Op de volgende verjaardag van badabum op Hiroshima en Nagasaki besloot ik het internet af te speuren naar vragen over kernwapens, waar het waarom en hoe het werd gemaakt van weinig belang voor me was (ik wist het al) - ik was meer geïnteresseerd in hoe 2 stukken plutonium niet smelten maar een grote breedte maken.
Houd de ingenieurs in de gaten - ze beginnen met een zaaimachine en eindigen met een atoombom.
Marcel Pagnol
Kernfysica is een van de meest controversiële gebieden van eerbiedwaardige natuurwetenschappen. Het was in dit gebied dat de mensheid een halve eeuw lang miljarden dollars, ponden, franken en roebels gooide, als in de locomotiefoven van een late trein. Nu lijkt de trein niet meer te laat te zijn. De woedende vlammen van brandend geld en manuren doofden. Laten we proberen in het kort te begrijpen wat voor soort trein genaamd "kernfysica" is.
Isotopen en radioactiviteit
Zoals je weet, bestaat alles wat bestaat uit atomen. Atomen bestaan op hun beurt uit elektronische omhulsels, die volgens hun verbluffende wetten leven, en een kern. Klassieke chemie is helemaal niet geïnteresseerd in de kern en zijn persoonlijke leven. Voor haar is een atoom zijn elektronen en hun vermogen om interactie uit te wisselen. En vanuit de kern van de chemie is alleen de massa nodig om de verhoudingen van reagentia te berekenen. Op zijn beurt geeft kernfysica niet veel om elektronen. Ze is geïnteresseerd in een klein (100 duizend keer kleiner dan de straal van de elektronenbanen) stofdeeltje in een atoom, waarin bijna al zijn massa is geconcentreerd.
Promotie video:
Wat weten we over de kern? Ja, het bestaat uit positief geladen protonen en neutronen zonder elektrische lading. Dit is echter niet helemaal waar. De kern is niet een handvol tweekleurige ballen, zoals in een illustratie uit een schoolboek. Er zijn totaal verschillende wetten aan het werk, sterke interactie genaamd, die zowel protonen als neutronen in een soort niet van elkaar te onderscheiden puinhoop veranderen. De lading van deze puree is echter precies gelijk aan de totale lading van de protonen die erin zijn opgenomen, en de massa - bijna (ik herhaal, bijna) valt samen met de massa van neutronen en protonen waaruit de kern bestaat.
Overigens valt het aantal protonen van een niet-geïoniseerd atoom altijd samen met het aantal elektronen dat de eer heeft het te omringen. Maar met neutronen is het niet zo eenvoudig. In feite is het de taak van neutronen om de kern te stabiliseren, aangezien zonder hen vergelijkbaar geladen protonen zelfs in microseconden niet met elkaar zouden kunnen opschieten.
Laten we waterstof nemen voor de zekerheid. De meest voorkomende waterstof. Zijn apparaat is lachwekkend eenvoudig: een proton omgeven door een rondgaand elektron. Waterstof in het heelal in bulk. We kunnen zeggen dat het universum voornamelijk uit waterstof bestaat.
Laten we nu voorzichtig een neutron aan het proton toevoegen. Vanuit chemisch oogpunt is het nog steeds waterstof. Maar vanuit het oogpunt van natuurkunde niet langer. Nadat ze twee verschillende waterstofatomen hadden ontdekt, maakten natuurkundigen zich zorgen en dachten ze er meteen aan om gewoon waterstof protium te noemen, en waterstof met een neutron met een proton - deuterium.
Laten we de zenuw pakken en de kern een ander neutron voeden. Nu hebben we nog een waterstof, nog zwaarder - tritium. Nogmaals, vanuit het oogpunt van chemie, verschilt het praktisch niet van de andere twee waterstofatomen (nou ja, behalve dat het nu iets minder gewillig in de reactie komt). Ik wil je meteen waarschuwen - geen enkele poging, bedreiging en vermaning zal in staat zijn om nog een neutron aan de tritiumkern toe te voegen. Lokale wetten zijn veel strenger dan menselijke.
Protium, deuterium en tritium zijn dus isotopen van waterstof. Hun atomaire massa is anders, maar hun lading is dat niet. Maar het is de nucleaire lading die de locatie in het periodiek systeem der elementen bepaalt. Daarom werden isotopen isotopen genoemd. Vertaald uit het Grieks betekent dit "dezelfde plaats innemen". Het bekende zware water is overigens hetzelfde water, maar dan met twee deuteriumatomen in plaats van protium. Dienovereenkomstig bevat superzwaar water tritium in plaats van protium.
