Sau khi Thế chiến thứ hai kết thúc, các quốc gia trong liên minh chống Hitler nhanh chóng cố gắng vượt lên trên nhau trong việc phát triển bom hạt nhân mạnh hơn.
Cuộc thử nghiệm đầu tiên do người Mỹ thực hiện trên các vật thể thật ở Nhật Bản đã làm nóng tình hình giữa Liên Xô và Mỹ đến mức giới hạn. Những vụ nổ mạnh mẽ vang dội khắp các thành phố của Nhật Bản và gần như phá hủy mọi sự sống trong đó đã buộc Stalin phải từ bỏ nhiều tuyên bố trên trường thế giới. Hầu hết các nhà vật lý Liên Xô đều khẩn trương được “ném” vào việc phát triển vũ khí hạt nhân.
Vũ khí hạt nhân xuất hiện khi nào và như thế nào?
Năm 1896 có thể coi là năm ra đời của bom nguyên tử. Khi đó nhà hóa học người Pháp A. Becquerel đã phát hiện ra rằng uranium có tính phóng xạ. Phản ứng dây chuyền của uranium tạo ra năng lượng cực mạnh, làm cơ sở cho một vụ nổ khủng khiếp. Khó có thể Becquerel tưởng tượng được rằng khám phá của mình sẽ dẫn đến việc tạo ra vũ khí hạt nhân - loại vũ khí khủng khiếp nhất trên toàn thế giới.
Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 là một bước ngoặt trong lịch sử phát minh ra vũ khí hạt nhân. Chính trong khoảng thời gian này, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã có thể khám phá ra các định luật, tia và nguyên tố sau:
- tia alpha, gamma và beta;
- Nhiều đồng vị của các nguyên tố hóa học có tính phóng xạ được phát hiện;
- Định luật phân rã phóng xạ được phát hiện, xác định thời gian và sự phụ thuộc định lượng của cường độ phân rã phóng xạ, tùy thuộc vào số lượng nguyên tử phóng xạ có trong mẫu thử;
- Phép đo đẳng cự hạt nhân đã ra đời.
Vào những năm 1930, lần đầu tiên họ có thể tách hạt nhân nguyên tử uranium bằng cách hấp thụ neutron. Đồng thời, positron và tế bào thần kinh được phát hiện. Tất cả những điều này đã tạo động lực mạnh mẽ cho việc phát triển vũ khí sử dụng năng lượng nguyên tử. Năm 1939, thiết kế bom nguyên tử đầu tiên trên thế giới được cấp bằng sáng chế. Điều này được thực hiện bởi nhà vật lý người Pháp, Frederic Joliot-Curie.
Là kết quả của quá trình nghiên cứu và phát triển sâu hơn trong lĩnh vực này, bom hạt nhân đã ra đời. Sức mạnh và phạm vi hủy diệt của bom nguyên tử hiện đại lớn đến mức một quốc gia có tiềm năng hạt nhân thực tế không cần một đội quân hùng mạnh, vì một quả bom nguyên tử có thể hủy diệt cả một quốc gia.
Bom nguyên tử hoạt động như thế nào?
Một quả bom nguyên tử bao gồm nhiều yếu tố, những yếu tố chính là:
- Thân bom nguyên tử;
- Hệ thống tự động hóa điều khiển quá trình nổ;
- Điện tích hạt nhân hoặc đầu đạn.
Hệ thống tự động hóa được đặt trong thân bom nguyên tử cùng với điện tích hạt nhân. Thiết kế của vỏ phải đủ chắc chắn để bảo vệ đầu đạn khỏi các yếu tố và ảnh hưởng bên ngoài khác nhau. Ví dụ, các ảnh hưởng cơ học, nhiệt độ hoặc tương tự khác nhau có thể dẫn đến một vụ nổ ngoài ý muốn với sức mạnh to lớn có thể phá hủy mọi thứ xung quanh.
Nhiệm vụ của tự động hóa là kiểm soát toàn bộ việc đảm bảo vụ nổ xảy ra đúng thời điểm nên hệ thống bao gồm các phần tử sau:
- Thiết bị chịu trách nhiệm kích nổ khẩn cấp;
- Cung cấp điện hệ thống tự động hóa;
- Hệ thống cảm biến kích nổ;
- Thiết bị lên dốc;
- Thiết bị an toàn.
Khi các cuộc thử nghiệm đầu tiên được thực hiện, bom hạt nhân đã được chuyển giao trên các máy bay đã rời khỏi khu vực bị ảnh hưởng. Bom nguyên tử hiện đại mạnh đến mức chúng chỉ có thể được phóng bằng tên lửa hành trình, đạn đạo hoặc ít nhất là tên lửa phòng không.
Bom nguyên tử sử dụng nhiều hệ thống nổ khác nhau. Đơn giản nhất trong số đó là một thiết bị thông thường được kích hoạt khi đạn bắn trúng mục tiêu.
Một trong những đặc điểm chính của bom hạt nhân và tên lửa là chúng được chia thành các cỡ nòng, có ba loại:
- Nhỏ, sức công phá của bom nguyên tử cỡ nòng này tương đương với vài nghìn tấn thuốc nổ TNT;
- Trung bình (sức nổ - vài chục nghìn tấn TNT);
- Lớn, công suất sạc được đo bằng hàng triệu tấn TNT.
Điều thú vị là hầu hết sức mạnh của tất cả các quả bom hạt nhân thường được đo chính xác bằng đơn vị TNT tương đương, vì vũ khí nguyên tử không có thang đo riêng để đo sức mạnh của vụ nổ.
Thuật toán vận hành bom hạt nhân
Bất kỳ quả bom nguyên tử nào cũng hoạt động theo nguyên tắc sử dụng năng lượng hạt nhân, được giải phóng trong phản ứng hạt nhân. Quy trình này dựa trên sự phân chia hạt nhân nặng hoặc tổng hợp hạt nhân nhẹ. Vì trong phản ứng này, một lượng năng lượng khổng lồ được giải phóng và trong thời gian ngắn nhất, bán kính hủy diệt của bom hạt nhân là rất ấn tượng. Vì đặc điểm này, vũ khí hạt nhân được phân loại là vũ khí hủy diệt hàng loạt.
Trong quá trình được kích hoạt bởi vụ nổ bom nguyên tử, có hai điểm chính:
- Đây là trung tâm ngay lập tức của vụ nổ, nơi diễn ra phản ứng hạt nhân;
- Tâm chấn của vụ nổ nằm ở vị trí quả bom phát nổ.
Năng lượng hạt nhân được giải phóng trong vụ nổ bom nguyên tử mạnh đến mức các cơn địa chấn bắt đầu trên trái đất. Đồng thời, những chấn động này chỉ gây ra sự hủy diệt trực tiếp ở khoảng cách vài trăm mét (mặc dù nếu tính đến lực nổ của chính quả bom thì những chấn động này không còn ảnh hưởng gì nữa).
Các yếu tố gây thiệt hại trong vụ nổ hạt nhân
Vụ nổ bom hạt nhân không chỉ gây ra sự hủy diệt tức thời khủng khiếp. Hậu quả của vụ nổ này sẽ không chỉ được cảm nhận bởi những người bị mắc kẹt trong khu vực bị ảnh hưởng mà còn bởi những đứa con của họ sinh ra sau vụ nổ nguyên tử. Các loại hủy diệt bằng vũ khí nguyên tử được chia thành các nhóm sau:
- Bức xạ ánh sáng xảy ra trực tiếp trong vụ nổ;
- Sóng xung kích do quả bom lan truyền ngay sau vụ nổ;
- Xung điện từ;
- Bức xạ xuyên thấu;
- Ô nhiễm phóng xạ có thể kéo dài hàng chục năm.
Mặc dù thoạt nhìn một tia sáng có vẻ ít đe dọa nhất nhưng thực ra nó là kết quả của việc giải phóng một lượng nhiệt và năng lượng ánh sáng khổng lồ. Sức mạnh và sức mạnh của nó vượt xa sức mạnh của tia nắng mặt trời, vì vậy sát thương từ ánh sáng và nhiệt có thể gây tử vong ở khoảng cách vài km.
Bức xạ phát ra trong một vụ nổ cũng rất nguy hiểm. Mặc dù nó không hoạt động lâu nhưng nó có khả năng lây nhiễm sang mọi thứ xung quanh vì sức xuyên thấu của nó cực kỳ cao.
Sóng xung kích trong vụ nổ nguyên tử hoạt động tương tự như sóng tương tự trong các vụ nổ thông thường, chỉ có sức mạnh và bán kính hủy diệt của nó lớn hơn nhiều. Trong vài giây, nó gây ra thiệt hại không thể khắc phục không chỉ cho con người mà còn cho thiết bị, tòa nhà và môi trường xung quanh.
Bức xạ xuyên thấu gây ra sự phát triển của bệnh phóng xạ và xung điện từ chỉ gây nguy hiểm cho thiết bị. Sự kết hợp của tất cả những yếu tố này cộng với sức công phá của vụ nổ khiến bom nguyên tử trở thành loại vũ khí nguy hiểm nhất thế giới.
Những vụ thử vũ khí hạt nhân đầu tiên trên thế giới
Quốc gia đầu tiên phát triển và thử nghiệm vũ khí hạt nhân là Hoa Kỳ. Chính phủ Hoa Kỳ đã phân bổ các khoản trợ cấp tài chính khổng lồ để phát triển các loại vũ khí mới đầy hứa hẹn. Đến cuối năm 1941, nhiều nhà khoa học xuất sắc trong lĩnh vực phát triển nguyên tử đã được mời đến Hoa Kỳ, người đến năm 1945 đã có thể chế tạo ra một nguyên mẫu bom nguyên tử phù hợp để thử nghiệm.
Các cuộc thử nghiệm bom nguyên tử đầu tiên trên thế giới được trang bị thiết bị nổ được thực hiện trên sa mạc thuộc bang New Mexico. Quả bom có tên "Gadget" được kích nổ vào ngày 16 tháng 7 năm 1945. Kết quả thử nghiệm là khả quan, mặc dù quân đội yêu cầu bom hạt nhân phải được thử nghiệm trong điều kiện chiến đấu thực tế.
Nhận thấy chỉ còn một bước nữa là thắng lợi của liên minh Đức Quốc xã và cơ hội như vậy có thể không xuất hiện nữa, Lầu Năm Góc quyết định tấn công hạt nhân vào đồng minh cuối cùng của Hitler là Đức - Nhật Bản. Ngoài ra, việc sử dụng bom hạt nhân được cho là sẽ giải quyết được một số vấn đề cùng một lúc:
- Để tránh sự đổ máu không cần thiết chắc chắn sẽ xảy ra nếu quân Mỹ đặt chân lên đất của Đế quốc Nhật Bản;
- Chỉ một đòn sẽ khiến quân Nhật kiên cường phải quỳ gối, buộc họ phải chấp nhận những điều kiện có lợi cho Mỹ;
- Cho Liên Xô (với tư cách là đối thủ có thể có trong tương lai) thấy rằng Quân đội Hoa Kỳ có một loại vũ khí độc nhất có khả năng quét sạch bất kỳ thành phố nào khỏi bề mặt trái đất;
- Và tất nhiên, để xem trên thực tế vũ khí hạt nhân có khả năng gì trong điều kiện chiến đấu thực sự.
Vào ngày 6 tháng 8 năm 1945, quả bom nguyên tử đầu tiên trên thế giới được sử dụng trong các hoạt động quân sự đã được thả xuống thành phố Hiroshima của Nhật Bản. Quả bom này được gọi là "Baby" vì nó nặng 4 tấn. Việc thả bom đã được lên kế hoạch cẩn thận và nó đánh trúng đúng nơi đã định. Những ngôi nhà không bị sóng nổ phá hủy đã bị thiêu rụi, bếp lò rơi xuống trong nhà gây ra hỏa hoạn và toàn bộ thành phố chìm trong biển lửa.
Sau tia chớp sáng là một đợt nắng nóng thiêu rụi mọi sự sống trong bán kính 4 km, sóng xung kích sau đó đã phá hủy hầu hết các tòa nhà.
Những người bị say nắng trong bán kính 800 mét đều bị thiêu sống. Sóng nổ xé toạc làn da cháy nắng của nhiều người. Vài phút sau, một cơn mưa đen kỳ lạ bắt đầu rơi xuống, gồm có hơi nước và tro bụi. Những người mắc phải cơn mưa đen đều bị bỏng da không thể chữa khỏi.
Một số ít may mắn sống sót đã mắc phải bệnh phóng xạ, căn bệnh vào thời điểm đó không những chưa được nghiên cứu mà còn hoàn toàn chưa được biết đến. Mọi người bắt đầu bị sốt, nôn mửa, buồn nôn và suy nhược.
Vào ngày 9 tháng 8 năm 1945, quả bom thứ hai của Mỹ mang tên Fat Man được thả xuống thành phố Nagasaki. Quả bom này có sức mạnh tương đương với quả bom đầu tiên, và hậu quả của vụ nổ của nó cũng có sức tàn phá tương đương, mặc dù số người thiệt mạng chỉ bằng một nửa.
Hai quả bom nguyên tử thả xuống các thành phố của Nhật Bản là trường hợp đầu tiên và duy nhất trên thế giới sử dụng vũ khí nguyên tử. Hơn 300.000 người thiệt mạng trong những ngày đầu tiên sau vụ đánh bom. Khoảng 150 nghìn người nữa chết vì bệnh phóng xạ.
