Справочник автора/Ядерное оружие

Материал из Posmotre.li
Перейти к: навигация, поиск

Ядерное оружие — это оружие, поражающим фактором которого является энергия, выделяемая в результате ядерных реакций. То есть, если энергия для обычного оружия получается в результате перекомбинаций различных атомов в молекулы — химических реакций, то в ядерном оружии одни элементы превращаются в другие. Ядерная реакция выделяет намного больше энергии, чем химическая, и благодаря этому ядерное оружие обладает такой высокой разрушительной силой.

Содержание

[править] Эффекты ядерной бомбы

Поражающих факторов у ядерной бомбы несколько: во-первых, это световое излучение такой мощности, что оно воспламеняет всё, что только может гореть. Это порождает вторичный эффект — «огненный шторм». Во-вторых, это очень сильная ударная волна. В-третьих, это электромагнитный импульс: он наводит сильные токи везде, где только может течь ток, что вызывает выход из строя большинства электроники. В-четвертых, это проникающая радиация в момент взрыва. Ну и в-пятых, это радиоактивное заражение местности, а.к.а. fallout.

Взорвать боньбу можно на разной высоте, чтобы усилить одни поражающие факторы и ослабить другие. Например, взрыв в воздухе на небольшой высоте дает более сильное световое излучение, огненный шторм и ударную волну, и более слабое заражение местности (взрыв не затрагивает и не заражает изотопами грунт). Взрыв на земле обладает обратным эффектом: радиация активирует грунт, который поднимает в воздух взрывом и разносит по огромной территории. Ну, а высотный ядерный взрыв поражает в основном электромагнитным импульсом.

Чтобы лучше понять, насколько разрушительны все эти эффекты, рассмотрим гипотетический сценарий. Термоядерная боеголовка МКБР тротиловым эквивалентом в 1 мегатонну взрывается в центре Москвы, в Кремле, взрыв наземный. К чему это приведёт?

[править] Как оно работает?

Ядерные реакции, использующиеся в ядерном оружии, бывают двух видов: деление и синтез. В первом случае ядра атомов тяжелых элементов — урана и плутония — делятся на части с выделением энергии. Оружие, использующее только деление, называется атомным, или собственно ядерным. Во втором случае ядра атомов лёгких элементов — изотопов водорода (дейтерия, который есть в природе, и трития, получающегося под действием нейтронов из лития), образуется гелий, что происходит опять же с выделением энергии. Такое оружие, использующее кроме деления ещё и синтез, называется водородным, или термоядерным.

Термоядерное оружие как правило мощнее, чем просто ядерное: количество делящегося изотопа ограничено его критической массой, в то время как термоядерного топлива в нём может быть сколь угодно много. Кроме того очень быстрые нейтроны, образующиеся при термоядерном синтезе, способны вызвать деление урана-238, который в обычных условиях деление не поддерживает, а от того его тоже может быть сколь угодно много. Термоядерное оружие в обязательном порядке содержит в себе ядерный заряд деления в качестве детонатора, из-за чего оно получается сложнее и дороже, чем просто ядерное.

Другие виды ядерных реакций — радиоактивный распад, изомеризация и аннигиляция — не используются напрямую в ядерном оружии. Однако существуют особые проекты, использующие эти реакции.

[править] Подробнее о реакции деления

В цепную, то есть самоподдерживающуюся с ускорением, реакцию деления могут вступать не все тяжелые элементы, а только специфические изотопы. В военном деле используются два из них: уран-235 и плутоний-239. И у того, и у другого есть критическая масса: то есть такая масса куска из чистого или почти чистого металла, которая шарахает сама по себе, без постороннего вмешательства. Если кусок урана или плутония меньше критической массы, то его можно хранить, и ничего с ним не будет. А если к нему внезапно прилепить кусочек поменьше, чтобы суммарная масса превысила критическую, то произойдет атомный бадабум. Важно понимать, что критическая масса зависит от формы куска: для сплошного шара она минимальна, а для длинного стержня, например, может быть очень большой.

На принципе соединения двух небольших масс основана простейшая атомная бомба: так называемой пушечной схемы. Она представляет собой металлический ствол, на одном конце которого одна болванка урана-235, чуть меньше критической массы, а на другом — вторая и заряд из обычной взрывчатки. Заряд взрывается, и один кусок урана выстреливает в другой; когда они соударяются, суммарный кусок превышает критическую массу, и происходит ядерный взрыв.

