Järgmisel Hiroshima ja Nagasaki badabumi aastapäeval otsustasin tuumarelvade küsimusi uurida Internetist, kus ja miks see loodi, mind vähe huvitas (ma juba teadsin) - mind huvitas rohkem see, kuidas 2 plutooniumi tükki ei sula, vaid teevad suure laia.
Hoidke inseneridel silma peal - nad alustavad külvikuga ja lõpevad aatomipommiga.
Marcel Pagnol
Tuumafüüsika on auväärse loodusteaduse üks vaieldavamaid valdkondi. Just selles piirkonnas viskas inimkond pool sajandit miljardeid dollareid, naela, franke ja rublasid nagu hilise rongi veduri ahju. Nüüd ei tundu rong enam hiljaks jäävat. Põlenud rahade ja inimtundide möllavad leegid vaibusid. Proovime lühidalt mõista, mis tüüpi rong on nn tuumafüüsika.
Isotoopid ja radioaktiivsus
Nagu teate, koosneb kõik olemasolev aatomitest. Aatomid koosnevad omakorda elektroonilistest kestadest, mis elavad oma meeletute seaduste järgi, ja tuumast. Klassikaline keemia pole sugugi huvitatud tuumast ja tema isiklikust elust. Naise jaoks on aatom tema elektronid ja nende võime interaktsioone vahetada. Ja keemia tuumast lähtuvalt on reagentide osakaalu arvutamiseks vaja ainult selle massi. Omakorda ei hooli tuumafüüsika elektronidest sügavalt. Teda huvitab väike (100 tuhat korda väiksem kui elektronide orbiidi raadius) tolmulaik aatomi sees, kuhu on koondunud peaaegu kogu selle mass.
Reklaamvideo:
Mida me südamikust teame? Jah, see koosneb positiivselt laetud prootonitest ja neutronitest ilma elektrilaenguta. See pole siiski päris tõsi. Tuum pole käputäis kahevärvilisi pallikesi, nagu kooli õpiku illustratsioonil. Siin töötavad täiesti erinevad seadused, mida nimetatakse tugevaks interaktsiooniks, muutes nii prootonid kui ka neutronid mingiks eristamatuks segaduseks. Kuid selle pudru laeng on täpselt võrdne selles sisalduvate prootonite kogu laenguga ja mass - peaaegu (kordan, peaaegu) langeb kokku tuuma moodustavate neutronite ja prootonite massiga.
Muide, ioniseerimata aatomi prootonite arv langeb alati kokku elektronide arvuga, kellel on au seda ümbritseda. Kuid neutronitega pole see nii lihtne. Tegelikult on neutronite ülesandeks tuuma stabiliseerimine, kuna ilma nendeta ei saaks sarnaselt laetud prootonid koos isegi mikrosekundites.
Võtame määratluseks vesiniku. Kõige tavalisem vesinik. Tema seade on naerdes lihtne - üks prooton, mida ümbritseb üks orbiidil olev elektron. Vesinik universumis lahtiselt. Võime öelda, et universum koosneb peamiselt vesinikust.
Lisame nüüd prootonile hoolikalt neutroni. Keemia seisukohalt on see ikkagi vesinik. Kuid füüsika seisukohalt enam mitte. Olles avastanud kaks erinevat vesinikku, tundsid füüsikud muret ja mõtlesid kohe nimetada tavalist vesinikku prootiumiks ja vesinikku koos neutroniga koos prootoniga - deuteerium.
Võtame närvi ja toidame tuuma veel ühe neutroniga. Nüüd on meil veel üks veelgi raskem vesinik - triitium. Keemia seisukohalt ei erine see jällegi praktiliselt kahest ülejäänud vesinikust (noh, välja arvatud see, et nüüd siseneb see reaktsiooni veidi vähem meelsasti). Tahan teid kohe hoiatada - ükski pingutus, ähvardused ja manitsused ei suuda triitiumi tuuma lisada veel ühte neutronit. Kohalikud seadused on palju rangemad kui inimõigused.
Niisiis on protium, deuteerium ja triitium vesiniku isotoopid. Nende aatomimass on erinev, kuid nende laeng mitte. Kuid just tuumalaeng määrab asukoha perioodilises elementide tabelis. Sellepärast nimetati isotoope isotoopideks. Kreeka keelest tõlgituna tähendab see "sama koha hõivamist". Muide, tuntud raske vesi on sama vesi, kuid protiumi asemel on kaks deuteeriumi aatomit. Vastavalt sisaldab üliraske vesi protiumi asemel triitiumi.