Sau vụ đánh bom hạt nhân vào các thành phố của Nhật Bản, Stalin đã thực sự bị sốc. Ông thấy rõ rằng vấn đề phát triển vũ khí hạt nhân ở nước Nga Xô viết là vấn đề an ninh của cả nước. Vào ngày 20 tháng 8 năm 1945, một ủy ban đặc biệt về các vấn đề năng lượng nguyên tử bắt đầu hoạt động, được I. Stalin khẩn trương thành lập.
Mặc dù nghiên cứu về vật lý hạt nhân được thực hiện bởi một nhóm những người đam mê ở nước Nga thời Sa hoàng, nhưng nó không được quan tâm đúng mức trong thời Xô Viết. Năm 1938, mọi nghiên cứu trong lĩnh vực này hoàn toàn bị dừng lại, nhiều nhà khoa học hạt nhân bị đàn áp vì coi đó là kẻ thù của nhân dân. Sau vụ nổ hạt nhân ở Nhật Bản, chính phủ Liên Xô đột ngột bắt đầu khôi phục ngành công nghiệp hạt nhân ở nước này.
Có bằng chứng cho thấy việc phát triển vũ khí hạt nhân được thực hiện ở Đức Quốc xã và chính các nhà khoa học Đức đã sửa đổi quả bom nguyên tử “thô” của Mỹ nên chính phủ Mỹ đã loại khỏi Đức tất cả các chuyên gia hạt nhân và mọi tài liệu liên quan đến phát triển vũ khí hạt nhân. vũ khí.
Trường tình báo Liên Xô, trong chiến tranh có thể vượt qua tất cả các cơ quan tình báo nước ngoài, đã chuyển các tài liệu bí mật liên quan đến việc phát triển vũ khí hạt nhân cho Liên Xô vào năm 1943. Đồng thời, điệp viên Liên Xô đã xâm nhập vào tất cả các trung tâm nghiên cứu hạt nhân lớn của Mỹ.
Kết quả của tất cả các biện pháp này là vào năm 1946, các thông số kỹ thuật để sản xuất hai quả bom hạt nhân do Liên Xô sản xuất đã sẵn sàng:
- RDS-1 (có điện tích plutonium);
- RDS-2 (có hai phần điện tích uranium).
Chữ viết tắt “RDS” là viết tắt của “Nga tự làm”, điều này gần như hoàn toàn đúng.
Thông tin Liên Xô sẵn sàng giải phóng vũ khí hạt nhân buộc chính phủ Mỹ phải thực hiện các biện pháp quyết liệt. Năm 1949, kế hoạch Trojan được phát triển, theo đó nó được lên kế hoạch thả bom nguyên tử xuống 70 thành phố lớn nhất của Liên Xô. Chỉ lo ngại về một cuộc tấn công trả đũa đã ngăn cản kế hoạch này thành hiện thực.
Thông tin đáng báo động này đến từ các sĩ quan tình báo Liên Xô đã buộc các nhà khoa học phải làm việc trong chế độ khẩn cấp. Ngay trong tháng 8 năm 1949, các cuộc thử nghiệm quả bom nguyên tử đầu tiên được sản xuất ở Liên Xô đã diễn ra. Khi Hoa Kỳ biết về những cuộc thử nghiệm này, kế hoạch Trojan đã bị hoãn vô thời hạn. Kỷ nguyên đối đầu giữa hai siêu cường bắt đầu, được lịch sử gọi là Chiến tranh Lạnh.
Bom hạt nhân mạnh nhất thế giới, được gọi là Tsar Bomba, đặc biệt thuộc về thời kỳ Chiến tranh Lạnh. Các nhà khoa học Liên Xô đã tạo ra quả bom mạnh nhất trong lịch sử loài người. Sức mạnh của nó là 60 megaton, mặc dù nó đã được lên kế hoạch tạo ra một quả bom có sức công phá 100 kiloton. Quả bom này được thử nghiệm vào tháng 10 năm 1961. Đường kính của quả cầu lửa trong vụ nổ là 10 km và sóng nổ vòng quanh địa cầu ba lần. Chính cuộc thử nghiệm này đã buộc hầu hết các quốc gia trên thế giới phải ký thỏa thuận ngừng thử nghiệm hạt nhân không chỉ trong bầu khí quyển trái đất mà ngay cả trong không gian.
Mặc dù vũ khí nguyên tử là một phương tiện tuyệt vời để đe dọa các quốc gia hung hãn, nhưng mặt khác, chúng có khả năng dập tắt mọi xung đột quân sự ngay từ trong trứng nước, vì một vụ nổ nguyên tử có thể tiêu diệt tất cả các bên tham gia xung đột.
Hàng trăm cuốn sách đã được viết về lịch sử đối đầu hạt nhân giữa các siêu cường và việc thiết kế những quả bom hạt nhân đầu tiên. Nhưng có rất nhiều huyền thoại về vũ khí hạt nhân hiện đại. “Cơ học phổ thông” quyết định làm rõ vấn đề này và cho biết loại vũ khí hủy diệt mạnh nhất do con người phát minh ra hoạt động như thế nào.
Nhân vật bùng nổ
Hạt nhân uranium chứa 92 proton. Uranium tự nhiên chủ yếu là hỗn hợp của hai đồng vị: U238 (có 146 neutron trong hạt nhân) và U235 (143 neutron), chỉ có 0,7% trong số đó là uranium tự nhiên. Tính chất hóa học của các đồng vị hoàn toàn giống nhau nên không thể tách chúng bằng phương pháp hóa học, nhưng sự khác biệt về khối lượng (235 và 238 đơn vị) cho phép thực hiện điều này bằng phương pháp vật lý: hỗn hợp uranium được chuyển thành khí (uranium hexafluoride), sau đó được bơm qua vô số vách ngăn xốp. Mặc dù các đồng vị của urani không thể phân biệt được về hình thức cũng như về mặt hóa học, nhưng chúng được ngăn cách bởi một vực sâu về đặc tính hạt nhân của chúng.
Quá trình phân hạch của U238 là một quá trình phải trả phí: một neutron đến từ bên ngoài phải mang theo năng lượng - 1 MeV trở lên. Và U235 là vô vị: không cần gì từ neutron tới để kích thích và phân rã tiếp theo; năng lượng liên kết của nó trong hạt nhân là khá đủ.
Khi bị neutron tấn công, hạt nhân uranium-235 dễ dàng phân tách, tạo ra neutron mới. Trong những điều kiện nhất định, một phản ứng dây chuyền bắt đầu.
Khi một neutron chạm vào một hạt nhân có khả năng phân hạch, một hợp chất không ổn định sẽ được hình thành, nhưng rất nhanh chóng (sau 10−23−10−22 giây), hạt nhân đó sẽ vỡ ra thành hai mảnh có khối lượng không bằng nhau và “ngay lập tức” (trong vòng 10 giây). −16−10− 14 c) phát ra hai hoặc ba neutron mới, do đó theo thời gian số lượng hạt nhân phân hạch có thể nhân lên (phản ứng này được gọi là phản ứng dây chuyền). Điều này chỉ có thể xảy ra ở U235, vì U238 tham lam không muốn chia sẻ neutron của chính nó, năng lượng của nó có mức độ lớn hơn 1 MeV. Động năng của các hạt sản phẩm phân hạch lớn hơn nhiều bậc độ lớn so với năng lượng giải phóng trong bất kỳ phản ứng hóa học nào trong đó thành phần của hạt nhân không thay đổi.
Plutonium kim loại tồn tại ở sáu pha, mật độ của chúng dao động từ 14,7 đến 19,8 kg/cm3. Ở nhiệt độ dưới 119 độ C, có một pha alpha đơn nghiêng (19,8 kg/cm 3), nhưng plutonium như vậy rất dễ vỡ, và ở pha delta tâm mặt lập phương (15,9) nó dẻo và được xử lý tốt (chính là thế này). giai đoạn mà họ đang cố gắng bảo quản bằng cách sử dụng các chất phụ gia hợp kim). Trong quá trình nén kích nổ, không có sự chuyển pha nào có thể xảy ra - plutonium ở trạng thái gần như lỏng. Chuyển pha rất nguy hiểm trong quá trình sản xuất: với các bộ phận lớn, ngay cả khi có một chút thay đổi về mật độ, vẫn có thể đạt đến trạng thái tới hạn. Tất nhiên, điều này sẽ xảy ra mà không có vụ nổ - phôi sẽ nóng lên, nhưng lớp mạ niken có thể thoát ra (và plutonium rất độc).
lắp ráp quan trọng
Sản phẩm phân hạch không ổn định và mất nhiều thời gian để “phục hồi”, phát ra nhiều loại bức xạ khác nhau (bao gồm cả neutron). Các neutron được phát ra trong một thời gian đáng kể (lên đến hàng chục giây) sau khi phân hạch được gọi là trễ và mặc dù tỷ lệ của chúng nhỏ so với các neutron tức thời (dưới 1%), nhưng vai trò của chúng trong hoạt động của các cơ sở hạt nhân là lớn nhất. quan trọng.
Thấu kính nổ tạo ra sóng hội tụ. Độ tin cậy được đảm bảo bởi một cặp ngòi nổ trong mỗi khối.
Các sản phẩm phân hạch, trong nhiều lần va chạm với các nguyên tử xung quanh, sẽ truyền năng lượng cho chúng, làm tăng nhiệt độ. Sau khi neutron xuất hiện trong tổ hợp chứa vật liệu phân hạch, công suất giải phóng nhiệt có thể tăng hoặc giảm và các thông số của tổ hợp trong đó số lượng phân hạch trên một đơn vị thời gian không đổi được gọi là tới hạn. Mức độ quan trọng của tổ hợp có thể được duy trì với cả số lượng lớn và số lượng nhỏ neutron (ở công suất giải phóng nhiệt cao hơn hoặc thấp hơn tương ứng). Năng lượng nhiệt được tăng lên bằng cách bơm thêm neutron vào tổ hợp quan trọng từ bên ngoài hoặc bằng cách làm cho tổ hợp trở nên siêu tới hạn (sau đó số neutron bổ sung được cung cấp bởi ngày càng nhiều thế hệ hạt nhân phân hạch). Ví dụ, nếu cần tăng công suất nhiệt của lò phản ứng, nó sẽ được đưa đến một chế độ trong đó mỗi thế hệ neutron tức thời ít hơn một chút so với thế hệ trước, nhưng nhờ có neutron chậm, lò phản ứng hầu như không chuyển sang trạng thái trạng thái quan trọng. Sau đó, nó không tăng tốc mà tăng công suất từ từ - để có thể dừng quá trình tăng tốc của nó vào đúng thời điểm bằng cách đưa vào các chất hấp thụ neutron (các thanh chứa cadmium hoặc boron).
Tổ hợp plutonium (một lớp hình cầu ở trung tâm) được bao quanh bởi lớp vỏ uranium-238 và sau đó là một lớp nhôm.
Các neutron sinh ra trong quá trình phân hạch thường bay qua các hạt nhân xung quanh mà không gây ra phản ứng phân hạch tiếp theo. Neutron được tạo ra càng gần bề mặt vật liệu thì khả năng nó thoát ra khỏi vật liệu phân hạch và không bao giờ quay trở lại càng lớn. Do đó, dạng tổ hợp tiết kiệm được số neutron lớn nhất là hình cầu: đối với một khối lượng vật chất nhất định, nó có diện tích bề mặt tối thiểu. Một quả bóng không có bao quanh (đơn độc) có 94% U235 không có lỗ rỗng bên trong trở nên quan trọng với khối lượng 49 kg và bán kính 85 mm. Nếu một tổ hợp của cùng một uranium là một hình trụ có chiều dài bằng đường kính thì nó trở nên tới hạn với khối lượng 52 kg. Diện tích bề mặt cũng giảm khi mật độ tăng. Đó là lý do tại sao việc nén nổ mà không làm thay đổi lượng vật liệu phân hạch có thể khiến tổ hợp rơi vào trạng thái tới hạn. Chính quá trình này là nền tảng cho thiết kế chung của điện tích hạt nhân.
Vũ khí hạt nhân đầu tiên sử dụng polonium và berili (ở giữa) làm nguồn neutron.
lắp ráp bóng
Nhưng thông thường, chất được sử dụng trong vũ khí hạt nhân không phải là uranium mà là plutonium-239. Nó được sản xuất trong các lò phản ứng bằng cách chiếu xạ uranium-238 bằng dòng neutron mạnh. Plutonium có giá cao hơn khoảng sáu lần so với U235, nhưng khi phân hạch, hạt nhân Pu239 phát ra trung bình 2,895 neutron—nhiều hơn U235 (2,452). Ngoài ra, xác suất phân hạch plutonium cao hơn. Tất cả điều này dẫn đến thực tế là một quả bóng Pu239 đơn độc trở nên quan trọng với khối lượng gần như nhỏ hơn ba lần so với một quả bóng uranium và quan trọng nhất là có bán kính nhỏ hơn, giúp có thể giảm kích thước của tổ hợp quan trọng.
Một lớp nhôm được sử dụng để giảm sóng hiếm sau khi thuốc nổ phát nổ.
