På nästa årsdag av badabum på Hiroshima och Nagasaki bestämde jag mig för att leta efter Internet för frågor om kärnvapen, varför och hur det skapades var av lite intresse för mig (jag visste redan) - Jag var mer intresserad av hur två bitar plutonium inte smälter men gör en stor bred.
Håll koll på ingenjörerna - de börjar med en såmaskin och slutar med en atombombe.
Marcel Pagnol
Kärnfysik är ett av de mest kontroversiella områdena inom vördnadsvärd naturvetenskap. Det var i detta område som mänskligheten i ett halvt sekel kastade miljarder dollar, pund, franc och rubel, som in i en sen tågs lokugn. Nu verkar tåget inte längre vara sent. De rasande lågorna av brinnande medel och arbetstider gick ner. Låt oss försöka kort räkna ut vilken typ av tåg som kallas "kärnfysik".
Isotoper och radioaktivitet
Som ni vet består allt som finns av atomer. Atomer, i sin tur, består av elektroniska skal, som lever enligt deras mind-blowing lagar, och en kärna. Klassisk kemi är inte alls intresserad av kärnan och hans personliga liv. För henne är en atom hans elektroner och deras förmåga att utbyta interaktion. Och från kemikärnan behövs bara dess massa för att beräkna proportionerna av reagens. I sin tur bryr sig kärnfysik inte djupt om elektroner. Hon är intresserad av en liten (100 tusen gånger mindre än elektronbanans radie) dammfläck inuti en atom, i vilken nästan hela dess massa är koncentrerad.
Kampanjvideo:
Vad vet vi om kärnan? Ja, den består av positivt laddade protoner och neutroner utan elektrisk laddning. Detta är dock inte helt sant. Kärnan är inte en handfull tvåfärgade bollar, som i en illustration från en skolbok. Det finns helt andra lagar på jobbet här som kallas stark interaktion, som förvandlar både protoner och neutroner till någon form av oskiljaktig röra. Laddningen av denna mos är dock exakt lika med den totala laddningen för protonerna som ingår i den, och massan - nästan (upprepar jag nästan) sammanfaller med massan av neutroner och protoner som utgör kärnan.
Förresten, antalet protoner i en icke-joniserad atom sammanfaller alltid med antalet elektroner som har äran att omge den. Men med neutroner är det inte så enkelt. I själva verket är neutronernas uppgift att stabilisera kärnan, eftersom utan dem skulle liknande laddade protoner inte komma överens ens i mikrosekunder.
Låt oss ta väte för bestämdhet. Det vanligaste väte. Hans enhet är skrattande enkel - en proton omgiven av en kretsande elektron. Väte i universum i bulk. Vi kan säga att universum huvudsakligen består av väte.
Låt oss nu försiktigt lägga till en neutron i protonen. Ur kemisk synvinkel är det fortfarande väte. Men ur fysikens synvinkel inte längre. Efter att ha upptäckt två olika väten blev fysiker oroliga och tänkte genast att kalla vanligt väteprotium och väte med en neutron med ett proton - deuterium.
Låt oss ta nerven och mata kärnan till en annan neutron. Nu har vi ännu ett väte, ännu tyngre - tritium. Återigen, från kemisk synvinkel, skiljer sig praktiskt taget inte från de andra två väten (ja, förutom att det nu går in i reaktionen lite mindre villigt). Jag vill varna dig direkt - inga ansträngningar, hot och förmaningar kommer att kunna lägga till en ny neutron i tritiumkärnan. Lokala lagar är mycket strängare än mänskliga.
Så protium, deuterium och tritium är isotoper av väte. Deras atommassa är annorlunda, men deras laddning är inte. Men det är kärnkraftsladdningen som bestämmer platsen i det periodiska elementet. Det var därför isotoper kallades isotoper. Översatt från grekiska betyder detta "att uppta samma plats." Förresten, det välkända tungvattnet är samma vatten, men med två deuteriumatomer istället för protium. Följaktligen innehåller supertungt vatten tritium istället för protium.
Låt oss ta en titt på våra väten. Så … Protium är på plats, deuterium är på plats … Vem är det här? Var gick mitt tritium och var kom helium-3 ifrån? I vårt tritium missade en av neutronerna det tydligt, bestämde sig för att byta yrke och blev proton. Genom att göra detta födde han en elektron och en antineutrino. Förlusten av tritium är naturligtvis en besvikelse, men vi vet nu att det är instabilt. Utfodring av neutroner var inte förgäves.
