Появление такого мощного оружия, как ядерная бомба, стало результатом взаимодействия глобальных факторов объективного и субъективного характера. Объективно его создание было вызвано бурным развитием науки, начавшимся с фундаментальных открытий физики первой половины ХХ века. Сильнейшим субъективным фактором стала военно-политическая обстановка 40-х годов, когда страны антигитлеровской коалиции – США, Великобритания, СССР – пытались опередить друг друга в разработках ядерного оружия.
Предпосылки создания ядерной бомбы
Точкой отсчета научного пути к созданию атомного оружия стал 1896 год, когда французский химик А. Беккерель открыл радиоактивность урана. Именно цепная реакция этого элемента и легла в основу разработок страшного оружия.
В конце ХІХ и в первые десятилетия ХХ века ученые обнаружили альфа-, бета-, гамма-лучи, открыли немало радиоактивных изотопов химических элементов, закон радиоактивного распада и положили начало изучению ядерной изометрии. В 1930-х годах стали известны нейтрон и позитрон, а также впервые расщеплено ядро атома урана с поглощением нейтронов. Это стало толчком к началу создания ядерного оружия. Первым изобрел и в 1939 году запатентовал конструкцию ядерной бомбы французский физик Фредерик Жолио-Кюри.
В результате дальнейшего развития ядерное оружие стало исторически беспрецедентным военно-политическим и стратегическим феноменом, способным обеспечить национальную безопасность государства-обладателя и минимизировать возможности всех остальных систем вооружения.
Конструкция атомной бомбы состоит из ряда различных компонентов, среди которых выделяют два основных:
- корпус,
- система автоматики.
Автоматика вместе с ядерным зарядом располагается в корпусе, который защищает их от различных воздействий (механического, теплового и др.). Система автоматики контролирует, чтобы взрыв произошел в строго установленное время. Она состоит из следующих элементов:
- аварийный подрыв;
- устройство предохранения и взведения;
- источник питания;
- датчики подрыва заряда.
Доставка атомных зарядов осуществляется с помощью авиации, баллистических и крылатых ракет. При этом ядерные боеприпасы могут быть элементом фугаса, торпеды, авиабомбы и др.
Системы детонирования ядерных бомб бывают разными. Самым простым является инжекторное устройство, при котором толчком для взрыва становится попадание в цель и последующее образование сверхкритической массы.
Еще одной характеристикой атомного оружия является размер калибра: малый, средний, крупный. Чаще всего мощность взрыва характеризуют в тротиловом эквиваленте. Малый калибр ядерного оружия подразумевает мощность заряда в несколько тысяч тонн тротила. Средний калибр равен уже десяткам тысяч тонн тротила, крупный – измеряется миллионами.
Принцип действия
В основе схемы атомной бомбы лежит принцип использования ядерной энергии, выделяемой в ходе цепной ядерной реакции. Это процесс деления тяжелых или синтеза легких ядер. Из-за выделения огромного количества внутриядерной энергии в кратчайший промежуток времени ядерная бомба относится к оружию массового поражения.
В ходе указанного процесса выделяют два ключевых места:
- центр ядерного взрыва, в котором непосредственно протекает процесс;
- эпицентр, являющийся проекцией этого процесса на поверхность (земли или воды).
При ядерном взрыве высвобождается такое количество энергии, которое при проекции на землю вызывает сейсмические толчки. Дальность их распространения очень велика, но значительный вред окружающей среде наносится на расстоянии только нескольких сотен метров.
Атомное оружие имеет несколько типов поражения:
- световое излучение,
- радиоактивное заражение,
- ударная волна,
- проникающая радиация,
- электромагнитный импульс.
Ядерный взрыв сопровождается яркой вспышкой, которая образуется из-за высвобождения большого количества световой и тепловой энергии. Сила этой вспышки во много раз выше, чем мощность солнечных лучей, поэтому опасность поражения светом и теплом распространяется на несколько километров.
Еще одним очень опасным фактором воздействия ядерной бомбы является радиация, образующаяся при взрыве. Она действует только первые 60 секунд, но обладает максимальной проникающей способностью.
Ударная волна имеет большую мощность и значительное разрушающее действие, поэтому в считанные секунды причиняет огромный вред людям, технике, строениям.
Проникающая радиация опасна для живых организмов и является причиной развития лучевой болезни у человека. Электромагнитный импульс поражает только технику.
Все эти виды поражений в совокупности делают атомную бомбу очень опасным оружием.
Первые испытания ядерной бомбы
Наибольшую заинтересованность в атомном оружии первыми проявили США. В конце 1941 года в стране были выделены огромные средства и ресурсы на создание ядерного вооружения. Результатом работ стали первые испытания атомной бомбы с взрывным устройством «Gadget», которые прошли 16 июля 1945 года в американском штате Нью-Мексико.
Для США наступило время действовать. Для победного окончания второй мировой войны было решено разгромить союзника гитлеровской Германии – Японию. В Пентагоне были выбраны цели для первых ядерных ударов, на которых США хотели продемонстрировать, насколько мощным оружием они обладают.
6 августа того же года первая атомная бомба под именем «Малыш» была сброшена на японский город Хиросима , а 9 августа бомба с названием «Толстяк» упала на Нагасаки .
Попадание в Хиросиме было признано идеальным: ядерное устройство взорвалось на высоте 200 метров. Взрывной волной были опрокинуты печки в домах японцев, отапливаемые углем. Это привело к многочисленным пожарам даже в городских районах, удаленных от эпицентра.
За первоначальной вспышкой последовал удар тепловой волны, которой длился секунды, но его мощность, охватив радиус 4 км, расплавила черепицу и кварц в гранитных плитах, испепелила телеграфные столбы. Вслед за тепловой волной пришла ударная. Скорость ветра составила 800 км/час, а его порыв снес практически все в городе. Из 76 тысяч зданий 70 тысяч были полностью разрушены.
Через несколько минут пошел странный дождь из крупных капель черного цвета. Он был вызван конденсатом, образовавшимся в более холодных слоях атмосферы из пара и пепла.
Люди, попавшие под действие огненного шара на расстоянии 800 метров, были сожжены и превратились в пыль. У некоторых обгоревшая кожа была сорвана ударной волной. Капли черного радиоактивного дождя оставляли неизлечимые ожоги.
Оставшиеся в живых заболели неизвестным ранее заболеванием. У них началась тошнота, рвота, лихорадка, приступы слабости. В крови резко упал уровень белых телец. Это были первые признаки лучевой болезни.
Через 3 дня после проведения бомбардировки Хиросимы была сброшена бомба на Нагасаки. Она имела такую же мощность и вызвала аналогичные последствия.