Việc lắp ráp được làm từ hai nửa được lắp cẩn thận dưới dạng một lớp hình cầu (rỗng bên trong); nó rõ ràng là dưới tới hạn - ngay cả đối với neutron nhiệt và thậm chí sau khi được bao quanh bởi một chất điều tiết. Một điện tích được gắn xung quanh một tổ hợp các khối thuốc nổ được lắp rất chính xác. Để tiết kiệm neutron, cần phải duy trì hình dạng cao quý của quả bóng trong quá trình nổ - để làm được điều này, lớp thuốc nổ phải được kích nổ đồng thời dọc theo toàn bộ bề mặt bên ngoài của nó, nén đều tổ hợp. Người ta tin rằng điều này đòi hỏi rất nhiều ngòi nổ điện. Nhưng đây chỉ là trường hợp vào thời kỳ đầu của quá trình “chế tạo bom”: để kích hoạt hàng chục ngòi nổ, cần rất nhiều năng lượng và kích thước đáng kể của hệ thống khởi động. Các loại thuốc nổ hiện đại sử dụng một số ngòi nổ được lựa chọn bằng một kỹ thuật đặc biệt, có đặc điểm tương tự, từ đó chất nổ có độ ổn định cao (về tốc độ nổ) được kích hoạt trong các rãnh được phay trong một lớp polycarbonate (hình dạng của nó trên bề mặt hình cầu được tính toán bằng hình học Riemann phương pháp). Vụ nổ với tốc độ khoảng 8 km/s sẽ di chuyển dọc theo các rãnh với khoảng cách hoàn toàn bằng nhau, cùng lúc đó nó sẽ chạm tới các lỗ và kích nổ điện tích chính - đồng thời tại tất cả các điểm cần thiết.
Các hình vẽ cho thấy những khoảnh khắc đầu tiên trong vòng đời của một quả cầu lửa mang điện tích hạt nhân - sự khuếch tán bức xạ (a), sự giãn nở của plasma nóng và sự hình thành các “mụn nước” (b) và sự gia tăng công suất bức xạ trong vùng khả kiến trong quá trình phân tách của sóng xung kích (c).
Vụ nổ bên trong
Vụ nổ hướng vào bên trong nén tổ hợp này với áp suất hơn một triệu atm. Bề mặt của tổ hợp giảm đi, khoang bên trong của plutonium gần như biến mất, mật độ tăng lên và rất nhanh - trong vòng 10 micro giây, tổ hợp có thể nén vượt qua trạng thái tới hạn với neutron nhiệt và trở nên siêu tới hạn đáng kể với neutron nhanh.
Sau một khoảng thời gian được xác định bằng thời gian không đáng kể của sự làm chậm không đáng kể của các neutron nhanh, mỗi thế hệ mới, nhiều hơn của chúng sẽ bổ sung thêm năng lượng 202 MeV bằng cách phân hạch vào chất lắp ráp, vốn đã bùng nổ với áp suất cực lớn. Trên quy mô của các hiện tượng đang xảy ra, độ bền của ngay cả những loại thép hợp kim tốt nhất cũng rất nhỏ đến mức không ai có thể tính đến nó khi tính toán động lực học của một vụ nổ. Điều duy nhất ngăn tổ hợp bay ra xa nhau là quán tính: để giãn nở một quả cầu plutonium chỉ 1 cm trong hàng chục nano giây, cần phải truyền một gia tốc cho chất đó lớn hơn hàng chục nghìn tỷ lần gia tốc rơi tự do và điều này không hề dễ dàng.
Cuối cùng, vật chất vẫn phân tán, quá trình phân hạch dừng lại, nhưng quá trình không kết thúc ở đó: năng lượng được phân phối lại giữa các mảnh ion hóa của các hạt nhân bị tách ra và các hạt khác phát ra trong quá trình phân hạch. Năng lượng của chúng ở mức hàng chục, thậm chí hàng trăm MeV, nhưng chỉ các lượng tử gamma và neutron năng lượng cao trung hòa về điện mới có cơ hội tránh tương tác với vật chất và “thoát ra ngoài”. Các hạt tích điện nhanh chóng mất năng lượng khi va chạm và ion hóa. Trong trường hợp này, bức xạ được phát ra - tuy nhiên, nó không còn là bức xạ hạt nhân cứng mà mềm hơn, với năng lượng thấp hơn ba bậc độ lớn, nhưng vẫn quá đủ để đánh bật các electron khỏi nguyên tử - không chỉ từ lớp vỏ bên ngoài mà còn từ mọi thứ nói chung. Một hỗn hợp gồm các hạt nhân trần, các electron bị tách ra và bức xạ có mật độ gam trên centimet khối (hãy thử tưởng tượng bạn có thể rám nắng tốt như thế nào dưới ánh sáng có mật độ của nhôm!) - mọi thứ mà một lúc trước là điện tích - đi vào một số vẻ cân bằng. Trong một quả cầu lửa còn rất trẻ, nhiệt độ lên tới hàng chục triệu độ.
Quả cầu lửa
Có vẻ như ngay cả bức xạ mềm chuyển động với tốc độ ánh sáng cũng phải bỏ xa vật chất tạo ra nó, nhưng thực tế không phải vậy: trong không khí lạnh, phạm vi lượng tử của năng lượng Kev là centimet, và chúng không chuyển động trong một khoảng thời gian. đường thẳng nhưng thay đổi hướng chuyển động, phát xạ lại sau mỗi lần tương tác. Lượng tử làm ion hóa không khí và lan truyền trong đó, giống như nước ép anh đào đổ vào cốc nước. Hiện tượng này được gọi là khuếch tán bức xạ.
Một quả cầu lửa trẻ có sức nổ 100 kt vài chục nano giây sau khi kết thúc vụ nổ phân hạch có bán kính 3 m và nhiệt độ gần 8 triệu Kelvin. Nhưng sau 30 micro giây, bán kính của nó là 18 m, mặc dù nhiệt độ giảm xuống dưới một triệu độ. Quả bóng nuốt chửng không gian và không khí bị ion hóa phía sau mặt trước của nó hầu như không di chuyển: bức xạ không thể truyền động lượng đáng kể cho nó trong quá trình khuếch tán. Nhưng nó bơm năng lượng khổng lồ vào không khí này, làm nóng nó và khi năng lượng bức xạ cạn kiệt, quả bóng bắt đầu phát triển do sự giãn nở của plasma nóng, bùng nổ từ bên trong với thứ từng là điện tích. Khi nở ra, giống như một bong bóng căng phồng, lớp vỏ plasma trở nên mỏng hơn. Tất nhiên, không giống như bong bóng, không có gì làm nó phồng lên: hầu như không còn chất nào ở bên trong, tất cả đều bay từ tâm theo quán tính, nhưng 30 micro giây sau vụ nổ, tốc độ của chuyến bay này là hơn 100 km/s, và áp suất thủy động lực trong chất đó - hơn 150.000 atm! Lớp vỏ không được dự định trở nên quá mỏng; nó sẽ vỡ ra, tạo thành những “mụn nước”.
Trong ống neutron chân không, một điện áp xung 100 kilovolt được đặt giữa mục tiêu bão hòa tritium (cực âm) 1 và cụm cực dương 2. Khi điện áp đạt cực đại, các ion đơteri cần phải nằm giữa cực dương và cực âm, cần được tăng tốc. Một nguồn ion được sử dụng cho việc này. Một xung đánh lửa được đưa vào cực dương 3 của nó và sự phóng điện đi dọc theo bề mặt gốm bão hòa deuterium 4, tạo thành các ion deuterium. Sau khi tăng tốc, chúng bắn phá mục tiêu bão hòa tritium, kết quả là năng lượng 17,6 MeV được giải phóng và các neutron và hạt nhân helium-4 được hình thành. Xét về thành phần hạt và thậm chí cả năng lượng tỏa ra, phản ứng này giống hệt với phản ứng tổng hợp - quá trình hợp nhất các hạt nhân nhẹ. Vào những năm 1950, nhiều người tin như vậy, nhưng sau đó hóa ra là có một “sự gián đoạn” xảy ra trong ống: một proton hoặc một neutron (tạo nên ion deuterium, được gia tốc bởi một điện trường) “bị mắc kẹt” trong mục tiêu hạt nhân (triti). Nếu một proton bị mắc kẹt, neutron sẽ vỡ ra và trở nên tự do.
Cơ chế truyền năng lượng của quả cầu lửa ra môi trường chiếm ưu thế phụ thuộc vào sức mạnh của vụ nổ: nếu nó lớn thì sự khuếch tán bức xạ đóng vai trò chính; nếu nó nhỏ thì sự giãn nở của bong bóng plasma đóng vai trò chính; vai trò chính. Rõ ràng là một trường hợp trung gian có thể xảy ra khi cả hai cơ chế đều có hiệu quả.
Quá trình thu giữ các lớp không khí mới; không còn đủ năng lượng để tách tất cả các electron ra khỏi nguyên tử. Năng lượng của lớp ion hóa và các mảnh bong bóng plasma cạn kiệt, chúng không còn khả năng di chuyển khối lượng khổng lồ phía trước và chậm lại đáng kể. Nhưng không khí trước khi vụ nổ chuyển động, tách ra khỏi quả bóng, hấp thụ ngày càng nhiều lớp không khí lạnh... Sự hình thành sóng xung kích bắt đầu.
Sóng xung kích và nấm nguyên tử
Khi sóng xung kích tách khỏi quả cầu lửa, đặc tính của lớp phát xạ thay đổi và công suất bức xạ trong phần quang phổ của quang phổ tăng mạnh (cái gọi là mức cực đại thứ nhất). Tiếp theo, các quá trình chiếu sáng và thay đổi độ trong suốt của không khí xung quanh cạnh tranh nhau, dẫn đến việc đạt được mức tối đa thứ hai, kém mạnh hơn nhưng lâu hơn nhiều - đến mức năng lượng ánh sáng phát ra lớn hơn mức tối đa thứ nhất. .
Gần vụ nổ, mọi thứ xung quanh đều bốc hơi, càng đi xa thì tan chảy, nhưng xa hơn nữa, nơi dòng nhiệt không còn đủ để làm tan chảy chất rắn, đất, đá, nhà cửa chảy như chất lỏng, dưới áp suất cực lớn của khí phá hủy mọi liên kết bền chặt, nóng đến mức không thể chịu nổi cho đôi mắt rạng rỡ.
Cuối cùng, sóng xung kích đi xa khỏi điểm bùng nổ, nơi một đám mây hơi lỏng lẻo và yếu đi, nhưng nở ra nhiều lần, là plasma của điện tích, và những gì ở gần vào giờ khủng khiếp của nó, vẫn ngưng tụ, biến thành bụi nhỏ và rất phóng xạ đến một nơi mà người ta nên tránh càng xa càng tốt. Đám mây bắt đầu nổi lên. Nó nguội đi, thay đổi màu sắc, “đội lên” một lớp mũ màu trắng chứa hơi ẩm ngưng tụ, theo sau là bụi từ bề mặt trái đất, tạo thành “chân” của thứ thường được gọi là “nấm nguyên tử”.
sự khởi đầu neutron
Những độc giả chú ý có thể ước tính lượng năng lượng giải phóng trong một vụ nổ bằng bút chì trên tay. Khi thời gian tổ hợp ở trạng thái siêu tới hạn cỡ micro giây, tuổi của neutron vào cỡ pico giây và hệ số nhân nhỏ hơn 2, thì khoảng một gigajoule năng lượng được giải phóng, tương đương với ... 250 kg TNT. Kilô- và megaton ở đâu?
Neutron - chậm và nhanh
Trong một chất không phân hạch, “nảy” ra khỏi hạt nhân, neutron truyền cho chúng một phần năng lượng của chúng, hạt nhân càng nhẹ (gần chúng về khối lượng). Càng tham gia nhiều va chạm, neutron càng chậm lại và cuối cùng chúng đạt trạng thái cân bằng nhiệt với vật chất xung quanh - chúng bị nhiệt hóa (quá trình này mất một phần nghìn giây). Tốc độ neutron nhiệt là 2200 m/s (năng lượng 0,025 eV). Các neutron có thể thoát ra khỏi chất điều tiết và bị hạt nhân của nó bắt giữ, nhưng với sự điều tiết, khả năng tham gia vào các phản ứng hạt nhân của chúng tăng lên đáng kể, do đó, các neutron “không bị mất” nhiều hơn là bù đắp cho sự giảm số lượng.
Do đó, nếu một quả cầu làm bằng vật liệu phân hạch được bao quanh bởi một chất điều tiết, nhiều neutron sẽ rời khỏi chất điều tiết hoặc bị hấp thụ trong đó, nhưng cũng sẽ có một số neutron quay trở lại quả bóng (“phản xạ”) và mất năng lượng, có nhiều khả năng gây ra hiện tượng phân hạch hơn. Nếu quả bóng được bao quanh bởi một lớp berili dày 25 mm thì có thể tiết kiệm được 20 kg U235 mà vẫn đạt được trạng thái tới hạn của tổ hợp. Nhưng sự tiết kiệm đó phải trả giá bằng thời gian: mỗi thế hệ neutron tiếp theo trước tiên phải giảm tốc độ trước khi gây ra phản ứng phân hạch. Độ trễ này làm giảm số lượng thế hệ neutron sinh ra trong một đơn vị thời gian, nghĩa là việc giải phóng năng lượng bị trì hoãn. Vật liệu phân hạch càng ít trong tổ hợp thì càng cần nhiều chất điều tiết để phát triển phản ứng dây chuyền và quá trình phân hạch xảy ra với các neutron năng lượng ngày càng thấp hơn. Trong trường hợp giới hạn, khi mức tới hạn chỉ đạt được với neutron nhiệt, chẳng hạn như trong dung dịch muối uranium trong chất điều tiết tốt - nước, khối lượng của các tổ hợp là hàng trăm gam, nhưng dung dịch chỉ sôi theo định kỳ. Các bong bóng hơi thoát ra làm giảm mật độ trung bình của chất phân hạch, phản ứng dây chuyền dừng lại và khi bong bóng rời khỏi chất lỏng, quá trình phân hạch bùng phát lặp lại (nếu bạn làm tắc bình, hơi nước sẽ làm nổ tung nó - nhưng đây sẽ là hiện tượng nhiệt vụ nổ, không có tất cả các dấu hiệu "hạt nhân" điển hình).
