как найти относительную атомную массу

«Зелёная» и ядерная энергия — кто кого?

 В европейских странах активно пропагандируется переход от «плохой невозобновляемой» энергетики, к которой относят тепловые электростанции на ископаемом топливе, а также атомные, к «хорошей зелёной», к которой относят в первую очередь солнечные и ветровые. В данной статье будет разобрана зависимость альтернативной энергетики от атомной.

I. «Плохая невозобновляемая» энергетика

 К невозобновляемым источникам энергии отнесены все электростанции на ископаемом топливе – тепловые на угле, на мазуте, на газе, ядерные. Действительно, все они используют топливо, добытое из-под земли.

 Что касается электростанций на ископаемом углеродном топливе, они действительно серьёзно влияют на экологическую обстановку. Если не говорить о парниковых газах, а только о прямом вреде для живого, даже газовые электростанции дают вредные для живых существ выхлопы, а самые «грязные» среди тепловых — электростанции на торфе и буром угле. Угольные электростанции дают довольно много золы, которая могла бы быть использована, например, в качестве удобрений, если бы она не содержала значимые количества радиоактивных изотопов. В частности, зола тепловых электростанций, работающих на кузбасских углях, содержит уран и торий на уровне, типичном для урановых руд. Зона превышения ПДК по радионуклидам вокруг угольной электростанции охватывает сотни квадратных километров.

 В выхлопе электростанций на нефтепродуктах (мазуте и твёрдых углеводородах, сюда же относятся дизельная генерация) радионуклидов меньше, зато больше оксидов серы, азота и других не полезных для животных и растений веществ.

 С ядерными электростанциями ситуация несколько иная. Во время эксплуатации современные АЭС дают сравнительно низкий уровень загрязнений – ни парниковых газов, ни заметной радиоактивности. Даже три худшие аварии на АЭС, двумя из которых медийные персоны любят пугать обывателей – чернобыльской и фукусимской, по своим последствиям менее тяжёлые, чем крупные аварии на неядерных технологических объектах. Например, число жертв крупнейшей ядерной аварии – чернобыльской аварии 1986 года в десятки и тысячи раз меньше, чем число жертв крупной аварии 1984 года на химическом заводе в Бхопале: в Чернобыле умерли 29 человек от острой лучевой болезни, а общее число смертей от последствий аварии по разным оценкам составляет от 50 до 4000 человек; в Бхопале за день умерли 3000 человек, в течение недели – 10 тысяч, за последующие 20 лет – 15 тысяч. Причём данные по бхопальской трагедии не оценочные: это официальная информация об умерших в результате отравления ядохимикатами. В фукусимской аварии 2011 года радиоактивная вода утекла в океан и разбавилась там до безопасных концентраций, и жертвой аварии стал один человек – сотрудник АЭС, который умер в 2018 году от рака лёгкого.

 С топливом ситуация также сильно отличается в случае угля, нефти, газа с одной стороны, и ядерного – с другой. Для углеродных видов топлива уже видны или достигнуты пределы для их добычи. Пики добычи углеводородов и угля пройдены во многих странах. Что касается топлива для ядерных электростанций, мало того, что оно разведано на 50–80 лет вперёд, так еще и существует рабочая технология для его получения из стабильного изотопа урана, что отодвигает проблему на тысячи лет. При уже достигнутом темпе прогресса это даёт уверенность в том, что до исчерпания запасов будет найден другой удобный источник энергии.

 Таким образом, атомная энергетика совершенно зря записана «зелёными» энтузиастами в «плохой» лагерь. Это скорее результат радиофобии, а не реальных недостатков.

II. «Хорошая зелёная» энергетика

 К «зелёной» энергетике, использующей возобновляемые ресурсы, в последнее время относят исключительно солнечные и ветровые электростанции. На самом деле старейшие действующие электростанции работают как раз на возобновляемом источнике – энергии падающей воды, и это ГЭС. У гидроэлектростанций есть преимущества по сравнению с тепловыми, есть и недостатки. С точки зрения влияния на экологическую обстановку ГЭС совсем не идеальны, хотя и намного лучше, чем ТЭС. Но не лучше АЭС. Дело в том, что при строительстве ГЭС затопляются большие территории. Водохранилища изменяют локальный и региональный климат и ухудшают экологическую обстановку.

 Ветровые электростанции, как ни странно, не безвредны. В частности, большие «поля» ветряков приводят к нагреву почвы, что изменяет местный климат. Другой минус ветряков – они убивают птиц и летучих мышей.

 Солнечные электростанции при массовом строительстве тоже внесут свой вклад, хотя он может считаться скорее положительным – большое количество СЭС в пустынях будет приводить к их увлажнению. Правда и выработка энергии при этом на них снизится.

 Казалось бы, с фотовольтаикой всё хорошо. Но нет. Срок службы солнечных панелей – не более 50 лет. Их производство и переработка далеко не безопасны для экологии, и массовое производство фотовольтаики чревато серьёзной экологической проблемой.

III. Зависимость

 Теперь взглянем на процесс производства электроэнергии. Любая электростанция используют мощное силовое оборудование. У «зелёных» ветровых и солнечных электростанций требования к силовому электрооборудованию намного выше, чем у традиционных. Дело в том, что они вырабатывают электричество недостаточно стабильно. Ветер изменяет скорость и направление, солнце светит тоже по-разному как в течение дня, так и в разные дни. Поэтому вырабатываемое напряжение (и выдаваемая мощность) у «зелёных» источников постоянно меняется. Кроме того, и ветряки, и солнечные панели дают постоянный ток, а вся энергетика работает на переменном. Чтобы передать энергию потребителям, низковольтный постоянный ток нужно преобразовать в высоковольтный, обычно переменный (причём синхронизированный с электросетью), но иногда и постоянный. Таким образом, ВЭС и СЭС нужны мощные преобразователи электроэнергии[2].

 В настоящее время все эффективные преобразователи электроэнергии используют мощные высоковольтные полупроводниковые приборы – биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры с изолированным затвором (IGCT). Мощность таких приборов достигает сотни мегаватт, коммутируемое напряжение – более 6 киловольт. И тут непосвящённых ожидает сюрприз: полупроводники для мощных высоковольтных транзисторов и тиристоров изготавливают методом нейтронно-трансмутационного легирования (англ.: Neutron Transmutation Doping) в ядерных реакторах. Наименование этих материалов говорят сами за себя: «ядерно-легированный кремний» (или «радиационно- легированный кремний»), «ядерно-легированный арсенид галлия» (используется реже) и так далее. Химические технологии легирования не способны обеспечить необходимую для мощных силовых приборов чистоту и равномерность легирования полупроводника. Из-за неоднородностей химического легирования возникают области локального перегрева, и прибор выходит из строя, а когда силовое высоковольтное оборудование выходит из строя, это сопровождается зрелищными «спецэффектами» с разлетающимися искрами и дуговыми разрядами вплоть до пожара.

