Yadro fizikasidagi kritik massa. Elektrokaplama, xrom qoplama Fizikada kritik massa tushunchasi

Fuqarolar uchun qo'llanma "Diqqat! Radiatsiya"

Atom yadrolarining bo'linishi

Atom yadrolarining bo'linishi - bu o'z-o'zidan yoki neytronlar ta'sirida atom yadrosining taxminan 2 ta teng qismga, ikkita "bo'lak" ga bo'linishi.

Parchalar D.I.Mendeleyev jadvalining markaziy qismidagi elementlarning ikki radioaktiv izotopi boʻlib, taxminan misdan lantanid elementlarining (samariy, evropiy) oʻrtasigacha.

Boʻlinish jarayonida 2-3 ta qoʻshimcha neytronlar ajralib chiqadi va ortiqcha energiya radioaktiv parchalanish davridagiga qaraganda ancha katta boʻlgan gamma kvantlar koʻrinishida ajralib chiqadi. Agar radioaktiv parchalanishning bir akti uchun odatda bitta gamma nurlari bo'lsa, 1 bo'linish akti uchun 8-10 gamma kvant bo'ladi! Bundan tashqari, uchuvchi bo'laklar issiqlik energiyasiga aylanadigan yuqori kinetik energiyaga (tezlikka) ega.

Chiqarilgan neytronlar, agar ular yaqin joyda bo'lsa va neytronlar ularga tegsa, ikki yoki uchta o'xshash yadrolarning bo'linishiga olib kelishi mumkin.

Shunday qilib, katta miqdordagi energiya chiqishi bilan atom yadrolarining bo'linishining tarmoqlanuvchi, tezlashtiruvchi zanjirli reaktsiyasini amalga oshirish mumkin bo'ladi.

Agar zanjir reaktsiyasi nazorat ostida bo'lsa, uning rivojlanishi nazorat qilinsa, tezlashishiga yo'l qo'yilmasa va chiqarilgan energiya (issiqlik) doimiy ravishda olib tashlansa, u holda bu energiya ("yadro energiyasi") isitish uchun ham, elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ham ishlatilishi mumkin. . Bu yadro reaktorlari va atom elektr stantsiyalarida amalga oshiriladi.

Agar zanjir reaktsiyasining nazoratsiz rivojlanishiga yo'l qo'yilsa, atom (yadro) portlashi sodir bo'ladi. Bular allaqachon yadro qurollari.

Tabiatda faqat bitta kimyoviy element mavjud - uran faqat bitta bo'linadigan izotopga ega - uran-235. Bu qurol darajasidagi uran. Va tabiiy urandagi bu izotop 0,7% ni tashkil qiladi, ya'ni har tonna uchun atigi 7 kg! Qolgan 99,3% (tonnasiga 993 kg) parchalanmaydigan izotop - uran-238. Ammo yana bitta izotopi bor - uran-234, ammo u atigi 0,006% (tonna uchun 60 gramm).

Ammo an'anaviy uran yadro reaktorida parchalanmaydigan ("qurolsiz") uran-238 dan neytronlar ta'sirida (neytron faollashuvi!), uranning yangi izotopi - uran-239 va undan hosil bo'ladi. u (er-xotin beta minus parchalanishi bilan) yangi, sun'iy emas, balki tabiiy ravishda paydo bo'lgan plutoniy elementi. Bunday holda, plutoniyning bo'linadigan izotopi darhol hosil bo'ladi - plutoniy-239. Bu qurol darajasidagi plutoniy.

Atom yadrolarining bo'linishi atom quroli va yadro energiyasining mohiyati, asosidir.

Kritik massa - bu yadrolarning o'z-o'zidan bo'linishi paytida ajralib chiqadigan neytronlar uchib chiqmaydigan, balki qo'shni yadrolarga kirib, ularning sun'iy bo'linishiga olib keladigan qurol darajasidagi izotop miqdori.

Metall uran-235 ning kritik massasi 52 kg. Bu diametri 18 sm bo'lgan to'p.

Metall plutoniy-239 ning kritik massasi 11 kg (va ba'zi nashrlarga ko'ra - 9 va hatto 6 kg). Bu diametri taxminan 9-10 sm bo'lgan to'p.

Shunday qilib, insoniyat hozirda ikkita bo'linadigan, qurol darajasidagi izotoplarga ega: uran-235 va plutoniy-239. Ularning yagona farqi shundaki, uran, birinchidan, atom energiyasida foydalanish uchun ko'proq mos keladi: u uning zanjirli reaktsiyasini boshqarishga imkon beradi, ikkinchidan, boshqarilmaydigan zanjirli reaktsiyani - atom portlashini amalga oshirish uchun unchalik samarali emas: u yadrolarning past tezlikda o'z-o'zidan bo'linishi va katta kritik massa. Qurol darajasidagi plutoniy, aksincha, yadroviy qurollar uchun ko'proq mos keladi: u o'z-o'zidan yadro bo'linishining yuqori tezligiga va ancha past tanqidiy massaga ega. Plutonium-239 o'zining zanjirli reaktsiyasini ishonchli boshqarishga imkon bermaydi va shuning uchun yadro energiyasida yoki yadro reaktorlarida hali keng qo'llanilmagan.

Shuning uchun qurol darajasidagi uran bilan bog'liq barcha muammolar bir necha yil ichida hal qilindi va plutoniydan yadroviy energiyada foydalanishga urinishlar bugungi kungacha - 60 yildan ortiq davom etmoqda.

Shunday qilib, uran yadro boʻlinishi kashf etilganidan ikki yil oʻtib, dunyodagi birinchi uran yadro reaktori ishga tushirildi (1942 yil dekabr, Enriko Fermi, AQSH), oradan ikki yarim yil oʻtib (1945 yilda) amerikaliklar birinchi uran bombasini portlatdilar.

Va plutoniy bilan... Birinchi plutoniy bombasi 1945 yilda, ya'ni kimyoviy element sifatida topilganidan va uning bo'linishi aniqlanganidan taxminan to'rt yil o'tib portlatilgan. Qolaversa, buning uchun avvalo uran yadro reaktorini qurish, bu reaktorda uran-238 dan plutoniy ishlab chiqarish, keyin uni nurlangan urandan ajratib olish, uning xususiyatlarini yaxshi o'rganish va bomba yasash kerak edi. Ishlab chiqilgan, ajratilgan, ishlab chiqarilgan. Ammo plutoniyni plutoniy yadroviy reaktorlarida yadro yoqilg'isi sifatida ishlatish imkoniyati haqida gapirish 60 yildan ko'proq vaqt davomida muhokama qilinmoqda.

Bo'linish jarayoni "yarimparchalanish davri" bilan tavsiflanishi mumkin.

Yarim bo'linish davrlari birinchi marta 1940 yilda K. A. Petrjak va G. I. Flerov tomonidan baholangan.

Uran va plutoniy uchun ular juda katta. Shunday qilib, turli hisob-kitoblarga ko'ra, uran-235 ning yarimparchalanish davri taxminan 10 ^ 17 (yoki 10 ^ 18 yil (Jismoniy entsiklopedik lug'at); boshqa ma'lumotlarga ko'ra - 1,8·10^17 yil. Plutoniy-239 uchun ( xuddi shu lug'atga ko'ra) sezilarli darajada kamroq - taxminan 10^15,5 yil, boshqa ma'lumotlarga ko'ra - 4·10^15 yil;

Taqqoslash uchun yarim yemirilish davrlarini eslang (T 1/2). Shunday qilib, U-235 uchun bu "faqat" 7,038·10^8 yil, Pu-239 uchun esa undan ham kamroq - 2,4·10^4 yil

Umuman olganda, urandan boshlab ko'plab og'ir atomlarning yadrolari bo'linishi mumkin. Ammo biz 60 yildan ortiq vaqt davomida katta amaliy ahamiyatga ega bo'lgan ikkita asosiy haqida gapiramiz. Boshqalar ko'proq ilmiy qiziqish uyg'otadi.

Radionuklidlar qayerdan keladi?

Radionuklidlar uchta manbadan (uchta usulda) olinadi.

Birinchi manba tabiatdir. Bu tabiiy radionuklidlar, omon qolgan, bizning davrimizga qadar shakllangan paytdan (ehtimol, quyosh tizimi yoki koinotning paydo bo'lishi davridan boshlab) saqlanib qolgan, chunki ular uzoq umr ko'rishni anglatadi. Tabiiyki, ularning soni boshida bo'lganidan ancha kam. Ular tabiiy xom ashyolardan olinadi.

