Visa starpkontinentālās ballistiskās raķetes lielākā daļa, desmitiem metru un tonnas īpaši spēcīgu sakausējumu, augsto tehnoloģiju degviela un izsmalcināta elektronika ir nepieciešama tikai vienai lietai - lai nogādātu kaujas galviņu galamērķī: pusotra metra augstumā. un pie pamatnes tik resna kā cilvēka rumpis.
Apskatīsim tipisku kaujas galviņu (īstenībā starp kaujas galviņām var būt konstrukcijas atšķirības). Šis ir konuss, kas izgatavots no viegliem, izturīgiem sakausējumiem. Iekšpusē ir starpsienas, rāmji, spēka rāmis - gandrīz viss ir kā lidmašīnā. Jaudas rāmis ir pārklāts ar izturīgu metāla korpusu. Korpusam tiek uzklāts biezs karstumizturīga pārklājuma slānis. Tas ir kā senais grozs Neolīta periods, bagātīgi pārklāts ar māliem un apdedzināts cilvēka pirmajos eksperimentos ar siltumu un keramiku. Līdzību ir viegli izskaidrot: gan grozam, gan kaujas galviņai ir jāiztur ārējs karstums.
Konusa iekšpusē, kas piestiprināti pie saviem “sēdvietām”, ir divi galvenie “pasažieri”, kuru dēļ viss tika sākts: kodoltermiskais lādiņš un lādiņa vadības bloks jeb automatizācijas bloks. Tie ir pārsteidzoši kompakti. Automatizācijas bloks ir piecu litru marinētu gurķu burkas lielumā, un lādiņš ir parasta dārza spaiņa lielumā. Smags un smags, bundžas un spaiņa savienojums eksplodēs trīssimt piecdesmit līdz četrsimt kilotonnu. Divus pasažierus savā starpā savieno savienojums, piemēram, Siāmas dvīņi, un caur šo savienojumu viņi pastāvīgi kaut ko apmainās. Viņu dialogs turpinās visu laiku, pat tad, kad raķete pilda kaujas pienākumus, pat tad, kad šie dvīņi tikko tiek transportēti no ražotnes.
Ir arī trešais pasažieris - vienība kaujas galviņas kustības mērīšanai vai vispārējai tās lidojuma kontrolei. IN pēdējais gadījums kaujas galviņā ir iebūvētas darba vadības ierīces, kas ļauj mainīt trajektoriju. Piemēram, pneimatisko sistēmu vai pulvera sistēmu iedarbināšana. Un arī borta elektrotīkls ar barošanas blokiem, sakaru līnijām ar skatuvi, aizsargātu vadu un savienotāju veidā, aizsardzība pret elektromagnētiskajiem impulsiem un termostata sistēma - uzturot nepieciešamo uzlādes temperatūru.
Tehnoloģija, ar kuras palīdzību kaujas galviņas tiek atdalītas no raķetes un iestatītas uz savu kursu, ir atsevišķas liela tēma, par kuru jūs varat rakstīt grāmatas.
Vispirms paskaidrosim, kas ir “tikai kaujas vienība”. Šī ir ierīce, kurā fiziski atrodas kodoltermiskais lādiņš uz starpkontinentālās ballistiskās raķetes. Raķetei ir tā sauktā kaujas galviņa, kurā var būt viena, divas vai vairākas kaujas galviņas. Ja tās ir vairākas, kaujas galviņu sauc par vairāku kaujas galviņu (MIRV).
MIRV iekšpusē atrodas ļoti sarežģīta vienība (to sauc arī par atvienošanas platformu), kas pēc palaišanas ar nesējraķeti ārpus atmosfēras sāk veikt vairākas ieprogrammētas darbības individuālai vadībai un kaujas galviņu atdalīšanai, kas atrodas tas; kosmosā no blokiem un mānekļiem būvē kaujas formējumus, kas arī sākotnēji atrodas uz platformas. Tādējādi katrs bloks tiek novietots uz trajektorijas, kas nodrošina, ka tas sasniedz noteiktu mērķi uz Zemes virsmas.
Kaujas vienības ir dažādas. Tos, kas pārvietojas pa ballistiskajām trajektorijām pēc atdalīšanas no platformas, sauc par nekontrolējamiem. Kontrolējamās kaujas galviņas pēc atdalīšanas sāk "dzīvot savu dzīvi". Tie ir aprīkoti ar stāvokļa kontroles dzinējiem manevrēšanai kosmosā, aerodinamiskām vadības virsmām lidojuma vadīšanai atmosfērā, tiem ir inerciālā vadības sistēma uz kuģa, vairākas skaitļošanas ierīces, radars ar savu datoru... Un, protams, kaujas lādiņš.
Praktiski vadāmā kaujas galviņa apvieno bezpilota kosmosa kuģa un hiperskaņas bezpilota lidaparāta īpašības. Šai ierīcei visas darbības jāveic gan kosmosā, gan lidojuma laikā atmosfērā autonomi.
Pēc atdalīšanas no audzēšanas platformas kaujas galviņa salīdzinoši ilgu laiku lido ļoti lielā augstumā – kosmosā. Šobrīd vienības vadības sistēma veic virkni pārorientāciju, lai radītu apstākļus precīzai savu kustības parametru noteikšanai, atvieglojot pretraķešu iespējamo kodolsprādzienu zonas pārvarēšanu...
Pirms nokļūšanas atmosfēras augšējos slāņos borta dators aprēķina nepieciešamo kaujas galviņas orientāciju un veic to. Aptuveni tajā pašā laika posmā notiek sesijas, lai, izmantojot radaru, noteiktu faktisko atrašanās vietu, kam arī jāveic vairāki manevri. Tad tiek izšauta lokatora antena, un kaujas galviņai sākas kustības atmosfēras daļa.
Zem kaujas galviņas priekšā atrodas milzīgs, kontrastējoši spīdošs no draudīgi liela augstuma, pārklāts ar zilu skābekļa dūmu, pārklāts ar aerosola suspensijām, plašais un neierobežotais piektais okeāns. Lēnām un tikko pamanāmi pagriežoties no atdalīšanas atlikušajām sekām, kaujas galviņa turpina nolaisties pa maigu trajektoriju. Bet tad ļoti neparasts vējiņš maigi iepūta viņas virzienā. Viņš to nedaudz pieskārās - un tas kļuva pamanāms, pārklājot ķermeni ar plānu, atkāpšanos gaiši balti zilu mirdzumu. Šis vilnis ir elpu aizraujoši augsts, taču tas vēl nededzina kaujas galviņu, jo ir pārāk ēterisks. Vējš, kas pūš pāri kaujas galviņai, ir elektriski vadošs. Konusa ātrums ir tik liels, ka tas ar savu triecienu burtiski sasmalcina gaisa molekulas elektriski lādētos fragmentos, un notiek gaisa triecienjonizācija. Šo plazmas vēju sauc par augsta Maha skaitļa hiperskaņas plūsmu, un tās ātrums divdesmit reizes pārsniedz skaņas ātrumu.
Lielā retuma dēļ vējš pirmajās sekundēs ir gandrīz nemanāms. Pieaugot un kļūstot blīvākam, nonākot dziļāk atmosfērā, tas sākotnēji uzkarst vairāk nekā rada spiedienu uz kaujas galviņu. Bet pamazām tas sāk ar spēku saspiest viņas konusu. Plūsma vispirms pagriež kaujas galviņas degunu. Tas neizvēršas uzreiz - konuss nedaudz šūpojas uz priekšu un atpakaļ, pamazām palēninot tās svārstības, un beidzot stabilizējas.
Kondensējoties lejup, plūsma izdara arvien lielāku spiedienu uz kaujas galviņu, palēninot tās lidojumu. Kad tas palēninās, temperatūra pakāpeniski samazinās. Sākot ar ieraksta sākuma milzīgajām vērtībām, zili baltā mirdzuma desmitiem tūkstošu kelvinu līdz dzeltenbaltam mirdzumam piecu līdz sešu tūkstošu grādu robežās. Tā ir Saules virsmas slāņu temperatūra. Spīdēšana kļūst žilbinoša, jo strauji palielinās gaisa blīvums, un līdz ar to arī siltums ieplūst kaujas galviņas sienās. Karstumaizsargājošais pārklājums pārogļojas un sāk degt.
Tas nedeg no berzes ar gaisu, kā bieži tiek nepareizi teikts. Milzīgā hiperskaņas kustības ātruma dēļ (tagad piecpadsmit reizes ātrāks par skaņu) gaisā no ķermeņa augšdaļas atdalās vēl viens konuss - triecienvilnis, it kā aptverot kaujas galviņu. Ieplūstošais gaiss, nonākot triecienviļņu konusā, tiek uzreiz daudzkārt saspiests un cieši piespiests kaujas lādiņa virsmai. No pēkšņas, momentānas un atkārtotas saspiešanas tā temperatūra uzreiz paaugstinās līdz vairākiem tūkstošiem grādu. Iemesls tam ir notiekošā trakais ātrums, procesa ārkārtējais dinamisms. Gāzes dinamiska plūsmas saspiešana, nevis berze, ir tas, kas tagad sasilda kaujas galviņas malas.
Sliktākā daļa ir deguns. Tur veidojas vislielākais pretplūstošās plūsmas sablīvējums. Šī blīvējuma laukums nedaudz virzās uz priekšu, it kā atvienotos no ķermeņa. Un tas paliek priekšā, iegūstot biezas lēcas vai spilvena formu. Šo veidojumu sauc par "atdalītu priekšgala triecienvilni". Tas ir vairākas reizes biezāks nekā pārējā triecienviļņu konusa virsma ap kaujas galviņu. Šeit pretimnākošās plūsmas frontālā saspiešana ir visspēcīgākā. Tāpēc atvienotajam priekšgala triecienvilnim ir visaugstākā temperatūra un augstākais siltuma blīvums. Šī mazā saule apdedzina kaujas galviņas degunu starojošā veidā – izceļot, izstarot siltumu tieši korpusa degunā un izraisot smagus deguna apdegumus. Tāpēc ir biezākais termiskās aizsardzības slānis. Tas ir priekšgala triecienvilnis, kas tumšā naktī apgaismo apgabalu daudzu kilometru garumā ap atmosfērā lidojošu kaujas galviņu.
Savieno viens mērķis
Kodoltermiskais lādiņš un vadības bloks nepārtraukti sazinās viens ar otru. Šis "dialogs" sākas tūlīt pēc kaujas galviņas uzstādīšanas uz raķetes, un tas beidzas tajā brīdī kodolsprādziens. Visu šo laiku vadības sistēma sagatavo lādiņu darbībai, tāpat kā treneris sagatavo bokseri svarīgai cīņai. Un īstajā brīdī viņš dod pēdējo un vissvarīgāko komandu.
Kad raķete tiek nodota kaujas dienestam, tās lādiņš tiek aprīkots pilnā konfigurācijā: tiek uzstādīts impulsa neitronu aktivators, detonatori un cits aprīkojums. Bet viņš vēl nav gatavs sprādzienam. Kodolraķetes glabāšana tvertnē vai mobilajā palaišanas ierīcē gadu desmitiem, kas ir gatava jebkurā brīdī eksplodēt, ir vienkārši bīstami.
Tāpēc lidojuma laikā vadības sistēma lādiņu novieto eksplozijas gatavības stāvoklī. Tas notiek pakāpeniski, izmantojot sarežģītus secīgus algoritmus, kuru pamatā ir divi galvenie nosacījumi: kustības uzticamība uz mērķi un procesa kontrole. Ja kāds no šiem faktoriem novirzās no aprēķinātajām vērtībām, sagatavošana tiks pārtraukta. Elektronika pārnes lādiņu uz arvien augstāku gatavības pakāpi, lai dotu komandu darboties aprēķinātajā punktā.
Un, kad no vadības bloka nāk pilnībā sagatavots lādiņš, lai detonētu, sprādziens notiks nekavējoties, acumirklī. Snaipera lodes ātrumā lidojoša kaujas galviņa nobrauks vien pāris simtdaļas milimetra, nepaspējot telpā nobīdīt pat cilvēka mata biezumu, kad tā lādiņā sākas, attīstās, pilnībā pāriet un pāriet kodoltermiskā reakcija. ir pabeigta, atbrīvojot visu parasto jaudu.
Ļoti mainījusies gan ārpusē, gan iekšpusē, kaujas galviņa nonāca troposfērā - pēdējos desmit augstuma kilometros. Viņa ļoti palēnināja ātrumu. Hiperskaņas lidojums ir deģenerējies līdz virsskaņas ātrumam no trim līdz četrām Maha vienībām. Kaujas galviņa jau blāvi spīd, izgaist un tuvojas mērķa punktam.
