Как устроена атомная бомба: Как устроена атомная бомба. Как устроена и работает ядерная боеголовка

Содержание

Принцип работы атомной бомбы

Подробнее о ядерных боеприпасах

Ядерное оружие не случайно надолго завоевало умы сильных мира сего. Поражающая способность атомных бомб и других ядерных боеприпасов в разы превосходила ранее известное оружие.

При взрыве атомной бомбы образуется невероятной силы ударная волна. Но это лишь малая толика того, что происходит дальше. Взрыв сопровождается световым, радиоактивным, электромагнитным и рентгеновским излучениями. Такой «букет» не оставляет ничего живого на своем пути. Зоной тотального разрушения оказывается площадь радиусом в несколько километров, а само место взрыва и окрестные территории на долгие годы становятся так называемой «зоной отчуждения».

Все ядерное оружие можно разделить по принципу его действия на 3 большие группы:

  • атомное
  • водородное (или термоядерное)
  • нейтронное

До того, как появилось ядерное оружие, для взрывов использовались шашки, основу которых составлял тринитротолуол (тротил). Для более удобного обозначения было принято решение измерять мощность ядерных взрывов в тротиловом эквиваленте. Таким образом, все ядерные боеприпасы можно отнести к одной из пяти групп (по мощности в тротиловом эквиваленте), начиная от сверхмалых с зарядом до 1 килотонны, и заканчивая сверхкрупными, мощностью более 1 мегатонны.

Основой действия ядерного оружия является бесконтрольная (неуправляемая) реакция деления ядер, а также термоядерный синтез. Для производства ядерных боеприпасов используются изотопы урана-235 и плутония-239. Получение этих радиоактивных веществ возможно не только в природе, но и при помощи современных технологий по обогащению урана. Плутоний-239 также получают посредством «бомбардировки» урана-238 нейтронами.

Изотопы водорода.

Атом водорода – простейший из всех существующих атомов. Он состоит из одного протона, являющегося его ядром, вокруг которого вращается единственный электрон. Тщательные исследования воды (H2O) показали, что в ней в ничтожном количестве присутствует «тяжелая» вода, содержащая «тяжелый изотоп» водорода – дейтерий (2H). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона – нейтральной частицы, по массе близкой к протону.

Существует третий изотоп водорода – тритий, в ядре которого содержатся один протон и два нейтрона. Тритий нестабилен и претерпевает самопроизвольный радиоактивный распад, превращаясь в изотоп гелия. Следы трития обнаружены в атмосфере Земли, где он образуется в результате взаимодействия космических лучей с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Тритий получают искусственным путем в ядерном реакторе, облучая изотоп литий-6 потоком нейтронов.

Изотопы урана

Существуют два естественных изотопа урана. Природный уран состоит в основном из изотопа U-238, в каждом атоме которого содержится 92 протона и 146 нейтронов (92+146=238). Смешанный с этим 0.6% накопление U-235, только c 143 нейтронами в атоме. Атомы этого более легкого изотопа можно расщеплять, поэтому он «расщепляется» и полезен при создании атомных бомб.

Нейтронно-тяжелый U-238 также играет роль в атомной бомбе, поскольку его нейтронно-тяжелые атомы могут отклонять случайные нейтроны, предотвращая случайную цепную реакцию в урановой бомбе и сохраняя нейтроны, содержащиеся в плутониевой бомбе. U-238 также может быть «насыщен» для производства плутония (Pu-239), искусственного радиоактивного элемента, также используемого в атомных бомбах.

Оба изотопа урана естественно радиоактивны; их громоздкие атомы со временем распадаются. При наличии достаточного времени (сотни тысяч лет) Уран в конечном итоге потеряет столько частиц, что превратится в свинец. Этот процесс распада может быть значительно ускорен в так называемой цепной реакции. Вместо того чтобы распадаться естественно и медленно, атомы насильственно расщепляются бомбардировкой нейтронами.

Длительное заражение местности радиоактивными осадками.

