Vechii oameni de știință indieni și greci au presupus că materia constă din cele mai mici particule indivizibile; ei au scris despre asta în tratatele lor cu mult înainte de începutul erei noastre. În secolul al V-lea î.Hr e. omul de știință grec Leucip din Milet și studentul său Democrit au formulat conceptul de atom (greacă atomos „indivizibil”). Timp de multe secole această teorie a rămas mai degrabă filozofică și abia în 1803 chimistul englez John Dalton a propus o teorie științifică a atomului, confirmată de experimente.
La sfârșitul secolului XIX începutul secolului XX. această teorie a fost dezvoltată în scrierile lui Joseph Thomson, apoi lui Ernest Rutherford, numit părintele fizicii nucleare. S-a constatat că atomul, spre deosebire de numele său, nu este o particulă finită indivizibilă, așa cum sa menționat anterior. În 1911, fizicienii au adoptat sistemul „planetar” al lui Rutherford Bohr, conform căruia un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ care se rotesc în jurul lui. Mai târziu s-a constatat că nucleul nu este, de asemenea, indivizibil; este alcătuit din protoni încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină, care, la rândul lor, constau din particule elementare.
De îndată ce structura nucleului atomic a devenit mai mult sau mai puțin clară pentru oamenii de știință, ei au încercat să realizeze vechiul vis al alchimiștilor - transformarea unei substanțe în alta. În 1934, oamenii de știință francezi Frederic și Irene Joliot-Curie, la bombardarea aluminiului cu particule alfa (nuclee ale atomilor de heliu), au obținut atomi de fosfor radioactiv, care, la rândul lor, s-au transformat într-un izotop stabil de siliciu al unui element mai greu decât aluminiul. A apărut ideea de a efectua un experiment similar cu cel mai greu element natural, uraniul, descoperit în 1789 de Martin Klaproth. După ce Henri Becquerel a descoperit radioactivitatea sărurilor de uraniu în 1896, oamenii de știință au fost serios interesați de acest element.
E. Rutherford.
Explozie nucleară de ciuperci.
În 1938, chimiștii germani Otto Hahn și Fritz Strassmann au efectuat un experiment similar cu experimentul Joliot-Curie, totuși, luând uraniu în loc de aluminiu, ei sperau să obțină un nou element supergreu. Cu toate acestea, rezultatul a fost neașteptat: în loc de supragrele, s-au obținut elemente ușoare din partea de mijloc a tabelului periodic. Un timp mai târziu, fizicianul Lisa Meitner a sugerat că bombardarea uraniului cu neutroni duce la scindarea (fisiunea) nucleului său, rezultând nuclee de elemente ușoare și un anumit număr de neutroni liberi.
Studii ulterioare au arătat că uraniul natural constă dintr-un amestec de trei izotopi, dintre care cel mai puțin stabil este uraniul-235. Din când în când, nucleele atomilor săi se împart spontan în părți, acest proces este însoțit de eliberarea a doi sau trei neutroni liberi, care se grăbesc cu o viteză de aproximativ 10 mii de km. Nucleele celui mai comun izotop-238 în cele mai multe cazuri pur și simplu captează acești neutroni, mai rar uraniul este transformat în neptuniu și apoi în plutoniu-239. Când un neutron lovește nucleul uraniului-2 3 5, noua sa fisiune are loc imediat.
Era evident: dacă luați o bucată suficient de mare de uraniu pur (îmbogățit) 235, reacția de fisiune nucleară din ea va merge ca o avalanșă, această reacție a fost numită reacție în lanț. Fiecare fisiune nucleară eliberează o cantitate imensă de energie. S-a calculat că, odată cu fisiunea completă a 1 kg de uraniu-235, se eliberează aceeași cantitate de căldură ca la arderea a 3 mii de tone de cărbune. Această eliberare colosală de energie, eliberată în câteva momente, trebuia să se manifeste ca o explozie de forță monstruoasă, care, desigur, a interesat imediat departamentele militare.
The Joliot-Curies. anii 1940
L. Meitner și O. Hahn. 1925
Înainte de izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial, Germania și alte țări au desfășurat lucrări foarte clasificate privind crearea de arme nucleare. În Statele Unite, cercetarea desemnată drept „Proiectul Manhattan” a început în 1941; un an mai târziu, în Los Alamos a fost fondat cel mai mare laborator de cercetare din lume. Proiectul a fost subordonat administrativ generalului Groves, conducerea științifică a fost realizată de profesorul de la Universitatea din California, Robert Oppenheimer. La proiect au participat cele mai mari autorități din domeniul fizicii și chimiei, inclusiv 13 laureați ai Premiului Nobel: Enrico Fermi, James Frank, Niels Bohr, Ernest Lawrence și alții.
Sarcina principală a fost obținerea unei cantități suficiente de uraniu-235. S-a constatat că plutoniul-2 39 ar putea servi și ca încărcătură pentru bombă, așa că munca a fost efectuată în două direcții simultan. Acumularea uraniului-235 urma să fie realizată prin separarea acestuia de cea mai mare parte a uraniului natural, iar plutoniul putea fi obținut doar ca urmare a unei reacții nucleare controlate prin iradierea uraniului-238 cu neutroni. Îmbogățirea uraniului natural a fost efectuată la uzinele companiei Westinghouse, iar pentru producerea plutoniului a fost necesară construirea unui reactor nuclear.
