Pour comprendre le principe de fonctionnement et la conception d'un réacteur nucléaire, il faut faire une petite excursion dans le passé. Un réacteur nucléaire est un rêve vieux de plusieurs siècles, bien que pas entièrement réalisé, de l'humanité concernant une source d'énergie inépuisable. Son ancien « ancêtre » est un feu fait de branches sèches, qui illuminait et réchauffait autrefois les voûtes de la grotte où nos lointains ancêtres trouvèrent le salut du froid. Plus tard, les gens ont maîtrisé les hydrocarbures - charbon, schiste, pétrole et gaz naturel.
Une ère turbulente mais de courte durée de la vapeur a commencé, qui a été remplacée par une ère encore plus fantastique de l'électricité. Les villes étaient remplies de lumière et les ateliers étaient remplis du bourdonnement de machines jusqu'alors inédites entraînées par des moteurs électriques. Il semblait alors que le progrès avait atteint son apogée.
Tout a changé dans fin XIX siècle, lorsque le chimiste français Antoine Henri Becquerel a découvert par hasard que les sels d'uranium sont radioactifs. 2 ans plus tard, ses compatriotes Pierre Curie et son épouse Maria Sklodowska-Curie en obtenaient du radium et du polonium, et leur niveau de radioactivité était des millions de fois supérieur à celui du thorium et de l'uranium.
Le relais a été repris par Ernest Rutherford, qui a étudié en détail la nature des rayons radioactifs. Ainsi commença l’ère de l’atome, qui donna naissance à son enfant bien-aimé : le réacteur atomique.
Premier réacteur nucléaire
« Firstborn » vient des États-Unis. En décembre 1942, le premier courant fut produit par le réacteur, qui porte le nom de son créateur, l'un des plus grands physiciens du siècle, E. Fermi. Trois ans plus tard, la centrale nucléaire ZEEP prenait vie au Canada. Le «bronze» a été attribué au premier réacteur soviétique F-1, lancé fin 1946. I.V. Kurchatov est devenu le chef du projet nucléaire national. Aujourd’hui, plus de 400 centrales nucléaires fonctionnent avec succès dans le monde.
Types de réacteurs nucléaires
Leur objectif principal est de soutenir une réaction nucléaire contrôlée produisant de l’électricité. Certains réacteurs produisent des isotopes. En bref, ce sont des dispositifs au fond desquels certaines substances se transforment en d'autres avec libération d'une grande quantité d'énergie thermique. C'est une sorte de « four », où au lieu de types traditionnels Le combustible « brûle » les isotopes de l’uranium – U-235, U-238 et plutonium (Pu).
Contrairement, par exemple, à une voiture conçue pour plusieurs types d'essence, chaque type de combustible radioactif possède son propre type de réacteur. Il y en a deux - sur les neutrons lents (avec U-235) et rapides (avec U-238 et Pu). La plupart des centrales nucléaires disposent de réacteurs à neutrons lents. Outre les centrales nucléaires, des installations « fonctionnent » dans des centres de recherche, sur des sous-marins nucléaires, etc.
Comment fonctionne le réacteur
Tous les réacteurs ont à peu près le même circuit. Son « cœur » est la zone active. Il peut être grossièrement comparé au foyer d’un poêle conventionnel. Seulement, au lieu du bois de chauffage, il existe du combustible nucléaire sous forme d'éléments combustibles avec un modérateur - des barres de combustible. La zone active est située à l'intérieur d'une sorte de capsule - un réflecteur de neutrons. Les barres de combustible sont « lavées » par le liquide de refroidissement – l’eau. Parce que dans le « cœur » il y a très haut niveau radioactivité, il est entouré d’une radioprotection fiable.
Les opérateurs contrôlent le fonctionnement de l'usine à l'aide de deux systèmes critiques : le contrôle de la réaction en chaîne et un système de contrôle à distance. En cas d'urgence, la protection d'urgence est activée instantanément.
Comment fonctionne un réacteur ?
La « flamme » atomique est invisible, puisque les processus se produisent au niveau de la fission nucléaire. Au cours d'une réaction en chaîne, les noyaux lourds se désintègrent en fragments plus petits qui, étant dans un état excité, deviennent des sources de neutrons et d'autres particules subatomiques. Mais le processus ne s’arrête pas là. Les neutrons continuent de se « diviser », ce qui libère de grandes quantités d'énergie, ce qui est la raison pour laquelle les centrales nucléaires sont construites.
La tâche principale du personnel est de maintenir la réaction en chaîne à l'aide de barres de commande à un niveau constant et réglable. C'est sa principale différence avec bombe atomique, où le processus de désintégration nucléaire est incontrôlable et se déroule rapidement, sous la forme d'une puissante explosion.
Que s'est-il passé à la centrale nucléaire de Tchernobyl
L'une des principales raisons de la catastrophe de la centrale nucléaire de Tchernobyl en avril 1986 était une violation flagrante des règles de sécurité de fonctionnement lors de la maintenance de routine de la 4e tranche. Ensuite, 203 tiges de graphite ont été simultanément retirées du noyau au lieu des 15 autorisées par la réglementation. En conséquence, la réaction en chaîne incontrôlable qui a commencé s'est soldée par une explosion thermique et la destruction complète du groupe motopropulseur.
Réacteurs de nouvelle génération
Derrière la dernière décennie La Russie est devenue l’un des leaders mondiaux de l’énergie nucléaire. Sur ce moment La société d'État Rosatom construit des centrales nucléaires dans 12 pays, où 34 unités sont en cours de construction. Une demande aussi élevée témoigne du haut niveau de la technologie nucléaire russe moderne. Viennent ensuite les nouveaux réacteurs de 4e génération.
"Brest"
L'un d'eux est Brest, développé dans le cadre du projet Breakthrough. Les systèmes à cycle ouvert actuels fonctionnent avec de l'uranium faiblement enrichi, ce qui oblige à éliminer de grandes quantités de combustible usé à des coûts énormes. "Brest" - un réacteur à neutrons rapides est unique dans son cycle fermé.
Dans ce document, le combustible usé, après un traitement approprié dans un réacteur à neutrons rapides, redevient du combustible à part entière, qui peut être rechargé dans la même installation.
Brest se distingue par un haut niveau de sécurité. Il n'« explosera » jamais même lors de l'accident le plus grave, il est très économique et respectueux de l'environnement, puisqu'il réutilise son uranium « renouvelé ». Il ne peut pas non plus être utilisé pour produire du plutonium de qualité militaire, ce qui ouvre les plus larges perspectives d’exportation.
VVER-1200
VVER-1200 est un réacteur innovant de génération 3+ d'une capacité de 1 150 MW. Grâce à ses capacités techniques uniques, il offre une sécurité de fonctionnement quasi absolue. Le réacteur est largement équipé de systèmes de sécurité passive qui fonctionneront automatiquement même en l'absence d'alimentation électrique.
L'un d'eux est un système d'évacuation de chaleur passive, qui est automatiquement activé lorsque le réacteur est complètement hors tension. Dans ce cas, des réservoirs hydrauliques de secours sont prévus. S'il y a une chute de pression anormale dans le circuit primaire, une grande quantité d'eau contenant du bore commence à être fournie au réacteur, ce qui éteint la réaction nucléaire et absorbe les neutrons.
Un autre savoir-faire se situe dans la partie inférieure de la coque de protection - le « piège » à fusion. Si, à la suite d'un accident, le noyau « fuit », le « piège » ne permettra pas à l'enveloppe de confinement de s'effondrer et l'empêchera d'entrer. produits radioactifs dans le sol.
Mais c’est quelque chose que nous ne savons souvent pas. Et pourquoi une bombe nucléaire explose-t-elle aussi...