 Мощные тиристоры из ядерно-легированного кремния используются в ЛЭП постоянного тока с конца 1960-х, к примеру, они работают в канадской ЛЭП Nelson River II. В настоящее время ядерное легирование полупроводников не имеет альтернатив, поскольку только эта технология способна обеспечить характеристики материала, требуемые для мощных полупроводниковых приборов. Более того, технологию ядерного легирования пришлось оттачивать для соблюдения требуемой равномерности распределения легирующих атомов в полупроводнике, что было сделано в 1980-е, и нынешнее производство ядерно-легированного кремния – обычный технологический процесс. В западных странах такое производство размещено на исследовательских реакторах, в России – и на исследовательских, и на энергетических. В частности, ещё в 1982 году в СССР была разработана технология производства ЯЛ-кремния на реакторах РБМК.

 Исходя из нынешней ситуации в области производства силового оборудования, вся «зелёная» энергетика фатально зависит от существования ядерных реакторов, и от этой зависимости никуда не деться. Альтернативой будет отказ от единой системы электроснабжения, замена «большой энергетики» на малые электростанции локального электроснабжения и неизбежные блэкауты.

 Получается, что «зелёные» активисты, настаивающие на закрытии как АЭС, так и исследовательских реакторов, действуют довольно недальновидно. Мало того, что негативное влияние «атома» на экологическую обстановку сопоставимо со влиянием альтернативных источников энергии, да и сам вопрос о том, что приносит больший вред остается открытым, так еще ядерные реакторы просто необходимы для самой возможности постройки «зелёных» электростанций.

_________________________

Над статьей работали:Автор: Стас Ворчун (творческий псевдоним)
Редактор: Леонид Рогов
Эксперт: Федотов Антон

Гроза Америки. Секретный город Гудым на Чукотке

1 Общественный транспорт до Гудыма, как вы понимаете, не ходит. Нужно искать колёса. Ни про какую аренду машин на Чукотке не знают, да и какой прокат, если дорог вокруг просто нет? Мы нашли УАЗ-Буханку за 5 тысяч рублей в день, но узнав, куда мы собираемся, водитель отказался. Согласился другой, уже за семь тысяч, зато гарантировавший нам попадание в секретный город. Утром, когда мы увидели наше “такси”, поняли, что не прогадали. "Прокачанный” лифтованный УАЗ с колёсами 22 радиуса: шашечки на дверях и крыше смотрятся, как прикол. Но нет, всё всерьёз, такие уж на Чукотке такси, суровые.

2 Наш водитель, Виктор, живёт здесь с двух лет. Работает на двух работах, охранником на каком-то предприятии, и собственно водителем “с личным авто”. Судя по рукам, в своё время неплохо попутешествовал по стране, но эту тему мы не поднимали: мужик он оказался неплохой. 

3 Заброшенности начинаются значительно раньше точки назначения. Да практически от аэропорта отъехал, и уже пошла зона отчуждения. В отличие от Чернобыльской — добровольная. Подробнее читайте в репортаже Заброшенная Чукотка.

4 От посёлка Угольные Копи до Гудыма ехать километров десять, но дорогой давным-давно не пользуются: преодолеть это расстояние можно лишь за час, и то на хорошей, подготовленной машине. Грунтовка-то местами неплохая, но основную и прямую дорогу размыло несколько лет назад, запасная ведёт через несколько рек, а мосты были деревянными и обрушились. Приходится форсировать реки.

5 Здесь стало понятно, почему водитель обыкноченного УАЗа отказался везти нас в Гудым. 

6 Гудым, он же Анадырь-1, он же Магадан-11 и он же — секретный город с ещё десятком названий, менявшихся за полвека его существования. Расположен в долине между двух сопок. Попасть на эту закрытую от всех посторонних не представлялось никакой возможности. Разумеется, многие местные знали, что здесь стоят какие-то армейские части, но не более того. 

7 В истории появления, да и существования посёлка, перемешаны правда и вымысел, всё поросло мхом легенд, и сегодня уже не разобраться, что к чему. Даже сама история строительства, говорят, началась с того самого знаменитого выступления Никиты Хрущёва, где он стучал ботинком по трибуне и грозил показать “Кузькину мать” американцам, уверяя, что ракеты у нас и на Чукотке есть!. На самом деле их тогда там не было, но военные поняли слова национального лидера как руководство к действию, и оперативно начали грызть вечную мерзлоту. Уже в 1961-м году так и не появившийся ни на одной карте городок заступил на боевое дежурство. Официально, в секретных сводках, город назывался “Анадырь-1”, но в народе его звали Гудымом, в честь полковника Гудымова, руководившего строительством, и покончившего с собой при странных обстоятельствах сразу после завершения стройки. Рассказывают такую историю, то ли в шутку, то ли всерьёз, что товарищ полковник получил анонимную телеграмму из США, где его сердечно поздравили с успешным завершением строительства секретной военной базы. 

8 Закончилась славная история Гудыма не так давно: окончательно части расформировали, а город оставили в 2002-м году. Больше всего бывших жителей сейчас можно найти в городах Саратове и Энгельсе.

9 Читая об этом месте перед поездкой, я представлял, что сохранность здесь будет получше. Всё-таки край Земли, сталкеров и прочих любителей поживиться брошенным добром должно быть немного. Ошибся: городок растащили на стройматериалы оставшиеся на Чукотке жители. И продолжают разворовывать до сих пор. Досок, кирпичей, камня всегда не хватает, всё ведь завозное “с материка”.

10 Что из себя представляет Гудым? Поселение тысяч на пять жителей, около полусотни зданий, деревянных и каменных примерно поровну. Сегодня брошены абсолютно все. Чуть дальше, в той же долине через три километра, есть и “второй городок”, но туда только пешком, и какая сохранность там непонятно. И где-то по округе ещё парочка объектов, включая аэродром и танкодром. Здесь, в “первом”, жило много гражданских людей и семей офицеров, в остальных локациях тусовались исключительно “зелёные человечки”.

