Massa critica in un reattore di uranio. Il fenomeno della radioattività, scoperto da Becquerel, indica che... A. Come appare in pratica

Le armi nucleari hanno iniziato a causare paura nelle persone fin dal momento in cui è stata teoricamente provata la possibilità della loro creazione. E per più di mezzo secolo il mondo vive in questa paura, solo la sua grandezza è cambiata: dalla paranoia degli anni '50 e '60 all'ansia permanente di oggi. Ma come è diventata possibile una situazione del genere? Come è potuta venire nella mente umana l'idea stessa di creare un'arma così terribile? Lo sappiamo bomba nucleare infatti fu creato dalle mani dei più grandi fisici di quei tempi, molti di loro furono premi Nobel in quel momento o lo divennero in seguito.

L'autore ha cercato di dare una risposta chiara e accessibile a queste e molte altre domande parlando della corsa al possesso di armi nucleari. L'attenzione principale è rivolta al destino dei singoli fisici direttamente coinvolti negli eventi in esame.

Capitolo 3 Messa critica

Nel gennaio 1939 Otto Frisch ricevette finalmente la buona notizia. Seppe che suo padre, sebbene per il momento fosse rimasto nel campo di concentramento di Dachau, ricevette comunque un visto svedese. Presto fu rilasciato e a Vienna ebbe modo di incontrare la madre di Frisch. Insieme si trasferirono dove nulla li minacciava: a Stoccolma.

Ma anche una notizia così gioiosa non riuscì a salvare Otto dalla premonizione di un imminente grande guaio, che lo aveva recentemente travolto. L'attesa dello scoppio della guerra, che era già dietro l'angolo, lo fece precipitare sempre più nell'abisso della depressione. Frisch non vedeva il senso di continuare la ricerca che aveva fatto a Copenaghen. Anche la sensazione di insicurezza è cresciuta. Quando il britannico Patrick Blackett e l'australiano Mark Oliphant arrivarono al laboratorio di Bohr, Otto chiese loro aiuto.

Oliphant è cresciuto ad Adelaide. Inizialmente si interessò alla medicina e in particolare all'odontoiatria, ma all'università si interessò alla fisica. Dopo aver ascoltato Erenst Rutherford, neozelandese di nascita, lo studente impressionabile decise di intraprendere la fisica nucleare. Nel 1927 si unì a un gruppo di ricercatori guidati da Rutherford, che lavorò a Laboratorio Cavendish a Cambridge. Lì, all'inizio degli anni '30, divenne un testimone diretto di molte straordinarie scoperte nel campo della fisica nucleare. Nel 1934, in collaborazione con Rutherford (così come con il chimico tedesco Paul Harteck), Oliphant pubblicò un articolo che descriveva una reazione di fusione nucleare che coinvolgeva l'idrogeno pesante, il deuterio.

Nel 1937 Oliphant ricevette una cattedra all'Università di Birmingham, diventando Preside del Dipartimento di Fisica. Fu molto comprensivo alla richiesta di aiuto di Frisch e presto gli inviò una lettera invitando Otto a visitare Birmingham nell'estate del 1939 e già sul posto per vedere cosa si poteva fare per lui. La calma e la fiducia di Oliphant impressionarono molto Frisch, che non riuscì a uscire dalla sua depressione, e non aspettò un altro invito. Preparando due piccole valigie, partì per l'Inghilterra, "non diverso dagli altri turisti".

L'australiano ha trovato Otto un lavoro come insegnante junior. Ora lavorava in un ambiente piuttosto informale. Oliphant tenne lezioni agli studenti e mandò a Frisch coloro che avevano difficoltà a padroneggiare nuovo materiale. Otto ha lavorato con diverse dozzine di studenti che gli hanno posto un numero enorme di domande, e quindi è nata una discussione molto vivace. A Frisch piaceva molto questo tipo di lavoro.

A Birmingham, Frisch ha incontrato un altro emigrante, il suo connazionale: Rudolf Peierls. Rudolf è nato a Berlino, in una famiglia di ebrei assimilati. Studiò fisica a Berlino, Monaco e Lipsia, dove si difese nel 1928 con Heisenberg. Poi Peierls si trasferì a Zurigo, in Svizzera, e già lì nel 1932 ottenne una borsa di studio Rockefeller. Studierà prima a Roma, con Fermi, e poi a Cambridge, in Inghilterra, con il fisico teorico Ralph Fowler. Quando Hitler salì al potere nel 1933, Peierls era in Inghilterra. Ben presto gli divenne chiaro che la via del ritorno in Germania era chiusa. Dopo aver completato gli studi, Rudolph andò a Manchester, dove lavorò con Lawrence Bragg, e poi tornò a Cambridge, dove rimase per un altro paio d'anni. Nel 1937 divenne professore di matematica all'Università di Birmingham.

Dal settembre 1939, dopo lo scoppio della guerra, i laboratori di Birmingham si occuparono principalmente di ricerche molto importanti e riservate per l'esercito.

Il lavoro degli scienziati è stato collegato a un magnetron risonante, un dispositivo necessario per generare intense radiazioni a microonde nei radar terrestri e di bordo degli aerei. Successivamente, CP Snow definì questi dispositivi "l'invenzione scientifica più preziosa degli inglesi, realizzata durante la guerra con Hitler".

Essendo cittadini di uno stato ostile, Frisch e Peierls non avrebbero dovuto sapere nulla di queste opere. Tuttavia, la segretezza del progetto aveva un carattere incomprensibile. A volte Oliphant poneva a Peierls domande ipotetiche che iniziavano con le parole: "Se ti trovassi di fronte al seguente problema ...". Come avrebbe scritto in seguito Frisch, "Oliphant sapeva che Peierls sapeva, e penso che Peierls sapesse che Oliphant sapeva che lui sapeva. Tuttavia, nessuno di loro ha mostrato alcun tipo.

Frisch non lavorava sempre con gli studenti, così che, con abbastanza tempo libero, poteva riprendere il problema della fissione nucleare. Usando il laboratorio quando non era occupato, Otto ha fatto dei piccoli esperimenti. Bohr e Wheeler hanno affermato che l'uranio è fissile principalmente a causa dell'isotopo U 235, che non ha una stabilità molto elevata. Frisch ha deciso di dimostrarlo sperimentalmente ottenendo dati da campioni con un contenuto leggermente aumentato di un isotopo raro. Per isolare una piccola quantità di uranio-235, assemblò un piccolo apparato che utilizzava il metodo di diffusione termica inventato da Clusius e Dickel. I progressi, tuttavia, sono stati estremamente lenti.

Nel frattempo, Frisch è stato contattato dalla British Chemical Society con la richiesta di scrivere un materiale di revisione per loro e di evidenziare tutti i recenti progressi nello studio di nucleo atomico per renderlo chiaro e interessante per i chimici. Otto ha scritto l'articolo nella sua stanza in affitto. Senza togliersi il cappotto, si sedette, tenendo la macchina da scrivere sulle ginocchia, vicino al fornello a gas, cercando di scaldarsi un po': la temperatura quell'inverno scese a -18°C. Di notte, l'acqua nel bicchiere si congelava.

Parlando della scissione del nucleo, ripeté l'opinione allora generalmente accettata: se un giorno è possibile realizzare una reazione a catena autosufficiente, allora, dato che in essa devono essere usati neutroni lenti, è quasi impossibile per far esplodere una bomba atomica in cui si verificherà la reazione a catena. "Almeno otterremmo un risultato simile se avessimo semplicemente dato fuoco a una quantità simile di polvere da sparo", ha scritto nella parte finale. Frisch non credeva affatto nella possibilità di creare una bomba atomica.

Tuttavia, dopo aver finito l'articolo, pensò. Il problema principale al momento, secondo Bohr e Wheeler, erano i neutroni lenti. Il nucleo di uranio-238 ha sempre catturato neutroni veloci che avevano una certa energia "risonante", o velocità, ma per reagire con l'uranio naturale sono necessari solo neutroni lenti. Tuttavia, il loro uso significava che l'energia risultante si accumulava molto lentamente. Se la reazione si basa su neutroni lenti, l'energia rilasciata riscalderà l'uranio e possibilmente lo fonderà o addirittura lo vaporizzerà molto prima che possa esplodere. Man mano che l'uranio si riscalda, nella reazione entreranno sempre meno neutroni e, di conseguenza, semplicemente si estinguerà.

