Toda la masa de un misil balístico intercontinental, decenas de metros y toneladas de aleaciones ultrarresistentes, combustible de alta tecnología y electrónica avanzada se necesitan para una sola cosa: llevar la ojiva a su destino: un cono de un metro y medio de altura. y tan grueso en la base como un torso humano.
Veamos una ojiva típica (en realidad, puede haber diferencias de diseño entre las ojivas). Este es un cono hecho de aleaciones livianas y duraderas. En el interior hay mamparos, marcos, un marco eléctrico; casi todo es como en un avión. El marco eléctrico está cubierto con una carcasa metálica duradera. Se aplica una capa gruesa de revestimiento protector contra el calor a la carcasa. Parece que cesta antigua Neolítico, generosamente recubierto de arcilla y cocido en los primeros experimentos del hombre con el calor y la cerámica. La similitud es fácil de explicar: tanto la cesta como la ojiva deben resistir el calor externo.
Dentro del cono, fijados a sus "asientos", hay dos "pasajeros" principales por cuya causa se puso en marcha todo: una carga termonuclear y una unidad de control de carga, o unidad de automatización. Son sorprendentemente compactos. La unidad de automatización tiene el tamaño de un frasco de pepinos encurtidos de cinco litros y la carga es del tamaño de un cubo de jardín normal. Pesada y pesada, la unión de una lata y un cubo explotará de trescientos cincuenta a cuatrocientos kilotones. Dos pasajeros están unidos entre sí por una conexión, como los gemelos siameses, y a través de esta conexión intercambian algo constantemente. Su diálogo continúa todo el tiempo, incluso cuando el misil está en servicio de combate, incluso cuando estos gemelos recién están siendo transportados desde la planta de fabricación.
También hay un tercer pasajero: una unidad para medir el movimiento de la ojiva o, en general, controlar su vuelo. EN el último caso Los controles de trabajo están integrados en la ojiva, lo que le permite cambiar la trayectoria. Por ejemplo, sistemas neumáticos con actuadores o sistemas de polvo. Y también una red eléctrica de a bordo con fuentes de alimentación, líneas de comunicación con el escenario, en forma de cables y conectores protegidos, protección contra pulsos electromagnéticos y un sistema de termostato, que mantiene la temperatura de carga requerida.
La tecnología mediante la cual las ojivas se separan del misil y se ponen en su propio rumbo es independiente gran tema, sobre el cual puedes escribir libros.
Primero, expliquemos qué es “sólo una unidad de combate”. Se trata de un dispositivo que alberga físicamente una carga termonuclear a bordo de un misil balístico intercontinental. El cohete tiene una denominada ojiva, que puede contener una, dos o más ojivas. Si hay varios, la ojiva se llama ojiva múltiple (MIRV).
Dentro del MIRV hay una unidad muy compleja (también llamada plataforma de separación) que, después de ser lanzada por un vehículo de lanzamiento fuera de la atmósfera, comienza a realizar una serie de acciones programadas para el guiado individual y la separación de ojivas ubicadas en él; En el espacio, las formaciones de batalla se construyen a partir de bloques y señuelos, que también se encuentran inicialmente en la plataforma. Así, cada bloque se coloca en una trayectoria que garantiza que alcance un objetivo determinado en la superficie de la Tierra.
Las unidades de combate son diferentes. Aquellos que se mueven a lo largo de trayectorias balísticas después de separarse de la plataforma se denominan incontrolables. Las ojivas controladas, después de la separación, comienzan a “vivir sus propias vidas”. Están equipados con motores de control de actitud para maniobrar en el espacio exterior, superficies de control aerodinámico para controlar el vuelo en la atmósfera, tienen a bordo un sistema de control inercial, varios dispositivos informáticos, un radar con su propio ordenador... Y, por supuesto, una carga de combate.
Una ojiva prácticamente controlable combina las propiedades de una nave espacial no tripulada y de un avión hipersónico no tripulado. Este dispositivo debe realizar todas las acciones tanto en el espacio como durante el vuelo en la atmósfera de forma autónoma.
Después de separarse de la plataforma de reproducción, la ojiva vuela durante un tiempo relativamente largo a una altitud muy alta, en el espacio. En este momento, el sistema de control de la unidad lleva a cabo toda una serie de reorientaciones con el fin de crear las condiciones para determinar con precisión sus propios parámetros de movimiento, facilitando la superación de la zona de posibles explosiones nucleares de misiles antimisiles...
Antes de entrar en la atmósfera superior, la computadora de a bordo calcula la orientación requerida de la ojiva y la ejecuta. Por la misma época se llevan a cabo sesiones para determinar la ubicación real mediante radar, para lo cual también es necesario realizar una serie de maniobras. Luego se dispara la antena localizadora y comienza la parte atmosférica del movimiento de la ojiva.
Debajo, delante de la ojiva, se encuentra un enorme y brillante contraste con las alturas amenazadoras, cubierto por una neblina azul de oxígeno, cubierto de suspensiones de aerosoles, el vasto e ilimitado quinto océano. Lentamente y apenas perceptiblemente se aleja de los efectos residuales de la separación, la ojiva continúa su descenso a lo largo de una suave trayectoria. Pero entonces una brisa muy inusual sopló suavemente hacia ella. Lo tocó un poco y se hizo visible, cubriendo el cuerpo con una fina ola de brillo blanco azulado pálido que se extendía hacia atrás. Esta ola tiene una temperatura asombrosamente alta, pero aún no quema la ojiva, ya que es demasiado etérea. La brisa que sopla sobre la ojiva es conductora de electricidad. La velocidad del cono es tan alta que literalmente aplasta las moléculas de aire con su impacto en fragmentos cargados eléctricamente, y se produce la ionización del aire por impacto. Esta brisa de plasma se llama flujo hipersónico de alto número de Mach y su velocidad es veinte veces la velocidad del sonido.
Debido a la alta rarefacción, la brisa es casi imperceptible en los primeros segundos. Al crecer y volverse más denso a medida que se adentra en la atmósfera, inicialmente calienta más de lo que ejerce presión sobre la ojiva. Pero poco a poco comienza a apretar su cono con fuerza. El flujo gira primero la punta de la ojiva. No se despliega inmediatamente: el cono se balancea ligeramente hacia adelante y hacia atrás, desacelerando gradualmente sus oscilaciones y finalmente se estabiliza.
Al condensarse a medida que desciende, el flujo ejerce cada vez más presión sobre la ojiva, ralentizando su vuelo. A medida que disminuye la velocidad, la temperatura disminuye gradualmente. Desde los enormes valores del comienzo de la entrada, el brillo blanco azulado de decenas de miles de Kelvin, hasta el brillo blanco amarillento de cinco a seis mil grados. Esta es la temperatura de las capas superficiales del Sol. El resplandor se vuelve deslumbrante porque la densidad del aire aumenta rápidamente y con ello el calor fluye hacia las paredes de la ojiva. La capa protectora contra el calor se carboniza y comienza a arder.
No arde por la fricción con el aire, como suele decirse incorrectamente. Debido a la enorme velocidad hipersónica del movimiento (ahora quince veces más rápida que el sonido), otro cono diverge en el aire desde la parte superior del cuerpo: una onda de choque, como si encerrara una ojiva. El aire entrante, que ingresa al cono de la onda de choque, se compacta instantáneamente muchas veces y se presiona firmemente contra la superficie de la ojiva. Debido a una compresión abrupta, instantánea y repetida, su temperatura salta inmediatamente a varios miles de grados. La razón de esto es la increíble velocidad de lo que está sucediendo, el extremo dinamismo del proceso. La compresión dinámica del gas del flujo, y no la fricción, es lo que ahora calienta los lados de la ojiva.
La peor parte es la nariz. Allí se forma la mayor compactación del flujo que viene. La zona de este sello se mueve ligeramente hacia adelante, como si se desconectara del cuerpo. Y se queda delante, tomando la forma de una lente gruesa o de almohada. Esta formación se denomina “onda de choque de arco desprendida”. Es varias veces más grueso que el resto de la superficie del cono de la onda de choque alrededor de la ojiva. La compresión frontal del flujo que se aproxima aquí es más fuerte. Por lo tanto, la onda de choque de arco desconectada tiene la temperatura más alta y la densidad de calor más alta. Este pequeño sol quema la punta de la ojiva de forma radiante, resaltando, irradiando calor directamente hacia la punta del casco y provocando quemaduras graves en la punta. Por tanto, existe la capa más gruesa de protección térmica. Es la onda de choque que, en una noche oscura, ilumina la zona a lo largo de muchos kilómetros alrededor de una ojiva que vuela en la atmósfera.
Conectados por un objetivo
La carga termonuclear y la unidad de control se comunican continuamente entre sí. Este “diálogo” comienza inmediatamente después de que se instala la ojiva en el misil y termina en el momento Explosión nuclear. Durante todo este tiempo, el sistema de control prepara la carga para su funcionamiento, como un entrenador prepara a un boxeador para una pelea importante. Y en el momento adecuado da la última y más importante orden.
Al poner un misil en servicio de combate, su carga se equipa en su configuración completa: se instalan un activador de neutrones pulsados, detonadores y otros equipos. Pero todavía no está preparado para la explosión. Mantener un misil nuclear en un silo o en un lanzador móvil durante décadas, listo para explotar en cualquier momento, es sencillamente peligroso.
Por lo tanto, durante el vuelo, el sistema de control pone la carga en estado de explosión. Esto ocurre de forma gradual, utilizando complejos algoritmos secuenciales basados en dos condiciones principales: confiabilidad del movimiento hacia la meta y control sobre el proceso. Si uno de estos factores se desvía de los valores calculados, se detendrá la preparación. La electrónica transfiere la carga a un grado de disponibilidad cada vez mayor para dar la orden de actuar en el punto calculado.
Y cuando la carga completamente preparada salga de la unidad de control para detonar, la explosión se producirá de inmediato, instantáneamente. Una ojiva que vuele a la velocidad de una bala de francotirador recorrerá solo un par de centésimas de milímetro, sin tener tiempo de moverse en el espacio ni siquiera el grosor de un cabello humano, cuando comienza, se desarrolla, pasa por completo y en su carga una reacción termonuclear. se completa, liberando toda la energía normal.
Habiendo cambiado mucho tanto por fuera como por dentro, la ojiva pasó a la troposfera, los últimos diez kilómetros de altitud. Ella disminuyó mucho la velocidad. El vuelo hipersónico ha degenerado a una velocidad supersónica de tres a cuatro unidades Mach. La ojiva ya brilla débilmente, se desvanece y se acerca al objetivo.