Две атомные бомбы за секунды уничтожили сотни тысяч человек. Первый город был практически стерт ударной волной с лица земли. Больше половины мирных жителей (порядка 240 тысяч человек) погибли сразу от полученных ран. Многие люди подверглись облучению, которое привело к лучевой болезни, раку, бесплодию. В Нагасаки в первые дни было убито 73 тысячи человек, а через некоторое время в сильных муках умерло еще 35 тысяч жителей.
Видео: испытания ядерной бомбы
Испытания РДС-37
Создание атомной бомбы в России
Последствия бомбардировок и история жителей японских городов потрясли И. Сталина. Стало понятно, что создание собственного ядерного оружия – это вопрос национальной безопасности. 20 августа 1945 года в России начал свою работу комитет по атомной энергии, который возглавил Л. Берия.
Исследования по ядерной физике велись в СССР еще с 1918 года. В 1938 году при Академии наук была создана комиссия по атомному ядру. Но с началом войны практически все работы в этом направлении были приостановлены.
В 1943 году советские разведчики передали из Англии закрытые научные труды по атомной энергии, из которых следовало, что создание атомной бомбы на Западе продвинулось далеко вперед. В это же время в США были внедрены надежные агенты в несколько центров американских ядерных исследований. Они передавали информацию по атомной бомбе советским ученым.
Техническое задание на разработку двух вариантов атомной бомбы составил их создатель и один из научных руководителей Ю. Харитон. В соответствии с ним планировалось создание РДС («реактивного двигателя специального») с индексом 1 и 2:
- РДС-1 – бомба с зарядом из плутония, который предполагалось подрывать путем сферического обжатия. Его устройство передала русская разведка.
- РДС-2 – пушечная бомба с двумя частями уранового заряда, которые должны сближаться в стволе пушки до создания критической массы.
В истории знаменитого РДС самую распространенную расшифровку – «Россия делает сама» – придумал заместитель Ю. Харитона по научной работе К. Щeлкин. Эти слова очень точно передавали суть работ.
Информация о том, что СССР овладел секретами ядерного оружия, вызвало в США порыв к быстрейшему началу упреждающей войны. В июле 1949 появился план «Троян», согласно которому боевые действия планировалось начать 1 января 1950 года. Затем дата нападения была перенесена на 1 января 1957 года с тем условием, чтобы в войну вступили все страны НАТО.
Сведения, полученные по каналам разведки, ускорили работу советских ученых. По мнению западных специалистов, советское ядерное оружие могло быть создано не раньше 1954-1955 года. Однако испытание первой атомной бомбы произошло в СССР уже в конце августа 1949 года.
На полигоне в Семипалатинске 29 августа 1949 года было подорвано ядерное устройство РДС-1 – первая советская атомная бомба, которую изобрел коллектив ученых, возглавляемый И. Курчатовым и Ю. Харитоном. Взрыв имел мощность 22 Кт. Конструкция заряда подражала американскому «Толстяку», а электронная начинка была создана советскими учеными.
План «Троян», согласно которому американцы собирались сбросить атомные бомбы на 70 городов СССР, был сорван из-за вероятности ответного удара. Событие на Семипалатинском полигоне сообщило миру о том, что советская атомная бомба положила конец американской монополии на владение новым оружием. Это изобретение полностью разрушило милитаристский план США и НАТО и предупредило развитие Третьей мировой войны. Началась новая история – эпоха мира во всем мире, существующего под угрозой тотального уничтожения.
«Ядерный клуб» мира
Ядерный клуб – условное обозначение нескольких государств, владеющих ядерным оружием. Сегодня такое вооружение есть:
- в США (с 1945)
- в России (первоначально СССР, с 1949)
- в Великобритании (с 1952)
- во Франции (с 1960)
- в Китае (с 1964)
- в Индии (с 1974)
- в Пакистане (с 1998)
- в КНДР (с 2006)
Имеющим ядерное оружие также считается Израиль, хотя руководство страны не комментирует его наличие. Кроме того, на территории государств – членов НАТО (Германии, Италии, Турции, Бельгии, Нидерландов, Канады) и союзников (Японии, Южной Кореи, несмотря на официальный отказ) располагается ядерное оружие США.
Казахстан, Украина, Белоруссия, которые владели частью ядерного вооружения после распада СССР, в 90-х годах передали его России, ставшей единственным наследником советского ядерного арсенала.
Атомное (ядерное) оружие – самый мощный инструмент глобальной политики, который твердо вошел в арсенал взаимоотношений между государствами. С одной стороны, оно является эффективным средством устрашения, с другой – весомым аргументом для предотвращения военного конфликта и укрепления мира между державами, владеющими этим оружием. Это – символ целой эпохи в истории человечества и международных отношений, с которым надо обращаться очень разумно.
Видео: музей ядерного оружия
Видео о российской Царь-Бомбе
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
В поисках идеального оружия, способного одним щелчком испарить армию противника, бились сотни тысяч известных и забытых оружейников древности. Периодически след этих поисков можно найти в сказках, более или менее правдоподобно описывающих чудо-меч или лук, бьющий без промаха.
К счастью, технический прогресс двигался долгое время настолько медленно, что реальное воплощение сокрушительного оружия оставалась в мечтах и устных рассказах, а позже на страницах книг. Научно-технический скачок XIX века обеспечил условия для создания главной фобии века ХХ-го. Ядерная бомба, созданная и испытанная в реальных условиях, произвела революцию и в военном деле, и в политике.
История создания оружия
Долгое время считалось, что самое мощное оружие можно создать только с использованием взрывчатых веществ. Открытия ученых, работавших с самыми мелкими частицами, дали научное обоснование того, что с помощью элементарных частиц можно вырабатывать огромную энергию. Первым в ряду исследователей можно назвать Беккереля, в 1896 году открывшего радиоактивность солей урана.
Сам уран был известен еще с 1786 года, однако в то время о его радиоактивности никто не подозревал. Работа ученых на рубеже XIX и ХХ веков выявила не только особые физические свойства, но и возможность получения энергии из радиоактивных веществ.
Вариант изготовления оружия на основе урана впервые был подробно описан, опубликован и запатентован французскими физиками, супругами Жолио-Кюри в 1939 году.
Несмотря на ценность для оружейного дела, сами ученые были решительно против создания настолько сокрушительного оружия.
Пройдя Вторую мировую войну в Сопротивлении, в 1950-х супруги (Фредерик и Ирэн) понимая разрушительную силу войны, выступают за всеобщее разоружение. Их поддерживают Нильс Бор, Альберт Эйнштейн и другие видные физики того времени.
