Pada ulang tahun badabum berikutnya di Hiroshima dan Nagasaki, saya memutuskan untuk menjelajahi Internet untuk pertanyaan mengenai senjata nuklear, di mana mengapa dan bagaimana ia dibuat tidak begitu menarik bagi saya (saya sudah tahu) - Saya lebih berminat dengan bagaimana 2 keping plutonium tidak mencair tetapi menjadikannya luas.
Mengawasi para jurutera - mereka bermula dengan pemula dan diakhiri dengan bom atom.
Marcel Pagnol
Fizik nuklear adalah salah satu bidang sains alam yang paling kontroversial. Di daerah inilah manusia selama setengah abad melemparkan miliaran dolar, pound, franc dan rubel, seperti ke dalam tungku lokomotif sebuah kereta api yang lewat. Sekarang kereta api nampaknya tidak lagi lewat. Api yang membara membakar dana dan berjam-jam menghilang. Mari cuba memahami secara ringkas jenis kereta api yang disebut "fizik nuklear".
Isotop dan radioaktiviti
Seperti yang anda ketahui, semua yang ada terdiri daripada atom. Atom, pada gilirannya, terdiri dari cengkerang elektronik, hidup sesuai dengan undang-undang yang mengejutkan, dan inti. Kimia klasik sama sekali tidak berminat dengan inti dan kehidupan peribadinya. Baginya, atom adalah elektronnya dan kemampuannya untuk menukar interaksi. Dan dari inti kimia, hanya jisimnya yang diperlukan untuk mengira bahagian reagen. Sebaliknya, fizik nuklear tidak terlalu mementingkan elektron. Dia tertarik pada titik debu kecil (100 ribu kali lebih kecil dari radius orbit elektron) di dalam atom, di mana hampir keseluruhan jisimnya tertumpu.
Video promosi:
Apa yang kita tahu mengenai inti? Ya, ia terdiri daripada proton dan neutron bermuatan positif tanpa cas elektrik. Walau bagaimanapun, ini tidak sepenuhnya benar. Inti bukan segelintir bola dua warna, seperti dalam ilustrasi dari buku teks sekolah. Terdapat undang-undang yang sama sekali berbeza di sini yang disebut interaksi yang kuat, mengubah proton dan neutron menjadi semacam kekacauan yang tidak dapat dibezakan. Walau bagaimanapun, cas mash ini sama dengan jumlah muatan proton yang termasuk di dalamnya, dan jisim - hampir (saya ulangi, hampir) bertepatan dengan jisim neutron dan proton yang membentuk inti.
By the way, bilangan proton atom yang tidak terion selalu bertepatan dengan bilangan elektron yang mempunyai kehormatan untuk mengelilinginya. Tetapi dengan neutron tidak begitu mudah. Sebenarnya, tugas neutron adalah menstabilkan nukleus, kerana tanpanya, proton bermuatan serupa tidak akan dapat bergabung walaupun dalam mikrodetik.
Mari ambil hidrogen untuk memastikan. Hidrogen yang paling biasa. Perantinya sangat mudah - satu proton dikelilingi oleh satu elektron yang mengorbit. Hidrogen di Alam Semesta secara pukal. Kita dapat mengatakan bahawa alam semesta terdiri terutamanya daripada hidrogen.
Sekarang mari kita tambahkan neutron dengan teliti pada proton. Dari sudut kimia, ia masih hidrogen. Tetapi dari sudut fizik, tidak lagi. Setelah menemui dua hidrogen yang berbeza, ahli fizik bimbang dan segera muncul dengan idea memanggil protium hidrogen biasa, dan hidrogen dengan neutron dengan proton - deuterium.
Mari dapatkan saraf dan beri makan inti satu lagi neutron. Sekarang kita mempunyai hidrogen lain, lebih berat - tritium. Ini, sekali lagi, dari sudut pandang kimia, secara praktikalnya tidak berbeza dengan dua hidrogen lain (baik, kecuali bahawa sekarang ia memasuki reaksi sedikit lebih tidak rela). Saya ingin segera memberi amaran kepada anda - tidak ada usaha, ancaman dan nasihat yang dapat menambahkan neutron lain ke inti tritium. Undang-undang tempatan jauh lebih ketat daripada undang-undang manusia.
Jadi protium, deuterium dan tritium adalah isotop hidrogen. Jisim atom mereka berbeza, tetapi casnya tidak. Tetapi itu adalah muatan nuklear yang menentukan lokasi dalam jadual unsur berkala. Itulah sebabnya isotop disebut isotop. Diterjemahkan dari bahasa Yunani, ini bermaksud "menduduki tempat yang sama." By the way, air berat yang terkenal adalah air yang sama, tetapi dengan dua atom deuterium dan bukan protium. Oleh itu, air superheavy mengandungi tritium dan bukannya protium.