Rara vez se planifica una explosión en la superficie de la Tierra, sólo en objetos enterrados bajo tierra, como por ejemplo silos de misiles. La mayoría de los objetivos se encuentran en la superficie. Y para su mayor destrucción, la detonación se realiza a una determinada altura, dependiendo de la potencia de la carga. Para veinte kilotones tácticos, esto es 400-600 m. Para un megatón estratégico, la altura óptima de explosión es 1200 m. La explosión provoca que dos ondas recorran la zona. Más cerca del epicentro, la onda expansiva llegará antes. Caerá y se reflejará rebotando hacia los lados, donde se fusionará con la nueva ola que acaba de llegar aquí desde arriba, desde el punto de explosión. Dos ondas, que inciden desde el centro de la explosión y se reflejan desde la superficie, se suman y forman la onda de choque más poderosa en la capa del suelo. factor principal derrotas.
Durante los lanzamientos de prueba, la ojiva suele llegar al suelo sin obstáculos. A bordo hay medio quintal de explosivos, que se detonan al caer. ¿Para qué? En primer lugar, la ojiva es un objeto secreto y debe destruirse de forma segura después de su uso. En segundo lugar, esto es necesario para los sistemas de medición del lugar de prueba, para detectar rápidamente el punto de impacto y medir las desviaciones.
Un cráter humeante de varios metros completa la imagen. Pero antes de eso, un par de kilómetros antes del impacto, desde la ojiva de prueba se dispara un casete de almacenamiento blindado que registra todo lo que se registró a bordo durante el vuelo. Esta unidad flash blindada protegerá contra la pérdida de información a bordo. La encontrarán más tarde, cuando llegue un helicóptero con un grupo de búsqueda especial. Y registrarán los resultados de un vuelo fantástico.
Se han escrito cientos de libros sobre la historia del enfrentamiento nuclear entre superpotencias y el diseño de las primeras bombas nucleares. Pero existen muchos mitos sobre las armas nucleares modernas. “Mecánica Popular” decidió aclarar este tema y contar cómo funciona el arma más destructiva inventada por el hombre.
personaje explosivo
El núcleo de uranio contiene 92 protones. El uranio natural es principalmente una mezcla de dos isótopos: U238 (que tiene 146 neutrones en su núcleo) y U235 (143 neutrones), estando sólo el 0,7% de este último en el uranio natural. Las propiedades químicas de los isótopos son absolutamente idénticas, por lo que es imposible separarlos por métodos químicos, pero la diferencia de masas (235 y 238 unidades) permite hacerlo por métodos físicos: una mezcla de uranio se convierte en gas (uranio hexafluoruro), y luego se bombea a través de innumerables particiones porosas. Aunque los isótopos del uranio no se distinguen por ninguno de los dos apariencia, ni químicamente, están separados por un abismo en las propiedades de los caracteres nucleares.
El proceso de fisión del U238 es un proceso remunerado: un neutrón que llega del exterior debe traer consigo energía: 1 MeV o más. Y el U235 es desinteresado: no se requiere nada del neutrón entrante para su excitación y su posterior desintegración; su energía de enlace en el núcleo es suficiente;
Cuando es golpeado por neutrones, el núcleo de uranio-235 se divide fácilmente y produce nuevos neutrones. Bajo determinadas condiciones, comienza una reacción en cadena.
Cuando un neutrón golpea un núcleo con capacidad de fisión, se forma un compuesto inestable, pero muy rápidamente (después de 10−23−10−22 s) dicho núcleo se desintegra en dos fragmentos de masa desigual e “instantáneamente” (en 10 −16−10− 14 c) emitiendo dos o tres nuevos neutrones, de modo que con el tiempo el número de núcleos fisibles pueda multiplicarse (esta reacción se llama reacción en cadena). Esto sólo es posible en U235, porque el codicioso U238 no quiere compartir sus propios neutrones, cuya energía es de un orden de magnitud inferior a 1 MeV. La energía cinética de las partículas de los productos de fisión es muchos órdenes de magnitud mayor que la energía liberada durante cualquier reacción química en la que la composición de los núcleos no cambia.
El plutonio metálico existe en seis fases, cuyas densidades oscilan entre 14,7 y 19,8 kg/cm 3 . A temperaturas inferiores a 119 grados Celsius, hay una fase alfa monoclínica (19,8 kg/cm 3), pero ese plutonio es muy frágil, y en la fase delta cúbica centrada en las caras (15,9) es plástico y está bien procesado (es así fase que se intenta conservar mediante aditivos de aleación). Durante la compresión por detonación, no pueden ocurrir transiciones de fase: el plutonio se encuentra en un estado casi líquido. Las transiciones de fase son peligrosas durante la producción: en el caso de piezas grandes, incluso con un ligero cambio de densidad se puede alcanzar un estado crítico. Por supuesto, esto sucederá sin una explosión: la pieza de trabajo simplemente se calentará, pero es posible que se libere el niquelado (y el plutonio es muy tóxico).
Asamblea crítica
Los productos de fisión son inestables y tardan mucho en “recuperarse”, emitiendo diversas radiaciones (incluidos neutrones). Los neutrones que se emiten un tiempo considerable (hasta decenas de segundos) después de la fisión se denominan retardados y, aunque su proporción es pequeña en comparación con la instantánea (menos del 1%), el papel que desempeñan en el funcionamiento de las instalaciones nucleares es el más importante. importante.
Las lentes explosivas crearon una onda convergente. La fiabilidad estaba garantizada por un par de detonadores en cada bloque.
Los productos de fisión, durante numerosas colisiones con los átomos circundantes, les ceden su energía, aumentando la temperatura. Después de que aparecen neutrones en un conjunto que contiene material fisionable, la potencia de liberación de calor puede aumentar o disminuir, y los parámetros de un conjunto en el que el número de fisiones por unidad de tiempo es constante se denominan críticos. La criticidad del conjunto se puede mantener tanto con un número grande como pequeño de neutrones (con una potencia de liberación de calor correspondientemente mayor o menor). La potencia térmica se incrementa bombeando neutrones adicionales desde el exterior al conjunto crítico o haciendo que el conjunto sea supercrítico (luego, generaciones cada vez más numerosas de núcleos fisibles suministran neutrones adicionales). Por ejemplo, si es necesario aumentar la potencia térmica de un reactor, se lo lleva a un régimen en el que cada generación de neutrones rápidos es un poco menos numerosa que la anterior, pero gracias a los neutrones retardados, el reactor pasa apenas perceptiblemente a un estado crítico. Entonces no acelera, sino que gana potencia lentamente, de modo que su aumento puede detenerse en el momento adecuado introduciendo absorbentes de neutrones (barras que contienen cadmio o boro).
El conjunto de plutonio (una capa esférica en el centro) estaba rodeado por una carcasa de uranio-238 y luego por una capa de aluminio.
Los neutrones producidos durante la fisión a menudo pasan volando por los núcleos circundantes sin causar más fisión. Cuanto más cerca de la superficie de un material se produce un neutrón, mayores son las posibilidades que tiene de escapar del material fisionable y no regresar nunca. Por tanto, la forma de montaje, ahorrando mayor número Los neutrones son una esfera: para una determinada masa de materia tiene una superficie mínima. Una bola no rodeada (solitaria) de 94% U235 sin cavidades en su interior se vuelve crítica con una masa de 49 kg y un radio de 85 mm. Si un conjunto del mismo uranio es un cilindro con una longitud igual al diámetro, se vuelve crítico con una masa de 52 kg. La superficie también disminuye al aumentar la densidad. Por eso la compresión explosiva, sin cambiar la cantidad de material fisionable, puede llevar el conjunto a un estado crítico. Es este proceso el que subyace al diseño común de una carga nuclear.
Las primeras armas nucleares utilizaron polonio y berilio (centro) como fuentes de neutrones.
Conjunto de bolas
Pero lo más frecuente es que en las armas nucleares no se utilice uranio, sino plutonio-239. Se produce en reactores irradiando uranio-238 con potentes flujos de neutrones. El plutonio cuesta aproximadamente seis veces más que el U235, pero cuando se fisiona, el núcleo del Pu239 emite un promedio de 2,895 neutrones, más que el U235 (2,452). Además, la probabilidad de fisión del plutonio es mayor. Todo esto lleva a que una sola bola de Pu239 se vuelva crítica con una masa casi tres veces menor que una bola de uranio y, lo más importante, con un radio más pequeño, lo que permite reducir las dimensiones del conjunto crítico.
Se utilizó una capa de aluminio para reducir la onda de rarefacción tras la detonación del explosivo.
El conjunto está formado por dos mitades cuidadosamente encajadas en forma de capa esférica (hueco por dentro); obviamente es subcrítico, incluso para los neutrones térmicos e incluso después de estar rodeado por un moderador. Se monta una carga alrededor de un conjunto de bloques explosivos ajustados con mucha precisión. Para ahorrar neutrones, es necesario preservar la forma noble de la bola durante la explosión; para ello, la capa de explosivo debe detonarse simultáneamente en toda su extensión. Superficie exterior, presionando el conjunto uniformemente. Se cree ampliamente que esto requiere muchos detonadores eléctricos. Pero esto sólo fue así en los albores de la “construcción de bombas”: para activar muchas docenas de detonadores se necesitaba mucha energía y un tamaño considerable del sistema de iniciación. Las cargas modernas utilizan varios detonadores seleccionados mediante una técnica especial, de características similares, a partir de los cuales se activan explosivos altamente estables (en términos de velocidad de detonación) en ranuras fresadas en una capa de policarbonato (cuya forma en una superficie esférica se calcula utilizando la geometría de Riemann). métodos). La detonación a una velocidad de aproximadamente 8 km/s recorrerá las ranuras a distancias absolutamente iguales, en el mismo momento llegará a los agujeros y detonará la carga principal, simultáneamente en todos los puntos requeridos.
Las figuras muestran los primeros momentos de la vida de una bola de fuego de carga nuclear: difusión de radiación (a), expansión del plasma caliente y formación de "ampollas" (b) y aumento de la potencia de radiación en el rango visible durante la separación. de la onda de choque (c).
Explosión en el interior
La explosión dirigida hacia el interior comprime el conjunto con una presión de más de un millón de atmósferas. La superficie del conjunto disminuye, la cavidad interna del plutonio casi desaparece, la densidad aumenta y, muy rápidamente, en diez microsegundos, el conjunto comprimible pasa al estado crítico con los neutrones térmicos y se vuelve significativamente supercrítico con los neutrones rápidos.
Después de un período determinado por el insignificante tiempo de insignificante desaceleración de los neutrones rápidos, cada una de sus nuevas y más numerosas generaciones añade una energía de 202 MeV a través de la fisión que producen a la sustancia del conjunto, que ya está estallando con monstruosos presión. En la escala de los fenómenos que ocurren, la resistencia incluso de los mejores aceros aleados es tan minúscula que a nadie se le ocurre tenerla en cuenta al calcular la dinámica de una explosión. Lo único que impide que el conjunto se separe es la inercia: para expandir una bola de plutonio tan sólo 1 cm en decenas de nanosegundos, es necesario impartir a la sustancia una aceleración decenas de billones de veces mayor que la aceleración de caída libre, y esto no es fácil.
