На следващата годишнина от създаването на бадабум в Хирошима и Нагасаки реших да поразгледам интернет за въпроси относно ядрените оръжия, къде защо и как е създадено, не ме интересува много (вече знаех) - повече ме интересуваше как 2 парчета плутоний не се топят, а правят голяма широка.
Следете инженерите - те започват със сеялка и завършват с атомна бомба.
Марсел Паньол
Ядрената физика е една от най-противоречивите области на почтената естествена наука. Именно в тази област човечеството в продължение на половин век хвърля милиарди долари, лири, франкове и рубли, като в локомотивната пещ на закъснял влак. Сега влакът изглежда вече не закъснява. Бушуващите пламъци на изгарящи средства и човекочасове утихнаха. Нека се опитаме накратко да разберем какъв е влакът, наречен „ядрена физика“.
Изотопи и радиоактивност
Както знаете, всичко съществуващо се състои от атоми. Атомите от своя страна се състоят от електронни черупки, живеещи в съответствие със своите умопомрачителни закони и ядро. Класическата химия изобщо не се интересува от ядрото и личния му живот. За нея атомът е неговите електрони и способността им да обменят взаимодействие. А от ядрото на химията е необходима само неговата маса, за да се изчислят пропорциите на реагентите. На свой ред ядрената физика не се интересува дълбоко от електроните. Тя се интересува от малка (100 хиляди пъти по-малка от радиуса на електронните орбити) прашинка вътре в атом, в която е концентрирана почти цялата му маса.
Промоционално видео:
Какво знаем за ядрото? Да, той се състои от положително заредени протони и неутрони без електрически заряд. Това обаче не е напълно вярно. Ядрото не е шепа двуцветни топки, както е на илюстрация от училищен учебник. Работят напълно различни закони, наречени силно взаимодействие, които трансформират както протоните, така и неутроните в някаква неразличима бъркотия. Зарядът на тази каша обаче е точно равен на общия заряд на включените в нея протони, а масата - почти (повтарям, почти) съвпада с масата на неутроните и протоните, изграждащи ядрото.
Между другото, броят на протоните на нейонизиран атом винаги съвпада с броя на електроните, които имат честта да го заобикалят. Но с неутроните не е толкова просто. Всъщност задачата на неутроните е да стабилизират ядрото, тъй като без тях подобно заредени протони не биха се сближили дори за микросекунди.
Да вземем водорода за определеност. Най-често срещаният водород. Устройството му е смешно просто - един протон, заобиколен от един орбитален електрон. Водород във Вселената в насипно състояние. Можем да кажем, че Вселената се състои главно от водород.
Сега нека внимателно добавим неутрон към протона. От гледна точка на химията, той все още е водород. Но от гледна точка на физиката, вече не. След като откриха два различни водорода, физиците се разтревожиха и веднага се сетиха да нарекат обикновения водород протиум, а водород с неутрон с протон - деутерий.
Нека вземем нерва и нахраним ядрото с друг неутрон. Сега имаме друг водород, още по-тежък - тритий. Той отново, от гледна точка на химията, практически не се различава от другите два водорода (добре, освен че сега той влиза в реакцията малко по-малко охотно). Искам веднага да ви предупредя - никакви усилия, заплахи и предупреждения няма да могат да добавят друг неутрон към ядрото на трития. Местните закони са много по-строги от човешките.
Така че протеумът, деутерият и тритийът са изотопи на водорода. Атомната им маса е различна, но зарядът им не е такъв. Но това е ядреният заряд, който определя местоположението в периодичната таблица на елементите. Ето защо изотопите бяха наречени изотопи. В превод от гръцки това означава „заемане на едно и също място“. Между другото, добре познатата тежка вода е същата вода, но с два деутериеви атома вместо противоум. Съответно свръхтежката вода съдържа тритий вместо протиум.
