Bomba termojądrowa: urządzenie. Pierwsza bomba termojądrowa. Test bomby termojądrowej

20.04.2019

Nasz artykuł poświęcony jest historii stworzenia i ogólnych zasad syntezy takiego urządzenia, jakim jest bomba termojądrowa, zwana niekiedy bombą wodorową. Zamiast wyzwalać energię eksplozji dzieląc jądra ciężkich pierwiastków, takich jak uran, wytwarza on jeszcze więcej, łącząc jądra pierwiastków lekkich (na przykład izotopy wodoru) w jeden ciężki (na przykład hel).

Dlaczego preferowana jest fuzja jądrowa?

W reakcji termojądrowej polegającej na fuzji jądra uczestniczących w niej pierwiastków chemicznych wytwarza się znacznie więcej energii na jednostkę masy urządzenia fizycznego niż w czystej bombie atomowej, która realizuje reakcję rozszczepienia jądrowego.

W bombie atomowej, rozszczepialne paliwo jądrowe jest szybko, pod działaniem energii detonacji konwencjonalnych materiałów wybuchowych, połączonych w małą kulistą objętość, gdzie powstaje tak zwana masa krytyczna i rozpoczyna się reakcja rozszczepienia. W tym samym czasie wiele neutronów uwolnionych z jąderek zdolnych do rozerwania spowoduje rozszczepienie innych jąder w masie paliwa, które również uwalnia dodatkowe neutrony, co prowadzi do reakcji łańcuchowej. Obejmuje on nie więcej niż 20% paliwa, zanim eksploduje bomba, lub może znacznie mniej, jeśli warunki nie są idealne: tak w bombach atomowych Kid spadł na Hiroszimę, a Fatty uderzył w Nagasaki, wydajność (jeśli taki termin jest możliwy) zastosowanie) wynosiły odpowiednio 1,38% i 13%.

Fuzja (lub synteza) jąder pokrywa całą masę ładunku bombowego i trwa do momentu, gdy neutrony znajdą nieprzereagowane paliwo termojądrowe. Dlatego masa i moc wybuchowa takiej bomby są teoretycznie nieograniczone. Taka fuzja może trwać teoretycznie w nieskończoność. Rzeczywiście, bomba termojądrowa jest jednym z potencjalnych urządzeń do zagłady, które mogą zniszczyć całe ludzkie życie.

Czym jest reakcja syntezy jądrowej?

Paliwem do reakcji fuzji są izotopy wodoru deuter lub tryt. Pierwszy różni się od zwykłego wodoru tym, że w jego jądrze, z wyjątkiem jednego protonu, jest także neutron, aw jądrze trytu są już dwa neutrony. W wodzie naturalnej jeden atom deuteru stanowi 7 000 atomów wodoru, ale jego ilość. zawarte w szklance wody, można uzyskać w wyniku reakcji termojądrowej taką samą ilość ciepła jak podczas spalania 200 litrów benzyny. Na spotkaniu w 1946 r. Z politykami, ojciec Amerykanina bomba wodorowa Edward Teller podkreślił, że deuter daje więcej energii na gram wagi niż uran lub pluton, ale kosztuje dwadzieścia centów za gram w porównaniu do kilkuset dolarów za gram paliwa jądrowego. Tryt w przyrodzie nie występuje wcale w stanie wolnym, jest więc o wiele droższy od deuteru, a jego cena rynkowa wynosi dziesiątki tysięcy dolarów za gram, ale największa ilość energii jest uwalniana właśnie w reakcji fuzji jądra deuteru i trytu, w której jądro atomu helu jest formowane i uwalniane neutron, który przenosi 17,59 MeV nadwyżki energii

D + T → 4 He + n + 17,59 MeV.

