adsby.ru → Дітям

Ефект атомної бомби. Ядерна зброя Росії: будова, принцип дії, перші випробування. Нейтрони – повільні та швидкі

Світ атома настільки фантастичний, що для його розуміння потрібна докорінна ломка звичних понять про простір і час. Атоми такі малі, що якби краплю води можна було збільшити до розмірів Землі, то кожен атом у цій краплі був би меншим за апельсин. Насправді, одна крапля води складається з 6000 мільярдів мільярдів (6000000000000000000000) атомів водню і кисню. Проте, незважаючи на свої мікроскопічні розміри, атом має будову до певної міри подібну до будови нашої сонячної системи. У його незбагненно малому центрі, радіус якого менше однієї трильйонного сантиметра, знаходиться відносно величезне «сонце» – ядро атома.

Навколо цього атомного "сонця" обертаються крихітні "планети" - електрони. Ядро складається з двох основних будівельних цеглин Всесвіту - протонів і нейтронів (вони мають назву - нуклони). Електрон і протон - заряджені частинки, причому кількість заряду у кожному їх абсолютно однаково, проте заряди різняться за знаком: протон завжди заряджений позитивно, а електрон - негативно. Нейтрон не несе електричного заряду і тому має дуже велику проникність.

В атомній шкалі вимірювань маса протона та нейтрону прийнята за одиницю. Атомна вага будь-якого хімічного елемента тому залежить кількості протонів і нейтронів, укладених у його ядрі. Наприклад, атом водню, ядро якого складається тільки з одного протона, має атомну масу, що дорівнює 1. Атом гелію, з ядром з двох протонів і двох нейтронів, має атомну масу, що дорівнює 4.

Ядра атомів одного і того ж елемента завжди містять однакову кількість протонів, але число нейтронів може бути різним. Атоми, що мають ядра з однаковим числом протонів, але відрізняються за кількістю нейтронів і відносяться до різновидів одного й того самого елемента, називаються ізотопами. Щоб відрізнити їх один від одного, до символу елемента приписують число, яке дорівнює сумі всіх частинок в ядрі даного ізотопу.

Чи може виникнути питання: чому ядро атома не розвалюється? Адже протони, що входять до нього, - електрично заряджені частинки з однаковим зарядом, які повинні відштовхуватися один від одного з великою силою. Пояснюється це тим, що всередині ядра діють ще й так звані внутрішньоядерні сили, що притягають частинки ядра один до одного. Ці сили компенсують сили відштовхування протонів і дають ядру мимоволі розлетітися.

Внутрідерні сили дуже великі, але діють тільки на дуже близькій відстані. Тому ядра важких елементів, які з сотень нуклонів, виявляються нестабільними. Частинки ядра перебувають у безперервному русі (не більше обсягу ядра), і якщо додати їм якесь додаткову кількість енергії, можуть подолати внутрішні сили - ядро розділиться на частини. Величину цієї надлишкової енергії називають енергією збудження. Серед ізотопів важких елементів є такі, які знаходяться на самій грані саморозпаду. Достатньо лише невеликого «поштовху», наприклад, простого влучення в ядро нейтрона (причому він навіть не повинен розганятися до великої швидкості), щоб пішла реакція ядерного поділу. Деякі з цих «діляться» ізотопів пізніше навчилися отримувати штучно. У природі існує тільки один такий ізотоп - це уран-235.

Уран був відкритий в 1783 Клапротом, який виділив його з уранової смолки і назвав на честь нещодавно відкритої планети Уран. Як виявилося надалі, це був, власне, не сам уран, яке оксид. Чистий уран – метал сріблясто-білого кольору – був отриманий
лише у 1842 році Пеліго. Новий елемент не мав жодних чудових властивостей і не привертав до себе уваги аж до 1896 року, коли Беккерель відкрив явище радіоактивності солей урану. Після цього уран став об'єктом наукових досліджень та експериментів, але практичного застосування, як і раніше, не мав.

