Атомная бомба на кухне своими руками
Очень часто меня спрашивают разные люди, почему атомную бомбу так долго не могли сделать? Все изучали в школе физику и знают, что если взять достаточно большой кусок урана, то непременно "заведётся" цепная реакция и этот кусок неминуемо взорвётся. В таком случае почему ещё не все страны обзавелись атомным оружием?
Так ли это? Достаточно ли взять уран в нужном количестве и любой человек легко сделает бомбу своими руками? Она же так просто устроена? Возьми один кусок в одну руку, другой - в другую, хлоп их друг об друга и получишь Большой Барабум.
Так, да не так. Всё обстоит несколько сложнее. Попробуем разобраться.
Действительно, если взять два куска урана, каждый из которых имеет массу меньше необходимой для взрыва (это называется докритическая масса) и соединить их в один кусок критической массы, то должен произойти взрыв. Должен, конечно, но вопрос в том, как именно вы будете соединять эти куски. Давайте попробуем взять в каждую руку по куску урана 235 и начнём их сближать.
Как только вы приблизите куски U-235 на достаточное расстояние, они начнут разогреваться от обмена друг с другом нейтронами. Причём чем ближе мы их успеем свести, тем быстрее они будут разогреваться. Через какое-то время куски разогреваются докрасна и их уже трудно будет держать ツ. Но у нас цель - заставить наш уран взорваться, мы надеваем рукавицы и продолжая удерживать, сближаем наши куски ещё ближе. Уран разогревается добела, начинает капать под ноги, собираясь в лужицу и продолжая разогреваться ещё сильнее. Подставим кастрюльку, чтобы жидкий уран не растекался. Наконец наши урановые куски полностью расплавляются и начинают просто испаряться. Всё. Больше вы уже ничего не можете сделать: ваша "бомба" испарилась, не успев взорваться. Поделать с этим вы ничего не сможете. Энергии выделяется так много, что охладить куски абсолютно невозможно. Ничем.
Как ни старайся быстро сближать, любые устройства неминуемо будут расплавлены и испарены. Атомного взрыва не получится. В лучшем случае вы получите тепловой хлопок.
Это происходит потому, что механические устройства не способны развить такие огромные скорости сближения, каких будет достаточно, чтобы опередить рост плотности нейтронного потока. Чтобы это сделать, нужно сближать куски с огромной скоростью. Тысячи метров в секунду. Только в этом случае, вы сумеете "опередить" разогрев и куски успеют "впечататься" друг в друга прежде, чем разогреются. И вот только тогда вы получите такое огромное энерговыделение, что появится всем знакомое грибовидное облако. Большой Барабум.
Ага. Вот как всё просто! Надо просто взять один кусок U235 и выстрелить им в другой кусок U235 из пушки. Спешу вас разочаровать: ничего не выйдет. Порохом разогнать наш кусок до таких скоростей не получится. Чтобы достичь необходимой скорости придётся использовать специальную взрывчатку. Причём, именно специальную. Обычная разорвёт наш кусок на части и опять ничего не выйдет. Используют специальную комбинацию разных видов взрывчатки, которая обеспечивает достаточно большую скорость сближения, но при этом не разрушает наш кусок урана.
Таким вот образом обеспечивают достаточно быстрый перевод всей нашей системы в сверхкритическое состояние до того, как система будет разрушена растущим разогревом. Эта система называется "пушечной" или "баллистической". Такая схема использовалась в ядерном оружии первого поколения и обеспечивала энерговыделение порядка десятков килотонн в тротиловом эквиваленте. Именно по этой схеме работала атомная бомба Little Boy, сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года.
Данная схема возможна только при использовании в качестве начинки урана, при использовании плутония - номер уже не пройдёт. Активность плутония в сотни раз выше чем у урана и для сближения кусков нужно обеспечить гораздо больше скорости, что невозможно осуществить. Любые попытки "выстрелить" приведут к тому, что наша "пуля" испариться не успев долететь до "мишени" на достаточное расстояние. Произойдет обычный хлопок. Или fizzle, как говорят англоязычные.
Плутоний гораздо более "заводной" и реагирует на сближение гораздо активнее. Кусок плутония на ощупь всегда тёплый, в нём постоянно происходит реакция. Потому плутоний и гораздо более заманчив для наших целей, так как критическая масса плутония может быть в десять раз меньше урановой. 5 килограммов плутония меньше куриного яйца, но способны дать взрыв мощностью 20 килотонн. Однако, из-за своей активности для подрыва по пушечной схеме, необходимо сближать куски со скоростями в десятки километров в секунду. Никакие взрывчатки обеспечить такие скорости не в состоянии.
Для подрыва плутония используется одно из удивительных свойств металлического плутония: он имеет шесть фазовых состояний. При переходе из дельта-фазы в альфа-фазу, металл способен поменять свою плотность на аномальные 25%! Беда в том, что дельта-фаза нестабильна, а переход этот происходит при комнатной температуре и атмосферном давлении. Но если добавить в сплав совсем немного галлия, то дельта-фаза становится метастабильной при комнатной температуре и переходит в плотную альфа-фазу лишь при воздействии высоким давлением.
Вот так мы и сможем взорвать наш плутоний. Мы должны взять кусок плутония в дельта-фазе, поместить его очень плотный пучок нейтронов так, чтобы до критических условий оставалось совсем чуть-чуть, а затем взять и увеличить его плотность на 25%, переведя его из дельта, в альфа фазу. Бабах!
Как же это можно сделать? Возьмём мощную взрывчатку, обложим наш кусок плутония со всех сторон и взорвём. Скорость ударной волны получится порядка 5 км/сек с каждой стороны куска, что даст в сумме 10 км/сек. И вот это взрывное давление, пробежав по куску, обеспечит переход плутония из дельта-фазы в альфа-фазу. При этом сам кусок никуда двигаться не будет, двигаться будет лишь взрывная волна.
Эта схема называется имплозионной. Её сложность заключается в том, что взрывчатку, окружающую плутониевый шарик, нужно взорвать строго в рассчитанное время и с нужной скоростью. Иначе взрыв не будет направлен внутрь, его "перекосит", ударная волна разрушит систему преждевременно и мы опять получим шипучку вместо Барабума.
Взрыв происходит следующим образом: сначала создаётся плотный поток нейтронов с помощью специального нейтронного инициализатора (воздержимся от объяснения его устройства), затем строго одновременно (с точностью до миллионной доли секунды) происходит подрыв зарядов окружающих плутониевое ядро. Этот взрыв направлен во внутрь - имплозия. Происходит бабах. Именно по этой схеме работала атомная бомба Fat Man сброшенная на Нагасаки 9 августа 1945 года.
Можно бесконечно долго рассказывать как добывают уран и как его разделяют по изотопам, какой именно изотоп плутония нужно использовать для бомбы и почему? Каким образом и где можно получить оружейный плутоний и как обеспечить его нужный изотопный состав? Почему наш реактор БН-800 работающий в городе Заречный, Свердловской области так не нравится американцам и почему мы вышли из договора об утилизации оружейного плутония?
Но это тема для другого разговора. Возможно позже. ツ