Устройство с ядрена бойна глава. АЕЦ: как работи? Течен метал и принцип на работа

За да разберете принципа на работа и дизайна на ядрен реактор, трябва да направите кратко отклонение в миналото. Ядреният реактор е вековна въплътена, макар и не напълно, мечта на човечеството за неизчерпаем източник на енергия. Негов древен „прародител” е огън от сухи клони, който някога е осветявал и топлел сводовете на пещерата, където далечните ни предци са намирали спасение от студа. По-късно хората усвоиха въглеводородите - въглища, шисти, нефт и природен газ.

Започна бурна, но краткотрайна ера на парата, която беше заменена от още по-фантастична ера на електричеството. Градовете се изпълниха със светлина, а работилниците с бръмчене на непознати дотогава машини, задвижвани от електродвигатели. Тогава изглеждаше, че прогресът е достигнал връхната си точка.

Всичко се променя в края на 19 век, когато френският химик Антоан Анри Бекерел случайно открива, че солите на урана са радиоактивни. След 2 години неговите сънародници Пиер Кюри и съпругата му Мария Склодовска-Кюри получават радий и полоний от тях, като нивото на тяхната радиоактивност е милиони пъти по-високо от това на торий и уран.

Щафетата е поета от Ърнест Ръдърфорд, който подробно изучава природата на радиоактивните лъчи. Така започна епохата на атома, който роди своето любимо дете - ядрения реактор.

Първи ядрен реактор

"Първородният" е от САЩ. През декември 1942 г. реакторът даде първия ток, който получи името на своя създател, един от най-големите физици на века, Е. Ферми. Три години по-късно атомната централа ZEEP оживя в Канада. "Бронз" отиде при първия съветски реактор Ф-1, пуснат в края на 1946 г. И. В. Курчатов стана ръководител на вътрешния ядрен проект. Днес в света успешно работят над 400 атомни енергоблока.

Видове ядрени реактори

Основната им цел е да поддържат контролирана ядрена реакция, която произвежда електричество. Някои реактори произвеждат изотопи. Накратко, това са устройства, в дълбините на които едни вещества се превръщат в други с отделяне на голямо количество топлинна енергия. Това е своеобразна "пещ", където вместо традиционните горива се "изгарят" изотопи на уран - U-235, U-238 и плутоний (Pu).

За разлика например от автомобил, предназначен за няколко вида бензин, всеки вид радиоактивно гориво има свой собствен тип реактор. Те са две - на бавни (с U-235) и бързи (с U-238 и Pu) неутрони. Повечето атомни електроцентрали са оборудвани с реактори с бавни неутрони. В допълнение към атомните електроцентрали, инсталациите "работят" в изследователски центрове, на атомни подводници и.

Как е реактора

Всички реактори имат приблизително еднаква схема. Неговото "сърце" е активната зона. Може грубо да се сравни с пещта на конвенционална печка. Само вместо дърва за огрев има ядрено гориво под формата на горивни елементи с модератор - ТВЕЛ. Активната зона е разположена вътре в своеобразна капсула - неутронен рефлектор. Горивните пръти се "измиват" от охлаждащата течност - вода. Тъй като „сърцето“ има много високо ниво на радиоактивност, то е заобиколено от надеждна радиационна защита.

Операторите контролират работата на инсталацията с помощта на две критични системи, контрол на верижната реакция и система за дистанционно управление. Ако възникне извънредна ситуация, незабавно се задейства аварийна защита.

Как работи реакторът

Атомният "пламък" е невидим, тъй като процесите протичат на ниво ядрено делене. В хода на верижна реакция тежките ядра се разпадат на по-малки фрагменти, които, намирайки се във възбудено състояние, стават източници на неутрони и други субатомни частици. Но процесът не свършва дотук. Неутроните продължават да се „раздробяват“, в резултат на което се освобождава много енергия, тоест какво се случва, за които се изграждат атомни електроцентрали.

Основната задача на персонала е да поддържа верижна реакция с помощта на контролни пръти на постоянно, регулируемо ниво. Това е основната му разлика от атомната бомба, където процесът на ядрено разпадане е неконтролируем и протича бързо, под формата на мощна експлозия.

Какво се случи в атомната електроцентрала в Чернобил

Една от основните причини за катастрофата в атомната електроцентрала в Чернобил през април 1986 г. е грубо нарушение на правилата за безопасност при експлоатацията в процеса на текущата поддръжка на 4-ти енергоблок. Тогава от активната зона бяха извадени едновременно 203 графитни пръчки вместо разрешените по норматив 15. В резултат на това започналата неконтролирана верижна реакция завърши с термична експлозия и пълно унищожаване на енергийния блок.

Реактори от ново поколение

През последното десетилетие Русия се превърна в един от световните лидери в ядрената енергетика. В момента държавната корпорация "Росатом" изгражда атомни електроцентрали в 12 страни, където се изграждат 34 енергоблока. Такова голямо търсене е доказателство за високото ниво на съвременните руски ядрени технологии. Следват новите реактори от 4-то поколение.

"Брест"

Един от тях е Брест, който се разработва в рамките на проекта Breakthrough. Настоящите системи с отворен цикъл работят с ниско обогатен уран, оставяйки след себе си голямо количество отработено гориво, което трябва да бъде изхвърлено на огромни разходи. "Брест" - реактор на бързи неутрони е уникален в затворен цикъл.

При него отработеното гориво след подходяща обработка в реактор на бързи неутрони отново се превръща в пълноценно гориво, което може да бъде заредено обратно в същото съоръжение.

Брест се отличава с високо ниво на сигурност. Той никога няма да "избухне" дори и при най-сериозната авария, той е много икономичен и екологичен, тъй като използва повторно своя "обновен" уран. Той също така не може да се използва за производство на оръжеен плутоний, което отваря най-широки перспективи за неговия износ.

ВВЕР-1200

ВВЕР-1200 е иновативен реактор от поколение 3+ с мощност 1150 MW. Благодарение на уникалните си технически възможности, той има почти абсолютна експлоатационна безопасност. Реакторът е оборудван с изобилие от системи за пасивна безопасност, които ще работят дори при липса на захранване в автоматичен режим.

Една от тях е система за пасивно отвеждане на топлината, която се активира автоматично, когато реакторът е напълно обезтощен. В този случай се предвиждат аварийни хидравлични резервоари. При необичаен спад на налягането в първи контур в реактора се подава голямо количество вода, съдържаща бор, който гаси ядрената реакция и абсорбира неутрони.

Друго ноу-хау е разположено в долната част на херметичната конструкция – „уловителя“ на стопилката. Ако все пак в резултат на авария активната зона "изтече", "капанът" няма да позволи на защитната конструкция да се срути и да предотврати навлизането на радиоактивни продукти в земята.

Ядрената енергия е модерен и бързо развиващ се начин за производство на електроенергия. Знаете ли как са устроени атомните електроцентрали? Какъв е принципът на работа на атомната електроцентрала? Какви видове ядрени реактори съществуват днес? Ще се опитаме да разгледаме подробно схемата на работа на атомна електроцентрала, да се впуснем в структурата на ядрен реактор и да разберем колко безопасен е атомният метод за производство на електроенергия.

Всяка станция е затворена зона, далеч от жилищния район. На територията му има няколко сгради. Най-важната сграда е сградата на реактора, до нея е машинната зала, от която се управлява реактора, и сградата за безопасност.

Схемата е невъзможна без ядрен реактор. Атомният (ядрен) реактор е устройство на атомна електроцентрала, което е предназначено да организира верижна реакция на делене на неутрони със задължително освобождаване на енергия в този процес. Но какъв е принципът на работа на атомната електроцентрала?

Цялата реакторна инсталация е разположена в сградата на реактора, голяма бетонна кула, която скрива реактора и в случай на авария ще съдържа всички продукти от ядрена реакция. Тази голяма кула се нарича контейнер, херметична обвивка или контейнер.

Херметичната зона в новите реактори е с 2 дебели бетонни стени - обвивки.
Външна обвивка с дебелина 80 cm предпазва зоната на задържане от външни влияния.

