По-ярка от Слънцето: Атомна бомба

Нищо не предизвиква толкова голям интерес, колкото атомната бомба

9 август 1945г. Нагасаки. Ядрена гъба

24 септември 1949 г. Нюйоркските вестници обявяват експлозията на съветската атомна бомба

Август 1945г Ърнест Орландо Лоурънс в лабораторията за атомна бомба

25 юли 1946 г. Подводна ядрена експлозия на атола на бикини в Тихия океан

1954 година. Осем години след експлозията в атола Бикини, японски учени откриха високо ниво на радиация в риба, уловена в местни води

Атомната бомба „Фатман“ - същата като тази, паднала в Нагасаки на 9 август 1945 г.

Критична маса

Всички чуха, че има определена критична маса, която трябва да се спечели, за да започне верижна ядрена реакция. Но само за да се случи истинска ядрена експлозия, една критична маса не е достатъчна - реакцията ще спре почти мигновено, преди да се освободи забележима енергия. За пълноценен взрив от няколко килотона или десетки килотони, трябва едновременно да съберете два или три и за предпочитане четири до пет критични маси.

Изглежда очевидно, че трябва да направите две или повече части от уран или плутоний и да ги свържете в подходящия момент. Честно казано, трябва да се каже, че физиците са мислили същото, когато са се заели с изграждането на ядрена бомба. Но реалността направи корекции.

Факт е, че ако имахме много чист уран-235 или плутоний-239, бихме могли да го направим, но учените трябваше да се справят с истинските метали. Обогатявайки природния уран, можете да направите смес, съдържаща 90% уран-235 и 10% уран-238, опитите да се отървете от остатъка от уран-238 водят до много бързо повишаване на цената на този материал (нарича се високо обогатен уран). Плутоний-239, който се получава в ядрен реактор от уран238 чрез делене на уран-235, задължително съдържа примес на плутоний-240.

Изотопите уран235 и плутоний239 се наричат ​​четни, тъй като ядрата на техните атоми съдържат четен брой протони (92 за уран и 94 за плутоний) и нечетен брой неутрони (143 и 145 съответно). Всички нечетни ядра на тежки елементи имат общо свойство: рядко се делят спонтанно (учените казват „спонтанно“), но лесно се разделят, когато неутрон влезе в ядрото.

Уран-238 и плутоний-240 са равномерни. Напротив, те практически не споделят неутрони с малка и умерена енергия, които излитат от делящите се ядра, но след това стотици или десетки хиляди пъти по-често те спонтанно се образуват, образувайки неутронен фон. Този фон затруднява създаването на ядрени оръжия, тъй като предизвиква преждевременно начало на реакцията, преди да се срещнат двете подробности на заряда. Поради това в устройството, подготвено за експлозията, части от критичната маса трябва да бъдат разположени достатъчно далеч една от друга и свързани с висока скорост.

Пистолет-бомба

Бомбата, паднала върху Хирошима на 6 август 1945 г., е направена точно по горната схема. Двете му части, целта и куршумът, са направени от силно обогатен уран. Целта беше цилиндър с диаметър 16 см и височина също 16 см. В центъра му беше отвор с диаметър 10 см. В съответствие с този отвор беше направен куршум. Общо бомбата съдържа 64 кг уран.

Целта беше заобиколена от черупка, чийто вътрешен слой е направен от волфрамов карбид, а външният е от стомана. Целта на черупката е била двойна: да задържи куршума, когато се забие в целта, и да отразява поне част от неутроните, излъчени от урана обратно. Като се вземат предвид неутронния отражател, 64 кг възлизат на 2.3 критични маси. Как стана това, защото всяко от парчетата беше подкритично? Факт е, че премахвайки средната част от цилиндъра, намаляваме средната му плътност и стойността на критичната маса се увеличава. По този начин масата на тази част може да надвишава критичната маса за твърдо парче метал. Но да се увеличи масата на куршум по този начин е невъзможно, защото трябва да е непрекъснато.

И целта, и куршумът бяха събрани от парчета: мишена от няколко пръстена с малка височина и куршум от шест шайби. Причината е проста - урановите заготовки трябва да са с малки размери, тъй като при производството (леенето, пресоването) на заготовката общото количество уран не трябва да се доближава до критична маса. Куршумът е бил затворен в тънкостенна обвивка от неръждаема стомана, с капак от волфрамов карбид, както в черупката на мишената.

За да насочим куршума към центъра на целта, решихме да използваме цевта на конвенционален противотанков пистолет с калибър 76, 2 мм. Ето защо този тип бомба понякога се нарича бомба с оръдия. Цевта се отегчи отвътре до 100 мм, така че в нея влезе такъв необичаен снаряд. Дължината на цевта беше 180 см. В нейната зареждаща камера беше зареден редовен бездимен прах, който изстреля куршум със скорост около 300 м / сек. А другият край на цевта беше притиснат в отвора в целевата обвивка.

Този дизайн имаше много недостатъци.

Беше чудовисно опасно: след като прахът се зареди в зареждащата камера, всяка авария, която може да го запали, ще доведе до експлозията на бомбата с пълна мощност. Поради това пироксилинът вече се зарежда във въздуха, когато самолетът лети към целта.