Mari kita lihat lagi hidrogen kita. Jadi … Protium ada, deuterium ada … Siapa lagi ini? Dari mana tritium saya pergi dan dari mana helium-3 berasal? Di dalam tritium kami, salah satu neutron jelas melewatkannya, memutuskan untuk menukar profesi dan menjadi proton. Dengan berbuat demikian, ia menimbulkan elektron dan antineutrino. Kehilangan tritium tentu saja mengecewakan, tetapi kita sekarang tahu bahawa ia tidak stabil. Memberi makan neutron tidak sia-sia.
Jadi, seperti yang anda fahami, isotop stabil dan tidak stabil. Terdapat banyak isotop stabil di sekitar kita, tetapi, terima kasih Tuhan, praktikalnya tidak ada isotop yang stabil. Yaitu, mereka ada, tetapi dalam keadaan tersebar sehingga mereka harus diperoleh dengan biaya banyak tenaga kerja. Sebagai contoh, uranium-235, yang menyebabkan kerumitan Oppenheimer, hanya 0,7% uranium semula jadi.
Separuh hayat
Semuanya mudah di sini. Separuh hayat isotop yang tidak stabil adalah jangka masa di mana tepat separuh atom isotop itu merosot dan berubah menjadi beberapa atom lain. Tritium yang sudah biasa mempunyai jangka hayat 12.32 tahun. Ini adalah isotop yang berumur pendek, walaupun dibandingkan dengan francium-223, yang mempunyai waktu paruh 22.3 minit, tritium kelihatan seperti aksakal berjanggut kelabu.
Tidak ada faktor luaran makroskopik (tekanan, suhu, kelembapan, mood penyelidik, jumlah peruntukan, lokasi bintang) yang mempengaruhi waktu paruh. Mekanika kuantum tidak sensitif dengan omong kosong tersebut.
Mekanik Letupan Popular
Inti dari sebarang letupan adalah pembebasan cepat tenaga yang sebelumnya dalam keadaan tidak terikat dan tidak terikat. Tenaga yang dilepaskan tersebar, terutama berubah menjadi panas (tenaga kinetik pergerakan molekul yang tidak teratur), gelombang kejutan (di sini, juga, bergerak, tetapi sudah dipesan, ke arah dari pusat letupan) dan radiasi - dari inframerah lembut hingga quanta panjang gelombang pendek yang keras.
Dengan letupan bahan kimia, semuanya agak mudah. Reaksi yang menguntungkan berlaku apabila bahan-bahan tertentu saling berinteraksi. Hanya lapisan elektronik atas beberapa atom yang mengambil bahagian dalam tindak balas tersebut, dan interaksinya tidak mendalam. Sangat mudah untuk meneka bahawa terdapat banyak tenaga terpendam dalam bahan apa pun. Tetapi apa sahaja syarat percubaan, tidak kira seberapa berjaya reagen yang kita pilih, tidak kira bagaimana kita mengkalibrasi perkadaran, kimia tidak akan membiarkan kita masuk lebih jauh ke dalam atom. Letupan kimia adalah fenomena primitif, tidak berkesan dan, dari sudut pandang fizik, sangat lemah.
Tindak balas rantai nuklear membolehkan anda menggali sedikit lebih dalam, termasuk dalam permainan bukan sahaja elektron, tetapi juga inti. Kedengarannya sangat berat, mungkin hanya untuk ahli fizik, dan selebihnya saya akan memberikan analogi sederhana. Bayangkan berat raksasa di mana zarah-zarah debu elektrik bergelombang pada jarak beberapa kilometer. Ini adalah atom, "berat" adalah inti, dan "zarah debu" adalah elektron. Apa sahaja yang anda lakukan dengan butiran debu ini, mereka tidak akan memberikan seperseratus tenaga yang dapat diperoleh dari berat badan yang berat. Terutama jika, untuk beberapa sebab, ia pecah, dan serpihan besar pada hamburan berkelajuan tinggi ke arah yang berbeza.
Letupan nuklear menggunakan potensi mengikat zarah berat yang membentuk nukleus. Tetapi ini jauh dari had: terdapat banyak tenaga pendam dalam jirim. Dan nama tenaga ini adalah jisim. Sekali lagi, ini terdengar agak pelik bagi bukan ahli fizik, tetapi jisim adalah tenaga, hanya sangat pekat. Setiap zarah: elektron, proton, neutron - semua ini adalah sekumpulan tenaga yang sangat padat, untuk sementara waktu. Anda mungkin tahu formula E = mc2, yang sangat disukai oleh pengarang anekdot, editor surat kabar dinding dan pereka bilik darjah sekolah. Inilah yang sebenarnya dia lakukan, dan dialah yang mendalilkan jisim sebagai tidak lebih dari satu bentuk tenaga. Dan dia juga menjawab persoalan berapa banyak tenaga yang dapat diperoleh dari zat secara maksimum.
Proses peralihan jisim yang lengkap, iaitu, tenaga terikat menjadi tenaga bebas, disebut pemusnahan. Dengan akar bahasa Latin "nihil" mudah diteka tentang intinya - ia berubah menjadi "tidak ada", atau lebih tepatnya, menjadi radiasi. Untuk kejelasan, beberapa nombor.