Нека да разгледаме още веднъж нашите водороди. И така … Протиум на място, деутерий на място … Кой друг е това? Къде отиде моят тритий и откъде идва хелий-3? В нашия тритий един от неутроните явно го пропусна, реши да смени професията си и се превърна в протон. По този начин той поражда електрон и антинейтрино. Загубата на тритий, разбира се, е разочароваща, но сега знаем, че е нестабилна. Храненето на неутрони не беше напразно.
Както разбрахте, изотопите са стабилни и нестабилни. Около нас има изобилие от стабилни изотопи, но, слава Богу, практически няма нестабилни. Тоест те съществуват, но в толкова разпръснато състояние, че трябва да бъдат получени с цената на много труд. Например, уран-235, който е причинил толкова много неприятности за Опенхаймер, е само 0,7% в естествения уран.
Полуживот
Тук всичко е просто. Полуживотът на нестабилен изотоп е периодът от време, през който точно половината от атомите на изотопа се разпадат и се превръщат в някои други атоми. Вече познатият тритий има период на полуразпад 12,32 години. Това е доста краткотраен изотоп, въпреки че в сравнение с франций-223, който има период на полуразпад 22,3 минути, тритийът прилича на сивобрад аксакал.
Никакви макроскопични външни фактори (налягане, температура, влажност, настроението на изследователя, количеството апробации, местоположението на звездите) не влияят на полуживота. Квантовата механика е нечувствителна към подобни глупости.
Популярна механика на експлозията
Същността на всяка експлозия е бързото освобождаване на енергия, която преди е била в несвободно, свързано състояние. Освободената енергия се разпръсква, преобладаващо се превръща в топлина (кинетична енергия на неподредено движение на молекулите), ударна вълна (тук също движение, но вече подредено, в посока от центъра на експлозията) и лъчение - от мека инфрачервена до твърди кванти с къса дължина.
При химическа експлозия всичко е относително просто. Енергийно полезна реакция възниква, когато някои вещества взаимодействат помежду си. В реакцията участват само горните електронни слоеве на някои атоми и взаимодействието не се задълбочава. Лесно е да се досетим, че във всяко вещество има много по-латентна енергия. Но независимо от условията на експеримента, независимо колко добри са реагентите, които избираме, независимо от това как калибрираме пропорциите, химията няма да ни позволи да влезем по-дълбоко в атома. Химическият взрив е примитивно явление, неефективно и от гледна точка на физиката, нецензурно слабо.
Ядрената верижна реакция ви позволява да копаете малко по-дълбоко, включително в играта не само електрони, но и ядра. Това звучи наистина сериозно, може би, само за физик, а за останалото ще дам проста аналогия. Представете си гигантска тежест, около която електрифицирани прахови частици пърхат на разстояние няколко километра. Това е атом, „тежестта“е ядро, а „праховите частици“са електрони. Каквото и да правите с тези прахови зърна, те няма да дадат дори една стотна от енергията, която може да се получи от тежка тежест. Особено, ако по някаква причина се счупи и масивни отломки се разпръскват с голяма скорост в различни посоки.
Ядрената експлозия използва свързващия потенциал на тежки частици, които изграждат ядрото. Но това далеч не е ограничението: в материята има много по-латентна енергия. И името на тази енергия е маса. Отново, за нефизик това звучи малко странно, но масата е енергия, само изключително концентрирана. Всяка частица: електрон, протон, неутрон - всичко това са оскъдни купчини с невероятно плътна енергия, засега в покой. Вероятно знаете формулата E = mc2, която авторите на анекдоти, редакторите на стенни вестници и дизайнерите на училищни класни стаи обичат толкова много. Точно за това е тя и тя е тази, която постулира масата като нищо повече от една форма на енергия. И тя също отговаря на въпроса колко енергия може да се получи от дадено вещество до максимум.
Процесът на пълен преход на масата, т.е. свързаната енергия в свободна енергия, се нарича унищожаване. По латинския корен "nihil" е лесно да се досетим за същността му - това е трансформация в "нищо", или по-скоро в радиация. За по-голяма яснота, няколко цифри.