Commençons de loin. Chaque atome a un noyau, et le noyau est constitué de protons et de neutrons - peut-être que tout le monde le sait. De la même manière, tout le monde a vu le tableau périodique. Mais pourquoi éléments chimiques Sont-ils placés exactement de cette façon et pas autrement ? Certainement pas parce que Mendeleïev le voulait ainsi. Le numéro atomique de chaque élément dans le tableau indique combien de protons se trouvent dans le noyau de l'atome de cet élément. En d’autres termes, le fer est le numéro 26 dans le tableau car il y a 26 protons dans un atome de fer. Et s’il n’y en a pas 26, ce n’est plus du fer.
Mais il peut y avoir différents nombres de neutrons dans les noyaux d’un même élément, ce qui signifie que la masse des noyaux peut être différente. Les atomes du même élément avec des masses différentes sont appelés isotopes. L'uranium possède plusieurs de ces isotopes : le plus répandu dans la nature est l'uranium 238 (son noyau possède 92 protons et 146 neutrons, pour un total de 238). Il est radioactif, mais on ne peut pas en faire une bombe nucléaire. Mais l'isotope uranium-235, dont on trouve une petite quantité dans minerais d'uranium, adapté à une charge nucléaire.
Le lecteur a peut-être croisé les expressions « uranium enrichi » et « uranium appauvri ». L'uranium enrichi contient plus d'uranium 235 que l'uranium naturel ; dans un état épuisé, en conséquence, moins. L'uranium enrichi peut être utilisé pour produire du plutonium, un autre élément adapté à la fabrication d'une bombe nucléaire (on ne le trouve presque jamais dans la nature). La manière dont l’uranium est enrichi et la manière dont le plutonium en est obtenu font l’objet d’une discussion distincte.
Alors pourquoi une bombe nucléaire explose-t-elle ? Le fait est que certains noyaux lourds ont tendance à se désintégrer s’ils sont touchés par un neutron. Et vous n’aurez pas à attendre longtemps pour obtenir un neutron gratuit : il y en a beaucoup qui volent. Ainsi, un tel neutron frappe le noyau d'uranium 235 et le brise ainsi en « fragments ». Cela libère quelques neutrons supplémentaires. Pouvez-vous deviner ce qui se passera s’il y a des noyaux du même élément autour ? C'est vrai, une réaction en chaîne va se produire. C'est comme ça que ça se passe.
Dans un réacteur nucléaire, où l'uranium 235 est « dissous » dans l'uranium 238, plus stable, une explosion ne se produit pas dans des conditions normales. La plupart des neutrons qui s'échappent des noyaux en décomposition s'envolent dans le lait sans trouver les noyaux d'uranium 235. Dans le réacteur, la désintégration des noyaux se produit « lentement » (mais cela suffit pour que le réacteur fournisse de l'énergie). Dans un seul morceau d'uranium 235, s'il est de masse suffisante, les neutrons seront assurés de briser les noyaux, la réaction en chaîne démarrera comme une avalanche, et... Stop ! Après tout, si vous fabriquez un morceau d'uranium 235 ou de plutonium ayant la masse requise pour une explosion, il explosera immédiatement. Ce n’est pas le sujet.
Et si vous preniez deux morceaux de masse sous-critique et les poussiez l’un contre l’autre à l’aide d’un mécanisme télécommandé ? Par exemple, placez les deux dans un tube et attachez une charge de poudre à l'un pour qu'au bon moment, une pièce, comme un projectile, soit tirée sur l'autre. Voici la solution au problème.
Vous pouvez procéder différemment : prenez un morceau sphérique de plutonium et fixez des charges explosives sur toute sa surface. Lorsque ces charges explosent sur commande de l'extérieur, leur explosion comprime le plutonium de tous côtés, le comprime jusqu'à une densité critique, et une réaction en chaîne se produit. Cependant, la précision et la fiabilité sont ici importantes : toutes les charges explosives doivent exploser en même temps. Si certains d’entre eux fonctionnent, d’autres non, ou si certains fonctionnent tard, il n’y aura pas d’explosion nucléaire : le plutonium ne sera pas comprimé jusqu’à une masse critique, mais se dissipera dans l’air. Au lieu d’une bombe nucléaire, vous en obtiendrez une soi-disant « sale ».
Voilà à quoi ressemble une bombe nucléaire à implosion. Les charges, censées créer une explosion dirigée, sont réalisées sous forme de polyèdres afin de recouvrir au maximum la surface de la sphère de plutonium.
Le premier type d'appareil s'appelait un appareil à canon, le deuxième type était un appareil à implosion.
La bombe « Little Boy » larguée sur Hiroshima avait une charge d'uranium 235 et un dispositif de type canon. La bombe Fat Man, qui a explosé au-dessus de Nagasaki, transportait une charge de plutonium et l'engin explosif a implosé. De nos jours, les appareils de type pistolet ne sont presque jamais utilisés ; ceux d'implosion sont plus compliqués, mais en même temps ils permettent de réguler la masse de la charge nucléaire et de la dépenser de manière plus rationnelle. Et le plutonium a remplacé l'uranium 235 comme explosif nucléaire.
De nombreuses années se sont écoulées et les physiciens ont proposé aux militaires une bombe encore plus puissante - une bombe thermonucléaire ou, comme on l'appelle aussi, une bombe à hydrogène. Il s'avère que l'hydrogène explose plus puissamment que le plutonium ?
L’hydrogène est certes explosif, mais pas à ce point-là. Cependant, il n’y a pas d’hydrogène « ordinaire » dans une bombe à hydrogène ; elle utilise ses isotopes – le deutérium et le tritium. Le noyau de l’hydrogène « ordinaire » possède un neutron, le deutérium en possède deux et le tritium en possède trois.
Dans une bombe nucléaire, les noyaux d'un élément lourd sont divisés en noyaux plus légers. Dans la fusion thermonucléaire, le processus inverse se produit : les noyaux légers fusionnent les uns avec les autres pour former des noyaux plus lourds. Les noyaux de deutérium et de tritium, par exemple, se combinent pour former des noyaux d’hélium (également appelés particules alpha), et le neutron « supplémentaire » est envoyé en « vol libre ». Cela libère beaucoup plus d’énergie que lors de la désintégration des noyaux de plutonium. À propos, c’est exactement le processus qui se déroule sur le Soleil.
Cependant, la réaction de fusion n’est possible qu’à des températures ultra-élevées (c’est pourquoi on l’appelle thermonucléaire). Comment faire réagir le deutérium et le tritium ? Oui, c’est très simple : il faut utiliser une bombe nucléaire comme détonateur !
Puisque le deutérium et le tritium sont eux-mêmes stables, leur charge dans une bombe thermonucléaire peut être arbitrairement énorme. Cela signifie qu’une bombe thermonucléaire peut être incomparablement plus puissante qu’une « simple » bombe nucléaire. Le "Baby" largué sur Hiroshima avait un équivalent TNT d'environ 18 kilotonnes, et le plus puissant Bombe H(la soi-disant « Tsar Bomba », également connue sous le nom de « Mère de Kuzka ») – déjà 58,6 mégatonnes, soit plus de 3 255 fois plus puissante que le « Bébé » !
Le nuage « champignon » du Tsar Bomba s’est élevé à une hauteur de 67 kilomètres et l’onde de choc a fait trois fois le tour du globe.
Cependant, une telle puissance gigantesque est clairement excessive. Après avoir « assez joué » avec les bombes mégatonnes, les ingénieurs militaires et les physiciens ont emprunté une voie différente : celle de la miniaturisation des armes nucléaires. Sous leur forme conventionnelle, les armes nucléaires peuvent être larguées depuis des bombardiers stratégiques comme des bombes aériennes ou lancées avec des missiles balistiques ; si on les miniaturise, on obtient une charge nucléaire compacte qui ne détruit pas tout à des kilomètres à la ronde, et qui peut être placée sur un obus d'artillerie ou un missile air-sol. La mobilité augmentera et l'éventail des tâches à résoudre s'élargira. En plus des armes nucléaires stratégiques, nous recevrons des armes tactiques.