I fisici della Società dell'uranio giunsero alla stessa conclusione. Tuttavia, Frisch ora era molto interessato alla risposta alla domanda: cosa accadrà dopo tutto se lo usi veloce neutroni? Si pensava che l'uranio-235 fosse fissile da entrambi i tipi di neutroni. Tuttavia, se c'è troppo U 238 nell'uranio fissile, allora i neutroni secondari veloci emessi dall'U 235 durante il decadimento saranno di scarsa utilità: molto probabilmente, questi neutroni secondari veloci sfuggiranno alla reazione a causa della cattura risonante dell'uranio- 238 dal nucleo. Ma questo ostacolo può essere facilmente aggirato utilizzando uranio-235 puro o quasi puro. Frisch ha assemblato un piccolo apparato Clusius-Dickel per l'U 235 senza troppe difficoltà. Era chiaro che era impossibile ottenere grandi volumi di uranio puro-235 in questo modo, ad esempio diverse tonnellate. Ma all'improvviso, per una reazione a catena sui neutroni veloci, sarà sufficiente una quantità molto più piccola?

Rapida reazione a catena dei neutroni usando uranio-235 puro - se assumiamo che la bomba atomica originariamente avesse una sorta di segreto, ora è diventato noto a Frisch.

Otto ha condiviso i suoi pensieri con Peierls, che all'inizio di giugno 1939 ha finalizzato una formula per calcolare la massa critica di materiale necessaria per sostenere una reazione nucleare a catena. Questa formula è stata compilata dal fisico teorico francese Francis Perrin. Per una miscela di isotopi con un alto contenuto di U 238, Peierls ha utilizzato la sua formula modificata, ma poiché il conto è stato mantenuto in tonnellate, questa opzione non era adatta per creare armi.

Ora Frisch doveva eseguire calcoli di un ordine completamente diverso, con la partecipazione di uranio-235 puro e neutroni non lenti, ma veloci. Il problema era che nessuno sapeva ancora quale dovrebbe essere la proporzione di U 235 per garantire una partecipazione di successo alla risposta dei neuroni veloci. E gli scienziati non lo sapevano perché non era ancora possibile ottenere una quantità sufficiente di uranio-235 nella sua forma pura.

In una situazione del genere, era possibile solo fare ipotesi. I risultati ottenuti da Bohr e Wheeler hanno chiarito che il nucleo dell'U 235 è facilmente diviso da neutroni lenti. Inoltre, era logico presumere che l'impatto dei neutroni veloci non fosse meno efficace, ed è anche possibile che il nucleo di uranio-235 si dividesse a ogni contatto con essi. Successivamente Peierls scrisse di questa ipotesi: "Apparentemente, dai dati ottenuti da Bohr e Wheeler, era necessario trarre questa conclusione: ogni neutrone che entra nel nucleo del 235° [uranio] provoca il suo decadimento". Questa ipotesi ha notevolmente semplificato i calcoli. Ora restava solo da calcolare quanto uranio-235 è necessario per essere facilmente diviso da neutroni veloci.

Gli scienziati hanno sostituito nuovi numeri nella formula di Peierls e sono rimasti sbalorditi dal risultato. Tonnellate di uranio erano ormai fuori questione. La massa critica, secondo i calcoli, era solo diversi chilogrammi. Per una sostanza con una densità come l'uranio, il volume di una tale quantità non supererebbe le dimensioni di una pallina da golf. Frisch stima che questo U 235 possa essere ottenuto in poche settimane usando circa centomila tubi dell'apparato Clusius-Dickel, simile a quello che ha assemblato nel laboratorio di Birmingham.

"Qui ci siamo guardati tutti, rendendoci conto che è ancora possibile creare una bomba atomica".

Nel prossimo anniversario del badabum su Hiroshima e Nagasaki, ho deciso di setacciare Internet alla ricerca di domande armi nucleari, dove, perché e come è stato creato mi interessava poco (lo sapevo già) - ero più interessato a come 2 pezzi di plutonio non si sciolgono, ma fanno grandi larghe.

Tieni d'occhio gli ingegneri: iniziano con una fioriera e finiscono bomba atomica.

La fisica nucleare è uno dei rami più scandalosi della venerabile scienza naturale. È in questa zona che da mezzo secolo l'umanità getta miliardi di dollari, sterline, franchi e rubli, come nella fornace locomotiva di un treno in ritardo. Ora il treno sembra non essere più in ritardo. Le fiamme furiose dei beni in fiamme e delle ore lavorative si sono placate. Proviamo a capire brevemente che tipo di treno chiamato "fisica nucleare" è.

Isotopi e radioattività

Come sai, tutto ciò che esiste è composto da atomi. Gli atomi, a loro volta, sono costituiti da gusci di elettroni che vivono secondo le loro strabilianti leggi e dal nucleo. La chimica classica è completamente disinteressata al nucleo e alla sua vita privata. Per lei, un atomo sono i suoi elettroni e la loro capacità di scambiare interazione. E dal nucleo della chimica, è necessaria solo la sua massa per calcolare le proporzioni dei reagenti. A sua volta, alla fisica nucleare non frega niente degli elettroni. È interessata a un minuscolo granello di polvere (100mila volte più piccolo del raggio delle orbite degli elettroni) all'interno di un atomo, in cui è concentrata quasi tutta la sua massa.

Cosa sappiamo del nucleo? Sì, è costituito da protoni carichi positivamente e non ha carica elettrica neutroni. Tuttavia, questo non è del tutto vero. Il nucleo non è una manciata di palline di due colori, come nell'illustrazione di libro di testo scolastico. Ci sono leggi completamente diverse all'opera qui chiamate interazione forte, che trasformano sia i protoni che i neutroni in una sorta di pasticcio indistinguibile. Tuttavia, la carica di questo pasticcio è esattamente uguale alla carica totale dei protoni che vi entrano, e la massa quasi (ripeto, quasi) coincide con la massa dei neutroni e dei protoni che compongono il nucleo.

A proposito, il numero di protoni di un atomo non ionizzato coincide sempre con il numero di elettroni che hanno l'onore di circondarlo. Ma con i neutroni, la questione non è così semplice. A rigor di termini, il compito dei neutroni è quello di stabilizzare il nucleo, perché senza di essi protoni con una carica simile non andrebbero d'accordo nemmeno per microsecondi.

Prendiamo l'idrogeno per certezza. L'idrogeno più comune Il suo dispositivo è ridicolmente semplice: un protone circondato da un elettrone orbitale. L'idrogeno nell'universo alla rinfusa. Possiamo dire che l'universo è costituito principalmente da idrogeno.

Ora aggiungiamo con attenzione un neutrone al protone. Chimicamente è ancora idrogeno. Ma dal punto di vista della fisica, no. Avendo scoperto due diversi idrogeni, i fisici si sono preoccupati e hanno immediatamente avuto l'idea di chiamare l'idrogeno ordinario protium e l'idrogeno con un neutrone con un protone - deuterio.

Diventiamo audaci e diamo al nucleo un altro neutrone. Ora abbiamo un altro idrogeno, ancora più pesante: il trizio. Anche in questo caso, dal punto di vista della chimica, praticamente non differisce dagli altri due idrogeni (beh, tranne che ora entra nella reazione un po' meno volentieri). Voglio avvertirvi subito: nessuno sforzo, minaccia ed esortazione potrà aggiungere un neutrone in più al nucleo di trizio. Le leggi locali sono molto più severe di quelle umane.

Quindi, protio, deuterio e trizio sono isotopi dell'idrogeno. La loro massa atomica è diversa, ma la loro carica no. Ma è la carica del nucleo che determina la posizione in cui si trova sistema periodico elementi. Ecco perché gli isotopi sono chiamati isotopi. Tradotto dal greco, significa "occupare lo stesso posto". A proposito, la famosa acqua pesante è la stessa acqua, ma con due atomi di deuterio invece del protio. Di conseguenza, l'acqua superpesante contiene trizio invece di protium.

Diamo un'occhiata ai nostri idrogeni. Quindi... Protium è a posto, deuterio è a posto... E chi altro è questo? Dov'è finito il mio trizio e da dove viene l'elio-3? Nel nostro trizio, uno dei neutroni si è chiaramente annoiato, ha deciso di cambiare professione ed è diventato un protone. Così facendo, diede alla luce un elettrone e un antineutrino. La perdita di trizio è, ovviamente, deludente, ma ora sappiamo che è instabile. Nutrire i neutroni non è stato vano.

Quindi, come capisci, gli isotopi sono stabili e instabili. Ci sono molti isotopi stabili intorno a noi, ma, grazie a Dio, non ce ne sono praticamente di instabili. Cioè, sono disponibili, ma in uno stato così disperso che devono essere ottenuti a costo di una manodopera molto grande. Ad esempio, l'uranio-235, che ha causato così tanti problemi a Oppenheimer, è solo lo 0,7% dell'uranio naturale.