11 Красивое деревянное здание. Заходить можно во все, доступ открыт. Но чувство самосохранения говорит, что лучше не надо: перекрытия в условиях чукотского климата гниют куда быстрее, чем в нашей средней полосе. 

12 По всему Гудыму протянуты деревянные коридоры: в них прячут коммуникации и трубы. В землю ничего не закапывают, и дома строят на сваях, потому что случись авария, никогда не откопаешь. 

13 Странная вещь: патриотические армейские стенды почти все посвящены ВМФ, где-то встречаются Андреевские флаги и упоминается Тихоокеанский флот. При этом, доподлинно известно, что Гудым был занят войсками РВСН. Может быть, в последние годы жизни посёлка, уже после распада СССР, здесь находились также и моряки, какие-нибудь тыловые части.

14 Ржавый солдат.

15 Посреди гражданских построек выдялется одна военная двухэтажка, торец здания украшают картины неизвестного художника.

16 Внутри всё строго. Железная дверь, смотровое окно. Пароль или прикладом под рёбра. 

17 В здании явно располагалось командование, штаб или что-то офицерское. Вся символика на плакатах и стендах уже не советская, а современная российская. И снова морские флаги.

18 При этом форма — общеармейская. Загадка какая-то. А ещё странно, что при таком постепенном выводе (начали в 1998, вывели в 2002-м) на полу много брошенной документации, в том числе секретной, та же одежда и знаки различия валяются…

19 Пропаганда есть главная составляющая зомбирования солдата. Наш советско-российский человек так привык искать себе врагов, что с удовольствием вновь подхватил истерию по поводу геополитического противника Америки и мифических фашистов в Украине. А ведь, если так подумать, военный блок Варшавского договора был ничуть не меньшей угрозой миру, и обширная сеть военных баз за рубежом у нас имелась. 

20 Здесь была столовая.

21 А в помещении аптеки, украшенной настенной живописью с автоматами, словно в какой-то африканской стране, свалено несколько стен банок консервированной картошки. 

22 Тут вам не здесь.И снова флот!

23 От некоторых зданий остались пепелища и ржавые листы металла, что служили когда-то крышами. Никак гсопода военные избавлялись от своих секретов самым древним способом: сжечь всё к чертям.

24 Каждая из этих касок, да и каждый брошенный дом — потраченные когда-то деньги советских граждан. Ломать не строить.

25 Так уж вышло, что военные были одной из самых обеспеченных каст в советское время. А жители закрытого поселения, плюс расположенного на Крайнем Севере в регионе вечной мерзлоты, имели очень хорошие зарплаты и надбавки. В городке был торговый центр, в продуктовом магазине которого, поговаривают, не было дефицита даже в самые застойные годы. 

26 Ну а сегодня здесь как-то так…

27 Сегодня Гудым это мёртвый город, город-призрак.

28 Северное лето непродолжительно и сурово, снег не тает даже в конце июня.

29 Поднял квадрокоптер в воздух над Гудымом. В былые времена даже подумать нельзя было, чтобы постороннему человеку этот город посетить. А тем более поднимать в небо шпионский вертолёт с камерой.

30 На этой фотографии наглядно видно, сколько зданий сгорело. Кстати, в эту сторону не то что снимать, смотреть нельзя было. Видите котельную с двумя трубами, а дальше мостик и две дороги, уходящие в разные стороны прямо перед холмом? Как раз там и находится самое-самое интересное в Гудыме. Именно благодаря подземной базе, спрятанной внутри сопки, здесь и стоял посёлок, и рядом были расквартированы несколько военных баз. Но мы к ней ещё присмотримся поближе, пока продолжаем прогулку по пустым улицам.

31 Все дома были максимум в три этажа. Разумеется, построены на сваях. Сейсмоактивность в районе Анадыря не очень большая. Думаю, этажность предопределялась вопросами секретности: низкие домики труднее заметить с воздуха? 

32 Смотря на эти дома, можно представлять, насколько страшно выглядел тот же Анадырь до того, как его здания начали красить в яркие цвета. А ещё здесь, на Чукотке, очень сильна природа. Растительность скудная, но берёт своё. 

33 Все трубы украдены, из квартир тоже вынесено то, что представляло хоть какую-то ценность. Мародёры —сами же местные жители, не очень-то старались быть аккуратными.

34 В подъездах ожидаемая разруха, но все двери целые. Были и плюсы свои в этом закрытом сообществе. Ни на одном из окон Гудыма не было решёток, а железные двери никто не тащил с далёкого “материка”, они были просто нецелесообразны. В том же Анадыре сегодня полно и решёток, и “бронированных" дверей, как по всей огромной России.

35 Пока гуляли по посёлку, у торгового центра невероятным образом материализовалась тележка. Барабашка или призрак прапорщика до сих пор бродит по этим улицам? :)

36 Не удивлюсь, как ещё несколько лет назад здесь были полные гаражи техники, которые потом тоже растащили целиком или на запчасти. 

37 Полагаю, есть какое-то особенное, недоступное мне удовольствие устроить тотальный срач на месте своего временного пребывания. Будто специально некоторые всё загаживают.

38 Олень в противогазе.

39 Изучив бумажную Генштабовскую карту, найденную на месте. Виктор сказал, что до второго посёлка не доехать, на танкодром размыло дорогу. Остаётся одно — лезть в “нору” или “дырку”: так местные называют объект “С”.

40 База расположена через небольшую речку от города. Мост почти разрушен, забор почти разобран, а вот массивнейший ДЗОТ пугает своими бойницами до сих пор. Но документы никто не спрашивает, один из главных секретов советского режима никто не охраняет. 

41 Не только гора и речка отделяют гражданскую жизнь от сверхсекретной военной. Периметр из двух заборов с “колючкой” и автоматчики на вышках.

42 Отсюда круглосуточно следили за мирной жизнью посёлка. Солдаты жили отдельно, в казармах “второго” городка, а вот офицеры, сменяясь, спускались вниз и на время превращались в обычных жителей. 

43 Все ДОТы и укрепления направлены в сторону Гудыма. То ли так не доверяли собственным же жителям, то ли предполагали, что американцы каким-то образом умудрятся высадить здесь десант, который сперва захватит посёлок? Даже не обладая военным образованием, я бы предположил, что первым разбомбят именно этот объект, причём с воздуха.

