Ob naslednji obletnici badabuma v Hirošimi in Nagasakiju sem se odločil, da po internetu preiščem vprašanja o jedrskem orožju, kje in zakaj je bilo ustvarjeno, me je malo zanimalo (že sem vedel) - bolj me je zanimalo, kako se dva kosa plutonija ne stapita, ampak naredita veliko širino.
Pazite na inženirje - začnejo s sejalnico in končajo z atomsko bombo.
Marcel Pagnol
Jedrska fizika je eno najbolj spornih področij častitljive naravoslovja. Na tem območju je človeštvo pol stoletja vrglo milijarde dolarjev, funtov, frankov in rubljev, kot v lokomotivno peč poznega vlaka. Zdaj se zdi, da vlak ne zamuja več. Besni plameni gorečih sredstev in delovne ure so zamrli. Poskusimo na kratko razumeti, kakšen vlak je "jedrska fizika".
Izotopi in radioaktivnost
Kot veste, je vse, kar obstaja, sestavljeno iz atomov. Atomi pa so sestavljeni iz elektronskih lupin, ki živijo v skladu s svojimi neverjetnimi zakoni in jedra. Klasične kemije jedro in njegovo osebno življenje sploh ne zanima. Za njo je atom njegovi elektroni in njihova sposobnost izmenjave interakcij. In iz jedra kemije je za izračun deležev reagentov potrebna le njegova masa. Po drugi strani pa jedrska fizika ne skrbi za elektrone. Zanima jo drobna (100 tisočkrat manjša od polmera elektronskih orbit) pikica prahu znotraj atoma, v katerem je skoncentrirana skoraj vsa njegova masa.
Promocijski video:
Kaj vemo o jedru? Da, sestavljen je iz pozitivno nabitih protonov in nevtronov brez električnega naboja. Vendar to ni povsem res. Jedro ni peščica dvobarvnih kroglic, kot na sliki iz šolskega učbenika. Delujejo popolnoma različni zakoni, imenovani močna interakcija, ki tako protone kot nevtrone spremenijo v nekakšno nerazločljivo nered. Vendar je naboj te kaše popolnoma enak skupnemu naboju v njej vključenih protonov, masa - skoraj (ponavljam, skoraj) pa sovpada z maso nevtronov in protonov, ki sestavljajo jedro.
Mimogrede, število protonov neioniziranega atoma vedno sovpada s številom elektronov, ki imajo to čast, da ga obkrožijo. Toda z nevtroni ni tako preprosto. Pravzaprav je naloga nevtronov stabilizirati jedro, saj se brez njih podobno nabiti protoni ne bi združili niti v mikrosekundah.
Vzemimo vodik za natančnost. Najpogostejši vodik. Njegova naprava je smešno preprosta - en proton, obdan z enim elektronom, ki kroži. Vodik v vesolju v razsutem stanju. Lahko rečemo, da je vesolje sestavljeno pretežno iz vodika.
Zdaj pa previdno dodajte nevtron protonu. Z vidika kemije je še vedno vodik. A s stališča fizike ne več. Ko so odkrili dva različna vodika, so se fiziki zaskrbeli in takoj pomislili, da bi navadni vodik imenovali protium in vodik z nevtronom s protonom - devterij.
Pridobimo si živec in nahranimo jedro še en nevtron. Zdaj imamo še en vodik, še težji - tritij. Ponovno se s stališča kemije praktično ne razlikuje od ostalih dveh vodikov (no, le da zdaj v reakcijo vstopi nekoliko manj voljno). Takoj vas želim opozoriti - noben napor, grožnje in opomini ne bodo mogli dodati še enega nevtrona v tritijevo jedro. Lokalni zakoni so veliko strožji od človeških.
Torej so protium, devterij in triti izotopi vodika. Njihova atomska masa je drugačna, njihov naboj pa ne. Toda jedrski naboj je tisti, ki določa lokacijo v periodnem sistemu elementov. Zato so izotope imenovali izotopi. V prevodu iz grščine to pomeni "zasedanje istega mesta." Mimogrede, znana težka voda je ista voda, vendar z dvema atomoma devterija namesto protiuma. Skladno s tem težka voda namesto protiuma vsebuje tritij.