În reactor a avut loc procesul de iradiere a tijelor de uraniu cu neutroni, în urma căruia o parte din uraniu-238 trebuia să se transforme în plutoniu. Sursele de neutroni au fost atomi fisionali de uraniu-235, dar captarea neutronilor de către uraniu-238 a împiedicat începerea reacției în lanț. Descoperirea lui Enrico Fermi, care a descoperit că neutronii au încetinit până la o viteză de 22 ms, au provocat o reacție în lanț a uraniului-235, dar nu au fost capturați de uraniu-238, a ajutat la rezolvarea problemei. Ca moderator, Fermi a propus un strat de 40 cm de grafit sau apă grea, care include izotopul de hidrogen deuteriu.
R. Oppenheimer și generalul locotenent L. Groves. 1945
Calutron la Oak Ridge.
Un reactor experimental a fost construit în 1942 sub tribunele Stadionului din Chicago. Pe 2 decembrie a avut loc lansarea sa experimentală de succes. Un an mai târziu, în orașul Oak Ridge a fost construită o nouă fabrică de îmbogățire și a fost lansat un reactor pentru producția industrială de plutoniu, precum și un dispozitiv calutron pentru separarea electromagnetică a izotopilor de uraniu. Costul total al proiectului a fost de aproximativ 2 miliarde de dolari. Între timp, la Los Alamos, se lucra direct la dispozitivul bombei și la metodele de detonare a încărcăturii.
La 16 iunie 1945, lângă orașul Alamogordo din statul New Mexico, în timpul testelor cu numele de cod Trinity („Trinity”), a fost primul dispozitiv nuclear din lume cu o încărcătură de plutoniu și o schemă de detonare implozivă (folosind explozibili chimici pentru detonare) detonat. Puterea exploziei a fost echivalentă cu o explozie de 20 de kilotone de TNT.
Următorul pas a fost utilizare în luptă arme nucleare împotriva Japoniei, care, după capitularea Germaniei, singură a continuat războiul împotriva Statelor Unite și a aliaților săi. Pe 6 august, un bombardier Enola Gay B-29, sub controlul colonelului Tibbets, a aruncat pe Hiroshima o bombă Little Boy („baby”) cu o încărcătură de uraniu și un tun (folosind conexiunea a două blocuri pentru a crea o masă critică ) schema de detonare. Bomba a fost aruncată cu parașuta și a explodat la o altitudine de 600 m de sol. Pe 9 august, avionul Box Car al maiorului Sweeney a aruncat bomba cu plutoniu Fat Man pe Nagasaki. Consecințele exploziilor au fost teribile. Ambele orașe au fost aproape complet distruse, peste 200 de mii de oameni au murit la Hiroshima, aproximativ 80 de mii la Nagasaki. Mai târziu, unul dintre piloți a recunoscut că a văzut în acel moment cel mai teribil lucru pe care îl poate vedea o persoană. Incapabil să reziste noilor arme, guvernul japonez a capitulat.
Hiroshima după bombardamentul atomic.
Explozia bombei atomice a pus capăt celui de-al Doilea Război Mondial, dar de fapt a început un nou război rece, însoțit de o cursă nestăpânită a înarmărilor nucleare. Oamenii de știință sovietici au fost nevoiți să-i ajungă din urmă pe americani. În 1943, a fost creat un „laborator nr. 2” secret, care era condus de celebru fizician Igor Vasilievici Kurchatov. Ulterior, laboratorul a fost transformat în Institutul de Energie Atomică. În decembrie 1946, prima reacție în lanț a fost efectuată la reactorul nuclear experimental de uraniu-grafit F1. Doi ani mai târziu, în Uniunea Sovietică a fost construită prima fabrică de plutoniu cu mai multe reactoare industriale, iar în august 1949 a fost efectuată o explozie de testare a primei bombe atomice sovietice cu încărcătură de plutoniu RDS-1 cu o capacitate de 22 de kilotone la locul de testare Semipalatinsk.
În noiembrie 1952, pe atolul Enewetok din Oceanul Pacific, Statele Unite au detonat prima încărcătură termonucleară, a cărei putere distructivă a apărut din cauza energiei eliberate în timpul fuziunii nucleare a elementelor ușoare în altele mai grele. Nouă luni mai târziu, la locul de testare de la Semipalatinsk, oamenii de știință sovietici au testat bomba termonucleară RDS-6, sau hidrogen, de 400 de kilotone, dezvoltată de un grup de oameni de știință condus de Andrei Dmitrievich Saharov și Yuli Borisovich Khariton. În octombrie 1961, o Bombă Tsar de 50 de megatone, cea mai puternică bombă cu hidrogen testată vreodată, a fost detonată la locul de testare al arhipelagului Novaia Zemlya.
I. V. Kurchatov.
La sfârșitul anilor 2000, Statele Unite aveau aproximativ 5.000, iar Rusia 2.800 de arme nucleare pe lansatoare strategice desfășurate, precum și un număr semnificativ de arme nucleare tactice. Această rezervă este suficientă pentru a distruge întreaga planetă de mai multe ori. Doar o bombă termonucleară cu randament mediu (aproximativ 25 de megatone) este egală cu 1.500 Hiroshima.