Vaatame veel kord oma vesinikke. Niisiis … Protium paigas, deuteerium paigas … Kes see veel on? Kust mu triitium kadus ja kust tuli heelium-3? Meie triitiumis jäi üks neutronitest selgelt mööda, otsustas vahetada elukutset ja sai prootoniks. Seda tehes tekitas ta elektroni ja antineutriino. Triitiumi kaotus on muidugi pettumus, kuid nüüd teame, et see on ebastabiilne. Neutronite toitmine ei olnud asjata.
Niisiis, nagu sa aru said, on isotoopid stabiilsed ja ebastabiilsed. Meie ümber on palju stabiilseid isotoope, kuid jumal tänatud, ebastabiilseid praktiliselt pole. See tähendab, et nad on olemas, kuid nii hajutatud olekus, et neid tuleb saada palju tööjõu hinnaga. Näiteks Oppenheimeriga nii palju vaeva tekitanud uraani-235 on looduslikus uraanis vaid 0,7%.
Pool elu
Siin on kõik lihtne. Ebastabiilse isotoobi poolväärtusaeg on ajaintervall, mille jooksul täpselt pool isotoobi aatomitest laguneb ja muutub mõneks muuks aatomiks. Juba tuttava triitiumi poolväärtusaeg on 12,32 aastat. See on üsna lühiajaline isotoob, kuigi võrreldes frantsium-223-ga, mille poolväärtusaeg on 22,3 minutit, näeb triitium välja nagu halli habemega aksakal.
Poolväärtusaega ei mõjuta makroskoopilised välistegurid (rõhk, temperatuur, niiskus, uurija meeleolu, assigneeringute summa, tähtede asukoht). Kvantmehaanika on sellise jama suhtes tundetu.
Populaarne plahvatusmehaanika
Iga plahvatuse olemus on energia kiire vabanemine, mis oli varem vabas, seotud olekus. Vabanenud energia hajub, muutudes valdavalt kuumuseks (molekulide häiritud liikumise kineetiliseks energiaks), lööklaineks (ka siin liikumiseks, kuid juba tellitud, plahvatuse keskpunkti suunas) ja kiirguseks - pehmest infrapunast lühikese lainepikkusega kvantideni.
Keemilise plahvatuse korral on kõik suhteliselt lihtne. Energeetiliselt kasulik reaktsioon toimub siis, kui teatud ained suhtlevad omavahel. Reaktsioonis osalevad ainult mõnede aatomite ülemised elektroonilised kihid ja vastastikmõju ei lähe sügavamale. On lihtne arvata, et mistahes aines on palju varjatud energiat. Kuid olenemata katse tingimustest, hoolimata sellest, kui edukad reaktiivid me valime, olenemata sellest, kuidas kalibreerime proportsioone, ei lase keemia meil aatomi sügavamale minna. Keemiline plahvatus on primitiivne nähtus, ebaefektiivne ja füüsika seisukohalt rõvedalt nõrk.
Tuumaahelreaktsioon võimaldab teil veidi sügavamale kaevuda, sealhulgas mängus mitte ainult elektronid, vaid ka tuumad. See kõlab võib-olla ainult füüsiku jaoks tõesti kaalukalt ja ülejäänud osas annan lihtsa analoogia. Kujutage ette hiiglaslikku kaalu, mille ümber lehvivad elektrifitseeritud tolmuosakesed mitme kilomeetri kaugusel. See on aatom, "kaal" on tuum ja "tolmuosakesed" on elektronid. Ükskõik, mida teete nende tolmuteradega, ei anna need isegi sajandikku energiast, mida kaalukaalus saada on. Eriti kui see mingil põhjusel puruneb ja massiline praht laiali suure kiirusega eri suundades.
Tuumaplahvatus kasutab tuuma moodustavate raskete osakeste sidumispotentsiaali. Kuid see pole kaugeltki piir: aine varjatud energiat on palju rohkem. Ja selle energia nimi on mass. Jällegi kõlab see mittefüüsikule veidi imelikult, kuid mass on energia, ainult äärmiselt kontsentreeritud. Iga osake: elektron, prooton, neutron - kõik need on kasinad, uskumatult tiheda energiaga hunnikud, esialgu puhkeasendis. Tõenäoliselt teate valemit E = mc2, mida anekdootide autorid, seinalehtede toimetajad ja kooliklasside kujundajad nii väga armastavad. See on täpselt see, mida ta räägib, ja just tema postuleerib massi kui midagi muud kui ühte energiavormi. Ja vastab ka küsimusele, kui palju saab ainest maksimaalselt energiat.
Massi täieliku ülemineku protsessi, see tähendab energia sidumist vabasse energiaks, nimetatakse hävitamiseks. Ladinakeelse tüve "nihil" järgi on selle olemust lihtne aimata - see on muundumine "mitte millekski" või õigemini kiirguseks. Selguse huvides mõned numbrid.