Divers systèmes de lancement ont été développés pour les armes nucléaires tactiques - canons nucléaires, mortiers, fusils sans recul (par exemple, l'Américain Davy Crockett). L’URSS avait même un projet de balle nucléaire. Certes, il a fallu l'abandonner - les balles nucléaires étaient si peu fiables, si compliquées et si coûteuses à fabriquer et à stocker, qu'elles ne servaient à rien.
"Davy Crockett." Un certain nombre de ces armes nucléaires étaient en service dans les forces armées américaines et le ministre ouest-allemand de la Défense a cherché en vain à en armer la Bundeswehr.
Parlant de petites armes nucléaires, il convient de mentionner un autre type d’arme nucléaire : la bombe à neutrons. La charge de plutonium est faible, mais ce n'est pas nécessaire. Si une bombe thermonucléaire suit la voie consistant à augmenter la force de l'explosion, alors une bombe à neutrons s'appuie sur un autre facteur dommageable : le rayonnement. Pour augmenter le rayonnement, une bombe à neutrons contient une réserve d'isotope de béryllium qui, lors de son explosion, produit un grand nombre de neutrons rapides.
Selon ses créateurs, une bombe à neutrons devrait tuer le personnel ennemi, mais laisser intact le matériel, qui pourra ensuite être capturé lors d'une offensive. Dans la pratique, la situation s'est avérée quelque peu différente : les équipements irradiés deviennent inutilisables - quiconque ose le piloter « gagnera » très vite le mal des rayons. Cela ne change rien au fait qu'une explosion de bombe à neutrons est capable de frapper un ennemi à travers le blindage d'un char ; Les munitions à neutrons ont été développées par les États-Unis spécifiquement comme arme contre les formations de chars soviétiques. Cependant, un blindage de char fut rapidement développé pour offrir une sorte de protection contre le flux de neutrons rapides.
Un autre type d’arme nucléaire a été inventé en 1950, mais n’a jamais été produit (à notre connaissance). Il s'agit de ce qu'on appelle la bombe au cobalt - une charge nucléaire avec une coque en cobalt. Lors de l'explosion, le cobalt, irradié par un flux de neutrons, devient un isotope extrêmement radioactif et se disperse dans toute la zone, la contaminant. Une seule de ces bombes, d’une puissance suffisante, pourrait recouvrir la planète entière de cobalt et détruire toute l’humanité. Heureusement, ce projet est resté un projet.
Que dire en conclusion ? Une bombe nucléaire est une arme vraiment terrible, et en même temps (quel paradoxe !) elle a contribué à maintenir une paix relative entre les superpuissances. Si votre ennemi possède des armes nucléaires, vous y réfléchirez dix fois avant de l’attaquer. Aucun pays doté d’un arsenal nucléaire n’a jamais été attaqué de l’extérieur, et il n’y a eu aucune guerre entre les principaux États du monde depuis 1945. Espérons qu'il n'y en aura pas.
Caractère explosif
Le noyau d'uranium contient 92 protons. L'uranium naturel est principalement un mélange de deux isotopes : l'U238 (qui possède 146 neutrons dans son noyau) et l'U235 (143 neutrons), dont seulement 0,7 % dans l'uranium naturel. Propriétés chimiques les isotopes sont absolument identiques, et il est donc impossible de les séparer par des méthodes chimiques, mais la différence de masses (235 et 238 unités) permet de le faire par des méthodes physiques : un mélange d'uranium est transformé en gaz (hexafluorure d'uranium), puis pompé à travers d'innombrables cloisons poreuses. Bien que les isotopes de l'uranium ne puissent être distingués ni par apparence, ni chimiquement, ils ne sont séparés par un abîme dans les propriétés des caractères nucléaires.
Le processus de fission de l'U238 est un processus payant : un neutron arrivant de l'extérieur doit apporter avec lui de l'énergie - 1 MeV ou plus. Et l'U235 est altruiste : rien n'est requis du neutron entrant pour l'excitation et la désintégration ultérieure, son énergie de liaison dans le noyau est tout à fait suffisante ;
Lorsqu'un neutron heurte un noyau capable de fission, un composé instable se forme, mais très rapidement (après 10−23−10−22 s) un tel noyau se désagrège en deux fragments de masse inégale et « instantanément » (en moins de 10 −16−10− 14 c) émettre deux ou trois nouveaux neutrons, de sorte qu'avec le temps, le nombre de noyaux fissiles puisse se multiplier (cette réaction est appelée réaction en chaîne). Cela n'est possible que dans l'U235, car le gourmand U238 ne veut pas partager ses propres neutrons, dont l'énergie est d'un ordre de grandeur inférieur à 1 MeV. L'énergie cinétique des particules de produits de fission est plusieurs fois supérieure à l'énergie libérée lors de toute réaction chimique dans laquelle la composition des noyaux ne change pas.
Assemblage critique
Les produits de fission sont instables et mettent beaucoup de temps à se « récupérer », émettant divers rayonnements (y compris des neutrons). Les neutrons émis un temps significatif (jusqu'à des dizaines de secondes) après la fission sont dits retardés, et bien que leur part soit faible par rapport aux instantanés (moins de 1 %), le rôle qu'ils jouent dans le fonctionnement des installations nucléaires est le plus important. important.
Les produits de fission, lors de nombreuses collisions avec les atomes environnants, leur cèdent leur énergie, augmentant ainsi la température. Après l'apparition de neutrons dans un assemblage avec de la matière fissile, la puissance de dégagement de chaleur peut augmenter ou diminuer, et les paramètres d'un assemblage dans lequel le nombre de fissions par unité de temps est constant sont dits critiques. La criticité de l'assemblage peut être maintenue aussi bien avec un grand qu'un petit nombre de neutrons (avec un pouvoir calorifique correspondant plus ou moins grand). La puissance thermique est augmentée soit en pompant des neutrons supplémentaires dans l'assemblage critique depuis l'extérieur, soit en rendant l'assemblage supercritique (des neutrons supplémentaires sont alors fournis par des générations de plus en plus nombreuses de noyaux fissiles). Par exemple, s'il faut augmenter la puissance thermique d'un réacteur, on le porte à un régime où chaque génération de neutrons prompts est légèrement moins nombreuse que la précédente, mais grâce aux neutrons retardés, le réacteur passe à peine sensiblement dans un état critique. Ensuite, il n'accélère pas, mais gagne lentement en puissance - de sorte que son augmentation puisse être stoppée au bon moment en introduisant des absorbeurs de neutrons (barreaux contenant du cadmium ou du bore).
Les neutrons produits lors de la fission survolent souvent les noyaux environnants sans provoquer de fission supplémentaire. Plus un neutron est produit près de la surface d'un matériau, plus il a de chances de s'échapper de la matière fissile et de ne jamais revenir. Ainsi, la forme d’assemblage qui permet d’économiser le plus grand nombre de neutrons est une sphère : pour une masse de matière donnée, elle a une surface minimale. Une boule non entourée (solitaire) composée à 94 % d'U235 et sans cavités à l'intérieur devient critique avec une masse de 49 kg et un rayon de 85 mm. Si un assemblage du même uranium est un cylindre de longueur égale au diamètre, il devient critique avec une masse de 52 kg. La superficie diminue également avec l’augmentation de la densité. C'est pourquoi une compression explosive, sans modifier la quantité de matière fissile, peut amener l'assemblage dans un état critique. C’est ce processus qui sous-tend la conception commune d’une charge nucléaire.