Laten we nog eens naar onze waterstofatomen kijken. Dus … Protium is op zijn plaats, deuterium is op zijn plaats … Wie is dit nog meer? Waar is mijn tritium gebleven en waar komt helium-3 vandaan? In ons tritium miste een van de neutronen het duidelijk, besloot van beroep te veranderen en werd een proton. Daarbij baarde hij een elektron en een antineutrino. Het verlies van tritium valt natuurlijk tegen, maar we weten nu dat het onstabiel is. Het voeren van neutronen was niet voor niets.
Dus, zoals je hebt begrepen, zijn isotopen stabiel en onstabiel. Er zijn genoeg stabiele isotopen om ons heen, maar godzijdank zijn er praktisch geen onstabiele. Dat wil zeggen, ze zijn beschikbaar, maar in zo'n verspreide staat dat ze moeten worden verkregen ten koste van veel arbeid. Uranium-235, dat Oppenheimer zoveel gedoe veroorzaakte, bevat bijvoorbeeld slechts 0,7% natuurlijk uranium.
Halveringstijd
Alles is hier eenvoudig. De halfwaardetijd van een onstabiele isotoop is de tijdsperiode waarin precies de helft van de atomen van de isotoop vervalt en in andere atomen verandert. Het reeds bekende tritium heeft een halfwaardetijd van 12,32 jaar. Het is een vrij kortstondige isotoop, hoewel in vergelijking met francium-223, die een halfwaardetijd van 22,3 minuten heeft, tritium eruitziet als een aksakal met grijze baard.
Er zijn geen macroscopische externe factoren (druk, temperatuur, vochtigheid, de stemming van de onderzoeker, de hoeveelheid kredieten, de locatie van de sterren) die de halfwaardetijd beïnvloeden. De kwantummechanica is ongevoelig voor dergelijke onzin.
Populaire explosiemechanica
De essentie van elke explosie is de snelle afgifte van energie die voorheen in een onvrije, gebonden staat verkeerde. De vrijkomende energie wordt verstrooid, voornamelijk omgezet in warmte (kinetische energie van ongeordende beweging van moleculen), een schokgolf (ook hier beweging, maar al geordend, in de richting van het centrum van de explosie) en straling - van zacht infrarood tot harde korte golflengte quanta.
Bij een chemische explosie is alles relatief eenvoudig. Een energetisch gunstige reactie treedt op wanneer bepaalde stoffen met elkaar in wisselwerking staan. Alleen de bovenste elektronische lagen van sommige atomen nemen deel aan de reactie, en de interactie gaat niet dieper. Het is gemakkelijk te raden dat er in welke stof dan ook veel meer latente energie zit. Maar wat de omstandigheden van het experiment ook zijn, hoe goed de reagentia we ook kiezen, hoe we de verhoudingen ook kalibreren, chemie laat ons niet dieper in het atoom gaan. Een chemische explosie is een primitief fenomeen, ineffectief en, vanuit het oogpunt van fysica, obsceen zwak.
Met de nucleaire kettingreactie kun je wat dieper graven, inclusief in het spel niet alleen elektronen, maar ook kernen. Dit klinkt misschien erg zwaar, alleen voor een natuurkundige, en voor de rest zal ik een eenvoudige vergelijking geven. Stel je een gigantisch gewicht voor waar geëlektrificeerde stofdeeltjes rond fladderen op een afstand van enkele kilometers. Dit is een atoom, een "gewicht" is een kern, en "stofdeeltjes" zijn elektronen. Wat je ook doet met deze stofkorrels, ze zullen niet eens een honderdste van de energie geven die kan worden verkregen uit een zwaar gewicht. Vooral als het om de een of andere reden uiteenvalt en massaal puin zich met hoge snelheid in verschillende richtingen verspreidt.
Een nucleaire explosie maakt gebruik van het bindingspotentieel van de zware deeltjes waaruit de kern bestaat. Maar dit is verre van de limiet: er zit veel meer latente energie in materie. En de naam van deze energie is massa. Nogmaals, voor een niet-natuurkundige klinkt dit een beetje vreemd, maar massa is energie, alleen extreem geconcentreerd. Elk deeltje: een elektron, een proton, een neutron - dit zijn allemaal schaarse bundels ongelooflijk dichte energie, die voorlopig in rust is. U kent waarschijnlijk de formule E = mc2, waar auteurs van anekdotes, redacteuren van muurkranten en ontwerpers van klaslokalen zo dol op zijn. Ze gaat hier precies over, en zij is het die massa postuleert als niets meer dan één vorm van energie. En ze beantwoordt ook de vraag hoeveel energie er maximaal uit een stof kan worden gehaald.
Het proces van een volledige overgang van massa, dat wil zeggen gebonden energie in vrije energie, wordt annihilatie genoemd. Met de Latijnse stam "nihil" is het gemakkelijk te raden over de essentie ervan - het is transformatie in "niets", of beter gezegd - in straling. Voor de duidelijkheid enkele cijfers.