La sfârșitul anilor 1970, cercetările erau în desfășurare pentru a crea o armă cu neutroni, un tip de bombă nucleară cu randament redus. O bombă cu neutroni diferă de o bombă nucleară convențională prin faptul că mărește în mod artificial partea din energia de explozie care este eliberată sub formă de radiație neutronică. Această radiație afectează forța de muncă a inamicului, îi afectează armele și creează o contaminare radioactivă a zonei, în timp ce impactul undei de șoc și al radiației luminoase este limitat. Cu toate acestea, nici o singură armată din lume nu a pus în serviciu încărcături cu neutroni.
Deși folosirea energiei atomice a adus lumea în pragul distrugerii, aceasta are și o latură pașnică, deși este extrem de periculoasă atunci când scapă de sub control, acest lucru s-a arătat clar de accidentele de la centralele nucleare de la Cernobîl și Fukushima. . Prima centrală nucleară din lume cu o capacitate de numai 5 MW a fost lansată la 27 iunie 1954 în satul Obninskoye. Regiunea Kaluga(acum orașul Obninsk). Până în prezent, peste 400 de centrale nucleare sunt în funcțiune în lume, 10 dintre ele în Rusia. Acestea generează aproximativ 17% din electricitatea mondială, iar această cifră este probabil să crească. În prezent, lumea nu se poate descurca fără utilizarea energiei nucleare, dar vreau să cred că, în viitor, omenirea va găsi o sursă mai sigură de aprovizionare cu energie.
Panoul de control al centralei nucleare din Obninsk.
Cernobîl după dezastru.
La 12 august 1953, la ora 7:30, prima bombă sovietică cu hidrogen a fost testată la locul de testare de la Semipalatinsk, care avea numele de serviciu „Produs RDS-6c”. A fost al patrulea test sovietic al unei arme nucleare.
Începutul primelor lucrări privind programul termonuclear din URSS datează din 1945. Apoi s-au primit informații despre cercetările care se desfășoară în Statele Unite ale Americii asupra problemei termonucleare. Ele au fost inițiate de fizicianul american Edward Teller în 1942. Conceptul lui Teller de arme termonucleare a fost luat ca bază, care a primit numele de „țeavă” în cercurile oamenilor de știință nucleari sovietici - un recipient cilindric cu deuteriu lichid, care trebuia să fie încălzit prin explozia unui dispozitiv de inițiere, cum ar fi un dispozitiv convențional. bombă atomică. Abia în 1950, americanii au descoperit că „țeava” nu era promițătoare și au continuat să dezvolte alte modele. Dar până în acest moment, fizicienii sovietici dezvoltaseră deja independent un alt concept de arme termonucleare, care în curând - în 1953 - a dus la succes.
Schema alternativa bombă cu hidrogen inventat de Andrei Saharov. Bomba s-a bazat pe ideea de „puf” și pe utilizarea deuteridei de litiu-6. Dezvoltată în KB-11 (azi este orașul Sarov, fostul Arzamas-16, regiunea Nijni Novgorod), încărcătura termonucleară RDS-6 a fost un sistem sferic de straturi de uraniu și combustibil termonuclear înconjurat de un exploziv chimic.
Pentru a crește eliberarea de energie a încărcăturii, în proiectarea sa a fost folosit tritiu. Sarcina principală în crearea unei astfel de arme a fost să folosească energia eliberată în timpul exploziei unei bombe atomice pentru a încălzi și a da foc hidrogenului greu - deuteriu, pentru a desfășura reacții termonucleare cu eliberare de energie care se poate întreține. Pentru a crește proporția de deuteriu „ars”, Saharov a propus să înconjoare deuteriul cu o înveliș de uraniu natural obișnuit, care ar fi trebuit să încetinească expansiunea și, cel mai important, să crească semnificativ densitatea deuteriului. Fenomenul de compresie prin ionizare a combustibilului termonuclear, care a devenit baza primei bombe sovietice cu hidrogen, este încă numit „zaharizare”.
Conform rezultatelor lucrărilor la prima bombe cu hidrogen, Andrei Saharov a primit titlul de Erou al Muncii Socialiste și laureat al Premiului Stalin.
„Produsul RDS-6s” a fost realizat sub forma unei bombe transportabile cu o greutate de 7 tone, care a fost plasată în trapa bombei bombardierului Tu-16. Spre comparație, bomba creată de americani cântărea 54 de tone și avea dimensiunea unei case cu trei etaje.
Pentru a evalua efectele distructive ale noii bombe, a fost construit un oraș la locul de testare Semipalatinsk din clădiri industriale și administrative. În total, pe teren erau 190 de structuri diferite. În acest test s-au folosit pentru prima dată prize de vid ale probelor radiochimice, care s-au deschis automat sub acțiunea unei unde de șoc. În total, 500 de dispozitive diferite de măsurare, înregistrare și filmare instalate în cazemate subterane și structuri de pământ solid au fost pregătite pentru testarea RDS-6. Aviație și suport tehnic al testelor - măsurarea presiunii undei de șoc pe aeronavă în aer la momentul exploziei produsului, prelevarea de probe de aer din norul radioactiv, fotografia aeriană a zonei a fost efectuată printr-un zbor special unitate. Bomba a fost detonată de la distanță, dând un semnal de la telecomandă, care era amplasată în buncăr.
S-a decis să se facă o explozie pe un turn de oțel de 40 de metri înălțime, încărcătura fiind situată la o înălțime de 30 de metri. Solul radioactiv de la testele anterioare a fost îndepărtat la o distanță de siguranță, structuri speciale au fost reconstruite în locurile lor pe fundații vechi, a fost construit un buncăr la 5 metri de turn pentru a instala echipamente dezvoltate la Institutul de Fizică Chimică al Academiei de Științe a URSS. , care înregistrează procesele termonucleare.
