Атомное оружие

При атомном взрыве выделение энергии происходит за счет цепной реакции деления тяжелых атомных ядер на более легкие. Если при взрыве обычных взрывчатых веществ выделение энергии связано лишь с перегруппировками атомов и изменением их электронных оболочек, то в атомной бомбе происходит разрушение ядер.

Мощность взрыва, как известно, характеризуется двумя факторами: величиной энергии, освобождающейся при взрыве, и временем выделения этой энергии. Энергия, выделяющаяся при распаде ядер, в миллионы раз больше, чем энергия, связанная с превращениями электронных оболочек атомов. Время же, в течение которого освобождается ядерная энергия, очень мало. Вот почему мощность атомной бомбы в миллионы раз больше, чем мощность обычных взрывчатых веществ.

При практическом использовании цепной реакции приходится считаться с причинами, мешающими развитию этой реакции. Дело в том, что, во-первых, не всякий нейтрон, проникающий в ядро урана, вызывает деление этого ядра. Естественный уран, как известно, состоит из смеси в основном двух изотопов с атомными весами 235 и 238. Эти два изотопа при воздействии на них нейтронов ведут себя по-разному. Уран 235 делится нейтронами, обладающими любой скоростью. Основной изотоп 238 делится только весьма быстрыми нейтронами. В первый момент своего вылета из распадающегося ядра нейтроны имеют энергию, достаточную для деления ядер урана 238, но по мере продвижения теряют ее и поглощаются ураном 238, не произведя никакого деления.

Другой причиной, которая может помешать цепной реакции, является то, что в действительности в ядерном горючем содержится известная доля примесей. Ядра атомов примесей могут захватить некоторую часть нейтронов.

Чтобы устранить эти причины, мешающие развитию цепной реакции, в качестве ядерного горючего берут лишь определенные изотопы урана и в достаточно чистом виде. Одним из них является изотоп урана с атомным весом 235, содержащийся в небольшом количестве в естественном уране. Другой вид ядерного горючего - это новый химический элемент плутоний с атомным весом 239, получаемый искусственным путем в результате облучения урана 238 нейтронами в особых установках - атомных котлах. В качестве ядерного горючего может быть применен еще и изотоп урана с атомным весом 233, изготовляемый также искусственно, путем облучения элемента тория нейтронами.

Для нормального протекания цепной реакции применяют заряды ядерного горючего, масса которых равна или больше, чем так называемая критическая масса атомного заряда.

Критическая масса атомного заряда зависит от нескольких факторов. Возьмем, к примеру, атомный заряд в форме шара, состоящий из урана 235. Вообразим, что в какой-то точке этого шара нейтрон вызвал деление ядра. Пусть при этом делении появится три нейтрона. Если уран достаточно чист, то можно пренебречь захватом нейтронов каким-либо посторонним ядром. Появившиеся нейтроны либо вылетят через поверхность сферы, либо будут захвачены ядрами урана и произведут их деление. Вероятность деления ядра нейтроном тем больше, чем больше объем шара, а значит, длиннее пробег нейтрона в массе урана. Известно, что при увеличении радиуса шара его объем растет пропорционально кубу, а площадь поверхности, через которую нейтроны вылетают наружу, - пропорционально квадрату радиуса. Можно подобрать такое соотношение между объемом и площадью поверхности шара, при котором внутри урана может распространяться цепная реакция. Такой объем шара называется критическим объемом, а соответствующая ему масса - критической массой. При наличии критической массы в среднем хотя бы один из нейтронов, испускаемых при каждом делении, должен быть использован для нового деления.

Вес критического атомного заряда, выполненного из урана 235 в форме шара, равен нескольким килограммам. Для других форм зарядов критический вес будет больше, чем для шара, ибо шаровая форма является наиболее компактной.

При уменьшении размеров шара увеличивается вероятность того, что нейтроны вылетят наружу, не произведя в нем нового деления. Однако критический объем можно уменьшить, если окружить шар веществом, играющим роль отражателя нейтронов. Оно будет возвращать обратно уходящие через поверхность заряда нейтроны. Это вещество не должно в то же время сильно поглощать нейтроны. Его применение позволяет не только уменьшить критический радиус заряда, но и делает ядерную реакцию более полной, т. е. увеличивает коэффициент использования атомного заряда.

В 1940 г. советские ученые К. А. Петржак и Г. Н. Флеров обнаружили важнее свойство урана, а именно самопроизвольное деление его ядер. Следовательно, в массе урана всегда имеются свободные нейтроны. Если будет создан шар из урана 235 радиусом, равным критическому или больше критического, в нем возникнет цепная реакция, которая неизбежно приведет к взрыву. Значит, чтобы взорвать атомную бомбу, нужно в определенный момент создать шар или заряд другой формы, равный или больший критического.

Самая простая из возможных схем образования критического заряда показана в левой части рис. 2. Берутся два полушария из урана 235 (или плутония), размеры которых меньше критических. Следовательно, порознь эти полушария сами не взрываются. В нужный момент "выстреливают" с помощью заряда обычного взрывчатого вещества одной половиной шара в другую. Полушария смыкаются (см. правую часть рис. 2), в результате чего мгновенно образуется критическая масса, которая немедленно взрывается. Очевидно, что наименьший калибр бомбы обладает весом атомного заряда, равным критическому. В более крупных калибрах бомб заряд ядерного горючего в целях безопасности должен быть поделен на отдельные части, заведомо меньшие по весу критического. В нужный момент все эти части сводятся в единое целое и происходит взрыв.