Ikkinchi va uchinchi manbalar sun'iydir.

Sun'iy radionuklidlar ikki usulda hosil bo'ladi.

Birinchi - parchalanish kelib chiqishi radionuklidlari, ular atom yadrolarining bo'linishi natijasida hosil bo'ladi. Bular "bo'linish bo'laklari". Tabiiyki, ularning asosiy qismi turli maqsadlar uchun yadroviy reaktorlarda hosil bo'ladi, ularda boshqariladigan zanjir reaktsiyasi amalga oshiriladi, shuningdek yadroviy qurollarni sinovdan o'tkazish (nazoratsiz zanjir reaktsiyasi). Ular harbiy reaktorlardan ("sanoat reaktorlari" dan) olingan nurlangan uranda va juda ko'p miqdorda atom elektr stantsiyasi reaktorlaridan olingan ishlatilgan yadro yoqilg'isida (SNF) topilgan.

Ilgari ular yadroviy sinovlar va nurlangan uranni qayta ishlash jarayonida tabiiy muhitga chiqarilgan. Hozirgi vaqtda ular ishlatilgan yoqilg'ini qayta ishlash (regeneratsiya) paytida, shuningdek, atom elektr stantsiyalari va reaktorlardagi avariyalar paytida pasayishda davom etmoqda. Agar kerak bo'lsa, ular nurlangan urandan, endi esa ishlatilgan yadro yoqilg'isidan olingan.

Ikkinchilari esa faollashuv kelib chiqishi radionuklidlari. Ular oddiy turg'un izotoplardan faollashuv natijasida, ya'ni ba'zi subatomik zarracha barqaror atom yadrosiga kirganda, buning natijasida barqaror atom radioaktiv bo'ladi. Aksariyat hollarda bunday snaryad zarrasi neytrondir. Shuning uchun sun'iy radionuklidlarni olish uchun odatda neytronlarni faollashtirish usuli qo'llaniladi. U har qanday shakldagi (metall, tuz, kimyoviy birikma) har qanday kimyoviy elementning barqaror izotopini ma'lum vaqt davomida reaktor yadrosiga joylashtirishdan iborat. Va har soniyada reaktor yadrosida juda ko'p miqdordagi neytronlar hosil bo'lganligi sababli, yadrodagi yoki uning yonida joylashgan barcha kimyoviy elementlar asta-sekin radioaktiv bo'ladi. Reaktor sovutish suvida erigan elementlar ham faollashadi.

Protonlar, elektronlar va boshqalar bilan zarracha tezlatgichlarida barqaror izotopni bombardimon qilish usuli kamroq qo'llaniladi.

Radionuklidlar tabiiy - tabiiy kelib chiqishi va sun'iy - parchalanish va faollashuv kelib chiqishi. Parchalanish kelib chiqadigan radionuklidlarning ahamiyatsiz miqdori doimo tabiiy muhitda mavjud bo'lgan, chunki ular uran-235 yadrolarining o'z-o'zidan bo'linishi natijasida hosil bo'lgan. Ammo ularning soni shunchalik kamki, ularni zamonaviy tahlil usullari bilan aniqlab bo'lmaydi.

Har xil turdagi reaktorlarning yadrosidagi neytronlar soni shundayki, taxminan 10 ^ 14 neytron yadroning istalgan nuqtasida 1 sekundda 1 sm ^ 2 bo'lgan har qanday kesma orqali uchadi.

Ionlashtiruvchi nurlanishni o'lchash. Ta'riflar

Faqat ionlashtiruvchi nurlanish manbalarining (IIR) o'zini va faqat ularning faolligini (parchalanish hodisalari soni) tavsiflash har doim ham qulay yoki tavsiya etilmaydi. Va nuqta nafaqat faoliyatni, qoida tariqasida, juda murakkab qurilmalarda faqat statsionar sharoitda o'lchash mumkin. Asosiysi, turli xil izotoplarning bir marta parchalanishi paytida turli tabiatdagi zarralar, bir vaqtning o'zida bir nechta zarralar va gamma nurlari hosil bo'lishi mumkin. Bunday holda, turli zarrachalarning energiyasi va shuning uchun ionlash qobiliyati har xil bo'ladi. Shuning uchun nurlanish manbalarini tavsiflashning asosiy ko'rsatkichi ularning ionlash qobiliyatini, ya'ni (pirovard natijada) moddadan (o'rta) o'tganda yo'qotadigan va ushbu modda tomonidan so'rilgan energiyani baholashdir.

Ionlashtiruvchi nurlanishni o'lchashda doza tushunchasi, biologik ob'ektlarga ta'sirini baholashda esa tuzatish omillari qo'llaniladi. Keling, ularni nomlaymiz va bir qator ta'riflarni beramiz.

Doza, so'rilgan doza (yunon tilidan - ulush, qism) - nurlangan modda tomonidan so'rilgan va ko'pincha uning massa birligi uchun hisoblangan ionlashtiruvchi nurlanish energiyasi (IR) (qarang: "rad", "kulrang"). Ya'ni, doza ionlashtiruvchi nurlanish o'tganda moddada ajralib chiqadigan (modda tomonidan so'rilgan) energiya birliklarida o'lchanadi.

Bir necha turdagi dozalar mavjud.

Ta'sir qilish dozasi(rentgen va gamma nurlanishi uchun) - havo ionlanishi bilan aniqlanadi. SI o'lchov birligi "kg uchun kulon" (C / kg), bu 1 kg havoda shunday miqdordagi ionlarning hosil bo'lishiga to'g'ri keladi, ularning umumiy zaryadi 1 S (har bir belgi uchun). Tizimli bo'lmagan o'lchov birligi "rentgen" (qarang: "C/kg" va "rentgen").

AIning odamlarga ta'sirini baholash uchun ular qo'llaniladi tuzatish omillari.

Yaqin vaqtgacha "ekvivalent dozani" hisoblashda biz foydalanardik "radiatsiya sifati omillari "(K) - bir xil so'rilgan dozada turli xil nurlanishlarning biologik ob'ektlarga turli ta'sirini (tana to'qimalariga zarar etkazish qobiliyati) hisobga oladigan tuzatish omillari. Ular "ekvivalent doza" ni hisoblashda qo'llaniladi. Endi bu koeffitsientlar Radiatsiya xavfsizligi standartlari (NRB-99) juda "ilmiy" deb nomlangan - "Ekvivalent dozani (Vt) hisoblashda nurlanishning alohida turlari uchun tortish koeffitsientlari. R radiatsiya xavfi koeffitsienti

Doza tezligi- vaqt birligi uchun qabul qilingan doza (sekund, soat).

Fon- ma'lum bir joyda ionlashtiruvchi nurlanishning ta'sir qilish dozasi.

Tabiiy fon- barcha tabiiy nurlanish manbalari tomonidan yaratilgan ionlashtiruvchi nurlanishning ta'sir qilish dozasi darajasi ("Fon nurlanishi" ga qarang).

Insoniyat tarixidagi eng dahshatli urush tugaganiga ikki oydan sal ko'proq vaqt o'tdi. Shunday qilib, 1945 yil 16 iyulda Amerika harbiylari birinchi yadroviy bombani sinovdan o'tkazdi va yana bir oy o'tgach, Yaponiya shaharlarining minglab aholisi atom do'zaxida halok bo'ldi. O'shandan beri qurollar, shuningdek, ularni nishonga etkazish vositalari yarim asrdan ko'proq vaqt davomida doimiy ravishda takomillashtirildi.

Harbiylar o'z ixtiyorida butun shaharlar va mamlakatlarni bir zarba bilan xaritadan olib tashlaydigan o'ta kuchli o'q-dorilar bilan bir qatorda portfelga sig'adigan o'ta kichik o'q-dorilarga ega bo'lishni xohlashdi. Bunday qurilma sabotaj urushini shu paytgacha misli ko'rilmagan darajaga olib chiqadi. Birinchisi ham, ikkinchisi ham engib bo'lmas qiyinchiliklarga duch keldi. Kritik massa deb ataladigan narsa aybdor. Biroq, birinchi narsa.