Al final, la materia aún se dispersa, la fisión se detiene, pero el proceso no termina ahí: la energía se redistribuye entre los fragmentos ionizados de los núcleos separados y otras partículas emitidas durante la fisión. Su energía es del orden de decenas e incluso cientos de MeV, pero sólo los neutrones y los cuantos gamma de alta energía, eléctricamente neutros, tienen posibilidades de evitar la interacción con la materia y "escapar". Las partículas cargadas pierden rápidamente energía en actos de colisiones e ionización. En este caso, se emite radiación; sin embargo, ya no se trata de radiación nuclear dura, sino más suave, con una energía tres órdenes de magnitud menor, pero aún más que suficiente para eliminar los electrones de los átomos, no sólo de las capas exteriores, sino también de las capas exteriores. de todo en general. Entra en juego una mezcla de núcleos desnudos, electrones despojados y radiación con una densidad de gramos por centímetro cúbico (¡intenta imaginar lo bien que se puede broncear bajo una luz que ha adquirido la densidad del aluminio!), todo lo que hace un momento era una carga. cierta apariencia de equilibrio. En una bola de fuego muy joven, la temperatura alcanza decenas de millones de grados.
bola de fuego
Parecería que incluso la radiación suave que se mueve a la velocidad de la luz debería dejar muy atrás la materia que la generó, pero no es así: en el aire frío, el rango de cuantos de energía Kev es de centímetros y no se mueven en un línea recta, pero cambiando la dirección del movimiento, reemitiendo con cada interacción. Los cuantos ionizan el aire y se esparcen por él, como jugo de cereza vertido en un vaso de agua. Este fenómeno se llama difusión radiativa.
Una joven bola de fuego generada por una explosión de 100 kt unas pocas decenas de nanosegundos después del final de la fisión tiene un radio de 3 my una temperatura de casi 8 millones de Kelvin. Pero después de 30 microsegundos su radio es de 18 m, aunque la temperatura desciende por debajo del millón de grados. La bola devora el espacio y el aire ionizado detrás de su frente apenas se mueve: la radiación no puede transferirle un impulso significativo durante la difusión. Pero bombea una enorme energía a este aire, calentándolo, y cuando se acaba la energía de radiación, la bola comienza a crecer debido a la expansión del plasma caliente, explotando desde el interior lo que solía ser una carga. Al expandirse, como una burbuja inflada, la capa de plasma se vuelve más delgada. A diferencia de una burbuja, por supuesto, nada la infla: con adentro Casi no queda materia, toda ella vuela desde el centro por inercia, pero 30 microsegundos después de la explosión, la velocidad de este vuelo es de más de 100 km/s, ¡y la presión hidrodinámica en la materia es de más de 150.000 atm! La cáscara no está destinada a adelgazarse demasiado; estalla, formando “ampollas”.
En un tubo de neutrones de vacío, se aplica un voltaje de pulso de cien kilovoltios entre un objetivo saturado de tritio (cátodo) 1 y el conjunto de ánodo 2. Cuando el voltaje es máximo, es necesario que haya iones de deuterio entre el ánodo y el cátodo, los cuales deben acelerarse. Para ello se utiliza una fuente de iones. Se aplica un pulso de encendido a su ánodo 3 y la descarga, que pasa a lo largo de la superficie de la cerámica 4 saturada de deuterio, forma iones de deuterio. Después de acelerar, bombardean un objetivo saturado con tritio, como resultado de lo cual se libera una energía de 17,6 MeV y se forman neutrones y núcleos de helio-4. En términos de composición de partículas e incluso producción de energía, esta reacción es idéntica a la fusión, el proceso de fusión de núcleos ligeros. En la década de 1950, muchos lo creían, pero luego resultó que se produce una "rotura" en el tubo: o un protón o un neutrón (que forma el ion deuterio, acelerado por un campo eléctrico) "queda atrapado" en el objetivo. núcleo (tritio). Si un protón se atasca, el neutrón se desprende y queda libre.
¿Cuál de los mecanismos para transmitir la energía de una bola de fuego? ambiente prevalece, depende de la potencia de la explosión: si es grande, el papel principal lo juega la difusión de la radiación; si es pequeña, la expansión de la burbuja de plasma juega un papel importante; Está claro que también es posible un caso intermedio, cuando ambos mecanismos sean eficaces.
El proceso captura nuevas capas de aire; ya no hay suficiente energía para arrancar todos los electrones de los átomos. La energía de la capa ionizada y los fragmentos de la burbuja de plasma se agotan; ya no pueden mover la enorme masa que tienen delante y se ralentizan notablemente. Pero lo que era aire antes de la explosión se mueve, separándose de la bola, absorbiendo cada vez más capas de aire frío... Comienza la formación de una onda de choque.
Onda de choque y hongo atómico.
Cuando la onda de choque se separa de la bola de fuego, las características de la capa emisora cambian y la potencia de radiación en la parte óptica del espectro aumenta drásticamente (el llamado primer máximo). A continuación, compiten los procesos de iluminación y los cambios en la transparencia del aire circundante, lo que conduce a la realización de un segundo máximo, menos potente, pero mucho más largo, hasta el punto de que la producción de energía luminosa es mayor que en el primer máximo. .
Cerca de la explosión, todo lo que la rodea se evapora, más lejos se derrite, pero aún más lejos, donde el flujo de calor ya no es suficiente para derretirse. sólidos, el suelo, las rocas, las casas fluyen como líquido bajo la monstruosa presión del gas, destruyendo todas las conexiones fuertes, calentándose hasta alcanzar un resplandor insoportable para los ojos.
Finalmente, la onda de choque se aleja del punto de explosión, donde una nube suelta y debilitada, pero muchas veces expandida, de vapores de lo que fue el plasma de la carga, y que estuvo cerca en su hora terrible, queda condensada, convertida en polvo diminuto y muy radiactivo a un lugar del que hay que mantenerse lo más lejos posible. La nube comienza a elevarse. Se enfría, cambia de color, “se pone” una capa blanca de humedad condensada, seguida de polvo de la superficie de la tierra, formando la “pata” de lo que comúnmente se llama un “hongo atómico”.
Iniciación de neutrones
Los lectores atentos pueden estimar la energía liberada durante una explosión con un lápiz en la mano. Cuando el tiempo que el conjunto está en estado supercrítico es del orden de microsegundos, la edad de los neutrones es del orden de picosegundos y el factor de multiplicación es inferior a 2, se libera aproximadamente un gigajulio de energía, lo que equivale a ... 250 kg de TNT. ¿Dónde están los kilos y megatones?
Neutrones: lentos y rápidos
En una sustancia no fisible, "rebotando" en los núcleos, los neutrones les transfieren parte de su energía, cuanto mayor es el núcleo, más ligero (más cercano a ellos en masa). Cuantas más colisiones participan los neutrones, más se ralentizan y finalmente alcanzan el equilibrio térmico con la materia circundante: se termalizan (esto tarda milisegundos). La velocidad del neutrón térmico es de 2200 m/s (energía 0,025 eV). Los neutrones pueden escapar del moderador y son capturados por sus núcleos, pero con moderación, su capacidad para entrar en reacciones nucleares aumenta significativamente, por lo que los neutrones que “no se pierden” compensan con creces la disminución en su número.
Así, si una bola de material fisionable está rodeada por un moderador, muchos neutrones abandonarán el moderador o serán absorbidos en él, pero también habrá algunos que volverán a la bola (“reflejarán”) y, habiendo perdido su energía, tienen muchas más probabilidades de causar eventos de fisión. Si la bola está rodeada por una capa de berilio de 25 mm de espesor, entonces se pueden ahorrar 20 kg de U235 y aun así alcanzar el estado crítico del conjunto. Pero esos ahorros se producen a costa de tiempo: cada generación subsiguiente de neutrones primero debe reducir su velocidad antes de provocar la fisión. Este retraso reduce el número de generaciones de neutrones que nacen por unidad de tiempo, lo que significa que la liberación de energía se retrasa. Cuanto menos material fisible haya en el conjunto, más moderador se necesitará para desarrollar una reacción en cadena, y la fisión se produce con neutrones de energía cada vez más baja. En el caso límite, cuando la criticidad se logra solo con neutrones térmicos, por ejemplo, en una solución de sales de uranio en un buen moderador: agua, la masa de los conjuntos es de cientos de gramos, pero la solución simplemente hierve periódicamente. Las burbujas de vapor liberadas reducen la densidad media de la sustancia fisible, la reacción en cadena se detiene y, cuando las burbujas abandonan el líquido, se repite la fisión (si obstruyes el recipiente, el vapor lo explotará, pero esto será una explosión térmica). explosión, desprovista de todos los signos típicos “nucleares”).
El hecho es que la cadena de fisión en el conjunto no comienza con un neutrón: en el microsegundo requerido, se inyectan millones en el conjunto supercrítico. En las primeras cargas nucleares se utilizaron para ello fuentes de isótopos ubicadas en una cavidad dentro del conjunto de plutonio: el polonio-210, en el momento de la compresión, se combinaba con el berilio y provocaba la emisión de neutrones con sus partículas alfa. Pero todas las fuentes isotópicas son bastante débiles (el primer producto estadounidense generó menos de un millón de neutrones por microsegundo) y el polonio es muy perecedero: reduce su actividad a la mitad en sólo 138 días. Por tanto, los isótopos han sido sustituidos por otros menos peligrosos (que no emiten cuando no están encendidos) y, lo más importante, por tubos de neutrones que emiten con mayor intensidad (ver recuadro): en unos pocos microsegundos (la duración del pulso formado por el tubo ) nacen cientos de millones de neutrones. Pero si no funciona o funciona en el momento equivocado, se producirá lo que se conoce como explosión o “nada”, una explosión térmica de baja potencia.
La iniciación de neutrones no sólo aumenta la liberación de energía de una explosión nuclear en muchos órdenes de magnitud, sino que también permite regularla. Está claro que, habiendo recibido una misión de combate, al configurar cuál se debe indicar el poder ataque nuclear, nadie desmonta la carga para equiparla con un conjunto de plutonio óptimo para una potencia determinada. En municiones con un equivalente de TNT conmutable, basta con cambiar la tensión de alimentación del tubo de neutrones. En consecuencia, la producción de neutrones y la liberación de energía cambiarán (por supuesto, cuando se reduce la potencia de esta manera, se desperdicia una gran cantidad de plutonio costoso).
