II. Принцип действия ядерного оружия

Введение

Первое ядерное оружие было разработано в конце Второй мировой войны, в 1944 году, в рамках американского сверхсекретного «Манхэттенского проекта» под руководством Роберта Оппенгеймера. Первая бомба взорвана в США, в порядке испытаний, 16 июля 1945 года. Вторая и третья были сброшены американцами в августе того же года на японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) — это первый и единственный в истории человечества случай боевого применения ядерного оружия.

Благодаря неустанным усилиям, мировое сообщество достигло значительного числа многосторонних договоренностей, направленных на сокращение ядерных арсеналов, запрещения их размещения в определенных регионах мира и природных средах (таких как космическое пространство и дно океанов), ограничение его распространения и прекращение его испытаний. Несмотря на эти достижения, ядерное оружие и его распространение остается основной угрозой миру и основной проблемой международного сообщества.

Ядерное оружие (или атомное оружие) — взрывное устройство, в котором источником энергии является синтез или деление атомных ядер — ядерная реакция. В узком смысле — взрывное устройство, использующее энергию деления тяжёлых ядер. Устройства, использующие энергию, выделяющуюся при синтезе лёгких ядер, называются термоядерными. Ядерное оружие включает как ядерные боеприпасы, так и средства их доставки к цели и средства управления; относится к оружию массового поражения (ОМП) наряду с биологическим и химическим оружием.

 

I. Поражающие факторы

При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются:

· световое излучение;

· ионизирующее излучение;

· ударная волна;

· радиоактивное заражение;

· электромагнитный импульс;

· психологическое воздействие.

 

В зависимости от типа ядерного заряда можно выделить:

собственно ядерное оружие, в боеприпасе которого в момент взрыва происходит ядерная реакция деления тяжёлых элементов с образованием более лёгких; иногда выделяют так называемые «чистые» ядерные заряды, сконструированные таким образом, чтобы снизить до минимума радиоактивное заражение местности;

термоядерное оружие, основное энерговыделение которого происходит при термоядерной реакции — синтезе тяжёлых элементов из более лёгких, а в качестве запала для термоядерной реакции используется ядерный заряд;

нейтронное оружие — ядерный заряд малой мощности, дополненный механизмом, обеспечивающим выделение большей части энергии взрыва в виде потока быстрых нейтронов; его основным поражающим фактором является нейтронное излучение и наведённая радиоактивность.

По назначению ядерное оружие делится на:

тактическое — предназначенное для поражения живой силы и боевой техники противника на фронте и в ближайших тылах;

оперативно-тактическое — для уничтожения объектов противника в пределах оперативной глубины;

стратегическое — для уничтожения административных, промышленных центров и иных стратегических целей в глубоком тылу противника.

 

Мощность ядерного заряда измеряется в тротиловом эквиваленте — количестве тринитротолуола, которое нужно подорвать для получения взрыва той же энергии. Обычно его выражают в килотоннах (кт) и мегатоннах (Мт). Тротиловый эквивалент условен, поскольку распределение энергии ядерного взрыва по различным поражающим факторам существенно зависит от типа боеприпаса и, в любом случае, сильно отличается от химического взрыва.

 

Принято делить ядерные боеприпасы по мощности на пять групп:

 

· сверхмалые (менее 1 кт);

· малые (1 — 10кт);

· средние (10 — 100 кт);

· крупные (большой мощности) (100 кт — 1 Мт);

· сверхкрупные (сверхбольшой мощности) (свыше 1 Мт).

 

 

Урановая бомба

Для того, чтобы реакция могла поддерживать сама себя, необходимо соответствующее «топливо», в качестве которого на первых этапах использовался изотоп урана.

Уран в природе встречается в виде двух изотопов — уран-235 и уран-238. При поглощении ураном-235 нейтрона в процессе распада выделяется от одного до трёх нейтронов:

Уран-238, напротив, при поглощении нейтронов умеренных энергий не выделяет новые, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний-239, и наконец, в относительно стабильный плутоний-239.

Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном топливе должно быть не ниже 80 %, иначе уран-238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Природный же уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается.

Бомба на основе урана стала первым ядерным оружием, использованным человеком в боевых условиях (бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму).