Thực tế là chuỗi phân hạch trong tổ hợp không bắt đầu bằng một neutron: ở tốc độ micro giây cần thiết, hàng triệu neutron được đưa vào tổ hợp siêu tới hạn. Trong các điện tích hạt nhân đầu tiên, các nguồn đồng vị nằm trong khoang bên trong tổ hợp plutonium đã được sử dụng cho việc này: polonium-210, tại thời điểm nén, kết hợp với berili và gây ra sự phát xạ neutron cùng với các hạt alpha của nó. Nhưng tất cả các nguồn đồng vị đều khá yếu (sản phẩm đầu tiên của Mỹ tạo ra ít hơn một triệu neutron mỗi micro giây) và polonium rất dễ hỏng – nó làm giảm hoạt động của nó xuống một nửa chỉ sau 138 ngày. Do đó, các đồng vị đã được thay thế bằng các đồng vị ít nguy hiểm hơn (không phát ra khi không bật) và quan trọng nhất là các ống neutron phát ra cường độ mạnh hơn (xem thanh bên): trong vài micro giây (thời gian của xung hình thành bởi ống ) hàng trăm triệu neutron được sinh ra. Nhưng nếu nó không hoạt động hoặc hoạt động không đúng lúc thì sẽ xảy ra cái gọi là tiếng nổ hoặc “zilch”—một vụ nổ nhiệt năng lượng thấp.
Sự khởi đầu neutron không chỉ làm tăng sự giải phóng năng lượng của vụ nổ hạt nhân lên nhiều bậc độ lớn mà còn giúp điều chỉnh nó! Rõ ràng là khi nhận nhiệm vụ chiến đấu, khi xác định sức mạnh của đòn tấn công hạt nhân phải chỉ ra, không ai tháo rời điện tích để trang bị cho nó một tổ hợp plutonium tối ưu cho sức mạnh nhất định. Trong loại đạn có chất nổ tương đương TNT, chỉ cần thay đổi điện áp cung cấp cho ống neutron là đủ. Theo đó, hiệu suất neutron và năng lượng giải phóng sẽ thay đổi (tất nhiên, khi giảm công suất theo cách này sẽ lãng phí rất nhiều plutonium đắt tiền).
Nhưng họ bắt đầu nghĩ đến sự cần thiết phải điều chỉnh việc giải phóng năng lượng muộn hơn nhiều, và trong những năm đầu tiên sau chiến tranh, người ta không thể nói chuyện về việc giảm năng lượng. Mạnh mẽ hơn, mạnh mẽ hơn và mạnh mẽ hơn! Nhưng hóa ra có những hạn chế về vật lý và thủy động lực hạt nhân đối với các kích thước cho phép của quả cầu dưới tới hạn. Sức nổ TNT tương đương với một vụ nổ 100 kiloton gần bằng giới hạn vật lý đối với đạn một pha, loại đạn chỉ xảy ra phân hạch. Kết quả là, sự phân hạch bị loại bỏ làm nguồn năng lượng chính và trọng tâm là các phản ứng của một lớp khác - phản ứng tổng hợp.
Lò phản ứng hạt nhân hoạt động trơn tru và hiệu quả. Nếu không, như bạn biết, sẽ có rắc rối. Nhưng chuyện gì đang xảy ra bên trong vậy? Chúng ta hãy thử xây dựng nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân (hạt nhân) một cách ngắn gọn, rõ ràng, có điểm dừng.
Về bản chất, quá trình tương tự đang diễn ra ở đó như trong một vụ nổ hạt nhân. Chỉ có vụ nổ xảy ra rất nhanh, nhưng trong lò phản ứng, tất cả điều này kéo dài rất lâu. Kết quả là mọi thứ vẫn an toàn và chúng ta nhận được năng lượng. Không đến mức mọi thứ xung quanh sẽ bị phá hủy ngay lập tức, nhưng khá đủ để cung cấp điện cho thành phố.
Trước khi hiểu phản ứng hạt nhân có kiểm soát xảy ra như thế nào, bạn cần biết nó là gì. phản ứng hạt nhân không hề.
Phản ứng hạt nhân là quá trình biến đổi (phân hạch) hạt nhân nguyên tử khi chúng tương tác với các hạt cơ bản và lượng tử gamma.
Phản ứng hạt nhân có thể xảy ra với cả sự hấp thụ và giải phóng năng lượng. Lò phản ứng sử dụng phản ứng thứ hai.
Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị có mục đích duy trì phản ứng hạt nhân có kiểm soát bằng cách giải phóng năng lượng.
Thông thường lò phản ứng hạt nhân còn được gọi là lò phản ứng nguyên tử. Chúng ta hãy lưu ý rằng không có sự khác biệt cơ bản ở đây, nhưng từ quan điểm của khoa học thì dùng từ “hạt nhân” sẽ đúng hơn. Hiện nay có nhiều loại lò phản ứng hạt nhân. Đó là những lò phản ứng công nghiệp khổng lồ được thiết kế để tạo ra năng lượng trong các nhà máy điện, lò phản ứng hạt nhân của tàu ngầm, lò phản ứng thực nghiệm nhỏ dùng trong thí nghiệm khoa học. Thậm chí có những lò phản ứng được sử dụng để khử muối trong nước biển.
Lịch sử hình thành lò phản ứng hạt nhân
Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được khởi động vào năm 1942 không xa. Điều này đã xảy ra ở Mỹ dưới sự lãnh đạo của Fermi. Lò phản ứng này được gọi là "Đống gỗ Chicago".
Năm 1946, lò phản ứng đầu tiên của Liên Xô, dưới sự lãnh đạo của Kurchatov, bắt đầu hoạt động. Thân của lò phản ứng này là một quả bóng có đường kính bảy mét. Các lò phản ứng đầu tiên không có hệ thống làm mát và công suất của chúng ở mức tối thiểu. Nhân tiện, lò phản ứng của Liên Xô có công suất trung bình là 20 Watts, còn lò phản ứng của Mỹ chỉ có 1 Watt. Để so sánh: công suất trung bình của các lò phản ứng điện hiện đại là 5 Gigawatt. Chưa đầy mười năm sau khi khởi động lò phản ứng đầu tiên, nhà máy điện hạt nhân công nghiệp đầu tiên trên thế giới đã được khai trương tại thành phố Obninsk.
Nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân (hạt nhân)
Bất kỳ lò phản ứng hạt nhân nào cũng có một số bộ phận: cốt lõi Với nhiên liệu Và người điều hành , phản xạ neutron , chất làm mát , Hệ thống điều khiển và bảo vệ . Đồng vị thường được sử dụng làm nhiên liệu trong lò phản ứng. uranium (235, 238, 233), plutoni (239) và thori (232). Lõi là một nồi hơi mà nước thông thường (chất làm mát) chảy qua. Trong số các chất làm mát khác, “nước nặng” và than chì lỏng ít được sử dụng hơn. Nếu nói về hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân thì lò phản ứng hạt nhân được sử dụng để tạo ra nhiệt. Bản thân điện được tạo ra bằng phương pháp tương tự như ở các loại nhà máy điện khác - hơi nước làm quay tuabin và năng lượng chuyển động được chuyển thành năng lượng điện.
Dưới đây là sơ đồ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân.
Như chúng ta đã nói, sự phân rã của hạt nhân uranium nặng tạo ra các nguyên tố nhẹ hơn và một số neutron. Các neutron sinh ra va chạm với các hạt nhân khác, cũng khiến chúng phân hạch. Đồng thời, số lượng neutron tăng lên như một trận tuyết lở.
Cần phải đề cập ở đây hệ số nhân neutron . Vì vậy, nếu hệ số này vượt quá giá trị bằng 1 thì vụ nổ hạt nhân sẽ xảy ra. Nếu giá trị nhỏ hơn một thì có quá ít neutron và phản ứng sẽ kết thúc. Nhưng nếu bạn duy trì giá trị của hệ số bằng 1 thì phản ứng sẽ diễn ra lâu dài và ổn định.
Câu hỏi là làm thế nào để làm điều này? Trong lò phản ứng, nhiên liệu ở trạng thái gọi là yếu tố nhiên liệu (TVELakh). Đây là những thanh chứa, ở dạng viên nhỏ, nhiên liệu hạt nhân . Các thanh nhiên liệu được nối thành các hộp hình lục giác, trong đó có thể có hàng trăm hộp trong lò phản ứng. Các băng chứa các thanh nhiên liệu được bố trí theo chiều dọc và mỗi thanh nhiên liệu có một hệ thống cho phép bạn điều chỉnh độ sâu ngâm của nó vào lõi. Ngoài các băng cassette, chúng còn bao gồm thanh điều khiển Và thanh bảo vệ khẩn cấp . Các thanh được làm bằng vật liệu hấp thụ neutron tốt. Nhờ đó, các thanh điều khiển có thể được hạ xuống ở các độ sâu khác nhau trong lõi, từ đó điều chỉnh được hệ số nhân neutron. Thanh khẩn cấp được thiết kế để tắt lò phản ứng trong trường hợp khẩn cấp.
Lò phản ứng hạt nhân được khởi động như thế nào?
Chúng ta đã tự mình tìm ra nguyên lý hoạt động, nhưng làm thế nào để khởi động và làm cho lò phản ứng hoạt động? Nói một cách đại khái, nó đây - một mảnh uranium, nhưng phản ứng dây chuyền không tự bắt đầu trong đó. Thực tế là trong vật lý hạt nhân có một khái niệm khối lượng tới hạn .
Khối lượng tới hạn là khối lượng vật liệu phân hạch cần thiết để bắt đầu phản ứng dây chuyền hạt nhân.
Với sự trợ giúp của các thanh nhiên liệu và thanh điều khiển, một khối lượng nhiên liệu hạt nhân tới hạn trước tiên được tạo ra trong lò phản ứng, sau đó lò phản ứng được đưa đến mức công suất tối ưu trong một số giai đoạn.
Trong bài viết này, chúng tôi cố gắng cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quát về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân (hạt nhân). Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào về chủ đề hoặc được hỏi một vấn đề về vật lý hạt nhân ở trường đại học, vui lòng liên hệ tới các chuyên gia của công ty chúng tôi. Như thường lệ, chúng tôi sẵn sàng giúp bạn giải quyết mọi vấn đề cấp bách liên quan đến việc học của bạn. Và trong khi chúng ta đang nói về điều đó, đây là một video giáo dục khác mà bạn có thể chú ý!
Nhưng đây là điều chúng ta thường không biết. Và tại sao bom hạt nhân lại phát nổ...
Hãy bắt đầu từ xa. Mỗi nguyên tử đều có hạt nhân và hạt nhân gồm có proton và neutron - có lẽ ai cũng biết điều này. Theo cách tương tự, mọi người đều nhìn thấy bảng tuần hoàn. Nhưng tại sao các nguyên tố hóa học trong nó lại được sắp xếp theo cách này mà không phải cách khác? Chắc chắn không phải vì Mendeleev muốn như vậy. Số nguyên tử của mỗi nguyên tố trong bảng cho biết có bao nhiêu proton trong hạt nhân nguyên tử của nguyên tố đó. Nói cách khác, sắt đứng thứ 26 trong bảng vì có 26 proton trong nguyên tử sắt. Và nếu không có 26 cái thì nó không còn là sắt nữa.
Nhưng có thể có số nơtron khác nhau trong hạt nhân của cùng một nguyên tố, nghĩa là khối lượng của các hạt nhân có thể khác nhau. Các nguyên tử của cùng một nguyên tố có khối lượng khác nhau được gọi là đồng vị. Uranium có một số đồng vị như vậy: phổ biến nhất trong tự nhiên là uranium-238 (hạt nhân của nó có 92 proton và 146 neutron, tổng cộng là 238). Nó có tính phóng xạ, nhưng bạn không thể chế tạo bom hạt nhân từ nó. Nhưng đồng vị uranium-235, một lượng nhỏ được tìm thấy trong quặng uranium, lại thích hợp để sản xuất điện hạt nhân.
Người đọc có thể đã từng gặp các cụm từ “uranium được làm giàu” và “uranium nghèo”. Uranium đã làm giàu chứa nhiều uranium-235 hơn uranium tự nhiên; ở trạng thái cạn kiệt, tương ứng, ít hơn. Uranium đã được làm giàu có thể được sử dụng để sản xuất plutonium, một nguyên tố khác thích hợp cho bom hạt nhân (nó gần như không bao giờ được tìm thấy trong tự nhiên). Làm thế nào uranium được làm giàu và làm thế nào thu được plutonium từ nó là một chủ đề thảo luận riêng.
Vậy tại sao bom hạt nhân lại phát nổ? Thực tế là một số hạt nhân nặng có xu hướng phân rã nếu chúng bị neutron va chạm. Và bạn sẽ không phải đợi lâu để có neutron miễn phí – có rất nhiều neutron bay xung quanh. Vì vậy, một neutron như vậy chạm vào hạt nhân uranium-235 và do đó phá vỡ nó thành các “mảnh”. Điều này giải phóng thêm một vài neutron. Bạn có đoán được điều gì sẽ xảy ra nếu xung quanh có các hạt nhân của cùng một nguyên tố không? Đúng vậy sẽ xảy ra phản ứng dây chuyền. Đây là cách nó xảy ra.