Експлозия TNT еквивалентна енергия (J)
F-1 граната 60 грама 2,50 * 105
Бомбата хвърли върху Хирошима 16 килотона 6,70 * 1013
Унищожаване на един грам вещество 21,5 килотона 8,99 * 1013
Един грам от всякакви вещества (само масата е важна) по време на унищожаването ще даде повече енергия от малка ядрена бомба. В сравнение с подобна възвръщаемост упражненията на физиците по ядрено делене и още повече експериментите на химици с активни реагенти изглеждат смешни.
За унищожаването са необходими подходящи условия, а именно контактът на материята с антиматерията. И за разлика от „червения живак“или „философския камък“, антиматерията е повече от реална - за частиците, които познаваме, подобни античастици съществуват и са били проучвани, а експерименти за унищожаване на двойки „електрон + позитрон“многократно са провеждани на практика. Но за да се създаде унищожително оръжие, е необходимо да се съберат определени тежки обеми от античастици и също така да се ограничат от контакт с каквато и да е материя, всъщност до военна употреба. Това, ъ-ъ-ъ, все още е далечна перспектива.
Масов дефект
Последният въпрос, който остава да бъде изяснен по отношение на механиката на експлозия, е откъде идва енергията: тази, която се отделя по време на верижната реакция? Тук отново не беше без маса. По-скоро без нейния „дефект“.
До миналия век учените вярваха, че масата се запазва при всякакви условия и те бяха прави по свой начин. Затова потопихме метала в киселината - ретортата избухна и газовите мехурчета се втурнаха нагоре през дебелината на течността. Но ако претеглите реагентите преди и след реакцията, без да забравяте отделения газ, масата се сближава. И винаги ще бъде така, докато оперираме с килограми, метри и химични реакции.
Но след като се задълбочите в областта на микрочастиците, масата също изненадва. Оказва се, че масата на атома може да не е точно равна на сумата от масите на частиците, които го съставят. Когато тежко ядро (например уран, например) се раздели на части, "фрагментите" общо тежат по-малко от ядрото преди делене. "Разликата", наричана още масов дефект, е отговорна за енергиите на връзката в ядрото. И именно тази разлика отива в топлина и радиация по време на експлозията и всичко по същата проста формула: E = mc2.
Това е интересно: стана така, че е енергийно изгодно да се разделят тежки ядра и да се обединят леките. Първият механизъм работи при бомба с уран или плутоний, а вторият при водородна бомба. И не можете да направите бомба от желязо с цялото желание: тя е точно в средата в този ред.
Ядрена бомба
В историческа последователност, нека първо разгледаме ядрените бомби и изпълним нашия малък проект в Манхатън. Няма да ви отегчавам от скучни методи за разделяне на изотопи и математически изчисления на теорията на верижната реакция на делене. Ние с вас имаме уран, плутоний, други материали, инструкции за сглобяване и необходимия дял от научно любопитство.
Верижна реакция на делене Вече споменах, че верижната реакция на делене на уран е проведена за първи път през декември 1942 г. от Енрико Ферми. Сега нека поговорим за ядрената верижна реакция по-подробно.
Всички изотопи на урана са нестабилни в една или друга степен. Но уран-235 е в особено положение. При спонтанното разпадане на ядрото на уран-235 (наричано още алфа разпад) се образуват два фрагмента (ядра от други, много по-леки елементи) и няколко неутрона (обикновено 2-3). Ако неутронът, образуван по време на разпадането, удари ядрото на друг уран атом, ще има обичайно еластично сблъсък, неутронът ще отскочи и ще продължи да търси приключение. Но след известно време ще хаби енергия (в идеалния случай еластични сблъсъци се случват само със сферични коне във вакуум), а следващото ядро ще се окаже капан - неутронът ще бъде абсорбиран от него. Между другото, физиците наричат такива неутронни термични.
Вижте списъка на известните изотопи на урана. Сред тях няма изотоп с атомна маса 236. Знаете ли защо? Такова ядро живее за части от микросекунди и след това се разпада с освобождаването на огромно количество енергия. Това се нарича принудително разпадане. Изотоп с такъв живот е някак неудобно да се нарича изотоп.