Ensemble boule
Mais le plus souvent, ce n'est pas l'uranium qui est utilisé dans les armes nucléaires, mais le plutonium 239. Il est produit dans des réacteurs en irradiant de l'uranium 238 avec de puissants flux de neutrons. Le plutonium coûte environ six fois plus cher que l'U235, mais lors de la fission, le noyau Pu239 émet en moyenne 2 895 neutrons, soit plus que l'U235 (2 452). De plus, la probabilité de fission du plutonium est plus élevée. Tout cela conduit au fait qu'une boule solitaire de Pu239 devient critique avec une masse presque trois fois inférieure à celle d'une boule d'uranium, et surtout, avec un rayon plus petit, ce qui permet de réduire les dimensions de l'assemblage critique.
L'ensemble est constitué de deux moitiés soigneusement ajustées en forme de couche sphérique (creuse à l'intérieur) ; il est évidemment sous-critique - même pour les neutrons thermiques et même après avoir été entouré d'un modérateur. Une charge est montée autour d'un assemblage de blocs explosifs très précisément ajustés. Afin d'économiser les neutrons, il est nécessaire de préserver la forme noble de la balle lors de l'explosion - pour cela, la couche d'explosif doit exploser simultanément sur toute sa longueur. surface extérieure, en appuyant uniformément sur l'ensemble. Il est largement admis que cela nécessite de nombreux détonateurs électriques. Mais ce n’était le cas qu’à l’aube de la « construction de bombes » : pour déclencher plusieurs dizaines de détonateurs, il fallait beaucoup d’énergie et une taille considérable du système d’amorçage. Les charges modernes utilisent plusieurs détonateurs sélectionnés par une technique spéciale, aux caractéristiques similaires, à partir desquels des explosifs très stables (en termes de vitesse de détonation) sont déclenchés dans des rainures fraisées dans une couche de polycarbonate (dont la forme sur une surface sphérique est calculée à l'aide de la géométrie de Riemann méthodes). La détonation à une vitesse d'environ 8 km/s se déplacera le long des rainures à des distances absolument égales, au même moment elle atteindra les trous et fera exploser la charge principale - simultanément à tous les points requis.
Explosion à l'intérieur
L'explosion dirigée vers l'intérieur comprime l'ensemble avec une pression de plus d'un million d'atmosphères. La surface de l'assemblage diminue, la cavité interne du plutonium disparaît presque, la densité augmente, et très rapidement - en dix microsecondes, l'assemblage compressible passe l'état critique avec les neutrons thermiques et devient significativement supercritique avec les neutrons rapides.
Après une période déterminée par le temps insignifiant de ralentissement insignifiant des neutrons rapides, chacune des nouvelles générations, plus nombreuses, ajoute par la fission qu'elles produisent une énergie de 202 MeV à la substance de l'assemblage, déjà gorgée d'énergies monstrueuses. pression. À l'échelle des phénomènes qui se produisent, la résistance, même des meilleurs aciers alliés, est si minime qu'il ne vient à l'idée de personne d'en tenir compte lors du calcul de la dynamique d'une explosion. La seule chose qui empêche l'ensemble de s'effondrer est l'inertie : pour dilater une boule de plutonium de seulement 1 cm en dizaines de nanosecondes, il faut communiquer à la substance une accélération des dizaines de milliards de fois supérieure à l'accélération de chute libre, et ce n'est pas facile.
Au final, la matière se disperse encore, la fission s'arrête, mais le processus ne s'arrête pas là : l'énergie est redistribuée entre les fragments ionisés des noyaux séparés et les autres particules émises lors de la fission. Leur énergie est de l’ordre de dizaines, voire de centaines de MeV, mais seuls les quanta gamma et les neutrons de haute énergie, électriquement neutres, ont une chance d’éviter toute interaction avec la matière et de « s’échapper ». Les particules chargées perdent rapidement de l'énergie lors de collisions et d'ionisation. Dans ce cas, un rayonnement est émis - cependant, il ne s'agit plus d'un rayonnement nucléaire dur, mais plus doux, avec une énergie inférieure de trois ordres de grandeur, mais toujours plus que suffisante pour éliminer les électrons des atomes - non seulement des coques externes, mais aussi de tout en général. Un mélange de noyaux nus, d'électrons dépouillés et de rayonnement d'une densité de grammes par centimètre cube (essayez d'imaginer à quel point vous pouvez bronzer sous une lumière qui a acquis la densité de l'aluminium !) - tout ce qui il y a un instant était une charge - entre dans un semblant d’équilibre. Dans une très jeune boule de feu, la température atteint des dizaines de millions de degrés.
Boule de feu
Il semblerait que même un rayonnement doux se déplaçant à la vitesse de la lumière devrait laisser loin derrière lui la matière qui l'a généré, mais ce n'est pas le cas : dans l'air froid, la gamme des quanta d'énergies Kev est de quelques centimètres, et ils ne se déplacent pas dans un sens. ligne droite, mais changez la direction du mouvement, réémettant à chaque interaction. Les quanta ionisent l'air et s'y propagent, comme le jus de cerise versé dans un verre d'eau. Ce phénomène est appelé diffusion radiative.
Une jeune boule de feu issue d'une explosion de 100 kt quelques dizaines de nanosecondes après la fin de l'éclatement de fission a un rayon de 3 m et une température de près de 8 millions de Kelvin. Mais après 30 microsecondes, son rayon atteint 18 m, bien que la température descende en dessous d'un million de degrés. La balle dévore l'espace et l'air ionisé derrière son front bouge à peine : le rayonnement ne peut pas lui transmettre d'impulsion significative lors de la diffusion. Mais il pompe une énorme énergie dans cet air, le réchauffe, et lorsque l'énergie de rayonnement s'épuise, la boule commence à croître en raison de l'expansion du plasma chaud, éclatant de l'intérieur avec ce qui était autrefois une charge. En se dilatant, comme une bulle gonflée, la coque du plasma devient plus fine. Bien entendu, contrairement à une bulle, rien ne la gonfle : avec à l'intérieur Il ne reste presque plus de matière, tout s'envole du centre par inertie, mais 30 microsecondes après l'explosion, la vitesse de ce vol est supérieure à 100 km/s, et la pression hydrodynamique en la matière est supérieure à 150 000 atm ! La coque n’est pas destinée à devenir trop fine ; elle éclate en formant des « cloques ».
Lequel des mécanismes de transmission de l'énergie d'une boule de feu environnement prévaut, dépend de la puissance de l'explosion : si elle est importante, le rôle principal est joué par la diffusion du rayonnement ; si elle est faible, l'expansion de la bulle de plasma joue un rôle majeur ; Il est clair qu’un cas intermédiaire est également possible, lorsque les deux mécanismes sont efficaces.
Le processus capture de nouvelles couches d’air et il n’y a plus assez d’énergie pour retirer tous les électrons des atomes. L'énergie de la couche ionisée et des fragments de la bulle de plasma s'épuise ; ils ne sont plus capables de déplacer l'énorme masse devant eux et ralentissent sensiblement. Mais ce qui était de l'air avant l'explosion se déplace, se détache du ballon, absorbe de plus en plus de couches d'air froid... La formation d'une onde de choc commence.
Onde de choc et champignon atomique
Lorsque l'onde de choc se sépare de la boule de feu, les caractéristiques de la couche émettrice changent et la puissance de rayonnement dans la partie optique du spectre augmente fortement (ce qu'on appelle le premier maximum). Ensuite, les processus d'éclairage et les changements de transparence de l'air ambiant entrent en compétition, ce qui conduit à la réalisation d'un deuxième maximum, moins puissant, mais beaucoup plus long - à tel point que la production d'énergie lumineuse est plus grande que dans le premier maximum. .
Près de l'explosion, tout autour s'évapore, plus loin ça fond, mais encore plus loin, là où le flux de chaleur n'est plus suffisant pour faire fondre les solides, le sol, les roches, les maisons coulent comme un liquide, sous une monstrueuse pression de gaz qui détruit tous les liens forts. , chauffé au point d’en rendre l’éclat insupportable.