Pero empezaron a pensar en la necesidad de regular la liberación de energía mucho más tarde, y al principio años de posguerra No se podía hablar de reducción de potencia. ¡Más poderoso, más poderoso y más poderoso! Pero resultó que existen restricciones físicas e hidrodinámicas nucleares sobre las dimensiones permitidas de la esfera subcrítica. El equivalente de TNT a una explosión de cien kilotones está cerca del límite físico para las municiones monofásicas, en las que sólo se produce fisión. Como resultado, se abandonó la fisión como principal fuente de energía y la atención se centró en reacciones de otra clase: la fusión.
Para comprender el principio de funcionamiento y el diseño de un reactor nuclear, es necesario hacer una breve excursión al pasado. Un reactor nuclear es un sueño centenario, aunque no plenamente realizado, de la humanidad sobre una fuente inagotable de energía. Su antiguo "progenitor" es un fuego hecho de ramas secas, que una vez iluminó y calentó las bóvedas de la cueva donde nuestros ancestros lejanos encontraron la salvación del frío. Más tarde, la gente dominó los hidrocarburos: carbón, esquisto, petróleo y gas natural.
Comenzó una era turbulenta pero de corta duración del vapor, que fue reemplazada por una era de la electricidad aún más fantástica. Las ciudades se llenaron de luz y los talleres se llenaron del zumbido de máquinas hasta entonces invisibles impulsadas por motores eléctricos. Entonces pareció que el progreso había llegado a su apogeo.
Todo cambió a finales del siglo XIX, cuando el químico francés Antoine Henri Becquerel descubrió accidentalmente que las sales de uranio eran radiactivas. Dos años más tarde, sus compatriotas Pierre Curie y su esposa Maria Sklodowska-Curie obtuvieron de ellos radio y polonio, y su nivel de radiactividad era millones de veces mayor que el del torio y el uranio.
El testigo lo recogió Ernest Rutherford, quien estudió en detalle la naturaleza de los rayos radiactivos. Así comenzó la era del átomo, de la que nació su amado hijo: el reactor atómico.
Primer reactor nuclear
“Primogénito” proviene de Estados Unidos. En diciembre de 1942 se produjo la primera corriente en el reactor, que lleva el nombre de su creador, uno de los más grandes físicos del siglo, E. Fermi. Tres años más tarde, la instalación nuclear ZEEP nació en Canadá. El "bronce" fue para el primer reactor soviético F-1, inaugurado a finales de 1946. I.V. Kurchatov se convirtió en el jefe del proyecto nuclear nacional. Hoy en día, más de 400 unidades de energía nuclear funcionan con éxito en el mundo.
Tipos de reactores nucleares
Su objetivo principal es apoyar una reacción nuclear controlada que produzca electricidad. Algunos reactores producen isótopos. En definitiva, son dispositivos en cuyas profundidades unas sustancias se convierten en otras con liberación de una gran cantidad de energía térmica. Se trata de una especie de “horno” donde, en lugar de combustibles tradicionales, se queman isótopos de uranio (U-235, U-238 y plutonio (Pu).
A diferencia de, por ejemplo, un coche diseñado para varios tipos de gasolina, cada tipo de combustible radiactivo tiene su propio tipo de reactor. Hay dos de ellos: neutrones lentos (con U-235) y rápidos (con U-238 y Pu). La mayoría de las centrales nucleares tienen reactores de neutrones lentos. Además de las centrales nucleares, las instalaciones "funcionan" en centros de investigación, en submarinos nucleares, etc.
Cómo funciona el reactor
Todos los reactores tienen aproximadamente el mismo circuito. Su “corazón” es la zona activa. Se puede comparar aproximadamente con la cámara de combustión de una estufa convencional. Sólo que en lugar de leña hay combustible nuclear en forma de elementos combustibles con un moderador: barras de combustible. La zona activa está ubicada dentro de una especie de cápsula: un reflector de neutrones. Las barras de combustible son "lavadas" por el refrigerante: agua. Porque en el “corazón” hay muy nivel alto radioactividad, está rodeado de una protección radiológica fiable.
Los operadores controlan el funcionamiento de la planta mediante dos sistemas críticos: control de reacción en cadena y un sistema de control remoto. Si ocurre una emergencia, la protección de emergencia se activa inmediatamente.
¿Cómo funciona un reactor?
La “llama” atómica es invisible, ya que los procesos ocurren al nivel de la fisión nuclear. Durante una reacción en cadena, los núcleos pesados se desintegran en fragmentos más pequeños que, al estar en un estado excitado, se convierten en fuentes de neutrones y otras partículas subatómicas. Pero el proceso no termina ahí. Los neutrones continúan "dividiéndose", como resultado de lo cual se liberan grandes cantidades de energía, es decir, lo que sucede por qué se construyen las centrales nucleares.
La tarea principal del personal es mantener la reacción en cadena con la ayuda de barras de control en un nivel constante y ajustable. Esta es su principal diferencia con bomba atómica, donde el proceso de desintegración nuclear es incontrolable y avanza rápidamente, en forma de una poderosa explosión.
¿Qué pasó en la central nuclear de Chernóbil?
Una de las principales razones del desastre de la central nuclear de Chernobyl en abril de 1986 fue una grave violación de las normas de seguridad operativa durante el mantenimiento rutinario de la cuarta unidad de energía. Luego se retiraron simultáneamente del núcleo 203 barras de grafito en lugar de las 15 permitidas por la normativa. Como resultado, la incontrolable reacción en cadena que comenzó terminó en una explosión térmica y la destrucción total de la unidad de potencia.
Reactores de nueva generación
Durante la última década, Rusia se ha convertido en uno de los líderes en energía nuclear mundial. Actualmente, la corporación estatal Rosatom construye centrales nucleares en 12 países, donde se construyen 34 unidades de energía. Una demanda tan elevada es una prueba del alto nivel de la tecnología nuclear rusa moderna. Los siguientes en la lista son los nuevos reactores de cuarta generación.
"Brest"
Uno de ellos es Brest, que se está desarrollando en el marco del proyecto Breakthrough. Ahora sistemas operativos Los sistemas de ciclo abierto funcionan con uranio poco enriquecido, lo que deja una gran cantidad de combustible gastado que debe eliminarse, lo que requiere enormes costos. "Brest": un reactor de neutrones rápidos es único en su ciclo cerrado.
En él, el combustible gastado, después de un procesamiento adecuado en un reactor de neutrones rápidos, vuelve a convertirse en combustible completo, que puede cargarse nuevamente en la misma instalación.
Brest se distingue por un alto nivel de seguridad. Nunca “explotará” ni siquiera en el accidente más grave, es muy económico y respetuoso con el medio ambiente, ya que reutiliza su uranio “renovado”. Tampoco puede utilizarse para producir plutonio apto para armas, lo que abre las perspectivas más amplias para su exportación.
VVER-1200
VVER-1200 es un reactor innovador de generación 3+ con una capacidad de 1150 MW. Gracias a sus capacidades técnicas únicas, tiene una seguridad operativa casi absoluta. El reactor está abundantemente equipado con sistemas de seguridad pasiva que funcionarán automáticamente incluso en ausencia de suministro de energía.
Uno de ellos es un sistema pasivo de eliminación de calor, que se activa automáticamente cuando el reactor está completamente desenergizado. En este caso, se proporcionan tanques hidráulicos de emergencia. Si hay una caída anormal de presión en el circuito primario, comienza a suministrarse al reactor una gran cantidad de agua que contiene boro, que apaga la reacción nuclear y absorbe neutrones.
En la parte inferior de la capa protectora se encuentra otro know-how: la “trampa” de fusión. Si, como resultado de un accidente, el núcleo tiene una “fuga”, la “trampa” no permitirá que la capa de contención colapse y evitará que los productos radiactivos penetren en el suelo.
Pero esto es algo que muchas veces no sabemos. ¿Y por qué también explota una bomba nuclear?
Empecemos desde lejos. Cada átomo tiene un núcleo, y el núcleo está formado por protones y neutrones; quizás todo el mundo lo sepa. De la misma forma, todos vieron la tabla periódica. Pero ¿por qué los elementos químicos que contiene están colocados de esta manera y no de otra manera? Ciertamente no porque Mendeleev así lo quisiera. El número atómico de cada elemento en la tabla indica cuántos protones hay en el núcleo del átomo de ese elemento. En otras palabras, el hierro ocupa el puesto 26 en la tabla porque hay 26 protones en un átomo de hierro. Y si no son 26, ya no es hierro.
Pero puede haber diferente número de neutrones en los núcleos de un mismo elemento, lo que significa que la masa de los núcleos puede ser diferente. Los átomos de un mismo elemento con diferentes masas se llaman isótopos. El uranio tiene varios isótopos de este tipo: el más común en la naturaleza es el uranio-238 (su núcleo tiene 92 protones y 146 neutrones, para un total de 238). Es radiactivo, pero no se puede fabricar una bomba nuclear con él. Pero el isótopo uranio-235, del cual se encuentra una pequeña cantidad en minerales de uranio, adecuado para una carga nuclear.
Es posible que el lector se haya topado con las expresiones “uranio enriquecido” y “uranio empobrecido”. El uranio enriquecido contiene más uranio-235 que el uranio natural; en un estado agotado, en consecuencia, menos. El uranio enriquecido puede utilizarse para producir plutonio, otro elemento apto para una bomba nuclear (casi nunca se encuentra en la naturaleza). Cómo se enriquece el uranio y cómo se obtiene el plutonio es un tema para una discusión aparte.
Entonces, ¿por qué explota una bomba nuclear? El hecho es que algunos núcleos pesados tienden a desintegrarse si son impactados por un neutrón. Y no tendrás que esperar mucho para tener un neutrón libre: hay muchos volando por ahí. Entonces, tal neutrón golpea el núcleo de uranio-235 y lo rompe en "fragmentos". Esto libera algunos neutrones más. ¿Puedes adivinar qué pasará si hay núcleos del mismo elemento alrededor? Así es, se producirá una reacción en cadena. Así es como sucede.
En un reactor nuclear, donde el uranio-235 se "disuelve" en el uranio-238, más estable, no se produce una explosión en condiciones normales. La mayoría de los neutrones que salen de los núcleos en descomposición se van a la leche sin encontrar los núcleos de uranio-235. En el reactor, la desintegración de los núcleos se produce "lentamente" (pero esto es suficiente para que el reactor proporcione energía). En una sola pieza de uranio-235, si tiene suficiente masa, los neutrones estarán garantizados para romper los núcleos, la reacción en cadena comenzará como una avalancha, y... ¡Para! Después de todo, si se fabrica un trozo de uranio-235 o plutonio con la masa necesaria para una explosión, explotará inmediatamente. Este no es el punto.
¿Qué pasa si tomas dos trozos de masa subcrítica y los empujas uno contra el otro usando un mecanismo controlado remotamente? Por ejemplo, coloque ambos en un tubo y coloque una carga de pólvora en uno para que en el momento adecuado una pieza, como un proyectil, se dispare contra la otra. Aquí está la solución al problema.
