Ατομική βόμβα: πώς λειτουργεί και γιατί χρειάζεται. Ποιος εφηύρε την ατομική βόμβα; Η ιστορία της εφεύρεσης και της δημιουργίας της σοβιετικής ατομικής βόμβας. Συνέπειες έκρηξης ατομικής βόμβας

Ολόκληρος ο όγκος ενός διηπειρωτικού βαλλιστικού πυραύλου, δεκάδες μέτρα και τόνοι εξαιρετικά ισχυρών κραμάτων, καύσιμα υψηλής τεχνολογίας και προηγμένα ηλεκτρονικά χρειάζονται μόνο για ένα πράγμα - για να παραδώσει την κεφαλή στον προορισμό της: έναν κώνο ύψους ενάμισι μέτρο και τόσο χοντρό στη βάση όσο ένας ανθρώπινος κορμός.

Ας δούμε μια τυπική κεφαλή (στην πραγματικότητα, μπορεί να υπάρχουν σχεδιαστικές διαφορές μεταξύ των κεφαλών). Αυτός είναι ένας κώνος κατασκευασμένος από ελαφριά ανθεκτικά κράματα. Στο εσωτερικό υπάρχουν διαφράγματα, πλαίσια, ένα ηλεκτρικό πλαίσιο - σχεδόν όλα είναι όπως σε ένα αεροπλάνο. Το power πλαίσιο καλύπτεται με ανθεκτικό μεταλλικό περίβλημα. Ένα παχύ στρώμα θερμοπροστατευτικής επικάλυψης εφαρμόζεται στο περίβλημα. Μοιάζει αρχαίο καλάθιΝεολιθική περίοδος, γενναιόδωρα επικαλυμμένη με πηλό και καύση στα πρώτα πειράματα του ανθρώπου με τη θερμότητα και την κεραμική. Η ομοιότητα εξηγείται εύκολα: τόσο το καλάθι όσο και η κεφαλή πρέπει να αντιστέκονται στην εξωτερική θερμότητα.

Μέσα στον κώνο, στερεωμένο στα «καθίσματα» τους, υπάρχουν δύο κύριοι «επιβάτες» για χάρη των οποίων ξεκίνησαν όλα: μια θερμοπυρηνική φόρτιση και μια μονάδα ελέγχου φόρτισης ή μονάδα αυτοματισμού. Είναι εκπληκτικά συμπαγείς. Η μονάδα αυτοματισμού έχει το μέγεθος ενός βάζου πέντε λίτρων με αγγούρια τουρσί και η χρέωση είναι το μέγεθος ενός συνηθισμένου κουβά κήπου. Βαρύ και βαρύ, η ένωση ενός κουτιού και ενός κουβά θα εκραγεί τριακόσια πενήντα με τετρακόσια κιλοτόνια. Δύο επιβάτες συνδέονται μεταξύ τους με μια σύνδεση, σαν σιαμαίοι δίδυμοι, και μέσω αυτής της σύνδεσης ανταλλάσσουν συνεχώς κάτι. Ο διάλογος τους είναι συνεχής όλη την ώρα, ακόμα και όταν ο πύραυλος βρίσκεται σε πολεμική υπηρεσία, ακόμα και όταν αυτά τα δίδυμα μόλις μεταφέρονται από το εργοστάσιο παραγωγής.

Υπάρχει επίσης ένας τρίτος επιβάτης - μια μονάδα μέτρησης της κίνησης της κεφαλής ή γενικά ελέγχου της πτήσης της. ΣΕ η τελευταία περίπτωσηχειριστήρια εργασίας είναι ενσωματωμένα στην κεφαλή, επιτρέποντάς σας να αλλάξετε την τροχιά. Για παράδειγμα, ενεργοποίηση πνευματικών συστημάτων ή συστημάτων σκόνης. Και επίσης ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό δίκτυο με τροφοδοτικά, γραμμές επικοινωνίας με τη σκηνή, με τη μορφή προστατευμένων καλωδίων και συνδέσμων, προστασία από ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς και σύστημα θερμοστάτη - διατήρηση της απαιτούμενης θερμοκρασίας φόρτισης.

Η τεχνολογία με την οποία οι κεφαλές διαχωρίζονται από τον πύραυλο και τίθενται στη δική τους πορεία είναι ξεχωριστή μεγάλο θέμα, για το οποίο μπορείτε να γράψετε βιβλία.

Αρχικά, ας εξηγήσουμε τι είναι «απλώς μια μονάδα μάχης». Αυτή είναι μια συσκευή που φιλοξενεί φυσικά ένα θερμοπυρηνικό φορτίο σε έναν διηπειρωτικό βαλλιστικό πύραυλο. Ο πύραυλος έχει μια λεγόμενη κεφαλή, η οποία μπορεί να περιέχει μία, δύο ή περισσότερες κεφαλές. Εάν υπάρχουν πολλά από αυτά, η κεφαλή λέγεται πολλαπλή κεφαλή (MIRV).

Μέσα στο MIRV υπάρχει μια πολύ περίπλοκη μονάδα (ονομάζεται επίσης πλατφόρμα απεμπλοκής), η οποία, αφού εκτοξευθεί από όχημα εκτόξευσης έξω από την ατμόσφαιρα, αρχίζει να εκτελεί μια σειρά προγραμματισμένων ενεργειών για μεμονωμένη καθοδήγηση και διαχωρισμό των κεφαλών που βρίσκονται στο το; στο διάστημα, σχηματισμοί μάχης κατασκευάζονται από μπλοκ και δόλωμα, τα οποία βρίσκονται επίσης αρχικά στην πλατφόρμα. Έτσι, κάθε μπλοκ τοποθετείται σε μια τροχιά που διασφαλίζει ότι θα χτυπήσει έναν δεδομένο στόχο στην επιφάνεια της Γης.

Οι μονάδες μάχης είναι διαφορετικές. Αυτά που κινούνται κατά μήκος βαλλιστικών τροχιών μετά τον διαχωρισμό από την πλατφόρμα ονομάζονται ανεξέλεγκτα. Οι ελεγχόμενες κεφαλές, μετά τον χωρισμό, αρχίζουν να «ζουν τη δική τους ζωή». Είναι εξοπλισμένα με μηχανές ελέγχου στάσης για ελιγμούς στο διάστημα, αεροδυναμικές επιφάνειες ελέγχου για τον έλεγχο της πτήσης στην ατμόσφαιρα, διαθέτουν σύστημα αδρανειακού ελέγχου επί του σκάφους, αρκετές υπολογιστικές συσκευές, ραντάρ με δικό του υπολογιστή... Και, φυσικά, μια μάχιμη κατηγορία.

Μια πρακτικά ελεγχόμενη κεφαλή συνδυάζει τις ιδιότητες ενός μη επανδρωμένου διαστημικού σκάφους και ενός υπερηχητικού μη επανδρωμένου αεροσκάφους. Αυτή η συσκευή πρέπει να εκτελεί όλες τις ενέργειες τόσο στο διάστημα όσο και κατά τη διάρκεια της πτήσης στην ατμόσφαιρα αυτόνομα.

Μετά τον διαχωρισμό από την πλατφόρμα αναπαραγωγής, η κεφαλή πετάει για σχετικά μεγάλο χρονικό διάστημα σε πολύ μεγάλο υψόμετρο - στο διάστημα. Αυτή τη στιγμή, το σύστημα ελέγχου της μονάδας πραγματοποιεί μια ολόκληρη σειρά αναπροσανατολισμών για να δημιουργήσει συνθήκες για τον ακριβή προσδιορισμό των παραμέτρων κίνησης του, διευκολύνοντας την υπέρβαση της ζώνης πιθανών πυρηνικών εκρήξεων αντιπυραυλικών πυραύλων...
Πριν εισέλθει στην ανώτερη ατμόσφαιρα, ο ενσωματωμένος υπολογιστής υπολογίζει τον απαιτούμενο προσανατολισμό της κεφαλής και τον πραγματοποιεί. Περίπου την ίδια περίοδο, πραγματοποιούνται συνεδρίες για τον προσδιορισμό της πραγματικής τοποθεσίας με τη χρήση ραντάρ, για τις οποίες πρέπει επίσης να γίνουν ορισμένοι ελιγμοί. Στη συνέχεια ενεργοποιείται η κεραία εντοπισμού και το ατμοσφαιρικό μέρος της κίνησης ξεκινά για την κεφαλή.

Κάτω, μπροστά από την κεφαλή, βρίσκεται ένας τεράστιος, αντίθετα λαμπερός από τα απειλητικά μεγάλα υψόμετρα, καλυμμένος με μπλε ομίχλη οξυγόνου, καλυμμένος με αναρτήσεις αεροζόλ, ο απέραντος και απεριόριστος πέμπτος ωκεανός. Γυρίζοντας αργά και ελάχιστα αισθητά από τα υπολειπόμενα αποτελέσματα του διαχωρισμού, η κεφαλή συνεχίζει την κάθοδό της κατά μήκος μιας ήπιας τροχιάς. Αλλά τότε ένα πολύ ασυνήθιστο αεράκι φύσηξε απαλά προς το μέρος της. Το άγγιξε λίγο - και έγινε αντιληπτό, καλύπτοντας το σώμα με ένα λεπτό, υποχωρώντας κύμα απαλού ασπρομπλε λάμψης. Αυτό το κύμα είναι εκπληκτικά υψηλής θερμοκρασίας, αλλά δεν καίει ακόμα την κεφαλή, αφού είναι πολύ αιθέριο. Το αεράκι που φυσάει πάνω από την κεφαλή είναι ηλεκτρικά αγώγιμο. Η ταχύτητα του κώνου είναι τόσο υψηλή που κυριολεκτικά συνθλίβει τα μόρια του αέρα με την πρόσκρουσή του σε ηλεκτρικά φορτισμένα θραύσματα και συμβαίνει ιονισμός κρούσης του αέρα. Αυτή η αύρα πλάσματος ονομάζεται υπερηχητική ροή με αριθμό Mach και η ταχύτητά της είναι είκοσι φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου.

Λόγω της υψηλής σπανιότητας, το αεράκι είναι σχεδόν απαρατήρητο στα πρώτα δευτερόλεπτα. Μεγαλώνοντας και πυκνότερο καθώς πηγαίνει βαθύτερα στην ατμόσφαιρα, αρχικά θερμαίνεται περισσότερο παρά ασκεί πίεση στην κεφαλή. Αλλά σταδιακά αρχίζει να σφίγγει τον κώνο της με δύναμη. Η ροή στρέφει πρώτα τη μύτη της κεφαλής. Δεν ξεδιπλώνεται αμέσως - ο κώνος ταλαντεύεται ελαφρώς μπρος-πίσω, επιβραδύνοντας σταδιακά τις ταλαντώσεις του και τελικά σταθεροποιείται.

Συμπυκνώνοντας καθώς κατεβαίνει, η ροή ασκεί όλο και μεγαλύτερη πίεση στην κεφαλή, επιβραδύνοντας την πτήση της. Καθώς επιβραδύνεται, η θερμοκρασία μειώνεται σταδιακά. Από τις τεράστιες αξίες της αρχής της εισόδου, τη γαλανόλευκη λάμψη δεκάδων χιλιάδων Kelvin, μέχρι την κιτρινόλευκη λάμψη των πέντε έως έξι χιλιάδων μοιρών. Αυτή είναι η θερμοκρασία των επιφανειακών στρωμάτων του Ήλιου. Η λάμψη γίνεται εκθαμβωτική επειδή η πυκνότητα του αέρα αυξάνεται γρήγορα και μαζί της η ροή θερμότητας στα τοιχώματα της κεφαλής. Η θερμοπροστατευτική επίστρωση απανθρακώνεται και αρχίζει να καίγεται.

Δεν καίγεται καθόλου από την τριβή με τον αέρα, όπως συχνά λέγεται λανθασμένα. Λόγω της τεράστιας υπερηχητικής ταχύτητας κίνησης (τώρα δεκαπέντε φορές ταχύτερη από τον ήχο), ένας άλλος κώνος αποκλίνει στον αέρα από την κορυφή του σώματος - ένα ωστικό κύμα, σαν να περικλείει μια κεφαλή. Ο εισερχόμενος αέρας, που εισέρχεται στον κώνο του κρουστικού κύματος, συμπιέζεται αμέσως πολλές φορές και πιέζεται σφιχτά στην επιφάνεια της κεφαλής. Από την απότομη, στιγμιαία και επαναλαμβανόμενη συμπίεση, η θερμοκρασία του πηδά αμέσως σε αρκετές χιλιάδες βαθμούς. Ο λόγος για αυτό είναι η τρελή ταχύτητα αυτού που συμβαίνει, ο ακραίος δυναμισμός της διαδικασίας. Η δυναμική συμπίεση της ροής και όχι η τριβή είναι αυτό που θερμαίνει τώρα τις πλευρές της κεφαλής.

Το χειρότερο μέρος είναι η μύτη. Εκεί σχηματίζεται η μεγαλύτερη συμπύκνωση της επερχόμενης ροής. Η περιοχή αυτής της σφράγισης κινείται ελαφρώς προς τα εμπρός, σαν να αποσυνδέεται από το σώμα. Και μένει μπροστά, παίρνοντας το σχήμα ενός χοντρού φακού ή μαξιλαριού. Αυτός ο σχηματισμός ονομάζεται «κουστικό κύμα αποσπασμένου τόξου». Είναι αρκετές φορές παχύτερο από την υπόλοιπη επιφάνεια του κώνου κρουστικού κύματος γύρω από την κεφαλή. Η μετωπική συμπίεση της επερχόμενης ροής είναι η ισχυρότερη εδώ. Επομένως, το αποσυνδεδεμένο ωστικό κύμα πλώρης έχει την υψηλότερη θερμοκρασία και την υψηλότερη πυκνότητα θερμότητας. Αυτός ο μικρός ήλιος καίει τη μύτη της κεφαλής με ακτινοβόλο τρόπο - τονίζοντας, εκπέμποντας θερμότητα απευθείας στη μύτη της γάστρας και προκαλώντας σοβαρό κάψιμο της μύτης. Επομένως, υπάρχει το παχύτερο στρώμα θερμικής προστασίας. Είναι το ωστικό κύμα πλώρης που φωτίζει την περιοχή σε μια σκοτεινή νύχτα για πολλά χιλιόμετρα γύρω από μια κεφαλή που πετά στην ατμόσφαιρα.

Συνδέεται με έναν στόχο

Το θερμοπυρηνικό φορτίο και η μονάδα ελέγχου επικοινωνούν συνεχώς μεταξύ τους. Αυτός ο «διάλογος» ξεκινά αμέσως μετά την εγκατάσταση της κεφαλής στον πύραυλο και τελειώνει αυτή τη στιγμή πυρηνική έκρηξη. Όλο αυτό το διάστημα, το σύστημα ελέγχου προετοιμάζει τη χρέωση για λειτουργία, όπως ένας εκπαιδευτής προετοιμάζει έναν πυγμάχο για έναν σημαντικό αγώνα. Και την κατάλληλη στιγμή δίνει την τελευταία και πιο σημαντική εντολή.

Κατά την τοποθέτηση ενός πυραύλου σε υπηρεσία μάχης, το φορτίο του είναι εξοπλισμένο με την πλήρη διαμόρφωσή του: είναι εγκατεστημένος ένας παλμικός ενεργοποιητής νετρονίων, πυροκροτητές και άλλος εξοπλισμός. Δεν είναι όμως ακόμα έτοιμος για την έκρηξη. Η διατήρηση ενός πυρηνικού πυραύλου σε ένα σιλό ή σε έναν κινητό εκτοξευτή για δεκαετίες, έτοιμο να εκραγεί ανά πάσα στιγμή, είναι απλώς επικίνδυνο.

Επομένως, κατά τη διάρκεια της πτήσης, το σύστημα ελέγχου θέτει το φορτίο σε κατάσταση ετοιμότητας για έκρηξη. Αυτό συμβαίνει σταδιακά, χρησιμοποιώντας πολύπλοκους διαδοχικούς αλγόριθμους που βασίζονται σε δύο βασικές προϋποθέσεις: την αξιοπιστία της κίνησης προς τον στόχο και τον έλεγχο της διαδικασίας. Εάν ένας από αυτούς τους παράγοντες αποκλίνει από τις υπολογισμένες τιμές, η προετοιμασία θα σταματήσει. Τα ηλεκτρονικά μεταφέρουν τη φόρτιση σε ολοένα και υψηλότερο βαθμό ετοιμότητας για να δώσουν εντολή λειτουργίας στο υπολογισμένο σημείο.

Και όταν η πλήρως προετοιμασμένη γόμωση έρθει από τη μονάδα ελέγχου για να εκραγεί, η έκρηξη θα συμβεί αμέσως, αμέσως. Μια κεφαλή που πετά με την ταχύτητα μιας σφαίρας ελεύθερου σκοπευτή θα ταξιδέψει μόνο μερικά εκατοστά του χιλιοστού, χωρίς να έχει χρόνο να κινηθεί στο διάστημα ακόμη και στο πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας, όταν η θερμοπυρηνική αντίδραση στο φορτίο της αρχίζει, αναπτύσσεται, περάσει τελείως και ολοκληρώνεται, απελευθερώνοντας όλη την κανονική ισχύ.

Έχοντας αλλάξει πολύ τόσο έξω όσο και μέσα, η κεφαλή πέρασε στην τροπόσφαιρα - τα τελευταία δέκα χιλιόμετρα υψομέτρου. Επιβράδυνε πολύ. Η υπερηχητική πτήση έχει εκφυλιστεί σε υπερηχητική ταχύτητα τριών έως τεσσάρων μονάδων Mach. Η κεφαλή λάμπει ήδη αμυδρά, σβήνει και πλησιάζει το σημείο στόχο.