TNT plahvatuse ekvivalentenergia (J)
F-1 granaat 60 grammi 2,50 * 105
Pomm langes Hiroshimale 16 kilotonni 6,70 * 1013
Ühe grammi aine hävitamine 21,5 kilotonni 8,99 * 1013
Üks gramm mis tahes ainet (oluline on ainult mass) hävitamise ajal annab rohkem energiat kui väike tuumapomm. Sellise tagasitulekuga võrreldes tunduvad füüsikute harjutused tuuma lõhustamisel ja veelgi enam keemikute katsed aktiivsete reaktiividega naeruväärsed.
Hävitamiseks on vaja sobivaid tingimusi, nimelt aine kokkupuudet antiainega. Ja erinevalt "punasest elavhõbedast" või "filosoofi kivist" on antiaine enam kui reaalne - meile teadaolevate osakeste jaoks on sarnased antiosakesed olemas ja neid on uuritud ning praktikas on korduvalt läbi viidud paaride "elektron + positron" hävitamise katseid. Kuid hävitusrelva loomiseks on vaja kokku panna teatud kaalukas kogus antiosakesi ja piirata nende kokkupuudet mistahes küsimusega kuni sõjalise kasutamiseni. See, pah-pah, on endiselt kauge väljavaade.
Massiviga
Viimane küsimus, mis plahvatuse mehaanika osas jääb selgitamata, on see, kust tuleb energia: see, mis eraldub ahelreaktsiooni käigus? Siingi ei olnud see ilma massita. Pigem ilma tema "puuduseta".
Kuni eelmise sajandini uskusid teadlased, et mass säilib mis tahes tingimustel ja neil oli omal moel õigus. Niisiis kastsime metalli happesse - retort mullitas üles ja gaasimullid tormasid läbi vedeliku paksuse. Kuid kui kaalute reaktiive enne ja pärast reaktsiooni, unustamata vabanenud gaasi, siis mass läheneb. Ja see on alati nii, kui tegutseme kilogrammide, meetrite ja keemiliste reaktsioonidega.
Kui aga mikroosakeste piirkonda süüvida, üllatab ka mass. Selgub, et aatomi mass ei pruugi olla täpselt võrdne selle moodustavate osakeste masside summaga. Kui raske tuum (näiteks uraan) lõhustatakse osadeks, kaaluvad "fragmendid" kokku vähem kui tuum enne lõhustumist. "Erinevus", mida nimetatakse ka massidefektiks, vastutab tuumas olevate sidemienergiate eest. Ja see erinevus läheb plahvatuse ajal soojusesse ja kiirgusse ja kõik sama lihtsa valemi järgi: E = mc2.
See on huvitav: juhtus nii, et raskete tuumade jagamine ja kergete ühendamine on energeetiliselt kasulik. Esimene mehhanism töötab uraani või plutooniumi pommis, teine vesinikupommis. Ja kogu sooviga ei saa rauast pommi teha: see on selles reas täpselt keskel.
Tuumapomm
Vaatame ajaloolises järjestuses kõigepealt tuumapomme ja viime läbi oma väikese Manhattani projekti. Ma ei tüüta teid igavate isotoopide eraldamise meetodite ja lõhustumise ahelreaktsiooni teooria matemaatiliste arvutustega. Teil ja mul on uraani, plutooniumi, muid materjale, montaažijuhiseid ja vajalik osa teaduslikust uudishimust.
Lõhustumisahela reaktsioon Olen juba maininud, et uraani lõhustumisahela reaktsiooni viis esimest korda läbi 1942. aasta detsembris Enrico Fermi. Nüüd räägime tuumaahela reaktsioonist üksikasjalikumalt.
Kõik uraani isotoopid on ühel või teisel määral ebastabiilsed. Kuid uraan-235 on eriolukorras. Uraani-235 tuuma (nimetatakse ka alfa lagunemiseks) spontaansel lagunemisel moodustub kaks fragmenti (teiste, palju kergemate elementide tuumad) ja mitu neutronit (tavaliselt 2-3). Kui lagunemise käigus tekkinud neutron tabab teise uraani aatomi tuuma, toimub tavaline elastne kokkupõrge, neutron põrkab maha ja jätkab seikluste otsimist. Kuid mõne aja pärast raiskab see energiat (ideaaljuhul toimuvad elastsed kokkupõrked ainult sfääriliste hobustega vaakumis) ja järgmine tuum osutub lõksuks - neutron neelab selle endasse. Muide, füüsikud nimetavad sellist neutronit termiliseks.
Vaadake teadaolevate uraani isotoopide loendit. Nende hulgas pole isotoopi, mille aatommass on 236. Kas tead, miks? Selline tuum elab mikrosekundite murdosa ulatuses ja laguneb seejärel tohutu hulga energia vabanemisega. Seda nimetatakse sunniviisiliseks lagunemiseks. Sellise elueaga isotoopi on isegi kuidagi ebamugav nimetada.
