Атомная бомба - снаряд для получения взрыва большой силы в результате весьма быстрого выделения ядерной (атомной) энергии.
Принцип действия атомных бомб
Ядерный заряд разделён на несколько частей до критических размеров, чтобы в каждой из них не могла начаться саморазвивающаяся неуправляемая цепная реакция делений атомов делящегося вещества. Такая реакция возникнет лишь тогда, когда все части заряда будут быстро соединены в одно целое. От скорости сближения отдельных частей в сильной степени зависит полнота протекания реакции и в конечном счёте мощность взрыва. Для сообщения большой скорости частям заряда можно использовать взрыв обычного взрывчатого вещества. Если части ядерного заряда расположить по радиальным направлениям на некотором расстоянии от центра, а с внешней стороны поместить заряды тротила, то можно осуществить взрыв обычных зарядов, направленный к центру ядерного заряда. Все части ядерного заряда не только с огромной скоростью соединяться в единое целое, но и окажутся на некоторое время сжатыми со всех сторон огромным давлением продуктов взрыва и не смогут разделиться сразу, как только начнётся в заряде цепная ядерная реакция. В результате этого произойдёт значительно большее деление, чем без такого сжатия, и, следовательно, повысится мощность взрыва. Увеличению мощности взрыва при том же количестве делящегося вещества способствует также отражатель нейтронов (наиболее эффективными отражателями являются бериллий < Be >, графит, тяжёлая вода < H3O >). Для первого деления, которое положило бы начало цепной реакции, нужен, по меньшей мере, один нейтрон. Рассчитывать на своевременное начало цепной реакции под действием нейтронов, появляющихся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер, нельзя, т.к. оно происходит сравнительно редко: для U-235 - 1 распад в час на 1 гр. вещества. Нейтронов, существующих в свободном виде в атмосфере, также очень мало: через S = 1см/кв. за секунду пролетает в среднем около 6 нейтронов. По этой причине в ядерном заряде применяют искусственный источник нейтронов - своеобразный ядерный капсюль-детонатор. Он обеспечивает также множество начинающихся одновременно делений, поэтому реакция протекает в виде ядерного взрыва.
Варианты детонации (Пушечная и имплозивная схемы)
Существуют две основные схемы подрыва делящегося заряда: пушечная, иначе называемая баллистической, и имплозивная.
«Пушечная схема» использовалась в некоторых моделях ядерного оружия первого поколения. Суть пушечной схемы заключается в выстреливании зарядом пороха одного блока делящегося материала докритической массы («пуля») в другой -- неподвижный («мишень»). Блоки рассчитаны так, что при соединении их общая масса становится надкритической.
Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет на два порядка более высокий нейтронный фон, что резко повышает вероятность преждевременного развития цепной реакции до соединения блоков. Это приводит к неполному выходу энергии (т. н. «шипучка», англ. Для реализации пушечной схемы в плутониевых боеприпасах требуется увеличение скорости соединения частей заряда до технически недостижимого уровня. Кроме того, уран лучше, чем плутоний, выдерживает механические перегрузки.
Имплозивная схема. Эта схема детонации подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом химической взрывчатки. Для фокусировки ударной волны используются так называемые взрывные линзы, и подрыв производится одновременно во многих точках с прецизионной точностью. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Формирование сходящейся ударной волны обеспечивалось использованием взрывных линз из «быстрой» и «медленной» взрывчаток -- ТАТВ (Триаминотринитробензол) и баратола (смесь тринитротолуола с нитратом бария), и некоторыми добавками)
Взрывной характер
Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.
Процесс деления U238 - платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию - 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.
При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц - продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.
Критическая сборка
Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, - важнейшая.
Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно - так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).
Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.
Шаровая сборка
Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона - больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное - при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.
Сборка выполняется из двух тщательно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой внутри); она заведомо подкритична - даже для тепловых нейтронов и даже после окружения ее замедлителем. Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве сохранить благородную форму шара - для этого слой взрывчатого вещества необходимо подорвать одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно. Широко распространено мнение, что для этого нужно много электродетонаторов. Но так было только на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось много энергии и немалые размеры системы инициирования. В современных зарядах применяется несколько отобранных по специальной методике, близких по характеристикам детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением методов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно 8 км/с пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, в один и тот же момент времени достигнет отверстий и подорвет основной заряд - одновременно во всех требуемых точках.
Взрыв вовнутрь
Направленный внутрь взрыв сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии почти исчезает внутренняя полость, плотность увеличивается, причем очень быстро - за десяток микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.
Через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке, - инерция: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.
В конце концов вещество все же разлетается, прекращается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия - порядка десятков и даже сотен МэВ, но только электрически нейтральные гамма-кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом и «ускользнуть». Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение - правда, уже не жесткое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы выбить у атомов электроны - не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из голых ядер, ободранных с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр (попытайтесь представить, как хорошо можно загореть под светом, приобретшим плотность алюминия!) - все то, что мгновение назад было зарядом, - приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.
Огненный шар
Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.
Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета - более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе - более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».
Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика - основную роль играет радиационная диффузия, если мала - расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.
Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного… Начинается образование ударной волны.
Ударная волна и атомный гриб
При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного - настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.
Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше - плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.
Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».
Нейтронное инициирование
Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно… 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?
Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся - всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное - излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» - маломощный тепловой взрыв.
Нейтронное инициирование не только увеличивает на много порядков энерговыделение ядерного взрыва, но и дает возможность регулировать его! Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасе с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно просто изменить напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменится выход нейтронов и выделение энергии (разумеется, при снижении мощности таким способом пропадает зря много дорогого плутония).
Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы разговоров о снижении мощности и быть не могло. Мощнее, мощнее и еще раз мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. В итоге от деления как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса - синтеза.
Ядерные заблуждения
Плотность плутония в момент взрыва увеличивается за счет фазового перехода
Металлический плутоний существует в шести фазах, плотность которых от 14,7 до 19,8 г/см3. При температуре ниже 119 °C существует моноклинная альфа-фаза (19,8 г/см3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может - плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, взрыва не последует - заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).
Нейтронный источник
В первых ядерных бомбах использовался бериллий-полониевый источник нейтронов. В современных зарядах применяются гораздо более удобные нейтронные трубки
В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) (1) и анодным узлом (2) прикладывается импульсное напряжение в 100 кВ. Когда напряжение максимально, необходимо, чтобы между анодом и катодом оказались ионы дейтерия, которые и требуется ускорить. Для этого служит ионный источник. На его анод (3) подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики (4), образует ионы дейтерия. Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в результате чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются нейтроны и ядра гелия-4.
По составу частиц и даже по энергетическому выходу эта реакция идентична синтезу - процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие считали, что это и есть синтез, но позже выяснилось, что в трубке происходит «срыв»: либо протон, либо нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). Если увязает протон, нейтрон отрывается и становится свободным.
Нейтроны - медленные и быстрые
В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, а затем, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом - термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов - 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например в растворе солей урана в хорошем замедлителе - воде, масса сборок составляет сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а когда пузырьки покидают жидкость, вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его - но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).
Видео: Ядерные взрывы
Подписывайтесь и читайте наши лучшие публикации в Яндекс.Дзен . Смотрите красивые фотографии со всех уголков планеты на нашей странице в Instagram
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Атомная электроэнергетика – современный и быстро развивающийся способ добычи электричества. А вы знаете, как устроены атомные станции? Каков принцип работы АЭС? Какие типы ядерных реакторов сегодня существуют? Постараемся детально рассмотреть схему работы АЭС, вникнуть в устройство ядерного реактора и узнать о том, насколько безопасен атомный способ добычи электроэнергии.
Любая станция – это закрытая зона вдалеке от жилого массива. На ее территории находятся несколько зданий. Самое главное сооружение – здание реактора, рядом с ним расположен машинный зал, из которого реактором управляют, и здание безопасности.
Схема невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор – это устройство АЭС, которое призвано организовать цепную реакцию деления нейтронов с обязательным выделением энергии при этом процессе. Но каков принцип работы АЭС?
Вся реакторная установка помещается в здание реактора, большую бетонную башню, которая скрывает реактор и в случае аварии удержит в себе все продукты ядерной реакции. Эту большую башню называют контейнтмент, герметичная оболочка или гермозона.
Гермозона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стенки – оболочки.
Внешняя оболочка толщиной в 80 см обеспечивает защиту гермозоны от внешних воздействий.
Внутренняя оболочка толщиной в 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны она выложена тонким листом специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой контейнтмента и в случае аварии не выпустить содержимое реактора за пределы гермозоны.
Такое устройство атомной станции позволяет выдержать падение самолета весом до 200 тонн, 8 бальное землетрясение, торнадо и цунами.
Впервые герметичная оболочка была сооружена на американской АЭС Коннектикут Янки в 1968 году.
Полная высота гермозоны – 50-60 метров.
Из чего состоит атомный реактор?
Чтобы понять принцип работы ядерного реактора, а значит и принцип работы АЭС, нужно разобраться в составляющих реактора.
- Активная зона. Это зона, куда помещается ядерное топливо (тепловыделитель) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом выступает уран) совершают цепную реакцию деления. Замедлитель призван контролировать процесс деления, и позволяет провести нужную по скорости и силе реакцию.
- Отражатель нейтронов. Отражатель окружает активную зону. Состоит он из того же материала, что и замедлитель. По сути это короб, главное назначение которого – не дать нейтронам выйти из активной зоны и попасть в окружающую среду.
- Теплоноситель. Теплоноситель должен вобрать в себя тепло, которое выделилось при делении атомов топлива, и передать его другим веществам. Теплоноситель во многом определяет то, как устроена АЭС. Самый популярный теплоноситель на сегодня – вода.
Система управления реактором. Датчики и механизмы, которые приводят реактор АЭС в действие.
Топливо для АЭС
На чем работает АЭС? Топливо для АЭС – это химические элементы, обладающие радиоактивными свойствами. На всех атомных станциях таким элементом выступает уран.