Sprādziens uz Zemes virsmas tiek plānots reti – tikai zemē apraktiem objektiem, piemēram, raķešu tvertnēm. Lielākā daļa mērķu atrodas uz virsmas. Un to lielākajai iznīcināšanai detonācija tiek veikta noteiktā augstumā atkarībā no lādiņa jaudas. Taktiskajiem divdesmit kilotoniem tas ir 400-600 m Stratēģiskai megatonai optimālais sprādziena augstums ir 1200 m. Sprādziens izraisa divu viļņu pārvietošanos pa teritoriju. Tuvāk epicentram sprādziena vilnis skars agrāk. Tas nokritīs un atspīdēs, atsitoties uz sāniem, kur saplūdīs ar svaigo vilni, kas tikko atnācis šeit no augšas, no sprādziena punkta. Divi viļņi, kas krīt no sprādziena centra un atstarojas no virsmas, summējas, veidojot visspēcīgāko triecienvilni zemes slānī, galvenais faktors sakāves.
Testa palaišanas laikā kaujas galviņa parasti netraucēti sasniedz zemi. Uz kuģa atrodas pussimts smagu sprāgstvielu, kuras, krītot, tiek detonētas. Priekš kam? Pirmkārt, kaujas galviņa ir slepens objekts, un pēc lietošanas tā ir droši jāiznīcina. Otrkārt, tas nepieciešams testēšanas vietas mērīšanas sistēmām - ātrai trieciena punkta noteikšanai un noviržu mērīšanai.
Vairāku metru smēķējošs krāteris pabeidz attēlu. Bet pirms tam pāris kilometrus pirms trieciena no testa kaujas lādiņa tiek izšauta bruņu glabāšanas kasete, kas fiksē visu, kas lidojuma laikā tika ierakstīts uz klāja. Šis bruņu zibatmiņas disks pasargās pret borta informācijas zudumu. Viņa tiks atrasta vēlāk, kad ieradīsies helikopters ar īpašu meklēšanas grupu. Un viņi fiksēs fantastiskā lidojuma rezultātus.
Ir uzrakstīts simtiem grāmatu par lielvaru kodolkonfrontācijas vēsturi un pirmo kodolbumbu izstrādi. Bet par mūsdienu kodolieročiem ir daudz mītu. “Populārā mehānika” nolēma noskaidrot šo jautājumu un pastāstīt, kā darbojas vispostošākais cilvēka izgudrotais ierocis.
Sprādzienbīstams raksturs
Urāna kodols satur 92 protonus. Dabiskais urāns galvenokārt ir divu izotopu maisījums: U238 (kura kodolā ir 146 neitroni) un U235 (143 neitroni), un tikai 0,7% no pēdējiem ir dabiskajā urānā. Izotopu ķīmiskās īpašības ir absolūti identiskas, tāpēc ar ķīmiskām metodēm tos atdalīt nav iespējams, taču masu atšķirība (235 un 238 vienības) ļauj to izdarīt ar fizikālām metodēm: urāna maisījumu pārvērš gāzē (urānā). heksafluorīds), un pēc tam sūknēts caur neskaitāmām porainām starpsienām. Lai gan urāna izotopus nevar atšķirt ne ar vienu izskats, ne arī ķīmiski, tos atdala bezdibenis kodolrakstu īpašībās.
U238 skaldīšanas process ir apmaksāts process: neitronam, kas ierodas no ārpuses, ir jānes līdzi enerģija - 1 MeV vai vairāk. Un U235 ir nesavtīgs: no ienākošā neitrona nekas nav vajadzīgs ierosināšanai un sekojošai sabrukšanai, tā saistīšanas enerģija kodolā ir pilnīgi pietiekama.
Kad to skar neitroni, urāna-235 kodols viegli sadalās, radot jaunus neitronus. Noteiktos apstākļos sākas ķēdes reakcija.
Kad neitrons ietriecas kodolā, kas spēj skaldīties, veidojas nestabils savienojums, taču ļoti ātri (pēc 10-23-10-22 s) šāds kodols sadalās divos nevienādos masas fragmentos un “acumirklī” (10 laikā). −16−10−14 c) izstaro divus vai trīs jaunus neitronus, lai laika gaitā skaldāmo kodolu skaits varētu vairoties (šo reakciju sauc par ķēdes reakciju). Tas ir iespējams tikai U235, jo mantkārīgais U238 nevēlas dalīties no saviem neitroniem, kuru enerģija ir par kārtu mazāka par 1 MeV. Sadalīšanās produktu daļiņu kinētiskā enerģija ir daudzkārt lielāka par enerģiju, kas izdalās jebkuras ķīmiskas reakcijas laikā, kurā nemainās kodolu sastāvs.
Metāliskais plutonijs pastāv sešās fāzēs, kuru blīvums svārstās no 14,7 līdz 19,8 kg/cm 3 . Temperatūrā zem 119 grādiem pēc Celsija ir monoklīniskā alfa fāze (19,8 kg/cm 3), taču šāds plutonijs ir ļoti trausls, un kubiskā seja centrētajā delta fāzē (15,9) tas ir plastisks un labi apstrādāts (tas ir šis). fāze, kuru viņi cenšas saglabāt, izmantojot leģējošas piedevas). Detonācijas saspiešanas laikā nevar notikt fāzes pārejas — plutonijs atrodas gandrīz šķidrā stāvoklī. Fāzu pārejas ražošanas laikā ir bīstamas: ar lielām detaļām pat ar nelielām blīvuma izmaiņām var sasniegt kritisko stāvokli. Protams, tas notiks bez sprādziena - sagatave vienkārši uzkarsīs, bet var izdalīties niķeļa pārklājums (un plutonijs ir ļoti toksisks).
Kritiskā montāža
Sadalīšanās produkti ir nestabili, un tiem nepieciešams ilgs laiks, lai “atkoptos”, izdalot dažādus starojumus (tostarp neitronus). Neitronus, kas tiek emitēti ievērojamu laiku (līdz desmitiem sekunžu) pēc skaldīšanas, sauc par aizkavētiem, un, lai gan to īpatsvars ir neliels, salīdzinot ar momentānajiem (mazāk par 1%), to loma kodoliekārtu darbībā ir vislielākā. svarīgi.
Sprādzienbīstamās lēcas radīja saplūstošu vilni. Uzticamību nodrošināja detonatoru pāris katrā blokā.
Sadalīšanās produkti daudzu sadursmju laikā ar apkārtējiem atomiem atdod tiem savu enerģiju, paaugstinot temperatūru. Pēc neitronu parādīšanās mezglā ar skaldāmo materiālu siltuma izdalīšanas jauda var palielināties vai samazināties, un mezgla parametrus, kurā skaldīšanas gadījumu skaits laika vienībā ir nemainīgs, sauc par kritiskiem. Montāžas kritiskumu var uzturēt gan ar lielu, gan mazu neitronu skaitu (ar attiecīgi lielāku vai mazāku siltuma izdalīšanas jaudu). Siltuma jauda tiek palielināta, vai nu iesūknējot papildu neitronus kritiskajā mezglā no ārpuses, vai arī padarot mezglu superkritisku (tad papildu neitronus piegādā arvien vairāk skaldāmo kodolu paaudzes). Piemēram, ja nepieciešams palielināt reaktora siltuma jaudu, tas tiek novests uz režīmu, kurā katra tūlītējo neitronu paaudze ir nedaudz mazāka nekā iepriekšējā, bet, pateicoties aizkavētajiem neitroniem, reaktors tikko manāmi pāriet uz reaktoru. kritiskais stāvoklis. Tad tas nepaātrinās, bet lēnām iegūst jaudu – lai tā pieaugumu īstajā brīdī varētu apturēt, ieviešot neitronu absorbētājus (kadmiju vai boru saturošus stieņus).
Plutonija komplektu (sfērisku slāni centrā) ieskauj urāna-238 apvalks un pēc tam alumīnija slānis.
Neitroni, kas rodas skaldīšanas laikā, bieži lido garām apkārtējiem kodoliem, neizraisot turpmāku skaldīšanu. Jo tuvāk materiāla virsmai rodas neitrons, jo lielāka iespēja, ka tas izkļūs no skaldāmā materiāla un vairs neatgriezīsies. Tāpēc montāžas forma, taupīšana lielākais skaitlis neitroni ir sfēra: noteiktai vielas masai tai ir minimālais virsmas laukums. Neieskauta (vientuļa) bumba no 94% U235 bez dobumiem iekšpusē kļūst kritiska ar masu 49 kg un rādiusu 85 mm. Ja tā paša urāna komplekts ir cilindrs, kura garums ir vienāds ar diametru, tas kļūst kritisks ar masu 52 kg. Arī virsmas laukums samazinās, palielinoties blīvumam. Tāpēc sprādzienbīstama saspiešana, nemainot skaldāmā materiāla daudzumu, var novest komplektu kritiskā stāvoklī. Tieši šis process ir kodollādiņa kopējās konstrukcijas pamatā.
Pirmie kodolieroči izmantoja poloniju un beriliju (centrā) kā neitronu avotus.
Bumbu montāža
Bet visbiežāk kodolieročos tiek izmantots nevis urāns, bet gan plutonijs-239. To ražo reaktoros, apstarojot urānu-238 ar jaudīgām neitronu plūsmām. Plutonijs maksā apmēram sešas reizes vairāk nekā U235, bet, kad tas sadalās, Pu239 kodols izstaro vidēji 2,895 neitronus — vairāk nekā U235 (2,452). Turklāt plutonija skaldīšanas iespējamība ir lielāka. Tas viss noved pie tā, ka vientuļa Pu239 bumba kļūst kritiska ar gandrīz trīs reizes mazāku masu nekā urāna lode, un pats galvenais - ar mazāku rādiusu, kas ļauj samazināt kritiskā mezgla izmērus.
Alumīnija slānis tika izmantots, lai samazinātu retināšanas vilni pēc sprāgstvielas detonācijas.
Montāža ir izgatavota no divām rūpīgi piestiprinātām pusēm sfēriska slāņa veidā (iekšpusē doba); tas ir acīmredzami zemkritisks - pat termiskiem neitroniem un pat pēc moderatora ielenkuma. Ap ļoti precīzi uzstādītu sprāgstvielu bloku komplektu ir uzstādīts lādiņš. Lai glābtu neitronus, sprādziena laikā ir jāsaglabā lodes cēlā forma - lai to panāktu, sprāgstvielas slānis ir jādetonē vienlaikus visā tā garumā. ārējā virsma, vienmērīgi nospiežot mezglu. Plaši tiek uzskatīts, ka tas prasa daudz elektrisko detonatoru. Bet tas tā bija tikai "bumbas konstruēšanas" rītausmā: lai iedarbinātu vairākus desmitus detonatoru, bija nepieciešams daudz enerģijas un ievērojams iedarbināšanas sistēmas izmērs. Mūsdienu lādiņos izmantoti vairāki pēc speciālas tehnikas izvēlēti, pēc īpašībām līdzīgi detonatori, no kuriem polikarbonāta slānī izfrēzētās rievās (kuru forma uz sfēriskas virsmas tiek aprēķināta, izmantojot Rīmaņa ģeometriju) tiek iedarbinātas ļoti stabilas (detonācijas ātruma ziņā) sprāgstvielas. metodes). Detonācija ar ātrumu aptuveni 8 km/s virzīsies pa rievām absolūti vienādos attālumos, vienā un tajā pašā laika momentā nonāks bedrēs un detonēs galveno lādiņu - vienlaicīgi visos nepieciešamajos punktos.
Attēlos parādīti pirmie kodollādiņa ugunsbumbas dzīves mirkļi - starojuma difūzija (a), karstās plazmas izplešanās un “pūslīšu” veidošanās (b) un starojuma jaudas palielināšanās redzamajā diapazonā atdalīšanas laikā. triecienvilnis (c).
Sprādziens iekšā
Uz iekšu vērstais sprādziens saspiež mezglu ar spiedienu, kas pārsniedz miljonu atmosfēru. Montāžas virsma samazinās, plutonijā gandrīz pazūd iekšējais dobums, palielinās blīvums, un ļoti ātri - desmit mikrosekunžu laikā saspiežamais mezgls iziet kritisko stāvokli ar termiskajiem neitroniem un kļūst ievērojami superkritisks ar ātrajiem neitroniem.