Енергията, отделена по време на разпадането на ядрото уран-235, е кинетичната енергия на фрагменти и неутрони. Ако изчислим общата маса на продуктите на разпада на ядрото на урана и след това я сравним с масата на първоначалното ядро, се оказва, че тези маси не съвпадат - първоначалното ядро е било по-голямо. Това явление се нарича дефект на масата и обяснението му е заложено във формулата E0 = mc2. Кинетичната енергия на фрагментите, разделена на квадрата на скоростта на светлината, ще бъде точно равна на разликата в масата. Фрагментите се забавят в кристалната решетка на урана, пораждайки рентгеново излъчване, а неутроните, пътувайки, се абсорбират от други ядра на урана или напускат урановата отливка, където се случват всички събития.
Ако леенето на уран е малко, тогава повечето от неутроните ще го напуснат, преди да успеят да се забавят. Но ако всеки акт на принудителен разпад причинява поне още един такъв акт поради излъчения неутрон, това вече е самоподдържаща се верижна реакция на делене.
Съответно, ако размерът на отливката се увеличи, все по-голям брой неутрони ще предизвикат актове на принудително делене. И в един момент верижната реакция ще стане неконтролируема. Но това далеч не е ядрена експлозия. Просто много "мръсна" термична експлозия, която ще освободи голям брой много активни и токсични изотопи.
Критична маса
Съвсем естествен въпрос - колко уран-235 е необходим, за да стане верижна реакция на делене лавина? Всъщност не всичко е толкова просто. Свойствата на делящия се материал и съотношението обем към повърхност играят роля тук. Представете си един тон уран-235 (веднага ще направя резервация - това е много), който съществува под формата на тънка и много дълга тел. Да, неутрон, летящ по него, разбира се, ще предизвика акт на принудителен разпад. Но фракцията на неутроните, летящи по телта, ще бъде толкова малка, че е смешно да се говори за самоподдържаща се верижна реакция.
Затова се съгласихме да разгледаме критичната маса за сферично отливане. За чист уран-235 критичната маса е 50 кг (това е топка с радиус 9 см). Разбирате, че подобна топка обаче няма да продължи дълго, като тези, които я хвърлят.
Ако топка с по-малка маса е заобиколена от неутронния рефлектор (берилийът е идеален за нея), а в топката се вкара материал - неутронно замедлител (вода, тежка вода, графит, същият берилий), тогава критичната маса ще стане много по-малка. Използвайки най-ефективните рефлектори и неутронни модератори, критичната маса може да бъде увеличена до 250 грама. Това, например, може да се постигне чрез поставяне на наситен разтвор на уран-235 сол в тежка вода в сферичен берилиев контейнер.
Критичната маса не е ограничена до уран-235. Съществуват и редица изотопи, способни на верижни реакции на делене. Основното условие е продуктите на разпад на ядрото да предизвикат актове на разпад на други ядра.
Уранова бомба
И така, имаме две полусферични уранови отливки с тегло 40 кг. Докато са на уважително разстояние един от друг, всичко ще бъде спокойно. И ако започнете да ги движите бавно? Противно на общоприетото схващане, нищо гъбичко няма да се случи. Просто парчетата, когато се приближат, ще започнат да се нагряват и след това, ако не промените решението си навреме, да се нагреят. В крайна сметка те просто ще се стопят и разпространят и всеки, който е преместил отливките, ще даде дъб от неутронно облъчване. И тези, които са гледали това с интерес, ще залепят плавниците.
И ако по-бързо? Ще се стопи по-бързо. Все още по-бързо? Те ще се стопят още по-бързо. Готино? Да, дори да го потопите в течен хелий, няма да има смисъл. И ако стреляте по едно парче в друго? ОТНОСНО! Моментът на истината. Току-що измислихме схема за уранови оръдия. Ние обаче няма с какво да се гордеем, тази схема е най-простата и най-изкусната от всички. Да, и полукълбите ще трябва да бъдат изоставени. Както показва практиката, те не са склонни да се придържат равномерно от самолети. Най-малкото изкривяване - и получавате много скъп "куп", след което ще трябва да почиствате дълго време.