Bunday portlovchi yadro

Yadro qurilmalarining ishlashini tushunish va tanqidiy massa deb ataladigan narsani tushunish uchun bir lahzaga stolimizga qaytaylik. Maktabimiz fizika kursidan biz oddiy qoidani eslaymiz: zaryadlar qaytaruvchi kabi. U yerda oʻrta maktabda oʻquvchilarga neytronlar, neytral zarralar va musbat zaryadlangan protonlardan tashkil topgan atom yadrosining tuzilishi haqida maʼlumot beriladi. Lekin bu qanday mumkin? Ijobiy zaryadlangan zarralar bir-biriga juda yaqin joylashganki, itaruvchi kuchlar juda katta bo'lishi kerak.

Ilm-fan protonlarni birlashtirgan yadro ichidagi kuchlarning mohiyatini to'liq tushunmaydi, garchi bu kuchlarning xususiyatlari juda yaxshi o'rganilgan. Kuchlar faqat juda yaqin masofalarda harakat qiladi. Ammo protonlar kosmosda ozgina bo'linishi bilanoq, itaruvchi kuchlar ustunlik qila boshlaydi va yadro bo'laklarga bo'linadi. Va bunday kengayishning kuchi haqiqatan ham ulkan. Ma'lumki, katta yoshli odamning kuchi qo'rg'oshin atomining faqat bitta yadrosi protonlarini ushlab turish uchun etarli emas.

Ruterford nimadan qo'rqardi?

Davriy sistemadagi aksariyat elementlarning yadrolari barqarordir. Biroq, atom raqami oshgani sayin, bu barqarorlik pasayadi. Bu yadro hajmi masalasi. Keling, 238 ta nukliddan tashkil topgan uran atomining yadrosini tasavvur qilaylik, shundan 92 tasi proton. Ha, protonlar bir-biri bilan yaqin aloqada va yadro ichidagi kuchlar butun tuzilishni ishonchli tarzda mustahkamlaydi. Ammo yadroning qarama-qarshi uchlarida joylashgan protonlarning itarilish kuchi sezilarli bo'ladi.

Ruterford nima qilardi? U atomlarni neytronlar bilan bombardimon qildi (elektron atomning elektron qobig'idan o'tmaydi, musbat zaryadlangan proton esa itaruvchi kuchlar tufayli yadroga yaqinlasha olmaydi). Atom yadrosiga kirgan neytron uning bo'linishiga sabab bo'ldi. Ikkita alohida yarmi va ikki yoki uchta erkin neytron tomonlarga tarqalgan.

Bu parchalanish, uchuvchi zarralarning ulkan tezligi tufayli, ulkan energiyaning chiqishi bilan birga bo'ldi. Ruterford hatto insoniyat uchun mumkin bo'lgan oqibatlaridan qo'rqib, o'z kashfiyotini yashirishni xohlayotgani haqida mish-mishlar tarqaldi, ammo bu, ehtimol, ertaklardan boshqa narsa emas.

Xo'sh, massaning bunga qanday aloqasi bor va nima uchun bu juda muhim?

Nima bo'libdi? Qanday qilib kuchli portlash hosil qilish uchun yetarlicha radioaktiv metallni protonlar oqimi bilan nurlantirish mumkin? Va tanqidiy massa nima? Bu "bombalangan" atom yadrosidan uchib chiqadigan bir nechta erkin elektronlar haqida, ular o'z navbatida boshqa yadrolar bilan to'qnashadi va ularning bo'linishiga olib keladi. Deb ataladigan narsa boshlanadi, ammo uni ishga tushirish juda qiyin bo'ladi.

Keling, o'lchovni aniqlaymiz. Agar stolimizdagi olmani atomning yadrosi sifatida olsak, qo'shni atomning yadrosini tasavvur qilish uchun xuddi shu olmani hatto qo'shni xonada ham stolga olib borish va qo'yish kerak bo'ladi. keyingi uyda. Neytron gilos chuqurining o'lchamida bo'ladi.

Chiqarilgan neytronlar uran quymasidan tashqarida behuda uchib ketmasligi va ularning 50% dan ortig'i atom yadrolari shaklida nishon topishi uchun bu quyma tegishli o'lchamlarga ega bo'lishi kerak. Bu uranning kritik massasi deb ataladi - chiqarilgan neytronlarning yarmidan ko'pi boshqa yadrolar bilan to'qnashadigan massa.

Aslida, bu bir zumda sodir bo'ladi. Ajratilgan yadrolar soni ko'chki kabi o'sib boradi, ularning bo'laklari yorug'lik tezligi bilan taqqoslanadigan tezlikda barcha yo'nalishlarda yuguradi, havo, suv va boshqa har qanday muhitni yirtib tashlaydi. Ularning atrof-muhit molekulalari bilan to'qnashuvi natijasida portlash maydoni bir zumda millionlab darajagacha qiziydi va bir necha kilometr ichida hamma narsani yoqib yuboradigan issiqlik chiqaradi.

Keskin isitiladigan havo bir zumda kattalashib, kuchli zarba to'lqinini yuzaga keltiradi, bu esa binolarni poydevoridan uchirib yuboradi, yo'lidagi barcha narsalarni ag'daradi va yo'q qiladi ... bu atom portlashining rasmidir.

Bu amalda qanday ko'rinadi?

Atom bombasining dizayni hayratlanarli darajada sodda. Uranning ikkita quymasi mavjud (yoki boshqasi, har birining massasi kritik massadan bir oz kamroq. Quymalardan biri konus shaklida qilingan, ikkinchisi konussimon teshikli shar. Sifatida). Siz taxmin qilishingiz mumkinki, ikkala yarmini birlashtirganda, kritik massaga yetadigan to'p olinadi, bu standart eng oddiy yadroviy bombadir.

Ammo hech kim bunday qurilmani "tizzalarida" yig'ishi mumkin deb o'ylamasligingiz kerak. Hiyla shundaki, uran undan bomba portlashi uchun juda toza bo'lishi kerak, aralashmalarning mavjudligi deyarli nolga teng.

Nima uchun sigaret qutisidek atom bombasi yo'q

Hammasi bir xil sababga ko'ra. Eng keng tarqalgan uran 235 izotopining kritik massasi taxminan 45 kg ni tashkil qiladi. Bunday miqdordagi yadro yoqilg'isining portlashi allaqachon falokatdir. Va uni kamroq modda bilan qilish mumkin emas - bu shunchaki ishlamaydi.

Xuddi shu sababga ko'ra, uran yoki boshqa radioaktiv metallardan o'ta kuchli atom zaryadlarini yaratish mumkin emas edi. Bomba juda kuchli bo'lishi uchun u o'nlab quymalardan yasalgan bo'lib, ular portlovchi zaryadlar portlatilganda markazga shoshilib, apelsin tilimlari kabi bog'langan.

Lekin aslida nima bo'ldi? Agar biron sababga ko'ra ikkita element boshqalardan ko'ra soniyaning mingdan bir qismi oldin uchrashgan bo'lsa, kritik massa boshqalarga qaraganda tezroq erishildi va "kelibdi" va portlash dizaynerlar ishongan kuch bilan sodir bo'lmadi. O'ta kuchli yadroviy qurollar muammosi faqat termoyadro qurollarining paydo bo'lishi bilan hal qilindi. Ammo bu biroz boshqacha hikoya.

Tinch atom qanday ishlaydi?

Atom elektr stantsiyasi aslida yadro bombasi bilan bir xil. Faqat bu "bomba" da urandan tayyorlangan yonilg'i tayoqchalari (yoqilg'i elementlari) bir-biridan ma'lum masofada joylashgan bo'lib, bu ularning neytron "zarbalarini" almashishiga to'sqinlik qilmaydi.

Yoqilg'i tayoqchalari novdalar shaklida ishlab chiqariladi, ular orasida neytronlarni yaxshi singdiruvchi materialdan tayyorlangan nazorat sterjenlari mavjud. Ishlash printsipi oddiy:

• uran tayoqchalari orasidagi bo'shliqqa nazorat (yutuvchi) novdalar kiritiladi - reaktsiya sekinlashadi yoki butunlay to'xtaydi;
• nazorat tayoqlari zonadan chiqariladi - radioaktiv elementlar neytronlarni faol ravishda almashadi, yadro reaktsiyasi yanada qizg'in davom etadi.

