Глубоко уважаемые пидоры, нужна помощь.
Мне стало интересно, возможно ли теоретически сделать эндотермическую бомбу(для тушения пожара, например)
Как идея, использовать сжатую воду.
Подскажите, как расчитать, сколько энергии будет затрачено при сжатии одного литра воды до 0.5 литров?
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
Плотность некоторых крупных астероидов может в разы превышать плотность любых известных на Земле элементов. Это должно указывать на то, что «космические камни», по крайней мере частично, могут состоять из неизвестных типов очень плотной материи, которые нельзя изучить с помощью «стандартной модели физики». Авторы нового исследования попытались объяснить чрезвычайно высокую плотность одного из таких крупных астероидов.
Орбита астероида (33) Полигимния и его положение в Солнечной системе
В середине XX века советский физик-ядерщик Геогий Флеров со своими подопечными смог синтезировать в лаборатории ряд сверхтяжелых элементов, включая унунквадий с атомным номером (Z) 114, впоследствии его переименовали в флеровий в честь физика.
Под атомным номером (порядковый номер химического элемента в периодической системе элементов таблицы Менделеева) понимают количество положительных элементарных зарядов в атомном ядре. На сегодня в периодической таблице числятся 118 элементов, в природе встречается 92 из них, остальные 26 получены искусственно. Чем выше атомный номер элемента, тем он «тяжелее».
Советские ученые предположили, что все элементы, полученные в лаборатории, должны были когда-то существовать на Земле, но с течением времени они распались. Действительно, их следы, пусть и ничтожные, находят на нашей планете. Например, следы нептуния (Z=93) обнаружены в урановых рудах — это продукты ядерных реакций под действием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана.
Флеров выдвинул гипотезу, что в природе должен существовать «остров стабильности сверхтяжелых ядер» — группа сверхтяжелых элементов, находящаяся за пределами уже открытой части таблицы Менделеева.
Остров стабильности на карте изотопов
Сегодня физики разделяют сверхтяжелые элементы на две группы:
— С атомным номером от 105 до 118, которые были получены искусственно, но при этом радиоактивны и нестабильны, с очень коротким периодом полураспада, и, следовательно, они представляют только академический и исследовательский интерес;
— Элементы «острова стабильности» с атомным номером больше 118. Они пока не наблюдались в природе, но для некоторых из них были предсказаны свойства. В частности, расчеты показывают, что могут существовать элементы до Z=164, при этом они могут оставаться стабильными на протяжении долгого времени.
Поскольку плотность элементов, как правило, возрастает с увеличением их атомной массы, можно ожидать, что элементы «острова стабильности» будут чрезвычайно плотными.
На Земле самый плотный стабильный элемент — металл осмий (Z=76) — 22,59 г/см3, его плотность почти в два раза больше, чем внутреннего ядра Земли. Однако в космосе встречаются объекты с плотностью элементов намного выше, чем у осмия, — так называемые компактные сверхплотные тела (compact ultradense objects, CUDO).
Один из ярких примеров таких объектов — астероид Главного пояса (33) Полигимния: согласно расчетам, его плотность составляет около 75 г/см3. Группа американских физиков из Аризонского университета попыталась объяснить эту особенность астероида. Ученые задались целью рассчитать атомную структуру и свойства сверхтяжелых элементов Полигимнии (около значения Z=164), используя модель атома Томаса — Ферми. Результаты работы опубликованы в The European Physical Journal Plus (здесь можно ознакомиться с ее полным текстом).
«Мы выбрали эту модель, несмотря на ее неточность, за то, что она позволяет систематически изучать атомную структуру потенциальных сверхтяжелых химических элементов, которых нет в известной периодической таблице. Кроме того, с ее помощью можно исследовать множество атомов за короткое время», — объяснил ведущий автор исследования Ян Рафельски.
Плотности элементов с атомным номером от 1 до 100. Красными треугольниками отмечены тяжелые металлы. Красный треугольник в правом верхнем углу — осмий (Z=76), самый плотный стабильный элемент на Земле
Расчеты физиков показали, что элементы, которые имеют атомные номера близкие к 164, могут быть стабильными и при этом их плотность может составлять от 36,0 до 68,4 г/см3 — значение очень близкое к значению плотности, полученному при изучении Полигимнии (75 г/см3).
Авторы сделали вывод, что на астероиде могут находиться сверхтяжелые элементы «острова стабильности». Если оценки плотности верны, то, скорее всего, Полигимния состоит из неизвестных на сегодня сверхтяжелых ядер элементов, которые пока невозможно изучить на Земле — по крайней мере, при современном уровне возможностей в области получения атомных ядер.
Предсказанные границы массовой плотности сверхтяжелых элементов в областях атомных номеров Z = 114, 140 и 164 (зеленые точки), пунктиром линейная интерполяция
Стоит отметить, что на вопрос об «острове стабильности» есть и иная точка зрения. Ряд ученых считают, что такие элементы в любом случае не могут быть достаточно долгоживущими, а обнаружение астероидов с аномальной плотностью (типа Полигимнии) может объясняться ошибками в астрономических наблюдениях. Окончательно прояснить вопрос могли бы только исследовательские миссии к таким телам.
Статья спизжена отсюда
Аюми Мотидзуки02.08.202006:25ссылкаПриглядывайте 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».
Изотопы и радиоактивностьКак 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%.
Период полураспадаЗдесь 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.
| Популярная механика взрыва | ||||||||||||
Суть любого взрыва — это стремительное высвобождение энергии, ранее находившейся в несвободном, связанном состоянии. Освободившаяся энергия рассеивается, преимущественно переходя в тепло (кинетическую энергию неупорядоченного движения молекул), ударную волну (тут тоже движение, но уже упорядоченное, по направлению от центра взрыва) и излучение — от мягкого инфракрасного до жестких коротковолновых квантов. При химическом взрыве все относительно просто. Происходит энергетически-выгодная реакция, когда между собой взаимодействуют некие вещества. В реакции участвуют только верхние электронные слои некоторых атомов, а глубже взаимодействие не идет. Несложно догадаться, что скрытой энергии в любом веществе гораздо больше. Но каковы бы ни были условия опыта, сколь бы удачные реагенты мы ни подобрали, как бы ни выверяли пропорции — глубже в атом химия нас не пустит. Химический взрыв — явление примитивное, малоэффективное и, с точки зрения физики, до неприличия слабое. Ядерная цепная реакция позволяет копнуть чуть глубже, включая в игру не только электроны, но и ядра. По-настоящему весомо это звучит, пожалуй, только для физика, а остальным приведу простую аналогию. Представьте себе гигантскую гирю, вокруг которой на расстоянии нескольких километров порхают наэлектризованные пылинки. Это атом, «гиря» — ядро, а «пылинки» — электроны. Что с этими пылинками ни делай, они не дадут и сотой доли той энергии, которую можно получить от увесистой гири. Особенно если в силу каких-то причин она расколется, и массивные обломки на огромной скорости разлетятся в разные стороны. Ядерный взрыв задействует потенциал связи тяжелых частиц, из которых состоит ядро. Но это еще далеко не предел: скрытой энергии в веществе гораздо больше. И имя этой энергии — масса. Опять же, для не-физика это звучит немного непривычно, но масса — это энергия, только предельно сконцентрированная. Каждая частица: электрон, протон, нейтрон — все это мизерные сгустки невероятно плотной энергии, до поры до времени пребывающей в покое. Вы наверняка знаете формулу E=mc2, которую так полюбили авторы анекдотов, редакторы стенгазет и оформители школьных кабинетов. Она именно об этом, и именно она постулирует массу как не более чем одну из форм энергии. И она же дает ответ на вопрос, сколько энергии можно получить из вещества по максимуму. Процесс полного перехода массы, то есть энергии связанной, в энергию свободную, называетсяаннигиляцией. По латинскому корню «nihil» несложно догадаться о ее сути — это превращение в «ничто», вернее — в излучение. Для ясности — немного цифр.
Один грамм любой материи (важна только масса) при аннигиляции даст больше энергии, чем небольшая ядерная бомба. По сравнению с такой отдачей смешными кажутся и упражнения физиков над расщеплением ядра, и уж тем более опыты химиков с активными реагентами. Для аннигиляции нужны соответствующие условия, а именно — контакт материи с антиматерией. И, в отличие от «красной ртути» или «философского камня», антиматерия более чем реальна — для известных нам частиц существуют и исследованы аналогичные античастицы, а эксперименты по аннигиляции пар «электрон + позитрон» неоднократно проводились на практике. Но чтобы создать аннигиляционное оружие, необходимо собрать воедино некоторый весомый объем античастиц, а также ограничить их от контакта с любой материей вплоть до, собственно, боевого применения. Это, тьфу-тьфу, еще далекая перспектива. Дефект массыПоследний вопрос, который осталось уяснить относительно механики взрыва, — это откуда все-таки берется энергия: та самая, которая высвобождается в ходе цепной реакции? Тут опять не обошлось без массы. Вернее, без ее «дефекта». Вплоть до прошлого века ученые полагали, что масса сохраняется при любых условиях, и были по-своему правы. Вот мы опустили металл в кислоту — в реторте забурлило и сквозь толщу жидкости наверх устремились пузырьки газа. Но если взвесить реагенты до и после реакции, не забыв при этом и выделившийся газ, — масса сходится. И так будет всегда, пока мы оперируем килограммами, метрами и химическими реакциями. Но стоит углубиться в область микрочастиц, как и масса тоже преподносит сюрприз. Оказывается, что масса атома может отнюдь не в точности равняться сумме масс частиц, его составляющих. При делении на части тяжелого ядра (к примеру, того же урана) «осколки» в сумме весят меньше, чем ядро до деления. За «разницу», также называемую дефектом массы, отвечают энергии связей внутри ядра. И именно эта разница уходит в тепло и излучение во время взрыва, причем все по той же простенькой формуле: E=mc2. Это интересно: так сложилось, что тяжелые ядра энергетически выгодно делить, а легкие — объединять. Первый механизм работает в урановой или плутониевой бомбе, второй — в водородной. А из железа бомбу не сделать при всем желании: оно в этой линейке стоит ровно посередине. |
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.
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.
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.
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.
Есть, конечно, незначительные детали, которые мы не учли в нашем проекте, но против самого принципа не погрешили совершенно.
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.
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.
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 бомбаСуществует 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.
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.
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.
 |
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».
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.
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.
 | nashi5364Подписчиков: +139 |
 | MaikaMIAKAПодписчиков: +55 |
 | KomatsukiПодписчиков: +50 |
 | аниМемыПодписчиков: +44 |
 | mr_plagu3Подписчиков: +19 |
 | sincosПодписчиков: +225 |
 | VIZAZПодписчиков: +213 |
 | MiakanaYuriПодписчиков: +103 |
 | QuantumHeadAIПодписчиков: +86 |
 | creux-artПодписчиков: +58 |
Отличный комментарий!