Ta reakcja jest pokazana schematycznie na poniższym rysunku. bomba termojądrowa Czy to dużo czy trochę? Jak wiesz, wszystko jest względne. Tak więc energia 1 MeV jest około 2,3 miliona razy większa niż 1 kg oleju uwalnianego podczas spalania. W konsekwencji, połączenie tylko dwóch jąder deuteru i trytu uwalnia tyle energii, ile 2,3 2,310 6 ∙ 17,59 = 40,5 ∙ 10 6 kg oleju uwalnia się podczas spalania. Ale mówimy tylko o dwóch atomach. Można sobie wyobrazić, jak wysokie były stawki w drugiej połowie lat 40. ubiegłego wieku, kiedy rozpoczęto prace w Stanach Zjednoczonych i ZSRR, czego rezultatem była bomba termojądrowa.

Jak to się wszystko zaczęło

Już w lecie 1942 r., Na początku projektu bomby atomowej w USA (projekt Manheten), a później w podobnym programie sowieckim, na długo przed zbudowaniem bomby opartej na rozszczepieniu jądra uranu, uwaga niektórych uczestników tych programów została przyciągnięta do urządzenia, który może użyć znacznie silniejszej reakcji termojądrowej. W Stanach Zjednoczonych Edward Teller, o którym wspomniano powyżej, był zwolennikiem tego podejścia, a nawet, można powiedzieć, jego apologetą. W ZSRR kierunek ten został opracowany przez Andrieja Sacharowa, przyszłego akademika i dysydenta.

Dla Tellera jego fuzja termonuklearnej syntezy w latach powstania bomby atomowej odegrała raczej wadę. Jako uczestnik projektu Manhattan nalegał na przekierowanie funduszy na realizację własnych pomysłów, których celem była bomba wodorowa i termojądrowa, której kierownictwo nie lubiło i powodowało napięcie w związku. Ponieważ w tym czasie kierunek badań termojądrowych nie był wspierany, po utworzeniu bomby atomowej, Teller opuścił projekt i zajął się nauczaniem, a także badaniami cząstek elementarnych.

Jednak wybuch zimnej wojny, a przede wszystkim stworzenie i udane przetestowanie radzieckiej bomby atomowej w 1949 roku, stał się dla zaciekłego antykomunistycznego Tellera nową szansą na realizację swoich naukowych pomysłów. Powrócił do laboratorium Los Alamos, w którym została stworzona bomba atomowa, a wraz ze Stanisławem Ulamem i Corneliusem Everettem przystąpił do obliczeń.

Zasada działania bomby termojądrowej

Aby rozpocząć reakcję syntezy jądrowej, musisz natychmiast ogrzać ładunek bombowy do temperatury 50 milionów stopni. Zaproponowany przez Tellera plan bomb termojądrowych wykorzystuje do tego wybuch małej bomby atomowej, która znajduje się wewnątrz zbiornika wodoru. Można argumentować, że trzy pokolenia rozwijały swój projekt w latach 40. ubiegłego wieku:

  • wariant kasjerski znany jako "classic super";
  • bardziej złożone, ale także bardziej realistyczne projekty z kilku koncentrycznych sfer;
  • Ostateczna wersja projektu Teller-Ulam, który jest podstawą wszystkich obecnie działających systemów broni termojądrowej.

Podobne bomby termojądrowe zaprojektowane przez ZSRR przeszły wraz z Andriejem Sacharowem na początku ich powstania. Wydaje się, że całkowicie niezależnie i niezależnie od Amerykanów (co nie dotyczy radzieckiej bomby atomowej stworzonej przez wspólne wysiłki naukowców i oficerów wywiadu, którzy pracowali w USA) przeszedł wszystkie powyższe etapy projektowania.

Pierwsze dwa pokolenia posiadały własność, że miały sekwencję połączonych "warstw", z których każda wzmocniła jakiś aspekt poprzedniego, i w niektórych przypadkach uzyskano informację zwrotną. Nie było wyraźnego oddzielenia pierwotnej bomby atomowej od wtórnego termojądrowego. Natomiast program bomby termojądrowej Teller-Ulam ostro odróżnia eksplozję pierwotną, wtórną i, jeśli to konieczne, dodatkową.