По-добре да направим къса дебелостенна тръба от уран-235 с маса 30-40 кг, към отвора на която прикрепяме високоякостен стоманен варел от същия калибър, натоварен с цилиндър от същия уран с приблизително същата маса. Нека обградим урановата цел с берилиев неутронен рефлектор. Сега, ако изстреляте уран "куршум" в урановата "тръба" - ще има пълна "тръба". Тоест ще има ядрена експлозия. Само вие трябва да стреляте по сериозен начин, така че дулната скорост на урановия снаряд да е най-малко 1 km / s. В противен случай отново ще има „куп“, но по-силен. Факт е, че когато снарядът и целта се приближат един към друг, те се нагряват толкова много, че започват интензивно да се изпаряват от повърхността, като се забавят от идващите газови потоци. Освен това, ако скоростта е недостатъчна, тогава има шанс снарядът просто да не достигне целта, а да се изпари по пътя.
За да се ускори до такава скорост диск с тегло няколко десетки килограма, освен това на разстояние от няколко метра е изключително трудна задача. Ето защо ви е необходим не барут, а мощни експлозиви, способни да създадат правилното налягане на газа в цевта за много кратко време. И тогава не е нужно да почиствате цевта, не се притеснявайте.
Бомбата Mk-I "Little Boy", хвърлена върху Хирошима, е проектирана по оръдийна схема.
Има, разбира се, незначителни подробности, които не сме взели предвид в нашия проект, но не се ангажирахме напълно срещу самия принцип.
Плутониева бомба
Така. Ние взривихме урановата бомба. Възхищавахме се на гъбата. Сега ще взривим плутониевия. Само не влачете тук цел, снаряд, цев и други боклуци. Този номер няма да работи с плутоний. Дори ако изстреляме едно парче в друго със скорост 5 км / сек, свръхкритичният монтаж пак няма да работи. Плутоний-239 ще има време да се затопли, изпари и развали всичко наоколо. Критичната му маса е малко над 6 кг. Можете да си представите колко по-активен е той в улавянето на неутрони.
Плутонийът е необичаен метал. В зависимост от температурата, налягането и примесите, той съществува в шест модификации на кристалната решетка. Има дори модификации, при които тя се свива при нагряване. Преходите от една фаза в друга могат да се извършват внезапно, докато плътността на плутония може да се промени с 25%. Припомнете си, че критичната маса се определя по-специално от съотношението на обема към повърхността. Добре, имаме топка с подкритична маса, която има минимална повърхност за даден обем. Да кажем 6 килограма. Радиусът на топката е 4,5 см. И ако тази топка е притисната от всички страни? Плътността ще се увеличи пропорционално на куба с линейна компресия и повърхността ще намалее пропорционално на квадрата. И това се случва: плутониевите атоми ще станат по-плътни, тоест спирачният път на неутрона ще бъде съкратен,което означава, че вероятността от неговото усвояване ще се увеличи. Но отново компресирането с необходимата скорост (около 10 км / сек) пак няма да работи. Задънен край? Но не.
При 300 ° C настъпва така наречената делта фаза - най-разхлабената. Ако плутонийът се легира с галий, нагрява се до тази температура и след това се охлажда бавно, тогава делта фазата може да съществува при стайна температура. Но няма да е стабилно. При високи налягания (от порядъка на десетки хиляди атмосфери) ще настъпи рязък преход в много плътна алфа фаза.
Поставете плутониевата топка в голяма (23 см диаметър) и тежка (120 кг) куха топка уран-238. Не се притеснявайте, няма критична маса. Но той перфектно отразява бързите неутрони. И пак ще са ни полезни. Мислите ли, че са го взривили? Без значение как е. Плутонийът е адски капризна личност. Все ще трябва да работим. Нека направим две полукълба от плутоний във фазата на делтата. Нека образуваме сферична кухина в центъра. И в тази кухина ще поставим квинтесенцията на мисълта за ядрено оръжие - инициатор на неутрон. Това е такава малка куха берилиева топка с диаметър 20 и дебелина 6 мм. Вътре е друга берилиева топка с диаметър 8 мм. Вътрешната повърхност на кухата топка има дълбоки канали. Всичко това е щедро никелирано и позлатено. Каналите съдържат полоний-210, който активно излъчва алфа частици. Ето такова чудо на технологиите. Как работи? Чакай малко. Имаме още няколко неща за вършене.
