lämpöydinfuusio on huomattavasti edessä.
Ja vielä - lämpöydinvaraukselle ei ole rajoituksia kriittiselle massalle. Hänellä ei yksinkertaisesti ole sitä. Siellä on kuitenkin muita rajoituksia, mutta niistä - alla.
Periaatteessa lämpöydinreaktion aloittaminen neutronilähteenä ei ole tarpeeksi vaikeaa. On paljon vaikeampaa käynnistää se energialähteenä. Tässä kohtaamme niin sanotun Lawson-kriteerin, joka määrittää lämpöydinreaktion energiaedun. Jos reagoivien ytimien tiheyden ja niiden sulkeutumisajan fuusioetäisyydellä tulo on suurempi kuin 1014 sek / cm3, fuusion tuottama energia ylittää järjestelmään syötetyn energian.
Kaikki lämpöydinohjelmat oli omistettu tämän kriteerin saavuttamiselle.
Klassinen super
Ensimmäinen Edward Tellerin mieleen tullut lämpöydinpommi oli jotain, joka yritti luoda plutoniumpommi tykkiohjelmalla. Toisin sanoen kaikki näyttää olevan oikein, mutta se ei toimi. "Klassinen super" -laite - nestemäinen deuterium, johon upotetaan plutoniumpommi - oli todellakin klassinen, mutta kaukana super.
Ajatus ydinpanoksen räjähdyksestä nestemäisessä deuteriumväliaineessa osoittautui aluksi umpikujaksi. Tällaisissa olosuhteissa pienin lämpöydinfuusioenergian saanto voitaisiin saavuttaa räjäyttämällä 500 kt ydinvaraus. Ja Lawson-kriteerin saavuttamisesta ei ollut tarvetta puhua ollenkaan.
Pullistaa
Ajatuksen ympäröimään ydinliipaisupanos lämpöydinpolttoainekerroksilla, jotka on leikattu uraani-238: n kanssa lämmöneristeenä ja räjähdusvahvistimena, Teller myös keksi. Eikä vain hän. Ensimmäiset Neuvostoliiton lämpöydinpommit rakennettiin täsmälleen tämän suunnitelman mukaisesti. Periaate oli melko yksinkertainen: ydinvaraus lämmittää ydinpolttoaineen fuusion alkuvaiheen lämpötilaan, ja fuusion aikana syntyvät nopeat neutronit räjähtävät uraani- 238-kerroksia. Rajoitus pysyi kuitenkin samana - lämpötilassa, jonka ydinliipaisin saattoi aikaan, vain halvan deuteriumin ja uskomattoman kalliiden tritiumin seos pääsi fuusioreaktioon.
Myöhemmin Teller keksi idean käyttää litium-6-deuteridia. Tämä ratkaisu mahdollisti kalliiden ja hankalien kryogeenisten säiliöiden hylkäämisen nestemäisellä deuteriumilla. Lisäksi neutroneilla tapahtuvan säteilytyksen seurauksena litium-6 muuttui heliumiksi ja tritiumiksi, mikä aloitti fuusioreaktion deuteriumin kanssa.
Tämän järjestelmän haittana oli rajallinen teho - vain rajoitetulla osalla liipaisinta ympäröivää lämpöydinpolttoainetta oli aikaa päästä fuusioreaktioon. Loput menivät tuuleen riippumatta siitä kuinka paljon se oli. Suurin latausteho, joka saavutettiin "puffia" käytettäessä, oli 720 kt (British Orange Herald -pommi). Ilmeisesti se oli "katto".
Teller-Ulam-järjestelmä
Olemme jo puhuneet Teller-Ulam-järjestelmän kehityksen historiasta. Ymmärretään nyt tämän piirin tekniset yksityiskohdat, jota kutsutaan myös "kaksivaiheiseksi" tai "säteilypuristuspiiriksi".
Tehtävämme on lämmittää ydinpolttoainetta ja pitää se tietyssä määrin Lawson-kriteerin täyttämiseksi. Jättäen syrjään amerikkalaiset harjoitukset kryogeenisillä piireillä, otakaamme meille jo tiedossa oleva litium-6-deuteridi lämpöydinpolttoaineeksi.