Darhaqiqat, natija bir xil atom bombasi bo'lib, unda tanqidiy massa shunchalik silliq erishiladi va shunchalik aniq tartibga solinadiki, bu portlashga olib kelmaydi, faqat sovutish suvi isishiga olib keladi.

Garchi, afsuski, amaliyot shuni ko'rsatadiki, inson dahosi har doim ham bu ulkan va halokatli energiyani - atom yadrosining parchalanish energiyasini jilovlay olmaydi.

(MARKETINGDA) kritik massa

mahsulot zamonaviy deb hisoblanishi uchun unga xos bo'lishi va mavjud bo'lishi kerak bo'lgan innovatsiyalarning majburiy to'plami.

Ensiklopedik lug'at, 1998 yil

kritik massa

o'z-o'zidan barqaror yadro bo'linish zanjiri reaktsiyasini ta'minlaydigan parchalanuvchi materialning minimal massasi.

Kritik massa

atom yadrolarining bo'linishining o'z-o'zidan ta'minlangan zanjirli reaktsiyasi sodir bo'lishi mumkin bo'lgan eng kichik parchalanuvchi material massasi; neytronlarni ko'paytirish omilining birlikka aylanishi bilan tavsiflanadi. Zanjir reaktsiyasi sodir bo'ladigan moslamaning tegishli o'lchamlari va hajmi kritik deb ham ataladi (qarang: Yadro zanjiri reaktsiyalari, Yadro reaktori).

Vikipediya

Kritik massa

Kritik massa- yadro fizikasida o'z-o'zidan barqaror bo'linish zanjiri reaktsiyasini boshlash uchun zarur bo'lgan parchalanuvchi materialning minimal massasi. Bunday miqdordagi moddada neytronlarni ko'paytirish omili birdan katta yoki birga teng. Kritik massaga mos keladigan o'lchamlar ham tanqidiy deb ataladi.

Kritik massaning qiymati moddaning xususiyatlariga (masalan, bo'linish va radiatsiya tutilish kesimlari), zichlikka, aralashmalar miqdoriga, mahsulot shakliga, shuningdek atrof-muhitga bog'liq. Masalan, neytron reflektorlarining mavjudligi kritik massani sezilarli darajada kamaytirishi mumkin.

Yadro energetikasida kritik massa parametri turli xil izotoplar yoki elementlarning izotoplari aralashmalaridan foydalanadigan turli xil qurilmalarni loyihalash va hisoblashda hal qiluvchi ahamiyatga ega bo'lib, ular ma'lum sharoitlarda ulkan atomlar ajralib chiqishi bilan yadro parchalanishiga qodir. energiya miqdori. Masalan, yoqilg'i sifatida uran va bir qator transuran elementlaridan foydalanadigan kuchli radioizotop generatorlarini loyihalashda kritik massa parametri bunday qurilmaning quvvatini cheklaydi. Yadro va termoyadro qurollarini hisoblash va ishlab chiqarishda kritik massa parametri portlovchi qurilmaning dizayniga, shuningdek uning narxiga va saqlash muddatiga sezilarli ta'sir qiladi. Yadro reaktorini loyihalash va qurishda kritik massa parametrlari kelajakdagi reaktorning minimal va maksimal o'lchamlarini ham cheklaydi.

Suvli neytron reflektorli suvdagi toza parchalanuvchi nuklidlar tuzlarining eritmalari eng kichik kritik massaga ega. U uchun bunday eritmaning kritik massasi 0,8 kg, Pu uchun - 0,5 kg, ba'zi Cf tuzlari uchun - 10 g.

Ko'pgina o'quvchilarimiz vodorod bombasini atom bombasi bilan bog'lashadi, faqat kuchliroq. Darhaqiqat, bu mutlaqo yangi qurol bo'lib, uni yaratish uchun nomutanosib ravishda katta intellektual harakatlar talab etiladi va mutlaqo boshqa jismoniy printsiplarda ishlaydi.

Atom va vodorod bombalarining yagona umumiy tomoni shundaki, ikkalasi ham atom yadrosida yashiringan ulkan energiyani chiqaradi. Bu ikki yo'l bilan amalga oshirilishi mumkin: og'ir yadrolarni, masalan, uran yoki plutoniyni engilroqlarga bo'lish (bo'linish reaktsiyasi) yoki vodorodning eng engil izotoplarini birlashtirishga majburlash (birikma reaktsiyasi). Ikkala reaksiya natijasida hosil bo'lgan materialning massasi har doim dastlabki atomlarning massasidan kamroq bo'ladi. Ammo massa izsiz yo'qolmaydi - u Eynshteynning mashhur E=mc 2 formulasiga ko'ra energiyaga aylanadi.

Atom bombasini yaratish uchun zarur va etarli shart - etarli miqdorda parchalanuvchi materialni olish. Ish ancha mehnat talab qiladi, ammo intellektual darajasi past bo'lib, yuqori fandan ko'ra tog'-kon sanoatiga yaqinroqdir. Bunday qurollarni yaratish uchun asosiy resurslar ulkan uran konlari va boyitish zavodlarini qurishga sarflanadi. Birinchi bomba uchun zarur bo'lgan plutoniyni ishlab chiqarish va birinchi sovet yadroviy portlashi o'rtasida bir oydan kamroq vaqt o'tganligi qurilmaning soddaligidan dalolat beradi.

Keling, maktab fizikasi kurslaridan ma'lum bo'lgan bunday bombaning ishlash printsipini qisqacha eslaylik. Uran va ba'zi transuran elementlari, masalan, plutoniy, parchalanish paytida bir nechta neytronlarni chiqarish xususiyatiga asoslangan. Bu elementlar o'z-o'zidan yoki boshqa neytronlar ta'sirida parchalanishi mumkin.

Chiqarilgan neytron radioaktiv moddani tark etishi mumkin yoki u boshqa atom bilan to'qnashib, boshqa bo'linish reaktsiyasini keltirib chiqarishi mumkin. Moddaning ma'lum bir kontsentratsiyasi (kritik massa) oshib ketganda, atom yadrosining yanada bo'linishiga olib keladigan yangi tug'ilgan neytronlar soni parchalanadigan yadrolar sonidan oshib keta boshlaydi. Chiriyotgan atomlar soni ko'chki kabi o'sishni boshlaydi, yangi neytronlarni tug'adi, ya'ni zanjirli reaktsiya sodir bo'ladi. Uran-235 uchun kritik massa taxminan 50 kg, plutoniy-239 uchun - 5,6 kg. Ya'ni, og'irligi 5,6 kg dan bir oz kamroq bo'lgan plutoniy to'pi shunchaki issiq metall bo'lagi, bir oz ko'proq massa esa bir necha nanosekund davom etadi.

Bombaning haqiqiy ishlashi oddiy: biz uran yoki plutoniyning ikkita yarim sharini olamiz, ularning har biri kritik massadan bir oz kamroq, ularni 45 sm masofada joylashtiramiz, ularni portlovchi moddalar bilan yopamiz va portlatamiz. Uran yoki plutoniy o'ta kritik massa bo'lagiga sinterlanadi va yadroviy reaktsiya boshlanadi. Hammasi. Yadro reaktsiyasini boshlashning yana bir usuli bor - kuchli portlash bilan plutoniy bo'lagini siqish: atomlar orasidagi masofa qisqaradi va reaktsiya pastroq kritik massada boshlanadi. Barcha zamonaviy atom detonatorlari shu printsip asosida ishlaydi.

Atom bombasi bilan bog'liq muammolar biz portlash kuchini oshirmoqchi bo'lgan paytdan boshlanadi. Bo'linadigan materialni shunchaki ko'paytirishning o'zi etarli emas - uning massasi kritik massaga yetganda, u portlaydi. Masalan, bombani ikki qismdan emas, balki ko'p qismlardan yasash uchun turli xil aqlli sxemalar ixtiro qilindi, bu esa bombani ichi kesilgan apelsinga o'xshata boshladi va keyin uni bitta portlash bilan bir qismga yig'di, lekin baribir kuch bilan. 100 kilotonnadan ortiq bo'lganida, muammolar hal qilib bo'lmaydigan bo'lib qoldi.