Tenaga setara TNT letupan (J)
Granat F-1 60 gram 2.50 * 105
Bom itu jatuh di Hiroshima 16 kiloton 6.70 * 1013
Pemusnahan satu gram bahan 21.5 kiloton 8.99 * 1013
Satu gram perkara (hanya jisim yang penting) semasa pemusnahan akan memberi lebih banyak tenaga daripada bom nuklear kecil. Berbanding dengan pengembalian seperti itu, latihan ahli fizik mengenai pembelahan nuklear, dan lebih-lebih lagi eksperimen ahli kimia dengan reagen aktif, nampaknya tidak masuk akal.
Untuk pemusnahan, diperlukan syarat yang sesuai, iaitu hubungan bahan dengan antimateri. Dan, tidak seperti "merkuri merah" atau "batu ahli falsafah", antimateri lebih daripada nyata - untuk zarah yang kita tahu, antipartikel serupa ada dan telah dikaji, dan eksperimen pemusnahan pasangan "elektron + positron" telah berulang kali dijalankan dalam praktik. Tetapi untuk membuat senjata pemusnahan, perlu mengumpulkan sejumlah antipartikel yang berat, dan juga untuk menyekat mereka daripada bersentuhan dengan apa-apa perkara sehingga, sebenarnya, penggunaan ketenteraan. Ini, pah-pah, masih merupakan prospek yang jauh.
Kecacatan jisim
Soalan terakhir yang masih perlu dijelaskan mengenai mekanisme letupan adalah dari mana datangnya tenaga: yang dilepaskan semasa reaksi berantai? Di sini sekali lagi, ia bukan tanpa massa. Sebaliknya, tanpa dia "kecacatan".
Sehingga abad yang lalu, para saintis percaya bahawa jisim dipelihara dalam keadaan apa pun, dan mereka betul dengan cara mereka sendiri. Oleh itu, kami mencelupkan logam ke dalam asid - retort bergelembung dan gelembung gas bergegas melalui ketebalan cecair. Tetapi jika anda menimbang reagen sebelum dan selepas tindak balas, tanpa melupakan gas yang dibebaskan, jisimnya akan berkumpul. Dan ini akan selalu berlaku, semasa kita beroperasi dengan kilogram, meter dan tindak balas kimia.
Tetapi setelah anda menyelidiki bidang mikropartikel, massa juga mengejutkan. Ternyata jisim atom mungkin tidak sama dengan jumlah jisim zarah yang membentuknya. Apabila nukleus berat (misalnya, uranium yang sama) dibahagikan kepada beberapa bahagian, "serpihan" secara keseluruhan beratnya lebih kecil daripada nukleus sebelum pembelahan. "Perbezaan", juga disebut kecacatan jisim, bertanggungjawab untuk tenaga ikatan dalam nukleus. Dan perbezaan inilah yang menjadi panas dan radiasi semasa letupan, dan semuanya mengikut formula mudah yang sama: E = mc2.
Ini menarik: kebetulan sangat berfaedah untuk membahagi inti yang berat, dan menyatukan yang ringan. Mekanisme pertama berfungsi dalam bom uranium atau plutonium, yang kedua dalam bom hidrogen. Dan anda tidak boleh membuat bom dari besi dengan semua keinginan: tepat di tengah-tengah baris ini.
Bom nuklear
Dalam urutan sejarah, mari kita lihat bom nuklear dan melaksanakan Projek Manhattan kecil kita. Saya tidak akan membosankan anda dengan kaedah membosankan pemisahan isotop dan pengiraan matematik teori reaksi berantai pembelahan. Anda dan saya mempunyai uranium, plutonium, bahan lain, arahan pemasangan dan bahagian ingin tahu saintifik yang diperlukan.
Reaksi Rantai Pembelahan Saya telah menyebut bahawa reaksi rantai pembelahan uranium pertama kali dilakukan pada bulan Disember 1942 oleh Enrico Fermi. Sekarang mari kita bincangkan reaksi berantai nuklear dengan lebih terperinci.
Semua isotop uranium tidak stabil satu darjah atau yang lain. Tetapi uranium-235 berada dalam kedudukan istimewa. Dengan kerosakan spontan nukleus uranium-235 (juga disebut peluruhan alpha), terbentuk dua serpihan (inti lain, unsur yang jauh lebih ringan) dan beberapa neutron (biasanya 2-3). Sekiranya neutron yang terbentuk semasa pembusukan menyentuh inti atom uranium yang lain, akan terjadi pelanggaran elastik yang biasa, neutron akan melambung dan terus mencari pengembaraan. Tetapi selepas beberapa ketika ia akan membuang tenaga (pelanggaran elastik idealnya hanya berlaku dengan kuda sfera dalam keadaan hampa), dan inti seterusnya akan menjadi perangkap - neutron akan diserap olehnya. By the way, ahli fizik memanggil neutron termal.
