Ядерные реакции

ОРУЖИЕ МАССОВОГО ПОРАЖЕНИЯ

Оружие массового поражения (ОМП) предназначается для нанесения массовых потерь и разрушений. К существующим видам ОМП относятся ядерное и термоядерное оружие, химическое оружие, бактериологическое оружие. Поражающие факторы оружия массового поражения, как правило, продолжают наносить урон в течение длительного времени. От ОМП страдают как вооруженные силы, так и мирное население.

Мировая общественность обсуждает два аспекта проблемы, связанной с ОМП. С одной стороны, называются несколько государств (например, Иран, Северная Корея) с, так называемым, неустойчивым политическим строем, где вероятно применение оружия массового поражения для решения собственных политических проблем. С другой стороны, стремление различного рода экстремистских сил к обладанию и применению ОМП не вызывает ни у кого сомнения. Эти обстоятельства актуализируют предлагаемую вниманию тему.

Кроме того, до сих пор не обеспечена гарантия невывода оружия – в том числе и ядерного – в космос. Существует потенциальная угроза создания и распространения ядерных зарядов малой мощности.

Ядерное и термоядерное оружие

Ядерное и термоядерное оружие основано на использовании колоссальной энергии, сопровождающей деление или синтез ядер атомов некоторых химических элементов. Физические принципы, лежащие в основе этих процессов различны, но последствия применения оружия (с учетом энергетических различий) близки, что позволяет рассматривать ядерное и термоядерное оружие в одном разделе.

Ядерные реакции

Наиболее эффективным методом деления ядер является бомбардировка их нейтронами, т.к. последние не несут электрического заряда и поэтому могут свободно проникать в ядра. При бомбардировке нейтронами ядер атомов тяжелых элементов (урана и других) во многих случаях происходит мгновенное расщепление ядра, чаще всего на две части. Одновременно наблюдается испускание внутриядерной энергии в виде кинетической энергии осколков α- и β-частиц, а в ряде случаев и нейтронов.

Деление ядер атомов урана (рис.) сопровождается испусканием нескольких новых свободных нейтронов, которые, в свою очередь, способны вызвать деление других ядер. Эта реакция деления при определенных условиях может протекать самостоятельно, стоит только ее начать. Такая самоподдерживающаяся ядерная реакция деления называется цепной.

Чтобы реакцию деления ядер урана-235 или плутония-239 (цифра обозначает массовое число конкретного изотопа элемента) осуществить как цепную, нужно взять достаточно большой кусок чистого вещества:

Рис. Схема цепной реакции деления ядер ²³⁵U

Заштрихованные кружки изображают так называемые “осколки” деления.

В большом куске урана цепной процесс деления большинства ядер осуществляется почти мгновенно, всего за 2 – 3 микросекунды, в течение которых в весьма малом объеме выделится огромное количество ядерной энергии. В результате получится взрыв колоссальной силы, называемый ядерным.

Предельное количество энергии, которое может выделиться в ядерном взрыве 1 кг ²³⁵U при делении всех его ядер, приблизительно равно энергии взрыва 20 тыс. тонн взрывчатого вещества — тротила (тринитротолуола, тола). Однако фактически энергии выделяется значительно меньше, так как не весь уран успевает прореагировать, и часть его разбрасывается.

В малых кусках ²³⁵U цепная реакция невозможна. Если даже ее начать, то она тотчас же затухнет, т.к. большая часть вторичных нейтронов вылетит за пределы куска, не успев столкнуться с новыми ядрами и вызвать их деление. (Это объясняется тем, что ядра занимают в веществе ничтожно малую часть объема.) Кроме того, часть нейтронов не участвует в делении, так как они захватываются ядрами атомов примесей и самого урана без деления.

Если размеры куска урана, в котором происходит деление, увеличивать, то пробег нейтронов в веществе возрастает, отчего шансы его столкнуться с ядром и произвести деление увеличиваются. Поэтому при увеличении размеров куска урана относительная потеря нейтронов за счет утечки их наружу уменьшается, и при некотором объеме куска наступает момент, когда начавшаяся реакция будет развиваться дальше самопроизвольно.

Наименьшая масса вещества, в которой начатая реакция в дальнейшем нарастает, называется критической массой.

Боевой заряд разделён на докритические массы, самопроизвольное или несанкционированное соединение которых невозможно (конструктивно и технически это сделано так). Стоит только соединить куски урана, в сумме имеющие массы больше критической, как моментально, микросекунды, произойдет реакция со взрывом.

Следует иметь в виду, что достижения современной технологии очистки делящихся материалов от примесей столь велики, что критические массы уменьшились до таких размеров, что ядерные боезаряды стало возможным помещать в артиллерийские снаряды и компактные переносные фугасы.