Вътрешната обвивка с дебелина 1 метър 20 см има в устройството си специални стоманени кабели, които увеличават якостта на бетона почти три пъти и няма да позволят структурата да се разпадне. От вътрешната страна е облицована с тънък лист от специална стомана, която е предназначена да служи като допълнителна защита на херметичната конструкция и в случай на авария да предотврати изхвърлянето на съдържанието на реактора извън херметичната зона.

Такова устройство на атомна електроцентрала може да издържи падането на самолет с тегло до 200 тона, земетресение с магнитуд 8, торнадо и цунами.

Първата камера под налягане е построена в американската атомна електроцентрала Connecticut Yankee през 1968 г.

Общата височина на защитната зона е 50-60 метра.

От какво е направен ядрен реактор?

За да разберете принципа на работа на атомния реактор, а оттам и принципа на работа на атомната електроцентрала, трябва да разберете компонентите на реактора.

активна зона. Това е зоната, където се поставят ядреното гориво (топлоотделител) и модераторът. Атомите на горивото (най-често уранът е гориво) извършват верижна реакция на делене. Модераторът е предназначен да контролира процеса на делене и ви позволява да извършите необходимата реакция по отношение на скорост и сила.
Неутронен рефлектор. Рефлекторът обгражда активната зона. Състои се от същия материал като модератора. Всъщност това е кутия, чиято основна цел е да попречи на неутроните да напуснат активната зона и да попаднат в околната среда.
Антифриз. Охлаждащата течност трябва да абсорбира топлината, която се отделя по време на деленето на атомите на горивото, и да я прехвърля към други вещества. Охлаждащата течност до голяма степен определя как е проектирана атомната електроцентрала. Най-популярната охлаждаща течност днес е водата.
Система за управление на реактора. Сензори и механизми, които привеждат в действие реактора на атомната електроцентрала.

Гориво за атомни електроцентрали

Какво прави атомната електроцентрала? Горивото за атомните електроцентрали са химически елементи с радиоактивни свойства. Във всички атомни електроцентрали уранът е такъв елемент.

Дизайнът на станциите предполага, че атомните електроцентрали работят на сложно композитно гориво, а не на чист химически елемент. И за да извлечете ураново гориво от естествен уран, който се зарежда в ядрен реактор, трябва да извършите много манипулации.

Обогатен уран

Уранът се състои от два изотопа, тоест съдържа ядра с различна маса. Те са наречени по броя на протоните и неутроните изотоп -235 и изотоп -238. Изследователите от 20-ти век започнаха да извличат уран 235 от рудата, т.к. беше по-лесно да се разложи и трансформира. Оказа се, че в природата има само 0,7% от такъв уран (останалите проценти отидоха за 238-ия изотоп).

Какво да направите в този случай? Решиха да обогатят уран. Обогатяването на уран е процес, при който в него остават много необходими изотопи 235x и малко ненужни изотопи 238x. Задачата на обогатителите на уран е да направят почти 100% уран-235 от 0,7%.

Уранът може да се обогатява с помощта на две технологии – газодифузионна или газова центрофуга. За тяхното използване уранът, извлечен от руда, се превръща в газообразно състояние. Под формата на газ се обогатява.

уран на прах

Обогатеният уранов газ се превръща в твърдо състояние - уранов диоксид. Този чист твърд уран 235 изглежда като големи бели кристали, които по-късно се натрошават на уран на прах.

Уранови таблетки

Урановите пелети са твърди метални шайби с дължина няколко сантиметра. За да се формоват такива таблетки от уранов прах, той се смесва с вещество - пластификатор, което подобрява качеството на пресоване на таблетките.

Пресованите шайби се пекат при температура от 1200 градуса по Целзий повече от един ден, за да придадат на таблетките специална здравина и устойчивост на високи температури. Начинът, по който работи атомната електроцентрала, зависи пряко от това колко добре е компресирано и изпечено урановото гориво.

Таблетките се пекат в кутии от молибден, т.к. само този метал е в състояние да не се стопи при "адски" температури над една и половина хиляди градуса. След това урановото гориво за атомните електроцентрали се счита за готово.

Какво е TVEL и TVS?

Ядрото на реактора изглежда като огромен диск или тръба с дупки в стените (в зависимост от вида на реактора), 5 пъти по-големи от човешко тяло. Тези дупки съдържат ураново гориво, чиито атоми извършват желаната реакция.

Невъзможно е просто да хвърлите гориво в реактор, добре, ако не искате да получите експлозия на цялата станция и авария с последствия за няколко близки държави. Следователно урановото гориво се поставя в горивни пръти и след това се събира в горивни касети. Какво означават тези съкращения?

TVEL - горивен елемент (да не се бърка със същото име на руската компания, която ги произвежда). Всъщност това е тънка и дълга циркониева тръба от циркониеви сплави, в която се поставят уранови топчета. Именно в горивните пръти атомите на урана започват да взаимодействат помежду си, отделяйки топлина по време на реакцията.

Цирконият е избран като материал за производството на горивни пръти поради неговата огнеупорност и антикорозионни свойства.

Видът на горивните елементи зависи от типа и конструкцията на реактора. По правило структурата и предназначението на горивните пръти не се променят, дължината и ширината на тръбата могат да бъдат различни.

Машината зарежда повече от 200 уранови топчета в една циркониева тръба. Общо около 10 милиона уранови топчета работят едновременно в реактора.
FA - горивен възел. Работниците в АЕЦ наричат горивните възли снопове.

Всъщност това са няколко TVEL, закрепени заедно. Горивните касети са готово ядрено гориво, с което работи атомната електроцентрала. Това са горивни касети, които се зареждат в ядрен реактор. В един реактор се поставят около 150 - 400 горивни касети.
В зависимост от това в кой реактор ще работи горивната касета, те се предлагат в различни форми. Понякога снопчетата са сгънати в кубична, понякога в цилиндрична, понякога в шестоъгълна форма.

Една горивна касета за 4 години работа генерира същото количество енергия, както при изгарянето на 670 вагона въглища, 730 резервоара с природен газ или 900 резервоара, натоварени с петрол.
Днес горивните възли се произвеждат главно в заводи в Русия, Франция, САЩ и Япония.

За да се достави гориво за атомни електроцентрали в други страни, горивните касети се затварят в дълги и широки метални тръби, въздухът се изпомпва от тръбите и се доставя на борда на товарни самолети със специални машини.

Ядреното гориво за атомните електроцентрали тежи непосилно много, т.к. уранът е един от най-тежките метали на планетата. Неговото специфично тегло е 2,5 пъти по-голямо от това на стоманата.

Атомна електроцентрала: принцип на действие

Какъв е принципът на работа на атомната електроцентрала? Принципът на действие на атомните електроцентрали се основава на верижна реакция на делене на атоми на радиоактивно вещество - уран. Тази реакция протича в сърцевината на ядрен реактор.

ВАЖНО Е ДА ЗНАЕТЕ:

Ако не навлизате в тънкостите на ядрената физика, принципът на работа на атомната електроцентрала изглежда така:
След стартиране на ядрения реактор от горивните пръти се отстраняват абсорбиращи пръти, които предотвратяват реакцията на урана.

Веднага щом прътите бъдат отстранени, урановите неутрони започват да взаимодействат помежду си.

Когато неутроните се сблъскат, възниква миниексплозия на атомно ниво, освобождава се енергия и се раждат нови неутрони, започва верижна реакция. Този процес отделя топлина.

Топлината се предава на охлаждащата течност. В зависимост от вида на охлаждащата течност тя се превръща в пара или газ, който върти турбината.

Турбината задвижва електрически генератор. Той всъщност генерира електричество.

Ако не следвате процеса, урановите неутрони могат да се сблъскат един с друг, докато реакторът бъде взривен и цялата атомна електроцентрала се разнесе на пух и прах. Компютърните сензори контролират процеса. Те отчитат повишаване на температурата или промяна в налягането в реактора и могат автоматично да спрат реакциите.

Каква е разликата между принципа на работа на атомните електроцентрали и топлоелектрическите централи (ТЕЦ)?

Разликите в работата са само на първите етапи. В атомните електроцентрали охлаждащата течност получава топлина от деленето на атоми на ураново гориво, в топлоелектрическите централи охлаждащата течност получава топлина от изгарянето на органично гориво (въглища, газ или нефт). След като атомите на урана или газа с въглищата отделят топлина, схемите на работа на атомните електроцентрали и топлоелектрическите централи са еднакви.

