Při příštím výročí badabumu v Hirošimě a Nagasaki jsem se rozhodl prohledat internet kvůli otázkám jaderných zbraní, kde mě proč a jak to vzniklo, málo zajímalo (už jsem to věděl) - více mě zajímalo, jak se 2 kusy plutonia neroztaví, ale udělají velký široký.
Dávejte pozor na inženýry - začínají secími stroji a končí atomovou bombou.
Marcel Pagnol
Jaderná fyzika je jednou z nejkontroverznějších oblastí úctyhodné přírodní vědy. Právě v této oblasti hodilo lidstvo půl století miliardy dolarů, liber, franků a rublů, jako do lokomotivní pece ztraceného vlaku. Zdá se, že vlak už nepřijel pozdě. Zuřící plameny hořících fondů a člověkohodin utichly. Pokusme se stručně zjistit, co je to za vlak nazývaný „jaderná fyzika“.
Izotopy a radioaktivita
Jak víte, vše, co existuje, je tvořeno atomy. Atomy se zase skládají z elektronických skořápek, žijících podle svých ohromujících zákonů, a jádra. Klasickou chemii vůbec nezajímá jádro a jeho osobní život. Pro ni je atom jeho elektrony a jejich schopnost vyměňovat si interakce. A z jádra chemie je k výpočtu podílu reagencií potřeba pouze jeho hmotnost. Jaderná fyzika se zase o elektrony hluboce nestará. Zajímá se o malou (stotisíckrát menší než poloměr oběžných drah elektronů) skvrnu prachu uvnitř atomu, ve kterém je soustředěna téměř veškerá jeho hmota.
Propagační video:
Co víme o jádru? Ano, skládá se z pozitivně nabitých protonů a neutronů bez elektrického náboje. To však není tak úplně pravda. Jádro není hrstka dvoubarevných míčků, jako na ilustraci ze školní učebnice. V práci existují zcela odlišné zákony, které se nazývají silná interakce, které transformují jak protony, tak neutrony na jakýsi nerozeznatelný nepořádek. Náboj této kaše je však přesně stejný jako celkový náboj protonů v ní obsažených a hmotnost - téměř (opakuji téměř) se shoduje s hmotou neutronů a protonů, které tvoří jádro.
Mimochodem, počet protonů neionizovaného atomu se vždy shoduje s počtem elektronů, které ho mají tu čest obklopit. Ale s neutrony to není tak jednoduché. Úkolem neutronů je ve skutečnosti stabilizovat jádro, protože bez nich by se podobně nabité protony nedostaly k sobě ani v mikrosekundách.
Vezměme si pro jistotu vodík. Nejběžnější vodík. Jeho zařízení je směšně jednoduché - jeden proton obklopený jedním obíhajícím elektronem. Vodík ve vesmíru ve velkém. Můžeme říci, že vesmír se skládá hlavně z vodíku.
Nyní opatrně přidáme neutron k protonu. Z hlediska chemie je to stále vodík. Ale z pohledu fyziky už ne. Poté, co objevili dva různé vodíky, se fyzici znepokojili a okamžitě si pomysleli, že nazývají obyčejný vodík protium a vodík s neutronem s protonem - deuteriem.
Pojďme dostat nerv a nakrmit jádro ještě o jeden neutron. Nyní máme další vodík, ještě těžší - tritium. Z hlediska chemie se opět prakticky neliší od ostatních dvou vodíků (kromě toho, že nyní vstupuje do reakce o něco méně ochotně). Chci vás okamžitě varovat - žádné úsilí, vyhrožování a napomenutí nebudou schopny přidat další neutron k jádru tritia. Místní zákony jsou mnohem přísnější než ty lidské.
Protium, deuterium a tritium jsou tedy izotopy vodíku. Jejich atomová hmotnost je odlišná, ale jejich náboj není. Ale je to jaderný náboj, který určuje umístění v periodické tabulce prvků. Proto se izotopy nazývaly izotopy. V překladu z řečtiny to znamená „zabírat stejné místo“. Mimochodem, známá těžká voda je stejná voda, ale se dvěma atomy deuteria místo protia. Super těžká voda tedy obsahuje tritium místo protia.