Urządzenie bomby termojądrowej według zasady Teller-Ulam

Wiele jego szczegółów nadal pozostaje tajnych, ale istnieje wystarczająca pewność, że wszystkie dostępne obecnie bronie termojądrowe wykorzystują urządzenie stworzone przez Edwarda Tellerosa i Stanislava Ulama, w których bomba atomowa (tj. Ładunek pierwotny) jest używana do generowania promieniowania, jako prototyp kompresuje i ogrzewa paliwo termojądrowe. Andrei Sacharow w Związku Radzieckim najwyraźniej samodzielnie wymyślił podobną koncepcję, którą nazwał "trzecim pomysłem".

Urządzenie bomby termojądrowej w tym wariancie pokazano schematycznie na poniższym rysunku. termojądrowy system bombowy Miał kształt cylindryczny, z mniej więcej sferyczną, pierwotną bombą atomową na jednym końcu. Wtórny ładunek termojądrowy w pierwszych, wciąż nieprzemysłowych próbach, pochodził z ciekłego deuteru, nieco później stał się stały ze związku chemicznego zwanego deuterkiem litu.

Faktem jest, że w przemyśle litowo-wodorkowym LiH od dawna używano do transportu wodorem poza salą balową. Twórcy bomby (ten pomysł był po raz pierwszy użyty w ZSRR) po prostu zasugerowali zabranie swojego izotopowego deuteru zamiast zwykłego wodoru i połączenie go z litem, ponieważ znacznie łatwiej jest wykonać bombę z solidnym ładunkiem termojądrowym.

Kształt ładunku wtórnego był cylindrem umieszczonym w pojemniku z powłoką ołowiu (lub uranu). Między ładunkami znajduje się tarcza ochrony neutronów. Przestrzeń pomiędzy ściankami pojemnika z paliwem termojądrowym a skrzynią bombową wypełniona jest specjalnym tworzywem sztucznym, z reguły z ekspandowanym polistyrenem. Sama obudowa bomby wykonana jest ze stali lub aluminium.

Te formy zmieniły się w ostatnich projektach, takich jak ten pokazany na poniższym rysunku. termojądrowe urządzenie bombowe W nim główny ładunek jest spłaszczony, jak arbuz lub piłka w futbolu amerykańskim, a ładunek wtórny jest sferyczny. Takie formy pasują znacznie skuteczniej do wewnętrznej objętości głowic pocisków stożkowych.

Sekwencja wybuchu termojądrowego

Kiedy główna bomba atomowa wybuchnie, w pierwszych momentach tego procesu jest potężna prześwietlenia (strumień neutronów), który jest częściowo zablokowany przez osłonę ochrony neutronowej i jest odbijany od wewnętrznej powłoki ciała otaczającego ładunek wtórny, tak że promienie rentgenowskie spadają symetrycznie na nim wzdłuż całej jego długości.

Na początkowych etapach reakcji termojądrowej neutrony z wybuchu atomowego są absorbowane przez wypełniacz z tworzywa sztucznego, aby zapobiec zbyt szybkiemu nagrzewaniu się paliwa.

Promieniowanie rentgenowskie powoduje na początku gęstą piankę z tworzywa sztucznego, która wypełnia przestrzeń między ciałem a ładunkiem wtórnym, który szybko przekształca się w plazmę, która ogrzewa i kompresuje ładunek wtórny.

Ponadto promienie X odparowują powierzchnię pojemnika otaczającego ładunek wtórny. Symetrycznie odparowując w stosunku do tego ładunku, substancja pojemnika otrzymuje pewien impuls kierowany z jego osi, a warstwy ładunku wtórnego otrzymują impuls skierowany do osi urządzenia zgodnie z prawem zachowania pędu. Zasada jest tutaj taka sama, jak w rakiecie, tylko jeśli wyobrażamy sobie, że paliwo rakietowe leci symetrycznie z jego osi, a ciało jest ściskane do wewnątrz.