44 Совершенно секретно. Объект “С” был построен в 1958 году, в 1961 заступил на боевое дежурство. Назначение объекта — хранение и регламентное обслуживание ядерного вооружения. Подчинение 12-му Главному управлению МО СССР. Объект представляет собой автомные подземные сооружения c многокилометровыми галареями, обладает полной противоатомной защитой. Внутри разделён на различные уровни доступа. Транспортировка грузов осуществлялась по подземной узкоколейной железной дороге. На фотографии изображён один из двух входных порталов. Из-за активных попыток гражданского населения попасть в Объект оба входа неоднократно заваривался МЧС. Как видите, бесполезно, всё равно открывают и лазают тут всякие. Единственной проблемой при попадании в “дырку” была гора снега, на которую мы просто залезли и проникли внутрь.

45 Рассказывают, что “Объект С” был ядром, окружённым несколькими кольцами охраны. Ведь именно здесь хранились боеголовки для ракет, способных уничтожить множество самых разных объектов на западе США. Вокруг ракетных частей стоял авиаполк, прикрывавший ракетчиков, город Анарыь и морской порт. Аэродромы на земле прикрывал такновый батальон, а кроме них, земля и воздух были под защитой зенитчиков и артиллеристов. Ну и ещё пехота, связисты, инженеры и строители. Моряки со своими кораблями и подлодками, плюс пограничники. И на всякий случай, войска РХБЗ: тут ведь и ядерное топливо весьма ядовито, и если Анадырь был бы атакован, пришлось бы кому-то ликвидировать последствия. В-общем, вокруг Анадыря было сосредоточено такое количество военных, целый букет из всех родов войск. 

46 Весь сыр-бор был из-за трёх-четырёх ядерных ракет РСД-10 “Пионер”. Другое дело, эти ракеты могли уничтожить половину континента. Располагались они не в шахтах, а на базе шестиосных автомобилей МАЗ-547, способных доставить баллистическую ракету по любой дороге и обеспечить пуск. Можно было произвести запуск прямо из гаража с раздвижной крышей, или с обычной бетонной площадки подходящего размера. Площадки такие как раз и есть во “втором городке”. Ещё говорят, но это на уровне слухов, что в “норе” хранились захваченные архивы нацистской организации Аненербе. 

47 Подземный объект тоже пребывает далеко не в лучшем состоянии, из-за постоянной сырости стены покрылись грибком и плесенью, на полу лёд. Вроде бы, все боеголовки отсюда вывезли, но опасность нахождения внутри имеется: аккумуляторные комнаты источают кислоту, которая никогда не выветрится. Я не отважился идти по длинным коридорам без фонарика, с попутчиками мы разминулись, они усвистели далеко вперёд, а затем, наткнувшись на плотный туман из газа со странным запахом, предпочли вернуться назад. Будем считать, что “нора” не пустила меня, такое случается в подобных загадочных местах.

48 На строительство и содержание десятков подобных объектов по всей стране было пострачено столько денег, что можно было выстроить сеть хайвеев между городами, а уровень жизни граждан поднять на совершенно иной уровень. В итоге и объекты развалились, и дорог нету. А Россия вновь увлекалась поиском врагов, вместо того, чтобы просто начать развиваться. 

Японская женщина и ее сын, пережившие атомную бомбардировку Нагасаки. Фотография сделана на следующий день после бомбардировки юго-западнее центра взрыва на расстоянии 1 мили от него. В руках женщина и сын держат рис. 10 августа 1945 года.

Атомно-силовой микроскоп позволяет увидеть атомные связи.

Уральские атомщики первыми в мире перевели АЭС на ядерные отходы.

Сотрудники Белоярской атомной электростанции (БАЭС) совершили мировой прорыв. Энергоблок с реактором БН-800 под Екатеринбургом стал первым в мире, который отработал целый год на топливе из ядерных отходов. Подробнее о достижениях уральских атомщиков и перспективах станции – в материале ЕАН.

Проектирование завершится в 2025 году. Представители станции отмечают, что новый реактор позволит:

1. повторно использовать отработавшее ядерное топливо других АЭС;

2. вовлечь в производственный цикл неиспользованный изотоп урана U-238, так называемые «урановые хвосты»;

3. минимизировать радиоактивные отходы путем дожигания наиболее долгоживущих изотопов из отработанного ядерного топлива других реакторов.

Ввести реактор в эксплуатацию намерены в 2032 - 3035 годах.

Уже сейчас представители станции говорят, что БАЭС - одна из самых безопасных в мире. Здание существующего энергоблока № 4, например, способно выдержать падение самолета. Конструкции не страшны ураганы и смерчи скоростью до 44 м/с, ударные волны с давлением 10аПа и даже землетрясения мощностью 7 баллов.

Заместитель главного инженера по эксплуатации блока № 4 Денис Сапегин уверен, что существующий реактор БН-800 – «чемпион по безопасности в мире». Сапегин объяснил, что в нем предусмотрена пассивная защита.

«Реактор защищен не только техническими устройствами, которые питаются от электричества. Во многом он защищен естественными обратными связями и пассивными системами безопасности. Если, например, в реакторе растет температура, то в него автоматически вводится отрицательная реактивность, и мощность снижается. Точно так же если повышается мощность и реактор начинает греться, то за счет мощностного и температурного эффекта реактивности эта мощность гасится», - отметил Сапегин.

Подводя итог, представители Белоярской АЭС подчеркнули, что переход на МОКС-топливо и строительство реактора БН-1200 важны для всех россиян:

- население, экономика и промышленность будут обеспечены чистой электроэнергией на сотни лет вперед;

- появился «вечный двигатель», не требующий расходования ресурсов;

- не нужно будет хранить ядерные отходы и «урановые хвосты»;

- Россия сохранит мировое лидерство в реакторах на быстрых нейтронах.

Источник:

https://eanews.ru/news/uralskiye-atomshchiki-pervymi-v-mire-pereveli-aes-na-yadernyye-otkhody-foto_03-11-2023

Горит АЕС

Первые наблюдения сверхтяжелого кислорода-28 поставили под сомнение теории строения атомного ядра

Вопреки предсказаниям, кислород-28 оказался крайне неустойчивым. Физики не успели даже зарегистрировать такие ядра, хотя теоретически они должны быть дважды магическими, а значит — особенно стабильными.