Enfin, l'onde de choc s'éloigne du point d'explosion, où reste un nuage lâche et affaibli, mais multiplié plusieurs fois, de vapeurs condensées qui se sont transformées en poussière minuscule et très radioactive de ce qui était le plasma de la charge, et de ce qui était proche, à son heure terrible, d'un endroit d'où il fallait s'éloigner le plus possible. Le nuage commence à monter. Il se refroidit, change de couleur, « revêt » une calotte blanche d'humidité condensée, suivie de poussière de la surface de la terre, formant la « patte » de ce qu'on appelle communément un « champignon atomique ».
Initiation neutronique
Les lecteurs attentifs peuvent estimer l'énergie dégagée lors d'une explosion avec un crayon à la main. Lorsque le temps pendant lequel l'assemblage est dans un état supercritique est de l'ordre de la microseconde, que l'âge des neutrons est de l'ordre de la picoseconde et que le facteur de multiplication est inférieur à 2, environ un gigajoule d'énergie est libéré, ce qui équivaut à ... 250 kg de TNT. Où sont les kilos et les mégatonnes ?
Le fait est que la chaîne de fission dans l’assemblage ne commence pas par un seul neutron : à la microseconde requise, ils sont injectés par millions dans l’assemblage supercritique. Dans les premières charges nucléaires, on utilisait pour cela des sources d'isotopes situées dans une cavité à l'intérieur de l'assemblage de plutonium : le polonium-210, au moment de la compression, se combinait avec le béryllium et provoquait l'émission de neutrons avec ses particules alpha. Mais toutes les sources isotopiques sont plutôt faibles (dans le premier produit américain, moins d'un million de neutrons étaient générés par microseconde) et le polonium est très périssable : en seulement 138 jours, il réduit son activité de moitié. Les isotopes ont donc été remplacés par des isotopes moins dangereux (qui n'émettent pas lorsqu'ils ne sont pas allumés), et surtout par des tubes neutroniques qui émettent plus intensément (voir encadré) : en quelques microsecondes (l'impulsion générée par le tube dure si longtemps ), des centaines de millions de neutrons naissent. Mais s'il ne fonctionne pas ou fonctionne au mauvais moment, un "bang" ou "zilch" se produira - une explosion thermique de faible puissance.
L'initiation des neutrons augmente non seulement la libération d'énergie d'une explosion nucléaire de plusieurs ordres de grandeur, mais permet également de la réguler ! Il est clair que, ayant reçu une mission de combat, au moment de régler laquelle doit être indiquée la puissance d'une frappe nucléaire, personne ne démonte la charge afin de l'équiper d'un assemblage de plutonium optimal pour une puissance donnée. Dans les munitions dotées d'un équivalent TNT commutable, il suffit simplement de modifier la tension d'alimentation du tube neutronique. En conséquence, le rendement en neutrons et la libération d'énergie changeront (bien entendu, lorsque la puissance est réduite de cette manière, une grande quantité de plutonium coûteux est gaspillée).
Mais ils ont commencé à réfléchir à la nécessité de réguler la libération d'énergie bien plus tard, et dans un premier temps années d'après-guerre il ne pouvait être question de réduire la puissance. De plus en plus puissant, de plus en plus puissant ! Mais il s’est avéré qu’il existe des restrictions nucléaires, physiques et hydrodynamiques sur les dimensions admissibles de la sphère sous-critique. L'équivalent TNT d'une explosion d'une centaine de kilotonnes est proche de la limite physique des munitions monophasées, dans lesquelles seule la fission se produit. En conséquence, la fission a été abandonnée en tant que principale source d’énergie et l’accent a été mis sur des réactions d’une autre classe : la fusion.
Idées fausses sur le nucléaire
La densité du plutonium au moment de l'explosion augmente en raison d'une transition de phase
Le plutonium métallique existe en six phases dont la densité varie de 14,7 à 19,8 g/cm3. À des températures inférieures à 119 °C, il existe une phase alpha monoclinique (19,8 g/cm3), mais ce plutonium est très fragile, et dans la phase cubique delta à faces centrées (15,9), il est plastique et bien traité (c'est cette phase qui ils essaient de préserver en utilisant des additifs d'alliage). Pendant la compression de la détonation, aucune transition de phase ne peut se produire - le plutonium est dans un état quasi-liquide. Les transitions de phases sont dangereuses en production : lorsque grandes tailles pièces, même avec un léger changement de densité, il est possible d'atteindre un état critique. Bien sûr, il n'y aura pas d'explosion - la pièce chauffera simplement, mais le nickelage pourrait être libéré (et le plutonium est très toxique).
Source de neutrons
Les premières bombes nucléaires utilisaient une source de neutrons au béryllium-polonium. Les charges modernes utilisent des tubes à neutrons beaucoup plus pratiques Dans un tube à neutrons sous vide, une tension d'impulsion de 100 kV est appliquée entre une cible saturée en tritium (cathode) (1) et un ensemble anode (2). Lorsque la tension est maximale, il faut que les ions deutérium se trouvent entre l'anode et la cathode, qui doivent être accélérées. Une source d'ions est utilisée à cet effet. Une impulsion d'allumage est appliquée à son anode (3) et la décharge, passant le long de la surface de la céramique saturée de deutérium (4), forme des ions deutérium. Après avoir accéléré, ils bombardent une cible saturée de tritium, ce qui libère une énergie de 17,6 MeV et forme des neutrons et des noyaux d'hélium-4.
En termes de composition des particules et même de production d'énergie, cette réaction est identique à la fusion - le processus de fusion de noyaux légers. Dans les années 1950, beaucoup pensaient qu'il s'agissait d'une fusion, mais il s'est avéré plus tard qu'une « perturbation » se produisait dans le tube : soit un proton, soit un neutron (qui constitue l'ion deutérium, accéléré par un champ électrique) « se coince ». dans le noyau cible (tritium) . Si un proton reste coincé, le neutron se détache et se libère.
Neutrons - lents et rapides
Dans une substance non fissile, « rebondissant » sur les noyaux, les neutrons leur transfèrent une partie de leur énergie, d'autant plus les noyaux sont légers (plus proches d'eux en masse). Plus les neutrons participent à des collisions, plus ils ralentissent, puis finalement ils entrent en équilibre thermique avec la matière environnante - ils sont thermalisés (cela prend quelques millisecondes). La vitesse des neutrons thermiques est de 2 200 m/s (énergie 0,025 eV). Les neutrons peuvent s'échapper du modérateur et sont capturés par ses noyaux, mais avec modération, leur capacité à entrer dans des réactions nucléaires augmente considérablement, de sorte que les neutrons qui ne sont pas « perdus » font plus que compenser la diminution du nombre.
Ainsi, si une boule de matière fissile est entourée d'un modérateur, de nombreux neutrons quitteront le modérateur ou y seront absorbés, mais il y en aura aussi qui reviendront vers la boule (« réfléchir ») et, ayant perdu leur énergie, sont beaucoup plus susceptibles de provoquer des événements de fission. Si la balle est entourée d'une couche de béryllium de 25 mm d'épaisseur, alors 20 kg d'U235 peuvent être économisés tout en atteignant l'état critique de l'assemblage. Mais ces économies se font au prix du temps : chaque génération suivante de neutrons doit d’abord ralentir avant de provoquer une fission. Ce retard réduit le nombre de générations de neutrons nées par unité de temps, ce qui signifie que la libération d'énergie est retardée. Moins il y a de matière fissile dans l'assemblage, plus il faut de modérateur pour développer une réaction en chaîne, et la fission se produit avec des neutrons d'énergie de plus en plus faible. Dans le cas limite, lorsque la criticité est obtenue uniquement avec des neutrons thermiques, par exemple dans une solution de sels d'uranium dans un bon modérateur - l'eau, la masse des assemblages est de plusieurs centaines de grammes, mais la solution bout simplement périodiquement. Les bulles de vapeur libérées réduisent la densité moyenne de la substance fissile, la réaction en chaîne s'arrête et lorsque les bulles quittent le liquide, le déclenchement de la fission se répète (si vous bouchez le récipient, la vapeur le rompra - mais ce sera un phénomène thermique). explosion, dépourvue de tous les signes typiques « nucléaires »).