При самолетна катастрофа частите на уран могат да се свържат без барут, просто от силен удар в земята. За да се избегне това, диаметърът на куршума беше фракция от милиметър по-голям от диаметъра на канала в цевта.

Ако бомбата падна във водата, тогава поради забавянето на неутроните във водата, реакцията може да започне дори без свързване на частите. Вярно е, че в този случай ядрена експлозия е малко вероятно, но би имало термична експлозия с разпръскване на уран върху голяма територия и радиоактивно замърсяване.

Дължината на бомба от този дизайн надхвърли два метра и това е практически неустоимо. В края на краищата беше достигнато критично състояние и реакцията започна, когато имаше още половин метър, преди куршумът да спре!

И накрая, тази бомба беше много разточителна: по-малко от 1% уран имаше време да реагира в нея!

Предимството на оръдиевата бомба беше точно едно: не можеше да се провали. Те дори нямаше да я тестват! Но американците трябваше да изпробват плутониевата бомба: нейният дизайн беше твърде нов и сложен.

Плутониева футболна топка

Когато се оказа, че дори една малка (по-малко от 1%!) Смесване на плутоний-240 прави невъзможно сглобяването на оръдия на плутониева бомба, физиците бяха принудени да търсят други начини за получаване на критична маса. И ключът към плутониевите експлозиви беше намерен от човек, който по-късно стана най-известният "ядрен шпионин", британският физик Клаус Фукс.

Идеята му, наречена по-късно „имплозия“, беше да образува сближаваща сферична ударна вълна от разминаваща се, използвайки така наречените експлозивни лещи. Тази ударна вълна е трябвало да компресира парче плутоний, така че плътността му да се удвои.

Ако намалението на плътността причини увеличаване на критичната маса, тогава увеличението на плътността трябва да го намали! За плутония това е особено вярно. Плутоний е много специфичен материал. Когато парче плутоний се охлади от точката на топене до стайна температура, той претърпява четири фазови прехода. С последната (около 122 градуса) плътността й скача с 10%. Освен това всяко кастинг неизбежно ще се спука. За да се избегне това, плутонийът се легира с някакъв тривалентен метал, след което разхлабеното състояние става стабилно. Можете да използвате алуминий, но през 1945 г. се опасяваше, че алфа частиците, излъчвани от плутониеви ядра по време на разпадането им, ще избият свободни неутрони от алуминиеви ядра, увеличавайки вече забележимия неутронен фон, така че галият е използван в първата атомна бомба.

Топка с диаметър само 9 см и тегло около 6, 5 кг беше направена от сплав, съдържаща 98% плутоний-239, 0, 9% плутоний-240 и 0, 8% галий. В центъра на топката имаше кухина с диаметър 2 см и се състоеше от три части: две половини и цилиндър с диаметър 2 см. Този цилиндър служи като запушалка, през която във вътрешната кухина може да бъде вкаран инициатор, източник на неутрон, който се задейства от експлозия на бомба. И трите части трябваше да бъдат никелирани, тъй като плутонийът се окислява много активно от въздух и вода и е изключително опасен, ако навлезе в човешкото тяло.

Топката беше заобиколена от неутронен отражател от естествен уран238 с дебелина 7 см и тегло 120 кг. Уранът е добър отражател на бързи неутрони, а сглобената система беше само леко подкритична, така че вместо плутониева тапа, беше вмъкнат абсорбиращ кадмий неутрон. Рефлекторът също служи за запазване на всички детайли на критичния монтаж по време на реакцията, в противен случай по-голямата част от плутония се разпръсна, като няма време да участва в ядрената реакция.

След това дойде 11, 5-сантиметров слой от алуминиева сплав с тегло 120 кг. Целта на слоя е същата като тази на просветлението върху лещите на лещите: уверете се, че взривната вълна прониква в уран-плутониевия блок, вместо да се отразява от него. Това отражение се дължи на голямата разлика в плътностите на експлозивите и урана (приблизително 1:10). Освен това в ударната вълна след компресионната вълна има вълна за разреждане, така наречения ефект на Тейлър. Алуминиевият слой затихва вълната за разреждане, което намалява ефекта на експлозивите. Алуминият трябваше да бъде легиран с бор, който абсорбира неутроните, излъчвани от ядрата на алуминиевите атоми, под въздействието на алфа-частици в резултат на разпадането на уран-238.

И накрая, тези „експлозивни лещи“ бяха отвън. Имаше 32 от тях (20 шестоъгълни и 12 петоъгълни), те образуваха структура, подобна на футболна топка. Всяка леща се състоеше от три части, средната е от специални „бавни“ експлозиви, а външната и вътрешната - „бързи“. Външната част беше сферична отвън, но вътре имаше конусовидна кухина, както при кумулативен заряд, но предназначението й беше различно. Този конус беше пълен с бавни експлозиви, а на границата имаше пречупване на взривната вълна като обикновена светлинна вълна. Но приликата тук е много условна. Всъщност формата на този конус е една от истинските тайни на ядрената бомба.