Riken RI Beam Factory ускоряет тяжелые изотопы в кольцевом циклотроне, с помощью сверхпроводящих магнитов

Японские ученые впервые получили ядра кислорода-28, содержащие 20 нейтронов. Теоретически они должны быть дважды магическими и довольно долгоживущими. Однако срок существования кислорода-28 оказался настолько коротким, что даже зарегистрировать его напрямую не удалось. Похоже, современные представления об устройстве атомного ядра где-то сильно ошибаются. К таким выводам пришли Йосуке Кондо (Yosuke Kondo) и его коллеги в статье, опубликованной в журнале Nature.

Со школы мы знаем, что электроны в атоме занимают ряд оболочек, и полностью заполненная оболочка делает его химически инертным, как благородные газы. Схожим образом может быть устроено атомное ядро: протоны и нейтроны (нуклоны) заполняют одну оболочку за другой, полностью заполненная оболочка означает большую стабильность всей конструкции. Соответствующее количество нуклонов называют «магическим числом». А уж если ядро содержит магическое количество и протонов, и нейтронов, то оно особенно устойчиво.

В природе найдены пять таких дважды магических ядер, еще несколько получены искусственно. Самое распространенное из них — обычный кислород-16, включающий по восемь (магическое число) протонов и нейтронов. Теория предсказывает существование и дважды магического кислорода-28 (восемь протонов и 20 нейтронов), который также должен быть исключительно устойчив. Но на практике все оказалось не так. Возможно, новые результаты указывают на серьезные пробелы в нашем понимании атомных ядер и создающего их сильного взаимодействия.

Получить кислород-28 удалось на ускорителе Riken RI Beam Factory, который работает в исследовательском центре Нисина (Nishina) в японском городе Вако. Для этого физики разгоняли ядра кальция-48 в циклотроне и сталкивали их с бериллиевой мишенью, создавая фтор-29, содержащий те же 20 нейтронов, но на один протон больше, чем нужный изотоп кислорода. Поэтому фтор-29 отправляли дальше, прогоняя через жидкий водород, и тогда он терял протон, превращаясь в кислород-28.

Вопреки ожиданиям, срок его существования оказался настолько кратким, что зарегистрировать непосредственно этот изотоп не удалось. Ученые обнаружили лишь продукты его распада: кислород-24 и четыре нейтрона.

Стоит заметить, что сам кислород-24 несколько лет назад принес аналогичный сюрприз. Вопреки предсказаниям, это ядро весьма стабильно, срок его полураспада составляет более 60 миллисекунд. Иначе говоря, кислород-24 ведет себя так, словно он дважды магический, хотя в теории содержит лишь магическое число протонов, но не нейтронов.

Новые экспериментальные данные могут говорить о том, что магические числа далеко не так универсальны, как принято думать. Поэтому теперь физики планируют добраться до еще более тяжелого изотопа, кислорода-30, чтобы сравнить сроки полураспада целой серии ядер. Вероятно, эта работа подтвердит, что магические числа действительно не могут служить надежным предсказателем их стабильности, а количество нейтронов и протонов, которое делает ядро устойчивым, меняется более сложным образом.

Те же идеи, которые заставляли физиков ожидать стабильности от кислорода-28, стоят за концепцией «острова стабильности» — существования сверхтяжелых трансурановых элементов с большим сроком жизни. Их поиски идут уже не одно десятилетие, однако до сих пор без особенного успеха. Не исключено, что проблема с кислородом-28 может объяснять и трудности с достижением «острова стабильности».

Статья спизжена отсюда

Занимательная ядерная физика

Приглядывайте за инженерами — они начинают с сеялки, а заканчивают атомной бомбой.

Марсель Паньоль

Ядерная физика — одна из самых скандальных областей почтенной естественной науки. Именно в эту область человечество на протяжении полувека бросало миллиарды долларов, фунтов, франков и рублей, как в паровозную топку опаздывающего поезда. Теперь поезд, похоже, уже не опаздывает. Бушующее пламя сгорающих средств и человеко-часов утихло. Попробуем вкратце разобраться, что же это за поезд под названием «ядерная физика».

Как известно, все сущее состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из электронных оболочек, живущих по своим умопомрачительным законам, и ядра. Классическая химия совершенно не интересуется ядром и его личной жизнью. Для нее атом — это его электроны и их способность к обменному взаимодействию. А от ядра химии нужна только его масса, чтобы рассчитывать пропорции реагентов. В свою очередь, ядерной физике глубоко плевать на электроны. Ее интересует крохотная (в 100 тысяч раз меньше радиуса орбит электронов) пылинка внутри атома, в которой сосредоточена практически вся его масса.

Что мы знаем о ядре? Да, оно состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Впрочем, это не совсем верно. Ядро — это не горсточка шариков двух цветов, как на иллюстрации из школьного учебника. Здесь работают совсем другие законы под названиемсильное взаимодействие, превращающие и протоны, и нейтроны в какое-то неразличимое месиво. Однако заряд этого месива в точности равен суммарному заряду входящих в него протонов, а масса — почти (повторяю, почти) совпадает с массой нейтронов и протонов, из которых состоит ядро.

Кстати, количество протонов неионизированного атома всегда совпадает с количеством электронов, имеющих честь его окружать. А вот с нейтронами дело не так просто. Собственно говоря, задача нейтронов — стабилизировать ядро, поскольку без них одноименно заряженные протоны не ужились бы вместе и микросекунды.

Возьмем для определенности водород. Самый обычный водород. Его устройство до хохота просто — один протон, окруженный одним орбитальным электроном. Водорода во Вселенной навалом. Можно сказать, что Вселенная состоит в основном из водорода.

Теперь аккуратно добавим к протону нейтрон. С точки зрения химии это все равно водород. А вот с точки зрения физики уже нет. Обнаружив два разных водорода, физики забеспокоились и тут же придумали называть обычный водород протием, а водород с нейтроном при протоне — дейтерием.

Наберемся наглости и скормим ядру еще один нейтрон. Теперь у нас еще один водород, еще более тяжелый — тритий. Он, опять же, с точки зрения химии практически не отличается от двух других водородов (ну, разве что в реакцию теперь вступает чуть менее охотно). Сразу хочу предупредить — никакими усилиями, угрозами и увещеваниями вы не сможете добавить к ядру трития еще один нейтрон. Здешние законы куда более строги, чем человеческие.