В случае военных действий применение водородной бомбы приведет к немедленному радиоактивному загрязнению территории в радиусе ок. 100 км от эпицентра взрыва. При взрыве супербомбы загрязненным окажется район в десятки тысяч квадратных километров. Столь огромная площадь поражения одной-единственной бомбой делает ее совершенно новым видом оружия. Даже если супербомба не попадет в цель, т. е. не поразит объект ударно-тепловым воздействием, проникающее излучение и сопровождающие взрыв радиоактивные осадки сделают окружающее пространство непригодным для обитания. Такие осадки могут продолжаться в течение многих дней, недель и даже месяцев. В зависимости от их количества интенсивность радиации может достичь смертельно опасного уровня. Сравнительно небольшого числа супербомб достаточно, чтобы полностью покрыть крупную страну слоем смертельно опасной для всего живого радиоактивной пыли. Таким образом, создание сверхбомбы ознаменовало начало эпохи, когда стало возможным сделать непригодными для обитания целые континенты. Даже спустя длительное время после прекращения прямого воздействия радиоактивных осадков будет сохраняться опасность, обусловленная высокой радиотоксичностью таких изотопов, как стронций-90. С продуктами питания, выращенными на загрязненных этим изотопом почвах, радиоактивность будет поступать в организм человека.

Об атомах

Атомы состоят из различных чисел и комбинаций трех субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны группируются вместе, образуя ядро (центральную массу) атома, в то время как электроны вращаются вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Именно баланс и расположение этих частиц определяют стабильность атома.

Большинство элементов имеют очень стабильные атомы, которые невозможно расщепить, кроме как бомбардировкой ускорителей частиц. Для всех практических целей единственным естественным элементом, атомы которого можно легко расщепить, является Уран — тяжелый металл с самым большим атомом из всех природных элементов и необычно высоким отношением нейтронов к протонам.

Это более высокое соотношение не повышает его «расщепляемость», но оно имеет важное значение для его способности способствовать взрыву, что делает уран-235 исключительным кандидатом на ядерное деление

О Плутонии

Гонка ядерных вооружений

С демонстрации мощи ядерного оружия началась так называемая гонка ядерных вооружений. Проиграть в борьбе за мировое господство не хотел никто. Большинство разработок ядерного оружия велось в Советском Союзе и Америке. Постепенно количество стран, обладающих этим видом вооружения, стало увеличиваться.

Так образовалась группа стран, имеющих ядерное оружие, которая получила название «Ядерный клуб». На данный момент в него входят США, Россия, Великобритания, Франция, Китай, Индия, Северная Корея и Пакистан. Со временем стало понятно, что неконтролируемое наращивание ядерного потенциала каждой из стран в конечном итоге может привести к непоправимым последствиям не только для определенной страны, но и для человечества в целом.

В 1968 году был разработан и подписан договор о нераспространении ядерного оружия. Это было сделано для сдерживания увеличения количества государств, обладающих ядерными боеприпасами. Согласие на условие договора дали лишь крупнейшие ядерные державы: СССР, США, Англия, Франция и Китай. И лишь в 2002 году Россия и Америка пришли к единодушному решению о сокращении ядерных боеприпасов. Согласно договору, к началу 2012 года в арсенале каждого из этих государств должно остаться втрое меньше ядерного оружия.

Деление, синтез, деление (супербомба).

На самом деле в бомбе описанная выше последовательность процессов заканчивается на стадии реакции дейтерия с тритием. Далее конструкторы бомбы предпочли использовать не синтез ядер, а их деление. В результате синтеза ядер дейтерия и трития образуются гелий и быстрые нейтроны, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать деление ядер урана-238 (основной изотоп урана, значительно более дешевый, чем уран-235, используемый в обычных атомных бомбах). Быстрые нейтроны расщепляют атомы урановой оболочки супербомбы. Деление одной тонны урана создает энергию, эквивалентную 18 Мт. Энергия идет не только на взрыв и выделение тепла. Каждое ядро урана расщепляется на два сильно радиоактивных «осколка». В число продуктов деления входят 36 различных химических элементов и почти 200 радиоактивных изотопов. Все это и составляет радиоактивные осадки, сопровождающие взрывы супербомб.

Благодаря уникальной конструкции и описанному механизму действия оружие такого типа может быть сделано сколь угодно мощным. Оно гораздо дешевле атомных бомб той же мощности.

Испытания

Первый взрыв, в рамках испытательной программы, РДС-1 произошёл 29 августа 1949 года, в 7 утра по московскому времени. Прошло ровно 3 часа с момента поднятия ядерной боеголовки на высоту 37,5м и взрыва, мощностью 20 килотонн. При этом начало испытания приходится на май 49 года, когда руководитель программы Курчатов, прибыл на полигон.

Башня, на которой была установлена ядерная головка, была полностью разрушена. От взрыва также пострадали здания, находящиеся в 25м от башни. В зоне поражения оказались мосты, железнодорожные вагоны, автомобили и танки.

В эпицентр взрыва попали не только специальные сооружения. Так, в испытании также участвовало более тысячи животных, 345 из которых погибло мгновенно, непосредственно в момент взрыва. Они послужили заменой солдатам, наглядно продемонстрировав своей гибелью, что может произойти с людьми, находящимися в зоне поражения.