Poglejmo si še enkrat naše vodike. Torej … Protium je na mestu, devterij je na mestu … Kdo je še to? Kam je izginil moj tritij in od kod helij-3? V našem tritiju ga je eden od nevtronov očitno zgrešil, odločil se je spremeniti poklic in postal proton. S tem je povzročil elektron in antinevtrino. Izguba tricija je seveda razočaranje, zdaj pa vemo, da je nestabilen. Hranjenje nevtronov ni bilo zaman.
Kot ste razumeli, so izotopi stabilni in nestabilni. Okoli nas je veliko stabilnih izotopov, a hvala bogu nestabilnih praktično ni. Se pravi, obstajajo, vendar v tako razpršenem stanju, da jih je treba dobiti s ceno velikega dela. Na primer, uran-235, ki je Oppenheimerju povzročil toliko težav, je v naravnem uranu le 0,7%.
Polovično življenje
Tu je vse preprosto. Razpolovna doba nestabilnega izotopa je obdobje, v katerem natančno polovica atomov izotopa razpade in se spremeni v nekatere druge atome. Že znani tritij ima razpolovno dobo 12,32 leta. Je dokaj kratkotrajen izotop, čeprav se zdi, da je tritij v primerjavi s francijem-223, ki ima razpolovno dobo 22,3 minute, sivobradi aksakal.
Nobeni makroskopski zunanji dejavniki (tlak, temperatura, vlaga, razpoloženje raziskovalca, količina aproprijacij, lokacija zvezd) ne vplivajo na razpolovno dobo. Kvantna mehanika je neobčutljiva na take neumnosti.
Priljubljena mehanika eksplozije
Bistvo vsake eksplozije je hitro sproščanje energije, ki je bila prej v prostem, vezanem stanju. Sproščena energija se razprši in se večinoma spremeni v toploto (kinetična energija neurejenega gibanja molekul), udarni val (tudi tu gibanje, vendar že urejeno, v smeri od središča eksplozije) in sevanje - iz mehkega infrardečega v trde kvante kratkih valovnih dolžin.
S kemično eksplozijo je vse razmeroma preprosto. Energijsko koristna reakcija se pojavi, ko nekatere snovi medsebojno delujejo. V reakciji sodelujejo le zgornje elektronske plasti nekaterih atomov, interakcija pa ne gre globlje. Lahko je uganiti, da je v kateri koli snovi veliko več latentne energije. Toda ne glede na pogoje eksperimenta, ne glede na to, kako uspešne reagente izberemo, ne glede na to, kako umerimo razmerja, nas kemija ne pusti globlje v atom. Kemična eksplozija je primitiven pojav, neučinkovit in s stališča fizike nespodobno šibek.
Jedrska verižna reakcija vam omogoča, da kopate nekoliko globlje, v igro pa ne samo elektrone, temveč tudi jedra. Morda se to zdi res tehtno, le za fizika, za ostalo pa bom dal preprosto analogijo. Predstavljajte si velikansko utež, okoli katere na razdalji nekaj kilometrov plapolajo naelektreni prašni delci. To je atom, "utež" je jedro, "prašni delci" pa elektroni. Karkoli naredite s temi prašnimi zrni, ne bodo dale niti stotine energije, ki bi jo lahko dobili s tehtno težo. Še posebej, če se iz nekega razloga razbije in se masivni odpadki z veliko hitrostjo razpršijo v različne smeri.
Jedrska eksplozija uporablja vezni potencial težkih delcev, ki tvorijo jedro. Toda to še zdaleč ni meja: v materiji je veliko več latentne energije. In ime te energije je masa. Tudi za nefizika se to sliši nekoliko nenavadno, toda masa je energija, le izjemno koncentrirana. Vsak delec: elektron, proton, nevtron - vse to so zaenkrat milo svežnji neverjetno goste energije. Verjetno poznate formulo E = mc2, ki jo imajo tako radi avtorji anekdot, uredniki stenskih časopisov in oblikovalci šolskih učilnic. Za to gre natanko in ona je tista, ki maso postavlja kot nič drugega kot eno obliko energije. In odgovarja tudi na vprašanje, koliko energije je mogoče iz snovi dobiti največ.
Proces popolnega prehoda mase, torej vezane energije v prosto energijo, se imenuje anihilacija. Po latinskem korenu "nihil" je lahko uganiti njegovo bistvo - to je preobrazba v "nič", oziroma v sevanje. Zaradi jasnosti nekaj številk.