Итак, протий, дейтерий и тритий — это изотопы водорода. Их атомная масса различна, а заряд — нет. А ведь именно зарядом ядра определяется местоположение в периодической системе элементов. Потому и назвали изотопы изотопами. В переводе с греческого это означает «занимающие одно и то же место». Кстати говоря, всем известная тяжелая вода — это та же вода, но с двумя атомами дейтерия вместо протия. Соответственно, сверхтяжелая вода содержит вместо протия тритий.

Давайте взглянем снова на наши водороды. Так... Протий на месте, дейтерий на месте... А это еще кто? Куда делся мой тритий и откуда здесь появился гелий-3? У нашего трития один из нейтронов явно соскучился, решил сменить профессию и стал протоном. При этом он породил электрон и антинейтрино. Потеря трития — это, конечно, огорчительно, но зато мы теперь знаем, что он нестабилен. Кормежка нейтронами даром не прошла.

Итак, как вы поняли, изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильных изотопов вокруг нас полно, а вот нестабильных, слава богу, практически нет. То есть они имеются, но в настолько рассеянном состоянии, что добывать их приходится ценой очень большого труда. К примеру, уран-235, который доставил столько нервотрепки Оппенгеймеру, составляет в природном уране всего лишь 0,7%.

Здесь все просто. Периодом полураспада нестабильного изотопа называется промежуток времени, за который ровно половина атомов изотопа распадется и превратится в какие-то другие атомы. Уже знакомый нам тритий имеет период полураспада 12,32 года. Это — достаточно короткоживущий изотоп, хотя по сравнению с францием-223, у которого период полураспада составляет 22,3 минуты, тритий покажется седобородым аксакалом.

Никакие макроскопические внешние факторы (давление, температура, влажность, настроение исследователя, количество ассигнований, расположение звезд) не влияют на период полураспада. Квантовая механика нечувствительна к подобным глупостям.

Соблюдая историческую последовательность, рассмотрим сначала ядерные бомбы и осуществим свой маленький «Манхэттенский проект». Я не стану утомлять вас занудными методиками разделения изотопов и математическими выкладками теории цепной реакции деления. У нас с вами есть уран, плутоний, прочие материалы, инструкция по сборке и необходимая доля научного любопытства.

Цепная реакция деления

Я уже упоминал, что цепная реакция деления ядер урана была впервые проведена в декабре 1942 года Энрико Ферми. Теперь поговорим о цепной ядерной реакции подробнее.

Все изотопы урана нестабильны в той или иной степени. Но уран-235 — на особом положении. При самопроизвольном распаде ядра урана-235 (его еще называют альфа-распадом) образуются два осколка (ядра других, гораздо более легких элементов) и несколько нейтронов (обычно 2-3). Если образовавшийся при распаде нейтрон ударится о ядро другого атома урана, будет обычное упругое соударение, нейтрон отскочит и продолжит поиски приключений. Но через какое-то время он растратит энергию (идеально упругие соударения бывают только у сферических коней в вакууме), и очередное ядро окажется ловушкой — нейтрон поглотится им. Кстати, такой нейтрон физики называюттепловым.

Посмотрите на перечень известных изотопов урана. Среди них нет изотопа с атомной массой 236. А знаете, почему? Такое ядро живет доли микросекунд, а затем распадается с выделением огромного количества энергии. Это называется вынужденный распад. Изотоп с таким временем жизни даже как-то неловко называть изотопом.

Энергия, выделившаяся при распаде ядра урана-235, — это кинетическая энергия осколков и нейтронов. Если подсчитать общую массу продуктов распада ядра урана, а затем сравнить ее с массой первоначального ядра, то окажется, что эти массы не совпадают — первоначальное ядро было больше. Это явление называется дефектом массы, а его объяснение заложено в формуле E₀=mс². Кинетическая энергия осколков, деленная на квадрат скорости света, в точности будет равна разности масс. Осколки тормозятся в кристаллической решетке урана, рождая рентгеновское излучение, а нейтроны, попутешествовав, поглощаются другими ядрами урана или покидают урановую отливку, где все события и происходят.

Если урановая отливка маленькая, то большая часть нейтронов покинет ее, не успев затормозиться. А вот если каждый акт вынужденного распада вызовет хотя бы еще один такой же акт за счет испущенного нейтрона — это уже самоподдерживающаяся цепная реакция деления.

Соответственно, если увеличивать размер отливки, все большее количество нейтронов станет причиной актов вынужденного деления. И в какой-то момент цепная реакция станет неуправляемой. Но это еще далеко не ядерный взрыв. Просто очень «грязный» термический взрыв, при котором выделится большое количество очень активных и ядовитых изотопов.

Критическая масса

Вполне закономерный вопрос — сколько нужно урана-235, чтобы цепная реакция деления стала лавинообразной? На самом деле не все так просто. Здесь играют роль свойства расщепляющегося материала и отношение объема к поверхности. Представьте себе тонну урана-235 (сразу оговорюсь — это очень много), которая существует в виде тонкой и очень длинной проволоки. Да, нейтрон, летящий вдоль нее, разумеется, вызовет акт вынужденного распада. Но доля нейтронов, летящих вдоль проволоки, окажется настолько малой, что говорить о самоподдерживающейся цепной реакции просто смешно.

Поэтому условились считать критическую массу для сферической отливки. Для чистого урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это шарик радиусом 9 см). Сами понимаете, такой шарик долго не просуществует, впрочем, как и те, кто его отлили.

Если же шарик меньшей массы окружить отражателем нейтронов (для него прекрасно подходит бериллий), а в состав шарика ввести материал — замедлитель нейтронов (вода, тяжелая вода, графит, тот же бериллий), то критическая масса станет гораздо меньшей. Применяя наиболее эффективные отражатели и замедлители нейтронов, можно довести критическую массу до 250 грамм. Этого, к примеру, можно достигнуть, если поместить в сферическую бериллиевую емкость насыщенный раствор соли урана-235 в тяжелой воде.

Критическая масса существует не только для урана-235. Есть еще ряд изотопов, способных к цепной реакции деления. Главное условие — продукты распада ядра должны вызывать акты распада других ядер.

Урановая бомба

Итак, у нас есть две полусферических отливки урана массой по 40 кг. Пока они находятся на почтительном отдалении друг от друга, все будет спокойно. А если начать их медленно сдвигать? Вопреки распространенному мнению, не произойдет ничего грибообразного. Просто куски по мере сближения начнут нагреваться, а затем, если вовремя не одуматься, раскаляться. В конце концов они просто расплавятся и растекутся, а все, кто двигал отливки, дадут дуба от облучения нейтронами. А те, кто с интересом наблюдал за этим, склеят ласты.

