Termonuklearna bomba: uređaj. Prva termonuklearna bomba. Test termonuklearne bombe

Naš članak posvećen je povijesti stvaranja i općim načelima sinteze takvog uređaja kao što je termonuklearna bomba, koja se ponekad naziva i vodikova bomba. Umjesto oslobađanja energije eksplozije pri razdvajanju jezgara teških elemenata, kao što je uranij, ona ga još više generira spajanjem jezgara lakih elemenata (na primjer, izotopa vodika) u jedan teški (na primjer, helij).

Zašto je preferirana nuklearna fuzija?

U termonuklearnoj reakciji koja se sastoji u spajanju jezgri kemijskih elemenata koji sudjeluju u njoj, stvara se mnogo više energije po jedinici mase fizičkog uređaja nego u čistoj atomskoj bombi koja provodi reakciju nuklearne fisije.

U atomskoj bombi, raspadljivo nuklearno gorivo se brzo, pod djelovanjem energije detonacije konvencionalnih eksploziva, kombinira u malom sferičnom volumenu, gdje nastaje njegova takozvana kritična masa, i počinje reakcija fisije. U isto vrijeme, mnogi neutroni koji se oslobađaju iz fisijskih jezgri uzrokovat će fisiju drugih jezgri u masi goriva, koje također oslobađaju dodatne neutrone, što dovodi do lančane reakcije. Ona pokriva ne više od 20% goriva prije nego što bomba eksplodira, ili možda mnogo manje ako uvjeti nisu savršeni: tako da je u atomskim bombama Kid pao na Hirošimu i Masni hit Nagasaki, učinkovitost (ako je takav termin moguć) samo 1,38%, odnosno 13%.

Fuzija (ili sinteza) jezgre pokriva cijelu masu bombe i traje dok neutroni ne pronađu neizreagirano termonuklearno gorivo. Stoga su masa i eksplozivna snaga takve bombe teoretski neograničene. Takvo spajanje može se teoretski nastaviti beskonačno. Doista, termonuklearna bomba je jedan od potencijalnih uređaja sudnjeg dana koji može uništiti sav ljudski život.

Što je reakcija nuklearne fuzije?

Gorivo za fuzijsku reakciju jesu vodikovi izotopi deuterij ili tricij. Prvi se od običnog vodika razlikuje po tome što u svojoj jezgri, osim jednog protona, postoji i neutron, au jezgri tricija već postoje dva neutrona. U prirodnoj vodi jedan atom deuterija ima 7000 atoma vodika, ali njegova količina. sadržane u čaši vode, možete dobiti kao rezultat termonuklearne reakcije istu količinu topline kao i pri sagorijevanju 200 litara benzina. Na sastanku 1946. s političarima, ocem Amerikanca vodikova bomba Edward Teller je naglasio da deuterij daje više energije po gramu težine od urana ili plutonija, ali košta dvadeset centi po gramu u usporedbi s nekoliko stotina dolara po gramu goriva od nuklearne fisije. Tritij se u prirodi uopće ne javlja u slobodnom stanju, pa je mnogo skuplji od deuterija, s tržišnom cijenom od nekoliko desetaka tisuća dolara po gramu, ali se najveća količina energije oslobađa upravo u reakciji fuzije jezgara deuterija i tritija, pri čemu se formira i oslobađa jezgra atoma helija. neutron koji nosi 17,59 MeV viška energije

D + T → ⁴ He + n + 17,59 MeV.

Ova reakcija je shematski prikazana na donjoj slici. Je li puno ili malo? Kao što znate, sve je relativno. Dakle, energija od 1 MeV je oko 2,3 milijuna puta više od 1 kg ulja se oslobađa tijekom izgaranja. Kao posljedica toga, fuzija samo dvoje jezgre deuterija i tricija oslobađa onoliko energije koliko 2.3 2,3 10 ⁶ .5 17,59 = 40,5 ⁶ 10 ⁶ kg ulja koje se oslobađa tijekom izgaranja. Ali govorimo samo o dva atoma. Možete zamisliti koliko su visoki ulozi bili u drugoj polovici četrdesetih godina prošlog stoljeća, kada je pokrenut rad u Sjedinjenim Državama i SSSR-u, što je rezultiralo termonuklearnom bombom.

Kako je sve počelo

Već u ljeto 1942., na početku projekta atomske bombe u SAD-u (projekt Manheten) i kasnije u sličnom sovjetskom programu, mnogo prije nego što je bomba izgrađena na temelju fisija uranovih jezgri, pozornost je nekih sudionika tih programa privukla naprava, koja može koristiti mnogo snažniju termonuklearnu fuzijsku reakciju. U Sjedinjenim Američkim Državama, Edward Teller, već gore spomenuti, bio je pristaša tog pristupa, pa čak i, može se reći, njegovog apologeta. U SSSR-u, taj je smjer razvio Andrei Saharov, budući akademik i disident.