Explosie TNT-equivalent Energie (J)
F-1 granaat 60 gram 2,50 * 105
De bom viel op Hiroshima 16 kiloton 6.70 * 1013
Vernietiging van één gram materie 21,5 kiloton 8,99 * 1013
Een gram van welke materie dan ook (alleen massa is belangrijk) tijdens vernietiging zal meer energie geven dan een kleine atoombom. In vergelijking met een dergelijke terugkeer lijken de oefeningen van fysici op kernsplijting, en nog meer de experimenten van scheikundigen met actieve reagentia, belachelijk.
Voor vernietiging zijn passende voorwaarden nodig, namelijk het contact van materie met antimaterie. En, in tegenstelling tot "rood kwik" of "steen der wijzen", is antimaterie meer dan echt - voor de deeltjes die we kennen, bestaan soortgelijke antideeltjes die zijn bestudeerd, en experimenten met de annihilatie van paren "elektron + positron" zijn in de praktijk herhaaldelijk uitgevoerd. Maar om een vernietigingswapen te creëren, is het noodzakelijk om een bepaald gewichtig volume aan antideeltjes samen te stellen, en ook om ze te beperken van contact met welke materie dan ook tot in feite militair gebruik. Dit, pah-pah, is nog een ver vooruitzicht.
Massa defect
De laatste vraag die nog moet worden begrepen over de mechanica van een explosie is waar komt de energie vandaan: degene die vrijkomt tijdens de kettingreactie? Ook hier was het niet zonder mis. Integendeel, zonder haar "defect".
Tot de vorige eeuw geloofden wetenschappers dat massa onder alle omstandigheden bewaard blijft, en op hun eigen manier hadden ze gelijk. Dus doopten we het metaal in het zuur - de retort borrelde op en gasbellen stroomden omhoog door de dikte van de vloeistof. Maar als je de reagentia voor en na de reactie weegt, zonder het vrijgekomen gas te vergeten, convergeert de massa. En dat zal altijd zo zijn, terwijl we werken met kilogrammen, meters en chemische reacties.
Maar als je je eenmaal verdiept in het gebied van microdeeltjes, verrast ook de massa. Het blijkt dat de massa van een atoom mogelijk niet exact gelijk is aan de som van de massa's van de deeltjes waaruit het bestaat. Wanneer een zware kern (bijvoorbeeld hetzelfde uranium) in delen wordt verdeeld, wegen de "fragmenten" in totaal minder dan de kern vóór splitsing. Het "verschil", ook wel het massadefect genoemd, is verantwoordelijk voor de bindingsenergieën binnen de kern. En het is dit verschil dat tijdens de explosie in warmte en straling gaat, en dat alles volgens dezelfde simpele formule: E = mc2.
Dit is interessant: het gebeurde zo dat het energetisch voordelig is om zware kernen te verdelen en lichte kernen te verenigen. Het eerste mechanisme werkt in een uranium- of plutoniumbom, het tweede in een waterstofbom. En je kunt niet met alle verlangen een bom van ijzer maken: hij staat precies in het midden van deze rij.
Atoombom
Laten we in een historische volgorde eerst naar de atoombommen kijken en ons kleine Manhattan-project uitvoeren. Ik zal je niet vervelen met saaie methoden van isotopenscheiding en wiskundige berekeningen van de theorie van de kettingreactie van splijting. Jij en ik hebben uranium, plutonium, andere materialen, montage-instructies en het nodige deel van wetenschappelijke nieuwsgierigheid.
Ketenreactie van kernsplijting Ik heb al gezegd dat de kettingreactie van uraniumsplijting voor het eerst werd uitgevoerd in december 1942 door Enrico Fermi. Laten we het nu eens in meer detail hebben over de nucleaire kettingreactie.
Alle uraniumisotopen zijn tot op zekere hoogte instabiel. Maar uranium-235 bevindt zich in een bijzondere positie. Met het spontane verval van de uranium-235-kern (ook wel alfa-verval genoemd) worden twee fragmenten (kernen van andere, veel lichtere elementen) en verschillende neutronen (meestal 2-3) gevormd. Als het neutron dat tijdens het verval wordt gevormd, de kern van een ander uraniumatoom raakt, zal er een gebruikelijke elastische botsing zijn, het neutron zal weerkaatsen en op zoek gaan naar avontuur. Maar na een tijdje zal het energie verspillen (idealiter komen elastische botsingen alleen voor bij bolvormige paarden in een vacuüm), en de volgende kern zal een val blijken te zijn - het neutron zal erdoor worden opgenomen. Overigens noemen natuurkundigen zo'n neutronen thermisch.
Bekijk de lijst met bekende uraniumisotopen. Er is geen isotoop met een atoommassa van 236. Weet je waarom? Zo'n kern leeft fracties van microseconden, en vervalt dan met het vrijkomen van een enorme hoeveelheid energie. Dit wordt gedwongen verval genoemd. Een isotoop met zo'n levensduur is op de een of andere manier zelfs onhandig om een isotoop te noemen.