Нека обградим урановата обвивка с друга, направена от алуминиево-борна сплав. Дебелината му е около 13 см. Като цяло нашата "матрьошка" вече е нараснала до половин метър и е възстановена от 6 на 250 кг.
Сега ще направим имплозионни лещи. Представете си футболна топка. Класически, състоящ се от 20 шестоъгълника и 12 петоъгълника. Нека направим такава „топка“от взривни вещества и да оборудваме всеки от сегментите с няколко електрически детонатора. Дебелината на сегмента е около половин метър. Има и много тънкости при производството на „лещи“, но ако ги опишете, тогава няма достатъчно място за всичко останало. Основното е максималната точност на обектива. Най-малката грешка - и целият възел ще бъде смазан от взривното действие. Пълният комплект вече има диаметър около един и половина метра и тегло 2,5 тона. Дизайнът е завършен от електрическа верига, чиято задача е да детонира детонаторите в строго определена последователност с точност до микросекунда.
Всичко. Пред нас е схема за имплозия на плутоний.
А сега забавната част.
Когато се взриви, взривното вещество компресира възела и алуминиевият „тласкач“не позволява разпадането на взривната вълна да се разпространи навътре след предната му страна. След като е преминал през уран с обратна скорост от около 12 km / s, вълната на компресия ще уплътни както него, така и плутоний. Плутонийът при налягания в зоната на компресия от порядъка на стотици хиляди атмосфери (ефектът от фокусирането на експлозивния фронт) ще скочи в алфа фазата. След 40 микросекунди описаният тук уран-плутониев комплект ще стане не просто свръхкритичен, а няколко пъти по-голям от критичната маса.
След като стигне до инициатора, компресионната вълна ще смаже цялата си структура в монолит. В този случай злато-никеловата изолация ще се срути, полоний-210, поради дифузия, ще проникне в берилия, излъчваните от него алфа частици, преминавайки през берилий, ще предизвикат колосален поток от неутрони, които задействат верижна реакция на делене в целия обем плутоний и генерирания поток от "бързи" неутрони разпад на плутоний, ще предизвика експлозия на уран-238. Готово, отглеждаме втора гъба, не по-лоша от първата.
Пример за схема за имплозия на плутоний е бомбата Mk-III "Fatman", хвърлена върху Нагасаки.
Всички трикове, описани тук, са необходими, за да принудят максималния брой атомни плутониеви ядра да реагират. Основната задача е да се поддържа зарядът в компактно състояние възможно най-дълго, за да се предотврати разсейването му като плазмен облак, при което верижната реакция незабавно ще спре. Тук всяка спечелена микросекунда е увеличение с един или два килотона мощност.
Термоядрена бомба
Широко разпространено е схващането, че ядрената бомба е предпазителят на термоядрената бомба. По принцип всичко е много по-сложно, но същността е уловена правилно. Оръжията, базирани на принципите на термоядрения синтез, позволиха да се постигне такава сила на експлозия, която при никакви обстоятелства не може да бъде постигната чрез верижна реакция на делене. Но засега единственият източник на енергия, който позволява "запалване" на реакция на термоядрен синтез, е ядрената експлозия.
Термоядрен синтез
Спомняте ли си как „хранехме“водородното ядро с неутрони? Така че, ако се опитате да свържете два протона заедно по този начин, нищо няма да се получи. Протоните няма да се слепват, поради отблъскващите сили на Кулон. Или се разпръскват, или настъпва бета разпад и един от протоните се превръща в неутрон. Но хелий-3 съществува. Благодарение на един неутрон, който прави протоните по-пригодни за живеене един с друг.