Коли в першій третині XX століття фізикам більш-менш стала зрозумілою будова атомного ядра, вони насамперед спробували здійснити давню мрію алхіміків - постаралися перетворити один хімічний елемент на інший. У 1934 році французькі дослідники дружини Фредерік та Ірен Жоліо-Кюрі доповіли Французькій академії наук про наступний досвід: при бомбардуванні пластин алюмінію альфа-частинками (ядрами атома гелію) атоми алюмінію перетворювалися на атоми фосфору, але не звичайні, а радіо у стійкий ізотоп кремнію. Таким чином, атом алюмінію, приєднавши один протон і два нейтрони, перетворювався на важчий атом кремнію.

Цей досвід навів на думку, що якщо «обстрілювати» нейтронами ядра найважчого з існуючих у природі елементів – урану, можна отримати такий елемент, якого у природних умовах немає. У 1938 році німецькі хіміки Отто Ган і Фріц Штрассман повторили загалом досвід подружжя Жоліо-Кюрі, взявши замість алюмінію уран. Результати експерименту виявилися зовсім не ті, що вони очікували – замість нового надважкого елемента з масовим числом більше, ніж у урану, Ган та Штрассман отримали легкі елементи із середньої частини періодичної системи: барій, криптон, бром та деякі інші. Самі експериментатори не змогли пояснити явище, що спостерігається. Тільки наступного року фізик Ліза Мейтнер, якій Ган повідомив про свої труднощі, знайшла правильне пояснення феномену, що спостерігається, припустивши, що при обстрілі урану нейтронами відбувається розщеплення (розподіл) його ядра. При цьому мали утворюватися ядра легших елементів (ось звідки бралися барій, криптон та інші речовини), а також виділятися 2-3 вільні нейтрони. Подальші дослідження дозволили детально прояснити картину того, що відбувається.

Природний уран складається з суміші трьох ізотопів з масами 238, 234 і 235. Основна кількість урану припадає на ізотоп-238, в ядро якого входять 92 протони та 146 нейтронів. Уран-235 складає всього 1/140 природного урану (0,7% (він має у своєму ядрі 92 протони і 143 нейтрони), а уран-234 (92 протони, 142 нейтрони) лише - 1/17500 від загальної маси урану (0 Найменш стабільним з цих ізотопів є уран-235.

Іноді ядра його атомів мимоволі діляться на частини, унаслідок чого утворюються легші елементи періодичної системи. Процес супроводжується виділенням двох чи трьох вільних нейтронів, які мчать із величезною швидкістю - близько 10 тис. км/с (їх називають швидкими нейтронами). Ці нейтрони можуть потрапляти до інших ядрів урану, викликаючи ядерні реакції. Кожен ізотоп веде себе у разі по-різному. Ядра урану-238 у більшості випадків просто захоплюють ці нейтрони без будь-яких подальших перетворень. Але приблизно в одному випадку з п'яти при зіткненні швидкого нейтрону з ядром ізотопу-238 відбувається цікава ядерна реакція: один з нейтронів урану-238 випускає електрон, перетворюючись на протон, тобто ізотоп урану звертається на більш
важкий елемент – нептуній-239 (93 протони + 146 нейтронів). Але нептуній нестабільний - через кілька хвилин один з його нейтронів випускає електрон, перетворюючись на протон, після чого ізотоп нептунія звертається до наступного за рахунком елементу періодичної системи - плутоній-239 (94 протона + 145 нейтронів). Якщо ж нейтрон потрапляє в ядро нестійкого урану-235, то негайно відбувається розподіл - атоми розпадаються з випромінюванням двох або трьох нейтронів. Зрозуміло, що в природному урані, більшість атомів якого відносяться до ізотопу-238, жодних видимих наслідків ця реакція не має – усі вільні нейтрони виявляться, зрештою, поглиненими цим ізотопом.

Ну а якщо уявити досить масивний шматок урану, що повністю складається з ізотопу-235?

Тут процес піде по-іншому: нейтрони, що виділилися при розподілі кількох ядер, своєю чергою, потрапляючи в сусідні ядра, викликають їх розподіл. В результаті виділяється нова порція нейтронів, що розщеплює наступні ядра. За сприятливих умов ця реакція протікає лавиноподібно і зветься ланцюгової реакції. Для її початку може бути достатньо ліченої кількості бомбардуючих частинок.

