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».
Нейтронный источник 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.
Слойка с сахаром
В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы — «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.
Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.
В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.
Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества — дейтрида лития 6LiD.
Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий — газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.
Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления — последствиями взрыва атомного запала — превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.
Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.
Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.
Как работает нейтронная бомба — особенности ее поражающих факторов
Нейтронная бомба – это разновидность ядерного оружия, основным поражающим фактором которого является поток нейтронного излучения. Вопреки распространенному мнению, после взрыва нейтронного боеприпаса образуется и ударная волна, и световое излучение, но большая часть выделяемой энергии превращается в поток быстрых нейтронов. Нейтронная бомба относится к тактическому ядерному оружию.
Принцип действия бомбы основан на свойстве быстрых нейтронов гораздо свободнее проникать через различные преграды, по сравнению с рентгеновским излучением, альфа, бета и гамма-частицами. Например, 150 мм брони способны удержать до 90% гамма-излучения и только 20% нейтронной волны. Грубо говоря, спрятаться от проникающего излучения нейтронного боеприпаса гораздо сложнее, чем от радиации «обычной» ядерной бомбы
Именно это свойство нейтронов и привлекло внимание военных
Нейтронная бомба имеет ядерный заряд относительно небольшой мощности, а также специальный блок (его обычно изготавливают из бериллия), который и является источником нейтронного излучения. После подрыва ядерного заряда большая часть энергии взрыва преобразуется в жесткое нейтронное излучение. На остальные факторы поражения – ударная волна, световой импульс, электромагнитное излучение – приходится лишь 20% энергии.
Однако все вышесказанное всего лишь теория, практическое применение нейтронного оружия имеет некоторые особенности.
Земная атмосфера очень сильно гасит нейтронное излучение, поэтому дальность действия этого поражающего фактора не больше, чем радиус поражения ударной волны. По этой же причине нет смысла изготавливать нейтронные боеприпасы большой мощности – излучение все равно быстро затухнет. Обычно нейтронные заряды имеют мощность около 1 кТ. При его подрыве происходит поражение нейтронным излучением в радиусе 1,5 км. На дистанции до 1350 метров от эпицентра оно остается опасным для жизни человека.
Кроме того, поток нейтронов вызывает в материалах (например, в броне) наведенную радиоактивность. Если посадить в танк, попавший под действие нейтронного оружия (на дистанциях около километра от эпицентра), новый экипаж, то он получит летальную дозу радиации в течение суток.
Не соответствует действительности распространенное мнение, что нейтронная бомба не уничтожает материальные ценности. После взрыва подобного боеприпаса образуется и ударная волна, и импульс светового излучения, зона сильных разрушений от которых имеет радиус примерно в один километр.
Нейтронные боеприпасы не слишком подходят для использования в земной атмосфере, зато они могут быть весьма эффективны в космическом пространстве. Там нет воздуха, поэтому нейтроны распространяются беспрепятственно на весьма значительные расстояния. Благодаря этому различные источники нейтронного излучения рассматриваются в качестве эффективного средства противоракетной обороны. Это так называемое пучковое оружие. Правда, в качестве источника нейтронов обычно рассматривается не нейтронные ядерные бомбы, а генераторы направленных нейтронных пучков – так называемые нейтронные пушки.
Использовать их в качестве средства поражения баллистических ракет и боевых блоков предлагали еще разработчики рейгановской программы Стратегической оборонной инициативы (СОИ) . При взаимодействии пучка нейтронов с материалами конструкции ракет и боеголовок возникает наведенная радиация, которая надежно выводит из строя электронику этих устройств.
После появления идеи нейтронной бомбы и начала работ по ее созданию стали разрабатываться методы защиты от нейтронного излучения. В первую очередь они были направлены на уменьшение уязвимости боевой техники и экипажа, находящегося в ней. Основным методом защиты от подобного оружия стало изготовление специальных видов брони, хорошо поглощающих нейтроны. Обычно в них добавляли бор – материал, прекрасно улавливающий эти элементарные частицы. Можно добавить, что бор входит в состав поглощающих стрежней ядерных реакторов. Еще одним способом уменьшить поток нейтронов является добавление в броневую сталь обедненного урана.
Кстати, практически вся боевая техника, созданная в 60-е – 70-е годы прошлого столетия, максимально защищена от большинства поражающих факторов ядерного взрыва.
Что такое реакция слияния ядер?
