velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

Атомная бомба

Таинственное устройство, способное выделить гигаджоули энергии в течение непередаваемо малого промежутка времени, окружено наизловещей романтикой. Что и гласить, в мире работы по ядерному оружию были глубоко засекречены, а сама бомба обросла массой легенд и легенд. Попробуем разобраться с ними по порядку.





Критичная масса

Все слышали, что есть некоторая критичная масса, которую необходимо набрать, чтоб началась цепная ядерная реакция. Вот только для того, чтоб произошел реальный ядерный взрыв, одной критичной массы недостаточно – реакция закончится фактически одномоментно, до того как успеет выделиться приметная энергия. Для полномасштабного взрыва в несколько килотонн либо 10-ов килотонн необходимо мгновенно собрать две-три, а лучше четыре-пять критичных масс.

Кажется естественным, что необходимо сделать две либо несколько деталей из урана либо плутония и в требуемый момент соединить их. Справедливости ради нужно сказать, что так же задумывались и физики, когда брались за конструирование ядерной бомбы. Но реальность занесла свои коррективы.

Дело в том, что если б у нас был очень незапятнанный уран-235 либо плутоний-239, то можно было бы так и сделать, но ученым пришлось иметь дело с реальными металлами. Обогащая природный уран, можно сделать смесь, содержающую 90% урана-235 и 10% урана-238, пробы избавиться от остатка урана-238 ведут к очень резвому удорожанию этого материала (его именуют высокообогащенным ураном). Плутоний-239, который получают в ядерном реакторе из урана238 при делении урана-235, непременно содержит примесь плутония-240.

Изотопы уран235 и плутоний239 именуются четно-нечетными, потому что ядра их атомов содержат четное число протонов (92 для урана и 94 для плутония) и нечетное число нейтронов (143 и 145 соответственно). Все четно-нечетные ядра томных частей владеют общим свойством: они изредка делятся самопроизвольно (ученые молвят: «спонтанно»), но просто делятся при попадании в ядро нейтрона.

Уран-238 и плутоний-240 – четно-четные. Они, напротив, фактически не делятся нейтронами малых и умеренных энергий, которые вылетают из делящихся ядер, но зато в сотки либо 10-ки тыщ раз почаще делятся спонтанно, образуя нейтронный фон. Этот фон очень очень затрудняет создание ядерных боеприпасов, так как вызывает раннее начало реакции, до того как повстречаются две детали заряда. Из-за этого в приготовленном к взрыву устройстве части критичной массы должны быть размещены довольно далековато друг от друга, а соединяться с большой скоростью.

Пушечная бомба

Все же, бомба, сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, была изготовлена конкретно по вышеперечисленной схеме. Две ее детали, мишень и пуля, были сделаны из высокообогащенного урана. Мишень была цилиндром поперечником 16см и высотой тоже 16см. В ее центре было отверстие поперечником 10см. В согласовании с этим отверстием и была сделана пуля. Всего бомба содержала 64кг урана.

Мишень была окружена оболочкой, внутренний слой которой был сделан из карбида вольфрама, внешний – из стали. Предназначение у оболочки было двойным: удержать пулю, когда она воткнется в мишень, и отразить хотя бы часть вылетающих из урана нейтронов назад. С учетом отражателя нейтронов 64 кг составляли 2,3 критичных массы. Как это выходило, ведь любой из кусков был субкритическим? Дело в том, что, вынимая из цилиндра среднюю часть, мы уменьшаем его среднюю плотность и значение критичной массы увеличивается. Таким макаром, масса этой части может превосходить критичную массу для сплошного кусочка металла. А вот прирастить массу пули таким макаром нереально, ведь она должна быть сплошной.

И мишень, и пуля были собраны из кусочков: мишень из нескольких колец малой высоты, а пуля из 6 шайб. Причина ординарна – заготовки из урана должны были быть маленькими по размеру, ведь при изготовлении (отливке, прессовании) заготовки полное количество урана не должно приближаться к критичной массе. Пуля была заключена в тонкостенную оболочку из нержавеющей стали, с крышкой из карбида вольфрама, как у оболочки мишени.

Для того чтоб навести пулю в центр мишени, решили использовать ствол обыкновенной зенитной пушки калибра 76,2 мм. Вот почему бомбу такового типа именуют время от времени бомбой пушечной сборки. Ствол был расточен изнутри до 100 мм, чтоб в него вошел настолько необыкновенный снаряд. Длина ствола составляла 180 см. В его зарядную камеру загружался обыденный бездымный порох, который выстреливал пулю со скоростью приблизительно в 300 м/с. А другой конец ствола запрессовали в отверстие в оболочке мишени.

У этой конструкции была масса недочетов.

Она была страшенно небезопасной: после того как порох был загружен в зарядную камеру, неважно какая катастрофа, которая могла его воспламенить, привела бы к взрыву бомбы на полную мощность. Из-за этого зарядка пироксилина происходила уже в воздухе, когда самолет подлетал к цели.