Metà vita

Tutto è semplice qui. L'emivita di un isotopo instabile è il periodo di tempo durante il quale esattamente la metà degli atomi dell'isotopo decade e si trasforma in altri atomi. Il trizio, già a noi familiare, ha un'emivita di 12,32 anni. Questo è un isotopo di breve durata, anche se rispetto al francio-223, che ha un'emivita di 22,3 minuti, il trizio sembrerà un aksakal dalla barba grigia.

Nessun fattore esterno macroscopico (pressione, temperatura, umidità, stato d'animo del ricercatore, quantità di allocazioni, posizione delle stelle) influisce sull'emivita. La meccanica quantistica è insensibile a tali assurdità.

Meccanico di esplosione popolare

L'essenza di ogni esplosione è il rapido rilascio di energia che prima era in uno stato non libero e legato. L'energia rilasciata viene dissipata, trasformandosi principalmente in calore (l'energia cinetica del movimento disordinato delle molecole), un'onda d'urto (c'è anche movimento, ma già ordinato, nella direzione dal centro dell'esplosione) e radiazione - da morbida quanti da infrarosso a duro a lunghezza d'onda corta.

In un'esplosione chimica, tutto è relativamente semplice. Una reazione energeticamente favorevole si verifica quando determinate sostanze interagiscono tra loro. Solo gli strati elettronici superiori di alcuni atomi partecipano alla reazione e l'interazione non va più in profondità. È facile intuire che c'è molta più energia latente in ogni sostanza. Ma qualunque siano le condizioni dell'esperimento, non importa quanto siano efficaci i reagenti che scegliamo, non importa come regoliamo le proporzioni, la chimica non ci permetterà di andare più a fondo nell'atomo. Un'esplosione chimica è un fenomeno primitivo, inefficace e, dal punto di vista della fisica, oscenamente debole.

La reazione a catena nucleare ti consente di scavare un po' più a fondo, includendo non solo gli elettroni, ma anche i nuclei. Questo suona davvero pesante, forse, solo per un fisico, e al resto darò una semplice analogia. Immagina un peso gigante, attorno al quale svolazzano particelle di polvere elettrizzate a una distanza di diversi chilometri. Questo è un atomo, il "peso" è il nucleo e le "particelle di polvere" sono gli elettroni. Qualunque cosa tu faccia con queste particelle di polvere, non daranno nemmeno un centesimo dell'energia che può essere ottenuta da un peso pesante. Soprattutto se, per qualche ragione, si divide e frammenti enormi si disperdono in direzioni diverse a grande velocità.

Un'esplosione nucleare attiva il potenziale di legame delle particelle pesanti che compongono il nucleo. Ma questo è lontano dal limite: c'è molta più energia latente nella materia. E il nome di questa energia è massa. Ancora una volta, per un non fisico, questo suona un po' insolito, ma la massa è energia, solo estremamente concentrata. Ogni particella: un elettrone, un protone, un neutrone: tutti questi sono piccoli grumi di energia incredibilmente densa, che per il momento rimane a riposo. Probabilmente conoscete la formula E=mc2, tanto amata dagli autori di battute, dai redattori di giornali murali e dai progettisti delle aule scolastiche. Si tratta di questo, ed è lei che postula la massa come nient'altro che una forma di energia. E dà anche una risposta alla domanda su quanta energia si può ottenere al massimo da una sostanza.

Il processo di transizione completa della massa, cioè dell'energia legata, nell'energia libera è chiamato annientamento. Dalla radice latina "nihil" è facile intuire la sua essenza: questa è una trasformazione in "nulla", o meglio, in radiazione. Per chiarezza, alcuni numeri.

Esplosione TNT equivalente Energia (J)

Granata F-1 60 grammi 2,50*105

Bomba sganciata su Hiroshima da 16 kilotoni 6,70*1013

Annientamento di un grammo di materia 21,5 kilotoni 8,99*1013

Un grammo di qualsiasi materia (solo la massa è importante) darà più energia durante l'annientamento di una piccola bomba nucleare. Rispetto a un tale ritorno, gli esercizi dei fisici sulla scissione del nucleo sembrano ridicoli, e ancor di più gli esperimenti dei chimici con i reagenti attivi.

Per l'annientamento sono necessarie condizioni appropriate, cioè il contatto della materia con l'antimateria. E, a differenza del "mercurio rosso" o della "pietra filosofale", l'antimateria è più che reale - poiché le particelle a noi note esistono e sono state studiate antiparticelle simili e sono stati ripetutamente condotti esperimenti sull'annichilazione delle coppie "elettrone + positrone" in pratica. Ma per creare un'arma di annientamento, è necessario riunire una certa quantità significativa di antiparticelle, nonché limitarle dal contatto con qualsiasi materia fino, appunto, a uso in combattimento. Questa, pah-pah, è ancora una prospettiva lontana.

difetto di massa

L'ultima domanda che resta da chiarire riguardo alla meccanica dell'esplosione è da dove viene l'energia: la stessa che si sprigiona durante la reazione a catena? Anche qui c'è stata una messa. O meglio, senza il suo "difetto".

Fino al secolo scorso, gli scienziati credevano che la massa si conservasse in qualsiasi condizione e avevano ragione a modo loro. Quindi abbiamo abbassato il metallo in acido: la storta ha iniziato a bollire e bolle di gas sono salite attraverso lo spessore del liquido. Ma se pesiamo i reagenti prima e dopo la reazione, senza dimenticare il gas evoluto, la massa converge. E sarà sempre così, finché operiamo con chilogrammi, metri e reazioni chimiche.

Ma vale la pena approfondire il campo delle microparticelle, oltre alla massa anche le sorprese. Si scopre che la massa di un atomo potrebbe non essere esattamente uguale alla somma delle masse delle particelle che lo compongono. Quando si dividono in parti di un nucleo pesante (ad esempio, lo stesso uranio), i "frammenti" in totale pesano meno del nucleo prima della fissione. La "differenza", chiamata anche difetto di massa, è la responsabilità delle energie di legame all'interno del nucleo. Ed è questa differenza che va in calore e radiazione durante l'esplosione, il tutto secondo la stessa semplice formula: E=mc2.

Questo è interessante: è successo così che è energeticamente vantaggioso dividere nuclei pesanti e unire nuclei leggeri. Il primo meccanismo funziona in una bomba all'uranio o al plutonio, il secondo - in una bomba all'idrogeno. E non puoi fare una bomba di ferro con tutto il tuo desiderio: sta esattamente nel mezzo di questa linea.

Bomba nucleare

In ordine storico, diamo prima un'occhiata alle bombe nucleari e realizziamo il nostro piccolo progetto Manhattan. Non ti annoierò con metodi noiosi di separazione degli isotopi e calcoli matematici della teoria della reazione a catena di fissione. Abbiamo uranio, plutonio, altri materiali, istruzioni di montaggio e la necessaria quantità di curiosità scientifica.

Tutti gli isotopi dell'uranio sono in una certa misura instabili. Ma l'uranio-235 è in una posizione speciale. Durante il decadimento spontaneo del nucleo dell'uranio-235 (chiamato anche decadimento alfa), si formano due frammenti (i nuclei di altri elementi molto più leggeri) e diversi neutroni (solitamente 2-3). Se il neutrone formato durante il decadimento colpisce il nucleo di un altro atomo di uranio, si verificherà una normale collisione elastica, il neutrone rimbalzerà e continuerà a cercare avventure. Ma dopo qualche tempo sprecherà energia (le collisioni idealmente elastiche si verificano solo nei cavalli sferici nel vuoto) e il prossimo nucleo si rivelerà una trappola: il neutrone verrà assorbito da esso. A proposito, in fisica un tale neutrone è chiamato neutrone termico.

Guarda l'elenco degli isotopi conosciuti dell'uranio. Tra loro non c'è isotopo con massa atomica 236. Sai perché? Un tale nucleo vive per frazioni di microsecondi e poi decade con il rilascio di un'enorme quantità di energia. Questo è chiamato decadimento forzato. Un isotopo con una tale durata è anche alquanto imbarazzante da chiamare un isotopo.

L'energia rilasciata durante il decadimento del nucleo di uranio-235 è l'energia cinetica di frammenti e neutroni. Se calcoliamo la massa totale dei prodotti di decadimento del nucleo di uranio e quindi la confrontiamo con la massa del nucleo originale, si scopre che queste masse non corrispondono: il nucleo originale era più grande. Questo fenomeno è chiamato difetto di massa e la sua spiegazione sta nella formula E0=mñ2. L'energia cinetica dei frammenti, divisa per il quadrato della velocità della luce, sarà esattamente uguale alla differenza di massa. I frammenti vengono decelerati nel reticolo cristallino dell'uranio, dando origine a raggi X, e i neutroni, dopo aver viaggiato, vengono assorbiti da altri nuclei di uranio o lasciano la colata di uranio, dove hanno luogo tutti gli eventi.