Топливом для реакции термоядерного синтеза служат изотопы водорода дейтерий или тритий. Первый отличается от обычного водорода тем, что в его ядре, кроме одного протона содержится еще и нейтрон, а в ядре трития уже два нейтрона. В природной воде один атом дейтерия приходится на 7000 атомов водорода, но из его количества. содержащегося в стакане воды, можно в результате термоядерной реакции получить такое же количество теплоты, как и при сгорании 200 л бензина. На встрече в 1946 году с политиками, отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер подчеркнул, что дейтерий дает больше энергии на грамм веса, чем уран или плутоний, однако стоит двадцать центов за грамм в сравнении с несколькими сотнями долларов за грамм топлива для ядерного деления. Тритий в природе в свободном состоянии вообще не встречается, поэтому он гораздо дороже, чем дейтерий, с рыночной ценой в десятки тысяч долларов за грамм, однако наибольшее количество энергии высвобождается именно в реакции слияния ядер дейтерия и трития, при которой образуется ядро атома гелия и высвобождается нейтрон, уносящий избыточную энергию в 17,59 МэВ
D + T → 4Не + n + 17,59 МэВ.
Схематически эта реакция показана на рисунке ниже.
66
Пример эффектов взрыва нейтронного заряда на различных расстояниях
| Действие воздушного взрыва нейтронного заряда мощностью 1 кт на высоте ~ 150 м | |||||
| Рассто-яние | Давление | Радиация | Защита бетон | Защита земля | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 м | ~108 МПа | Окончание реакции, начало разлёта вещества бомбы. Благодаря конструктивным особенностям заряда значительная часть энергии взрыва выделяется в виде нейтронного излучения. | |||
| от центра ~50 м | 0,7 МПа | n·105Гр | ~2-2,5 м | ~3-3,5 м | Граница светящейся сферы диаметром ~100 м , время свечения ок. 0,2 с. |
| эпицентр 100 м | 0,2 МПа | ~35 000 Гр | 1,65 м | 2,3 м | Эпицентр взрыва. Человек в обычном убежище — гибель или крайне тяжёлая лучевая болезнь . Разрушение убежищ, рассчитанных на 100 кПа . |
| 170 м | 0,15 МПа | Сильные повреждения танков . | |||
| 300 м | 0,1 МПа | 5000 Гр | 1,32 м | 1,85 м | Человек в убежище — лучевая болезнь от лёгкой до тяжёлой степени . |
| 340 м | 0,07 МПа | Лесные пожары . | |||
| 430 м | 0,03 МПа | 1200 Гр | 1,12 м | 1,6 м | Человек — «смерть под лучом». Сильные повреждения сооружений . |
| 500 м | 1000 Гр | 1,09 м | 1,5 м | Человек гибнет от радиации сразу («под лучом») или через несколько минут. | |
| 550 м | 0,028 МПа | Средние повреждения сооружений . | |||
| 700 м | 150 Гр | 0,9 м | 1,15 м | Гибель человека от радиации через несколько часов. | |
| 760 м | ~0,02 МПа | 80 Гр | 0,8 м | 1 м | |
| 880 м | 0,014 МПа | Средние повреждения деревьев . | |||
| 910 м | 30 Гр | 0,65 м | 0,7 м | Человек гибнет через несколько суток; лечение — уменьшение страданий. | |
| 1000 м | 20 Гр | 0,6 м | 0,65 м | Стёкла приборов окрашиваются в тёмно-бурый цвет. | |
| 1200 м | ~0,01 МПа | 6,5-8,5 Гр | 0,5 м | 0,6 м | Крайне тяжёлая лучевая болезнь; гибнут до 90 % пострадавших . |
| 1500 м | 2 Гр | 0,3 м | 0,45 м | Средняя лучевая болезнь; гибнут до 80 % , при лечении до 50 % . | |
| 1650 м | 1 Гр | 0,2 м | 0,3 м | Лёгкая лучевая болезнь . Без лечения могут погибнуть до 50 % . | |
| 1800 м | ~0,005 МПа | 0,75 Гр | 0,1 м | Радиационные изменения в крови . | |
| 2000 м | 0,15 Гр | Доза может быть опасна для больного лейкемией . | |||
| Рассто-яние | Давление | Радиация | Защита бетон | Защита земля | Примечания |
|
Конец монополии
Точное время проведения испытаний ученые рассчитали таким образом, чтобы ветер унес образовавшееся в результате взрыва радиоактивное облако в сторону малообитаемых территорий, и воздействие вредных осадков на людей и домашний скот оказалось минимальным. В результате таких вычислений исторический взрыв наметили на утро 29 августа 1949 года.
