Termonukleární bomba: zařízení. První termonukleární bomba. Test termonukleární bomby

Náš článek je věnován dějinám tvorby a obecným principům syntézy takového zařízení jako termonukleární bomby, někdy nazývané vodíkovou bombou. Namísto uvolnění energie výbuchu při rozštěpení jader těžkých elementů, jako je uran, vytváří ještě větší část jádra lehkých prvků (například vodíkových izotopů) do jednoho těžkého (například hélia).

Proč je preferována jaderná fúze?

Při termonukleární reakci spočívající ve fúzi jader chemických prvků, které se na něm podílejí, je na jednotku hmotnosti fyzického zařízení generována mnohem více energie než čistá atomová bomba, která provádí reakci jaderného štěpení.

V atomové bombě je štěpné jaderné palivo rychle, pod energií detonace konvenčních výbušnin, spojeno v malém sférickém objemu, kde vzniká tzv. Kritická hmota a začne štěpná reakce. Současně mnoho neutronů uvolněných ze štěpných jader způsobí štěpení ostatních jader v množství paliva, které také uvolňují další neutrony, což vede k řetězové reakci. To pokrývá ne více než 20% paliva předtím, než bomba exploduje, nebo možná mnohem méně, pokud podmínky nejsou dokonalé: tak v atomových bombech Kid klesl na Hirošimu a Fatty zasáhl Nagasaki, účinnost (pokud je takový termín možný) ) byly pouze 1,38%, respektive 13%.

Fúze (nebo syntéza) jádra pokrývá celou hmotnost bomby a trvá, dokud neutrony nenajdou nezreagované termonukleární palivo. Proto je hmotnost a výbušná síla takovéto bomby teoreticky neomezená. Taková fúze může pokračovat teoreticky nekonečně. Dokonce je termonukleární bomba jednou z možných zařízení, která může zničit celý lidský život.

Co je reakce jaderné fúze?

Palivem pro fúzní reakci jsou vodíkové izotopy deuterium nebo tritium. První se liší od obyčejného vodíku tím, že ve svém jádru kromě jednoho protonu je také neutron a v jádře tritia jsou již dva neutrony. V přírodní vodě tvoří jeden atom deuteria 7 000 atomů vodíku, ale jeho množství. obsažené ve sklenici vody, můžete získat v důsledku termonukleární reakce stejné množství tepla jako při spalování 200 litrů benzínu. Na schůzce v roce 1946 s politiky, otcem Američana vodíková bomba Edward Teller zdůraznil, že deuterium dává více energie na gram hmotnosti než uran nebo plutonium, ale stojí dvacet centů za gram ve srovnání s několika set dolarů na gram jaderného štěpení. Tritium v ​​přírodě se vůbec nevyskytuje ve volném stavu, takže je mnohem dražší než deuterium, s tržní cenou desítek tisíc dolarů za gram, ale největší množství energie se uvolňuje právě ve fúzní reakci jádra deutria a tritia, u kterého se vytváří a uvolňuje atom jádra helia neutron, který nese 17,59 MeV nadbytečné energie

D + T → ⁴ He + n + 17,59 MeV.

Tato reakce je schematicky znázorněna na následujícím obrázku. Je to hodně nebo málo? Jak víte, všechno je relativní. Takže energie 1 MeV je přibližně 2,3 milionůkrát více než 1 kg oleje, který se uvolňuje během spalování. V důsledku toho dochází ke spuštění fúze pouze dvou jader deutria a tritia, které se uvolňují při spalování až na tolik energie než 2,3 2,3 10 ⁶ ∙ 17,59 = 40,5 ∙ 10 ⁶ kg oleje. Ale mluvíme jenom o dvou atomech. Dokážete si představit, jak vysoká byla sázka v druhé polovině 40. let minulého století, kdy byla zahájena práce ve Spojených státech a SSSR, což bylo důsledkem termonukleární bomby.

Jak to všechno začalo

Již v létě roku 1942, na počátku projektu atomové bomby v USA (projekt Manheten) a později v podobném sovětském programu, dávno předtím, než byla bomba postavena na základě štěpení uranových jader, pozornost některých účastníků těchto programů byla přitahována k zařízení, které mohou využívat mnohem silnější termonukleární fúzní reakci. Ve Spojených státech byl již výše zmíněný Edward Teller přívržencem tohoto přístupu a dokonce by se mohl říci i jeho apologistovi. V SSSR tento směr vyvinul Andrej Sacharov, budoucí akademik a disident.