De energie die vrijkomt tijdens het verval van de uranium-235-kern is de kinetische energie van fragmenten en neutronen. Als we de totale massa van de vervalproducten van de uraniumkern berekenen en deze vervolgens vergelijken met de massa van de oorspronkelijke kern, blijkt dat deze massa's niet samenvallen - de oorspronkelijke kern was groter. Dit fenomeen wordt massadefect genoemd en de verklaring ervan is vastgelegd in de formule E0 = mc2. De kinetische energie van de fragmenten gedeeld door het kwadraat van de lichtsnelheid zal exact gelijk zijn aan het verschil in massa. De fragmenten worden vertraagd in het kristalrooster van uranium, wat aanleiding geeft tot röntgenstraling, en neutronen worden, nadat ze zijn gereisd, geabsorbeerd door andere uraniumkernen of verlaten het uraniumgietsel, waar alle gebeurtenissen plaatsvinden.
Als het uraniumafgietsel klein is, zullen de meeste neutronen het verlaten voordat ze kunnen vertragen. Maar als elke daad van gedwongen verval ten minste nog één dergelijke handeling veroorzaakt vanwege het uitgestraalde neutron, is dit al een zichzelf in stand houdende kettingreactie van splijting.
Dienovereenkomstig, als de grootte van het gietstuk wordt vergroot, zal een toenemend aantal neutronen gedwongen splijting veroorzaken. En op een gegeven moment zal de kettingreactie oncontroleerbaar worden. Maar dit is verre van een nucleaire explosie. Gewoon een erg "vuile" thermische explosie, die een groot aantal zeer actieve en giftige isotopen zal vrijgeven.
Kritieke massa
Een heel natuurlijke vraag: hoeveel uranium-235 is er nodig om de kettingreactie van de kernsplijting in een lawine te laten veranderen? In feite is niet alles zo eenvoudig. De splijtbare materiaaleigenschappen en de verhouding tussen volume en oppervlakte spelen hierbij een rol. Stel je een ton uranium-235 voor (ik zal meteen een reservering maken - het is veel), dat bestaat in de vorm van een dunne en zeer lange draad. Ja, een neutron die er langs vliegt, zal natuurlijk een daad van gedwongen verval veroorzaken. Maar de fractie neutronen die langs de draad vliegen, zal zo klein zijn dat het belachelijk is om te praten over een zichzelf onderhoudende kettingreactie.
Daarom hebben we afgesproken om rekening te houden met de kritische massa voor een sferisch gietstuk. Voor puur uranium-235 is de kritische massa 50 kg (dit is een bolletje met een straal van 9 cm). Je begrijpt echter dat zo'n bal niet lang zal duren, zoals degenen die hem werpen.
Als een bol met een kleinere massa wordt omgeven door een neutronenreflector (beryllium is daar perfect voor), en er wordt een materiaal in de bal gebracht - een neutronenmoderator (water, zwaar water, grafiet, hetzelfde beryllium), dan wordt de kritische massa veel kleiner. Met behulp van de meest efficiënte reflectoren en neutronenmoderatoren kan de kritische massa worden verhoogd tot 250 gram. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door een verzadigde oplossing van uranium-235-zout in zwaar water in een bolvormige berylliumcontainer te plaatsen.
De kritische massa is niet beperkt tot uranium-235. Er zijn ook een aantal isotopen die in staat zijn tot kettingreacties van splijting. De belangrijkste voorwaarde is dat de vervalproducten van een atoomkern vervalstappen van andere kernen moeten veroorzaken.
Uranium bom
We hebben dus twee halfronde uraniumafgietsels van 40 kg. Zolang ze op een respectvolle afstand van elkaar zijn, zal alles kalm zijn. En als je ze langzaam gaat verplaatsen? In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zal er niets explosiefs gebeuren. Het is alleen dat de stukjes, als ze dichterbij komen, beginnen op te warmen, en dan, als je niet op tijd van gedachten verandert, opwarmen. Uiteindelijk zullen ze gewoon smelten en zich verspreiden, en iedereen die de gietstukken heeft verplaatst, zal eikenhout geven door neutronenbestraling. En degenen die dit met belangstelling hebben bekeken, zullen de flippers aan elkaar lijmen.
En als het sneller is? Zal sneller smelten. Nog steeds sneller? Ze zullen nog sneller smelten. Koel? Ja, zelfs als je het in vloeibaar helium dompelt, heeft het geen zin. En als je het ene stuk op het andere schiet? OVER! Het moment van de waarheid. We kwamen net met een uraniumkanon-plan. We hebben echter niets om trots op te zijn, dit schema is het eenvoudigste en meest listige van allemaal. Ja, en de hemisferen zullen moeten worden verlaten. Zoals de praktijk heeft aangetoond, zijn ze niet geneigd om gelijkmatig aan elkaar te kleven door vliegtuigen. De minste vooringenomenheid - en je krijgt een heel duur "stel", waarna je lang moet opruimen.