Lihat senarai isotop uranium yang diketahui. Tidak ada isotop dengan jisim atom 236 di antara mereka. Adakah anda tahu mengapa? Nukleus sedemikian hidup untuk pecahan mikrodetik, dan kemudian merosot dengan pembebasan sejumlah besar tenaga. Ini dipanggil pereputan paksa. Isotop dengan jangka hayat seperti itu agak canggung untuk memanggil isotop.
Tenaga yang dibebaskan semasa pelanggaran inti uranium-235 adalah tenaga kinetik serpihan dan neutron. Sekiranya kita mengira jumlah jisim produk peluruhan inti uranium, dan kemudian membandingkannya dengan jisim nukleus asal, ternyata jisim ini tidak bertepatan - nukleus asalnya lebih besar. Fenomena ini disebut mass defect, dan penjelasannya dinyatakan dalam formula E0 = mc2. Tenaga kinetik serpihan yang dibahagi dengan kuasa dua kelajuan cahaya akan sama dengan perbezaan jisim. Fragmen dipercepat dalam kisi kristal uranium, menimbulkan radiasi sinar-X, dan neutron, setelah melakukan perjalanan, diserap oleh inti uranium lain atau meninggalkan pemutus uranium, di mana semua peristiwa berlaku.
Sekiranya pemutaran uranium kecil, maka sebahagian besar neutron akan meninggalkannya sebelum boleh melambatkan. Tetapi jika setiap tindakan pereputan paksa menyebabkan sekurang-kurangnya satu lagi tindakan tersebut disebabkan oleh neutron yang dipancarkan, ini sudah menjadi reaksi berantai pembelahan diri.
Oleh itu, jika ukuran pemutus meningkat, peningkatan bilangan neutron akan menyebabkan tindakan pembelahan paksa. Dan pada satu ketika, reaksi berantai akan menjadi tidak terkawal. Tetapi ini jauh dari letupan nuklear. Hanya letupan terma yang sangat "kotor", yang akan melepaskan sebilangan besar isotop yang sangat aktif dan beracun.
Jisim kritikal
Cukup soalan semula jadi - berapa banyak uranium-235 yang diperlukan agar reaksi rantai pembelahan menjadi longsoran? Sebenarnya, tidak semuanya mudah. Sifat bahan fisil dan nisbah isipadu ke permukaan berperanan di sini. Bayangkan satu tan uranium-235 (saya akan membuat tempahan dengan segera - ia banyak), yang wujud dalam bentuk wayar nipis dan sangat panjang. Ya, tentu saja, neutron terbang di sepanjangnya, akan menyebabkan tindakan paksa paksa. Tetapi pecahan neutron yang terbang di sepanjang wayar akan sangat kecil sehingga tidak masuk akal untuk membicarakan reaksi berantai yang dapat bertahan sendiri.
Oleh itu, kami bersetuju untuk mempertimbangkan jisim kritikal untuk pemutus sfera. Untuk uranium murni-235, jisim kritikal adalah 50 kg (ini adalah bola dengan radius 9 cm). Anda faham bahawa bola seperti itu tidak akan bertahan lama, seperti bola yang melemparkannya.
Sekiranya bola dengan jisim lebih kecil dikelilingi oleh reflektor neutron (berilium sempurna untuknya), dan bahan - moderator neutron (air, air berat, grafit, berilium yang sama) - dimasukkan ke dalam bola, maka jisim kritikal akan menjadi jauh lebih kecil. Dengan menggunakan reflektor dan moderator neutron yang paling cekap, jisim kritikal dapat ditingkatkan menjadi 250 gram. Ini, misalnya, dapat dicapai dengan meletakkan larutan tepu garam uranium-235 dalam air berat dalam bekas berilium sfera.
Jisim kritikal tidak terhad kepada uranium-235. Terdapat juga sebilangan isotop yang mampu tindak balas rantai pembelahan. Keadaan utamanya adalah bahawa produk pembusukan nukleus mesti menyebabkan kerosakan pada inti lain.
Bom uranium
Oleh itu, kami mempunyai dua tuangan uranium hemisfera dengan berat 40 kg. Selagi mereka berada di antara satu sama lain, semuanya akan menjadi tenang. Dan jika anda mula menggerakkannya perlahan-lahan? Bercanggah dengan kepercayaan popular, tidak ada yang menjamur. Hanya kepingan itu, ketika mereka semakin dekat, akan mulai memanas, dan kemudian, jika anda tidak mengubah fikiran anda pada waktunya, panaskan. Pada akhirnya, mereka hanya akan mencair dan menyebar, dan setiap orang yang memindahkan coran akan memberikan oak dari penyinaran neutron. Dan mereka yang menonton ini dengan menarik akan merekatkan sirip itu.
Dan jika lebih pantas? Akan mencair lebih cepat. Masih cepat? Mereka akan mencair lebih cepat. Sejuk? Ya, walaupun anda mencelupkannya ke dalam helium cair, tidak akan masuk akal. Dan jika anda menembak satu bahagian yang lain? TENTANG! Detik kebenaran. Kami baru sahaja membuat skema meriam uranium. Namun, kami tidak ada yang boleh dibanggakan, skema ini adalah yang paling mudah dan paling tepat. Ya, dan hemisfera harus ditinggalkan. Seperti yang telah ditunjukkan oleh latihan, mereka tidak cenderung untuk bersama-sama secara merata oleh pesawat. Bias sedikit - dan anda mendapat "sekumpulan" yang sangat mahal, selepas itu anda perlu membersihkannya untuk masa yang lama.