Pro Tellera jeho fúze termonukleární fúze v letech vzniku atomové bomby hrála poněkud špatně. Jako účastník projektu Manhattan trval na přesměrování finančních prostředků na realizaci vlastních myšlenek, jejichž cílem byla vodíková a termonukleární bomba, kterou vedení nemělo rád a způsobilo napětí ve vztahu. Vzhledem k tomu, že tehdy nebylo podporováno termonukleární směřování výzkumu, po vytvoření atomové bomby Teller opustil projekt a zapojil se do výuky, stejně jako výzkum elementárních částic.

Nicméně vypuknutí studené války a především vytvoření a úspěšné testování sovětské atomové bomby v roce 1949 se stalo pro zuřivou protikomunistickou Teller novou šanci realizovat své vědecké myšlenky. Vrátil se do laboratoře v Los Alamos, kde byla vytvořena atomová bomba, a spolu s Stanislavem Ulamem a Corneliusem Everettem pokračuje ve výpočtech.

Princip termonukleární bomby

Aby reakce na jadernou fúzi začala, musíte okamžitě zahřát náboj na teplotu 50 milionů stupňů. Termonukleární bomba navržená Tellerem využívá pro tuto explozi malou atomovou bombu, která se nachází uvnitř vodíkové nádrže. Lze argumentovat, že ve vývoji jejího projektu existovaly tři generace ve 40. letech minulého století:

• varianta teller známá jako "klasická super";
• složitější, ale i reálnější návrhy z několika soustředných oblastí;
• Konečná verze konstrukce Teller-Ulam, která je základem všech současně fungujících systémů termonukleárních zbraní.

Podobná USSR designová termo-nukleární bomba prošla s Andrejem Sacharovem na začátku jejich vytvoření. Zdá se, že zcela nezávisle a nezávisle na Američanech (což není případ sovětské atomové bomby vytvořené společným úsilím vědců a důstojníků zpravodajů, kteří pracovali v USA), prošel všemi výše uvedenými etapami návrhu.

První dvě generace měly vlastnost, že mají sekvenci spojených "vrstev", z nichž každá posílila některé aspekty předchozího a v některých případech byla vytvořena zpětná vazba. Nebylo jasné oddělení primární atomové bomby a sekundárního termonukleáru. Naproti tomu systém Teller-Ulamové termonukleární bomby prudce rozlišuje primární výbuch, sekundární a případně i další.

Přístroj termonukleární bomby podle principu Teller-Ulam

Mnoho jeho detailů stále zůstává klasifikováno, ale existuje dostatečná důvěra v to, že všechny termonukleární zbraně, které jsou v současnosti k dispozici, používají zařízení vytvořené Edwardem Tellerosem a Stanislavem Ulamem, ve kterém je atomová bomba (tj. Primární náboj) použita k generování záření jako prototyp komprimuje a ohřívá termonukleární palivo. Andrej Sacharov v Sovětském svazu, zřejmě samostatně přišel s podobným pojetím, který nazval "třetí myšlenkou".

Přístroj termonukleární bomby v této variantě je schematicky znázorněn na následujícím obrázku. Měla válcovitý tvar s hrubě sférickou primární atomovou bombou na jednom konci. Sekundární termonukleární náboj v prvních, neprůmyslových vzorcích pocházel z tekutého deuteria, poněkud později se stal pevným z chemické sloučeniny nazývané lithium-deuterid.

Faktem je, že v průmyslu LiH byl již dlouho používán pro přepravu vodíku, který není v sále. Vývojáři bomby (tato myšlenka byla poprvé použita v SSSR) jednoduše navrhla převzetí izotopu deuteria namísto obyčejného vodíku a jeho kombinace s lithiem, protože je mnohem jednodušší provést bombu s pevným termonukleárním nábojem.

Tvar sekundárního náboje byl válec umístěný v nádobě s pláštěm olova (nebo uranu). Mezi nábojmi je štít ochrany proti neutronům. Prostor mezi stěnami kontejneru s termonukleárním palivem a bombovým pouzdrem je vyplněn speciálním plastu, zpravidla s expandovaným polystyrenem. Bomba samotná je vyrobena z oceli nebo hliníku.