Se la colata di uranio è piccola, la maggior parte dei neutroni la lascerà senza avere il tempo di rallentare. Ma se ogni atto di decadimento forzato provoca almeno un altro dello stesso atto a causa del neutrone emesso, questa è già una reazione a catena di fissione autosufficiente.

Di conseguenza, se si aumenta la dimensione del getto, un numero crescente di neutroni provocherà atti di fissione forzata. E ad un certo punto la reazione a catena diventerà incontrollabile. Ma è ancora lontano da un'esplosione nucleare. Solo un'esplosione termica molto "sporca", in cui verrà rilasciato un gran numero di isotopi molto attivi e velenosi.

Una domanda abbastanza logica: quanto uranio-235 è necessario affinché la reazione a catena di fissione diventi una valanga? In realtà, non tutto è così semplice. Le proprietà del materiale fissile e il rapporto tra volume e superficie giocano un ruolo qui. Immagina una tonnellata di uranio-235 (prenoto subito - questo è molto), che esiste sotto forma di un filo sottile e molto lungo. Sì, un neutrone che vola lungo di esso, ovviamente, provocherà un atto di decadimento forzato. Ma la frazione di neutroni che volano lungo il filo si rivelerà così piccola che è semplicemente ridicolo parlare di una reazione a catena autosufficiente.

Pertanto, abbiamo deciso di considerare la massa critica per una colata sferica. Per l'uranio-235 puro, la massa critica è di 50 kg (questa è una palla con un raggio di 9 cm). Capisci che una palla del genere non durerà a lungo, però, come chi la lancia.

Se, d'altra parte, una palla di massa minore è circondata da un riflettore di neutroni (il berillio è perfetto per questo) e un materiale viene introdotto nella palla - un moderatore di neutroni (acqua, acqua pesante, grafite, lo stesso berillio) , allora la massa critica diventerà molto più piccola. Utilizzando i riflettori e moderatori di neutroni più efficienti, è possibile aumentare la massa critica a 250 grammi. Questo, ad esempio, può essere ottenuto ponendo una soluzione satura di sale di uranio-235 in acqua pesante in un contenitore sferico di berillio.

La massa critica esiste non solo per l'uranio-235. Esistono numerosi isotopi capaci di una reazione a catena di fissione. La condizione principale è che i prodotti di decadimento del nucleo debbano provocare atti di decadimento di altri nuclei.

Quindi, abbiamo due getti emisferici di uranio del peso di 40 kg ciascuno. Finché saranno a rispettosa distanza l'uno dall'altro, tutto sarà calmo. E se inizi a muoverli lentamente? Contrariamente alla credenza popolare, non accadrà nulla di simile a un fungo. È solo che i pezzi inizieranno a riscaldarsi man mano che si avvicinano e poi, se non cambi idea in tempo, si scalderanno. Alla fine, si scioglieranno e si diffonderanno semplicemente e tutti coloro che hanno spostato i getti daranno quercia dall'irradiazione di neutroni. E coloro che hanno guardato questo con interesse incolleranno le loro pinne.

E se fosse più veloce? Sciogliere più velocemente. Ancora più veloce? Sciogliere ancora più velocemente. Raffreddare? Sì, anche abbassarlo in elio liquido: non avrà senso. E se spari un pezzo all'altro? Oh! Il momento della verità. Abbiamo appena escogitato uno schema di cannoni all'uranio. Tuttavia, non abbiamo nulla di cui essere particolarmente orgogliosi, questo schema è il più semplice e ingenuo possibile. Sì, e gli emisferi dovranno essere abbandonati. Come ha dimostrato la pratica, non tendono ad aderire uniformemente agli aerei. La minima distorsione - e ottieni un "mazzo" molto costoso, dopo di che ci vorrà molto tempo per ripulire.

Sarebbe meglio realizzare un tubo corto di uranio-235 a pareti spesse con una massa di 30-40 kg, al cui foro attaccheremo una canna d'acciaio ad alta resistenza dello stesso calibro, caricata con un cilindro dello stesso uranio di massa approssimativamente uguale. Cerchiamo di circondare il bersaglio di uranio con un riflettore di neutroni al berillio. Ora, se spari un "proiettile" di uranio contro un "tubo" di uranio, ci sarà un "tubo" pieno. Cioè, ci sarà un'esplosione nucleare. Devi solo sparare seriamente, in modo che la velocità iniziale del proiettile di uranio sia di almeno 1 km / s. Altrimenti, ci sarà di nuovo un "mazzo", ma più forte. Il fatto è che quando il proiettile e il bersaglio si avvicinano, si riscaldano così tanto che iniziano a evaporare intensamente dalla superficie, rallentati dai flussi di gas in arrivo. Inoltre, se la velocità è insufficiente, c'è la possibilità che il proiettile semplicemente non raggiunga il bersaglio, ma evapori lungo il percorso.

Disperdere a una tale velocità un disco del peso di diverse decine di chilogrammi e su un segmento di un paio di metri è un compito estremamente difficile. Ecco perché non avrai bisogno di polvere da sparo, ma di un potente esplosivo in grado di creare la giusta pressione del gas nella canna in brevissimo tempo. E poi non devi pulire la canna, non preoccuparti.

La bomba Mk-I "Little Boy" sganciata su Hiroshima è stata progettata esattamente secondo lo schema del cannone.

Ci sono, ovviamente, piccoli dettagli di cui non abbiamo tenuto conto nel nostro progetto, ma non abbiamo peccato completamente contro il principio stesso.

Così. Abbiamo fatto esplodere la bomba all'uranio. Mi è piaciuto il fungo. Ora faremo esplodere il plutonio. Basta non trascinare un bersaglio, proiettili, barili e altri rifiuti qui. Questo numero con plutonio non funzionerà. Anche se spariamo da un pezzo all'altro a una velocità di 5 km / s, un assemblaggio supercritico non funzionerà comunque. Il plutonio-239 avrà il tempo di riscaldarsi, evaporare e rovinare tutto ciò che lo circonda. La sua massa critica è di poco superiore ai 6 kg. Puoi immaginare quanto sia più attivo in termini di cattura dei neutroni.

Il plutonio è un metallo insolito. A seconda della temperatura, della pressione e delle impurità, esiste in sei modificazioni del reticolo cristallino. Ci sono anche modifiche in cui si restringe quando riscaldato. Le transizioni da una fase all'altra possono essere effettuate bruscamente, mentre la densità del plutonio può cambiare del 25%, facciamo una deviazione, come tutti i normali eroi. Ricordiamo che la massa critica è determinata, in particolare, dal rapporto tra volume e superficie. Ok, abbiamo una palla di massa subcritica, che ha una superficie minima per un dato volume. Diciamo 6 chili. Il raggio della palla è di 4,5 cm E se questa palla fosse compressa da tutti i lati? La densità aumenterà in proporzione al cubo di compressione lineare e la superficie diminuirà in proporzione al suo quadrato. Ed ecco cosa succede: gli atomi di plutonio diventeranno più densi, cioè si ridurrà la distanza di arresto del neutrone, il che significa che aumenterà la probabilità del suo assorbimento. Ma, ancora una volta, la compressione alla velocità desiderata (circa 10 km / s) non funzionerà ancora. Senza uscita? E qui non lo è.

A 300°C si instaura la cosiddetta fase delta, la più libera. Se il plutonio viene drogato con gallio, riscaldato a questa temperatura e quindi raffreddato lentamente, la fase delta può esistere anche a temperatura ambiente. Ma non sarà stabile. Ad alta pressione (dell'ordine di decine di migliaia di atmosfere) ci sarà una brusca transizione verso una fase alfa molto densa.

Mettiamo una palla di plutonio in una palla cava grande (diametro 23 cm) e pesante (120 kg) di uranio-238. Non preoccuparti, non ha massa critica. Ma riflette perfettamente i neutroni veloci. E ci saranno ancora utili, pensi che l'abbiano fatto saltare in aria? Non importa come. Il plutonio è un'entità infernale e capricciosa. Devo ancora lavorare. Facciamo due emisferi di plutonio nella fase delta. Formiamo una cavità sferica al centro. E in questa cavità collocheremo la quintessenza del pensiero sulle armi nucleari: un iniziatore di neutroni. Questa è una piccola palla di berillio cava con un diametro di 20 e uno spessore di 6 mm. Al suo interno c'è un'altra palla di berillio con un diametro di 8 mm. Ci sono profonde scanalature sulla superficie interna della sfera cava. Tutto questo è generosamente nichelato e ricoperto d'oro. Il polonio-210 è posizionato nelle scanalature, che emette attivamente particelle alfa. Questo è il miracolo della tecnologia. Come funziona? Aspetta un secondo. Abbiamo ancora alcune cose da fare.