Eksplozijski TNT ekvivalent energije (J)
Granata F-1 60 gramov 2,50 * 105
Bomba je na Hirošimo padla 16 kilotonov 6,70 * 1013
Uničenje enega grama snovi 21,5 kilotona 8,99 * 1013
En gram katere koli snovi (pomembna je le masa) bo med uničevanjem dal več energije kot majhna jedrska bomba. V primerjavi s takšno vrnitvijo se zdijo vaje fizikov o cepitvi jedra in še bolj poskusi kemikov z aktivnimi reagenti smešne.
Za izničenje so potrebni ustrezni pogoji, in sicer stik snovi z antimaterijo. In za razliko od "rdečega živega srebra" ali "filozofskega kamna" je antimaterija več kot resnična - za delce, ki jih poznamo, podobni antidelci obstajajo in so jih že preučevali, v praksi pa že večkrat izvajajo poskuse izničenja parov "elektron + pozitron". Da pa bi ustvarili uničevalno orožje, je treba sestaviti določeno tehtno količino prostih delcev in jih tudi omejiti v stiku s katero koli snovjo do dejansko vojaške uporabe. To, pa-pa, je še vedno oddaljena perspektiva.
Masna napaka
Zadnje vprašanje, ki ga je treba razumeti v zvezi z mehaniko eksplozije, je od kod energija: tista, ki se sprosti med verižno reakcijo? Tudi tu ni šlo brez maše. Namesto brez njene "napake".
Do prejšnjega stoletja so znanstveniki verjeli, da se masa ohranja v vseh pogojih in so imeli po svoje prav. Torej smo kovino potopili v kislino - retorta je brbotala in plinski mehurčki so hiteli navzgor skozi debelino tekočine. Če pa stehtamo reagente pred reakcijo in po njej, ne da bi pozabili na sproščeni plin, se masa konvergira. In tako bo vedno, medtem ko delujemo s kilogrami, merilniki in kemičnimi reakcijami.
Ko pa se enkrat poglobite v področje mikrodelcev, tudi masa preseneti. Izkazalo se je, da masa atoma morda ni popolnoma enaka vsoti mas delcev, ki ga tvorijo. Ko je težko jedro (na primer isti uran) razdeljeno na dele, imajo "fragmenti" skupaj manj kot jedro pred cepitvijo. "Razlika", imenovana tudi masna napaka, je odgovorna za energijo vezi znotraj jedra. In prav ta razlika gre med toploto in sevanjem med eksplozijo in vse po isti preprosti formuli: E = mc2.
To je zanimivo: zgodilo se je, da je energetsko koristno razdeliti težka jedra in združiti lahka. Prvi mehanizem deluje v bombi z uranom ali plutonijem, drugi v vodikovi bombi. In iz železa ne moreš narediti bombe z vso željo: v tej vrstici je točno na sredini.
Jedrska bomba
V zgodovinskem zaporedju si najprej oglejmo jedrske bombe in izvedimo naš mali projekt Manhattan. Ne bom vas dolgočasil z dolgočasnimi metodami ločevanja izotopov in matematičnimi izračuni teorije verižne reakcije cepitve. Z vami imamo uran, plutonij, druge materiale, navodila za montažo in potreben delež znanstvene radovednosti.
Fisijska verižna reakcija Omenil sem že, da je verižno reakcijo cepitve urana prvič izvedel decembra 1942 Enrico Fermi. Zdaj pa se pogovorimo o jedrski verižni reakciji podrobneje.
Vsi izotopi urana so v eni ali drugi meri nestabilni. Toda uran-235 je v posebnem položaju. S spontanim razpadom jedra urana-235 (imenovanega tudi alfa razpad) nastaneta dva fragmenta (jedra drugih, veliko lažjih elementov) in več nevtronov (običajno 2-3). Če nevtron, ki nastane med razpadom, zadene jedro drugega atoma urana, bo prišlo do običajnega elastičnega trka, nevtron se bo odbil in nadaljeval z iskanjem pustolovščine. Toda čez nekaj časa bo zapravil energijo (v idealnem primeru se elastični trki zgodijo samo s kroglastimi konji v vakuumu), naslednje jedro pa se bo izkazalo za past - nevtron bo absorbiral vanj. Mimogrede, fiziki takim nevtronom pravijo toplotni.
Oglejte si seznam znanih izotopov urana. Med njimi ni izotopa z atomsko maso 236. Ali veste, zakaj? Takšno jedro živi delce mikrosekund, nato pa razpade s sproščanjem ogromne količine energije. Temu pravimo prisilno razpadanje. Izotopu s takšnim življenjem je celo nekako nerodno imenovati izotop.
