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

Naš članek je posvečen zgodovini nastanka in splošnim načelom sinteze takšne naprave kot termonuklearne bombe, ki jo včasih imenujemo vodikova bomba. Namesto sproščanja energije eksplozije pri razdeljevanju jeder težkih elementov, kot je uran, jo še več proizvaja z združevanjem jeder lahkih elementov (npr. Izotopov vodika) v eno težko (npr. Helij).

Zakaj je prednost jedrska fuzija?

V termonuklearni reakciji, ki je sestavljena iz zlitja jeder kemičnih elementov, ki sodelujejo v njej, se na enoto mase fizične naprave proizvede veliko več energije kot v čisti atomski bombi, ki izvaja jedrsko fisijsko reakcijo.

V atomski bombi se cepljivo jedrsko gorivo hitro, pod vplivom energije detonacije konvencionalnih eksplozivov, združi v majhnem sferičnem volumnu, kjer nastane njegova tako imenovana kritična masa in začne se reakcija fisije. Hkrati bo veliko nevtronov, ki se sproščajo iz fisijskih jeder, povzročilo cepitev drugih jeder v masi goriva, ki tudi sproščajo dodatne nevtrone, kar vodi v verižno reakcijo. Zajema ne več kot 20% goriva, preden bomba eksplodira, ali pa še manj, če pogoji niso popolni: tako je v atomskih bombah Kid padel na Hirošimo in maščobni nagon Nagasaki, učinkovitost (če je tak izraz možen) samo 1,38% oziroma 13%.

Fuzija (ali sinteza) jeder pokriva celotno maso nabojne bombe in traja, dokler nevtroni ne najdejo nereagiranega termonuklearnega goriva. Zato je masa in eksplozivna moč takšne bombe teoretično neomejena. Takšna združitev se lahko teoretično nadaljuje neskončno. Dejansko je termonuklearna bomba ena od možnih naprav za sodni dan, ki lahko uniči vse človeško življenje.

Kaj je jedrska fuzijska reakcija?

Gorivo za fuzijsko reakcijo je vodikov izotop devterij ali tritij. Prvi se od navadnega vodika razlikuje po tem, da v jedru, razen enega protona, obstaja tudi nevtron, v jedru tritija pa sta že dva nevtrona. V naravni vodi en atom devterija predstavlja 7000 atomov vodika, vendar je njegova količina. vsebovane v kozarcu vode, lahko dobite kot rezultat termonuklearne reakcije enako količino toplote kot pri zgorevanju 200 litrov bencina. Na srečanju leta 1946 s politiki, očetom ameriškega vodikove bombe Edward Teller je poudaril, da devterij daje več energije na gram teže kot uran ali plutonij, vendar stane dvajset centov na gram v primerjavi z nekaj sto dolarji na gram goriva za jedrsko fisijo. Tritij se v naravi sploh ne pojavlja v prostem stanju, zato je veliko dražji od devterija, s tržno ceno več deset tisoč dolarjev na gram, toda največja količina energije se sprosti prav v fuzijski reakciji jedra devterija in tritija, pri katerem nastane in izpusti atom jedra helija. nevtron, ki odnaša 17,59 MeV presežne energije

D + T → ⁴ He + n + 17,59 MeV.

Ta reakcija je shematsko prikazana na spodnji sliki. Je veliko ali malo? Kot veste, je vse relativno. Tako je energija 1 MeV približno 2,3 milijona krat več kot 1 kg olja, ki se sprosti pri izgorevanju. Posledica tega je, da fuzija samo dveh jeder devterija in tritija sprosti toliko energije kot 2,3 2,3 10 ⁶ .5 17,59 = 40,5 ⁶ 10 ⁶ kg olja, ki se sprošča med izgorevanjem. Vendar govorimo le o dveh atomih. Lahko si predstavljate, kako visoki so bili vložki v drugi polovici 40. let prejšnjega stoletja, ko so se začela dela v Združenih državah in ZSSR, zaradi česar je bila termonuklearna bomba.

Kako se je vse začelo

Že poleti leta 1942, na začetku projekta atomske bombe v ZDA (projekt Manheten) in kasneje v podobnem sovjetskem programu, še preden je bila bomba zgrajena na osnovi cepitve uranovih jeder, je bila pozornost nekaterih udeležencev teh programov privlačna, ki lahko uporabijo veliko močnejšo termonuklearno fuzijsko reakcijo. V Združenih državah Amerike je že omenjeni Edward Teller podpiral ta pristop in celo, bi rekli, njegov apologet. V Sovjetski zvezi je to smer razvil Andrej Saharov, bodoči akademik in disident.