–– На юге вспыхнуло зарево и появился красный полукруг, похожий на взошедшее солнце, –– вспоминает Николай Власов. –– А через три минуты после того, как зарево угасло, а облако растворилось в предрассветной дымке, до нас дошел раскатистый грохот взрыва, похожий на отдаленный гром могучей грозы.
Бомба_14
Взрыв атомной бомбы РДС-1. 29 августа 1949 года
Фото: Музей ядерного оружия РФЯЦ-ВННИЭФ
Приехав на место срабатывания РДС-1, (см. справку) ученые могли оценить все разрушения, которые за ним последовали. По их словам, от центральной башни не осталось никаких следов, стены ближайших домов рухнули, а вода в бассейне полностью испарилась от высокой температуры.
Но эти разрушения, как это ни парадоксально, помогли установить глобальное равновесие в мире. Создание первой советской атомной бомбы положило конец монополии США на ядерное оружие. Это позволило установить паритет стратегических вооружений, который до сих пор удерживает страны от военного применения оружия, способного уничтожить всю цивилизацию.
Александр Колдобский, заместитель директора Института международных отношений НИЯУ «МИФИ», ветеран атомной энергетики и промышленности:
Гипотетические эффекты чистой термоядерной бомбы
С большим перекрытием между двумя устройствами, запрос излучения эффекты чистого слитого оружие будет аналогично быть намного выше , чем у чистого устройства деления: примерно в два раза начальное выходное излучение тока оружия стандартное деление-синтез на основе. В общем со всеми нейтронными бомбами , которые в настоящее время должны вывести небольшой процент триггера энергии от деления, в том или ином выходе 100% чистые слитая бомба , также генерировать более миниатюрную атмосферную взрывную волну , чем чистое -fission бомба. Последнее устройство деления имеет более высокий кинетическую энергию-соотношение на единицу энергии реакции освобождена, который является наиболее заметным в сравнении с реакцией синтеза DT. Больший процент энергии из реакции синтеза DT, неотъемлемо введен в незаряженную генерацию нейтронов , в отличие от заряженных частиц, таких как альфа – частица реакции DT, первичные виды, которые наиболее ответственны за кулоновские взрывы / огненный шар.
Политические и исторические последствия
Работы по созданию нейтронного оружия начались в 60-ых годах 20 века в США. Через 15 лет технологию производства доработали и создали первый в мире нейтронный заряд, что привело к своеобразной гонке вооружений. На данный момент такой технологией обладают Россия и Франция.
Главной опасностью этого типа оружия при его применении стала не возможность массового уничтожение мирного населения страны противника, а размытие грани между ядерной войной и обычным локальным конфликтом. Поэтому Генеральной Ассамблеей ООН было принято несколько резолюций с призывом к полному запрету нейтронного оружия.
К сожалению, проект остался только на бумаге, т.к. ни одна страна запада и США не приняли его.
Позже, в 1991 году президентами России и США были подписаны обязательства, по которым тактические ракеты и артиллерийские снаряды с нейтронной боеголовкой должны быть полностью уничтожены. Что несомненно не помешает наладить их массовый выпуск за короткое время при изменении военно-политической ситуации в мире.
Основная концепция
В стандартной конструкции термоядерной, небольшая бомба деления помещаются близко к большей массе термоядерного горючего. Эти два компонента затем помещают в толстом излучения случае , как правило , сделаны из урана , свинца или стали. Случай ловушка энергии от бомбы деления в течение короткого периода, что позволяет ему нагревать и сжимать основное термоядерное топливо. Случай , как правило , изготовлены из обедненного урана или природного урана металла, потому что термоядерные реакции выделяют огромное число высоких энергий нейтронов , которые могут вызвать реакции деления в материале корпуса. Они могут добавить значительную энергию реакции; в типичной конструкции столько , сколько 50% от общей энергии происходит от событий деления в корпусе. По этой причине, это оружие технически известно как конструкция деления слияния-деления.
В нейтронной бомбе, материал кожуха выбирается либо быть прозрачным для нейтронов или активно усиливать их производство. Взрыв нейтронов, в термоядерной реакции, то бесплатно, чтобы избежать бомбы, опережая физический взрыв. При проектировании термоядерной этап тщательно оружия, нейтронная вспышка может быть максимально минимизируя при этом сам взрыв. Это делает смертельный радиус нейтрона лопнуть больше, чем у самого взрыва. Поскольку нейтроны исчезают из среды быстро, такой взрыв над столбцом противника будет убивать экипажи и покинуть зону, способную быстро оккупировал.