Så som du förstod är isotoper stabila och instabila. Det finns gott om stabila isotoper runt oss, men tack och lov, det finns praktiskt taget inga instabila. Det vill säga de existerar, men i ett så spridd tillstånd att de måste erhållas till kostnaden för mycket arbete. Till exempel är uran-235, som orsakade så mycket besvär för Oppenheimer, bara 0,7% i naturligt uran.
Halveringstid
Allt är enkelt här. Halveringstiden för en instabil isotop är den tidsperiod under vilken exakt hälften av isotopens atomer förfaller och förvandlas till några andra atomer. Det redan kända tritiumet har en halveringstid på 12,32 år. Det är en ganska kortlivad isotop, men jämfört med francium-223, som har en halveringstid på 22,3 minuter, ser tritium ut som en gråskäggad aksakal.
Inga makroskopiska yttre faktorer (tryck, temperatur, fuktighet, forskarens stämning, beloppet för anslag, stjärnorna) påverkar halveringstiden. Kvantmekanik är okänslig för sådant nonsens.
Populär explosionsmekanik
Kärnan i varje explosion är den snabba frisättningen av energi som tidigare var i ett oprit, bundet tillstånd. Den frigjorda energin är utspridd, övervägande till värme (kinetisk energi av oordning av molekyler), chockvåg (här också rörelse, men redan beställd, i riktning från explosionens centrum) och strålning - från mjuk infraröd till hård kortvågvågkvanta.
Med en kemisk explosion är allt relativt enkelt. En energiskt fördelaktig reaktion inträffar när vissa ämnen interagerar med varandra. Endast de övre elektroniska lagren av vissa atomer deltar i reaktionen, och interaktionen går inte djupare. Det är lätt att gissa att det finns mycket mer latent energi i något ämne. Men oavsett villkoren för experimentet, oavsett hur framgångsrika reagens vi väljer, oavsett hur vi kalibrerar proportionerna, kommer kemin inte att låta oss gå djupare in i atomen. En kemisk explosion är ett primitivt fenomen, ineffektivt och ur fysikens synvinkel obscent svagt.
Kärnkedjereaktionen låter dig gräva lite djupare, inklusive i spelet inte bara elektroner utan också kärnor. Detta låter väldigt tungt, kanske bara för en fysiker, och för resten kommer jag att ge en enkel analogi. Föreställ dig en enorm vikt runt vilken elektrifierade dammpartiklar fladdrar på ett avstånd av flera kilometer. Detta är en atom, en "vikt" är en kärna och "dammpartiklar" är elektroner. Oavsett vad du gör med dessa dammkorn, kommer de inte att ge ens en hundradel av den energi som kan erhållas från en tung vikt. Speciellt om det av någon anledning går sönder och massiva skräp sprids i hög hastighet i olika riktningar.
En kärnexplosion använder bindningspotentialen för de tunga partiklar som utgör kärnan. Men detta är långt ifrån gränsen: det finns mycket mer latent energi i materien. Och namnet på denna energi är massa. Återigen låter detta lite konstigt för en icke-fysiker, men massa är energi, bara extremt koncentrerad. Varje partikel: en elektron, en proton, en neutron - allt detta är små grupper av otroligt tät energi, som för tillfället är i vila. Du känner förmodligen formeln E = mc2, som författare till anekdoter, redaktörer för väggtidningar och formgivare av skolklasserum älskar så mycket. Hon handlar exakt om detta, och det är hon som postulerar massan som inget annat än en form av energi. Och hon svarar också på frågan hur mycket energi som kan erhållas från ett ämne till det maximala.
Processen för en fullständig övergång av massa, det vill säga bunden energi till fri energi, kallas förintelse. Av den latinska roten "nihil" är det lätt att gissa om dess väsen - detta är omvandling till "ingenting", eller snarare till strålning. För tydlighetens skull några siffror.
Explosion TNT-ekvivalent energi (J)
F-1 granat 60 gram 2,50 * 105
Bommen släpptes på Hiroshima 16 kilotons 6,70 * 1013
Förintelse av ett gram materia 21,5 kilotons 8,99 * 1013
Ett gram av alla ämnen (endast massa är viktigt) under förintelsen kommer att ge mer energi än en liten kärnbomb. Jämfört med en sådan återkomst verkar fysikernas övningar om kärnklyvning, och ännu mer experiment av kemister med aktiva reagens, löjliga.