Puedes hacerlo de otra manera: toma un trozo esférico de plutonio y coloca cargas explosivas en toda su superficie. Cuando estas cargas detonan por orden desde el exterior, su explosión comprimirá el plutonio por todos lados, lo comprimirá a una densidad crítica y se producirá una reacción en cadena. Sin embargo, aquí la precisión y la fiabilidad son importantes: todas las cargas explosivas deben explotar al mismo tiempo. Si algunos de ellos funcionan y otros no, o algunos funcionan tarde, no se producirá ninguna explosión nuclear: el plutonio no se comprimirá hasta una masa crítica, sino que se disipará en el aire. En lugar de una bomba nuclear, obtendrás una llamada "sucia".
Así es como se ve una bomba nuclear de tipo implosión. Las cargas, que deberían crear una explosión dirigida, están fabricadas en forma de poliedros para cubrir lo más densamente posible la superficie de la esfera de plutonio.
El primer tipo de dispositivo se llamaba dispositivo de cañón, el segundo tipo, dispositivo de implosión.
La bomba "Little Boy" lanzada sobre Hiroshima tenía una carga de uranio-235 y un dispositivo tipo cañón. La bomba Fat Man, detonada sobre Nagasaki, llevaba una carga de plutonio y el artefacto explosivo implosionó. Hoy en día, casi nunca se utilizan dispositivos tipo pistola; los de implosión son más complicados, pero al mismo tiempo permiten regular la masa de la carga nuclear y gastarla de forma más racional. Y el plutonio ha reemplazado al uranio-235 como explosivo nuclear.
Pasaron bastantes años y los físicos ofrecieron a los militares aún más poderosa bomba– termonuclear o, como también se le llama, hidrógeno. ¿Resulta que el hidrógeno explota con más fuerza que el plutonio?
El hidrógeno es ciertamente explosivo, pero no tanto. Sin embargo, en una bomba de hidrógeno no hay hidrógeno "ordinario"; utiliza sus isótopos: deuterio y tritio. El núcleo del hidrógeno "ordinario" tiene un neutrón, el deuterio tiene dos y el tritio tiene tres.
En una bomba nuclear, los núcleos de un elemento pesado se dividen en núcleos de otros más ligeros. En la fusión termonuclear se produce el proceso inverso: los núcleos ligeros se fusionan entre sí para formar otros más pesados. Los núcleos de deuterio y tritio, por ejemplo, se combinan para formar núcleos de helio (también conocidos como partículas alfa), y el neutrón “extra” se envía en “vuelo libre”. Esto libera mucha más energía que durante la desintegración de los núcleos de plutonio. Por cierto, este es exactamente el proceso que tiene lugar en el Sol.
Sin embargo, la reacción de fusión sólo es posible a temperaturas ultraaltas (por eso se llama termonuclear). ¿Cómo hacer reaccionar el deuterio y el tritio? Sí, es muy sencillo: ¡necesitas utilizar una bomba nuclear como detonador!
Dado que el deuterio y el tritio son estables en sí mismos, su carga en una bomba termonuclear puede ser arbitrariamente enorme. Esto significa que una bomba termonuclear puede ser incomparablemente más poderosa que una “simple” nuclear. El "Baby" lanzado sobre Hiroshima tenía un equivalente de TNT de unos 18 kilotones, y el más potente bomba H(la llamada “Bomba Zar”, también conocida como “Madre de Kuzka”) – ¡ya tiene 58,6 megatones, más de 3255 veces más poderosa que la “Bebé”!
La nube en forma de hongo de la Bomba Zar se elevó a una altura de 67 kilómetros y la onda expansiva dio la vuelta al mundo tres veces.
Sin embargo, un poder tan gigantesco es claramente excesivo. Habiendo "jugado lo suficiente" con bombas de megatones, los ingenieros y físicos militares tomaron un camino diferente: el camino de la miniaturización de las armas nucleares. En su forma convencional, las armas nucleares pueden lanzarse desde bombarderos estratégicos, como bombas aéreas, o lanzarse desde misiles balísticos; si los miniaturizas, obtienes una carga nuclear compacta que no destruye todo en kilómetros a la redonda y que puede colocarse en un proyectil de artillería o en un misil aire-tierra. La movilidad aumentará y se ampliará el abanico de tareas a resolver. Además de las armas nucleares estratégicas, recibiremos armas tácticas.
Se han desarrollado una variedad de vehículos vectores para armas nucleares tácticas: cañones nucleares, morteros, rifles sin retroceso (por ejemplo, el estadounidense Davy Crockett). La URSS incluso tenía un proyecto de bala nuclear. Es cierto que hubo que abandonarlo: las balas nucleares eran tan poco fiables, tan complicadas y caras de fabricar y almacenar, que no tenían sentido.
"Davy Crockett." Varias de estas armas nucleares estaban en servicio en las Fuerzas Armadas de Estados Unidos, y el Ministro de Defensa de Alemania Occidental intentó sin éxito armar a la Bundeswehr con ellas.
Hablando de armas nucleares pequeñas, cabe mencionar otro tipo de arma nuclear: la bomba de neutrones. La carga de plutonio que contiene es pequeña, pero esto no es necesario. Si una bomba termonuclear sigue el camino de aumentar la fuerza de la explosión, entonces una bomba de neutrones depende de otro factor dañino: la radiación. Para mejorar la radiación, una bomba de neutrones contiene un suministro de isótopo de berilio, que al explotar produce una gran cantidad de neutrones rápidos.
Según sus creadores, una bomba de neutrones debería matar al personal enemigo, pero dejar intactos los equipos, que luego pueden ser capturados durante una ofensiva. En la práctica, resultó algo diferente: el equipo irradiado queda inutilizable; cualquiera que se atreva a pilotarlo muy pronto "ganará" la enfermedad por radiación. Esto no cambia el hecho de que la explosión de una bomba de neutrones es capaz de impactar a un enemigo a través del blindaje de un tanque; La munición de neutrones fue desarrollada por Estados Unidos específicamente como arma contra formaciones de tanques soviéticos. Sin embargo, pronto se desarrolló un blindaje para tanques que proporcionaba algún tipo de protección contra el flujo de neutrones rápidos.
Otro tipo de arma nuclear se inventó en 1950, pero nunca (hasta donde se sabe) se produjo. Esta es la llamada bomba de cobalto, una carga nuclear con una capa de cobalto. Durante la explosión, el cobalto, irradiado por una corriente de neutrones, se convierte en un isótopo extremadamente radiactivo y se esparce por toda la zona, contaminándola. Una sola bomba de ese tipo, de potencia suficiente, podría cubrir todo el planeta con cobalto y destruir a toda la humanidad. Afortunadamente, este proyecto siguió siendo un proyecto.
¿Qué podemos decir en conclusión? Una bomba nuclear es un arma verdaderamente terrible y, al mismo tiempo (¡qué paradoja!), ayudó a mantener una paz relativa entre las superpotencias. Si tu enemigo tiene armas nucleares, lo pensarás diez veces antes de atacarlo. Ningún país con arsenal nuclear ha sido nunca atacado desde el exterior y no ha habido guerras entre los principales estados del mundo desde 1945. Esperemos que no haya ninguno.
El mundo del átomo es tan fantástico que comprenderlo requiere una ruptura radical con los conceptos habituales de espacio y tiempo. Los átomos son tan pequeños que si una gota de agua pudiera ampliarse hasta el tamaño de la Tierra, cada átomo de esa gota sería más pequeño que una naranja. De hecho, una gota de agua consta de 6 billones de billones (60000000000000000000000) de átomos de hidrógeno y oxígeno. Y, sin embargo, a pesar de su tamaño microscópico, el átomo tiene una estructura algo similar a la estructura de nuestro sistema solar. En su incomprensiblemente pequeño centro, cuyo radio es inferior a una billonésima de centímetro, se encuentra un "sol" relativamente enorme: el núcleo de un átomo.
Pequeños “planetas” (electrones) giran alrededor de este “sol” atómico. El núcleo consta de dos componentes básicos del Universo: protones y neutrones (tienen un nombre unificador: nucleones). Un electrón y un protón son partículas cargadas y la cantidad de carga en cada una de ellas es exactamente la misma, pero las cargas difieren en signo: el protón siempre tiene carga positiva y el electrón, negativa. El neutrón no lleva carga eléctrica y, como resultado, tiene una permeabilidad muy alta.
En la escala atómica de mediciones, la masa de un protón y un neutrón se toma como unidad. Por tanto, el peso atómico de cualquier elemento químico depende del número de protones y neutrones contenidos en su núcleo. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno, con un núcleo formado por un solo protón, tiene una masa atómica de 1. Un átomo de helio, con un núcleo de dos protones y dos neutrones, tiene una masa atómica de 4.
Los núcleos de átomos de un mismo elemento contienen siempre el mismo número de protones, pero el número de neutrones puede variar. Los átomos que tienen núcleos con el mismo número de protones, pero difieren en el número de neutrones y son variedades del mismo elemento se llaman isótopos. Para distinguirlos entre sí, se asigna un número al símbolo del elemento, igual a la suma todas las partículas del núcleo de un isótopo determinado.
Puede surgir la pregunta: ¿por qué el núcleo de un átomo no se desintegra? Después de todo, los protones que contiene son partículas cargadas eléctricamente con la misma carga, que deben repelerse entre sí con gran fuerza. Esto se explica por el hecho de que dentro del núcleo también existen las llamadas fuerzas intranucleares que atraen las partículas nucleares entre sí. Estas fuerzas compensan las fuerzas repulsivas de los protones e impiden que el núcleo se separe espontáneamente.
Las fuerzas intranucleares son muy fuertes, pero actúan sólo a distancias muy cercanas. Por tanto, los núcleos de elementos pesados, formados por cientos de nucleones, resultan inestables. Las partículas del núcleo aquí están en movimiento continuo (dentro del volumen del núcleo), y si les agregamos una cantidad adicional de energía, pueden superar fuerzas internas- el núcleo se dividirá en partes. La cantidad de este exceso de energía se llama energía de excitación. Entre los isótopos de elementos pesados, hay aquellos que parecen estar al borde de la autodesintegración. Basta con un pequeño “empujón”, por ejemplo, un simple impacto de un neutrón en el núcleo (y ni siquiera tiene que acelerarse a gran velocidad) para que se produzca la reacción de fisión nuclear. Más tarde se supo que algunos de estos isótopos “fisibles” se producían artificialmente. En la naturaleza, sólo existe un isótopo de este tipo: el uranio-235.
Urano fue descubierto en 1783 por Klaproth, quien lo aisló del alquitrán de uranio y le puso el nombre del planeta Urano recientemente descubierto. Como resultó más tarde, en realidad no se trataba de uranio en sí, sino de su óxido. Se obtuvo uranio puro, un metal de color blanco plateado.
sólo en 1842 Peligo. El nuevo elemento no tenía propiedades destacables y no llamó la atención hasta 1896, cuando Becquerel descubrió el fenómeno de la radiactividad en las sales de uranio. Después de esto, el uranio se convirtió en un objeto. investigación científica y experimentos, pero aplicación práctica todavía no lo tenía.