Pojďme se znovu podívat na naše vodíky. Takže … Protium je na místě, deuterium je na místě … Kdo je to ještě? Kam se dostalo moje tritium a odkud pochází helium-3? V našem tritiu to jednomu z neutronů zjevně chybělo, rozhodl se změnit povolání a stal se protonem. Přitom porodil elektron a antineutrino. Ztráta tritia je samozřejmě zklamáním, ale nyní víme, že je nestabilní. Napájení neutronů nebylo marné.
Jak jste pochopili, izotopy jsou stabilní a nestabilní. Kolem nás je spousta stabilních izotopů, ale díky bohu prakticky žádné nestabilní nejsou. To znamená, že existují, ale v tak rozptýleném stavu, že je je třeba získat za cenu velkého množství práce. Například uran-235, který způsoboval Oppenheimerovi tolik potíží, je pouze 0,7% v přírodním uranu.
Poločas rozpadu
Všechno je zde jednoduché. Poločas nestabilního izotopu je časové období, během kterého se přesně polovina atomů izotopu rozpadne a přemění se na jiné atomy. Již známé tritium má poločas rozpadu 12,32 roku. Je to poměrně krátkodobý izotop, i když ve srovnání s francium-223, jehož biologický poločas je 22,3 minut, vypadá tritium jako šedovousý aksakal.
Na biologický poločas nemají vliv žádné makroskopické vnější faktory (tlak, teplota, vlhkost, nálada výzkumného pracovníka, výše prostředků, umístění hvězd). Kvantová mechanika je na takové nesmysly necitlivá.
Populární mechanika výbuchu
Podstatou každé exploze je rychlé uvolnění energie, která byla dříve ve nesvobodném vázaném stavu. Uvolněná energie je rozptýlena, převážně se mění v teplo (kinetická energie neuspořádaného pohybu molekul), rázová vlna (i zde pohyb, ale již uspořádaný, ve směru od středu exploze) a záření - od měkké infračervené po tvrdou kvantu krátkých vln.
S chemickou explozí je vše relativně jednoduché. Energeticky výhodná reakce nastává, když určité látky vzájemně reagují. Na reakci se podílejí pouze horní elektronické vrstvy některých atomů a interakce nejde hlouběji. Je snadné uhodnout, že v jakékoli látce je mnohem latentnější energie. Ale bez ohledu na podmínky experimentu, bez ohledu na to, jak dobrá jsou činidla, která zvolíme, bez ohledu na to, jak kalibrujeme proporce, chemie nás nenechá jít hlouběji do atomu. Chemická exploze je primitivní jev, neúčinný a z hlediska fyziky obscénně slabý.
Nukleární řetězová reakce vám umožní kopat trochu hlouběji, a to nejen ve hře, ale pouze v elektronech, ale také v jádrech. To zní opravdu vážně, snad jen pro fyzika, a pro ostatní uvedu jednoduchou analogii. Představte si obrovskou váhu, kolem které se třepou elektrifikované prachové částice ve vzdálenosti několika kilometrů. Toto je atom, „váha“je jádro a „prachové částice“jsou elektrony. Ať už s těmito prachovými zrny uděláte cokoli, nedají ani setinu energie, kterou lze získat z těžké váhy. Zvláště pokud se z nějakého důvodu rozbije a masivní úlomky se rozptylují velkou rychlostí v různých směrech.
Jaderný výbuch využívá vazebný potenciál těžkých částic, které tvoří jádro. Ale to je daleko od limitu: v hmotě je mnohem latentnější energie. A název této energie je hmotnost. Pro nefyzika to zní znovu trochu divně, ale hmotnost je energie, jen extrémně koncentrovaná. Každá částice: elektron, proton, neutron - to vše jsou skromné svazky neuvěřitelně husté energie, která je zatím v klidu. Pravděpodobně znáte vzorec E = mc2, který autoři anekdot, redaktoři nástěnných novin a designéři školních tříd tak milují. Přesně o tom je a je to ona, kdo postuluje hmotu jako nic víc než jednu formu energie. A také odpovídá na otázku, kolik energie lze z látky maximálně získat.
Proces úplného přechodu hmoty, tj. Vázané energie na energii volnou, se nazývá zničení. Podle latinského kořene „nihil“lze snadno uhodnout o jeho podstatě - jedná se o přeměnu na „nic“, respektive na záření. Pro přehlednost několik čísel.
