Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.
Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.
Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.
Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.
Первый ядерный реактор
«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.
Типы ядерных реакторов
Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).
В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и .
Как устроен реактор
У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.
Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.
Как работает реактор
Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.
Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.
Что произошло на Чернобыльской АЭС
Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.
Реакторы нового поколения
За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.
«Брест»
Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.
В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.
«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.
ВВЭР-1200
ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.
Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.
Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.
А вот этого-то мы зачастую и не знаем. И почему ядерная бомба взрывается, тоже…
Начнём издалека. У каждого атома есть ядро, а ядро состоит из протонов и нейтронов – это знают, пожалуй, все. Точно так же все видели таблицу Менделеева. Но почему химические элементы в ней размещены именно так, а не иначе? Уж наверняка не потому, что Менделееву так захотелось. Порядковый номер каждого элемента в таблице указывает на то, сколько протонов находится в ядре атома этого элемента. Иными словами, железо стоит 26-м номером в таблице, потому что в атоме железа 26 протонов. А если их не 26, это уже не железо.
Но вот нейтронов в ядрах одного и того же элемента может быть разное количество, а значит, и масса у ядер бывает разная. Атомы одного и того же элемента с разной массой называются изотопами. У урана таких изотопов несколько: самый распространённый в природе – уран-238 (в его ядре 92 протона и 146 нейтронов, вместе получается 238). Он радиоактивен, но ядерную бомбу из него не изготовишь. А вот изотоп уран-235, небольшое количество которого есть в урановых рудах, для ядерного заряда годится.
Возможно, читатель сталкивался с выражениями «обогащённый уран» и «обеднённый уран». В обогащённом уране больше урана-235, чем в природном; в обеднённом, соответственно – меньше. Из обогащённого урана можно получить плутоний – другой элемент, пригодный для ядерной бомбы (в природе он почти не встречается). Как обогащают уран и как из него получают плутоний – тема отдельного разговора.
Итак, почему ядерная бомба взрывается? Дело в том, что некоторые тяжёлые ядра имеют свойство распадаться, если в них попадёт нейтрон. А уж свободного нейтрона долго ждать не придётся – их вокруг очень много летает. Итак, попадает такой нейтрон в ядро урана-235 и тем самым разбивает его на «осколки». При этом высвобождается ещё несколько нейтронов. Догадываетесь, что произойдёт, если вокруг будут ядра того же элемента? Правильно, произойдёт цепная реакция. Вот так это происходит.
В ядерном реакторе, где уран-235 «растворён» в более стабильном уране-238, взрыва при нормальных условиях не происходит. Большинство нейтронов, которые вылетают из распадающихся ядер, улетает «в молоко», не находя ядер урана-235. В реакторе распад ядер идёт «вяло» (но этого хватает, чтобы реактор давал энергию). Вот в цельном куске урана-235, если он будет достаточной массы, нейтроны будут гарантированно разбивать ядра, цепная реакция пойдёт лавиной, и… Стоп! Ведь если изготовить кусок урана-235 или плутония нужной для взрыва массы, он сразу же и взорвётся. Это не дело.
А если взять два куска докритической массы, и столкнуть их друг с другом при помощи механизма на дистанционном управлении? Например, поместить оба в трубку и к одному прикрепить пороховой заряд, чтобы в нужный момент выстрелить одним куском, как снарядом, в другой. Вот и решение проблемы.
Можно поступить иначе: взять шарообразный кусок плутония и по всей его поверхности закрепить взрывные заряды. Когда эти заряды по команде извне сдетонируют, их взрыв сожмёт плутоний со всех сторон, сдавит его до критической плотности, и произойдёт цепная реакция. Однако тут важны точность и надёжность: все взрывные заряды должны сработать одновременно. Если часть из них сработает, а часть – нет, или часть сработает с опозданием, никакого ядерного взрыва не выйдет: плутоний не сожмётся до критической массы, а рассеется в воздухе. Вместо ядерной бомбы получится так называемая «грязная».
Так выглядит ядерная бомба имплозионного типа. Заряды, которые должны создать направленный взрыв, выполнены в форме многогранников, чтобы как можно плотнее охватить поверхность плутониевой сферы.