Устройство станций подразумевает, что АЭС работают на сложном составном топливе, а не на чистом химическом элементе. И чтобы из природного урана добыть урановое топливо, которое загружается в ядерный реактор, нужно провести множество манипуляций.
Обогащенный уран
Уран состоит из двух изотопов, то есть в его составе есть ядра с разной массой. Назвали их по количеству протонов и нейтронов изотоп -235 и изотоп-238. Исследователи 20 века начали добывать из руды 235й уран, т.к. его легче было разлагать и преобразовывать. Выяснилось, что такого урана в природе всего 0,7 % (остальные проценты достались 238му изотопу).
Что делать в этом случае? Уран решили обогащать. Обогащение урана это процесс, когда в нем остается много нужных 235х изотопов и мало ненужных 238х. Задача обогатителей урана – из 0.7% сделать почти 100% урана-235.
Обогатить уран можно с помощью двух технологий – газодиффузионной или газоцентрифужной. Для их использования уран, добытый из руды, переводят в газообразное состояние. В виде газа его и обогащают.
Урановый порошок
Обогащенный урановый газ переводят в твердое состояние – диоксид урана. Такой чистый твердый 235й уран выглядит как большие белые кристаллы, которые позже дробят в урановый порошок.
Урановые таблетки
Урановые таблетки – это твердые металлические шайбы, длиной в пару сантиметров. Чтобы из уранового порошка слепить такие таблетки, его перемешивают с веществом – пластификатором, он улучшает качество прессования таблеток.
Прессованные шайбы запекают при температуре 1200 градусов по Цельсию более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. То, как работает АЭС, напрямую зависит от того, насколько хорошо спрессовали и запекли урановое топливо.
Запекают таблетки в молибденовых ящиках, т.к. только этот металл способен не расплавиться при «адских» температурах свыше полутора тысяч градусов. После этого урановое топливо для АЭС считается готовым.
Что такое ТВЭЛ и ТВС?
Активная зона реактора внешне выглядит как огромный диск или труба с дырками в стенках (в зависимости от типа реактора), раз в 5 больше человеческого тела. В этих дырках находится урановое топливо, атомы которого и проводят нужную реакцию.
Просто так закинуть топливо в реактор невозможно, ну, если вы не хотите получить взрыв всей станции и аварию с последствиями на пару близлежащих государств. Поэтому урановое топливо помещается в ТВЭЛы, а потом собирается в ТВС. Что значат эти аббревиатуры?
- ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент (не путать с одноименным названием российской компании, которая их производит). По сути это тонкая и длинная циркониевая трубка, сделанная из сплавов циркония, в которую помещаются урановые таблетки. Именно в ТВЭЛах атомы урана начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя тепло при реакции.
Цирконий выбран материалом для производства ТВЭЛов благодаря его тугоплавкости и антикоррозийности.
Тип ТВЭЛов зависит от типа и строения реактора. Как правило, строение и назначение ТВЭЛов не меняется, разными могут быть длина и ширина трубки.
В одну циркониевую трубку автомат загружает более 200 урановых таблеток. Всего в реакторе одновременно работают около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС – тепловыделяющая сборка. Работники АЭС называют ТВС пучками.
По сути это несколько ТВЭЛов, скрепленных между собой. ТВС – это готовое атомное топливо, то, на чем работает АЭС. Именно ТВС загружаются в ядерный реактор. В один реактор помещаются около 150 – 400 ТВС.
В зависимости от того, в каком реакторе ТВС будет работать, они бывают разной формы. Иногда пучки складываются в кубическую, иногда в цилиндрическую, иногда в шестиугольную форму.
Одна ТВС за 4 года эксплуатации вырабатывает столько же энергии как при сжигании 670 вагонов угля, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн, груженных нефтью.
Сегодня ТВС производят в основном на заводах России, Франции, США и Японии.
Чтобы доставить топливо для АЭС в другие страны, ТВС запечатывают в длинные и широкие металлические трубы, из труб выкачивают воздух и специальными машинами доставляют на борта грузовых самолетов.
Весит ядерное топливо для АЭС запредельно много, т.к. уран – один из самых тяжелых металлов на планете. Его удельный вес в 2,5 раза больше, чем у стали.
Атомная электростанция: принцип работы
Каков принцип работы АЭС? Принцип работы АЭС базируется на цепной реакции деления атомов радиоактивного вещества – урана. Эта реакция происходит в активной зоне ядерного реактора.
ВАЖНО ЗНАТЬ:
Если не вдаваться в тонкости ядерной физики, принцип работы АЭС выглядит так:
После пуска ядерного реактора из ТВЭЛов извлекаются поглощающие стержни, которые не дают урану вступить в реакцию.
Как только стрежни извлечены, нейтроны урана начинают взаимодействовать друг с другом.
Когда нейтроны сталкиваются, происходит мини-взрыв на атомном уровне, выделяется энергия и рождаются новые нейтроны, начинает происходить цепная реакция. Этот процесс выделяет тепло.
Тепло отдается теплоносителю. В зависимости от типа теплоносителя оно превращается в пар или газ, которые вращают турбину.
Турбина приводит в движение электрогенератор. Именно он по факту и вырабатывает электрический ток.