Μια έκρηξη στην επιφάνεια της Γης σχεδιάζεται σπάνια - μόνο για αντικείμενα θαμμένα στο έδαφος, όπως σιλό πυραύλων. Οι περισσότεροι στόχοι βρίσκονται στην επιφάνεια. Και για τη μεγαλύτερη καταστροφή τους, η έκρηξη πραγματοποιείται σε ορισμένο ύψος, ανάλογα με την ισχύ της γόμωσης. Για τακτικά είκοσι κιλοτόνους αυτό είναι 400−600 m Για ένα στρατηγικό μεγατόνιο το βέλτιστο ύψος έκρηξης είναι 1200 m. Η έκρηξη προκαλεί δύο κύματα να ταξιδέψουν στην περιοχή. Πιο κοντά στο επίκεντρο, το εκρηκτικό κύμα θα χτυπήσει νωρίτερα. Θα πέσει και θα αντανακλάται, αναπηδώντας στα πλάγια, όπου θα σμίξει με το φρέσκο ​​κύμα που μόλις έφτασε εδώ από ψηλά, από το σημείο της έκρηξης. Δύο κύματα - που προσπίπτουν από το κέντρο της έκρηξης και ανακλώνται από την επιφάνεια - αθροίζονται, σχηματίζοντας το πιο ισχυρό ωστικό κύμα στο στρώμα εδάφους, ΒΑΣΙΚΟΣ παραγονταςήττες.

Κατά τις δοκιμαστικές εκτοξεύσεις, η κεφαλή συνήθως φτάνει στο έδαφος ανεμπόδιστη. Στο πλοίο υπάρχουν μισό βάρος εκρηκτικών, τα οποία πυροδοτούνται όταν πέφτει. Για τι; Πρώτον, η κεφαλή είναι ένα μυστικό αντικείμενο και πρέπει να καταστραφεί με ασφάλεια μετά τη χρήση. Δεύτερον, αυτό είναι απαραίτητο για τα συστήματα μέτρησης του τόπου δοκιμής - για την έγκαιρη ανίχνευση του σημείου πρόσκρουσης και τη μέτρηση των αποκλίσεων.

Ένας πολύμετρος κρατήρας καπνίσματος συμπληρώνει την εικόνα. Αλλά πριν από αυτό, μερικά χιλιόμετρα πριν από την πρόσκρουση, μια θωρακισμένη κασέτα αποθήκευσης εκτοξεύεται από τη δοκιμαστική κεφαλή, καταγράφοντας όλα όσα καταγράφηκαν στο πλοίο κατά τη διάρκεια της πτήσης. Αυτή η θωρακισμένη μονάδα flash προστατεύει από την απώλεια πληροφοριών επί του σκάφους. Θα βρεθεί αργότερα, όταν φτάσει ένα ελικόπτερο με μια ειδική ομάδα αναζήτησης. Και θα καταγράψουν τα αποτελέσματα μιας φανταστικής πτήσης.

Έχουν γραφτεί εκατοντάδες βιβλία για την ιστορία της πυρηνικής αντιπαράθεσης μεταξύ υπερδυνάμεων και τον σχεδιασμό των πρώτων πυρηνικών βομβών. Υπάρχουν όμως πολλοί μύθοι για τα σύγχρονα πυρηνικά όπλα. Η «Popular Mechanics» αποφάσισε να διευκρινίσει αυτό το ζήτημα και να πει πώς λειτουργεί το πιο καταστροφικό όπλο που εφευρέθηκε από τον άνθρωπο.

Εκρηκτικός χαρακτήρας

Ο πυρήνας του ουρανίου περιέχει 92 πρωτόνια. Το φυσικό ουράνιο είναι κυρίως ένα μείγμα δύο ισοτόπων: U238 (το οποίο έχει 146 νετρόνια στον πυρήνα του) και U235 (143 νετρόνια), με μόνο το 0,7% του τελευταίου σε φυσικό ουράνιο. Οι χημικές ιδιότητες των ισοτόπων είναι απολύτως ίδιες, επομένως είναι αδύνατο να διαχωριστούν με χημικές μεθόδους, αλλά η διαφορά στις μάζες (235 και 238 μονάδες) επιτρέπει αυτό να γίνει με φυσικές μεθόδους: ένα μείγμα ουρανίου μετατρέπεται σε αέριο (ουράνιο εξαφθορίδιο), και στη συνέχεια αντλείται μέσω αμέτρητων πορωδών χωρισμάτων. Αν και τα ισότοπα του ουρανίου δεν διακρίνονται από κανένα από τα δύο εμφάνιση, ούτε χημικά, τους χωρίζει μια άβυσσος στις ιδιότητες των πυρηνικών χαρακτήρων.

Η διαδικασία σχάσης του U238 είναι μια πληρωμένη διαδικασία: ένα νετρόνιο που έρχεται από έξω πρέπει να φέρει μαζί του ενέργεια - 1 MeV ή περισσότερο. Και το U235 είναι ανιδιοτελές: τίποτα δεν απαιτείται από το εισερχόμενο νετρόνιο για διέγερση και επακόλουθη διάσπαση του δεσμού του στον πυρήνα.

Όταν χτυπηθεί από νετρόνια, ο πυρήνας του ουρανίου-235 διασπάται εύκολα, παράγοντας νέα νετρόνια. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, ξεκινά μια αλυσιδωτή αντίδραση.

Όταν ένα νετρόνιο προσκρούει σε έναν πυρήνα ικανό για σχάση, σχηματίζεται μια ασταθής ένωση, αλλά πολύ γρήγορα (μετά από 10−23−10−22 δευτερόλεπτα) ένας τέτοιος πυρήνας διασπάται σε δύο θραύσματα που είναι άνισα σε μάζα και «ακαριαία» (εντός 10 −16−10− 14 γ) εκπέμποντας δύο ή τρία νέα νετρόνια, έτσι ώστε με την πάροδο του χρόνου ο αριθμός των σχάσιμων πυρήνων να μπορεί να πολλαπλασιαστεί (αυτή η αντίδραση ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση). Αυτό είναι δυνατό μόνο στο U235, επειδή το άπληστο U238 δεν θέλει να μοιραστεί από τα δικά του νετρόνια, των οποίων η ενέργεια είναι τάξη μεγέθους μικρότερη από 1 MeV. Η κινητική ενέργεια των σωματιδίων του προϊόντος σχάσης είναι πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερη από την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε χημικής αντίδρασης στην οποία η σύνθεση των πυρήνων δεν αλλάζει.

Το μεταλλικό πλουτώνιο υπάρχει σε έξι φάσεις, οι πυκνότητες των οποίων κυμαίνονται από 14,7 έως 19,8 kg/cm 3 . Σε θερμοκρασίες κάτω από 119 βαθμούς Κελσίου, υπάρχει μια μονοκλινική άλφα φάση (19,8 kg/cm 3), αλλά αυτό το πλουτώνιο είναι πολύ εύθραυστο και στην κυβική φάση δέλτα με επίκεντρο το πρόσωπο (15,9) είναι πλαστικό και καλά επεξεργασμένο (είναι αυτό φάση που προσπαθούν να συντηρήσουν χρησιμοποιώντας πρόσθετα κραμάτων). Κατά τη συμπίεση έκρηξης, δεν μπορούν να συμβούν μεταβάσεις φάσης - το πλουτώνιο είναι σε κατάσταση σχεδόν υγρού. Οι μεταβάσεις φάσεων είναι επικίνδυνες κατά την παραγωγή: με μεγάλα εξαρτήματα, ακόμη και με μια μικρή αλλαγή στην πυκνότητα, μπορεί να επιτευχθεί μια κρίσιμη κατάσταση. Φυσικά, αυτό θα συμβεί χωρίς έκρηξη - το τεμάχιο εργασίας απλά θα θερμανθεί, αλλά μπορεί να απελευθερωθεί η επινικελίωση (και το πλουτώνιο είναι πολύ τοξικό).

Κρίσιμη συναρμολόγηση

Τα προϊόντα σχάσης είναι ασταθή και χρειάζονται πολύ χρόνο για να «ανακτηθούν», εκπέμποντας διάφορες ακτινοβολίες (συμπεριλαμβανομένων των νετρονίων). Τα νετρόνια που εκπέμπονται σημαντικό χρόνο (έως δεκάδες δευτερόλεπτα) μετά τη σχάση ονομάζονται καθυστερημένα και παρόλο που το μερίδιό τους είναι μικρό σε σύγκριση με τα στιγμιαία (λιγότερο από 1%), ο ρόλος που παίζουν στη λειτουργία των πυρηνικών εγκαταστάσεων είναι ο μεγαλύτερος σπουδαίος.

Οι εκρηκτικοί φακοί δημιούργησαν ένα συγκλίνον κύμα. Η αξιοπιστία εξασφαλιζόταν από ένα ζεύγος πυροκροτητών σε κάθε μπλοκ.

Τα προϊόντα σχάσης, κατά τη διάρκεια πολυάριθμων συγκρούσεων με τα γύρω άτομα, δίνουν την ενέργειά τους σε αυτά, αυξάνοντας τη θερμοκρασία. Αφού εμφανιστούν τα νετρόνια σε ένα συγκρότημα που περιέχει σχάσιμο υλικό, η ισχύς απελευθέρωσης θερμότητας μπορεί να αυξηθεί ή να μειωθεί και οι παράμετροι ενός συγκροτήματος στο οποίο ο αριθμός των σχάσεων ανά μονάδα χρόνου είναι σταθερός ονομάζονται κρίσιμες. Η κρισιμότητα του συγκροτήματος μπορεί να διατηρηθεί τόσο με μεγάλο όσο και με μικρό αριθμό νετρονίων (σε αντίστοιχα υψηλότερη ή χαμηλότερη ισχύ απελευθέρωσης θερμότητας). Η θερμική ισχύς αυξάνεται είτε αντλώντας πρόσθετα νετρόνια στο κρίσιμο συγκρότημα από το εξωτερικό, είτε καθιστώντας το συγκρότημα υπερκρίσιμο (τότε επιπλέον νετρόνια παρέχονται από ολοένα και περισσότερες γενιές σχάσιμων πυρήνων). Για παράδειγμα, εάν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η θερμική ισχύς ενός αντιδραστήρα, φέρεται σε ένα καθεστώς όπου κάθε γενιά άμεσων νετρονίων είναι ελαφρώς μικρότερη από την προηγούμενη, αλλά χάρη στα καθυστερημένα νετρόνια, ο αντιδραστήρας μετά βίας περνάει σε κρίσιμη κατάσταση. Τότε δεν επιταχύνεται, αλλά αποκτά ισχύ αργά - ώστε να σταματήσει την αύξησή του την κατάλληλη στιγμή με την εισαγωγή απορροφητών νετρονίων (ράβδοι που περιέχουν κάδμιο ή βόριο).

Το συγκρότημα πλουτωνίου (ένα σφαιρικό στρώμα στο κέντρο) περιβαλλόταν από ένα περίβλημα ουρανίου-238 και στη συνέχεια ένα στρώμα αλουμινίου.

Τα νετρόνια που παράγονται κατά τη σχάση συχνά περνούν από τους περιβάλλοντες πυρήνες χωρίς να προκαλούν περαιτέρω σχάση. Όσο πιο κοντά στην επιφάνεια ενός υλικού παράγεται ένα νετρόνιο, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα να διαφύγει από το σχάσιμο υλικό και να μην επιστρέψει ποτέ. Ως εκ τούτου, η μορφή της συναρμολόγησης, εξοικονόμηση μεγαλύτερος αριθμόςΤα νετρόνια είναι μια σφαίρα: για μια δεδομένη μάζα ύλης έχει ένα ελάχιστο εμβαδόν επιφάνειας. Μια μη περικυκλωμένη (μοναχική) μπάλα 94% U235 χωρίς κοιλότητες στο εσωτερικό γίνεται κρίσιμη με μάζα 49 kg και ακτίνα 85 mm. Εάν ένα συγκρότημα από το ίδιο ουράνιο είναι ένας κύλινδρος με μήκος ίσο με τη διάμετρο, γίνεται κρίσιμο με μάζα 52 kg. Η επιφάνεια μειώνεται επίσης με την αύξηση της πυκνότητας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η εκρηκτική συμπίεση, χωρίς αλλαγή της ποσότητας του σχάσιμου υλικού, μπορεί να φέρει το συγκρότημα σε κρίσιμη κατάσταση. Αυτή η διαδικασία είναι που βασίζεται στον κοινό σχεδιασμό ενός πυρηνικού φορτίου.

Τα πρώτα πυρηνικά όπλα χρησιμοποιούσαν πολώνιο και βηρύλλιο (κέντρο) ως πηγές νετρονίων.

Συγκρότημα μπάλας

Αλλά τις περισσότερες φορές δεν είναι το ουράνιο που χρησιμοποιείται στα πυρηνικά όπλα, αλλά το πλουτώνιο-239. Παράγεται σε αντιδραστήρες με ακτινοβολία ουρανίου-238 με ισχυρές ροές νετρονίων. Το πλουτώνιο κοστίζει περίπου έξι φορές περισσότερο από το U235, αλλά όταν διασπάται, ο πυρήνας Pu239 εκπέμπει κατά μέσο όρο 2.895 νετρόνια—περισσότερα από το U235 (2.452). Επιπλέον, η πιθανότητα σχάσης πλουτωνίου είναι μεγαλύτερη. Όλα αυτά οδηγούν στο γεγονός ότι μια μονήρη σφαίρα Pu239 γίνεται κρίσιμη με σχεδόν τρεις φορές μικρότερη μάζα από μια σφαίρα ουρανίου, και το πιο σημαντικό, με μικρότερη ακτίνα, η οποία καθιστά δυνατή τη μείωση των διαστάσεων του κρίσιμου συγκροτήματος.

Ένα στρώμα αλουμινίου χρησιμοποιήθηκε για τη μείωση του κύματος αραίωσης μετά την έκρηξη της εκρηκτικής ύλης.

Το συγκρότημα είναι κατασκευασμένο από δύο προσεκτικά τοποθετημένα μισά σε μορφή σφαιρικού στρώματος (κοίλο στο εσωτερικό). είναι προφανώς υποκρίσιμο - ακόμη και για τα θερμικά νετρόνια και ακόμη και αφού περιβάλλεται από έναν συντονιστή. Μια γόμωση τοποθετείται γύρω από ένα συγκρότημα εκρηκτικών μπλοκ με πολύ ακριβή τοποθέτηση. Προκειμένου να εξοικονομηθούν νετρόνια, είναι απαραίτητο να διατηρηθεί το ευγενές σχήμα της μπάλας κατά τη διάρκεια της έκρηξης - γι 'αυτό, το στρώμα του εκρηκτικού πρέπει να πυροδοτηθεί ταυτόχρονα σε ολόκληρο το εξωτερική επιφάνεια, πιέζοντας ομοιόμορφα το συγκρότημα. Πιστεύεται ευρέως ότι αυτό απαιτεί πολλούς ηλεκτρικούς πυροκροτητές. Αλλά αυτό συνέβαινε μόνο στην αυγή της «κατασκευής βόμβας»: για να ενεργοποιηθούν πολλές δεκάδες πυροκροτητές, απαιτούνταν πολλή ενέργεια και ένα σημαντικό μέγεθος του συστήματος πυροδότησης. Οι σύγχρονες γομώσεις χρησιμοποιούν αρκετούς πυροκροτητές που επιλέγονται με ειδική τεχνική, παρόμοια σε χαρακτηριστικά, από τους οποίους πυροδοτούνται εκρηκτικά υψηλής σταθερότητας (από άποψη ταχύτητας έκρηξης) σε αυλάκια αλεσμένα σε πολυανθρακικό στρώμα (το σχήμα του οποίου σε μια σφαιρική επιφάνεια υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τη γεωμετρία Riemann μεθόδους). Η έκρηξη με ταχύτητα περίπου 8 km/s θα ταξιδέψει κατά μήκος των αυλακώσεων σε απολύτως ίσες αποστάσεις, την ίδια στιγμή θα φτάσει στις οπές και θα πυροδοτήσει την κύρια γόμωση - ταυτόχρονα σε όλα τα απαιτούμενα σημεία.

Τα σχήματα δείχνουν τις πρώτες στιγμές της ζωής μιας βολίδας ενός πυρηνικού φορτίου - διάχυση ακτινοβολίας (α), διαστολή θερμού πλάσματος και σχηματισμός «φυσαλίδων» (β) και αύξηση της ισχύος ακτινοβολίας στο ορατό εύρος κατά τη διάρκεια του διαχωρισμού του κρουστικού κύματος (γ).

Έκρηξη στο εσωτερικό

Η έκρηξη που κατευθύνεται προς τα μέσα συμπιέζει το συγκρότημα με πίεση μεγαλύτερη από ένα εκατομμύριο ατμόσφαιρες. Η επιφάνεια του συγκροτήματος μειώνεται, η εσωτερική κοιλότητα στο πλουτώνιο σχεδόν εξαφανίζεται, η πυκνότητα αυξάνεται και πολύ γρήγορα - μέσα σε δέκα μικροδευτερόλεπτα, το συμπιέσιμο συγκρότημα περνά την κρίσιμη κατάσταση με τα θερμικά νετρόνια και γίνεται σημαντικά υπερκρίσιμο με τα γρήγορα νετρόνια.