Устройство первого типа назвали пушечным, второго типа – имплозионным.
Бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму, имела заряд из урана-235 и устройство пушечного типа. Бомба «Толстяк», взорванная над Нагасаки, несла плутониевый заряд, а взрывное устройство было имплозионным. Сейчас устройства пушечного типа почти не используются; имплозионные сложнее, но в то же время позволяют регулировать массу ядерного заряда и расходовать его более рационально. Да и плутоний как ядерная взрывчатка вытеснил уран-235.
Прошло совсем немного лет, и физики предложили военным ещё более мощную бомбу – термоядерную, или, как её ещё называют, водородную. Получается, водород взрывается сильнее плутония?
Водород действительно взрывоопасен, но не настолько. Впрочем, «обычного» водорода в водородной бомбе нет, в ней используются его изотопы – дейтерий и тритий. У ядра «обычного» водорода один нейтрон, у дейтерия – два, у трития – три.
В ядерной бомбе ядра тяжёлого элемента делятся на ядра более лёгких. В термоядерной идёт обратный процесс: лёгкие ядра сливаются друг с другом в более тяжёлые. Ядра дейтерия и трития, к примеру, соединяются в ядра гелия (иначе называемые альфа-частицами), а «лишний» нейтрон отправляется в «свободный полёт». При этом выделяется значительно больше энергии, чем при распаде ядер плутония. Кстати, именно этот процесс идёт на Солнце.
Однако реакция слияния возможна только при сверхвысоких температурах (почему она и называется ТЕРМОядерной). Как заставить дейтерий и тритий вступить в реакцию? Да очень просто: нужно использовать как детонатор ядерную бомбу!
Поскольку дейтерий и тритий сами по себе стабильны, их заряд в термоядерной бомбе может быть сколь угодно огромным. А значит, термоядерную бомбу можно сделать несравненно мощнее «простой» ядерной. «Малыш», сброшенный на Хиросиму, имел тротиловый эквивалент в пределах 18 килотонн, а самая мощная водородная бомба (так называемая «Царь-бомба», она же «Кузькина мать») – уже 58,6 мегатонн, более чем в 3255 раз мощнее «Малыша»!
Облако-«гриб» от «Царь-бомбы» поднялось на высоту 67 километров, а взрывная волна трижды обогнула земной шар.
Однако такая гигантская мощность явно избыточна. «Наигравшись» с мегатонными бомбами, военные инженеры и физики пошли по другому пути – пути миниатюризации ядерного оружия. В обычном виде ядерные боеприпасы можно сбрасывать со стратегических бомбардировщиков, как авиабомбы, или запускать с баллистическими ракетами; если же их миниатюризировать, получится компактный ядерный заряд, который не разрушает всё на километры вокруг, и который можно поставить на артиллерийский снаряд или ракету «воздух-земля». Повысится мобильность, расширится спектр решаемых задач. В дополнение к стратегическому ядерному оружию мы получим тактическое.
Для тактического ядерного оружия разрабатывались самые разные средства доставки – ядерные пушки, миномёты, безоткатные орудия (например, американский «Дэви Крокетт»). В СССР даже был проект ядерной пули. Правда, от него пришлось отказаться – ядерные пули были так ненадёжны, так сложны и до́роги в изготовлении и хранении, что в них не было никакого смысла.
«Дэви Крокетт». Некоторое количество этих ядерных орудий состояло на вооружении ВС США, а западногерманский министр обороны безуспешно добивался того, чтобы ими вооружили и Бундесвер.
Говоря о малых ядерных боеприпасах, стоит упомянуть и другую разновидность ядерного оружия – нейтронную бомбу. Заряд плутония в ней невелик, но это и не нужно. Если термоядерная бомба идёт по пути наращивания силы взрыва, то нейтронная делает ставку на другой поражающий фактор – радиацию. Для усиления радиации в нейтронной бомбе есть запас изотопа бериллия, который при взрыве даёт огромное количество быстрых нейтронов.