Cerchiamo di circondare il guscio di uranio con un altro, fatto di lega di alluminio con boro. Il suo spessore è di circa 13 cm In totale, la nostra "matrioska" è ora ingrassata fino a mezzo metro e recuperata da 6 a 250 kg.

Ora rendiamo "lenti" l'implosione. Immagina un pallone da calcio. Classico, composto da 20 esagoni e 12 pentagoni. Faremo una tale "palla" da esplosivi e forniremo a ciascuno dei segmenti diversi detonatori elettrici. Lo spessore del segmento è di circa mezzo metro. Nella produzione di "lenti" ci sono anche molte sottigliezze, ma se vengono descritte, non ci sarà abbastanza spazio per tutto il resto. La cosa principale è la massima precisione degli obiettivi. Il minimo errore - e l'intero gruppo sarà schiacciato dall'azione esplosiva degli esplosivi. L'assieme completo ha ora un diametro di circa un metro e mezzo e una massa di 2,5 tonnellate. Il progetto è completato da un circuito elettrico, il cui compito è quello di far esplodere i detonatori in una sequenza rigorosamente definita con una precisione di un microsecondo.

Tutto. Davanti a noi c'è uno schema di implosione del plutonio.

E ora - il più interessante.

Durante la detonazione, l'esplosivo comprime l'assieme e lo "spintatore" di alluminio non consente al decadimento dell'onda d'urto di diffondersi, propagandosi verso l'interno dopo il suo fronte. Dopo aver attraversato l'uranio con una controvelocità di circa 12 km/s, l'onda di compressione condenserà sia esso che il plutonio. Il plutonio a pressioni nella zona di compressione dell'ordine di centinaia di migliaia di atmosfere (l'effetto della focalizzazione del fronte esplosivo) salterà nella fase alfa. In 40 microsecondi, l'assieme uranio-plutonio qui descritto diventerà non solo supercritico, ma diverse volte maggiore della massa critica.

Dopo aver raggiunto l'iniziatore, l'onda di compressione schiaccerà la sua intera struttura in un monolite. In questo caso, l'isolamento in oro-nichel crollerà, il polonio-210 penetrerà nel berillio a causa della diffusione, le particelle alfa emesse da esso passando attraverso il berillio provocheranno un flusso colossale di neutroni che avviano una reazione a catena di fissione nell'intero volume di plutonio, e il flusso di neutroni "veloci" nati dal decadimento del plutonio causerà un'esplosione di uranio-238. Fatto, abbiamo coltivato il secondo fungo, non peggiore del primo.

Un esempio di uno schema di implosione del plutonio è la bomba Mk-III "Fatman" sganciata su Nagasaki.

Tutti i trucchi qui descritti sono necessari per forzare la reazione importo massimo nuclei atomici di plutonio. Il compito principale è mantenere la carica in uno stato compatto il più a lungo possibile, per non lasciarla disperdere in una nuvola di plasma, in cui la reazione a catena si fermerà istantaneamente. Qui, ogni microsecondo guadagnato è un aumento di uno o due kilotoni di potenza.

bomba termonucleare

C'è una credenza popolare che una bomba nucleare sia una miccia per una termonucleare. In linea di principio, tutto è molto più complicato, ma l'essenza viene catturata correttamente. Armi basate sui principi fusione termonucleare, ha permesso di raggiungere una tale potenza di esplosione che in nessun caso può essere raggiunta da una reazione a catena di fissione. Ma l'unica fonte di energia finora che permette di "dare fuoco" al termo reazione nucleare la fusione è un'esplosione nucleare.

Ricordi come io e te abbiamo "alimentato" il nucleo di idrogeno con i neutroni? Quindi, se provi a connettere due protoni insieme in questo modo, non ne verrà fuori nulla. I protoni non si uniranno a causa delle forze repulsive di Coulomb. O voleranno via, o si verificherà un decadimento beta e uno dei protoni diventerà un neutrone. Ma l'elio-3 esiste. Grazie a un singolo neutrone, che rende i protoni più accomodanti tra loro.

In linea di principio, sulla base della composizione del nucleo di elio-3, si può concludere che un nucleo di elio-3 può essere completamente assemblato da nuclei di protio e deuterio. Teoricamente, questo è vero, ma una tale reazione può avvenire solo nelle profondità di stelle grandi e calde. Inoltre, nelle profondità delle stelle, anche dai soli protoni, si può raccogliere elio, trasformandone alcuni in neutroni. Ma queste sono questioni di astrofisica e l'opzione realizzabile per noi è quella di unire due nuclei di deuterio o deuterio e trizio.

La fusione nucleare richiede una condizione molto specifica. Questa è una temperatura molto alta (109 K). Solo a un'energia cinetica media dei nuclei di 100 kiloelettronvolt sono in grado di avvicinarsi alla distanza alla quale l'interazione forte inizia a superare l'interazione di Coulomb.

Domanda abbastanza legittima: perché recintare questo giardino? Il fatto è che durante la sintesi dei nuclei leggeri viene rilasciata un'energia dell'ordine di 20 MeV. Naturalmente, con la fissione forzata del nucleo di uranio, questa energia è 10 volte maggiore, ma c'è un avvertimento: con i più grandi trucchi, una carica di uranio con una capacità anche di 1 megaton è impossibile. Anche per una bomba al plutonio più avanzata, la resa energetica ottenibile non supera i 7-8 kilotoni per chilogrammo di plutonio (con un massimo teorico di 18 kilotoni). E non dimenticare che un nucleo di uranio è quasi 60 volte più pesante di due nuclei di deuterio. Se consideriamo il rendimento energetico specifico, la fusione termonucleare è notevolmente avanti.

Eppure - per una carica termonucleare non ci sono restrizioni sulla massa critica. Semplicemente non ce l'ha. Ci sono, tuttavia, altre restrizioni, ma su di esse - di seguito.

In linea di principio, avviare una reazione termonucleare come fonte di neutroni è abbastanza facile. È molto più difficile gestirlo come fonte di energia. Qui ci troviamo di fronte al cosiddetto criterio di Lawson, che determina il vantaggio energetico di una reazione termonucleare. Se il prodotto della densità dei nuclei reagenti per il tempo della loro ritenzione alla distanza di fusione è maggiore di 1014 sec/cm3, l'energia data dalla fusione supererà l'energia immessa nel sistema.

È stato il raggiungimento di questo criterio a cui sono stati dedicati tutti i programmi termonucleari.

La prima idea di Edward Teller per una bomba termonucleare fu come cercare di costruire una bomba al plutonio partendo dal progetto di un cannone. Cioè, tutto sembra essere corretto, ma non funziona. Il "classico super" dispositivo - deuterio liquido in cui è immersa una bomba al plutonio - era davvero classico, ma tutt'altro che super.

L'idea di un'esplosione di una carica nucleare in un mezzo di deuterio liquido si è rivelata un vicolo cieco fin dall'inizio. In tali condizioni, una piccola quantità di resa energetica della fusione termonucleare potrebbe essere ottenuta facendo esplodere una carica nucleare con una potenza di 500 kt. E non c'era assolutamente bisogno di parlare di raggiungere il criterio di Lawson.

Anche l'idea di circondare la carica di innesco nucleare con strati di combustibile termonucleare, intervallati da uranio-238 come isolante termico e amplificatore di esplosione, è venuta alla mente di Teller. E non solo a lui. Le prime bombe termonucleari sovietiche furono costruite secondo questo schema. Il principio era abbastanza semplice: una carica nucleare riscalda il combustibile termonucleare alla temperatura di inizio della fusione e i neutroni veloci nati durante la fusione fanno esplodere strati di uranio-238. Tuttavia, la limitazione è rimasta la stessa: alla temperatura che potrebbe fornire un innesco nucleare, solo una miscela di deuterio a buon mercato e trizio incredibilmente costoso potrebbe entrare in una reazione di fusione.

Teller in seguito ha avuto l'idea di utilizzare un composto di deuteride di litio-6. Questa decisione ha permesso di abbandonare contenitori criogenici costosi e scomodi con deuterio liquido. Inoltre, a seguito dell'irradiazione con neutroni, il litio-6 è stato convertito in elio e trizio, che sono entrati in una reazione di fusione con il deuterio.

Lo svantaggio di questo schema era la potenza limitata: solo una parte limitata del combustibile termonucleare che circondava il grilletto aveva il tempo di entrare nella reazione di fusione. Il resto, non importa quanto fosse, è andato in malora. La massima potenza di carica ottenuta utilizzando il "puff" era di 720 kt (bomba British Orange Herald). Apparentemente, era il "soffitto".