Видове ядрени реактори

Как работи атомната електроцентрала зависи от това как работи нейният ядрен реактор. Днес има два основни вида реактори, които се класифицират според спектъра на невроните:
Реактор на бавни неутрони, наричан още термичен реактор.

За работата му се използва уран 235, който преминава през етапите на обогатяване, създаване на уранови таблетки и др. Днес реакторите с бавни неутрони са в огромното мнозинство.
Реактор на бързи неутрони.

Тези реактори са бъдещето, т.к те работят върху уран-238, който е стотинка в природата и не е необходимо да се обогатява този елемент. Недостатъкът на такива реактори е само в много високите разходи за проектиране, изграждане и пускане. Днес реакторите на бързи неутрони работят само в Русия.

Охлаждащата течност в реакторите на бързи неутрони е живак, газ, натрий или олово.

Реакторите на бавни неутрони, които днес се използват от всички атомни електроцентрали в света, също биват няколко вида.

Организацията МААЕ (Международната агенция за атомна енергия) създаде своя собствена класификация, която се използва най-често в световната ядрена индустрия. Тъй като принципът на работа на атомната електроцентрала до голяма степен зависи от избора на охлаждаща течност и модератор, МААЕ базира своята класификация на тези разлики.

От химическа гледна точка деутериевият оксид е идеален модератор и охладител, т.к неговите атоми най-ефективно взаимодействат с неутроните на урана в сравнение с други вещества. Просто казано, тежката вода изпълнява задачата си с минимални загуби и максимални резултати. Производството му обаче струва пари, докато е много по-лесно да използваме обичайната „лека“ и позната вода за нас.

Няколко факта за ядрените реактори...

Интересното е, че един реактор на атомна централа се строи поне 3 години!
За да построите реактор, имате нужда от оборудване, което работи с електрически ток от 210 килоампера, което е милион пъти повече от тока, който може да убие човек.

Една обвивка (конструкционен елемент) на ядрен реактор тежи 150 тона. В един реактор има 6 такива елемента.

Воден реактор под налягане

Вече разбрахме как работи атомната електроцентрала като цяло, за да я „подредим“, нека видим как работи най-популярният ядрен реактор под налягане.
Днес навсякъде по света се използват реактори с вода под налягане поколение 3+. Те се считат за най-надеждни и безопасни.

Всички реактори с вода под налягане в света за всички години на тяхната експлоатация общо вече са успели да натрупат повече от 1000 години безаварийна работа и никога не са давали сериозни отклонения.

Структурата на атомните електроцентрали, базирани на реактори с вода под налягане, предполага, че между горивните пръти циркулира дестилирана вода, нагрята до 320 градуса. За да не премине в състояние на пара, той се поддържа под налягане от 160 атмосфери. Схемата на АЕЦ го нарича първична вода.

Загрятата вода постъпва в парогенератора и отдава топлината си на водата от втория контур, след което отново се „връща“ в реактора. Външно изглежда, че тръбите на първичния воден кръг са в контакт с други тръби - водата на втория кръг, те предават топлина една на друга, но водите не контактуват. Тръбите са в контакт.

По този начин се изключва възможността радиация да попадне във водата на втория контур, която по-нататък ще участва в процеса на генериране на електроенергия.

Безопасност на атомната електроцентрала

След като научихме принципа на работа на атомните електроцентрали, трябва да разберем как е организирана безопасността. Проектирането на атомни електроцентрали днес изисква повишено внимание към правилата за безопасност.
Разходите за безопасност на атомната електроцентрала са приблизително 40% от общите разходи за самата централа.

Схемата на АЕЦ включва 4 физически бариери, които предотвратяват изпускането на радиоактивни вещества. Какво трябва да правят тези бариери? В подходящия момент да можете да спрете ядрената реакция, да осигурите постоянно отвеждане на топлината от активната зона и самия реактор и да предотвратите изпускането на радионуклиди от защитната обвивка (задържаща зона).

Първата бариера е силата на урановите пелети.Важно е те да не се срутят под въздействието на високи температури в ядрен реактор. В много отношения как работи атомната електроцентрала зависи от това как са били "изпечени" урановите пелети в началния етап на производство. Ако пелетите с ураново гориво са изпечени неправилно, реакциите на атомите на урана в реактора ще бъдат непредвидими.
Втората бариера е херметичността на горивните пръти.Циркониевите тръби трябва да бъдат плътно запечатани, ако херметичността е нарушена, тогава в най-добрия случай реакторът ще бъде повреден и работата ще бъде спряна, в най-лошия случай всичко ще излети във въздуха.
Третата бариера е здрав стоманен корпус на реактора a, (същата голяма кула - херметизираща зона), която "задържа" всички радиоактивни процеси в себе си. Корпусът е повреден - радиация ще бъде изхвърлена в атмосферата.
Четвъртата бариера са пръти за аварийна защита.Над активната зона на магнити са окачени пръти с модератори, които могат да поемат всички неутрони за 2 секунди и да спрат верижната реакция.

Ако въпреки изграждането на атомна електроцентрала с много степени на защита, не е възможно да се охлади ядрото на реактора в точното време и температурата на горивото се повиши до 2600 градуса, тогава последната надежда на системата за безопасност влиза в действие - така нареченият капан за стопяване.

Факт е, че при такава температура дъното на корпуса на реактора ще се стопи и всички остатъци от ядрено гориво и разтопени конструкции ще се влеят в специално „стъкло“, окачено над ядрото на реактора.

Капанът за стопилка е охладен и огнеупорен. Той е пълен с така наречения "жертвен материал", който постепенно спира верижната реакция на делене.

Така схемата на АЕЦ предполага няколко степени на защита, които почти напълно изключват всяка възможност за авария.

Появата на атомни (ядрени) оръжия се дължи на множество обективни и субективни фактори. Обективно създаването на атомни оръжия се дължи на бързото развитие на науката, което започва с фундаментални открития в областта на физиката през първата половина на ХХ век. Основният субективен фактор беше военно-политическата ситуация, когато държавите от антихитлеристката коалиция започнаха негласна надпревара за разработване на толкова мощни оръжия. Днес ще разберем кой е изобретил атомната бомба, как се е развила в света и Съветския съюз, а също така ще се запознаем с нейното устройство и последствията от нейното използване.

Създаване на атомната бомба

От научна гледна точка далечната 1896 г. е годината на създаването на атомната бомба. Тогава френският физик А. Бекерел открива радиоактивността на урана. Впоследствие урановата верижна реакция започна да се разглежда като източник на огромна енергия и лесен за разработване на най-опасните оръжия в света. Въпреки това Бекерел рядко се споменава, когато се говори за това кой е изобретил атомната бомба.

През следващите няколко десетилетия алфа, бета и гама лъчи бяха открити от учени от цялата Земя. В същото време са открити голям брой радиоактивни изотопи, формулиран е законът за радиоактивното разпадане и е положено началото на изследването на ядрената изомерия.

През 40-те години на миналия век учените откриват неврона и позитрона и за първи път извършват делене на ядрото на атома на урана, придружено от поглъщане на неврони. Именно това откритие се превърна в повратна точка в историята. През 1939 г. френският физик Фредерик Жолио-Кюри патентова първата в света ядрена бомба, която той разработва със съпругата си от чисто научен интерес. Жолио-Кюри е този, който се смята за създател на атомната бомба, въпреки факта, че той е бил твърд защитник на световния мир. През 1955 г. той, заедно с Айнщайн, Борн и редица други известни учени, организират движението Pugwash, чиито членове се застъпват за мир и разоръжаване.

Бързо развиващите се, атомните оръжия се превърнаха в безпрецедентен военно-политически феномен, който ви позволява да гарантирате безопасността на своя собственик и да намалите до минимум възможностите на други оръжейни системи.

Как се прави ядрена бомба?

Структурно атомната бомба се състои от голям брой компоненти, основните от които са корпусът и автоматиката. Калъфът е предназначен да предпазва автоматиката и ядрения заряд от механични, термични и други влияния. Автоматиката контролира времевите параметри на експлозията.

Състои се от:

Аварийно къртене.
Устройства за включване и безопасност.
Захранване.
Различни сензори.