Справді, хай уран-235 бомбардують лише 100 нейтронів. Вони поділять 100 ядер урану. При цьому виділиться 250 нових нейтронів другого покоління (у середньому 2, 5 за один поділ). Нейтрони другого покоління зроблять вже 250 поділів, у якому виділиться 625 нейтронів. У наступному поколінні воно дорівнюватиме 1562, потім 3906, далі 9670 і т.д. Число поділів збільшуватиметься безмежно, якщо процес не зупинити.

Проте реально лише незначна частина нейтронів потрапляє у ядра атомів. Решта, стрімко промчавши між ними, несуть у навколишній простір. Ланцюгова реакція, що самопідтримується, може виникнути тільки в досить великому масиві урану-235, що володіє, як кажуть, критичною масою. (Ця маса за нормальних умов дорівнює 50 кг.) Важливо відзначити, що розподіл кожного ядра супроводжується виділенням величезної кількості енергії, яка виявляється приблизно в 300 мільйонів разів більше енергії, витраченої на розщеплення! (Підраховано, що при повному розподілі 1 кг урану-235 виділяється стільки ж тепла, скільки при спалюванні 3 тис. тонн вугілля.)

Цей колосальний виплеск енергії, що звільняється за лічені миті, виявляє себе як вибух жахливої сили та лежить в основі дії ядерної зброї. Але для того, щоб ця зброя стала реальністю, необхідно, щоб заряд складався не з природного урану, а з рідкісного ізотопу - 235 (такий уран називають збагаченим). Пізніше було встановлено, що чистий плутоній також ділиться матеріалом і може бути використаний в атомному заряді замість урану-235.

Усі ці важливі відкриття було зроблено напередодні Другої світової війни. Незабаром у Німеччині та інших країнах почалися секретні роботи зі створення атомної бомби. У цій проблемою зайнялися 1941 року. Усьому комплексу робіт було надано назву «Манхеттенського проекту».

Адміністративне керівництво проектом здійснював генерал Гровс, а наукове – професор Каліфорнійського університету Роберт Оппенгеймер. Обидва добре розуміли величезну складність завдання, що стоїть перед ними. Тому першою турботою Оппенгеймер стало комплектування високоінтелектуального наукового колективу. У тоді було багато фізиків, емігрували з фашистської Німеччини. Нелегко було залучити їх до створення зброї, спрямованої проти їхньої колишньої батьківщини. Оппенгеймер особисто розмовляв з кожним, пускаючи у хід усю силу своєї чарівності. Незабаром йому вдалося зібрати невелику групу теоретиків, яких він жартівливо називав світилами. І справді, до неї входили найбільші фахівці того часу в галузі фізики та хімії. (Серед них 13 лауреатів Нобелівської премії, у тому числі Бор, Фермі, Франк, Чедвік, Лоуренс.) Крім них, було багато інших фахівців різного профілю.

Уряд США не скупився на витрати, і роботи із самого початку набули грандіозного розмаху. У 1942 році було засновано найбільшу у світі дослідницьку лабораторію в Лос-Аламосі. Населення цього наукового міста невдовзі досягло 9 тисяч жителів. За складом учених, розмахом наукових експериментів, числом фахівців і робочих Лос-Аламоська лабораторія, що залучаються до роботи, не мала собі рівних у світовій історії. "Манхеттенський проект" мав свою поліцію, контррозвідку, систему зв'язку, склади, селища, заводи, лабораторії, свій колосальний бюджет.

Головна мета проекту полягала в отриманні достатньої кількості матеріалу, що ділиться, з якого можна було б створити кілька атомних бомб. Окрім урану-235 зарядом для бомби, як уже говорилося, міг служити штучний елемент плутоній-239, тобто бомба могла бути як урановою, так і плутонієвою.

Гровсі Оппенгеймерпогодилися, що роботи повинні вестися одночасно за двома напрямками, оскільки неможливо наперед вирішити, який із них виявиться більш перспективним. Обидва способи принципово відрізнялися один від одного: накопичення урану-235 мало здійснюватися шляхом його відокремлення від основної маси природного урану, а плутоній міг бути отриманий тільки в результаті керованої ядерної реакції при опроміненні нейтронами урану-238. І той та інший шлях видавався надзвичайно важким і не обіцяв легких рішень.