Za Tellera, njegova fuzija termonuklearne fuzije u godinama stvaranja atomske bombe igrala je prilično lošu uslugu. Kao sudionik na projektu na Manhattanu, inzistirao je na preusmjeravanju sredstava za provedbu vlastitih ideja, čija je svrha bila vodikova i termonuklearna bomba, što uprava nije voljela i uzrokovala napetost u odnosu. Budući da u to vrijeme termonuklearni smjer istraživanja nije bio podržan, nakon stvaranja atomske bombe, Teller je napustio projekt i uključio se u nastavu, kao i istraživanje elementarnih čestica.

Međutim, izbijanje Hladnog rata, a prije svega stvaranje i uspješno testiranje sovjetske atomske bombe 1949. godine, za žestoku antikomunističku Telleru postala je nova prilika da ostvari svoje znanstvene ideje. Vratio se u laboratorij u Los Alamosu, gdje je stvorena atomska bomba i zajedno s Stanislavom Ulamom i Corneliusom Everettom nastavio s izračunima.

Princip termonuklearne bombe

Da bi reakcija nuklearne fuzije počela, morate odmah zagrijati punjenje bombe na temperaturu od 50 milijuna stupnjeva. Shema termonuklearne bombe koju je predložio Teller koristi za ovu eksploziju male atomske bombe koja se nalazi unutar spremnika vodika. Može se tvrditi da su u razvoju njezina projekta u 40-ima prošlog stoljeća postojale tri generacije:

• varijanta blagajnika poznata kao "klasični super";
• složenije, ali i realnije izvedbe iz nekoliko koncentričnih sfera;
• Konačna verzija Teller-Ulam dizajna, koja je temelj svih trenutno operativnih termonuklearnih sustava naoružanja.

Slične SSSR dizajn termo-nuklearne bombe su prošle, s Andrejem Sakharovom na početku njihova stvaranja. Očigledno, on je potpuno samostalno i neovisno o Amerikancima (što nije slučaj sa sovjetskom atomskom bombom nastalom zajedničkim naporima znanstvenika i obavještajaca koji su radili u SAD-u) prošao sve gore navedene faze projektiranja.

Prve dvije generacije posjedovale su svojstvo da su imale niz "spojenih slojeva", od kojih je svaki ojačao neki aspekt prethodnog, au nekim slučajevima i povratna informacija. Nije bilo jasno razdvajanje primarne atomske bombe i sekundarne termonuklearne. Nasuprot tome, Teller-Ulamov razvoj termonuklearne bombe naglašeno razlikuje primarnu eksploziju, sekundarnu i, ako je potrebno, dodatnu eksploziju.

Uređaj termonuklearne bombe po principu Teller-Ulam

Mnoge njegove pojedinosti i dalje ostaju klasificirane, ali postoji dovoljno uvjerenja da sva termonuklearna oružja koja su trenutno dostupna koriste uređaj koji su napravili Edward Telleros i Stanislav Ulam u kojem se atomska bomba (tj. Primarno punjenje) koristi za generiranje zračenja, kao prototip komprimira i zagrijava termonuklearno gorivo. Andrej Saharov u Sovjetskom Savezu, očito, samostalno je smislio sličan koncept, koji je nazvao "trećom idejom".

Uređaj termonuklearne bombe u ovoj varijanti je shematski prikazan na slici ispod. Imao je cilindričan oblik, s grubo sferičnom primarnom atomskom bombom na jednom kraju. Sekundarni termonuklearni naboj u prvim, još neindustrijskim uzorcima, bio je iz tekućeg deuterija, nešto kasnije postao je čvrst iz kemijskog spoja zvanog litij deuterid.

Činjenica je da se u industriji litijev hidrid LiH već dugo koristi za prijenos nevodoničnih vodika. Osnivači bombe (ova ideja je prvi put korištena u SSSR-u) jednostavno su predložili da se izotop deuterija umjesto običnog vodika i spoji s litijem, budući da je mnogo lakše izvršiti bombu s čvrstim termonuklearnim nabojem.

Oblik sekundarnog naboja bio je cilindar smješten u posudu s olovnom (ili uranijskom) ljuskom. Između naboja nalazi se štit neutronske zaštite. Prostor između zidova kontejnera s termonuklearnim gorivom i bombe ispunjen je specijalnom plastikom, u pravilu, s ekspandiranim polistirenom. Sama bomba napravljena je od čelika ili aluminija.