По принцип въз основа на състава на ядрото на хелий-3 може да се заключи, че едно ядро на хелий-3 може да бъде напълно сглобено от ядрата на протий и деутерий. На теория това е вярно, но такава реакция може да възникне само в недрата на големи и горещи звезди. Нещо повече, във вътрешността на звездите хелий може да се събира дори само от протони, превръщайки някои от тях в неутрони. Но това вече са въпроси на астрофизиката и постижима възможност за нас е да обединим две ядра от деутерий или деутерий и тритий.
За сливането на ядрата е необходимо едно много специфично условие. Това е много висока (109 K) температура. Само при средна кинетична енергия на ядра от 100 keV те са в състояние да се приближат един до друг на разстояние, на което силното взаимодействие започва да преодолява кулоновското взаимодействие.
Съвсем легитимен въпрос - защо да ограждате тази градина? Факт е, че сливането на леки ядра освобождава енергия от около 20 MeV. Разбира се, при принудителното делене на ураново ядро тази енергия е 10 пъти повече, но има едно предупреждение - с най-големите трикове урановият заряд с капацитет дори 1 мегатон е невъзможен. Дори и за по-усъвършенствана плутониева бомба, постижимият енергиен добив е не повече от 7-8 килотона на килограм плутоний (с теоретичен максимум 18 килотона). И не забравяйте, че ядрото на урана е почти 60 пъти по-тежко от две ядра на деутерий. Ако вземем предвид специфичния енергиен добив, тогава термоядреният синтез е забележимо напред.
И все пак - за термоядрен заряд няма ограничения за критичната маса. Той просто го няма. Има обаче и други ограничения, но за тях - по-долу.
По принцип стартирането на термоядрена реакция като източник на неутрон не е достатъчно трудно. Много по-трудно е да го пуснем като източник на енергия. Тук сме изправени пред така наречения критерий на Лоусън, който определя енергийното предимство на термоядрена реакция. Ако произведението на плътността на реагиращите ядра и времето на тяхното задържане на разстоянието на синтез е по-голямо от 1014 sec / cm3, енергията, предоставена от синтеза, ще надвиши енергията, въведена в системата.
Всички термоядрени програми бяха посветени на постигането на този критерий.
Класически супер
Първата схема на термоядрени бомби, която дойде на ум на Едуард Телър, беше нещо подобно на опит за създаване на плутониева бомба с помощта на оръдийна схема. Тоест всичко изглежда правилно, но не работи. „Класическото супер“устройство - течен дейтерий, в който е потопена плутониева бомба - наистина беше класическо, но далеч не супер.
Идеята за експлозия на ядрен заряд в течна деутериева среда първоначално се оказа задънена улица. При такива условия може да се постигне най-малък добив на енергия от термоядрен синтез чрез детониране на 500 kt ядрен заряд. И изобщо не беше необходимо да се говори за постигане на критерия на Лоусън.
Пуф
Идеята да се обгради задействащ ядрен заряд със слоеве термоядрено гориво, осеяно с уран-238 като топлоизолатор и усилвател на експлозия, също измисли Телър. И не само той. Първите съветски термоядрени бомби са построени точно по тази схема. Принципът беше съвсем прост: ядрен заряд загрява термоядрено гориво до температурата в началото на термоядрения синтез, а генерираните по време на синтеза бързи неутрони експлодират слоеве уран-238. Ограничението обаче остана същото - при температурата, която ядреният спусък може да осигури, само смес от евтин деутерий и невероятно скъп тритий може да влезе в реакцията на синтез.
По-късно Телър излезе с идеята да използва съединението литий-6 деутерид. Това решение даде възможност да се изоставят скъпите и неудобни криогенни контейнери с течен деутерий. В допълнение, в резултат на облъчване с неутрони, литий-6 се превръща в хелий и тритий, които влизат в реакция на сливане с деутерий.
Недостатъкът на тази схема беше ограничената мощност - само ограничена част от термоядреното гориво, което заобикаляше спусъка, имаше време да влезе в реакцията на синтез. Останалите, колкото и да бяха, отидоха на вятъра. Максималната мощност на зареждане, получена при използване на "вдишването", е 720 kt (британската бомба на Orange Herald). Очевидно това беше „таван“.