Ammo termoyadroviy sintez uchun yoqilg'i kritik massaga ega emas. Bu erda termoyadro yoqilg'isi bilan to'ldirilgan Quyosh tepada osilgan, uning ichida bir milliard yil davomida termoyadroviy reaktsiya davom etmoqda - va hech narsa portlamaydi. Bundan tashqari, masalan, deyteriy va tritiy (vodorodning og'ir va o'ta og'ir izotopi) sintez reaktsiyasi paytida, uran-235 ning bir xil massasi yonishi paytida energiya 4,2 baravar ko'p ajralib chiqadi.

Atom bombasini yaratish nazariy emas, balki eksperimental jarayon edi. Vodorod bombasini yaratish mutlaqo yangi jismoniy fanlarning paydo bo'lishini talab qildi: yuqori haroratli plazma va o'ta yuqori bosimlar fizikasi. Bomba qurishni boshlashdan oldin, faqat yulduzlar yadrosida sodir bo'ladigan hodisalarning mohiyatini yaxshilab tushunish kerak edi. Bu erda hech qanday tajriba yordam bera olmadi - tadqiqotchilarning vositalari faqat nazariy fizika va oliy matematika edi. Bejiz emaski, termoyadro qurolini yaratishda matematiklar: Ulam, Tixonov, Samarskiy va boshqalar katta rol o'ynaydi.

Klassik super

1945 yil oxirida Edvard Teller "klassik super" deb nomlangan birinchi vodorod bombasi dizaynini taklif qildi. Birlashish reaktsiyasini boshlash uchun zarur bo'lgan dahshatli bosim va haroratni yaratish uchun oddiy atom bombasidan foydalanish kerak edi. "Klassik super" o'zi deyteriy bilan to'ldirilgan uzun silindr edi. Deyteriy-tritiy aralashmasi bo'lgan oraliq "olov" kamerasi ham taqdim etildi - deyteriy va tritiyning sintez reaktsiyasi pastroq bosimda boshlanadi. Olovga o'xshab, deyteriy o'tin, deyteriy va tritiy aralashmasi - bir stakan benzin va atom bombasi - gugurt rolini o'ynashi kerak edi. Ushbu sxema "quvur" deb ataldi - bir uchida atom zajigalkali sigaret turi. Sovet fiziklari xuddi shu sxema bo'yicha vodorod bombasini ishlab chiqishni boshladilar.

Biroq, matematik Stanislav Ulam oddiy slayd qoidasidan foydalanib, Tellerga sof deyteriyning "super" ning termoyadroviy reaktsiyasi paydo bo'lishi deyarli mumkin emasligini isbotladi va aralashmani ishlab chiqarish uchun shunchalik tritiy kerak bo'ladi. Qo'shma Shtatlarda qurolli plutoniy ishlab chiqarishni amalda muzlatish kerak.

Shakar bilan puflang

1946 yil o'rtalarida Teller yana bir vodorod bombasi dizaynini - "budilnik" ni taklif qildi. Uran, deyteriy va tritiyning almashinadigan sferik qatlamlaridan iborat edi. Plutoniyning markaziy zaryadining yadroviy portlashi paytida bombaning boshqa qatlamlarida termoyadroviy reaktsiyaning boshlanishi uchun zarur bosim va harorat yaratildi. Biroq, "budilnik" uchun yuqori quvvatli atom tashabbuskori kerak edi va Qo'shma Shtatlar (shuningdek, SSSR) qurol darajasidagi uran va plutoniyni ishlab chiqarishda muammolarga duch keldi.

1948 yilning kuzida Andrey Saxarov xuddi shunday sxemaga keldi. Sovet Ittifoqida dizayn "sloyka" deb nomlangan. Uran-235 va plutoniy-239-ni yetarli miqdorda ishlab chiqarishga ulgurmagan SSSR uchun Saxarovning puff pastasi panatseya edi. Va shuning uchun ham.

Oddiy atom bombasida tabiiy uran-238 nafaqat foydasiz (parchalanish paytidagi neytron energiyasi bo'linishni boshlash uchun etarli emas), balki zararli, chunki u ikkilamchi neytronlarni ishtiyoq bilan o'zlashtiradi va zanjir reaktsiyasini sekinlashtiradi. Shuning uchun qurol darajasidagi uranning 90% uran-235 izotopidan iborat. Biroq, termoyadro sintezi natijasida hosil bo'lgan neytronlar bo'linish neytronlariga qaraganda 10 marta ko'proq energiyaga ega va bunday neytronlar bilan nurlangan tabiiy uran-238 juda yaxshi bo'linishni boshlaydi. Yangi bomba portlovchi modda sifatida avvallari chiqindi hisoblangan uran-238 dan foydalanish imkonini berdi.

Saxarovning "puf pastasi" ning diqqatga sazovor tomoni, shuningdek, o'tkir tanqis tritiy o'rniga oq rangli kristalli modda - litiy deuterid 6 LiD dan foydalanish edi.

Yuqorida aytib o'tilganidek, deyteriy va tritiy aralashmasi sof deyteriyga qaraganda ancha oson yonadi. Biroq, bu erda tritiyning afzalliklari tugaydi va faqat kamchiliklar qoladi: normal holatda tritiy gaz bo'lib, saqlashda qiyinchiliklarga olib keladi; tritiy radioaktiv bo'lib, barqaror geliy-3 ga parchalanadi, u juda zarur bo'lgan tez neytronlarni faol ravishda iste'mol qiladi va bombaning saqlash muddatini bir necha oygacha cheklaydi.

Radioaktiv bo'lmagan litiy deytrid, sekin bo'linadigan neytronlar bilan nurlantirilganda - atom sug'urta portlashining oqibatlari - tritiyga aylanadi. Shunday qilib, birlamchi atom portlashining nurlanishi keyingi termoyadro reaktsiyasi uchun bir zumda etarli miqdorda tritiy hosil qiladi va deyteriy dastlab litiy deytridida mavjud.

Aynan shunday RDS-6 bombasi 1953 yil 12 avgustda Semipalatinsk poligonining minorasida muvaffaqiyatli sinovdan o'tkazildi. Portlashning kuchi 400 kilotonni tashkil etdi va bu haqiqiy termoyadro portlashi yoki o'ta kuchli atom portlashi bo'lganligi haqida bahslar davom etmoqda. Axir, Saxarovning puff pastasidagi termoyadroviy termoyadroviy reaktsiya umumiy zaryad quvvatining 20% ​​dan ko'p bo'lmagan qismini tashkil etdi. Portlashning asosiy hissasi tez neytronlar bilan nurlangan uran-238 ning parchalanish reaktsiyasi bo'ldi, buning natijasida RDS-6 "iflos" bombalar davrini boshladi.

Gap shundaki, asosiy radioaktiv ifloslanish parchalanish mahsulotlaridan (xususan, stronsiy-90 va seziy-137) kelib chiqadi. Aslida, Saxarovning "puf pastry" gigant atom bombasi bo'lib, u faqat termoyadro reaktsiyasi bilan biroz kuchaygan. Semipalatinsk poligonining butun tarixi davomida atmosferaga kirgan stronsiy-90 ning 82% va seziy-137 ning 75% ni bitta "puf pastry" portlashi bejiz emas.

Amerika bombalari

Biroq, vodorod bombasini birinchi bo'lib amerikaliklar portlatishdi. 1952 yil 1 noyabrda Tinch okeanidagi Elugelab atollida 10 megaton ishlab chiqarish quvvatiga ega Mayk termoyadro qurilmasi muvaffaqiyatli sinovdan o'tkazildi. 74 tonnalik Amerika qurilmasini bomba deb atash qiyin bo'lardi. "Mayk" mutlaq nolga yaqin haroratda suyuq deyteriy bilan to'ldirilgan ikki qavatli uyning o'lchamidagi katta hajmli qurilma edi (Saxarovning "puf pastry" butunlay tashish mumkin bo'lgan mahsulot edi). Biroq, "Mayk" ning diqqatga sazovor joyi uning o'lchami emas, balki termoyadroviy portlovchi moddalarni siqishning aqlli printsipi edi.

Eslatib o'tamiz, vodorod bombasining asosiy g'oyasi yadroviy portlash orqali termoyadroviy (o'ta yuqori bosim va harorat) uchun sharoit yaratishdir. "Puf" sxemasida yadro zaryadi markazda joylashgan va shuning uchun u deyteriyni unchalik siqmaydi, balki uni tashqariga tarqatadi - termoyadroviy portlovchi miqdorini ko'paytirish quvvatning oshishiga olib kelmaydi - bu shunchaki emas. portlash uchun vaqt bor. Aynan shu sxemaning maksimal quvvatini cheklaydigan narsa - dunyodagi eng kuchli "puf" - 1957 yil 31 mayda inglizlar tomonidan portlatilgan Orange Herald atigi 720 kiloton ishlab chiqardi.