Trong lò phản ứng hạt nhân, nơi uranium-235 được “hòa tan” trong uranium-238 ổn định hơn, một vụ nổ không xảy ra trong điều kiện bình thường. Hầu hết các neutron bay ra khỏi hạt nhân đang phân hủy sẽ bay vào sữa mà không tìm thấy hạt nhân uranium-235. Trong lò phản ứng, sự phân rã của hạt nhân xảy ra “chậm chạp” (nhưng điều này đủ để lò phản ứng cung cấp năng lượng). Trong một mảnh uranium-235, nếu có đủ khối lượng, neutron đảm bảo sẽ phá vỡ hạt nhân, phản ứng dây chuyền sẽ bắt đầu như một trận tuyết lở, và... Dừng lại! Suy cho cùng, nếu bạn tạo ra một mảnh uranium-235 hoặc plutonium với khối lượng cần thiết cho một vụ nổ, nó sẽ phát nổ ngay lập tức. Đây không phải là vấn đề.
Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn lấy hai mảnh khối lượng dưới tới hạn và đẩy chúng vào nhau bằng cơ chế điều khiển từ xa? Ví dụ, đặt cả hai vào một ống và gắn một cục bột vào một ống sao cho vào đúng thời điểm, một mảnh, giống như một viên đạn, bắn vào mảnh kia. Đây là giải pháp cho vấn đề.
Bạn có thể làm khác đi: lấy một mảnh plutonium hình cầu và gắn các chất nổ lên toàn bộ bề mặt của nó. Khi các điện tích này phát nổ theo lệnh từ bên ngoài, vụ nổ của chúng sẽ nén plutonium từ mọi phía, nén nó đến mật độ tới hạn và phản ứng dây chuyền sẽ xảy ra. Tuy nhiên, độ chính xác và độ tin cậy ở đây rất quan trọng: tất cả các chất nổ phải phát nổ cùng một lúc. Nếu một số trong số chúng hoạt động, còn một số thì không, hoặc một số hoạt động muộn, thì sẽ không có vụ nổ hạt nhân nào: plutonium sẽ không bị nén đến khối lượng tới hạn mà sẽ tiêu tan trong không khí. Thay vì một quả bom hạt nhân, bạn sẽ nhận được một quả bom được gọi là “bẩn”.
Đây là hình dáng của một quả bom hạt nhân kiểu nổ. Các điện tích được cho là tạo ra một vụ nổ có hướng, được chế tạo dưới dạng khối đa diện nhằm bao phủ bề mặt của quả cầu plutonium càng chặt càng tốt.
Loại thiết bị đầu tiên được gọi là thiết bị pháo, loại thứ hai - thiết bị nổ.
Quả bom "Little Boy" được thả xuống Hiroshima có lượng uranium-235 và thiết bị dạng pháo. Quả bom Fat Man phát nổ ở Nagasaki, mang theo một lượng plutonium và thiết bị nổ đã phát nổ. Ngày nay, các thiết bị dạng súng hầu như không bao giờ được sử dụng; những vụ nổ phức tạp hơn, nhưng đồng thời chúng cho phép bạn điều chỉnh khối lượng điện tích hạt nhân và sử dụng nó một cách hợp lý hơn. Và plutonium đã thay thế uranium-235 làm chất nổ hạt nhân.
Một vài năm trôi qua, và các nhà vật lý đã đề xuất cho quân đội một loại bom thậm chí còn mạnh hơn - bom nhiệt hạch, hay còn được gọi là bom hydro. Hóa ra hydro nổ mạnh hơn plutonium?
Hydro thực sự có khả năng nổ, nhưng không bùng nổ đến mức đó. Tuy nhiên, không có hydro “thông thường” trong bom hydro; nó sử dụng các đồng vị của nó – deuterium và tritium. Hạt nhân của hydro “thông thường” có một neutron, deuterium có hai và tritium có ba.
Trong bom nguyên tử, hạt nhân của một nguyên tố nặng được chia thành hạt nhân của nguyên tố nhẹ hơn. Trong phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, quá trình ngược lại xảy ra: các hạt nhân nhẹ kết hợp với nhau thành các hạt nặng hơn. Ví dụ, hạt nhân deuterium và tritium kết hợp để tạo thành hạt nhân helium (còn được gọi là hạt alpha), và neutron “thêm” được gửi vào “chuyến bay tự do”. Quá trình này giải phóng nhiều năng lượng hơn đáng kể so với quá trình phân rã hạt nhân plutonium. Nhân tiện, đây chính xác là quá trình diễn ra trên Mặt trời.
Tuy nhiên, phản ứng nhiệt hạch chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực cao (đó là lý do tại sao nó được gọi là nhiệt hạch). Làm thế nào để làm cho deuterium và tritium phản ứng? Vâng, rất đơn giản: bạn cần sử dụng bom hạt nhân làm ngòi nổ!
Vì bản thân deuterium và tritium ổn định nên điện tích của chúng trong bom nhiệt hạch có thể lớn tùy ý. Điều này có nghĩa là một quả bom nhiệt hạch có thể được chế tạo mạnh hơn rất nhiều so với một quả bom hạt nhân “đơn giản”. “Quả bom trẻ em” được thả xuống Hiroshima có sức công phá tương đương TNT trong khoảng 18 kiloton, và quả bom khinh khí mạnh nhất (còn được gọi là “Bom Tsar Bomba”, còn được gọi là “Mẹ của Kuzka”) đã có sức công phá 58,6 megaton, gấp hơn 3255 lần. "Em bé" mạnh mẽ!
Đám mây “nấm” từ Tsar Bomba đã bay lên độ cao 67 km và sóng nổ bay vòng quanh địa cầu ba lần.
Tuy nhiên, sức mạnh khổng lồ như vậy rõ ràng là quá mức. Sau khi “chơi đủ” với bom megaton, các kỹ sư quân sự và nhà vật lý đã đi theo một con đường khác - con đường thu nhỏ vũ khí hạt nhân. Ở dạng thông thường, vũ khí hạt nhân có thể được thả từ máy bay ném bom chiến lược như bom trên không hoặc phóng từ tên lửa đạn đạo; nếu bạn thu nhỏ chúng, bạn sẽ có được một điện tích hạt nhân nhỏ gọn, không phá hủy mọi thứ trong bán kính hàng km xung quanh và có thể đặt trên đạn pháo hoặc tên lửa không đối đất. Tính di động sẽ tăng lên và phạm vi nhiệm vụ cần giải quyết sẽ mở rộng. Ngoài vũ khí hạt nhân chiến lược, chúng ta sẽ nhận được vũ khí chiến thuật.
Một loạt hệ thống phân phối đã được phát triển cho vũ khí hạt nhân chiến thuật - đại bác hạt nhân, súng cối, súng trường không giật (ví dụ: Davy Crockett của Mỹ). Liên Xô thậm chí còn có dự án đạn hạt nhân. Đúng vậy, nó đã phải bị loại bỏ - đạn hạt nhân không đáng tin cậy, việc chế tạo và cất giữ quá phức tạp và tốn kém đến mức chúng chẳng có tác dụng gì.
"Davy Crockett." Một số vũ khí hạt nhân này đang được sử dụng trong Lực lượng Vũ trang Hoa Kỳ và Bộ trưởng Bộ Quốc phòng Tây Đức đã không thành công khi tìm cách trang bị chúng cho Bundeswehr.
Nói về vũ khí hạt nhân cỡ nhỏ, phải kể đến một loại vũ khí hạt nhân khác - bom neutron. Lượng plutonium trong đó nhỏ nhưng điều này là không cần thiết. Nếu một quả bom nhiệt hạch đi theo con đường tăng lực nổ, thì bom neutron lại dựa vào một yếu tố gây sát thương khác - bức xạ. Để tăng cường bức xạ, bom neutron chứa nguồn cung cấp đồng vị berili, chất này khi nổ sẽ tạo ra một số lượng lớn neutron nhanh.
Theo những người tạo ra nó, một quả bom neutron sẽ tiêu diệt quân địch nhưng vẫn giữ nguyên thiết bị, sau đó có thể thu giữ được trong một cuộc tấn công. Trên thực tế, mọi chuyện diễn ra hơi khác: thiết bị được chiếu xạ trở nên không sử dụng được - bất kỳ ai dám lái nó sẽ sớm “kiếm” bệnh phóng xạ. Điều này không làm thay đổi thực tế rằng một vụ nổ bom neutron có khả năng đánh trúng kẻ thù xuyên qua áo giáp xe tăng; Đạn neutron được Hoa Kỳ phát triển đặc biệt làm vũ khí chống lại đội hình xe tăng Liên Xô. Tuy nhiên, áo giáp xe tăng đã sớm được phát triển để cung cấp một số loại bảo vệ khỏi dòng neutron nhanh.
Một loại vũ khí hạt nhân khác được phát minh vào năm 1950, nhưng chưa bao giờ được sản xuất (theo như những gì được biết). Đây được gọi là bom coban - một loại điện tích hạt nhân có vỏ coban. Trong vụ nổ, coban, được chiếu xạ bởi một dòng neutron, trở thành một đồng vị cực kỳ phóng xạ và phân tán khắp khu vực, làm ô nhiễm nó. Chỉ cần một quả bom đủ sức mạnh như vậy có thể bao phủ toàn bộ địa cầu bằng coban và tiêu diệt toàn bộ nhân loại. May mắn thay, dự án này vẫn là một dự án.
Chúng ta có thể nói gì để kết luận? Bom hạt nhân là một loại vũ khí thực sự khủng khiếp, đồng thời nó (thật nghịch lý!) đã giúp duy trì hòa bình tương đối giữa các siêu cường. Nếu kẻ thù của bạn có vũ khí hạt nhân, bạn sẽ phải suy nghĩ mười lần trước khi tấn công hắn. Chưa có quốc gia nào có kho vũ khí hạt nhân từng bị tấn công từ bên ngoài và không có cuộc chiến tranh nào giữa các nước lớn trên thế giới kể từ năm 1945. Hãy hy vọng là sẽ không có cái nào cả.
Thế giới nguyên tử kỳ diệu đến mức để hiểu được nó đòi hỏi phải có sự phá vỡ triệt để những khái niệm thông thường về không gian và thời gian. Các nguyên tử nhỏ đến mức nếu một giọt nước có thể được phóng to bằng kích thước của Trái đất thì mỗi nguyên tử trong giọt đó sẽ nhỏ hơn một quả cam. Trên thực tế, một giọt nước bao gồm 6000 tỷ tỷ (60000000000000000000000) nguyên tử hydro và oxy. Chưa hết, mặc dù có kích thước cực nhỏ nhưng nguyên tử lại có cấu trúc ở một mức độ nào đó tương tự như cấu trúc của hệ mặt trời của chúng ta. Ở trung tâm nhỏ đến mức khó hiểu của nó, có bán kính chưa đến một phần nghìn tỷ cm, có một “mặt trời” tương đối lớn - hạt nhân của nguyên tử.
Những “hành tinh” nhỏ bé - các electron - xoay quanh “mặt trời” nguyên tử này. Hạt nhân bao gồm hai khối xây dựng chính của Vũ trụ - proton và neutron (chúng có tên thống nhất - nucleon). Electron và proton đều là các hạt tích điện và lượng điện tích trong mỗi hạt là hoàn toàn giống nhau, nhưng các điện tích khác nhau về dấu: proton luôn tích điện dương và electron luôn tích điện âm. Neutron không mang điện tích và do đó có độ thấm rất cao.
Trong phép đo ở thang đo nguyên tử, khối lượng của proton và neutron được lấy bằng đơn vị. Do đó, trọng lượng nguyên tử của bất kỳ nguyên tố hóa học nào đều phụ thuộc vào số lượng proton và neutron chứa trong hạt nhân của nó. Ví dụ, một nguyên tử hydro, với hạt nhân chỉ gồm một proton, có khối lượng nguyên tử là 1. Một nguyên tử helium, với hạt nhân gồm hai proton và hai neutron, có khối lượng nguyên tử là 4.
Hạt nhân của các nguyên tử cùng loại luôn chứa cùng số proton, nhưng số neutron có thể khác nhau. Các nguyên tử có cùng số hạt proton nhưng khác nhau về số nơtron và là những biến thể của cùng một nguyên tố được gọi là đồng vị. Để phân biệt chúng với nhau, người ta gán một số cho ký hiệu của nguyên tố bằng tổng tất cả các hạt trong hạt nhân của một đồng vị nhất định.
Câu hỏi có thể được đặt ra: tại sao hạt nhân nguyên tử không bị vỡ ra? Xét cho cùng, các proton có trong nó là những hạt tích điện có cùng điện tích nên phải đẩy nhau với một lực rất lớn. Điều này được giải thích là do bên trong hạt nhân còn có cái gọi là lực nội hạt nhân hút các hạt hạt nhân lại với nhau. Những lực này bù đắp cho lực đẩy của proton và ngăn hạt nhân tự động bay ra xa nhau.
Lực nội hạt nhân rất mạnh nhưng chỉ tác dụng ở khoảng cách rất gần. Do đó, hạt nhân của các nguyên tố nặng, gồm hàng trăm nucleon, hóa ra không ổn định. Các hạt của hạt nhân ở đây chuyển động liên tục (trong thể tích của hạt nhân) và nếu bạn thêm một lượng năng lượng bổ sung vào chúng, chúng có thể thắng nội lực - hạt nhân sẽ tách thành nhiều phần. Lượng năng lượng dư thừa này được gọi là năng lượng kích thích. Trong số các đồng vị của các nguyên tố nặng, có những đồng vị dường như sắp tự phân hủy. Chỉ cần một “cú đẩy” nhỏ là đủ, chẳng hạn như một neutron đơn giản chạm vào hạt nhân (và nó thậm chí không cần phải tăng tốc lên tốc độ cao) để phản ứng phân hạch hạt nhân xảy ra. Một số đồng vị “phân hạch” này sau đó được biết là có thể sản xuất nhân tạo. Trong tự nhiên, chỉ có một đồng vị như vậy - uranium-235.