Справді, як можна відокремити один від одного два ізотопи, які лише трохи відрізняються своєю вагою і хімічно поводяться абсолютно однаково? Ні наука, ні техніка ще ніколи не стикалися з такою проблемою. Виробництво плутонію теж спочатку здавалося дуже проблематичним. До того весь досвід ядерних перетворень зводився до кількох лабораторних експериментів. Тепер же в промисловому масштабі треба було освоїти виробництво кілограмів плутонію, розробити і створити для цього спеціальну установку - ядерний реактор, і навчитися керувати перебігом ядерної реакції.

І там і тут треба було вирішити цілий комплекс складних завдань. Тому «Манхеттенський проект» складався з кількох підпроектів, на чолі яких стояли видатні вчені. Сам Оппенгеймер був головою Лос-Аламоської наукової лабораторії. Лоуренс управляв Радіаційною лабораторією Каліфорнійського університету. Фермі вів у університеті Чикаго дослідження зі створення ядерного реактора.

Спочатку найважливішою проблемою було отримання урану. До війни цей метал фактично не мав застосування. Тепер, коли він був потрібний відразу у величезних кількостях, виявилося, що не існує промислового способу його виробництва.

Компанія «Вестингауз» взялася за його розробку і швидко досягла успіху. Після очищення уранової смоли (у такому вигляді уран зустрічається в природі) та одержання окису урану, її перетворювали на тетрафторид (UF4), з якого шляхом електролізу виділявся металевий уран. Якщо наприкінці 1941 року у розпорядженні американських учених було лише кілька грамів металевого урану, то вже у листопаді 1942 року його промислове виробництво заводах фірми «Вестингауз» досягло 6000 фунтів на місяць.

Водночас точилася робота над створенням ядерного реактора. Процес виробництва плутонію фактично зводився до опромінення уранових стрижнів нейтронами, у результаті частина урану-238 мала звернутися в плутоній. Джерелами нейтронів при цьому могли бути атоми урану-235, що діляться, розсіяні в достатній кількості серед атомів урану-238. Але щоб підтримувати постійне відтворення нейтронів, мала розпочатися ланцюгова реакція поділу атомів урану-235. Тим часом, як говорилося, на кожен атом урану-235 припадало 140 атомів урану-238. Ясно, що у нейтронів, що розлітаються на всі боки, було набагато більше ймовірності зустріти на своєму шляху саме їх. Тобто, величезна кількість нейтронів, що виділилися, виявлялося без будь-якої користі поглиненим основним ізотопом. Очевидно, що за таких умов ланцюгова реакція не могла йти. Як же бути?

Спочатку уявлялося, що без поділу двох ізотопів робота реактора взагалі неможлива, але незабаром було встановлено одну важливу обставину: виявилося, що уран-235 та уран-238 сприйнятливі до нейтронів різних енергій. Розщепити ядро атома урану-235 можна нейтроном порівняно невеликої енергії, що має швидкість близько 22 м/с. Такі повільні нейтрони не захоплюються ядрами урану-238 - для цього ті повинні мати швидкість сотень тисяч метрів на секунду. Тобто уран-238 безсилий завадити початку і ходу ланцюгової реакції в урані-235, викликаної нейтронами, уповільненими до вкрай малих швидкостей - трохи більше 22 м/с. Це явище було відкрито італійським фізиком Фермі, який з 1938 жив у США і керував тут роботами зі створення першого реактора. Як сповільнювач нейтронів Фермі вирішив застосувати графіт. За його розрахунками, нейтрони, що вилетіли з урану-235, пройшовши через шар графіту в 40 см, повинні були знизити свою швидкість до 22 м/с і почати ланцюгову реакцію, що самопідтримується, в урані-235.