Подготовка к испытанию, как и сам процесс, происходил под грифом «Секретно», и лишь случайно, о нем узнал весь мир. Проба воздуха вблизи полигона дала понять американцам, что их главных оппонент также вооружился ядерной бомбой.

Официальное заявление о наличии атомной боеголовки на территории страны прозвучали лишь в 1950 году.

РДС-1 стала улучшенной копией американского «Толстяка», но уже через несколько лет Советский Союз не только догнал, но и перегнал противника по качеству ядерного вооружения. Такое положение вещей внушало страх, ведь на территории СССР ввелись масштабные работы по сбору боеголовок в промышленном количестве и любой конфликт мог закончиться ядерным взрывом, чего, к счастью, так и не случилось.

История создания советского ядерного оружия

Советский Союз стал второй после США ядерной державой, вооружившись атомным оружием в 1949 году. Дальнейшее промедление в этом вопросе со стороны СССР могло существенно изменить его внешнеполитическое положение, поскольку в любом последующем вооруженном конфликте советы были обречены на поражение. И несмотря на то, что разработка ядерных боеголовок началась в СССР ещё в 1942 году, у советских физиков явно не хватало знаний для создания работающего оружия.

Но своевременная вербовка иностранных специалистов, и успешная работа разведки, сделали своё дело. «Манхэттенский проект» и его результат бомба «Толстяк» стали прототипом для создания отечественной боеголовки РДС-1. Четыре года – именно столько времени понадобилась советским специалистам, чтобы создать атомную бомбу собственного производства, пусть и по примеру американского образца.

Это период был сокращён, как минимум, вдвое, благодаря деятельности отечественных разведчиков. Во многие научные и исследовательские центры США, занимающиеся разработкой и созданием бомбы, были внедрены советские агенты. Среди их числа оказался и Клаус Фукс, один из главных участников «Манхэттенского проекта». Это привело к тому, что меньше, чем через 2 недели после сборки американской атомной боеголовки, ее описание оказалось в Москве.

Здесь в 1940 году было открыто такое явление, как деление урана, которое происходит спонтанно. Изучалась также реакции урана и плутония под действием различных частиц. В 1946 году процесс получения плутония из урана стал максимально понятным. Технология была задокументирована, и взята на вооружение.

Когда Родине нужно — и звёзды зажигают

Рентген испарил наполнитель, переотражается изнутри от внешней оболочки и действует на корпус второй ступени. Да и в общем, чего греха таить, вся эта ярмарка уже приступает к ликвидации самой бомбы как материальной конструкции. Но мы успеем, нам надо-то всего ничего, около микросекунды.

Всё испарившееся ломится в центр и со страшной силой давит и греет(миллионы градусов, сотни миллионов атмосфер) внешнюю оболочку второй ступени. Она тоже начинает испаряться(эффект абляции). Ну как — испаряться…

Отсюда можете прикинуть давление на то, что внутри оболочки. См. выше про тампер на первой ступени, идея в чем-то схожая.

Вторая ступень уменьшается в размерах — в 30 раз для цилиндрического варианта и примерно в 10 для сферического. Плотность вещества возрастает более, чем в тысячу раз. Внутренний стержень из плутония доводится до надкритичности и в нём начинается ядерная реакция — уже вторая в нашем боеприпасе за последнюю микросекунду.

Итак, сверху обжатый тампер, внутри жёстко бомбануло, пошёл поток нейтронов — и у нас внутри стоят расчудесные погоды.

Здравствуй, синтез легких ядер, литий в тритий, всё вместе в гелий, вот он, выход мощности. Сотни миллионов градусов, как в звёздах. Термоядерная бомба пожаловала.

Микросекунда капает, подожжённый дейтерид лития горит из центра наружу… стоп, а если нам и сейчас мощности мало?

Давайте-ка отмотаемся немного назад и организуем корпус второй ступени не просто так, а из урана-238. По сути, из природного металла, а то и из обеднённого.

У нас от синтеза лёгких ядер прёт поток очень быстрых нейтронов, они кидаются изнутри на недоиспарившийся урановый тампер и — о, чудо! — в этом безобидном изотопе запускается ядерная реакция. Не цепная, самоподдерживаться она не может. Но этих нейтронов из термояда вылетает столько, что на тонну урана хватит: вся вторая ступень как огромный нейтронный источник работает.

Это так называемаяреакция Джекила-Хайда». Потому и название такое: никого не трогал, вроде был нормальный, и тут на тебе ВНЕЗАПНО.