А если быстрее? Быстрее расплавятся. Еще быстрее? Еще быстрее расплавятся. Охладить? Да хоть в жидкий гелий опустите — толку не будет. А если выстрелить одним куском в другой? О! Момент истины. Мы только что придумали урановую пушечную схему. Впрочем, гордиться нам особенно нечем, эта схема — самая простая и безыскусная из всех возможных. Да и от полушарий придется отказаться. Они, как показала практика, не склонны ровненько слипаться плоскостями. Малейший перекос — и получится очень дорогостоящий «пук», после которого долго придется убирать.

Лучше сделаем короткую толстостенную трубу из урана-235 с массой 30-40 кг, к отверстию которой приставим высокопрочный стальной ствол того же калибра, заряженный цилиндром из такого же урана примерно такой же массы. Окружим урановую мишень бериллиевым отражателем нейтронов. Вот теперь, если пальнуть урановой «пулей» по урановой «трубе» — будет полная «труба». То есть будет ядерный взрыв. Только пальнуть надо по-серьезному, так, чтобы дульная скорость уранового снаряда была хотя бы 1 км/с. Иначе опять же будет «пук», но погромче. Дело в том, что при сближении снаряда и мишени они настолько разогреваются, что начинают интенсивно испаряться с поверхности, тормозясь встречными газовыми потоками. Более того, если скорость недостаточна, то есть шанс, что снаряд просто не долетит до мишени, а испарится по дороге.

Разогнать до такой скорости болванку массой в несколько десятков килограмм, причем на отрезке в пару метров — задача крайне непростая. Именно поэтому потребуется не порох, а мощная взрывчатка, способная создать в стволе должное давление газов за очень короткое время. А ствол потом чистить не придется, не беспокойтесь.

Бомба Mk-I «Little Boy», сброшенная на Хиросиму, была устроена именно по пушечной схеме.

Есть, конечно, незначительные детали, которые мы не учли в нашем проекте, но против самого принципа не погрешили совершенно.

Плутониевая бомба

Так. Урановую бомбу мы взорвали. Грибом полюбовались. Теперь будем взрывать плутониевую. Только не надо тащить сюда мишень, снаряд, ствол и прочий хлам. Этот номер с плутонием не пройдет. Даже если мы пальнем одним куском в другой со скоростью в 5 км/с, все равно надкритической сборки не выйдет. Плутоний-239 успеет разогреться, испариться и изгадить все вокруг. Его критическая масса — чуть больше 6 кг. Можете себе представить, насколько он активнее в плане захвата нейтронов.

Плутоний — металл необычный. В зависимости от температуры, давления и примесей он существует в шести модификациях кристаллической решетки. Есть даже такие модификации, в которых он сжимается при нагревании. Переходы из одной фазы в другую могут совершаться скачкообразно, при этом плотность плутония может меняться на 25%.Давайте, как все нормальные герои, пойдем в обход. Вспомним, что критическая масса определяется, в частности, отношением объема к поверхности. Ладно, у нас есть шарик докритической массы, имеющий минимальную поверхность при заданном объеме. Скажем, 6 килограмм. Радиус шарика — 4,5 см. А если этот шарик сжать со всех сторон? Плотность возрастет пропорционально кубу линейного сжатия, а поверхность уменьшится пропорционально его же квадрату. И вот что получится: атомы плутония уплотнятся, то есть тормозной путь нейтрона сократится, а значит, увеличится вероятность его поглощения. Но, опять же, сжать с нужной скоростью (порядка 10 км/с) все равно не выйдет. Тупик? А вот и нет.

При 300°С наступает так называемая дельта-фаза — самая рыхлая. Если легировать плутоний галлием, нагреть его до этой температуры, а затем медленно охладить, то дельта-фаза сможет существовать и при комнатной температуре. Но она не будет стабильной. При большом давлении (порядка десятков тысяч атмосфер) произойдет скачкообразный переход в очень плотную альфа-фазу.

Поместим плутониевый шарик в большой (диаметр 23 см) и тяжелый (120 кг) пустотелый шар из урана-238. Не переживайте, у него нет критической массы. Зато он прекрасно отражает быстрые нейтроны. А они нам еще пригодятся.Думаете, взорвали? Как бы не так. Плутоний — чертовски капризная сущность. Придется еще поработать. Сделаем две полусферы из плутония в дельта-фазе. Сформируем в центре сферическую полость. И в эту полость поместим квинтэссенцию ядерно-оружейной мысли — нейтронный инициатор. Это такой маленький пустотелый шарик из бериллия диаметром 20 и толщиной 6 мм. Внутри его — еще один шарик из бериллия диаметром 8 мм. На внутренней поверхности пустотелого шарика — глубокие бороздки. Все это щедро никелировано и покрыто золотом. В бороздки помещается полоний-210, который активно испускает альфа-частицы. Вот такое вот чудо технологии. Как оно работает? Секундочку. У нас еще есть несколько дел.

Окружим урановую оболочку еще одной, из сплава алюминия с бором. Ее толщина — около 13 см. Итого, наша «матрешка» теперь растолстела до полуметра и поправилась с 6 до 250 кг.

Теперь изготовим имплозионные «линзы». Представьте себе футбольный мяч. Классический, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Изготовим такой «мяч» из взрывчатки, а каждый из сегментов снабдим несколькими электродетонаторами. Толщина сегмента — около полуметра. При изготовлении «линз» есть тоже масса тонкостей, но если их описывать, то на все остальное не хватит места. Основное — максимальная точность линз. Малейшая погрешность — и всю сборку раздробит бризантным действием взрывчатки. Полная сборка теперь имеет диаметр около полутора метров и массу 2,5 тонны. Завершает конструкцию электрическая схема, задача которой — подорвать детонаторы в строго определенной последовательности с точностью до микросекунды.

Все. Перед нами — плутониевая имплозионная схема.

А теперь — самое интересное.

При детонации взрывчатка обжимает сборку, а алюминиевый «толкатель» не дает распространиться спаду взрывной волны, распространяющемуся вслед за ее фронтом внутрь. Пройдя через уран со встречной скоростью около 12 км/с, волна сжатия уплотнит и его, и плутоний. Плутоний при давлениях в зоне сжатия порядка сотен тысяч атмосфер (эффект фокусировки взрывного фронта) перейдет скачком в альфа-фазу. За 40 микросекунд описанная здесь сборка уран-плутоний станет не просто надкритической, а превышающей критическую массу в несколько раз.