По замыслу её создателей, нейтронная бомба должна убивать живую силу противника, но оставлять в целости технику, которую можно потом захватить при наступлении. На практике получилось несколько иначе: облучённая техника становится непригодной к использованию – любой, кто рискнёт её пилотировать, очень скоро «заработает» себе лучевую болезнь. Это не отменяет того факта, что взрыв нейтронной бомбы способен поразить врага через танковую броню; нейтронные боеприпасы разрабатывались США именно как оружие против советских танковых соединений. Впрочем, вскоре была разработана танковая броня, обеспечивающая какую-никакую защиту и от потока быстрых нейтронов.
Ещё один вид ядерного оружия был придуман в 1950 году, но никогда (насколько это известно) не производился. Это так называемая кобальтовая бомба – ядерный заряд с оболочкой из кобальта. При взрыве кобальт, облучённый потоком нейтронов, становится крайне радиоактивным изотопом и рассеивается по местности, заражая её. Всего одна такая бомба достаточной мощности могла бы покрыть кобальтом весь земной шар и погубить всё человечество. К счастью, этот проект остался проектом.
Что можно сказать в заключение? Ядерная бомба – действительно страшное оружие, и вместе с тем оно (вот ведь парадокс!) помогло сохранить относительный мир между сверхдержавами. Если у твоего противника есть ядерное оружие, ты десять раз подумаешь, прежде чем на него нападать. Ни одна страна с ядерным арсеналом ещё не подвергалась атаке извне, и после 1945 года в мире не было войн между крупными государствами. Будем надеяться, что их и не будет.
Взрывной характер
Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.
Процесс деления U238 - платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию - 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.
При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц - продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.
Критическая сборка
Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, - важнейшая.
Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно - так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).
Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.
Шаровая сборка
Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона - больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное - при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.
Сборка выполняется из двух тщательно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой внутри); она заведомо подкритична - даже для тепловых нейтронов и даже после окружения ее замедлителем. Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве сохранить благородную форму шара - для этого слой взрывчатого вещества необходимо подорвать одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно. Широко распространено мнение, что для этого нужно много электродетонаторов. Но так было только на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось много энергии и немалые размеры системы инициирования. В современных зарядах применяется несколько отобранных по специальной методике, близких по характеристикам детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением методов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно 8 км/с пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, в один и тот же момент времени достигнет отверстий и подорвет основной заряд - одновременно во всех требуемых точках.
Взрыв вовнутрь
Направленный внутрь взрыв сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии почти исчезает внутренняя полость, плотность увеличивается, причем очень быстро - за десяток микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.
Через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке, - инерция: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.
В конце концов вещество все же разлетается, прекращается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия - порядка десятков и даже сотен МэВ, но только электрически нейтральные гамма-кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом и «ускользнуть». Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение - правда, уже не жесткое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы выбить у атомов электроны - не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из голых ядер, ободранных с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр (попытайтесь представить, как хорошо можно загореть под светом, приобретшим плотность алюминия!) - все то, что мгновение назад было зарядом, - приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.
Огненный шар
Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.
Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета - более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе - более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».
Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика - основную роль играет радиационная диффузия, если мала - расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.
Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного… Начинается образование ударной волны.
Ударная волна и атомный гриб
При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного - настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.
Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше - плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.
Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».
Нейтронное инициирование
Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно… 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?
Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся - всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное - излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» - маломощный тепловой взрыв.
Нейтронное инициирование не только увеличивает на много порядков энерговыделение ядерного взрыва, но и дает возможность регулировать его! Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасе с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно просто изменить напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменится выход нейтронов и выделение энергии (разумеется, при снижении мощности таким способом пропадает зря много дорогого плутония).
Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы разговоров о снижении мощности и быть не могло. Мощнее, мощнее и еще раз мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. В итоге от деления как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса - синтеза.
Ядерные заблуждения
Плотность плутония в момент взрыва увеличивается за счет фазового перехода
Металлический плутоний существует в шести фазах, плотность которых от 14,7 до 19,8 г/см3. При температуре ниже 119 °C существует моноклинная альфа-фаза (19,8 г/см3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может - плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, взрыва не последует - заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).