В средата на 40-те в света нямаше такива компютри, на които би било възможно да се изчисли формата на такива лещи и най-важното - дори нямаше подходяща теория. Затова те са направени изключително чрез опит и грешка. Трябваше да проведя повече от хиляда експлозии - и не просто да извърша, а да снимам със специални високоскоростни камери, записвайки параметрите на взривната вълна. Когато е била разработена намалената версия, се оказа, че взривните вещества не се размазват толкова лесно и е необходимо силно да се коригират старите резултати.

Точността на формата трябва да се спазва с грешка по-малка от милиметър, а съставът и еднородността на експлозивите трябва да се поддържат изключително внимателно. Части могат да бъдат направени само чрез леене, така че не всички взривни вещества бяха подходящи. Бързите експлозиви бяха смес от RDX и TNT и имаше два пъти повече RDX. Бавно - същият TNT, но с добавяне на инертен бариев нитрат. Скоростта на детонационната вълна в първия експлозив е 7, 9 км / с, а във втория - 4, 9 км / с.

Детонаторите бяха монтирани в центъра на външната повърхност на всяка леща. Всички 32 детонатора трябваше да работят едновременно с нечувана точност - по-малко от 10 наносекунди, тоест милиарди от секундата! По този начин предната част на ударната вълна не трябваше да бъде изкривена с повече от 0, 1 мм. Със същата точност беше необходимо да се комбинират конюгираните повърхности на лещите и въпреки това грешката при тяхното производство беше десет пъти по-голяма! Трябваше да поразровя и да похарча много тоалетна хартия и скоч, за да компенсирам неточности. Но системата стана малко като теоретичен модел.

Трябваше да измисля нови детонатори: старите не осигуряваха правилна синхронизация. Те са направени на базата на проводници, експлодиращи под мощен импулс от електрически ток. За тяхната работа е била необходима батерия от 32 кондензатора с високо напрежение и същия брой високоскоростни разрядници - по един за всеки детонатор. Цялата система, заедно с батерии и зарядно за кондензатори, тежеше почти 200 кг при първата бомба. Въпреки това, в сравнение с теглото на взривните вещества, отнели 2, 5 тона, не беше много.

Накрая цялата конструкция беше затворена в сферично тяло с дюралюминий, което се състоеше от широк колан и два капака - горен и долен, всички тези части бяха сглобени на болтове. Дизайнът на бомбата направи възможно сглобяването й без плутониева сърцевина. За да се вмъкне плутоний на място с парче уранов рефлектор, горният капак на корпуса е развит и е отстранена една експлозивна леща.

Войната с Япония се приближаваше към края и американците бързаха. Но имплозионната бомба трябваше да бъде тествана. Тази операция получи кодовото име „Троица“ („Троица“). Да, атомната бомба е трябвало да демонстрира сила, по-рано достъпна само за боговете.

Блестящ успех

Мястото за изпитване беше избрано в щата Ню Мексико, на място с живописното име Giernadadel Muerto (Път на смъртта) - територията беше част от артилерийския обхват на Аламагордо. Бомбата започва да се събира на 11 юли 1945 г. На 14 юли тя е издигната до върха на специално изградена кула с височина 30 м, проводниците са свързани с детонаторите и започват последните етапи на подготовка, свързани с голям брой измервателни уреди. 16 юли 1945 г. в половин пет сутринта устройството е взривено.

Температурата в центъра на експлозията достига няколко милиона градуса, така че избухването на ядрена експлозия е много по-ярко от Слънцето. Огнената топка се задържа няколко секунди, след това започва да се издига, потъмнява, от бяло става оранжево, след това пурпурно и се образува известната вече ядрена гъба. Първият гъбен облак се издигна на височина 11 км.

Енергията на експлозията беше повече от 20 ct еквивалент на TNT. По-голямата част от измервателната апаратура беше унищожена, защото физиците разчитаха на 510 тона и поставиха оборудването твърде близо. Останалото беше успех, блестящ успех!

Но американците бяха изправени пред неочаквано радиоактивно замърсяване на района. Плъхът от радиоактивни отпадъци се простира на 160 км на североизток. Част от населението трябваше да бъде евакуирано от малкия град Бингъм, но поне петима местни жители получиха дози до 5760 рентгенови лъчи.

Оказа се, че за да се избегне инфекцията, бомбата трябва да бъде взривена на достатъчно голяма надморска височина, поне на километър и половина, след това продуктите на радиоактивно разпад се разпръскват на площ от стотици хиляди или дори милиони квадратни километри и се разтварят в глобалния радиационен фон.

Втора бомба с този дизайн е хвърлена върху Нагасаки на 9 август, 24 дни след този тест и три дни след бомбардировката над Хирошима. Оттогава почти всички ядрени оръжия използват технология на имплозия. Първата съветска бомба RDS-1, тествана на 29 август 1949 г., е направена по същия начин.

Статията е публикувана в списанието Popular Mechanics (№ 11, ноември 2003 г.).

Препоръчано

Кои са биохакери
2019
Днес Земята преминава афелий!
2019
Двигател на космически кораби: какви хора ще летят в дълбокото пространство
2019