Μετά από μια περίοδο που καθορίζεται από τον ασήμαντο χρόνο ασήμαντης επιβράδυνσης των γρήγορων νετρονίων, κάθε νέα, πιο πολυάριθμη γενιά αυτών προσθέτει ενέργεια 202 MeV με σχάση στην ουσία συναρμολόγησης, η οποία ήδη εκρήγνυται από τερατώδη πίεση. Στην κλίμακα των φαινομένων που συμβαίνουν, η αντοχή ακόμη και των καλύτερων κραματοποιημένων χάλυβων είναι τόσο ελάχιστη που δεν περνάει από το μυαλό κανένας να τη λάβει υπόψη κατά τον υπολογισμό της δυναμικής μιας έκρηξης. Το μόνο πράγμα που εμποδίζει το συγκρότημα να πετάξει χώρια είναι η αδράνεια: για να επεκταθεί μια σφαίρα πλουτωνίου κατά μόλις 1 cm σε δεκάδες νανοδευτερόλεπτα, είναι απαραίτητο να προσδώσει επιτάχυνση στην ουσία που είναι δεκάδες τρισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την επιτάχυνση ελεύθερης πτώσης, και αυτό δεν είναι εύκολο.

Στο τέλος, η ύλη εξακολουθεί να διασκορπίζεται, η σχάση σταματά, αλλά η διαδικασία δεν τελειώνει εκεί: η ενέργεια ανακατανέμεται μεταξύ των ιονισμένων θραυσμάτων των διαχωρισμένων πυρήνων και άλλων σωματιδίων που εκπέμπονται κατά τη σχάση. Η ενέργειά τους είναι της τάξης των δεκάδων και ακόμη και εκατοντάδων MeV, αλλά μόνο τα ηλεκτρικά ουδέτερα κβάντα γάμμα υψηλής ενέργειας και τα νετρόνια έχουν την ευκαιρία να αποφύγουν την αλληλεπίδραση με την ύλη και να «διαφύγουν». Τα φορτισμένα σωματίδια χάνουν γρήγορα ενέργεια σε πράξεις σύγκρουσης και ιονισμού. Σε αυτήν την περίπτωση, η ακτινοβολία εκπέμπεται - ωστόσο, δεν είναι πλέον σκληρή πυρηνική ακτινοβολία, αλλά πιο ήπια, με ενέργεια τρεις τάξεις μεγέθους χαμηλότερη, αλλά και πάλι υπεραρκετή για να εξαλείψει τα ηλεκτρόνια από τα άτομα - όχι μόνο από τα εξωτερικά κελύφη, αλλά από όλα γενικά. Ένα μείγμα γυμνών πυρήνων, απογυμνωμένων ηλεκτρονίων και ακτινοβολίας με πυκνότητα γραμμαρίων ανά κυβικό εκατοστό (προσπαθήστε να φανταστείτε πόσο καλά μπορείτε να μαυρίσετε κάτω από φως που έχει αποκτήσει την πυκνότητα αλουμινίου!) - όλα όσα πριν από λίγο ήταν φορτίο - μπαίνει κάποια ομοιότητα ισορροπίας. Σε μια πολύ νεαρή βολίδα, η θερμοκρασία φτάνει τους δεκάδες εκατομμύρια βαθμούς.

Μπάλα φωτιάς

Φαίνεται ότι ακόμη και η μαλακή ακτινοβολία που κινείται με την ταχύτητα του φωτός θα πρέπει να αφήνει πολύ πίσω την ύλη που την δημιούργησε, αλλά αυτό δεν είναι έτσι: στον ψυχρό αέρα, το εύρος των κβάντων των ενεργειών Kev είναι εκατοστά και δεν κινούνται σε ευθεία γραμμή, αλλά αλλάζοντας την κατεύθυνση κίνησης, εκπέμποντας εκ νέου με κάθε αλληλεπίδραση. Τα κβάντα ιονίζουν τον αέρα και απλώνονται μέσα του, όπως ο χυμός κερασιού που χύνεται σε ένα ποτήρι νερό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται διάχυση ακτινοβολίας.

Μια νεαρή βολίδα μιας έκρηξης 100 kt μερικές δεκάδες νανοδευτερόλεπτα μετά το τέλος της έκρηξης της σχάσης έχει ακτίνα 3 m και θερμοκρασία σχεδόν 8 εκατομμύρια Kelvin. Αλλά μετά από 30 μικροδευτερόλεπτα η ακτίνα του είναι 18 m, αν και η θερμοκρασία πέφτει κάτω από ένα εκατομμύριο βαθμούς. Η μπάλα καταβροχθίζει χώρο και ο ιονισμένος αέρας πίσω από το μπροστινό μέρος της δεν κινείται σχεδόν καθόλου: η ακτινοβολία δεν μπορεί να της μεταφέρει σημαντική ορμή κατά τη διάχυση. Αλλά αντλεί τεράστια ενέργεια σε αυτόν τον αέρα, θερμαίνοντάς τον, και όταν η ενέργεια της ακτινοβολίας εξαντλείται, η μπάλα αρχίζει να μεγαλώνει λόγω της διαστολής του θερμού πλάσματος, που εκρήγνυται από μέσα με κάτι που ήταν κάποτε φορτίο. Διαστέλλοντας, όπως μια φουσκωμένη φυσαλίδα, το κέλυφος του πλάσματος γίνεται πιο λεπτό. Σε αντίθεση με μια φούσκα, φυσικά, τίποτα δεν τη φουσκώνει: με μέσαΔεν έχει απομείνει σχεδόν καμία ύλη, όλα πετά από το κέντρο με αδράνεια, αλλά 30 μικροδευτερόλεπτα μετά την έκρηξη, η ταχύτητα αυτής της πτήσης είναι μεγαλύτερη από 100 km/s και η υδροδυναμική πίεση στην ύλη είναι μεγαλύτερη από 150.000 atm! Το κέλυφος δεν είναι προορισμένο να γίνει πολύ λεπτό, σκάει, σχηματίζοντας «φλύκταινες».

Σε έναν σωλήνα νετρονίων κενού, εφαρμόζεται μια παλμική τάση εκατό kilovolt μεταξύ ενός κορεσμένου με τρίτιο στόχο (κάθοδος) 1 και του συγκροτήματος ανόδου 2. Όταν η τάση είναι μέγιστη, είναι απαραίτητο τα ιόντα δευτερίου να βρίσκονται μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, τα οποία πρέπει να επιταχυνθούν. Για αυτό χρησιμοποιείται μια πηγή ιόντων. Εφαρμόζεται ένας παλμός ανάφλεξης στην άνοδο 3 του και η εκκένωση, περνώντας κατά μήκος της επιφάνειας του κορεσμένου με δευτέριο κεραμικού 4, σχηματίζει ιόντα δευτερίου. Έχοντας επιταχυνθεί, βομβαρδίζουν έναν στόχο κορεσμένο με τρίτιο, με αποτέλεσμα να απελευθερώνεται ενέργεια 17,6 MeV και να σχηματίζονται νετρόνια και πυρήνες ηλίου-4. Όσον αφορά τη σύνθεση των σωματιδίων και ακόμη και την παραγωγή ενέργειας, αυτή η αντίδραση είναι πανομοιότυπη με τη σύντηξη - τη διαδικασία σύντηξης των ελαφρών πυρήνων. Στη δεκαετία του 1950, πολλοί πίστευαν έτσι, αλλά αργότερα αποδείχθηκε ότι συμβαίνει μια «διαταραχή» στον σωλήνα: είτε ένα πρωτόνιο είτε ένα νετρόνιο (το οποίο αποτελεί το ιόν δευτερίου, που επιταχύνεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο) «κολλάει» στον στόχο. πυρήνας (τρίτιο). Εάν ένα πρωτόνιο κολλήσει, το νετρόνιο διασπάται και γίνεται ελεύθερο.

Ποιος από τους μηχανισμούς μετάδοσης της ενέργειας μιας βολίδας περιβάλλονεπικρατεί, εξαρτάται από την ισχύ της έκρηξης: εάν είναι μεγάλη, ο κύριος ρόλος διαδραματίζεται από τη διάχυση ακτινοβολίας, εάν είναι μικρή, η διαστολή της φυσαλίδας του πλάσματος παίζει σημαντικό ρόλο. Είναι σαφές ότι μια ενδιάμεση περίπτωση είναι επίσης δυνατή, όταν και οι δύο μηχανισμοί είναι αποτελεσματικοί.

Η διαδικασία συλλαμβάνει νέα στρώματα αέρα, δεν υπάρχει πλέον αρκετή ενέργεια για να αφαιρεθούν όλα τα ηλεκτρόνια από τα άτομα. Η ενέργεια του ιονισμένου στρώματος και των θραυσμάτων της φυσαλίδας του πλάσματος εξαντλείται, δεν είναι πλέον σε θέση να μετακινήσουν την τεράστια μάζα μπροστά τους και να επιβραδύνουν αισθητά. Αλλά τι ήταν αέρας πριν την έκρηξη κινείται, αποσπώντας από την μπάλα, απορροφώντας όλο και περισσότερα στρώματα κρύου αέρα... Ξεκινά ο σχηματισμός ωστικού κύματος.

Σοκ κύμα και ατομικό μανιτάρι

Όταν το κρουστικό κύμα διαχωρίζεται από τη βολίδα, τα χαρακτηριστικά του στρώματος εκπομπής αλλάζουν και η ισχύς ακτινοβολίας στο οπτικό τμήμα του φάσματος αυξάνεται απότομα (το λεγόμενο πρώτο μέγιστο). Στη συνέχεια, οι διαδικασίες φωτισμού και οι αλλαγές στη διαφάνεια του περιβάλλοντος αέρα ανταγωνίζονται, γεγονός που οδηγεί στην πραγματοποίηση ενός δεύτερου μέγιστου, λιγότερο ισχυρού, αλλά πολύ μεγαλύτερου - τόσο πολύ ώστε η παραγωγή φωτεινής ενέργειας να είναι μεγαλύτερη από ό,τι στο πρώτο μέγιστο .

Κοντά στην έκρηξη, τα πάντα γύρω του εξατμίζονται, πιο μακριά λιώνει, αλλά ακόμα πιο μακριά, όπου η ροή θερμότητας δεν είναι πλέον επαρκής για τήξη στερεά, χώμα, βράχοι, σπίτια ρέουν σαν υγρό κάτω από την τερατώδη πίεση του αερίου, καταστρέφοντας όλες τις ισχυρές συνδέσεις, θερμαινόμενες σε μια λάμψη αφόρητη στα μάτια.

Τέλος, το ωστικό κύμα απέχει πολύ από το σημείο της έκρηξης, όπου ένα χαλαρό και εξασθενημένο, αλλά διευρυμένο πολλές φορές, σύννεφο ατμών αυτού που ήταν το πλάσμα του φορτίου και αυτό που ήταν κοντά την τρομερή του ώρα, παραμένει συμπυκνωμένο, μετατράπηκε σε μικροσκοπική και πολύ ραδιενεργή σκόνη σε ένα μέρος από το οποίο πρέπει να μείνει κανείς όσο το δυνατόν πιο μακριά. Το σύννεφο αρχίζει να ανεβαίνει. Ψύχεται, αλλάζοντας το χρώμα του, «βάζει» ένα λευκό καπάκι συμπυκνωμένης υγρασίας, ακολουθούμενο από σκόνη από την επιφάνεια της γης, σχηματίζοντας το «πόδι» αυτού που συνήθως αποκαλείται «ατομικό μανιτάρι».

Έναρξη νετρονίων

Οι προσεκτικοί αναγνώστες μπορούν να εκτιμήσουν την απελευθέρωση ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας έκρηξης με ένα μολύβι στα χέρια τους. Όταν ο χρόνος που το συγκρότημα βρίσκεται σε υπερκρίσιμη κατάσταση είναι της τάξης των μικροδευτερόλεπτων, η ηλικία των νετρονίων είναι της τάξης των πικοδευτερολέπτων και ο συντελεστής πολλαπλασιασμού είναι μικρότερος από 2, απελευθερώνεται περίπου ένα gigajoule ενέργειας, που ισοδυναμεί με ... 250 κιλά TNT. Πού είναι τα κιλά και τα μεγατόνια;

Νετρόνια - αργά και γρήγορα

Σε μια μη σχάσιμη ουσία, που «αναπηδά» από τους πυρήνες, τα νετρόνια μεταφέρουν σε αυτούς μέρος της ενέργειάς τους, όσο μεγαλύτεροι είναι οι ελαφρύτεροι (πιο κοντά σε αυτά σε μάζα) οι πυρήνες. Όσο περισσότερες συγκρούσεις συμμετέχουν τα νετρόνια, τόσο περισσότερο επιβραδύνουν και τελικά έρχονται σε θερμική ισορροπία με την περιβάλλουσα ύλη - θερμοποιούνται (αυτό διαρκεί χιλιοστά του δευτερολέπτου). Η ταχύτητα θερμικών νετρονίων είναι 2200 m/s (ενέργεια 0,025 eV). Τα νετρόνια μπορούν να ξεφύγουν από τον συντονιστή και να αιχμαλωτιστούν από τους πυρήνες του, αλλά με μέτρο η ικανότητά τους να εισέρχονται σε πυρηνικές αντιδράσεις αυξάνεται σημαντικά, έτσι τα νετρόνια που δεν «χάνονται» περισσότερο από αντισταθμίζουν τη μείωση των αριθμών.
Έτσι, εάν μια σφαίρα σχάσιμου υλικού περιβάλλεται από έναν συντονιστή, πολλά νετρόνια θα φύγουν από τον συντονιστή ή θα απορροφηθούν σε αυτό, αλλά θα υπάρχουν και μερικά που θα επιστρέψουν στη σφαίρα («αντανακλούν») και, έχοντας χάσει την ενέργειά τους, είναι πολύ πιο πιθανό να προκαλέσουν συμβάντα σχάσης. Εάν η μπάλα περιβάλλεται από ένα στρώμα βηρυλλίου πάχους 25 mm, τότε μπορούν να εξοικονομηθούν 20 kg U235 και να επιτευχθεί η κρίσιμη κατάσταση του συγκροτήματος. Αλλά τέτοιες εξοικονομήσεις έρχονται με κόστος χρόνου: κάθε επόμενη γενιά νετρονίων πρέπει πρώτα να επιβραδύνει πριν προκαλέσει σχάση. Αυτή η καθυστέρηση μειώνει τον αριθμό των γενεών νετρονίων που γεννιούνται ανά μονάδα χρόνου, πράγμα που σημαίνει ότι καθυστερεί η απελευθέρωση ενέργειας. Όσο λιγότερο σχάσιμο υλικό στο συγκρότημα, τόσο περισσότερο συντονιστής απαιτείται για την ανάπτυξη μιας αλυσιδωτής αντίδρασης και η σχάση συμβαίνει με νετρόνια ολοένα και χαμηλότερης ενέργειας. Στην περιοριστική περίπτωση, όταν η κρισιμότητα επιτυγχάνεται μόνο με θερμικά νετρόνια, για παράδειγμα, σε ένα διάλυμα αλάτων ουρανίου σε έναν καλό συντονιστή - νερό, η μάζα των συγκροτημάτων είναι εκατοντάδες γραμμάρια, αλλά το διάλυμα απλώς βράζει περιοδικά. Οι απελευθερωμένες φυσαλίδες ατμού μειώνουν τη μέση πυκνότητα της σχάσιμης ουσίας, η αλυσιδωτή αντίδραση σταματά και όταν οι φυσαλίδες φύγουν από το υγρό, το ξέσπασμα σχάσης επαναλαμβάνεται (αν φράξετε το δοχείο, ο ατμός θα το σκάσει - αλλά αυτό θα είναι θερμικό έκρηξη, χωρίς όλα τα τυπικά «πυρηνικά» σημάδια).

Το γεγονός είναι ότι η αλυσίδα σχάσης στο συγκρότημα δεν ξεκινά με ένα νετρόνιο: στο απαιτούμενο μικροδευτερόλεπτο, εγχέονται στο υπερκρίσιμο συγκρότημα κατά εκατομμύρια. Στα πρώτα πυρηνικά φορτία, για αυτό χρησιμοποιήθηκαν πηγές ισοτόπων που βρίσκονται σε μια κοιλότητα μέσα στο συγκρότημα πλουτωνίου: πολώνιο-210, τη στιγμή της συμπίεσης, σε συνδυασμό με βηρύλλιο και προκάλεσε εκπομπή νετρονίων με τα σωματίδια άλφα του. Αλλά όλες οι ισοτοπικές πηγές είναι μάλλον αδύναμες (το πρώτο αμερικανικό προϊόν παρήγαγε λιγότερα από ένα εκατομμύριο νετρόνια ανά μικροδευτερόλεπτο) και το πολώνιο είναι πολύ φθαρτό - μειώνει τη δραστηριότητά του στο μισό σε μόλις 138 ημέρες. Ως εκ τούτου, τα ισότοπα έχουν αντικατασταθεί από λιγότερο επικίνδυνα (που δεν εκπέμπουν όταν δεν είναι ενεργοποιημένα) και το πιο σημαντικό, σωλήνες νετρονίων που εκπέμπουν πιο έντονα (βλ. πλαϊνή γραμμή): σε λίγα μικροδευτερόλεπτα (η διάρκεια του παλμού που σχηματίζεται από τον σωλήνα ) γεννιούνται εκατοντάδες εκατομμύρια νετρόνια. Αλλά εάν δεν λειτουργεί ή λειτουργεί σε λάθος χρόνο, θα συμβεί ένα λεγόμενο κτύπημα ή "zilch" - μια θερμική έκρηξη χαμηλής ισχύος.