Abbiamo già parlato della storia dello sviluppo dello schema Teller-Ulam. Esaminiamo ora i dettagli tecnici di questo schema, chiamato anche "schema a due stadi" o "schema di compressione delle radiazioni".

Il nostro compito è riscaldare il combustibile di fusione e mantenerlo in un certo volume per soddisfare il criterio di Lawson. Tralasciando gli esercizi americani con schemi criogenici, prendiamo il deuteruro di litio-6 già noto a noi come combustibile termonucleare.

Scegliamo l'uranio-238 come materiale del contenitore per la carica termonucleare. Il contenitore è cilindrico. Lungo l'asse del contenitore al suo interno, posizioniamo un'asta cilindrica di uranio-235, che ha una massa subcritica.

Nota: la bomba al neutrone che fece un tonfo in quel momento è lo stesso schema Teller-Ulam, ma senza una barra di uranio lungo l'asse del contenitore. Il punto è fornire un potente flusso di neutroni veloci, ma non permettere il burnout di tutto il combustibile termonucleare, che consumerà neutroni.

Il resto dello spazio libero del contenitore sarà riempito con deuteruro di litio-6. Posizioniamo il contenitore a un'estremità del corpo della futura bomba (questo sarà il secondo stadio per noi), e all'altra estremità monteremo la solita carica di plutonio con una capacità di diversi kilotoni (il primo stadio). Tra le cariche nucleari e termonucleari installeremo una partizione di uranio-238, che impedisce il riscaldamento prematuro del deuteruro di litio-6. Riempiamo il resto dello spazio libero all'interno del corpo della bomba con un polimero solido. In linea di principio, la bomba termonucleare è pronta.

Quando una carica nucleare viene fatta esplodere, l'80% dell'energia viene rilasciata sotto forma di raggi X. La velocità della sua propagazione è molto più alta della velocità di propagazione dei frammenti di fissione del plutonio. Dopo centesimi di microsecondo, lo schermo di uranio evapora e la radiazione di raggi X inizia ad essere assorbita intensamente dall'uranio del contenitore della carica termonucleare. Come risultato della cosiddetta ablazione (ablazione di massa dalla superficie di un contenitore riscaldato), si genera una forza reattiva che comprime il contenitore 10 volte. È questo effetto che viene chiamato implosione di radiazioni o compressione da radiazioni. In questo caso, la densità del combustibile termonucleare aumenta di un fattore 1000. A causa della colossale pressione dell'implosione di radiazioni, anche l'asta centrale di uranio-235 viene sottoposta a compressione, sebbene in misura minore, e va in uno stato supercritico. A questo punto, l'unità termonucleare viene bombardata da neutroni veloci. esplosione nucleare. Dopo essere passati attraverso il deuteruro di litio-6, rallentano e vengono assorbiti intensamente dalla bacchetta di uranio.

Una reazione a catena di fissione inizia nell'asta, portando rapidamente a un'esplosione nucleare all'interno del contenitore. Poiché il deuteruro di litio-6 è soggetto a compressione ablativa dall'esterno e alla pressione di un'esplosione nucleare dall'interno, la sua densità e temperatura aumentano ancora di più. Questo momento è l'inizio dell'inizio della reazione di fusione. La sua ulteriore manutenzione è determinata da quanto tempo il contenitore manterrà al suo interno i processi termonucleari, senza far uscire energia termica. Questo è ciò che determina il raggiungimento del criterio di Lawson. Il consumo di combustibile termonucleare procede dall'asse del cilindro al suo bordo. La temperatura del fronte di combustione raggiunge i 300 milioni di kelvin. Il pieno sviluppo dell'esplosione fino all'esaurimento del combustibile da fusione e alla distruzione del contenitore richiede un paio di centinaia di nanosecondi, venti milioni di volte più velocemente di quanto leggi questa frase.

Il funzionamento affidabile del circuito a due stadi dipende dal montaggio preciso del contenitore e dalla prevenzione del suo riscaldamento prematuro.

La potenza di una carica termonucleare per lo schema Teller-Ulam dipende dalla potenza del trigger nucleare, che garantisce un'efficace compressione per radiazione. Tuttavia, ora ci sono anche schemi multistadio in cui l'energia della fase precedente viene utilizzata per comprimere quella successiva. Un esempio di uno schema in tre fasi è la già citata "madre di Kuzkin" da 100 megatoni.

Alcuni dei neutroni rilasciati nella reazione di fissione fuoriescono dalla sfera di reazione o vengono catturati senza produrre fissione. Se vengono create condizioni in cui la velocità di perdita di neutroni sarà maggiore della velocità di rilascio di nuovi neutroni durante la fissione, la reazione a catena in queste condizioni cesserà di essere autosufficiente, cioè si fermerà. In questo caso, verrà rilasciata dell'energia, ma non sarà sufficiente e la velocità di rilascio di nuovi neutroni sarà troppo bassa per causare un'esplosione efficace. Pertanto, per realizzare un'esplosione nucleare, è necessario creare condizioni in cui la perdita di neutroni sarebbe minima. In connessione con questo, in particolare importanza hanno neutroni che volano fuori dalla massa di materiale fissile e non prendono parte alla reazione di fissione.

La fuga dei neutroni dalla sfera di reazione avviene attraverso la superficie esterna della massa di uranio (o plutonio). Di conseguenza, il tasso di perdita di neutroni dovuto alla loro fuga dalla massa di materiale fissile sarà determinato dalla dimensione della superficie di questa massa. D'altra parte, il processo di fissione, a seguito del quale vengono rilasciati molti nuovi neutroni, si verifica nell'intera massa del materiale fissile, e quindi la velocità di rilascio di questi neutroni dipende dall'entità di questa massa. Con un aumento del volume del materiale fissile, il rapporto tra la sua superficie e la sua massa diminuisce; di conseguenza, il rapporto tra il numero di neutroni persi (espulsi) e il numero di nuovi neutroni rilasciati durante la reazione di fissione diminuirà in questo caso.

Questa posizione è più comprensibile se si considera il disegno a destra, che mostra due pezzi sferici di materiale fissile, uno dei quali è più grande dell'altro; in entrambi i casi, il processo di fissione inizia con un singolo neutrone, mostrato nella figura come un punto in un cerchio. Si presume che ad ogni atto di fissione vengano rilasciati tre neutroni, ovvero venga catturato un neutrone

Se la massa dell'uranio o del plutonio è piccola, cioè se il rapporto tra superficie e volume è grande, il numero di neutroni persi a causa del volo risulterà così grande che la creazione di una fissione nucleare reazione a catena e, di conseguenza, l'attuazione di un'esplosione nucleare sarà impossibile. Ma con un aumento della massa di uranio o plutonio, la perdita positiva di neutroni diminuisce e arriva un punto in cui la reazione a catena può diventare autosufficiente. La quantità di materiale fissile corrispondente a questo momento è chiamata massa critica.

Pertanto, affinché si verifichi un'esplosione nucleare, è necessario che l'arma nucleare contenga una quantità sufficiente di uranio o plutonio che superi la massa critica in determinate condizioni. Infatti la massa critica dipende, tra l'altro, dalla forma del pezzo di materiale fissile, dalla sua composizione e dal grado di contaminazione con impurità estranee che possono assorbire neutroni senza subire fissione. Circondando il materiale fissile con un guscio appropriato - un riflettore di neutroni, è possibile ridurre la perdita di neutroni dovuta alla loro emissione e, di conseguenza, ridurre la massa critica. Inoltre, gli elementi con alta densità e una buona riflettività per i neutroni ad alta energia, forniscono anche una certa inerzia del materiale fissile, ritardandone l'espansione al momento dell'esplosione. Il riflettore di neutroni, grazie al suo effetto schermante e alle proprietà inerziali, consente un uso più efficiente del materiale fissile in un'arma nucleare.

Per eseguire una reazione a catena di fissione, è necessario creare un mezzo di riproduzione costituito da materiale fissile puro o materiale fissile e un moderatore, la cui composizione garantisce lo sviluppo della reazione. Va notato che i materiali strutturali saranno inevitabilmente presenti in questo ambiente. Tuttavia, la selezione di un mezzo di riproduzione con i parametri richiesti non fornisce ancora tutte le condizioni per una reazione a catena. Con una piccola dimensione e, di conseguenza, la massa del mezzo di riproduzione, la maggior parte dei neutroni che ne derivano voleranno via senza avere il tempo di causare la fissione e non si verificherà una reazione a catena autosufficiente (SCR). La perdita di neutroni da un volume con un mezzo di riproduzione porta allo stesso risultato del loro assorbimento senza fissione.