För förintelse krävs lämpliga förhållanden, nämligen kontakt av materia med antimateria. Och till skillnad från "rött kvicksilver" eller "filosofens sten" är antimaterie mer än verkligt - för de partiklar som vi känner finns liknande antipartiklar och har studerats, och experiment med förintelse av par "elektron + positron" har gjorts upprepade gånger i praktiken. Men för att skapa ett förintelsevapen är det nödvändigt att sätta ihop en viss tung volym antipartiklar och också att begränsa dem från kontakt med alla frågor upp till, i själva verket, militär användning. Detta, pah-pah, är fortfarande ett avlägset perspektiv.
Massfel
Den sista frågan som återstår att förstå angående en explosionsmekanik är varifrån kommer energin: den som släpps ut under kedjereaktionen? Även här var det inte utan massa. Snarare utan hennes "defekt".
Fram till förra seklet trodde forskare att massan bevarades under alla förhållanden, och de hade rätt på sitt eget sätt. Så vi doppade metallen i syran - retorten bubblade upp och gasbubblor rusade uppåt genom vätskans tjocklek. Men om du väger reagensen före och efter reaktionen, utan att glömma den frigjorda gasen, konvergerar massan. Och det kommer alltid att vara så medan vi arbetar med kilo, meter och kemiska reaktioner.
Men när du väl har grävt in i mikropartiklarna, överraskar massan också. Det visar sig att massan av en atom kanske inte är exakt lika med summan av massorna av partiklarna som utgör den. När en tung kärna (till exempel samma uran) delas in i delar väger "fragmenten" totalt mindre än kärnan före klyvning. "Skillnaden", även kallad massfelet, är ansvarig för bindningsenergierna i kärnan. Och det är denna skillnad som går in i värme och strålning under explosionen, och allt enligt samma enkla formel: E = mc2.
Detta är intressant: det hände så att det är energiskt fördelaktigt att dela tunga kärnor och förena lätta. Den första mekanismen fungerar i en uran- eller plutoniumbomb, den andra i en vätgasbomb. Och du kan inte göra en bomb av järn med all önskan: den är precis i mitten i den här linjen.
Atombomb
I en historisk sekvens, låt oss först titta på kärnbomberna och genomföra vårt lilla Manhattan-projekt. Jag kommer inte tråkiga dig med tråkiga metoder för isotopseparation och matematiska beräkningar av teorin om kedjereaktion av klyvning. Du och jag har uran, plutonium, andra material, monteringsanvisningar och den nödvändiga andelen vetenskaplig nyfikenhet.
Fission Chain Reaction Jag har redan nämnt att kedjereaktionen av uranfission först genomfördes i december 1942 av Enrico Fermi. Låt oss nu prata om kärnkedjereaktionen mer detaljerat.
Alla uranisotoper är instabila i en eller annan grad. Men uran-235 är i en speciell position. Med den spontana sönderfallet av uran-235-kärnan (även kallad alfa-sönderfall) bildas två fragment (kärnor av andra, mycket lättare element) och flera neutroner (vanligtvis 2-3). Om neutronen som bildas under förfallet träffar kärnan i en annan uranatom, kommer det att finnas en vanlig elastisk kollision, neutronen studsar av och fortsätter att leta efter äventyr. Men efter ett tag kommer det att slösa bort energi (helst elastiska kollisioner inträffar endast med sfäriska hästar i vakuum), och nästa kärna kommer att visa sig vara en fälla - neutronen kommer att absorberas av den. Förresten kallar fysiker en sådan neutron termisk.
Titta på listan över kända uranisotoper. Det finns ingen isotop med en atommassa på 236. Vet du varför? En sådan kärna lever i fraktioner av mikrosekunder och sönderfaller sedan med en enorm mängd energi. Detta kallas tvångsförfall. En isotop med en sådan livstid är på något sätt pinsamt att kalla en isotop.