Η εκκίνηση νετρονίων όχι μόνο αυξάνει την απελευθέρωση ενέργειας μιας πυρηνικής έκρηξης κατά πολλές τάξεις μεγέθους, αλλά καθιστά δυνατή και τη ρύθμισή της! Είναι σαφές ότι, έχοντας λάβει μια αποστολή μάχης, κατά τη ρύθμιση της οποίας πρέπει να υποδεικνύεται η ισχύς πυρηνικό χτύπημα, κανείς δεν αποσυναρμολογεί το φορτίο για να το εξοπλίσει με ένα συγκρότημα πλουτωνίου που είναι το βέλτιστο για μια δεδομένη ισχύ. Σε πυρομαχικά με ισοδύναμο με δυνατότητα μεταγωγής TNT, αρκεί απλώς να αλλάξετε την τάση τροφοδοσίας στον σωλήνα νετρονίων. Αντίστοιχα, η απόδοση νετρονίων και η απελευθέρωση ενέργειας θα αλλάξουν (φυσικά, όταν η ισχύς μειωθεί με αυτόν τον τρόπο, σπαταλάται πολύ ακριβό πλουτώνιο).

Άρχισαν όμως να σκέφτονται την ανάγκη ρύθμισης της απελευθέρωσης ενέργειας πολύ αργότερα, και στην πρώτη μεταπολεμικά χρόνιαδεν θα μπορούσε να γίνει λόγος για μείωση της ισχύος. Πιο δυνατό, πιο δυνατό και πιο δυνατό! Αλλά αποδείχθηκε ότι υπάρχουν πυρηνικοί φυσικοί και υδροδυναμικοί περιορισμοί στις επιτρεπόμενες διαστάσεις της υποκρίσιμης σφαίρας. Το ισοδύναμο TNT μιας έκρηξης εκατό κιλοτόνων είναι κοντά στο φυσικό όριο για μονοφασικά πυρομαχικά, στα οποία συμβαίνει μόνο σχάση. Ως αποτέλεσμα, η σχάση εγκαταλείφθηκε ως η κύρια πηγή ενέργειας και η εστίαση ήταν σε αντιδράσεις μιας άλλης τάξης - σύντηξης.

Για να κατανοήσετε την αρχή λειτουργίας και τη δομή ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, πρέπει να κάνετε μια σύντομη εκδρομή στο παρελθόν. Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι ένα αιωνόβιο, αν και όχι πλήρως υλοποιημένο, όνειρο της ανθρωπότητας για μια ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Ο αρχαίος «πρόγονός» του είναι μια φωτιά από ξερά κλαδιά, που κάποτε φώτιζε και ζέσταινε τους θόλους του σπηλαίου όπου οι μακρινοί μας πρόγονοι βρήκαν τη σωτηρία από το κρύο. Αργότερα, οι άνθρωποι κατέκτησαν τους υδρογονάνθρακες - άνθρακα, σχιστόλιθο, πετρέλαιο και φυσικό αέριο.

Ξεκίνησε η ταραγμένη αλλά βραχύβια εποχή του ατμού, η οποία αντικαταστάθηκε από μια ακόμη πιο φανταστική εποχή του ηλεκτρισμού. Οι πόλεις γέμισαν φως και τα εργαστήρια με το βρυχηθμό αόρατων μέχρι τότε μηχανών που κινούνταν από ηλεκτρικούς κινητήρες. Τότε φαινόταν ότι η πρόοδος είχε φτάσει στο απόγειό της.

Όλα άλλαξαν στα τέλη του 19ου αιώνα, όταν ο Γάλλος χημικός Antoine Henri Becquerel ανακάλυψε κατά λάθος ότι τα άλατα ουρανίου είναι ραδιενεργά. 2 χρόνια αργότερα, οι συμπατριώτες του Pierre Curie και η σύζυγός του Maria Sklodowska-Curie πήραν ράδιο και πολώνιο από αυτούς και το επίπεδο ραδιενέργειας τους ήταν εκατομμύρια φορές υψηλότερο από αυτό του θορίου και του ουρανίου.

Τη σκυτάλη πήρε ο Ernest Rutherford, ο οποίος μελέτησε λεπτομερώς τη φύση των ραδιενεργών ακτίνων. Έτσι ξεκίνησε η εποχή του ατόμου, που γέννησε το αγαπημένο του παιδί - τον ατομικό αντιδραστήρα.

Πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας

Το “Firstborn” προέρχεται από τις ΗΠΑ. Τον Δεκέμβριο του 1942 παρήχθη το πρώτο ρεύμα από τον αντιδραστήρα, ο οποίος πήρε το όνομά του από τον δημιουργό του, έναν από τους μεγαλύτερους φυσικούς του αιώνα, τον Ε. Φέρμι. Τρία χρόνια αργότερα, η πυρηνική εγκατάσταση ZEEP ήρθε στη ζωή στον Καναδά. Το "Bronze" πήγε στον πρώτο σοβιετικό αντιδραστήρα F-1, που εκτοξεύτηκε στα τέλη του 1946. Ο I.V Kurchatov έγινε επικεφαλής του εγχώριου πυρηνικού έργου. Σήμερα, περισσότερες από 400 μονάδες πυρηνικής ενέργειας λειτουργούν με επιτυχία στον κόσμο.

Τύποι πυρηνικών αντιδραστήρων

Ο κύριος σκοπός τους είναι να υποστηρίξουν μια ελεγχόμενη πυρηνική αντίδραση που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Μερικοί αντιδραστήρες παράγουν ισότοπα. Με λίγα λόγια, είναι συσκευές στα βάθη των οποίων ορισμένες ουσίες μετατρέπονται σε άλλες με την απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας θερμικής ενέργειας. Αυτό είναι ένα είδος «καμίνου» όπου, αντί για παραδοσιακά καύσιμα, καίγονται ισότοπα ουρανίου - U-235, U-238 και πλουτώνιο (Pu).

Σε αντίθεση, για παράδειγμα, με ένα αυτοκίνητο σχεδιασμένο για διάφορους τύπους βενζίνης, κάθε τύπος ραδιενεργού καυσίμου έχει τον δικό του τύπο αντιδραστήρα. Υπάρχουν δύο από αυτά - σε αργά (με U-235) και γρήγορα (με U-238 και Pu) νετρόνια. Οι περισσότεροι πυρηνικοί σταθμοί έχουν αργούς αντιδραστήρες νετρονίων. Εκτός από τους πυρηνικούς σταθμούς, οι εγκαταστάσεις «δουλεύουν» σε ερευνητικά κέντρα, σε πυρηνικά υποβρύχια κ.λπ.

Πώς λειτουργεί ο αντιδραστήρας

Όλοι οι αντιδραστήρες έχουν περίπου το ίδιο κύκλωμα. Η «καρδιά» του είναι η ενεργή ζώνη. Μπορεί να συγκριθεί κατά προσέγγιση με την εστία μιας συμβατικής σόμπας. Μόνο αντί για καυσόξυλα υπάρχει πυρηνικό καύσιμο με τη μορφή στοιχείων καυσίμου με συντονιστή - ράβδους καυσίμου. Η ενεργή ζώνη βρίσκεται μέσα σε ένα είδος κάψουλας - έναν ανακλαστήρα νετρονίων. Οι ράβδοι καυσίμου "πλένονται" από το ψυκτικό - νερό. Γιατί στην «καρδιά» υπάρχει πολύ υψηλό επίπεδοραδιενέργειας, περιβάλλεται από αξιόπιστη ακτινοπροστασία.

Οι χειριστές ελέγχουν τη λειτουργία της μονάδας χρησιμοποιώντας δύο κρίσιμα συστήματα - έλεγχο αλυσιδωτής αντίδρασης και σύστημα τηλεχειρισμού. Σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, η προστασία έκτακτης ανάγκης ενεργοποιείται αμέσως.

Πώς λειτουργεί ένας αντιδραστήρας;

Η ατομική «φλόγα» είναι αόρατη, αφού οι διεργασίες συμβαίνουν στο επίπεδο της πυρηνικής σχάσης. Κατά τη διάρκεια μιας αλυσιδωτής αντίδρασης, οι βαρείς πυρήνες διασπώνται σε μικρότερα θραύσματα, τα οποία, όντας σε διεγερμένη κατάσταση, γίνονται πηγές νετρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων. Όμως η διαδικασία δεν τελειώνει εκεί. Τα νετρόνια συνεχίζουν να «διασπώνται», με αποτέλεσμα να απελευθερώνονται μεγάλες ποσότητες ενέργειας, δηλαδή αυτό που συμβαίνει για χάρη των οποίων κατασκευάζονται πυρηνικοί σταθμοί.

Το κύριο καθήκον του προσωπικού είναι να διατηρεί την αλυσιδωτή αντίδραση με τη βοήθεια ράβδων ελέγχου σε σταθερό, ρυθμιζόμενο επίπεδο. Αυτή είναι η κύρια διαφορά του από ατομική βόμβα, όπου η διαδικασία της πυρηνικής αποσύνθεσης είναι ανεξέλεγκτη και εξελίσσεται ραγδαία, με τη μορφή ισχυρής έκρηξης.

Τι συνέβη στον πυρηνικό σταθμό του Τσερνομπίλ

Ένας από τους κύριους λόγους για την καταστροφή στον πυρηνικό σταθμό του Τσερνομπίλ τον Απρίλιο του 1986 ήταν μια κατάφωρη παραβίαση των κανόνων επιχειρησιακής ασφάλειας κατά τη διάρκεια της τακτικής συντήρησης στην 4η μονάδα ισχύος. Στη συνέχεια, 203 ράβδοι γραφίτη αφαιρέθηκαν ταυτόχρονα από τον πυρήνα αντί των 15 που επέτρεπαν οι κανονισμοί. Ως αποτέλεσμα, η ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση που ξεκίνησε κατέληξε σε θερμική έκρηξη και πλήρη καταστροφή της μονάδας ισχύος.

Αντιδραστήρες νέας γενιάς

Την τελευταία δεκαετία, η Ρωσία έχει γίνει ένας από τους ηγέτες στην παγκόσμια πυρηνική ενέργεια. Αυτή τη στιγμή, η κρατική εταιρεία Rosatom κατασκευάζει πυρηνικούς σταθμούς σε 12 χώρες, όπου κατασκευάζονται 34 μονάδες παραγωγής ενέργειας. Μια τόσο υψηλή ζήτηση είναι απόδειξη του υψηλού επιπέδου της σύγχρονης ρωσικής πυρηνικής τεχνολογίας. Ακολουθούν οι νέοι αντιδραστήρες 4ης γενιάς.

"Μπρεστ"

Ένα από αυτά είναι το Brest, το οποίο αναπτύσσεται στο πλαίσιο του έργου Breakthrough. Τώρα λειτουργικά συστήματαΤα συστήματα ανοιχτού κύκλου λειτουργούν με ουράνιο χαμηλού εμπλουτισμού, το οποίο αφήνει μεγάλη ποσότητα αναλωμένου καυσίμου που πρέπει να απορριφθεί, κάτι που απαιτεί τεράστιο κόστος. "Brest" - ένας γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων είναι μοναδικός στον κλειστό του κύκλο.

Σε αυτό, το αναλωμένο καύσιμο, μετά από κατάλληλη επεξεργασία σε έναν γρήγορο αντιδραστήρα νετρονίων, γίνεται και πάλι πλήρες καύσιμο, το οποίο μπορεί να φορτωθεί ξανά στην ίδια εγκατάσταση.

Η Μπρεστ διακρίνεται για υψηλό επίπεδο ασφάλειας. Δεν θα «εκραγεί» ποτέ ακόμη και στο πιο σοβαρό ατύχημα, είναι πολύ οικονομικό και φιλικό προς το περιβάλλον, αφού επαναχρησιμοποιεί το «ανανεωμένο» ουράνιο του. Δεν μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πλουτωνίου για όπλα, γεγονός που ανοίγει τις ευρύτερες προοπτικές για την εξαγωγή του.

VVER-1200

Ο VVER-1200 είναι ένας καινοτόμος αντιδραστήρας γενιάς 3+ με χωρητικότητα 1150 MW. Χάρη στις μοναδικές τεχνικές του δυνατότητες, διαθέτει σχεδόν απόλυτη ασφάλεια λειτουργίας. Ο αντιδραστήρας είναι άφθονα εξοπλισμένος με συστήματα παθητικής ασφάλειας που θα λειτουργούν αυτόματα ακόμη και αν δεν υπάρχει τροφοδοσία ρεύματος.

Ένα από αυτά είναι ένα σύστημα παθητικής αφαίρεσης θερμότητας, το οποίο ενεργοποιείται αυτόματα όταν ο αντιδραστήρας απενεργοποιηθεί πλήρως. Σε αυτή την περίπτωση, παρέχονται υδραυλικές δεξαμενές έκτακτης ανάγκης. Εάν υπάρχει μη φυσιολογική πτώση πίεσης στο πρωτεύον κύκλωμα, μια μεγάλη ποσότητα νερού που περιέχει βόριο αρχίζει να παρέχεται στον αντιδραστήρα, η οποία σβήνει την πυρηνική αντίδραση και απορροφά νετρόνια.

Μια άλλη τεχνογνωσία βρίσκεται στο κάτω μέρος του προστατευτικού κελύφους - η "παγίδα τήξης". Εάν, ως αποτέλεσμα ατυχήματος, ο πυρήνας «διαρρεύσει», η «παγίδα» δεν θα επιτρέψει στο κέλυφος συγκράτησης να καταρρεύσει και θα αποτρέψει την είσοδο ραδιενεργών προϊόντων στο έδαφος.

Αλλά αυτό είναι κάτι που συχνά δεν γνωρίζουμε. Και γιατί εκρήγνυται και μια πυρηνική βόμβα...

Ας ξεκινήσουμε από μακριά. Κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα και ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια - ίσως όλοι το γνωρίζουν αυτό. Με τον ίδιο τρόπο είδαν όλοι τον περιοδικό πίνακα. Γιατί όμως τα χημικά στοιχεία τοποθετούνται σε αυτό με αυτόν τον τρόπο και όχι αλλιώς; Σίγουρα όχι επειδή ο Μεντελέγιεφ το ήθελε έτσι. Ο ατομικός αριθμός κάθε στοιχείου στον πίνακα υποδεικνύει πόσα πρωτόνια υπάρχουν στον πυρήνα του ατόμου αυτού του στοιχείου. Με άλλα λόγια, ο σίδηρος είναι ο αριθμός 26 στον πίνακα επειδή υπάρχουν 26 πρωτόνια σε ένα άτομο σιδήρου. Και αν δεν είναι 26, δεν είναι πια σίδηρος.

Αλλά μπορεί να υπάρχουν διαφορετικοί αριθμοί νετρονίων στους πυρήνες του ίδιου στοιχείου, πράγμα που σημαίνει ότι η μάζα των πυρήνων μπορεί να είναι διαφορετική. Τα άτομα του ίδιου στοιχείου με διαφορετικές μάζες ονομάζονται ισότοπα. Το ουράνιο έχει πολλά τέτοια ισότοπα: το πιο κοινό στη φύση είναι το ουράνιο-238 (ο πυρήνας του έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια, συνολικά 238). Είναι ραδιενεργό, αλλά δεν μπορείτε να φτιάξετε πυρηνική βόμβα από αυτό. Αλλά το ισότοπο ουράνιο-235, μια μικρή ποσότητα του οποίου βρίσκεται σε μεταλλεύματα ουρανίου, κατάλληλο για πυρηνικό φορτίο.

Ο αναγνώστης μπορεί να έχει συναντήσει τις εκφράσεις «εμπλουτισμένο ουράνιο» και «απεμπλουτισμένο ουράνιο». Το εμπλουτισμένο ουράνιο περιέχει περισσότερο ουράνιο-235 από το φυσικό ουράνιο. σε εξαντλημένη κατάσταση, αντίστοιχα, λιγότερο. Το εμπλουτισμένο ουράνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πλουτωνίου, ένα άλλο στοιχείο κατάλληλο για πυρηνική βόμβα (δεν βρίσκεται σχεδόν ποτέ στη φύση). Το πώς εμπλουτίζεται το ουράνιο και πώς λαμβάνεται το πλουτώνιο από αυτό είναι ένα θέμα για ξεχωριστή συζήτηση.

Γιατί λοιπόν εκρήγνυται μια πυρηνική βόμβα; Το γεγονός είναι ότι ορισμένοι βαρείς πυρήνες τείνουν να διασπώνται εάν χτυπηθούν από νετρόνιο. Και δεν θα χρειαστεί να περιμένετε πολύ για ένα ελεύθερο νετρόνιο - υπάρχουν πολλά από αυτά που πετούν τριγύρω. Έτσι, ένα τέτοιο νετρόνιο χτυπά τον πυρήνα του ουρανίου-235 και έτσι τον σπάει σε «θραύσματα». Αυτό απελευθερώνει μερικά ακόμη νετρόνια. Μπορείτε να μαντέψετε τι θα συμβεί αν υπάρχουν πυρήνες του ίδιου στοιχείου τριγύρω; Σωστά, θα συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση. Έτσι συμβαίνει.

Σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, όπου το ουράνιο-235 «διαλύεται» στο πιο σταθερό ουράνιο-238, δεν συμβαίνει έκρηξη υπό κανονικές συνθήκες. Τα περισσότερα από τα νετρόνια που πετούν έξω από πυρήνες σε αποσύνθεση πετούν μακριά στο γάλα, χωρίς να βρουν τους πυρήνες του ουρανίου-235. Στον αντιδραστήρα, η αποσύνθεση των πυρήνων συμβαίνει «αργή» (αλλά αυτό είναι αρκετό για να παρέχει ενέργεια ο αντιδραστήρας). Σε ένα μόνο κομμάτι ουρανίου-235, αν είναι επαρκούς μάζας, τα νετρόνια θα είναι εγγυημένα ότι θα διαλύσουν τους πυρήνες, η αλυσιδωτή αντίδραση θα ξεκινήσει ως χιονοστιβάδα και... Σταμάτα! Εξάλλου, αν φτιάξετε ένα κομμάτι ουρανίου-235 ή πλουτωνίου με τη μάζα που απαιτείται για μια έκρηξη, θα εκραγεί αμέσως. Δεν είναι αυτό το θέμα.