Vidéo : explosions nucléaires
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Des centaines de milliers d'armuriers célèbres et oubliés de l'Antiquité se sont battus à la recherche de l'arme idéale, capable d'évaporer une armée ennemie en un seul clic. De temps en temps, des traces de ces recherches peuvent être trouvées dans des contes de fées décrivant de manière plus ou moins plausible une épée miracle ou un arc qui frappe sans manquer.
Heureusement, les progrès technologiques ont été si lents pendant longtemps que la véritable incarnation de l’arme dévastatrice est restée dans les rêves et les histoires orales, puis dans les pages des livres. Le saut scientifique et technologique du XIXe siècle a fourni les conditions de la création de la principale phobie du XXe siècle. La bombe nucléaire, créée et testée en conditions réelles, a révolutionné tant les affaires militaires que politiques.
Histoire de la création d'armes
Pendant longtemps, on a cru que les armes les plus puissantes ne pouvaient être créées qu’à l’aide d’explosifs. Les découvertes des scientifiques travaillant avec les plus petites particules ont fourni la preuve scientifique qu'une énergie énorme peut être générée à l'aide de particules élémentaires. Le premier d'une série de chercheurs s'appelle Becquerel, qui découvrit en 1896 la radioactivité des sels d'uranium.
L'uranium lui-même est connu depuis 1786, mais à cette époque personne ne soupçonnait sa radioactivité. Les travaux des scientifiques sur tournant du 19ème siècle et le XXe siècle a révélé non seulement des propriétés physiques particulières, mais aussi la possibilité d'obtenir de l'énergie à partir de substances radioactives.
L’option de fabriquer des armes à base d’uranium a été décrite en détail pour la première fois, publiée et brevetée par des physiciens français, les Joliot-Curie, en 1939.
Malgré sa valeur militaire, les scientifiques eux-mêmes étaient résolument opposés à la création d’une arme aussi dévastatrice.
Après avoir traversé la Seconde Guerre mondiale dans la Résistance, le couple (Frédérick et Irène), conscient du pouvoir destructeur de la guerre, plaide dans les années 1950 en faveur d'un désarmement général. Ils sont soutenus par Niels Bohr, Albert Einstein et d'autres physiciens éminents de l'époque.
Pendant ce temps, tandis que les Joliot-Curie s'occupaient du problème des nazis à Paris, de l'autre côté de la planète, en Amérique, on développait la première charge nucléaire au monde. Robert Oppenheimer, qui a dirigé les travaux, s'est vu attribuer les pouvoirs les plus étendus et d'énormes ressources. La fin de 1941 marque le début du projet Manhattan, qui aboutit finalement à la création de la première ogive nucléaire de combat.
Dans la ville de Los Alamos, au Nouveau-Mexique, les premières installations de production d'uranium de qualité militaire ont été construites. Par la suite, des centres nucléaires similaires sont apparus dans tout le pays, par exemple à Chicago, à Oak Ridge, dans le Tennessee, et des recherches ont été menées en Californie. Les meilleures forces des professeurs des universités américaines, ainsi que des physiciens qui ont fui l'Allemagne, ont été consacrées à la création de la bombe.
Sous le « Troisième Reich » lui-même, les travaux visant à créer un nouveau type d'arme ont été lancés d'une manière caractéristique du Führer.
Comme «Besnovaty» s'intéressait davantage aux chars et aux avions, et plus il y en avait, mieux c'était, il ne voyait pas vraiment la nécessité d'une nouvelle bombe miracle.
En conséquence, les projets non soutenus par Hitler en le meilleur cas de scenario avançait à la vitesse d'un escargot.
Lorsque les choses ont commencé à s’échauffer et qu’il s’est avéré que les chars et les avions étaient engloutis par le front de l’Est, la nouvelle arme miracle a reçu du soutien. Mais il était trop tard ; dans des conditions de bombardements et de peur constante des cales des chars soviétiques, il n'a pas été possible de créer un dispositif à composante nucléaire.
Union soviétiqueétait plus attentif à la possibilité de créer un nouveau type d’arme destructrice. Dans la période d'avant-guerre, les physiciens ont rassemblé et consolidé leurs connaissances générales sur l'énergie nucléaire et la possibilité de créer des armes nucléaires. Les services de renseignement ont travaillé de manière intensive tout au long de la période de création de la bombe nucléaire, tant en URSS qu'aux États-Unis. La guerre a joué un rôle important dans le ralentissement du rythme du développement, car d’énormes ressources ont été envoyées au front.
Certes, l'académicien Igor Vasilyevich Kurchatov, avec sa ténacité caractéristique, a favorisé le travail de tous les départements subordonnés dans cette direction. Avec un peu d'avance, c'est lui qui aura pour mission d'accélérer le développement des armes face à la menace d'une frappe américaine sur les villes de l'URSS. C'est lui, debout dans les graviers d'une immense machine composée de centaines et de milliers de scientifiques et d'ouvriers, qui recevra le titre honorifique de père de la bombe nucléaire soviétique.
Les premiers tests au monde
Mais revenons au programme nucléaire américain. À l’été 1945, des scientifiques américains parvinrent à créer la première bombe nucléaire au monde. Tout garçon qui a fabriqué lui-même ou acheté un puissant pétard dans un magasin éprouve des tourments extraordinaires, voulant le faire exploser le plus rapidement possible. En 1945, des centaines de soldats et scientifiques américains ont vécu la même chose.
Le 16 juin 1945, le tout premier essai d’armes nucléaires et l’une des explosions les plus puissantes jamais réalisées ont eu lieu dans le désert d’Alamogordo, au Nouveau-Mexique.
Les témoins oculaires qui ont observé l'explosion depuis le bunker ont été stupéfaits par la force avec laquelle la charge a explosé au sommet de la tour en acier de 30 mètres. Au début, tout était inondé de lumière, plusieurs fois plus forte que le soleil. Puis une boule de feu s’est élevée dans le ciel, se transformant en une colonne de fumée qui a pris la forme du célèbre champignon.
Dès que la poussière est retombée, les chercheurs et les créateurs de bombes se sont précipités sur le lieu de l'explosion. Ils ont observé les conséquences depuis les chars Sherman incrustés de plomb. Ce qu’ils virent les stupéfia ; aucune arme ne pouvait causer de tels dégâts. Le sable a fondu en verre à certains endroits.
De minuscules restes de la tour ont également été retrouvés ; dans un cratère d'un diamètre énorme, des structures mutilées et écrasées illustraient clairement le pouvoir destructeur.
Facteurs dommageables
Cette explosion a fourni les premières informations sur la puissance de la nouvelle arme, sur ce qu'elle pourrait utiliser pour détruire l'ennemi. Il s'agit de plusieurs facteurs :
- rayonnement lumineux, flash, capable d'aveugler même les organes de vision protégés ;
- onde de choc, un flux d'air dense venant du centre, détruisant la plupart des bâtiments ;
- une impulsion électromagnétique qui désactive la plupart des équipements et ne permet pas l'utilisation des communications pour la première fois après l'explosion ;
- le rayonnement pénétrant, le facteur le plus dangereux pour ceux qui ont fui d'autres facteurs dommageables, est divisé en irradiation alpha-bêta-gamma ;
- contamination radioactive qui peut nuire à la santé et à la vie pendant des dizaines, voire des centaines d'années.
L'utilisation ultérieure des armes nucléaires, y compris au combat, a montré toutes les particularités de leur impact sur les organismes vivants et la nature. Le 6 août 1945 fut le dernier jour pour des dizaines de milliers d'habitants de la petite ville d'Hiroshima, alors connue pour plusieurs installations militaires importantes.