Energija, ki se sprosti med razpadom jedra urana-235, je kinetična energija drobcev in nevtronov. Če izračunamo skupno maso produktov razpada jedra urana in jo nato primerjamo z maso prvotnega jedra, se izkaže, da te mase ne sovpadajo - prvotno jedro je bilo večje. Ta pojav se imenuje masna napaka in njegova razlaga je določena v formuli E0 = mс2. Kinetična energija drobcev, deljena s kvadratom svetlobne hitrosti, bo popolnoma enaka razliki v masah. Drobci se v kristalni rešetki urana upočasnijo, kar povzroči rentgensko sevanje, nevtroni pa po potovanju absorbirajo druga jedra urana ali zapustijo uranovo ulivanje, kjer se odvijajo vsi dogodki.
Če je uranovo ulivanje majhno, ga večina nevtronov zapusti, preden se lahko upočasni. Če pa vsako dejanje prisilnega razpada povzroči vsaj še eno takšno dejanje zaradi oddanega nevtrona, je to že samozadostna verižna reakcija cepitve.
V skladu s tem, če se velikost odlitka poveča, bo vedno večje število nevtronov povzročilo prisilne cepitve. In na neki točki bo verižna reakcija postala neobvladljiva. Toda to še zdaleč ni jedrska eksplozija. Samo zelo "umazana" toplotna eksplozija, ki bo sprostila veliko število zelo aktivnih in strupenih izotopov.
Kritična masa
Povsem naravno vprašanje - koliko urana-235 je potrebno, da cepitvena verižna reakcija postane plaz? Pravzaprav ni vse tako preprosto. Tu imajo vlogo lastnosti cepljivega materiala in razmerje med prostornino in površino. Predstavljajte si tono urana-235 (takoj bom rezerviral - veliko je), ki obstaja v obliki tanke in zelo dolge žice. Da, nevtron, ki leti zraven, bo seveda povzročil prisilno razpadanje. Toda delež nevtronov, ki letijo vzdolž žice, bo tako majhen, da je smešno govoriti o samozadostni verižni reakciji.
Zato smo se dogovorili, da bomo upoštevali kritično maso za sferično litje. Za čisti uran-235 je kritična masa 50 kg (to je krogla s polmerom 9 cm). Razumete, da takšna žoga ne bo trajala dolgo, tako kot tisti, ki jo oddajo.
Če je krogla manjše mase obdana z nevtronskim reflektorjem (berilij je kot nalašč zanjo) in v kroglo vnesemo material - nevtronski moderator (voda, težka voda, grafit, isti berilij), potem bo kritična masa postala veliko manjša. Z uporabo najučinkovitejših reflektorjev in nevtronskih moderatorjev lahko kritično maso povečamo na 250 gramov. To je na primer mogoče doseči z dajanjem nasičene raztopine soli urana-235 v težko vodo v sferično posodo z berilijem.
Kritična masa ni omejena na uran-235. Obstajajo tudi številni izotopi, ki so sposobni cepitvenih verižnih reakcij. Glavni pogoj je, da morajo produkti razpada jedra povzročiti razpadanje drugih jeder.
Uranova bomba
Tako imamo dve ulivi iz polkrogle urana, ki tehtata 40 kg. Dokler bosta na spoštljivi razdalji, bo vse mirno. In če jih začnete počasi premikati? V nasprotju s splošnim prepričanjem se ne bo zgodilo nič gobarjenja. Preprosto, kosi se bodo, ko se približajo, začeli segrevati, nato pa se, če se ne boste pravočasno premislili, segreli. Na koncu se bodo preprosto stopili in razširili in vsi, ki so premikali ulitke, bodo dali hrast pred nevtronskim obsevanjem. In tisti, ki so si to z zanimanjem ogledali, bodo zlepili plavutke.
In če hitreje? Se bo stopil hitreje. Še hitreje? Še hitreje se bodo stopili. Kul? Da, tudi če ga potopite v tekoči helij, ne bo smisla. In če streljate en kos na drugega? O! Trenutek resnice. Ravnokar smo pripravili shemo uranovih topov. Vendar se nimamo na kaj ponašati, ta shema je najpreprostejša in najbolj spretna od vseh. Da, in poloble bo treba zapustiti. Kot je pokazala praksa, se ravnine ne nagibajo k enakomernemu držanju. Najmanjše popačenje - in dobite zelo drag "kup", po katerem boste morali še dolgo čistiti.