Транспортирането на атомни бомби до мястото на нападение се извършва с помощта на ракети (противовъздушни, балистични или крилати). Ядрените боеприпаси могат да бъдат част от наземна мина, торпедо, авиационна бомба и други елементи. За атомните бомби се използват различни детонационни системи. Най-простото е устройство, при което снаряд, удрящ целта, причинявайки образуването на суперкритична маса, стимулира експлозия.

Ядрените оръжия могат да бъдат голям, среден и малък калибър. Силата на експлозията обикновено се изразява в TNT. Атомните снаряди с малък калибър имат капацитет от няколко хиляди тона тротил. Среднокалибрените вече отговарят на десетки хиляди тона, а капацитетът на едрокалибрените достига милиони тонове.

Принцип на действие

Принципът на действие на ядрената бомба се основава на използването на енергия, освободена по време на ядрена верижна реакция. По време на този процес тежките частици се разделят и леките частици се синтезират. Когато атомна бомба експлодира, огромно количество енергия се освобождава за кратък период от време върху малка площ. Ето защо такива бомби се класифицират като оръжия за масово унищожение.

В зоната на ядрена експлозия се разграничават две ключови области: центърът и епицентърът. В центъра на експлозията процесът на освобождаване на енергия се извършва директно. Епицентърът е проекцията на този процес върху земната или водната повърхност. Енергията на ядрена експлозия, проектирана върху земята, може да доведе до сеизмични трусове, които се разпространяват на значително разстояние. Тези удари причиняват вреда на околната среда само в радиус от няколкостотин метра от точката на експлозията.

Въздействащи фактори

Ядрените оръжия имат следните фактори на увреждане:

радиоактивно замърсяване.
Излъчване на светлина.
ударна вълна.
електромагнитен импулс.
проникваща радиация.

Последиците от експлозия на атомна бомба са пагубни за всички живи същества. Поради освобождаването на огромно количество светлина и топлинна енергия, експлозията на ядрен снаряд е придружена от ярка светкавица. По отношение на мощността тази светкавица е няколко пъти по-силна от слънчевите лъчи, така че има опасност да бъде ударена от светлина и топлинно излъчване в радиус от няколко километра от точката на експлозията.

Друг най-опасен увреждащ фактор на атомните оръжия е радиацията, генерирана по време на експлозията. Действа само минута след взрива, но има максимална пробивна сила.

Най-силен разрушителен ефект има ударната вълна. Тя буквално изтрива от лицето на земята всичко, което се изпречи на пътя й. Проникващата радиация представлява опасност за всички живи същества. При хората предизвиква развитие на лъчева болест. Е, електромагнитният импулс вреди само на технологията. Взети заедно, увреждащите фактори на атомната експлозия носят огромна опасност.

Първи тестове

През цялата история на атомната бомба Америка проявява най-голям интерес към нейното създаване. В края на 1941 г. ръководството на страната отделя огромни средства и средства за това направление. Ръководител на проекта беше Робърт Опенхаймер, който мнозина смятат за създател на атомната бомба. Всъщност той беше първият, който успя да вдъхне живот на идеята на учените. В резултат на това на 16 юли 1945 г. в пустинята на Ню Мексико се провежда първият тест на атомна бомба. Тогава Америка реши, че за да сложи край на войната, трябва да победи Япония, съюзник на нацистка Германия. Пентагонът бързо избра целите за първите ядрени атаки, които трябваше да бъдат ярка илюстрация на силата на американските оръжия.

На 6 август 1945 г. американската атомна бомба, цинично наречена „Бебе“, е хвърлена над град Хирошима. Кадърът се оказа просто перфектен - бомбата избухна на височина 200 метра от земята, поради което взривната й вълна нанесе ужасяващи щети на града. В райони, далеч от центъра, печките на дървени въглища бяха преобърнати, причинявайки тежки пожари.

Яркият проблясък беше последван от гореща вълна, която за 4 секунди действие успя да разтопи керемидите на покривите на къщите и да изпепели телеграфните стълбове. Горещата вълна беше последвана от ударна вълна. Вятърът, който върлуваше през града със скорост около 800 км/ч, събаряше всичко по пътя си. От 76 000 сгради, разположени в града преди експлозията, около 70 000 бяха напълно унищожени.Няколко минути след експлозията започна да вали от небето, големи капки от които бяха черни. Дъждът падна поради образуването в студените слоеве на атмосферата на огромно количество кондензат, състоящ се от пара и пепел.

Хората, които бяха ударени от огненото кълбо в радиус от 800 метра от точката на експлозията, се превърнаха в прах. Тези, които са били малко по-далече от взрива, са с изгорена кожа, чиито остатъци са разкъсани от ударната вълна. Черният радиоактивен дъжд остави нелечими изгаряния по кожата на оцелелите. Тези, които по чудо успели да избягат, скоро започнали да показват признаци на лъчева болест: гадене, треска и пристъпи на слабост.

Три дни след бомбардировката над Хирошима Америка атакува друг японски град - Нагасаки. Втората експлозия имаше същите катастрофални последици като първата.

За секунди две атомни бомби убиха стотици хиляди хора. Ударната вълна на практика изтри Хирошима от лицето на земята. Повече от половината от местните жители (около 240 хиляди души) загинаха веднага от нараняванията си. В град Нагасаки от експлозията загинаха около 73 хиляди души. Много от оцелелите са били изложени на тежка радиация, която е причинила безплодие, лъчева болест и рак. В резултат на това някои от оцелелите умират в ужасни мъки. Използването на атомната бомба в Хирошима и Нагасаки илюстрира ужасната сила на тези оръжия.

Вие и аз вече знаем кой е изобретил атомната бомба, как работи и до какви последствия може да доведе. Сега ще разберем как стоят нещата с ядрените оръжия в СССР.

След бомбардировките на японските градове И. В. Сталин осъзнава, че създаването на съветската атомна бомба е въпрос на национална сигурност. На 20 август 1945 г. в СССР е създаден комитет по ядрена енергетика, оглавяван от Л. Берия.

Струва си да се отбележи, че работата в тази посока се извършва в Съветския съюз от 1918 г., а през 1938 г. в Академията на науките е създадена специална комисия по атомното ядро. С избухването на Втората световна война всяка работа в тази посока е замразена.

През 1943 г. офицери от разузнаването на СССР предават от Англия материали от закрити научни разработки в областта на ядрената енергия. Тези материали показват, че работата на чуждестранни учени по създаването на атомна бомба е напреднала сериозно. В същото време американските жители улесниха въвеждането на надеждни съветски агенти в основните центрове на американските ядрени изследвания. Агентите предават информация за нови разработки на съветски учени и инженери.

Техническо задание

Когато през 1945 г. въпросът за създаването на съветска ядрена бомба стана почти приоритетен, един от ръководителите на проекта Ю. Харитон изготви план за разработване на две версии на снаряда. На 1 юни 1946 г. планът е подписан от висшето ръководство.

Според задачата, дизайнерите трябваше да изградят RDS (Special Jet Engine) от два модела:

РДС-1. Бомба с плутониев заряд, който се детонира чрез сферична компресия. Устройството е взето назаем от американците.
РДС-2. Бомба с оръдие с два уранови заряда, събиращи се в дулото на оръдието, преди да достигнат критична маса.

В историята на прословутата RDS най-често срещаната, макар и хумористична формулировка беше фразата „Русия го прави сама“. Изобретен е от заместника на Ю. Харитон, К. Щелкин. Тази фраза много точно предава същността на работата, поне за RDS-2.

Когато Америка разбра, че Съветският съюз притежава тайните за създаване на ядрени оръжия, тя започна да се стреми да ескалира превантивната война възможно най-скоро. През лятото на 1949 г. се появява Троянският план, според който на 1 януари 1950 г. се предвижда да започнат военни действия срещу СССР. Тогава датата на атаката е изместена в началото на 1957 г., но при условие, че към нея се присъединят всички страни от НАТО.

Тестове

Когато информацията за плановете на Америка дойде в СССР по разузнавателни канали, работата на съветските учени се ускори значително. Западните експерти смятаха, че атомното оръжие в СССР ще бъде създадено не по-рано от 1954-1955 г. Всъщност тестовете на първата атомна бомба в СССР се провеждат още през август 1949 г. На 29 август апаратът РДС-1 беше взривен на полигона в Семипалатинск. В създаването му участва голям екип от учени, ръководени от Курчатов Игор Василиевич. Дизайнът на заряда принадлежи на американците, а електронното оборудване е създадено от нулата. Първата атомна бомба в СССР избухна с мощност 22 kt.