Іншим сповільнювачем могла бути так звана «важка» вода. Оскільки атоми водню, що входять до неї, за розмірами та масою дуже близькі до нейтронів, вони могли найкраще уповільнювати їх. (Зі швидкими нейтронами відбувається приблизно те саме, що з кулями: якщо маленька куля вдаряється об велику, вона відкочується назад, майже не втрачаючи швидкості, при зустрічі ж з маленькою кулею він передає йому значну частину своєї енергії - так само нейтрон при пружному зіткненні відскакує від важкого ядра лише трохи сповільнюючись, а при зіткненні з ядрами атомів водню дуже швидко втрачає всю свою енергію. Однак звичайна вода не підходить для уповільнення, так як її водень має тенденцію поглинати нейтрони. Ось чому для цього слід використовувати дейтерій, що входить до складу «важкої» води.

На початку 1942 року під керівництвом Фермі у приміщенні тенісного корту під західними трибунами стадіону Чикаго почалося будівництво першого в історії ядерного реактора. Усі роботи вчені проводили самі. Управління реакцією можна здійснювати єдиним способом - регулюючи число нейтронів, що у ланцюгової реакції. Фермі припускав домогтися цього за допомогою стрижнів, виготовлених із таких речовин, як бор та кадмій, які сильно поглинають нейтрони. Уповільнювачем служили графітові цеглини, з яких фізики звели колони заввишки 3 м і шириною 1,2 м. Між ними були встановлені прямокутні блоки з окисом урану. На всю конструкцію пішло близько 46 тонн окису урану та 385 тонн графіту. Для уповільнення реакції служили введені в реактор стрижні з кадмію та бору.

Якби цього виявилося недостатньо, то для страховки на платформі, розташованій над реактором, стояли двоє вчених із відрами, наповненими розчином солей кадмію - вони мали вилити їх на реактор, якби реакція вийшла з-під контролю. На щастя, цього не потрібно. 2 грудня 1942 року Фермі наказав висунути всі контрольні стрижні, і експеримент розпочався. Через чотири хвилини нейтронні лічильники почали клацати все голосніше та голосніше. З кожною хвилиною інтенсивність нейтронного потоку зростала. Це говорило про те, що в реакторі йде ланцюгова реакція. Вона тривала протягом 28 хвилин. Потім Фермі дав знак і опущені стрижні припинили процес. Так уперше людина звільнила енергію атомного ядра і довела, що може контролювати її за своєю волею. Тепер уже не було сумніву, що ядерна зброя – реальність.

1943 року реактор Фермі демонтували і перевезли до Арагонської національної лабораторії (50 км від Чикаго). Тут був незабаром побудований ще один ядерний реактор, в якому як сповільнювач використовувалася важка вода. Він складався з циліндричної алюмінієвої цистерни, що містить 6,5 тонн важкої води, в яку було вертикально занурено 120 стрижнів із металевого урану, ув'язнених у алюмінієву оболонку. Сім керівників стрижнів було зроблено з кадмію. Навколо цистерни розташовувався графітовий відбивач, потім екран зі сплавів свинцю та кадмію. Вся конструкція полягала в бетонний панцир із товщиною стінок близько 2,5 м.

Експерименти цих досвідчених реакторах підтвердили можливість промислового виробництва плутонію.

Головним центром «Манхеттенського проекту» незабаром стало містечко Ок-Рідж у долині річки Теннесі, населення якого за кілька місяців зросло до 79 тисяч людей. Тут у короткий термін було збудовано перший в історії завод з виробництва збагаченого урану. Тут же 1943 року було пущено промисловий реактор, який виробляв плутоній. У лютому 1944 року з нього щодня витягували близько 300 кг урану, з поверхні якого шляхом хімічного поділу отримували плутоній. (Для цього плутоній спочатку розчиняли, а потім брали в облогу.) Очищений уран після цього знову повертався в реактор. Того ж року в безплідній похмурій пустелі на південному березі річки Колумбія почалося будівництво величезного заводу Хенфорд. Тут розміщувалося три потужні атомні реактори, які щодня давали кілька сотень грамів плутонію.

Паралельно повним ходом йшли дослідження щодо розробки промислового процесу збагачення урану.

Розглянувши різні варіанти, Гровс та Оппенгеймер вирішили зосередити зусилля на двох методах: газодифузійному та електромагнітному.