Если не следить за процессом, нейтроны урана могут сталкиваться друг с другом до тех пор, пока не взорвут реактор и не разнесут всю АЭС в пух и прах. Контролируют процесс компьютерные датчики. Они фиксируют повышение температуры или изменение давления в реакторе и могут автоматически остановить реакции.
Чем отличается принцип работы АЭС от ТЭС (теплоэлектростанций)?
Различия в работе есть только на первых этапах. В АЭС теплоноситель получает тепло от деления атомов уранового топлива, в ТЭС теплоноситель получает тепло от сгорания органического топлива (угля, газа или нефти). После того, как или атомы урана, или газ с углём выделили тепло, схемы работы АЭС и ТЭС одинаковы.
Типы ядерных реакторов
То, как работает АЭС, зависит от того, как именно работает ее атомный реактор. Сегодня есть два основных типа реакторов, которые классифицируются по спектру нейронов:
Реактор на медленных нейтронах, его также называют тепловым.
Для его работы используется 235й уран, который проходит стадии обогащения, создания урановых таблеток и т.д. Сегодня реакторов на медленных нейтронах подавляющее большинство.
Реактор на быстрых нейтронах.
За этими реакторами будущее, т.к. работают они на уране-238, которого в природе пруд пруди и обогащать этот элемент не нужно. Минус таких реакторов только в очень больших затратах на проектирование, строительство и запуск. Сегодня реакторы на быстрых нейтронах работают только в России.
Теплоносителем в реакторах на быстрых нейтронах выступает ртуть, газ, натрий или свинец.
Реакторы на медленных нейтронах, которыми сегодня пользуются все АЭС мира, тоже бывают нескольких типов.
Организация МАГАТЭ (международное агентство по атомной энергетике) создало свою классификацию, которой пользуются в мировой атомной энергетике чаще всего. Так как принцип работы атомной станции во многом зависит от выбора теплоносителя и замедлителя, МАГАТЭ базировали свою классификацию на этих различиях.
С химической точки зрения оксид дейтерия идеальный замедлитель и теплоноситель, т.к. ее атомы наиболее эффективно взаимодействуют с нейтронами урана по сравнению с другими веществами. Попросту говоря, свою задачу тяжелая вода выполняет с минимальными потерями и максимальным результатом. Однако ее производство стоит денег, в то время как обычную «легкую» и привычную для нас воду использовать куда проще.
Несколько фактов об атомных реакторах…
Интересно, что один реактор АЭС строят не менее 3х лет!
Для постройки реактора необходимо оборудование, которое работает на электрическом токе в 210 кило Ампер, что в миллион раз превышает силу тока, которая способна убить человека.
Одна обечайка (элемент конструкции) ядерного реактора весит 150 тонн. В одном реакторе таких элементов 6.
Водо-водяной реактор
Как работает АЭС в целом, мы уже выяснили, чтобы все «разложить по полочкам» посмотрим, как работает наиболее популярный водо-водяной ядерный реактор.
Во всем мире сегодня используют водо-водяные реакторы поколения 3+. Они считаются самыми надежными и безопасными.
Все водо-водяные реакторы в мире за все годы их эксплуатации в сумме уже успели набрать более 1000 лет безаварийной работы и ни разу не давали серьезных отклонений.
Структура АЭС на водо-водяных реакторах, подразумевает, что между ТВЭЛами циркулирует дистиллированная вода, нагретая до 320 градусов. Чтобы не дать ей перейти в парообразное состояние ее держат под давлением в 160 атмосфер. Схема АЭС называет ее водой первого контура.
Нагретая вода попадает в парогенератор и отдает свое тепло воде второго контура, после чего снова «возвращается» в реактор. Внешне это выглядит так, что трубки воды первого контура соприкасаются с другими трубками – воды второго контура, они передают тепло друг другу, но воды не контактируют. Контактируют трубки.
Таким образом, исключена возможность попадания радиации в воду второго контура, которая будет далее участвовать в процессе добычи электричества.
Безопасность работы АЭС
Узнав принцип работы АЭС мы должны понимать как же устроена безопасность. Устройство АЭС сегодня требует повышенного внимания к правилам безопасности.
Затраты на безопасность АЭС составляют примерно 40% от общей стоимости самой станции.
В схему АЭС закладываются 4 физических барьера, которые препятствуют выходу радиоактивных веществ. Что должны делать эти барьеры? В нужный момент суметь прекратить ядерную реакцию, обеспечивать постоянный отвод тепла от активной зоны и самого реактора, предотвращать выход радионуклеидов за пределы контайнмента (гермозоны).
- Первый барьер – прочность урановых таблеток. Важно, чтобы они не разрушались под воздействием высоких температур в ядерном реакторе. Во многом то, как работает атомная станция, зависит от того, как «испекли» таблетки из урана на начальной стадии изготовления. Если таблетки с урановым топливом запечь неверно, то реакции атомов урана в реакторе будут непредсказуемыми.
- Второй барьер – герметичность ТВЭЛов. Циркониевые трубки должны быть плотно запечатаны, если герметичность будет нарушена, то в лучшем случае реактор будет поврежден и работа остановлена, в худшем – все взлетит на воздух.
