Физические основы ядерного взрыва

Ядерным оружием называется оружие, поражающее действие которого обусловлено внутриядерной энергией, выделяющейся в результате взрывных процессов деления или синтеза ядер химических элементов. Оно включает различные ядерные боеприпасы, средства доставки их к цели (носители) и средства управления.

1.1 Физические основы ядерного взрыва

Ядерным взрывом называется взрыв, происходящий в результате освобождения энергии, заключенной в ядрах атомов химических элементов.

Возможность выделения внутриядерной энергии обусловлена следующими природными свойствами химических элементов:

атомные ядра различных изотопов обладают различной средней энергией связи их нуклонов — энергией связи, приходящейся на одни нуклон, которая с увеличением массового числа А изотопа сначала увеличивается, а затем, достигнув максимума при А~60, постепенно уменьшается (рис. 1.1);

превращение ядер с меньшей средней энергией связи нуклонов в ядра с большей средней энергией связи их нуклонов сопровождается выделением энергии, количество которой равно разности энергий связи нуклонов в новых и исходных ядрах.

Эти свойства позволяют выделить внутриядерную энергию в результате деления ядер тяжелых химических элементов (с большим массовым числом) н синтеза ядер легких элементов (с малым массовым числом).

Рис. 1.1 Зависимость средней энергии связи нуклонов в атомном ядре от массового числа

Реакция деления атомных ядер. Деление атомных ядер может происходить самопроизвольно или при воздействии на них элементарных частиц и легких ядер.

Для получения взрыва используют деление ядер тяжелых изотопов, которое происходит при воздействии на них нейтронов любых энергий, протекает с высокой скоростью (одно деление длится 10^-15 - 10^-14 с), сопровождается выделением большого количества энергии (около 200 МэВ на одно деление) и испусканием двух или более нейтронов, способных вызвать деление других ядер. В большой массе таких изотопов под воздействием нейтронов любых энергий возникает саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выделением вследствие этого большого количества энергии в течение малого промежутка времени. Такими свойствами обладают уран-233, уран-235, плутоний-239, плутоний-241 и ряд трансплутониевых элементов. Их называют делящимися изотопами.

В ядерных боеприпасах могут использоваться и изотопы, деление ядер которых вызывают нейтроны с энергией не ниже определенного значения — изотопы с пороговым характером деления, например уран-238.

Ядра урана-238 делятся только под воздействием быстрых нейтронов. Их деление происходит без самоподдерживающейся цепной реакции.

Вещества, которые используются для получения энергии в результате взрывных реакций деления их атомных ядер, называются ядерным горючим.  К ним относятся делящиеся изотопы, а также изотопы с пороговым характером деления.

Основными делящимися изотопами, используемыми в настоящее время в качестве ядерного горючего, являются уран-235, плутоний-239 и уран-233. Из них практически только уран-235 существует в природе. Он встречается в природном уране, представляющем собой смесь трех  изотопов: урана-238 (99,282%), урана-235 (0,712%) и урана-234 (0,006%). Изотопы плутония-239 и урана-233 в промышленных количествах получают в результате облучения нейтронами в ядерных реакторах урана-238 и тория-232 соответственно.

Из изотопов с пороговым характером деления в качестве ядерного горючего применяется уран-238.

Уран — металл серебристого цвета с голубоватым оттенком. Он обладает высокой химической активностью, в природе встречается только в виде соединении. Содержание урана в рудах большинства месторождении составляет менее одного процента.

Плутоний — серебристый металл. Он токсичен, химически более активен, чем уран. В природе плутоиий-239 в ничтожно малых количествах обнаруживается в урановых рудах. Его содержание по отношению к урану составляет 10^-9%. Поэтому даже богатые урановые месторождения не могут быть источниками промышленного получения плутония.

Уран и плутоний радиоактивны. Они подвержены самопроизвольному альфа-распаду (испусканию альфа-частиц, представляющих собой ядра гелия) и спонтанному делению. Периоды их полураспада приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Периоды полураспада основных изотопов урана и плутония, годы

Изотопы	Периоды полураспада
	Спонтанное деление	Альфа-распад
Уран-233	1,62·105	3,0·1017
Уран-235	7,1·108	1,9·1017
Уран-238	4,51·109	8,0·1015
Плутоний-239	2,44·104	5,5·1015

Для каждого делящегося вещества существует своя минимальная масса, в которой возможно протекание самоподдерживающейся цепной реакции деления. Ее называют критической.