Нейтронный источник
В первых ядерных бомбах использовался бериллий-полониевый источник нейтронов. В современных зарядах применяются гораздо более удобные нейтронные трубки
В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) (1) и анодным узлом (2) прикладывается импульсное напряжение в 100 кВ. Когда напряжение максимально, необходимо, чтобы между анодом и катодом оказались ионы дейтерия, которые и требуется ускорить. Для этого служит ионный источник. На его анод (3) подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики (4), образует ионы дейтерия. Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в результате чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются нейтроны и ядра гелия-4.
По составу частиц и даже по энергетическому выходу эта реакция идентична синтезу - процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие считали, что это и есть синтез, но позже выяснилось, что в трубке происходит «срыв»: либо протон, либо нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). Если увязает протон, нейтрон отрывается и становится свободным.
Нейтроны - медленные и быстрые
В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, а затем, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом - термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов - 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например в растворе солей урана в хорошем замедлителе - воде, масса сборок составляет сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а когда пузырьки покидают жидкость, вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его - но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).
Видео: Ядерные взрывы
Подписывайтесь и читайте наши лучшие публикации в Яндекс.Дзен . Смотрите красивые фотографии со всех уголков планеты на нашей странице в Instagram
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
В поисках идеального оружия, способного одним щелчком испарить армию противника, бились сотни тысяч известных и забытых оружейников древности. Периодически след этих поисков можно найти в сказках, более или менее правдоподобно описывающих чудо-меч или лук, бьющий без промаха.
К счастью, технический прогресс двигался долгое время настолько медленно, что реальное воплощение сокрушительного оружия оставалась в мечтах и устных рассказах, а позже на страницах книг. Научно-технический скачок XIX века обеспечил условия для создания главной фобии века ХХ-го. Ядерная бомба, созданная и испытанная в реальных условиях, произвела революцию и в военном деле, и в политике.
История создания оружия
Долгое время считалось, что самое мощное оружие можно создать только с использованием взрывчатых веществ. Открытия ученых, работавших с самыми мелкими частицами, дали научное обоснование того, что с помощью элементарных частиц можно вырабатывать огромную энергию. Первым в ряду исследователей можно назвать Беккереля, в 1896 году открывшего радиоактивность солей урана.
Сам уран был известен еще с 1786 года, однако в то время о его радиоактивности никто не подозревал. Работа ученых на рубеже XIX и ХХ веков выявила не только особые физические свойства, но и возможность получения энергии из радиоактивных веществ.
Вариант изготовления оружия на основе урана впервые был подробно описан, опубликован и запатентован французскими физиками, супругами Жолио-Кюри в 1939 году.
Несмотря на ценность для оружейного дела, сами ученые были решительно против создания настолько сокрушительного оружия.
Пройдя Вторую мировую войну в Сопротивлении, в 1950-х супруги (Фредерик и Ирэн) понимая разрушительную силу войны, выступают за всеобщее разоружение. Их поддерживают Нильс Бор, Альберт Эйнштейн и другие видные физики того времени.
Между тем, пока Жолио-Кюри были заняты проблемой фашистов в Париже, на другом конце планеты, в Америке, разрабатывался первый в мире ядерный заряд. Роберту Оппенгеймеру, возглавившему работы, были предоставлены широчайшие полномочия и огромные ресурсы. Конец 1941 года ознаменовался началом проекта «Манхеттен», приведшего в итоге к созданию первого боевого ядерного заряда.
В городке Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, были воздвигнуты первые производственные площади для получения оружейного урана. В дальнейшем такие же ядерные центры появляются по всей стране, например в Чикаго, в Ок-Ридже, штат Теннеси, производились исследования и в Калифорнии. На создание бомбы были брошены лучшие силы профессуры американских университетов, а так же бежавшие из Германии ученые-физики.
В самом же «Третьем Рейхе» работа по созданию нового типа оружия была развернута характерным для фюрера способом.
Поскольку «Бесноватого» больше интересовали танки и самолеты, и чем больше тем лучше, в новой чудо-бомбе он не видел особой нужды.