Sao Thiên Vương được phát hiện vào năm 1783 bởi Klaproth, người đã phân lập nó từ nhựa uranium và đặt tên nó theo tên hành tinh được phát hiện gần đây là Sao Thiên Vương. Hóa ra sau này, trên thực tế, đó không phải là uranium mà là oxit của nó. Uranium tinh khiết, một kim loại màu trắng bạc, thu được
chỉ vào năm 1842 Peligo. Nguyên tố mới này không có đặc tính gì đáng chú ý và không thu hút được sự chú ý cho đến năm 1896, khi Becquerel phát hiện ra hiện tượng phóng xạ trong muối uranium. Sau đó, uranium trở thành đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm khoa học nhưng vẫn chưa có ứng dụng thực tế.
Vào phần ba đầu thế kỷ 20, khi các nhà vật lý ít nhiều hiểu được cấu trúc của hạt nhân nguyên tử, trước hết họ cố gắng thực hiện ước mơ bấy lâu nay của các nhà giả kim - họ cố gắng biến đổi nguyên tố hóa học này thành nguyên tố hóa học khác. Năm 1934, các nhà nghiên cứu người Pháp, vợ chồng Frederic và Irene Joliot-Curie, đã báo cáo với Viện Hàn lâm Khoa học Pháp về kinh nghiệm sau: khi bắn phá các tấm nhôm bằng hạt alpha (hạt nhân của nguyên tử helium), nguyên tử nhôm biến thành nguyên tử phốt pho, nhưng không phải những chất thông thường mà là những chất phóng xạ, từ đó trở thành đồng vị ổn định của silicon. Do đó, nguyên tử nhôm, sau khi thêm một proton và hai neutron, đã biến thành một nguyên tử silicon nặng hơn.
Kinh nghiệm này cho thấy rằng nếu bạn "bắn phá" hạt nhân của nguyên tố nặng nhất tồn tại trong tự nhiên - uranium - bằng neutron, bạn có thể thu được một nguyên tố không tồn tại trong điều kiện tự nhiên. Năm 1938, các nhà hóa học người Đức Otto Hahn và Fritz Strassmann đã lặp lại một cách tổng quát kinh nghiệm của vợ chồng Joliot-Curie, sử dụng uranium thay vì nhôm. Kết quả của thí nghiệm hoàn toàn không như những gì họ mong đợi - thay vì một nguyên tố siêu nặng mới có số khối lớn hơn uranium, Hahn và Strassmann đã nhận được các nguyên tố nhẹ từ phần giữa của bảng tuần hoàn: bari, krypton, brom và một số người khác. Bản thân những người thực hiện thí nghiệm cũng không thể giải thích được hiện tượng quan sát được. Chỉ năm sau, nhà vật lý Lise Meitner, người mà Hahn đã báo cáo những khó khăn của mình, đã tìm ra lời giải thích chính xác cho hiện tượng quan sát được, cho rằng khi uranium bị bắn phá bằng neutron, hạt nhân của nó sẽ tách ra (phân hạch). Trong trường hợp này, hạt nhân của các nguyên tố nhẹ hơn lẽ ra đã được hình thành (đó là nguồn gốc của bari, krypton và các chất khác), cũng như 2-3 neutron tự do lẽ ra phải được giải phóng. Nghiên cứu sâu hơn giúp có thể làm rõ một cách chi tiết bức tranh về những gì đang xảy ra.
Uranium tự nhiên bao gồm hỗn hợp ba đồng vị có khối lượng 238, 234 và 235. Lượng uranium chính là đồng vị-238, hạt nhân của chúng gồm 92 proton và 146 neutron. Uranium-235 chỉ bằng 1/140 uranium tự nhiên (0,7% (nó có 92 proton và 143 neutron trong hạt nhân) và uranium-234 (92 proton, 142 neutron) chỉ bằng 1/17500 tổng khối lượng uranium ( 0,006%. Đồng vị kém ổn định nhất là uranium-235.
Đôi khi, hạt nhân nguyên tử của nó tự động phân chia thành các phần, kết quả là các nguyên tố nhẹ hơn trong bảng tuần hoàn được hình thành. Quá trình này đi kèm với việc giải phóng hai hoặc ba neutron tự do, lao tới với tốc độ cực lớn - khoảng 10 nghìn km/s (chúng được gọi là neutron nhanh). Những neutron này có thể va chạm với các hạt nhân uranium khác, gây ra phản ứng hạt nhân. Mỗi đồng vị hành xử khác nhau trong trường hợp này. Hạt nhân Uranium-238 trong hầu hết các trường hợp chỉ đơn giản là bắt giữ các neutron này mà không cần bất kỳ sự biến đổi nào nữa. Nhưng khoảng một trong năm trường hợp, khi một neutron nhanh va chạm với hạt nhân của đồng vị-238, một phản ứng hạt nhân kỳ lạ xảy ra: một trong các neutron của uranium-238 phát ra một electron, biến thành proton, nghĩa là đồng vị uranium biến thành nhiều hơn
nguyên tố nặng - neptunium-239 (93 proton + 146 neutron). Nhưng neptunium không ổn định - sau vài phút, một trong các neutron của nó phát ra electron, biến thành proton, sau đó đồng vị neptunium biến thành nguyên tố tiếp theo trong bảng tuần hoàn - plutonium-239 (94 proton + 145 neutron). Nếu một neutron chạm vào hạt nhân của uranium-235 không ổn định, thì quá trình phân hạch ngay lập tức xảy ra - các nguyên tử phân rã và phát ra hai hoặc ba neutron. Rõ ràng là trong uranium tự nhiên, hầu hết các nguyên tử thuộc về đồng vị 238, phản ứng này không gây ra hậu quả rõ ràng - tất cả neutron tự do cuối cùng sẽ bị đồng vị này hấp thụ.
Chà, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta tưởng tượng một mảnh uranium khá lớn bao gồm toàn bộ đồng vị-235?
Ở đây, quá trình sẽ diễn ra khác đi: các neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch của một số hạt nhân, lần lượt chạm vào các hạt nhân lân cận, gây ra sự phân hạch của chúng. Kết quả là một phần neutron mới được giải phóng, làm phân chia các hạt nhân tiếp theo. Trong điều kiện thuận lợi, phản ứng này diễn ra giống như một trận tuyết lở và được gọi là phản ứng dây chuyền. Để bắt đầu, một vài hạt bắn phá có thể là đủ.
Thật vậy, hãy để uranium-235 bị bắn phá chỉ bằng 100 neutron. Họ sẽ tách 100 hạt nhân uranium. Trong trường hợp này, 250 neutron mới thuộc thế hệ thứ hai sẽ được giải phóng (trung bình 2,5 mỗi lần phân hạch). Các neutron thế hệ thứ hai sẽ tạo ra 250 phân hạch, sẽ giải phóng 625 neutron. Ở thế hệ tiếp theo, nó sẽ trở thành 1562, rồi 3906, rồi 9670, v.v. Số lượng các bộ phận sẽ tăng vô hạn nếu quá trình này không dừng lại.
Tuy nhiên, trên thực tế chỉ có một phần nhỏ neutron chạm tới hạt nhân nguyên tử. Những người còn lại nhanh chóng lao vào giữa họ và bị cuốn vào không gian xung quanh. Một phản ứng dây chuyền tự duy trì chỉ có thể xảy ra với một lượng uranium-235 đủ lớn, được cho là có khối lượng tới hạn. (Khối lượng này trong điều kiện bình thường là 50 kg.) Điều quan trọng cần lưu ý là sự phân hạch của mỗi hạt nhân đi kèm với sự giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, hóa ra gấp khoảng 300 triệu lần năng lượng tiêu tốn cho quá trình phân hạch. ! (Người ta ước tính rằng sự phân hạch hoàn toàn của 1 kg uranium-235 sẽ giải phóng lượng nhiệt tương đương với quá trình đốt cháy 3 nghìn tấn than.)
Vụ nổ năng lượng khổng lồ này, được giải phóng trong giây lát, biểu hiện dưới dạng vụ nổ của lực lượng khủng khiếp và là nền tảng cho hoạt động của vũ khí hạt nhân. Nhưng để loại vũ khí này trở thành hiện thực, điều cần thiết là điện tích không phải bao gồm uranium tự nhiên mà là một đồng vị hiếm - 235 (uranium như vậy được gọi là đã được làm giàu). Sau đó người ta phát hiện ra rằng plutonium tinh khiết cũng là một vật liệu phân hạch và có thể được sử dụng trong điện tích nguyên tử thay vì uranium-235.
Tất cả những khám phá quan trọng này đều được thực hiện vào đêm trước Thế chiến thứ hai. Chẳng bao lâu, công việc bí mật chế tạo bom nguyên tử bắt đầu ở Đức và các nước khác. Ở Mỹ, vấn đề này đã được giải quyết vào năm 1941. Toàn bộ tổ hợp công trình được đặt tên là “Dự án Manhattan”.
Việc quản lý hành chính của dự án do General Groves thực hiện và việc quản lý khoa học do giáo sư Robert Oppenheimer của Đại học California thực hiện. Cả hai đều nhận thức rõ sự phức tạp to lớn của nhiệm vụ mà họ phải đối mặt. Vì vậy, mối quan tâm đầu tiên của Oppenheimer là tuyển dụng một đội ngũ khoa học cực kỳ thông minh. Ở Mỹ thời đó có nhiều nhà vật lý di cư từ Đức Quốc xã. Thật không dễ dàng để thu hút họ chế tạo vũ khí chống lại quê hương cũ của họ. Oppenheimer đích thân nói chuyện với mọi người, sử dụng tất cả sức mạnh quyến rũ của mình. Chẳng bao lâu sau, ông đã tập hợp được một nhóm nhỏ các nhà lý thuyết mà ông gọi đùa là “những nhà lý thuyết sáng giá”. Và trên thực tế, nó bao gồm những chuyên gia vĩ đại nhất thời bấy giờ trong lĩnh vực vật lý và hóa học. (Trong số đó có 13 người đoạt giải Nobel, trong đó có Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Ngoài họ, còn có nhiều chuyên gia khác thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau.
Chính phủ Hoa Kỳ đã không tiết kiệm chi phí và công việc đã diễn ra trên quy mô lớn ngay từ đầu. Năm 1942, phòng thí nghiệm nghiên cứu lớn nhất thế giới được thành lập tại Los Alamos. Dân số của thành phố khoa học này sớm lên tới 9 nghìn người. Xét về thành phần các nhà khoa học, phạm vi thí nghiệm khoa học cũng như số lượng chuyên gia và công nhân tham gia vào công việc, phòng thí nghiệm Los Alamos không có phòng thí nghiệm nào sánh bằng trong lịch sử thế giới. Dự án Manhattan có lực lượng cảnh sát, phản gián, hệ thống thông tin liên lạc, nhà kho, làng mạc, nhà máy, phòng thí nghiệm riêng và ngân sách khổng lồ của riêng mình.
Mục tiêu chính của dự án là thu được đủ vật liệu phân hạch để có thể tạo ra một số quả bom nguyên tử. Ngoài uranium-235, lượng điện tích của quả bom, như đã đề cập, có thể là nguyên tố nhân tạo plutonium-239, nghĩa là quả bom có thể là uranium hoặc plutonium.
Groves và Oppenheimer đồng ý rằng công việc nên được tiến hành đồng thời theo hai hướng, vì không thể quyết định trước xem hướng nào trong số đó sẽ hứa hẹn hơn. Cả hai phương pháp đều khác nhau về cơ bản: việc tích lũy uranium-235 phải được thực hiện bằng cách tách nó ra khỏi phần lớn uranium tự nhiên, và plutonium chỉ có thể thu được từ phản ứng hạt nhân có kiểm soát khi uranium-238 được chiếu xạ. với neutron. Cả hai con đường đều có vẻ khó khăn một cách bất thường và không hứa hẹn những giải pháp dễ dàng.
Trên thực tế, làm thế nào người ta có thể tách hai đồng vị chỉ khác nhau một chút về trọng lượng và có đặc tính hóa học giống hệt nhau? Cả khoa học và công nghệ đều chưa từng gặp phải vấn đề như vậy. Việc sản xuất plutonium lúc đầu cũng có vẻ gặp nhiều vấn đề. Trước đó, toàn bộ trải nghiệm về sự biến đổi hạt nhân chỉ giới hạn ở một vài thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Bây giờ họ phải thành thạo việc sản xuất kg plutonium ở quy mô công nghiệp, phát triển và tạo ra một hệ thống lắp đặt đặc biệt cho việc này - một lò phản ứng hạt nhân và học cách kiểm soát quá trình phản ứng hạt nhân.
Cả ở đó và ở đây, toàn bộ những vấn đề phức tạp phải được giải quyết. Vì vậy, Dự án Manhattan bao gồm một số tiểu dự án, do các nhà khoa học nổi tiếng đứng đầu. Bản thân Oppenheimer là người đứng đầu Phòng thí nghiệm khoa học Los Alamos. Lawrence phụ trách Phòng thí nghiệm Bức xạ tại Đại học California. Fermi đã tiến hành nghiên cứu tại Đại học Chicago để tạo ra lò phản ứng hạt nhân.
Lúc đầu, vấn đề quan trọng nhất là thu được uranium. Trước chiến tranh, kim loại này hầu như không được sử dụng. Bây giờ cần ngay lập tức với số lượng lớn, hóa ra không có phương pháp công nghiệp nào để sản xuất nó.