Bolje narediti kratko debelostensko cev urana-235 z maso 30-40 kg, na luknjo katere pritrdimo visoko trdni jekleni sod istega kalibra, napolnjen s cilindrom istega urana približno enake mase. Obkrožimo tarčo urana z reflektorjem berilijevega nevtrona. Zdaj, če ustrelite uranovo "kroglo" na uranovo "cev" - bo polna "cev". Se pravi, prišlo bo do jedrske eksplozije. Streljati morate le na resen način, tako da je hitrost ustnega izstrelka v gobcu vsaj 1 km / s. V nasprotnem primeru bo spet "kup", vendar glasnejši. Dejstvo je, da se, ko se izstrelek in tarča približata, se toliko segrejeta, da začneta intenzivno izhlapevati s površine, upočasnjuje pa jo prihajajoči pretok plina. Če je hitrost nezadostna, obstaja verjetnost, da izstrelek preprosto ne doseže cilja, ampak na poti izhlapi.
Pospešiti do takšne hitrosti disk, težak nekaj deset kilogramov, poleg tega je na razdalji nekaj metrov izjemno težka naloga. Zato ne potrebujete smodnika, temveč močne eksplozive, ki lahko v zelo kratkem času ustvarijo ustrezen tlak plina v cevi. In potem vam ni treba čistiti cevi, ne skrbite.
Bomba Mk-I "Little Boy", ki je padla na Hirošimo, je bila zasnovana po topovski shemi.
Seveda obstajajo nepomembne podrobnosti, ki jih pri našem projektu nismo upoštevali, vendar se nismo popolnoma zavezali samemu načelu.
Plutonijeva bomba
Torej. Razstrelili smo uranovo bombo. Občudovali smo gobo. Zdaj bomo razstrelili plutonijev. Samo ne vlecite sem cilja, izstrelka, cevi in druge smeti. Ta številka ne bo delovala s plutonijem. Tudi če streljamo en kos v drugega s hitrostjo 5 km / s, nadkritični sklop še vedno ne bo deloval. Plutonij-239 bo imel čas, da se ogreje, izhlapi in pokvari vse naokoli. Njegova kritična masa je nekaj več kot 6 kg. Lahko si predstavljate, kako bolj aktiven je pri zajemanju nevtronov.
Plutonij je nenavadna kovina. Odvisno od temperature, tlaka in nečistoč obstaja v šestih modifikacijah kristalne rešetke. Obstajajo celo modifikacije, pri katerih se pri segrevanju skrči. Prehode iz ene faze v drugo je mogoče nenadoma izvesti, gostota plutonija pa se lahko spremeni za 25%. Pojdimo kot vsi običajni junaki naokrog. Spomnimo se, da je kritična masa določena zlasti z razmerjem med prostornino in površino. V redu, imamo podkritično masno kroglo, ki ima minimalno površino za določeno prostornino. Recimo 6 kilogramov. Polmer krogle je 4,5 cm. In če to kroglo stisnemo z vseh strani? Gostota se bo povečala sorazmerno s kocko linearnega stiskanja, površina pa se bo zmanjšala sorazmerno s kvadratom. In to se zgodi: atomi plutonija bodo postali gostejši, to pomeni, da se bo zavorna pot nevtrona skrajšala,kar pomeni, da se bo povečala verjetnost njegove absorpcije. Toda stiskanje s potrebno hitrostjo (približno 10 km / s) še vedno ne bo delovalo. Slepa ulica? Vendar ne.
Pri 300 ° C nastopi tako imenovana delta faza - najbolj ohlapna. Če plutonij dopiramo z galijem, segrejemo na to temperaturo in nato počasi ohladimo, lahko delta faza obstaja pri sobni temperaturi. Vendar ne bo stabilno. Pri visokih tlakih (približno deset tisoč atmosfer) se bo zgodil nenaden prehod v zelo gosto alfa fazo.
Kroglico plutonija položite v veliko (23 cm premera) in težko (120 kg) votlo kroglo urana-238. Ne skrbite, nima kritične mase. Toda popolnoma odseva hitre nevtrone. In še vedno nam bodo koristili. Mislite, da so to raznesli? Ne glede na to, kako je. Plutonij je prekleto muhasta entiteta. Še vedno bomo morali delati. Naredimo dve polobli plutonija v delta fazi. V središču oblikujmo sferično votlino. In v to votlino bomo postavili kvintesenco misli o jedrskem orožju - nevtronski pobudnik. To je tako majhna votla berilijeva kroglica s premerom 20 in debelino 6 mm. V njej je še ena berilijeva kroglica s premerom 8 mm. Na notranji površini votle krogle so globoki utori. Vse to je radodarno ponikljano in pozlačeno. Polonij-210 je nameščen v utore, ki aktivno oddajajo alfa delce. Tu je tak čudež tehnologije. Kako deluje? Počakaj malo. Čaka nas še nekaj stvari.