Cuando, en el primer tercio del siglo XX, los físicos comprendieron más o menos la estructura del núcleo atómico, lo primero que intentaron fue hacer realidad el viejo sueño de los alquimistas: intentar transformar un elemento químico en otro. En 1934, los investigadores franceses, los cónyuges Frederic e Irene Joliot-Curie, informaron a la Academia de Ciencias de Francia sobre la siguiente experiencia: al bombardear placas de aluminio con partículas alfa (núcleos de un átomo de helio), los átomos de aluminio se convirtieron en átomos de fósforo, pero no los ordinarios, sino los radiactivos, que a su vez se convirtieron en un isótopo estable de silicio. Así, un átomo de aluminio, tras añadir un protón y dos neutrones, se convirtió en un átomo de silicio más pesado.
Esta experiencia sugirió que si se "bombardean" los núcleos del elemento más pesado existente en la naturaleza, el uranio, con neutrones, se puede obtener un elemento que no existe en condiciones naturales. En 1938, los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann repitieron bosquejo general la experiencia de los cónyuges Joliot-Curie, tomando uranio en lugar de aluminio. Los resultados del experimento no fueron en absoluto los que esperaban: en lugar de un nuevo elemento superpesado con un número másico mayor que el del uranio, Hahn y Strassmann recibieron elementos ligeros de la parte media de la tabla periódica: bario, criptón, bromo y algunos otros. Los propios experimentadores no pudieron explicar el fenómeno observado. Recién al año siguiente, la física Lise Meitner, a quien Hahn informó de sus dificultades, encontró la explicación correcta para el fenómeno observado, sugiriendo que cuando el uranio es bombardeado con neutrones, su núcleo se divide (fisiones). En este caso, se deberían haber formado núcleos de elementos más ligeros (de ahí provienen el bario, el criptón y otras sustancias), y también se deberían haber liberado 2-3 neutrones libres. Investigaciones adicionales permitieron aclarar en detalle el panorama de lo que estaba sucediendo.
El uranio natural consiste en una mezcla de tres isótopos con masas 238, 234 y 235. La principal cantidad de uranio es el isótopo 238, cuyo núcleo incluye 92 protones y 146 neutrones. El uranio-235 es sólo 1/140 del uranio natural (0,7% (tiene 92 protones y 143 neutrones en su núcleo), y el uranio-234 (92 protones, 142 neutrones) es sólo 1/17500 de la masa total de uranio ( 0, 006% El menos estable de estos isótopos es el uranio-235.
De vez en cuando, los núcleos de sus átomos se dividen espontáneamente en partes, como resultado de lo cual se forman elementos más ligeros de la tabla periódica. El proceso va acompañado de la liberación de dos o tres neutrones libres, que corren a una velocidad enorme, unos 10 mil km/s (se les llama neutrones rápidos). Estos neutrones pueden chocar contra otros núcleos de uranio y provocar reacciones nucleares. Cada isótopo se comporta de manera diferente en este caso. En la mayoría de los casos, los núcleos de uranio-238 simplemente capturan estos neutrones sin más transformaciones. Pero en aproximadamente uno de cada cinco casos, cuando un neutrón rápido choca con el núcleo del isótopo-238, se produce una curiosa reacción nuclear: uno de los neutrones del uranio-238 emite un electrón, convirtiéndose en un protón, es decir, el El isótopo de uranio se convierte en un
elemento pesado: neptunio-239 (93 protones + 146 neutrones). Pero el neptunio es inestable: después de unos minutos, uno de sus neutrones emite un electrón y se convierte en un protón, después de lo cual el isótopo de neptunio se convierte en el siguiente elemento de la tabla periódica: el plutonio-239 (94 protones + 145 neutrones). Si un neutrón golpea el núcleo del inestable uranio-235, se produce inmediatamente la fisión: los átomos se desintegran con la emisión de dos o tres neutrones. Está claro que en el uranio natural, la mayoría de cuyos átomos pertenecen al isótopo 238, esta reacción no tiene consecuencias visibles: todos los neutrones libres eventualmente serán absorbidos por este isótopo.
Bueno, ¿qué pasaría si imaginamos un trozo de uranio bastante masivo compuesto enteramente por el isótopo 235?
Aquí el proceso será diferente: los neutrones liberados durante la fisión de varios núcleos, a su vez, al golpear los núcleos vecinos, provocan su fisión. Como resultado, se libera una nueva porción de neutrones, que divide los núcleos siguientes. En condiciones favorables, esta reacción se produce como una avalancha y se denomina reacción en cadena. Para empezar, unas pocas partículas de bombardeo pueden ser suficientes.
De hecho, dejemos que el uranio-235 sea bombardeado con sólo 100 neutrones. Separarán 100 núcleos de uranio. En este caso se liberarán 250 nuevos neutrones de segunda generación (una media de 2,5 por fisión). Los neutrones de segunda generación producirán 250 fisiones, que liberarán 625 neutrones. En la próxima generación será 1562, luego 3906, luego 9670, etc. El número de divisiones aumentará indefinidamente si no se detiene el proceso.
Sin embargo, en realidad sólo una pequeña fracción de neutrones llega al núcleo de los átomos. El resto, corriendo rápidamente entre ellos, es arrastrado al espacio circundante. Una reacción en cadena autosostenida sólo puede ocurrir en una cantidad suficientemente grande de uranio-235, que se dice que tiene una masa crítica. (Esta masa en condiciones normales es de 50 kg.) Es importante señalar que la fisión de cada núcleo va acompañada de la liberación de una enorme cantidad de energía, que resulta ser aproximadamente 300 millones de veces más que la energía gastada en la fisión. ! (Se estima que la fisión completa de 1 kg de uranio-235 libera la misma cantidad de calor que la combustión de 3.000 toneladas de carbón).
Esta colosal explosión de energía, liberada en cuestión de momentos, se manifiesta como una explosión de fuerza monstruosa y subyace a la acción de las armas nucleares. Pero para que esta arma se convierta en realidad, es necesario que la carga no consista en uranio natural, sino en un isótopo raro: el 235 (este uranio se llama enriquecido). Más tarde se descubrió que el plutonio puro también es un material fisible y podría usarse en una carga atómica en lugar del uranio-235.
Todos estos importantes descubrimientos se realizaron en vísperas de la Segunda Guerra Mundial. Pronto, en Alemania y otros países comenzaron los trabajos secretos para crear una bomba atómica. En Estados Unidos, este problema se abordó en 1941. Todo el complejo de obras recibió el nombre de “Proyecto Manhattan”.
La gestión administrativa del proyecto estuvo a cargo del General Groves y la gestión científica estuvo a cargo del profesor Robert Oppenheimer de la Universidad de California. Ambos eran muy conscientes de la enorme complejidad de la tarea que tenían por delante. Por lo tanto, la primera preocupación de Oppenheimer fue reclutar un equipo científico altamente inteligente. En Estados Unidos en aquella época había muchos físicos que emigraron de la Alemania nazi. No fue fácil atraerlos para que crearan armas dirigidas contra su antigua patria. Oppenheimer habló personalmente con todos, utilizando todo el poder de su encanto. Pronto logró reunir a un pequeño grupo de teóricos, a quienes en broma llamó "luminarias". Y, de hecho, incluía a los más grandes especialistas de la época en el campo de la física y la química. (Entre ellos se encuentran 13 premios Nobel, entre ellos Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) Además de ellos, había muchos otros especialistas de diversos perfiles.
El gobierno de Estados Unidos no escatimó en gastos y el trabajo adquirió gran escala desde el principio. En 1942 se fundó en Los Álamos el laboratorio de investigación más grande del mundo. La población de esta ciudad científica pronto llegó a 9 mil personas. En términos de la composición de los científicos, el alcance de los experimentos científicos y el número de especialistas y trabajadores involucrados en el trabajo, el Laboratorio de Los Álamos no tuvo igual en la historia mundial. El Proyecto Manhattan tenía su propia policía, contrainteligencia, sistema de comunicaciones, almacenes, aldeas, fábricas, laboratorios y su propio presupuesto colosal.
El objetivo principal del proyecto era obtener suficiente material fisionable para poder crear varias bombas atómicas. Además del uranio-235, la carga de la bomba, como ya se mencionó, podría ser el elemento artificial plutonio-239, es decir, la bomba podría ser uranio o plutonio.
Groves y Oppenheimer coincidieron en que era necesario trabajar simultáneamente en dos direcciones, ya que era imposible decidir de antemano cuál de ellas sería más prometedora. Ambos métodos eran fundamentalmente diferentes entre sí: la acumulación de uranio-235 debía llevarse a cabo separándolo de la mayor parte del uranio natural, y el plutonio solo podía obtenerse como resultado de una reacción nuclear controlada cuando se irradiaba uranio-238. con neutrones. Ambos caminos parecían inusualmente difíciles y no prometían soluciones fáciles.
De hecho, ¿cómo se pueden separar dos isótopos que difieren sólo ligeramente en peso y comportarse químicamente exactamente de la misma manera? Ni la ciencia ni la tecnología se han enfrentado jamás a un problema semejante. La producción de plutonio también parecía al principio muy problemática. Antes de esto, toda la experiencia de las transformaciones nucleares se reducía a unos pocos experimentos de laboratorio. Ahora era necesario dominar la producción de kilogramos de plutonio a escala industrial, desarrollar y crear una instalación especial para ello: un reactor nuclear, y aprender a controlar el curso de la reacción nuclear.
Tanto allí como aquí hubo que resolver toda una serie de problemas complejos. Por tanto, el Proyecto Manhattan constaba de varios subproyectos, encabezados por destacados científicos. El propio Oppenheimer era el jefe del Laboratorio Científico de Los Alamos. Lawrence estaba a cargo del Laboratorio de Radiación de la Universidad de California. Fermi realizó una investigación en la Universidad de Chicago para crear un reactor nuclear.
Al principio, el problema más importante fue la obtención de uranio. Antes de la guerra, este metal prácticamente no tenía uso. Ahora que se necesitaba inmediatamente en grandes cantidades, resultó que no existía ningún método industrial para producirlo.
La empresa Westinghouse retomó su desarrollo y rápidamente logró el éxito. Después de purificar la resina de uranio (el uranio se presenta en la naturaleza en esta forma) y obtener óxido de uranio, se convirtió en tetrafluoruro (UF4), del cual se separó el uranio metálico mediante electrólisis. Si a finales de 1941 los científicos estadounidenses sólo disponían de unos pocos gramos de uranio metálico, ya en noviembre de 1942 su producción industrial en las fábricas de Westinghouse alcanzó las 6.000 libras mensuales.
