Ядерное оружие: физика, типы, поражающие факторы Юдин Ю.А. Аналитический центр по проблемам нераспространения

Что такое ядерное оружие? Ядерное оружие (ядерный боеприпас) – это взрывное устройство, в котором источником энергии является трансформация атомных ядер: деление или синтез атомных ядер Ядерное оружие включает как ядерные боеприпасы, так и средства их доставки к цели и средства управления

Американская авиабомба MK/B61

Мини и Макси Davy Crockett (23.2 кг) Советская царь-бомба мощностью 100 Мт

Открытие деления урана В 1934 году Энрико Ферми начал опыты по облучению урана медленными нейтронами от радий-бериллиевого источника В 1939 году радиохимики Отто Ган и Фритц Штрассман доказали, что новые активности принадлежат не тяжелым элементам, а атомам среднего веса В том же году Лиза Мейтнер и Отто Фриш предположили, что возбужденное ядро урана делится на два приблизительно равных по массе осколка. Они пришли к выводу, что в каждом акте деления должно освобождаться очень большое количество энергии

Деление урана n U 235 ( 92 U 236 )* 55 Cs Rb 93 +3( 0 n 1 ) МэВ Энергия, выделяемая в процессе одного акта деления, очень велика На один затраченный а акте деления нейтрон, появляется в среднем 2,5 свободных нейтронов

Энергия связи

Энергия связи (2) 0 n U 235 ( 92 U 236 )* 55 Cs Rb 93 +3( 0 n 1 ) Масса исходных продуктов: а.е.м Масса продуктов: а.е.м Потерянная масса: а.е.м. E = mc 2 = МэВ

Энергия деления урана-235 Энергия деления урана-235 тепловыми нейтронами распределяется следующим образом: Кинетическая энергия осколков МэВ Энергия нейтронов деления 7 1 МэВ Энергия мгновенных -квантов5 0,5 МэВ Энергия -частиц продуктов деления7 1 МэВ Энергия -излучения продуктов деления6 1 МэВ Энергия нейтрино продуктов деления10 МэВ Полная энергия на один акт деления МэВ

Осколки деления

Делящиеся вещества Возможность практического использования ядерной энергии в ядерных взрывных устройствах или в ядерных реакторах обусловлена существованием элементов, ядра которых делятся под воздействием нейтронов любой энергии, в том числе сколь угодно малой. Вещества, обладающие подобным свойством называются делящимися веществами. Уран-235, плутоний-239, уран-233. В природе встречается только U-235, составляющий 0,7% природного урана.

Искусственное получение делящихся веществ

Цепная реакция

Цепная реакция (2) Два условия, которые необходимо соблюсти: Необходимо свести к минимуму число нейтронов, которые не участвуют в процессе деления Скорость, с которой происходит цепная реакция, должна быть очень высокой

Критическая масса Критическая масса - наименьшая масса ядерного горючего, при которой происходит ядерная цепная реакция. U кг U кг Pu кг

Размножение нейтронов Скорость размножения нейтронов можно описать с помощью коэффициента размножения нейтронов k. k = f – (lc + le) При k 1 говорят о сверхкритическом состоянии.

Размножение нейтронов (2) Зависимость количества актов деления от времени можно представить следующим образом: N = N 0 e (k-1) t/ = N 0 e (k-1) n N – полное число актов деления за время t ; N 0 – начальное число нейтронов; k – коэффициент размножения нейтронов; – среднее время «смены поколений»; n – число поколений, «сменившихся» за время t. 1 кт ТЭ = 1, актов деления

Создание ядерного взрывного устройства Четыре вопроса, которые необходимо разрешить: Делящийся материал должен быть в подкритическом состоянии до осуществления взрыва Необходимо перевести его в сверхкритическое состояния без присутствия нейтронов Нейтроны должны появиться, когда система находится в оптимальном состоянии Необходимо удерживать массу делящегося вещества до тех пор, пока значительная его часть не поделится

Создание ядерного взрывного устройства (2) Два метода для быстрого превращения подкритической системы в сверхкритическую: Пушечное сближение Имплозия

Пушечное сближение Robert F. Mosley, The politics and Technology of Nuclear Proliferation. University of Washington Press, 1998.

Пушечное сближение (2) Преимущество пушечного сближения: Простота конструкции Недостатки пушечного сближения: Отсутствие заметного сжатия делящегося материала, отсюда низкая эффективность и большой расход Можно использовать только U-235

Имплозия

Имплозия (2) Преимущества имплозии: Высокая скорость процесса Достигается высокая плотность, что позволяет добиться высокой эффективности и использовать меньше делящегося материала Недостаток имплозии: Относительная сложность

Источники нейтронов Источники нейтронов необходимы для того, чтобы обеспечить необходимую синхронизацию момента начала цепной реакции с процессом сжатия вещества и для обеспечения достаточно большого количества нейтронов в первом поколении. Бериллий-полониевый источник Импульсная нейтронная трубка

Источники нейтронов (2) Бериллий-полониевый источник – первый тип нейтронного источника, использовавшийся в ядерном оружии. 4 Be He 4 4 Be n He 4 Необходим сильный источник -частиц, как Po-210. При необходимом количестве нейтронов нейтронов в секунду, необходимо частиц в секунду (3-30 Кюри). Полоний-210 имеет T 1/2 =138,4 дня. Трудно контролировать процесс перемешивания бериллия и полония.