По сравнению с чистой бомбой деления с идентичным взрывным выходом, нейтронная бомба излучала бы примерно в десять раз больше нейтронного излучения. В бомбах деления, на уровне моря, полная энергия импульса излучения , который состоит из двух гамма – лучей и нейтронов составляет около 5% от всей энергии , выделяемой; в нейтронных бомб было бы ближе к 40%, при этом процентное увеличение поступающего из высшего производства нейтронов. Кроме того, нейтроны , испускаемые нейтронной бомбы имеют гораздо более высокий средний уровень энергии (близкий к 14 М эВ ) , чем те , выпущен в ходе реакции деления (1-2 МэВ).
Технически говоря, каждое маломощное ядерное оружием является радиационным оружием, в том числе не усиленные вариантов. До около 10 килотонн в урожайности, все ядерное оружие незамедлительного нейтронное излучение , как их дальнего идущий летальный компонент, после чего выхода в обычных ядерных вооружениях, летальный взрыв и термические эффекты радиус начинает вне диапазона летального ионизирующего излучения радиуса. Усовершенствованное радиационные оружие также попадет в этот же диапазон доходности и просто увеличить интенсивность и диапазон дозы нейтронов для данного урожая.
История создания
Впервые о создании нового оружия задумались в Германии в 1938 году, после того, как два физика Ган и Штрассман произвели расщепление атома урана искусственным путем.Годом позже началось строительство первого реактора в окрестностях Берлина, для которого было закуплено несколько тонн урановой руды.С 1939 года в связи с началом войны все работы по атомному оружию засекречиваются. Программа получает название «Урановый проект».
В 1944 году группа Гейзенберга изготовила урановые плиты для реактора. Планировалось, что эксперименты по созданию искусственной цепной реакции начнутся в начале 1945. Но из-за переноса реактора из Берлина в Хайгерлох график опытов сместился на март. Согласно проведенному эксперименту, реакция деления в установке не началась, т.к. массы урана и тяжелой воды была ниже необходимого значения (1,5т урана при потребности в 2,5т).
В апреле 1945 года Хайгерлох заняли американцы. Реактор был разобран и с оставшимся сырьем вывезен в США.В Америке атомная программа получила название «Манхэттенский проект». Его руководителем стал физик Оппенгеймер совместно с генералом Гровсом. В их группу входили также немецкие ученые Бор, Фриш, Фукс, Теллер, Блох, уехавшие или эвакуированные из Германии.
Плутониевый боезаряд, выполненный в виде авиабомбы («Толстяк») был сброшен на Нагасаки 9 августа 1945 года. Урановая бомба пушечного типа («Малыш») испытаний на полигоне в Нью-Мехико не проходила и была сброшена на Хиросиму 6 августа 1945 года.
Работы над созданием своего атомного оружия в СССР начали проводиться с 1943 года. Советская разведка доложила Сталину о разработках в нацисткой Германии сверхмощного оружия, способного изменить ход войны. Также в докладе содержались сведения, что кроме Германии работы над атомной бомбой проводились и в странах союзниках.
Для ускорения работ по созданию атомного оружияразведчиками был завербован физик Фукс, участвовавший в то время в «Манхэттенском проекте». Также в Союз были вывезены ведущие немецкие физики Арденне, Штейнбек,Риль связанные с «урановым проектом» в Германии. В 1949 году на полигоне в Семипалатинской области Казахстана произошло успешное испытание советской бомбы РДС-1.
Наращивание количества урана в заряде приводит к его срабатыванию лишь только достигается критическая масса. Ученые пробовали решить данную проблему путем создания различных компоновок, разделяя уран на множество частей (в виде раскрытого апельсина) которые соединялись воедино при взрыве. Но это не позволило существенно увеличить мощность.В отличие от атомной бомбы топливо для термоядерного синтеза не имеет критической массы.
Первой предложенной конструкцией водородной бомбы стал «классический супер», разработанный Теллером в 1945 году. По сути это была та же атомная бомба, внутри которой поместили цилиндрический контейнер с дейтериевой смесью.
Ученым из СССР Сахаровым осенью 1948 года создана принципиально новая схема водородной бомбы – «слойка». В ней в качестве взрывателя использовался уран-238 вместо урана-235 (изотоп U-238 является отходом при производстве изотопа U-235), источником трития и дейтерия одновременно стал дейтрид лития.
Бомба состояла из множества слоев урана и дейтрида.Первую термоядерную бомбу РДС-37 мощностью 1,7 Мт взорвали на Семипалатинском полигоне в ноябре 1955 года. Впоследствии ее конструкция с небольшими изменениями стала классической.