Между тем, пока Жолио-Кюри были заняты проблемой фашистов в Париже, на другом конце планеты, в Америке, разрабатывался первый в мире ядерный заряд. Роберту Оппенгеймеру, возглавившему работы, были предоставлены широчайшие полномочия и огромные ресурсы. Конец 1941 года ознаменовался началом проекта «Манхеттен», приведшего в итоге к созданию первого боевого ядерного заряда.
В городке Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, были воздвигнуты первые производственные площади для получения оружейного урана. В дальнейшем такие же ядерные центры появляются по всей стране, например в Чикаго, в Ок-Ридже, штат Теннеси, производились исследования и в Калифорнии. На создание бомбы были брошены лучшие силы профессуры американских университетов, а так же бежавшие из Германии ученые-физики.
В самом же «Третьем Рейхе» работа по созданию нового типа оружия была развернута характерным для фюрера способом.
Поскольку «Бесноватого» больше интересовали танки и самолеты, и чем больше тем лучше, в новой чудо-бомбе он не видел особой нужды.
Соответственно не поддерживаемые Гитлером проекты в лучшем случае двигались черепашьим шагом.
Когда же стало припекать, и оказалось что танки и самолеты проглотил Восточный фронт, новое чудо оружие получило поддержку. Но было поздно, в условиях бомбежек и постоянного страха советских танковых клиньев создать устройство с ядерной составляющей не представлялось возможным.
Советский Союз более внимательно относился к возможности создания нового типа разрушительного оружия. В довоенный период физиками собирались и сводились общие знания о ядерной энергетике и возможности создания ядерного оружия. Усиленно работала разведка в течение всего периода создания ядерной бомбы как в СССР, так и в США. Значительную роль в сдерживании темпов разработки сыграла война, так как огромные ресурсы уходили на фронт.
Правда, академик Курчатов Игорь Васильевич, со свойственным упорством, продвигал работу всех подведомственных подразделений и в этом направлении. Забегая немного вперед, именно ему будет поручено ускорить разработки оружия перед лицом угрозы американского удара по городам СССР. Именно ему, стоявшему во граве громадной машины из сотен и тысяч ученых и работников будет присвоено почетное звание отца советской ядерной бомбы.
Первые в мире испытания
Но вернемся к американской ядерной программе. К лету 1945 года американским ученым удалось создать первую в мире ядерную бомбу. Любой мальчишка, сделавший сам или купивший в магазине мощную петарду, испытывает необычайные муки, желая взорвать ее поскорее. В 1945 году сотни американских военных и ученых испытывали то же самое.
16 июня 1945 года в пустыне Аламогордо, штат Нью-Мексико, были произведены первые в истории испытания ядерного оружия и один из самых мощных, на тот момент, взрывов.
Очевидцев, наблюдавших за подрывом из бункера, поразила сила, с которой заряд разорвался на вершине 30-метровой стальной башни. Сначала все залил свет, сильнее в несколько раз сильнее солнечного. Затем в небо поднялся огненный шар, превратившийся в столб дыма, оформившегося в знаменитый гриб.
На место подрыва, как только улеглась пыль, ринулись исследователи и создатели бомбы. Наблюдали они за последствиями из обвешанных свинцом танков «Шерман». Увиденное поразило их, ни одно оружие не наносило бы такого ущерба. Песок местами оплавился до стекла.
Найдены были и крошечные останки башни, в воронке огромного диаметра изуродованные и раздробленные конструкции наглядно иллюстрировали разрушительную мощь.
Поражающие факторы
Этот подрыв дал первые сведения о силе нового оружия, о том, с помощью чего он может уничтожить противника. Это несколько факторов:
- световое излучение, вспышка, способная ослепить даже защищенные органы зрения;
- ударная волна, плотный поток воздуха, движущийся от центра, уничтожающий большинство строений;
- электромагнитный импульс, выводящий из строя большую часть техники и не позволяющий пользоваться средствами связи первое время после взрыва;
- проникающая радиация, наиболее опасный фактор для укрывшихся от прочих поражающих факторов, делится на альфа- бета- гамма- облучение;
- радиоактивное заражение, способное отрицательно влиять на здоровье и жизнь в течение десятков, а то и сотен лет.
Дальнейшее применение ядерного оружия, в том числе в боевых действиях, показала все особенности влияния на живые организмы и на природу. 6 августа 1945 года стал последним днем для десятков тысяч жителей небольшого города Хиросима, известного тогда несколькими важными военными объектами.
Исход войны на Тихом океане был предрешен, однако в Пентагоне посчитали, что операция на японском архипелаге будет стоить более миллиона жизней морских пехотинцев армии США. Было принято решение убить сразу несколько зайцев, вывести Японию из войны, сэкономив на десантной операции, испытать в деле новое оружие и заявить о нем всему миру, и, прежде всего, СССР.
В час ночи самолет, на борту которого располагалась ядерная бомба «Малыш», вылетел на задание.
Бомба, сброшенная над городом, разорвалась на высоте примерно 600 метров в 8.15 утра. Все здания, располагавшиеся на расстоянии 800 метров от эпицентра, были разрушены. Уцелели стены всего нескольких строений, рассчитанных на 9-ти балльное землетрясение.
Из каждых десяти человек, находившихся в момент разрыва бомбы в радиусе 600 метров выжить смог только один. Световое излучение превращало людей в уголь, оставляя на камне следы тени, темный отпечаток места, на котором находился человек. Последовавшая взрывная волна была настолько сильна, что смогла выбить стекла на расстоянии 19 километров от места взрыва.
Одного подростка плотный поток воздуха выбил из дома через окно, приземлившись, парень увидел, как стены дома складываются как карты. За взрывной волной последовал огненный смерч, уничтоживший тех немногих жителей, уцелевших после взрыва и не успевших покинуть зону пожаров. Находившиеся на удалении от взрыва начали испытывать сильное недомогание, причина которой была первоначально неясна врачам.
Много позже, через несколько недель был озвучен термин «радиационное отравление», известный ныне как лучевая болезнь.
Жертвами всего одной бомбы, как непосредственно от взрыва, так и от последовавших болезней, стали более 280 тысяч человек.
На этом бомбардировки Японии ядерным оружием не закончились. По плану удару должны были быть подвергнуты всего от четырех до шести городов, но погодные условия позволили ударить еще только по Нагасаки. В этом городе жертвами бомбы «Толстяк» стали более 150 тысяч человек.
Обещания американского правительства наносить такие удары до капитуляции Японии привели к перемирию, а затем и к подписанию соглашения, окончившего Мировую войну. Но для ядерного оружия это было только начало.
Самая мощная бомба в мире
Послевоенное время ознаменовалось противостоянием блока СССР и союзников с США и НАТО. В 1940-х американцы всерьез рассматривали возможность нанесения удара по Советскому Союзу. Для сдерживания бывшего союзника пришлось ускорить работы по созданию бомбы, и уже в 1949 году, 29 августа с монополией Штатов в ядерном оружии было покончено. Во время гонки вооружений наибольшее внимание заслуживают два испытания ядерных зарядов.