 

Плутониевая бомба

Первым ядерным зарядом, взорванным в испытательных целях, было ядерное устройство «Gadget», «Штуковина» (англ. gadget — приспособление, безделушка) — прототип плутониевой бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки. Испытания проводились на полигоне неподалеку от г. Аламогордо в штате Нью-Мексико.

Конструктивно эта бомба представляла собой несколько сфер, вложенных друг в друга:

Нейтронный инициатор (НИ, «ёжик», «урчин» (англ. urchin)) — шар диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрий-полоний или металлического полония-210 — первичный источник нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции. Срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение полония и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). В настоящее время данный тип инициирования не используется. Нашли применение несколько схем инициирования, такие как импульсное нейтронное инициирование (ИНИ) и термоядерное инициирование (ТИ). Импульсный нейтронный источник (ИНИ) представляет собой компактные ускорители ядер трития, ударявших в мишень, содержащую дейтерий. В термоядерной Т–Д реакции при этом производятся нейтроны, которые и использовались для нейтронного инициирования цепной реакции. Термоядерный инициатор (ТИ). Находится в центре заряда (подобно НИ) где размещается небольшое количество термоядерного материала, центр которого нагревался сходящейся ударной волной и в процессе термоядерной реакции на фоне возникших температур нарабатывается значимое количество нейтронов, достаточное для нейтронного инициирования цепной реакции.

2. Плутоний. Желателен максимально чистый изотоп плутоний-239, хотя для увеличения стабильности физических свойств (плотности) и улучшения сжимаемости заряда плутоний легируется небольшим количеством галлия.

3. Оболочка (англ. tamper), служащая отражателем нейтронов (из урана).

4. Обжимающая оболочка (англ. pusher) из алюминия. Обеспечивает бо́льшую равномерность обжима ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта с взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения.

5. Взрывчатое вещество со сложной системой подрыва, обеспечивающей синхронность подрыва всего взрывчатого вещества. Синхронность необходима для создания строго сферической сжимающей (направленной внутрь шара) ударной волны. Несферическая волна приводит к выбросу материала шара через неоднородность и невозможность создания критической массы. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Используется комбинированная схема (система линз) из «быстрой» и «медленной» взрывчаток — боратола и ТАТВ.

6. Корпус, изготовленный из дюралевых штампованных элементов — две сферических крышки и пояс, соединяемых болтами.

 

Августа 1945 г.

 

Ядерная бомба Малыш

 

 

Радиоактивное заражение

Самую большую опасность среди вторичных поражающих факторов представляет выброс огромной массы радиоактивного вещества с большим периодом полураспада (от нескольких дней до тысячелетий). Главный источник заражения – это продукты реакции радиораспада. Вторым потенциально опасным источником заражения является излучение медленных нейтронов, которые захватываются ядрами атомов нерадиоактивных веществ. В процессе распада атомы могут порождать приблизительно 80 различных изотопов. Эти изотопы широко варьируются по стабильности; некоторые полностью устойчивы, в то время как другие интенсивно распадаются за доли секунды. Распадающиеся изотопы могут сами формировать устойчивые или нестабильные вторичные изотопы. Таким образом, создается еще более сложная смесь, состоящая из приблизительно 300 различных изотопов 36 элементов. Короткоживущие изотопы быстро высвобождают энергию распада, создавая интенсивное радиоактивное ‑­

 