Uraan-235 tuuma lagunemisel eralduv energia on fragmentide ja neutronite kineetiline energia. Kui arvutame uraanituuma lagunemissaaduste kogumassi ja seejärel võrdleme seda algse tuuma massiga, selgub, et need massid ei lange kokku - algtuum oli suurem. Seda nähtust nimetatakse massidefektiks ja selle seletus on esitatud valemis E0 = mc2. Kildude kineetiline energia, mis on jagatud valguskiiruse ruuduga, on täpselt võrdne massi erinevusega. Fragmendid aeglustuvad uraani kristallvõres, põhjustades röntgenkiirgust ja liikunud neutronid neelduvad teiste uraani tuumade poolt või lahkuvad uraani valust, kus toimuvad kõik sündmused.
Kui uraani valamine on väike, siis enamik neutroneid lahkub sellest enne, kui nad võivad aeglustada. Aga kui iga sunnitud lagunemise akt põhjustab eralduva neutroni tõttu veel vähemalt ühe sellise teo, on see juba iseeneslik lõhustumise ahelreaktsioon.
Seega, kui valamise suurust suurendatakse, põhjustab suurenev neutronite arv sundlõhustumise. Ja mingil hetkel muutub ahelreaktsioon kontrollimatuks. Kuid see pole kaugeltki tuumaplahvatus. Lihtsalt väga "räpane" termiline plahvatus, mis vabastab suure hulga väga aktiivseid ja mürgiseid isotoope.
Kriitiline mass
Päris loomulik küsimus - kui palju uraani-235 on vaja, et lõhustumisahela reaktsioonist saaks laviin? Tegelikult pole kõik nii lihtne. Lõhustuvate materjalide omadused ning mahu ja pinna suhe mängivad siin rolli. Kujutage ette tonni uraani-235 (teen kohe broneeringu - seda on palju), mis on olemas õhuke ja väga pikk traat. Jah, seda mööda lendav neutron põhjustab muidugi sunnitud lagunemise. Kuid traati mööda lendavate neutronite osa on nii väike, et naeruväärne on rääkida isemajandavast ahelreaktsioonist.
Seetõttu leppisime kokku kaaluda sfäärilise valamise kriitilist massi. Puhta uraani-235 puhul on kriitiline mass 50 kg (see on pall, mille raadius on 9 cm). Saate aru, et selline pall ei kesta siiski kaua, nagu need, kes selle viskavad.
Kui väiksema massiga palli ümbritseb neutronreflektor (berüllium sobib selleks suurepäraselt) ja palli viiakse materjal - neutronimoderaator (vesi, raske vesi, grafiit, sama berüllium), siis muutub kriitiline mass palju väiksemaks. Kõige tõhusamate reflektorite ja neutronite moderaatorite abil saab kriitilist massi suurendada 250 grammini. Seda on võimalik saavutada näiteks uraan-235 soola küllastunud lahuse asetamisega raskesse vette sfäärilisse berülliumianumasse.
Kriitiline mass ei piirdu uraan-235-ga. Samuti on mitmeid isotoobi, mis on võimelised lõhustumisahela reaktsioonideks. Peamine tingimus on see, et tuuma laguproduktid peavad põhjustama teiste tuumade lagunemist.
Uraanipomm
Nii et meil on kaks poolkera uraanivalu kaaluga 40 kg. Kuni nad on üksteisest lugupidaval kaugusel, on kõik rahulik. Ja kui hakkate neid aeglaselt liigutama? Vastupidiselt levinud arvamusele ei toimu midagi seentamist. Lihtsalt tükid lähenedes hakkavad soojenema ja siis, kui te ei mõtle õigeaegselt ümber, siis nad kuumenevad. Lõpuks nad lihtsalt sulavad ja levivad ning kõik, kes valandeid liigutasid, annavad tamme neutronikiiritusest. Ja need, kes seda huviga jälgisid, liimivad lestad kokku.
Ja kui kiiremini? Sulab kiiremini. Kiirem ikka? Need sulavad veelgi kiiremini. Lahe? Jah, isegi kui kastate selle vedelasse heeliumi, pole sellest mõtet. Ja kui lasete ühe tüki teise otsa? Umbes! Tõehetk. Me mõtlesime just välja uraanikahuri skeemi. Meil pole aga millegi üle uhke olla, see skeem on kõige lihtsam ja osavam. Jah, ja poolkerad tuleb hüljata. Nagu praktika on näidanud, ei kipu nad lennukitega ühtlaselt kokku hoidma. Väikseimgi moonutus - ja saate väga kalli "hunniku", mille järel peate pikka aega puhastama.