Критическая масса делящегося вещества зависит от его геометрической формы, объема, плотности и количества посторонних примесей, которые могут поглощать нейтроны, не подвергаясь делению, либо замедлять их (снижать их энергию).

Критическая масса делящегося вещества в форме шара является наименьшей по отношению к другим геометрическим формам равного объема. Это объясняется тем, что для шара свойственно   наименьшее отношение площади поверхности к объему, а следовательно, минимальное относительное количество нейтронов, выходящих за пределы массы делящегося вещества не вызывая делений ядер (нейтронов утечки).

Критическая масса шара из урана-235 при нормальной плотности и чистоте ~95% составляет 40—60 кг, а из плуто-ния-239 — 10—20 кг.

При увеличении количества примесей в делящемся веществе его критическая масса увеличивается, при увеличении плотности делящегося вещества — уменьшается.

Значение критической массы можно существенно уменьшить, если делящееся вещество окружить оболочкой, способной возвращать (отражать) нейтроны в зону реакции. Отражающим нейтроны свойством обладают водородосодержащпе вещества и ряд легких элементов.

Чтобы произошел взрыв, масса делящегося вещества должна быть надкритической, т. е. стать больше критической. Создание такой массы должно происходить за короткий промежуток времени, иначе возможно расплавление и преждевременное разбрасывание делящегося вещества.

В связи с наличием в атмосфере блуждающих свободных нейтронов существует вероятность начала цепной реакции деления, а следовательно, расплавления, разбрасывания и даже взрыва делящегося вещества, масса которого больше или равна критической. Поэтому до момента взрыва делящееся вещество не должно иметь массу больше и равной критической.

Энерговыделение при реакции деления атомных ядер, приходящееся на единицу массы вещества, в десятки миллионов раз превышает соответствующее энерговыделепне при обычном взрыве. Например, при делении всех ядер, содержащихся в одном килограмме урана, выделяется такое же количество энергии, как при взрыве 20 тыс. т тротила.

Реакция синтеза атомных ядер. Реакция синтеза легких ядер может начаться и протекать лишь при нагреве вещества до температуры, при которой кинетическая энергия теплового движения ядер становится достаточной для преодоления сил взаимного электрического отталкивания, действующих между ними.

Реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие в условиях нагрева вещества до температуры десятков миллионов градусов и более, называются термоядерными.

Наиболее легко протекает реакция синтеза между ядрами изотопов водорода дейтерия и трития. Значительно более высокая температура требуется для реакций синтеза между ядрами только дейтерия, а также между ядрами только трития.

Реакция синтеза ядер происходит с большой скоростью, при этом выделяется достаточно большое количество энергии.

Например, одни акт слияния дейтерия и трития длится несколько наносекунд с выделением энергии, равной 17,6 МэВ, и испусканием нейтрона высокой энергии.

Температуру, при которой начинается реакция синтеза, достигают с помощью ядерного взрыва, основанного на реакции деления атомных ядер.

Возможны реакции синтеза и между ядрами других элементов, однако вследствие необходимости крайне высоких температур для их начала и протекания они практического значения в настоящее время не имеют.

Изотопы, которые используют для получения взрыва в результате реакции синтеза их атомных ядер, называют термоядерным горючим.

В качестве термоядерного горючего в настоящее время используют изотопы водорода — дейтерий и тритий.

В свободном виде дейтерий и тритий представляют собой газы. Атомарное содержание дейтерия в природном водороде составляет около 0,015%, трития — 10^-16%.

Дейтерий является стабильным изотопом, тритий — радиоактивным. Последний подвержен бета-распаду е периодом полураспада около 12,3 лет. В результате распада тритий превращается в гелий-3.

Дейтерий встречается в природе в свободном состоянии и в химическом соединении D₂0, называемом тяжелой водой. Тяжелая вода содержится в обычной воде в количестве 0,015%. Для практических нужд дейтерии получают электролизом тяжелой воды (из 1000 кг воды получается 20 г дейтерия).

Тритий в небольшом количестве содержится в атмосфере. Он образуется в результате взаимодействия ядер азота с нейтронами и расщепления ядер различных химических элементов космическими частицами высоких энергий. Для промышленных нужд тритий получают в ядерных реакторах в результате облучения лития-6 нейтронами.

При синтезе всех ядер дейтерия и трития, содержащихся в одном килограмме их смеси, освобождается примерно такая же энергия, как при взрыве 80 тыс. т тротила.

Из книги: Ядерное оружие. Пособие для офицеров. Москва, Воениздат, 1987