All'aumentare delle dimensioni del mezzo di riproduzione, aumenta la lunghezza media del percorso dei neutroni al suo interno e, di conseguenza, il numero di collisioni con i nuclei, seguite dalla fissione e dalla comparsa di nuovi neutroni.Per descrivere il comportamento del reattore nel tempo , abbiamo usato fattore di moltiplicazione k eff - il rapporto tra il numero di neutroni nella generazione successiva e il numero di neutroni in quella precedente. In questa interpretazione, con un aumento della dimensione del mezzo, keff cresce da zero a zero probabilità di fissione a valori maggiori dell'unità, con un aumento simile a una valanga del numero di neutroni in una serie di generazioni.

Con k eff uguale a uno, l'intensità del processo di fissione non cambia nel tempo: il processo è autosufficiente e un tale sistema è chiamato critico . A keff< 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют subcritico . Quando k eff > 1, il sistema supercritico.

Viene chiamata la massa minima di materiale fissile richiesta per effettuare una reazione di fissione autosufficiente massa critica . Se la massa supera quella critica, in ogni generazione successiva nasceranno più neutroni rispetto alla precedente e si svilupperà la reazione a catena. Il valore della massa critica dipende dalle proprietà del nuclide fissile (235 U o 239 Pu), dalla composizione del mezzo di riproduzione e dal suo ambiente. La massa critica può variare da poche centinaia di grammi nei dispositivi sperimentali a decine di chilogrammi nelle testate nucleari e diverse tonnellate nei grandi reattori di potenza. Ritenere reattore nucleare sull'uranio naturale. Al suo interno può verificarsi una reazione a catena autosufficiente se il numero di neutroni secondari prodotti dalla fissione e in grado di causare un'ulteriore fissione è sufficiente per mantenere la velocità di fissione nel reattore a un livello costante.

Molti dei nostri lettori associano la bomba all'idrogeno con la bomba atomica, solo molto più potente. In effetti, questa è un'arma fondamentalmente nuova che ha richiesto sforzi intellettuali sproporzionatamente grandi per la sua creazione e funziona su principi fisici fondamentalmente diversi.

L'unica cosa che la bomba atomica e la bomba all'idrogeno hanno in comune è che entrambe rilasciano l'energia colossale nascosta nel nucleo atomico. Questo può essere fatto in due modi: dividere i nuclei pesanti, come l'uranio o il plutonio, in nuclei più leggeri (reazione di fissione) o forzare la fusione degli isotopi dell'idrogeno più leggeri (reazione di fusione). Come risultato di entrambe le reazioni, la massa del materiale risultante è sempre meno massa atomi di partenza. Ma la massa non può scomparire senza lasciare traccia: si trasforma in energia secondo la famosa formula di Einstein E=mc 2 .

Per creare una bomba atomica, una condizione necessaria e sufficiente è ottenere materiale fissile in quantità sufficienti. Il lavoro è piuttosto laborioso, ma non molto intellettuale, ed è più vicino all'industria mineraria che all'alta scienza. Le risorse principali nella creazione di tali armi vanno alla costruzione di gigantesche miniere di uranio e impianti di arricchimento. Prova della semplicità del dispositivo è il fatto che tra la produzione del plutonio necessario per la prima bomba e la prima esplosione nucleare sovietica è trascorso meno di un mese.

Ricordiamo brevemente il principio di funzionamento di una tale bomba, nota dal corso di fisica scolastica. Si basa sulla proprietà dell'uranio e di alcuni elementi transuranici, come il plutonio, di rilasciare più di un neutrone durante il decadimento. Questi elementi possono decadere sia spontaneamente che sotto l'influenza di altri neutroni.

Il neutrone rilasciato può lasciare il materiale radioattivo o può entrare in collisione con un altro atomo, provocando un'altra reazione di fissione. Quando viene superata una certa concentrazione di una sostanza (massa critica), il numero di neutroni neonati che causano un'ulteriore fissione del nucleo atomico inizia a superare il numero di nuclei in decomposizione. Il numero di atomi in decadimento inizia a crescere come una valanga, dando vita a nuovi neutroni, cioè si verifica una reazione a catena. Per l'uranio-235 la massa critica è di circa 50 kg, per il plutonio-239 è di 5,6 kg. Cioè, una palla di plutonio che pesa poco meno di 5,6 kg è solo un pezzo di metallo caldo e un po' più di massa esiste solo per pochi nanosecondi.

In realtà il funzionamento della bomba è semplice: prendiamo due emisferi di uranio o plutonio, ciascuno leggermente inferiore alla massa critica, li poniamo a una distanza di 45 cm, li copriamo di esplosivo ed esplodiamo. L'uranio o il plutonio viene sinterizzato in un pezzo di massa supercritica e inizia una reazione nucleare. Tutto. C'è un altro modo per avviare una reazione nucleare: comprimere un pezzo di plutonio con una potente esplosione: la distanza tra gli atomi diminuirà e la reazione inizierà con una massa critica inferiore. Tutti i moderni detonatori atomici funzionano secondo questo principio.

I problemi della bomba atomica iniziano dal momento in cui si vuole aumentare la potenza dell'esplosione. È indispensabile un semplice aumento del materiale fissile: non appena la sua massa raggiunge un livello critico, esplode. Sono stati escogitati vari schemi ingegnosi, ad esempio, per realizzare una bomba non da due parti, ma da molte, che hanno fatto iniziare la bomba a somigliare a un'arancia sventrata, e quindi assemblarla in un unico pezzo con un'esplosione, ma comunque con una potenza di oltre 100 kilotoni, i problemi divennero insormontabili.

Ma il combustibile per la fusione termonucleare non ha una massa critica. Qui il Sole, pieno di combustibile termonucleare, è sospeso in alto, al suo interno è in corso una reazione termonucleare per un miliardo di anni e nulla esplode. Inoltre, durante la reazione di fusione, ad esempio, deuterio e trizio (isotopo pesante e superpesante dell'idrogeno), viene rilasciata 4,2 volte più energia rispetto a quando viene bruciata la stessa massa di uranio-235.

La fabbricazione della bomba atomica era più sperimentale che teorica. La creazione di una bomba all'idrogeno ha richiesto l'emergere di discipline fisiche completamente nuove: la fisica del plasma ad alta temperatura e delle pressioni altissime. Prima di iniziare a progettare una bomba, era necessario comprendere a fondo la natura dei fenomeni che si verificano solo nel nucleo delle stelle. Nessun esperimento potrebbe aiutare qui: gli strumenti dei ricercatori erano solo fisica teorica e matematica superiore. Non è un caso che un ruolo gigantesco nello sviluppo delle armi termonucleari spetti proprio ai matematici: Ulam, Tikhonov, Samarsky e così via.

classico super

Entro la fine del 1945, Edward Teller propose il primo progetto di bomba all'idrogeno, soprannominato il "classico super". Per creare la pressione e la temperatura mostruose necessarie per avviare la reazione di fusione, avrebbe dovuto utilizzare una bomba atomica convenzionale. Lo stesso "super classico" era un lungo cilindro pieno di deuterio. È stata inoltre fornita una camera di "accensione" intermedia con una miscela di deuterio-trizio: la reazione di sintesi di deuterio e trizio inizia a una pressione più bassa. Per analogia con un incendio, il deuterio avrebbe dovuto svolgere il ruolo di legna da ardere, una miscela di deuterio e trizio - un bicchiere di benzina e una bomba atomica - fiammiferi. Tale schema era chiamato "pipa", una specie di sigaro con un accendino atomico a un'estremità. Secondo lo stesso schema, i fisici sovietici iniziarono a sviluppare una bomba all'idrogeno.

Tuttavia, il matematico Stanislav Ulam ha dimostrato a Teller su un normale regolo calcolatore che il verificarsi di una reazione di fusione del deuterio puro in un "super" è difficilmente possibile e la miscela richiederebbe una tale quantità di trizio che per la sua produzione sarebbe necessario per congelare praticamente la produzione di plutonio per uso militare negli Stati Uniti.

Sfogliata di zucchero

A metà del 1946, Teller propose un altro schema per la bomba all'idrogeno: la "sveglia". Consisteva in strati sferici alternati di uranio, deuterio e trizio. Durante un'esplosione nucleare della carica centrale di plutonio, sono state create la pressione e la temperatura necessarie per avviare una reazione termonucleare in altri strati della bomba. Tuttavia, per la "sveglia" era richiesto un iniziatore atomico ad alta potenza e gli Stati Uniti (come, in effetti, l'URSS) hanno avuto problemi con la produzione di uranio e plutonio per uso militare.