Поради вероятността от ответен удар планът Троян, включващ ядрена атака срещу 70 съветски града, беше осуетен. Тестовете в Семипалатинск отбелязаха края на американския монопол върху притежаването на атомни оръжия. Изобретението на Игор Василиевич Курчатов напълно унищожи военните планове на Америка и НАТО и предотврати развитието на друга световна война. Така започна ерата на мира на Земята, която съществува под заплахата от абсолютно унищожение.

"Ядрен клуб" на света

Към днешна дата не само Америка и Русия имат ядрени оръжия, но и редица други държави. Съвкупността от държави, притежаващи такова оръжие, условно се нарича "ядрен клуб".

Включва:

Америка (от 1945 г.).
СССР, а сега Русия (от 1949 г.).
Англия (от 1952 г.).
Франция (от 1960 г.).
Китай (от 1964 г.).
Индия (от 1974 г.).
Пакистан (от 1998 г.).
Корея (от 2006 г.).

Израел също има ядрени оръжия, въпреки че ръководството на страната отказва да коментира наличието им. Освен това на територията на страните от НАТО (Италия, Германия, Турция, Белгия, Холандия, Канада) и съюзниците (Япония, Южна Корея, въпреки официалния отказ) има американски ядрени оръжия.

Украйна, Беларус и Казахстан, които притежаваха част от ядрените оръжия на СССР, прехвърлиха своите бомби в Русия след разпадането на Съюза. Тя стана единственият наследник на ядрения арсенал на СССР.

Заключение

Днес научихме кой е изобретил атомната бомба и какво представлява тя. Обобщавайки горното, можем да заключим, че днес ядрените оръжия са най-мощният инструмент на глобалната политика, здраво вграден в отношенията между държавите. От една страна, това е ефективен възпиращ фактор, а от друга - убедителен аргумент за предотвратяване на военна конфронтация и укрепване на мирните отношения между държавите. Ядрените оръжия са символ на цяла епоха, която изисква особено внимателно боравене.

След края на Втората световна война страните от антихитлеристката коалиция бързо се опитаха да изпреварят една друга в разработването на по-мощна ядрена бомба.

Първият тест, проведен от американците върху реални обекти в Япония, нажежи до краен предел обстановката между СССР и САЩ. Мощните експлозии, които гръмнаха в японските градове и практически унищожиха целия живот в тях, принудиха Сталин да се откаже от много претенции на световната сцена. Повечето от съветските физици бяха спешно "хвърлени" към разработването на ядрени оръжия.

Кога и как се появиха ядрените оръжия

1896 г. може да се счита за година на раждане на атомната бомба. Тогава френският химик А. Бекерел открива, че уранът е радиоактивен. Верижната реакция на урана образува мощна енергия, която служи като основа за ужасна експлозия. Едва ли Бекерел си е представял, че откритието му ще доведе до създаването на ядрено оръжие - най-ужасното оръжие в целия свят.

Краят на 19 - началото на 20 век е повратна точка в историята на изобретяването на ядрени оръжия. Именно в този период учени от различни страни по света успяха да открият следните закони, лъчи и елементи:

Алфа, гама и бета лъчи;
Открити са много изотопи на химични елементи с радиоактивни свойства;
Открит е законът за радиоактивния разпад, който определя времевата и количествената зависимост на интензитета на радиоактивния разпад в зависимост от броя на радиоактивните атоми в пробата за изследване;
Ражда се ядрената изометрия.

През 30-те години на миналия век за първи път успяха да разделят атомното ядро на урана чрез абсорбиране на неутрони. В същото време са открити позитрони и неврони. Всичко това даде мощен тласък на развитието на оръжия, използващи атомна енергия. През 1939 г. е патентована първата в света конструкция на атомна бомба. Това е направено от френския физик Фредерик Жолио-Кюри.

В резултат на по-нататъшни изследвания и разработки в тази област се роди ядрена бомба. Мощността и обхватът на унищожаване на съвременните атомни бомби са толкова големи, че държава с ядрен потенциал практически не се нуждае от мощна армия, тъй като една атомна бомба е в състояние да унищожи цяла държава.

Как работи атомната бомба

Атомната бомба се състои от много елементи, основните от които са:

Корпус за атомна бомба;
Система за автоматизация, която контролира процеса на експлозия;
Ядрен заряд или бойна глава.

Системата за автоматизация е разположена в тялото на атомна бомба, заедно с ядрен заряд. Конструкцията на корпуса трябва да бъде достатъчно надеждна, за да защити бойната глава от различни външни фактори и влияния. Например различни механични, термични или подобни въздействия, които могат да доведат до непланирана експлозия с голяма мощност, способна да унищожи всичко наоколо.

Задачата на автоматизацията включва пълен контрол върху експлозията в точното време, така че системата се състои от следните елементи:

Устройство, отговорно за аварийна детонация;
Захранване на системата за автоматизация;
Сензорна система за подкопаване;
устройство за вдигане;
Предпазно устройство.

Когато бяха проведени първите тестове, ядрените бомби бяха доставени от самолети, които имаха време да напуснат засегнатата зона. Съвременните атомни бомби са толкова мощни, че могат да бъдат доставени само с помощта на крилати, балистични или дори противовъздушни ракети.

Атомните бомби използват различни системи за детонация. Най-простият от тях е просто устройство, което се задейства, когато снаряд удари цел.

Една от основните характеристики на ядрените бомби и ракети е тяхното разделяне на калибри, които са три вида:

Малка, мощността на атомните бомби от този калибър е еквивалентна на няколко хиляди тона TNT;
Средна (мощност на експлозията - няколко десетки хиляди тона TNT);
Голям, чиято зарядна мощност се измерва в милиони тонове TNT.

Интересно е, че най-често мощността на всички ядрени бомби се измерва точно в тротилов еквивалент, тъй като няма скала за измерване на мощността на експлозия за атомни оръжия.

Алгоритми за работа на ядрени бомби

Всяка атомна бомба работи на принципа на използване на ядрена енергия, която се освобождава по време на ядрена реакция. Тази процедура се основава или на деленето на тежки ядра, или на синтеза на белите дробове. Тъй като тази реакция освобождава огромно количество енергия и за възможно най-кратко време, радиусът на унищожаване на ядрена бомба е много впечатляващ. Поради тази особеност ядрените оръжия се класифицират като оръжия за масово унищожение.

Има два основни момента в процеса, който започва с експлозията на атомна бомба:

Това е непосредственият център на експлозията, където протича ядрената реакция;
Епицентърът на експлозията, който се намира на мястото, където е избухнала бомбата.

Ядрената енергия, освободена по време на експлозията на атомна бомба, е толкова силна, че на земята започват сеизмични трусове. В същото време тези удари носят пряко унищожение само на разстояние от няколкостотин метра (въпреки че, като се има предвид силата на експлозията на самата бомба, тези удари вече не засягат нищо).

Фактори на увреждане при ядрен взрив

Експлозията на ядрена бомба носи не само ужасно мигновено разрушение. Последствията от този взрив ще усетят не само хората, попаднали в засегнатата зона, но и техните деца, родени след атомния взрив. Видовете унищожаване с атомни оръжия се разделят на следните групи:

Светлинно излъчване, което възниква директно по време на експлозията;
Ударната вълна, разпространена от бомба веднага след експлозията;
Електромагнитен импулс;
проникваща радиация;
Радиоактивно замърсяване, което може да продължи десетилетия.

Въпреки че на пръв поглед светкавицата представлява най-малка заплаха, всъщност тя се образува в резултат на освобождаването на огромно количество топлинна и светлинна енергия. Неговата сила и сила далеч надвишава силата на слънчевите лъчи, така че поражението на светлината и топлината може да бъде фатално на разстояние от няколко километра.

Много опасна е и радиацията, която се отделя при взрива. Въпреки че не издържа дълго, той успява да зарази всичко наоколо, тъй като способността му за проникване е невероятно висока.

Ударната вълна при атомна експлозия действа като същата вълна при конвенционалните експлозии, само че нейната сила и радиус на унищожение са много по-големи. За няколко секунди нанася непоправими щети не само на хората, но и на оборудването, сградите и околната природа.