Дойдя до инициатора, волна сжатия сомнет всю его конструкцию в монолит. При этом золото-никелевая изоляция разрушится, полоний-210 за счет диффузии проникнет в бериллий, испускаемые им альфа-частицы, проходящие через бериллий, вызовут колоссальный поток нейтронов, запускающих цепную реакцию деления во всем объеме плутония, а поток «быстрых» нейтронов, рожденный распадом плутония, вызовет взрыв урана-238. Готово, мы вырастили второй гриб, ничуть не хуже первого.

Пример плутониевой имплозионной схемы — бомба Mk-III «Fatman», сброшенная на Нагасаки.

Все описанные здесь ухищрения нужны для того, чтобы заставить вступить в реакцию максимальное количество атомных ядер плутония. Основная задача — как можно дольше удержать заряд в компактном состоянии, не дать ему разлететься плазменным облаком, в котором цепная реакция мгновенно прекратится. Здесь каждая выигранная микросекунда — прирост одной-двух килотонн мощности.

Термоядерная бомба

Существует расхожее мнение, что ядерная бомба — запал для термоядерной. В принципе, все гораздо сложнее, но суть ухвачена верно. Оружие, основанное на принципах термоядерного синтеза, позволило добиться такой мощности взрыва, которая ни при каких условиях не может быть достигнута цепной реакцией деления. Но единственный пока источник энергии, позволяющий «поджечь» термоядерную реакцию синтеза, — это ядерный взрыв.

Термоядерный синтез

Помните, как мы с вами «кормили» ядро водорода нейтронами? Так вот, если попытаться подобным образом соединить между собой два протона, ничего не выйдет. Протоны не удержатся вместе из-за кулоновских сил отталкивания. Либо они разлетятся, либо произойдет бета-распад и один из протонов станет нейтроном. А вот гелий-3 существует. Благодаря одному-единственному нейтрону, который делает протоны более уживчивыми друг с другом.

В принципе, на основании состава ядра гелия-3 можно сделать вывод, что из ядер протия и дейтерия можно вполне собрать одно ядро гелия-3. Теоретически это так, но такая реакция может идти только в недрах больших и горячих звезд. Более того, в недрах звезд даже из одних протонов можно собрать гелий, превращая часть их в нейтроны. Но это уже вопросы астрофизики, а достижимый для нас вариант — это слить два ядра дейтерия или дейтерий и тритий.

Для слияния ядер необходимо одно очень специфическое условие. Это очень высокая (10⁹ К) температура. Только при средней кинетической энергии ядер в 100 килоэлектронвольт они способны сблизиться на расстояние, при котором сильное взаимодействие начинает преодолевать кулоновское.

Вполне законный вопрос — зачем городить этот огород? Дело в том, что при синтезе легких ядер выделяется энергия порядка 20 МэВ. Разумеется, при вынужденном делении ядра урана эта энергия в 10 раз больше, но есть один нюанс — при самых больших ухищрениях урановый заряд мощностью даже в 1 мегатонну невозможен. Даже для более совершенной плутониевой бомбы достижимый выход энергии — не более чем 7-8 килотонн с одного килограмма плутония (при теоретическом максимуме 18 килотонн). И не забывайте о том, что ядро урана почти в 60 раз тяжелее двух ядер дейтерия. Если считать удельный выход энергии, то термоядерный синтез заметно впереди.

И еще — для термоядерного заряда не существует никаких ограничений по критической массе. У него попросту ее нет. Есть, правда, другие ограничения, но о них — ниже.

В принципе, запустить термоядерную реакцию как источник нейтронов достаточно несложно. Гораздо труднее запустить ее как источник энергии. Здесь мы сталкиваемся с так называемым критерием Лоусона, который определяет энергетическую выгодность термоядерной реакции. Если произведение плотности реагирующих ядер и времени их удержания на расстоянии слияния больше, чем 10¹⁴ сек/см³, энергия, даваемая синтезом, превысит энергию, вводимую в систему.

Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.

Классический супер

Первая схема термоядерной бомбы, пришедшая в голову Эдварду Теллеру, была чем-то сродни попытке создать плутониевую бомбу по пушечной схеме. То есть вроде бы все правильно, но не работает. Устройство «классического супера» — жидкий дейтерий, в который погружена плутониевая бомба, — было и вправду классическим, но далеко не супер.

Мысль о взрыве ядерного заряда в среде жидкого дейтерия оказалась тупиковой изначально. При таких условиях мало-мальский выход энергии термоядерного синтеза мог быть достигнут при подрыве ядерного заряда мощностью 500 кт. А о достижении критерия Лоусона вообще говорить не приходилось.

Слойка

Идея окружить ядерный заряд-триггер слоями термоядерного топлива, перемежающегося ураном-238 в качестве теплоизолятора и усилителя взрыва, Теллеру тоже приходила в голову. Да и не только ему. Первые советские термоядерные бомбы были построены именно по этой схеме. Принцип был достаточно простым: ядерный заряд прогревает термоядерное горючее до температуры начала синтеза, а рождающиеся при синтезе быстрые нейтроны взрывают слои урана-238. Однако ограничение оставалось прежним — при той температуре, которую мог обеспечить ядерный триггер, в реакцию синтеза могла вступить только смесь дешевого дейтерия и невероятно дорогого трития.

Позже Теллера посетила мысль использовать соединение дейтерид лития-6. Такое решение позволило отказаться от дорогих и неудобных криогенных емкостей с жидким дейтерием. К тому же в результате облучения нейтронами литий-6 превращался в гелий и тритий, вступавший с дейтерием в реакцию синтеза.

Недостатком этой схемы оказалась ограниченная мощность — в реакцию синтеза успевала вступить лишь ограниченная часть термоядерного горючего, окружавшего триггер. Остальное, сколько бы его ни было, шло на ветер. Максимальная мощность заряда, полученная при использовании «слойки», равнялась 720 кт (британская бомба Orange Herald). Судя по всему, это был «потолок».

Схема Теллера-Улама

Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».

Наша задача — нагреть термоядерное топливо и удержать его в определенном объеме, чтобы выполнить критерий Лоусона. Оставляя в стороне американские упражнения с криогенными схемами, возьмем в качестве термоядерного топлива уже известный нам дейтерид лития-6.

В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер — цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.

На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба — это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.

Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.

При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.

В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент — начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд — в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.

Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.

Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы — уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».