Exploze TNT ekvivalentní energie (J)
F-1 granát 60 gramů 2,50 * 105
Bomba dopadla na Hirošimu 16 kilotun 6,70 * 1013
Zničení jednoho gramu hmoty 21,5 kiloton 8,99 * 1013
Jeden gram jakékoli hmoty (důležitá je pouze hmotnost) během zničení dá více energie než malá jaderná bomba. Ve srovnání s takovým návratem se zdá, že cvičení fyziků o jaderném štěpení, a ještě více experimenty chemiků s aktivními činidly, směšné.
Pro zničení jsou zapotřebí vhodné podmínky, konkrétně kontakt hmoty s antihmotou. A na rozdíl od „červené rtuti“nebo „kamene mudrců“je antihmota více než skutečná - pro částice, které známe, existují a byly studovány podobné antičástice a v praxi byly opakovaně prováděny pokusy o zničení párů „elektron + pozitron“. Abychom však mohli vytvořit zničující zbraň, je nutné dát dohromady určitý závažný objem antičástic a také je omezit v kontaktu s jakoukoli hmotou až po vojenské použití. Toto, pah-pah, je stále vzdálená vyhlídka.
Hromadná vada
Poslední otázkou, kterou je třeba pochopit ohledně mechaniky výbuchu, je to, odkud pochází energie: ta, která se uvolňuje během řetězové reakce? I zde to nebylo bez mše. Spíše bez její „vady“.
Až do minulého století vědci věřili, že hmota se zachovává za jakýchkoli podmínek, a svým způsobem měli pravdu. Ponořili jsme tedy kov do kyseliny - retorta probublávala a plynné bubliny proudily nahoru přes tloušťku kapaliny. Pokud ale vážíte činidla před a po reakci, aniž byste zapomněli na uvolněný plyn, hmota konverguje. A vždy to tak bude, zatímco pracujeme s kilogramy, metry a chemickými reakcemi.
Jakmile se ale ponoříte do oblasti mikročástic, hmota také překvapí. Ukazuje se, že hmotnost atomu se nemusí přesně rovnat součtu hmotností částic, které jej tvoří. Když je těžké jádro (například stejný uran) rozděleno na části, váží „fragmenty“celkově méně než jádro před štěpením. „Rozdíl“, nazývaný také hromadný defekt, je zodpovědný za energie vazby v jádře. A právě tento rozdíl přechází během exploze do tepla a záření, a to vše podle stejného jednoduchého vzorce: E = mc2.
To je zajímavé: stalo se, že je energeticky výhodné rozdělit těžká jádra a spojit lehká. První mechanismus funguje v uranové nebo plutoniové bombě, druhý ve vodíkové bombě. A ze všech sil nemůžete ze železa vyrobit bombu: v tomto řádku je přesně uprostřed.
Jaderná bomba
V historické posloupnosti se nejprve podívejme na jaderné bomby a provedme náš malý projekt na Manhattanu. Nebudu vás nudit nudnými metodami separace izotopů a matematickými výpočty teorie řetězové reakce štěpení. Ty a já máme uran, plutonium, další materiály, montážní pokyny a potřebnou část vědecké zvědavosti.
Štěpná řetězová reakce Už jsem zmínil, že štěpnou řetězovou reakci uranu poprvé provedl v prosinci 1942 Enrico Fermi. Nyní si promluvme o jaderné řetězové reakci podrobněji.
Všechny izotopy uranu jsou do určité míry nestabilní. Ale uran-235 je ve zvláštní pozici. Se spontánním rozpadem jádra uranu-235 (nazývaného také rozpad alfa) se tvoří dva fragmenty (jádra jiných, mnohem lehčích prvků) a několik neutronů (obvykle 2–3). Pokud neutron vytvořený během rozpadu zasáhne jádro jiného atomu uranu, dojde k obvyklé elastické srážce, neutron se odrazí a bude pokračovat v hledání dobrodružství. Ale po chvíli to bude plýtvat energií (ideálně k elastickým srážkám dochází pouze u sférických koní ve vakuu) a další jádro se ukáže jako past - neutron bude absorbován. Mimochodem, fyzici nazývají takové neutrony termálními.
Podívejte se na seznam známých izotopů uranu. Není mezi nimi žádný izotop s atomovou hmotností 236. Víte proč? Takové jádro žije zlomky mikrosekund a poté se rozpadá s uvolněním obrovského množství energie. Tomu se říká nucený úpadek. Izotop s takovým životem je jaksi trapné nazývat izotop.