Τι γίνεται αν πάρετε δύο κομμάτια υποκρίσιμης μάζας και τα σπρώξετε το ένα πάνω στο άλλο χρησιμοποιώντας έναν τηλεχειριζόμενο μηχανισμό; Για παράδειγμα, τοποθετήστε και τα δύο σε ένα σωλήνα και συνδέστε ένα γέμισμα σκόνης στο ένα έτσι ώστε την κατάλληλη στιγμή το ένα κομμάτι, σαν βλήμα, να εκτοξευθεί στο άλλο. Εδώ είναι η λύση στο πρόβλημα.

Μπορείτε να το κάνετε διαφορετικά: πάρτε ένα σφαιρικό κομμάτι πλουτωνίου και συνδέστε εκρηκτικά φορτία σε ολόκληρη την επιφάνειά του. Όταν αυτά τα φορτία εκραγούν κατόπιν εντολής από το εξωτερικό, η έκρηξή τους θα συμπιέσει το πλουτώνιο από όλες τις πλευρές, θα το συμπιέσει σε μια κρίσιμη πυκνότητα και θα συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση. Ωστόσο, η ακρίβεια και η αξιοπιστία είναι σημαντικές εδώ: όλες οι εκρηκτικές γομώσεις πρέπει να εκτονώνονται ταυτόχρονα. Εάν μερικά από αυτά λειτουργούν, και άλλα όχι, ή κάποια λειτουργούν αργά, δεν θα προκληθεί πυρηνική έκρηξη: το πλουτώνιο δεν θα συμπιεστεί σε μια κρίσιμη μάζα, αλλά θα διαλυθεί στον αέρα. Αντί για μια πυρηνική βόμβα, θα πάρετε μια λεγόμενη «βρώμικη».

Έτσι μοιάζει μια πυρηνική βόμβα τύπου έκρηξης. Οι γομώσεις, που θα πρέπει να δημιουργήσουν μια κατευθυνόμενη έκρηξη, γίνονται με τη μορφή πολύεδρων για να καλύψουν την επιφάνεια της σφαίρας του πλουτωνίου όσο πιο σφιχτά γίνεται.

Ο πρώτος τύπος συσκευής ονομαζόταν συσκευή κανονιού, ο δεύτερος τύπος - συσκευή έκρηξης.
Η βόμβα «Little Boy» που έπεσε στη Χιροσίμα είχε γόμωση ουρανίου-235 και συσκευή τύπου κανονιού. Η βόμβα Fat Man, που πυροδοτήθηκε πάνω από το Ναγκασάκι, μετέφερε πλουτώνιο και ο εκρηκτικός μηχανισμός ήταν έκρηξη. Σήμερα, συσκευές τύπου όπλου δεν χρησιμοποιούνται σχεδόν ποτέ. οι εκρήξεις είναι πιο περίπλοκες, αλλά ταυτόχρονα σας επιτρέπουν να ρυθμίσετε τη μάζα του πυρηνικού φορτίου και να το ξοδέψετε πιο ορθολογικά. Και το πλουτώνιο έχει αντικαταστήσει το ουράνιο-235 ως πυρηνικό εκρηκτικό.

Πέρασαν αρκετά χρόνια και οι φυσικοί πρόσφεραν ακόμη περισσότερα στον στρατό ισχυρή βόμβα– θερμοπυρηνικό, ή, όπως λέγεται επίσης, υδρογόνο. Αποδεικνύεται ότι το υδρογόνο εκρήγνυται πιο ισχυρά από το πλουτώνιο;

Το υδρογόνο είναι πράγματι εκρηκτικό, αλλά όχι τόσο εκρηκτικό. Ωστόσο, δεν υπάρχει «συνηθισμένο» υδρογόνο σε μια βόμβα υδρογόνου που χρησιμοποιεί τα ισότοπά της - το δευτερίου και το τρίτιο. Ο πυρήνας του «συνηθισμένου» υδρογόνου έχει ένα νετρόνιο, το δευτέριο έχει δύο και το τρίτιο έχει τρία.

Σε μια πυρηνική βόμβα, οι πυρήνες ενός βαριού στοιχείου χωρίζονται σε πυρήνες ελαφρύτερων. Στη θερμοπυρηνική σύντηξη, συμβαίνει η αντίθετη διαδικασία: οι ελαφροί πυρήνες συγχωνεύονται μεταξύ τους σε βαρύτερους. Οι πυρήνες δευτερίου και τριτίου, για παράδειγμα, συνδυάζονται για να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου (αλλιώς γνωστοί ως σωματίδια άλφα) και το «επιπλέον» νετρόνιο στέλνεται σε «ελεύθερη πτήση». Αυτό απελευθερώνει σημαντικά περισσότερη ενέργεια από ό,τι κατά τη διάσπαση των πυρήνων του πλουτωνίου. Παρεμπιπτόντως, αυτή είναι ακριβώς η διαδικασία που λαμβάνει χώρα στον Ήλιο.

Ωστόσο, η αντίδραση σύντηξης είναι δυνατή μόνο σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες (γι' αυτό και ονομάζεται θερμοπυρηνική). Πώς να κάνετε το δευτέριο και το τρίτιο να αντιδράσουν; Ναι, είναι πολύ απλό: πρέπει να χρησιμοποιήσετε μια πυρηνική βόμβα ως πυροκροτητή!

Δεδομένου ότι το δευτέριο και το τρίτιο είναι σταθερά, το φορτίο τους σε μια θερμοπυρηνική βόμβα μπορεί να είναι αυθαίρετα τεράστιο. Αυτό σημαίνει ότι μια θερμοπυρηνική βόμβα μπορεί να γίνει ασύγκριτα πιο ισχυρή από μια «απλή» πυρηνική. Το "Baby" που έπεσε στη Χιροσίμα είχε ισοδύναμο TNT περίπου 18 κιλοτόνων και το πιο ισχυρό H-βόμβα(ο επονομαζόμενος «Τσάρος Μπόμπα», γνωστός και ως «Μάνα του Κούζκα») – ήδη 58,6 μεγατόνων, πάνω από 3255 φορές πιο ισχυρός από το «Μωρό»!


Το σύννεφο «μανιτάρι» από τον Τσάρο Μπόμπα ανέβηκε σε ύψος 67 χιλιομέτρων και το κύμα έκρηξης γύρισε τον πλανήτη τρεις φορές.

Ωστόσο, μια τέτοια γιγαντιαία δύναμη είναι σαφώς υπερβολική. Έχοντας «παίξει αρκετά» με βόμβες μεγατόνων, στρατιωτικοί μηχανικοί και φυσικοί ακολούθησαν έναν διαφορετικό δρόμο - το μονοπάτι της σμίκρυνσης των πυρηνικών όπλων. Στη συμβατική τους μορφή, τα πυρηνικά όπλα μπορούν να εκτοξευθούν από στρατηγικά βομβαρδιστικά όπως οι εναέριες βόμβες ή να εκτοξευθούν από βαλλιστικούς πυραύλους. αν τα μικρογραφήσετε, θα έχετε μια συμπαγή πυρηνική γόμωση που δεν καταστρέφει τα πάντα για χιλιόμετρα γύρω, και η οποία μπορεί να τοποθετηθεί σε μια οβίδα πυροβολικού ή σε έναν πύραυλο αέρος-εδάφους. Η κινητικότητα θα αυξηθεί και το εύρος των εργασιών που πρέπει να επιλυθούν θα διευρυνθεί. Εκτός από τα στρατηγικά πυρηνικά όπλα, θα λάβουμε και τακτικά.

Έχει αναπτυχθεί μια ποικιλία οχημάτων παράδοσης για τακτικά πυρηνικά όπλα - πυρηνικά κανόνια, όλμοι, τυφέκια χωρίς ανάκρουση (για παράδειγμα, το αμερικανικό Davy Crockett). Η ΕΣΣΔ είχε ακόμη και ένα σχέδιο πυρηνικής σφαίρας. Είναι αλήθεια ότι έπρεπε να εγκαταλειφθεί - οι πυρηνικές σφαίρες ήταν τόσο αναξιόπιστες, τόσο περίπλοκες και δαπανηρές στην κατασκευή και αποθήκευση, που δεν είχαν νόημα.

«Ντέιβι Κρόκετ». Ένας αριθμός από αυτά τα πυρηνικά όπλα ήταν σε υπηρεσία με τις Ένοπλες Δυνάμεις των ΗΠΑ και ο Δυτικογερμανός Υπουργός Άμυνας προσπάθησε ανεπιτυχώς να εξοπλίσει την Μπούντεσβερ με αυτά.

Μιλώντας για μικρά πυρηνικά όπλα, αξίζει να αναφέρουμε έναν άλλο τύπο πυρηνικού όπλου - τη βόμβα νετρονίων. Το φορτίο πλουτωνίου σε αυτό είναι μικρό, αλλά αυτό δεν είναι απαραίτητο. Εάν μια θερμοπυρηνική βόμβα ακολουθεί το μονοπάτι της αύξησης της δύναμης της έκρηξης, τότε μια βόμβα νετρονίων βασίζεται σε έναν άλλο επιβλαβή παράγοντα - την ακτινοβολία. Για την ενίσχυση της ακτινοβολίας, μια βόμβα νετρονίων περιέχει μια παροχή ισοτόπου βηρυλλίου, το οποίο κατά την έκρηξη παράγει έναν τεράστιο αριθμό γρήγορων νετρονίων.

Σύμφωνα με τους δημιουργούς της, μια βόμβα νετρονίων θα πρέπει να σκοτώσει το προσωπικό του εχθρού, αλλά να αφήσει ανέπαφο τον εξοπλισμό, ο οποίος στη συνέχεια μπορεί να συλληφθεί κατά τη διάρκεια μιας επίθεσης. Στην πράξη, αποδείχθηκε κάπως διαφορετικά: ο ακτινοβολημένος εξοπλισμός γίνεται άχρηστος - όποιος τολμήσει να τον πιλοτάρει πολύ σύντομα θα «κερδίσει» την ασθένεια της ακτινοβολίας. Αυτό δεν αλλάζει το γεγονός ότι μια έκρηξη βόμβας νετρονίων είναι ικανή να χτυπήσει έναν εχθρό μέσω θωράκισης δεξαμενής. Τα πυρομαχικά νετρονίων αναπτύχθηκαν από τις Ηνωμένες Πολιτείες ειδικά ως όπλο κατά των σοβιετικών σχηματισμών αρμάτων μάχης. Ωστόσο, σύντομα αναπτύχθηκε θωράκιση δεξαμενής που παρείχε κάποιο είδος προστασίας από τη ροή γρήγορων νετρονίων.

Ένας άλλος τύπος πυρηνικών όπλων εφευρέθηκε το 1950, αλλά δεν κατασκευάστηκε ποτέ (από όσο είναι γνωστό). Αυτή είναι η λεγόμενη βόμβα κοβαλτίου - μια πυρηνική γόμωση με κέλυφος κοβαλτίου. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης, το κοβάλτιο, που ακτινοβολείται από ένα ρεύμα νετρονίων, γίνεται εξαιρετικά ραδιενεργό ισότοπο και διασκορπίζεται σε όλη την περιοχή, μολύνοντάς την. Μόνο μια τέτοια βόμβα επαρκούς ισχύος θα μπορούσε να καλύψει ολόκληρη την υδρόγειο με κοβάλτιο και να καταστρέψει όλη την ανθρωπότητα. Ευτυχώς, αυτό το έργο παρέμεινε έργο.

Τι μπορούμε να πούμε εν κατακλείδι; Μια πυρηνική βόμβα είναι ένα πραγματικά τρομερό όπλο, και ταυτόχρονα (τι παράδοξο!) βοήθησε στη διατήρηση της σχετικής ειρήνης μεταξύ των υπερδυνάμεων. Εάν ο εχθρός σας έχει πυρηνικά όπλα, θα το σκεφτείτε δέκα φορές πριν του επιτεθείτε. Καμία χώρα με πυρηνικό οπλοστάσιο δεν έχει δεχθεί ποτέ επίθεση από έξω και δεν έχουν υπάρξει πόλεμοι μεταξύ μεγάλων κρατών στον κόσμο από το 1945. Ας ελπίσουμε ότι δεν θα υπάρξει.

Ο κόσμος του ατόμου είναι τόσο φανταστικός που η κατανόησή του απαιτεί μια ριζική ρήξη στις συνήθεις έννοιες του χώρου και του χρόνου. Τα άτομα είναι τόσο μικρά που αν μια σταγόνα νερού μπορούσε να μεγεθυνθεί στο μέγεθος της Γης, κάθε άτομο αυτής της σταγόνας θα ήταν μικρότερο από ένα πορτοκάλι. Στην πραγματικότητα, μια σταγόνα νερού αποτελείται από 6000 δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια (6000000000000000000000) άτομα υδρογόνου και οξυγόνου. Κι όμως, παρά το μικροσκοπικό του μέγεθος, το άτομο έχει δομή παρόμοια σε κάποιο βαθμό με τη δομή του ηλιακού μας συστήματος. Στο ακατανόητα μικρό του κέντρο, η ακτίνα του οποίου είναι μικρότερη από το ένα τρισεκατομμυριοστό του εκατοστού, υπάρχει ένας σχετικά τεράστιος «ήλιος» - ο πυρήνας ενός ατόμου.

Μικροί «πλανήτες» - ηλεκτρόνια - περιστρέφονται γύρω από αυτόν τον ατομικό «ήλιο». Ο πυρήνας αποτελείται από τα δύο κύρια δομικά στοιχεία του Σύμπαντος - πρωτόνια και νετρόνια (έχουν ένα ενοποιητικό όνομα - νουκλεόνια). Ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο είναι φορτισμένα σωματίδια και η ποσότητα φορτίου σε καθένα από αυτά είναι ακριβώς η ίδια, αλλά τα φορτία διαφέρουν ως προς το πρόσημο: το πρωτόνιο είναι πάντα θετικά φορτισμένο και το ηλεκτρόνιο είναι αρνητικά φορτισμένο. Το νετρόνιο δεν φέρει ηλεκτρικό φορτίο και, ως εκ τούτου, έχει πολύ υψηλή διαπερατότητα.

Στην ατομική κλίμακα μετρήσεων, η μάζα ενός πρωτονίου και του νετρονίου λαμβάνεται ως μονάδα. Επομένως, το ατομικό βάρος οποιουδήποτε χημικού στοιχείου εξαρτάται από τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων που περιέχονται στον πυρήνα του. Για παράδειγμα, ένα άτομο υδρογόνου, με πυρήνα που αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο, έχει ατομική μάζα 1. Ένα άτομο ηλίου, με πυρήνα δύο πρωτονίων και δύο νετρονίων, έχει ατομική μάζα 4.

Οι πυρήνες των ατόμων του ίδιου στοιχείου περιέχουν πάντα τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά ο αριθμός των νετρονίων μπορεί να ποικίλλει. Τα άτομα που έχουν πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφέρουν στον αριθμό των νετρονίων και είναι ποικιλίες του ίδιου στοιχείου ονομάζονται ισότοπα. Για να διακριθούν μεταξύ τους, εκχωρείται ένας αριθμός στο σύμβολο του στοιχείου, ίσο με το άθροισμαόλα τα σωματίδια στον πυρήνα ενός δεδομένου ισοτόπου.

Μπορεί να προκύψει το ερώτημα: γιατί ο πυρήνας ενός ατόμου δεν καταρρέει; Εξάλλου, τα πρωτόνια που περιλαμβάνονται σε αυτό είναι ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια με το ίδιο φορτίο, τα οποία πρέπει να απωθούνται μεταξύ τους με μεγάλη δύναμη. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι μέσα στον πυρήνα υπάρχουν επίσης οι λεγόμενες ενδοπυρηνικές δυνάμεις που έλκουν τα πυρηνικά σωματίδια μεταξύ τους. Αυτές οι δυνάμεις αντισταθμίζουν τις απωστικές δυνάμεις των πρωτονίων και εμποδίζουν τον πυρήνα να πετάξει αυθόρμητα.

Οι ενδοπυρηνικές δυνάμεις είναι πολύ ισχυρές, αλλά δρουν μόνο σε πολύ κοντινές αποστάσεις. Επομένως, οι πυρήνες των βαρέων στοιχείων, που αποτελούνται από εκατοντάδες νουκλεόνια, αποδεικνύονται ασταθείς. Τα σωματίδια του πυρήνα βρίσκονται σε συνεχή κίνηση εδώ (εντός του όγκου του πυρήνα), και αν προσθέσουμε κάποια επιπλέον ποσότητα ενέργειας σε αυτά, μπορούν να υπερνικήσουν εσωτερικές δυνάμεις- ο πυρήνας θα χωριστεί σε μέρη. Η ποσότητα αυτής της περίσσειας ενέργειας ονομάζεται ενέργεια διέγερσης. Μεταξύ των ισοτόπων των βαρέων στοιχείων, υπάρχουν και εκείνα που φαίνεται να βρίσκονται στα όρια της αυτοδιάσπασης. Αρκεί μόνο μια μικρή «ώθηση», για παράδειγμα, ένα απλό νετρόνιο να χτυπήσει τον πυρήνα (και δεν χρειάζεται καν να επιταχυνθεί σε υψηλή ταχύτητα) για να συμβεί η αντίδραση πυρηνικής σχάσης. Μερικά από αυτά τα «σχάσιμα» ισότοπα μαθεύτηκαν αργότερα ότι παράγονται τεχνητά. Στη φύση, υπάρχει μόνο ένα τέτοιο ισότοπο - ουράνιο-235.