Obkrožimo uranovo lupino z drugo, izdelano iz zlitine aluminijevega bora. Njegova debelina je približno 13 cm. Skupaj je naša "gnezdilka" zdaj zrasla na pol metra in okrevala s 6 na 250 kg.
Zdaj bomo naredili implozijske "leče". Predstavljajte si nogometno žogo. Klasična, sestavljena iz 20 šesterokotnikov in 12 peterokotnikov. Naredimo takšno "kroglo" iz eksplozivov in vsakega od segmentov opremimo z več električnimi detonatorji. Debelina segmenta je približno pol metra. Tudi pri izdelavi "leč" je veliko subtilnosti, če pa jih opišete, potem ni dovolj prostora za vse ostalo. Glavna stvar je največja natančnost objektiva. Najmanjša napaka - in celoten sklop bo zdrobljen zaradi razstreljevanja eksplozivov. Popoln sklop ima zdaj premer približno en meter in pol in maso 2,5 tone. Zasnovo zaključi električni tokokrog, katerega naloga je detonatorji detonirati v strogo določenem zaporedju s točnostjo mikrosekunde.
Vse. Pred nami je shema implozije plutonija.
In zdaj zabavni del.
Pri eksploziji eksploziv stisne sklop in aluminijasti "potiskač" ne dovoli, da bi se razpad eksplozivnega vala razširil navznoter po njegovi fronti. Po prehodu skozi uran s hitrostjo nasprotne hitrosti približno 12 km / s bo kompresijski val stisnil tako njega kot plutonij. Plutonij bo pri tlakih v stiskalnem območju okoli sto tisoč atmosfer (učinek fokusiranja eksplozivne fronte) skočil v alfa fazo. V 40 mikrosekundah tukaj opisan urano-plutonijev sklop ne bo le nadkritičen, ampak nekajkrat večji od kritične mase.
Ko pride do iniciatorja, bo kompresijski val zdrobil celotno strukturo v monolit. V tem primeru se bo zlato-nikljeva izolacija zrušila, polonij-210 bo zaradi difuzije prodrl v berilij, delci alfe, ki jih oddaja, prehajajoč skozi berilij, bodo povzročili ogromen tok nevtronov, ki sprožijo verižno cepitveno reakcijo v celotni količini plutonija, in tok "hitrih" nevtronov. razpad plutonija, bo povzročil eksplozijo urana-238. Končano, pridelali smo drugo gobo, nič slabšo od prve.
Primer sheme implozije plutonija je bomba Mk-III "Fatman", spuščena na Nagasaki.
Vsi tukaj opisani triki so potrebni, da se prisili največje število jedrov atomskega plutonija, da reagirajo. Glavna naloga je čim dlje obdržati naboj v kompaktnem stanju, da se prepreči njegovo razprševanje kot plazemski oblak, v katerem se verižna reakcija takoj ustavi. Tu je vsaka pridobljena mikrosekunda povečanje za en ali dva kilotona moči.
Termonuklearna bomba
Razširjeno je prepričanje, da je jedrska bomba varovalka za termonuklearno bombo. Načeloma je vse veliko bolj zapleteno, vendar je bistvo pravilno zajeto. Orožje, ki temelji na principih termonuklearne fuzije, je omogočilo doseči takšno eksplozijsko moč, ki je v nobenem primeru ni mogoče doseči s cepitveno verižno reakcijo. Toda doslej je edini vir energije, ki omogoča "vžig" termonuklearne fuzijske reakcije, jedrska eksplozija.
Termonuklearna fuzija
Se spomnite, kako smo jedro vodika "hranili" z nevtroni? Torej, če poskusite na ta način povezati dva protona, iz tega ne bo nič. Protoni se zaradi Coulomovih odbojnih sil ne bodo držali skupaj. Ali se razpršijo ali pa pride do razpada beta in eden od protonov postane nevtron. Toda helij-3 obstaja. Zahvaljujoč enemu nevtronu, zaradi katerega so protoni bolj primerni za življenje.