Energie uvolněná během rozpadu jádra uranu-235 je kinetická energie fragmentů a neutronů. Pokud vypočítáme celkovou hmotnost produktů rozpadu jádra uranu a porovnáme ji s hmotou původního jádra, ukáže se, že tyto hmotnosti se neshodují - původní jádro bylo větší. Tento jev se nazývá hromadná vada a jeho vysvětlení je uvedeno ve vzorci E0 = mс2. Kinetická energie fragmentů dělená druhou mocninou rychlosti světla se bude přesně rovnat rozdílu hmotností. Fragmenty jsou zpomaleny v krystalové mřížce uranu, což vede k rentgenovému záření, a neutrony, které prošly, jsou absorbovány jinými jádry uranu nebo opouštějí uranový odlitek, kde dochází ke všem událostem.
Pokud je uranový odlitek malý, pak ho většina neutronů opustí, než mohou zpomalit. Pokud ale každý akt nuceného rozpadu způsobí kvůli emitovanému neutronu ještě alespoň jeden takový akt, jedná se již o samoudržující řetězovou reakci štěpení.
V souladu s tím, pokud se zvětší velikost odlitku, rostoucí počet neutronů způsobí činy nuceného štěpení. A v určitém okamžiku se řetězová reakce stane nekontrolovatelnou. Ale to není daleko od jaderného výbuchu. Jenom velmi „špinavý“tepelný výbuch, který uvolní velké množství velmi aktivních a toxických izotopů.
Kritické množství
Docela přirozená otázka - kolik uranu-235 je zapotřebí k tomu, aby se štěpná řetězová reakce stala lavinou? Ve skutečnosti není všechno tak jednoduché. Zde hrají roli vlastnosti štěpného materiálu a poměr objemu k povrchu. Představte si tunu uranu 235 (hned udělám rezervaci - je to hodně), která existuje ve formě tenkého a velmi dlouhého drátu. Ano, neutron, který kolem něj letí, samozřejmě způsobí akt nuceného rozpadu. Ale zlomek neutronů letících podél drátu bude tak malý, že je směšné hovořit o soběstačné řetězové reakci.
Proto jsme se dohodli na zvážení kritického množství pro sférický odlitek. U čistého uranu 235 je kritická hmotnost 50 kg (jedná se o kouli o poloměru 9 cm). Chápete, že taková koule nevydrží dlouho, jako ti, kteří ji hodí.
Pokud je koule s menší hmotou obklopena neutronovým reflektorem (berylium je pro ni ideální) a do koule je zaveden materiál - moderátor neutronů (voda, těžká voda, grafit, stejné berylium), bude kritická hmotnost mnohem menší. Použitím nejúčinnějších reflektorů a moderátorů neutronů lze kritickou hmotnost zvýšit na 250 gramů. Toho lze například dosáhnout umístěním nasyceného roztoku soli uranu 235 do těžké vody do sférické nádoby na berylium.
Kritické množství není omezeno na uran-235. Existuje také řada izotopů schopných štěpných řetězových reakcí. Hlavní podmínkou je, že produkty rozpadu jádra musí způsobovat procesy rozpadu jiných jader.
Uranová bomba
Takže máme dva polokulové uranové odlitky o hmotnosti 40 kg. Dokud budou v úctyhodné vzdálenosti od sebe, bude vše v klidu. A pokud je začnete pomalu hýbat? Na rozdíl od všeobecného přesvědčení se nic houbaření nestane. Je to tak, že kousky, jak se přiblíží, se začnou zahřívat, a pak, pokud si to včas nerozmyslíte, zahřejte se. Nakonec se jednoduše roztaví a rozšíří a každý, kdo hýbe odlitky, dá dubu z neutronového záření. A ti, kteří to sledovali se zájmem, slepí ploutve.
A pokud rychlejší? Rozpustí se rychleji. Stále rychlejší? Rozpustí se ještě rychleji. Chladný? Ano, i když to ponoříte do kapalného hélia, nebude to mít smysl. A pokud střílíte jeden kus na druhý? O! Okamžik pravdy. Právě jsme přišli s programem uranového děla. Nemáme však na co být hrdí, toto schéma je nejjednodušší a nejchytřejší ze všech. A budete se muset vzdát hemisfér. Jak ukázala praxe, nejsou nakloněni k tomu, aby se rovinami drželi rovnoměrně. Nejmenší zaujatost - a dostanete velmi drahou „partu“, po které budete muset dlouho uklidit.