Tyto formy se změnily v nedávných návrzích, jako je tomu na obrázku níže. V tom je primární náboj zploštělá jako vodní meloun nebo míč v americkém fotbalu a sekundární náboj je sférická. Takové formy se hodí mnohem účinněji do vnitřního objemu kuželovitých hlavic raket.

Termonukleární sekvence výbuchu

Když primární atomová bomba odpálí, v prvních okamžicích tohoto procesu je mocný rentgenové záření (neutronový tok), který je částečně zablokován ochranou proti neutronům a odráží se od vnitřního obložení těla, které obklopuje sekundární náboj, takže rentgenové záření klesá symetricky po celé jeho délce.

V počátečních stádiích termonukleární reakce jsou neutrony z atomového výbuchu absorbovány plastovou náplní, aby se zabránilo přílišnému zahřívání paliva.

Rentgenové záření způsobí nejprve hustou plastovou pěnu, která vyplňuje prostor mezi tělem a sekundárním nábojem, který se rychle změní na plazmu, která zahřívá a stlačí sekundární náboj.

Kromě toho rentgenové záření odpaří povrch obalu kolem druhotného náboje. Symetricky odpařující se vzhledem k tomuto náboji získává látka kontejneru určitý impuls směřující z jeho osy a vrstvy sekundárního náboje obdrží impuls směřující k ose zařízení podle zákona zachování hybnosti. Princip je zde stejný jako u rakety, pouze pokud si člověk představí, že raketové palivo letí symetricky od své osy a tělo je stlačeno dovnitř.

V důsledku takové komprese termonukleárního paliva se jeho objem snižuje tisíckrát a teplota dosáhne úrovně nástupu jaderné fúze. Existuje exploze termonukleární bomby. Reakce je doprovázena tvorbou jádra tritia, které se spojí s jádry deuteria, které jsou zpočátku přítomny ve složení sekundárního náboje.

První sekundární náboje byly postaveny kolem jádra plutonia, neformálně nazývaného "svíčka", která vstoupila do jaderné štěpné reakce, tj. Další další atomový výbuch byl proveden pro zvýšení teploty ještě více, aby se zajistilo nástup jaderné fúze. V současné době se předpokládá, že efektivnější kompresní systémy eliminovaly "svíčku", což umožňuje další miniaturizaci konstrukce bomb.

Provoz Ivy

Tak byly vyzvány testy amerických termonukleárních zbraní na Marshallových ostrovech v roce 1952, během nichž byla detonována první termonukleární bomba. To bylo nazýváno Ivy Mike a byl postaven podle typického Teller-Ulam schéma. Jeho sekundární termonukleární náboj byl umístěn ve válcovité nádobě, která je tepelně izolovaná Dewar s termonukleárním palivem ve formě kapalného deuteria, podél osy kterého prošla "svíčka" 239 plutonia . Dewar byl zase pokryt vrstvou 238-uranu vážícího více než 5 tun, která se během výbuchu odpařovala, čímž byla zajištěna symetrická komprese termonukleárního paliva. Kontejner s primárním a sekundárním nábojem byl umístěn v ocelovém pouzdře o šířce 80 palců a délce 244 palců se stěnami o tloušťce 10-12 palců, což byl největší příklad kovaného zboží až do té doby. Vnitřní povrch pouzdra byl obložen vrstvami olova a polyethylenu, aby odrážel záření po výbuchu primárního náboje a vytvořil plazmu, která ohřívá sekundární náboj. Celé zařízení váží 82 tun. Pohled na zařízení krátce před výbuchem je zobrazen na níže uvedené fotografii.

První test termonukleární bomby se uskutečnil 31. října 1952. Síla výbuchu byla 10,4 megatonů. Attol Eniwetok, na kterém byl vyroben, byl zcela zničen. Moment výbuchu je uveden na fotografii níže.

SSSR dává symetrickou odpověď

Americký termonukleární šampionát netrval dlouho. Dne 12. srpna 1953 byla na zkušebním místě Semipalatinsk testována první sovětská termonukleární bomba RDS-6, vyvinutá pod vedením Andrei Sacharova a Yuliho Kharitona. Z výše uvedeného popisu je zřejmé, že bomba na Eniwetoku nebyla Američany skutečně vybuchla, ale spíše laboratorní zařízení, těžkopádné a velmi nedokonalé. Sovětští vědci, i přes malou kapacitu pouhých 400 kg, zkoušeli úplně dokončená munice s termonukleárním palivem ve formě pevného deuteridu lithia a ne kvapalného deuteria, jako u Američanů. Mimochodem je třeba poznamenat, že při složení deuteridu lithia se používá pouze ⁶ Li izotopu (je to kvůli vlastnostem průchodu termonukleárních reakcí) a v přírodě je smícháno s izotopem ⁷ Li. Proto byly vybudovány speciální produkce pro separaci izotopů lithia a výběr pouze ⁶ Li.