Parem on teha lühike paksude seintega uraan-235 toru massiga 30-40 kg, mille auku kinnitame sama kaliibriga kõrgtugeva terasest tünni, mis on laaditud ligikaudu sama massiga sama uraani silindriga. Ümbritame uraani sihtmärgi berülliumneutron reflektoriga. Nüüd, kui tulistate uraani "kuuli" uraani "torule" - seal on täis "toru". See tähendab, et toimub tuumaplahvatus. Ainult teie peate laskma tõsiselt, nii et uraanimürsu koonu kiirus oleks vähemalt 1 km / s. Vastasel juhul tuleb jällegi "kamp", kuid valjem. Fakt on see, et kui mürsk ja sihtmärk lähenevad üksteisele, kuumenevad nad nii palju, et hakkavad pinnalt intensiivselt aurustuma, pidurdades seda lähenevate gaasivoogude tõttu. Veelgi enam, kui kiirus on ebapiisav, siis on tõenäosus, et mürsk lihtsalt ei jõua sihtmärgini, vaid aurustub selle käigus.
Sellise kiiruseni kiirendada on mitmekümne kilogrammi kaaluv ketas, pealegi paarimeetrisel distantsil, ülimalt keeruline ülesanne. Seetõttu pole vaja püssirohtu, vaid võimsaid lõhkeaineid, mis suudavad barrelis õige lühikese aja jooksul õige gaasirõhu tekitada. Ja siis ei pea te tünni puhastama, ärge muretsege.
Hiroshimale heidetud pomm Mk-I "Väike poiss" kujundati kahuriskeemi järgi.
Muidugi on tähtsusetuid detaile, mida me oma projektis arvesse ei võtnud, kuid me ei pühendunud täielikult põhimõtte enda vastu.
Plutooniumi pomm
Niisiis. Lõhkasime uraanipommi. Imetlesime seent. Nüüd laseme plutooniumi õhku. Lihtsalt ärge lohistage sihti, mürsku, tünni ja muud prügi siia. Plutooniumiga see arv ei tööta. Isegi kui tulistame ühe tüki teise kiirusega 5 km / s, ei toimi ülkriitiline komplekt ikkagi. Plutoonium-239-l on aega kõike ümbritsevat soojendada, aurustada ja rikkuda. Selle kriitiline mass on veidi üle 6 kg. Võite ette kujutada, kui palju aktiivsem ta neutronite püüdmisel on.
Plutoonium on ebatavaline metall. Sõltuvalt temperatuurist, rõhust ja lisanditest on see kristallvõre kuues modifikatsioonis. On isegi modifikatsioone, mille korral see kuumutades kahaneb. Üleminekuid ühest faasist teise saab teha järsult, samal ajal kui plutooniumi tihedus võib muutuda 25%. Lähme nagu kõik tavalised kangelased ringi. Tuletame meelde, et kriitiline mass määratakse eelkõige mahu ja pinna suhte järgi. Okei, meil on alamkriitiline masspall, millel on antud mahu jaoks minimaalne pind. Oletame, et 6 kilogrammi. Palli raadius on 4,5 cm. Ja kui seda palli igast küljest pigistada? Tihedus suureneb proportsionaalselt lineaarse kokkusurumise kuupiga ja pind väheneb proportsionaalselt selle ruuduga. Ja see juhtub: plutooniumi aatomid muutuvad tihedamaks, see tähendab, et neutronite peatumistee lüheneb,mis tähendab, et selle neeldumise tõenäosus suureneb. Kuid jällegi ei toimi vajaliku kiirusega (umbes 10 km / s) kokkusurumine ikkagi. Tupiktee? Kuid mitte.
300 ° C juures toimub nn deltafaas - kõige lõdvenem. Kui plutoonium lisatakse galliumiga, kuumutatakse selle temperatuurini ja jahutatakse seejärel aeglaselt, võib deltafaas olla toatemperatuuril. Kuid see ei ole stabiilne. Kõrgel rõhul (suurusjärgus kümneid tuhandeid atmosfääre) toimub järsk üleminek väga tihedasse alfafaasi.
Asetage plutooniumkuul suurde (läbimõõduga 23 cm) ja raskesse (120 kg) õõnespurki uraan-238. Ärge muretsege, sellel pole kriitilist massi. Kuid see peegeldab suurepäraselt kiireid neutroneid. Ja need on meile endiselt kasulikud. Kas arvate, et nad lasid selle õhku? Ükskõik, kuidas see on. Plutoonium on neetud kapriisne üksus. Peame ikka tööd tegema. Teeme deltafaasis kaks plutooniumi poolkera. Moodustame keskele sfäärilise õõnsuse. Ja sellesse õõnsusse paigutame tuumarelvade mõtte kvintessentsi - neutronite initsiaatori. See on selline väike õõnes berülliumkuul läbimõõduga 20 ja paksusega 6 mm. Selle sees on veel üks berülliumkuul läbimõõduga 8 mm. Õõneskuuli sisepinnal on sügavad sooned. Kõik see on heldelt nikeldatud ja kullatud. Soonidesse pannakse poloonium-210, mis eritab aktiivselt alfaosakesi. Siin on selline tehnikaime. Kuidas see töötab? Oota sekund. Meil on veel mõned asjad teha.