Ovi obrasci su se promijenili u novijim nacrtima, kao što je prikazano na slici ispod. U njemu se primarni naboj sravni, poput lubenice ili lopte u američkom nogometu, a sekundarni naboj je sferičan. Takvi oblici se mnogo učinkovitije uklapaju u unutarnji volumen konusnih raketnih bojnih glava.

Sekvenca termonuklearne eksplozije

Kada primarna atomska bomba eksplodira, u prvim trenucima ovog procesa moćna X-zračenje (neutronski tok), koji je djelomično blokiran zaštitom neutrona, a reflektira se od unutarnje obloge tijela koje okružuje sekundarni naboj, tako da rendgenski zraci padaju simetrično na cijeloj njegovoj dužini.

U početnim fazama termonuklearne reakcije, neutroni iz atomske eksplozije apsorbira plastično punilo kako bi se spriječilo prebrzo zagrijavanje goriva.

X-zrake najprije uzrokuju gustu plastičnu pjenu koja ispunjava prostor između tijela i sekundarnog naboja, koji se brzo pretvara u plazmu, koja zagrijava i komprimira sekundarni naboj.

Osim toga, X-zrake isparavaju površinu spremnika koji okružuje sekundarni naboj. Simetrično isparavajući u odnosu na taj naboj, supstanca spremnika dobiva određeni impuls usmjeren od svoje osi, a slojevi sekundarnog naboja primaju impuls usmjeren prema osi uređaja prema zakonu očuvanja gibanja. Princip je isti kao u raketi, samo ako se zamisli da raketno gorivo simetrično leti od svoje osi, a tijelo je stisnuto prema unutra.

Kao rezultat takve kompresije termonuklearnog goriva, njegov volumen se smanjuje tisućama puta, a temperatura doseže razinu početka reakcije nuklearne fuzije. Eksplozija termonuklearne bombe. Reakcija je praćena stvaranjem jezgre tricija, koje se spajaju s jezgrama deuterija, koje su u početku prisutne u sastavu sekundarnog naboja.

Prve sekundarne naboje izgrađene su oko jezgre jezgre plutonija, neformalno nazvane "svijeća", koja je ušla u reakciju nuklearne fisije, tj., Druga, dodatna atomska eksplozija je provedena kako bi se još više podigla temperatura kako bi se osigurao početak nuklearne fuzije. Trenutno se vjeruje da su učinkovitiji kompresijski sustavi eliminirali "svijeću", dopuštajući daljnju minijaturizaciju dizajna bombe.

Operacija Ivy

Tako su pozvani testovi američkog termonuklearnog oružja na Maršalskim otocima 1952. godine tijekom kojih je eksplodirala prva termonuklearna bomba. Zvao se Ivy Mike i izgrađen je prema tipičnoj Teller-Ulam shemi. Njegov sekundarni termonuklearni naboj smješten je u cilindrični spremnik, koji je toplinski izoliran Dewar tikvica s termonuklearnim gorivom u obliku tekućeg deuterija, uzduž osi od kojeg je prošla "svijeća" od 239 plutonija , Dewar je, pak, bio prekriven slojem 238-urana koji je težio više od 5 tona, što je isparilo tijekom eksplozije, osiguravajući simetričnu kompresiju termonuklearnog goriva. Spremnik s primarnim i sekundarnim nabojem stavljen je u čelični kovčeg širok 80 inča i dugačak 244 inča s debljinama 10-12 inča, što je do tada bio najveći primjer kovanog proizvoda. Unutarnja površina kućišta bila je obložena listovima olova i polietilena kako bi odrazila zračenje nakon eksplozije primarnog naboja i stvorila plazmu koja zagrijava sekundarni naboj. Cijeli uređaj težio je 82 tone. Pogled na uređaj neposredno prije eksplozije prikazan je na slici ispod.

Prvi test termonuklearne bombe dogodio se 31. listopada 1952. Snaga eksplozije bila je 10,4 megatona. Attol Eniwetok, na kojem je nastao, potpuno je uništen. Trenutak eksplozije prikazan je na slici ispod.