Dosažení maximálního výkonu

Následovalo deset let nepřetržitého závod ve zbrojení během něhož se síla termonukleární munice nepřetržitě zvyšovala. Konečně, 30. 10. 1961, v SSSR byla nejsilnější termonukleární bomba, která byla někdy postavena a testována, známá na Západě jako cárovská bomba, ve vzduchu ve výšce asi 4 km v Sovětském svazu.

Tato třístupňová munice byla ve skutečnosti vyvinuta jako 101,5 megatonová bomba, ale touha snížit radioaktivní znečištění území nucena vývojáři opustit třetí etapu s kapacitou 50 megatonů a snížit odhadovanou sílu přístroje na 51,5 megatunů. Současně bylo 1,5 megatonů síla výbuchu primárního atomového náboje a druhá termonukleární fáze měla dát dalších 50. Skutečná síla výbuchu byla až 58 megatonů. Vzhled bomby je znázorněn na obrázku níže.

Důsledky byly působivé. Navzdory velmi významné výšce výbuchu 4000 m, neuvěřitelně jasná ohnivá koule dosáhla téměř dolního okraje země a horní část se zvedla do výšky více než 4,5 km. Tlak pod bodem zlomu byl šestkrát vyšší než špičkový tlak při výbuchu v Hirošimě. Záblesk světla byl tak jasný, že byl viditelný ve vzdálenosti 1000 kilometrů, a to i přes zatažené počasí. Jeden z testujících účastníků viděl jasný blesk skrz tmavé brýle a cítil účinky tepelného pulsu dokonce ve vzdálenosti 270 km. Fotografie okamžiku výbuchu jsou uvedeny níže.

Bylo prokázáno, že síla termonukleárního náboje skutečně nemá žádné omezení. Koneckonců stačilo provést třetí krok a vypočítaná síla by se dosáhla. Ale můžete zvýšit počet kroků a dále, protože váha "cárské bomby" nebyla více než 27 tun. Pohled na toto zařízení je zobrazen na níže uvedené fotografii.

Po těchto testech bylo pro mnohé politiky a armádu jasné, jak v SSSR, tak iv USA, že závod jaderné zbrojení skončil a musel být zastaven.

Moderní Rusko zdědi jaderný arzenál SSSR. Ruské termonukleární bomby dnes slouží jako odrazující prostředek pro ty, kteří hledají globální hegemonii. Doufejme, že budou hrát svou roli pouze ve formě odrazujícího prostředku a nebudou nikdy vyhozeni.

Slunce jako jaderný reaktor

To je dobře známo teplota slunce, přesněji, jeho jádro, dosahující 15000000 ° K, je podporováno plynulým prouděním termonukleárních reakcí. Nicméně, všechno, co bychom se mohli naučit z předchozího textu, říká výbušná povaha takových procesů. Proč tedy slunce nevybuchne jako termonukleární bomba?

Faktem je, že s obrovským podílem vodíku ve složení sluneční hmoty, která dosahuje 71%, je podíl jeho izotopu deuteria, jehož jádra se může podílet pouze na reakci termonukleární fúze, zanedbatelný. Faktem je, že samotná jádra deuteria jsou tvořena výsledkem fúze dvou vodíkových jader, nikoliv jen fúze, ale s rozpadem jednoho z těchto protonů na neutron, pozitron a neutrin (také nazývaný beta rozklad), což je vzácná událost. Současně jsou vytvořená jádra deuteria rozdělena poměrně rovnoměrně nad objem solárního jádra. Proto s jeho obrovskou velikostí a hmotností jsou jednotlivé a vzácné ložiska termonukleárních reakcí relativně nízké síly, jakoby byly rozloženy po celém jádru Slunce. Teplo uvolněné během těchto reakcí zjevně nestačí k okamžitému vyhoření veškerého deuteria na Slunci, ale stačí ho ohřát na teplotu, která zajistí život na Zemi.