Vertex: А нейтроны, образующиеся при делении, могут очень легко улетучиться, поэтому сфера расщепляющегося материала слишком мала, чтобы сделать цепную реакцию самодостаточной.
Критическая масса
Он начал свою лекцию. Он начал говорить о «бомбах». Через несколько минут Оппи, которого коллеги иногда называют Робертом Оппенгеймером, прислал Джона Генри Мэнли, американского физика Манхэттенского проекта. Рабочих было слишком много», — сказал Мэнли в то время. ‘Они беспокоились о безопасности. Мне пришлось использовать слово «гаджет». Но в Лос-Аламосе мы называем бомбы, которые мы создали, «материалом».
Воспоминания Роберта Тёрбера о вводной книге Лос-Аламоса.
В энергетической задаче «вещь» мы качественно изучили процесс деления ядер и оценили его энергию. Возникли также условия, необходимые для цепной реакции урана. Запускается процесс деления ядра урана, и нейтроны, образующиеся в результате этого процесса, играют важную роль в процессе цепной реакции и поддерживают ее развитие. Если среднее число нейтронов, образующихся в результате деления, меньше единицы, реакция немедленно прекращается (см. пик эпидемии, а также эпидемия).
В приведенной выше задаче, однако, цепная реакция развивалась в идеальных условиях. Предполагалось, что нейтроны, образующиеся при делении, рано или поздно будут захвачены ядром и вовлечены в деление. Если бы эта простая модель была верна, то достаточно обогащенная масса урана немедленно взорвалась бы. Следует согласиться, что это немного помогает, поскольку смысл бомбы заключается в том, чтобы высвободить энергию в заранее запланированный момент времени в соответствующий момент времени.
К счастью для создателей первой атомной бомбы, эта простая модель не работает на практике. Например, урановый шарик диаметром 2 см, содержащий 60% урана-235, не вызовет цепной реакции. Среднее число вторичных нейтронов при делении ядра урана превышает единицу. На самом деле, большинство вторичных нейтронов имеют высокие энергии (порядка МэВ и более) и малые сечения рассеяния, поэтому им приходится преодолевать расстояние в несколько сантиметров. в среднем до взаимодействия с ядром урана (это расстояние называется длиной свободного пробега). Однако, если размер фрагмента урана сравним с длиной свободного пробега, большинство нейтронов уходят, ни с чем не взаимодействуя. Таким образом, если объем (или масса) урана слишком мал, цепная реакция не произойдет. Если он слишком велик, он немедленно взорвется. Поэтому существует золотое сечение, называемое критической массой.
Если это реализовано, задача проведения взрыва значительно упрощается. Вам нужно взять некий кусок ядерного топлива (либо обогащенного урана, либо плутония) и сделать его критическим в нужное время. Есть два метода: можно соединить два лицемерных куска в один сверхкритический кусок (это так называемый пушечный тип стрельбы), а можно взять лицемерную пулю и опасно сжать ее со всех сторон (имплантационный тип). В обоих случаях, однако, критическая масса (или радиус) материала должна быть хорошо известна, чтобы правильно рассчитать вспомогательную нагрузку. Если начальная масса ядерного топлива близка к критической, то риск раннего взрыва выше. Если вспомогательный груз очень слабый, бомба может просто не взорваться.
Задача
Манхэттенская программа состояла из огромного количества скоординированных команд и отделов, экспериментальных и теоретических, промышленных, механических и военных. Предположим, вы работаете в теоретической группе, и вам нужно подготовить отчет для инженерного отдела о критической массе двух видов топлива — обогащенного урана и плутония. Из отчета экспериментальной группы вы узнаете следующие данные
| атомов в одном кубическом сантиметре | площадь сечения захвата с расщеплением | площадь сечения рассеяния | число вторичных нейтронов на деление | |
| Уран-235 | 4,794·10 22 | 1,235·10 −24 см 2 | 4,566·10 −24 см 2 | 2,637 |
| Плутоний-239 | 3,93·10 22 | 1,8·10 −24 см 2 | 4,394·10 −24 см 2 | 3,172 |
Найдите критическую массу и радиус сферических кусков урана и плутония. Обратите внимание, что эти значения обрабатываются инженером, и что инженер должен знать, насколько оценки отличаются от фактических значений, если расчеты не точны. Уран можно считать достаточно обогащенным. Это означает, что примеси в уране-238 можно игнорировать.
Подсказка 1
В простейшей оценке можно предположить, что число нейтронов, произведенных в критическом объеме ядерного топлива, в точности равно числу нейтронов, испущенных из этого объема. Выясните, какие предположения делаются в этой оценке и насколько они могут быть неверными.
Какую роль в этом процессе играет упругая дисперсия? Насколько сильно они могут изменить ответ? Какие другие эффекты не учтены, которые могут существенно изменить ответ?
