Am nächsten Jahrestag von Badabum auf Hiroshima und Nagasaki beschloss ich, das Internet nach Fragen zu Atomwaffen abzusuchen, wo warum und wie es hergestellt wurde, war für mich von geringem Interesse (ich wusste es bereits) - ich war mehr daran interessiert, wie 2 Stück Plutonium nicht schmelzen, sondern eine große Breite bilden.
Behalten Sie die Ingenieure im Auge - sie beginnen mit einer Sämaschine und enden mit einer Atombombe.
Marcel Pagnol
Die Kernphysik ist eines der umstrittensten Gebiete der ehrwürdigen Naturwissenschaft. In dieser Gegend warf die Menschheit ein halbes Jahrhundert lang Milliarden von Dollar, Pfund, Franken und Rubel wie in den Lokomotivenofen eines späten Zuges. Jetzt scheint der Zug nicht mehr zu spät zu sein. Die lodernden Flammen brennender Gelder und Arbeitsstunden ließen nach. Versuchen wir kurz zu verstehen, was für ein Zug namens "Kernphysik" ist.
Isotope und Radioaktivität
Wie Sie wissen, besteht alles, was existiert, aus Atomen. Atome wiederum bestehen aus elektronischen Hüllen, die nach ihren umwerfenden Gesetzen leben, und einem Kern. Die klassische Chemie interessiert sich überhaupt nicht für den Kern und sein persönliches Leben. Für sie ist ein Atom seine Elektronen und ihre Fähigkeit, Wechselwirkungen auszutauschen. Und aus dem Kern der Chemie wird nur seine Masse benötigt, um die Anteile der Reagenzien zu berechnen. Die Kernphysik wiederum kümmert sich nicht sehr um Elektronen. Sie interessiert sich für einen winzigen Staubfleck (100.000 Mal kleiner als der Radius der Elektronenbahnen) in einem Atom, in dem fast die gesamte Masse konzentriert ist.
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Was wissen wir über den Kern? Ja, es besteht aus positiv geladenen Protonen und Neutronen ohne elektrische Ladung. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Der Kern besteht nicht aus einer Handvoll zweifarbiger Kugeln, wie in einer Illustration aus einem Schulbuch. Es gibt völlig unterschiedliche Gesetze, die als starke Wechselwirkung bezeichnet werden und sowohl Protonen als auch Neutronen in eine Art ununterscheidbares Durcheinander verwandeln. Die Ladung dieser Maische entspricht jedoch genau der Gesamtladung der darin enthaltenen Protonen, und die Masse - fast (ich wiederhole, fast) stimmt mit der Masse der Neutronen und Protonen überein, aus denen der Kern besteht.
Übrigens stimmt die Anzahl der Protonen eines nichtionisierten Atoms immer mit der Anzahl der Elektronen überein, die die Ehre haben, es zu umgeben. Aber mit Neutronen ist es nicht so einfach. Tatsächlich besteht die Aufgabe der Neutronen darin, den Kern zu stabilisieren, da ohne sie ähnlich geladene Protonen selbst in Mikrosekunden nicht miteinander auskommen würden.
Nehmen wir Wasserstoff für die Bestimmtheit. Der häufigste Wasserstoff. Sein Gerät ist lächerlich einfach - ein Proton, umgeben von einem umlaufenden Elektron. Wasserstoff im Universum in loser Schüttung. Wir können sagen, dass das Universum hauptsächlich aus Wasserstoff besteht.
Fügen wir nun dem Proton vorsichtig ein Neutron hinzu. Aus chemischer Sicht ist es immer noch Wasserstoff. Aber aus physikalischer Sicht nicht mehr. Nachdem die Physiker zwei verschiedene Wasserstoffatome entdeckt hatten, machten sie sich Sorgen und kamen sofort auf die Idee, gewöhnliches Wasserstoffprotium und Wasserstoff mit einem Neutron mit einem Proton - Deuterium zu nennen.
Lassen Sie uns den Nerv bekommen und dem Kern ein weiteres Neutron zuführen. Jetzt haben wir noch einen Wasserstoff, noch schwerer - Tritium. Auch hier unterscheidet es sich aus chemischer Sicht praktisch nicht von den beiden anderen Wasserstoffatomen (naja, nur dass es jetzt etwas weniger bereitwillig in die Reaktion eintritt). Ich möchte Sie sofort warnen - keine Anstrengung, Drohungen und Ermahnungen können dem Tritiumkern ein weiteres Neutron hinzufügen. Lokale Gesetze sind viel strenger als menschliche.
Protium, Deuterium und Tritium sind also Isotope von Wasserstoff. Ihre Atommasse ist unterschiedlich, ihre Ladung jedoch nicht. Aber es ist die Kernladung, die den Ort im Periodensystem der Elemente bestimmt. Deshalb wurden Isotope Isotope genannt. Aus dem Griechischen übersetzt bedeutet dies "den gleichen Platz einnehmen". Das bekannte schwere Wasser ist übrigens das gleiche Wasser, jedoch mit zwei Deuteriumatomen anstelle von Protium. Dementsprechend enthält superschweres Wasser Tritium anstelle von Protium.