Načeloma lahko na podlagi sestave jedra helija-3 sklepamo, da je eno jedro helija-3 mogoče popolnoma sestaviti iz jeder protiuma in devterija. Teoretično je to res, vendar se takšna reakcija lahko pojavi le v črevesju velikih in vročih zvezd. Poleg tega lahko v notranjosti zvezd helij zbiramo tudi samo iz protonov, ki nekatere pretvorijo v nevtrone. Toda to so že vprašanja astrofizike in za nas je dosegljiva možnost združiti dve jedri devterija ali devterija in tricija.
Za fuzijo jeder je potreben en zelo specifičen pogoj. To je zelo visoka (109 K) temperatura. Le s povprečno kinetično energijo jeder 100 keV se lahko približajo razdalji, na kateri začne močna interakcija premagati Coulomb interakcijo.
Precej legitimno vprašanje - zakaj ta vrt ograjevati? Dejstvo je, da fuzija lahkih jeder sprosti energijo približno 20 MeV. Seveda je s prisilno cepitvijo uranovega jedra ta energija 10-krat večja, vendar obstaja eno opozorilo - z največjimi triki je uran naboj s kapaciteto celo 1 megaton nemogoč. Tudi pri naprednejši plutonijevi bombi doseženi izkoristek energije ne presega 7-8 kilotonov na kilogram plutonija (s teoretično največ 18 kilotoni). In ne pozabite, da je jedro urana skoraj 60-krat težje od dveh jeder devterija. Če upoštevamo specifičen donos energije, potem termonuklearna fuzija opazno napreduje.
Pa vendar - za termonuklearni naboj ni omejitev glede kritične mase. Preprosto ga nima. Obstajajo pa tudi druge omejitve, vendar o njih - spodaj.
Začetek termonuklearne reakcije kot vira nevtronov ni dovolj težaven. Težje ga je izstreliti kot vir energije. Tu se srečujemo s tako imenovanim Lawsonovim merilom, ki določa energijsko prednost termonuklearne reakcije. Če je zmnožek gostote reagirajočih jeder in časa njihovega zadrževanja na fuzijski razdalji večji od 1014 sek / cm3, bo energija, ki jo zagotavlja fuzija, presegla energijo, vneseno v sistem.
Vsi termonuklearni programi so bili namenjeni doseganju tega merila.
Klasična super
Prva shema termonuklearnih bomb, ki je Edwardu Tellerju padla na pamet, je bila podobna poskusu ustvariti plutonijevo bombo s pomočjo topovske sheme. To pomeni, da se zdi vse pravilno, vendar ne deluje. "Klasična super" naprava - tekoči devterij, v katero je potopljena plutonijeva bomba - je bila res klasična, a še zdaleč ne super.
Ideja o eksploziji jedrskega naboja v tekočem devterijevem mediju se je sprva izkazala za slepo ulico. V takih pogojih bi lahko najmanjši izkoristek termonuklearne fuzijske energije dosegli z detonacijo 500 kt jedrskega naboja. In sploh ni bilo treba govoriti o doseganju Lawsonovega merila.
Puff
Tudi Teller je zasnoval idejo, da bi jedrski naboj sprožil s plastmi termonuklearnega goriva, posejanega z uranom-238 kot toplotnim izolatorjem in ojačevalnikom eksplozije. In ne samo on. Prve sovjetske termonuklearne bombe so bile zgrajene natančno po tej shemi. Načelo je bilo povsem preprosto: jedrski naboj segreje termonuklearno gorivo do temperature začetka fuzije, hitri nevtroni, ki nastanejo med fuzijo, pa eksplodirajo plasti urana-238. Vendar je omejitev ostala enaka - pri temperaturi, ki jo lahko zagotavlja jedrski sprožilec, lahko v fuzijsko reakcijo vstopi le mešanica poceni devterija in neverjetno dragega tricija.
Kasneje je Teller prišel na idejo o uporabi spojine litij-6 devterida. Ta rešitev je omogočila opustitev dragih in neprijetnih kriogenih posod s tekočim devterijem. Poleg tega se je litij-6 zaradi obsevanja z nevtroni pretvoril v helij in tritij, ki sta vstopila v fuzijsko reakcijo z devterijem.