Công ty Westinghouse bắt đầu phát triển và nhanh chóng đạt được thành công. Sau khi tinh chế nhựa uranium (uranium xuất hiện trong tự nhiên ở dạng này) và thu được oxit uranium, nó được chuyển thành tetraflorua (UF4), từ đó kim loại uranium được tách ra bằng điện phân. Nếu vào cuối năm 1941, các nhà khoa học Mỹ chỉ có sẵn vài gram kim loại uranium, thì vào tháng 11 năm 1942, sản lượng công nghiệp của họ tại các nhà máy Westinghouse đã đạt tới 6.000 pound mỗi tháng.
Đồng thời, công việc đang được tiến hành để tạo ra một lò phản ứng hạt nhân. Quá trình sản xuất plutonium thực sự được thực hiện bằng cách chiếu xạ các thanh uranium bằng neutron, kết quả là một phần của uranium-238 sẽ biến thành plutonium. Nguồn neutron trong trường hợp này có thể là các nguyên tử phân hạch của uranium-235, được phân tán với số lượng vừa đủ giữa các nguyên tử của uranium-238. Nhưng để duy trì việc sản xuất neutron liên tục, một phản ứng phân hạch dây chuyền của các nguyên tử uranium-235 phải bắt đầu. Trong khi đó, như đã đề cập, cứ mỗi nguyên tử uranium-235 lại có 140 nguyên tử uranium-238. Rõ ràng là các neutron tán xạ theo mọi hướng có xác suất gặp chúng trên đường đi cao hơn nhiều. Nghĩa là, một số lượng lớn neutron được giải phóng hóa ra lại bị đồng vị chính hấp thụ mà không mang lại lợi ích gì. Rõ ràng, trong những điều kiện như vậy, phản ứng dây chuyền không thể xảy ra. Làm thế nào điều này có thể được?
Lúc đầu, có vẻ như nếu không tách hai đồng vị, hoạt động của lò phản ứng nhìn chung là không thể, nhưng một tình huống quan trọng đã sớm được xác định: hóa ra uranium-235 và uranium-238 dễ bị ảnh hưởng bởi neutron có năng lượng khác nhau. Hạt nhân của nguyên tử uranium-235 có thể bị phân tách bởi một neutron có năng lượng tương đối thấp, có tốc độ khoảng 22 m/s. Những neutron chậm như vậy không bị hạt nhân uranium-238 bắt giữ - để làm được điều này, chúng phải có tốc độ hàng trăm nghìn mét mỗi giây. Nói cách khác, uranium-238 không có khả năng ngăn chặn sự khởi đầu và tiến triển của phản ứng dây chuyền trong uranium-235 do neutron bị làm chậm lại ở tốc độ cực thấp - không quá 22 m/s. Hiện tượng này được phát hiện bởi nhà vật lý người Ý Fermi, người sống ở Mỹ từ năm 1938 và dẫn đầu công trình chế tạo lò phản ứng đầu tiên tại đây. Fermi quyết định sử dụng than chì làm chất điều tiết neutron. Theo tính toán của ông, các neutron phát ra từ uranium-235, khi đi qua lớp than chì dày 40 cm, lẽ ra phải giảm tốc độ của chúng xuống 22 m/s và bắt đầu phản ứng dây chuyền tự duy trì ở uranium-235.
Một chất điều tiết khác có thể được gọi là nước “nặng”. Vì các nguyên tử hydro có trong nó có kích thước và khối lượng rất giống với neutron nên chúng có thể làm chúng chậm lại một cách tốt nhất. (Với neutron nhanh, điều tương tự cũng xảy ra như với quả bóng: nếu một quả bóng nhỏ chạm vào một quả bóng lớn, nó sẽ lăn trở lại, gần như không mất tốc độ, nhưng khi gặp một quả bóng nhỏ, nó sẽ truyền một phần năng lượng đáng kể cho quả bóng đó. - giống như cách một neutron trong một va chạm đàn hồi bật ra khỏi một hạt nhân nặng, chỉ chậm lại một chút và khi va chạm với hạt nhân của các nguyên tử hydro, nó sẽ mất hết năng lượng rất nhanh.) Tuy nhiên, nước thông thường không thích hợp để làm chậm lại xuống vì hydro của nó có xu hướng hấp thụ neutron. Đó là lý do tại sao deuterium, một phần của nước “nặng”, nên được sử dụng cho mục đích này.
Đầu năm 1942, dưới sự lãnh đạo của Fermi, việc xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trong lịch sử bắt đầu ở khu vực sân tennis dưới khán đài phía tây của Sân vận động Chicago. Các nhà khoa học đã tự mình thực hiện tất cả công việc. Phản ứng có thể được kiểm soát theo cách duy nhất - bằng cách điều chỉnh số lượng neutron tham gia phản ứng dây chuyền. Fermi dự định đạt được điều này bằng cách sử dụng các thanh làm từ các chất như boron và cadmium, những chất hấp thụ mạnh neutron. Chất điều tiết là gạch than chì, từ đó các nhà vật lý đã xây dựng các cột cao 3 m và rộng 1,2 m. Các khối hình chữ nhật chứa oxit uranium được lắp đặt giữa chúng. Toàn bộ cấu trúc cần khoảng 46 tấn uranium oxit và 385 tấn than chì. Để làm chậm phản ứng, các thanh cadmium và boron được đưa vào lò phản ứng.
Nếu điều này vẫn chưa đủ, thì để bảo hiểm, hai nhà khoa học đứng trên một bệ đặt phía trên lò phản ứng với những thùng chứa đầy dung dịch muối cadmium - họ phải đổ chúng lên lò phản ứng nếu phản ứng vượt quá tầm kiểm soát. May mắn thay, điều này là không cần thiết. Vào ngày 2 tháng 12 năm 1942, Fermi ra lệnh kéo dài tất cả các thanh điều khiển và thí nghiệm bắt đầu. Sau bốn phút, máy đếm neutron bắt đầu nhấp nháy ngày càng to hơn. Mỗi phút cường độ của dòng neutron càng lớn hơn. Điều này cho thấy một phản ứng dây chuyền đang diễn ra trong lò phản ứng. Nó kéo dài trong 28 phút. Sau đó Fermi đưa ra tín hiệu và các thanh được hạ xuống sẽ dừng quá trình này. Như vậy, lần đầu tiên con người đã giải phóng năng lượng của hạt nhân nguyên tử và chứng tỏ rằng mình có thể điều khiển nó theo ý muốn. Giờ đây không còn nghi ngờ gì nữa rằng vũ khí hạt nhân là có thật.
Năm 1943, lò phản ứng Fermi được tháo dỡ và vận chuyển đến Phòng thí nghiệm quốc gia Aragonese (cách Chicago 50 km). Đã ở đây sớm
Một lò phản ứng hạt nhân khác được xây dựng trong đó nước nặng được sử dụng làm chất điều tiết. Nó bao gồm một thùng nhôm hình trụ chứa 6,5 tấn nước nặng, trong đó có 120 thanh kim loại uranium được nhúng thẳng đứng, được bọc trong một lớp vỏ nhôm. Bảy thanh điều khiển được làm bằng cadmium. Xung quanh bể có một tấm phản xạ than chì, sau đó là một màn chắn làm bằng hợp kim chì và cadmium. Toàn bộ công trình được bao bọc trong một lớp vỏ bê tông với độ dày thành khoảng 2,5 m.
Các thí nghiệm tại các lò phản ứng thí điểm này đã xác nhận khả năng sản xuất plutonium trong công nghiệp.
Trung tâm chính của Dự án Manhattan nhanh chóng trở thành thị trấn Oak Ridge ở Thung lũng sông Tennessee, nơi dân số tăng lên 79 nghìn người trong vài tháng. Tại đây, nhà máy sản xuất uranium làm giàu đầu tiên trong lịch sử đã được xây dựng trong thời gian ngắn. Một lò phản ứng công nghiệp sản xuất plutonium đã được đưa vào hoạt động tại đây vào năm 1943. Vào tháng 2 năm 1944, khoảng 300 kg uranium đã được chiết xuất từ nó mỗi ngày, từ bề mặt của plutonium thu được bằng cách tách hóa học. (Để làm được điều này, plutonium trước tiên phải được hòa tan và sau đó được kết tủa.) Uranium đã tinh chế sau đó được đưa trở lại lò phản ứng. Cùng năm đó, việc xây dựng nhà máy Hanford khổng lồ được bắt đầu ở sa mạc cằn cỗi, ảm đạm ở bờ nam sông Columbia. Ba lò phản ứng hạt nhân mạnh mẽ được đặt ở đây, sản xuất vài trăm gam plutonium mỗi ngày.
Song song đó, nghiên cứu cũng đang được tiến hành tích cực để phát triển một quy trình công nghiệp làm giàu uranium.
Sau khi xem xét nhiều lựa chọn khác nhau, Groves và Oppenheimer quyết định tập trung nỗ lực vào hai phương pháp: khuếch tán khí và điện từ.
Phương pháp khuếch tán khí dựa trên một nguyên lý được gọi là định luật Graham (nó được nhà hóa học người Scotland Thomas Graham đưa ra lần đầu tiên vào năm 1829 và được phát triển vào năm 1896 bởi nhà vật lý người Anh Reilly). Theo định luật này, nếu hai khí, một khí nhẹ hơn khí kia, được đưa qua một bộ lọc có lỗ nhỏ không đáng kể thì lượng khí nhẹ sẽ đi qua nó nhiều hơn khí nặng một chút. Vào tháng 11 năm 1942, Urey và Dunning từ Đại học Columbia đã tạo ra một phương pháp khuếch tán khí để tách các đồng vị uranium dựa trên phương pháp Reilly.
Vì uranium tự nhiên là chất rắn nên lần đầu tiên nó được chuyển đổi thành uranium florua (UF6). Khí này sau đó được đưa qua các lỗ cực nhỏ - ở mức một phần nghìn milimet - trên vách ngăn bộ lọc.
Vì sự khác biệt về trọng lượng mol của các khí rất nhỏ nên đằng sau vách ngăn hàm lượng uranium-235 chỉ tăng 1,0002 lần.
Để tăng lượng uranium-235 hơn nữa, hỗn hợp thu được lại được đưa qua một vách ngăn và lượng uranium lại tăng lên 1,0002 lần. Vì vậy, để tăng hàm lượng uranium-235 lên 99%, cần phải cho khí đi qua 4000 bộ lọc. Điều này diễn ra tại một nhà máy khuếch tán khí khổng lồ ở Oak Ridge.
Năm 1940, dưới sự lãnh đạo của Ernest Lawrence, nghiên cứu bắt đầu tách các đồng vị uranium bằng phương pháp điện từ tại Đại học California. Cần phải tìm ra các quá trình vật lý cho phép tách các đồng vị bằng cách sử dụng sự chênh lệch khối lượng của chúng. Lawrence đã cố gắng tách các đồng vị bằng nguyên lý của máy quang phổ khối, một công cụ dùng để xác định khối lượng nguyên tử.
Nguyên lý hoạt động của nó như sau: các nguyên tử tiền ion hóa được gia tốc bởi một điện trường và sau đó truyền qua một từ trường, trong đó chúng mô tả các vòng tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với hướng của trường. Vì bán kính của những quỹ đạo này tỷ lệ thuận với khối lượng của chúng nên các ion nhẹ kết thúc ở các vòng tròn có bán kính nhỏ hơn các vòng tròn nặng. Nếu bẫy được đặt dọc theo đường đi của các nguyên tử thì các đồng vị khác nhau có thể được thu thập riêng biệt theo cách này.
Đó là phương pháp. Trong điều kiện phòng thí nghiệm nó đã cho kết quả tốt. Nhưng việc xây dựng một cơ sở có thể tiến hành tách đồng vị ở quy mô công nghiệp tỏ ra vô cùng khó khăn. Tuy nhiên, cuối cùng Lawrence đã vượt qua được mọi khó khăn. Kết quả của những nỗ lực của ông là sự xuất hiện của calutron, được lắp đặt trong một nhà máy khổng lồ ở Oak Ridge.
Nhà máy điện từ này được xây dựng vào năm 1943 và có lẽ là sản phẩm trí tuệ đắt giá nhất của Dự án Manhattan. Phương pháp của Lawrence yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị phức tạp, chưa được phát triển liên quan đến điện áp cao, độ chân không cao và từ trường mạnh. Quy mô của chi phí hóa ra là rất lớn. Calutron có một nam châm điện khổng lồ, chiều dài của nó đạt tới 75 m và nặng khoảng 4000 tấn.
Hàng nghìn tấn dây bạc đã được sử dụng làm cuộn dây cho nam châm điện này.
Toàn bộ công trình (không tính kinh phí 300 triệu USD bạc mà Kho bạc Nhà nước chỉ cung cấp tạm thời) có giá 400 triệu USD. Bộ Quốc phòng đã trả 10 triệu cho riêng lượng điện tiêu thụ của calutron. Phần lớn thiết bị tại nhà máy Oak Ridge có quy mô và độ chính xác vượt trội so với bất kỳ thiết bị nào từng được phát triển trong lĩnh vực công nghệ này.
Nhưng tất cả những chi phí này không phải là vô ích. Sau khi chi tổng cộng khoảng 2 tỷ đô la, đến năm 1944, các nhà khoa học Mỹ đã tạo ra một công nghệ độc đáo để làm giàu uranium và sản xuất plutonium. Trong khi đó, tại phòng thí nghiệm Los Alamos, họ đang nghiên cứu thiết kế quả bom. Nguyên tắc hoạt động của nó, nói chung, đã rõ ràng từ lâu: chất phân hạch (plutonium hoặc uranium-235) phải được chuyển sang trạng thái tới hạn tại thời điểm vụ nổ (để xảy ra phản ứng dây chuyền, khối lượng của điện tích thậm chí phải lớn hơn đáng kể so với khối lượng tới hạn) và được chiếu xạ bằng một chùm neutron, dẫn đến sự khởi đầu của một phản ứng dây chuyền.