Pēc perioda, ko nosaka nenozīmīgs ātro neitronu nenozīmīgas palēnināšanās laiks, katra jaunā, daudzskaitlīgākā to paaudze dalīšanās ceļā pievieno 202 MeV enerģiju kompleksa vielai, kas jau tā pārsprāgst ar zvērīgiem. spiedienu. Notiekošo parādību mērogā pat vislabāko leģēto tēraudu izturība ir tik niecīga, ka nevienam neienāk prātā to ņemt vērā, aprēķinot sprādziena dinamiku. Vienīgais, kas neļauj mezglam izlidot, ir inerce: lai plutonija lodi paplašinātu tikai par 1 cm desmitos nanosekundēs, vielai ir jāpiešķir paātrinājums, kas ir desmitiem triljonu reižu lielāks nekā paātrinājums. brīvā kritiena, un tas nav viegli.
Galu galā matērija tomēr izkliedējas, skaldīšanās apstājas, taču process ar to nebeidzas: enerģija tiek pārdalīta starp atdalīto kodolu jonizētajiem fragmentiem un citām dalīšanās laikā izdalītajām daļiņām. Viņu enerģija ir desmitiem un pat simtiem MeV, bet tikai elektriski neitrāliem augstas enerģijas gamma kvantiem un neitroniem ir iespēja izvairīties no mijiedarbības ar vielu un “aizbēgt”. Uzlādētās daļiņas ātri zaudē enerģiju sadursmju un jonizācijas aktos. Šajā gadījumā tiek izstarots starojums - tomēr tas vairs nav ciets kodolstarojums, bet gan mīkstāks, ar enerģiju par trim kārtām zemāku, bet tomēr vairāk nekā pietiekams, lai izsistītu elektronus no atomiem - ne tikai no ārējiem apvalkiem, bet no visa kopumā. Nonāk tukšu kodolu, atdalītu elektronu un starojuma maisījums ar blīvumu grami uz kubikcentimetru (mēģiniet iedomāties, cik labi jūs varat iedegties gaismā, kas ieguvusi alumīnija blīvumu!) - viss, kas pirms brīža bija lādiņš. kaut kāda līdzsvara līdzība. Ļoti jaunā ugunsbumbā temperatūra sasniedz desmitiem miljonu grādu.
Ugunsbumba
Šķiet, ka pat mīkstam starojumam, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu, vajadzētu atstāt matēriju, kas to radīja, tālu aiz muguras, taču tas tā nav: aukstā gaisā Kev enerģiju kvantu diapazons ir centimetri, un tie nepārvietojas taisna līnija, bet mainīt kustības virzienu, atkārtoti izstarot ar katru mijiedarbību. Kvanti jonizē gaisu un izplatās pa to, piemēram, ķiršu sulu, kas ielej glāzē ūdens. Šo parādību sauc par starojuma difūziju.
Jaunas 100 kt sprādziena ugunsbumbai dažas desmitus nanosekundes pēc skaldīšanas pārrāvuma beigām ir 3 m rādiuss un gandrīz 8 miljoni Kelvinu. Bet pēc 30 mikrosekundēm tā rādiuss ir 18 m, lai gan temperatūra nokrītas zem miljona grādiem. Bumba aprij telpu, un jonizētais gaiss aiz tās priekšpuses gandrīz nekustas: difūzijas laikā starojums tai nevar pārnest ievērojamu impulsu. Bet tas iesūknē milzīgu enerģiju šajā gaisā, sildot to, un, kad starojuma enerģija beidzas, bumbiņa sāk augt karstās plazmas izplešanās dēļ, no iekšpuses pārsprāgstot ar to, kas agrāk bija lādiņš. Paplašinoties, līdzīgi kā uzpūstam burbulim, plazmas apvalks kļūst plānāks. Atšķirībā no burbuļa, protams, nekas to neuzpūš: ar iekšā Matērijas gandrīz vairs nav, tas viss lido no centra pēc inerces, bet 30 mikrosekundes pēc sprādziena šī lidojuma ātrums ir vairāk nekā 100 km/s, un hidrodinamiskais spiediens matērijā ir vairāk nekā 150 000 atm! Apvalkam nav lemts kļūt pārāk plānai, tas plīst, veidojot “tulznas”.
Vakuuma neitronu caurulē starp ar tritiju piesātinātu mērķi (katodu) 1 un anoda bloku 2 tiek pielikts simts kilovoltu impulsa spriegums. Kad spriegums ir maksimālais, starp anodu un katodu jāatrodas deitērija joniem, kas jāpaātrina. Šim nolūkam tiek izmantots jonu avots. Uz tā anoda 3 tiek uzlikts aizdedzes impulss, un izlāde, kas iet pa deitērija piesātinātās keramikas 4 virsmu, veido deitērija jonus. Paātrinājušies, tie bombardē ar tritiju piesātinātu mērķi, kā rezultātā tiek atbrīvota enerģija 17,6 MeV un veidojas neitroni un hēlija-4 kodoli. Daļiņu sastāva un vienmērīgas enerģijas izvades ziņā šī reakcija ir identiska saplūšanai – vieglo kodolu saplūšanas procesam. Piecdesmitajos gados daudzi tā ticēja, bet vēlāk izrādījās, ka caurulē notiek “pārtraukums”: vai nu protons, vai neitrons (kas veido deitērija jonu, ko paātrina elektriskais lauks) “iestrēgst” mērķī. kodols (tritijs). Ja protons iestrēgst, neitrons atdalās un kļūst brīvs.
Kurš no ugunsbumbas enerģijas pārraides mehānismiem vidi dominē, ir atkarīgs no sprādziena jaudas: ja tas ir liels, galvenā loma ir starojuma difūzijai, ja tā ir maza, liela nozīme ir plazmas burbuļa paplašināšanai; Ir skaidrs, ka ir iespējams arī starpgadījums, kad abi mehānismi ir efektīvi.
Process uztver jaunus gaisa slāņus, vairs nav pietiekami daudz enerģijas, lai atdalītu visus elektronus no atomiem. Jonizētā slāņa enerģija un plazmas burbuļa fragmenti vairs nespēj kustināt sev priekšā esošo milzīgo masu un manāmi palēninās. Bet tas, kas bija gaiss pirms sprādziena kustas, atraujoties no bumbas, uzņemot arvien jaunus aukstā gaisa slāņus... Sākas triecienviļņa veidošanās.
Trieciena vilnis un atomsēne
Trieciena vilnim atdaloties no ugunsbumbas, mainās izstarojošā slāņa raksturlielumi un strauji palielinās starojuma jauda spektra optiskajā daļā (tā sauktais pirmais maksimums). Tālāk sacenšas apgaismojuma procesi un apkārtējā gaisa caurspīdīguma izmaiņas, kā rezultātā tiek realizēts otrais maksimums, mazāk jaudīgs, bet daudz ilgāks - tik daudz, ka gaismas enerģijas izvade ir lielāka nekā pirmajā maksimumā. .
Sprādziena tuvumā viss ap to iztvaiko, tālāk kūst, bet vēl tālāk, kur siltuma plūsma vairs nav pietiekama kušanai cietvielas, augsne, akmeņi, mājas plūst kā šķidrums zem milzīgā gāzes spiediena, iznīcinot visas stiprās saites, uzkarsējot līdz acīm nepanesamam spožumam.
Visbeidzot triecienvilnis iet tālu no sprādziena punkta, kur paliek irdens un novājināts, bet daudzkārt paplašināts kondensētu tvaiku mākonis, kas no lādiņa plazmas pārvērtās par sīkiem un ļoti radioaktīviem putekļiem. savā briesmīgajā stundā bija tuvu vietai, no kuras vajadzētu palikt pēc iespējas tālāk. Sāk celties mākonis. Tas atdziest, mainot savu krāsu, “uzliek” baltu kondensētā mitruma vāciņu, kam seko putekļi no zemes virsmas, veidojot “kāju” tai, ko parasti sauc par “atomu sēnēm”.
Neitronu iniciācija
Uzmanīgi lasītāji ar zīmuli rokās var novērtēt enerģijas izdalīšanos sprādziena laikā. Ja laiks, kad iekārta atrodas superkritiskā stāvoklī, ir mikrosekunžu kārtībā, neitronu vecums ir pikosekundēs un reizināšanas koeficients ir mazāks par 2, tiek atbrīvots aptuveni gigadžouls enerģijas, kas ir līdzvērtīgs ... 250 kg trotila. Kur ir kilo un megatonnas?
Neitroni - lēni un ātri
Nesadalāmā vielā, “atlecot” no kodoliem, neitroni nodod tiem daļu savas enerģijas, jo lielāks ir vieglāks (masas ziņā tiem tuvāks) kodols. Jo vairāk neitroni piedalās sadursmēs, jo vairāk tie palēninās, un visbeidzot tie nonāk termiskā līdzsvarā ar apkārtējo vielu – tiek termiski apstrādāti (tas aizņem milisekundes). Termiskā neitronu ātrums ir 2200 m/s (enerģija 0,025 eV). Neitroni var izkļūt no moderatora un tos uztver tā kodoli, bet ar mērenību to spēja iesaistīties kodolreakcijās ievērojami palielinās, tāpēc neitroni, kas “nezaudē” vairāk nekā kompensē skaita samazināšanos.
Tādējādi, ja skaldmateriāla bumbiņu ieskauj moderators, daudzi neitroni atstās vai absorbēsies tajā, bet būs arī tādi, kas atgriezīsies lodītē (“atspīdēs”) un, zaudējuši enerģiju, ir daudz lielāka iespēja izraisīt skaldīšanas notikumus. Ja bumbiņu ieskauj 25 mm biezs berilija slānis, tad var ietaupīt 20 kg U235 un tomēr sasniegt montāžas kritisko stāvokli. Taču šādi ietaupījumi rodas uz laika rēķina: katrai nākamajai neitronu paaudzei vispirms ir jāpalēninās, pirms izraisa skaldīšanu. Šī kavēšanās samazina neitronu paaudžu skaitu, kas dzimuši laika vienībā, kas nozīmē, ka enerģijas izdalīšanās tiek aizkavēta. Jo mazāk skaldāmo materiālu komplektā, jo vairāk ir nepieciešams moderators, lai attīstītu ķēdes reakciju, un skaldīšana notiek ar arvien mazākas enerģijas neitroniem. Ārkārtējā gadījumā, kad kritiskums tiek panākts tikai ar termiskiem neitroniem, piemēram, urāna sāļu šķīdumā labā moderatorā - ūdenī, mezglu masa ir simtiem gramu, bet šķīdums vienkārši periodiski uzvārās. Izdalītie tvaika burbuļi samazina skaldāmās vielas vidējo blīvumu, ķēdes reakcija apstājas, un, kad burbuļi atstāj šķidrumu, skaldīšanas uzliesmojums atkārtojas (ja aizsērēsiet trauku, tvaiks to pārplīsīs - bet tas būs termisks sprādziens, bez visām tipiskajām “kodolenerģijas” pazīmēm).
Fakts ir tāds, ka dalīšanās ķēde mezglā nesākas ar vienu neitronu: vajadzīgajā mikrosekundē tie tiek ievadīti superkritiskajā mezglā miljoniem. Pirmajos kodollādiņos šim nolūkam tika izmantoti izotopu avoti, kas atradās dobumā plutonija mezgla iekšpusē: polonijs-210 saspiešanas brīdī apvienojās ar beriliju un izraisīja neitronu emisiju ar tā alfa daļiņām. Bet visi izotopu avoti ir diezgan vāji (pirmais amerikāņu produkts radīja mazāk nekā miljonu neitronu mikrosekundē), un polonijs ir ļoti ātri bojājas — tas samazina savu aktivitāti uz pusi tikai 138 dienās. Tāpēc izotopi tika aizstāti ar mazāk bīstamiem (kas neizdala, kad tie nav ieslēgti), un galvenais, neitronu lampas, kas izstaro intensīvāk (skat. sānjoslu): dažās mikrosekundēs (caurules radītais impulss ilgst tik ilgi ), dzimst simtiem miljonu neitronu. Bet, ja tas nedarbojas vai darbojas nepareizā laikā, notiks tā sauktais sprādziens vai “zilch” — mazjaudas termiskais sprādziens.