Подставляй ведро

Вроде как всё, ядерный взрыв состоялся, расходимся? Ну, теоретически да. Но если бросить всё как есть, взрыв будет не очень мощный. Можно его усилить(бустировать) слоями термоядерного горючего. Правда есть одна проблема. Вон ударная волна висит, по швам уже расходится, устала вашу ядрену-бомбу держать. Как это всё сжигать, пока оно не убежало? Сделаешь в семнадцать этажей, пять прореагируют, на те два процента и живём, а остальное — ковром по сельской местности? Нет уж, давайте думать.

Боевые блоки МБР LGM-118 Peacekeeper на последнем отрезке траектории

Как писал Теллер в обосновании своей идеи, где-то 70-80% энергии ядерной реакции выделяется в виде рентгеновского излучения, которое движется существенно быстрее, чем рвущиеся наружу осколки деления плутония. Что это даёт пытливому уму физика?

Поставим рядом ведро жидкого дейтерия(как у Теллера в первом изделии и было) или твердого дейтерида лития(как Гинзбург в Союзе предложил), и используем взрыв триггера как зажигалку, ну или, если хотите, как детонатор НАСТОЯЩЕГО ВЗРЫВА.

Сказано — сделано. Теперь понятна конструкция нашего заряда: пустотелый бак, с одного торца — триггер, всю низость падения которого мы уже обсудили. Пространство между первой и второй ступенью заполняется разными хитрыми рентгенопроницаемыми материалами. Везде официально указано, что поначалу это был пенополистирол. Но с конца 1970-х у американцев, скажем, используется шибко секретный материал FOGBANK — предположительно, аэрогель. Наполнитель предохраняет вторую ступень от раннего перегрева, а внешний корпус заряда — от быстрого разрушения. Корпус поддаёт также давления на вторую ступень и вообще способствует симметричности обжатия.

Кроме того, там же — в небольшом перерывчике между первой и второй — установлены совсем хитрые и начисто секретные конструкции, про которые стараются вообще ничего не писать

Их можно осторожно назвать концентраторами рентгеновского излучения. Нужно всё это, чтобы рентген не просто так светил в пространство, а надлежащим образом доехал до второй ступени

Всё остальное место занимает вторая ступень. Пакет её тоже непростой, а какой надо пакет. В самой сердцевине этого цилиндра из дейтерида лития, упакованного в прочный тяжёлый корпус, проделан канал, в который коварно вложили стержень из того же самого плутония-239 или урана-235.

Оно вылупилось

У нас, напомним, не прошло и двух микросекунд, а уже столько сделано важных дел: взорвали атомную бомбу, подожгли с её помощью термоядерное горючее и, если было надо, заставили делиться аполитичного пофигиста — уран-238

Последнее, кстати, важно: на нём можно сильно разогнать мощность устройства. Но и грязи в окружающую среду полетит много

Правда, на этомкрасивая физика» гигантов научной мысли середины XX века заканчивается. Теперь вся эта первозданная стихия готова излиться наружу, за призрачные границы того, что ещё недавно было корпусом бомбы.

И вот там дальше начнет развиваться огненный шар, а потом возникают и поражающие факторы ядерного взрыва. Но о них — потом.

Цепные ядерные реакции

Одного удара нейтрона достаточно для расщепления менее стабильного атома U-235, создания атомов меньших элементов (чаще всего бария и криптона) и высвобождения тепла и гамма-излучения (самой мощной и смертоносной формы радиоактивности).

Эта цепная реакция происходит, когда «запасные» нейтроны из этого атома вылетают с достаточной силой, чтобы расщепить другие атомы U-235, с которыми они соприкасаются. В теории необходимо расщепить только один атом U-235, который будет выпускать нейтроны, которые будут расщеплять другие атомы, которые будут выпускать нейтроны … и так далее. Эта прогрессия не арифметическая; он геометрический и происходит в миллионную долю секунды.

Минимальная сумма для начала цепной реакции, как описано выше, называется сверхкритической массы. Для чисто U-235, 110 фунтов (50 килограмм). Однако Уран никогда не бывает достаточно чистым, поэтому в действительности потребуется больше, например, U-235, U-238 и плутоний.

