Филлип Рэн - Атомная проблема

Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.

Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда «малыми бомбами», и бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы, называемые иногда «большими бомбами».

Действие как «малых», так и «больших» бомб основано на законе взаимосвязи массы и энергии. Хотя исходным материалом для обеих групп служат различные вещества, при взрыве и тех и других бомб происходят реакции, характеризующиеся значительным дефектом массы.

1. Сущность явления.

В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служат тяжелые элементы: уран 235 или плутоний 239.

Ядра этих элементов в определенных условиях могут делиться или расщепляться под действием различных частиц, преимущественно нейтронов, поскольку, будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают на себе воздействия сил отталкивания протонов ядра. Эту реакцию можно записать так:

92U 235+ оn 1= 92U 236 = ZX A+ Z'X A'+ (2 или 3) оn 1+ Е.

Образовавшееся ядро урана 236 моментально расщепляется на два осколка с примерно равными массами. При этом происходят:

а) образование продуктов распада zХ А +z'X A'. Продуктами распада могут быть самые различные элементы — от цинка (Z=30) до европия (Z=63).

Так как Z+Z'=92, то может образоваться пара: барий (Z=56) и криптон (Z'= 36). Каждый из этих двух продуктов распада в свою очередь распадается на три или четыре радиоактивных элемента, которые в конечном счете превращаются в устойчивые элементы;

б) испускание нейтронов. При делении ядра тяжелого элемента образуется в среднем 2–3 свободных нейтрона, которые не участвуют в образовании новых элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева. Эти нейтроны в свою очередь вызывают деление других ядер, и начинается цепная реакция при условии, что потеря нейтронов в результате их поглощения ядрами или вылета в атмосферу будет минимальной. Очень большая потеря нейтронов происходит, например, в уране 238, ядра которого делятся только в результате их бомбардировки «быстрыми» нейтронами, тогда как для деления урана 235 достаточно «медленных» нейтронов;

в) высвобождение огромного количества энергии порядка 200 Мэв на деление ядра. Это высвобождение энергии происходит за счет дефекта массы, который в реакциях деления составляет 0,1 % всей участвовавшей в реакции массы.

Для того чтобы цепная реакция приняла характер взрыва, необходимо наличие определенного количества массы расщепляющихся материалов, называемой критической массой. Размеры критической массы должны превышать расстояние, называемое в физике средним свободным пробегом нейтронов, так как в противном случае нейтроны могут вылетать за пределы массы, не производя деления новых ядер, и в этих условиях цепная реакция начаться не может. Для урана 235 критическая масса соответствует примерно 20 кг, для плутония — всего 5–6 кг. Впрочем, размеры критической массы можно значительно сократить, используя так называемые отражатели нейтронов, не допускающие вылета нейтронов за пределы этой массы.

Реакция деления ядер не вызывается искусственным путем, а начинается самопроизвольно. Поэтому совершенно безразлично, откуда берется первый нейтрон, возбуждающий реакцию. Ядра рассматриваемых нами тяжелых элементов обладают определенной способностью к самопроизвольному делению. Учитывая то обстоятельство, что количество атомов в 1 г вещества чрезвычайно велико (в 238,07 г урана содержится 6 . 10 23атомов), можно с уверенностью сказать, что всегда найдется достаточное количество свободных нейтронов для возбуждения реакции. Поэтому для того, чтобы произошел взрыв, необходимо лишь наличие критической массы. Исходя из вышесказанного, устройство атомной бомбы можно представить себе по следующим двум схемам:

а) в нужный момент на заданной высоте происходит соединение двух масс делящегося вещества, каждая из которых меньше критической;

б) внутри критической массы помещается поглотитель нейтронов, мешающий последним возбудить реакцию. Взрыв вызывается внезапным удалением поглотителя. В качестве поглотителя в таких бомбах может использоваться металл, из которого изготовляются аварийные стержни в ядерных реакторах.