Ümbritseme uraanikest teise alumiinium-boori sulamist valmistatud kestaga. Selle paksus on umbes 13 cm. Kokku on meie "pesitsev nukk" kasvanud poole meetrini ja taastunud 6-lt 250 kg-ni.
Nüüd hakkame valmistama implantatsiooniläätse. Kujutage ette jalgpallipalli. Klassikaline, koosneb 20 kuusnurgast ja 12 viisnurgast. Valmistame sellise "palli" lõhkeainetest ja varustame iga osa mitme elektrilise detonaatoriga. Segmendi paksus on umbes pool meetrit. "Läätsede" valmistamisel on ka palju peensusi, kuid kui neid kirjeldada, siis kõige muu jaoks pole piisavalt ruumi. Peamine on objektiivi maksimaalne täpsus. Väikseimgi viga - ja kogu komplekt purustatakse lõhkeainete lõhkamise tagajärjel. Kogu komplekti läbimõõt on nüüd umbes poolteist meetrit ja kaal 2,5 tonni. Projekteerimise lõpetab elektriskeem, mille ülesandeks on detonaatorite detoneerimine rangelt määratletud järjestuses mikrosekundi täpsusega.
Kõik. Enne meid on plutooniumi implosiooniskeem.
Ja nüüd lõbus osa.
Plahvatades surub lõhkeaine sõlme kokku ja alumiiniumist "tõukur" ei lase lööklaine lagunemisel selle esiosa järgselt sissepoole levida. Läbinud uraani vastukiirusega umbes 12 km / s surub tihenduslaine nii selle kui ka plutooniumi kokku. Plutoonium survetsoonis umbes sadade tuhandete atmosfääride rõhul (plahvatusohtliku fookuse mõju) hüppab alfafaasi. 40 mikrosekundi jooksul ei muutu siin kirjeldatud uraani-plutooniumi komplekt mitte lihtsalt ülkriitiliseks, vaid mitu korda suuremaks kui kriitiline mass.
Initsiaatorini jõudnud, purustab tihenduslaine kogu selle struktuuri monoliidiks. Sellisel juhul variseb kuld-nikkel isolatsioon kokku, difusiooni tõttu tungib poloonium-210 berülliumi, selle poolt eraldatud alfaosakesed, läbides berülliumi, põhjustavad kolossaalse neutronite voogu, mis käivitavad ahelõhustumisreaktsiooni kogu plutooniumi mahus ja tekivad "kiirete" neutronite voog plutooniumi lagunemine põhjustab uraan-238 plahvatuse. Valmis, meil on kasvanud teine seen, mitte halvem kui esimene.
Plutooniumi sissetõmbamisskeemi näiteks on Nagasakile heidetud pomm Mk-III "Fatman".
Kõiki siin kirjeldatud trikke on vaja selleks, et sundida maksimaalse arvu aatomplutooniumi tuumade reageerima. Peamine ülesanne on hoida laengut võimalikult kaua kompaktses olekus, et vältida selle hajumist nagu plasmapilv, milles ahelreaktsioon koheselt peatub. Siin on iga võidetud mikrosekund kasv ühe või kahe kilotonnise võimsuse suurenemisena.
Termotuumapomm
Levinud on veendumus, et tuumapomm on termotuumapommi kaitse. Põhimõtteliselt on kõik palju keerulisem, kuid olemus on õigesti tabatud. Termotuumasünteesi põhimõtetel põhinevad relvad võimaldasid saavutada sellise plahvatusjõu, mida ei saa mingil juhul saavutada lõhustumisahela reaktsiooniga. Kuid seni on ainus energiaallikas, mis võimaldab termotuumasünteesireaktsiooni "süüdata", tuumaplahvatus.
Termotuumasüntees
Mäletate, kuidas me vesinikutuuma neutronitega "toitsime"? Seega, kui proovite sel viisil kahte prootonit omavahel ühendada, ei tule sellest midagi välja. Prootonid ei kleepu Coulombi tõrjuvate jõudude tõttu. Kas nad hajuvad või toimub beetalagunemine ja üks prootonitest saab neutroniks. Kuid heelium-3 on olemas. Tänu ühele neutronile, mis muudab prootonid üksteisega paremini elatavaks.
