Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ - взрыв, вызванный выделением внутриядерной энергии. Масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину ДМ ( дефект массы), к-рая соответствует энергии связи = D Мс² нуклонов в ядре. Уд. энергия связи /А (А - число нуклонов в ядре) максимальна для ядер ср. группы периодич. системы элементов. Это означает, что ядерные реакции, идущие с образованием этих ядер, сопровождаются выделением энергии. Такими реакциями могут быть деление тяжёлых ядер, лежащее в основе Я. в., или синтез лёгких ядер, приводящий к термоядерному взрыву (см. Ядерные цепные реакции). Я. в. был осуществлён впервые в США 16 июля 1945. В СССР первый Я. в. был произведён в 1949, термоядерный- в 1953.

Для осуществления Я. в. в результате ядерной цепной реакции деления необходимо, чтобы масса делящегося вещества (²³⁵U, ²³⁹Pu и др., см. Ядерное горючее )превысила т. н. критич. массу M _кp, зависящую от плотн. r вещества и его геом. конфигурации. Размер R системы (ядерного заряда) должен превышать критич. размер R _кр (R _кр порядка длины свободного пробега l нейтрона). Т. к. l~1/r, то определяющей величиной является т. н. оптич. толщина системы t = rR. При М> М _кр~1/r² (R>R _кр) состояние системы надкритично и развитие цепной реакции может привести к Я. в., в отличие от ядерного реактора, где при М= М _кр состояние системы критично. Для ²³⁵U r= 19,5 г/см и при сферич. форме системы М _кр = 50 кг (R _кр = 8,5 см), для ²³⁹ Рu М _кр=11 кг, для ²³³U М _кр = 16 кг.

До взрыва система должна быть подкритичной. Переход в надкритичное состояние осуществляется быстрым сближением неск. кусков делящегося материала, напр. ²³⁵U. Если таких кусков два, то величина надкритичности невелика ( М/ М _кр = 2); если их больше (в пределе - сколь угодно малые сегменты шара), то она может быть сколь угодно увеличена. Обычно для сближения используется хим. взрыв, при к-ром развивается высокое давление (~10⁶ атм), способствующее собиранию делящегося материала и вызывающее его сжатие (имплозию), что уменьшает M _кр. Характерное время между двумя столкновениями нейтронов с ядрами вещества t~10^-8 с при энергии нейтронов ~ 1 МэВ. Увеличенное в неск. раз, оно определяет длительность Я. в. В каждом акте деления выделяется энергия ~200 МэВ (1 МэВ на 1 нуклон делящегося ядра). Если 1 кг ²³⁵U полностью прореагирует, то выделится энергия ~10²¹ эрг, что эквивалентно энерговыделению при взрыве 20 тыс. т тротила. Т. о., ядерная "взрывчатка" эффективнее химической в 10⁷ раз. В результате большого энерговыделения в центре ядерной бомбы развиваются огромные темп-pa (~10⁸ К) и давление (~10¹² атм). Вещество превращается в плазму, разлетается и теряет надкритичность.

Для цепных реакций деления энергия теплового движения частиц среды всегда значительно ниже, чем энергия нейтронов E_n, поэтому темп-pa среды не играет роли. Для реакций синтеза она существенна. Существует большое кол-во энергетически выгодных ядерных реакций синтеза, не развивающихся в земных условиях из-за низкой темп-ры (см. Термоядерные реакции, Управляемый термоядерный синтез). В звёздах, где темп-ры высоки, а разлёт вещества сдерживается гравитац. силами, протекают реакции синтеза, составляющие основу энергетич. циклов звёзд (см. Эволюция звёзд).

Кинетич. энергия частиц пропорц. темп-ре среды. Чтобы 2 ядра с атомными номерами Z₁ и Z₂ слились, их кинетич. энергия должна быть сравнима с энергией эл.-статич. отталкивания = Z₁Z₂e²/r на расстояниях порядка размера ядра (~10^-13 см). Распределение частиц по энергиям N()~ехр( -/kT). Это означает наличие нек-рого кол-ва частиц с энергией большей, чем ср. = 3/2 kT, кроме того, возможно туннельное проникновение частиц через энергетич. барьер (см. Туннельный эффект). В результате возникает резкая зависимость скорости реакции от темп-ры, но порог отсутствует.