поле, которое, однако, также быстро угасает. Долгоживущие изотопы высвобождают энергию за длительное время, создавая намного более слабый, но стабильный радиационный фон. Полезное эмпирическое правило – «правило семерок». Это правило гласит, что за каждые 7 часов остаточная радиоактивность снижается в 10 раз (относительно уровня первого часа после начала распада). Через 7*7 часов (49 часов, приблизительно 2 суток) уровень радиации снижается еще на 90 %. Через 7*2 дней (2 недели) он снизится еще на 90 %; и так далее в течение 14 недель. Правило действует с погрешностью 25% в течение первых двух недель и с погрешностью 200% в течение первых шести месяцев. Через 6 месяцев скорость снижения уровня радиации становится намного более высокой. Продукты радиоактивного распада представляют наибольшую опасность, когда они проникают в грунт в форме т.н. радиоактивных осадков. Скорость осаждения радиоактивных веществ зависит в первую очередь от высоты, на которой произошел взрыв, и в меньшей степени от мощности взрыва. Если взрыв произошел высоко в воздухе (вспышка не касается земли), испаренные радиоактивные вещества охлаждаются и конденсируются в форме микроскопических частиц. Эти частицы в большинстве своем утягиваются в верхние слои атмосферы, поднимающейся вспышкой взрыва, но заметное их число остается в нижних слоях благодаря конвекции внутри вспышки. Чем сильнее взрыв, тем быстрее осадки уходят вверх, и тем меньше их остается в нижних слоях атмосферы. При взрывах мощностью до 100 килотонн вспышка не поднимается выше тропосферы, где и происходит процесс конденсации. Все эти осадки выпадут на землю естественным путем за несколько месяцев или еще быстрее. При взрывах мощностью в пределах мегатонны вспышка поднимается настолько высоко, что входит в стратосферу. В стратосфере не происходит погодных процессов, и осадки могут выпадать до нескольких лет. Такие замедленные осадки станут гораздо менее опасны к моменту выпадения на землю и довольно равномерно распределятся по всей поверхности планеты. При взрывах мощностью более 100 килотонн все больше и больше радиоактивных частиц попадает в стратосферу. Более низкий взрыв (вспышка касается земли) захватывает большое количество грунта внутрь вспышки. Грунт обычно не испаряется, но даже в случае испарения формирует очень большие частицы. Радиоактивные изотопы захватываются частицами почвы, которые быстро осаждаются на землю. Длительность выпадения таких осадков может составлять от минут до нескольких суток и произвести заражение на территории до нескольких тысяч километров (при соответствующем ветре). Интенсивность радиационного загрязнения сильнее при осадках близко к эпицентру, поскольку плотность радиоактивных частиц выше, и короткоживущие изотопы не успели еще распасться. Погодные условия могут оказывать на этот эффект значительное влияние.

 

К примеру, ливень может ограничить область выпадения радиоактивных осадков, создавая районы очень интенсивного заражения. Как внешнее, так и внутреннее заражение (при приеме внутрь радиоактивных веществ) несет большую опасность для здоровья. Взрывы на небольшой от земли высоте могут также представлять существенную опасность непосредственно под точкой взрыва ‑­

 

из-за активных нейтронов. Нейтроны, поглощенные почвой, могут производить значительное излучение в течение нескольких часов.

 

Мегатонные бомбы в большинстве своем были упразднены и заменены на значительно менее мощные боеголовки. Мощность современной стратегической боеголовки, за немногими исключениями, составляет около 200-750 килотонн. Недавние исследования сложных моделей климата показали, что сокращение мощности приводит к намного большей пропорции осадков, попадающих в нижние слои атмосферы, и намного более быстрому и более интенсивному выпадению осадков, чем предполагали исследования 1960-х и 1970-х годов. Сокращение общей мощности стратегических арсеналов после отказа от высокомощных бомб в пользу более многочисленных и маломощных привело к увеличению риска заражения радиоактивными осадками.

 

Заключение

Ядерная война. Сами эти слова вызывают в сознании образы грибовидных взрывов, противогазов и перепуганных ребятишек, которые мечутся в панике и стараются укрыться под школьными партами. Но попытка представить себе последствия такой войны захватывает воображение целиком – во многом потому, что в реальном мире нам не с чем их сравнить. И надеюсь, сравнивать ни когда не придется, ни нам, не будущим поколениям.

Страшно представить, что жизни мирных граждан планеты зависят всего лишь от того, как договорятся власти разных стран по поводу ядерной проблемы. И вовсе становится не по себе от мысли, что чья-то неуравновешенная рука может «случайно» нажать на «кнопку».

Да, человечество уже сталкивалось с ужасами атомных взрывов, но к счастью, нам как-то удалось не взорвать всю планету – по крайней мере, пока что.

 

Список используемой литературы:

 

1. Ардашев А.Н. гл.5. Атомное пламя. // Огнемётно-зажигательное оружие. Иллюстрированный справочник. — Агинское, Балашиха: АСТ, Астрель, 2001. — 288 с. — (Военная техника). — 10 100 экз. — ISBN 5-17-008790-X</ref>

 

2. Юнг. «Ярче тысячи солнц». М, 1960.