Pomanjkljivost te sheme je bila omejena moč - le omejen del termonuklearnega goriva, ki je obdajal sprožilec, je imel čas, da vstopi v fuzijsko reakcijo. Preostanek, ne glede na to, koliko je bilo, je šel v veter. Največja moč naboja, pridobljena pri uporabi "puha", je bila 720 kt (bomba British Orange Herald). Očitno je šlo za "strop".
Shema Teller-Ulam
O zgodovini razvoja sheme Teller-Ulam smo že govorili. Zdaj pa razumimo tehnične podrobnosti tega vezja, ki se imenuje tudi "dvostopenjsko" ali "sevalno kompresijsko vezje".
Naša naloga je segrevanje termonuklearnega goriva in njegovo vzdrževanje v določeni količini, da izpolnimo Lawsonovo merilo. Če pustimo ob strani ameriške vaje s kriogenimi vezji, si za termonuklearno gorivo vzemimo že znani devterid litij-6.
Kot material za posodo za termonuklearni naboj bomo izbrali uran-238. Posoda je valjasta. Ob osi posode bomo znotraj nje postavili valjasto palico iz urana-235, ki ima podkritično maso.
Opomba: takratna senzacionalna nevtronska bomba je enaka Shema Teller-Ulam, vendar brez uranove palice vzdolž osi posode. Bistvo je zagotoviti močan tok hitrih nevtronov, ne pa dovoliti izgorevanja vsega termonuklearnega goriva, ki bo porabilo nevtrone.
Preostali prostor posode napolnite z litij-6 deuteridom. Posodo bomo postavili na enega od koncev telesa bodoče bombe (to bo druga stopnja), na drugi konec pa bomo namestili konvencionalni plutonijev naboj z zmogljivostjo nekaj kilotonov (prva stopnja). Med jedrskim in termonuklearnim nabojem bomo namestili pregrado urana-238, da preprečimo prezgodnje segrevanje devterida litij-6. Preostali prostor v telesu bombe napolnite s trdnim polimerom. Načeloma je termonuklearna bomba pripravljena.
Ko se jedrski naboj detonira, se 80% energije sprosti v obliki rentgenskih žarkov. Njegova hitrost širjenja je veliko večja od hitrosti cepitve delcev plutonija. V stotih sekundah uranovega ščita izhlapi in rentgen sevanja začne intenzivno absorbirati uran v posodi s termonuklearnim nabojem. Kot posledica tako imenovane ablacije (odstranjevanja mase s površine ogrevane posode) se pojavi reaktivna sila, ki posodo stisne 10-krat. Prav ta učinek se imenuje sevalna implozija ali kompresija sevanja. V tem primeru se gostota fuzijskega goriva poveča 1000-krat. Zaradi ogromnega tlaka sevalne implozije se tudi centralna palica urana-235 stisne, čeprav v manjši meri, in preide v nadkritično stanje. V tem času je termonuklearni blok bombardiran s hitrimi nevtroni iz jedrske eksplozije. Po prehodu skozi devterid litij-6 se upočasnijo in jih urano palica močno absorbira.
V palici se začne fisiona verižna reakcija, ki hitro privede do jedrske eksplozije znotraj posode. Ker je devterid litij-6 podvržen ablacijski kompresiji od zunaj in pritisku jedrske eksplozije od znotraj, se njegova gostota in temperatura še povečata. Ta trenutek je začetek začetka sintezne reakcije. Njegovo nadaljnje vzdrževanje je odvisno od tega, kako dolgo bo posoda v sebi hranila termonuklearne procese in preprečevala sproščanje toplotne energije zunaj. To je tisto, kar določa doseganje Lawsonovega merila. Izgorevanje termonuklearnega goriva poteka od osi jeklenke do njenega roba. Prednja temperatura zgorevanja doseže 300 milijonov kelvinov. Nekaj sto nanosekund traja, da v celoti razvijemo eksplozijo do izgorevanja termonuklearnega goriva in uničenja posode - dvajset milijonov krat hitreje, kot ste prebrali to besedno zvezo.
Zanesljivo delovanje dvostopenjskega vezja je odvisno od natančnega sestavljanja posode in preprečevanja prezgodnjega ogrevanja.
Moč termonuklearnega naboja za shemo Teller-Ulam je odvisna od moči jedrskega sprožilca, ki zagotavlja učinkovito kompresijo s sevanjem. Vendar pa zdaj obstajajo tudi večstopenjske sheme, v katerih se energija prejšnje stopnje uporablja za stiskanje naslednje. Primer tristopenjske sheme je že omenjena 100-megatonska "mati Kuz'kina".