Nell'autunno del 1948, Andrei Sakharov escogitò uno schema simile. In Unione Sovietica, il design era chiamato "sloika". Per l'URSS, che non aveva abbastanza tempo per produrre uranio-235 e plutonio-239 per armi, il soffio di Sakharov era una panacea. Ed ecco perché.

In una normale bomba atomica, l'uranio-238 naturale non è solo inutile (l'energia dei neutroni durante il decadimento non è sufficiente per avviare la fissione), ma anche dannoso, poiché assorbe avidamente neutroni secondari, rallentando la reazione a catena. Pertanto, l'uranio per uso militare è per il 90% isotopo di uranio-235. Tuttavia, i neutroni risultanti dalla fusione termonucleare sono 10 volte più energetici dei neutroni di fissione e l'uranio-238 naturale irradiato con tali neutroni inizia a fissione in modo eccellente. La nuova bomba ha permesso di utilizzare l'uranio-238 come esplosivo, che in precedenza era stato considerato un prodotto di scarto.

Il clou del "sbuffo" di Sakharov è stato anche l'uso di una sostanza cristallina a luce bianca, il deutride di litio 6 LiD, invece del trizio gravemente carente.

Come accennato in precedenza, una miscela di deuterio e trizio si accende molto più facilmente del deuterio puro. Tuttavia, è qui che finiscono i vantaggi del trizio, e rimangono solo gli svantaggi: allo stato normale, il trizio è un gas, che causa difficoltà di conservazione; il trizio è radioattivo e, mentre decade, si trasforma in elio-3 stabile, divorando attivamente i neutroni veloci tanto necessari, il che limita la durata di conservazione della bomba a pochi mesi.

Il deutride di litio non radioattivo, quando irradiato con neutroni a fissione lenta - le conseguenze dell'esplosione di una miccia atomica - si trasforma in trizio. Pertanto, la radiazione dell'esplosione atomica primaria in un istante produce trizio sufficiente per un'ulteriore reazione termonucleare e il deuterio è presente nel deuterio di litio sin dall'inizio.

Era una tale bomba, RDS-6, che fu testata con successo il 12 agosto 1953 sulla torre del sito di prova di Semipalatinsk. La potenza dell'esplosione era di 400 kilotoni, e le controversie non si sono ancora fermate se si trattasse di una vera esplosione termonucleare o di una superpotente esplosione atomica. In effetti, la reazione della fusione termonucleare nello sbuffo di Sakharov rappresentava non più del 20% della potenza di carica totale. Il principale contributo all'esplosione è stato dato dalla reazione di decadimento dell'uranio-238 irradiato con neutroni veloci, grazie alla quale gli RDS-6 hanno aperto l'era delle cosiddette bombe "sporche".

Il fatto è che la principale contaminazione radioattiva sono proprio i prodotti di decadimento (in particolare stronzio-90 e cesio-137). In sostanza, la "sloika" di Sakharov era una gigantesca bomba atomica, solo leggermente potenziata da una reazione termonucleare. Non è un caso che una sola esplosione della "sloika" abbia prodotto l'82% di stronzio-90 e il 75% di cesio-137, che è entrato nell'atmosfera durante l'intera storia dell'esistenza del sito di prova di Semipalatinsk.

bombe americane

Tuttavia, furono gli americani a far esplodere la prima bomba all'idrogeno. 1 novembre 1952 sull'atollo di Elugelab a l'oceano Pacifico Il dispositivo di fusione da 10 megatoni "Mike" è stato testato con successo. Definire una bomba un ordigno americano da 74 tonnellate può essere difficile. "Mike" era un dispositivo ingombrante delle dimensioni di una casa a due piani, riempito di deuterio liquido a una temperatura prossima allo zero assoluto (lo "sloika" di Sakharov era un prodotto completamente trasportabile). Tuttavia, il clou di "Mike" non erano le dimensioni, ma l'ingegnoso principio di compressione degli esplosivi termonucleari.

Ricordiamo che l'idea principale della bomba all'idrogeno è creare le condizioni per la fusione (pressione e temperatura elevatissime) attraverso un'esplosione nucleare. Nello schema "puff", la carica nucleare si trova al centro, e quindi non comprime il deuterio tanto quanto lo disperde verso l'esterno - un aumento della quantità di esplosivo termonucleare non porta ad un aumento di potenza - semplicemente non ha il tempo di esplodere. Questo è ciò che limita la potenza massima di questo schema: il "puff" Orange Herald più potente del mondo, fatto saltare in aria dagli inglesi il 31 maggio 1957, ha fornito solo 720 kilotoni.

Sarebbe l'ideale se la miccia atomica potesse esplodere all'interno, spremendo esplosivi termonucleari. ma come farlo? Edward Teller ha avanzato un'idea brillante: comprimere il combustibile termonucleare non mediante l'energia meccanica e il flusso di neutroni, ma mediante la radiazione della miccia atomica primaria.

Nel nuovo progetto di Teller, il nodo atomico iniziale era distanziato dall'unità termonucleare. La radiazione di raggi X durante il funzionamento della carica atomica ha superato l'onda d'urto e si è propagata lungo le pareti del corpo cilindrico, evaporando e trasformando in plasma il rivestimento interno in polietilene del corpo della bomba. Il plasma, a sua volta, ha irradiato nuovamente raggi X più morbidi, che sono stati assorbiti dagli strati esterni del cilindro interno di uranio-238 - lo "spingitore". Gli strati iniziarono ad evaporare in modo esplosivo (questo fenomeno è chiamato ablazione). Il plasma di uranio incandescente può essere paragonato ai getti di un motore a razzo super potente, la cui spinta è diretta nel cilindro con il deuterio. Il cilindro di uranio è crollato, la pressione e la temperatura del deuterio hanno raggiunto un livello critico. La stessa pressione ha compresso il tubo centrale di plutonio a una massa critica ed è esploso. L'esplosione della miccia al plutonio ha premuto contro il deuterio dall'interno, comprimendo e riscaldando ulteriormente l'esplosivo termonucleare, che è esploso. L'intenso flusso di neutroni divide i nuclei di uranio-238 nello spintore, provocando una reazione di decadimento secondaria. Tutto questo ha avuto il tempo di accadere prima del momento in cui l'onda d'urto dell'esplosione nucleare primaria ha raggiunto l'unità termonucleare. Il calcolo di tutti questi eventi che si verificano in miliardesimi di secondo richiedeva lo sforzo delle menti dei più forti matematici del pianeta. I creatori di "Mike" non hanno provato orrore per l'esplosione di 10 megatoni, ma un piacere indescrivibile: sono riusciti non solo a comprendere i processi che si verificano nel mondo reale solo nei nuclei delle stelle, ma anche a testare sperimentalmente le loro teorie organizzando le loro piccola stella sulla Terra.

Bravo

Superando i russi in termini di bellezza del loro design, gli americani non sono stati in grado di rendere compatto il loro dispositivo: hanno usato deuterio liquido super raffreddato invece del deutride di litio in polvere di Sakharov. A Los Alamos, hanno reagito allo sbuffo di Sakharov con una certa invidia: "invece di un'enorme mucca con un secchio di latte crudo, i russi usano un pacchetto di latte in polvere". Tuttavia, entrambe le parti non sono riuscite a nascondere i segreti l'una all'altra. Il 1 marzo 1954, vicino all'atollo di Bikini, gli americani testarono la bomba Bravo da 15 megatoni sul deutride al litio e il 22 novembre 1955 la prima bomba termonucleare sovietica a due stadi RDS-37 con una capacità di 1,7 megatoni esplose il sito di prova di Semipalatinsk, demolendo quasi la metà del sito di prova. Da allora, il design della bomba termonucleare ha subito lievi modifiche (ad esempio, uno scudo di uranio è apparso tra la bomba iniziale e la carica principale) ed è diventato canonico. E nel mondo non ci sono più misteri della natura su larga scala, che potrebbero essere risolti da un esperimento così spettacolare. È la nascita di una supernova.

Un po' di teoria Ci sono 4 reazioni in una bomba termonucleare e procedono molto rapidamente. Le prime due reazioni servono come fonte di materiale per la terza e la quarta, che, a temperature di esplosione termonucleare, procedono 30-100 volte più velocemente e danno una maggiore resa energetica. Pertanto, l'elio-3 e il trizio risultanti vengono immediatamente consumati. I nuclei degli atomi sono carichi positivamente e quindi si respingono. Affinché reagiscano, devono essere spinti frontalmente, superando la repulsione elettrica. Questo è possibile solo se si muovono ad alta velocità. La velocità degli atomi è direttamente correlata alla temperatura, che dovrebbe raggiungere i 50 milioni di gradi! Ma non è sufficiente riscaldare il deuterio a una tale temperatura; In natura, tali temperature a una tale densità si trovano solo nel nucleo delle stelle.