W wyniku takiej kompresji paliwa termojądrowego jego objętość spada tysiące razy, a temperatura osiąga poziom początku reakcji jądrowej. Występuje eksplozja bomby termojądrowej. Reakcji towarzyszy tworzenie jąder trytu, które łączy się z jądrami deuteru, które początkowo występują w składzie ładunku wtórnego.

Pierwsze ładunki wtórne zostały zbudowane wokół rdzeniowego rdzenia plutonu, nieformalnie zwanego "świecą", który wszedł w reakcję rozszczepienia jądra, tj. Przeprowadzono kolejną, dodatkową eksplozję atomową, aby podnieść temperaturę jeszcze bardziej, aby zapewnić początek fuzji jądrowej. Obecnie uważa się, że bardziej wydajne systemy kompresji wyeliminowały "świecę", umożliwiając dalszą miniaturyzację konstrukcji bomby.

Operacja Ivy

Tak nazwano testy amerykańskiej broni termojądrowej na Wyspach Marshalla w 1952 r., Podczas której wybuchła pierwsza bomba termojądrowa. Nazywano go Ivy Mike i został zbudowany zgodnie z typowym schematem Teller-Ulam. Jego wtórny ładunek termojądrowy umieszczono w cylindrycznym pojemniku, który jest izolowany termicznie Dewar z paliwem termojądrowym w postaci ciekłego deuteru, wzdłuż którego osi przechodzi "świeca" z 239 plutonu . Z kolei Dewar pokryty był warstwą 238-uranu ważącą ponad 5 ton metrycznych, która odparowała podczas wybuchu, zapewniając symetryczną kompresję paliwa termojądrowego. Pojemnik z ładunkiem pierwotnym i wtórnym został umieszczony w stalowej obudowie o szerokości 80 cali i długości 244 cali z ściankami o grubości 10-12 cali, która była do tej pory największym przykładem produktu kutego. Wewnętrzna powierzchnia obudowy została wyłożona arkuszami ołowiu i polietylenu, aby odbijać promieniowanie po eksplozji głównego ładunku i stworzyć plazmę, która ogrzewa dodatkowy ładunek. Całe urządzenie ważyło 82 tony. Widok urządzenia krótko przed eksplozją pokazano na poniższym zdjęciu. test bombowy termojądrowy

Pierwszy test bomby termojądrowej odbył się 31 października 1952 r. Moc wybuchu wynosiła 10,4 megaton. Attol Eniwetok, na którym został wyprodukowany, został całkowicie zniszczony. Moment wybuchu pokazano na poniższym zdjęciu. pierwsza bomba termojądrowa

ZSRR daje symetryczną odpowiedź

US Thermonuclear Championship nie trwało długo. 12.08.1953 r. Na miejscu testowym Semipałatyńska przetestowano pierwszą sowiecką bombę termojądrową RDS-6, opracowaną pod kierownictwem Andrieja Sacharowa i Yuli Kharitona, z powyższego opisu jasno wynika, że ​​bomba na Eniwetok nie została w rzeczywistości eksplodowana przez Amerykanów, ale raczej urządzenie laboratoryjne, kłopotliwe i bardzo niedoskonałe. Naukowcy radzieccy, pomimo niewielkiej pojemności zaledwie 400 kg, testowali całkowicie gotową amunicję z paliwem termojądrowym w postaci litego deuteridu, a nie ciekłym deuterem, jak u Amerykanów. Nawiasem mówiąc, należy zauważyć, że w składzie deuteru litu stosowany jest tylko izotop 6 Li (wynika to z charakterystyki przejścia reakcji termojądrowych), aw przyrodzie jest on mieszany z izotopem 7 Li. Dlatego zbudowano specjalne produkcje do rozdzielania izotopów litu i wyboru tylko 6 Li.

Osiągnięcie maksymalnej mocy

Nastąpiło to przez dekadę ciągłego wyścig zbrojeń podczas której siła amunicji termojądrowej stale wzrastała. Ostatecznie, 30/10/1961, w ZSRR, najpotężniejsza bomba termojądrowa, która kiedykolwiek została zbudowana i przetestowana, znana na Zachodzie jako Bomba cara, została wysadzona w powietrze na wysokości około 4 km w ZSRR.