Schauen wir uns noch einmal unsere Wasserstoffatome an. Also … Protium an Ort und Stelle, Deuterium an Ort und Stelle … Wer ist das noch? Wo ist mein Tritium geblieben und woher kommt Helium-3? In unserem Tritium hat eines der Neutronen es deutlich verfehlt, sich entschieden, den Beruf zu wechseln und wurde ein Proton. Dabei brachte er ein Elektron und ein Antineutrino zur Welt. Der Verlust von Tritium ist natürlich enttäuschend, aber wir wissen jetzt, dass es instabil ist. Das Füttern von Neutronen war nicht umsonst.
Wie Sie verstanden haben, sind Isotope also stabil und instabil. Es gibt viele stabile Isotope um uns herum, aber Gott sei Dank gibt es praktisch keine instabilen. Das heißt, sie existieren, aber in einem so verstreuten Zustand, dass sie auf Kosten einer Menge Arbeit beschafft werden müssen. Zum Beispiel enthält Uran-235, das Oppenheimer so viel Ärger bereitete, nur 0,7% natürlichen Urans.
Halbes Leben
Hier ist alles einfach. Die Halbwertszeit eines instabilen Isotops ist der Zeitraum, in dem genau die Hälfte der Atome des Isotops zerfällt und sich in einige andere Atome verwandelt. Das bereits bekannte Tritium hat eine Halbwertszeit von 12,32 Jahren. Es ist ein ziemlich kurzlebiges Isotop, obwohl Tritium im Vergleich zu Francium-223 mit einer Halbwertszeit von 22,3 Minuten ein graubärtiger Aksakal zu sein scheint.
Keine makroskopischen äußeren Faktoren (Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Stimmung des Forschers, Höhe der Mittel, Lage der Sterne) beeinflussen die Halbwertszeit. Die Quantenmechanik ist unempfindlich gegen solchen Unsinn.
Beliebte Explosionsmechanik
Die Essenz jeder Explosion ist die schnelle Freisetzung von Energie, die sich zuvor in einem unfreien, gebundenen Zustand befand. Die freigesetzte Energie wird gestreut und wandelt sich vorwiegend in Wärme (kinetische Energie ungeordneter Bewegung von Molekülen), Stoßwelle (auch hier Bewegung, aber bereits geordnet, in Richtung vom Explosionszentrum) und Strahlung um - von weichem Infrarot bis zu harten kurzwelligen Quanten.
Bei einer chemischen Explosion ist alles relativ einfach. Eine energetisch vorteilhafte Reaktion tritt auf, wenn bestimmte Substanzen miteinander interagieren. Nur die oberen elektronischen Schichten einiger Atome sind an der Reaktion beteiligt, und die Wechselwirkung geht nicht tiefer. Es ist leicht zu erraten, dass jede Substanz viel mehr latente Energie enthält. Unabhängig von den Bedingungen des Experiments, egal wie erfolgreich die Reagenzien sind, egal wie wir die Proportionen kalibrieren, lässt uns die Chemie nicht tiefer in das Atom eindringen. Eine chemische Explosion ist ein primitives Phänomen, unwirksam und aus physikalischer Sicht obszön schwach.
Die nukleare Kettenreaktion ermöglicht es Ihnen, etwas tiefer zu graben, auch im Spiel nicht nur Elektronen, sondern auch Kerne. Das klingt vielleicht nur für einen Physiker sehr gewichtig, und im Übrigen werde ich eine einfache Analogie geben. Stellen Sie sich ein riesiges Gewicht vor, um das elektrifizierte Staubpartikel in einer Entfernung von mehreren Kilometern flattern. Dies ist ein Atom, ein "Gewicht" ist ein Kern und "Staubpartikel" sind Elektronen. Was auch immer Sie mit diesen Staubkörnern tun, sie geben nicht einmal ein Hundertstel der Energie ab, die aus einem gewichtigen Gewicht gewonnen werden kann. Besonders wenn es aus irgendeinem Grund bricht und massive Trümmer mit großer Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen streuen.
Eine nukleare Explosion nutzt das Bindungspotential der schweren Partikel, aus denen der Kern besteht. Dies ist jedoch weit von der Grenze entfernt: In der Materie steckt viel mehr latente Energie. Und der Name dieser Energie ist Masse. Für einen Nichtphysiker klingt dies wiederum etwas seltsam, aber Masse ist Energie, nur extrem konzentriert. Jedes Teilchen: ein Elektron, ein Proton, ein Neutron - all dies sind spärliche Bündel unglaublich dichter Energie, die vorerst in Ruhe sind. Sie kennen wahrscheinlich die Formel E = mc2, die Autoren von Anekdoten, Herausgeber von Wandzeitungen und Designer von Schulklassen so sehr lieben. Genau darum geht es ihr, und sie postuliert die Masse als nichts anderes als eine Energieform. Und sie beantwortet auch die Frage, wie viel Energie maximal aus einer Substanz gewonnen werden kann.
Der Prozess eines vollständigen Massenübergangs, dh der Bindung von Energie in freie Energie, wird als Vernichtung bezeichnet. An der lateinischen Wurzel "nihil" lässt sich leicht seine Essenz erraten - es ist die Umwandlung in "nichts" oder vielmehr in Strahlung. Zur Verdeutlichung einige Zahlen.