Het is beter om een korte dikwandige buis van uranium-235 te maken met een massa van 30-40 kg, aan het gat waarvan we een stalen vat van hoge sterkte van hetzelfde kaliber bevestigen, geladen met een cilinder van hetzelfde uranium met ongeveer dezelfde massa. Laten we het uraniumdoel omringen met een beryllium-neutronenreflector. Als je nu een uranium "kogel" op de uranium "pijp" schiet, zal er een volle "pijp" zijn. Dat wil zeggen, er zal een nucleaire explosie zijn. Alleen je hoeft serieus te schieten, zodat de mondingssnelheid van het uraniumprojectiel minstens 1 km / s is. Anders zal er weer een "bos" zijn, maar luider. Het is een feit dat wanneer het projectiel en het doelwit elkaar naderen, ze zo heet worden dat ze intensief vanaf het oppervlak beginnen te verdampen en worden vertraagd door tegemoetkomende gasstromen. Bovendien, als de snelheid onvoldoende is, bestaat de kans dat het projectiel het doel eenvoudigweg niet bereikt, maar onderweg verdampt.
Om tot zo'n snelheid te accelereren is een schijf van enkele tientallen kilo's bovendien over een afstand van enkele meters een buitengewoon moeilijke taak. Daarom heb je geen buskruit nodig, maar krachtige explosieven die in staat zijn om in zeer korte tijd de juiste gasdruk in de loop te creëren. En dan hoef je de loop niet schoon te maken, maak je geen zorgen.
De Mk-I "Little Boy" -bom die op Hiroshima is gevallen, is ontworpen volgens het kanonschema.
Er zijn natuurlijk onbeduidende details waarmee we in ons project geen rekening hebben gehouden, maar we gingen helemaal niet tegen het principe in.
Plutonium bom
Zo. We hebben de uraniumbom tot ontploffing gebracht. We bewonderden de paddenstoel. Nu gaan we de plutonium opblazen. Sleep gewoon geen doel, projectiel, vat en ander afval hierheen. Dit nummer werkt niet met plutonium. Zelfs als we het ene stuk in het andere schieten met een snelheid van 5 km / s, zal de superkritische assemblage nog steeds niet werken. Plutonium-239 heeft tijd om op te warmen, te verdampen en alles om zich heen te bederven. De kritische massa is iets meer dan 6 kg. Je kunt je voorstellen hoeveel actiever hij is in het vangen van neutronen.
Plutonium is een ongebruikelijk metaal. Afhankelijk van temperatuur, druk en onzuiverheden bestaat het in zes modificaties van het kristalrooster. Er zijn zelfs modificaties waarbij het krimpt bij verhitting. De overgangen van de ene fase naar de andere kunnen abrupt worden uitgevoerd, terwijl de plutoniumdichtheid met 25% kan veranderen. Laten we, zoals alle normale helden, rond gaan. Bedenk dat de kritische massa met name wordt bepaald door de verhouding tussen volume en oppervlak. Oké, we hebben een subkritische massabal die een minimaal oppervlak heeft voor een bepaald volume. Laten we zeggen 6 kilogram. De straal van de bal is 4,5 cm En als deze bal van alle kanten wordt geperst? De dichtheid zal evenredig toenemen met de kubus van lineaire compressie, en het oppervlak zal evenredig met het vierkant afnemen. En dit is wat er gebeurt: de plutoniumatomen worden dichter, dat wil zeggen, de stopafstand van het neutron wordt verkort,wat betekent dat de kans op absorptie toeneemt. Maar nogmaals, comprimeren met de vereiste snelheid (ongeveer 10 km / s) zal nog steeds niet werken. Doodlopend? Maar nee.
Bij 300 ° C treedt de zogenaamde deltafase op - de meest losse. Als plutonium wordt gedoteerd met gallium, tot deze temperatuur wordt verwarmd en vervolgens langzaam wordt afgekoeld, kan de deltafase bij kamertemperatuur bestaan. Maar het zal niet stabiel zijn. Bij hoge drukken (in de orde van tienduizenden atmosfeer) zal een abrupte overgang naar een zeer dichte alfafase plaatsvinden.