Energin som frigörs under förfallet av uran-235-kärnan är den kinetiska energin hos fragment och neutroner. Om vi beräknar den totala massan av urankärnans sönderfallsprodukter och sedan jämför den med massan av den ursprungliga kärnan, visar det sig att dessa massor inte sammanfaller - den ursprungliga kärnan var större. Detta fenomen kallas massdefekt och dess förklaring anges i formeln E0 = mс2. Fragmentens kinetiska energi, dividerat med kvadratet av ljusets hastighet, kommer att vara exakt lika med skillnaden i massor. Fragmenten retarderas i kristallgitteret av uran, vilket ger upphov till röntgenstrålning, och neutroner, efter att ha rest, absorberas av andra urankärnor eller lämnar urangjutningen, där alla händelser äger rum.
Om urangjutningen är liten kommer de flesta neutronerna att lämna den innan de kan sakta ner. Men om varje handling av tvångsförfall orsakar åtminstone ytterligare en sådan handling på grund av den utsända neutronen, är detta redan en självbärande kedjereaktion av klyvning.
Följaktligen, om gjutningens storlek ökas, kommer ett ökande antal neutroner att orsaka tvingad klyvning. Och någon gång kommer kedjereaktionen att bli okontrollerbar. Men det här är långt ifrån en kärnkraftsexplosion. Bara en mycket "smutsig" termisk explosion, som kommer att frigöra ett stort antal mycket aktiva och giftiga isotoper.
Kritisk massa
En helt naturlig fråga - hur mycket uran-235 behövs för att klyvningskedjereaktionen ska bli en lavin? I själva verket är inte allt så enkelt. De klyvbara materialegenskaperna och förhållandet mellan volym och yta spelar en roll här. Föreställ dig massor av uran-235 (jag gör en bokning direkt - det är mycket), som finns i form av en tunn och mycket lång tråd. Ja, en neutron som flyger längs den kommer naturligtvis att orsaka en handling av tvångsförfall. Men andelen neutroner som flyger längs tråden kommer att vara så liten att det är löjligt att prata om en självförsörjande kedjereaktion.
Därför kom vi överens om att överväga den kritiska massan för en sfärisk gjutning. För rent uran-235 är den kritiska massan 50 kg (detta är en boll med en radie på 9 cm). Du förstår att en sådan boll inte kommer att hålla länge, liksom de som kastar den.
Om en boll med mindre massa omges av en neutronreflektor (beryllium är perfekt för den) och ett material - en neutronmoderator (vatten, tungt vatten, grafit, samma beryllium) - införs i bollen, då blir den kritiska massan mycket mindre. Genom att använda de mest effektiva reflektorerna och moderatorerna för neutroner kan den kritiska massan ökas till 250 gram. Detta kan exempelvis uppnås genom att placera en mättad lösning av uran-235 salt i tungt vatten i en sfärisk berylliumbehållare.
Den kritiska massan är inte begränsad till uran-235. Det finns också ett antal isotoper som kan klyva kedjereaktioner. Huvudvillkoret är att sönderfallsprodukterna i en kärna måste orsaka sönderfall av andra kärnor.
Uranbom
Så vi har två halvklotformade urangjutgjutningar som väger 40 kg. Så länge de är på respektfullt avstånd från varandra kommer allt att vara lugnt. Och om du börjar flytta dem långsamt? I motsats till vad många tror kommer inget svamp att hända. Det är bara så att bitarna börjar närma sig när de börjar värmas upp, och om du inte tänker igen i tid värms de upp. I slutändan kommer de helt enkelt att smälta och spridas, och alla som flyttade gjutgodset kommer att ge ek från neutronstrålning. Och de som såg detta med intresse kommer att limma ihop flipperna.
Och om snabbare? Smälter snabbare. Snabbare fortfarande? De smälter ännu snabbare. Häftigt? Ja, även om du doppar det i flytande helium, är det ingen mening. Och om du skjuter en bit på en annan? HANDLA OM! Sanningens ögonblick. Vi kom just med ett urankanonschema. Vi har dock inget att vara stolt över, det här schemat är det enklaste och mest konstnärliga av alla. Ja, och halvklotet måste överges. Som praxis har visat är de inte benägna att hålla ihop jämnt av plan. Den minsta förspänningen - och du får ett mycket dyrt "gäng", varefter du måste städa upp länge.