Explosion TNT-Äquivalent Energie (J)
F-1 Granate 60 Gramm 2,50 * 105
Die Bombe fiel auf Hiroshima 16 Kilotonnen 6,70 * 1013
Vernichtung von einem Gramm Materie 21,5 Kilotonnen 8,99 * 1013
Ein Gramm Materie (nur Masse ist wichtig) während der Vernichtung liefert mehr Energie als eine kleine Atombombe. Verglichen mit einer solchen Rückkehr erscheinen die Übungen von Physikern zur Kernspaltung und vor allem die Experimente von Chemikern mit aktiven Reagenzien lächerlich.
Zur Vernichtung sind geeignete Bedingungen erforderlich, nämlich der Kontakt von Materie mit Antimaterie. Und im Gegensatz zu "rotem Quecksilber" oder "Stein der Weisen" ist Antimaterie mehr als real - für die uns bekannten Partikel existieren und wurden ähnliche Antiteilchen untersucht, und in der Praxis wurden wiederholt Experimente zur Vernichtung von Paaren "Elektron + Positron" durchgeführt. Um jedoch eine Vernichtungswaffe herzustellen, ist es notwendig, ein bestimmtes gewichtiges Volumen an Antiteilchen zusammenzustellen und sie vom Kontakt mit jeglicher Angelegenheit bis hin zum tatsächlichen militärischen Einsatz zu beschränken. Dies, pah-pah, ist immer noch eine ferne Perspektive.
Massendefekt
Die letzte Frage, die bezüglich der Mechanik einer Explosion noch geklärt werden muss, ist, woher die Energie kommt: die, die während der Kettenreaktion freigesetzt wird? Auch hier war es nicht ohne Masse. Eher ohne ihren "Defekt".
Bis zum letzten Jahrhundert glaubten Wissenschaftler, dass die Masse unter allen Bedingungen erhalten bleibt, und sie hatten auf ihre Weise Recht. Also tauchten wir das Metall in die Säure - die Retorte sprudelte und Gasblasen strömten durch die Dicke der Flüssigkeit nach oben. Wenn Sie jedoch die Reagenzien vor und nach der Reaktion wiegen, ohne das freigesetzte Gas zu vergessen, konvergiert die Masse. Und das wird immer so sein, während wir mit Kilogramm, Metern und chemischen Reaktionen arbeiten.
Es lohnt sich jedoch, sich mit Mikropartikeln zu befassen, da die Masse auch eine Überraschung darstellt. Es stellt sich heraus, dass die Masse eines Atoms möglicherweise nicht genau der Summe der Massen der Teilchen entspricht, aus denen es besteht. Wenn ein schwerer Kern (zum Beispiel dasselbe Uran) in Teile geteilt wird, wiegen die "Fragmente" insgesamt weniger als der Kern vor der Spaltung. Der "Unterschied", auch Massendefekt genannt, ist für die Bindungsenergien im Kern verantwortlich. Und genau dieser Unterschied geht während der Explosion in Wärme und Strahlung über, und das alles nach der gleichen einfachen Formel: E = mc2.
Das ist interessant: Es ist so passiert, dass es energetisch vorteilhaft ist, schwere Kerne zu teilen und leichte zu vereinen. Der erste Mechanismus funktioniert in einer Uran- oder Plutoniumbombe, der zweite in einer Wasserstoffbombe. Und mit all dem Wunsch kann man aus Eisen keine Bombe machen: Sie befindet sich genau in der Mitte dieser Linie.
Atombombe
Schauen wir uns in einer historischen Sequenz zunächst die Atombomben an und führen unser kleines Manhattan-Projekt durch. Ich werde Sie nicht mit langweiligen Methoden der Isotopentrennung und mathematischen Berechnungen der Theorie der Kettenreaktion der Spaltung langweilen. Sie und ich haben Uran, Plutonium, andere Materialien, Montageanleitungen und den notwendigen Anteil an wissenschaftlicher Neugier.
Spaltkettenreaktion Ich habe bereits erwähnt, dass die Uranspaltungskettenreaktion erstmals im Dezember 1942 von Enrico Fermi durchgeführt wurde. Lassen Sie uns nun genauer über die nukleare Kettenreaktion sprechen.
Alle Uranisotope sind bis zu dem einen oder anderen Grad instabil. Aber Uran-235 ist in einer besonderen Position. Beim spontanen Zerfall des Uran-235-Kerns (auch Alpha-Zerfall genannt) entstehen zwei Fragmente (Kerne anderer, viel leichter Elemente) und mehrere Neutronen (normalerweise 2-3). Wenn das während des Zerfalls gebildete Neutron auf den Kern eines anderen Uranatoms trifft, kommt es zu einer üblichen elastischen Kollision, das Neutron prallt ab und sucht weiter nach Abenteuern. Aber nach einer Weile wird es Energie verschwenden (idealerweise treten elastische Kollisionen nur mit kugelförmigen Pferden im Vakuum auf), und der nächste Kern wird sich als Falle herausstellen - das Neutron wird von ihm absorbiert. Übrigens nennen Physiker solche Neutronen thermisch.
Schauen Sie sich die Liste der bekannten Uranisotope an. Es gibt kein Isotop mit einer Atommasse von 236 unter ihnen. Weißt du warum? Ein solcher Kern lebt für Bruchteile von Mikrosekunden und zerfällt dann unter Freisetzung einer großen Energiemenge. Dies nennt man erzwungenen Zerfall. Ein Isotop mit einer solchen Lebensdauer ist irgendwie peinlich, ein Isotop zu nennen.