Сверхкритическая масса — это масса, которая возникает сразу после начала деления, с возрастающей скоростью. Материал может достичь равновесия (т.е. снова стать критическим) или саморазрушиться при высокой температуре/мощности. Для сверхкритических условий k>1.
Критическая масса
Все слышали, что существует критическая масса, которая должна быть создана для начала ядерной цепной реакции. Критической массы недостаточно только для того, чтобы произошел настоящий ядерный взрыв — реакция останавливается почти сразу же, прежде чем выделится сколько-нибудь значительная энергия. Для полномасштабного взрыва в несколько килотонн или десятков килотонн необходимо одновременно собрать две или три, или даже четыре или пять критических масс.
Кажется очевидным построить более двух урановых или плутониевых масс и соединять их, когда это необходимо. Физики могут сказать, что они думали точно так же, когда начали разрабатывать ядерные бомбы. Однако реальность принесла некоторые изменения.
Проблема в том, что с очень чистым ураном 235 или плутонием 239 это возможно, но ученым приходилось иметь дело с настоящим металлом. Путем обогащения природного урана можно создать смесь, содержащую 90% урана-235 и 10% урана-238, а усилия по удалению оставшегося урана-238 приведут к очень быстрой переоценке материала (называемого высокообогащенным ураном). Уран-235Плутоний-239, образующийся в реакторе деления урана-235, неизбежно содержит смесь плутония-240.
Уран-235 и плутоний-239 называются четно-нечетными, поскольку их ядра содержат четное число протонов (92 для урана и 94 для плутония) и нечетное число нейтронов (143 и 145 соответственно). Все взвешенные ядра тяжелых элементов имеют одну общую черту. Они редко распадаются спонтанно (ученые говорят «спонтанно»), но они легко распадаются, когда нейтроны входят в ядро.
Уран-238 и плутоний-240 являются однородными. В отличие от них, они редко распадаются под действием нейтронов низкой и средней энергии, вылетающих из делящегося ядра, но спонтанно распадаются в сотни или десятки тысяч раз чаще, образуя нейтронный фон. Этот фон сильно затрудняет производство ядерных боеголовок, поскольку приводит к преждевременному началу реакции до того, как две части нападения встретятся. По этой причине устройства, готовые к детонации, требуют сращивания компонентов критической массы на большом расстоянии друг от друга и на высокой скорости.
Пушечная бомба
Тем не менее, бомба, упавшая на Хиросиму 6 августа 1945 года, была изготовлена в соответствии с вышеупомянутым планом. Мишень и две части сферы были изготовлены из высокообогащенного урана. Мишень представляла собой цилиндр диаметром 16 см и высотой 16 см. В центре находилось отверстие диаметром 10 см. Сфера была изготовлена в соответствии с этим отверстием. Бомба содержала в общей сложности 64 кг урана.
Мишень была окружена оболочкой, внутренний слой которой был изготовлен из карбида вольфрама, а внешний — из стали. Снаряд имел две цели. Она должна была удерживать сферу при попадании в цель и отражать хотя бы часть нейтронов, выходящих из урана. С учетом отражателя нейтронов, 64 кг составляли критическую массу 2,3. Поскольку каждая часть была лицемерной, как это произошло? Дело в том, что при удалении центральной части из цилиндра его средняя плотность уменьшается, а значение критической массы увеличивается. Поэтому масса этого компонента может превысить критическую массу цельного куска металла. Однако масса сферы не может быть увеличена таким образом, поскольку сфера должна быть компактной.
И мишень, и пуля были собраны из фрагментов: мишень — из различных нижних колец, а пуля — из шести шайб. Причина была проста. Во время строительства (заливки и уплотнения) пустот размер урановых пустот должен был быть уменьшен, так как общее количество урана не должно было приближаться к критической массе. Пуля была заключена в тонкостенную оболочку из нержавеющей стали с колпачком из карбида вольфрама, как и оболочка мишени.
Чтобы направить пулю в центр цели, было решено использовать обычный 76,2-мм ствол зенитной пушки. Вот почему этот тип бомб иногда называют артиллерийскими бомбами. Для размещения этих необычных снарядов ствол был открыт внутрь на 100 мм. Длина ствола составляла 180 см. В патронник был загружен обычный бездымный порох, и снаряд был выпущен со скоростью примерно 300 м/с. Другой конец ствола вставлялся в отверстие в снаряде-мишени.
Эта конструкция имела ряд недостатков.
Это была огромная опасность. Как только взрывчатка была загружена в зарядный отсек, любая случайность, способная воспламенить ее, полностью обесточивала бомбу. По этой причине пожарные уже находились в воздухе, когда самолет приблизился к цели.