Lepší je vyrobit krátkou silnostěnnou trubku z uranu-235 o hmotnosti 30-40 kg, k otvoru, ke kterému připevníme vysokopevnostní ocelovou hlaveň stejného kalibru, naplněnou válcem se stejným uranem přibližně stejné hmotnosti. Obklopme uranový terč berylium neutronovým reflektorem. Nyní, když vystřelíte uranovou „kulku“na uranovou „trubku“- bude tu celá „trubka“. To znamená, že dojde k jadernému výbuchu. Pouze vy musíte střílet vážně, aby úsťová rychlost uranové střely byla alespoň 1 km / s. Jinak opět bude „parta“, ale hlasitější. Faktem je, že když se projektil a cíl přiblíží k sobě, zahřejí se natolik, že se začnou intenzivně vypařovat z povrchu a zpomalují je přicházející proudy plynu. Kromě toho, pokud je rychlost nedostatečná, pak existuje šance, že střela jednoduše nedosáhne cíle, ale po cestě se odpaří.
Zrychlit na takovou rychlost disk o hmotnosti několika desítek kilogramů, navíc na vzdálenost několika metrů je nesmírně obtížný úkol. Proto nepotřebujete střelný prach, ale silné výbušniny schopné vytvořit správný tlak plynu v sudu za velmi krátkou dobu. A pak nemusíte hlaveň čistit, nebojte se.
Bomba „Malý chlapec“Mk-I spadnutá na Hirošimu byla navržena podle dělového schématu.
Existují samozřejmě nepodstatné podrobnosti, které jsme v našem projektu nezohlednili, ale zcela jsme se nezavázali proti samotnému principu.
Plutoniová bomba
Tak. Odpálili jsme uranovou bombu. Obdivovali jsme houbu. Nyní vyhodíme do povětří plutonium. Prostě sem nepřetahujte cíl, projektil, hlaveň a další odpadky. Toto číslo nebude fungovat s plutoniem. I když vypálíme jeden kus do druhého rychlostí 5 km / s, superkritická sestava nebude fungovat. Plutonium-239 bude mít čas se zahřát, odpařit a zkazit vše kolem. Jeho kritická hmotnost je jen něco málo přes 6 kg. Dokážete si představit, o kolik je to aktivnější při zachycování neutronů.
Plutonium je neobvyklý kov. V závislosti na teplotě, tlaku a nečistotách existuje v šesti modifikacích krystalové mřížky. Existují dokonce úpravy, při kterých se při zahřátí zmenšuje. Přechody z jedné fáze do druhé lze provést náhle, zatímco hustota plutonia se může změnit o 25%. Pojďme, stejně jako všichni normální hrdinové, obejít. Připomeňme, že kritické množství je určováno zejména poměrem objemu k povrchu. Dobře, máme podkritickou hromadnou kouli, která má minimální povrch pro daný objem. Řekněme 6 kilogramů. Poloměr koule je 4,5 cm. A pokud je tato koule stlačena ze všech stran? Hustota se zvýší úměrně s krychlí lineární komprese a povrch se zmenší úměrně s jejím čtvercem. A to se stane: atomy plutonia budou hustší, to znamená, že se zkrátí brzdná dráha neutronu,což znamená, že pravděpodobnost jeho absorpce se zvýší. Komprese při požadované rychlosti (asi 10 km / s) však opět nebude fungovat. Slepá ulička? Ale ne.
Při 300 ° C dochází k tzv. Delta fázi - nejvolnější. Pokud je plutonium dopováno galliem, zahřáto na tuto teplotu a poté pomalu ochlazeno, může při teplotě místnosti existovat delta fáze. Ale nebude to stabilní. Při vysokých tlacích (řádově desítek tisíc atmosfér) dojde k náhlému přechodu do velmi husté alfa fáze.