Pe teren au fost instalate echipamente militare de toate tipurile de trupe. În timpul testelor, toate structurile experimentale pe o rază de până la patru kilometri au fost distruse. Explozia unei bombe cu hidrogen ar putea distruge complet un oraș cu o lungime de 8 kilometri. Consecințele asupra mediului ale exploziei au fost îngrozitoare: prima explozie a reprezentat 82% din stronțiul-90 și 75% din caesiu-137.
Puterea bombei a ajuns la 400 de kilotone, de 20 de ori mai mult decât primele bombe atomice din SUA și URSS.
Lucrarea de creare a bombei cu hidrogen a fost prima „bătălie a inteligenței” intelectuală din lume la scară cu adevărat globală. Crearea bombei cu hidrogen a inițiat apariția unor domenii științifice complet noi - fizica plasmei de înaltă temperatură, fizica densităților ultraînalte de energie și fizica presiunilor anormale. Pentru prima dată în istoria omenirii, modelarea matematică a fost folosită pe scară largă.
Lucrările la „produsul RDS-6s” au creat o rezervă științifică și tehnică, care a fost apoi utilizată în dezvoltarea unei bombe cu hidrogen incomparabil mai avansate de un tip fundamental nou - o bombă cu hidrogen cu un design în două etape.
Bomba cu hidrogen proiectată de Saharov nu numai că a devenit un contraargument serios în confruntarea politică dintre SUA și URSS, dar a provocat și dezvoltarea rapidă a cosmonauticii sovietice în acei ani. După teste nucleare de succes, Biroul de Proiectare Korolev a primit o sarcină importantă a guvernului de a dezvolta o rachetă balistică intercontinentală pentru a livra încărcarea creată către țintă. Ulterior, racheta, numită „cei șapte”, a lansat primul satelit artificial al Pământului în spațiu și pe acesta s-a lansat primul cosmonaut al planetei, Yuri Gagarin.
Materialul a fost pregătit pe baza informațiilor din surse deschise
Articolul nostru este dedicat istoriei creației și principii generale sinteza unui astfel de dispozitiv numit uneori hidrogen. În loc să elibereze energie explozivă din fisiunea nucleelor elementelor grele, cum ar fi uraniul, generează și mai mult din aceasta prin fuzionarea nucleelor elementelor ușoare (cum ar fi izotopii hidrogenului) într-unul greu (cum ar fi heliul).
De ce este de preferat fuziunea nucleară?
Într-o reacție termonucleară, care constă în fuziunea nucleelor implicate în aceasta elemente chimice, este generată mult mai multă energie pe unitatea de masă a unui dispozitiv fizic decât într-o bombă atomică pură care implementează o reacție de fisiune nucleară.
Într-o bombă atomică, combustibilul nuclear fisionabil rapid, sub acțiunea energiei de detonare a explozivilor convenționali, este combinat într-un volum sferic mic, unde se creează așa-numita masă critică a acestuia și începe reacția de fisiune. În acest caz, mulți dintre neutronii eliberați din nucleele fisionabile vor provoca fisiunea altor nuclee din masa combustibilului, care emit și neutroni suplimentari, ceea ce duce la o reacție în lanț. Acoperă nu mai mult de 20% din combustibil înainte ca bomba să explodeze, sau poate mult mai puțin dacă condițiile nu sunt ideale: de exemplu, în bombele atomice Baby, aruncate pe Hiroshima și Fat Man, care a lovit Nagasaki, eficiența (dacă un astfel de termen le poate fi aplicat deloc) se aplică) au fost doar 1,38%, respectiv 13%.
Fuziunea (sau fuziunea) nucleelor acoperă întreaga masă a încărcăturii bombei și durează atâta timp cât neutronii pot găsi combustibilul termonuclear care nu a reacționat încă. Prin urmare, masa și puterea explozivă a unei astfel de bombe sunt teoretic nelimitate. O astfel de fuziune ar putea, teoretic, să continue la infinit. Într-adevăr, o bombă termonucleară este unul dintre potențialele dispozitive care ar putea distruge toată viața umană.
Ce este o reacție de fuziune nucleară?
Combustibilul pentru reacția de fuziune este izotopul hidrogenului deuteriu sau tritiu. Primul diferă de hidrogenul obișnuit prin aceea că în nucleul său, pe lângă un proton, există și un neutron, iar în nucleul de tritiu există deja doi neutroni. În apa naturală, un atom de deuteriu reprezintă 7.000 de atomi de hidrogen, dar din cantitatea sa. continut intr-un pahar cu apa, se poate obtine aceeasi cantitate de caldura ca urmare a unei reactii termonucleare, ca la arderea a 200 de litri de benzina. Într-o întâlnire din 1946 cu politicienii, părintele bombei americane cu hidrogen, Edward Teller, a subliniat că deuteriul furnizează mai multă energie pe gram de greutate decât uraniul sau plutoniul, dar costă douăzeci de cenți pe gram, comparativ cu câteva sute de dolari pe gram de combustibil de fisiune. Tritiul nu se găsește deloc în natură în stare liberă, prin urmare este mult mai scump decât deuteriul, cu un preț de piață de zeci de mii de dolari pe gram, cu toate acestea, cea mai mare cantitate de energie este eliberată tocmai în fuziunea deuteriului și nuclee de tritiu, în care se formează nucleul unui atom de heliu și se eliberează neutroni care transportă excesul de energie de 17,59 MeV
D + T → 4 He + n + 17,59 MeV.