Neitronu ierosināšana ne tikai palielina kodolsprādziena enerģijas izdalīšanos par daudzām kārtām, bet arī dod iespēju to regulēt! Ir skaidrs, ka, saņemot kaujas misiju, iestatot, ir jānorāda jauda kodoltrieciens, neviens neizjauc lādiņu, lai aprīkotu to ar plutonija komplektu, kas ir optimāls konkrētai jaudai. Munīcijā ar pārslēdzamu TNT ekvivalentu pietiek vienkārši nomainīt neitronu caurules barošanas spriegumu. Attiecīgi mainīsies neitronu iznākums un enerģijas izdalīšanās (protams, tādā veidā samazinot jaudu, tiek iztērēts daudz dārgā plutonija).
Bet viņi sāka domāt par nepieciešamību regulēt enerģijas izdalīšanos daudz vēlāk un pirmajā pēckara gadi par jaudas samazināšanu nevarēja būt ne runas. Spēcīgāks, spēcīgāks un spēcīgāks! Bet izrādījās, ka subkritiskās sfēras pieļaujamajiem izmēriem ir kodolfiziski un hidrodinamiski ierobežojumi. TNT ekvivalents simts kilotonnu sprādzienam ir tuvu fiziskai robežai vienfāzes munīcijai, kurā notiek tikai skaldīšanās. Rezultātā skaldīšana tika atmesta kā galvenais enerģijas avots, un viņi paļāvās uz citas klases reakcijām - kodolsintēzi.
Lai izprastu kodolreaktora darbības principu un uzbūvi, jums ir jāveic īsa ekskursija pagātnē. Kodolreaktors ir gadsimtiem sens, lai arī līdz galam neīstenots cilvēces sapnis par neizsmeļamu enerģijas avotu. Tās senais “ciltstēvs” ir no sausiem zariem veidots ugunskurs, kas kādreiz apgaismoja un sildīja alas velves, kur mūsu tālie senči atrada glābiņu no aukstuma. Vēlāk cilvēki apguva ogļūdeņražus – ogles, slānekli, naftu un dabasgāzi.
Sākās vētrains, bet īslaicīgs tvaika laikmets, kuru nomainīja vēl fantastisks elektrības laikmets. Pilsētas piepildīja gaisma, un darbnīcas piepildīja līdz šim neredzētu elektromotoru darbināmu mašīnu dūkoņa. Tad šķita, ka progress ir sasniedzis savu apogeju.
Viss mainījās 19. gadsimta beigās, kad franču ķīmiķis Antuāns Anrī Bekerels nejauši atklāja, ka urāna sāļi ir radioaktīvi. 2 gadus vēlāk viņa tautieši Pjērs Kirī un viņa sieva Marija Sklodovska-Kirī ieguva no viņiem rādiju un poloniju, un viņu radioaktivitātes līmenis bija miljoniem reižu augstāks nekā torija un urāna radioaktivitātes līmenis.
Stafeti paņēma Ernests Raterfords, kurš detalizēti pētīja radioaktīvo staru būtību. Tā sākās atoma laikmets, kas dzemdēja savu mīļoto bērnu – atomreaktoru.
Pirmais kodolreaktors
“Firstborn” nāk no ASV. 1942. gada decembrī pirmo strāvu radīja reaktors, kas tika nosaukts tā radītāja, viena no izcilākajiem gadsimta fiziķiem E. Fermi vārdā. Trīs gadus vēlāk ZEEP kodolobjekts atdzīvojās Kanādā. “Bronza” ieguva pirmo padomju reaktoru F-1, kas tika palaists 1946. gada beigās. I. V. Kurčatovs kļuva par vietējā kodolprojekta vadītāju. Šobrīd pasaulē veiksmīgi darbojas vairāk nekā 400 kodolenerģijas bloku.
Kodolreaktoru veidi
To galvenais mērķis ir atbalstīt kontrolētu kodolreakciju, kas ražo elektrību. Daži reaktori ražo izotopus. Īsāk sakot, tās ir ierīces, kuru dziļumā dažas vielas tiek pārvērstas citās, atbrīvojot lielu siltumenerģijas daudzumu. Šī ir sava veida “krāsns”, kurā tradicionālā kurināmā vietā tiek sadedzināti urāna izotopi - U-235, U-238 un plutonijs (Pu).
Atšķirībā no, piemēram, automašīnas, kas paredzētas vairākiem benzīna veidiem, katram radioaktīvās degvielas veidam ir savs reaktora veids. Tie ir divi - uz lēnajiem (ar U-235) un ātrajiem (ar U-238 un Pu) neitroniem. Lielākajai daļai atomelektrostaciju ir lēni neitronu reaktori. Papildus atomelektrostacijām iekārtas “strādā” pētniecības centros, kodolzemūdenēs utt.
Kā darbojas reaktors
Visiem reaktoriem ir aptuveni vienāda ķēde. Tās “sirds” ir aktīvā zona. To var aptuveni salīdzināt ar parastās plīts kurtuvi. Tikai malkas vietā ir kodoldegviela degvielas elementu veidā ar moderatoru - degvielas stieņiem. Aktīvā zona atrodas sava veida kapsulas iekšpusē - neitronu reflektorā. Degvielas stieņus “mazgā” dzesēšanas šķidrums – ūdens. Jo “sirdī” ir ļoti augsts līmenis radioaktivitāte, to ieskauj uzticama aizsardzība pret radiāciju.
Operatori rūpnīcas darbību kontrolē, izmantojot divas kritiskās sistēmas – ķēdes reakcijas vadību un tālvadības sistēmu. Ja notiek avārija, avārijas aizsardzība tiek aktivizēta nekavējoties.
Kā darbojas reaktors?
Atomu “liesma” ir neredzama, jo procesi notiek kodola skaldīšanas līmenī. Ķēdes reakcijas laikā smagie kodoli sadalās mazākos fragmentos, kas, atrodoties uzbudinātā stāvoklī, kļūst par neitronu un citu subatomisku daļiņu avotiem. Bet ar to process nebeidzas. Neitroni turpina “šķelties”, kā rezultātā izdalās liels enerģijas daudzums, tas ir, kas notiek, kuru dēļ tiek būvētas atomelektrostacijas.
Personāla galvenais uzdevums ir ar vadības stieņu palīdzību uzturēt ķēdes reakciju nemainīgā, regulējamā līmenī. Šī ir tā galvenā atšķirība no atombumba, kur kodolsabrukšanas process ir nekontrolējams un notiek strauji, spēcīga sprādziena veidā.
Kas notika Černobiļas atomelektrostacijā
Viens no galvenajiem Černobiļas atomelektrostacijas katastrofas iemesliem 1986. gada aprīlī bija rupjš ekspluatācijas drošības noteikumu pārkāpums kārtējās apkopes laikā 4. energoblokā. Tad no serdes vienlaikus tika izņemti 203 grafīta stieņi normatīvajos aktos atļauto 15 vietā. Rezultātā aizsāktā nekontrolējamā ķēdes reakcija beidzās ar termisku sprādzienu un pilnīgu spēka agregāta iznīcināšanu.
Jaunās paaudzes reaktori
Pēdējo desmit gadu laikā Krievija ir kļuvusi par vienu no pasaules kodolenerģijas līderiem. Šobrīd valsts korporācija Rosatom būvē atomelektrostacijas 12 valstīs, kurās tiek būvēti 34 energobloki. Tik liels pieprasījums liecina par mūsdienu Krievijas kodoltehnoloģiju augsto līmeni. Nākamie rindā ir jaunie 4. paaudzes reaktori.
"Bresta"
Viena no tām ir Breakth, kas tiek attīstīta projekta Breakthrough ietvaros. Tagad operētājsistēmas atvērtā cikla sistēmas darbojas ar zemu bagātinātu urānu, atstājot lielu daudzumu izlietotās kodoldegvielas, kas jālikvidē, kas prasa milzīgas izmaksas. "Brest" - ātro neitronu reaktors ir unikāls savā slēgtajā ciklā.
Tajā izlietotā degviela pēc atbilstošas apstrādes ātro neitronu reaktorā atkal kļūst par pilnvērtīgu degvielu, kuru var iekraut atpakaļ tajā pašā iekārtā.
Bresta izceļas ar augstu drošības līmeni. Tas nekad “neeksplodēs” pat visnopietnākajā avārijā, tas ir ļoti ekonomisks un videi draudzīgs, jo atkārtoti izmanto savu “atjaunoto” urānu. To nevar izmantot arī ieroču kvalitātes plutonija ražošanai, kas paver visplašākās izredzes tā eksportam.
VVER-1200
VVER-1200 ir inovatīvs 3+ paaudzes reaktors ar jaudu 1150 MW. Pateicoties unikālajām tehniskajām iespējām, tai ir gandrīz absolūta ekspluatācijas drošība. Reaktors ir bagātīgi aprīkots ar pasīvām drošības sistēmām, kas darbosies automātiski pat tad, ja nav strāvas padeves.
Viens no tiem ir pasīvā siltuma noņemšanas sistēma, kas tiek automātiski aktivizēta, kad reaktors ir pilnībā atslēgts no sprieguma. Šajā gadījumā tiek nodrošinātas avārijas hidrauliskās tvertnes. Ja primārajā kontūrā ir neparasts spiediena kritums, reaktorā sāk piegādāt lielu daudzumu ūdens, kas satur boru, kas dzēš kodolreakciju un absorbē neitronus.
Vēl viena zinātība atrodas aizsargapvalka apakšējā daļā - kausējuma “slazds”. Ja negadījuma rezultātā serde “izplūst”, “slazds” neļaus sabrukt norobežojuma apvalkam un neļaus radioaktīviem produktiem iekļūt zemē.
Bet tas ir kaut kas, ko mēs bieži nezinām. Un kāpēc arī sprāgst kodolbumba...
Sāksim no tālienes. Katram atomam ir kodols, un kodols sastāv no protoniem un neitroniem - iespējams, visi to zina. Tādā pašā veidā visi redzēja periodisko tabulu. Bet kāpēc ķīmiskie elementi tajā ir novietoti tā, nevis citādi? Noteikti ne tāpēc, ka Mendeļejevs tā gribēja. Katra elementa atomu numurs tabulā norāda, cik protonu ir šī elementa atoma kodolā. Citiem vārdiem sakot, dzelzs ir tabulā ar 26. numuru, jo dzelzs atomā ir 26 protoni. Un, ja to nav 26, tas vairs nav dzelzs.
Bet viena un tā paša elementa kodolos var būt atšķirīgs neitronu skaits, kas nozīmē, ka kodolu masa var būt atšķirīga. Viena un tā paša elementa atomus ar dažādu masu sauc par izotopiem. Urānam ir vairāki šādi izotopi: dabā visizplatītākais ir urāns-238 (tā kodolā ir 92 protoni un 146 neitroni, kopā 238). Tas ir radioaktīvs, bet no tā nevar izveidot kodolbumbu. Bet izotops urāns-235, kurā atrodas neliels daudzums urāna rūdas, piemērots kodollādiņam.
Lasītājs, iespējams, ir saskāries ar izteicieniem “bagātināts urāns” un “noplicināts urāns”. Bagātināts urāns satur vairāk urāna-235 nekā dabiskais urāns; noplicinātā stāvoklī attiecīgi mazāk. Bagātinātu urānu var izmantot, lai ražotu plutoniju, citu kodolbumbai piemērotu elementu (dabā tas gandrīz nekad nav sastopams). Kā tiek bagātināts urāns un kā no tā iegūts plutonijs, ir atsevišķas diskusijas tēma.
Tātad, kāpēc sprāgst kodolbumba? Fakts ir tāds, ka daži smagie kodoli mēdz sadalīties, ja tos skar neitrons. Un jums nebūs ilgi jāgaida līdz brīvam neitronam – to lidinās daudz. Tātad šāds neitrons ietriecas urāna-235 kodolā un tādējādi sadala to “fragmentos”. Tas atbrīvo vēl dažus neitronus. Vai varat uzminēt, kas notiks, ja apkārt būs viena un tā paša elementa kodoli? Tieši tā, notiks ķēdes reakcija. Tā tas notiek.
Kodolreaktorā, kur urāns-235 ir “izšķīdināts” stabilākajā urānā-238, normālos apstākļos sprādziens nenotiek. Lielākā daļa neitronu, kas izlido no sadalīšanās kodoliem, aizlido pienā, neatrodot urāna-235 kodolus. Reaktorā kodolu sabrukšana notiek “lēnīgi” (bet ar to pietiek, lai reaktors nodrošinātu enerģiju). Vienā urāna-235 gabalā, ja tam būs pietiekama masa, neitroni garantēs, ka sadalīs kodolus, ķēdes reakcija sāksies kā lavīna, un... Beidz! Galu galā, ja jūs izveidojat urāna-235 vai plutonija gabalu ar sprādzienam nepieciešamo masu, tas nekavējoties eksplodēs. Tas nav galvenais.