- Третий барьер – прочный стальной корпус реактор а, (та самая большая башня – гермозона) который «удерживает» в себе все радиоактивные процессы. Повредится корпус – радиация выйдет в атмосферу.
- Четвертый барьер – стержни аварийной защиты. Над активной зоной на магниты подвешиваются стержни с замедлителями, которые могут за 2 секунды поглотить все нейтроны и остановить цепную реакцию.
Если, несмотря на устройство АЭС с множеством степеней защиты, охладить активную зону реактора в нужный момент не удастся, и температура топлива возрастет до 2600 градусов, то в дело вступает последняя надежда системы безопасности – так называемая ловушка расплава.
Дело в том, что при такой температуре дно корпуса реактора расплавится, и все остатки ядерного топлива и расплавленных конструкций стекут в специальный подвешенный над активной зоной реактора «стакан».
Ловушка расплава охлаждаема и огнеупорна. Она наполнена так называемым «жертвенным материалом», который постепенно останавливает цепную реакцию деления.
Таким образом, схема АЭС подразумевает несколько степеней защиты, которые практически полностью исключают любую возможность аварии.
История создания атомной бомбы, и в частности оружия, начинается в 1939 году, с открытия, сделанного Жолио Кюри. Именно с этого момента ученые осознали, что цепная реакция урана может стать не только источником огромной энергии, но и страшным оружием. И так, в основе устройства атомной бомбы лежит использование ядерной энергии, которая выделяется при цепной ядерной реакции.
Последнее подразумевает процесс деления тяжелых ядер или синтеза легких ядер. В результате чего, атомная бомба является оружием массового поражения, за счет того, что в кратчайший промежуток времени происходит выделение огромного количества внутриядерной энергии в небольшом пространстве. При том входе данного процесса принято выделять два ключевых места.
Первое, это центр ядерного взрыва, где непосредственно протекает данный процесс. И, второе, это эпицентр, который по своей сути представляет проекцию самого процесса на поверхность (землю или воду). Также ядерный взрыв высвобождает такое количество энергии, что при ее проекции на землю появляются сейсмический толчки. И дальность распространения подобных колебаний невероятно велика, хотя ощутимый урон окружающей среде они наносят лишь на расстоянии всего нескольких сотен метров.
Далее стоит отметить, что ядерный взрыв сопровождается и высвобождением большого количества тепла и света, которые и образует яркую вспышку. Причем по своей мощности она превышает во множество раз мощность лучей солнца. Таким образом, поражение светом и теплом можно получить на расстоянии даже нескольких километров.
Но одним высоко опасным типом поражения атомной бомбы является радиация, которая образуется при ядерном взрыве. Длительность воздействия этого явления невысока, и составляет в среднем 60 секунд, вот только проникающая способность этой волны поражает.
Что касается устройства атомной бомбы, то она включает в себя целый ряд различных компонентов. Как правило, выделяют два основных элемента данного типа оружия: корпус и систему автоматики.
В корпусе находится ядерный заряд и автоматика, и именно он выполняют защитную функцию по отношению к различным видам воздействия (механического, теплового и так далее). А роль системы автоматики заключается в том, чтобы взрыв произошел в четко заданное время, а не раньше или позже. Состоит система автоматики из таких систем как: аварийный подрыв; предохранения и взведения; источник питания; датчики подрыва и подрыва заряда.
А вот доставляются атомные бомбы с помощью баллистических, крылатых и зенитных ракет. Т.е. ядерные боеприпасы могут являться элементом авиабомбы, торпеда, фугаса и так далее.
И даже системы детонирования для атомной бомбы могут быть разными. Одной из наиболее простых систем является инжекторная, когда толчком для ядерного взрыва становится попадания снаряда в цель, с последующим образованием сверхкритической массы. Именно к такому типу атомных бомб относилась первая взорванная бомба над Хиросимой в 1945 году, содержащая уран. В отличие от нее, бомба, сброшенная на Нагасаки в том же году, была плутониевая.
После такой яркой демонстрации мощности и силы атомного оружия, оно моментально попало в разряд самого опасного средства массового поражения. Говоря о типах атомного оружия, следует упомянуть, что они определяются размером калибра. Так, в настоящий момент выделяют три основных калибра для данного оружия, это малый, крупный и средний. Мощность взрыва, чаще всего, характеризуют тротиловым эквивалентом. Так, например, малый калибр атомного оружия подразумевает мощность заряда, равной нескольким тысячам тонн тротила. А более мощное атомное оружие, точнее средний калибр, составляет уже десятки тысяч тонн тротила, и, наконец, последний уже измеряется в миллионах. Но при этом не стоит путать понятие атомного и водородного оружия, которое в целом и называют ядерным оружием. Основное отличие атомного оружия от водородного, это реакция деления ядер ряда тяжелых элементов, таких как плутоний и уран. А водородное оружие подразумевает процесс синтеза ядер атомов одного элемента в другой, т.е. гелия из водорода.