Проникващата радиация провокира развитието на лъчева болест, а електромагнитният импулс е опасен само за оборудването. Комбинацията от всички тези фактори, плюс силата на експлозията, прави атомната бомба най-опасното оръжие в света.

Първият в света опит с ядрено оръжие

Първата страна, която разработи и тества ядрени оръжия, бяха Съединените американски щати. Правителството на САЩ отпусна огромни парични субсидии за разработването на обещаващи нови оръжия. До края на 1941 г. много изтъкнати учени в областта на атомното развитие са поканени в Съединените щати, които до 1945 г. успяват да представят прототип на атомна бомба, подходящ за тестване.

Първият в света тест на атомна бомба, оборудвана с взривно устройство, беше извършен в пустинята в щата Ню Мексико. Бомба, наречена "Gadget", е взривена на 16 юли 1945 г. Резултатът от теста беше положителен, въпреки че военните поискаха да се тества ядрена бомба в реални бойни условия.

Виждайки, че до победата на нацистката коалиция остава само една стъпка и може би няма да има повече такава възможност, Пентагонът реши да нанесе ядрен удар върху последния съюзник на нацистка Германия - Япония. Освен това използването на ядрена бомба трябваше да реши няколко проблема наведнъж:

За да се избегнат ненужните кръвопролития, които неизбежно биха се случили, ако американските войски стъпят на японската имперска територия;
Да постави непримиримите японци на колене с един удар, принуждавайки ги да се съгласят на благоприятни за Съединените щати условия;
Покажете на СССР (като възможен съперник в бъдеще), че американската армия има уникално оръжие, което може да заличи всеки град от лицето на земята;
И, разбира се, да видим на практика на какво са способни ядрените оръжия в реални бойни условия.

На 6 август 1945 г. над японския град Хирошима е хвърлена първата в света атомна бомба, която е използвана във военни действия. Тази бомба беше наречена "Бебе", тъй като теглото й беше 4 тона. Падането на бомбата беше внимателно планирано и удари точно там, където беше планирано. Онези къщи, които не бяха унищожени от взрива, изгоряха, тъй като печките, които паднаха в къщите, предизвикаха пожари и целият град беше обхванат от пламъци.

След ярка светкавица последва гореща вълна, която изгори всичко живо в радиус от 4 километра, а последвалата я ударна вълна разруши повечето сгради.

Пострадалите от топлинен удар в радиус от 800 метра са изгорени живи. Взривната вълна откъсна изгорялата кожа на мнозина. Няколко минути по-късно заваля странен черен дъжд, който се състоеше от пара и пепел. Тези, които паднаха под черния дъжд, кожата получиха нелечими изгаряния.

Малцината, които имаха късмета да оцелеят, се разболяха от лъчева болест, която по това време не само не беше изучавана, но и напълно непозната. Хората започнаха да развиват треска, повръщане, гадене и пристъпи на слабост.

На 9 август 1945 г. над град Нагасаки е хвърлена втората американска бомба, наречена „Дебелия човек“. Тази бомба имаше приблизително същата мощност като първата и последствията от нейната експлозия бяха също толкова опустошителни, въпреки че хората загинаха наполовина по-малко.

Две атомни бомби, хвърлени над японски градове, се оказаха първият и единствен случай в света на използване на атомно оръжие. Повече от 300 000 души загиват в първите дни след атентата. Още около 150 хиляди са починали от лъчева болест.

След ядрените бомбардировки над японските градове Сталин получава истински шок. Стана му ясно, че въпросът за разработването на ядрени оръжия в Съветска Русия е проблем за сигурността на цялата страна. Още на 20 август 1945 г. започва да работи специална комисия по атомна енергия, която спешно е създадена от И. Сталин.

Въпреки че изследванията върху ядрената физика са извършени от група ентусиасти още в царска Русия, в съветско време не им е обърнато нужното внимание. През 1938 г. всички изследвания в тази област са напълно прекратени, а много ядрени учени са репресирани като врагове на народа. След ядрените експлозии в Япония съветското правителство внезапно започна да възстановява ядрената индустрия в страната.

Има доказателства, че разработването на ядрени оръжия е извършено в нацистка Германия и германските учени са финализирали „суровата“ американска атомна бомба, така че правителството на САЩ премахна всички ядрени специалисти и всички документи, свързани с разработването на ядрени оръжия от Германия.

Съветската разузнавателна школа, която по време на войната успя да заобиколи всички чуждестранни разузнавателни служби, още през 1943 г. прехвърли на СССР секретни документи, свързани с разработването на ядрени оръжия. В същото време съветски агенти бяха въведени във всички големи американски центрове за ядрени изследвания.

В резултат на всички тези мерки още през 1946 г. е готово техническото задание за производството на две съветски ядрени бомби:

RDS-1 (с плутониев заряд);
РДС-2 (с две части уранов заряд).

Съкращението "RDS" беше дешифрирано като "Русия прави сама", което почти напълно отговаряше на реалността.

Новината, че СССР е готов да пусне ядрените си оръжия, принуди правителството на САЩ да предприеме драстични мерки. През 1949 г. е разработен Троянският план, според който се предвижда да бъдат хвърлени атомни бомби над 70 най-големи града в СССР. Само страхът от ответен удар попречи на този план да бъде реализиран.

Тази тревожна информация, идваща от съветски разузнавачи, принуди учените да работят в авариен режим. Още през август 1949 г. е изпробвана първата атомна бомба, произведена в СССР. Когато САЩ разбраха за тези тестове, троянският план беше отложен за неопределено време. Започва епохата на конфронтация между двете суперсили, известна в историята като Студената война.

Най-мощната ядрена бомба в света, известна като Цар Бомби, принадлежи именно към периода на Студената война. Съветски учени създадоха най-мощната бомба в историята на човечеството. Капацитетът му беше 60 мегатона, въпреки че беше планирано да се създаде бомба с капацитет от 100 килотона. Тази бомба е тествана през октомври 1961 г. Диаметърът на огненото кълбо по време на експлозията беше 10 километра, а взривната вълна обиколи земното кълбо три пъти. Именно този тест принуди повечето страни по света да подпишат споразумение за прекратяване на ядрените опити не само в земната атмосфера, но дори и в космоса.

Въпреки че атомните оръжия са отлично средство за сплашване на агресивни страни, от друга страна, те са способни да потушат всякакви военни конфликти в зародиш, тъй като всички страни в конфликта могат да бъдат унищожени при атомна експлозия.

Експлозивен характер

Ядрото на урана съдържа 92 протона. Природният уран е основно смес от два изотопа: U238 (със 146 неутрона в ядрото) и U235 (143 неутрона), като последният е само 0,7% в естествения уран. Химическите свойства на изотопите са абсолютно идентични и следователно е невъзможно да се разделят по химически методи, но разликата в масите (235 и 238 единици) позволява това да се направи чрез физически методи: смес от уран се превръща в газ (ураниев хексафлуорид) и след това се изпомпва през безброй порести прегради. Въпреки че изотопите на урана са неразличими нито на външен вид, нито химически, те са разделени от бездна в свойствата на техните ядрени характеристики.

Процесът на делене на U238 е платен: неутрон, пристигащ отвън, трябва да носи със себе си енергия от 1 MeV или повече. И U235 е незаинтересован: за възбуждане и последващо разпадане не се изисква нищо от входящия неутрон, неговата енергия на свързване в ядрото е напълно достатъчна.

Когато неутрон удари ядро, способно на делене, се образува нестабилно съединение, но много бързо (в 10 14 c), излъчващо два или три нови неутрона, така че с течение на времето броят на делящите се ядра може да се умножи (такава реакция се нарича верижна реакция). Това е възможно само в U235, тъй като алчният U238 не иска да се отдели от собствените си неутрони, чиято енергия е с порядък по-малък от 1 MeV. Кинетичната енергия на частиците - продукти на делене с много порядъци надвишава енергията, освободена по време на всеки акт на химическа реакция, при който съставът на ядрата не се променя.