Bättre att göra ett kort tjockväggigt rör av uran-235 med en massa på 30-40 kg, till vilket hål vi fäster ett höghållfast stålfat av samma kaliber, laddat med en cylinder av samma uran med ungefär samma massa. Låt oss omge uranmålet med en berylliumneutronreflektor. Om du skjuter en uran "kula" mot uran "rör" kommer det att finnas ett fullständigt "rör". Det vill säga det kommer att finnas en kärnkraftsexplosion. Bara du behöver skjuta på ett seriöst sätt, så att uranprojektilens munhastighet är minst 1 km / s. Annars kommer det igen att vara ett "gäng", men högre. Faktum är att när projektilen och målet närmar sig varma värmer de upp så mycket att de börjar avdunsta intensivt från ytan och saktas ner av mötande gasflöden. Dessutom, om hastigheten är otillräcklig, finns det en chans att projektilen helt enkelt inte når målet utan avdunstar på vägen.
För att accelerera till en sådan hastighet är en skiva som väger flera tiotals kilo, dessutom, över ett par meters avstånd en extremt svår uppgift. Det är därför du inte behöver krut, utan kraftfulla sprängämnen som kan skapa korrekt gastryck i pipan på mycket kort tid. Och då behöver du inte rengöra tunnan, oroa dig inte.
Mk-I "Little Boy" -bomben som släpptes på Hiroshima designades enligt kanonschemat.
Det finns naturligtvis obetydliga detaljer som vi inte tog hänsyn till i vårt projekt, men vi begick inte helt mot själva principen.
Plutonium bomb
Så. Vi sprängde uranbomben. Vi beundrade svampen. Nu spränger vi plutoniumet. Dra bara inte ett mål, en projektil, ett fat och annat skräp hit. Detta nummer fungerar inte med plutonium. Även om vi skjuter en bit i en annan med en hastighet av 5 km / s kommer den superkritiska församlingen fortfarande inte att fungera. Plutonium-239 kommer att ha tid att värma upp, avdunsta och förstöra allt runt omkring. Dess kritiska massa är drygt 6 kg. Du kan föreställa dig hur mycket mer aktiv det är att fånga neutroner.
Plutonium är en ovanlig metall. Beroende på temperatur, tryck och föroreningar finns det i sex modifieringar av kristallgitteret. Det finns till och med modifieringar där det krymper vid uppvärmning. Övergångarna från en fas till en annan kan utföras plötsligt, medan plutoniumdensiteten kan förändras med 25%. Låt oss som alla vanliga hjältar gå runt. Minns att den kritiska massan bestäms, särskilt av förhållandet mellan volym och yta. Okej, vi har en subkritisk masskula som har en minsta yta för en viss volym. Låt oss säga 6 kg. Bollens radie är 4,5 cm. Och om den här bollen pressas från alla sidor? Densiteten kommer att öka i proportion till kuben för linjär kompression, och ytan kommer att minska i proportion till dess kvadrat. Och detta är vad som händer: plutoniumatomerna kommer att bli tätare, det vill säga neutronens stoppavstånd kommer att förkortas,vilket innebär att sannolikheten för dess absorption kommer att öka. Men återigen kommer komprimering med önskad hastighet (cirka 10 km / s) fortfarande inte att fungera. Återvändsgränd? Men nej.
Vid 300 ° C sker den så kallade deltafasen - den mest lösa. Om plutonium dopas med gallium, värms upp till denna temperatur och sedan sakta kyls, kan delta-fasen existera vid rumstemperatur. Men det kommer inte att vara stabilt. Vid höga tryck (i storleksordningen tiotusentals atmosfärer) kommer en plötslig övergång till en mycket tät alfafas att inträffa.
Placera plutoniumkulan i en stor (23 cm diameter) och tung (120 kg) ihålig uran-238 kula. Oroa dig inte, den har ingen kritisk massa. Men det speglar perfekt snabba neutroner. Och de kommer fortfarande att vara användbara för oss. Tror du att de sprängde det? Oavsett hur det är. Plutonium är en jävla nyckfull enhet. Vi måste fortfarande arbeta. Låt oss göra två halvklot av plutonium i deltafasen. Låt oss bilda ett sfäriskt hålrum i mitten. Och i detta hål kommer vi att placera kärnvapentanken - en neutroninitiator. Detta är en så liten ihålig berylliumkula med en diameter på 20 och en tjocklek på 6 mm. Inuti finns en annan berylliumboll med en diameter på 8 mm. Det finns djupa spår på den inre ytan av den ihåliga kulan. Allt detta är generöst förnicklat och guldpläterat. Polonium-210 placeras i spåren, som aktivt avger alfapartiklar. Här är ett sådant mirakel av teknik. Hur fungerar det? Vänta en sekund. Vi har fortfarande några saker att göra.