Соответственно не поддерживаемые Гитлером проекты в лучшем случае двигались черепашьим шагом.
Когда же стало припекать, и оказалось что танки и самолеты проглотил Восточный фронт, новое чудо оружие получило поддержку. Но было поздно, в условиях бомбежек и постоянного страха советских танковых клиньев создать устройство с ядерной составляющей не представлялось возможным.
Советский Союз более внимательно относился к возможности создания нового типа разрушительного оружия. В довоенный период физиками собирались и сводились общие знания о ядерной энергетике и возможности создания ядерного оружия. Усиленно работала разведка в течение всего периода создания ядерной бомбы как в СССР, так и в США. Значительную роль в сдерживании темпов разработки сыграла война, так как огромные ресурсы уходили на фронт.
Правда, академик Курчатов Игорь Васильевич, со свойственным упорством, продвигал работу всех подведомственных подразделений и в этом направлении. Забегая немного вперед, именно ему будет поручено ускорить разработки оружия перед лицом угрозы американского удара по городам СССР. Именно ему, стоявшему во граве громадной машины из сотен и тысяч ученых и работников будет присвоено почетное звание отца советской ядерной бомбы.
Первые в мире испытания
Но вернемся к американской ядерной программе. К лету 1945 года американским ученым удалось создать первую в мире ядерную бомбу. Любой мальчишка, сделавший сам или купивший в магазине мощную петарду, испытывает необычайные муки, желая взорвать ее поскорее. В 1945 году сотни американских военных и ученых испытывали то же самое.
16 июня 1945 года в пустыне Аламогордо, штат Нью-Мексико, были произведены первые в истории испытания ядерного оружия и один из самых мощных, на тот момент, взрывов.
Очевидцев, наблюдавших за подрывом из бункера, поразила сила, с которой заряд разорвался на вершине 30-метровой стальной башни. Сначала все залил свет, сильнее в несколько раз сильнее солнечного. Затем в небо поднялся огненный шар, превратившийся в столб дыма, оформившегося в знаменитый гриб.
На место подрыва, как только улеглась пыль, ринулись исследователи и создатели бомбы. Наблюдали они за последствиями из обвешанных свинцом танков «Шерман». Увиденное поразило их, ни одно оружие не наносило бы такого ущерба. Песок местами оплавился до стекла.
Найдены были и крошечные останки башни, в воронке огромного диаметра изуродованные и раздробленные конструкции наглядно иллюстрировали разрушительную мощь.
Поражающие факторы
Этот подрыв дал первые сведения о силе нового оружия, о том, с помощью чего он может уничтожить противника. Это несколько факторов:
- световое излучение, вспышка, способная ослепить даже защищенные органы зрения;
- ударная волна, плотный поток воздуха, движущийся от центра, уничтожающий большинство строений;
- электромагнитный импульс, выводящий из строя большую часть техники и не позволяющий пользоваться средствами связи первое время после взрыва;
- проникающая радиация, наиболее опасный фактор для укрывшихся от прочих поражающих факторов, делится на альфа- бета- гамма- облучение;
- радиоактивное заражение, способное отрицательно влиять на здоровье и жизнь в течение десятков, а то и сотен лет.
Дальнейшее применение ядерного оружия, в том числе в боевых действиях, показала все особенности влияния на живые организмы и на природу. 6 августа 1945 года стал последним днем для десятков тысяч жителей небольшого города Хиросима, известного тогда несколькими важными военными объектами.
Исход войны на Тихом океане был предрешен, однако в Пентагоне посчитали, что операция на японском архипелаге будет стоить более миллиона жизней морских пехотинцев армии США. Было принято решение убить сразу несколько зайцев, вывести Японию из войны, сэкономив на десантной операции, испытать в деле новое оружие и заявить о нем всему миру, и, прежде всего, СССР.
В час ночи самолет, на борту которого располагалась ядерная бомба «Малыш», вылетел на задание.
Бомба, сброшенная над городом, разорвалась на высоте примерно 600 метров в 8.15 утра. Все здания, располагавшиеся на расстоянии 800 метров от эпицентра, были разрушены. Уцелели стены всего нескольких строений, рассчитанных на 9-ти балльное землетрясение.