Введение

Первое ядерное оружие было разработано в конце Второй мировой войны, в 1944 году, в рамках американского сверхсекретного «Манхэттенского проекта» под руководством Роберта Оппенгеймера. Первая бомба взорвана в США, в порядке испытаний, 16 июля 1945 года. Вторая и третья были сброшены американцами в августе того же года на японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) — это первый и единственный в истории человечества случай боевого применения ядерного оружия.

Благодаря неустанным усилиям, мировое сообщество достигло значительного числа многосторонних договоренностей, направленных на сокращение ядерных арсеналов, запрещения их размещения в определенных регионах мира и природных средах (таких как космическое пространство и дно океанов), ограничение его распространения и прекращение его испытаний. Несмотря на эти достижения, ядерное оружие и его распространение остается основной угрозой миру и основной проблемой международного сообщества.

Ядерное оружие (или атомное оружие) — взрывное устройство, в котором источником энергии является синтез или деление атомных ядер — ядерная реакция. В узком смысле — взрывное устройство, использующее энергию деления тяжёлых ядер. Устройства, использующие энергию, выделяющуюся при синтезе лёгких ядер, называются термоядерными. Ядерное оружие включает как ядерные боеприпасы, так и средства их доставки к цели и средства управления; относится к оружию массового поражения (ОМП) наряду с биологическим и химическим оружием.

 

I. Поражающие факторы

При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются:

· световое излучение;

· ионизирующее излучение;

· ударная волна;

· радиоактивное заражение;

· электромагнитный импульс;

· психологическое воздействие.

 

В зависимости от типа ядерного заряда можно выделить:

собственно ядерное оружие, в боеприпасе которого в момент взрыва происходит ядерная реакция деления тяжёлых элементов с образованием более лёгких; иногда выделяют так называемые «чистые» ядерные заряды, сконструированные таким образом, чтобы снизить до минимума радиоактивное заражение местности;

термоядерное оружие, основное энерговыделение которого происходит при термоядерной реакции — синтезе тяжёлых элементов из более лёгких, а в качестве запала для термоядерной реакции используется ядерный заряд;

нейтронное оружие — ядерный заряд малой мощности, дополненный механизмом, обеспечивающим выделение большей части энергии взрыва в виде потока быстрых нейтронов; его основным поражающим фактором является нейтронное излучение и наведённая радиоактивность.

По назначению ядерное оружие делится на:

тактическое — предназначенное для поражения живой силы и боевой техники противника на фронте и в ближайших тылах;

оперативно-тактическое — для уничтожения объектов противника в пределах оперативной глубины;

стратегическое — для уничтожения административных, промышленных центров и иных стратегических целей в глубоком тылу противника.

 

Мощность ядерного заряда измеряется в тротиловом эквиваленте — количестве тринитротолуола, которое нужно подорвать для получения взрыва той же энергии. Обычно его выражают в килотоннах (кт) и мегатоннах (Мт). Тротиловый эквивалент условен, поскольку распределение энергии ядерного взрыва по различным поражающим факторам существенно зависит от типа боеприпаса и, в любом случае, сильно отличается от химического взрыва.

 

Принято делить ядерные боеприпасы по мощности на пять групп:

 

· сверхмалые (менее 1 кт);

· малые (1 — 10кт);

· средние (10 — 100 кт);

· крупные (большой мощности) (100 кт — 1 Мт);

· сверхкрупные (сверхбольшой мощности) (свыше 1 Мт).

 

 

II. Принцип действия ядерного оружия

В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Для осуществления цепной реакции используются изотопы уран-235, плутоний-239 и (в отдельных случаях) уран-233. Существуют две основные схемы: «пушечная», иначе называемая баллистической, и имплозивная.

«Пушечная» схема характерна для самых примитивных моделей ядерного оружия I-го поколения, а также артиллерийских и стрелковых ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру оружия. Суть её заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритической массы. Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет более высокий нейтронный фон, что приводит к увеличению требующейся скорости соединения частей заряда, превышающий технически достижимые. Другая причина использования урана в артиллерийских боеприпасах та, что уран лучше, чем плутоний выдерживает перегрузки, не деформируясь.

Вторая схема - «имплозивная» - подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью.