Die beim Zerfall des Uran-235-Kerns freigesetzte Energie ist die kinetische Energie von Fragmenten und Neutronen. Wenn wir die Gesamtmasse der Zerfallsprodukte des Urankerns berechnen und sie dann mit der Masse des ursprünglichen Kerns vergleichen, stellt sich heraus, dass diese Massen nicht zusammenfallen - der ursprüngliche Kern war größer. Dieses Phänomen wird als Massendefekt bezeichnet und seine Erklärung ist in der Formel E0 = mс2 festgelegt. Die kinetische Energie der Fragmente, geteilt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, entspricht genau der Massendifferenz. Die Fragmente werden im Kristallgitter des Urans abgebremst, wodurch Röntgenstrahlung entsteht, und Neutronen werden, nachdem sie sich fortbewegt haben, von anderen Urankernen absorbiert oder verlassen den Uranguss, wo alle Ereignisse stattfinden.
Wenn der Uranguss klein ist, verlassen ihn die meisten Neutronen, bevor sie langsamer werden können. Wenn jedoch jeder Akt des erzwungenen Zerfalls aufgrund des emittierten Neutrons mindestens einen weiteren solchen Akt verursacht, ist dies bereits eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Spaltung.
Dementsprechend führt eine zunehmende Anzahl von Neutronen zu einer erzwungenen Spaltung, wenn die Größe des Gussstücks erhöht wird. Und irgendwann wird die Kettenreaktion unkontrollierbar. Dies ist jedoch weit entfernt von einer nuklearen Explosion. Nur eine sehr "schmutzige" thermische Explosion, die eine große Anzahl sehr aktiver und toxischer Isotope freisetzt.
Kritische Masse
Eine ganz natürliche Frage: Wie viel Uran-235 wird benötigt, damit die Spaltkettenreaktion zu einer Lawine wird? In der Tat ist nicht alles so einfach. Hierbei spielen die spaltbaren Materialeigenschaften und das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche eine Rolle. Stellen Sie sich eine Tonne Uran-235 vor (ich werde sofort reservieren - es ist viel), die in Form eines dünnen und sehr langen Drahtes vorliegt. Ja, ein Neutron, das daran entlang fliegt, wird natürlich einen Akt des erzwungenen Zerfalls verursachen. Der Anteil der Neutronen, die entlang des Drahtes fliegen, ist jedoch so gering, dass es lächerlich ist, von einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion zu sprechen.
Daher haben wir uns darauf geeinigt, die kritische Masse für einen Kugelguss zu berücksichtigen. Für reines Uran-235 beträgt die kritische Masse 50 kg (dies ist eine Kugel mit einem Radius von 9 cm). Sie verstehen, dass ein solcher Ball nicht lange halten wird, wie diejenigen, die ihn werfen.
Wenn eine Kugel mit kleinerer Masse von einem Neutronenreflektor umgeben ist (Beryllium ist perfekt dafür) und ein Material in die Kugel eingeführt wird - ein Neutronenmoderator (Wasser, schweres Wasser, Graphit, dasselbe Beryllium), wird die kritische Masse viel kleiner. Mit den effizientesten Reflektoren und Neutronenmoderatoren kann die kritische Masse auf 250 Gramm erhöht werden. Dies kann zum Beispiel erreicht werden, indem eine gesättigte Lösung von Uran-235-Salz in schweres Wasser in einen kugelförmigen Berylliumbehälter gegeben wird.
Die kritische Masse ist nicht auf Uran-235 beschränkt. Es gibt auch eine Reihe von Isotopen, die zu Spaltkettenreaktionen fähig sind. Die Hauptbedingung ist, dass die Zerfallsprodukte eines Kerns Zerfallsakte anderer Kerne verursachen müssen.
Uranbombe
Wir haben also zwei halbkugelförmige Urangussteile mit einem Gewicht von 40 kg. Solange sie respektvoll voneinander entfernt sind, wird alles ruhig sein. Und wenn Sie anfangen, sie langsam zu bewegen? Entgegen der landläufigen Meinung wird nichts Pilziges passieren. Es ist nur so, dass sich die Teile erwärmen, wenn sie näher kommen. Wenn Sie Ihre Meinung nicht rechtzeitig ändern, erwärmen sie sich. Am Ende werden sie einfach schmelzen und sich ausbreiten, und jeder, der die Gussteile bewegt hat, wird Eiche aus Neutronenbestrahlung geben. Und diejenigen, die dies mit Interesse gesehen haben, werden die Flossen zusammenkleben.
Und wenn schneller? Wird schneller schmelzen. Immer noch schneller? Sie werden noch schneller schmelzen. Cool? Ja, selbst wenn Sie es in flüssiges Helium tauchen, macht es keinen Sinn. Und wenn Sie ein Stück auf ein anderes schießen? ÜBER! Der Moment der Wahrheit. Wir haben gerade ein Urankanonenschema entwickelt. Wir können jedoch nicht stolz darauf sein, dieses Schema ist das einfachste und kunstvollste von allen. Ja, und die Hemisphären müssen verlassen werden. Wie die Praxis gezeigt hat, neigen sie nicht dazu, durch Flugzeuge gleichmäßig zusammenzuhalten. Die geringste Verzerrung - und Sie erhalten einen sehr teuren "Haufen", nach dem Sie für eine lange Zeit aufräumen müssen.