Ko darīt, ja jūs paņemat divus subkritiskās masas gabalus un piespiežat tos vienu pret otru, izmantojot tālvadības mehānismu? Piemēram, ievieto abus mēģenē un piestiprina pie viena pulvera lādiņu, lai īstajā brīdī viens gabals kā šāviņš tiktu izšauts uz otru. Šeit ir problēmas risinājums.
To var izdarīt citādi: paņemiet sfērisku plutonija gabalu un pievienojiet sprādzienbīstamus lādiņus pa visu tā virsmu. Kad šie lādiņi detonē pēc komandas no ārpuses, to sprādziens saspiedīs plutoniju no visām pusēm, saspiedīs to līdz kritiskajam blīvumam, un notiks ķēdes reakcija. Tomēr šeit ir svarīga precizitāte un uzticamība: visiem sprādzienbīstamiem lādiņiem ir jāizslēdzas vienlaikus. Ja daži no tiem strādā, bet daži ne, vai daži strādā vēlu, kodolsprādziens nenotiks: plutonijs netiks saspiests līdz kritiskajai masai, bet izkliedēsies gaisā. Kodolbumbas vietā jūs iegūsit tā saukto “netīro”.
Šādi izskatās sprādziena tipa kodolbumba. Lādiņi, kuriem vajadzētu radīt virzītu sprādzienu, ir izgatavoti daudzskaldņu formā, lai pēc iespējas ciešāk nosegtu plutonija sfēras virsmu.
Pirmā veida ierīces sauca par lielgabala ierīci, otro veidu - par sprādziena ierīci.
Uz Hirosimas nomestajai bumbai "Little Boy" bija urāna-235 lādiņš un lielgabala tipa ierīce. Resnā cilvēka bumba, kas tika uzspridzināta virs Nagasaki, nesa plutonija lādiņu, un sprādzienbīstamā ierīce bija eksplozija. Mūsdienās ieroču tipa ierīces gandrīz nekad neizmanto; implozijas ir sarežģītākas, taču tajā pašā laikā tās ļauj regulēt kodollādiņa masu un racionālāk to tērēt. Un plutonijs ir aizstājis urānu-235 kā kodolsprāgstvielu.
Pagāja diezgan daži gadi, un fiziķi militārpersonām piedāvāja vēl vairāk spēcīga bumba– kodoltermiskais jeb, kā to sauc arī, ūdeņradis. Izrādās, ka ūdeņradis sprāgst spēcīgāk nekā plutonijs?
Ūdeņradis patiešām ir sprādzienbīstams, bet ne tik sprādzienbīstams. Taču ūdeņraža bumbā nav “parastā” ūdeņraža, tā izmanto savus izotopus – deitēriju un tritiju. “Parastā” ūdeņraža kodolā ir viens neitrons, deitērija – divi, bet tritijam – trīs.
Kodolbumbā smagā elementa kodoli tiek sadalīti vieglāko kodolos. Kodolsintēzes gadījumā notiek apgrieztais process: vieglie kodoli saplūst viens ar otru smagākos. Piemēram, deitērija un tritija kodoli apvienojas, veidojot hēlija kodolus (citādi zināmas kā alfa daļiņas), un “papildu” neitronu nosūta “brīvajam lidojumam”. Tas atbrīvo ievērojami vairāk enerģijas nekā plutonija kodolu sabrukšanas laikā. Starp citu, tieši šāds process notiek uz Saules.
Tomēr saplūšanas reakcija ir iespējama tikai ļoti augstā temperatūrā (tāpēc to sauc par kodoltermisko). Kā panākt deitērija un tritija reakciju? Jā, tas ir ļoti vienkārši: jums ir jāizmanto kodolbumba kā detonators!
Tā kā deitērijs un tritijs paši ir stabili, to lādiņš kodolbumbā var būt patvaļīgi milzīgs. Tas nozīmē, ka kodolbumbu var padarīt nesalīdzināmi jaudīgāku par “vienkāršo” kodolbumbu. Uz Hirosimas nomestā "mazuļa" trotila ekvivalents bija aptuveni 18 kilotonnas, un tas ir visspēcīgākais. ūdeņraža bumba(tā sauktā "Cara Bomba", pazīstama arī kā "Kuzkas māte") - jau 58,6 megatonnas, vairāk nekā 3255 reizes jaudīgāks nekā "Mazulis"!
Cara Bombas “sēņu” mākonis pacēlās 67 kilometru augstumā, un sprādziena vilnis trīs reizes aplidoja zemeslodi.
Tomēr šāds milzīgs spēks ir acīmredzami pārmērīgs. “Pietiekami spēlējuši” ar megatonu bumbām, militārie inženieri un fiziķi izvēlējās citu ceļu - kodolieroču miniaturizācijas ceļu. To parastajā formā kodolieročus var nomest no stratēģiskiem bumbvedējiem, piemēram, aviācijas bumbām, vai palaist no ballistiskajām raķetēm; ja tos miniaturizē, iegūst kompaktu kodollādiņu, kas kilometrus apkārt neiznīcina visu un ko var novietot uz artilērijas lādiņa vai gaiss-zeme raķetes. Palielināsies mobilitāte un paplašināsies risināmo uzdevumu loks. Papildus stratēģiskajiem kodolieročiem saņemsim arī taktiskos.
Taktiskajiem kodolieročiem ir izstrādātas dažādas piegādes sistēmas – kodollielgabali, mīnmetēji, bezatsitiena šautenes (piemēram, amerikānis Deivijs Krokets). PSRS pat bija kodolložu projekts. Tiesa, no tā nācās atteikties – kodollodes bija tik neuzticamas, tik sarežģītas un dārgas ražot un uzglabāt, ka no tām nebija jēgas.
"Dāvijs Krokets." Vairāki no šiem kodolieročiem kalpoja ASV bruņotajos spēkos, un Rietumvācijas aizsardzības ministrs nesekmīgi mēģināja ar tiem apbruņot Bundesvēru.
Runājot par mazajiem kodolieročiem, ir vērts pieminēt vēl vienu kodolieroču veidu - neitronu bumbu. Plutonija lādiņš tajā ir mazs, taču tas nav nepieciešams. Ja kodolbumba seko sprādziena spēka palielināšanas ceļam, tad neitronu bumba paļaujas uz citu kaitīgu faktoru - starojumu. Lai uzlabotu starojumu, neitronu bumba satur berilija izotopu, kas pēc sprādziena rada milzīgu skaitu ātru neitronu.
Pēc tās radītāju domām, neitronu bumbai ir jānogalina ienaidnieka personāls, bet jāatstāj neskarts aprīkojums, ko pēc tam var sagūstīt ofensīvas laikā. Praksē izrādījās nedaudz savādāk: apstarotās iekārtas kļūst nelietojamas - ikviens, kurš uzdrošinās to vadīt, ļoti drīz “nopelnās” staru slimību. Tas nemaina faktu, ka neitronu bumbas sprādziens spēj trāpīt ienaidniekam caur tanka bruņām; neitronu munīciju ASV izstrādāja īpaši kā ieroci pret padomju tanku formācijām. Tomēr drīz tika izstrādātas tanku bruņas, kas nodrošināja zināmu aizsardzību pret ātro neitronu plūsmu.
Cits kodolieroču veids tika izgudrots 1950. gadā, bet nekad (cik zināms) netika ražots. Šī ir tā sauktā kobalta bumba – kodollādiņš ar kobalta čaulu. Sprādziena laikā kobalts, ko apstaro neitronu straume, kļūst par ārkārtīgi radioaktīvu izotopu un tiek izkliedēts visā teritorijā, piesārņojot to. Tikai viena šāda pietiekamas jaudas bumba varētu pārklāt visu zemeslodi ar kobaltu un iznīcināt visu cilvēci. Par laimi, šis projekts palika projekts.
Ko mēs varam teikt noslēgumā? Kodolbumba ir patiesi šausmīgs ierocis, un tajā pašā laikā tā (kāds paradokss!) palīdzēja uzturēt relatīvu mieru starp lielvarām. Ja jūsu ienaidniekam ir kodolieroči, jūs desmit reizes padomāsit, pirms uzbruksit viņam. Nevienai valstij ar kodolarsenālu nekad nav uzbrukts no ārpuses, un kopš 1945. gada pasaulē nav bijuši kari starp lielākajām valstīm. Cerēsim, ka tādu nebūs.
Atoma pasaule ir tik fantastiska, ka tās izpratnei ir nepieciešams radikāls pārtraukums ierastajos telpas un laika jēdzienos. Atomi ir tik mazi, ka, ja ūdens pilienu varētu palielināt līdz Zemes izmēram, katrs atoms šajā pilē būtu mazāks par apelsīnu. Faktiski viens ūdens piliens sastāv no 6000 miljardiem miljardu (60000000000000000000000) ūdeņraža un skābekļa atomu. Un tomēr, neskatoties uz tā mikroskopiskajiem izmēriem, atoma struktūra zināmā mērā ir līdzīga mūsu Saules sistēmas struktūrai. Tā neaptverami mazajā centrā, kura rādiuss ir mazāks par vienu triljono daļu no centimetra, atrodas salīdzinoši milzīga “saule” - atoma kodols.
Sīkas "planētas" - elektroni - riņķo ap šo atomu "sauli". Kodols sastāv no diviem galvenajiem Visuma celtniecības blokiem – protoniem un neitroniem (tiem ir vienojošs nosaukums – nukleoni). Elektrons un protons ir lādētas daļiņas, un lādiņa daudzums katrā no tām ir tieši vienāds, taču lādiņi atšķiras pēc zīmes: protons vienmēr ir pozitīvi uzlādēts, bet elektrons – negatīvi. Neitronam nav elektriskā lādiņa, un tāpēc tam ir ļoti augsta caurlaidība.
Mērījumu atomu skalā protona un neitrona masa tiek uzskatīta par vienotību. Tāpēc jebkura ķīmiskā elementa atomu svars ir atkarīgs no protonu un neitronu skaita, kas atrodas tā kodolā. Piemēram, ūdeņraža atomam, kura kodols sastāv tikai no viena protona, atomu masa ir 1. Hēlija atomam, kura kodols ir divi protoni un divi neitroni, atomu masa ir 4.
Viena un tā paša elementa atomu kodolos vienmēr ir vienāds protonu skaits, bet neitronu skaits var atšķirties. Atomus, kuriem ir kodoli ar vienādu protonu skaitu, bet atšķiras neitronu skaits un ir viena un tā paša elementa šķirnes, sauc par izotopiem. Lai tos atšķirtu vienu no otra, elementa simbolam tiek piešķirts numurs, vienāds ar summu visas daļiņas noteiktā izotopa kodolā.
Var rasties jautājums: kāpēc atoma kodols nesadalās? Galu galā tajā iekļautie protoni ir elektriski lādētas daļiņas ar vienādu lādiņu, kurām vienai otru jāatgrūž ar lielu spēku. Tas izskaidrojams ar to, ka kodola iekšpusē ir arī tā sauktie intranukleārie spēki, kas pievelk kodoldaļiņas viena otrai. Šie spēki kompensē protonu atgrūdošos spēkus un neļauj kodolam spontāni izlidot.
Intranukleārie spēki ir ļoti spēcīgi, bet darbojas tikai ļoti tuvu attālumos. Tāpēc smago elementu kodoli, kas sastāv no simtiem nukleonu, izrādās nestabili. Kodola daļiņas šeit atrodas nepārtrauktā kustībā (kodola tilpuma ietvaros), un, ja mēs tām pievienojam papildu enerģijas daudzumu, tās var pārvarēt iekšējie spēki- kodols sadalīsies daļās. Šīs liekās enerģijas daudzumu sauc par ierosmes enerģiju. Starp smago elementu izotopiem ir tādi, kas, šķiet, atrodas uz pašas pašiznīcināšanās robežas. Pietiek ar nelielu “spiedienu”, piemēram, vienkāršu neitrona trāpījumu kodolā (un tam pat nav jāpaātrina līdz lielam ātrumam), lai notiktu kodola skaldīšanas reakcija. Dažus no šiem “skaldošajiem” izotopiem vēlāk iemācījās ražot mākslīgi. Dabā ir tikai viens šāds izotops - urāns-235.