Критичен монтаж

Продуктите на делене са нестабилни и отнемат много време, за да „дойдат на себе си“, излъчвайки различни лъчения (включително неутрони). Неутроните, които се излъчват след значително време (до десетки секунди) след делене, се наричат забавени неутрони и въпреки че тяхната част е малка в сравнение с мигновените (по-малко от 1%), ролята, която играят в работата на ядрените инсталации, е най-важните.

Продуктите на делене по време на многобройни сблъсъци с околните атоми им дават енергията си, повишавайки температурата. След появата на неутрони в комплекта с делящия се материал мощността на топлоотделяне може да се увеличи или намали, а параметрите на блока, при които броят на деленията за единица време е постоянен, се наричат критични. Критичността на монтажа може да се поддържа както при голям, така и при малък брой неутрони (при съответно по-висока или по-ниска скорост на отделяне на топлина). Топлинната мощност се увеличава или чрез изпомпване на допълнителни неутрони в критичния модул отвън, или чрез превръщане на блока в суперкритичен (тогава допълнителни неутрони се доставят от все повече и повече поколения делящи се ядра). Например, ако е необходимо да се увеличи топлинната мощност на реактора, той се довежда до такъв режим, когато всяко поколение незабавни неутрони е малко по-малко от предишното, но поради забавени неутрони реакторът едва забележимо преминава през критично състояние. Тогава той не се ускорява, а бавно набира мощност - за да може растежът му да бъде спрян в подходящия момент чрез въвеждане на неутронни абсорбери (пръчки, съдържащи кадмий или бор).

Неутроните, произведени от делене, често летят покрай околните ядра, без да причиняват второ делене. Колкото по-близо до повърхността на материала се ражда неутрон, толкова повече шансове има той да излети от делящия се материал и никога да не се върне. Следователно формата на сглобката, която спестява най-голям брой неутрони, е топка: за дадена маса материя тя има минимална повърхност. Незатворена (единична) топка от 94% U235 без кухини вътре става критична при маса от 49 kg и радиус от 85 mm. Ако комплектът от същия уран е цилиндър с дължина, равна на диаметъра, той става критичен при маса от 52 кг. Повърхността също намалява с увеличаване на плътността. Следователно експлозивното компресиране, без да променя количеството на делящия се материал, може да доведе сглобката в критично състояние. Именно този процес е в основата на широко разпространения дизайн на ядрен заряд.

съчмен монтаж

Но най-често в ядрените оръжия не се използва уран, а плутоний-239. Произвежда се в реактори чрез облъчване на уран-238 с мощни неутронни потоци. Плутоният струва около шест пъти повече от U235, но при делене ядрото Pu239 излъчва средно 2,895 неутрона - повече от U235 (2,452). Освен това вероятността от делене на плутония е по-висока. Всичко това води до факта, че самотна топка Pu239 става критична при почти една трета по-малка маса от урановата топка и най-важното при по-малък радиус, което позволява да се намалят размерите на критичната сглобка.

Монтажът е направен от две внимателно монтирани половини под формата на сферичен слой (кух отвътре); очевидно е подкритичен - дори за топлинни неутрони и дори след като е заобиколен от модератор. Около комплекта от много прецизно напаснати блокове от експлозиви е монтиран заряд. За да се спестят неутрони, е необходимо да се запази благородната форма на топката по време на експлозията - за това слоят от експлозив трябва да бъде подкопан едновременно по цялата му външна повърхност, компресирайки сглобката равномерно. Широко разпространено е мнението, че това изисква много електрически детонатори. Но това беше само в зората на "бомбардирането": за работата на много десетки детонатори беше необходима много енергия и значителен размер на системата за иницииране. В съвременните заряди се използват няколко избрани по специална техника детонатори, близки по характеристики, от които се изстрелват високостабилни (по скорост на детонация) взривни вещества в жлебове, фрезовани в поликарбонатен слой (чиято форма върху сферична повърхност е изчислено с помощта на методите на геометрията на Риман). Детонация със скорост около 8 km/s ще измине абсолютно равни разстояния по жлебовете, ще достигне едновременно дупките и ще детонира основния заряд - едновременно във всички необходими точки.

Удар навътре

Насочена навътре експлозия компресира модула с над милион атмосфери налягане. Повърхността на сглобката намалява, вътрешната кухина почти изчезва в плутония, плътността се увеличава и много бързо - за десет микросекунди, свиваемата сглобка прескача критичното състояние на топлинните неутрони и става значително свръхкритична на бързите неутрони.

След период, определен от пренебрежимо малкото време на незначително забавяне на бързите неутрони, всяка тяхна нова, по-многобройна генерация добавя енергия от 202 MeV чрез делене към материята на сглобката, която вече се пръска от чудовищен натиск. В мащаба на случващите се явления силата дори на най-добрите легирани стомани е толкова оскъдна, че на никого не му хрумва да я вземе предвид при изчисляването на динамиката на експлозията. Единственото нещо, което пречи на сглобката да се разлети, е инерцията: за да се разшири плутониева топка само с 1 см за десет наносекунди, е необходимо да се придаде на веществото ускорение, което е десетки трилиони пъти по-голямо от ускорението на свободното падане, а това не е лесно.

В крайна сметка материята все пак се разпада, деленето спира, но процесът не свършва дотук: енергията се преразпределя между йонизираните фрагменти на отделените ядра и други частици, излъчени по време на деленето. Тяхната енергия е от порядъка на десетки и дори стотици MeV, но само електрически неутралните високоенергийни гама-кванти и неутрони имат шанс да избегнат взаимодействието с материята и да "избягат". Заредените частици бързо губят енергия при сблъсъци и йонизации. В този случай се излъчва радиация - тя обаче вече не е твърда ядрена, а по-мека, с енергия с три порядъка по-ниска, но все още повече от достатъчна, за да избие електрони от атомите - не само от външните обвивки, но и като цяло всичко Каша от оголени ядра, откъснати от тях електрони и радиация с плътност от грамове на кубичен сантиметър (опитайте се да си представите колко добре можете да почернявате под светлина, която е придобила плътността на алуминия!) - всичко, което преди малко беше заряд - идва в някакво равновесие. В много млада огнена топка се установява температура от порядъка на десетки милиони градуси.

Огнена топка

Изглежда, че дори меко, но движещо се със скоростта на светлината, радиацията трябва да остави далеч зад веществото, което го е породило, но това не е така: в студения въздух обхватът на квантите на енергията keV е сантиметри и те правят не се движат по права линия, а променят посоката на движение, преизлъчвани при всяко взаимодействие. Квантите йонизират въздуха, разпространяват се в него, като черешов сок, излят в чаша вода. Това явление се нарича радиационна дифузия.

Младо огнено кълбо от експлозия с мощност 100 kt, няколко десетки наносекунди след завършване на взрива на делене, има радиус от 3 m и температура от почти 8 милиона келвина. Но след 30 микросекунди радиусът му е 18 м, но температурата пада под милион градуса. Топката поглъща пространството, а йонизираният въздух зад нейната предна част почти не се движи: радиацията не може да му предаде значителен импулс по време на дифузия. Но тя изпомпва огромна енергия в този въздух, нагрявайки го и когато радиационната енергия изсъхне, топката започва да расте поради разширяването на гореща плазма, избухваща отвътре с това, което преди е било заряд. Разширявайки се, като надут балон, плазмената обвивка става по-тънка. За разлика от мехура, разбира се, нищо не го надува: от вътрешната страна почти не е останало вещество, всичко лети от центъра по инерция, но 30 микросекунди след експлозията скоростта на този полет е повече от 100 km/s , а хидродинамичното налягане в веществото - повече от 150 000 атм! Черупката не е предназначена да стане твърде тънка, тя се спуква, образувайки „мехури“.

Кой от механизмите за предаване на енергията на огнено кълбо в околната среда преобладава зависи от силата на експлозията: ако е голяма, основната роля играе дифузията на радиация, ако е малка - разширяването на плазмения мехур. Ясно е, че е възможен и междинен случай, когато и двата механизма са ефективни.

Процесът улавя нови слоеве въздух, вече няма достатъчно енергия за отстраняване на всички електрони от атомите. Енергията на йонизирания слой и фрагменти от плазмения мехур изсъхва, те вече не могат да движат огромна маса пред себе си и значително забавят. Но това, което беше въздухът преди експлозията, се движи, откъсвайки се от топката, поглъщайки все повече и повече слоеве студен въздух ... Започва образуването на ударна вълна.