Эта схема работает только для урана, но не для плутония. Дело тут в так называемом спонтанном делении. Оно характерно для всех изотопов урана и плутония, но в очень разной мере. При спонтанном делении образуются нейтроны, которые запускают цепную реакцию, если у нас есть критическая масса. Это хорошо. Плохо то, что запускает не в тот момент, когда нам нужно. Если мы только-только достигли критической массы, и реакция сразу запустилась, то уже через микросекунду весь наш уран/плутоний превратится в горячую плазму и начнёт разлетаться в разные стороны. Цепная реакция при этом остановится прежде, чем успеет прореагировать хоть сотая процента вещества. Разлетающаяся плазма, конечно, создаст взрыв, однако разрушить он сможет максимум квартал, но не целый город. Чтобы снести целый город, нам нужно собрать заметно больше, чем одну критическую массу: тогда заметная доля вещества прореагирует раньше, чем плазма успеет разлететься достаточно сильно для прекращения реакции. В уране-235, уране-234 и уране-238 (в оружейном уране всегда есть примеси двух последних изотопов) спонтанное деление происходит относительно редко, так что собирать вместе отдельные куски можно относительно медленно — со скоростью движения снаряда по стволу пушки. Два куска урана успеют слиться в один раньше, чем в них произойдёт спонтанное деление хоть одного атома. А вот в плутонии-240, который всегда присутствует в виде примеси в плутонии-239, спонтанное деление происходит очень часто, так что этой скорости оказывается совершенно недостаточно.

Поэтому из плутония делают боеголовку другого типа: имплозивную. Дело в том, что критическая масса зависит не только от формы, но и от плотности материала. Поэтому если субкритический шар из плутония очень быстро и очень сильно сжать, то он рванёт. Тут нам очень помогает хитрое чисто металлургическое свойство плутония: он может образовывать множество кристаллических решёток с весьма различной плотностью, и переходить от одной к другой. Подобрав специальную добавку, стабилизирующую плутоний в кристаллической решётке с малой плотностью, а затем с большой силой надавив на него со всех сторон, тем самым заставив его перейти к решётке с максимальной плотностью, мы получаем нужный нам эффект. Кроме того, внешнее давление позволяет получить плотность даже ещё выше, чем имела бы та же решётка в нормальных условиях. Как создать нужное давление? Да взрывом обычной взрывчатки! Правда есть важная проблема: это должен быть «взрыв внутрь», «имплозия», когда ударная волна одновременно начинает одинаково давить на плутониевый шар со всех сторон. В противном случае он просто разлетится на куски и никакой реакции не будет. Ещё эффективнее сжимать изначально полый внутри шар: тогда можно добиться изменения плотности в десяток раз! Однако тогда требуется ещё более высокая равномерность давления. Впрочем, характерной особенностью любого варианта имплозии, даже дающего идеально равномерное давление, является то, что вскоре после достижения максимальной плотности появляется обратная ударная волна, отразившаяся от центра шара, которая разрывает этот шар на мелкие куски. Так что нам необходимо начать цепную реакцию строго в определённый момент, на спонтанное деление рассчитывать не приходится. Из-за этого в таких боезарядах всегда есть какой-то управляемый источник нейтронов, срабатывающий в точно рассчитанный момент.

Важное замечание: в обоих типах бомб используется ядерное топливо высокого обогащения, то есть такое, в котором делящихся изотопов около 90 % или более. То ядерное топливо, что используется на АЭС — куда менее обогащённое, в нём делящихся изотопов обычно не более 5 %.

Важное замечание номер 2: в имплозивный заряд можно добавить немного термоядерной магии. Но не настолько много, чтобы сделать бомбу полноценно водородной: термоядерное топливо (дейтерий и заранее наработанный тритий) там содержится в небольших количествах и само по себе даёт весьма немного энергии, однако оно даёт много нейтронов, значительно ускоряя реакцию и позволяя прореагировать большему количеству плутония. Таким образом можно на основе одной и той же конструкции делать бомбы с разной силой взрыва. Причём её можно оперативно менять: напустил в центр плутониевого шара больше дейтерий-тритиевой смеси — мощность выше, откачал от туда часть смеси — ниже.

[править] Подробнее о реакции синтеза

В реакции синтеза, опять же, может участвовать не всякий лёгкий элемент. В военном деле используются два изотопа водорода — дейтерий и тритий. Последний получают из изотопов лития. Либо заранее, если бомба относительно небольшая, либо прямо в процессе взрыва, если бомба большая и мощная. Лучше всего подходит изотоп литий-6: он не только охотнее всего под действием нейтронов делится на гелий и нужный нам тритий, но и даёт при этом заметное количество энергии. Литий-7, которого в природном литии больше всего, тоже способен давать тритий, но куда менее охотно и поглощая при этом некоторую энергию. Из-за недооценки лития-7 как источника трития некоторые первые водородные бомбы оказывались существенно мощнее, чем должно было быть согласно расчётам.