Låt oss omge uranhöljet med en annan tillverkad av en aluminiumborlegering. Tjockleken är cirka 13 cm. Totalt har vår "matryoshka" nu vuxit till en halv meter och återhämtat sig från 6 till 250 kg.
Nu ska vi göra implosion "linser". Föreställ dig en fotboll. Klassisk, bestående av 20 hexagoner och 12 pentagoner. Låt oss göra en sådan "boll" från sprängämnen och utrusta vart och ett av segmenten med flera elektriska detonatorer. Segmenttjockleken är ungefär en halv meter. Det finns också många finesser i tillverkningen av "linser", men om du beskriver dem finns det inte tillräckligt med utrymme för allt annat. Det viktigaste är maximal objektivnoggrannhet. Det minsta felet - och hela enheten kommer att krossas av sprängämnes sprängning. Den kompletta monteringen har nu en diameter på cirka en och en halv meter och en vikt på 2,5 ton. Designen kompletteras av en elektrisk krets vars uppgift är att detonera detonatorerna i en strikt definierad sekvens med en noggrannhet på en mikrosekund.
Allt. Innan oss finns ett plutoniumimplosionsschema.
Nu kommer den roliga delen.
När detoneras, komprimerar sprängämnet aggregatet, och "pusher" av aluminium tillåter inte att sprängvågens förfall sprids inåt efter dess front. Efter att ha passerat uran med en mothastighet på cirka 12 km / s kommer kompressionsvågen att komprimera både det och plutonium. Plutonium vid tryck i kompressionszonen i storleksordningen hundratusentals atmosfärer (effekten av att fokusera den explosiva fronten) kommer att hoppa in i alfafasen. På 40 mikrosekunder kommer uran-plutonium-enheten som beskrivs här att bli inte bara superkritisk, utan flera gånger större än den kritiska massan.
Efter att ha nått initiatorn kommer kompressionsvågen att krossa hela dess struktur till en monolit. I detta fall kommer guld-nickelisoleringen att kollapsa, polonium-210 på grund av diffusion kommer att tränga in i beryllium, alfapartiklarna som emitteras av den, som passerar genom beryllium, kommer att orsaka ett kolossalt flöde av neutroner som startar en kedjefissionreaktion i hela volymen plutonium och flödet av "snabb" förfall av plutonium, kommer att orsaka en explosion av uran-238. Klart, vi har odlat en andra svamp, inte värre än den första.
Ett exempel på ett plutoniumimplosionsschema är Mk-III "Fatman" -bomben som släpptes på Nagasaki.
Alla knep som beskrivs här behövs för att tvinga maximalt antal atomära plutoniumkärnor att reagera. Huvuduppgiften är att hålla laddningen i ett kompakt tillstånd så länge som möjligt, för att förhindra att den sprids som ett plasmamoln, där kedjereaktionen omedelbart kommer att stoppa. Här är varje vunna mikrosekund en ökning med en eller två kilotons effekt.
Termonukleär bomb
Det finns en utbredd tro på att en kärnbomb är säkringen för en termonukleär bomb. I princip är allt mycket mer komplicerat, men kärnan fångas korrekt. Vapen baserade på principerna för termonukleär fusion gjorde det möjligt att uppnå en sådan explosionskraft som under inga omständigheter kan uppnås genom en fissionskedjereaktion. Men hittills är den enda energikällan som gör det möjligt att "antända" en termonukleär fusionsreaktion en kärnexplosion.
Termonukleär fusion
Kommer du ihåg hur vi "matade" vätekärnan med neutroner? Så, om du försöker ansluta två protoner tillsammans på det här sättet kommer ingenting att bli det. Protonerna kommer inte att hålla ihop på grund av Coulombs motbjudande krafter. Antingen sprids de eller så uppträder betaförfall och en av protonerna blir en neutron. Men helium-3 finns. Tack vare en enda neutron som gör protoner mer levande med varandra.