Theo tính toán, khối lượng tới hạn của điện tích vượt quá 50 kg, nhưng họ đã giảm được đáng kể. Nói chung, giá trị của khối lượng tới hạn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi một số yếu tố. Diện tích bề mặt của điện tích càng lớn thì càng có nhiều neutron được phát ra một cách vô ích vào không gian xung quanh. Một hình cầu có diện tích bề mặt nhỏ nhất. Do đó, điện tích hình cầu, những thứ khác bằng nhau, có khối lượng tới hạn nhỏ nhất. Ngoài ra, giá trị của khối lượng tới hạn còn phụ thuộc vào độ tinh khiết và loại vật liệu phân hạch. Nó tỷ lệ nghịch với bình phương mật độ của vật liệu này, ví dụ, cho phép tăng gấp đôi mật độ, giảm khối lượng tới hạn bốn lần. Ví dụ, mức độ dưới tới hạn cần thiết có thể đạt được bằng cách nén vật liệu phân hạch do vụ nổ điện tích của chất nổ thông thường được chế tạo dưới dạng vỏ hình cầu bao quanh điện tích hạt nhân. Khối lượng tới hạn cũng có thể giảm đi bằng cách bao quanh điện tích bằng một màn phản xạ tốt neutron. Chì, berili, vonfram, uranium tự nhiên, sắt và nhiều loại khác có thể được sử dụng làm màn hình như vậy.
Một thiết kế khả thi của bom nguyên tử bao gồm hai mảnh uranium, khi kết hợp lại sẽ tạo thành một khối lượng lớn hơn tới hạn. Để gây ra một vụ nổ bom, bạn cần phải đưa chúng lại gần nhau càng nhanh càng tốt. Phương pháp thứ hai dựa trên việc sử dụng vụ nổ hội tụ hướng vào trong. Trong trường hợp này, một dòng khí từ chất nổ thông thường hướng vào vật liệu phân hạch nằm bên trong và nén nó cho đến khi đạt khối lượng tới hạn. Sự kết hợp của điện tích và chiếu xạ mạnh nó với neutron, như đã đề cập, sẽ gây ra phản ứng dây chuyền, do đó trong giây đầu tiên nhiệt độ tăng lên 1 triệu độ. Trong thời gian này, chỉ có khoảng 5% khối lượng tới hạn có thể tách ra được. Phần điện tích còn lại trong các thiết kế bom ban đầu bốc hơi mà không
bất kỳ lợi ích nào.
Quả bom nguyên tử đầu tiên trong lịch sử (được đặt tên là Trinity) được lắp ráp vào mùa hè năm 1945. Và vào ngày 16/6/1945, vụ nổ nguyên tử đầu tiên trên Trái đất được thực hiện tại bãi thử hạt nhân ở sa mạc Alamogordo (New Mexico). Quả bom được đặt ở trung tâm bãi thử, trên đỉnh tháp thép cao 30m. Thiết bị ghi âm được đặt xung quanh nó ở một khoảng cách rất xa. Cách đó 9 km có một trạm quan sát và một trạm chỉ huy cách đó 16 km. Vụ nổ nguyên tử đã gây ấn tượng mạnh mẽ đối với tất cả những người chứng kiến sự kiện này. Theo mô tả của các nhân chứng, có cảm giác như nhiều mặt trời đã hợp nhất thành một và chiếu sáng địa điểm thử nghiệm cùng một lúc. Sau đó, một quả cầu lửa khổng lồ xuất hiện trên đồng bằng và một đám mây bụi và ánh sáng tròn bắt đầu bay về phía nó một cách chậm rãi và đáng ngại.
Cất cánh từ mặt đất, quả cầu lửa này bay lên độ cao hơn ba km trong vài giây. Với mỗi khoảnh khắc, nó tăng kích thước, chẳng bao lâu sau đường kính của nó đạt tới 1,5 km và từ từ bay lên tầng bình lưu. Sau đó, quả cầu lửa nhường chỗ cho một cột khói cuồn cuộn kéo dài tới độ cao 12 km, có hình dạng một cây nấm khổng lồ. Tất cả những điều này đi kèm với một tiếng gầm khủng khiếp khiến mặt đất rung chuyển. Sức mạnh của quả bom phát nổ vượt quá mọi sự mong đợi.
Ngay khi tình hình bức xạ cho phép, một số xe tăng Sherman được lót các tấm chì bên trong đã lao tới khu vực xảy ra vụ nổ. Một trong số họ là Fermi, người đang háo hức muốn xem kết quả công việc của mình. Thứ hiện ra trước mắt anh là một vùng đất chết chóc, thiêu đốt, trên đó mọi sinh vật sống đã bị tiêu diệt trong bán kính 1,5 km. Cát đã nướng thành một lớp vỏ màu xanh thủy tinh bao phủ mặt đất. Trong một miệng núi lửa khổng lồ là tàn tích của một tháp đỡ bằng thép. Sức mạnh của vụ nổ ước tính khoảng 20.000 tấn thuốc nổ TNT.
Bước tiếp theo là sử dụng bom trong chiến đấu chống lại Nhật Bản, quốc gia sau khi Đức Quốc xã đầu hàng, một mình tiếp tục cuộc chiến với Hoa Kỳ và các đồng minh. Lúc đó chưa có phương tiện phóng nên việc ném bom phải được thực hiện từ máy bay. Các thành phần của hai quả bom được tàu tuần dương Indianapolis vận chuyển hết sức cẩn thận đến đảo Tinian, nơi đóng quân của Tập đoàn Không quân Liên hợp số 509. Những quả bom này có phần khác nhau về loại điện tích và thiết kế.
Quả bom đầu tiên, “Baby,” là một quả bom bay cỡ lớn với điện tích nguyên tử được làm từ uranium-235 được làm giàu ở mức độ cao. Chiều dài của nó khoảng 3 m, đường kính - 62 cm, trọng lượng - 4,1 tấn.
Quả bom thứ hai - "Fat Man" - mang điện tích plutonium-239 có hình quả trứng với bộ ổn định lớn. chiều dài của nó
dài 3,2 m, đường kính 1,5 m, nặng 4,5 tấn.
Vào ngày 6 tháng 8, máy bay ném bom B-29 Enola Gay của Đại tá Tibbets đã thả "Little Boy" xuống thành phố lớn Hiroshima của Nhật Bản. Quả bom được hạ xuống bằng dù và phát nổ đúng như kế hoạch ở độ cao 600 m so với mặt đất.
Hậu quả của vụ nổ thật khủng khiếp. Ngay cả đối với bản thân các phi công, cảnh tượng một thành phố yên bình bị họ phá hủy trong chốc lát cũng gây ấn tượng buồn bã. Sau đó, một người trong số họ thừa nhận rằng vào giây phút đó họ đã nhìn thấy điều tồi tệ nhất mà một người có thể nhìn thấy.
Đối với những người sống trên trái đất, những gì đang xảy ra giống như địa ngục thực sự. Trước hết, một đợt nắng nóng đi qua Hiroshima. Tác dụng của nó chỉ kéo dài trong chốc lát nhưng mạnh đến mức làm tan chảy cả gạch ngói và tinh thể thạch anh trong các tấm đá granit, biến các cột điện thoại ở khoảng cách 4 km thành than và cuối cùng thiêu hủy cơ thể con người đến mức chỉ còn lại bóng tối. trên nhựa đường của vỉa hè hoặc trên tường nhà. Sau đó, một cơn gió khủng khiếp bùng phát từ dưới quả cầu lửa và lao qua thành phố với tốc độ 800 km/h, phá hủy mọi thứ trên đường đi của nó. Những ngôi nhà không chịu nổi sự tấn công dữ dội của hắn đã sụp đổ như bị đánh sập. Không còn một tòa nhà nguyên vẹn nào trong vòng tròn khổng lồ có đường kính 4 km. Vài phút sau vụ nổ, mưa phóng xạ màu đen rơi xuống thành phố - hơi ẩm này biến thành hơi nước ngưng tụ ở các tầng cao của khí quyển và rơi xuống đất dưới dạng những giọt lớn trộn lẫn với bụi phóng xạ.
Sau cơn mưa, một cơn gió mới ập vào thành phố, lần này thổi theo hướng tâm chấn. Nó yếu hơn lần đầu nhưng vẫn đủ mạnh để bật gốc cây. Gió thổi bùng lên một ngọn lửa khổng lồ, trong đó mọi thứ có thể cháy đều cháy rụi. Trong số 76 nghìn tòa nhà, 55 nghìn tòa nhà đã bị phá hủy và đốt cháy hoàn toàn. Những người chứng kiến thảm họa khủng khiếp này đã nhớ lại những người cầm đuốc, những người mặc quần áo cháy rụi rơi xuống đất cùng với những mảnh da rách rưới, và đám đông người điên loạn, người đầy vết bỏng khủng khiếp, lao ra la hét trên đường phố. Trong không khí tràn ngập mùi hôi thối ngột ngạt của thịt người cháy. Khắp nơi đều có người nằm, chết và hấp hối. Có rất nhiều người bị mù, điếc và dò xét mọi hướng nhưng không thể phát hiện ra bất cứ điều gì trong sự hỗn loạn đang ngự trị xung quanh họ.
Những người không may mắn, nằm ở khoảng cách lên tới 800 m tính từ tâm chấn, đã bị thiêu rụi trong tích tắc theo đúng nghĩa đen - bên trong họ bốc hơi và cơ thể họ biến thành những cục than bốc khói. Những người ở cách tâm chấn 1 km bị ảnh hưởng bởi bệnh phóng xạ ở mức cực kỳ nghiêm trọng. Trong vòng vài giờ, họ bắt đầu nôn mửa dữ dội, nhiệt độ tăng lên 39-40 độ và bắt đầu khó thở và chảy máu. Sau đó, những vết loét không lành xuất hiện trên da, thành phần của máu thay đổi đáng kể và tóc rụng. Sau sự đau khổ khủng khiếp, thường vào ngày thứ hai hoặc thứ ba, cái chết xảy ra.
Tổng cộng có khoảng 240 nghìn người chết vì vụ nổ và bệnh phóng xạ. Khoảng 160 nghìn người bị bệnh phóng xạ ở dạng nhẹ hơn - cái chết đau đớn của họ bị trì hoãn vài tháng hoặc vài năm. Khi tin tức về thảm họa lan truyền khắp đất nước, cả nước Nhật tê liệt vì sợ hãi. Nó càng tăng thêm sau khi chiếc Box Car của Thiếu tá Sweeney thả quả bom thứ hai xuống Nagasaki vào ngày 9 tháng 8. Hàng trăm nghìn cư dân cũng thiệt mạng và bị thương ở đây. Không thể chống lại vũ khí mới, chính phủ Nhật Bản đầu hàng - bom nguyên tử đã kết thúc Thế chiến thứ hai.
Chiến tranh đã kết thúc. Nó chỉ kéo dài sáu năm nhưng đã thay đổi được thế giới và con người đến mức gần như không thể nhận ra.
Nền văn minh nhân loại trước năm 1939 và nền văn minh nhân loại sau năm 1945 có sự khác biệt rõ rệt với nhau. Có nhiều lý do giải thích cho điều này, nhưng một trong những lý do quan trọng nhất là sự xuất hiện của vũ khí hạt nhân. Có thể nói không ngoa rằng cái bóng của Hiroshima đã bao trùm suốt nửa sau thế kỷ 20. Nó đã trở thành một vết bỏng đạo đức sâu sắc đối với hàng triệu người, cả những người cùng thời với thảm họa này và những người sinh ra nhiều thập kỷ sau đó. Con người hiện đại không còn có thể nghĩ về thế giới theo cách họ đã nghĩ trước ngày 6 tháng 8 năm 1945 - anh ta hiểu quá rõ ràng rằng thế giới này có thể biến thành hư vô trong chốc lát.
Con người hiện đại không thể nhìn chiến tranh theo cách mà ông nội và ông cố của mình đã làm - anh ta biết chắc chắn rằng cuộc chiến này sẽ là cuộc chiến cuối cùng, và sẽ không có người thắng cũng như kẻ thua trong đó. Vũ khí hạt nhân đã để lại dấu ấn trên mọi lĩnh vực của đời sống công cộng, và nền văn minh hiện đại không thể tồn tại theo những quy luật như sáu mươi hay tám mươi năm trước. Không ai hiểu điều này rõ hơn chính những người tạo ra bom nguyên tử.
"Con người trên hành tinh của chúng ta , Robert Oppenheimer đã viết, phải đoàn kết. Nỗi kinh hoàng và sự tàn phá do cuộc chiến vừa qua gieo rắc đã khiến chúng tôi phải suy nghĩ như vậy. Những vụ nổ bom nguyên tử đã chứng minh điều đó một cách hết sức tàn khốc. Những người khác vào những thời điểm khác cũng đã nói những lời tương tự - chỉ về các loại vũ khí khác và về các cuộc chiến khác. Họ đã không thành công. Nhưng bất cứ ai ngày nay cho rằng những lời này là vô ích sẽ bị những thăng trầm của lịch sử đánh lừa. Chúng ta không thể bị thuyết phục về điều này. Kết quả công việc của chúng tôi khiến nhân loại không còn lựa chọn nào khác ngoài việc tạo ra một thế giới thống nhất. Một thế giới dựa trên luật pháp và nhân loại."