Urānu 1783. gadā atklāja Klaprots, kurš to izolēja no urāna darvas un nosauca nesen atklātās planētas Urāns vārdā. Kā izrādījās vēlāk, patiesībā tas nebija pats urāns, bet gan tā oksīds. Tika iegūts tīrs urāns, sudrabaini balts metāls
tikai 1842. gadā Peligo. Jaunajam elementam nebija nekādu ievērojamu īpašību un tas piesaistīja uzmanību tikai 1896. gadā, kad Bekerels atklāja radioaktivitātes fenomenu urāna sāļos. Pēc tam urāns kļuva par objektu zinātniskie pētījumi un eksperimenti, bet praktisks pielietojums joprojām nebija.
Kad 20. gadsimta pirmajā trešdaļā fiziķi vairāk vai mazāk izprata atoma kodola uzbūvi, viņi pirmām kārtām mēģināja piepildīt alķīmiķu seno sapni - mēģināja vienu ķīmisko elementu pārveidot citā. 1934. gadā franču pētnieki, dzīvesbiedri Frederiks un Irēna Žolio-Kirī, ziņoja Francijas Zinātņu akadēmijai par šādu pieredzi: bombardējot alumīnija plāksnes ar alfa daļiņām (hēlija atoma kodoliem), alumīnija atomi pārvērtās par fosfora atomiem, bet nevis parastās, bet radioaktīvās, kas savukārt kļuva par stabilu silīcija izotopu. Tādējādi alumīnija atoms, pievienojot vienu protonu un divus neitronus, pārvērtās par smagāku silīcija atomu.
Šī pieredze liecināja, ka, "bombardējot" ar neitroniem smagākā dabā esošā elementa - urāna - kodolus, var iegūt elementu, kas dabiskos apstākļos neeksistē. 1938. gadā vācu ķīmiķi Otto Hāns un Frics Strasmans atkārtoja vispārīgs izklāsts Džolio-Kirī dzīvesbiedru pieredze, alumīnija vietā izmantojot urānu. Eksperimenta rezultāti nepavisam nebija tādi, kā viņi gaidīja – jauna supersmagā elementa vietā, kura masas skaitlis ir lielāks par urāna masu, Hāns un Štrasmans saņēma gaismas elementus no periodiskās tabulas vidusdaļas: bāriju, kriptonu, bromu un daži citi. Paši eksperimentētāji novēroto fenomenu nespēja izskaidrot. Tikai nākamajā gadā fiziķe Līze Meitnere, kurai Hāns ziņoja par savām grūtībām, atrada pareizu izskaidrojumu novērotajai parādībai, liekot domāt, ka, bombardējot urānu ar neitroniem, tā kodols sadalās (skaldās). Šajā gadījumā vajadzēja izveidoties vieglāku elementu kodoliem (no kurienes nāca bārijs, kriptons un citas vielas), kā arī jāizdalās 2-3 brīviem neitroniem. Turpmākie pētījumi ļāva detalizēti noskaidrot notiekošā priekšstatu.
Dabiskais urāns sastāv no trīs izotopu maisījuma ar masām 238, 234 un 235. Galvenais urāna daudzums ir izotops-238, kura kodolā ir 92 protoni un 146 neitroni. Urāns-235 ir tikai 1/140 daļa no dabiskā urāna (0,7% (tā kodolā ir 92 protoni un 143 neitroni), bet urāns-234 (92 protoni, 142 neitroni)) ir tikai 1/17500 no kopējās urāna masas. 0 , 006 % Visnestabilākais no šiem izotopiem ir urāns-235.
Ik pa laikam tās atomu kodoli spontāni sadalās daļās, kā rezultātā veidojas vieglāki periodiskās tabulas elementi. Procesu pavada divu vai trīs brīvu neitronu izdalīšanās, kas steidzas ar milzīgu ātrumu - aptuveni 10 tūkstoši km/s (tos sauc par ātrajiem neitroniem). Šie neitroni var ietriekties citos urāna kodolos, izraisot kodolreakcijas. Katrs izotops šajā gadījumā darbojas atšķirīgi. Urāna-238 kodoli vairumā gadījumu vienkārši uztver šos neitronus bez jebkādām turpmākām transformācijām. Bet aptuveni vienā no pieciem gadījumiem, kad ātrais neitrons saduras ar izotopa-238 kodolu, notiek dīvaina kodolreakcija: viens no urāna-238 neitroniem izstaro elektronu, pārvēršoties par protonu, tas ir, urāna izotops pārvēršas par vairāk
smagais elements - neptūnijs-239 (93 protoni + 146 neitroni). Taču neptūnijs ir nestabils – pēc dažām minūtēm viens no tā neitroniem izstaro elektronu, pārvēršoties par protonu, pēc kā neptūnija izotops pārvēršas par nākamo elementu periodiskajā tabulā – plutoniju-239 (94 protoni + 145 neitroni). Ja neitrons ietriecas nestabilā urāna-235 kodolā, tad nekavējoties notiek skaldīšanās - atomi sadalās, izdalot divus vai trīs neitronus. Ir skaidrs, ka dabiskajā urānā, kura atomu lielākā daļa pieder pie izotopa-238, šai reakcijai nav redzamu seku – visi brīvie neitroni galu galā tiks absorbēti šajā izotopā.
Ko darīt, ja mēs iedomājamies diezgan masīvu urāna gabalu, kas pilnībā sastāv no izotopa-235?
Šeit process noritēs citādi: vairāku kodolu skaldīšanas laikā izdalītie neitroni, savukārt, ietriecoties blakus esošajos kodolos, izraisa to skaldīšanu. Rezultātā tiek atbrīvota jauna neitronu daļa, kas sadala nākamos kodolus. Labvēlīgos apstākļos šī reakcija norit kā lavīna, un to sauc par ķēdes reakciju. Lai to sāktu, var pietikt ar dažām bombardējošām daļiņām.
Patiešām, lai urānu-235 bombardē tikai 100 neitroni. Tie atdalīs 100 urāna kodolus. Šajā gadījumā tiks atbrīvoti 250 jauni otrās paaudzes neitroni (vidēji 2,5 vienā skaldīšanās laikā). Otrās paaudzes neitroni radīs 250 skaldīšanas gadījumus, kas atbrīvos 625 neitronus. Nākamajā paaudzē tas kļūs par 1562, tad 3906, tad 9670 utt. Ja process netiks apturēts, nodaļu skaits pieaugs bezgalīgi.
Tomēr patiesībā tikai neliela neitronu daļa sasniedz atomu kodolus. Pārējie, ātri steidzoties starp tiem, tiek aiznesti apkārtējā telpā. Pašpietiekama ķēdes reakcija var notikt tikai pietiekami lielā urāna-235 masīvā, kam ir kritiskā masa. (Šī masa normālos apstākļos ir 50 kg.) Svarīgi atzīmēt, ka katra kodola skaldīšanu pavada milzīga enerģijas daudzuma izdalīšanās, kas izrādās aptuveni 300 miljonus reižu vairāk nekā sadalīšanai iztērētā enerģija. ! (Tiek lēsts, ka pilnīga 1 kg urāna-235 sadalīšanās izdala tādu pašu siltuma daudzumu kā 3 tūkstošu tonnu ogļu sadegšana.)
Šis kolosālais enerģijas uzliesmojums, kas izdalās dažos mirkļos, izpaužas kā zvērīga spēka sprādziens un ir kodolieroču darbības pamatā. Bet, lai šis ierocis kļūtu par realitāti, ir nepieciešams, lai lādiņš sastāvētu nevis no dabiskā urāna, bet gan no reta izotopa - 235 (šādu urānu sauc par bagātinātu). Vēlāk tika atklāts, ka tīrs plutonijs ir arī skaldāms materiāls un to var izmantot atomu lādiņā urāna-235 vietā.
Visi šie svarīgie atklājumi tika veikti Otrā pasaules kara priekšvakarā. Drīz vien Vācijā un citās valstīs sākās slepens darbs pie atombumbas radīšanas. ASV šī problēma tika risināta 1941. gadā. Visam darbu kompleksam tika dots nosaukums “Manhetenas projekts”.
Projekta administratīvo vadību veica ģenerālis Grovs, bet zinātnisko vadību veica Kalifornijas universitātes profesors Roberts Oppenheimers. Abi labi apzinājās viņu sagaidāmā uzdevuma milzīgo sarežģītību. Tāpēc Oppenheimera pirmā rūpe bija ļoti inteliģentas zinātniskās komandas pieņemšana darbā. ASV tajā laikā bija daudz fiziķu, kas emigrēja no nacistiskās Vācijas. Viņus nebija viegli piesaistīt, lai radītu ieročus, kas vērsti pret viņu bijušo dzimteni. Openheimers runāja ar visiem personīgi, izmantojot visu sava šarma spēku. Drīz viņam izdevās sapulcināt nelielu teorētiķu grupu, ko viņš jokojot sauca par "gaismekļiem". Un patiesībā tajā bija tā laika lielākie speciālisti fizikas un ķīmijas jomā. (Starp tiem ir 13 Nobela prēmijas laureāti, tostarp Bors, Fermi, Frenks, Čedviks, Lorenss.) Bez viņiem bija arī daudzi citi dažāda profila speciālisti.
ASV valdība ar izdevumiem neskopojās, un darbs jau no paša sākuma bija vērienīgs. 1942. gadā Losalamosā tika dibināta pasaulē lielākā pētniecības laboratorija. Šīs zinātniskās pilsētas iedzīvotāju skaits drīz sasniedza 9 tūkstošus cilvēku. Zinātnieku sastāva, zinātnisko eksperimentu apjoma un darbā iesaistīto speciālistu un strādnieku skaita ziņā Losalamos laboratorijai pasaules vēsturē nebija līdzvērtīgu. Manhetenas projektam bija sava policija, pretizlūkošana, sakaru sistēma, noliktavas, ciemati, rūpnīcas, laboratorijas un savs kolosāls budžets.
Projekta galvenais mērķis bija iegūt pietiekami daudz skaldāmā materiāla, no kura varētu izveidot vairākas atombumbas. Papildus urānam-235 bumbas lādiņš, kā jau minēts, varētu būt mākslīgais elements plutonijs-239, tas ir, bumba varētu būt vai nu urāns, vai plutonijs.
Groves un Oppenheimer bija vienisprātis, ka darbs būtu jāveic vienlaikus divos virzienos, jo iepriekš nebija iespējams izlemt, kurš no tiem būs daudzsološāks. Abas metodes būtiski atšķīrās viena no otras: urāna-235 uzkrāšana bija jāveic, atdalot to no lielākās daļas dabiskā urāna, un plutoniju varēja iegūt tikai kontrolētas kodolreakcijas rezultātā, kad urāns-238 tika apstarots. ar neitroniem. Abi ceļi šķita neparasti grūti un nesolīja vieglus risinājumus.
Patiesībā, kā var atdalīt divus izotopus, kas tikai nedaudz atšķiras pēc svara un ķīmiski izturas tieši tāpat? Ne zinātne, ne tehnoloģijas nekad nav saskārušās ar šādu problēmu. Arī plutonija ražošana sākotnēji šķita ļoti problemātiska. Pirms tam visa kodolpārveidojumu pieredze tika samazināta līdz dažiem laboratorijas eksperimentiem. Tagad viņiem bija jāapgūst kilogramu plutonija ražošana rūpnieciskā mērogā, jāizstrādā un jāizveido šim nolūkam īpaša iekārta - kodolreaktors, kā arī jāiemācās kontrolēt kodolreakcijas gaitu.
Gan tur, gan šeit bija jāatrisina vesels sarežģītu problēmu komplekss. Tāpēc Manhetenas projekts sastāvēja no vairākiem apakšprojektiem, kurus vadīja ievērojami zinātnieki. Pats Openheimers bija Los Alamos zinātniskās laboratorijas vadītājs. Lorenss vadīja Kalifornijas universitātes Radiācijas laboratoriju. Fermi veica pētījumus Čikāgas Universitātē, lai izveidotu kodolreaktoru.
Sākumā vissvarīgākā problēma bija urāna iegūšana. Pirms kara šim metālam praktiski nebija nekādas nozīmes. Tagad, kad tas bija vajadzīgs nekavējoties milzīgos daudzumos, izrādījās, ka nav rūpnieciskas ražošanas metodes.
Uzņēmums Westinghouse sāka savu attīstību un ātri guva panākumus. Pēc urāna sveķu attīrīšanas (urāns dabā sastopams šādā formā) un urāna oksīda iegūšanas, tie tika pārvērsti tetrafluorīdā (UF4), no kura elektrolīzes ceļā tika atdalīts urāna metāls. Ja 1941. gada beigās amerikāņu zinātnieku rīcībā bija tikai daži grami urāna metāla, tad jau 1942. gada novembrī tā rūpnieciskā ražošana Westinghouse rūpnīcās sasniedza 6000 mārciņu mēnesī.