Чтобы произошел взрыв, нужно создать для термоядерного топлива очень высокие температуру и давление. Сделать это можно только с помощью обычного ядерного взрыва. Да-да, капсюль-детонатор взрывает обычную взрывчатку, та взрывает ядерную, а та, в свою очередь — термоядерную.

Способа этого добиться, опять-таки, два. Один называется «Слойка», или «Первая идея Сахарова». В середине бомбы — обычное ядерное устройство на уране или плутонии. Затем следуют слои из термоядерного топлива, чередующиеся со слоями урана-238. Сначала происходит деление в сердцевине бомбы, потом синтез первого термоядерного слоя, затем под воздействием волны нейтронов от него происходит деление слоя урана-238, а от него вспыхивает следующий термоядерный слой. Чем больше слоёв, тем мощнее бомба. «Слойка» — не самая удачная конструкция; если сделать слишком много слоёв, то внешние не прореагируют, а их просто разбросает.

Второй способ называется «Схема Теллера-Улама», или «Третья идея Сахарова» (вторая была совсем неудачной). В ней рентгеновское излучение от обычного ядерного взрыва заставляет испаряться внешние слои капсулы с дейтридом лития (химическое соединение дейтерия и лития), разлетаясь, они оказывают огромное давление на оставшуюся часть капсулы. Внутри капсулы дополнительно находится кусок плутония, который сжимается вместе с дейтридом лития. В какой-то момент сжатие плутония доходит до критической массы, происходит ещё один ядерный взрыв, на сей раз внутри уже сильно сжатого термоядерного топлива. Этот взрыв мгновенно нагревает его, а также своими нейтронами превращает литий в тритий. Вот тут-то и начинается мощная термоядерная реакция, которая может дать многократно больше энергии, чем первые два ядерных взрыва. Очень быстрые термоядерные нейтроны, как уже писалось выше, могут заставить делиться внешнюю оболочку бомбы, если она сделана из урана-238, тем самым дополнительно в несколько раз увеличивая мощность взрыва. Кроме того, рентгеновское излучение термоядерного взрыва первой капсулы может запустить реакцию в следующей капсюле с дейтридом лития. Именно так была устроена знаменитая «Кузькина мать» мощностью 58 Мт тротила. И это со свинцовой оболочкой! По расчётам, с оболочкой из урана-238 она дала бы более 100 Мт, но тогда взрыв разрушил бы и самолёт, который сбрасывал бомбу (он и от 58 Мт пострадал), так что испытать такой вариант оказалось невозможным. Кроме того, если синтез даёт в результате безобидный гелий, то деление даёт массу опасных радиоактивных изотопов. Урановая оболочка увеличила бы радиоактивное загрязнение от взрыва в сотню раз, испытанная же бомба оказалась беспрецедентно «чистой», если брать отношение радиоактивного загрязнения к мощности (но, конечно, из-за огромной мощности всё равно крайне грязной).

[править] Подробнее о реакции изомеризации

Предполагается, что возможен третий вид ядерной бомбы — изомерная бомба. Реакция изомеризации — это особое перемещение протонов и нейтронов внутри ядра. В результате, у изотопа одного и того же элемента одной и той же массы может быть два или более ядерных изомера, и менее стабильный изомер способен превращаться в более стабильный, испуская гамма-лучи. Так вот, предполагается, что возможно вызывать одновременный распад всех ядер в куске изомеризованного гафния. Как это сделать — пока никто не знает, рецензированных статей на эту тему нет. Ну или их нет, потому, что засекретили…

Каковы будут свойства предположительной изомерной бомбы? Во-первых, это будет атомная бомба-лайт. Значительно слабее обычной атомной бомбы, и тем более водородной. Во-вторых, её можно будет сделать очень компактной. Ядерные гранаты (для гранатомётов, конечно, метать такое рукой дураков нет) могут стать реальностью, как и ядерные бластеры на принципе направленного взрыва. В-третьих, это будет очень чистая бомба, не оставляющая после себя никакого заражения местности — она испускает только гамма-лучи и никаких нейтронов.

[править] Способы доставки

[править] Особые виды

[править] Неядерные бомбы

[править] Несуществующие, но появляющиеся в фантастике виды ядерного оружия

Личные инструменты
Пространства имён
Варианты
Действия
Навигация
Инструменты