Akademik

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ

       

взрыв, вызванный выделением внутриядерной энергии. Масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину DМ (дефект массы), к-рая соответствует энергии связи ?св нуклонов в ядре. Удельная энергия связи ?/N (N—число нуклонов в ядре) максимальна для ядер вблизи 56Fe периодич. системы элементов. Это означает, что яд. реакции, идущие с образованием этих ядер, сопровождаются выделением энергии (см. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ). Такими реакциями могут быть деление тяжёлых ядер, лежащее в основе Я. в., или синтез лёгких ядер, приводящий к термоядерному взрыву. Я. в. был осуществлён впервые в США 16 июля 1945, а 6 и 9 августа 1945 две яд. бомбы были сброшены на япон. гг. Хиросима и Нагасаки. В СССР первый Я. в. был осуществлён в 1949, термоядерный — в 1953.

Для осуществления Я. в. в результате ядерной цепной реакции деления (атомная, точнее, яд. бомба) необходимо, чтобы масса делящегося в-ва (235U, 239Pu и др.; (см. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО) превысила т. н. критич. массу Мкр, зависящую от плотности r в-ва и его геом. конфигурации. Размер R системы должен превышать критич. размер Rкр порядка длины свободного пробега l нейтрона. Т. к. l=1/r, то определяющей величиной явл. т. н. оптич. толщина системы t=rR. При М>Мкр (R >Rкр) состояние системы надкритично, и развитие цепной реакции может привести к Я. в. (в отличие от ядерного реактора, где М=Mкр и состояние системы критично). Для 235U r=19,5 г/см3 и при сферич. форме системы Mкр=50 кг (Rкр=9 см), для 239Pu Мкр=11 кг, для 233U Мкр=16 кг.

До взрыва яд. бомбы система должна быть подкритичной. Переход в надкритическое состояние осуществляется быстрым сближением неск. кусков активного (делящегося) материала, напр. 235U. Если таких кусков два (напр., 2 полусферы), то т. н. величина надкритичности (M/Mкр) невелика (M/Mкр=2); если их больше (в пределе — сколь угодно малые сегменты шара), то она может быть сколь угодно увеличена. Обычно для сближения используется хим. взрыв, при к-ром развивается высокое давление (=106 атм), способствующее сжатию (имплозии) активного материала Rкр, что уменьшает Мкр. Характерное время между двумя столкновениями нейтронов с ядрами в-ва

t=l/vп=10 -8c при энергии нейтронов ?п=1 МэВ.

Увеличенное в неск. раз, оно определяет длительность Я. в. В каждом акте деления выделяется энергия =200 МэВ (1 МэВ на 1 нуклон делящегося ядра). Если 1 кг 235U полностью прореагирует, то выделится энергия =1021 эрг, что эквивалентно энерговыделению при взрыве 20 кт тротила. Т. о., яд. «взрывчатка» эффективнее химической в 107 раз. В результате большого энерговыделения в центре бомбы развиваются огромные темп-ра (=108К) и давление (=1012 атм). В-во превращается в плазму, разлетается и теряет надкритичность.

Для цепных реакций деления энергия теплового движения ч-ц среды всегда значительно ниже, чем ?п, поэтому темп-ра среды не играет роли. Для реакций синтеза она существенна. Возможно большое кол-во энергетически выгодных яд. реакций синтеза, но в земных условиях не развивающихся из-за низкой темп-ры (см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В звёздах, где темп-ры высоки, а разлёт в-ва сдерживается гравитац. силами, протекают реакции синтеза, составляющие основу энергетич. циклов звёзд. Темп-ра среды пропорц. кинетич. энергии её ч-ц. Чтобы 2 ядра с ат. номерами Z1 и Z2 слились, их кинетич. энергия должна быть сравнима с энергией электростатич. отталкивания: ?=Z1 Z2 e2/r на расстояниях порядка размера ядра (=10-13 см). Распределение ч-ц по энергиям N(?)=ехр(-?/kT). Это означает наличие иек-рого количества ч-ц с энергией большей, чем средняя ?ср=3/2kТ; кроме того, возможно туннельное проникновение ч-ц через энергетич. барьер (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ). В результате возникает резкая зависимость скорости реакции от темп-ры, но порог отсутствует.