Agar biz termoyadroviy portlovchini siqib, atom sug'urtasini ichkarida portlatib yuborsak, ideal bo'lar edi. Lekin buni qanday qilish kerak? Edvard Teller ajoyib g'oyani ilgari surdi: termoyadro yoqilg'isini mexanik energiya va neytron oqimi bilan emas, balki birlamchi atom sug'urtasi nurlanishi bilan siqish.

Tellerning yangi dizaynida boshlang'ich atom birligi termoyadro birligidan ajratilgan. Atom zaryadi ishga tushirilganda, rentgen nurlanishi zarba to'lqinidan oldin bo'lib, silindrsimon korpusning devorlari bo'ylab tarqalib, bug'lanib, bomba tanasining polietilen ichki qoplamasini plazmaga aylantirdi. Plazma, o'z navbatida, uran-238 ichki silindrining tashqi qatlamlari - "itaruvchi" tomonidan so'rilgan yumshoqroq rentgen nurlarini qayta chiqardi. Qatlamlar portlovchi bug'lana boshladi (bu hodisa ablasyon deb ataladi). Issiq uran plazmasini o'ta kuchli raketa dvigatelining oqimlari bilan taqqoslash mumkin, uning zarbasi deyteriy bilan silindrga yo'naltiriladi. Uran tsilindri qulab tushdi, deyteriyning bosimi va harorati kritik darajaga yetdi. Xuddi shu bosim markaziy plutoniy trubkasini kritik massaga siqdi va u portladi. Plutoniy sug'urtasining portlashi ichkaridan deyteriyga bosilib, portlagan termoyadro portlovchisini yanada siqib, qizdirdi. Neytronlarning kuchli oqimi "itaruvchi"dagi uran-238 yadrolarini bo'lib, ikkilamchi parchalanish reaktsiyasini keltirib chiqaradi. Bularning barchasi birlamchi yadroviy portlashning portlash to'lqini termoyadro blokiga yetib borishidan oldin sodir bo'lgan. Sekundining milliarddan bir qismida sodir bo'ladigan bu hodisalarning barchasini hisoblash uchun sayyoradagi eng kuchli matematiklarning aqliy qobiliyatlari kerak edi. "Mayk" yaratuvchilari 10 megatonlik portlashdan dahshatni emas, balki ta'riflab bo'lmaydigan zavqni boshdan kechirdilar - ular nafaqat haqiqiy dunyoda faqat yulduzlarning yadrolarida sodir bo'ladigan jarayonlarni tushunishga, balki o'z nazariyalarini eksperimental ravishda sinab ko'rishga muvaffaq bo'lishdi. Yerdagi o'zlarining kichik yulduzlarini ko'tardilar.

Bravo

Dizaynning go'zalligi bo'yicha ruslardan o'zib ketgan amerikaliklar o'zlarining qurilmasini ixcham qila olmadilar: ular Saxarovning kukunli litiy deyteridi o'rniga suyuq o'ta sovutilgan deyteriydan foydalanishdi. Los-Alamosda ular Saxarovning "puf pastry" iga biroz hasad bilan munosabatda bo'lishdi: "ruslar bir chelak xom sutli ulkan sigir o'rniga, bir qop quruq sutdan foydalanadilar". Biroq, har ikki tomon bir-biridan sirlarni yashira olmadi. 1954 yil 1 martda Bikini atolli yaqinida amerikaliklar litiy deuterid yordamida 15 megatonlik "Bravo" bombasini va 1955 yil 22 noyabrda 1,7 megaton quvvatga ega birinchi sovet ikki bosqichli RDS-37 termoyadro bombasini sinovdan o'tkazdilar. Semipalatinsk poligonida portlab, poligonning deyarli yarmini vayron qildi. O'shandan beri termoyadroviy bomba dizayni kichik o'zgarishlarga uchradi (masalan, boshlovchi bomba va asosiy zaryad o'rtasida uran qalqoni paydo bo'ldi) va kanonik bo'ldi. Va dunyoda bunday ajoyib tajriba bilan hal qilinishi mumkin bo'lgan boshqa keng ko'lamli tabiat sirlari qolmadi. Ehtimol, o'ta yangi yulduzning tug'ilishi.

Ta'riflab bo'lmaydigan darajada qisqa vaqt ichida gigajoul energiyani chiqarishga qodir sirli qurilma dahshatli romantika bilan o'ralgan. Aytish kerakki, butun dunyoda yadro quroli bo'yicha ishlar chuqur tasniflangan va bombaning o'zi ko'plab afsonalar va afsonalar bilan to'lib ketgan. Keling, ular bilan tartibda shug'ullanishga harakat qilaylik.

Andrey Suvorov

Hech narsa atom bombasi kabi qiziqish uyg'otmaydi

1945 yil avgust. Ernest Orlando Lourens atom bombasi laboratoriyasida

1954 yil Bikini atolidagi portlashdan sakkiz yil o'tib, yapon olimlari mahalliy suvlarda tutilgan baliqlarda yuqori radiatsiya darajasini aniqladilar.

Kritik massa

Yadro zanjiri reaktsiyasi boshlanishi uchun ma'lum bir tanqidiy massaga erishish kerakligi haqida hamma eshitgan. Ammo haqiqiy yadroviy portlash sodir bo'lishi uchun faqat kritik massaning o'zi etarli emas - reaktsiya sezilarli energiya ajralib chiqish vaqtiga qadar deyarli bir zumda to'xtaydi. To'liq miqyosda bir necha kiloton yoki o'nlab kiloton, ikki yoki uch yoki yaxshiroq to'rt yoki beshta portlash uchun bir vaqtning o'zida tanqidiy massa to'planishi kerak.

Ko'rinib turibdiki, siz uran yoki plutoniydan ikki yoki undan ortiq qismlarni yasashingiz va ularni kerakli vaqtda ulashingiz kerak. Adolat uchun shuni aytish kerakki, fiziklar yadroviy bomba yasashda ham xuddi shunday fikrda edilar. Ammo haqiqat o'z tuzatishlarini kiritdi.

Gap shundaki, agar bizda juda toza uran-235 yoki plutoniy-239 bo'lsa, biz buni qila olardik, ammo olimlar haqiqiy metallar bilan shug'ullanishlari kerak edi. Tabiiy uranni boyitish orqali siz 90% uran-235 va 10% uran-238 ni o'z ichiga olgan aralashmani yaratishingiz mumkin, uran-238 ning qolgan qismidan xalos bo'lishga urinishlar ushbu materialning narxining juda tez ko'tarilishiga olib keladi (u yuqori deb ataladi); boyitilgan uran). Yadro reaktorida uran-238 dan uran-235 ning parchalanishi natijasida hosil bo'lgan plutoniy-239, albatta, plutoniy-240 aralashmasini o'z ichiga oladi.

Uran235 va plutoniy239 izotoplari juft-toq deb ataladi, chunki ularning atomlari yadrolarida juft sonli proton (uran uchun 92 va plutoniy uchun 94) va toq sonli neytronlar (mos ravishda 143 va 145) mavjud. Og'ir elementlarning barcha juft toq yadrolari umumiy xususiyatga ega: ular kamdan-kam hollarda o'z-o'zidan bo'linadi (olimlar: "o'z-o'zidan"), lekin neytron yadroga urilganda oson bo'linadi.

Uran-238 va plutoniy-240 juft-juftdir. Ular, aksincha, bo'linuvchi yadrolardan uchib chiqadigan past va o'rtacha energiyali neytronlar bilan deyarli bo'linmaydilar, lekin ular o'z-o'zidan yuzlab yoki o'n minglab marta tez-tez bo'linib, neytron fonini hosil qiladi. Bu fon yadroviy qurol yaratishni juda qiyinlashtiradi, chunki u zaryadning ikki qismi uchrashgunga qadar reaksiyaning erta boshlanishiga olib keladi. Shu sababli, portlash uchun tayyorlangan qurilmada tanqidiy massaning qismlari bir-biridan etarlicha uzoqda joylashgan bo'lishi va yuqori tezlikda ulanishi kerak.