Из каждых десяти человек, находившихся в момент разрыва бомбы в радиусе 600 метров выжить смог только один. Световое излучение превращало людей в уголь, оставляя на камне следы тени, темный отпечаток места, на котором находился человек. Последовавшая взрывная волна была настолько сильна, что смогла выбить стекла на расстоянии 19 километров от места взрыва.
Одного подростка плотный поток воздуха выбил из дома через окно, приземлившись, парень увидел, как стены дома складываются как карты. За взрывной волной последовал огненный смерч, уничтоживший тех немногих жителей, уцелевших после взрыва и не успевших покинуть зону пожаров. Находившиеся на удалении от взрыва начали испытывать сильное недомогание, причина которой была первоначально неясна врачам.
Много позже, через несколько недель был озвучен термин «радиационное отравление», известный ныне как лучевая болезнь.
Жертвами всего одной бомбы, как непосредственно от взрыва, так и от последовавших болезней, стали более 280 тысяч человек.
На этом бомбардировки Японии ядерным оружием не закончились. По плану удару должны были быть подвергнуты всего от четырех до шести городов, но погодные условия позволили ударить еще только по Нагасаки. В этом городе жертвами бомбы «Толстяк» стали более 150 тысяч человек.
Обещания американского правительства наносить такие удары до капитуляции Японии привели к перемирию, а затем и к подписанию соглашения, окончившего Мировую войну. Но для ядерного оружия это было только начало.
Самая мощная бомба в мире
Послевоенное время ознаменовалось противостоянием блока СССР и союзников с США и НАТО. В 1940-х американцы всерьез рассматривали возможность нанесения удара по Советскому Союзу. Для сдерживания бывшего союзника пришлось ускорить работы по созданию бомбы, и уже в 1949 году, 29 августа с монополией Штатов в ядерном оружии было покончено. Во время гонки вооружений наибольшее внимание заслуживают два испытания ядерных зарядов.
Атолл Бикини, известный, прежде всего, легкомысленными купальниками, в 1954 году в буквальном смысле прогремел на весь мир в связи с испытаниями ядерного заряда особой мощности.
Американцы, решив опробовать новую конструкцию атомного оружия, не рассчитали заряд. В итоге взрыв получился в 2,5 раза мощнее, чем планировалось. Под ударом оказались жители близлежащих островков, а так же вездесущие японские рыбаки.
Но это была не самая мощная американская бомба. В 1960 году на вооружение принимается ядерная бомба В41, так и не прошедшая полноценных испытаний из-за своей мощности. Силу заряда рассчитали теоретически, опасаясь взрывать на полигоне такое опасное оружие.
Советский Союз, любивший во всем быть первым, испытал в 1961 году , прозванную по иному «Кузькина мать».
Отвечая на ядерный шантаж Америки, советские ученые создали самую мощную бомбу в мире. Испытанная на Новой Земле, она оставила свой след почти во всех уголках земного шара. По воспоминаниям, в самых удаленных уголках в момент взрыва ощущалось легкое землетрясение.
Взрывная волна, само собой, потеряв всю разрушительную силу, смогла обогнуть Землю. На сегодняшний момент это самая мощная ядерная бомба в мире, созданная и испытанная человечеством. Конечно, будь развязаны руки, ядерная бомба Ким Чен Ына была бы мощнее, но у него нет Новой Земли что бы испытать ее.
Устройство атомной бомбы
Рассмотрим очень примитивное, чисто для понимания, устройство атомной бомбы. Классов атомных бомб много, но рассмотрим три основные:
- урановая, на основе урана 235 впервые взорванная над Хиросимой;
- плутониевая, на основе плутония 239 впервые взорванная над Нагасаки;
- термоядерная, иногда называемая водородной, на основе тяжелой воды с дейтерием и тритием, к счастью, против населения не применявшаяся.
Первые две бомбы основаны на эффекте деления тяжелых ядер на более мелкие путем неконтролируемой ядерной реакции с выделением огромного количества энергии. Третья основана на слиянии ядер водорода (вернее его изотопов дейтерия и трития) с образованием более тяжелого, по отношению к водороду, гелия. При одинаковом весе бомбы разрушительный потенциал водородной в 20 раз больше.