Za Teller je njegova fuzija termonuklearne fuzije v letih nastanka atomske bombe igrala precej slabo storitev. Kot udeleženec projekta Manhattan je vztrajal pri preusmerjanju sredstev za izvedbo lastnih zamisli, katerih namen je bil vodik in termonuklearna bomba, ki ji uprava ni bila všeč in je povzročila napetost v odnosu. Ker takrat termonuklearna smer raziskovanja ni bila podprta, je po ustvarjanju atomske bombe Teller zapustil projekt in se ukvarjal s poučevanjem ter raziskavami osnovnih elementov.

Vendar pa je izbruh hladne vojne, predvsem pa ustvarjanje in uspešno testiranje sovjetske atomske bombe leta 1949, za silovito protikomunistično govorico postala nova priložnost za uresničitev svojih znanstvenih idej. Vrnil se je v laboratorij v Los Alamosu, kjer je nastala atomska bomba, in skupaj s Stanislavom Ulamom in Corneliusom Everettom nadaljuje z izračuni.

Načelo termonuklearne bombe

Da bi se jedrska fuzijska reakcija lahko začela, morate takoj zagreti polnitev na temperaturo 50 milijonov stopinj. Shema termonuklearne bombe, ki jo je predlagala Teller, za to uporablja eksplozijo majhne atomske bombe, ki se nahaja znotraj rezervoarja za vodik. Lahko bi trdili, da je bilo v 40. letih prejšnjega stoletja v razvoju svojega projekta tri generacije:

• različica blagajnika, znana kot »klasični super«;
• bolj kompleksne, vendar tudi bolj realne oblike iz več koncentričnih kroglic;
• Končna različica Teller-Ulamove zasnove, ki je osnova vseh trenutno delujočih sistemov termonuklearnega orožja.

Podobne termo-jedrske bombe ZSSR so šle skozi, z Andrejem Saharovom na začetku njihovega nastanka. Očitno je popolnoma samostojno in neodvisno od Američanov (kar ni primer sovjetske atomske bombe, ki je nastala s skupnimi prizadevanji znanstvenikov in obveščevalcev, ki so delali v ZDA), šli skozi vse zgoraj omenjene faze projektiranja.

Prvi dve generaciji sta imeli lastnost, da sta imeli zaporedje združenih "plasti", od katerih je vsaka okrepila nekatere vidike prejšnjega, v nekaterih primerih pa je bila vzpostavljena povratna informacija. Med primarno atomsko bombo in sekundarnim termonuklearnim orožjem ni bilo jasne ločitve. V nasprotju s tem pa je razvoj termonuklearne bombe v Teller-Ulamu močno ločil primarno eksplozijo, sekundarno in po potrebi dodatno.

Naprava termonuklearne bombe po načelu Teller-Ulam

Veliko njegovih podrobnosti je še vedno zaupnih, vendar obstaja dovolj zaupanja, da vse termonuklearno orožje, ki je trenutno na voljo, uporablja napravo, ki so jo ustvarili Edward Telleros in Stanislav Ulam, v kateri se atomska bomba (t.j. primarna polnitev) uporablja kot prototip. stisne in segreva termonuklearno gorivo. Andrej Saharov v Sovjetski zvezi je očitno neodvisno prišel do podobnega koncepta, ki ga je imenoval "tretja ideja".

Naprava termonuklearne bombe v tej različici je shematsko prikazana na spodnji sliki. Imela je valjasto obliko, z grobo sferično primarno atomsko bombo na enem koncu. Sekundarni termonuklearni naboj v prvih, še neindustrijskih vzorcih je bil iz tekočega devterija, nekoliko kasneje je postal trdna iz kemične spojine, imenovane litijev deuterid.

Dejstvo je, da se v industriji litijev hidrid LiH že dolgo uporablja za transport brez vodika v dvorani. Razvijalci bombe (ta ideja je bila prvič uporabljena v ZSSR) so preprosto predlagali, da se izotop deuterij namesto navadnega vodika združi z litijem, saj je veliko lažje izvesti bombo s trdno termonuklearno polnitvijo.

Oblika sekundarnega naboja je bil valj, ki je bil nameščen v posodo s svinčnikom (ali uranom). Med naboji je ščit nevtronske zaščite. Prostor med stenami kontejnerja s termonuklearnim gorivom in bombnim poljem je praviloma zapolnjen s posebno plastiko s ekspandiranim polistirenom. Sama bomba je izdelana iz jekla ali aluminija.