Газодифузійний метод ґрунтувався на принципі, відомому під назвою закону Грехема (він був вперше сформульований 1829 року шотландським хіміком Томасом Грехемом і розроблений 1896 року англійським фізиком Рейлі). Відповідно до цього закону, якщо два газу, один з яких легший за інший, пропускати через фільтр з мізерно малими отворами, то через нього пройде дещо більше легкого газу, ніж важкого. У листопаді 1942 року Юрі та Даннінг з Колумбійського університету створили на основі методу Рейлі газодифузійний метод поділу ізотопів урану.

Оскільки природний уран - тверда речовина, його спочатку перетворювали на фтористий уран (UF6). Потім цей газ пропускали через мікроскопічні - близько тисячних часток міліметра - отвори в перегородці фільтра.

Так як різниця в молярних терезах газів була дуже мала, то за перегородкою вміст урану-235 збільшувався всього в 1,0002 рази.

Для того щоб збільшити кількість урану-235 ще більше, отриману суміш знову пропускають через перегородку, і кількість урану знову збільшується в 10002 рази. Таким чином, щоб підвищити вміст урану-235 до 99% потрібно було пропускати газ через 4000 фільтрів. Це відбувалося на величезному газодифузійному заводі Ок-Рідж.

У 1940 році під керівництвом Ернста Лоуренса в Каліфорнійському університеті почалися дослідження по розподілу ізотопів урану електромагнітним методом. Необхідно було знайти такі фізичні процеси, які б розділити ізотопи, користуючись різницею їх мас. Лоуренс спробував розділити ізотопи, використовуючи принцип мас-спектрографа - приладу, з допомогою якого визначають маси атомів.

Принцип його дії зводився до наступного: попередньо іонізовані атоми прискорювалися електричним полем, а потім пропускалися через магнітне поле, в якому вони описували кола, розташовані в площині перпендикулярної напрямку поля. Так як радіуси цих траєкторій були пропорційні масі, легкі іони виявлялися на кола меншого радіусу, ніж важкі. Якщо на шляху атомів розміщували пастки, то можна було окремо збирати різні ізотопи.

Таким був метод. У лабораторних умовах він дав непогані результати. Але будівництво установки, де поділ ізотопів міг би проводитися у промислових масштабах, виявилося надзвичайно складним. Однак Лоуренсу врешті-решт вдалося подолати всі труднощі. Результатом його зусиль стала поява калутрона, встановленого на гігантському заводі в Ок-Ріджі.

Цей електромагнітний завод був побудований в 1943 році і виявився чи не найдорожчим дітищем «Манхеттенського проекту». Метод Лоуренса вимагав великої кількості складних, ще не розроблених пристроїв, пов'язаних із високою напругою, високим вакуумом та сильними магнітними полями. Масштаби витрат виявилися величезними. Калутрон мав гігантський електромагніт, довжина якого досягала 75 м за вагою близько 4000 тонн.

На обмотки для цього електромагніту пішло кілька тисяч тонн срібного дроту.

Усі роботи (не рахуючи вартості срібла на суму 300 мільйонів доларів, яке державне казначейство надало лише на якийсь час) обійшлися в 400 мільйонів доларів. Тільки за електроенергію, витрачену калутроном, міністерство оборони сплатило 10 мільйонів. Більшість обладнання ок-риджського заводу перевершувала за масштабами і точності виготовлення все, що будь-коли розроблялося у цій галузі техніки.

Але всі ці витрати виявилися марними. Витративши загалом близько 2 мільярдів доларів, вчені США до 1944 року створили унікальну технологію збагачення урану та виробництва плутонію. Тим часом у Лос-Аламоській лабораторії працювали над проектом самої бомби. Принцип її дії був у загальних рисах зрозумілий вже давно: речовина, що ділиться (плутоній або уран-235), слід було в момент вибуху перевести в критичний стан (для здійснення ланцюгової реакції маса заряду повинна бути навіть помітно більшою за критичну) і опромінити пучком нейтронів, що вабило за собою початок ланцюгової реакції.