Ο Ουρανός ανακαλύφθηκε το 1783 από τον Klaproth, ο οποίος τον απομόνωσε από την πίσσα ουρανίου και τον ονόμασε από τον πρόσφατα ανακαλυφθέν πλανήτη Ουρανό. Όπως αποδείχθηκε αργότερα, στην πραγματικότητα δεν ήταν το ίδιο το ουράνιο, αλλά το οξείδιό του. Λήφθηκε καθαρό ουράνιο, ένα ασημί-λευκό μέταλλο
μόλις το 1842 Peligo. Το νέο στοιχείο δεν είχε αξιοσημείωτες ιδιότητες και δεν τράβηξε την προσοχή μέχρι το 1896, όταν ο Μπεκερέλ ανακάλυψε το φαινόμενο της ραδιενέργειας στα άλατα ουρανίου. Μετά από αυτό, το ουράνιο έγινε αντικείμενο επιστημονική έρευνακαι πειράματα, αλλά Πρακτική εφαρμογηακόμα δεν το είχε.

Όταν, στο πρώτο τρίτο του 20ού αιώνα, οι φυσικοί λίγο πολύ κατάλαβαν τη δομή του ατομικού πυρήνα, προσπάθησαν πρώτα απ 'όλα να εκπληρώσουν το μακροχρόνιο όνειρο των αλχημιστών - προσπάθησαν να μετατρέψουν ένα χημικό στοιχείο σε ένα άλλο. Το 1934, Γάλλοι ερευνητές, οι σύζυγοι Frederic και Irene Joliot-Curie, ανέφεραν στη Γαλλική Ακαδημία Επιστημών για την ακόλουθη εμπειρία: όταν βομβαρδίζουν πλάκες αλουμινίου με σωματίδια άλφα (πυρήνες ατόμου ηλίου), τα άτομα αλουμινίου μετατρέπονται σε άτομα φωσφόρου, αλλά όχι συνηθισμένα, αλλά ραδιενεργά, τα οποία με τη σειρά τους έγιναν σταθερό ισότοπο πυριτίου. Έτσι, ένα άτομο αλουμινίου, έχοντας προσθέσει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια, μετατράπηκε σε ένα βαρύτερο άτομο πυριτίου.

Αυτή η εμπειρία έδειξε ότι εάν «βομβαρδίσετε» τους πυρήνες του βαρύτερου στοιχείου που υπάρχει στη φύση - το ουράνιο - με νετρόνια, μπορείτε να αποκτήσετε ένα στοιχείο που δεν υπάρχει σε φυσικές συνθήκες. Το 1938, οι Γερμανοί χημικοί Otto Hahn και Fritz Strassmann επανέλαβαν γενικό περίγραμματην εμπειρία των συζύγων Joliot-Curie, που έπαιρναν ουράνιο αντί για αλουμίνιο. Τα αποτελέσματα του πειράματος δεν ήταν καθόλου αυτά που περίμεναν - αντί για ένα νέο υπερβαρύ στοιχείο με αριθμό μάζας μεγαλύτερο από αυτόν του ουρανίου, οι Hahn και Strassmann έλαβαν ελαφρά στοιχεία από το μεσαίο τμήμα του περιοδικού πίνακα: βάριο, κρυπτό, βρώμιο και κάποιοι άλλοι. Οι ίδιοι οι πειραματιστές δεν ήταν σε θέση να εξηγήσουν το παρατηρούμενο φαινόμενο. Μόνο το επόμενο έτος, η φυσικός Lise Meitner, στην οποία ο Hahn ανέφερε τις δυσκολίες του, βρήκε τη σωστή εξήγηση για το παρατηρούμενο φαινόμενο, προτείνοντας ότι όταν το ουράνιο βομβαρδίζεται με νετρόνια, ο πυρήνας του διασπάται (σχάση). Σε αυτή την περίπτωση, θα έπρεπε να είχαν σχηματιστεί πυρήνες ελαφρύτερων στοιχείων (από εκεί προήλθε το βάριο, το κρυπτό και άλλες ουσίες), καθώς και 2-3 ελεύθερα νετρόνια. Περαιτέρω έρευνα έδωσε τη δυνατότητα να αποσαφηνιστεί λεπτομερώς η εικόνα του τι συνέβαινε.

Το φυσικό ουράνιο αποτελείται από ένα μείγμα τριών ισοτόπων με μάζες 238, 234 και 235. Η κύρια ποσότητα ουρανίου είναι το ισότοπο-238, ο πυρήνας του οποίου περιλαμβάνει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια. Το ουράνιο-235 είναι μόνο το 1/140 του φυσικού ουρανίου (0,7% (έχει 92 πρωτόνια και 143 νετρόνια στον πυρήνα του) και το ουράνιο-234 (92 πρωτόνια, 142 νετρόνια) είναι μόνο το 1/17500 της συνολικής μάζας ουρανίου ( 0, 006%. Το λιγότερο σταθερό από αυτά τα ισότοπα είναι το ουράνιο-235.

Από καιρό σε καιρό, οι πυρήνες των ατόμων του χωρίζονται αυθόρμητα σε μέρη, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται ελαφρύτερα στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Η διαδικασία συνοδεύεται από την απελευθέρωση δύο ή τριών ελεύθερων νετρονίων, τα οποία ορμούν με τεράστια ταχύτητα - περίπου 10 χιλιάδες km/s (ονομάζονται γρήγορα νετρόνια). Αυτά τα νετρόνια μπορούν να χτυπήσουν άλλους πυρήνες ουρανίου, προκαλώντας πυρηνικές αντιδράσεις. Κάθε ισότοπο συμπεριφέρεται διαφορετικά σε αυτή την περίπτωση. Οι πυρήνες του ουρανίου-238 στις περισσότερες περιπτώσεις απλώς συλλαμβάνουν αυτά τα νετρόνια χωρίς περαιτέρω μετασχηματισμούς. Αλλά σε περίπου μία στις πέντε περιπτώσεις, όταν ένα γρήγορο νετρόνιο συγκρούεται με τον πυρήνα του ισοτόπου-238, συμβαίνει μια περίεργη πυρηνική αντίδραση: ένα από τα νετρόνια του ουρανίου-238 εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο, μετατρέποντας σε πρωτόνιο, δηλαδή το ισότοπο ουρανίου μετατρέπεται σε περισσότερο
βαρύ στοιχείο - Neptunium-239 (93 πρωτόνια + 146 νετρόνια). Αλλά το ποσειδώνιο είναι ασταθές - μετά από λίγα λεπτά, ένα από τα νετρόνια του εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο, μετατρέπεται σε πρωτόνιο, μετά το οποίο το ισότοπο του ποσειδώνιου μετατρέπεται στο επόμενο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα - το πλουτώνιο-239 (94 πρωτόνια + 145 νετρόνια). Εάν ένα νετρόνιο εισέλθει στον πυρήνα του ασταθούς ουρανίου-235, τότε εμφανίζεται αμέσως σχάση - τα άτομα αποσυντίθενται με την εκπομπή δύο ή τριών νετρονίων. Είναι σαφές ότι στο φυσικό ουράνιο, τα περισσότερα άτομα του οποίου ανήκουν στο ισότοπο-238, αυτή η αντίδραση δεν έχει ορατές συνέπειες - όλα τα ελεύθερα νετρόνια θα απορροφηθούν τελικά από αυτό το ισότοπο.

Λοιπόν, τι γίνεται αν φανταστούμε ένα αρκετά ογκώδες κομμάτι ουρανίου που αποτελείται εξ ολοκλήρου από ισότοπο-235;

Εδώ η διαδικασία θα πάει διαφορετικά: τα νετρόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάσπαση πολλών πυρήνων, με τη σειρά τους, χτυπώντας γειτονικούς πυρήνες, προκαλούν τη σχάση τους. Ως αποτέλεσμα, απελευθερώνεται ένα νέο τμήμα νετρονίων, το οποίο διασπά τους επόμενους πυρήνες. Κάτω από ευνοϊκές συνθήκες, η αντίδραση αυτή προχωρά σαν χιονοστιβάδα και ονομάζεται αλυσιδωτή αντίδραση. Για να το ξεκινήσετε, μερικά βομβαρδιστικά σωματίδια μπορεί να είναι αρκετά.

Πράγματι, αφήστε το ουράνιο-235 να βομβαρδιστεί μόνο από 100 νετρόνια. Θα διαχωρίσουν 100 πυρήνες ουρανίου. Σε αυτή την περίπτωση, θα απελευθερωθούν 250 νέα νετρόνια δεύτερης γενιάς (κατά μέσο όρο 2,5 ανά σχάση). Τα νετρόνια δεύτερης γενιάς θα παράγουν 250 σχάσεις, οι οποίες θα απελευθερώσουν 625 νετρόνια. Στην επόμενη γενιά θα γίνει 1562, μετά 3906, μετά 9670 κ.λπ. Ο αριθμός των τμημάτων θα αυξάνεται επ' αόριστον εάν δεν σταματήσει η διαδικασία.

Ωστόσο, στην πραγματικότητα μόνο ένα μικρό κλάσμα νετρονίων φτάνει στους πυρήνες των ατόμων. Οι υπόλοιποι, ορμώντας γρήγορα ανάμεσά τους, παρασύρονται στον περιβάλλοντα χώρο. Μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση μπορεί να συμβεί μόνο σε μια αρκετά μεγάλη συστοιχία ουρανίου-235, που λέγεται ότι έχει κρίσιμη μάζα. (Αυτή η μάζα υπό κανονικές συνθήκες είναι 50 kg.) Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η σχάση κάθε πυρήνα συνοδεύεται από την απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας, η οποία αποδεικνύεται ότι είναι περίπου 300 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια που δαπανάται για τη σχάση ! (Υπολογίζεται ότι η πλήρης σχάση 1 κιλού ουρανίου-235 απελευθερώνει την ίδια ποσότητα θερμότητας με την καύση 3 χιλιάδων τόνων άνθρακα.)

Αυτή η κολοσσιαία έκρηξη ενέργειας, που απελευθερώνεται σε λίγες στιγμές, εκδηλώνεται ως έκρηξη τερατώδους δύναμης και αποτελεί τη βάση της δράσης των πυρηνικών όπλων. Αλλά για να γίνει πραγματικότητα αυτό το όπλο, είναι απαραίτητο η γόμωση να μην αποτελείται από φυσικό ουράνιο, αλλά από ένα σπάνιο ισότοπο - 235 (αυτό το ουράνιο ονομάζεται εμπλουτισμένο). Αργότερα ανακαλύφθηκε ότι το καθαρό πλουτώνιο είναι επίσης ένα σχάσιμο υλικό και θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ατομικό φορτίο αντί για το ουράνιο-235.

Όλες αυτές οι σημαντικές ανακαλύψεις έγιναν τις παραμονές του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Σύντομα, οι μυστικές εργασίες για τη δημιουργία μιας ατομικής βόμβας ξεκίνησαν στη Γερμανία και σε άλλες χώρες. Στις ΗΠΑ, αυτό το πρόβλημα αντιμετωπίστηκε το 1941. Ολόκληρο το συγκρότημα των έργων ονομάστηκε «Manhattan Project».

Η διοικητική διαχείριση του έργου έγινε από την General Groves και η επιστημονική διαχείριση έγινε από τον καθηγητή του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια Robert Oppenheimer. Και οι δύο γνώριζαν καλά την τεράστια πολυπλοκότητα του έργου που τους αντιμετώπιζαν. Ως εκ τούτου, το πρώτο μέλημα του Oppenheimer ήταν η στρατολόγηση μιας εξαιρετικά ευφυούς επιστημονικής ομάδας. Στις ΗΠΑ εκείνη την εποχή υπήρχαν πολλοί φυσικοί που μετανάστευσαν από τη ναζιστική Γερμανία. Δεν ήταν εύκολο να τους προσελκύσουμε να δημιουργήσουν όπλα που να στρέφονται κατά της πρώην πατρίδας τους. Ο Οπενχάιμερ μίλησε προσωπικά σε όλους, χρησιμοποιώντας όλη τη δύναμη της γοητείας του. Σύντομα κατάφερε να συγκεντρώσει μια μικρή ομάδα θεωρητικών, τους οποίους χαριτολογώντας αποκαλούσε «φωτιστές». Και μάλιστα περιλάμβανε τους μεγαλύτερους ειδικούς εκείνης της εποχής στον τομέα της φυσικής και της χημείας. (Ανάμεσά τους είναι 13 νομπελίστες, μεταξύ των οποίων οι Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Εκτός από αυτούς, υπήρχαν πολλοί άλλοι ειδικοί διαφόρων προφίλ.

Η κυβέρνηση των ΗΠΑ δεν τσιγκουνεύτηκε τα έξοδα και το έργο πήρε μεγάλη κλίμακα από την αρχή. Το 1942, το μεγαλύτερο ερευνητικό εργαστήριο στον κόσμο ιδρύθηκε στο Λος Άλαμος. Ο πληθυσμός αυτής της επιστημονικής πόλης έφτασε σύντομα τις 9 χιλιάδες άτομα. Όσον αφορά τη σύνθεση των επιστημόνων, το εύρος των επιστημονικών πειραμάτων και τον αριθμό των ειδικών και των εργαζομένων που συμμετείχαν στην εργασία, το εργαστήριο του Λος Άλαμος δεν είχε κανένα αντίστοιχο στην παγκόσμια ιστορία. Το Manhattan Project είχε τη δική του αστυνομία, αντικατασκοπεία, σύστημα επικοινωνιών, αποθήκες, χωριά, εργοστάσια, εργαστήρια και τον δικό του κολοσσιαίο προϋπολογισμό.

Ο κύριος στόχος του έργου ήταν να αποκτήσει αρκετό σχάσιμο υλικό από το οποίο θα μπορούσαν να δημιουργηθούν αρκετές ατομικές βόμβες. Εκτός από το ουράνιο-235, η χρέωση για τη βόμβα, όπως ήδη αναφέρθηκε, θα μπορούσε να είναι το τεχνητό στοιχείο πλουτώνιο-239, δηλαδή η βόμβα θα μπορούσε να είναι είτε ουράνιο είτε πλουτώνιο.

Οι Groves και Oppenheimer συμφώνησαν ότι η εργασία θα έπρεπε να εκτελείται ταυτόχρονα προς δύο κατευθύνσεις, καθώς ήταν αδύνατο να αποφασιστεί εκ των προτέρων ποια από αυτές θα ήταν πιο ελπιδοφόρα. Και οι δύο μέθοδοι ήταν θεμελιωδώς διαφορετικές μεταξύ τους: η συσσώρευση ουρανίου-235 έπρεπε να πραγματοποιηθεί με διαχωρισμό του από το μεγαλύτερο μέρος του φυσικού ουρανίου, και το πλουτώνιο μπορούσε να ληφθεί μόνο ως αποτέλεσμα μιας ελεγχόμενης πυρηνικής αντίδρασης όταν το ουράνιο-238 ακτινοβολήθηκε με νετρόνια. Και τα δύο μονοπάτια φαίνονταν ασυνήθιστα δύσκολα και δεν υπόσχονταν εύκολες λύσεις.

Στην πραγματικότητα, πώς μπορεί κανείς να διαχωρίσει δύο ισότοπα που διαφέρουν ελάχιστα σε βάρος και χημικά συμπεριφέρονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο; Ούτε η επιστήμη ούτε η τεχνολογία έχουν αντιμετωπίσει ποτέ τέτοιο πρόβλημα. Η παραγωγή πλουτωνίου φαινόταν επίσης πολύ προβληματική στην αρχή. Πριν από αυτό, ολόκληρη η εμπειρία των πυρηνικών μετασχηματισμών περιοριζόταν σε μερικά εργαστηριακά πειράματα. Τώρα ήταν απαραίτητο να κατακτήσουμε την παραγωγή κιλών πλουτωνίου σε βιομηχανική κλίμακα, να αναπτύξουμε και να δημιουργήσουμε μια ειδική εγκατάσταση για αυτό - έναν πυρηνικό αντιδραστήρα και να μάθουμε να ελέγχουμε την πορεία της πυρηνικής αντίδρασης.

Τόσο εδώ όσο και εδώ έπρεπε να λυθεί ένα ολόκληρο σύμπλεγμα πολύπλοκων προβλημάτων. Ως εκ τούτου, το Manhattan Project αποτελούνταν από πολλά υποέργα, με επικεφαλής εξέχοντες επιστήμονες. Ο ίδιος ο Οπενχάιμερ ήταν επικεφαλής του Επιστημονικού Εργαστηρίου του Λος Άλαμος. Ο Λόρενς ήταν υπεύθυνος του Εργαστηρίου Ακτινοβολίας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Ο Φέρμι διεξήγαγε έρευνα στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο για τη δημιουργία πυρηνικού αντιδραστήρα.

Στην αρχή, το πιο σημαντικό πρόβλημα ήταν η απόκτηση ουρανίου. Πριν από τον πόλεμο, αυτό το μέταλλο δεν είχε ουσιαστικά καμία χρήση. Τώρα που χρειάστηκε άμεσα σε τεράστιες ποσότητες, αποδείχθηκε ότι δεν υπήρχε βιομηχανική μέθοδος παραγωγής του.

Η εταιρεία Westinghouse ξεκίνησε την ανάπτυξή της και πέτυχε γρήγορα την επιτυχία. Μετά τον καθαρισμό της ρητίνης ουρανίου (το ουράνιο υπάρχει στη φύση με αυτή τη μορφή) και τη λήψη οξειδίου του ουρανίου, μετατράπηκε σε τετραφθορίδιο (UF4), από το οποίο διαχωρίστηκε το μέταλλο ουρανίου με ηλεκτρόλυση. Αν στα τέλη του 1941 οι Αμερικανοί επιστήμονες είχαν στη διάθεσή τους μόνο μερικά γραμμάρια μετάλλου ουρανίου, τότε ήδη τον Νοέμβριο του 1942 η βιομηχανική παραγωγή του στα εργοστάσια του Westinghouse έφτασε τις 6.000 λίρες το μήνα.