I princip, baserat på sammansättningen av helium-3-kärnan, kan man dra slutsatsen att en kärna av helium-3 kan monteras fullständigt från kärnorna i protium och deuterium. I teorin är detta så, men en sådan reaktion kan bara inträffa i tarmarna hos stora och heta stjärnor. Dessutom kan helium samlas in från stjärnornas inre även från protoner och omvandlar några av dem till neutroner. Men det här är redan frågor om astrofysik, och ett uppnåeligt alternativ för oss är att slå samman två kärnor av deuterium eller deuterium och tritium.
Ett mycket specifikt tillstånd är nödvändigt för fusion av kärnor. Detta är en mycket hög (109 K) temperatur. Endast vid en genomsnittlig kinetisk energi av kärnor på 100 keV kan de närma sig varandra på ett avstånd där den starka interaktionen börjar övervinna Coulomb-interaktionen.
Ganska legitim fråga - varför stänga den här trädgården? Faktum är att fusionen av lätta kärnor frigör en energi på cirka 20 MeV. Naturligtvis, med tvingad klyvning av en urankärna, är denna energi tio gånger mer, men det finns en försiktighet - med de största knep är en uranladdning med en kapacitet på till och med 1 megaton omöjlig. Även för en mer avancerad plutoniumbom är det uppnåbara energiutbytet inte mer än 7-8 kiloton per kilo plutonium (med ett teoretiskt maximalt 18 kiloton). Och glöm inte att en urankärna är nästan 60 gånger tyngre än två deuteriumkärnor. Om vi tar hänsyn till det specifika energiutbytet är termonukleär fusion märkbart framåt.
Och ändå - för en termonukleär laddning finns inga begränsningar för den kritiska massan. Han har det helt enkelt inte. Det finns dock andra begränsningar, men om dem - nedan.
I princip är det inte svårt att starta en termonukleär reaktion som en neutronkälla. Det är mycket svårare att lansera det som en energikälla. Här står vi inför det så kallade Lawson-kriteriet, som bestämmer energifördelen med en termonukleär reaktion. Om produkten av tätheten hos de reagerande kärnorna och tiden för deras inneslutning vid fusionsavståndet är större än 1014 sek / cm3, kommer energin som tillhandahålls av fusionen att överstiga den energi som införs i systemet.
Alla termonukleära program var dedikerade till att uppnå detta kriterium.
Klassisk super
Det första termonukleära bombsystemet som kom till Edward Tellers sinne var något som liknade att försöka skapa en plutoniumbom med hjälp av ett kanonschema. Det vill säga allt verkar vara korrekt men fungerar inte. Anordningen för den "klassiska super" - flytande deuterium där en plutoniumbomb är nedsänkt - var verkligen klassisk, men långt ifrån super.
Idén om en explosion av en kärnkraftsladdning i ett flytande deuteriummedium visade sig initialt vara en återvändsgränd. Under sådana förhållanden kunde ett minsta utbyte av termonukleär fusionsenergi uppnås genom att detonera en kärnladdning på 500 kt. Och det fanns inget behov av att prata om uppnåendet av Lawson-kriteriet alls.
Puff
Idén att omge en kärnladdningsutlösare med lager av termonukleärt bränsle, blandat med uran-238 som värmeisolator och en explosionsförstärkare, kom också Teller på. Och inte bara honom. De första sovjetiska termonukleära bomberna byggdes exakt enligt detta schema. Principen var ganska enkel: en kärnladdning värmer ett termokärnbränsle till temperaturen i början av fusionen, och snabba neutroner som genereras under fusion exploderar lager av uran-238. Begränsningen förblev dock densamma - vid den temperatur som kärnkraftsutlösaren kunde ge, kunde bara en blandning av billigt deuterium och otroligt dyrt tritium komma in i fusionsreaktionen.
Senare kom Teller på idén att använda föreningen litium-6 deuterid. Denna lösning gjorde det möjligt att överge dyra och obekväma kryogena behållare med flytande deuterium. Dessutom, som ett resultat av bestrålning med neutroner, omvandlades litium-6 till helium och tritium, vilket ingick i en fusionsreaktion med deuterium.
Nackdelen med detta schema var den begränsade effekten - endast en begränsad del av det termonukleära bränslet som omgav avtryckaren hade tid att gå in i fusionsreaktionen. Resten, oavsett hur mycket det var, gick till vinden. Den maximala laddningseffekten som erhölls vid användning av "puff" var 720 kt (British Orange Herald bomb). Tydligen var det ett "tak".