L'issue de la guerre dans le Pacifique était acquise d'avance, mais le Pentagone estimait que l'opération sur l'archipel japonais coûterait la vie à plus d'un million de Marines américains. Il a été décidé de faire d'une pierre plusieurs coups, de sortir le Japon de la guerre, d'économiser sur l'opération de débarquement, de tester une nouvelle arme et de l'annoncer au monde entier et, surtout, à l'URSS.
A une heure du matin, l'avion transportant la bombe nucléaire « Baby » décolle pour une mission.
La bombe larguée sur la ville a explosé à environ 600 mètres d'altitude à 8h15. Tous les bâtiments situés à 800 mètres de l'épicentre ont été détruits. Les murs de quelques bâtiments seulement, conçus pour résister à un séisme de magnitude 9, ont survécu.
Sur dix personnes qui se trouvaient dans un rayon de 600 mètres au moment de l'explosion de la bombe, une seule a pu survivre. Le rayonnement lumineux transformait les gens en charbon, laissant des marques d’ombre sur la pierre, une empreinte sombre de l’endroit où se trouvait la personne. L'onde de choc qui a suivi était si forte qu'elle pouvait briser du verre à une distance de 19 kilomètres du lieu de l'explosion.
Un adolescent a été projeté hors de la maison par une fenêtre par un courant d'air dense ; à l'atterrissage, le gars a vu les murs de la maison se plier comme des cartes. L'onde de choc a été suivie d'une tornade de feu, détruisant les quelques habitants qui ont survécu à l'explosion et n'ont pas eu le temps de quitter la zone d'incendie. Les personnes se trouvant à distance de l'explosion ont commencé à ressentir un grave malaise, dont la cause n'était pas claire au départ pour les médecins.
Beaucoup plus tard, quelques semaines plus tard, le terme « empoisonnement aux radiations » a été annoncé, aujourd'hui connu sous le nom de mal des radiations.
Plus de 280 000 personnes ont été victimes d'une seule bombe, à la fois directement à cause de l'explosion et à cause de maladies ultérieures.
Le bombardement du Japon avec des armes nucléaires ne s’est pas arrêté là. Selon le plan, seules quatre à six villes devaient être touchées, mais les conditions météorologiques n'ont permis de toucher que Nagasaki. Dans cette ville, plus de 150 000 personnes ont été victimes de la bombe Fat Man.
Les promesses du gouvernement américain de mener de telles attaques jusqu'à la capitulation du Japon ont conduit à un armistice, puis à la signature d'un accord qui a mis fin au conflit. Guerre mondiale. Mais pour les armes nucléaires, ce n’était qu’un début.
La bombe la plus puissante du monde
La période d’après-guerre a été marquée par la confrontation entre le bloc soviétique et ses alliés, les États-Unis et l’OTAN. Dans les années 1940, les Américains envisageaient sérieusement la possibilité de frapper l’Union soviétique. Pour contenir l'ancien allié, les travaux de création d'une bombe ont dû être accélérés et déjà en 1949, le 29 août, le monopole américain sur les armes nucléaires a pris fin. Durant la course aux armements, deux essais nucléaires méritent la plus grande attention.
L'atoll de Bikini, connu principalement pour ses maillots de bain frivoles, a littéralement fait sensation dans le monde entier en 1954 grâce au test d'une charge nucléaire particulièrement puissante.
Les Américains, ayant décidé d'essayer un nouveau design armes atomiques, n'a pas calculé les frais. En conséquence, l’explosion a été 2,5 fois plus puissante que prévu. Les habitants des îles voisines, ainsi que les pêcheurs japonais omniprésents, ont été attaqués.
Mais ce n’était pas la bombe américaine la plus puissante. En 1960, la bombe nucléaire B41 a été mise en service, mais elle n'a jamais été pleinement testée en raison de sa puissance. La force de la charge a été calculée théoriquement, par crainte d'exploser une arme aussi dangereuse sur le site d'essai.
L’Union soviétique, qui aimait être la première en tout, a connu en 1961, autrement surnommée « la mère de Kuzka ».
En réponse au chantage nucléaire américain, les scientifiques soviétiques ont créé la bombe la plus puissante du monde. Testé sur Novaya Zemlya, il a laissé sa marque dans presque tous les coins du globe. Selon les souvenirs, un léger tremblement de terre a été ressenti dans les coins les plus reculés au moment de l'explosion.
Bien entendu, l’onde de choc, ayant perdu tout son pouvoir destructeur, a pu faire le tour de la Terre. À ce jour, il s’agit de la bombe nucléaire la plus puissante au monde, créée et testée par l’humanité. Bien sûr, si ses mains étaient libres, la bombe nucléaire de Kim Jong-un serait plus puissante, mais il ne dispose pas de la Nouvelle Terre pour la tester.
Dispositif de bombe atomique
Considérons un dispositif très primitif, purement pour comprendre, d'une bombe atomique. Il existe de nombreuses classes de bombes atomiques, mais considérons-en trois principales :
- l'uranium, à base d'uranium 235, a explosé pour la première fois au-dessus d'Hiroshima ;
- le plutonium, à base de plutonium 239, a explosé pour la première fois au-dessus de Nagasaki ;
- thermonucléaire, parfois appelé hydrogène, à base d'eau lourde avec du deutérium et du tritium, heureusement non utilisé contre la population.
Les deux premières bombes sont basées sur l'effet de la fission de noyaux lourds en noyaux plus petits par une réaction nucléaire incontrôlée, libérant d'énormes quantités d'énergie. La troisième repose sur la fusion des noyaux d'hydrogène (ou plutôt de ses isotopes de deutérium et de tritium) avec formation d'hélium, plus lourd par rapport à l'hydrogène. Pour le même poids de bombe, le potentiel destructeur d’une bombe à hydrogène est 20 fois plus important.
Si pour l'uranium et le plutonium il suffit de réunir une masse supérieure à la masse critique (à laquelle commence une réaction en chaîne), alors pour l'hydrogène cela ne suffit pas.
Pour relier de manière fiable plusieurs morceaux d'uranium en un seul, un effet de canon est utilisé dans lequel des morceaux d'uranium plus petits sont projetés sur des morceaux plus gros. La poudre à canon peut également être utilisée, mais pour des raisons de fiabilité, des explosifs de faible puissance sont utilisés.
Dans une bombe au plutonium, pour créer les conditions nécessaires à une réaction en chaîne, des explosifs sont placés autour de lingots contenant du plutonium. Grâce à l'effet cumulatif, ainsi qu'à l'initiateur de neutrons situé au centre même (béryllium avec plusieurs milligrammes de polonium), les conditions nécessaires sont remplies.
Il possède une charge principale, qui ne peut pas exploser toute seule, et un fusible. Pour créer les conditions nécessaires à la fusion des noyaux de deutérium et de tritium, nous avons besoin de pressions et de températures inimaginables en au moins un point. Ensuite, une réaction en chaîne va se produire.
Pour créer de tels paramètres, la bombe comprend une charge nucléaire conventionnelle, mais de faible puissance, qui est le fusible. Sa détonation crée les conditions du démarrage d'une réaction thermonucléaire.
Pour estimer la puissance d’une bombe atomique, on utilise ce qu’on appelle « l’équivalent TNT ». Une explosion est une libération d'énergie, l'explosif le plus connu au monde est le TNT (TNT - trinitrotoluène), et tous les nouveaux types d'explosifs lui sont assimilés. Bombe "Baby" - 13 kilotonnes de TNT. Cela équivaut à 13 000.
Bombe "Fat Man" - 21 kilotonnes, "Tsar Bomba" - 58 mégatonnes de TNT. C’est effrayant de penser à 58 millions de tonnes d’explosifs concentrés dans une masse de 26,5 tonnes, c’est le poids de cette bombe.