Ti obrazci so se v zadnjih modelih spremenili, kot je prikazan na spodnji sliki. V njem je primarni naboj sploščen, kot lubenica ali krogla v ameriškem nogometu, sekundarni naboj pa je okrogel. Takšne oblike se bolj učinkovito prilegajo notranji prostornini koničnih raketnih bojnih glav.

Zaporedje termonuklearnih eksplozij

Ko primarna atomska bomba eksplodira, je v prvih trenutkih tega procesa močna rentgenske žarke (nevtronski tok), ki ga delno blokira ščit nevtronske zaščite, in se odbija od notranje obloge telesa, ki obkroža sekundarni naboj, tako da rentgenski žarki po njeni celotni dolžini simetrično padajo.

V začetnih fazah termonuklearne reakcije se nevtroni iz atomske eksplozije absorbirajo s plastičnim polnilom, da se prepreči prehitro segrevanje goriva.

X-žarki najprej povzročijo gosto plastično peno, ki zapolni prostor med telesom in sekundarnim nabojem, ki se hitro spremeni v plazmo, ki segreva in stisne sekundarni naboj.

Poleg tega rentgenske žarke izhlapijo površino vsebnika, ki obkroža sekundarni naboj. Simetrično izhlapevanje glede na ta naboj snov posode dobi določen impulz, usmerjen od svoje osi, in plasti sekundarnega naboja prejmejo impulz, usmerjen na os naprave, v skladu z zakonom ohranjanja gibalne količine. Načelo je enako kot v raketi, samo če si predstavljamo, da raketno gorivo simetrično pluje od svoje osi, telo pa je stisnjeno navznoter.

Zaradi takšnega stiskanja termonuklearnega goriva se njegova prostornina zmanjša na tisočekrat in temperatura doseže raven začetka jedrske fuzijske reakcije. Eksplozija termonuklearne bombe. Reakcijo spremlja nastajanje jedra tritija, ki se združijo z jedri devterija, ki so sprva prisotna v sestavi sekundarnega naboja.

Prvi sekundarni naboji so bili zgrajeni okoli jedra plutonija, neformalno imenovanega "sveča", ki je vstopila v reakcijo jedrske fisije, t.j. drugo, je bila izvedena dodatna atomska eksplozija, da bi se temperatura še bolj zvišala, da bi zagotovili začetek jedrske fuzije. Trenutno je verjetno, da so učinkovitejši kompresijski sistemi odpravili "svečo", kar je omogočilo nadaljnjo miniaturizacijo zasnove bombe.

Operacija Ivy

Tako so bili pozvani testi ameriškega termonuklearnega orožja na Marshallovih otokih leta 1952, ko je eksplodirala prva termonuklearna bomba. Imenoval se je Ivy Mike in je bil zgrajen po tipični shemi Teller-Ulam. Njen sekundarni termonuklearni naboj je bil postavljen v valjasto posodo, ki je toplotno izolirana Dewar s termonuklearnim gorivom v obliki tekočega devterija, vzdolž osi katerega je prešla "sveča" 239 plutonija. . Dewar je bil pokrit s plastjo 238-urana, ki tehta več kot 5 metričnih ton, ki se je med eksplozijo izhlapela, kar zagotavlja simetrično stiskanje termonuklearnega goriva. Vsebnik s primarnimi in sekundarnimi naboji je bil nameščen v jeklenem ohišju širine 80 cm in dolgih 244 palcev z debelimi stenami 10–12 palcev, ki je bil največji primer kovanega izdelka do takrat. Notranja površina ohišja je bila obložena z listi svinca in polietilena, da odseva sevanje po eksploziji primarnega naboja in ustvari plazmo, ki segreje sekundarni naboj. Celotna naprava je tehtala 82 ton. Pogled na napravo tik pred eksplozijo je prikazan na spodnji fotografiji.

Prvi test termonuklearne bombe je bil izveden 31. oktobra 1952. Moč eksplozije je bila 10,4 megatona. Attol Eniwetok, na katerem je bil izdelan, je bil popolnoma uničen. Trenutek eksplozije je prikazan na spodnji fotografiji.