To'p bombasi

Biroq, 1945 yil 6 avgustda Xirosimaga tashlangan bomba aynan yuqorida tavsiflangan sxema bo'yicha qilingan. Uning ikkita qismi, nishon va o'q yuqori darajada boyitilgan urandan qilingan. Nishon diametri 16 sm va balandligi 16 sm bo'lgan silindr edi. Umuman olganda, bombada 64 kg uran bor edi.

Nishon qobiq bilan o'ralgan bo'lib, uning ichki qatlami volfram karbididan, tashqi qatlami po'latdan yasalgan. Chig'anoqning maqsadi ikki xil edi: o'q nishonga yopishib qolganda ushlab turish va urandan qochib ketgan neytronlarning hech bo'lmaganda bir qismini aks ettirish. Neytron reflektorini hisobga olgan holda, 64 kg 2,3 kritik massa edi. Bu qanday amalga oshdi, chunki har bir qism subkritik edi? Haqiqat shundaki, o'rta qismni silindrdan olib tashlash orqali biz uning o'rtacha zichligini kamaytiramiz va kritik massaning qiymati ortadi. Shunday qilib, bu qismning massasi qattiq metall bo'lagi uchun kritik massadan oshib ketishi mumkin. Ammo o'qning massasini bu tarzda oshirish mumkin emas, chunki u qattiq bo'lishi kerak.

Nishon ham, o'q ham bo'laklardan yig'ilgan: nishon bir nechta past balandlikdagi halqalardan va o'q oltita yuvgichdan. Sababi oddiy - uran quymalari kichik o'lchamda bo'lishi kerak edi, chunki ignabargli ishlab chiqarish (quyma, presslash) paytida uranning umumiy miqdori kritik massaga yaqinlashmasligi kerak. O'q yupqa devorli zanglamaydigan po'latdan yasalgan ko'ylagi bilan o'ralgan bo'lib, nishon ko'ylagiga o'xshash volfram karbid qopqog'i bilan qoplangan.

O'qni nishon markaziga yo'naltirish uchun ular an'anaviy 76,2 mm zenit qurolining barrelidan foydalanishga qaror qilishdi. Shuning uchun bu turdagi bomba ba'zan to'p bilan yig'ilgan bomba deb ataladi. Bunday g'ayrioddiy o'qni joylashtirish uchun barrel ichkaridan 100 mm gacha zerikdi. Barrel uzunligi 180 sm bo'lgan oddiy tutunsiz porox o'qni taxminan 300 m / s tezlikda otgan zaryadlash kamerasiga o'rnatilgan. Va barrelning boshqa uchi nishon qobig'idagi teshikka bosildi.

Ushbu dizayn juda ko'p kamchiliklarga ega edi.

Bu juda xavfli edi: porox zaryadlash kamerasiga o'rnatilgandan so'ng, uni yoqishi mumkin bo'lgan har qanday baxtsiz hodisa bomba to'liq quvvat bilan portlashiga olib keladi. Shu sababli, samolyot nishonga yaqinlashganda havoda piroksilin zaryadlangan.

Samolyot halokatiga uchragan taqdirda, uran qismlari poroxsiz, shunchaki erga kuchli ta'sir qilish natijasida birlashishi mumkin. Bunga yo'l qo'ymaslik uchun o'qning diametri bochkadagi teshik diametridan bir millimetrdan kattaroq edi.

Agar bomba suvga tushib qolsa, suvdagi neytronlarning mo''tadilligi tufayli reaktsiya qismlarni ulamasdan ham boshlanishi mumkin. To'g'ri, bu holda yadro portlashi ehtimoldan yiroq emas, lekin uranning katta maydonga sepilishi va radioaktiv ifloslanish bilan termal portlash sodir bo'ladi.

Ushbu dizayndagi bomba uzunligi ikki metrdan oshdi va bu deyarli engib bo'lmaydi. Axir, tanqidiy holatga erishildi va reaktsiya o'q to'xtashiga hali yarim metr qolganda boshlandi!

Nihoyat, bu bomba juda isrof edi: uranning 1% dan kamrog'i unda reaksiyaga kirishishga ulgurdi!

To'p bombasining aniq bir afzalligi bor edi: u ishlamay qolishi mumkin emas edi. Ular hatto uni sinab ko'rmoqchi emas edilar! Ammo amerikaliklar plutoniy bombasini sinab ko'rishlari kerak edi: uning dizayni juda yangi va murakkab edi.

Plutonium futbol to'pi

Plutoniy-240 ning ozgina (1% dan kam!) aralashmasi ham plutoniy bombasini to'pni yig'ishni imkonsiz qilishi ma'lum bo'lgach, fiziklar kritik massaga ega bo'lishning boshqa usullarini izlashga majbur bo'lishdi. Va plutoniy portlovchi moddalarining kalitini keyinchalik eng mashhur "yadro josusi" bo'lgan odam - ingliz fizigi Klaus Fuchs topdi.

Keyinchalik "portlash" deb nomlangan uning g'oyasi portlovchi linzalar deb ataladigan ajralishdan bir-biriga yaqinlashuvchi sferik zarba to'lqinini hosil qilish edi. Ushbu zarba to'lqini plutoniy bo'lagini siqib chiqaradi, shunda uning zichligi ikki baravar ko'payadi.

Agar zichlikning pasayishi kritik massaning oshishiga olib keladigan bo'lsa, unda zichlikning oshishi uni kamaytirishi kerak! Bu, ayniqsa, plutoniy uchun to'g'ri keladi. Plutoniy juda o'ziga xos materialdir. Plutoniyning bir qismi erish nuqtasidan xona haroratiga qadar sovutilganda, u to'rt fazali o'tishni boshdan kechiradi. Ikkinchisida (taxminan 122 daraja), uning zichligi 10% ga oshadi. Bunday holda, har qanday quyma muqarrar ravishda yorilib ketadi. Bunga yo'l qo'ymaslik uchun plutoniyga ba'zi uch valentli metallar qo'shiladi, keyin bo'sh holat barqaror bo'ladi. Alyuminiydan foydalanish mumkin, ammo 1945 yilda plutoniy yadrolaridan chiqadigan alfa zarralari parchalanish jarayonida alyuminiy yadrolaridan erkin neytronlarni urib, allaqachon sezilarli neytron fonini oshiradi, deb qo'rqishgan, shuning uchun galyum birinchi atom bombasida ishlatilgan.

98% plutoniy-239, 0,9% plutoniy-240 va 0,8% galliy bo'lgan qotishmadan diametri atigi 9 sm va og'irligi taxminan 6,5 kg bo'lgan shar yasaldi. To'pning markazida diametri 2 sm bo'lgan bo'shliq bor edi va u uch qismdan iborat edi: ikkita yarmi va diametri 2 sm bo'lgan silindr bu vilka bo'lib xizmat qildi, u orqali boshlovchini kiritish mumkin edi ichki bo'shliq - bomba portlaganda ishga tushirilgan neytron manbai. Barcha uch qism nikel bilan qoplangan bo'lishi kerak edi, chunki plutoniy havo va suv bilan juda faol oksidlanadi va agar u inson tanasiga kirsa, o'ta xavflidir.

To'p qalinligi 7 sm va og'irligi 120 kg bo'lgan tabiiy uran238 dan yasalgan neytron reflektor bilan o'ralgan edi. Uran tez neytronlarning yaxshi reflektoridir va yig'ilganda tizim biroz subkritik edi, shuning uchun plutoniy vilkasi o'rniga neytronlarni o'zlashtiradigan kadmiy vilkasi o'rnatilgan. Reflektor, shuningdek, reaksiya paytida muhim yig'ilishning barcha qismlarini ushlab turish uchun xizmat qildi, aks holda plutoniyning ko'p qismi yadroviy reaktsiyada qatnashishga ulgurmasdan uchib ketadi.