Es ist besser, ein kurzes dickwandiges Rohr aus Uran-235 mit einer Masse von 30-40 kg herzustellen, an dessen Loch wir ein hochfestes Stahlrohr desselben Kalibers befestigen, das mit einem Zylinder aus demselben Uran mit ungefähr derselben Masse beladen ist. Umgeben wir das Urantarget mit einem Berylliumneutronenreflektor. Wenn Sie nun eine Uran- "Kugel" auf das Uran- "Rohr" schießen, wird es ein volles "Rohr" geben. Das heißt, es wird eine nukleare Explosion geben. Nur Sie müssen ernsthaft schießen, damit die Mündungsgeschwindigkeit des Uranprojektils mindestens 1 km / s beträgt. Andernfalls wird es wieder einen "Haufen" geben, aber lauter. Tatsache ist, dass sich das Projektil und das Ziel, wenn sie sich nähern, so stark erwärmen, dass sie von der Oberfläche intensiv verdampfen und durch entgegenkommende Gasströme verlangsamt werden. Wenn die Geschwindigkeit nicht ausreicht, besteht außerdem die Möglichkeit, dass das Projektil das Ziel einfach nicht erreicht, sondern auf dem Weg verdunstet.
Eine Scheibe mit einem Gewicht von mehreren zehn Kilogramm über eine Entfernung von einigen Metern auf eine solche Geschwindigkeit zu beschleunigen, ist eine äußerst schwierige Aufgabe. Deshalb brauchen Sie kein Schießpulver, sondern leistungsstarke Sprengstoffe, die in kürzester Zeit den richtigen Gasdruck im Lauf erzeugen können. Und dann müssen Sie das Fass nicht reinigen, keine Sorge.
Die auf Hiroshima abgeworfene Mk-I-Bombe "Little Boy" wurde nach dem Kanonenschema entworfen.
Es gibt natürlich unbedeutende Details, die wir in unserem Projekt nicht berücksichtigt haben, aber wir haben überhaupt nicht gegen das Prinzip verstoßen.
Plutoniumbombe
Damit. Wir haben die Uranbombe gezündet. Wir haben den Pilz bewundert. Jetzt werden wir das Plutonium eins sprengen. Ziehen Sie hier nur kein Ziel, kein Projektil, keinen Lauf und keinen anderen Müll. Diese Nummer funktioniert nicht mit Plutonium. Selbst wenn wir ein Stück mit einer Geschwindigkeit von 5 km / s in ein anderes schießen, funktioniert die überkritische Baugruppe immer noch nicht. Plutonium-239 hat Zeit, sich aufzuwärmen, zu verdampfen und alles zu verderben. Seine kritische Masse beträgt etwas mehr als 6 kg. Sie können sich vorstellen, wie viel aktiver er Neutronen einfängt.
Plutonium ist ein ungewöhnliches Metall. Je nach Temperatur, Druck und Verunreinigungen liegt es in sechs Modifikationen des Kristallgitters vor. Es gibt sogar Modifikationen, bei denen es beim Erhitzen schrumpft. Die Übergänge von einer Phase zur anderen können abrupt erfolgen, während sich die Plutoniumdichte um 25% ändern kann. Gehen wir wie alle normalen Helden herum. Es sei daran erinnert, dass die kritische Masse insbesondere durch das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche bestimmt wird. Okay, wir haben einen unterkritischen Massenball, der für ein bestimmtes Volumen eine minimale Oberfläche hat. Sagen wir 6 Kilogramm. Der Radius der Kugel beträgt 4,5 cm. Und wenn diese Kugel von allen Seiten zusammengedrückt wird? Die Dichte nimmt proportional zum Würfel der linearen Kompression zu, und die Oberfläche nimmt proportional zu ihrem Quadrat ab. Und genau das passiert: Die Plutoniumatome werden dichter, dh der Bremsweg der Neutronen wird verkürzt.was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit seiner Absorption zunimmt. Das Komprimieren mit der erforderlichen Geschwindigkeit (ca. 10 km / s) funktioniert jedoch immer noch nicht. Sackgasse? Aber nein.
Bei 300 ° C tritt die sogenannte Delta-Phase auf - die lockerste. Wenn Plutonium mit Gallium dotiert, auf diese Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt wird, kann die Delta-Phase bei Raumtemperatur existieren. Aber es wird nicht stabil sein. Bei hohen Drücken (in der Größenordnung von Zehntausenden von Atmosphären) tritt ein abrupter Übergang in eine sehr dichte Alpha-Phase auf.
Legen Sie die Plutoniumkugel in eine große (23 cm Durchmesser) und schwere (120 kg) hohle Uran-238-Kugel. Keine Sorge, es hat keine kritische Masse. Aber es reflektiert perfekt schnelle Neutronen. Und sie werden uns immer noch nützlich sein. Glaubst du, sie haben es in die Luft gesprengt? Egal wie es ist. Plutonium ist eine verdammt launische Entität. Wir müssen noch arbeiten. Lassen Sie uns zwei Hemisphären aus Plutonium in der Delta-Phase herstellen. Bilden wir einen kugelförmigen Hohlraum in der Mitte. Und in diese Höhle werden wir die Quintessenz des Atomwaffengedankens stellen - einen Neutroneninitiator. Dies ist eine so kleine hohle Berylliumkugel mit einem Durchmesser von 20 und einer Dicke von 6 mm. Im Inneren befindet sich eine weitere Berylliumkugel mit einem Durchmesser von 8 mm. An der Innenfläche der Hohlkugel befinden sich tiefe Rillen. All dies ist großzügig vernickelt und vergoldet. Die Rillen enthalten Polonium-210, das aktiv Alpha-Partikel emittiert. Hier ist so ein Wunder der Technologie. Wie funktioniert es? Warte eine Sekunde. Wir haben noch ein paar Dinge zu tun.