Первое испытание атомной бомбы
Первое испытание атомного оружия было проведено американскими вооруженными силами 16 июля 1945 года в местечке под названием Алмогордо, показавшее всю мощь атомной энергии. После чего, атомные бомбы, имеющиеся у сил США, были погружены на военный корабль и отправлены к берегам Японии. Отказ правительства Японии от мирного диалога позволил в действии показать всю мощь атомного оружия, жертвами которого сначала стал город Хиросима, а чуть позднее Нагасаки. Так, 6 августа 1945 года впервые атомное оружие было применено на мирных жителях, в результате чего город практически был стерт в лица земли ударными волнами. Больше половины жителей города погибли впервые дни атомной атаки, и составило в общем, около двухсот сорока тысяч человек. А спустя всего четыре дня, военную базу США покинули сразу два самолета с опасным грузом на борту, целями которых были Кокура и Нагасаки. И если Кокура, охваченная непроглядным дымом представляла собой трудную цель, то в Нагасаки цель была поражена. В конечном счете, от атомной бомбы в Нагасаки в первые дни погибло 73 тысячи человека от полученных повреждений и облучения к этим жертвам добавился список уже в тридцать пять тысяч человек. При этом смерть последних жертв была довольно мучительной, так как действие радиации невероятно губительно.
Факторы поражения атомного оружия
Таким образом, атомное оружие имеет несколько типов поражения; светового, радиоактивного, ударная волна, проникающая радиация и электромагнитный импульс. При образовании светового излучения после взрыва ядерного оружия, которое позднее превращается в губительное тепло. Далее наступает очередь радиоактивного заражения, которое опасно лишь впервые часы после взрыва. Ударную волну принято считать наиболее опасным этапом ядерного взрыва, ведь она в считанные секунды наносит огромный вред различным строениям, техники и людям. А вот проникающая радиация очень опасна для человеческого организма, и нередко становится причиной лучевой болезни. Электромагнитный импульс поражает технику. В совокупности все это и делает очень опасным атомное оружие.
Северная Корея угрожает США испытаниями сверхмощной водородной бомбы в Тихом океане. Япония, которая может пострадать из-за испытаний, назвала планы КНДР абсолютно неприемлемыми. Президенты Дональд Трамп и Ким Чен Ын ругаются в интервью и говорят об открытом военном конфликте. Для тех, кто не разбирается в ядерном оружии, но хочет быть в теме, «Футурист» составил путеводитель.
Как работает ядерное оружие?
Как и в обычной динамитной шашке, в ядерной бомбе используется энергия. Только высвобождается она не в ходе примитивной химической реакции, а в сложных ядерных процессах. Существует два основных способа выделения ядерной энергии из атома. В ядерном делении ядро атома распадается на два меньших фрагмента с нейтроном. Ядерный синтез – процесс, с помощью которого Солнце вырабатывает энергию – включает объединение двух меньших атомов с образованием более крупного. В любом процессе, делении или слиянии выделяются большие количества тепловой энергии и излучения. В зависимости от того, используется деление ядер или их синтез, бомбы делятся на ядерные (атомные) и термоядерные .
А можно поподробнее про ядерное деление?
Взрыв атомной бомбы над Хиросимой (1945 г)
Как вы помните, атом состоит из трех типов субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Центр атома, называемый ядром , состоит из протонов и нейтронов. Протоны положительно заряжены, электроны – отрицательно, а нейтроны вообще не имеют заряда. Отношение протон-электрон всегда один к одному, поэтому атом в целом имеет нейтральный заряд. Например, атом углерода имеет шесть протонов и шесть электронов. Частицы удерживаются вместе фундаментальной силой – сильным ядерным взаимодействием .
Свойства атома могут значительно меняться в зависимости от того, сколько различных частиц в нем содержится. Если изменить количество протонов, у вас будет уже другой химический элемент. Если же изменить количество нейтронов, вы получите изотоп того же элемента, что у вас в руках. Например, углерод имеет три изотопа: 1) углерод-12 (шесть протонов + шесть нейтронов), стабильную и часто встречающуюся форму элемента, 2) углерод-13 (шесть протонов + семь нейтронов), который является стабильным, но редким и 3) углерод-14 (шесть протонов + восемь нейтронов), который является редким и неустойчивым (или радиоактивным).
Большинство атомных ядер стабильны, но некоторые из них неустойчивы (радиоактивны). Эти ядра спонтанно излучают частицы, которые ученые называют радиацией. Этот процесс называется радиоактивным распадом . Существует три типа распада:
Альфа-распад : ядро выбрасывает альфа-частицу – два протона и два нейтрона, связанных вместе. Бета-распад : нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Выброшенный электрон является бета-частицей. Спонтанное деление: ядро распадается на несколько частей и выбрасывает нейтроны, а также излучает импульс электромагнитной энергии – гамма-луч. Именно последний тип распада используется в ядерной бомбе. Свободные нейтроны, выброшенные в результате деления, начинают цепную реакцию , которая высвобождает колоссальное количество энергии.
Из чего делают ядерные бомбы?