SSSR daje simetrični odgovor

Američko termonuklearno prvenstvo nije dugo trajalo. Dana 12.08.1953., Prva sovjetska termonuklearna bomba RDS-6, razvijena pod vodstvom Andreja Saharova i Yuli Kharitona, testirana je na poligonu Semipalatinsk, a iz opisa je jasno da bomba na Eniwetoku zapravo nije eksplodirala Amerikanci, radije laboratorijski uređaj, glomazan i vrlo nesavršen. Sovjetski znanstvenici, unatoč malom kapacitetu od samo 400 kg, testirali su potpuno završeno streljivo s termonuklearnim gorivom u obliku čvrstog litij deuterida, a ne tekući deuterij, kao u Amerikancima. Inače, treba napomenuti da se u sastavu litijevog deuterida koristi samo izotop iz ⁶ Li (to je zbog karakteristika prolaza termonuklearnih reakcija), te se u prirodi miješa s izotopom ⁷ Li. Zbog toga su izgrađene specijalne produkcije za odvajanje izotopa litija i odabir samo ⁶ Li.

Postizanje maksimalne snage

Nakon toga uslijedilo je desetljeće neprekidnog utrka u naoružanju tijekom kojih je snaga termonuklearnog streljiva stalno rasla. Konačno, 30.10.1961. U SSSR-u, najmoćnija termonuklearna bomba koja je ikada izgrađena i ispitana, na zapadu poznata kao carska bomba, dignuta je u zrak u visini od oko 4 km u SSSR-u.

Ovo trostupanjsko streljivo je zapravo razvijeno kao bomba od 101,5 megatona, ali želja da se smanji radioaktivno onečišćenje teritorija prisilila je developere da napuste treću fazu s kapacitetom od 50 megatona i da smanje procijenjenu snagu uređaja na 51,5 megatona. Istodobno, 1,5 megatona je bila snaga eksplozije primarnog atomskog naboja, a druga termonuklearna faza trebala je dati još 50. Prava snaga eksplozije bila je do 58 megatona, a izgled bombe prikazan je na slici ispod.

Implikacije toga bile su impresivne. Unatoč vrlo značajnoj visini eksplozije od 4000 m, nevjerojatno svijetla vatrena kugla dosegla je gotovo donji rub zemlje, a gornja se uzdigla do visine preko 4,5 km. Pritisak ispod točke loma bio je šest puta veći od vršnog tlaka u eksploziji u Hirošimi. Bljesak svjetla bio je tako svijetao da je bio vidljiv na udaljenosti od 1000 kilometara, unatoč oblačnom vremenu. Jedan od sudionika testa vidio je svijetlu bljeskalicu kroz tamne naočale i osjetio efekte pulsa čak i na udaljenosti od 270 km. Slika trenutka eksplozije prikazana je u nastavku.

Pokazalo se da snaga termonuklearnog naboja stvarno nema ograničenja. Uostalom, bilo je dovoljno provesti treći korak, a izračunata snaga bi bila postignuta. No, možete povećati broj koraka i dalje, jer težina "cara bombe" nije bila veća od 27 tona. Prikaz ovog uređaja prikazan je na slici ispod.

Nakon ovih testova, mnogim političarima i vojsci u SSSR-u i SAD-u postalo je jasno da je utrka nuklearnog naoružanja završila i da se mora zaustaviti.

Moderna Rusija naslijedila je nuklearni arsenal SSSR-a. Danas, ruske termonuklearne bombe nastavljaju služiti kao sredstvo odvraćanja onima koji traže globalnu hegemoniju. Nadajmo se da će oni odigrati svoju ulogu samo u obliku odvraćanja i nikada neće biti razneseni.

Sunce kao fuzijski reaktor

Dobro je poznato temperatura sunca, preciznije, njegova jezgra, koja doseže 15000000 ° K, podupire kontinuirani tijek termonuklearnih reakcija. Međutim, sve što smo mogli naučiti iz prethodnog teksta, govori o eksplozivnoj prirodi takvih procesa. Zašto sunce ne eksplodira kao termonuklearna bomba?

Činjenica je da s velikim udjelom vodika u sastavu Sunčeve mase, koja doseže 71%, udio izotopa deuterija, čije jezgre mogu sudjelovati samo u reakciji termonuklearne fuzije, je zanemariv. Činjenica je da su same jezgre deuterija nastale kao rezultat fuzije dvije jezgre vodika, a ne samo fuzije, već s raspadom jednog od protona u neutron, pozitron i neutrino (koji se nazivaju i beta raspadom), što je rijedak događaj. U isto vrijeme, nastale jezgre deuterija su prilično ravnomjerno raspoređene po volumenu solarne jezgre. Stoga su, s golemom veličinom i masom, pojedinačni i rijetki žarišta termonuklearnih reakcija relativno niske snage, kako su se, raširili po cijeloj njezinoj jezgri Sunca. Toplina oslobođena tijekom tih reakcija očito nije dovoljna da odmah izgori sav deuterij na Suncu, ali je dovoljno da se zagrije na temperaturu koja osigurava život na Zemlji.