Схема на Teller-Ulam
Вече говорихме за историята на развитието на схемата Teller-Ulam. Сега нека разберем техническите подробности на тази схема, която се нарича още „двустепенна“или „радиационна компресия“.
Нашата задача е да загреем термоядреното гориво и да го поддържаме в определен обем, за да изпълним критерия на Лоусън. Като оставим настрана американските упражнения с криогенни вериги, нека вземем литий-6 деутерид, който вече ни е известен, като термоядрено гориво.
Ще изберем уран-238 като материал за контейнера за термоядрения заряд. Контейнерът е цилиндричен. По оста на контейнера, вътре в него ще поставим цилиндричен прът от уран-235, който има подкритична маса.
Забележка: сензационната неутронна бомба по това време е същата схема на Телер-Улам, но без урановата пръчка по оста на контейнера. Въпросът е да се осигури мощен поток от бързи неутрони, но да не се позволи изгарянето на цялото термоядрено гориво, което ще консумира неутрони.
Напълнете останалото свободно пространство на контейнера с литий-6 деутерид. Ще поставим контейнера в един от краищата на тялото на бъдещата бомба (това ще бъде вторият етап), а в другия край ще монтираме конвенционален плутониев заряд с капацитет от няколко килотона (първи етап). Между ядрените и термоядрените заряди ще инсталираме преграда от уран-238, за да предотвратим преждевременно нагряване на литий-6 деутерид. Запълнете останалото свободно пространство в корпуса на бомбата с твърд полимер. По принцип термоядрената бомба е готова.
Когато се задейства ядрен заряд, 80% от енергията се освобождава под формата на рентгенови лъчи. Скоростта му на разпространение е много по-висока от тази на фрагментите на делене на плутоний. За стотни от една микросекунда уранният щит се изпарява и рентгеновото лъчение започва интензивно да се абсорбира от урана на контейнера за термоядрен заряд. В резултат на така наречената аблация (отстраняване на масата от повърхността на нагретия контейнер) възниква реактивна сила, която компресира контейнера 10 пъти. Именно този ефект се нарича радиационна имплозия или радиационна компресия. В същото време плътността на синтезното гориво се увеличава 1000 пъти. В резултат на колосалното налягане на радиационната имплозия централният прът на уран-235 също се компресира, макар и в по-малка степен, и преминава в свръхкритично състояние. По това време термоядреният блок е бомбардиран с бързи неутрони от ядрена експлозия. След преминаване през литиево-6 деутерид те се забавят и се усвояват интензивно от урановия прът.
В пръчката започва верижна реакция на делене, която бързо води до ядрен взрив вътре в контейнера. Тъй като литиево-6 деутеридът е подложен на аблативна компресия отвън и налягането на ядрен взрив отвътре, неговата плътност и температура се увеличават още повече. Този момент е началото на началото на реакцията на синтез. По-нататъшната му поддръжка се определя от това колко дълго контейнерът ще поддържа термоядрени процеси вътре в себе си, предотвратявайки отделянето на топлинна енергия навън. Именно това определя постигането на критерия Лоусън. Изгарянето на термоядрено гориво протича от оста на цилиндъра до неговия ръб. Температурата на фронта на горене достига 300 милиона келвина. Отнема няколко стотин наносекунди, за да се развие напълно експлозия до изгарянето на термоядреното гориво и унищожаването на контейнера - двадесет милиона пъти по-бързо, отколкото сте прочели тази фраза.
Надеждната работа на двустепенната верига зависи от точното сглобяване на контейнера и предотвратяването на преждевременно нагряване.
Мощността на термоядрения заряд за схемата на Teller-Ulam зависи от мощността на ядрения спусък, който осигурява ефективно компресиране от радиация. Сега обаче има и многостепенни схеми, при които енергията от предишния етап се използва за компресиране на следващия. Пример за тристепенна схема е споменатата вече 100-мегатонна "Кузькина майка".