Ударна вълна и атомна гъба

При отделяне на ударната вълна от огненото кълбо характеристиките на излъчващия слой се променят и мощността на излъчване в оптичната част на спектъра рязко нараства (т.нар. първи максимум). Освен това процесите на луминесценция и промените в прозрачността на околния въздух се конкурират, което води до реализирането на втория максимум, който е по-малко мощен, но много по-дълъг - дотолкова, че изходът на светлинна енергия е по-голям, отколкото в първи максимум.

Близо до експлозията всичко наоколо се изпарява, далеч - се топи, но дори по-нататък, където топлинният поток вече не е достатъчен, за да разтопи твърди частици, почва, скали, къщите текат като течност под чудовищно газово налягане, което разрушава всички силни връзки, горещи до непоносимост за очите.сияние.

И накрая, ударната вълна се движи далеч от точката на експлозията, където остава хлабав и отслабен, но разширен многократно облак от кондензирани пари, които се превърнаха в най-малкия и много радиоактивен прах от това, което беше плазмата на заряда, и какво се оказа близо в своя ужасен час.до място, от което човек трябва да стои възможно най-далече. Облакът започва да се издига. Той се охлажда, променя цвета си, „поставя“ бяла шапка от кондензирана влага, последвана от прах от повърхността на земята, образувайки „крак“ на това, което обикновено се нарича „атомна гъба“.

неутронно иницииране

Внимателните читатели могат с молив в ръка да преценят освобождаването на енергия по време на експлозията. Докато модулът е в суперкритично състояние от порядъка на микросекунди, възрастта на неутроните е от порядъка на пикосекунди и коефициентът на умножение е по-малък от 2, се освобождава около гигаджаул енергия, което е еквивалентно на .. 250 кг тротил. А къде са килограмите и мегатоните?

Факт е, че веригата от деления в сглобката не започва с един единствен неутрон: за необходимата микросекунда милиони от тях се инжектират в суперкритичната сглобка. В първите ядрени заряди за това са използвани изотопни източници, разположени в кухина вътре в плутониевия блок: полоний-210 се комбинира с берилий в момента на компресия и предизвиква неутронно излъчване със своите алфа-частици. Но всички източници на изотопи са доста слаби (по-малко от милион неутрона на микросекунда са генерирани в първия американски продукт), а полоният вече е много нетраен - само за 138 дни намалява активността си наполовина. Следователно изотопите бяха заменени с по-малко опасни (не излъчващи в изключено състояние) и най-важното, по-интензивно излъчващи неутронни тръби (вижте страничната лента): стотици милиони неутрони се раждат за няколко микросекунди (продължителността на импулса, образуван от тръбата). Но ако не работи или не работи в точното време, ще настъпи така нареченият поп или „zilch“ - термична експлозия с ниска мощност.

Инициирането на неутрони не само увеличава отделянето на енергия от ядрен взрив с много порядъци, но също така прави възможно регулирането му! Ясно е, че след получаване на бойна мисия, в формулировката на която непременно е посочена силата на ядрен удар, никой не демонтира заряда, за да го оборудва с плутониев монтаж, който е оптимален за дадена мощност. В боеприпаси с превключваем тротилов еквивалент е достатъчно просто да промените захранващото напрежение на неутронната тръба. Съответно, добивът на неутрони и освобождаването на енергия ще се променят (разбира се, когато мощността се намали по този начин, много скъп плутоний се губи).

Но те започнаха да мислят за необходимостта от регулиране на освобождаването на енергия много по-късно и в първите следвоенни години не можеше да се говори за намаляване на мощността. По-мощен, по-мощен и по-мощен! Но се оказа, че има ядрено-физични и хидродинамични ограничения за допустимите размери на подкритичната сфера. TNT еквивалентът на експлозия от сто килотона е близо до физическата граница за еднофазни боеприпаси, в които се получава само делене. В резултат на това деленето като основен източник на енергия беше изоставено и те разчитаха на реакции от друг клас - синтез.

ядрени заблуди

Плътността на плутония в момента на експлозия се увеличава поради фазовия преход

Металният плутоний съществува в шест фази, чиято плътност е от 14,7 до 19,8 g/cm3. При температури под 119 °C има моноклинна алфа фаза (19,8 g/cm3), но такъв плутоний е много крехък, а в кубичната лицево центрирана делта фаза (15,9) е пластичен и добре обработен (това е тази фаза които се опитват да запазят с легиращи добавки). При детонационно компресиране не може да има фазови преходи - плутоният е в квазитечно състояние. Фазовите преходи са опасни при производството: при големи части, дори при лека промяна в плътността, може да се достигне критично състояние. Разбира се, няма да има експлозия - детайлът просто ще се нагрее, но никелирането може да бъде нулирано (а плутоният е много токсичен).

източник на неутрони

Първите ядрени бомби са използвали берилий-полониев неутронен източник. В съвременните заряди се използват много по-удобни неутронни тръби.

Във вакуумна неутронна тръба между наситена с тритий мишена (катод) (1) и аноден възел (2) се прилага импулсно напрежение от 100 kV. Когато напрежението е максимално, е необходимо да се появят деутериеви йони между анода и катода, които трябва да бъдат ускорени. За това се използва източник на йони. Към неговия анод (3) се подава възпламенителен импулс, а разрядът, преминавайки по наситената с деутерий повърхност на керамиката (4), образува деутериеви йони. Ускорявайки се, те бомбардират цел, наситена с тритий, в резултат на което се освобождава енергия от 17,6 MeV и се образуват неутрони и ядра на хелий-4.

От гледна точка на състава на частиците и дори енергийния добив, тази реакция е идентична с синтеза - процес на сливане на леки ядра. През 50-те години на миналия век мнозина вярваха, че това е термоядрен синтез, но по-късно се оказа, че в тръбата настъпва „срив“: или протон, или неутрон (на който деутериевият йон се ускорява от електрическо поле) „се забива“ в целевото ядро (тритий) . Ако протонът затъне, неутронът се откъсва и се освобождава.

Неутрони – бавни и бързи

В неделящо се вещество, "отскачайки" от ядрата, неутроните им предават част от енергията си, колкото по-голяма, толкова по-леки (по-близки по маса) са ядрата. В колкото повече сблъсъци участват неутроните, толкова повече се забавят и накрая влизат в топлинно равновесие с околната материя – термализират се (това отнема милисекунди). Скоростта на топлинните неутрони е 2200 m/s (енергия 0,025 eV). Неутроните могат да избягат от модератора, да бъдат уловени от неговите ядра, но със забавяне способността им да влизат в ядрени реакции се увеличава значително, така че неутроните, които не са „загубени“, повече от компенсират намаляването на броя.

Така че, ако топка от деляща се материя е заобиколена от модератор, много неутрони ще напуснат модератора или ще бъдат погълнати от него, но ще има и такива, които ще се върнат в топката („отразяват“) и, след като са загубили енергията си, са много по-склонни да причинят актове на делене. Ако сферата е заобиколена от слой берилий с дебелина 25 mm, тогава могат да бъдат спестени 20 kg U235 и сглобката все още ще достигне критично състояние. Но такива спестявания се плащат с времето: всяко следващо поколение неутрони, преди да предизвика делене, трябва първо да се забави. Това забавяне намалява броя на поколенията неутрони, произведени за единица време, което означава, че освобождаването на енергия се забавя. Колкото по-малко делящ се материал в сглобката, толкова повече модератор е необходим за развитието на верижна реакция, а деленето протича при неутрони с все по-ниска енергия. В ограничителния случай, когато критичността се постига само на топлинни неутрони, например в разтвор на уранови соли в добър модератор - вода, масата на възлите е стотици грама, но разтворът просто кипи периодично. Освободените мехурчета от пара намаляват средната плътност на делящото се вещество, верижната реакция спира и когато мехурчетата напуснат течността, светкавицата на делене се повтаря (ако запушите съда, парата ще го счупи - но това ще бъде термична експлозия , лишен от всички типични "ядрени" признаци).

Видео: Ядрени експлозии

Абонирайте се и четете най-добрите ни публикации в Yandex.Zen. Вижте красиви снимки от цял свят на нашата страница в Instagram

Ако намерите грешка, моля, изберете част от текста и натиснете Ctrl+Enter.