Тема 1.6. Особенности воздействия современных средств поражения на людей и объекты
Ядерное оружие (ЯО) – оружие массового поражения взрывного действия, основанное на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся при цепных реакциях деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер – изотопов водорода (дейтерия и трития) в более тяжелые, например ядра изотопов гелия.
В основе ядерного оружия лежит энергия внутриядерных сил. Атом имеет сложное устройство. В центре атома находится очень плотное ядро, несущее положительный заряд, вокруг которого с большой скоростью вращаются легкие отрицательно заряженные электроны, составляющие электронную оболочку атома. У атомов разных элементов – разное число электронов, например: у водорода – один электрон, у гелия – 2, у лития – 3, у урана - 92 электрона. Число электронов в электронной оболочке атома равно порядковому номеру элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю электронов приходится менее 0,05% массы атома. Высокая плотность ядерного вещества свидетельствует об огромной энергии внутриядерных сил.
|
|
Рассмотрим этапы реакции деления. На первой стадии нейтрон приближается к ядру U – 235, на второй стадии образуется возбужденное составное ядро U – 236, так как при поглощении нейтрона ядру передается энергия возбуждения Wвозб, которая слагается из энергии связи нейтрона в ядре и его кинетической энергии. Для U – 235 характерным является то, что даже при очень малой кинетической энергии нейтрона энергия связи нейтрона в ядре больше некоторого порогового значения, называемого энергией активации Wа.
Энергия активации, являющаяся потенциальным барьером реакции, представляет собой ту энергию, которую необходимо сообщить ядру урана для совершения ядрами – осколками работы против ядерных сил деления ядра на две части.
На третьей стадии энергия возбуждения вызывает деформацию ядра с образованием перетяжки. Части ядра приходят в колебательное движение. В результате преобладания сил электростатического отталкивания над силами ядерного притяжения происходит деление. В осколках деления сосредоточена основная масса, они содержат большую часть выделившейся энергии в виде кинетической энергии. В процессе деления ядра испускаются - кванты и нейтроны, эти нейтроны могут вызывать деление новых ядер урана и плутония. для того чтобы осуществить реакцию деления других тяжелых ядер, требуется значительная энергия возбуждения. дополнительная энергия должна быть получена за счет движения нейтрона.
|
|
Реакция деления тяжелых ядер может быть использована для освобождения огромного количества энергии. Один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений, причем число ядер, участвующих в делении в единицу времени, будет возрастать по мере увеличения числа вторичных нейтронов в каждом поколении такой цепной реакции деления.
Важнейшей характеристикой цепной ядерной реакции является коэффициент развития реакции К рр, который определяет число делений ядер, вызванное одним делением в предыдущем звене реакции. Если К рр > 1, то реакция развивается с ускорением. Система с К рр =1, в которой процесс деления идет с постоянной скоростью, называется критической. Этому состоянию соответствует понятие «критическая масса».
Критическая масса – это такое количество ЯВВ, находящегося в определенных условиях, в котором каждое поколение нейтронов рождает новое, состоящее из такого же количества нейтронов. Критическая масса зависит от содержания делящегося изотопа в ЯВВ, среднего количества нейтронов, образующихся в одном акте деления ядра (U- 235 – 2,47 нейтрона, Pu – 239 – 3,09), плотности вещества с учетом действия внешнего давления, геометрической формы заряда, наличия отражателя нейтронов. Саморазвивающаяся (цепная) реакция деления на тепловых нейтронах носит взрывной характер и служит источником энергии в ядерных боеприпасах.
Основными частями ядерного боеприпаса являются: ядерное зарядное устройство (ядерный заряд), блок подрыва с предохранителями и источниками питания, корпус боеприпаса.
В составе ядерного заряда находится главная составная часть – ЯВВ. Вследствие самопроизвольного деления ядер урана или плутония, наличия блуждающих нейтронов в атмосфере и других факторов нельзя принять никаких мер, препятствующих цепной реакции в ЯВВ, имеющем надкритическую массу. Следовательно, до взрыва общее количество ЯВВ в одном боеприпасе должно разделяться на отдельные части, каждая из которых имеет массу меньше критической. Для взрыва необходимо соединить в единое целое такое количество делящегося вещества, которое создаст надкритическую массу. В момент достижения системой максимальной надкритичесности реакцию деления следует инициировать от специального источника нейтронов.
Есть два способа осуществления ядерного взрыва. Первый из них состоит в том, чтобы два или несколько подкритических кусков ЯВВ быстро соединить в один кусок, размеры и масса которого больше критических. С этой целью можно использовать выстрел одной частью заряда в другую его часть, закрепленную в противоположном конце прочного металлического цилиндра, напоминающего орудийный ствол. Такие боеприпасы обычно называют боеприпасами «пушечного» типа.
Второй способ предполагает сильное сжатие подкритической массы ЯВВ, что повышает плотность заряда в несколько раз и переводит систему в надкритическое состояние, так как критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности вещества. Необходимое для этого обжатие можно получить с помощью взрыва обычных ВВ, окружающих со всех сторон сферический заряд с ЯВВ. Направленная внутрь взрывная волна от обычных ВВ сжимает сферический заряд ЯВВ, и в нем развивается цепная реакция деления. Такой способ называют имплозивным.
Мощность ядерного взрыва принято характеризовать тротиловым эквивалентом. Это означает, что если мощность какого-либо ядерного взрыва, например, равна 20 тысячам тонн, то при ядерном взрыве выделяется такая же энергия, как и при взрыве 20 тысяч тонн тринитротолуола (ТНТ).
При взрыве мощностью 20 тысяч тонн в цепную реакцию деления вступает около 1 кг урана или плутония. Остальная часть ЯВВ, не вступившего в реакцию, рассеивается в окружающем пространстве энергией взрыва.
|
|
Если мощность зарядов, в которых используется реакция деления тяжелых ядер, ограничена (порядка 100 кт) то применение реакции синтеза в термоядерных и комбинированных боеприпасах позволяет создать оружие практически с неограниченной мощностью.
Ядерные боеприпасы всех типов в зависимости от мощности подразделяются на сверхмалые (менее 1килотонны), малые (1-10 килотонн), средние (10-100 килотонн), крупные (0,1-1 мегатонны) и сверхкрупные (более 1 мегатонны).