Plaats de plutoniumbal in een grote (23 cm diameter) en zware (120 kg) holle uranium-238 bal. Maak je geen zorgen, het heeft geen kritische massa. Maar het reflecteert perfect snelle neutronen. En ze zullen nog steeds nuttig voor ons zijn. Denk je dat ze het hebben opgeblazen? Maakt niet uit hoe het is. Plutonium is een verdomd grillig wezen. We zullen nog moeten werken. Laten we twee hemisferen van plutonium maken in de deltafase. Laten we een bolvormige holte in het midden vormen. En in deze holte zullen we de kwintessens van kernwapendenken plaatsen - een neutroneninitiator. Dit is zo'n kleine holle beryllium bal met een diameter van 20 en een dikte van 6 mm. Binnenin zit nog een berylliumbol met een diameter van 8 mm. Het binnenoppervlak van de holle bal heeft diepe groeven. Dit alles is royaal vernikkeld en verguld. Polonium-210 wordt in de groeven geplaatst, die actief alfadeeltjes uitzendt. Hier is zo'n wonder van technologie. Hoe werkt het? Wacht even. We hebben nog een paar dingen te doen.
Laten we de uraniumschaal omringen met een andere gemaakt van een aluminium-boorlegering. De dikte is ongeveer 13 cm In totaal is onze "nestpop" nu gegroeid tot een halve meter en hersteld van 6 tot 250 kg.
Nu gaan we implosielenzen maken. Stel je een voetbal voor. Klassieker, bestaande uit 20 zeshoeken en 12 vijfhoeken. Laten we zo'n "bal" maken van explosieven, en elk van de segmenten uitrusten met verschillende elektrische ontstekers. De segmentdikte is ongeveer een halve meter. Er zijn ook veel subtiliteiten bij het maken van "lenzen", maar als je ze beschrijft, is er niet genoeg ruimte voor al het andere. Het belangrijkste is maximale lensnauwkeurigheid. De minste fout - en de hele vergadering zal worden verpletterd door de explosieve actie. Het complete samenstel heeft nu een diameter van ongeveer anderhalve meter en een gewicht van 2,5 ton. Het ontwerp wordt voltooid door een elektrisch circuit dat tot taak heeft de detonatoren in een strikt gedefinieerde volgorde met een nauwkeurigheid van een microseconde tot ontploffing te brengen.
Alle. Voor ons ligt een plutoniumimplosieschema.
En nu het leuke gedeelte.
Wanneer het explosief tot ontploffing is gebracht, drukt het het geheel samen, en de aluminium "duwer" staat niet toe dat het verval van de explosiegolf zich na zijn front naar binnen voortplant. Na door uranium te zijn gegaan met een tegensnelheid van ongeveer 12 km / s, zal de compressiegolf zowel het als plutonium verdichten. Plutonium bij drukken in de compressiezone in de orde van honderdduizenden atmosferen (het effect van focussering van het explosieve front) zal in de alfafase springen. In 40 microseconden zal de hier beschreven uranium-plutonium-assemblage niet alleen superkritisch worden, maar ook vele malen groter dan de kritische massa.
Bij het bereiken van de initiator zal de compressiegolf zijn hele structuur tot een monoliet verpletteren. In dit geval zal de goud-nikkel-isolatie instorten, zal polonium-210 als gevolg van diffusie in beryllium doordringen, de alfadeeltjes die erdoor worden uitgestoten, passeren door beryllium, zullen een kolossale flux van neutronen veroorzaken die een kettingreactie veroorzaken in het gehele volume van plutonium, en de flux van "snelle" neutronen die worden gegenereerd verval van plutonium, zal een explosie van uranium-238 veroorzaken. Klaar, we hebben een tweede paddenstoel gekweekt, niet slechter dan de eerste.
Een voorbeeld van een plutoniumimplosieschema is de Mk-III "Fatman" -bom die op Nagasaki is gevallen.
Alle trucs die hier worden beschreven, zijn nodig om het maximale aantal atomaire plutoniumkernen te laten reageren. De belangrijkste taak is om de lading zo lang mogelijk compact te houden om te voorkomen dat deze zich als een plasmawolk verstrooit, waarin de kettingreactie onmiddellijk stopt. Hier is elke gewonnen microseconde een toename van één of twee kiloton aan vermogen.
Thermonucleaire bom
Er is een wijdverbreide overtuiging dat een atoombom de lont is voor een thermonucleaire bom. In principe is alles veel gecompliceerder, maar de essentie is correct vastgelegd. Wapens gebaseerd op de principes van thermonucleaire fusie hebben het mogelijk gemaakt om een dergelijke explosiekracht te bereiken die onder geen enkele omstandigheid kan worden bereikt door een splijtingskettingreactie. Maar tot dusver is de enige energiebron die het mogelijk maakt een thermonucleaire fusiereactie te "ontsteken", een nucleaire explosie.
Thermonucleaire fusie
Weet je nog hoe we de waterstofkern met neutronen 'voedden'? Dus als je op deze manier twee protonen met elkaar probeert te verbinden, komt er niets uit. De protonen zullen niet aan elkaar blijven plakken vanwege de Coulomb-afstotende krachten. Ofwel verstrooien ze zich, ofwel treedt er beta-verval op en wordt een van de protonen een neutron. Maar helium-3 bestaat. Dankzij een enkel neutron, dat protonen met elkaar leefbaarder maakt.