Umgeben wir die Uranhülle mit einer anderen aus einer Aluminium-Bor-Legierung. Seine Dicke beträgt ca. 13 cm. Insgesamt ist unsere "Nistpuppe" inzwischen auf einen halben Meter angewachsen und hat sich von 6 auf 250 kg erholt.
Jetzt werden wir Implosionslinsen herstellen. Stellen Sie sich einen Fußball vor. Klassisch, bestehend aus 20 Sechsecken und 12 Fünfecken. Machen wir aus Sprengstoff einen solchen "Ball" und statten jedes Segment mit mehreren elektrischen Zündern aus. Die Segmentdicke beträgt etwa einen halben Meter. Es gibt auch viele Feinheiten bei der Herstellung von "Linsen", aber wenn Sie sie beschreiben, dann gibt es nicht genug Platz für alles andere. Die Hauptsache ist maximale Objektivgenauigkeit. Der kleinste Fehler - und die gesamte Baugruppe wird durch die Sprengwirkung von Sprengstoff zerquetscht. Die komplette Baugruppe hat jetzt einen Durchmesser von etwa eineinhalb Metern und ein Gewicht von 2,5 Tonnen. Der Entwurf wird durch einen Stromkreis vervollständigt, dessen Aufgabe es ist, die Zünder in einer genau definierten Reihenfolge mit einer Genauigkeit von einer Mikrosekunde zu detonieren.
Alle. Vor uns liegt ein Plutonium-Implosionsschema.
Und jetzt der lustige Teil.
Bei der Detonation komprimiert der Sprengstoff die Baugruppe, und der Aluminium- "Drücker" lässt nicht zu, dass sich der Zerfall der Druckwelle nach ihrer Vorderseite nach innen ausbreitet. Nachdem die Kompressionswelle Uran mit einer Gegengeschwindigkeit von etwa 12 km / s passiert hat, verdichtet sie sowohl es als auch Plutonium. Plutonium bei Drücken in der Kompressionszone in der Größenordnung von Hunderttausenden von Atmosphären (der Effekt der Fokussierung der Explosionsfront) springt in die Alpha-Phase. In 40 Mikrosekunden wird die hier beschriebene Uran-Plutonium-Anordnung nicht nur überkritisch, sondern um ein Vielfaches größer als die kritische Masse.
Nach Erreichen des Initiators zerquetscht die Kompressionswelle ihre gesamte Struktur zu einem Monolithen. In diesem Fall kollabiert die Gold-Nickel-Isolierung, Polonium-210 dringt aufgrund der Diffusion in Beryllium ein, die von ihm emittierten Alpha-Partikel, die durch Beryllium gelangen, verursachen einen kolossalen Fluss von Neutronen, die eine Kettenspaltungsreaktion im gesamten Plutoniumvolumen auslösen, und den Fluss von "schnellen" Neutronen Der Zerfall von Plutonium führt zu einer Explosion von Uran-238. Fertig, wir haben einen zweiten Pilz gezüchtet, nicht schlechter als der erste.
Ein Beispiel für ein Plutonium-Implosionsschema ist die Mk-III-Bombe "Fatman", die auf Nagasaki abgeworfen wurde.
Alle hier beschriebenen Tricks sind erforderlich, um die maximale Anzahl atomarer Plutoniumkerne zur Reaktion zu zwingen. Die Hauptaufgabe besteht darin, die Ladung so lange wie möglich in einem kompakten Zustand zu halten, um zu verhindern, dass sie wie eine Plasmawolke streut, in der die Kettenreaktion sofort stoppt. Hier bedeutet jede gewonnene Mikrosekunde eine Steigerung von ein oder zwei Kilotonnen Leistung.
Thermonukleare Bombe
Es ist weit verbreitet, dass eine Atombombe die Zündschnur für eine thermonukleare Bombe ist. Im Prinzip ist alles viel komplizierter, aber die Essenz wird richtig erfasst. Waffen, die auf den Prinzipien der Kernfusion basieren, ermöglichten es, eine solche Explosionskraft zu erreichen, die unter keinen Umständen durch eine Spaltkettenreaktion erreicht werden kann. Bisher ist die einzige Energiequelle, die das "Zünden" einer thermonuklearen Fusionsreaktion ermöglicht, eine nukleare Explosion.
Thermonukleare Fusion
Erinnerst du dich, wie wir den Wasserstoffkern mit Neutronen „gespeist“haben? Wenn Sie also versuchen, zwei Protonen auf diese Weise miteinander zu verbinden, wird nichts daraus. Die Protonen haften aufgrund der Coulomb-Abstoßungskräfte nicht zusammen. Entweder streuen sie oder es tritt ein Beta-Zerfall auf und eines der Protonen wird zu einem Neutron. Aber Helium-3 existiert. Dank eines einzigen Neutrons, das Protonen miteinander lebenswerter macht.