Tajā pašā laikā notika darbs pie kodolreaktora izveides. Plutonija ražošanas process faktiski beidzās ar urāna stieņu apstarošanu ar neitroniem, kā rezultātā daļa urāna-238 pārvērstos plutonijā. Šajā gadījumā neitronu avoti varētu būt skaldāmie urāna-235 atomi, kas pietiekamā daudzumā ir izkliedēti starp urāna-238 atomiem. Bet, lai uzturētu pastāvīgu neitronu ražošanu, bija jāsāk urāna-235 atomu skaldīšanas ķēdes reakcija. Tikmēr, kā jau minēts, katram urāna-235 atomam bija 140 urāna-238 atomi. Ir skaidrs, ka neitroniem, kas izkliedējas visos virzienos, bija daudz lielāka iespēja tos satikt savā ceļā. Tas ir, izrādījās, ka galvenais izotops absorbēja milzīgu skaitu atbrīvoto neitronu bez jebkāda labuma. Acīmredzot šādos apstākļos ķēdes reakcija nevarētu notikt. Kā tas var būt?
Sākumā šķita, ka bez divu izotopu atdalīšanas reaktora darbība kopumā nav iespējama, taču drīz vien tika konstatēts viens svarīgs apstāklis: izrādījās, ka urāns-235 un urāns-238 ir uzņēmīgi pret dažādas enerģijas neitroniem. Urāna-235 atoma kodolu var sadalīt ar salīdzinoši zemas enerģijas neitronu, kura ātrums ir aptuveni 22 m/s. Šādus lēnus neitronus neuztver urāna-238 kodoli - šim nolūkam to ātrumam ir jābūt simtiem tūkstošu metru sekundē. Citiem vārdiem sakot, urāns-238 ir bezspēcīgs, lai novērstu ķēdes reakcijas sākšanos un progresu urānā-235, ko izraisa neitroni, kas palēnināti līdz ārkārtīgi zemam ātrumam - ne vairāk kā 22 m/s. Šo fenomenu atklāja itāļu fiziķis Fermi, kurš kopš 1938. gada dzīvoja ASV un vadīja darbu, lai izveidotu pirmo reaktoru. Fermi nolēma izmantot grafītu kā neitronu moderatoru. Pēc viņa aprēķiniem, no urāna-235 emitētajiem neitroniem, izejot cauri 40 cm grafīta slānim, vajadzēja samazināt ātrumu līdz 22 m/s un sākt pašpietiekamu ķēdes reakciju urānā-235.
Vēl viens moderators varētu būt tā sauktais “smagais” ūdens. Tā kā tajā iekļautie ūdeņraža atomi pēc izmēra un masas ir ļoti līdzīgi neitroniem, tie vislabāk tos varētu palēnināt. (Ar ātrajiem neitroniem notiek aptuveni tas pats, kas ar bumbiņām: ja maza bumbiņa atsitas pret lielu, tā ripo atpakaļ, gandrīz nezaudējot ātrumu, bet, sastopoties ar mazu bumbiņu, tā nodod tai ievērojamu enerģijas daļu. - tādā pašā veidā neitrons elastīgās sadursmes laikā atlec no smagā kodola, tikai nedaudz palēninot ātrumu, un, saduroties ar ūdeņraža atomu kodoliem, ļoti ātri zaudē visu savu enerģiju.) Taču parasts ūdens nav piemērots palēnināšanai. uz leju, jo tā ūdeņradis mēdz absorbēt neitronus. Tāpēc šim nolūkam ir jāizmanto deitērijs, kas ir daļa no “smagā” ūdens.
1942. gada sākumā Fermi vadībā tika uzsākta vēsturē pirmā kodolreaktora celtniecība tenisa kortu zonā zem Čikāgas stadiona rietumu tribīnēm. Zinātnieki visu darbu veica paši. Reakciju var kontrolēt vienīgajā veidā – regulējot neitronu skaitu, kas piedalās ķēdes reakcijā. Fermi plānoja to panākt, izmantojot stieņus, kas izgatavoti no tādām vielām kā bors un kadmijs, kas spēcīgi absorbē neitronus. Moderators bija grafīta ķieģeļi, no kuriem fiziķi uzbūvēja 3 m augstas un 1,2 m platas kolonnas ar urāna oksīdu. Visai konstrukcijai bija nepieciešamas aptuveni 46 tonnas urāna oksīda un 385 tonnas grafīta. Lai palēninātu reakciju, reaktorā tika ievadīti kadmija un bora stieņi.
Ja ar to nepietiktu, tad apdrošināšanai divi zinātnieki stāvēja uz platformas, kas atradās virs reaktora ar spaiņiem, kas bija piepildīti ar kadmija sāļu šķīdumu - tiem vajadzēja tos ieliet reaktorā, ja reakcija kļūst nekontrolējama. Par laimi, tas nebija nepieciešams. 1942. gada 2. decembrī Fermi pavēlēja pagarināt visus kontroles stieņus, un eksperiments sākās. Pēc četrām minūtēm neitronu skaitītāji sāka klikšķēt arvien skaļāk. Ar katru minūti neitronu plūsmas intensitāte kļuva lielāka. Tas norādīja, ka reaktorā notiek ķēdes reakcija. Tas ilga 28 minūtes. Tad Fermi deva signālu, un nolaistie stieņi apturēja procesu. Tā cilvēks pirmo reizi atbrīvoja atoma kodola enerģiju un pierādīja, ka spēj to kontrolēt pēc vēlēšanās. Tagad vairs nebija šaubu, ka kodolieroči ir realitāte.
1943. gadā Fermi reaktors tika demontēts un nogādāts Aragonas Nacionālajā laboratorijā (50 km no Čikāgas). Drīz bija šeit
Tika uzbūvēts vēl viens kodolreaktors, kurā kā moderators tika izmantots smagais ūdens. Tas sastāvēja no cilindriskas alumīnija tvertnes, kurā bija 6,5 tonnas smagā ūdens, kurā vertikāli tika iegremdēti 120 urāna metāla stieņi, kas bija iesaiņoti alumīnija apvalkā. Septiņi kontroles stieņi bija izgatavoti no kadmija. Ap tanku bija grafīta atstarotājs, pēc tam ekrāns, kas izgatavots no svina un kadmija sakausējumiem. Visa konstrukcija bija ietverta betona apvalkā ar sienu biezumu aptuveni 2,5 m.
Eksperimenti šajos izmēģinājuma reaktoros apstiprināja plutonija rūpnieciskās ražošanas iespēju.
Par galveno Manhetenas projekta centru drīz vien kļuva Oak Ridžas pilsēta Tenesī upes ielejā, kuras iedzīvotāju skaits dažu mēnešu laikā pieauga līdz 79 tūkstošiem cilvēku. Šeit iekšā īstermiņa Tika uzcelta vēsturē pirmā bagātinātā urāna ražotne. Šeit 1943. gadā tika palaists rūpnieciskais reaktors, kas ražo plutoniju. 1944. gada februārī no tā katru dienu tika iegūti aptuveni 300 kg urāna, no kura virsmas ķīmiski atdalot tika iegūts plutonijs. (Lai to izdarītu, plutonijs vispirms tika izšķīdināts un pēc tam izgulsnēts.) Pēc tam attīrītais urāns tika atgriezts reaktorā. Tajā pašā gadā tika uzsākta milzīgās Hanfordas rūpnīcas celtniecība neauglīgā, drūmajā tuksnesī Kolumbijas upes dienvidu krastā. Tajā atradās trīs jaudīgi kodolreaktori, kas katru dienu saražoja vairākus simtus gramu plutonija.
Paralēli tam pilnā sparā ritēja pētījumi, lai izstrādātu rūpniecisku procesu urāna bagātināšanai.
Ņemot vērā dažādas iespējas, Groves un Oppenheimer nolēma koncentrēt savus centienus uz divām metodēm: gāzu difūziju un elektromagnētisko.
Gāzu difūzijas metode tika balstīta uz principu, kas pazīstams kā Grehema likums (to 1829. gadā pirmo reizi formulēja skotu ķīmiķis Tomass Grehems, bet 1896. gadā to izstrādāja angļu fiziķis Reilijs). Saskaņā ar šo likumu, ja divas gāzes, no kurām viena ir vieglāka par otru, tiek izlaistas caur filtru ar niecīgi maziem caurumiem, tad caur to iztecēs nedaudz vairāk vieglās gāzes nekā smagās. 1942. gada novembrī Urijs un Danings no Kolumbijas universitātes izveidoja gāzveida difūzijas metodi urāna izotopu atdalīšanai, pamatojoties uz Reilija metodi.
Tā kā dabiskais urāns ir ciets, tad to vispirms pārveidoja par urāna fluorīdu (UF6). Pēc tam šī gāze tika izlaista caur mikroskopiskām – milimetra tūkstošdaļām – caurumiem filtra nodalījumā.
Tā kā gāzu molāro svaru atšķirība bija ļoti maza, aiz starpsienas urāna-235 saturs palielinājās tikai 1,0002 reizes.
Lai vēl vairāk palielinātu urāna-235 daudzumu, iegūtais maisījums atkal tiek izvadīts caur starpsienu, un urāna daudzums atkal tiek palielināts 1,0002 reizes. Tādējādi, lai palielinātu urāna-235 saturu līdz 99%, gāze bija jāizlaiž cauri 4000 filtriem. Tas notika milzīgā gāzu difūzijas rūpnīcā Oak Ridge.
1940. gadā Ernesta Lorensa vadībā Kalifornijas Universitātē tika uzsākti pētījumi par urāna izotopu atdalīšanu ar elektromagnētisko metodi. Bija jāatrod fizikāli procesi, kas ļautu izotopus atdalīt, izmantojot to masu starpību. Lorenss mēģināja atdalīt izotopus, izmantojot masu spektrogrāfa principu - instrumentu, ko izmanto atomu masas noteikšanai.
Tās darbības princips bija šāds: iepriekš jonizēti atomi tika paātrināti ar elektrisko lauku un pēc tam tika izlaisti caur magnētisko lauku, kurā tie aprakstīja apļus, kas atrodas plaknē, kas ir perpendikulāra lauka virzienam. Tā kā šo trajektoriju rādiusi bija proporcionāli to masai, vieglie joni nonāca apļos ar mazāku rādiusu nekā smagie. Ja slazdus novietotu gar atomu ceļu, tad dažādus izotopus šādā veidā varētu savākt atsevišķi.
Tāda bija metode. Laboratorijas apstākļos tas deva labus rezultātus. Taču uzbūvēt iekārtu, kurā izotopu atdalīšanu varētu veikt rūpnieciskā mērogā, izrādījās ārkārtīgi grūti. Tomēr Lorensam galu galā izdevās pārvarēt visas grūtības. Viņa pūliņu rezultāts bija kalutrona parādīšanās, kas tika uzstādīta milzu rūpnīcā Oak Ridge.
Šī elektromagnētiskā rūpnīca tika uzcelta 1943. gadā un izrādījās, iespējams, visdārgākā Manhetenas projekta ideja. Lorensa metodei bija nepieciešams liels skaits sarežģītu, vēl neizstrādātu ierīču, kas saistītas ar augstspriegums, augsts vakuums un spēcīgi magnētiskie lauki. Izmaksu apjoms izrādījās milzīgs. Calutron bija milzu elektromagnēts, kura garums sasniedza 75 m un svēra aptuveni 4000 tonnu.
Šī elektromagnēta tinumiem tika izmantoti vairāki tūkstoši tonnu sudraba stieples.
Viss darbs (neskaitot 300 miljonu dolāru sudraba izmaksas, ko Valsts kase nodrošināja tikai uz laiku) izmaksāja 400 miljonus dolāru. Aizsardzības ministrija par calutron vien patērēto elektroenerģiju samaksāja 10 miljonus. Liela daļa Oak Ridge rūpnīcas aprīkojuma bija pārāka mēroga un precizitātes ziņā par jebko, kas jebkad tika izstrādāts šajā tehnoloģiju jomā.
Taču visas šīs izmaksas nebija veltas. Kopā iztērējuši aptuveni 2 miljardus dolāru, ASV zinātnieki līdz 1944. gadam radīja unikālu tehnoloģiju urāna bagātināšanai un plutonija ražošanai. Tikmēr Los Alamos laboratorijā viņi strādāja pie pašas bumbas dizaina. Tās darbības princips kopumā bija skaidrs jau ilgu laiku: skaldāmā viela (plutonijs vai urāns-235) sprādziena brīdī bija jāpārnes kritiskā stāvoklī (lai notiktu ķēdes reakcija, lādiņa masai jābūt pat ievērojami lielākai par kritisko) un apstarota ar neitronu staru kūli, kā rezultātā sākas ķēdes reakcija.