Баллистическая и имплозивная схема

Для того, чтобы снаряд с радиоактивными веществами не просто упал, а взорвался, разработаны 2 схемы:

  • пушечная (или баллистическая)
  • имплозивная

Баллистическая схема использовалась на начальных этапах производства ядерного оружия. Она является более опасной, нежели имплозивная. Суть ее в следующем: есть два блока из радиоактивного вещества, которое уже начало делиться. Каждый из этих блоков к началу процесса находится в докритическом состоянии (т.е. на грани взрыва). Один из таких блоков неподвижен и называется «мишенью», а второй выстреливается в него и называется «пулей». При столкновении этих блоков и происходит взрыв. Малейшая неточность в расчетах могла привести к преждевременному взрыву. Именно такая атомная бомба стала причиной разрушения японского города Хиросима.

Имплозивная схема «на пальцах» представляет из себя следующее: есть объем (корпус, колба, как угодно), в центре которого размещено делящееся вещество. На внутренней поверхности этой «колбы» расположены заряды. Когда эти заряды взрываются, образуется волна, направленная внутрь, к центру «колбы». Взрывная волна «сдавливает» радиоактивное вещество, в результате чего запускается необратимая цепная реакция, ведущая к взрыву. Эта схема также зарекомендовала себя не с лучшей стороны.

Современные разработки основаны не на сферической имплозии (описанной выше), а на двухточечной. Дополнительные заряды взрываются в элипсоподобной полости в двух точках. Сжатие радиоактивного вещества происходит в продольном направлении.

Доставляется ядерное оружие в виде боеголовок, снарядов, ракет на соответствующем транспорте, например, военных поездах, бомбардировщиках и даже подводных лодках.

Как они образуются.

При взрыве бомбы возникший огненный шар наполняется огромным количеством радиоактивных частиц. Обычно эти частицы настолько малы, что, попав в верхние слои атмосферы, могут оставаться там в течение долгого времени. Но если огненный шар соприкасается с поверхностью Земли, все, что на ней находится, он превращает в раскаленные пыль и пепел и втягивает их в огненный смерч. В вихре пламени они перемешиваются и связываются с радиоактивными частицами. Радиоактивная пыль, кроме самой крупной, оседает не сразу. Более мелкая пыль уносится возникшим в результате взрыва облаком и постепенно выпадает по мере движения его по ветру. Непосредственно в месте взрыва радиоактивные осадки могут быть чрезвычайно интенсивными – в основном это оседающая на землю крупная пыль. В сотнях километров от места взрыва и на более далеких расстояниях на землю выпадают мелкие, но все еще видимые глазом частицы пепла. Часто они образуют похожий на выпавший снег покров, смертельно опасный для всех, кто окажется поблизости. Еще более мелкие и невидимые частицы, прежде чем они осядут на землю, могут странствовать в атмосфере месяцами и даже годами, много раз огибая земной шар. К моменту выпадения их радиоактивность значительно ослабевает. Наиболее опасным остается излучение стронция-90 с периодом полураспада 28 лет. Его выпадение четко наблюдается повсюду в мире. Оседая на листве и траве, он попадает в пищевые цепи, включающие и человека. Как следствие этого, в костях жителей большинства стран обнаружены заметные, хотя и не представляющие пока опасности, количества стронция-90. Накопление стронция-90 в костях человека в долгосрочной перспективе весьма опасно, так как приводит к образованию костных злокачественных опухолей.

История ядерного оружия

История ядерного оружия началась в 1898 году с открытия радиации супругами Кюри. После того, как мир узнал о радиоактивном излучении было сделано еще несколько немаловажных открытий, в том числе исследования Резерфорда (он открыл электроны) и Эрнеста Уолтона и Джона Кокрофта, которые в 1934 году смогли расщепить «неделимый» атом на составляющие.

Результатом череды исследований стало получение патента на новейший вид оружия – атомную бомбу. Он был оформлен в 1934 году Лео Силардом. Так Америка официально была допущена до производства и испытания первых ядерных снарядов. Впервые взрыв бомбы на основе плутония был произведен на полигоне в американском штате Нью-Мексико. Первый опыт был самым страшным, ведь ученые не были до конца уверены в правильности расчетов. Тогда по предположениям ученых взрыв ядерного снаряда мог вызвать гибель всей планеты. Но, несмотря на все опасения, испытания под кодовым названием Тринити, прошли успешно.

Тогда никто и подумать не мог, что это была всего-лишь тренировка перед более масштабными и по истине бесчеловечными действиями. Имея под рукой оружие нового поколения, руководство Америки принимает решение о включении атомных снарядов в разряд разрешенного оружия на случай военных действий. Испытания на живых людях в реальных условиях не заставили себя долго ждать. Уже в августе 1945 года американские атомные бомбы «Малыш» и «Толстяк» унесли жизни сотен тысяч жителей японских городов Нагасаки и Хиросимы.

  • Автор: Владимир