Al mismo tiempo, se estaba trabajando en la creación de un reactor nuclear. En realidad, el proceso de producción de plutonio se reducía a irradiar barras de uranio con neutrones, como resultado de lo cual parte del uranio-238 se convertía en plutonio. Las fuentes de neutrones en este caso podrían ser átomos fisibles de uranio-235, dispersos en cantidades suficientes entre los átomos de uranio-238. Pero para mantener la producción constante de neutrones, tuvo que comenzar una reacción en cadena de fisión de átomos de uranio-235. Mientras tanto, como ya se mencionó, por cada átomo de uranio-235 había 140 átomos de uranio-238. Está claro que los neutrones que se dispersaban en todas direcciones tenían una probabilidad mucho mayor de encontrarse con ellos en su camino. Es decir, una gran cantidad de neutrones liberados fueron absorbidos por el isótopo principal sin ningún beneficio. Evidentemente, en tales condiciones no podría tener lugar una reacción en cadena. ¿Cómo ser?
Al principio parecía que sin la separación de dos isótopos el funcionamiento del reactor era generalmente imposible, pero pronto se estableció una circunstancia importante: resultó que el uranio-235 y el uranio-238 eran susceptibles a neutrones de diferentes energías. El núcleo de un átomo de uranio-235 puede ser dividido por un neutrón de energía relativamente baja, que tiene una velocidad de aproximadamente 22 m/s. Estos neutrones lentos no son capturados por los núcleos de uranio-238; para ello deben tener una velocidad del orden de cientos de miles de metros por segundo. En otras palabras, el uranio-238 es incapaz de impedir el inicio y el progreso de una reacción en cadena en el uranio-235 provocada por la reducción de la velocidad de los neutrones a velocidades extremadamente bajas, no más de 22 m/s. Este fenómeno fue descubierto por el físico italiano Fermi, que vivió en Estados Unidos desde 1938 y dirigió aquí los trabajos para crear el primer reactor. Fermi decidió utilizar grafito como moderador de neutrones. Según sus cálculos, los neutrones emitidos por el uranio-235, al atravesar una capa de grafito de 40 cm, deberían haber reducido su velocidad a 22 m/s y haber iniciado una reacción en cadena autosostenida en el uranio-235.
Otro moderador podría ser el agua llamada “pesada”. Dado que los átomos de hidrógeno incluidos en él son muy similares en tamaño y masa a los neutrones, lo mejor sería frenarlos. (Con los neutrones rápidos ocurre aproximadamente lo mismo que con las bolas: si una bola pequeña golpea una grande, retrocede, casi sin perder velocidad, pero cuando se encuentra con una bola pequeña, le transfiere una parte importante de su energía. - al igual que un neutrón en una colisión elástica rebota en un núcleo pesado, desacelerando solo ligeramente, y cuando choca con los núcleos de los átomos de hidrógeno, pierde muy rápidamente toda su energía). Sin embargo, el agua ordinaria no es adecuada para desacelerar, ya que su hidrógeno tiende a absorber neutrones. Por eso conviene utilizar para este fin el deuterio, que forma parte del agua “pesada”.
A principios de 1942, bajo el liderazgo de Fermi, comenzó la construcción del primer reactor nuclear de la historia en el área de la cancha de tenis debajo de las gradas occidentales del estadio de Chicago. Los científicos realizaron todo el trabajo ellos mismos. La reacción se puede controlar de la única manera: ajustando el número de neutrones que participan en la reacción en cadena. Fermi pretendía lograrlo utilizando varillas hechas de sustancias como el boro y el cadmio, que absorben fuertemente los neutrones. El moderador fueron ladrillos de grafito, con los que los físicos construyeron columnas de 3 m de alto y 1,2 m de ancho, entre las cuales se instalaron bloques rectangulares con óxido de uranio. Toda la estructura requirió alrededor de 46 toneladas de óxido de uranio y 385 toneladas de grafito. Para ralentizar la reacción, se introdujeron en el reactor barras de cadmio y boro.
Si esto no fuera suficiente, entonces, para asegurarse, dos científicos estaban en una plataforma ubicada encima del reactor con cubos llenos de una solución de sales de cadmio; se suponía que debían verterlos en el reactor si la reacción se salía de control. Afortunadamente esto no fue necesario. El 2 de diciembre de 1942, Fermi ordenó que se extendieran todas las barras de control y comenzó el experimento. Después de cuatro minutos, los contadores de neutrones empezaron a hacer clic cada vez más fuerte. Con cada minuto la intensidad del flujo de neutrones aumentaba. Esto indicó que se estaba produciendo una reacción en cadena en el reactor. Duró 28 minutos. Entonces Fermi dio la señal y las varillas bajadas detuvieron el proceso. Así, por primera vez, el hombre liberó la energía del núcleo atómico y demostró que podía controlarlo a voluntad. Ahora ya no había ninguna duda de que las armas nucleares eran una realidad.
En 1943, el reactor Fermi fue desmantelado y transportado al Laboratorio Nacional de Aragón (a 50 km de Chicago). estuvo aquí pronto
Se construyó otro reactor nuclear en el que se utilizó agua pesada como moderador. Consistía en un tanque cilíndrico de aluminio que contenía 6,5 toneladas de agua pesada, en el que se sumergían verticalmente 120 barras de uranio metálico, encerradas en una carcasa de aluminio. Las siete barras de control estaban hechas de cadmio. Alrededor del tanque había un reflector de grafito y luego una pantalla de aleaciones de plomo y cadmio. Toda la estructura estaba encerrada en una capa de hormigón con un espesor de pared de aproximadamente 2,5 m.
Los experimentos en estos reactores piloto confirmaron la posibilidad de producción industrial de plutonio.
El principal centro del Proyecto Manhattan pronto se convirtió en la ciudad de Oak Ridge en el valle del río Tennessee, cuya población creció a 79 mil personas en pocos meses. Aquí en Corto plazo Se construyó la primera planta de producción de uranio enriquecido de la historia. En 1943 se inauguró aquí un reactor industrial que producía plutonio. En febrero de 1944 se extraían diariamente unos 300 kg de uranio, de cuya superficie se obtenía plutonio mediante separación química. (Para hacer esto, primero se disolvió el plutonio y luego se precipitó). Luego, el uranio purificado se devolvió al reactor. Ese mismo año, comenzó la construcción de la enorme planta de Hanford en el árido y desolado desierto de la orilla sur del río Columbia. Aquí se encontraban tres potentes reactores nucleares que producían varios cientos de gramos de plutonio cada día.
Paralelamente, estaban en pleno desarrollo las investigaciones para desarrollar un proceso industrial de enriquecimiento de uranio.
Habiendo considerado diferentes variantes, Groves y Oppenheimer decidieron centrar sus esfuerzos en dos métodos: la difusión gaseosa y la electromagnética.
El método de difusión de gases se basó en un principio conocido como ley de Graham (fue formulada por primera vez en 1829 por el químico escocés Thomas Graham y desarrollada en 1896 por el físico inglés Reilly). Según esta ley, si dos gases, uno de los cuales es más ligero que el otro, pasan a través de un filtro con agujeros insignificantemente pequeños, entonces pasará a través de él un poco más de gas ligero que de pesado. En noviembre de 1942, Urey y Dunning de la Universidad de Columbia crearon un método de difusión gaseosa para separar isótopos de uranio basado en el método de Reilly.
Dado que el uranio natural es sólido, luego se convirtió primero en fluoruro de uranio (UF6). Luego, este gas se hizo pasar a través de orificios microscópicos, del orden de milésimas de milímetro, en la partición del filtro.
Como la diferencia en los pesos molares de los gases era muy pequeña, detrás de la partición el contenido de uranio-235 aumentó sólo 1,0002 veces.
Para aumentar aún más la cantidad de uranio-235, la mezcla resultante se pasa nuevamente a través de una partición y la cantidad de uranio se aumenta nuevamente en 1,0002 veces. Así, para aumentar el contenido de uranio-235 al 99%, fue necesario pasar el gas a través de 4.000 filtros. Esto tuvo lugar en una enorme planta de difusión gaseosa en Oak Ridge.
En 1940, bajo el liderazgo de Ernest Lawrence, se iniciaron investigaciones sobre la separación de isótopos de uranio mediante el método electromagnético en la Universidad de California. Era necesario encontrar procesos físicos que permitieran separar los isótopos mediante la diferencia de sus masas. Lawrence intentó separar isótopos utilizando el principio de un espectrógrafo de masas, un instrumento utilizado para determinar las masas de los átomos.
El principio de su funcionamiento era el siguiente: los átomos preionizados eran acelerados por un campo eléctrico y luego pasaban a través de un campo magnético, en el que describían círculos ubicados en un plano perpendicular a la dirección del campo. Dado que los radios de estas trayectorias eran proporcionales a la masa, los iones ligeros terminaban en círculos de radios más pequeños que los pesados. Si se colocaran trampas a lo largo del camino de los átomos, de esta manera se podrían recolectar diferentes isótopos por separado.
Ese fue el método. En condiciones de laboratorio dio buenos resultados. Pero construir una instalación donde se pudiera llevar a cabo la separación de isótopos a escala industrial resultó extremadamente difícil. Sin embargo, Lawrence finalmente logró superar todas las dificultades. El resultado de sus esfuerzos fue la aparición de Calutron, que se instaló en una planta gigante en Oak Ridge.
Esta planta electromagnética fue construida en 1943 y resultó ser quizás la creación más cara del Proyecto Manhattan. El método de Lawrence requirió una gran cantidad de dispositivos complejos, aún no desarrollados, asociados con Alto voltaje, alto vacío y fuertes campos magnéticos. La magnitud de los costos resultó ser enorme. Calutron tenía un electroimán gigante, cuya longitud alcanzaba los 75 my pesaba alrededor de 4.000 toneladas.
Para los devanados de este electroimán se utilizaron varios miles de toneladas de alambre de plata.
Toda la obra (sin contar los 300 millones de dólares en plata, que el Tesoro estatal proporcionó sólo temporalmente) costó 400 millones de dólares. Sólo por la electricidad consumida por Calutron, el Ministerio de Defensa pagó 10 millones. Gran parte del equipo de la planta de Oak Ridge era superior en escala y precisión a cualquier cosa que se hubiera desarrollado jamás en este campo de la tecnología.
Pero todos estos costos no fueron en vano. Después de gastar en total unos 2 mil millones de dólares, los científicos estadounidenses crearon en 1944 una tecnología única para el enriquecimiento de uranio y la producción de plutonio. Mientras tanto, en el laboratorio de Los Álamos trabajaban en el diseño de la propia bomba. El principio de su funcionamiento estuvo claro en términos generales durante mucho tiempo: la sustancia fisible (plutonio o uranio-235) tenía que ser transferida a un estado crítico en el momento de la explosión (para que se produjera una reacción en cadena, la masa de la carga debería ser incluso notablemente mayor que el crítico) y se irradia con un haz de neutrones, lo que supone el comienzo de una reacción en cadena.
