1. Ядерну зброю
2. термоядерна зброя
3. Послідовність подій при ядерному вибуху
4. література

Поняття ядерну зброю об'єднує вибухові пристрої, в яких енергія вибуху утворюється при розподілі або злиття ядер. У вузькому сенсі під ядерною зброєю розуміють вибухові пристрої, що використовують енергію, що виділяється при поділі важких ядер. Пристрої, що використовує енергію, що виділяється при синтезі легких ядер, називаються термоядерними.

Ядерну зброю

Ядерна реакція, енергія якої використовується в ядерних вибухових пристроях, полягає в розподілі ядра в результаті захоплення цим ядром нейтрона. Поглинання нейтрона здатне привести до поділу практично будь-якого ядра, однак для переважної більшості елементів реакція ділення можлива тільки в разі якщо нейтрон до поглинання його ядром мав енергію, що перевищує деяке порогове значення. Можливість практичного використання ядерної енергії в ядерних вибухових пристроях або в ядерних реакторах обумовлена ​​існуванням елементів, ядра яких діляться під впливом нейтронів будь-якої енергії, в тому числі як завгодно малої. Речовини, що володіють подібним властивістю називаються діляться речовинами.

Єдиним зустрічається в природі в помітних кількостях речовиною, що ділиться є ізотоп урану з масою ядра 235 атомних одиниць маси (уран-235). Зміст цього ізотопу в природному урані становить усього 0.7%. Частина, що залишилася припадає на уран-238. Оскільки хімічні властивості ізотопів абсолютно однакові, для виділення урану-235 з природного урану необхідне здійснення достатньо складного процесу поділу ізотопів. В результаті може бути отриманий високозбагачений уран, який містить близько 94% урану-235, який придатний для використання в ядерній зброї.

Діляться речовини можуть бути отримані штучно, причому найменш складним з практичної точки зору є одержання плутонію-239, що утворюється в результаті захоплення нейтрона ядром урану-238 (і подальшої ланцюжка радіоактивних розпадів проміжних ядер). Подібний процес можна здійснити в ядерному реакторі, що працює на природному або слабообогащенном урані. Надалі, плутоній може бути виділений з відпрацьованого палива реактора в процесі хімічної переробки палива, що помітно простіше здійснюваного при отриманні збройового урану процесу поділу ізотопів.

Для створення ядерних вибухових пристроїв можуть бути використані і інші діляться речовини, наприклад уран-233, який отримують при опроміненні в ядерному реакторі торію-232. Однак, практичне застосування знайшли лише уран-235 і плутоній-239, перш за все через відносну простоту отримання цих матеріалів.

Можливість практичного використання виділяється при поділі ядер енергії обумовлена ​​тим, що реакція поділу може мати ланцюгової, що самопідтримується характер. У кожному акті поділу утворюється приблизно два вторинних нейтрона, які, будучи захоплені ядрами речовини, що ділиться, можуть викликати їх розподіл, в свою чергу приводить до утворення ще більшої кількості нейтронів. При створенні спеціальних умов, кількість нейтронів, а отже і актів поділу, зростає від покоління до покоління.

Залежність кількості актів поділу від часу може бути описана за допомогою так званого коефіцієнта розмноження нейтронів k, рівного різниці кількості нейтронів утворюються в одному акті поділу і кількості нейтронів, втрачених за рахунок поглинання, що не приводить до поділу, або за рахунок відходу за межі маси речовини, що ділиться . Параметр k, таким чином, відповідає кількості актів поділу яке викликає розпад одного ядра. Якщо параметр k менше одиниці, то реакція поділу не має ланцюгового характеру, так як кількість нейтронів, здатних викликати поділ виявляється меншою, ніж їх початкова кількість. При досягненні значення k = 1 кількість нейтронів, що викликають поділ, а значить і актів розпаду, не змінюється від покоління до покоління. Реакція поділу набуває ланцюгової самоподдерживающийся характер. Стан речовини, в якому реалізується ланцюгова реакція поділу з k = 1, називається критичним. При k> 1 говорять про сверхкритическом стані.

Залежність кількості актів поділу від часу може бути представлена ​​наступним чином:

де
N-повне число актів поділу, що сталися за час t з початку реакції,
N0-число ядер, що зазнали розподіл в першому поколінні, k-коефіцієнт розмноження нейтронів,
-час "зміни поколінь," тобто середній час між послідовними актами поділу, характерне значення якого становить 10-8 сек.

Якщо припустити, що ланцюгова реакція починається з одного акту поділу і значення коефіцієнта розмноження становить 2, то нескладно оцінити кількість поколінь, необхідне для виділення енергії, еквівалентної вибуху 1 кілотонни тринітротолуолу (1012 калорій або 4.191012 Дж). Оскільки в кожному акті поділу виділяється енергія рівна приблизно 180 МеВ (2.910-11 Дж), має відбутися 1.451023 актів розпаду (що відповідає поділу приблизно 57 г речовини, що ділиться). Стільки розпадів відбудеться протягом приблизно 53 поколінь діляться ядер. Весь процес займе близько 0.5 мікросекунд, причому основна частка енергії виділиться протягом останніх кількох поколінь. Продовження процесу всього на кілька поколінь призведе до значного зростання виділеної енергії. Так, для збільшення енергії вибуху в 10 разів (до 100 кт) необхідно всього п'ять додаткових поколінь.

Основним параметром, що визначає можливість здійснення ланцюгової реакції поділу і швидкість виділення енергії в ході цієї реакції є коефіцієнт розмноження нейтронів. Цей коефіцієнт залежить як від властивостей ядер, що діляться, таких як кількість вторинних нейтронів, перетину реакцій поділу і захоплення, так і від зовнішніх факторів, що визначають втрати нейтронів викликані їх доглядом за межі маси речовини, що ділиться. Імовірність догляду нейтронів залежить від геометричної форми зразка і збільшується зі збільшенням площі його поверхні. Імовірність же захоплення нейтрона пропорційна концентрації ядер речовини, що ділиться і довжині шляху, який нейтрон проходить в зразку. Якщо взяти зразок, який має форму кулі, то при збільшенні маси зразка ймовірність приводить до поділу захоплення нейтрона зростає швидше, ніж ймовірність його відходу, що призводить до збільшення коефіцієнта розмноження. Масу, при якій подібний зразок досягає критичного стану (k = 1), називають критичною масою речовини, що ділиться. Для високозбагаченого урану значення критичної маси складає близько 52 кг, для збройового плутонію-11 кг. Критичну масу можна зменшити приблизно вдвічі оточивши зразок речовини, що ділиться шаром матеріалу, що відображає нейтрони, наприклад, берилію або природного урану.

Ланцюгова реакція можлива і при наявності меншої кількості речовини, що ділиться. Оскільки ймовірність захоплення пропорційна концентрації ядер, збільшення щільності зразка, наприклад в результаті його стиснення, здатне привести до виникнення в зразку критичного стану. Саме цей спосіб і застосовується в ядерних вибухових пристроях, в яких маса речовини, що знаходиться в підкритичних стані перекладається в сверхкритическое за допомогою направленого вибуху, що піддає заряд сильному ступені стиснення. Мінімальна кількість речовини, що ділиться, необхідного для здійснення ланцюгової реакції, залежить в основному від досяжною на практиці ступеня стиснення.

Ступінь і швидкість стиснення маси речовини, що ділиться визначають не тільки кількість матеріалу, що розщеплюється, необхідного для створення вибухового пристрою, але і потужність вибуху. Причиною цього служить той факт, що енергія, що виділяється в ході ланцюгової реакції призводить до швидкого розігріву маси речовини, що ділиться і, як результат, до розльоту цієї маси. Через деякий час заряд втрачає критичність і ланцюгова реакція зупиняється. Оскільки повна енергія вибуху залежить від кількості ядер, що встигли зазнати розподіл за час, протягом якого заряд знаходився в критичному стані, для отримання достатньо великої потужності вибуху необхідно утримувати масу речовини, що ділиться в критичному стані якомога довше. На практиці це досягається шляхом швидкого стиснення заряду за допомогою направленого вибуху, так що в момент початку ланцюгової реакції, маса речовини володіє дуже великим запасом критичності.

Оскільки в процесі стиснення заряд знаходиться в критичному стані, необхідно усунути сторонні джерела нейтронів, які можуть дати початок ланцюгової реакції ще до досягнення зарядом необхідного ступеня критичності. Передчасне початок ланцюгової реакції приведе, по-перше, до зменшення швидкості виділення енергії, а по-друге, до більш раннього розльоту заряду і втрати ним критичності. Після того як маса речовини опинилася в критичному стані, початок ланцюгової реакції можуть дати акти спонтанного ділення ядер урану або плутонію. Однак, інтенсивність спонтанного поділу виявляється недостатньою для того, щоб забезпечити необхідний ступінь синхронізації моменту початку ланцюгової реакції з процесом стиснення речовини і для забезпечення досить великої кількості нейтронів в першому поколінні. Для вирішення цієї проблеми в ядерних вибухових пристроях застосовують спеціальний джерело нейтронів, який забезпечує "впорскування" нейтронів в масу речовини, що ділиться. Момент "уприскування" нейтронів повинен бути ретельно синхронізований з процесом стиснення, так як занадто ранній початок ланцюгової реакції приведе до швидкого початку розльоту речовини і, отже, до значного зменшення енергії вибуху.

Вибух першого ядерного вибухового пристрою був проведений США 16 липня 1945 в Аламогордо, штат Нью Мексико. Пристрій був плутонієву бомбу, в якій для створення критичності був використаний спрямований вибух. Потужність вибуху склала близько 20 кт. В СРСР вибух першого ядерного вибухового пристрою, аналогічного американському, був проведений 29 серпня 1949 р

термоядерна зброя

У термоядерному зброю енергія вибуху утворюється в ході реакцій синтезу легких ядер, таких як дейтерій, тритій, що є ізотопами водню або літій. Подібні реакції можуть відбуватися тільки при дуже високих температурах, при яких кінетична енергія ядер достатня для зближення ядер на досить малу відстань. Температури, про які йде мова, становлять близько 107-108 К.

Використання реакцій синтезу для збільшення потужності вибуху може бути вироблено по-різному. Перший спосіб полягає в приміщенні всередину звичайного ядерного пристрою контейнера з дейтерієм або тритієм (або дейтериду літію). Виникаючі в момент вибуху високі температури призводять до того, що ядра легких елементів вступають в реакцію, за рахунок якої відбувається додаткове виділення енергії. За допомогою подібного методу можна помітно збільшити потужність вибуху. У той же час, потужність подібного вибухового пристрою як і раніше обмежується кінцевим часом розльоту речовини.

Інший спосіб-створення багатоступеневих вибухових пристроїв, в яких за рахунок спеціальної конфігурації вибухового пристрою енергія звичайного ядерного заряду (т.зв. первинний заряд) використовується для створення необхідних температур в окремо розташованому "вторинному" термоядерному заряді, енергія якого, в свою чергу, може бути використана для підриву третього заряду і т.д. Перше випробування подібного пристрою-вибух "Майк" - було вироблено в США 1 листопада 1952 р СРСР подібний пристрій було вперше випробувано 22 листопада 1955 р Потужність вибухового пристрою, сконструйованого подібним чином, може бути як завгодно великий. Найпотужніший ядерний вибух був проведений саме за допомогою багатоступінчастого вибухового пристрою. Потужність вибуху склала 60 Мт, причому потужність пристрою була використана лише на одну третину.

Послідовність подій при ядерному вибуху

Виділення величезної кількості енергії, що відбувається в ході ланцюгової реакції поділу, призводить до швидкого розігріву речовини вибухового пристрою до температур порядку 107 К. При таких температурах речовина являє собою інтенсивно випромінює іонізовану плазму. На цьому етапі у вигляді енергії електромагнітного випромінювання виділяється близько 80% енергії вибуху. Максимум енергії цього випромінювання, званого первинним, доводиться на рентгенівський діапазон спектра. Подальший хід подій при ядерному вибуху визначається в основному характером взаємодії первинного теплового випромінювання з навколишнім епіцентр вибуху середовищем, а також властивостями цього середовища.

У разі якщо вибух зроблений на невеликій висоті в атмосфері, первинне випромінювання вибуху поглинається повітрям на відстанях порядку декількох метрів. Поглинання рентгенівського випромінювання призводить до утворення хмари вибуху, що характеризується дуже високою температурою. На першій стадії це хмара росте в розмірах за рахунок радіаційної передачі енергії з гарячою внутрішньої частини хмари до його холодного оточенню. Температура газу в хмарі приблизно постійна за його обсягом і знижується в міру його збільшення. У момент коли температура хмари знижується до приблизно 300 тисяч градусів, швидкість фронту хмари зменшується до величин, порівнянних зі швидкістю звуку. У цей момент формується ударна хвиля, фронт якої "відривається" від кордону хмари вибуху. Для вибуху потужністю 20 кт ця подія настає приблизно через 0.1 мсек після вибуху. Радіус хмари вибуху в цей момент становить близько 12 метрів.

Інтенсивність теплового випромінювання хмари вибуху цілком визначається видимої температурою його поверхні. На деякий час повітря, нагріте в результаті проходження вибухової хвилі, маскує хмару вибуху, поглинаючи випромінюється їм радіацію, так що температура видимої поверхні хмари вибуху відповідає температурі повітря за фронтом ударної хвилі, яка падає в міру збільшення розмірів фронту. Через приблизно 10 мілісекунд після початку вибуху температура у фронті падає до 3000 ° С і він знову стає прозорим для випромінювання хмари вибуху. Температура видимої поверхні хмари вибуху знову починає рости і через приблизно 0.1 сек після початку вибуху досягає приблизно 8000 ° С (для вибуху потужністю 20 кт). У цей момент потужність випромінювання хмари вибуху максимальна. Після цього температура видимої поверхні хмари і, відповідно, яку випромінює їм енергія швидко падає. В результаті, основна частка енергії випромінювання висвічується за час менше однієї секунди.

Формування імпульсу теплового випромінювання та утворення ударної хвилі відбувається на самих ранніх стадіях існування хмари вибуху. Оскільки всередині хмари міститься основна частка радіоактивних речовин, що утворюються в ході вибуху, подальша його еволюція визначає формування сліду радіоактивних опадів. Після того як хмара вибуху остигає настільки, що вже не випромінює у видимій області спектра, процес збільшення його розмірів триває за рахунок теплового розширення і воно починає підніматися вгору. В процесі підйому хмара захоплює за собою значну масу повітря і грунту. Протягом декількох хвилин хмара досягає висоти в кілька кілометрів і може досягти стратосфери. Швидкість випадання радіоактивних опадів залежить від розміру твердих частинок, на яких вони конденсуються. Якщо в процесі свого формування хмара вибуху досягла поверхні, кількість грунту, захопленого при підйомі хмари буде досить велике і радіоактивні речовини осідають в основному на поверхні частинок грунту, розмір яких може досягати декількох міліметрів. Такі частинки випадають на поверхню у відносній близькості від епіцентру вибуху, причому за час випадання їх радіоактивність практично не зменшується.

У разі якщо хмара вибуху не торкається поверхні, що містяться в ньому радіоактивні речовини конденсуються в набагато менші частинки з характерними розмірами 0.01-20 мікрон. Оскільки такі частинки можуть досить довго існувати в верхніх шарах атмосфери, вони розсіюються над дуже великою площею і за час, що минув до їх випадання на поверхню, встигають втратити значну частку своєї радіоактивності. В цьому випадку радіоактивний слід практично не спостерігається. Мінімальна висота, вибух на якій не призводить до утворення радіоактивного сліду, залежить від потужності вибуху і становить приблизно 200 метрів для вибуху потужністю 20 кт і близько 1 км для вибуху потужністю 1 Мт.

Ударна хвиля, что формується на ранніх стадіях Існування хмари Вибух, представляет собою один з основних вражаючіх факторів атмосферного Ядерний вибух. Основними характеристиками ударної Хвилі є пікове надлишково Тиск и Динамічний Тиск у Фронті Хвилі. Здатність об'єктів витримувати вплив ударної хвилі залежить від безлічі факторів, таких як наявність несучих елементів, матеріал споруди, орієнтація по відношенню до фронту. Надмірний тиск в 1 атм (15 фунтів / кв. Дюйм), що виникає на відстані 2.5 км від наземного вибуху потужністю 1 Мт, здатне зруйнувати багатоповерховий будинок із залізобетону. Для протистояння впливу ударної хвилі військові об'єкти, особливо шахти балістичних ракет проектують таким чином, щоб вони могли витримати надлишкові тиску в сотні атмосфер. Радіус області, в якій під час вибуху в 1 Мт створюється подібний тиск становить близько 200 метрів. Відповідно, для ураження укріплених цілей особливу роль відіграє точність атакуючих балістичних ракет.

На початкових стадіях існування ударної хвилі її фронт являє собою сферу з центром в точці вибуху. Після того як фронт досягає поверхні, утворюється відбита хвиля. Так як відбита хвиля поширюється в середовищі, через яку пройшла пряма хвиля, швидкість її поширення виявляється трохи вище. В результаті, на деякій відстані від епіцентру дві хвилі зливаються біля поверхні, утворюючи фронт, що характеризується приблизно в два рази більшими значеннями надлишкового тиску. Оскільки для вибуху даної потужності відстань, на якому утворюється подібний фронт, залежить від висоти вибуху, висоту вибуху можна підібрати для отримання максимальних значень надлишкового тиску на певній площі. Якщо метою вибуху є знищення укріплених військових об'єктів, оптимальна висота вибуху виявляється дуже малою, що неминуче призводить до утворення значної кількості радіоактивних опадів.

Ще одним вражаючим фактором ядерного зброї є проникаюча радіація, яка представляє собою потік високоенергетичних нейтронів і гамма-квантів, що утворюються як безпосередньо в ході вибуху так і в результаті розпаду продуктів поділу. Поряд з нейтронами і гамма-квантами, в ході ядерних реакцій утворюються також альфа- і бета-частинки, вплив яких можна не враховувати через те що вони дуже ефективно затримуються на відстанях порядку декількох метрів. Нейтрони і гамма-кванти продовжують виділятися протягом досить тривалого часу після вибуху, надаючи вплив на радіаційну обстановку. До власне проникаючої радіації зазвичай відносять нейтрони і гамма-кванти з'являються протягом першої хвилини після вибуху. Подібне визначення пов'язано з тим, що за час порядку однієї хвилини хмара вибуху встигає піднятися на висоту, достатню для того, щоб радіаційний потік на поверхні став практично непомітний.

Інтенсивність потоку проникаючої радіації і відстань на якому її дія може завдати істотної шкоди, залежать від потужності вибухового пристрою і його конструкції. Доза радіації, отримана на відстані близько 3 км від епіцентру термоядерного вибуху потужністю 1 Мт достатня для того щоб викликати серйозні біологічні зміни в організмі людини. Ядерний вибуховий пристрій може бути спеціально сконструйоване таким чином щоб збільшити збиток, що наноситься проникаючою радіацією в порівнянні зі збитком, що наноситься іншими вражаючими факторами (так зване нейтронне зброю).

Процеси, що відбуваються в ході вибуху на значній висоті, де щільність повітря невелика, трохи відрізняються від що відбуваються при проведенні вибуху на невеликих висотах. Перш за все, через малу щільність повітря поглинання первинного теплового випромінювання відбувається на набагато більших відстанях і розмір хмари вибуху може досягати десятків кілометрів. Істотний вплив на процес формування хмари вибуху починають надавати процеси взаємодії іонізованих частинок хмари з магнітним полем Землі. Іонізовані частки, що утворилися в ході вибуху, багатодітній родині і помітний вплив на стан іоносфери, ускладнюючи, а іноді і роблячи неможливим поширення радіохвиль (цей ефект може бути використаний для засліплення радіолокаційних станцій).

Одним з результатів проведення висотного вибуху виявляється виникнення потужного електромагнітного імпульсу, що поширюється над дуже великою територією. Електромагнітний імпульс виникає і в результаті вибуху на малих висотах, однак напруженість електромагнітного поля в цьому випадку швидко спадає в міру віддалення від епіцентру. У разі ж висотного вибуху, область дії електромагнітного імпульсу охоплює практично всю видиму з точки вибуху поверхню Землі.

У разі якщо вибух зроблений під землею, на початковій стадії вибуху поглинання навколишнім середовищем первинного теплового випромінювання призводить до утворення порожнини, тиск в якій протягом менш ніж мікросекунди зростає до кількох мільйонів атмосфер. Далі, протягом часток секунди в навколишній породі формується ударна хвиля, фронт якої обганяє поширення порожнини вибуху. Ударна хвиля викликає руйнування породи в безпосередній близькості від епіцентру і, послаблюючи в міру свого просування, дає початок серії сейсмічних імпульсів, які супроводжують підземний вибух. Порожнина вибуху продовжує розширюватися з дещо меншою ніж на початку швидкістю, досягаючи в підсумку значних розмірів. Так, радіус порожнини, утвореної вибухом потужністю 150 кт може досягти 50 метрів. На цьому етапі стіни порожнини представляють собою розплавлену породу. На третьому етапі газ всередині порожнини остигає, а розплавлена ​​порода застигає на дні.

Протягом наступної стадії, яка може тривати від декількох секунд до декількох годин, тиск газів в порожнині падає так, що вони більше не здатні витримувати навантаження верхніх шарів породи, які обрушуються вниз. В результаті утворюється вертикальна сигарообразная структура, заповнена уламками породи. Розміри цієї структури залежать від характеру породи, в якій здійснено вибух. У верхньому кінці цієї структури залишається порожнину, заповнена радіоактивними газами. У разі якщо вибух стався на недостатньо великій глибині, частина газів може вийти на поверхню.

література

1. Thomas B. Cochran, William M. Arkin, Milton M. Hoenig, Nuclear Weapons Databook. Vol. I: US Nuclear Forces and Capabilities (Ballinger: 1984).

2. Samuel Glasstone, Philip J. Dolan, The Effects of Nuclear Weapons, (US GPO: 1977).

Пошук на СНО-сайті

© Центр по вивченню проблем роззброєння, енергетики та екології при МФТІ, 1999 г.