Keyinchalik 120 kg og'irlikdagi alyuminiy qotishmasining 11,5 santimetrli qatlami keldi. Qatlamning maqsadi ob'ektiv linzalardagi antireflektsiya bilan bir xil: portlash to'lqinining uran-plutoniy birikmasiga kirib borishini va undan aks etmasligini ta'minlash. Ushbu aks etish portlovchi va uran o'rtasidagi zichlikdagi katta farq tufayli yuzaga keladi (taxminan 1:10). Bundan tashqari, zarba to'lqinida, siqilish to'lqinidan keyin Teylor effekti deb ataladigan noyob to'lqin paydo bo'ladi. Alyuminiy qatlami portlovchi moddaning ta'sirini kamaytiradigan kam uchraydigan to'lqinni zaiflashtirdi. Alyuminiyni uran-238 parchalanishi paytida hosil bo'lgan alfa zarralari ta'sirida alyuminiy atomlarining yadrolaridan chiqarilgan neytronlarni o'ziga singdiruvchi bor bilan doping qilish kerak edi.

Nihoyat, tashqarida o'sha "portlovchi linzalar" bor edi. Ulardan 32 tasi (20 olti burchakli va 12 beshburchak) bo'lib, ular futbol to'piga o'xshash tuzilma hosil qilgan. Har bir linza uch qismdan iborat bo'lib, o'rta qismi maxsus "sekin" portlovchi moddadan, tashqi va ichki qismi esa "tezkor" portlovchi moddadan qilingan. Tashqi qismi tashqi tomondan sharsimon edi, lekin uning ichida, xuddi shaklli zaryadda bo'lgani kabi, konussimon depressiya bor edi, lekin uning maqsadi boshqacha edi. Bu konus sekin portlovchi bilan to'ldirilgan va interfeysda portlash to'lqini oddiy yorug'lik to'lqini kabi singan. Ammo bu erda o'xshashlik juda shartli. Aslida, bu konusning shakli yadro bombasining haqiqiy sirlaridan biridir.

40-yillarning o'rtalarida dunyoda bunday linzalarning shaklini hisoblash mumkin bo'lgan kompyuterlar yo'q edi va eng muhimi, hatto mos keladigan nazariya ham yo'q edi. Shuning uchun ular faqat sinov va xato orqali amalga oshirildi. Mingdan ortiq portlashlarni amalga oshirish kerak edi - bu nafaqat amalga oshirilgan, balki portlash to'lqinining parametrlarini yozib olgan maxsus yuqori tezlikdagi kameralar bilan suratga olingan. Kichikroq versiya sinovdan o'tkazilganda, portlovchi moddalar unchalik osonlik bilan miqyosi yo'qligi ma'lum bo'ldi va eski natijalarni sezilarli darajada tuzatish kerak edi.

Shaklning aniqligi millimetrdan kam bo'lgan xato bilan saqlanishi kerak edi va portlovchi moddaning tarkibi va bir xilligi juda ehtiyotkorlik bilan saqlanishi kerak edi. Qismlarni faqat quyish yo'li bilan qilish mumkin edi, shuning uchun barcha portlovchi moddalar mos emas edi. Tez portlovchi modda RDX va TNT aralashmasi bo'lib, RDX miqdoridan ikki baravar ko'p edi. Sekin - bir xil TNT, lekin inert bariy nitrat qo'shilishi bilan. Birinchi portlovchi moddada portlash to'lqinining tezligi 7,9 km/s, ikkinchisida esa 4,9 km/s.

Detonatorlar har bir linzaning tashqi yuzasining markaziga o'rnatilgan. Barcha 32 detonator bir vaqtning o'zida misli ko'rilmagan aniqlik bilan o't ochishi kerak edi - 10 nanosekunddan kamroq, ya'ni soniyaning milliarddan bir qismi! Shunday qilib, zarba to'lqini jabhasi 0,1 mm dan ortiq buzilmasligi kerak edi. Linzalarning birlashtiruvchi yuzalarini bir xil aniqlik bilan tekislash kerak edi, lekin ularni ishlab chiqarishdagi xato o'n baravar ko'p edi! Noto'g'riliklarni qoplash uchun men juda ko'p hojatxona qog'ozi va lenta sarflashim kerak edi. Ammo tizim nazariy modelga juda oz o'xshash bo'la boshladi.

Yangi detonatorlarni ixtiro qilish kerak edi: eskilari to'g'ri sinxronizatsiyani ta'minlamadi. Ular elektr tokining kuchli impulsi ostida portlagan simlar asosida yaratilgan. Ularni ishga tushirish uchun 32 ta yuqori voltli kondansatkichli akkumulyator va bir xil miqdordagi yuqori tezlikda zaryadsizlantiruvchi qurilmalar kerak edi - har bir detonator uchun bittadan. Butun tizim, shu jumladan batareyalar va kondansatkichlar uchun zaryadlovchi, birinchi bombada deyarli 200 kg og'irlikda edi. Biroq, 2,5 tonnani olgan portlovchi moddalarning og'irligi bilan solishtirganda, bu unchalik ko'p emas edi.

Nihoyat, butun tuzilma keng kamar va ikkita qopqoqdan iborat bo'lgan duralumin sharsimon korpusga o'ralgan - yuqori va pastki, bu qismlarning barchasi murvat bilan yig'ilgan. Bomba dizayni uni plutoniy yadrosiz yig'ish imkonini berdi. Plutoniyni uran reflektorining bir qismi bilan birga joyiga qo'yish uchun korpusning yuqori qopqog'i ochildi va bitta portlovchi linza olib tashlandi.

Yaponiya bilan urush nihoyasiga yetayotgan edi, amerikaliklar esa shoshayotgan edi. Ammo portlovchi bomba sinovdan o'tkazilishi kerak edi. Ushbu operatsiyaga "Trinity" ("Uchlik") kod nomi berildi. Ha, atom bombasi ilgari faqat xudolar uchun mavjud bo'lgan kuchni namoyish qilishi kerak edi.

Ajoyib muvaffaqiyat

Sinov maydoni Nyu-Meksiko shtatida, Jornadadel Muerto (O'lim yo'li) nomli go'zal joyda tanlangan - hudud Alamagordo artilleriya poligonining bir qismi edi. Bomba 1945 yil 11 iyulda yig'ila boshlandi. O'n to'rtinchi iyulda u maxsus qurilgan 30 m balandlikdagi minora tepasiga ko'tarildi, detonatorlarga simlar ulandi va katta hajmdagi o'lchash moslamalarini o'z ichiga olgan tayyorgarlikning yakuniy bosqichi boshlandi. 1945 yil 16 iyul kuni ertalab soat besh yarimda qurilma portlatilgan.

Portlash markazidagi harorat bir necha million darajaga etadi, shuning uchun yadroviy portlashning chaqnashi Quyoshdan ancha yorqinroq. Olovli shar bir necha soniya davom etadi, keyin ko'tarila boshlaydi, qorayadi, oqdan to'q sariqqa, so'ngra qip-qizil rangga aylanadi va hozirda mashhur yadro qo'ziqorini hosil bo'ladi. Birinchi qo'ziqorin buluti 11 km balandlikka ko'tarildi.

Portlash energiyasi trotil ekvivalenti 20 kt dan ortiq edi. Fiziklar 510 tonnani hisoblab, asbob-uskunalarni juda yaqin joylashtirgani uchun o‘lchash asboblarining aksariyati vayron bo‘lgan. Aks holda bu muvaffaqiyat, ajoyib muvaffaqiyat edi!

Ammo amerikaliklar bu hududning kutilmagan radioaktiv ifloslanishiga duch kelishdi. Radioaktiv yog'ingarchiliklar shim.-sharqqa qarab 160 km ga cho'zilgan. Aholining bir qismi Bingham kichik shaharchasidan evakuatsiya qilinishi kerak edi, ammo kamida beshta mahalliy aholi 5760 rentgen dozasini oldi.

Ma'lum bo'lishicha, ifloslanishning oldini olish uchun bomba etarlicha baland balandlikda, kamida bir yarim kilometr masofada portlatilishi kerak, keyin radioaktiv parchalanish mahsulotlari yuz minglab, hatto millionlab kvadrat maydonlarga tarqaladi. kilometr va global radiatsiya fonida erigan.

Ushbu dizayndagi ikkinchi bomba Nagasakiga 9 avgust kuni, ushbu sinovdan 24 kun o'tgach va Xirosima bombardimon qilinganidan uch kun o'tib tashlangan. O'shandan beri deyarli barcha atom qurollari portlash texnologiyasidan foydalangan. 1949 yil 29 avgustda sinovdan o'tgan birinchi sovet bombasi RDS-1 xuddi shu dizayn bo'yicha qilingan.