Põhimõtteliselt võib heelium-3 tuuma koostise põhjal järeldada, et ühe heelium-3 tuuma saab protiumi ja deuteeriumi tuumadest täielikult kokku panna. Teoreetiliselt on see nii, kuid selline reaktsioon võib tekkida ainult suurte ja kuumade tähtede sisikonnas. Veelgi enam, tähtede sügavuses, isegi mõnest prootonist, võib heeliumi koguda, muutes osa neist neutroniteks. Kuid need on juba astrofüüsika küsimused ja meie jaoks on võimalik lahendus ühendada kaks deuteeriumi või deuteeriumi ja triitiumi tuuma.
Tuumade sulandumiseks on vajalik üks väga konkreetne tingimus. See on väga kõrge (109 K) temperatuur. Ainult keskmise tuumade kineetilise energia korral 100 keV suudavad nad läheneda kaugusele, kus tugev interaktsioon hakkab Coulombi interaktsioonist üle saama.
Päris õigustatud küsimus - miks seda aeda tarastada? Fakt on see, et kergete tuumade sulandamisel vabaneb energia umbes 20 MeV. Muidugi on uraanituuma sundlõhustumisel seda energiat kümme korda rohkem, kuid on üks hoiatus - suurimate trikkide korral on võimatu isegi 1-megatonise võimsusega uraanilaeng. Isegi arenenuma plutooniumpommi puhul on saavutatav energiakogus mitte rohkem kui 7–8 kilotonni kilogrammi plutooniumi kohta (teoreetiliselt maksimaalselt 18 kilotonni). Ja ärge unustage, et uraani tuum on ligi 60 korda raskem kui kaks deuteeriumi tuuma. Kui arvestada konkreetse energia saagisega, siis on termotuumasüntees märgatavalt ees.
Ja veel - termotuumalaengu jaoks pole kriitilise massi suhtes mingeid piiranguid. Tal lihtsalt pole seda. Siiski on muid piiranguid, kuid nende kohta - allpool.
Põhimõtteliselt ei ole termotuumareaktsiooni käivitamine neutroniallikana piisavalt keeruline. Seda on palju raskem kasutada energiaallikana. Siin seisame silmitsi nn Lawsoni kriteeriumiga, mis määrab termotuumareaktsiooni energiaeelise. Kui reageerivate tuumade tiheduse ja nende sulandumise aja korrutis sulandumisdistantsil on suurem kui 1014 sek / cm3, ületab termotuumasünteesi pakutav energia süsteemi sisestatud energia.
Kõik selle tuumaprogrammid olid pühendatud selle kriteeriumi saavutamisele.
Klassikaline super
Esimene Edward Telleri pähe tulnud termotuumapommiskeem sarnanes prooviga luua kahuriskeemi abil plutooniumpomm. See tähendab, et kõik näib olevat õige, kuid ei toimi. "Klassikalise superi" seade - vedel deuteerium, millesse on sukeldatud plutooniumpomm - oli tõepoolest klassikaline, kuid kaugeltki mitte super.
Idee tuumalaengu plahvatamisest vedelas deuteeriumikeskkonnas osutus esialgu tupikteeks. Sellistes tingimustes oleks võimalik saavutada väikseim termotuuma termotuumasünteesienergia saagis 500 kt tuumalaengu lõhkamisega. Ja Lawsoni kriteeriumi saavutamisest polnud üldse vaja rääkida.
Puff
Idee ümbritseda tuumalaengu päästik termotuumakütuse kihtidega, mille vahele on soojusisolaatori ja plahvusvõimendiga võimendatud uraan-238, tuli ka Telleri välja. Ja mitte ainult tema. Esimesed Nõukogude termotuumapommid ehitati täpselt selle skeemi järgi. Põhimõte oli üsna lihtne: tuumalaeng kuumutab termotuumakütuse termotuumasünteesi alguse temperatuurini ja termotuumasünteesi käigus tekkivad kiired neutronid plahvatavad uraan-238 kihte. Piirang jäi siiski samaks - temperatuuril, mida tuumapäästik suudab pakkuda, pääseb termotuumasünteesi reaktsiooni ainult odava deuteeriumi ja uskumatult kalli triitiumi segu.
Hiljem tuli Teller ideega kasutada liitium-6-deuteeriidi. See lahendus võimaldas loobuda kallitest ja ebamugavatest krüogeensetest mahutitest vedela deuteeriumiga. Lisaks muundati liitium-6 neutronitega kiiritamise tulemusel heeliumiks ja triitiumiks, mis viis liitumisreaktsiooni deuteeriumiga.