Lebih baik membuat tiub pendek berdinding pendek uranium-235 dengan jisim 30-40 kg, ke lubang yang kita pasangkan tong besi berkekuatan tinggi berkaliber yang sama, dimuat dengan silinder uranium yang sama dengan jisim yang sama. Mari kita mengelilingi sasaran uranium dengan reflektor neutron berilium. Sekarang, jika anda menembak "peluru" uranium di "paip" uranium - akan ada "paip" penuh. Iaitu, akan berlaku letupan nuklear. Anda hanya perlu menembak dengan cara yang serius, sehingga kecepatan moncong peluru uranium sekurang-kurangnya 1 km / s. Jika tidak, sekali lagi, akan ada "sekumpulan", tetapi lebih keras. Kenyataannya adalah bahawa ketika proyektil dan sasaran saling menghampiri, mereka memanas sehingga mereka mula menguap secara intensif dari permukaan, diperlahankan oleh aliran gas yang akan datang. Lebih-lebih lagi, jika kecepatannya tidak mencukupi, ada kemungkinan proyektil itu tidak mencapai sasaran, tetapi menguap di sepanjang jalan.
Untuk mempercepat pada kecepatan sedemikian, cakera seberat beberapa puluh kilogram, lebih-lebih lagi, pada jarak beberapa meter adalah tugas yang sangat sukar. Itulah sebabnya mengapa anda tidak memerlukan mesiu, tetapi bahan peledak kuat yang mampu mewujudkan tekanan gas yang betul dalam tong dalam waktu yang sangat singkat. Dan kemudian anda tidak perlu membersihkan tong, jangan risau.
Bom Mk-I "Little Boy" yang dijatuhkan di Hiroshima dirancang mengikut skema meriam.
Sudah tentu, terdapat perincian yang tidak penting yang tidak kami pertimbangkan dalam projek kami, tetapi kami sama sekali tidak bertentangan dengan prinsip itu.
Bom Plutonium
Jadi. Kami meletupkan bom uranium. Kami mengagumi cendawan. Sekarang kita akan meletupkan plutonium. Jangan seret sasaran, peluru, tong dan sampah lain di sini. Nombor ini tidak akan berfungsi dengan plutonium. Walaupun kita melepaskan satu bahagian ke bahagian lain dengan kelajuan 5 km / s, pemasangan supercritical masih tidak dapat berfungsi. Plutonium-239 akan mempunyai masa untuk memanaskan badan, menguap dan merosakkan segala-galanya. Jisim kritikalnya lebih dari 6 kg. Anda boleh bayangkan betapa aktifnya dia menangkap neutron.
Plutonium adalah logam yang tidak biasa. Bergantung pada suhu, tekanan dan kekotoran, ia terdapat dalam enam modifikasi kisi kristal. Bahkan ada pengubahsuaian di mana ia menyusut ketika dipanaskan. Peralihan dari satu fasa ke fasa yang lain dapat dilakukan secara tiba-tiba, sementara ketumpatan plutonium dapat berubah sebanyak 25%. Mari, seperti semua pahlawan normal, pergi ke sana ke mari. Ingat bahawa jisim kritikal ditentukan, khususnya, dengan nisbah isi padu ke permukaan. Baiklah, kita mempunyai bola jisim subkritikal yang mempunyai permukaan minimum untuk isipadu tertentu. Katakan 6 kilogram. Jari-jari bola adalah 4.5 cm. Dan jika bola ini diperas dari semua sisi? Ketumpatan akan meningkat berkadaran dengan kubus pemampatan linier, dan permukaannya akan berkurang setara dengan segi empat sama. Dan inilah yang berlaku: atom plutonium akan menjadi lebih padat, iaitu jarak berhenti neutron akan semakin pendek,yang bermaksud bahawa kebarangkalian penyerapannya akan meningkat. Tetapi, sekali lagi, memampatkan pada kelajuan yang diperlukan (kira-kira 10 km / s) masih tidak berfungsi. Jalan mati? Tetapi tidak.
Pada suhu 300 ° C, fasa delta yang disebut berlaku - yang paling longgar. Sekiranya plutonium didoping dengan gallium, dipanaskan hingga suhu ini, dan kemudian perlahan-lahan disejukkan, maka fasa delta dapat wujud pada suhu bilik. Tetapi ia tidak akan stabil. Pada tekanan tinggi (dari urutan berpuluh ribu atmosfera), peralihan tiba-tiba ke fasa alpha yang sangat padat akan berlaku.