Мощность ядерного заряда, работающего исключительно на принципах деления тяжёлых элементов, ограничивается сотнями килотонн. Создать более мощный заряд, основанный только на делении ядер, возможно, но крайне затруднительно: увеличение массы делящегося вещества не решает проблему, так как начавшийся взрыв распыляет часть топлива, оно не успевает прореагировать полностью и, таким образом, оказывается бесполезным, лишь увеличивая массу боеприпаса и радиоактивное поражение местности. Самый мощный в мире боеприпас, основанный только на делении ядер, был испытан в США 15 ноября 1952 года, мощность взрыва составила 500 кт1.

 

 

Урановая бомба

Для того, чтобы реакция могла поддерживать сама себя, необходимо соответствующее «топливо», в качестве которого на первых этапах использовался изотоп урана.

Уран в природе встречается в виде двух изотопов — уран-235 и уран-238. При поглощении ураном-235 нейтрона в процессе распада выделяется от одного до трёх нейтронов:

Уран-238, напротив, при поглощении нейтронов умеренных энергий не выделяет новые, препятствуя ядерной реакции. Он превращается в уран-239, затем в нептуний-239, и наконец, в относительно стабильный плутоний-239.

Для обеспечения работоспособности ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном топливе должно быть не ниже 80 %, иначе уран-238 быстро погасит цепную ядерную реакцию. Природный же уран почти весь (около 99,3 %) состоит из урана-238. Поэтому при производстве ядерного топлива применяют сложный и многоступенчатый процесс обогащения урана, в результате которого доля урана-235 повышается.

Бомба на основе урана стала первым ядерным оружием, использованным человеком в боевых условиях (бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму).

 

Плутониевая бомба

Первым ядерным зарядом, взорванным в испытательных целях, было ядерное устройство «Gadget», «Штуковина» (англ. gadget — приспособление, безделушка) — прототип плутониевой бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки. Испытания проводились на полигоне неподалеку от г. Аламогордо в штате Нью-Мексико.

Конструктивно эта бомба представляла собой несколько сфер, вложенных друг в друга:

Нейтронный инициатор (НИ, «ёжик», «урчин» (англ. urchin)) — шар диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый тонким слоем сплава иттрий-полоний или металлического полония-210 — первичный источник нейтронов для резкого снижения критической массы и ускорения начала реакции. Срабатывает в момент перевода боевого ядра в закритическое состояние (при сжатии происходит смешение полония и бериллия с выбросом большого количества нейтронов). В настоящее время данный тип инициирования не используется. Нашли применение несколько схем инициирования, такие как импульсное нейтронное инициирование (ИНИ) и термоядерное инициирование (ТИ). Импульсный нейтронный источник (ИНИ) представляет собой компактные ускорители ядер трития, ударявших в мишень, содержащую дейтерий. В термоядерной Т–Д реакции при этом производятся нейтроны, которые и использовались для нейтронного инициирования цепной реакции. Термоядерный инициатор (ТИ). Находится в центре заряда (подобно НИ) где размещается небольшое количество термоядерного материала, центр которого нагревался сходящейся ударной волной и в процессе термоядерной реакции на фоне возникших температур нарабатывается значимое количество нейтронов, достаточное для нейтронного инициирования цепной реакции.

2. Плутоний. Желателен максимально чистый изотоп плутоний-239, хотя для увеличения стабильности физических свойств (плотности) и улучшения сжимаемости заряда плутоний легируется небольшим количеством галлия.

3. Оболочка (англ. tamper), служащая отражателем нейтронов (из урана).

4. Обжимающая оболочка (англ. pusher) из алюминия. Обеспечивает бо́льшую равномерность обжима ударной волной, в то же время предохраняя внутренние части заряда от непосредственного контакта с взрывчаткой и раскалёнными продуктами её разложения.

5. Взрывчатое вещество со сложной системой подрыва, обеспечивающей синхронность подрыва всего взрывчатого вещества. Синхронность необходима для создания строго сферической сжимающей (направленной внутрь шара) ударной волны. Несферическая волна приводит к выбросу материала шара через неоднородность и невозможность создания критической массы. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Используется комбинированная схема (система линз) из «быстрой» и «медленной» взрывчаток — боратола и ТАТВ.

6. Корпус, изготовленный из дюралевых штампованных элементов — две сферических крышки и пояс, соединяемых болтами.