Aufgrund der Zusammensetzung des Helium-3-Kerns kann im Prinzip geschlossen werden, dass ein Helium-3-Kern vollständig aus den Kernen von Protium und Deuterium zusammengesetzt werden kann. Theoretisch ist dies so, aber eine solche Reaktion kann nur im Darm großer und heißer Sterne auftreten. Darüber hinaus kann in den Tiefen von Sternen, selbst von einigen Protonen, Helium gesammelt werden, das einige von ihnen in Neutronen umwandelt. Dies sind jedoch bereits Fragen der Astrophysik, und eine für uns erreichbare Option besteht darin, zwei Kerne von Deuterium oder Deuterium und Tritium zusammenzuführen.
Eine sehr spezifische Bedingung ist für die Fusion von Kernen notwendig. Dies ist eine sehr hohe Temperatur (109 K). Nur bei einer durchschnittlichen kinetischen Energie von Kernen von 100 keV können sie sich in einer Entfernung nähern, in der die starke Wechselwirkung beginnt, die Coulomb-Wechselwirkung zu überwinden.
Eine berechtigte Frage - warum diesen Garten umzäunen? Tatsache ist, dass die Fusion von Lichtkernen eine Energie von etwa 20 MeV freisetzt. Natürlich ist diese Energie bei der erzwungenen Spaltung eines Urankerns zehnmal höher, aber es gibt eine Einschränkung: Mit den größten Tricks ist eine Uranladung mit einer Kapazität von sogar 1 Megatonnen unmöglich. Selbst für eine fortgeschrittenere Plutoniumbombe beträgt die erreichbare Energieausbeute nicht mehr als 7 bis 8 Kilotonnen pro Kilogramm Plutonium (mit einem theoretischen Maximum von 18 Kilotonnen). Und vergessen Sie nicht, dass ein Urankern fast 60-mal schwerer ist als zwei Deuteriumkerne. Wenn wir die spezifische Energieausbeute berücksichtigen, liegt die Kernfusion spürbar vor uns.
Und doch - für eine thermonukleare Ladung gibt es keine Einschränkungen für die kritische Masse. Er hat es einfach nicht. Es gibt jedoch andere Einschränkungen, aber darüber - unten.
Im Prinzip ist es nicht schwierig genug, eine thermonukleare Reaktion als Neutronenquelle zu starten. Es ist viel schwieriger, es als Energiequelle zu betreiben. Hier stehen wir vor dem sogenannten Lawson-Kriterium, das den Energievorteil einer thermonuklearen Reaktion bestimmt. Wenn das Produkt aus der Dichte der reagierenden Kerne und der Zeit ihres Einschlusses bei der Fusionsentfernung größer als 1014 s / cm³ ist, übersteigt die durch die Fusion bereitgestellte Energie die in das System eingebrachte Energie.
Alle thermonuklearen Programme waren darauf ausgerichtet, dieses Kriterium zu erreichen.
Klassisch super
Das erste thermonukleare Bombenschema, das Edward Teller in den Sinn kam, ähnelte dem Versuch, eine Plutoniumbombe mit einem Kanonenschema herzustellen. Das heißt, alles scheint korrekt zu sein, aber es funktioniert nicht. Das "klassische Super" -Gerät - flüssiges Deuterium, in das eine Plutoniumbombe eingetaucht ist - war zwar klassisch, aber alles andere als super.
Die Idee einer Explosion einer Kernladung in einem flüssigen Deuteriummedium erwies sich zunächst als Sackgasse. Unter solchen Bedingungen könnte eine geringste Ausbeute an thermonuklearer Fusionsenergie durch Detonation einer Kernladung von 500 kt erreicht werden. Und es bestand überhaupt keine Notwendigkeit, über das Erreichen des Lawson-Kriteriums zu sprechen.
Puff
Die Idee, eine nukleare Triggerladung mit Schichten aus thermonuklearem Brennstoff zu umgeben, die mit Uran-238 als Wärmeisolator und Explosionsverstärker durchsetzt sind, kam auch auf. Und nicht nur er. Die ersten sowjetischen thermonuklearen Bomben wurden genau nach diesem Schema gebaut. Das Prinzip war recht einfach: Eine Kernladung erwärmt einen thermonuklearen Brennstoff auf die Temperatur zu Beginn der Fusion, und schnelle Neutronen, die während der Fusion erzeugt werden, explodieren Uran-238-Schichten. Die Begrenzung blieb jedoch dieselbe - bei der Temperatur, die der nukleare Auslöser liefern konnte, konnte nur eine Mischung aus billigem Deuterium und unglaublich teurem Tritium in die Fusionsreaktion eintreten.
Später kam Teller auf die Idee, die Verbindung Lithium-6-Deuterid zu verwenden. Diese Lösung ermöglichte es, teure und unbequeme kryogene Behälter mit flüssigem Deuterium aufzugeben. Zusätzlich wurde Lithium-6 infolge der Bestrahlung mit Neutronen in Helium und Tritium umgewandelt, die eine Fusionsreaktion mit Deuterium eingingen.
Der Nachteil dieses Schemas war die begrenzte Leistung - nur ein begrenzter Teil des den Auslöser umgebenden Kernbrennstoffs hatte Zeit, in die Fusionsreaktion einzutreten. Der Rest, egal wie viel es war, ging in den Wind. Die maximale Ladeleistung bei Verwendung des "Puff" betrug 720 kt (British Orange Herald Bombe). Anscheinend war es eine "Decke".