Атолл Бикини, известный, прежде всего, легкомысленными купальниками, в 1954 году в буквальном смысле прогремел на весь мир в связи с испытаниями ядерного заряда особой мощности.
Американцы, решив опробовать новую конструкцию атомного оружия, не рассчитали заряд. В итоге взрыв получился в 2,5 раза мощнее, чем планировалось. Под ударом оказались жители близлежащих островков, а так же вездесущие японские рыбаки.
Но это была не самая мощная американская бомба. В 1960 году на вооружение принимается ядерная бомба В41, так и не прошедшая полноценных испытаний из-за своей мощности. Силу заряда рассчитали теоретически, опасаясь взрывать на полигоне такое опасное оружие.
Советский Союз, любивший во всем быть первым, испытал в 1961 году , прозванную по иному «Кузькина мать».
Отвечая на ядерный шантаж Америки, советские ученые создали самую мощную бомбу в мире. Испытанная на Новой Земле, она оставила свой след почти во всех уголках земного шара. По воспоминаниям, в самых удаленных уголках в момент взрыва ощущалось легкое землетрясение.
Взрывная волна, само собой, потеряв всю разрушительную силу, смогла обогнуть Землю. На сегодняшний момент это самая мощная ядерная бомба в мире, созданная и испытанная человечеством. Конечно, будь развязаны руки, ядерная бомба Ким Чен Ына была бы мощнее, но у него нет Новой Земли что бы испытать ее.
Устройство атомной бомбы
Рассмотрим очень примитивное, чисто для понимания, устройство атомной бомбы. Классов атомных бомб много, но рассмотрим три основные:
- урановая, на основе урана 235 впервые взорванная над Хиросимой;
- плутониевая, на основе плутония 239 впервые взорванная над Нагасаки;
- термоядерная, иногда называемая водородной, на основе тяжелой воды с дейтерием и тритием, к счастью, против населения не применявшаяся.
Первые две бомбы основаны на эффекте деления тяжелых ядер на более мелкие путем неконтролируемой ядерной реакции с выделением огромного количества энергии. Третья основана на слиянии ядер водорода (вернее его изотопов дейтерия и трития) с образованием более тяжелого, по отношению к водороду, гелия. При одинаковом весе бомбы разрушительный потенциал водородной в 20 раз больше.
Если для урана и плутония достаточно собрать воедино массу большую чем критическая (при которой начинается цепная реакция), то для водородной этого недостаточно.
Для надежного соединения нескольких кусков урана в один используется эффект пушки при котором более мелкие куски урана выстреливаются в более крупные. Можно применять и порох, но для надежности применяется маломощная взрывчатка.
В плутониевой бомбе для создания необходимых условий цепной реакции взрывчатку располагают вокруг слитков с плутонием. За счет кумулятивного эффекта, а также расположенного в самом центре инициатора нейтронов (бериллий с несколькими миллиграммами полония) необходимые условия достигаются.
Она имеет основной заряд, который сам по себе никак взорваться не может, и взрыватель. Для создания условий слияния ядер дейтерия и трития, нужны невообразимые для нас давления и температуры хотя бы в одной точке. Далее произойдет цепная реакция.
Для создания таких параметров в состав бомбы входит обычный, но маломощный, ядерный заряд, который и является взрывателем. Его подрыв создает условия для начала термоядерной реакции.
Для оценки мощности атомной бомбы применяют так называемый «тротиловый эквивалент». Взрыв это выделение энергии, самое известное в мире взрывчатое вещество – тротил (ТНТ – тринитротолуол), к нему и приравнивают все новые виды взрывчатки. Бомба «Малыш» – 13 килотонн ТНТ. То есть эквивалентна 13000 .
Бомба «Толстяк» – 21 килотонна, «Царь-бомба» – 58 мегатонн ТНТ. Страшно подумать 58 миллионов тонн взрывчатки сосредоточенной в массе 26,5 тонн, именно столько весела эта бомба.
Опасность ядерной войны и катастрофы, связанные с атомом
Появившись в разгар самой страшной войны ХХ века, ядерное оружие стало самой большой опасностью для человечества. Сразу после Второй Мировой началась война Холодная, несколько раз едва не переросшая в полноценный ядерный конфликт. Об угрозе применения хотя бы одной стороной ядерных бомб и ракет стали говорить еще в 1950-х годах.
Все понимали и понимают, в этой войне победителей быть не может.
Для сдерживания предпринимались и предпринимаются усилия многих ученых и политиков. Чикагский университет, используя мнение приглашенных ядерщиков, в том числе Нобелевских лауреатов, ставит часы Судного Дня за несколько минут до полуночи. Полночь обозначает ядерный катаклизм, начало новой Мировой войны и уничтожение прежнего мира. В разные годы стрелки часов колебались от 17 до 2 минут до полуночи.
Известны и несколько крупных аварий, произошедших на атомных станциях. К оружию эти катастрофы отношение имеют опосредованное, АЭС все же отличаются от ядерных бомб, но они как нельзя лучше показывают результаты использования атома в военных целях. Самые крупные из них:
- 1957 год, Кыштымская авария, из-за сбоя в системе хранения произошел взрыв недалеко от Кыштыма;
- 1957 год, Британия, на северо-западе Англии не досмотрели за безопасностью;
- 1979 год, США, из-за несвоевременно обнаруженной утечки произошел взрыв и выброс из АЭС;
- 1986 год, трагедия в Чернобыле, взрыв 4-го энергоблока;
- 2011 год, авария на станции Фукусима, Япония.
Каждая из этих трагедий легла тяжелой печатью на судьбы сотен тысяч людей и превратила целые области в нежилые зоны с особым контролем.
Были инциденты, едва не стоившие начала атомной катастрофы. Советские атомные подводные лодки неоднократно имели на борту аварии, связанные с реакторами. Американцы уронили бомбардировщик «Суперкрепость» с двумя ядерными бомбами Мark 39 на борту, мощностью 3,8 мегатонн. Но сработавшая “система безопасности” не позволила зарядам сдетонировать и катастрофы удалось избежать.
Ядерное оружие в прошлом и настоящем
Сегодня любому ясно, что ядерная война уничтожит современное человечество. Между тем желание обладать ядерным оружием и войти в ядерный клуб, а точнее ввалиться в него, вышибив дверь, по-прежнему будоражит умы некоторых лидеров государств.
Самовольно создали ядерное оружие Индия и Пакистан, скрывают наличие бомбы израильтяне.
Для одних обладания ядерной бомбой – способ доказать важность на международной арене. Для других – гарантия невмешательства крылатой демократии или иных факторов извне. Но главное, чтобы эти запасы не пошли в дело, для чего они действительно были созданы.