Letakkan bola plutonium dalam bola uranium-238 berongga besar (diameter 23 cm) dan berat (120 kg). Jangan bimbang, ia tidak mempunyai jisim kritikal. Tetapi dengan sempurna mencerminkan neutron cepat. Dan mereka tetap berguna bagi kita. Adakah anda fikir mereka meletupkannya? Tidak kira bagaimana keadaannya. Plutonium adalah entiti berubah-ubah. Kita masih perlu berusaha. Mari buat dua belahan plutonium dalam fasa delta. Mari membentuk rongga sfera di tengah. Dan di rongga ini kita akan meletakkan pemikiran senjata nuklear - pemula neutron. Ini adalah bola berilium berongga kecil dengan diameter 20 dan ketebalan 6 mm. Di dalamnya terdapat sebiji bola berilium lain dengan diameter 8 mm. Terdapat alur dalam di permukaan dalaman bola berongga. Semua ini berlapis nikel dan berlapis emas. Polonium-210 diletakkan di alur, yang secara aktif mengeluarkan zarah alfa. Inilah keajaiban teknologi. Bagaimanakah ia berfungsi? Tunggu sebentar. Kami masih mempunyai beberapa perkara yang perlu dilakukan.
Mari kelilingi shell uranium dengan yang lain yang diperbuat daripada aloi aluminium-boron. Ketebalannya kira-kira 13 cm. Secara keseluruhan, "matryoshka" kami kini telah bertambah hingga setengah meter dan pulih dari 6 hingga 250 kg.
Sekarang kita akan membuat lensa letupan. Bayangkan bola sepak. Klasik, terdiri daripada 20 segi enam dan 12 pentagon. Mari buat "bola" dari bahan letupan, dan lengkapkan setiap segmen dengan beberapa detonator elektrik. Ketebalan segmen kira-kira setengah meter. Terdapat juga banyak kehalusan dalam pembuatan "lensa", tetapi jika anda menerangkannya, maka tidak ada cukup ruang untuk yang lain. Perkara utama adalah ketepatan lensa maksimum. Kesalahan paling sedikit - dan keseluruhan pemasangan akan dihancurkan oleh tindakan letupan bahan letupan. Pemasangan lengkap kini mempunyai diameter kira-kira satu setengah meter dan berat 2.5 tan. Reka bentuknya diselesaikan oleh litar elektrik yang tugasnya meletupkan detonator dalam urutan yang ditentukan dengan tepat dengan ketepatan satu mikrodetik.
Semua. Sebelum kita ada skema letupan plutonium.
Dan sekarang bahagian yang menyeronokkan.
Semasa meletup, bahan peledak menekan pemasangan, dan "pendorong" aluminium tidak membenarkan kerosakan gelombang letupan merambat ke dalam selepas bahagian depannya. Setelah melalui uranium dengan kelajuan penghitung kira-kira 12 km / s, gelombang mampatan akan memadatkannya dan juga plutonium. Plutonium pada tekanan di zon mampatan mengikut urutan beratus-ratus ribu atmosfera (kesan memfokuskan bahagian depan letupan) akan melompat ke fasa alfa. Dalam 40 mikrodetik, pemasangan uranium-plutonium yang dijelaskan di sini akan menjadi bukan hanya superkritikal, tetapi beberapa kali lebih besar daripada jisim kritikal.
Setelah mencapai pemula, gelombang mampatan akan menghancurkan seluruh strukturnya menjadi monolit. Dalam kes ini, penebat nikel-emas akan runtuh, polonium-210, kerana penyebaran, akan meresap ke berilium, zarah-zarah alfa yang dikeluarkan olehnya, melewati berilium, akan menyebabkan fluks neutron kolosal yang mencetuskan reaksi pembelahan rantai di seluruh isi plutonium, dan aliran neutron "cepat" dihasilkan kerosakan plutonium, akan menyebabkan letupan uranium-238. Selesai, kami telah menanam cendawan kedua, tidak lebih buruk daripada yang pertama.
Contoh skema letupan plutonium adalah bom Mk-III "Fatman" yang dijatuhkan di Nagasaki.
Semua muslihat yang dijelaskan di sini diperlukan untuk memaksa bilangan inti atom plutonium maksimum untuk bertindak balas. Tugas utama adalah menjaga cas dalam keadaan padat selama mungkin, untuk mengelakkannya tersebar seperti awan plasma, di mana reaksi berantai akan berhenti seketika. Di sini, setiap mikrodetik yang dimenangi adalah kenaikan satu atau dua kiloton kuasa.
Bom termonuklear
Terdapat kepercayaan yang meluas bahawa bom nuklear adalah sekering untuk bom termonuklear. Pada prinsipnya, semuanya jauh lebih rumit, tetapi intinya ditangkap dengan betul. Senjata berdasarkan prinsip peleburan termonuklear memungkinkan untuk mencapai daya letupan sedemikian rupa sehingga dalam keadaan apa pun tidak dapat dicapai dengan reaksi rantai pembelahan. Tetapi setakat ini satu-satunya sumber tenaga yang membolehkan "menyalakan" reaksi peleburan termonuklear adalah letupan nuklear.