Их могут делать из урана-235 и плутония-239. Уран в природе встречается в виде смеси трех изотопов: 238 U (99,2745 % природного урана), 235 U (0,72 %) и 234 U (0,0055 %). Наиболее распространенный 238 U не поддерживает цепную реакцию: на это способен лишь 235 U. Чтобы достичь максимальной мощности взрыва, необходимо, чтобы содержание 235 U в «начинке» бомбы составляло не менее 80%. Поэтому уран приходится искусственно обогащать . Для этого смесь урановых изотопов разделяют на две части так, чтобы в одной из них оказалось больше 235 U.
Обычно при разделении изотопов остается много обедненного урана, не способного вступить в цепную реакцию – но есть способ заставить его это сделать. Дело в том, что плутоний-239 в природе не встречается. Зато его можно получить, бомбардируя нейтронами 238 U.
Как измеряется их мощность?
Мощность ядерного и термоядерного заряда измеряется в тротиловом эквиваленте - количестве тринитротолуола, которое нужно взорвать для получения аналогичного результата. Она измеряется в килотоннах (кт) и мегатоннах (Мт). Мощность сверхмалых ядерных боеприпасов составляет менее 1 кт, в то время как сверхмощные бомбы дают более 1 Мт.
Мощность советской «Царь-бомбы» составляла по разным данным от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте, мощность термоядерной бомбы, которую в начале сентября испытала КНДР, составила около 100 килотонн.
Кто создал ядерное оружие?
Американский физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс
В 1930-х годах итальянский физик Энрико Ферми продемонстрировал, что элементы, подвергшиеся бомбардировке нейтронами, могут быть преобразованы в новые элементы. Результатом этой работы стало обнаружение медленных нейтронов , а также открытие новых элементов, не представленных на периодической таблице. Вскоре после открытия Ферми немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман бомбардировали уран нейтронами, в результате чего образовался радиоактивный изотоп бария. Они пришли к выводу, что низкоскоростные нейтроны заставляют ядро урана разрываться на две более мелкие части.
Эта работа взбудоражила умы всего мира. В Принстонском университете Нильс Бор работал с Джоном Уилером для разработки гипотетической модели процесса деления. Они предположили, что уран-235 подвергается делению. Примерно в то же время другие ученые обнаружили, что процесс деления привел к образованию еще большего количества нейтронов. Это побудило Бора и Уилера задать важный вопрос: могли ли свободные нейтроны, созданные в результате деления, начать цепную реакцию, которая высвободила бы огромное количество энергии? Если это так, то можно создать оружие невообразимой силы. Их предположения подтвердил французский физик Фредерик Жолио-Кюри . Его заключение стало толчком для разработок по созданию ядерного оружия.
Над созданием атомного оружия трудились физики Германии, Англии, США, Японии. Перед началом Второй мировой войны Альберт Эйнштейн написал президенту США Франклину Рузвельту о том, что нацистская Германия планирует очистить уран-235 и создать атомную бомбу. Сейчас выяснилось, что Германия была далека от проведения цепной реакции: они работали над «грязной», сильно радиоактивной бомбой. Как бы то ни было, правительство США бросило все силы на создание атомной бомбы в кратчайшие сроки. Был запущен «Манхэттенский проект», которым руководили американский физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс . В нем участвовали крупные ученые, эмигрировавшие из Европы. К лету 1945 года было создано атомное оружие, основанное на двух видах делящегося материала - урана-235 и плутония-239. Одну бомбу, плутониевую «Штучку», взорвали на испытаниях, а еще две, уранового «Малыша» и плутониевого «Толстяка» сбросили на японские города Хиросиму и Нагасаки.
Как работает термоядерная бомба и кто ее изобрел?
Термоядерная бомба основана на реакции ядерного синтеза . В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Атомные ядра заряжены положительно - поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре - порядка нескольких миллионов кельвинов (отсюда и название). Термоядерные реакции бывают трех видов: самоподдерживающиеся (проходят в недрах звезд), управляемые и неуправляемые или взрывные – они используются в водородных бомбах.
Идею бомбы с термоядерным синтезом, инициируемым атомным зарядом, предложил Энрико Ферми своему коллеге Эдварду Теллеру еще в 1941 году, в самом начале Манхэттенского проекта. Однако тогда эта идея оказалась не востребована. Разработки Теллера усовершенствовал Станислав Улам , сделав идею термоядерной бомбы осуществимой на практике. В 1952 году на атолле Эниветок в ходе операции Ivy Mike испытали первое термоядерное взрывное устройство. Однако это был лабораторный образец, непригодный в боевых действиях. Год спустя Советский Союз взорвал первую в мире термоядерную бомбу, собранную по конструкции физиков Андрея Сахарова и Юлия Харитона . Устройство напоминало слоёный пирог, поэтому грозное оружие прозвали «Слойкой». В ходе дальнейших разработок на свет появилась самая мощная бомба на Земле, «Царь-бомба» или «Кузькина мать». В октябре 1961 года ее испытали на архипелаге Новая Земля.
Из чего делают термоядерные бомбы?