Если для урана и плутония достаточно собрать воедино массу большую чем критическая (при которой начинается цепная реакция), то для водородной этого недостаточно.
Для надежного соединения нескольких кусков урана в один используется эффект пушки при котором более мелкие куски урана выстреливаются в более крупные. Можно применять и порох, но для надежности применяется маломощная взрывчатка.
В плутониевой бомбе для создания необходимых условий цепной реакции взрывчатку располагают вокруг слитков с плутонием. За счет кумулятивного эффекта, а также расположенного в самом центре инициатора нейтронов (бериллий с несколькими миллиграммами полония) необходимые условия достигаются.
Она имеет основной заряд, который сам по себе никак взорваться не может, и взрыватель. Для создания условий слияния ядер дейтерия и трития, нужны невообразимые для нас давления и температуры хотя бы в одной точке. Далее произойдет цепная реакция.
Для создания таких параметров в состав бомбы входит обычный, но маломощный, ядерный заряд, который и является взрывателем. Его подрыв создает условия для начала термоядерной реакции.
Для оценки мощности атомной бомбы применяют так называемый «тротиловый эквивалент». Взрыв это выделение энергии, самое известное в мире взрывчатое вещество – тротил (ТНТ – тринитротолуол), к нему и приравнивают все новые виды взрывчатки. Бомба «Малыш» – 13 килотонн ТНТ. То есть эквивалентна 13000 .
Бомба «Толстяк» – 21 килотонна, «Царь-бомба» – 58 мегатонн ТНТ. Страшно подумать 58 миллионов тонн взрывчатки сосредоточенной в массе 26,5 тонн, именно столько весела эта бомба.
Опасность ядерной войны и катастрофы, связанные с атомом
Появившись в разгар самой страшной войны ХХ века, ядерное оружие стало самой большой опасностью для человечества. Сразу после Второй Мировой началась война Холодная, несколько раз едва не переросшая в полноценный ядерный конфликт. Об угрозе применения хотя бы одной стороной ядерных бомб и ракет стали говорить еще в 1950-х годах.
Все понимали и понимают, в этой войне победителей быть не может.
Для сдерживания предпринимались и предпринимаются усилия многих ученых и политиков. Чикагский университет, используя мнение приглашенных ядерщиков, в том числе Нобелевских лауреатов, ставит часы Судного Дня за несколько минут до полуночи. Полночь обозначает ядерный катаклизм, начало новой Мировой войны и уничтожение прежнего мира. В разные годы стрелки часов колебались от 17 до 2 минут до полуночи.
Известны и несколько крупных аварий, произошедших на атомных станциях. К оружию эти катастрофы отношение имеют опосредованное, АЭС все же отличаются от ядерных бомб, но они как нельзя лучше показывают результаты использования атома в военных целях. Самые крупные из них:
- 1957 год, Кыштымская авария, из-за сбоя в системе хранения произошел взрыв недалеко от Кыштыма;
- 1957 год, Британия, на северо-западе Англии не досмотрели за безопасностью;
- 1979 год, США, из-за несвоевременно обнаруженной утечки произошел взрыв и выброс из АЭС;
- 1986 год, трагедия в Чернобыле, взрыв 4-го энергоблока;
- 2011 год, авария на станции Фукусима, Япония.
Каждая из этих трагедий легла тяжелой печатью на судьбы сотен тысяч людей и превратила целые области в нежилые зоны с особым контролем.
Были инциденты, едва не стоившие начала атомной катастрофы. Советские атомные подводные лодки неоднократно имели на борту аварии, связанные с реакторами. Американцы уронили бомбардировщик «Суперкрепость» с двумя ядерными бомбами Мark 39 на борту, мощностью 3,8 мегатонн. Но сработавшая “система безопасности” не позволила зарядам сдетонировать и катастрофы удалось избежать.