In principe kan op basis van de samenstelling van de helium-3-kern worden geconcludeerd dat één kern van helium-3 volledig kan worden samengesteld uit de kernen van protium en deuterium. In theorie is dit waar, maar zo'n reactie kan alleen plaatsvinden in de ingewanden van grote en hete sterren. Bovendien kan in de diepten van sterren, zelfs van sommige protonen, helium worden verzameld, waardoor sommige ervan in neutronen worden omgezet. Maar dit zijn al vragen van astrofysica, en een haalbare optie voor ons is om twee kernen van deuterium of deuterium en tritium samen te voegen.
Een zeer specifieke voorwaarde is nodig voor de fusie van kernen. Dit is een zeer hoge temperatuur (109 K). Alleen bij een gemiddelde kinetische energie van kernen van 100 keV zijn ze in staat elkaar te naderen op een afstand waarop de sterke interactie de Coulomb-interactie begint te overwinnen.
Nogal een legitieme vraag - waarom deze tuin omheinen? Feit is dat de fusie van lichte kernen een energie vrijgeeft van ongeveer 20 MeV. Natuurlijk, met de geforceerde splitsing van een uraniumkern, is deze energie 10 keer meer, maar er is één voorbehoud: met de grootste trucs is een uraniumlading met een capaciteit van zelfs 1 megaton onmogelijk. Zelfs voor een meer geavanceerde plutoniumbom is de haalbare energieopbrengst niet meer dan 7-8 kiloton per kilogram plutonium (met een theoretisch maximum van 18 kiloton). En vergeet niet dat een uraniumkern bijna 60 keer zwaarder is dan twee deuteriumkernen. Als we kijken naar de specifieke energieopbrengst, dan ligt thermonucleaire fusie merkbaar voorop.
En toch - voor een thermonucleaire lading zijn er geen beperkingen op de kritische massa. Hij heeft het gewoon niet. Er zijn echter nog andere beperkingen, maar over hen - hieronder.
Het starten van een thermonucleaire reactie als neutronenbron is in principe niet moeilijk genoeg. Het is veel moeilijker om het als energiebron te gebruiken. Hier worden we geconfronteerd met het zogenaamde Lawson-criterium, dat het energievoordeel van een thermonucleaire reactie bepaalt. Als het product van de dichtheid van de reagerende kernen en de tijd van hun opsluiting op de fusieafstand groter is dan 1014 sec / cm3, zal de energie die door de fusie wordt geleverd de energie die in het systeem wordt ingebracht, overschrijden.
Alle thermonucleaire programma's waren erop gericht om aan dit criterium te voldoen.
Klassiek super
Het eerste thermonucleaire bomplan dat in Edward Teller opkwam, was iets dat leek op het maken van een plutoniumbom met behulp van een kanonschema. Dat wil zeggen, alles lijkt te kloppen, maar werkt niet. Het 'klassieke super'-apparaat - vloeibaar deuterium, waarin een plutoniumbom wordt ondergedompeld - was inderdaad klassiek, maar verre van super.
Het idee van een explosie van een nucleaire lading in een vloeibaar deuteriummedium bleek aanvankelijk een doodlopende weg. Onder dergelijke omstandigheden kan een geringste opbrengst aan thermonucleaire fusie-energie worden bereikt door een nucleaire lading van 500 kt tot ontploffing te brengen. En het was helemaal niet nodig om te praten over het behalen van het Lawson-criterium.
Bladerdeeg
Het idee om een nucleaire ladingstrigger te omringen met lagen thermonucleaire brandstof, afgewisseld met uranium-238 als warmte-isolator en een explosieversterker, kwam ook op de proppen. En niet alleen hem. De eerste Sovjet-thermonucleaire bommen werden precies volgens dit schema gebouwd. Het principe was vrij eenvoudig: een nucleaire lading verwarmt een thermonucleaire brandstof tot de temperatuur van het begin van de kernfusie, en snelle neutronen die tijdens de kernfusie worden gegenereerd, laten lagen uranium-238 exploderen. De beperking bleef echter hetzelfde: bij de temperatuur die een nucleaire trigger kon bieden, kon alleen een mengsel van goedkoop deuterium en ongelooflijk duur tritium de fusiereactie binnengaan.
Later kwam Teller op het idee om de samengestelde lithium-6 deuteride te gebruiken. Deze oplossing maakte het mogelijk om dure en onhandige cryogene containers met vloeibaar deuterium achter te laten. Bovendien werd lithium-6 door bestraling met neutronen omgezet in helium en tritium, die een fusiereactie met deuterium aangingen.