Selle skeemi puuduseks oli piiratud võimsus - ainult piiratud osa päästikut ümbritsevast termotuumakütusest oli aega sulandumisreaktsiooni siseneda. Ülejäänud, ükskõik kui palju see ka ei olnud, läks tuule kätte. "Puffi" kasutamisel saadi maksimaalselt laetud võimsust 720 kt (British Orange Heraldi pomm). Ilmselt oli see "lagi".
Telleri-Ulami skeem
Teller-Ulami skeemi väljatöötamise ajaloost oleme juba rääkinud. Mõistame nüüd selle vooluahela tehnilisi üksikasju, mida nimetatakse ka "kaheastmeliseks" või "kiirguse kokkusurumise" vooluringiks.
Meie ülesandeks on termotuumakütuse kuumutamine ja hoidmine teatud mahus, et täita Lawsoni kriteerium. Jättes kõrvale Ameerika krüogeensete vooluringidega tehtud harjutused, võtkem termotuumakütusena juba meile teadaolevat liitium-6 deuteeriidi.
Termotuumalaengu mahuti materjaliks valime uraani-238. Mahuti on silindrikujuline. Mööda mahuti telge asetame selle sisse silindrilise varda, mis on valmistatud uraan-235-st, millel on alamkriitiline mass.
Märkus: tolleaegne sensatsiooniline neutronpomm on sama Teller-Ulami skeem, kuid ilma mahutiteljel oleva uraanivarreta. Asi on pakkuda kiirete neutronite võimsat voogu, kuid mitte lubada kogu neutronit tarbiva termotuumakütuse läbipõlemist.
Täitke ülejäänud mahuti vaba ruum liitium-6 deuteriidiga. Asetame konteineri tulevase pommi kere ühte otsa (see on teine etapp) ja teises otsas paigaldame tavapärase mitme kilotonni mahutavusega plutooniumilaengu (esimene etapp). Tuuma- ja termotuumalaengute vahele paigaldame liitium-6 deuteeriidi enneaegse kuumutamise vältimiseks vaheseina uraan-238. Täitke ülejäänud pommikeha sees olev vaba ruum tahke polümeeriga. Põhimõtteliselt on termotuumapomm valmis.
Tuumalaengu lõhkamisel vabaneb 80% energiast röntgenkiirte kujul. Selle levimiskiirus on palju suurem kui plutooniumi lõhustumise fragmentidel. Sajandites mikrosekundis aurustub uraanikilp ja termotuumalaengu konteineri uraan hakkab röntgenkiirgust intensiivselt neelama. Niinimetatud ablatsiooni (massi eemaldamine kuumutatud anuma pinnalt) tulemusena tekib reaktiivjõud, mis surub anumat 10 korda kokku. Just seda efekti nimetatakse kiirguse implosiooniks või kiirituse kokkusurumiseks. Samal ajal suureneb termotuumasünteesikütuse tihedus 1000 korda. Kiirguse sissetungimise kolossaalse rõhu tagajärjel surutakse ka uraan-235 keskvarras kokku, ehkki vähemal määral, ja läheb üle kriitilisse olekusse. Selleks ajaks pommitatakse termotuuma plokki tuumaplahvatuse kiirete neutronitega. Pärast liitium-6 deuteeriidi läbimist aeglustuvad nad ja uraanivarras imendub intensiivselt.
Vardas algab lõhustumisahela reaktsioon, mis viib konteineri sees kiiresti tuumaplahvatuseni. Kuna liitium-6 deuteriid surutakse väljastpoolt ablatiivsesse kompressiooni ja tuumaplahvatuse rõhk seestpoolt, suureneb selle tihedus ja temperatuur veelgi. See hetk on sünteesireaktsiooni alguse algus. Selle edasise hoolduse määrab see, kui kaua mahuti termotuumaprotsesse enda sees hoiab, takistades soojusenergia vabanemist väljaspool. See määrab Lawsoni kriteeriumi saavutamise. Termotuumakütuse põlemine toimub silindri teljelt selle servani. Põlemise esikülje temperatuur ulatub 300 miljoni kelvini. Plahvatuse täielikuks tekkimiseks kuni termotuumakütuse läbipõlemiseni ja konteineri hävitamiseni kulub paarsada nanosekundit - paarkümmend miljonit korda kiiremini, kui seda fraasi lugeda.
Kaheastmelise vooluahela usaldusväärne töö sõltub mahuti täpsest kokkupanekust ja enneaegse kuumutamise vältimisest.
Termotuuma laengu võimsus Teller-Ulami skeemi jaoks sõltub tuumapäästiku võimsusest, mis tagab kiirguse abil tõhusa kokkusurumise. Kuid nüüd on olemas mitmeastmelised skeemid, kus eelmise etapi energia kasutatakse järgmise kokkusurumiseks. Kolmeastmelise skeemi näiteks on juba mainitud 100-megatonine "Kuz'kina ema".