Видео
Вся громада межконтинентальной баллистической ракеты, десятки метров и тонн сверхпрочных сплавов, высокотехнологичного топлива и совершенной электроники нужны лишь для одного - доставить к месту назначения боеголовку: конус высотой метр-полтора и толщиной у основания с туловище человека.
Взглянем на некую типовую боеголовку (в реальности между боеголовками могут существовать конструктивные различия). Это конус из легких прочных сплавов. Внутри есть переборки, шпангоуты, силовой каркас - почти всё как в самолете. Силовой каркас покрыт прочной металлической обшивкой. На обшивку нанесен толстый слой теплозащитного покрытия. Это похоже на древнюю корзину эпохи неолита, щедро обмазанную глиной и обожженную в первых экспериментах человека с теплом и керамикой. Схожесть легко объяснима: и корзине, и боеголовке предстоит сопротивляться наружному жару.
Внутри конуса, закрепленные на своих «сиденьях», находятся два основных «пассажира», ради которых все и затеяно: термоядерный заряд и блок управления зарядом, или блок автоматики. Они поразительно компактны. Блок автоматики - размером с пятилитровую банку маринованных огурцов, а заряд - с обычное огородное ведро. Тяжелый и увесистый, союз банки и ведра взорвется килотонн на триста пятьдесят - четыреста. Два пассажира соединены между собой связью, как сиамские близнецы, и через эту связь постоянно чем-то обмениваются. Диалог их ведется все время, даже когда ракета стоит на боевом дежурстве, даже когда этих близнецов только везут с предприятия-производителя.
Есть и третий пассажир - блок измерения движения боеголовки или вообще управления ее полетом. В последнем случае в боеголовку встроены рабочие органы управления, позволяющие изменять траекторию. Например, исполнительные пневмосистемы или пороховые системы. А еще бортовая электросеть с источниками питания, линии связи со ступенью, в виде защищенных проводов и разъемов, защита от электромагнитного импульса и система термостатирования - поддержания нужной температуры заряда.
Технология, по которой боевые блоки отделяются от ракеты и ложатся на собственные курсы - отдельная большая тема, о которой можно писать книги.
Для начала объясним, что такое "просто боевой блок". Это устройство, в котором физически находится термоядерный заряд на борту межконтинентальной баллистической ракеты. В ракете есть так называемая головная часть, в которой могут находиться один, два и более боевых блоков. Если их несколько, головная часть называется разделяющейся головной частью (РГЧ).
Внутри РГЧ находится очень сложный агрегат (его еще называют платформой разведения), который после вывода ракетой-носителем за пределы атмосферы начинает выполнять целый ряд запрограммированных действий по индивидуальному наведению и отделению находящихся на нем боевых блоков; в пространстве выстраиваются боевые порядки из блоков и ложных целей, которые изначально тоже находятся на платформе. Таким образом, каждый блок выводится на траекторию, обеспечивающую попадание в заданную цель на поверхности Земли.
Боевые блоки бывают разные. Те, что движутся по баллистическим траекториям после отделения от платформы, называются неуправляемыми. Управляемые же боевые блоки после отделения начинают "жить своей жизнью". Они снабжены двигателями ориентации для осуществления маневров в космическом пространстве, аэродинамическими рулевыми поверхностями для управления полетом в атмосфере, у них на борту установлена инерциальная система управления, несколько вычислительных устройств, радиолокатор со своим собственным вычислителем… Ну и, разумеется, боевой заряд.
Практически управляемый боевой блок сочетает в себе свойства беспилотного космического корабля и гиперзвукового беспилотного самолета. Все действия как в космосе, так и во время полета в атмосфере, этот аппарат обязан выполнять автономно.
После отделения от платформы разведения боевой блок относительно долго летит на очень большой высоте - в космосе. В это время система управления блока осуществляет целую серию переориентаций, чтобы создать условия для точного определения собственных параметров движения, облегчения преодоления зоны возможных ядерных взрывов противоракет…
Перед вхождением в верхние слои атмосферы бортовой компьютер вычисляет необходимую ориентацию боевого блока и выполняет ее. Примерно в тот же период проходят сеансы определения фактического местоположения при помощи радиолокатора, для чего тоже нужно сделать ряд маневров. Затем антенна локатора отстреливается, и для боевого блока начинается атмосферный участок движения.
Внизу перед боеголовкой раскинулся огромный, контрастно блестящий с грозных больших высот, затянутый голубой кислородной дымкой, подернутый аэрозольными взвесями, необозримый и безбрежный пятый океан. Медленно и еле заметно поворачиваясь от остаточных воздействий разделения, боеголовка по пологой траектории продолжает спуск. Но вот навстречу ей тихонько потянул очень необычный ветерок. Чуть тронул ее - и стал заметен, обтянул корпус тонкой, уходящей назад волной бледного бело-голубого свечения. Волна эта умопомрачительно высокотемпературная, но она пока не жжет боеголовку, так как слишком уж бесплотна. Ветерок, обдувающий боеголовку, - электропроводящий. Скорость конуса настолько высока, что он в буквальном смысле дробит своим ударом молекулы воздуха на электрически заряженные осколки, происходит ударная ионизация воздуха. Этот плазменный ветерок называется гиперзвуковым потоком больших чисел Маха, и его скорость в двадцать раз превосходит скорость звука.
Из-за большой разреженности ветерок в первые секунды почти незаметен. Нарастая и уплотняясь с углублением в атмосферу, он сперва больше греет, чем давит на боеголовку. Но постепенно начинает с силой обжимать ее конус. Поток разворачивает боеголовку носиком вперед. Разворачивает не сразу - конус слегка раскачивается туда-сюда, постепенно замедляя свои колебания, и наконец стабилизируется.
Уплотняясь по мере снижения, поток все сильнее давит на боеголовку, замедляя ее полет. С замедлением плавно снижается температура. От огромных значений начала входа, бело-голубого свечения десятка тысяч кельвинов, до желто-белого сияния пяти-шести тысяч градусов. Это температура поверхностных слоев Солнца. Сияние становится ослепительным, потому что плотность воздуха быстро растет, а с ней и тепловой поток в стенки боеголовки. Теплозащитное покрытие обугливается и начинает гореть.
Оно горит вовсе не от трения об воздух, как часто неверно говорят. Из-за огромной гиперзвуковой скорости движения (сейчас в пятнадцать раз быстрее звука) от вершины корпуса расходится в воздухе другой конус - ударно-волновой, как бы заключая в себе боеголовку. Набегающий воздух, попадая внутрь ударно-волнового конуса, мгновенно уплотняется во много раз и плотно прижимается к поверхности боеголовки. От скачкообразного, мгновенного и многократного сжатия его температура сразу подскакивает до нескольких тысяч градусов. Причина этого - сумасшедшая быстрота происходящего, запредельная динамичность процесса. Газодинамическое сжатие потока, а не трение - вот что сейчас прогревает боеголовке бока.
