Ядерный взрыв. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 = DМс² 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 ядерного взрыва 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 ²³⁹Рu 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 (~10⁸К) 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 температуры (см. Термоядерные реакции, Управляемый термоядерный синтез). В звёздах, где температуры высоки, а разлёт вещества сдерживается гравитац. силами, протекают реакции синтеза, составляющие основу энергетич. циклов звёзд (см. Эволюция звёзд).

Кинетич. энергия частиц пропорц. температуре 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^-13см). 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 температуры, 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 ядерном взрыве 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/см³, где

-энергия, выделяющаяся в ядерном взрыве. 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 ядерного взрыва расплывается на сотни и более км. Радиоакт. частицы выпадают на поверхность Земли, образуя т. н. радиоактивный след ядерного взрыва. 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 ядерном взрыве 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.

Литература по ядерным взрывам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.