Această reacție este prezentată schematic în figura de mai jos.
Este mult sau puțin? După cum știți, totul este cunoscut în comparație. Deci, energia de 1 MeV este de aproximativ 2,3 milioane de ori mai mare decât cea eliberată în timpul arderii a 1 kg de ulei. În consecință, fuziunea a doar două nuclee de deuteriu și tritiu eliberează atâta energie cât este eliberată în timpul arderii a 2,3∙10 6 ∙17,59 = 40,5∙10 6 kg de ulei. Dar vorbim doar doi atomi. Vă puteți imagina cât de mari erau mizele în a doua jumătate a anilor 40 a secolului trecut, când au început lucrările în SUA și URSS, al căror rezultat a fost o bombă termonucleară.
Cum a început totul
În vara anului 1942, la începutul proiectului bombei atomice în Statele Unite (Proiectul Manhattan) și mai târziu într-un program sovietic similar, cu mult înainte ca o bombă bazată pe fisiunea uraniului să fie construită, atenția unor participanți la aceste Programul a fost atras de un dispozitiv, care poate folosi o reacție de fuziune termonucleară mult mai puternică. În SUA, susținătorul acestei abordări, și chiar, s-ar putea spune, apologetul ei, a fost Edward Teller, deja menționat mai sus. În URSS, această direcție a fost dezvoltată de Andrei Saharov, viitor academician și disident.
Pentru Teller, fascinația lui pentru fuziunea termonucleară în anii creării bombei atomice a jucat mai degrabă un deserviciu. În calitate de membru al Proiectului Manhattan, a cerut cu insistență redirecționarea fondurilor pentru a-și implementa propriile idei, al căror scop era o bombă cu hidrogen și termonucleare, care nu a mulțumit conducerii și a provocat tensiune în relații. Întrucât în acel moment direcția de cercetare termonucleară nu era susținută, după crearea bombei atomice, Teller a părăsit proiectul și s-a apucat de predare, precum și de cercetare asupra particulelor elementare.
Cu toate acestea, izbucnirea Războiului Rece și, mai ales, crearea și testarea cu succes a bombei atomice sovietice în 1949, a devenit o nouă șansă pentru aprigul anticomunist Teller de a-și realiza ideile științifice. Se întoarce în laboratorul Los Alamos, unde a fost creată bomba atomică, și, împreună cu Stanislav Ulam și Cornelius Everett, începe calculele.
Principiul unei bombe termonucleare
Pentru a începe reacția de fuziune nucleară, trebuie să încălziți instantaneu încărcătura bombei la o temperatură de 50 de milioane de grade. Schema bombei termonucleare propusă de Teller folosește explozia unei bombe atomice mici, care se află în interiorul carcasei de hidrogen. Se poate argumenta că au existat trei generații în dezvoltarea proiectului ei în anii 40 ai secolului trecut:
- varianta Teller, cunoscută sub numele de „super clasic”;
- construcții mai complexe, dar și mai realiste ale mai multor sfere concentrice;
- versiunea finală a designului Teller-Ulam, care stă la baza tuturor sistemelor de arme termonucleare aflate în funcțiune astăzi.
Bombele termonucleare ale URSS, la originile cărora s-a aflat Andrei Saharov, au trecut și ele prin stadii de proiectare similare. El, aparent, destul de independent și independent de americani (ceea ce nu se poate spune despre bomba atomică sovietică, creată prin eforturile comune ale oamenilor de știință și ofițerilor de informații care au lucrat în Statele Unite) a trecut prin toate etapele de proiectare de mai sus.
Primele două generații aveau proprietatea că aveau o succesiune de „straturi” interconectate, fiecare întărind un anumit aspect al celui precedent și, în unele cazuri, stabilind Părere. Nu a existat o diviziune clară între bomba atomică primară și cea termonucleară secundară. În schimb, proiectarea bombei termonucleare Teller-Ulam distinge clar între o explozie primară, o explozie secundară și, dacă este necesar, una suplimentară.
Dispozitivul unei bombe termonucleare conform principiului Teller-Ulam
Multe dintre detaliile sale sunt încă clasificate, dar există o certitudine rezonabilă că toate armele termonucleare disponibile acum folosesc ca prototip un dispozitiv creat de Edward Telleros și Stanislav Ulam, în care o bombă atomică (adică o sarcină primară) este folosită pentru a genera radiații. , comprimă și încălzește combustibilul de fuziune. Andrei Saharov din Uniunea Sovietică a venit în mod independent cu un concept similar, pe care l-a numit „a treia idee”.
Schematic, dispozitivul unei bombe termonucleare din acest exemplu de realizare este prezentat în figura de mai jos.
Era cilindric, cu o bombă atomică primară aproximativ sferică la un capăt. Sarcina termonucleară secundară din primele probe, încă neindustriale, era din deuteriu lichid, puțin mai târziu a devenit solidă dintr-un compus chimic numit deuterură de litiu.