Valitsemme uraani-238: n lämpöydinvarauksen säiliön materiaalina. Säiliö on lieriömäinen. Säiliön akselin suuntaan sijoitamme sen sisään sylinterimäisen tangon, joka on valmistettu uraani-235: stä, jolla on alikriittinen massa.
Huomaa: sensaatiomainen neutronipommi on tuolloin sama Teller-Ulam-malli, mutta ilman uraanitankoa säiliön akselia pitkin. Tarkoituksena on tarjota voimakas nopeiden neutronien virtaus, mutta ei sallia kaiken neutronia kuluttavan lämpöydinpolttoaineen palamista.
Täytä loput säiliön vapaasta tilasta litium-6-deuteridilla. Sijoitamme astian tulevan pommin rungon yhteen päähän (tämä on toinen vaihe), ja toiseen päähän asennetaan tavanomainen plutoniumpanos, jonka kapasiteetti on useita kilotonnia (ensimmäinen vaihe). Ydin- ja lämpöydinvarausten väliin asennamme uraani-238-osion estämään litium-6-deuteridin ennenaikaista kuumenemista. Täytä loput pommirungon sisällä olevasta vapaasta tilasta kiinteällä polymeerillä. Periaatteessa terminen ydinpommi on valmis.
Kun ydinvaraus räjäytetään, 80% energiasta vapautuu röntgensäteinä. Sen etenemisnopeus on paljon suurempi kuin plutoniumifissiofragmenttien. Sadasosassa mikrosekunnissa uraanisuojus haihtuu, ja lämpöydinvaraussäiliön uraani alkaa absorboida röntgensäteilyä voimakkaasti. Niin sanotun ablaation (massan poistaminen lämmitetyn astian pinnalta) seurauksena ilmestyy reaktiivinen voima, joka puristaa astiaa 10 kertaa. Juuri tätä vaikutusta kutsutaan säteilyaltistukseksi tai säteilypuristukseksi. Tässä tapauksessa fuusiopolttoaineen tiheys kasvaa 1000 kertaa. Säteilyaltistuksen valtavan paineen seurauksena myös uraani-235: n keskitanko puristuu, vaikkakin vähemmässä määrin, ja siirtyy ylikriittiseen tilaan. Tähän mennessä lämpöydinlohkoa pommitetaan nopeilla neutroneilla ydinräjähdyksestä. Kun ne ovat kulkeneet litium-6-deuteridin läpi, ne hidastuvat ja uraanitanko imeytyy voimakkaasti.
Fissioketjureaktio alkaa tangosta, mikä johtaa nopeasti ydinräjähdykseen säiliön sisällä. Koska litium-6-deuteridi puristuu ulkopuolelta ablatiivisesti ja ydinräjähdyksen paine sisäpuolelta, sen tiheys ja lämpötila kasvavat vielä enemmän. Tämä hetki on synteesireaktion alkamisen alku. Sen jatkohuolto määräytyy sen mukaan, kuinka kauan säiliö pitää ydinprosessit itsessään, estäen lämpöenergian vapautumisen ulkopuolella. Tämä määrittää Lawson-kriteerin saavuttamisen. Lämpöydinpolttoaineen palaminen etenee sylinterin akselilta sen reunaan. Palamisetulämpötila saavuttaa 300 miljoonaa kelviiniä. Se kestää pari sataa nanosekuntia, jotta räjähdys kehittyy kokonaan ydinpolttoaineen palamiseen ja säiliön tuhoutumiseen saakka - 20 miljoonaa kertaa nopeammin kuin luet tämän lauseen.
Kaksivaiheisen piirin luotettava toiminta riippuu astian tarkasta kokoonpanosta ja ennenaikaisen kuumennuksen estämisestä.
Lämpöydinvarauksen teho Teller-Ulam-järjestelmässä riippuu ydinliipaisimen tehosta, mikä varmistaa tehokkaan puristuksen säteilyllä. Nyt on kuitenkin olemassa myös monivaiheisia kaavioita, joissa edellisen vaiheen energia käytetään seuraavan pakkaamiseen. Esimerkki kolmivaiheisesta järjestelmästä on jo mainittu 100 megatonin "Kuz'kina-äiti".