Если вы думали, что водородные и термоядерные бомбы - это разные вещи, вы ошибались. Эти слова синонимичны. Именно водород (а точнее, его изотопы - дейтерий и тритий) требуется для проведения термоядерной реакции. Однако есть сложность: чтобы взорвать водородную бомбу, необходимо сначала в ходе обычного ядерного взрыва получить высокую температуру - лишь тогда атомные ядра начнут реагировать. Поэтому в случае с термоядерной бомбой большую роль играет конструкция.
Широко известны две схемы. Первая - сахаровская «слойка». В центре располагался ядерный детонатор, который был окружен слоями дейтерида лития в смеси с тритием, которые перемежались со слоями обогащенного урана. Такая конструкция позволяла достичь мощности в пределах 1 Мт. Вторая - американская схема Теллера - Улама, где ядерная бомба и изотопы водорода располагались раздельно. Выглядело это так: снизу - емкость со смесью жидких дейтерия и трития, по центру которой располагалась «свеча зажигания» - плутониевый стержень, а сверху - обычный ядерный заряд, и все это в оболочке из тяжелого металла (например, обедненного урана). Быстрые нейтроны, образовавшиеся при взрыве, вызывают в урановой оболочке реакции деления атомов и добавляют энергию в общую энергию взрыва. Надстраивание дополнительных слоев дейтерида лития урана-238 позволяет создавать снаряды неограниченной мощности. В 1953 году советский физик Виктор Давиденко случайно повторил идею Теллера - Улама, и на ее основе Сахаров придумал многоступенчатую схему, которая позволила создавать оружие небывалых мощностей. Именно по такой схеме работала «Кузькина мать».
Какие еще бомбы бывают?
Еще бывают нейтронные, но это вообще страшно. По сути, нейтронная бомба - это маломощная термоядерная бомба, 80% энергии взрыва которой составляет радиация (нейтронное излучение). Это выглядит как обычный ядерный заряд малой мощности, к которому добавлен блок с изотопом бериллия - источником нейтронов. При взрыве ядерного заряда запускается термоядерная реакция. Этот вид оружия разрабатывал американский физик Сэмюэль Коэн . Считалось, что нейтронное оружие уничтожает все живое даже в укрытиях, однако дальность поражения такого оружия невелика, так как атмосфера рассеивает потоки быстрых нейтронов, и ударная волна на больших расстояниях оказывается сильнее.
А как же кобальтовая бомба?
Нет, сынок, это фантастика. Официально кобальтовых бомб нет ни у одной страны. Теоретически это термоядерная бомба с оболочкой из кобальта, которая обеспечивает сильное радиоактивное заражение местности даже при сравнительно слабом ядерном взрыве. 510 тонн кобальта способны заразить всю поверхность Земли и уничтожить все живое на планете. Физик Лео Силард , описавший эту гипотетическую конструкцию в 1950 году, назвал ее «Машиной судного дня».
Что круче: ядерная бомба или термоядерная?
Натурный макет «Царь-бомбы"
Водородная бомба является гораздо более продвинутой и технологичной, чем атомная. Ее мощность взрыва намного превосходит атомную и ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.
Как бомбы доставляют до цели?
Поначалу их сбрасывали с самолетов, однако средства противовоздушной обороны постоянно совершенствовались, и доставлять ядерное оружие таким образом оказалось неразумным. С ростом производства ракетной техники все права на доставку ядерного оружия перешли к баллистическим и крылатым ракетам различного базирования. Поэтому под бомбой теперь подразумевается не бомба, а боеголовка.
Есть мнение, что северокорейская водородная бомба слишком большая , чтобы ее можно было установить на ракете - поэтому, если КНДР решит воплотить угрозу в жизнь, ее повезут на корабле к месту взрыва.
Каковы последствия ядерной войны?
Хиросима и Нагасаки - это лишь малая часть возможного апокалипсиса. Например, известна гипотеза "ядерной зимы", которую выдвигали американский астрофизик Карл Саган и советский геофизик Георгий Голицын. Предполагается, что при взрыве нескольких ядерных боезарядов (не в пустыне или воде, а в населенных пунктах) возникнет множество пожаров, и в атмосферу выплеснется большое количество дыма и сажи, что приведет к глобальному похолоданию. Гипотезу критикуют, сравнивая эффект с вулканической активностью, которая оказывает незначительный эффект на климат. Кроме того, некоторые ученые отмечают, что скорее наступит глобальное потепление,чем похолодание - впрочем, обе стороны надеются, что мы этого никогда не узнаем.
Разрешено ли использовать ядерное оружие?
После гонки вооружений в XX веке страны одумались и решили ограничить использование ядерного оружия. ООН были приняты договоры о нераспространении ядерного оружия и запрещении ядерных испытаний (последний не был подписан молодыми ядерными державами Индией, Пакистаном, и КНДР). В июле 2017 года был принят новый договор о запрещении ядерного оружия.
"Каждое государство-участник обязуется никогда и ни при каких обстоятельствах не разрабатывать, не испытывать, не производить, не изготавливать, не приобретать иным образом, не иметь во владении и не накапливать ядерное оружие или другие ядерные взрывные устройства," - гласит первая статья договора.
Однако документ не вступит в силу до тех пор, пока его не ратифицируют 50 государств.