Ταυτόχρονα, γίνονταν εργασίες για τη δημιουργία πυρηνικού αντιδραστήρα. Η διαδικασία παραγωγής πλουτωνίου στην πραγματικότητα κατέληξε στην ακτινοβόληση ράβδων ουρανίου με νετρόνια, με αποτέλεσμα μέρος του ουρανίου-238 να μετατραπεί σε πλουτώνιο. Οι πηγές νετρονίων σε αυτή την περίπτωση θα μπορούσαν να είναι σχάσιμα άτομα ουρανίου-235, διασκορπισμένα σε επαρκείς ποσότητες μεταξύ των ατόμων ουρανίου-238. Αλλά για να διατηρηθεί η σταθερή παραγωγή νετρονίων, έπρεπε να ξεκινήσει μια αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης των ατόμων ουρανίου-235. Εν τω μεταξύ, όπως ήδη αναφέρθηκε, για κάθε άτομο ουρανίου-235 υπήρχαν 140 άτομα ουρανίου-238. Είναι σαφές ότι τα νετρόνια που διασκορπίζονται προς όλες τις κατευθύνσεις είχαν πολύ μεγαλύτερη πιθανότητα να τα συναντήσουν στο δρόμο τους. Δηλαδή, ένας τεράστιος αριθμός απελευθερωμένων νετρονίων αποδείχθηκε ότι απορροφήθηκε από το κύριο ισότοπο χωρίς κανένα όφελος. Προφανώς, υπό τέτοιες συνθήκες δεν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί αλυσιδωτή αντίδραση. Πώς να είσαι;

Αρχικά φαινόταν ότι χωρίς τον διαχωρισμό δύο ισοτόπων, η λειτουργία του αντιδραστήρα ήταν γενικά αδύνατη, αλλά σύντομα διαπιστώθηκε μια σημαντική περίσταση: αποδείχθηκε ότι το ουράνιο-235 και το ουράνιο-238 ήταν ευαίσθητα σε νετρόνια διαφορετικών ενεργειών. Ο πυρήνας ενός ατόμου ουρανίου-235 μπορεί να διαιρεθεί από ένα νετρόνιο σχετικά χαμηλής ενέργειας, με ταχύτητα περίπου 22 m/s. Τέτοια αργά νετρόνια δεν συλλαμβάνονται από πυρήνες ουρανίου-238 - για αυτό πρέπει να έχουν ταχύτητα της τάξης των εκατοντάδων χιλιάδων μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Με άλλα λόγια, το ουράνιο-238 είναι ανίσχυρο να αποτρέψει την έναρξη και την πρόοδο μιας αλυσιδωτής αντίδρασης στο ουράνιο-235 που προκαλείται από νετρόνια που επιβραδύνονται σε εξαιρετικά χαμηλές ταχύτητες - όχι περισσότερο από 22 m/s. Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Ιταλό φυσικό Fermi, ο οποίος ζούσε στις ΗΠΑ από το 1938 και οδήγησε τις εργασίες εδώ για τη δημιουργία του πρώτου αντιδραστήρα. Ο Fermi αποφάσισε να χρησιμοποιήσει τον γραφίτη ως συντονιστή νετρονίων. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς του, τα νετρόνια που εκπέμπονται από το ουράνιο-235, έχοντας περάσει από ένα στρώμα γραφίτη 40 cm, θα έπρεπε να έχουν μειώσει την ταχύτητά τους στα 22 m/s και να έχουν ξεκινήσει μια αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση στο ουράνιο-235.

Ένας άλλος συντονιστής θα μπορούσε να είναι το λεγόμενο «βαρύ» νερό. Δεδομένου ότι τα άτομα υδρογόνου που περιλαμβάνονται σε αυτό είναι πολύ παρόμοια σε μέγεθος και μάζα με τα νετρόνια, θα μπορούσαν καλύτερα να τα επιβραδύνουν. (Με γρήγορα νετρόνια, συμβαίνει περίπου το ίδιο με τις μπάλες: αν μια μικρή μπάλα χτυπήσει μια μεγάλη, γυρίζει πίσω, σχεδόν χωρίς να χάσει ταχύτητα, αλλά όταν συναντά μια μικρή μπάλα, μεταφέρει σημαντικό μέρος της ενέργειάς της σε αυτήν - ακριβώς όπως ένα νετρόνιο σε μια ελαστική σύγκρουση αναπηδά από έναν βαρύ πυρήνα, επιβραδύνοντας ελάχιστα, και όταν συγκρούεται με τους πυρήνες των ατόμων υδρογόνου, χάνει πολύ γρήγορα όλη του την ενέργεια.) Ωστόσο, το συνηθισμένο νερό δεν είναι κατάλληλο για επιβράδυνση, αφού το υδρογόνο του τείνει να απορροφά νετρόνια. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το δευτέριο, που αποτελεί μέρος του «βαρέως» νερού, θα πρέπει να χρησιμοποιείται για το σκοπό αυτό.

Στις αρχές του 1942, υπό την ηγεσία του Φέρμι, ξεκίνησε η κατασκευή του πρώτου πυρηνικού αντιδραστήρα στην ιστορία στον χώρο του γηπέδου τένις κάτω από τις δυτικές εξέδρες του Σταδίου του Σικάγο. Οι επιστήμονες έκαναν μόνοι τους όλη την εργασία. Η αντίδραση μπορεί να ελεγχθεί με τον μόνο τρόπο - ρυθμίζοντας τον αριθμό των νετρονίων που συμμετέχουν στην αλυσιδωτή αντίδραση. Ο Fermi σκόπευε να το πετύχει χρησιμοποιώντας ράβδους κατασκευασμένες από ουσίες όπως το βόριο και το κάδμιο, που απορροφούν έντονα τα νετρόνια. Ο συντονιστής ήταν τούβλα γραφίτη, από τα οποία οι φυσικοί κατασκεύασαν στήλες ύψους 3 μέτρων και πλάτους 1,2 μ. ορθογώνιες πλάκες με οξείδιο ουρανίου. Ολόκληρη η δομή απαιτούσε περίπου 46 τόνους οξειδίου του ουρανίου και 385 τόνους γραφίτη. Για να επιβραδυνθεί η αντίδραση, ράβδοι καδμίου και βορίου εισήχθησαν στον αντιδραστήρα.

Αν αυτό δεν ήταν αρκετό, τότε για την ασφάλιση, δύο επιστήμονες στάθηκαν σε μια πλατφόρμα που βρισκόταν πάνω από τον αντιδραστήρα με κουβάδες γεμάτους με διάλυμα αλάτων καδμίου - υποτίθεται ότι θα τα έβαζαν στον αντιδραστήρα εάν η αντίδραση έβγαινε εκτός ελέγχου. Ευτυχώς, αυτό δεν ήταν απαραίτητο. Στις 2 Δεκεμβρίου 1942, ο Fermi διέταξε να επεκταθούν όλες οι ράβδοι ελέγχου και το πείραμα ξεκίνησε. Μετά από τέσσερα λεπτά, οι μετρητές νετρονίων άρχισαν να χτυπούν όλο και πιο δυνατά. Με κάθε λεπτό η ένταση της ροής νετρονίων γινόταν μεγαλύτερη. Αυτό έδειξε ότι μια αλυσιδωτή αντίδραση λάμβανε χώρα στον αντιδραστήρα. Διήρκεσε 28 λεπτά. Στη συνέχεια, ο Fermi έδωσε το σήμα και οι χαμηλωμένες ράβδοι σταμάτησαν τη διαδικασία. Έτσι, για πρώτη φορά, ο άνθρωπος απελευθέρωσε την ενέργεια του ατομικού πυρήνα και απέδειξε ότι μπορούσε να τον ελέγξει κατά βούληση. Τώρα δεν υπήρχε πλέον καμία αμφιβολία ότι τα πυρηνικά όπλα ήταν πραγματικότητα.

Το 1943, ο αντιδραστήρας Fermi αποσυναρμολογήθηκε και μεταφέρθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο της Αραγονίας (50 χλμ. από το Σικάγο). Ήταν εδώ σύντομα
Ένας άλλος πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε στον οποίο χρησιμοποιήθηκε βαρύ νερό ως συντονιστής. Αποτελούνταν από μια κυλινδρική δεξαμενή αλουμινίου που περιείχε 6,5 τόνους βαρύ νερό, μέσα στην οποία βυθίστηκαν κάθετα 120 ράβδοι από μέταλλο ουρανίου, εγκλεισμένες σε ένα κέλυφος αλουμινίου. Οι επτά ράβδοι ελέγχου ήταν κατασκευασμένες από κάδμιο. Γύρω από τη δεξαμενή υπήρχε ένας ανακλαστήρας γραφίτη και μετά ένα πλέγμα από κράματα μολύβδου και καδμίου. Ολόκληρη η κατασκευή ήταν εγκλεισμένη σε κέλυφος από σκυρόδεμα με πάχος τοιχώματος περίπου 2,5 m.

Τα πειράματα σε αυτούς τους πιλοτικούς αντιδραστήρες επιβεβαίωσαν τη δυνατότητα βιομηχανικής παραγωγής πλουτωνίου.

Το κύριο κέντρο του Manhattan Project έγινε σύντομα η πόλη Oak Ridge στην κοιλάδα του ποταμού Tennessee, της οποίας ο πληθυσμός αυξήθηκε σε 79 χιλιάδες άτομα μέσα σε λίγους μήνες. Εδώ, μέσα βραχυπρόθεσμαΚατασκευάστηκε η πρώτη μονάδα παραγωγής εμπλουτισμένου ουρανίου στην ιστορία. Ένας βιομηχανικός αντιδραστήρας που παράγει πλουτώνιο ξεκίνησε εδώ το 1943. Τον Φεβρουάριο του 1944 εξάγονταν από αυτό περίπου 300 κιλά ουρανίου καθημερινά, από την επιφάνεια του οποίου λαμβανόταν πλουτώνιο με χημικό διαχωρισμό. (Για να γίνει αυτό, το πλουτώνιο αρχικά διαλύθηκε και στη συνέχεια καταβυθίστηκε.) Το καθαρισμένο ουράνιο στη συνέχεια επέστρεψε στον αντιδραστήρα. Την ίδια χρονιά ξεκίνησε η κατασκευή του τεράστιου εργοστασίου του Χάνφορντ στην άγονη, ζοφερή έρημο στη νότια όχθη του ποταμού Κολούμπια. Φιλοξενούσε τρεις ισχυρούς πυρηνικούς αντιδραστήρες που παρήγαγαν αρκετές εκατοντάδες γραμμάρια πλουτωνίου κάθε μέρα.

Παράλληλα, η έρευνα βρισκόταν σε πλήρη εξέλιξη για την ανάπτυξη μιας βιομηχανικής διαδικασίας εμπλουτισμού ουρανίου.

Έχοντας σκεφτεί διαφορετικές παραλλαγές, Groves και Oppenheimer αποφάσισαν να επικεντρώσουν τις προσπάθειές τους σε δύο μεθόδους: την αέρια διάχυση και την ηλεκτρομαγνητική.

Η μέθοδος διάχυσης αερίων βασίστηκε σε μια αρχή γνωστή ως νόμος του Graham (διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1829 από τον Σκωτσέζο χημικό Thomas Graham και αναπτύχθηκε το 1896 από τον Άγγλο φυσικό Reilly). Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, εάν δύο αέρια, εκ των οποίων το ένα είναι ελαφρύτερο από το άλλο, περάσουν από ένα φίλτρο με αμελητέα μικρές οπές, τότε θα περάσει λίγο περισσότερο από το ελαφρύ αέριο από το βαρύ. Τον Νοέμβριο του 1942, ο Urey και ο Dunning από το Πανεπιστήμιο Columbia δημιούργησαν μια μέθοδο αέριας διάχυσης για τον διαχωρισμό των ισοτόπων ουρανίου με βάση τη μέθοδο Reilly.

Αφού το φυσικό ουράνιο είναι στερεός, στη συνέχεια μετατράπηκε αρχικά σε φθοριούχο ουράνιο (UF6). Αυτό το αέριο στη συνέχεια πέρασε από μικροσκοπικές -της τάξης των χιλιοστών του χιλιοστού- οπές στο διαχωριστικό του φίλτρου.

Δεδομένου ότι η διαφορά στα μοριακά βάρη των αερίων ήταν πολύ μικρή, πίσω από το διαχωριστικό η περιεκτικότητα σε ουράνιο-235 αυξήθηκε μόνο κατά 1.0002 φορές.

Προκειμένου να αυξηθεί ακόμη περισσότερο η ποσότητα του ουρανίου-235, το προκύπτον μείγμα περνά και πάλι από ένα διαχωριστικό και η ποσότητα ουρανίου αυξάνεται ξανά κατά 1.0002 φορές. Έτσι, για να αυξηθεί η περιεκτικότητα σε ουράνιο-235 στο 99%, ήταν απαραίτητο να περάσει το αέριο από 4000 φίλτρα. Αυτό έλαβε χώρα σε ένα τεράστιο εργοστάσιο διάχυσης αερίων στο Oak Ridge.

Το 1940, υπό την ηγεσία του Ernest Lawrence, ξεκίνησε η έρευνα για τον διαχωρισμό των ισοτόπων ουρανίου με την ηλεκτρομαγνητική μέθοδο στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια. Ήταν απαραίτητο να βρεθούν φυσικές διεργασίες που θα επέτρεπαν τον διαχωρισμό των ισοτόπων χρησιμοποιώντας τη διαφορά στις μάζες τους. Ο Lawrence προσπάθησε να διαχωρίσει τα ισότοπα χρησιμοποιώντας την αρχή ενός φασματογράφου μάζας, ενός οργάνου που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μάζας των ατόμων.

Η αρχή της λειτουργίας του ήταν η εξής: τα προιονισμένα άτομα επιταχύνθηκαν από ένα ηλεκτρικό πεδίο και στη συνέχεια περνούσαν μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο, στο οποίο περιέγραφαν κύκλους που βρίσκονται σε επίπεδο κάθετο προς την κατεύθυνση του πεδίου. Δεδομένου ότι οι ακτίνες αυτών των τροχιών ήταν ανάλογες με τη μάζα τους, τα ελαφρά ιόντα κατέληξαν σε κύκλους μικρότερης ακτίνας από τα βαριά. Εάν τοποθετούνταν παγίδες κατά μήκος της διαδρομής των ατόμων, τότε διαφορετικά ισότοπα θα μπορούσαν να συλλεχθούν χωριστά με αυτόν τον τρόπο.

Αυτή ήταν η μέθοδος. Σε εργαστηριακές συνθήκες έδωσε καλά αποτελέσματα. Αλλά η κατασκευή μιας εγκατάστασης όπου ο διαχωρισμός των ισοτόπων θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε βιομηχανική κλίμακα αποδείχθηκε εξαιρετικά δύσκολη. Ωστόσο, ο Λόρενς κατάφερε τελικά να ξεπεράσει όλες τις δυσκολίες. Αποτέλεσμα των προσπαθειών του ήταν η εμφάνιση του καλούτρου, το οποίο εγκαταστάθηκε σε ένα γιγάντιο εργοστάσιο στο Oak Ridge.

Αυτό το ηλεκτρομαγνητικό εργοστάσιο κατασκευάστηκε το 1943 και αποδείχθηκε ότι ήταν ίσως το πιο ακριβό πνευματικό τέκνο του Manhattan Project. Η μέθοδος του Lawrence απαιτούσε μεγάλο αριθμό πολύπλοκων, μη ανεπτυγμένων ακόμη συσκευών που σχετίζονται με υψηλής τάσης, υψηλό κενό και ισχυρά μαγνητικά πεδία. Η κλίμακα του κόστους αποδείχθηκε τεράστια. Ο Calutron είχε έναν γιγάντιο ηλεκτρομαγνήτη, το μήκος του οποίου έφτανε τα 75 μέτρα και ζύγιζε περίπου 4000 τόνους.

Αρκετές χιλιάδες τόνοι ασημένιου σύρματος χρησιμοποιήθηκαν για τις περιελίξεις αυτού του ηλεκτρομαγνήτη.

Ολόκληρο το έργο (χωρίς να υπολογίζεται το κόστος των 300 εκατομμυρίων δολαρίων σε ασήμι, το οποίο το Δημόσιο Ταμείο παρείχε μόνο προσωρινά) κόστισε 400 εκατομμύρια δολάρια. Το Υπουργείο Άμυνας πλήρωσε 10 εκατομμύρια για το ρεύμα που καταναλώνει μόνο το calutron. Μεγάλο μέρος του εξοπλισμού στο εργοστάσιο του Oak Ridge ήταν ανώτερο σε κλίμακα και ακρίβεια από οτιδήποτε είχε αναπτυχθεί ποτέ σε αυτόν τον τομέα της τεχνολογίας.

Όμως όλα αυτά τα έξοδα δεν ήταν μάταια. Έχοντας ξοδέψει συνολικά περίπου 2 δισεκατομμύρια δολάρια, οι Αμερικανοί επιστήμονες μέχρι το 1944 δημιούργησαν μια μοναδική τεχνολογία για τον εμπλουτισμό ουρανίου και την παραγωγή πλουτωνίου. Εν τω μεταξύ, στο εργαστήριο του Λος Άλαμος εργάζονταν στον σχεδιασμό της ίδιας της βόμβας. Η αρχή της λειτουργίας του ήταν, σε γενικές γραμμές, σαφής για μεγάλο χρονικό διάστημα: η σχάσιμη ουσία (πλουτώνιο ή ουράνιο-235) έπρεπε να μεταφερθεί σε κρίσιμη κατάσταση τη στιγμή της έκρηξης (για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση, Η μάζα του φορτίου πρέπει να είναι αισθητά μεγαλύτερη από την κρίσιμη) και να ακτινοβοληθεί με μια δέσμη νετρονίων, η οποία συνεπαγόταν την αρχή μιας αλυσιδωτής αντίδρασης.