Хуже всего приходится носовой части. Там образуется наибольшее уплотнение встречного потока. Зона этого уплотнения слегка отходит вперед, как бы отсоединяясь от корпуса. И держится впереди, принимая форму толстой линзы или подушки. Такое образование называется «отсоединенная головная ударная волна». Она в несколько раз толще остальной поверхности ударно-волнового конуса вокруг боеголовки. Лобовое сжатие набегающего потока здесь самое сильное. Поэтому в отсоединенной головной ударной волне самая высокая температура и самая большая плотность тепла. Это маленькое солнце обжигает носовую часть боеголовки лучистым путем - высвечивая, излучая из себя тепло прямо в нос корпуса и вызывая сильное обгорание носовой части. Поэтому там самый толстый слой теплозащиты. Именно головная ударная волна освещает темной ночью местность на многие километры вокруг летящей в атмосфере боеголовки.
Связанные одной целью
Термоядерный заряд и блок управления непрерывно общаются друг с другом. "Диалог" этот начинается сразу после установки боеголовки на ракету, а завершается он в момент ядерного взрыва. Все это время система управления готовит заряд к срабатыванию, как тренер - боксера к ответственному поединку. И в нужный момент отдает последнюю и самую главную команду.
При постановке ракеты на боевое дежурство ее заряд оснащают до полной комплектации: устанавливают импульсный нейтронный активатор, детонаторы и другое оборудование. Но к взрыву он еще не готов. Десятилетиями держать в шахте или на мобильной пусковой установке ядерную ракету, готовую рвануть в любой момент, попросту опасно.
Поэтому во время полета система управления переводит заряд в состояние готовности к взрыву. Происходит это постепенно, сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух основных условиях: надежность движения к цели и контроль над процессом. Стоит одному из этих факторов отклониться от расчетных значений и подготовка будет прекращена. Электроника переводит заряд во все более высокую степень готовности, чтобы в расчетной точке дать команду на срабатывание.
И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.
Сильно изменившись и снаружи, и внутри, боеголовка прошла в тропосферу - последний десяток километров высоты. Она сильно затормозилась. Гиперзвуковой полет выродился до сверхзвука в три-четыре единицы Маха. Светит боеголовка уже тускло, угасает и подходит к точке цели.
Взрыв на поверхности Земли планируется редко - только для углубленных в землю объектов вроде ракетных шахт. Большинство целей лежит на поверхности. И для их наибольшего поражения подрыв производят на некоторой высоте, зависящей от мощности заряда. Для тактических двадцати килотонн это 400−600 м. Для стратегической мегатонны оптимальная высота взрыва - 1200 м. Почему? От взрыва по местности проходят две волны. Ближе к эпицентру взрывная волна обрушится раньше. Упадет и отразится, отскочив в стороны, где и сольется с только что дошедшей сюда сверху, из точки взрыва, свежей волной. Две волны - падающая из центра взрыва и отраженная от поверхности - складываются, образуя в приземном слое наиболее мощную ударную волну, главный фактор поражения.
При испытательных же пусках боеголовка обычно беспрепятственно достигает земли. На ее борту находится полцентнера взрывчатки, подрываемой при падении. Зачем? Во-первых, боеголовка - секретный объект и должна надежно уничтожаться после использования. Во-вторых, это необходимо для измерительных систем полигона - для оперативного обнаружения точки падения и измерения отклонений.
Многометровая дымящаяся воронка завершает картину. Но перед этим, за пару километров до удара, с испытательной боеголовки отстреливается наружу бронекассета запоминающего устройства с записью всего, что регистрировалось на борту во время полета. Эта бронефлешка подстрахует от потери бортовой информации. Ее найдут позже, когда прилетит вертолет со спецгруппой поиска. И зафиксируют результаты фантастического полета.
Об истории ядерного противостояния сверхдержав и конструкции первых ядерных бомб написаны сотни книг. А вот о современном ядерном оружии ходит много мифов. «Популярная механика» решила внести ясность в этот вопрос и рассказать, как работает самое разрушительное оружие, придуманное человеком.
Взрывной характер
Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.
Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию — 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.
При попадании нейтронов ядро урана-235 легко делится, образуя новые нейтроны. При определенных условиях начинается цепная реакция.
При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.
Металлический плутоний существует в шести фазах, плотности которых от 14,7 до 19,8 кг/см 3 . При температуре ниже 119 градусов Цельсия существует моноклинная альфа-фаза (19,8 кг/см 3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может — плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, произойдет это без взрыва — заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).
Критическая сборка
Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, — важнейшая.
Взрывные линзы создавали сходящуюся волну. Надежность обеспечивалась парой детонаторов в каждом блоке.
Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).
Плутониевая сборка (шаровой слой в центре) была окружена корпусом из урана-238, а затем слоем алюминия.
Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.
В первых ядерных зарядах в качестве источника нейтронов использовались полоний и бериллий (в центре).
Шаровая сборка
Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное — при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.
Слой алюминия использовался для того, чтобы уменьшить волну разрежения после детонации взрывчатки.
Сборка выполняется из двух тщательно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой внутри); она заведомо подкритична — даже для тепловых нейтронов и даже после окружения ее замедлителем. Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве сохранить благородную форму шара — для этого слой взрывчатого вещества необходимо подорвать одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно. Широко распространено мнение, что для этого нужно много электродетонаторов. Но так было только на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось много энергии и немалые размеры системы инициирования. В современных зарядах применяется несколько отобранных по специальной методике, близких по характеристикам детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением методов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно 8 км/с пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, в один и тот же момент времени достигнет отверстий и подорвет основной заряд — одновременно во всех требуемых точках.
На рисунках показаны первые мгновения жизни огненного шара ядерного заряда — радиационная диффузия (а), расширение горячей плазмы и образование «волдырей» (б) и возрастание мощности излучения в видимом диапазоне при отрыве ударной волны (в).
Взрыв вовнутрь
Направленный внутрь взрыв сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии почти исчезает внутренняя полость, плотность увеличивается, причем очень быстро — за десяток микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.
Через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке, — инерция: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.
В конце концов вещество все же разлетается, прекращается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия — порядка десятков и даже сотен МэВ, но только электрически нейтральные гамма-кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом и «ускользнуть». Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение — правда, уже не жесткое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы выбить у атомов электроны — не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из голых ядер, ободранных с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр (попытайтесь представить, как хорошо можно загореть под светом, приобретшим плотность алюминия!) — все то, что мгновение назад было зарядом, — приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.