Umístěte plutoniovou kouli do velké (o průměru 23 cm) a těžké (120 kg) duté koule s uranem 238. Nebojte se, nemá to kritické množství. Ale dokonale to odráží rychlé neutrony. A budou pro nás stále užitečné. Myslíte si, že to vyhodili do vzduchu? Bez ohledu na to, jak to je. Plutonium je zatraceně rozmarná entita. Stále budeme muset pracovat. Vytvořme dvě hemisféry plutonia v delta fázi. Ve středu vytvoříme kulovou dutinu. A do této dutiny umístíme kvintesenci myšlenky jaderných zbraní - iniciátor neutronů. Jedná se o takovou malou dutou beryliovou kouli o průměru 20 a tloušťce 6 mm. Uvnitř je další beryliová koule o průměru 8 mm. Na vnitřním povrchu duté kuličky jsou hluboké drážky. To vše je velkoryse poniklované a pozlacené. Drážky obsahují polonium-210, které aktivně emituje alfa částice. Zde je takový zázrak technologie. Jak to funguje? Počkej. Stále máme před sebou několik věcí.
Obklopme uranovou skořápku dalším vyrobeným ze slitiny hliníku a boru. Jeho tloušťka je asi 13 cm. Celkově naše „hnízdící panenka“nyní narostla na půl metru a zotavila se ze 6 na 250 kg.
Nyní vyrobíme implozní „čočky“. Představte si fotbalový míč. Klasický, skládající se z 20 šestiúhelníků a 12 pětiúhelníků. Udělejme takovou „kouli“z výbušnin a každý ze segmentů vybavme několika elektrickými rozbuškami. Tloušťka segmentu je asi půl metru. Při výrobě "čoček" existuje také spousta jemností, ale pokud je popíšete, není dostatek místa pro všechno ostatní. Hlavní věcí je maximální přesnost objektivu. Nejmenší chyba - a celá sestava bude rozdrcena výbuchem výbušnin. Celá sestava má nyní průměr asi jeden a půl metru a hmotnost 2,5 tuny. Návrh je završen elektrickým obvodem, jehož úkolem je detonovat detonátory v přesně definovaném pořadí s přesností na mikrosekundu.
Všechno. Před námi je schéma imploze plutonia.
A teď ta zábavná část.
Když je výbušnina odpálena, komprimuje sestavu a hliníkový „posunovač“neumožňuje, aby se rozpad tlakové vlny šířil dovnitř po její přední straně. Po průchodu uranem s protiběžnou rychlostí asi 12 km / s bude kompresní vlna zhutňovat jak on, tak plutonium. Plutonium při tlacích v kompresní zóně řádově stovek tisíc atmosfér (účinek zaostření výbušné fronty) skočí do alfa fáze. Za 40 mikrosekund zde popsaná sestava uran-plutonium nebude jen superkritická, ale několikrát větší než kritické množství.
Když dosáhne iniciátoru, tlaková vlna rozdrtí celou svou strukturu na monolit. V tomto případě se zlato-niklová izolace zhroutí, polonium-210 v důsledku difúze pronikne do berylia, alfa částice emitované jím procházející beryliem způsobí kolosální tok neutronů, který spustí řetězovou štěpnou reakci v celém objemu plutonia, a tok „rychlých“neutronů generovaných rozpad plutonia způsobí výbuch uranu 238. Hotovo, vypěstovali jsme druhou houbu, o nic horší než první.
Příkladem schématu imploze plutonia je bomba Mk-III „Fatman“spadnutá na Nagasaki.
Všechny zde popsané triky jsou potřebné, aby se donutil reagovat maximální počet atomových jader plutonia. Hlavním úkolem je udržet náboj v kompaktním stavu co nejdéle, aby se zabránilo jeho rozptylu jako plazmového mraku, ve kterém se řetězová reakce okamžitě zastaví. Tady je každá vyhraná mikrosekunda nárůstem o jeden nebo dva kilotony energie.
Termonukleární bomba
Existuje rozšířená víra, že jaderná bomba je pojistkou pro termonukleární bombu. V zásadě je vše mnohem komplikovanější, ale podstata je zachycena správně. Zbraně založené na principech termonukleární fúze umožnily dosáhnout takové explozní síly, kterou za žádných okolností nelze dosáhnout štěpnou řetězovou reakcí. Ale zatím jediným zdrojem energie, který umožňuje „zapálení“reakce termonukleární fúze, je jaderný výbuch.
Termonukleární fúze
Pamatujete si, jak jsme „napájeli“vodíkové jádro neutrony? Pokud se tedy pokusíte spojit dva protony dohromady tímto způsobem, nic z toho nebude. Protony nebudou držet pohromadě kvůli Coulombovým odpudivým silám. Buď se rozptýlí, nebo dojde k rozpadu beta a jeden z protonů se stane neutronem. Ale helium-3 existuje. Díky jedinému neutronu, díky kterému jsou protony navzájem obývatelnější.