Источники нейтронов (3) Импульсная нейтронная трубка – использует термоядерные реакции D+D или D+T для производства большого числа нейтронов. Очень короткий импульс тока высокого напряжения ускоряет поток ядер дейтерия или трития до необходимых энергий. Этот поток ударяет в мишень, которая содержит дейтерий или тритий. Обеспечивает короткий импульс, содержащий большое число нейтронов. Время импульса можно точно контролировать. Может быть расположена в любом месте.

Trinity Взрыв первого ядерного взрывного устройства был произведен США 16 июля 1945 года в Аламогордо, штат Нью-Мексико.

Толстяк и Малыш

Советская разведка 18 октября 1945 года Нарком ГБ В.Н. Меркулов направил Л.П. Берия сообщение о конструкции атомной бомбы США, составленное на основе агентурных материалов НКГБ СССР. По этим материалам атомная бомба представляла собой снаряд грушевидной формы с максимальным диаметром 127 см, длиной (со стабилизатором) 325 см и весом около 4500 кг. И.А. Андрюшин, А.К. Чернышев, Ю.А. Юдин, Укрощение ядра. Саранск, 2004 год.

Советская разведка (2) Бомба состоит из следующих составных частей: инициатора; активного материала; темпера; слоя алюминия; взрывчатого вещества; линзовой системы взрывчатого вещества; детонаторного устройства; дюралюминиевой оболочки; оболочки из бронированной стали; стабилизатора.

Советская разведка (3) Все части бомбы, кроме стабилизатора, детонаторного устройства и наружной стальной оболочки, представляют собой полые шары, вставляющиеся друг в друга. Инициатор представляет собой полоний- бериллиевую систему с радиусом 1 см. Общее количество полония составляло 50 Кюри. Поток нейтронов создается при воздействии удара, создаваемого взрывом ВВ бомбы на инициатор, в результате которого -частицы полония взаимодействуют с ядрами бериллия.

Советская разведка (4) Активным материалом бомбы является -фаза плутония с удельным весом 15,8 г/см3, изготовленная в виде полого шара, состоящего из двух половинок, которые затем спрессованы… Внешний диаметр шара составляет мм. Темпер представляет собой полый шар из металлического урана с внешним диаметром 230 мм. Алюминиевая оболочка, окружающая темпер, представляет собой полый шар с наружным диаметром 460 мм… Назначение оболочки в равномерной передаче к центру бомбы удара, полученного в результате взрыва слоя ВВ.

Советская разведка (5) За слоем алюминия располагается слой взрывчатого вещества, который образуется из 32 блоков специальной формы. Внутренняя, обращенная к центру, поверхность блоков сферическая с диаметром, равным диаметру алюминиевой оболочки. В наружной поверхности блоков ВВ имеются специальные выемки, форма которых предусматривает помещение в них 20 линз гексагональной и 12 линз пентагональной формы. Каждая линза состоит из двух типов ВВ, одного – быстро взрывающегося и другого – медленно взрывающегося. При установке линз на месте быстро взрывающаяся часть соприкасается со слоем ВВ. Общий вес взрывчатого вещества около 2 тонн.

РДС-1 Взрыв первого советского ядерного взрывного устройства РДС-1 был произведен 29 августа 1949 года.

Синтез ядер D + D 2 He n 1 + 3,268 МэВ D + T 2 He n ,588 МэВ D + D T + 1 p 0 + 4,03 МэВ 2 He 3 + D 2 He p ,34 МэВ 3 Li n 1 T + 2 He 4 + 4,78 МэВ 3 Li n 1 T + 2 He n 1 – 2,47 МэВ Реакции синтеза легких ядер могут происходить только при очень высоких температурах Скорость термоядерных реакций зависит от температуры и плотности

Использование термоядерных реакций Два способа использования термоядерных реакций в ядерном оружии: Бустинг Создание многостадийных термоядерных зарядов

Бустинг Использование термоядерной реакции D+T для увеличения эффективности процесса деления. Внутрь ядерного устройства помещается DT-газ, возникающие в процессе взрыва высокие температуры и давления оказываются достаточными для инициирования термоядерных реакций. Первый бустированный заряд был взорван в испытании Item 24 мая 1951 года.

Мощные термоядерные заряды Две концепции создания мощных термоядерных взрывных устройств: Классический Супер Схема Улама-Теллера

Взрыв первого двухстадийного термоядерного взрывного устройства был произведен 1 ноября 1952 года в испытании Mike.

Испытание Mike Richard Rhodes, Dark Sun. New York, 1996.

Испытание Mike (2)

РДС-37 Взрыв первого советского двухстадийного термоядерного заряда РДС-37 был произведен 22 ноября 1955 года.

Поражающие факторы ядерного взрыва Первичные поражающие факторы: Рентгеновское излучение Кинетическая энергия разлета продуктов взрыва Нейтронное излучение Гамма-излучение Радионуклиды, наработанные при взрыве ядерного боезаряда

Поражающие факторы ядерного взрыва (2) Вторичные поражающие факторы: Ударная волна Тепловое излучение Электромагнитный импульс Сейсмическое воздействие Радиоактивное загрязнение

Поражающие факторы ядерного взрыва (3) Воздействие ядерного взрыва зависит от высоты: Космический взрыв Высотный взрыв Воздушный взрыв Поверхностный взрыв Подземный взрыв Подводный взрыв

Поверхностный ядерный взрыв