Огненный шар
Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.
Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета — более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе — более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».
В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) 1 и анодным узлом 2 прикладывается импульсное напряжение в сотню киловольт. Когда напряжение максимально, необходимо, чтобы между анодом и катодом оказались ионы дейтерия, которые и требуется ускорить. Для этого служит ионный источник. На его анод 3 подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики 4, образует ионы дейтерия. Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в результате чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются нейтроны и ядра гелия-4.
По составу частиц и даже по энергетическому выходу эта реакция идентична синтезу — процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие так и считали, но позже выяснилось, что в трубке происходит «срыв»: либо протон, либо нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). Если увязает протон, то нейтрон отрывается и становится свободным.
Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика — основную роль играет радиационная диффузия, если мала — расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.
Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного… Начинается образование ударной волны.
Ударная волна и атомный гриб
При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного — настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.
Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше — плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.
Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».
Нейтронное инициирование
Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно… 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?
Нейтроны — медленные и быстрые
В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, и, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом — термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов — 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то, можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например — в растворе солей урана в хорошем замедлителе — воде, масса сборок — сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а, когда пузырьки покидают жидкость — вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его — но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).
Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся — всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное — излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» — маломощный тепловой взрыв.
Нейтронное инициирование не только увеличивает на много порядков энерговыделение ядерного взрыва, но и дает возможность регулировать его! Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасе с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно просто изменить напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменится выход нейтронов и выделение энергии (разумеется, при снижении мощности таким способом пропадает зря много дорогого плутония).
Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы разговоров о снижении мощности и быть не могло. Мощнее, мощнее и еще раз мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. В итоге от деления как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса — синтеза.
Устройство и принцип действия основаны на инициализации и контроле самоподдерживающейся ядерной реакции. Его используют в качестве исследовательского инструмента, для производства радиоактивных изотопов и в качестве источника энергии для атомных электростанций.
принцип работы (кратко)
Здесь используется процесс при котором тяжелое ядро распадается на два более мелких фрагмента. Эти осколки находятся в очень возбужденном состоянии и испускают нейтроны, другие субатомные частицы и фотоны. Нейтроны могут вызвать новые деления, в результате которых их излучается еще больше, и так далее. Такой непрерывный самоподдерживающийся ряд расщеплений называется цепной реакцией. При этом выделяется большое количество энергии, производство которой является целью использования АЭС.
Принцип работы ядерного реактора и таков, что коло 85% энергии расщепления высвобождается в течение очень короткого промежутка времени после начала реакции. Остальная часть вырабатывается в результате радиоактивного распада продуктов деления, после того как они излучили нейтроны. Радиоактивный распад является процессом, при котором атом достигает более стабильного состояния. Он продолжается и после завершения деления.
В атомной бомбе цепная реакция увеличивает свою интенсивность, пока не будет расщеплена большая часть материала. Это происходит очень быстро, производя чрезвычайно мощные взрывы, характерные для таких бомб. Устройство и принцип действия ядерного реактора основаны на поддержании цепной реакции на регулируемом, почти постоянном уровне. Он сконструирован таким образом, что взорваться, как атомная бомба, не может.
Цепная реакция и критичность
Физика ядерного реактора деления состоит в том, что цепная реакция определяется вероятностью расщепления ядра после испускания нейтронов. Если популяция последних уменьшается, то скорость деления в конце концов упадет до нуля. В этом случае реактор будет находиться в докритическом состоянии. Если же популяция нейтронов поддерживается на постоянном уровне, то скорость деления будет оставаться стабильной. Реактор будет находиться в критическом состоянии. И, наконец, если популяция нейтронов со временем растет, скорость деления и мощность будет увеличиваться. Состояние активной зоны станет сверхкритическим.
Принцип действия ядерного реактора следующий. Перед его запуском популяция нейтронов близка к нулю. Затем операторы удаляют управляющие стержни из активной зоны, увеличивая деление ядер, что временно переводит реактор в сверхкритическое состояние. После выхода на номинальную мощность операторы частично возвращают управляющие стержни, регулируя количество нейтронов. В дальнейшем реактор поддерживается в критическом состоянии. Когда его необходимо остановить, операторы вставляют стержни полностью. Это подавляет деление и переводит активную зону в докритическое состояние.
Типы реакторов
Большинство существующих в мире ядерных установок являются энергетическими, генерирующими тепло, необходимое для вращения турбин, которые приводят в движение генераторы электрической энергии. Также есть много исследовательских реакторов, а некоторые страны имеют подводные лодки или надводные корабли, движимые энергией атома.
Энергетические установки
Существует несколько видов реакторов этого типа, но широкое применение нашла конструкция на легкой воде. В свою очередь, в ней может использоваться вода под давлением или кипящая вода. В первом случае жидкость под высоким давлением нагревается теплом активной зоны и поступает в парогенератор. Там тепло от первичного контура передается на вторичный, также содержащий воду. Генерируемый в конечном счете пар служит рабочей жидкостью в цикле паровой турбины.
Реактор кипящего типа работает по принципу прямого энергетического цикла. Вода, проходя через активную зону, доводится до кипения на среднем уровне давления. Насыщенный пар проходит через серию сепараторов и сушилок, расположенных в корпусе реактора, что приводит его в сверхперегретое состояние. Перегретый водяной пар затем используется в качестве рабочей жидкости, вращающей турбину.
Высокотемпературные с газовым охлаждением
Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР) - это ядерный реактор, принцип работы которого основан на применении в качестве топлива смеси графита и топливных микросфер. Существуют две конкурирующие конструкции:
- немецкая «засыпная» система, которая использует сферические топливные элементы диаметром 60 мм, представляющие собой смесь графита и топлива в графитовой оболочке;
- американский вариант в виде графитовых гексагональных призм, которые сцепляются, создавая активную зону.
В обоих случаях охлаждающая жидкость состоит из гелия под давлением около 100 атмосфер. В немецкой системе гелий проходит через промежутки в слое сферических топливных элементов, а в американской - через отверстия в графитовых призмах, расположенных вдоль оси центральной зоны реактора. Оба варианта могут работать при очень высоких температурах, так как графит имеет чрезвычайно высокую температуру сублимации, а гелий полностью инертен химически. Горячий гелий может быть применен непосредственно в качестве рабочей жидкости в газовой турбине при высокой температуре или его тепло можно использовать для генерации пара водяного цикла.