Teller-Ulam-schemat
Vi har redan pratat om historien om utvecklingen av Teller-Ulam-systemet. Låt oss nu förstå de tekniska detaljerna i denna krets, som också kallas "tvåstegs" eller "strålningskompression" -krets.
Vår uppgift är att värma det termonukleära bränslet och hålla det i en viss volym för att uppfylla Lawson-kriteriet. Bortsett från de amerikanska övningarna med kryogena kretsar, låt oss ta litium-6-deuterid, som vi redan känner till, som ett termonukleärt bränsle.
Vi väljer uran-238 som material för behållaren för termonukleär laddning. Behållaren är cylindrisk. Längs behållarens axel, inuti den, kommer vi att placera en cylindrisk stav gjord av uran-235, som har en subkritisk massa.
Obs: den sensationella neutronbomben vid den tiden är samma Teller-Ulam-schema, men utan uranstången längs containeraxeln. Poängen är att ge ett kraftfullt flöde av snabba neutroner, men inte att tillåta utbränning av allt termonukleärt bränsle, som kommer att konsumera neutroner.
Fyll resten av behållarens fria utrymme med litium-6-deuterid. Vi kommer att placera containern i ena änden av den framtida bombens kropp (detta kommer att vara det andra steget), och i den andra änden kommer vi att montera en konventionell plutoniumladdning med en kapacitet på flera kiloton (första steget). Mellan kärnkrafts- och termonukleära laddningar installerar vi en uran-238-partition för att förhindra för tidig uppvärmning av litium-6-deuterid. Fyll resten av det fria utrymmet inuti bombkroppen med fast polymer. I princip är den termonukleära bomben redo.
När en kärnladdning detoneras frigörs 80% av energin i form av röntgenstrålar. Dess utbredningshastighet är mycket högre än för plutoniumklyvningsfragment. På hundradelar av en mikrosekund avdunstar uranskölden och röntgenstrålningen börjar absorberas intensivt av uran i den termonukleära laddningsbehållaren. Som ett resultat av den så kallade ablationen (avlägsnande av massa från ytan av den uppvärmda behållaren) uppträder en reaktiv kraft som komprimerar behållaren 10 gånger. Det är denna effekt som kallas strålningsimplosion eller strålningskompression. I detta fall ökar fusionsbränslets densitet 1000 gånger. Som ett resultat av det kolossala trycket vid strålningsimplosion komprimeras även den centrala staven i uran-235, om än i mindre utsträckning, och övergår till ett superkritiskt tillstånd. Vid den här tiden bombarderas det termonukleära blocket med snabba neutroner från en kärnexplosion. Efter att ha passerat litium-6-deuterid saktar de ner och absorberas intensivt av uranstaven.
En klyvningskedjereaktion börjar i staven, vilket snabbt leder till en kärnexplosion inuti containern. Eftersom litium-6-deuterid utsätts för ablativ kompression från utsidan och trycket från en kärnexplosion inifrån ökar dess densitet och temperatur ännu mer. Detta ögonblick är början på starten av syntesreaktionen. Dess ytterligare underhåll bestäms av hur länge behållaren kommer att hålla termonukleära processer i sig själv, vilket förhindrar utsläpp av termisk energi utanför. Det är detta som bestämmer uppnåendet av Lawson-kriteriet. Förbränningen av termonukleärt bränsle fortsätter från cylinderns axel till dess kant. Förbränningens främre temperatur når 300 miljoner kelvin. Det tar ett par hundra nanosekunder att helt utveckla en explosion fram till utbränningen av det termonukleära bränslet och förstörelsen av behållaren - tjugo miljoner gånger snabbare än du läser den här frasen.
Tillförlitlig drift av tvåstegskretsen beror på noggrann montering av behållare och förebyggande av för tidig uppvärmning.
Effekten av den termonukleära laddningen för Teller-Ulam-schemat beror på kraften hos kärnutlösaren, vilket säkerställer effektiv kompression genom strålning. Men nu finns det flerstegsscheman där energin från föregående steg används för att komprimera nästa. Ett exempel på ett trestegsschema är den redan nämnda 100-megaton "Kuz'kina-mamman".