Т. к., с одной стороны, скорость реакции синтеза пропорц. плотности в-ва (число соударений в ед. времени), с др. стороны, время разлёта ч-ц тем больше, чем больше размер системы (выгорание термоядерного топлива зависит также от оптич. толщины rR), то для осуществления термоядерного взрыва необходимы высокие темп-ра и плотность. В термоядерном взрывном устройстве это создаётся при помощи яд. бомбы (деления), служащей детонатором.

Для осуществления термоядерного взрыва используются реакции:

тритий, период полураспада к-рого T1/2=12,6 лет. Поэтому наряду с реакцией d+t используется реакция d+d, приводящая к образованию трития, а также реакция 6Li+n=t+a. Попадающий в смесь 6Li и дейтерия нейтрон поглощается ядром 6Li с образованием t, к-рый вступает в реакцию с дейтерием, вновь образуется нейтрон, поглощающийся в 7Li, и т. д. Цепочка реакции может быть поддержана или усилена вз-ствием нейтронов с делящимся материалом (обычно природный уран, т. к. образующиеся нейтроны имеют энергию =14 МэВ, т. е. явл. надпороговыми).

Преимущество термоядерных реакций синтезу над реакциями деления в Я. в. связано со значительно большим (в 5 раз) энерговыделением на 1 г в-ва. Это, а также тот факт, что нейтроны, образующиеся в реакциях синтеза, эффективно делят уран, обусловливает значительно большую мощность термоядерных взрывных устройств по сравнению с ядерными. Обычно энергия яд. бомб =1—20 кт тротилового эквивалента, энергия термоядерных бомб = 105—106 т.

При Я. в. в воздухе образуется мощная ударная волна, к-рая, достигая поверхности Земли, вызывает разрушения. Существенное поражение наземных сооружений происходит, если ударная волна несёт избыточное давление р порядка неск. десятых долей атм. Радиус R поражения приблизительно определяется из соотношения: р=?/R3=105 Па, где ?—энергия, выделяющаяся в Я. в. Для номинальной яд. бомбы (1 кг сгоревшего 238U) с энерговыделением 20 кт тротилового эквивалента R=1 км. Выделившаяся энергия по истечении неск. мкс передаётся окружающей среде. Образующийся ярко светящийся огненный шар расширяется вначале за счёт лучистой теплопроводности, а затем вместе с распространением ударной волны. По мере расширения шара темп-ра его падает, через 10-2—10-1 с шар достигает макс. радиуса 150 м (для бомбы в 20 кт), T=8000 К (ударная волна далеко впереди). За время свечения (неск. с) в эл.-магн. излучение переходит 10—20% энергии Я. в. Излучение вызывает пожары, ожоги. Разреженный нагретый воздух, несущий радиоактивные продукты Я. в., поднимается вверх и по истечении неск. минут достигает высоты 10 —15 км. После этого облако Я. в. расплывается на сотни и более км. Радиоактивные ч-цы выпадают на поверхность Земли, образуя т. н. радиоактивный след Я. в. Особенно опасен приземный Я. в., когда огненный шар, касаясь поверхности Земли, поднимает вверх пыль, радиоактивные ч-цы прилипают к ч-цам земли и выпадают вблизи эпицентра Я. в. в концентрации, летальной для человека.

При Я. в. образуется мощный поток нейтронов и g-лучей (1 % всей выделяющейся энергии). Если Я. в. произведён на высоте 1 км, радиация может достигнуть поверхности Земли (атмосфера ослабляет поток вдвое на расстоянии 150 м) и создать летальную дозу. В зависимости от конкретного устройства отд. факторы поражения могут быть усилены или ослаблены в неск. раз. Напр., в случае взрыва т. н. нейтронной бомбы (разновидности термоядерной бомбы с энерговыделением =1 кт тротилового эквивалента) усилено нейтронное излучение.