V zásadě lze na základě složení jádra helia-3 dojít k závěru, že jedno jádro helia-3 lze zcela sestavit z jader protia a deuteria. Teoreticky je to tak, ale k takové reakci může dojít pouze v útrobách velkých a horkých hvězd. Navíc v hlubinách hvězd, dokonce i z některých protonů, lze sbírat hélium, které přeměňuje některé z nich na neutrony. Ale to už jsou otázky astrofyziky a dosažitelnou možností pro nás je sloučit dvě jádra deuteria nebo deuteria a tritia.
Pro fúzi jader je nutná jedna velmi specifická podmínka. Toto je velmi vysoká teplota (109 K). Pouze s průměrnou kinetickou energií jader 100 keV jsou schopni se přiblížit na vzdálenost, při které silná interakce začíná překonávat interakci Coulomb.
Docela oprávněná otázka - proč oplocovat tuto zahradu? Faktem je, že fúze lehkých jader uvolňuje energii asi 20 MeV. Samozřejmě, s nuceným štěpením uranového jádra je tato energie 10krát více, ale existuje jedna námitka - s největšími triky je uranový náboj s kapacitou i 1 megatonu nemožný. Dokonce i pro pokročilejší plutoniovou bombu není dosažitelný energetický výtěžek vyšší než 7-8 kiloton na kilogram plutonia (s teoretickým maximem 18 kiloton). A nezapomeňte, že jádro uranu je téměř 60krát těžší než dvě jádra deuteria. Pokud vezmeme v úvahu výtěžek specifické energie, pak je termonukleární fúze znatelně před námi.
A přesto - pro termonukleární náboj neexistují žádná omezení kritického množství. Prostě to nemá. Existují však i další omezení, ale o nich - níže.
Zahájení termonukleární reakce jako zdroje neutronů není v zásadě dost obtížné. Je mnohem obtížnější jej spustit jako zdroj energie. Zde se potýkáme s takzvaným Lawsonovým kritériem, které určuje energetickou výhodu termonukleární reakce. Pokud je součin hustoty reagujících jader a doby jejich zadržení ve vzdálenosti fúze větší než 1014 s / cm3, energie poskytovaná fúzí překročí energii zavedenou do systému.
Dosažení tohoto kritéria byly věnovány všechny termonukleární programy.
Klasický super
První schéma termonukleární bomby, které napadlo Edwarda Tellera, bylo něco podobného pokusu o vytvoření plutoniové bomby pomocí dělového schématu. To znamená, že vše se zdá být správné, ale nefunguje to. „Klasické super“zařízení - kapalné deuterium, ve kterém je ponořena plutoniová bomba - bylo skutečně klasické, ale zdaleka super.
Myšlenka výbuchu jaderné nálože v kapalném deuteriovém médiu se zpočátku ukázala jako slepá ulička. Za takových podmínek by bylo možné dosáhnout nejmenšího výtěžku energie termonukleární fúze detonací 500 kt jaderného náboje. A o dosažení Lawsonova kritéria nebylo třeba vůbec mluvit.
Nafouknout
S myšlenkou obklopit spouštěč jaderného náboje vrstvami termonukleárního paliva rozptýleného uranem 238 jako tepelným izolátorem a explozním zesilovačem přišel i Teller. A nejen on. První sovětské termonukleární bomby byly postaveny přesně podle tohoto schématu. Princip byl docela jednoduchý: jaderný náboj ohřívá termonukleární palivo na teplotu začátku fúze a rychlé neutrony generované během fúze explodují vrstvy uranu-238. Omezení však zůstalo stejné - při teplotě, kterou mohl poskytnout jaderný spouštěč, mohla do fúzní reakce vstoupit pouze směs levného deuteria a neuvěřitelně drahého tritia.
Později Teller přišel s nápadem použít sloučeninu lithium-6 deuterid. Toto řešení umožnilo opustit drahé a nepohodlné kryogenní nádoby s kapalným deuteriem. Kromě toho se v důsledku ozáření neutrony lithium-6 přeměnilo na helium a tritium, které vstoupilo do fúzní reakce s deuteriem.