Faptul este că hidrura de litiu LiH a fost folosită de mult timp în industrie pentru transportul fără baloane a hidrogenului. Dezvoltatorii bombei (această idee a fost folosită pentru prima dată în URSS) au propus pur și simplu să ia izotopul său de deuteriu în loc de hidrogen obișnuit și să-l combine cu litiu, deoarece este mult mai ușor să faci o bombă cu o încărcătură termonucleară solidă.
Forma încărcăturii secundare era un cilindru plasat într-un recipient cu o carcasă de plumb (sau uraniu). Între sarcini este un scut de protecție împotriva neutronilor. Spațiul dintre pereții containerului cu combustibil termonuclear și corpul bombei este umplut cu un plastic special, de obicei Styrofoam. Corpul bombei în sine este fabricat din oțel sau aluminiu.
Aceste forme s-au schimbat în modelele recente, cum ar fi cel prezentat în figura de mai jos.
În ea, sarcina primară este aplatizată, ca un pepene verde sau o minge de fotbal american, iar sarcina secundară este sferică. Astfel de forme se potrivesc mult mai eficient în volumul intern al focoaselor de rachete conice.
Secvența de explozie termonucleară
Când bomba atomică primară detonează, atunci în primele momente ale acestui proces se generează o radiație puternică de raze X (flux de neutroni), care este parțial blocată de scutul de neutroni și este reflectată de căptușeala interioară a carcasei din jurul secundarului. sarcină, astfel încât razele X cad simetric pe ea pe toată lungimea.
În fazele inițiale ale unei reacții de fuziune, neutronii dintr-o explozie atomică sunt absorbiți de umplutura de plastic pentru a preveni încălzirea prea rapidă a combustibilului.
Razele X provoacă apariția unei spume plastice inițial dense, umplând spațiul dintre carcasă și sarcina secundară, care se transformă rapid într-o stare de plasmă, încălzind și comprimând încărcătura secundară.
În plus, razele X vaporizează suprafața recipientului din jurul sarcinii secundare. Substanța recipientului, evaporându-se simetric față de această sarcină, capătă un anumit impuls îndreptat de pe axa acesteia, iar straturile sarcinii secundare, conform legii conservării impulsului, primesc un impuls îndreptat spre axa dispozitivului. . Principiul de aici este același ca și într-o rachetă, doar dacă ne imaginăm că combustibilul rachetei este împrăștiat simetric de axa sa, iar corpul este comprimat spre interior.
Ca urmare a unei astfel de compresii a combustibilului termonuclear, volumul acestuia scade de mii de ori, iar temperatura atinge nivelul de început al reacției de fuziune nucleară. O bombă termonucleară explodează. Reacția este însoțită de formarea nucleelor de tritiu, care fuzionează cu nucleele de deuteriu care au fost prezente inițial în sarcina secundară.
Primele sarcini secundare au fost construite în jurul unui miez de tijă de plutoniu, numit informal „lumânare”, care a intrat într-o reacție de fisiune nucleară, adică a fost efectuată o altă explozie atomică suplimentară pentru a crește și mai mult temperatura pentru a asigura pornirea. a reacției de fuziune nucleară. Acum se crede că sistemele de compresie mai eficiente au eliminat „lumânarea”, permițând miniaturizarea în continuare a designului bombei.
Operațiunea Iedera
Acesta a fost numele dat testelor de arme termonucleare americane din Insulele Marshall în 1952, în timpul cărora a fost detonată prima bombă termonucleară. Se numea Ivy Mike și a fost construit după schema tipică Teller-Ulam. Sarcina sa termonucleară secundară a fost plasată într-un recipient cilindric, care este un vas Dewar izolat termic, cu combustibil termonuclear sub formă de deuteriu lichid, de-a lungul axei căreia a trecut o „lumânare” de 239-plutoniu. Dewarul, la rândul său, a fost acoperit cu un strat de 238-uraniu cântărind mai mult de 5 tone metrice, care s-a evaporat în timpul exploziei, asigurând o compresie simetrică a combustibilului de fuziune. Containerul cu încărcături primare și secundare a fost plasat într-o carcasă de oțel de 80 de inci lățime și 244 de inci lungime cu pereți de 10-12 inci grosime, care era cel mai mare exemplu de produs forjat de până atunci. Suprafața interioară a carcasei a fost căptușită cu foi de plumb și polietilenă pentru a reflecta radiația după explozia sarcinii primare și a crea o plasmă care încălzește sarcina secundară. Întregul dispozitiv cântărea 82 de tone. O vedere a dispozitivului cu puțin timp înainte de explozie este prezentată în fotografia de mai jos.
Primul test al unei bombe termonucleare a avut loc pe 31 octombrie 1952. Puterea exploziei a fost de 10,4 megatone. Attol Eniwetok, pe care a fost produs, a fost complet distrus. Momentul exploziei este prezentat în fotografia de mai jos.
URSS dă un răspuns simetric
Primatul termonuclear al SUA nu a durat mult. La 12 august 1953, prima bombă termonucleară sovietică RDS-6, dezvoltată sub conducerea lui Andrei Saharov și Yuli Khariton, a fost testată la locul de testare de la Semipalatinsk, ci mai degrabă un dispozitiv de laborator, greoi și extrem de imperfect. Oamenii de știință sovietici, în ciuda puterii reduse de doar 400 kg, au testat o muniție complet finisată cu combustibil termonuclear sub formă de deuterură de litiu solidă, și nu deuteriu lichid, ca americanii. Apropo, trebuie remarcat faptul că numai izotopul 6 Li este utilizat în compoziția deuteridei de litiu (acest lucru se datorează particularităților trecerii reacțiilor termonucleare), iar în natură este amestecat cu izotopul 7 Li. Prin urmare, au fost construite instalații speciale pentru separarea izotopilor de litiu și selectarea a doar 6 Li.