Het nadeel van dit schema was het beperkte vermogen - slechts een beperkt deel van de thermonucleaire brandstof die de trigger omringde, had tijd om in de fusiereactie te komen. De rest, hoeveel het ook was, ging naar de wind. Het maximale laadvermogen dat werd verkregen bij gebruik van de "trek" was 720 kt (British Orange Herald-bom). Blijkbaar was het een "plafond".
Teller-Ulam-regeling
We hebben het al gehad over de geschiedenis van de ontwikkeling van het Teller-Ulam-schema. Laten we nu eens kijken naar de technische details van dit circuit, dat ook wel het "tweetraps" of "stralingscompressie" circuit wordt genoemd.
Het is onze taak om de thermonucleaire brandstof te verwarmen en in een bepaald volume te houden om aan het Lawson-criterium te voldoen. Afgezien van de Amerikaanse oefeningen met cryogene circuits, nemen we lithium-6 deuteride, dat we al kennen, als thermonucleaire brandstof.
We zullen uranium-238 kiezen als materiaal voor de container voor de thermonucleaire lading. De container is cilindrisch. Langs de as van de container, erin, plaatsen we een cilindrische staaf gemaakt van uranium-235 met een subkritische massa.
Let op: de sensationele neutronenbom van destijds is hetzelfde Teller-Ulam-schema, maar zonder de uraniumstaaf langs de containeras. Het punt is om een krachtige flux van snelle neutronen te leveren, maar niet om alle thermonucleaire brandstof, die neutronen zal verbruiken, uit te branden.
Vul de rest van de vrije ruimte van de container met lithium-6 deuteride. We plaatsen de container in een van de uiteinden van het lichaam van de toekomstige bom (dit wordt de tweede fase) en aan het andere uiteinde plaatsen we een conventionele plutoniumlading met een capaciteit van enkele kiloton (eerste fase). Tussen de nucleaire en thermonucleaire ladingen zullen we een uranium-238-scheidingswand installeren om de voortijdige opwarming van lithium-6-deuteride te voorkomen. Vul de rest van de vrije ruimte in het bomlichaam met vast polymeer. In principe is de thermonucleaire bom klaar.
Wanneer een nucleaire lading tot ontploffing komt, komt 80% van de energie vrij in de vorm van röntgenstraling. De voortplantingssnelheid is veel hoger dan die van plutoniumsplijtingsfragmenten. In honderdsten van een microseconde verdampt het uraniumschild en begint de röntgenstraling intensief te worden geabsorbeerd door het uranium van de thermonucleaire ladinghouder. Als resultaat van de zogenaamde ablatie (verwijdering van massa van het oppervlak van de verwarmde container) ontstaat een reactiekracht die de container 10 keer samendrukt. Het is dit effect dat stralingsimplosie of stralingscompressie wordt genoemd. Tegelijkertijd neemt de dichtheid van de fusiebrandstof 1000 keer toe. Als gevolg van de kolossale druk van stralingsimplosie wordt ook de centrale staaf van uranium-235 samengedrukt, zij het in mindere mate, en gaat in een superkritische toestand. Tegen die tijd wordt het thermonucleaire blok gebombardeerd met snelle neutronen van een nucleaire explosie. Nadat ze door lithium-6 deuteride zijn gegaan, vertragen ze en worden ze intens geabsorbeerd door de uraniumstaaf.
Een kernsplijtingskettingreactie begint in de staaf, wat snel leidt tot een nucleaire explosie in de container. Aangezien lithium-6 deuteride wordt onderworpen aan ablatieve compressie van buitenaf en de druk van een nucleaire explosie van binnenuit, nemen de dichtheid en temperatuur nog meer toe. Dit moment is het begin van de start van de synthesereactie. Het verdere onderhoud wordt bepaald door hoe lang de container thermonucleaire processen in zichzelf zal houden, waardoor het vrijkomen van thermische energie buiten wordt voorkomen. Dit is wat het behalen van het Lawson-criterium bepaalt. De verbranding van thermonucleaire brandstof verloopt vanaf de as van de cilinder tot aan de rand. De temperatuur van het verbrandingsfront bereikt 300 miljoen kelvin. Het duurt een paar honderd nanoseconden om een explosie volledig te ontwikkelen tot aan de verbranding van de thermonucleaire brandstof en de vernietiging van de container - twintig miljoen keer sneller dan je deze zin leest.
De betrouwbare werking van het tweetrapscircuit is afhankelijk van de nauwkeurige montage van de container en het voorkomen van voortijdige opwarming.
De kracht van de thermonucleaire lading voor het Teller-Ulam-schema hangt af van de kracht van de nucleaire trigger, die zorgt voor effectieve compressie door straling. Nu zijn er echter meertraps-schema's, waarin de energie van de vorige fase wordt gebruikt om de volgende te comprimeren. Een voorbeeld van een drietrapsregeling is de reeds genoemde 100-megaton "Kuz'kina-moeder".