Peleburan termonuklear
Ingat bagaimana kita "memberi makan" nukleus hidrogen dengan neutron? Oleh itu, jika anda cuba menghubungkan dua proton bersama-sama dengan cara ini, tidak ada yang akan datang daripadanya. Proton tidak akan melekat bersama kerana daya tolakan Coulomb. Sama ada ia berselerak, atau pelanggaran beta berlaku dan salah satu proton menjadi neutron. Tetapi helium-3 ada. Terima kasih kepada satu neutron, yang menjadikan proton lebih senang tinggal di antara satu sama lain.
Pada prinsipnya, berdasarkan komposisi nukleus helium-3, dapat disimpulkan bahawa satu inti helium-3 dapat dipasang sepenuhnya dari inti protium dan deuterium. Secara teori, memang demikian, tetapi reaksi seperti itu hanya dapat terjadi pada usus bintang yang besar dan panas. Lebih-lebih lagi, di bahagian dalam bintang, helium dapat dikumpulkan walaupun dari proton sahaja, mengubah sebahagiannya menjadi neutron. Tetapi ini sudah menjadi persoalan astrofizik, dan pilihan yang dapat dicapai bagi kita adalah menggabungkan dua inti deuterium atau deuterium dan tritium.
Satu syarat yang sangat spesifik diperlukan untuk penyatuan inti. Ini adalah suhu (109 K) yang sangat tinggi. Hanya pada nukleus tenaga kinetik purata 100 keV mereka dapat mendekati satu sama lain pada jarak di mana interaksi kuat mula mengatasi interaksi Coulomb.
Cukup soalan yang sah - mengapa memagari kebun ini? Faktanya adalah bahawa peleburan inti cahaya melepaskan tenaga sekitar 20 MeV. Sudah tentu, dengan pembelahan nukleus uranium secara paksa, tenaga ini 10 kali lebih banyak, tetapi ada satu kaveat - dengan trik yang paling besar, muatan uranium dengan kapasiti bahkan 1 megaton adalah mustahil. Walaupun untuk bom plutonium yang lebih maju, hasil tenaga yang dapat dicapai tidak lebih dari 7-8 kiloton per kilogram plutonium (dengan teori maksimum 18 kiloton). Dan jangan lupa bahawa inti uranium hampir 60 kali lebih berat daripada dua inti deuterium. Sekiranya kita mempertimbangkan hasil tenaga yang spesifik, maka peleburan termonuklear kelihatan lebih maju.
Namun - untuk cas termonuklear tidak ada sekatan pada jisim kritikal. Dia tidak memilikinya. Terdapat, bagaimanapun, sekatan lain, tetapi mengenainya - di bawah.
Pada prinsipnya, memulakan tindak balas termonuklear sebagai sumber neutron tidak cukup sukar. Jauh lebih sukar untuk melancarkannya sebagai sumber tenaga. Di sini kita berhadapan dengan apa yang disebut kriteria Lawson, yang menentukan kelebihan tenaga dari tindak balas termonuklear. Sekiranya produk ketumpatan inti yang bertindak balas dan masa pengurungannya pada jarak peleburan lebih besar daripada 1014 saat / cm3, tenaga yang diberikan oleh peleburan akan melebihi tenaga yang dimasukkan ke dalam sistem.
Semua program termonuklear dikhaskan untuk mencapai kriteria ini.
Super klasik
Skema bom termonuklear pertama yang terlintas di fikiran Edward Teller adalah sesuatu yang serupa dengan cuba membuat bom plutonium menggunakan skema meriam. Maksudnya, semuanya nampak betul, tetapi tidak berjaya. Peranti "super klasik" - deuterium cair di mana bom plutonium direndam - memang klasik, tetapi jauh dari super.
Idea letupan cas nuklear dalam medium deuterium cair ternyata buntu pada mulanya. Dalam keadaan seperti itu, sedikit hasil tenaga peleburan termonuklear dapat dicapai dengan meledakkan muatan nuklear 500 kt. Dan tidak perlu dibincangkan mengenai mencapai kriteria Lawson sama sekali.
Puff
Idea untuk mengelilingi muatan nuklear dengan lapisan bahan bakar termonuklear, diselingi dengan uranium-238 sebagai penebat haba dan penguat letupan, Teller juga muncul. Dan bukan hanya dia. Bom termonuklear Soviet pertama dibina tepat mengikut skema ini. Prinsipnya cukup sederhana: muatan nuklear memanaskan bahan bakar termonuklear ke suhu permulaan pelakuran, dan neutron cepat yang dihasilkan semasa peleburan meletup lapisan uranium-238. Walau bagaimanapun, batasannya tetap sama - pada suhu yang dapat disediakan oleh pemicu nuklear, hanya campuran deuterium murah dan tritium yang sangat mahal dapat memasuki reaksi peleburan.
Kemudian Teller muncul dengan idea untuk menggunakan sebatian lithium-6 deuteride. Penyelesaian ini memungkinkan untuk meninggalkan bekas kriogenik yang mahal dan tidak selesa dengan deuterium cair. Sebagai tambahan, sebagai akibat penyinaran dengan neutron, litium-6 diubah menjadi helium dan tritium, yang memasuki reaksi peleburan dengan deuterium.