При аварии самолета урановые детали могли объединиться и без пороха, просто от сильного удара о землю. Чтоб избежать этого, поперечник пули был на долю мм больше поперечника канала в стволе.

Если б бомба свалилась в воду, то из-за замедления нейтронов в воде реакция могла бы начаться даже и без соединения частей. Правда, при всем этом ядерный взрыв маловероятен, но произошел бы термический взрыв, с распылением урана на огромную местность и радиоактивным инфецированием.

Длина бомбы таковой конструкции превосходила два метра, и это практически неодолимо. Ведь критичное состояние достигалось, и реакция начиналась, когда до остановки пули было еще хороших полуметра!

В конце концов, эта бомба была очень расточительной: прореагировать в ней успевало меньше 1% урана!

Достоинство же у пушечной бомбы было ровно одно: она не могла не сработать. Ее даже не собирались испытывать! А вот плутониевую бомбу америкосы должны были испытать: уж очень нова и сложна была ее конструкция.

Плутониевый футбольный мяч

Когда выяснилось, что даже крохотная (меньше 1%!) примесь плутония-240 делает неосуществимой пушечную сборку плутониевой бомбы, физики были обязаны находить другие методы набрать критичную массу. И ключ к плутониевой взрывчатке отыскал человек, который позднее стал самым известным «ядерным шпионом», – английский физик Клаус Фукс.

Его мысль, получившая позднее заглавие «имплозия», заключалась в формировании сходящейся сферической ударной волны из расходящейся, при помощи так именуемых взрывчатых линз. Эта ударная волна должна была сжать кусочек плутония так, чтоб его плотность возросла в два раза.

Если уменьшение плотности вызывает повышение критичной массы, то повышение плотности должно ее уменьшить! Для плутония это в особенности животрепещуще. Плутоний – материал очень специфичный. При охлаждении кусочка плутония от температуры плавления до комнатной, он претерпевает четыре фазовых перехода. При последнем (около 122 градусов) его плотность скачком возрастает на 10%. При всем этом неважно какая отливка безизбежно растрескивается. Чтоб этого избежать, плутоний легируют каким-либо трехвалентным металлом, тогда размеренным становится неплотное состояние. Можно использовать алюминий, но в 1945 году боялись, что альфа-частицы, вылетающие из ядер плутония при их распаде, будут выбивать из ядер алюминия свободные нейтроны, увеличивая и без того приметный нейтронный фон, потому в первой атомной бомбе был применен галлий.

Из сплава, содержащего 98% плутония-239, 0,9% плутония-240 и 0,8% галлия, был сделан шарик поперечником всего 9 см и весом около 6,5 кг. В центре шарика была полость поперечником 2 см, и он состоял из 3-х деталей: 2-ух половинок и цилиндрика поперечником 2 см. Этот цилиндрик служил пробкой, через которую во внутреннюю полость можно было воткнуть зачинатель – источник нейтронов, который срабатывал при взрыве бомбы. Все три детали пришлось никелировать, так как плутоний очень интенсивно окисляется воздухом и водой и очень небезопасен при попадании вовнутрь человеческого организма.

Шарик был окружен отражателем нейтронов из природного урана238 шириной 7 см и весом 120 кг. Уран – неплохой отражатель стремительных нейтронов, и в собранном виде система была только малость субкритической, потому заместо плутониевой пробки вставлялась кадмиевая, поглощавшая нейтроны. Отражатель служил к тому же для удержания всех деталей критичной сборки во время реакции, по другому большая часть плутония разлеталась, не успевая принять роли в ядерной реакции.

Далее шел 11,5-сантиметровый слой дюралевого сплава весом 120 кг. Предназначение слоя такое же, как у просветления на линзах объективов: сделать так, чтоб взрывная волна просочилась в ураново-плутониевую сборку, а не отразилась от нее. Это отражение происходит из-за большой различия плотностей взрывчатки и урана (приблизительно 1:10). Не считая того, в ударной волне прямо за волной сжатия идет волна разрежения, так именуемый эффект Тейлора. Слой алюминия ослаблял волну разрежения, которая уменьшала действие взрывчатки. Алюминий пришлось легировать бором, который всасывал нейтроны, вылетающие из ядер атомов алюминия под воздействием альфа-частиц, возникающих при распаде урана-238.

В конце концов, снаружи находились те же «взрывчатые линзы». Их было 32 (20 шестигранных и 12 пятигранных), они создавали структуру, похожую на футбольный мяч. Любая линза состояла из 3-х частей, при этом средняя была сделана из специальной «медленной» взрывчатки, а внешняя и внутренняя – из «быстрой». Наружняя часть была сферической снаружи, но снутри на ней была коническая впадина, как на кумулятивном заряде, вот только предназначение ее было другое. Этот конус был заполнен неспешной взрывчаткой, и на границе раздела происходило преломление взрывной волны подобно обыкновенной световой волне. Но подобие тут очень условное. В сути, форма этого конуса и есть один из реальных секретов ядерной бомбы.