Σύμφωνα με υπολογισμούς, η κρίσιμη μάζα του φορτίου ξεπέρασε τα 50 κιλά, αλλά κατάφεραν να τη μειώσουν σημαντικά. Γενικά, η τιμή της κρίσιμης μάζας επηρεάζεται έντονα από διάφορους παράγοντες. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια του φορτίου, τόσο περισσότερα νετρόνια εκπέμπονται άχρηστα στον περιβάλλοντα χώρο. Μια σφαίρα έχει τη μικρότερη επιφάνεια. Κατά συνέπεια, τα σφαιρικά φορτία, με άλλα πράγματα ίσα, έχουν τη μικρότερη κρίσιμη μάζα. Επιπλέον, η τιμή της κρίσιμης μάζας εξαρτάται από την καθαρότητα και τον τύπο των σχάσιμων υλικών. Είναι αντιστρόφως ανάλογο με το τετράγωνο της πυκνότητας αυτού του υλικού, το οποίο επιτρέπει, για παράδειγμα, διπλασιάζοντας την πυκνότητα, μειώνοντας την κρίσιμη μάζα κατά τέσσερις φορές. Ο απαιτούμενος βαθμός υποκρισιμότητας μπορεί να ληφθεί, για παράδειγμα, με συμπίεση του σχάσιμου υλικού λόγω της έκρηξης μιας γόμωσης ενός συμβατικού εκρηκτικού υλικού που κατασκευάζεται με τη μορφή ενός σφαιρικού κελύφους που περιβάλλει το πυρηνικό φορτίο. Η κρίσιμη μάζα μπορεί επίσης να μειωθεί περιβάλλοντας το φορτίο με μια οθόνη που αντανακλά καλά τα νετρόνια. Μόλυβδος, βηρύλλιο, βολφράμιο, φυσικό ουράνιο, σίδηρος και πολλά άλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τέτοια οθόνη.

Ένας πιθανός σχεδιασμός μιας ατομικής βόμβας αποτελείται από δύο κομμάτια ουρανίου, τα οποία, όταν συνδυάζονται, σχηματίζουν μια μάζα μεγαλύτερη από την κρίσιμη. Για να προκαλέσετε έκρηξη βόμβας, πρέπει να τα φέρετε πιο κοντά το συντομότερο δυνατό. Η δεύτερη μέθοδος βασίζεται στη χρήση μιας έκρηξης με σύγκλιση προς τα μέσα. Σε αυτή την περίπτωση, ένα ρεύμα αερίων από ένα συμβατικό εκρηκτικό κατευθύνθηκε προς το σχάσιμο υλικό που βρισκόταν μέσα και το συμπίεσε μέχρι να φτάσει σε μια κρίσιμη μάζα. Ο συνδυασμός ενός φορτίου και η έντονη ακτινοβολία του με νετρόνια, όπως ήδη αναφέρθηκε, προκαλεί μια αλυσιδωτή αντίδραση, με αποτέλεσμα στο πρώτο δευτερόλεπτο η θερμοκρασία να αυξάνεται στους 1 εκατομμύριο βαθμούς. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, μόνο το 5% περίπου της κρίσιμης μάζας κατάφερε να διαχωριστεί. Το υπόλοιπο φορτίο στα πρώιμα σχέδια βόμβας εξατμίστηκε χωρίς
οποιοδήποτε όφελος.

Η πρώτη ατομική βόμβα στην ιστορία (της δόθηκε το όνομα Trinity) συναρμολογήθηκε το καλοκαίρι του 1945. Και στις 16 Ιουνίου 1945, πραγματοποιήθηκε η πρώτη ατομική έκρηξη στη Γη στο χώρο πυρηνικών δοκιμών στην έρημο Alamogordo (Νέο Μεξικό). Η βόμβα τοποθετήθηκε στο κέντρο του χώρου δοκιμών στην κορυφή ενός χαλύβδινου πύργου 30 μέτρων. Γύρω του τοποθετήθηκε συσκευή εγγραφής σε μεγάλη απόσταση. Υπήρχε ένα παρατηρητήριο σε απόσταση 9 χιλιομέτρων και ένα σταθμό διοίκησης 16 χιλιόμετρα μακριά. Η ατομική έκρηξη έκανε εκπληκτική εντύπωση σε όλους τους μάρτυρες αυτού του γεγονότος. Σύμφωνα με τις περιγραφές των αυτόπτων μαρτύρων, ένιωθε σαν πολλοί ήλιοι να είχαν ενωθεί σε έναν και να φώτισαν το χώρο των δοκιμών ταυτόχρονα. Τότε μια τεράστια βολίδα εμφανίστηκε πάνω από τον κάμπο και ένα στρογγυλό σύννεφο σκόνης και φωτός άρχισε να ανεβαίνει προς το μέρος του αργά και δυσοίωνα.

Απογειώνοντας από το έδαφος, αυτή η βολίδα ανέβηκε σε ύψος πάνω από τρία χιλιόμετρα μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα. Κάθε στιγμή που μεγάλωνε σε μέγεθος, σύντομα η διάμετρός του έφτασε το 1,5 km και σιγά σιγά ανέβαινε στη στρατόσφαιρα. Στη συνέχεια η βολίδα έδωσε τη θέση της σε μια στήλη καπνού που φουσκώνει, η οποία εκτείνεται σε ύψος 12 χιλιομέτρων, παίρνοντας το σχήμα ενός γιγάντιου μανιταριού. Όλα αυτά συνοδεύονταν από ένα τρομερό βρυχηθμό που έκανε τη γη να τρέμει. Η δύναμη της βόμβας που εκρήγνυται ξεπέρασε κάθε προσδοκία.

Μόλις το επέτρεψε η κατάσταση της ακτινοβολίας, πολλά τανκς Sherman, επενδεδυμένα με μολύβδινες πλάκες στο εσωτερικό, έσπευσαν στην περιοχή της έκρηξης. Σε ένα από αυτά ήταν ο Φέρμι, ο οποίος ήταν πρόθυμος να δει τα αποτελέσματα της δουλειάς του. Αυτό που φάνηκε μπροστά στα μάτια του ήταν μια νεκρή, καμένη γη, στην οποία είχαν καταστραφεί όλα τα ζωντανά πράγματα σε ακτίνα 1,5 χιλιομέτρου. Η άμμος είχε ψηθεί σε μια γυάλινη πρασινωπή κρούστα που κάλυπτε το έδαφος. Σε έναν τεράστιο κρατήρα κείτονταν τα μπερδεμένα υπολείμματα ενός χαλύβδινου πύργου στήριξης. Η δύναμη της έκρηξης υπολογίστηκε σε 20.000 τόνους TNT.

Το επόμενο βήμα ήταν η πολεμική χρήση της βόμβας κατά της Ιαπωνίας, η οποία, μετά την παράδοση της ναζιστικής Γερμανίας, συνέχισε μόνη της τον πόλεμο με τις Ηνωμένες Πολιτείες και τους συμμάχους τους. Εκείνη την ώρα δεν υπήρχαν οχήματα εκτόξευσης, οπότε ο βομβαρδισμός έπρεπε να πραγματοποιηθεί από αεροπλάνο. Τα εξαρτήματα των δύο βομβών μεταφέρθηκαν με μεγάλη προσοχή από το καταδρομικό Indianapolis στο νησί Tinian, όπου εδρεύει η 509η Συνδυασμένη Ομάδα Αεροπορίας. Αυτές οι βόμβες διέφεραν κάπως η μία από την άλλη ως προς τον τύπο γόμωσης και το σχεδιασμό.

Η πρώτη βόμβα - "Baby" - ήταν μια αεροβόμβα μεγάλου μεγέθους με ατομικό φορτίο υψηλού εμπλουτισμένου ουρανίου-235. Το μήκος του ήταν περίπου 3 m, η διάμετρος - 62 cm, το βάρος - 4,1 τόνοι.

Η δεύτερη βόμβα - "Fat Man" - με γόμωση πλουτώνιο-239 είχε σχήμα αυγού με έναν μεγάλο σταθεροποιητή. Το μήκος του
ήταν 3,2 m, διάμετρος 1,5 m, βάρος - 4,5 τόνοι.

Στις 6 Αυγούστου, το βομβαρδιστικό B-29 Enola Gay του συνταγματάρχη Tibbets έριξε το "Little Boy" στη μεγάλη ιαπωνική πόλη της Χιροσίμα. Η βόμβα κατέβηκε με αλεξίπτωτο και εξερράγη, όπως είχε προγραμματιστεί, σε υψόμετρο 600 μέτρων από το έδαφος.

Οι συνέπειες της έκρηξης ήταν τρομερές. Ακόμη και για τους ίδιους τους πιλότους, η θέα μιας ειρηνικής πόλης που καταστράφηκε από αυτούς σε μια στιγμή έκανε μια καταθλιπτική εντύπωση. Αργότερα, ένας από αυτούς παραδέχτηκε ότι εκείνο το δευτερόλεπτο είδαν το χειρότερο πράγμα που μπορεί να δει ένας άνθρωπος.

Για όσους ήταν στη γη, αυτό που συνέβαινε έμοιαζε με αληθινή κόλαση. Πρώτα απ 'όλα, ένα κύμα καύσωνα πέρασε πάνω από τη Χιροσίμα. Η επίδρασή του διήρκεσε μόνο λίγες στιγμές, αλλά ήταν τόσο ισχυρή που έλιωσε ακόμη και πλακάκια και κρυστάλλους χαλαζία σε πλάκες γρανίτη, μετέτρεψε τηλεφωνικούς στύλους σε απόσταση 4 χιλιομέτρων σε άνθρακα και, τελικά, αποτέφρωσε ανθρώπινα σώματα τόσο πολύ που έμειναν μόνο σκιές από αυτά. στην άσφαλτο των πεζοδρομίων ή στους τοίχους των σπιτιών. Στη συνέχεια, μια τερατώδης ριπή ανέμου ξέσπασε κάτω από τη βολίδα και όρμησε πάνω από την πόλη με ταχύτητα 800 km/h, καταστρέφοντας τα πάντα στο πέρασμά της. Σπίτια που δεν άντεξαν στη μανιώδη επίθεση του κατέρρευσαν σαν γκρεμισμένα. Δεν έχει μείνει ούτε ένα άθικτο κτίριο στον γιγάντιο κύκλο με διάμετρο 4 km. Λίγα λεπτά μετά την έκρηξη, μαύρη ραδιενεργή βροχή έπεσε πάνω από την πόλη - αυτή η υγρασία μετατράπηκε σε ατμό που συμπυκνώθηκε σε υψηλά στρώματαατμόσφαιρα και έπεσε στο έδαφος με τη μορφή μεγάλων σταγόνων αναμεμειγμένων με ραδιενεργή σκόνη.

Μετά τη βροχή, μια νέα ριπή ανέμου έπληξε την πόλη, αυτή τη φορά με κατεύθυνση προς το επίκεντρο. Ήταν πιο αδύναμο από το πρώτο, αλλά και πάλι αρκετά δυνατό για να ξεριζώσει δέντρα. Ο άνεμος άναψε μια γιγάντια φωτιά, στην οποία κάηκε ό,τι μπορούσε να καεί. Από τα 76 χιλιάδες κτίρια, τα 55 χιλιάδες καταστράφηκαν ολοσχερώς και κάηκαν. Μάρτυρες αυτού τρομερή καταστροφήθυμήθηκαν ανθρώπους πυρσούς, από τους οποίους έπεφταν καμένα ρούχα στο έδαφος μαζί με κουρέλια από δέρμα, και για πλήθη τρελών ανθρώπων, καλυμμένους με τρομερά εγκαύματα, που ορμούσαν ουρλιάζοντας στους δρόμους. Υπήρχε μια αποπνικτική δυσωδία καμένης ανθρώπινης σάρκας στον αέρα. Υπήρχαν άνθρωποι ξαπλωμένοι παντού, νεκροί και ετοιμοθάνατοι. Υπήρχαν πολλοί που ήταν τυφλοί και κωφοί και, τρυπώντας προς όλες τις κατευθύνσεις, δεν μπορούσαν να διακρίνουν τίποτα στο χάος που επικρατούσε γύρω τους.

Οι άτυχοι άνθρωποι, που βρίσκονταν σε απόσταση έως και 800 μ. από το επίκεντρο, κάηκαν κυριολεκτικά σε κλάσματα δευτερολέπτου - το εσωτερικό τους εξατμίστηκε και το σώμα τους μετατράπηκε σε σβώλους καπνιστών κάρβουνων. Όσοι βρίσκονται σε απόσταση 1 χιλιομέτρου από το επίκεντρο προσβλήθηκαν από ασθένεια ακτινοβολίας σε εξαιρετικά σοβαρή μορφή. Μέσα σε λίγες ώρες άρχισαν να κάνουν βίαιο εμετό, η θερμοκρασία τους ανέβηκε στους 39-40 βαθμούς και άρχισαν να παρουσιάζουν δύσπνοια και αιμορραγία. Στη συνέχεια εμφανίστηκαν μη επουλωτικά έλκη στο δέρμα, η σύνθεση του αίματος άλλαξε δραματικά και τα μαλλιά έπεσαν. Μετά από φοβερά βάσανα, συνήθως τη δεύτερη ή την τρίτη μέρα, επήλθε ο θάνατος.

Συνολικά, περίπου 240 χιλιάδες άνθρωποι πέθαναν από την έκρηξη και την ασθένεια της ραδιενέργειας. Περίπου 160 χιλιάδες υπέστησαν ασθένεια ακτινοβολίας σε πιο ήπια μορφή - ο επώδυνος θάνατός τους καθυστέρησε αρκετούς μήνες ή χρόνια. Όταν τα νέα της καταστροφής διαδόθηκαν σε όλη τη χώρα, όλη η Ιαπωνία παρέλυσε από φόβο. Αυξήθηκε περαιτέρω όταν το Major Sweeney's Box Car έριξε μια δεύτερη βόμβα στο Ναγκασάκι στις 9 Αυγούστου. Πολλές εκατοντάδες χιλιάδες κάτοικοι σκοτώθηκαν και τραυματίστηκαν επίσης εδώ. Ανίκανη να αντισταθεί στα νέα όπλα, η ιαπωνική κυβέρνηση συνθηκολόγησε - η ατομική βόμβα τερμάτισε τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο.

Πόλεμος έχει τελειώσει. Διήρκεσε μόνο έξι χρόνια, αλλά κατάφερε να αλλάξει τον κόσμο και τους ανθρώπους σχεδόν αγνώριστα.

Ο ανθρώπινος πολιτισμός πριν από το 1939 και ο ανθρώπινος πολιτισμός μετά το 1945 είναι εντυπωσιακά διαφορετικοί μεταξύ τους. Υπάρχουν πολλοί λόγοι για αυτό, αλλά ένας από τους πιο σημαντικούς είναι η εμφάνιση πυρηνικών όπλων. Μπορεί να ειπωθεί χωρίς υπερβολή ότι η σκιά της Χιροσίμα βρίσκεται σε ολόκληρο το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα. Έγινε ένα βαθύ ηθικό έγκαυμα για πολλά εκατομμύρια ανθρώπους, τόσο συγχρόνους αυτής της καταστροφής όσο και όσων γεννήθηκαν δεκαετίες μετά από αυτήν. Ο σύγχρονος άνθρωπος δεν μπορεί πλέον να σκέφτεται τον κόσμο όπως τον σκέφτονταν πριν από τις 6 Αυγούστου 1945 - καταλαβαίνει πολύ καθαρά ότι αυτός ο κόσμος μπορεί να μετατραπεί σε τίποτα σε λίγες στιγμές.

Ο σύγχρονος άνθρωπος δεν μπορεί να βλέπει τον πόλεμο όπως οι παππούδες και οι προπάππους του - γνωρίζει με βεβαιότητα ότι αυτός ο πόλεμος θα είναι ο τελευταίος και δεν θα υπάρχουν ούτε νικητές ούτε ηττημένοι σε αυτόν. Τα πυρηνικά όπλα έχουν αφήσει το στίγμα τους σε όλους τους τομείς δημόσια ζωή, και ο σύγχρονος πολιτισμός δεν μπορεί να ζήσει με τους ίδιους νόμους όπως πριν από εξήντα ή ογδόντα χρόνια. Κανείς δεν το κατάλαβε αυτό καλύτερα από τους ίδιους τους δημιουργούς της ατομικής βόμβας.

«Άνθρωποι του πλανήτη μας , έγραψε ο Ρόμπερτ Οπενχάιμερ, πρέπει να ενωθούν. Σπαρμένος τρόμος και καταστροφή τον τελευταίο πόλεμο, υπαγορεύστε μας αυτή τη σκέψη. Οι εκρήξεις των ατομικών βομβών το απέδειξαν με κάθε σκληρότητα. Άλλοι άνθρωποι άλλες φορές έχουν ήδη πει παρόμοια λόγια - μόνο για άλλα όπλα και για άλλους πολέμους. Δεν είχαν επιτυχία. Αλλά όποιος θα έλεγε σήμερα ότι αυτά τα λόγια είναι άχρηστα παραπλανάται από τις αντιξοότητες της ιστορίας. Δεν μπορούμε να πειστούμε γι' αυτό. Τα αποτελέσματα της δουλειάς μας δεν αφήνουν στην ανθρωπότητα άλλη επιλογή από το να δημιουργήσουμε έναν ενωμένο κόσμο. Ένας κόσμος βασισμένος στη νομιμότητα και τον ανθρωπισμό».