Ta trzystopniowa amunicja została faktycznie opracowana jako bomba o mocy 101,5 megaton, ale chęć ograniczenia skażenia promieniotwórczego terytorium zmusiła twórców do porzucenia trzeciego etapu o pojemności 50 megaton i zmniejszenia szacunkowej mocy urządzenia do 51,5 megaton. W tym samym czasie 1,5 megatonu było mocą eksplozji pierwotnego ładunku atomowego, a drugi etap termojądrowy powinien dać kolejne 50. Prawdziwa moc wybuchu wynosiła do 58 megaton, wygląd bomby pokazano na poniższym zdjęciu. najpotężniejsza bomba termojądrowa

Implikacje tego były imponujące. Pomimo bardzo dużej wysokości wybuchu 4000 m, niesamowicie jasna kula ognia osiągnęła prawie dolną krawędź ziemi, a górna wzrosła do ponad 4,5 km. Ciśnienie poniżej punktu załamania było sześciokrotnie wyższe niż szczytowe ciśnienie w eksplozji Hiroszimy. Błysk światła był tak jasny, że był widoczny w odległości 1000 kilometrów, mimo pochmurnej pogody. Jeden z uczestników testu zobaczył jasny błysk w ciemnych okularach i odczuł skutki pulsu cieplnego nawet w odległości 270 km. Zdjęcie momentu wybuchu pokazano poniżej. wybuch bomby termojądrowej

Pokazano, że siła ładunku termonuklearnego naprawdę nie ma ograniczeń. W końcu wystarczyło wykonać trzeci krok, a obliczona moc zostanie osiągnięta. Ale możesz zwiększyć liczbę kroków i dalej, ponieważ waga "Car Bomb" nie była większa niż 27 ton. Widok tego urządzenia pokazano na poniższym zdjęciu.

Po tych testach stało się jasne dla wielu polityków i wojska zarówno w ZSRR, jak i USA, że wyścig zbrojeń nuklearnych dobiegł końca i że trzeba go zatrzymać.

Nowoczesna Rosja odziedziczyła arsenał nuklearny ZSRR. Obecnie rosyjskie bomby termojądrowe nadal służą jako środek odstraszający dla tych, którzy szukają globalnej hegemonii. Miejmy nadzieję, że odegrają swoją rolę tylko w formie odstraszania i nigdy nie zostaną wysadzeni w powietrze.

Słońce jako reaktor termojądrowy

Powszechnie wiadomo, że temperatura słońca, dokładniej, jego rdzeń, osiągający 15000000 ° K, jest wspierany przez ciągły przepływ reakcji termojądrowych. Jednak wszystko, czego możemy się nauczyć z poprzedniego tekstu, mówi o wybuchowym charakterze takich procesów. Dlaczego słońce nie eksploduje jak bomba termojądrowa?

Faktem jest, że przy ogromnej frakcji wodoru w składzie masy Słońca, która osiąga 71%, proporcja izotopu deuteru, którego jądra mogą tylko uczestniczyć w reakcji termojądrowej fuzji, jest znikoma. Faktem jest, że same jądra deuteru powstają w wyniku fuzji dwóch jąder wodoru, a nie tylko fuzji, ale z rozpadem jednego z protonów w neutron, pozytron i neutrino (zwane również rozpadem beta), co jest rzadkim zjawiskiem. W tym samym czasie powstałe jądra deuteru są rozmieszczone dość równomiernie w stosunku do objętości rdzenia słonecznego. W związku z tym, ze swoimi ogromnymi rozmiarami i masą, indywidualne i rzadkie ogniska reakcji termojądrowych o stosunkowo niskiej mocy są, jak gdyby, rozprzestrzeniały się na całym jego jądrze Słońca. Ciepło uwalniane podczas tych reakcji wyraźnie nie wystarcza, aby natychmiast wypalić cały deuter w Słońcu, ale wystarczy podgrzać go do temperatury, która zapewnia życie na Ziemi.