Nevýhodou tohoto schématu byla omezená síla - pouze omezená část termonukleárního paliva obklopujícího spoušť měla čas vstoupit do fúzní reakce. Zbytek, bez ohledu na to, kolik to bylo, šel do větru. Maximální nabíjecí výkon získaný při použití „šluku“byl 720 kt (bomba British Orange Herald). Zřejmě to byl „strop“.
Teller-Ulamovo schéma
O historii vývoje Teller-Ulamova schématu jsme již hovořili. Nyní pochopíme technické podrobnosti tohoto obvodu, který se také nazývá obvod „dvoustupňový“nebo „komprese záření“.
Naším úkolem je ohřívat termonukleární palivo a udržovat jej v určitém objemu, aby bylo splněno Lawsonovo kritérium. Nechme stranou americká cvičení s kryogenními obvody, vezmeme si deuterid lithium-6, který je nám již známý, jako termonukleární palivo.
Jako materiál pro termonukleární náboj vybereme uran-238. Kontejner je válcovitý. Podél osy nádoby, uvnitř ní, umístíme válcovou tyč vyrobenou z uranu-235, která má podkritickou hmotu.
Poznámka: senzační neutronová bomba v té době je stejná Teller-Ulamova schéma, ale bez uranové tyče podél osy kontejneru. Jde o to zajistit silný tok rychlých neutronů, ale nedovolit vyhoření veškerého termonukleárního paliva, které neutrony spotřebuje.
Zbytek volného prostoru nádoby naplňte deuteridem lithium-6. Nádobu umístíme na jeden z konců těla budoucí bomby (bude to druhý stupeň) a na druhý konec namontujeme konvenční plutoniovou nálož s kapacitou několika kiloton (první stupeň). Mezi jaderné a termonukleární nálože namontujeme přepážku uran-238, abychom zabránili předčasnému zahřátí deuteridu lithia-6. Zbytek volného prostoru uvnitř těla bomby vyplňte pevným polymerem. Termonukleární bomba je v zásadě připravena.
Při výbuchu jaderného náboje se 80% energie uvolní ve formě rentgenových paprsků. Jeho rychlost šíření je mnohem vyšší než rychlost štěpení fragmentů plutonia. Za setiny mikrosekundy se uranový štít odpaří a rentgenové záření začne být intenzivně absorbováno uranem v nádobě s termonukleárním nábojem. V důsledku takzvané ablace (odstranění hmoty z povrchu vyhřívané nádoby) se objeví reaktivní síla, která nádobu 10krát stlačí. Právě tomuto jevu se říká radiační imploze nebo radiační komprese. Současně se hustota fúzního paliva zvyšuje 1000krát. V důsledku kolosálního tlaku radiační imploze je centrální tyč uranu-235 také stlačena, i když v menší míře, a přechází do superkritického stavu. Do této doby je termonukleární blok bombardován rychlými neutrony z jaderného výbuchu. Po průchodu deuteridem lithium-6 zpomalují a jsou intenzivně absorbovány uranovou tyčí.
V tyči začíná štěpná řetězová reakce, která rychle vede k jadernému výbuchu uvnitř nádoby. Jelikož lithium-6 deuterid podléhá ablační kompresi zvenčí a tlaku jaderného výbuchu zevnitř, jeho hustota a teplota se ještě zvyšují. Tento okamžik je začátkem začátku syntézní reakce. Jeho další údržba je určena tím, jak dlouho kontejner udrží termonukleární procesy uvnitř sebe a zabrání uvolňování tepelné energie ven. To je to, co určuje dosažení Lawsonova kritéria. Spalování termonukleárního paliva probíhá od osy válce k jeho okraji. Teplota přední části spalování dosahuje 300 milionů kelvinů. Úplné rozvinutí exploze až po vyhoření termonukleárního paliva a zničení kontejneru trvá několik stovek nanosekund - dvacet milionůkrát rychleji, než jste četli tuto frázi.
Spolehlivý provoz dvoustupňového okruhu závisí na přesné montáži zásobníku a prevenci předčasného ohřevu.
Síla termonukleárního náboje pro Teller-Ulamovo schéma závisí na síle jaderného spouštěče, která zajišťuje účinnou kompresi zářením. Nyní však existují vícestupňová schémata, ve kterých se energie předchozího stupně používá ke kompresi dalšího. Příkladem třístupňového schématu je již zmíněná 100megatonová „matka Kuz'kina“.