Teller-Ulam-Schema
Wir haben bereits über die Geschichte der Entwicklung des Teller-Ulam-Systems gesprochen. Lassen Sie uns nun die technischen Details dieser Schaltung verstehen, die auch als "zweistufige" oder "Strahlungskompressions" -Schaltung bezeichnet wird.
Unsere Aufgabe ist es, den Kernbrennstoff zu erhitzen und in einem bestimmten Volumen zu halten, um das Lawson-Kriterium zu erfüllen. Lassen wir die amerikanischen Übungen mit kryogenen Schaltkreisen außer Acht und nehmen wir das uns bereits bekannte Lithium-6-Deuterid als thermonuklearen Brennstoff.
Wir werden Uran-238 als Material für den Behälter für die thermonukleare Ladung wählen. Der Behälter ist zylindrisch. Entlang der Achse des Behälters platzieren wir darin einen zylindrischen Stab aus Uran-235 mit einer unterkritischen Masse.
Hinweis: Die sensationelle Neutronenbombe ist zu dieser Zeit das gleiche Teller-Ulam-Schema, jedoch ohne den Uranstab entlang der Behälterachse. Es geht darum, einen starken Fluss schneller Neutronen bereitzustellen, aber nicht das Ausbrennen des gesamten thermonuklearen Brennstoffs zuzulassen, der Neutronen verbraucht.
Füllen Sie den Rest des freien Raums des Behälters mit Lithium-6-Deuterid. Wir werden den Container an einem der Enden des Körpers der zukünftigen Bombe platzieren (dies wird die zweite Stufe sein), und am anderen Ende werden wir eine konventionelle Plutoniumladung mit einer Kapazität von mehreren Kilotonnen montieren (erste Stufe). Zwischen den nuklearen und thermonuklearen Ladungen werden wir eine Uran-238-Trennwand installieren, um das vorzeitige Erhitzen von Lithium-6-Deuterid zu verhindern. Füllen Sie den Rest des freien Raums im Bombenkörper mit festem Polymer. Grundsätzlich ist die thermonukleare Bombe fertig.
Bei der Detonation einer Kernladung werden 80% der Energie in Form von Röntgenstrahlen freigesetzt. Seine Ausbreitungsgeschwindigkeit ist viel höher als die von Plutoniumspaltungsfragmenten. In Hundertstel einer Mikrosekunde verdunstet der Uranschild und die Röntgenstrahlung wird vom Uran des thermonuklearen Ladungsbehälters intensiv absorbiert. Infolge der sogenannten Ablation (Entfernung von Masse von der Oberfläche des erhitzten Behälters) tritt eine Reaktionskraft auf, die den Behälter zehnmal zusammendrückt. Dieser Effekt wird als Strahlungsimplosion oder Strahlungskompression bezeichnet. In diesem Fall erhöht sich die Dichte des Fusionsbrennstoffs um das 1000-fache. Infolge des kolossalen Drucks der Strahlungsimplosion wird der zentrale Stab von Uran-235 ebenfalls komprimiert, wenn auch in geringerem Maße, und geht in einen überkritischen Zustand über. Zu diesem Zeitpunkt wird der thermonukleare Block mit schnellen Neutronen einer nuklearen Explosion bombardiert. Nach dem Durchgang durch Lithium-6-Deuterid verlangsamen sie sich und werden vom Uranstab intensiv absorbiert.
Im Stab beginnt eine Spaltkettenreaktion, die schnell zu einer nuklearen Explosion im Behälter führt. Da Lithium-6-Deuterid von außen ablativ komprimiert wird und von innen dem Druck einer nuklearen Explosion ausgesetzt wird, steigen Dichte und Temperatur noch weiter an. Dieser Moment ist der Beginn des Beginns der Synthesereaktion. Die weitere Wartung hängt davon ab, wie lange der Behälter thermonukleare Prozesse in sich selbst hält und so die Freisetzung von Wärmeenergie nach außen verhindert. Dies bestimmt die Erreichung des Lawson-Kriteriums. Die Verbrennung von Kernbrennstoff erfolgt von der Zylinderachse bis zu seinem Rand. Die Verbrennungsfronttemperatur erreicht 300 Millionen Kelvin. Es dauert ein paar hundert Nanosekunden, bis eine Explosion bis zum Ausbrennen des Kernbrennstoffs und der Zerstörung des Behälters vollständig entwickelt ist - zwanzig Millionen Mal schneller, als Sie diesen Satz gelesen haben.
Der zuverlässige Betrieb des zweistufigen Stromkreises hängt von der genauen Montage des Behälters und der Verhinderung einer vorzeitigen Erwärmung ab.
Die Leistung der thermonuklearen Ladung für das Teller-Ulam-Schema hängt von der Leistung des nuklearen Auslösers ab, der eine effektive Kompression durch Strahlung gewährleistet. Jetzt gibt es jedoch auch mehrstufige Schemata, bei denen die Energie der vorherigen Stufe verwendet wird, um die nächste zu komprimieren. Ein Beispiel für ein dreistufiges Schema ist die bereits erwähnte 100-Megatonnen-Kuz'kina-Mutter.