Atingerea limitei de putere
Acesta a fost urmat de un deceniu de cursă neîntreruptă a înarmărilor, timp în care puterea munițiilor termonucleare a crescut continuu. În cele din urmă, la 30 octombrie 1961, cea mai puternică bombă termonucleară care fusese construită și testată vreodată, cunoscută în Occident sub numele de Bomba țarului, a fost detonată în aer la o altitudine de aproximativ 4 km în URSS în timpul testului Novaia Zemlya. site-ul.
Această muniție în trei trepte a fost de fapt dezvoltată ca o bombă de 101,5 megatone, dar dorința de a reduce contaminarea radioactivă a teritoriului i-a forțat pe dezvoltatori să abandoneze etapa a treia cu o capacitate de 50 de megatone și să reducă randamentul estimat al dispozitivului la 51,5. megatone. În același timp, 1,5 megatone a fost puterea de explozie a sarcinii atomice primare, iar a doua etapă termonucleară trebuia să dea încă 50. Puterea reală de explozie a fost de până la 58 de megatone. Aspectul bombei este prezentat în fotografia de mai jos. .
Consecințele sale au fost impresionante. În ciuda înălțimii foarte semnificative de explozie de 4000 m, mingea de foc incredibil de strălucitoare aproape a ajuns la Pământ cu marginea sa inferioară și s-a ridicat la o înălțime de peste 4,5 km cu marginea superioară. Presiunea sub punctul de explozie a fost de șase ori mai mare decât presiunea maximă la explozia de la Hiroshima. Flashul de lumină era atât de strălucitor încât putea fi văzut la o distanță de 1000 de kilometri, în ciuda vremii înnorate. Unul dintre participanții la test a văzut un fulger strălucitor prin ochelari întunecați și a simțit efectele unui puls termic chiar și la o distanță de 270 km. O fotografie a momentului exploziei este prezentată mai jos.
În același timp, s-a demonstrat că puterea unei sarcini termonucleare într-adevăr nu are limite. La urma urmei, a fost suficient să se termine a treia etapă, iar capacitatea de proiectare ar fi fost atinsă. Dar puteți crește și mai mult numărul de pași, deoarece greutatea Bombei țarului nu depășea 27 de tone. Vederea acestui dispozitiv este prezentată în fotografia de mai jos.
După aceste teste, a devenit clar pentru mulți politicieni și militari atât din URSS, cât și din SUA că cursa înarmărilor nucleare și-a atins limita și că trebuie oprită.
Rusia modernă a moștenit arsenalul nuclear al URSS. Astăzi, bombele termonucleare ale Rusiei continuă să servească drept un factor de descurajare pentru cei care caută hegemonia mondială. Să sperăm că își joacă rolul doar de descurajare și nu vor fi aruncați niciodată în aer.
Soarele ca reactor de fuziune
Este bine cunoscut faptul că temperatura Soarelui, mai precis nucleul său, ajungând la 15.000.000 °K, se menține datorită fluxului continuu al reacțiilor termonucleare. Totuși, tot ceea ce am putut învăța din textul anterior vorbește despre natura explozivă a unor astfel de procese. Atunci de ce nu explodează soarele ca o bombă termonucleară?
Faptul este că, cu o proporție uriașă de hidrogen în compoziția masei solare, care ajunge la 71%, proporția izotopului său de deuteriu, ale cărui nuclee pot participa doar la reacția de fuziune termonucleară, este neglijabilă. Faptul este că nucleele de deuteriu în sine sunt formate ca urmare a fuziunii a două nuclee de hidrogen și nu doar o fuziune, ci odată cu descompunerea unuia dintre protoni într-un neutron, pozitron și neutrin (așa-numita descompunere beta) , care este un eveniment rar. În acest caz, nucleele de deuteriu rezultate sunt distribuite destul de uniform pe volumul nucleului solar. Prin urmare, cu ea dimensiune enormă iar focarele de masă, individuale și rare de reacții termonucleare de putere relativ scăzută sunt, parcă, mânjite pe tot miezul său de Soare. Căldura eliberată în timpul acestor reacții nu este în mod clar suficientă pentru a arde instantaneu tot deuteriul din Soare, dar este suficientă pentru a-l încălzi până la o temperatură care să asigure viața pe Pământ.
La 12 august 1953, prima bombă sovietică cu hidrogen a fost testată la locul de testare de la Semipalatinsk.
Iar pe 16 ianuarie 1963, în plină desfășurare a Războiului Rece, Nikita Hrușciov a anunțat lumii că Uniunea Sovietică deține noi arme de distrugere în masă în arsenalul său. Cu un an și jumătate mai devreme, cea mai puternică explozie a unei bombe cu hidrogen din lume a avut loc în URSS - o încărcătură cu o capacitate de peste 50 de megatone a fost aruncată în aer pe Novaia Zemlya. În multe privințe, această declarație a liderului sovietic a fost cea care a făcut lumea conștientă de amenințarea unei noi escalade a cursei înarmărilor nucleare: deja la 5 august 1963, a fost semnat la Moscova un acord care interzicea testele de arme nucleare în atmosferă. , spațiul cosmic și sub apă.