ZSSR daje simetrični odgovor

Ameriško termonuklearno prvenstvo ni trajalo dolgo. Dne 12.08.1953 je bila na sondi Semipalatinsk testirana prva sovjetska termonuklearna bomba RDS-6, ki so jo razvili pod vodstvom Andreja Saharova in Yuli Kharitona, in iz opisa je razvidno, da ameriške bombe na Eniwetoku dejansko niso eksplodirale, ampak laboratorijska naprava, okorna in zelo nepopolna. Sovjetski znanstveniki, kljub majhni zmogljivosti samo 400 kg, so testirali popolnoma dokončano strelivo s termonuklearnim gorivom v obliki trdnega litijevega deuterida in ne tekočega devterija kot v Američanih. Mimogrede, treba je opozoriti, da se v sestavi litijevega deuterida uporablja le izotop lipa ⁶ (to je posledica značilnosti prehoda termonuklearnih reakcij), v naravi pa se zmeša z izotopom ⁷ Li. Zato so bile zgrajene posebne produkcije za ločevanje litijevih izotopov in izbor le ⁶ Li.

Doseganje največje moči

Temu je sledilo desetletje neprekinjenega orožje med katerim se je moč termonuklearnega streliva nenehno povečevala. Nazadnje, 30. 10. 1961, je v ZSSR najmočnejša termonuklearna bomba, ki je bila kdajkoli zgrajena in preizkušena, znana na zahodu kot Tsar Bomb, raznesena v zraku na višini približno 4 km v ZSSR.

To tristopenjsko strelivo se je dejansko razvilo kot 101,5-megatna bomba, toda želja po zmanjšanju radioaktivne kontaminacije ozemlja je prisilila razvijalce, da opustijo tretjo fazo z zmogljivostjo 50 megatonov in zmanjšajo ocenjeno moč naprave na 51,5 megatona. Hkrati je bila 1,5 megatona moč eksplozije primarnega atomskega naboja, druga termonuklearna faza pa bi morala dati še 50. Resnična moč eksplozije je bila do 58 megatonov, videz bombe pa je prikazan na spodnji fotografiji.

Posledice tega so bile impresivne. Kljub zelo pomembni višini eksplozije 4000 m, je neverjetno svetla ognjena krogla skoraj dosegla spodnji rob zemlje, zgornji pa se je dvignil na višino več kot 4,5 km. Tlak pod točko preloma je bil šestkrat višji od najvišjega tlaka v eksploziji v Hirošimi. Svetloba je bila tako svetla, da je bila kljub oblačnemu vremenu vidna na razdalji 1000 kilometrov. Eden od udeležencev testa je videl svetlo bliskavico skozi temna očala in čutil učinke toplotnega impulza tudi na razdalji 270 km. Slika trenutka eksplozije je prikazana spodaj.

Pokazalo se je, da moč termonuklearnega naboja res nima omejitev. Navsezadnje je bilo dovolj, da se izvede tretji korak, in izračunana moč bi bila dosežena. Vendar pa lahko povečate število korakov in še naprej, saj teža "Tsar Bomb" ni več kot 27 ton. Pogled na to napravo je prikazan na spodnji fotografiji.

Po teh preizkusih je mnogim politikom in vojski v ZSSR in ZDA postalo jasno, da se je dirka jedrskega orožja končala in da jo je treba ustaviti.

Moderna Rusija je podedovala jedrsko orožje ZSSR. Danes ruske termonuklearne bombe še naprej služijo kot svarilo tistim, ki iščejo svetovno hegemonijo. Upajmo, da bodo odigrali svojo vlogo le v obliki odvračanja in da ne bodo nikoli raznesli.

Sonce kot fuzijski reaktor

Dobro je znano, da temperatura sonca, natančneje, njegovo jedro, ki doseže 15000000 ° K, je podprto s stalnim tokom termonuklearnih reakcij. Vendar pa vse, kar smo se lahko naučili iz prejšnjega besedila, pravi eksplozivno naravo teh procesov. Zakaj potem sonce ne eksplodira kot termonuklearna bomba?

Dejstvo je, da je z veliko količino vodika v sestavi sončne mase, ki doseže 71%, delež njenega izometra z devterijem, katerega jedra lahko sodelujejo le pri reakciji termonuklearne fuzije, zanemarljiv. Dejstvo je, da se jedra deuterija oblikujejo kot posledica fuzije dveh vodikovih jeder in ne le fuzije, temveč z razpadom enega od protonov v nevtron, pozitrona in neutrina (imenovanega tudi beta razpad), kar je redko. Istočasno so nastala jedra devterija razmeroma enakomerno porazdeljena po prostornini sončnega jedra. Zato so s svojo ogromno velikostjo in maso posamezne in redke žarnice termonuklearnih reakcij sorazmerno nizke moči razporejene po celotnem jedru Sonca. Toplota, ki se sprošča med temi reakcijami, očitno ni dovolj za takojšnje izgorevanje vsega devterija na Soncu, vendar je dovolj, da se segreje na temperaturo, ki zagotavlja življenje na Zemlji.