Если самолет упадет, куски урана могут соединиться без пыли, просто в результате сильного удара о землю. Чтобы избежать этого, диаметр сферы был на долю больше диаметра канала ствола.
Если бы бомба упала в воду, реакция могла бы начаться даже без соединения частей из-за замедления нейтронов в воде. На самом деле, ядерный взрыв маловероятен, но большинство бомб запускается, происходит радиоактивное заражение и происходит тепловой взрыв.
Длина такой бомбы должна была превышать два метра, и это вряд ли было непреодолимым препятствием. В конце концов, была достигнута критическая ситуация, и реакция началась, когда пуля была в полуметре от остановки!
Наконец, бомба оказалась очень бесполезной. Менее 1% урана успело прореагировать!
У пушечных бомб было только одно преимущество. Он не мог потерпеть неудачу. Они даже не были протестированы! Но американцам пришлось испытать плутониевую бомбу. Его конструкция была очень молодой и сложной.
Плутониевый футбольный мяч
Смесь плутония-240 была минимальной (менее 1%!). Когда стало ясно, что даже плутониевую бомбу собрать невозможно, физики были вынуждены искать другие способы накопления критической массы. А ключ к плутониевой взрывчатке был обнаружен человеком, который впоследствии стал самым известным «ядерным шпионом», британским естествоиспытателем Клаусом Фуксом.
Его идея, позже названная «имплантацией», заключалась в использовании взрывной линзы, которая могла двигаться вместе с SO, образуя сходящуюся сферическую волну расхождения. Эта волна тяги сожмет кусок плутония так, что его плотность удвоится.
Если уменьшение плотности приводит к увеличению критической массы, то плотность должна быть увеличена! Это особенно верно для плутония. Плутоний — это очень конкретный материал. Когда кусок плутония охлаждается от точки плавления при комнатной температуре, происходит четыре фазовых изменения. При последней (около 122 градусов Цельсия) его плотность увеличивается на 10%. Каждая отливка неизбежно трескается. Чтобы избежать этого, плутоний недоволен тривиальными металлами, поэтому состояние без плотности остается постоянным. Можно было использовать алюминий, но в 1945 году существовало опасение, что альфа-частицы, вылетающие из плутониевого сердечника во время аварии, будут выстреливать свободные нейтроны из алюминиевого сердечника, увеличивая и без того значительный нейтронный фон.
Сфера диаметром 9 см и весом около 6,5 кг была изготовлена из сплава, содержащего 98% плутония-239, 0,9% плутония-40 и 0,8% франция. Шар имел полость диаметром 2 см в середине и состоял из двух частей цилиндра диаметром 2 см. Этот цилиндр выполнял роль заглушки, а во внутреннюю полость можно было вставить стартер — источник нейтронов, активируемых взрывом бомбы. Все три части должны были быть никелированы, поскольку плутоний в значительной степени окисляется воздухом и водой и очень опасен при проглатывании.
Шар был окружен естественным небесным отражателем нейтронов 238 толщиной 7 см и весом 120 кг. Уран является хорошим отражателем быстрых нейтронов, и, поскольку собранная система немного лицемерна, вместо плутониевых трубок были установлены кадмиевые трубки для поглощения нейтронов. Дефлекторы также помогали удерживать все части критического комплекса вместе во время реакции. В противном случае большая часть плутония рассеется, не успев принять участие в ядерной реакции.
11,5 см слой алюминиевого сплава весом 120 кг. Назначение матраса такое же, как и у объектива. Это делается для того, чтобы взрывные волны проникали в комплекс урановых пробок, а не отражались от них. Это отражение происходит из-за разницы в плотности взрывчатого вещества и урана (примерно 1:10). Более того, в ударных волнах волна разбавления следует за волной сжатия. Слой алюминия ослабил волну разбавления и снизил действие взрывчатки. К алюминию необходимо было добавить бор, который поглощает нейтроны, вылетающие из ядра атома алюминия под воздействием альфа-частиц, возникающих при распаде урана-238.
Наконец, снаружи была установлена «взрывная линза». Их было 32 (20 шестиугольников и 12 пятиугольников), образуя структуру, похожую на футбольный мяч. Каждая линза состояла из трех частей, центральная из которых была изготовлена из специального «медленного» взрывчатого вещества, а внешняя и внутренняя части — из «быстрого» взрывчатого вещества. Внешняя часть была сферической снаружи, но имела внутреннюю конусную полость, имеющую другое назначение, например, для кумулятивного заряда. В этом конусе взрывчатка двигалась медленно, и на границе раздела происходило преломление взрывной волны, как у обычного света. Однако сходство здесь весьма условное. На самом деле, форма этого конуса является одним из настоящих секретов ядерных бомб.