Le danger de guerre nucléaire et de catastrophes nucléaires
Apparues au milieu de la pire guerre du XXe siècle, les armes nucléaires sont devenues le plus grand danger pour l’humanité. Immédiatement après la Seconde Guerre mondiale, la guerre froide a commencé, qui a failli dégénérer à plusieurs reprises en un véritable conflit nucléaire. La menace de l’utilisation de bombes et de missiles nucléaires par au moins une partie a commencé à être évoquée dès les années 1950.
Tout le monde a compris et comprend qu’il ne peut y avoir de gagnant dans cette guerre.
Pour le contenir, des efforts ont été et sont déployés par de nombreux scientifiques et hommes politiques. Université de Chicago, en utilisant les opinions de scientifiques nucléaires invités, notamment lauréats du prix Nobel, règle l'horloge de la fin du monde quelques minutes avant minuit. Minuit signifie un cataclysme nucléaire, le début d'une nouvelle guerre mondiale et la destruction de l'ancien monde. Au fil des années, les aiguilles de l'horloge ont fluctué de 17 à 2 minutes jusqu'à minuit.
Il existe également plusieurs accidents majeurs connus survenus dans des centrales nucléaires. Ces catastrophes ont un rapport indirect avec les armes ; les centrales nucléaires sont encore différentes des bombes nucléaires, mais elles démontrent parfaitement les résultats de l'utilisation de l'atome à des fins militaires. Le plus grand d'entre eux :
- 1957 Accident de Kychtym, en raison d'une panne du système de stockage, une explosion s'est produite près de Kyshtym ;
- 1957, en Grande-Bretagne, dans le nord-ouest de l'Angleterre, les contrôles de sécurité n'ont pas été effectués ;
- 1979, aux États-Unis, en raison d'une fuite détectée intempestivement, une explosion et un rejet d'une centrale nucléaire se produisent ;
- 1986, tragédie de Tchernobyl, explosion de la 4e tranche ;
- 2011, accident à la gare de Fukushima, Japon.
Chacune de ces tragédies a laissé de lourdes traces sur le sort de centaines de milliers de personnes et a transformé des zones entières en zones non résidentielles soumises à un contrôle spécial.
Il y a eu des incidents qui ont failli déclencher une catastrophe nucléaire. Nucléaire soviétique sous-marins eu à bord à plusieurs reprises des accidents liés au réacteur. Les Américains ont largué un bombardier Superfortress avec à son bord deux bombes nucléaires Mark 39, d'une puissance de 3,8 mégatonnes. Mais le « système de sécurité » activé n’a pas permis aux charges d’exploser et une catastrophe a été évitée.
Les armes nucléaires passées et présentes
Aujourd’hui, il est clair pour tout le monde qu’une guerre nucléaire détruira l’humanité moderne. Pendant ce temps, le désir de posséder des armes nucléaires et d'entrer dans le club nucléaire, ou plutôt d'y faire irruption en défonçant la porte, excite encore l'esprit de certains dirigeants d'État.
L'Inde et le Pakistan ont créé des armes nucléaires sans autorisation, et les Israéliens cachent la présence d'une bombe.
Pour certains biens bombe nucléaire– une manière de prouver son importance sur la scène internationale. Pour d’autres, c’est une garantie de non-ingérence de la part d’une démocratie ailée ou d’autres facteurs externes. Mais l'essentiel est que ces réserves ne soient pas exploitées pour lesquelles elles ont été réellement créées.
Vidéo
Une bombe atomique est un projectile conçu pour produire une explosion de grande puissance suite à une libération très rapide d'énergie nucléaire (atomique).
Le principe de fonctionnement des bombes atomiques
La charge nucléaire est divisée en plusieurs parties jusqu'à des tailles critiques, de sorte que dans chacune d'elles une réaction en chaîne incontrôlée et auto-développée de fission des atomes de la substance fissile ne puisse pas commencer. Une telle réaction ne se produira que lorsque toutes les parties de la charge seront rapidement connectées en un tout. De la vitesse de fermeture pièces détachées L'intégralité de la réaction et, en fin de compte, la puissance de l'explosion en dépendent en grande partie. Pour conférer une vitesse élevée à des parties de la charge, une explosion d'un explosif conventionnel peut être utilisée. Si des parties d'une charge nucléaire sont placées dans des directions radiales à une certaine distance du centre et que des charges de TNT sont placées à l'extérieur, il est alors possible de procéder à une explosion de charges conventionnelles dirigées vers le centre de la charge nucléaire. Toutes les parties de la charge nucléaire non seulement se combineront en un seul tout à une vitesse énorme, mais seront également comprimées pendant un certain temps de tous côtés par l'énorme pression des produits d'explosion et ne pourront pas se séparer immédiatement dès qu'une explosion nucléaire la réaction en chaîne commence dans la charge. En conséquence, une fission beaucoup plus importante se produira que sans une telle compression et, par conséquent, la puissance de l'explosion augmentera. Un réflecteur à neutrons contribue également à augmenter la puissance d'explosion pour une même quantité de matière fissile (les réflecteurs les plus efficaces sont le béryllium< Be >, graphite, eau lourde< H3O >). La première fission, qui déclencherait une réaction en chaîne, nécessite au moins un neutron. Il est impossible de compter sur le déclenchement opportun d'une réaction en chaîne sous l'influence des neutrons apparaissant lors de la fission spontanée des noyaux, car cela se produit relativement rarement : pour l'U-235 - 1 désintégration par heure pour 1 g. substances. Il existe également très peu de neutrons sous forme libre dans l’atmosphère : jusqu’à S = 1 cm/². En moyenne, environ 6 neutrons passent par seconde. Pour cette raison, une source artificielle de neutrons est utilisée dans une charge nucléaire - une sorte de capsule de détonateur nucléaire. Cela garantit également que de nombreuses fissions commencent simultanément, de sorte que la réaction se déroule sous la forme d'une explosion nucléaire.
Options de détonation (schémas d'armes à feu et d'implosion)
Il existe deux schémas principaux pour faire exploser une charge fissile : le canon, autrement appelé balistique, et l'implosion.
La « conception du canon » a été utilisée dans certaines armes nucléaires de première génération. L’essence du circuit du canon est de tirer une charge de poudre à canon depuis un bloc de matière fissile de masse sous-critique (« balle ») vers un autre bloc fixe (« cible »). Les blocs sont conçus de telle sorte que lorsqu'ils sont connectés, leur masse totale devient supercritique.
Cette méthode de détonation n'est possible que dans les munitions à l'uranium, car le plutonium a un fond neutronique supérieur de deux ordres de grandeur, ce qui augmente considérablement la probabilité de développement prématuré d'une réaction en chaîne avant la connexion des blocs. Cela conduit à une libération incomplète d'énergie (appelée "fizzy", en anglais). Pour mettre en œuvre le circuit du canon dans les munitions au plutonium, il est nécessaire d'augmenter la vitesse de connexion des pièces de charge à un niveau techniquement inaccessible. , l'uranium résiste mieux aux surcharges mécaniques que le plutonium.
Schéma implosif. Ce schéma de détonation consiste à atteindre un état supercritique en comprimant la matière fissile avec une onde de choc focalisée créée par l'explosion d'un explosif chimique. Pour focaliser l'onde de choc, des lentilles dites explosives sont utilisées et la détonation est effectuée simultanément en de nombreux points avec une précision précise. La création d’un tel système de placement d’explosifs et de détonation était autrefois l’une des tâches les plus difficiles. La formation d'une onde de choc convergente a été assurée par l'utilisation de lentilles explosives à partir d'explosifs « rapides » et « lents » - TATV (Triaminotrinitrobenzène) et baratol (un mélange de trinitrotoluène avec du nitrate de baryum) et certains additifs)