Istoria creației
Posibilitatea teoretică de obținere a energiei prin fuziune termonucleară era cunoscută încă înainte de cel de-al Doilea Război Mondial, dar războiul și cursa înarmărilor ulterioare au pus problema creării unui dispozitiv tehnic pentru realizarea practică a acestei reacții. Se știe că în Germania, în 1944, se lucrează pentru inițierea fuziunii termonucleare prin comprimarea combustibilului nuclear folosind încărcături de explozivi convenționali - dar au fost fără succes, deoarece nu au putut obține temperaturile și presiunile necesare. SUA și URSS au dezvoltat arme termonucleare încă din anii 1940, după ce au testat primele dispozitive termonucleare aproape simultan la începutul anilor 1950. În 1952, pe atolul Enewetok, Statele Unite au efectuat o explozie a unei încărcături cu o capacitate de 10,4 megatone (care este de 450 de ori puterea bombei aruncate pe Nagasaki), iar în 1953 un dispozitiv cu o capacitate de 400 de kilotone. a fost testat în URSS.
Proiectele primelor dispozitive termonucleare nu erau potrivite pentru uz real de luptă. De exemplu, un dispozitiv testat de Statele Unite în 1952 era o structură supraterană la fel de înaltă ca o clădire cu două etaje și cântărind peste 80 de tone. Combustibilul termonuclear lichid a fost depozitat în el cu ajutorul unei uriașe unități frigorifice. Prin urmare, în viitor, producția în serie de arme termonucleare a fost efectuată folosind combustibil solid - deuteriră de litiu-6. În 1954, Statele Unite au testat un dispozitiv bazat pe acesta la atolul Bikini, iar în 1955, o nouă bombă termonucleară sovietică a fost testată la locul de testare de la Semipalatinsk. În 1957, o bombă cu hidrogen a fost testată în Marea Britanie. În octombrie 1961, o bombă termonucleară cu o capacitate de 58 de megatone a fost detonată în URSS pe Novaia Zemlya - cea mai puternică bombă testată vreodată de omenire, care a intrat în istorie sub numele de „Tsar Bomba”.
Dezvoltarea ulterioară a vizat reducerea dimensiunii proiectării bombelor cu hidrogen pentru a asigura livrarea lor către țintă cu rachete balistice. Deja în anii 60, masa dispozitivelor a fost redusă la câteva sute de kilograme, iar până în anii 70, rachetele balistice puteau transporta mai mult de 10 focoase în același timp - acestea sunt rachete cu mai multe focoase, fiecare dintre părți își poate atinge propria țintă. . Până în prezent, Statele Unite ale Americii, Rusia și Marea Britanie au arsenale termonucleare, teste de încărcături termonucleare au fost efectuate și în China (în 1967) și în Franța (în 1968).
Cum funcționează bomba cu hidrogen
Acțiunea unei bombe cu hidrogen se bazează pe utilizarea energiei eliberate în timpul reacției de fuziune termonucleară a nucleelor ușoare. Această reacție are loc în interiorul stelelor, unde, sub influența temperaturilor ultraînalte și a presiunii gigantice, nucleele de hidrogen se ciocnesc și se contopesc în mai multe. nuclee grele heliu. În timpul reacției, o parte din masa nucleelor de hidrogen este convertită într-o cantitate mare de energie - datorită acesteia, stelele eliberează o cantitate imensă de energie în mod constant. Oamenii de știință au copiat această reacție folosind izotopi de hidrogen - deuteriu și tritiu, care au dat numele de „bombă cu hidrogen”. Inițial, izotopii lichizi ai hidrogenului au fost utilizați pentru a produce încărcături, iar mai târziu a fost folosită deuterură de litiu-6, un compus solid de deuteriu și un izotop de litiu.
Deuterura de litiu-6 este componenta principală a bombei cu hidrogen, combustibilul termonuclear. Deja stochează deuteriu, iar izotopul de litiu servește ca materie primă pentru formarea tritiului. Pentru a începe o reacție de fuziune termonucleară, trebuie să creați temperatura ridicatași presiune, precum și izolarea tritiului din litiu-6. Aceste condiții sunt prevăzute după cum urmează.
Carcasa containerului pentru combustibil termonuclear este fabricată din uraniu-238 și plastic, lângă container este plasată o încărcătură nucleară convențională cu o capacitate de câteva kilotone - se numește declanșator sau inițiator de încărcare al unei bombe cu hidrogen. În timpul exploziei încărcăturii de plutoniu de inițiere, sub influența unei puternice radiații cu raze X, carcasa containerului se transformă în plasmă, micșorându-se de mii de ori, ceea ce creează presiunea ridicată necesară și o temperatură enormă. În același timp, neutronii emiși de plutoniu interacționează cu litiul-6, formând tritiu. Nucleele de deuteriu și tritiu interacționează sub influența temperaturii și presiunii ultra-înalte, ceea ce duce la o explozie termonucleară.
Dacă faceți mai multe straturi de uraniu-238 și litiu-6 deuteridă, atunci fiecare dintre ele își va adăuga puterea la explozia bombei - adică un astfel de „puf” vă permite să creșteți puterea exploziei aproape nelimitat. Datorită acestui fapt, o bombă cu hidrogen poate fi făcută din aproape orice putere și va fi mult mai ieftină decât o bombă nucleară convențională de aceeași putere.