Kelemahan skema ini adalah daya terhad - hanya bahagian terhad dari bahan bakar termonuklear yang mengelilingi pencetus mempunyai waktu untuk memasuki reaksi pelakuran. Selebihnya, tidak kira berapa banyak, pergi ke angin. Daya cas maksimum yang diperoleh ketika menggunakan "puff" ialah 720 kt (bom British Orange Herald). Nampaknya, itu adalah "siling".
Skim Teller-Ulam
Kami telah membincangkan sejarah perkembangan skema Teller-Ulam. Sekarang mari kita fahami perincian teknikal litar ini, yang juga disebut litar "dua peringkat" atau "pemampatan radiasi".
Tugas kami adalah memanaskan bahan bakar termonuklear dan menyimpannya dalam jumlah tertentu untuk memenuhi kriteria Lawson. Meninggalkan latihan Amerika dengan litar kriogenik, mari kita mengambil lithium-6 deuteride, yang sudah diketahui oleh kita, sebagai bahan bakar termonuklear.
Kami akan memilih uranium-238 sebagai bahan untuk bekas untuk muatan termonuklear. Bekas itu berbentuk silinder. Di sepanjang paksi bekas, di dalamnya kita akan meletakkan batang silinder yang terbuat dari uranium-235, yang mempunyai jisim subkritikal.
Catatan: bom neutron sensasi pada masa itu adalah skema Teller-Ulam yang sama, tetapi tanpa batang uranium di sepanjang paksi kontena. Intinya adalah untuk menyediakan aliran neutron cepat, tetapi tidak membiarkan habis semua bahan bakar termonuklear, yang akan memakan neutron.
Isi sisa ruang kosong bekas dengan lithium-6 deuteride. Kami akan meletakkan bekas di salah satu hujung badan bom masa depan (ini akan menjadi tahap kedua), dan di hujung yang lain kami akan memasang muatan plutonium konvensional dengan kapasiti beberapa kiloton (tahap pertama). Kami akan memasang partisi uranium-238 antara cas nuklear dan termonuklear, yang menghalang pemanasan pramatang lithium-6 deuteride. Isi ruang kosong di dalam badan bom dengan polimer pepejal. Pada prinsipnya, bom termonuklear sudah siap.
Apabila muatan nuklear diletupkan, 80% tenaga dilepaskan dalam bentuk sinar-X. Kelajuan penyebarannya jauh lebih tinggi daripada serpihan pembelahan plutonium. Dalam seperseratus mikrodetik, pelindung uranium menguap, dan sinaran sinar-X mula diserap secara intensif oleh uranium dari bekas muatan termonuklear. Hasil daripada apa yang disebut ablasi (penyingkiran jisim dari permukaan bekas yang dipanaskan), daya reaktif muncul, memampatkan bekas 10 kali. Kesan inilah yang disebut ledakan radiasi atau pemampatan radiasi. Pada masa yang sama, ketumpatan bahan api peleburan meningkat 1000 kali ganda. Akibat tekanan besar dari ledakan radiasi, batang pusat uranium-235 juga dimampatkan, walaupun pada tahap yang lebih rendah, dan masuk ke keadaan supercritical. Pada masa ini, blok termonuklear dihujani dengan neutron cepat dari letupan nuklear. Setelah melalui lithium-6 deuteride, mereka perlahan dan diserap oleh batang uranium.
Reaksi rantai pembelahan bermula di batang, dengan cepat menyebabkan letupan nuklear di dalam bekas. Oleh kerana lithium-6 deuteride mengalami mampatan ablatif dari luar dan tekanan letupan nuklear dari dalam, ketumpatan dan suhunya semakin meningkat. Momen ini adalah permulaan permulaan reaksi sintesis. Penyelenggaraannya selanjutnya ditentukan oleh berapa lama wadah tersebut akan mengekalkan proses termonuklear di dalam dirinya sendiri, mencegah pembebasan tenaga haba di luar. Inilah yang menentukan pencapaian kriteria Lawson. Pembakaran bahan bakar termonuklear bermula dari paksi silinder ke pinggirnya. Suhu depan pembakaran mencapai 300 juta kelvin. Diperlukan beberapa ratus nanodetik untuk membuat letupan sepenuhnya sehingga habis bahan bakar termonuklear dan pemusnahan bekas - dua puluh juta kali lebih cepat daripada yang anda baca ungkapan ini.
Operasi litar dua peringkat yang boleh dipercayai bergantung pada pemasangan bekas yang tepat dan pencegahan pemanasan pramatang.
Kekuatan cas termonuklear untuk skema Teller-Ulam bergantung pada kekuatan pemicu nuklear, yang memastikan pemampatan berkesan oleh radiasi. Namun, sekarang terdapat skema bertingkat, di mana tenaga dari tahap sebelumnya digunakan untuk memampatkan yang berikutnya. Contoh skema tiga peringkat adalah "ibu Kuz'kina" 100 megaton yang telah disebutkan.