Pēc aprēķiniem, lādiņa kritiskā masa pārsniedza 50 kilogramus, taču viņiem izdevās to ievērojami samazināt. Kopumā kritiskās masas vērtību spēcīgi ietekmē vairāki faktori. Jo lielāks ir lādiņa virsmas laukums, jo vairāk neitronu bezjēdzīgi izplūst apkārtējā telpā. Sfērai ir mazākais virsmas laukums. Līdz ar to sfēriskiem lādiņiem, ja citi parametri ir vienādi, ir vismazākā kritiskā masa. Turklāt kritiskās masas vērtība ir atkarīga no skaldāmo materiālu tīrības un veida. Tas ir apgriezti proporcionāls šī materiāla blīvuma kvadrātam, kas ļauj, piemēram, dubultojot blīvumu, četras reizes samazināt kritisko masu. Nepieciešamo subkritiskuma pakāpi var iegūt, piemēram, sablīvējot skaldāmo materiālu, uzsprāgstot parastās sprāgstvielas lādiņam, kas izgatavots sfēriska apvalka veidā, kas aptver kodollādiņu. Kritisko masu var arī samazināt, apņemot lādiņu ar ekrānu, kas labi atspoguļo neitronus. Kā šādu sietu var izmantot svinu, beriliju, volframu, dabisko urānu, dzelzi un daudzus citus.
Viena no iespējamām atombumbas konstrukcijām sastāv no diviem urāna gabaliem, kas, apvienojoties, veido masu, kas ir lielāka par kritisko. Lai izraisītu bumbas sprādzienu, jums tie pēc iespējas ātrāk jāsatuvina. Otrā metode ir balstīta uz iekšu-konverģējoša sprādziena izmantošanu. Šajā gadījumā gāzu plūsma no parastās sprāgstvielas tika vērsta uz skaldāmo materiālu, kas atrodas iekšpusē, un saspiests to, līdz tas sasniedza kritisko masu. Apvienojot lādiņu un intensīvi to apstarojot ar neitroniem, kā jau minēts, rodas ķēdes reakcija, kuras rezultātā pirmajā sekundē temperatūra paaugstinās līdz 1 miljonam grādu. Šajā laikā izdevās atdalīties tikai aptuveni 5% no kritiskās masas. Pārējais lādiņš agrīnās bumbas konstrukcijās iztvaikoja bez tā
kāds labums.
Pirmā atombumba vēsturē (tai tika dots nosaukums Trīsvienība) tika samontēta 1945. gada vasarā. Un 1945. gada 16. jūnijā kodolizmēģinājumu poligonā Alamogordo tuksnesī (Ņūmeksikā) tika veikts pirmais atomsprādziens uz Zemes. Bumba tika novietota izmēģinājumu poligona centrā uz 30 metrus augsta tērauda torņa. Ap to lielā attālumā bija novietota ierakstu aparatūra. 9 km attālumā atradās novērošanas punkts, bet 16 km attālumā - komandpunkts. Atomu sprādziens atstāja satriecošu iespaidu uz visiem šī notikuma lieciniekiem. Pēc aculiecinieku aprakstiem radās sajūta, ka daudzas saules būtu apvienojušās vienā un vienlaikus apgaismojušas izmēģinājuma vietu. Tad virs līdzenuma parādījās milzīga ugunsbumba, un tā virzienā lēnām un draudīgi sāka celties apaļš putekļu un gaismas mākonis.
Paceļoties no zemes, šī ugunsbumba dažu sekunžu laikā pacēlās vairāk nekā trīs kilometru augstumā. Ar katru brīdi tas pieauga, drīz tā diametrs sasniedza 1,5 km, un tas lēnām pacēlās stratosfērā. Tad ugunsbumba padevās kūpojošu dūmu kolonnai, kas stiepās līdz 12 km augstumam, iegūstot milzu sēnes formu. To visu pavadīja briesmīga rūkoņa, no kuras drebēja zeme. Sprāgstošās bumbas spēks pārsniedza visas cerības.
Tiklīdz radiācijas situācija ļāva, sprādziena vietā steidzās vairāki Sherman tanki, kuru iekšpuse bija izklāta ar svina plāksnēm. Vienā no tiem atradās Fermi, kurš ļoti vēlējās redzēt sava darba rezultātus. Viņa acu priekšā parādījās izmirusi, izdegusi zeme, uz kuras 1,5 km rādiusā bija iznīcināts viss dzīvais. Smiltis bija izveidojušās stiklveida zaļganā garozā, kas klāja zemi. Milzīgā krāterī gulēja tērauda atbalsta torņa sagrauztās atliekas. Sprādziena spēks tika lēsts 20 000 tonnu trotila apmērā.
Nākamais solis bija bumbas kaujas izmantošana pret Japānu, kas pēc nacistiskās Vācijas kapitulācijas viena pati turpināja karu ar ASV un to sabiedrotajiem. Nesējraķešu tobrīd nebija, tāpēc bombardēšana bija jāveic no lidmašīnas. Abu bumbu sastāvdaļas ar lielu rūpību ar kreiseri Indianapolisa nogādāja Tinjanas salu, kur atradās 509. apvienoto gaisa spēku grupa. Šīs bumbas nedaudz atšķīrās viena no otras ar lādiņa veidu un dizainu.
Pirmā bumba “Baby” bija liela izmēra aviācijas bumba ar atomu lādiņu, kas izgatavots no augsti bagātināta urāna-235. Tā garums bija aptuveni 3 m, diametrs - 62 cm, svars - 4,1 tonna.
Otrā bumba - "Fat Man" - ar plutonija-239 lādiņu bija olas formas ar lielu stabilizatoru. Tās garums
bija 3,2 m, diametrs 1,5 m, svars - 4,5 tonnas.
6. augustā pulkveža Tibbetsa bumbvedējs B-29 Enola Gay nometa "Little Boy" uz Japānas lielāko pilsētu Hirosimu. Bumba tika nolaista ar izpletni un eksplodēja, kā plānots, 600 m augstumā no zemes.
Sprādziena sekas bija briesmīgas. Pat pašiem pilotiem skats uz mierpilnu pilsētu, kuru viņi vienā mirklī sagrāva, radīja nospiedošu iespaidu. Vēlāk viens no viņiem atzina, ka tajā sekundē viņi redzēja ļaunāko, ko cilvēks var redzēt.
Tiem, kas bija uz zemes, notiekošais atgādināja īstu elli. Pirmkārt, pār Hirosimu pārgāja karstuma vilnis. Tā iedarbība ilga tikai dažus mirkļus, taču bija tik spēcīga, ka izkausēja pat flīzes un kvarca kristālus granīta plāksnēs, telefona stabus 4 km attālumā pārvērta oglēs un, visbeidzot, cilvēku ķermeņus tik ļoti sadedzināja, ka no tiem palika tikai ēnas. uz ietvju asfalta vai uz māju sienām. Tad no ugunsbumbas apakšas izlauzās zvērīga vēja brāzma un ar ātrumu 800 km/h metās pāri pilsētai, iznīcinot visu savā ceļā. Mājas, kas nevarēja izturēt viņa nikno uzbrukumu, sabruka kā nogāztas. Milzu aplī, kura diametrs ir 4 km, nav palikusi neviena neskarta ēka. Dažas minūtes pēc sprādziena pār pilsētu nolija melns radioaktīvs lietus - šis mitrums pārvērtās tvaikā, kas kondensējās augsti slāņi atmosfērā un nokrita zemē lielu pilienu veidā, kas sajaukti ar radioaktīviem putekļiem.
Pēc lietus pilsētu piemeklēja jauna vēja brāzma, kas šoreiz pūta epicentra virzienā. Tas bija vājāks par pirmo, bet tomēr pietiekami stiprs, lai izravētu kokus. Vējš uzpūta milzu uguni, kurā dega viss, kas varēja degt. No 76 tūkstošiem ēku pilnībā nopostītas un nodedzinātas 55 tūkstoši. Tā liecinieki šausmīga katastrofa viņi atcerējās lāpu cilvēkus, no kuriem sadegušas drēbes nokrita zemē kopā ar ādas lupatām, un par traku cilvēku pūļiem, kas bija klāti ar briesmīgiem apdegumiem, kas, kliedzot, steidzās pa ielām. Gaisā bija jūtama smacējoša piedegušas cilvēka miesas smaka. Visur gulēja cilvēki, miruši un mirstoši. Bija daudzi akli un kurli un, bāzdamies uz visām pusēm, neko nevarēja saprast apkārt valdošajā haosā.
Nelaimīgie cilvēki, kuri atradās līdz 800 m attālumā no epicentra, burtiski izdega sekundes daļā - viņu iekšpuse iztvaikoja un ķermeņi pārvērtās kūpošo ogļu kunkuļos. Tos, kas atradās 1 km attālumā no epicentra, skārusi radiācijas slimība ārkārtīgi smagā formā. Dažu stundu laikā viņiem sākās spēcīga vemšana, temperatūra uzlēca līdz 39-40 grādiem, un viņiem sākās elpas trūkums un asiņošana. Tad uz ādas parādījās nedzīstošas čūlas, krasi mainījās asins sastāvs, izkrita mati. Pēc šausmīgām ciešanām, parasti otrajā vai trešajā dienā, iestājās nāve.
Kopumā no sprādziena un staru slimības gāja bojā aptuveni 240 tūkstoši cilvēku. Apmēram 160 tūkstoši saņēma staru slimību vieglākā formā - viņu sāpīgā nāve aizkavējās par vairākiem mēnešiem vai gadiem. Kad ziņas par katastrofu izplatījās visā valstī, visa Japāna bija baiļu paralizēta. Tas vēl vairāk palielinājās pēc tam, kad majora Svīnija Box Car 9. augustā nometa otru bumbu Nagasaki. Šeit tika nogalināti un ievainoti arī vairāki simti tūkstoši iedzīvotāju. Nespēdama pretoties jaunajiem ieročiem, Japānas valdība kapitulēja – atombumba izbeidza Otro pasaules karu.
Karš ir beidzies. Tas ilga tikai sešus gadus, taču izdevās gandrīz līdz nepazīšanai mainīt pasauli un cilvēkus.
Cilvēku civilizācija pirms 1939. gada un cilvēku civilizācija pēc 1945. gada krasi atšķiras viena no otras. Tam ir daudz iemeslu, bet viens no svarīgākajiem ir kodolieroču parādīšanās. Nepārspīlējot var teikt, ka Hirosimas ēna slēpjas pār visu 20. gadsimta otro pusi. Tas kļuva par dziļu morālu apdegumu daudziem miljoniem cilvēku, gan šīs katastrofas laikabiedriem, gan tiem, kas dzimuši gadu desmitiem pēc tās. Mūsdienu cilvēks vairs nevar domāt par pasauli tā, kā par to domāja pirms 1945. gada 6. augusta – viņš pārāk skaidri saprot, ka šī pasaule dažos mirkļos var pārvērsties par neko.
Mūsdienu cilvēks nevar skatīties uz karu tā, kā to darīja viņa vectēvi un vecvectēvi – viņš noteikti zina, ka šis karš būs pēdējais, un tajā nebūs ne uzvarētāju, ne zaudētāju. Kodolieroči ir atstājuši savas pēdas visās jomās sabiedriskā dzīve, un mūsdienu civilizācija nevar dzīvot pēc tādiem pašiem likumiem kā pirms sešdesmit vai astoņdesmit gadiem. Neviens to nesaprata labāk kā paši atombumbas radītāji.
"Mūsu planētas cilvēki , rakstīja Roberts Oppenheimers, jāapvienojas. Sēts terors un iznīcība pēdējais karš, diktē mums šo domu. Atombumbu sprādzieni to pierādīja ar visu nežēlību. Citi cilvēki citreiz jau ir teikuši līdzīgus vārdus - tikai par citiem ieročiem un par citiem kariem. Viņiem neveicās. Bet ikvienu, kurš šodien teiktu, ka šie vārdi ir bezjēdzīgi, vēstures peripetijas maldina. Mēs par to nevaram būt pārliecināti. Mūsu darba rezultāti neatstāj cilvēcei citas izvēles, kā vien radīt vienotu pasauli. Pasaule, kuras pamatā ir likumība un cilvēcība."