Ядерное оружие в прошлом и настоящем
Сегодня любому ясно, что ядерная война уничтожит современное человечество. Между тем желание обладать ядерным оружием и войти в ядерный клуб, а точнее ввалиться в него, вышибив дверь, по-прежнему будоражит умы некоторых лидеров государств.
Самовольно создали ядерное оружие Индия и Пакистан, скрывают наличие бомбы израильтяне.
Для одних обладания ядерной бомбой – способ доказать важность на международной арене. Для других – гарантия невмешательства крылатой демократии или иных факторов извне. Но главное, чтобы эти запасы не пошли в дело, для чего они действительно были созданы.
Видео
Атомная бомба - снаряд для получения взрыва большой силы в результате весьма быстрого выделения ядерной (атомной) энергии.
Принцип действия атомных бомб
Ядерный заряд разделён на несколько частей до критических размеров, чтобы в каждой из них не могла начаться саморазвивающаяся неуправляемая цепная реакция делений атомов делящегося вещества. Такая реакция возникнет лишь тогда, когда все части заряда будут быстро соединены в одно целое. От скорости сближения отдельных частей в сильной степени зависит полнота протекания реакции и в конечном счёте мощность взрыва. Для сообщения большой скорости частям заряда можно использовать взрыв обычного взрывчатого вещества. Если части ядерного заряда расположить по радиальным направлениям на некотором расстоянии от центра, а с внешней стороны поместить заряды тротила, то можно осуществить взрыв обычных зарядов, направленный к центру ядерного заряда. Все части ядерного заряда не только с огромной скоростью соединяться в единое целое, но и окажутся на некоторое время сжатыми со всех сторон огромным давлением продуктов взрыва и не смогут разделиться сразу, как только начнётся в заряде цепная ядерная реакция. В результате этого произойдёт значительно большее деление, чем без такого сжатия, и, следовательно, повысится мощность взрыва. Увеличению мощности взрыва при том же количестве делящегося вещества способствует также отражатель нейтронов (наиболее эффективными отражателями являются бериллий < Be >, графит, тяжёлая вода < H3O >). Для первого деления, которое положило бы начало цепной реакции, нужен, по меньшей мере, один нейтрон. Рассчитывать на своевременное начало цепной реакции под действием нейтронов, появляющихся при самопроизвольном (спонтанном) делении ядер, нельзя, т.к. оно происходит сравнительно редко: для U-235 - 1 распад в час на 1 гр. вещества. Нейтронов, существующих в свободном виде в атмосфере, также очень мало: через S = 1см/кв. за секунду пролетает в среднем около 6 нейтронов. По этой причине в ядерном заряде применяют искусственный источник нейтронов - своеобразный ядерный капсюль-детонатор. Он обеспечивает также множество начинающихся одновременно делений, поэтому реакция протекает в виде ядерного взрыва.
Варианты детонации (Пушечная и имплозивная схемы)
Существуют две основные схемы подрыва делящегося заряда: пушечная, иначе называемая баллистической, и имплозивная.
«Пушечная схема» использовалась в некоторых моделях ядерного оружия первого поколения. Суть пушечной схемы заключается в выстреливании зарядом пороха одного блока делящегося материала докритической массы («пуля») в другой -- неподвижный («мишень»). Блоки рассчитаны так, что при соединении их общая масса становится надкритической.
Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет на два порядка более высокий нейтронный фон, что резко повышает вероятность преждевременного развития цепной реакции до соединения блоков. Это приводит к неполному выходу энергии (т. н. «шипучка», англ. Для реализации пушечной схемы в плутониевых боеприпасах требуется увеличение скорости соединения частей заряда до технически недостижимого уровня. Кроме того, уран лучше, чем плутоний, выдерживает механические перегрузки.
Имплозивная схема. Эта схема детонации подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом химической взрывчатки. Для фокусировки ударной волны используются так называемые взрывные линзы, и подрыв производится одновременно во многих точках с прецизионной точностью. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Формирование сходящейся ударной волны обеспечивалось использованием взрывных линз из «быстрой» и «медленной» взрывчаток -- ТАТВ (Триаминотринитробензол) и баратола (смесь тринитротолуола с нитратом бария), и некоторыми добавками)