Посреди 40-х годов в мире не было таких компов, на которых можно было бы высчитать форму таких линз, а главное – не было даже подходящей теории. Потому они делались только способом проб и ошибок. Пришлось провести более тыщи взрывов – и не просто провести, а сфотографировать особыми скоростными камерами, регистрируя характеристики взрывной волны. Когда была отработана уменьшенная версия, выяснилось, что взрывчатка так просто не масштабируется, и потребовалось очень корректировать старенькые результаты.

Точность формы необходимо было соблюсти с ошибкой меньше мм, а состав и однородность взрывчатки выдерживать максимально аккуратненько. Изготавливать детали можно было только литьем, потому годились не все взрывчатые вещества. Стремительная взрывчатка была консистенцией гексогена и тротила, при этом гексогена было вдвое больше. Неспешная – тот же тротил, но с добавкой инертного нитрата бария. Скорость детонационной волны в первой взрывчатке составляет 7,9 км/с, а во 2-ой – 4,9 км/с.

Детонаторы вмонтировали в центр внешней поверхности каждой линзы. Все 32 детонатора должны были сработать сразу с невиданной точностью – наименее 10 наносекунд, другими словами миллиардных толикой секунды! Таким макаром, фронт ударной волны не был должен исказиться больше чем на 0,1 мм. С таковой же точностью необходимо было скооперировать и сопряженные поверхности линз, а ведь ошибка их производства была в 10 раз больше! Пришлось повозиться и издержать много туалетной бумаги и скотча, чтоб скомпенсировать некорректности. Но система стала не достаточно похожа на теоретическую модель.

Пришлось изобрести новые детонаторы: старенькые не обеспечивали подабающей синхронности. Они были изготовлены на базе взрывающихся под массивным импульсом электронного тока проволочек. Для их срабатывания пригодилась батарея из 32 высоковольтных конденсаторов и того же количества быстродействующих разрядников – по одному на каждый детонатор. Вся система, совместно с батареями и зарядным устройством для конденсаторов, весила в первой бомбе практически 200 кг. Вобщем, по сопоставлению с весом взрывчатки, которой ушло 2,5 т, это было малость.

В конце концов вся конструкция была заключена в алюминиевый сферический корпус, состоявший из широкого пояса и 2-ух крышек – верхней и нижней, все эти детали собирались на болтах. Конструкция бомбы позволяла собрать ее без плутониевого сердечника. Для того чтоб воткнуть на место плутоний совместно с кусочком уранового отражателя, отвинчивали верхнюю крышку корпуса и вынимали одну взрывчатую линзу.

Война с Японией шла к концу, и америкосы очень спешили. Но имплозионную бомбу нужно было испытать. Этой операции было присвоено кодовое имя «Тринити» («Троица»). Да уж, атомная бомба должна была показать мощь, доступную ранее только богам.

Блестящий фуррор

Место для тесты было выбрано в штате Нью-Мексико, в местечке с красочным заглавием Джорнададель-Муэрто (Путь погибели) – территория заходила в артиллерийский полигон Аламагордо. Бомбу начали собирать 11 июля 1945 года. Четырнадцатого июля ее подняли на вершину специально построенной башни высотой 30 м, подключили провода к детонаторам и начались последние стадии подготовки, связанные с огромным количеством измерительной аппаратуры. 16 июля 1945 года в полшестого утра устройство было взорвано.

Температура в центре взрыва добивается нескольких миллионов градусов, потому вспышка ядерного взрыва еще ярче Солнца. Пламенный шар держится несколько секунд, позже начинает подниматься, темнеть, из белоснежного становится оранжевым, потом багряным, и появляется сейчас известный ядерный гриб. 1-ое грибовидное скопление взошло на высоту в 11 км.

Энергия взрыва составила больше 20 кт тротилового эквивалента. Большая часть измерительной аппаратуры была уничтожена, так как физики рассчитывали на 510 т и поставили технику очень близко. В остальном это был фуррор, блестящий фуррор!

Но америкосы столкнулись с внезапным радиоактивным инфецированием местности. Шлейф радиоактивных осадков протянулся на 160 км к северо-востоку. Из маленького города Бингэм пришлось эвакуировать часть населения, но как минимум пятеро местных обитателей получили дозы до 5760 рентген.

Выяснилось, что, чтоб избежать инфецирования, бомбу нужно взрывать на довольно большой высоте, минимум километр-полтора, тогда продукты радиоактивного распада рассеиваются на площади в сотки тыщ либо даже миллионы квадратных км и растворяются в глобальном радиационном фоне.

2-ая бомба таковой конструкции была сброшена на Нагасаки 9 августа, через 24 денька после чего тесты и через три денька после бомбардировки Хиросимы. С того времени фактически все атомные боеприпасы употребляют технологию имплозии. 1-ая русская бомба РДС-1, испытанная 29 августа 1949 года, была изготовлена по таковой же схеме.






Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments