|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Атомная бомба |
 |
Атомная бомба
Описание
Атомная (ядерная) бомба ‑ взрывное устройство, в котором источником энергии является деление атомных ядер ‑ ядерная реакция. В узком смысле ‑ взрывное устройство, использующее энергию деления тяжёлых ядер.
Устройство урановой атомной бомбы
Рисунок 1
При ядерном взрыве происходит чрезвычайно быстрое (доли мкс) выделение энергии, при этом температура в зоне реакции достигает десятков миллионов градусов, а давление ‑ около миллиарда атмосфер. Он сопровождается ослепительной вспышкой и громовым звуком. После вспышки образуется огненный шар, а при наземном взрыве ‑ огненное полушарие, исчезающее в течение нескольких секунд. На месте огненного шара появляется клубящееся грибовидное облако, увлекающее за собой на большую высоту сотни, тысячи тонн измельченного и подвергшегося радиоактивному заражению грунта. Облако может разноситься ветром на сотни километров от взрыва. При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются:
- световое излучение;
- ионизирующее излучение;
- ударная волна;
- радиоактивное заражение;
- электромагнитный импульс.
В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Существуют две основные схемы: «пушечная» и взрывная имплозия. «Пушечная» схема характерна для самых примитивных моделей ядерного оружия I-го поколения. Суть её заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритической массы. Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет более высокую скорость детонации. Вторая схема подразумевает подрыв боевого ядра бомбы таким образом, чтобы сжатие было направлено в точку фокуса (она может быть одна, или их может быть несколько). Это достигается обкладыванием боевого ядра зарядами взрывчатки и наличием схемы прецизионного управления подрывом.
Из-за ряда недостатков (трудности получения, разработки и доставки) на данный момент атомные бомбы на основе урана не распространены, уступая более совершенным бомбам на основе других радиоактивных элементов с более низкой критической массой.
Одной из наиболее распространенных бомб является бомба на основе плутония. Конструктивно бомба представляет собой несколько сфер, вложенных друг в друга (оболочки приведены от внутренней к внешней по порядку):
- Импульсный нейтронный инициатор — шар диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрий-полоний или металлического полония-210 — первичный источник нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции. Срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение полония и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). В настоящее время короткоживущий полоний-210 заменён долгоживущим плутонием-238, также способным при смешении с бериллием к мощному нейтронному импульсу.
- Плутоний. Желателен максимально чистый изотоп плутоний-239, хотя для увеличения стабильности физических свойств (плотности) и улучшения сжимаемости заряда плутоний легируется небольшим количеством галлия.
- Оболочка из урана, служащая отражателем нейтронов.
- Обжимающая оболочка из алюминия. Обеспечивает большую равномерность обжима ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта с взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения.
- Взрывчатое вещество со сложной системой подрыва, обеспечивающей синхронность подрыва всего взрывчатого вещества. Синхронность необходима для создания строго сферической сжимающей (направленной внутрь шара) ударной волны. Несферическая волна приводит к выбросу материала шара через неоднородность и невозможности создания критической массы.
- Корпус.
К достоинствам атомной бомбы можно отнести чрезвычайно высокую разрушительную мощность, кроме того, ввиду ряда особенностей, атомное оружие является сдерживающим фактором на пути мировых войн.
Недостатком атомных бомб в первую очередь является чрезвычайно большой вред, наносимый экологии планеты (радиоактивное заражение, ядерная зима и т.д.), кроме того атомное оружие является слишком дорогим и наукоёмким.
Ключевые слова
Области техники и экономики
Используемые естественнонаучные эффекты
Разделы естественных наук используемых естественнонаучных эффектов
Применение эффекта
Атомная бомба применялась при ведении боевых действий дважды (Хиросима и Нагасаки). Сегодня атомная бомба стоит на вооружении ряда стран и из-за своей огромной разрушительной силы является, скорее гарантом мира, чем потенциальным оружием. Тем не менее, ведутся разработки атомных бомб малой мощности. Ядерное оружие включает как ядерные боеприпасы, так и средства их доставки к цели и средства управления; относится к оружию массового поражения (ОМП) наряду с биологическим и химическим оружием. Мировые запасы ядерного оружия в эпоху разгара холодной войны насчитывали свыше 60000 атомных боеголовок. На сегодняшний день запасы атомного оружия сократились втрое.
Реализации эффекта
Для того, чтобы реакция могла поддерживать сама себя, необходимо соответствующее «топливо», в качестве которого на первых этапах использовался изотоп урана.
Уран в природе встречается в виде двух изотопов — уран-235 и уран-238. При поглощении ураном-235 нейтрона в процессе распада выделяется от одного до трёх нейтронов:
U235+n01-->U236-->Kr92+Ba141+3n01
Уран-238, напротив, при поглощении нейтронов не выделяет новые, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний-239, и наконец, в относительно стабильный плутоний-239.
Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном топливе должно быть не ниже 80 %, иначе уран-238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Природный же уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается.
Бомбы на основе урана стали первым ядерным оружием, использованным человеком в боевых условиях (бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму). Из-за ряда недостатков (трудности получения, разработки и доставки) на данный момент не распространены, уступая более совершенным бомбам на основе других радиоактивных элементов с более низкой критической массой.
Урановая бомба
Рисунок 1
Первым ядерным зарядом, взорванным в испытательных целях, было ядерное устройство «Gadget», «Штуковина» (англ. gadget — приспособление, безделушка) — прототип плутониевой бомбы «Толстяк». Испытания проводились на полигоне неподалеку от г. Аламогордо в штате Нью-Мексико.
Конструктивно бомба представляет собой несколько сфер, вложенных друг в друга:
-
Импульсный нейтронный инициатор (ИНИ, «ёжик», «урчин» (англ. urchin)) — шар диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрий-полоний или металлического полония-210 — первичный источник нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции. Срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение полония и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). В настоящее время короткоживущий полоний-210 заменён долгоживущим плутонием-238, также способным при смешении с бериллием к мощному нейтронному импульсу.
-
Плутоний. Желателен максимально чистый изотоп плутоний-239, хотя для увеличения стабильности физических свойств (плотности) и улучшения сжимаемости заряда плутоний легируется небольшим количеством галлия.
-
Оболочка (англ. tamper), служащая отражателем нейтронов (из урана).
-
Обжимающая оболочка (англ. pusher) из алюминия. Обеспечивает бо́льшую равномерность обжима ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта со взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения.
-
Взрывчатое вещество со сложной системой подрыва, обеспечивающей синхронность подрыва всего взрывчатого вещества. Синхронность необходима для создания строго сферической сжимающей (направленной внутрь шара) ударной волны. Несферическая волна приводит к выбросу материала шара через неоднородность и невозможность создания критической массы. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Используется комбинированная схема (система линз) из «быстрой» и «медленной» взрывчаток — боратола и ТАТВ.
-
Корпус.
Литература
Капитонов И.М. "Введение в физику ядра и частиц", М.: Едиториал УРСС, 2004;
Атом и оружие, М., 1964;
Атомное оружие, пер. с англ., М., 1957.