Жидкометаллический и принцип работы
Реакторам на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем уделялось большое внимание в 1960-1970-х годах. Тогда казалось, что их возможности по воспроизводству в ближайшее время необходимы для производства топлива для быстро развивающейся атомной промышленности. Когда в 1980-е годы стало ясно, что это ожидание нереалистично, энтузиазм угас. Однако в США, России, Франции, Великобритании, Японии и Германии построен ряд реакторов этого типа. Большинство из них работает на диоксиде урана или его смеси с диоксидом плутония. В Соединенных Штатах, однако, наибольший успех был достигнут с металлическими топливом.
CANDU
Канада сосредоточила свои усилия на реакторах, в которых используется природный уран. Это избавляет от необходимости для его обогащения прибегать к услугам других стран. Результатом такой политики стал дейтерий-урановый реактор (CANDU). Контроль и охлаждение в нем производится тяжелой водой. Устройство и принцип работы ядерного реактора состоит в использовании резервуара с холодной D 2 O при атмосферном давлении. Активная зона пронизана трубами из циркониевого сплава с топливом из природного урана, через которые циркулирует охлаждающая его тяжелая вода. Электроэнергия производится за счет передачи теплоты деления в тяжелой воде охлаждающей жидкости, которая циркулирует через парогенератор. Пар во вторичном контуре затем проходит через обычный турбинный цикл.
Исследовательские установки
Для проведения научных исследований чаще всего используется ядерный реактор, принцип работы которого состоит в применении водяного охлаждения и пластинчатых урановых топливных элементов в виде сборок. Способен функционировать в широком диапазоне уровней мощности, от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Поскольку производство электроэнергии не является основной задачей исследовательских реакторов, они характеризуются вырабатываемой тепловой энергией, плотностью и номинальной энергией нейтронов активной зоны. Именно эти параметры помогают количественно оценить способность исследовательского реактора проводить конкретные изыскания. Маломощные системы, как правило, функционируют в университетах и используются для обучения, а высокая мощность необходима в научно-исследовательских лабораториях для тестирования материалов и характеристик, а также для общих исследований.
Наиболее распространен исследовательский ядерный реактор, строение и принцип работы которого следующие. Его активная зона расположена в нижней части большого глубокого бассейна с водой. Это упрощает наблюдение и размещение каналов, по которым могут быть направлены пучки нейтронов. При низких уровнях мощности нет необходимости прокачивать охлаждающую жидкость, так как для поддержания безопасного рабочего состояния естественная конвекция теплоносителя обеспечивает достаточный отвод тепла. Теплообменник, как правило, находится на поверхности или в верхней части бассейна, где скапливается горячая вода.
Корабельные установки
Первоначальным и основным применением ядерных реакторов является их использование в подводных лодках. Главным их преимуществом является то, что, в отличие от систем сжигания ископаемого топлива, для выработки электроэнергии им не требуется воздух. Следовательно, атомная субмарина может оставаться в погруженном состоянии в течение длительного времени, а обычная дизель-электрическая подлодка должна периодически подниматься на поверхность, чтобы запускать свои двигатели в воздухе. дает стратегическое преимущество кораблям ВМС. Благодаря ей отпадает необходимость заправляться в иностранных портах или от легко уязвимых танкеров.
Принцип работы ядерного реактора на подводной лодке засекречен. Однако известно, что в США в нем используется высокообогащенный уран, а замедление и охлаждение производится легкой водой. Конструкция первого реактора атомной субмарины USS Nautilus находилась под сильным влиянием мощных исследовательских установок. Его уникальными особенностями является очень большой запас реактивности, обеспечивающей длительный период работы без дозаправки и возможность перезапуска после остановки. Электростанция в подлодках должна быть очень тихой, чтобы избежать обнаружения. Для удовлетворения конкретных потребностей различных классов субмарин были созданы разные модели силовых установок.
На авианосцах ВМС США используется ядерный реактор, принцип работы которого, как полагают, заимствован у крупнейших подлодок. Подробные сведения их конструкции также не были опубликованы.
Кроме США, атомные подводные лодки имеются у Великобритании, Франции, России, Китая и Индии. В каждом случае конструкция не разглашалась, но считается, что все они весьма схожи - это является следствием одинаковых требований к их техническим характеристикам. Россия также обладает небольшим флотом на которых устанавливались такие же реакторы, как и на советских субмаринах.
Промышленные установки
Для целей производства используется ядерный реактор, принцип работы которого состоит в высокой производительности при низком уровне производства энергии. Это обусловлено тем, что длительное пребывание плутония в активной зоне приводит к накоплению нежелательного 240 Pu.
Производство трития
В настоящее время основным материалом, получаемым с помощью таких систем, является тритий (3 H или T) - заряд для Плутоний-239 имеет длительный период полураспада, равный 24100 годам, поэтому страны с арсеналами ядерного оружия, использующими этот элемент, как правило, имеют его больше, чем необходимо. В отличие от 239 Pu, период полураспада трития составляет примерно 12 лет. Таким образом, чтобы поддерживать необходимые запасы, этот радиоактивный изотоп водорода должен производиться непрерывно. В США в Саванна-Ривер (штат Южная Каролина), например, работает несколько реакторов на тяжелой воде, которые производят тритий.
Плавучие энергоблоки
Созданы ядерные реакторы, способные обеспечить электроэнергией и паровым отоплением удаленные изолированные районы. В России, например, нашли применение небольшие энергетические установки, специально предназначенные для обслуживания арктических населенных пунктов. В Китае 10-МВт установка HTR-10 снабжает теплом и электроэнергией исследовательский институт, в котором она находится. Разработки небольших автоматически управляемых реакторов с аналогичными возможностями ведутся в Швеции и Канаде. В период с 1960 по 1972 год армия США использовала компактные водяные реакторы для обеспечения удаленных баз в Гренландии и Антарктике. Они были заменены мазутными электростанциями.
Покорение космоса
Кроме того, были разработаны реакторы для энергоснабжения и передвижения в космическом пространстве. В период с 1967 по 1988 год Советский Союз устанавливал небольшие ядерные установки на спутники серии «Космос» для питания оборудования и телеметрии, но эта политика стала мишенью для критики. По крайней мере один из таких спутников вошел в атмосферу Земли, в результате чего радиоактивному загрязнению подверглись отдаленные районы Канады. Соединенные Штаты запустили только один спутник с ядерным реактором в 1965 году. Однако проекты по их применению в дальних космических полетах, пилотируемых исследованиях других планет или на постоянной лунной базе продолжают разрабатываться. Это обязательно будет газоохлаждаемый или жидкометаллический ядерный реактор, физические принципы работы которого обеспечат максимально высокую температуру, необходимую для минимизации размера радиатора. Кроме того, реактор для космической техники должен быть максимально компактным, чтобы свести к минимуму количество материала, используемого для экранирования, и для уменьшения веса во время старта и космического полета. Запас топлива обеспечит работу реактора на весь период космического полета.