Según los cálculos, la masa crítica de la carga superó los 50 kilogramos, pero lograron reducirla significativamente. En general, el valor de la masa crítica está fuertemente influenciado por varios factores. Cuanto mayor es la superficie de la carga, más neutrones se emiten inútilmente al espacio circundante. Una esfera tiene la superficie más pequeña. En consecuencia, las cargas esféricas, en igualdad de condiciones, tienen la masa crítica más pequeña. Además, el valor de la masa crítica depende de la pureza y el tipo de materiales fisionables. Es inversamente proporcional al cuadrado de la densidad de este material, lo que permite, por ejemplo, duplicar la densidad reducir cuatro veces la masa crítica. El grado de subcriticidad requerido se puede obtener, por ejemplo, compactando el material fisionable mediante la explosión de una carga de un explosivo convencional fabricado en forma de un proyectil esférico que rodea la carga nuclear. La masa crítica también se puede reducir rodeando la carga con una pantalla que refleje bien los neutrones. Como pantalla se pueden utilizar plomo, berilio, tungsteno, uranio natural, hierro y muchos otros.
Un posible diseño de bomba atómica consiste en dos piezas de uranio que, cuando se combinan, forman una masa mayor que la crítica. Para provocar la explosión de una bomba, debes acercarlos lo más rápido posible. El segundo método se basa en el uso de una explosión convergente hacia adentro. En este caso, se dirigió una corriente de gases de un explosivo convencional al material fisible que se encontraba en su interior y lo comprimió hasta alcanzar una masa crítica. Combinar una carga e irradiarla intensamente con neutrones, como ya se mencionó, provoca una reacción en cadena, como resultado de lo cual en el primer segundo la temperatura aumenta a 1 millón de grados. Durante este tiempo, sólo alrededor del 5% de la masa crítica logró separarse. El resto de la carga en los primeros diseños de bombas se evaporó sin
cualquier beneficio.
La primera bomba atómica de la historia (recibió el nombre de Trinity) se montó en el verano de 1945. Y el 16 de junio de 1945 se produjo la primera explosión atómica en la Tierra en un polígono de pruebas nucleares en el desierto de Alamogordo (Nuevo México). La bomba fue colocada en el centro del polígono de pruebas, encima de una torre de acero de 30 metros. A su alrededor se colocaron equipos de grabación a gran distancia. Había un puesto de observación a 9 km y un puesto de mando a 16 km. La explosión atómica causó una impresión asombrosa en todos los testigos de este evento. Según las descripciones de los testigos, parecía como si muchos soles se hubieran unido en uno e iluminaran el lugar de la prueba a la vez. Entonces apareció una enorme bola de fuego sobre la llanura y una nube redonda de polvo y luz comenzó a elevarse hacia ella lenta y siniestramente.
Despegando del suelo, esta bola de fuego se elevó a una altura de más de tres kilómetros en unos pocos segundos. Con cada momento crecía en tamaño, pronto su diámetro alcanzó los 1,5 km y poco a poco se elevó hacia la estratosfera. Luego, la bola de fuego dio paso a una columna de humo que se extendía hasta una altura de 12 km y tomaba la forma de un hongo gigante. Todo esto estuvo acompañado de un terrible rugido, que hizo temblar la tierra. El poder de la explosión superó todas las expectativas.
Tan pronto como la situación de radiación lo permitió, varios tanques Sherman, revestidos con placas de plomo en el interior, se apresuraron a llegar al lugar de la explosión. En uno de ellos estaba Fermi, ansioso por ver los resultados de su trabajo. Lo que apareció ante sus ojos fue una tierra muerta y quemada, en la que todos los seres vivos habían sido destruidos en un radio de 1,5 km. La arena se había cocido hasta formar una costra vidriosa y verdosa que cubría el suelo. En un enorme cráter yacían los restos destrozados de una torre de soporte de acero. La fuerza de la explosión se estimó en 20.000 toneladas de TNT.
El siguiente paso sería el uso de combate de la bomba contra Japón, que, después de la rendición de la Alemania nazi, continuó por sí solo la guerra con Estados Unidos y sus aliados. En aquella época no había vehículos de lanzamiento, por lo que el bombardeo tuvo que realizarse desde un avión. Los componentes de las dos bombas fueron transportados con gran cuidado por el crucero Indianápolis a la isla Tinian, donde tenía su base el 509º Grupo Combinado de Fuerzas Aéreas. Estas bombas se diferenciaban ligeramente entre sí por el tipo de carga y diseño.
La primera bomba, "Baby", fue una bomba aérea de gran tamaño con una carga atómica hecha de uranio-235 altamente enriquecido. Su longitud era de unos 3 m, diámetro - 62 cm, peso - 4,1 toneladas.
La segunda bomba, "Fat Man", con una carga de plutonio-239 tenía forma de huevo y un gran estabilizador. Su longitud
Medía 3,2 m, diámetro 1,5 m y pesaba 4,5 toneladas.
El 6 de agosto, el bombardero B-29 Enola Gay del coronel Tibbets lanzó "Little Boy" sobre la importante ciudad japonesa de Hiroshima. La bomba fue lanzada en paracaídas y explotó, como estaba previsto, a una altitud de 600 m del suelo.
Las consecuencias de la explosión fueron terribles. Incluso para los propios pilotos, la vista de una ciudad pacífica destruida por ellos en un instante causó una impresión deprimente. Posteriormente, uno de ellos admitió que en ese segundo vio lo peor que una persona puede ver.
Para quienes estaban en la tierra, lo que estaba sucediendo parecía un verdadero infierno. En primer lugar, una ola de calor pasó por Hiroshima. Su efecto duró sólo unos momentos, pero fue tan poderoso que derritió incluso tejas y cristales de cuarzo en losas de granito, convirtió en carbón postes telefónicos a una distancia de 4 km y, finalmente, incineró cuerpos humanos de tal manera que de ellos solo quedaron sombras. sobre el asfalto de las aceras o sobre las paredes de las casas. Entonces una monstruosa ráfaga de viento surgió de debajo de la bola de fuego y se precipitó sobre la ciudad a una velocidad de 800 km/h, destruyendo todo a su paso. Las casas que no pudieron resistir su furioso ataque se derrumbaron como si las hubieran derribado. En el círculo gigante de 4 km de diámetro no queda ni un solo edificio intacto. Unos minutos después de la explosión, una lluvia radiactiva negra cayó sobre la ciudad; esta humedad se convirtió en vapor condensado en capas altas atmósfera y cayeron al suelo en forma de grandes gotas mezcladas con polvo radiactivo.
Tras la lluvia, una nueva ráfaga de viento azotó la ciudad, esta vez soplando en dirección al epicentro. Era más débil que el primero, pero aún lo suficientemente fuerte como para arrancar árboles. El viento avivó un fuego gigantesco en el que ardía todo lo que podía arder. De los 76 mil edificios, 55 mil fueron completamente destruidos e incendiados. Testigos de esto terrible desastre Recordaban a las personas con antorchas, de las cuales caían al suelo ropas quemadas junto con jirones de piel, y a multitudes de personas enloquecidas, cubiertas de terribles quemaduras, corriendo gritando por las calles. Había un hedor sofocante a carne humana quemada en el aire. Había gente tirada por todas partes, muerta y moribunda. Había muchos que estaban ciegos y sordos y, mirando en todas direcciones, no podían distinguir nada en el caos que reinaba a su alrededor.
Las desafortunadas personas, que se encontraban a una distancia de hasta 800 m del epicentro, literalmente se quemaron en una fracción de segundo: sus entrañas se evaporaron y sus cuerpos se convirtieron en trozos de brasas humeantes. Los que se encontraban a una distancia de 1 km del epicentro sufrieron la enfermedad por radiación de forma extremadamente grave. A las pocas horas, comenzaron a vomitar violentamente, su temperatura subió a 39-40 grados y comenzaron a experimentar dificultad para respirar y sangrado. Luego aparecieron úlceras que no cicatrizaban en la piel, la composición de la sangre cambió drásticamente y el cabello se cayó. Después de un sufrimiento terrible, generalmente al segundo o tercer día, llegaba la muerte.
En total, unas 240 mil personas murieron a causa de la explosión y la enfermedad por radiación. Alrededor de 160 mil sufrieron la enfermedad por radiación en una forma más leve; su dolorosa muerte se retrasó varios meses o años. Cuando la noticia del desastre se difundió por todo el país, todo Japón quedó paralizado de miedo. Aumentó aún más después de que el furgón del mayor Sweeney arrojara una segunda bomba sobre Nagasaki el 9 de agosto. Aquí también murieron y resultaron heridos varios cientos de miles de habitantes. Incapaz de resistir las nuevas armas, el gobierno japonés capituló: la bomba atómica puso fin a la Segunda Guerra Mundial.
Guerra ha terminado. Duró sólo seis años, pero logró cambiar el mundo y a las personas casi hasta quedar irreconocibles.
La civilización humana antes de 1939 y la civilización humana después de 1945 son sorprendentemente diferentes entre sí. Hay muchas razones para ello, pero una de las más importantes es la aparición de armas nucleares. Se puede decir sin exagerar que la sombra de Hiroshima se extiende sobre toda la segunda mitad del siglo XX. Se convirtió en un profundo ardor moral para muchos millones de personas, tanto los contemporáneos de esta catástrofe como los nacidos décadas después. El hombre moderno ya no puede pensar en el mundo como lo pensaba antes del 6 de agosto de 1945; comprende con demasiada claridad que este mundo puede convertirse en nada en unos momentos.
El hombre moderno no puede ver la guerra como lo hacían sus abuelos y bisabuelos; sabe con certeza que esta guerra será la última y que no habrá ganadores ni perdedores en ella. Las armas nucleares han dejado su huella en todos los ámbitos vida publica, y la civilización moderna no puede vivir según las mismas leyes que hace sesenta u ochenta años. Nadie entendió esto mejor que los propios creadores de la bomba atómica.
"La gente de nuestro planeta , escribió Robert Oppenheimer, debe unirse. Terror y destrucción sembrados la ultima guerra, díganos este pensamiento. Las explosiones de las bombas atómicas lo demostraron con toda crueldad. Otras personas ya han dicho en otras ocasiones palabras similares, sólo que sobre otras armas y otras guerras. No tuvieron éxito. Pero quien hoy diga que estas palabras son inútiles se deja engañar por las vicisitudes de la historia. No podemos estar convencidos de esto. Los resultados de nuestro trabajo no dejan a la humanidad otra opción que crear un mundo unido. Un mundo basado en la legalidad y la humanidad."