Т. к. скорость реакции синтеза пропорц. плотности вещества (число соударений в единицу времени), а время разлёта частиц тем больше, чем больше размер системы, выгорание термоядерного топлива зависит также от оп-тич. толщины (rR) и для осуществления термоядерного взрыва необходимы высокие темп-pa и плотность. В термоядерном взрывном устройстве это создаётся при помощи ядерной бомбы (деления), служащей детонатором.

Для осуществления термоядерного взрыва используются реакции

Скорость первой из них в 100 раз выше, но для неё необходим радиоакт. тритий, период полураспада к-рого T_1/2 = 12,6 лет. Поэтому наряду с реакцией d + t используется реакция d + d, приводящая к образованию трития, а также реакция ⁶Li + n = t + d. Попадающий в смесь ⁶Li и d нейтрон поглощается ядром ⁶Li с образованием трития, к-рый вступает в реакцию с дейтерием, вновь образуется нейтрон, поглощающийся в ⁶Li, и т. д. Цепочка реакций может быть поддержана или усилена взаимодействием нейтронов с делящимся материалом (обычно природный уран, т. к. образующиеся нейтроны имеют энергию 14 МэВ, т. е. являются надпороговыми).

Преимущество термоядерных реакций синтеза над реакциями деления в Я. в. связано со значительно большим (в 5 раз) энерговыделением на 1 г вещества. Это обусловливает значительно большую мощность термоядерных взрывных устройств по сравнению с ядерными. Обычно энергия ядерных бомб ~ 1 -20 кт тротилового эквивалента, энергия термоядерной бомбы порядка 10⁵-10⁶ т эквивалента.

При Я. в. в воздухе образуется мощная ударная волна, к-рая, достигая поверхности Земли, вызывает разрушения. Существ. поражение наземных сооружений происходит, если ударная волна несёт избыточное давление р порядка неск. десятых атм. Радиус поражения R прибл. определяется из соотношения эрг/см ³, где -энергия, выделяющаяся в Я. в. Для номинальной ядерной бомбы (1 кг сгоревшего урана) с энерговыделением 20 кт тротилового эквивалента R ~ 1 км. Выделившаяся энергия по истечении неск. мкс передаётся окружающей среде. Образующийся ярко светящийся огненный шар расширяется вначале за счёт лучистой теплопроводности, а затем вместе с распространением ударной волны. По мере расширения темп-pa шара падает, через 10^-2-10^-1 с шар достигает макс. радиуса 150 м (для бомбы в 20 кт), T=8000 К (ударная волна далеко впереди). За время свечения (до неск. с) в эл.-магн. излучение переходит 10-20% энергии Я. в., излучение вызывает пожары, ожоги. Разреженный нагретый воздух, несущий радиоакт. продукты Я. в., поднимается вверх и через неск. мин достигает высоты 10-15 км. После этого облако Я. в. расплывается на сотни и более км. Радиоакт. частицы выпадают на поверхность Земли, образуя т. н. р а д и о а к т и в н ы й с л е д Я. в. Особенно опасен приземный Я. в., когда огненный шар, касаясь поверхности Земли, поднимает вверх пыль, радиоакт. частицы прилипают к частицам земли и выпадают вблизи эпицентра Я. в. в концентрации, летальной для человека.

При Я. в. образуется мощный поток нейтронов и g-лучей (1% всей выделяющейся энергии). Если Я. в. произведён на высоте ~ 1 км, радиация может достигнуть поверхности Земли (атмосфера ослабляет поток вдвое на расстоянии 150 м), создавая летальную дозу.

В зависимости от конкретного устройства отд. факторы поражения могут быть усилены или ослаблены в неск. раз. Напр., в случае взрыва т. н. нейтронной бомбы (разновидности термоядерной бомбы с энерговыделением ~ 1 кт тротилового эквивалента) усилено нейтронное излучение.

Лит. см. при ст. Ядерные цепные реакции. Л. П. Феоктистов.