Рис. 2. Схема устройства атомной бомбы

Возможен другой вариант образования критического заряда, когда между полушариями введен поглотитель нейтронов (например, кадмиевый стержень), препятствующий развитию цепной ядерной реакции. После быстрого удаления стержня при помощи обычного заряда в шаре немедленно возникает цепная реакция, заканчивающаяся взрывом.

Мощность атомного взрыва определяется обычно так называемым тротиловым эквивалентом - тем количеством тротила (тола), которое при взрыве выделяет такое же количество энергии, как и при взрыве данной атомной бомбы. При расчете исходят из полного использования ядерного горючего. В действительности значительная часть горючего разбрасывается во все стороны, не успевая разделиться, что снижает энергию взрыва.

На силу взрыва атомной бомбы влияют быстрота сближения частей заряда ядерного горючего и материал оболочки, окружающей заряд, При сближении масс ядерного горючего цепная реакция начинается не в момент их соприкосновения, а в момент, когда они еще разделены небольшим промежутком. При медленном сближении масс вследствие перегрева они могут развалиться на части: бомба разрушится не взорвавшись. Поэтому по возможности необходимо сократить этот период сближения, сообщая большую скорость соединяющейся массе. Вот почему одна масса выстреливается в другую.

Материал оболочки оказывает также большое влияние на использование горючего в атомной бомбе. Более сильный взрыв получается в том случае, если реакция деления распространится по всей массе ядерного горючего. Для этого заряд заключают в оболочку из тяжелого вещества. Оболочка задерживает разбрасывание вещества бомбы в течение времени, необходимого для развития цепной реакции. Это время составляет около одной стотысячной доли секунды.

При дальнейшем развитии взрыва происходит следующее. Распадающееся атомное горючее излучает в окружающую среду чрезвычайно мощный поток лучистой энергии. Вследствие этого среда, окружающая место взрыва, разогревается до очень высокой температуры, образуя огненный шар диаметром в несколько сотен метров, на поверхности которого температура достигает многих тысяч градусов. Внешняя картина атомного взрыва характеризуется ослепительной вспышкой, видимой на расстоянии нескольких сот километров. Вслед за тем в течение нескольких секунд наблюдается огненный шар при взрыве бомбы в воздухе или светящаяся полусфера при взрыве на земле. Раздается резкий звук, напоминающий грозовой, разряд и слышимый на расстоянии нескольких десятков километров. Образуется клубящееся облако характерной грибовидной формы, которое в течение нескольких минут достигает высоты 10-15 км. Облако постепенно рассеивается и теряет свою форму.

При атомном взрыве поражение вызывают ударная волна, световое излучение, проникающая радиация и радиоактивное заражение местности. На рис. 3 показаны ударная волна, световое излучение 1, гамма-лучи 2 и поток нейтронов 3. Ударная волна разрушает материальную часть военной техники, здания и различные сооружения, а также вызывает травмы у незащищенных людей. Под действием светового излучения возможно воспламенение материалов, а также ожоги открытых частей тела. Под действием проникающей радиации может возникнуть так называемая лучевая болезнь.

Рис. 3. Схема действия поражающих факторов атомного взрыва

Поражающие факторы атомного взрыва действуют почти одновременно, правда с различной длительностью. На каком расстоянии от места атомного взрыва происходит поражение людей при атомном взрыве? В иностранной печати приводятся данные о радиусах и площадях поражения при воздушном взрыве атомной бомбы с тротиловым эквивалентом в 20 тысяч тонн. По этим данным, люди, находящиеся вне укрытия, могут получить следующие поражения. От ударной волны тяжелые поражения возможны в радиусе до 800 м от места взрыва на площади 2 км². В радиусе до 1600 м на площади до 8 км² вероятны поражения средней степени и в радиусе до 2400 м на площади в 18 км² - поражения легкой степени. Дальше радиуса 2400 м, поражения людей ударной волной не наблюдается. Световое излучение может причинить ожоги незащищенным людям в радиусе до 3200 м на площади в 32 км². Вредное воздействие проникающей радиации сказывается в радиусе до 2000 м. Радиоактивное заражение местности после воздушного взрыва сравнительно невелико.

Таким образом, наибольший радиус поражения незащищенных людей получается у светового излучения. Ударная волна поражает на меньших расстояниях, причем ее приход в данную точку наблюдается спустя некоторое время. Например, в точку, находящуюся на расстоянии 1000 м от центра взрыва, она приходит спустя 2 сек., на расстоянии 2000 м - спустя 5 сек. и на расстоянии 3000 м - спустя 8 сек.

Радиус разрушения сооружений и зданий зависит от их прочности и расположения на местности. Например, многоэтажные кирпичные дома полностью разрушаются на расстоянии до 1,6 км от центра взрыва, а каркасные железобетонные здания разрушаются на значительно меньших расстояниях.

Выше речь шла о взрыве атомной бомбы, но, кроме применения атомных зарядов в авиабомбах, они могут использоваться в таких новых средстве борьбы, как ракетное оружие. Современная техника позволяет посылать ракеты на многие тысячи километров. Атомные заряды можно также использовать в торпедах и артиллерийских снарядах.