За розрахунками, критична маса заряду перевищувала 50 кілограмів, але її змогли значно зменшити. Загалом на величину критичної маси сильно впливають кілька факторів. Чим більша поверхнева площа заряду - тим більше нейтронів марно випромінюється в навколишній простір. Найменшою площею поверхні має сфера. Отже, сферичні заряди за інших рівних умов мають найменшу критичну масу. Крім того, величина критичної маси залежить від чистоти і виду матеріалів, що діляться. Вона обернено пропорційна квадрату щільності цього матеріалу, що дозволяє, наприклад, зі збільшенням щільності вдвічі, зменшити критичну масу вчетверо. Потрібну ступінь підкритичності можна отримати, наприклад, ущільненням матеріалу, що ділиться за рахунок вибуху заряду звичайної вибухової речовини, виконаного у вигляді сферичної оболонки, навколишнього ядерний заряд. Критичну масу, крім того, можна зменшити, оточивши заряд екраном, що добре відображає нейтрони. Як такий екран можуть бути використані свинець, берилій, вольфрам, природний уран, залізо та багато інших.

Одна з можливих конструкцій атомної бомби складається із двох шматків урану, які, з'єднуючись, утворюють масу більше критичної. Для того, щоб викликати вибух бомби, треба якнайшвидше зблизити їх. Другий метод заснований на використанні вибуху, що сходить всередину. У цьому випадку потік газів від звичайної вибухової речовини прямував на розташований всередині матеріал, що ділиться і стискав його до тих пір, поки він не досягав критичної маси. З'єднання заряду та інтенсивне опромінення його нейтронами, як уже говорилося, викликає ланцюгову реакцію, в результаті якої в першу секунду температура зростає до 1 мільйона градусів. За цей час встигало розділитися лише близько 5% критичної маси. Решта заряду в бомбах ранньої конструкції випаровувалась без
будь-якої користі.

Першу в історії атомну бомбу (їй було дано ім'я «Трініті») було зібрано влітку 1945 року. А 16 червня 1945 року на атомному полігоні в пустелі Аламогордо (штат Нью-Мексико) було зроблено перший на Землі атомний вибух. Бомбу помістили у центрі полігону на вершині сталевої 30-метрової вежі. Навколо неї на великій відстані розміщувалася реєструюча апаратура. У 9 км був спостережний пункт, а 16 км - командний. На всіх свідків цієї події атомний вибух справив приголомшливе враження. За описом очевидців, було таке відчуття, ніби безліч сонців з'єдналося в одне й одразу висвітлило полігон. Потім над рівниною виникла величезна вогненна куля і до неї повільно і зловісно стала підніматися кругла хмара пилу і світла.

Відірвавшись від землі, ця вогненна куля за кілька секунд злетіла на висоту понад три кілометри. З кожною миттю він розростався у розмірах, незабаром його діаметр досяг 1,5 км, і він повільно піднявся до стратосфери. Потім вогненна куля поступилася місцем стовпу диму, що клубився, який витягнувся на висоту 12 км, прийнявши форму гігантського гриба. Все це супроводжувалося жахливим гуркотом, від якого тремтіла земля. Потужність бомби, що вибухнула, перевершила всі очікування.

Як тільки дозволила радіаційна ситуація, кілька танків «Шерман», викладені зсередини свинцевими плитами, кинулися в район вибуху. На одному з них знаходився Фермі, якому не терпілося побачити результати своєї праці. Його очам постала мертва випалена земля, на якій у радіусі 1,5 км було знищено все живе. Пісок спікся в склоподібну зелену кірку, що покривала землю. У величезній вирві лежали понівечені залишки сталевої опорної вежі. Сила вибуху була оцінена у 20000 тонн тротилу.

Наступним кроком мало стати бойове застосування атомної бомби проти Японії, яка після капітуляції фашистської Німеччини одна продовжувала війну зі США та їх союзниками. Ракет-носіїв тоді ще не було, тому бомбардування мали здійснити з літака. Компоненти двох бомб були з великою обережністю доставлені крейсером «Індіанаполіс» на острів Тініан, де базувалася 509 зведена група ВПС США. За типом заряду та конструкції ці бомби дещо відрізнялися одна від одної.

Перша атомна бомба - «Малюк» - була великогабаритною авіаційною бомбою з атомним зарядом із сильно збагаченого урану-235. Довжина її була близько 3 м, діаметр – 62 см, вага – 4, 1 т.

Друга атомна бомба – «Товстун» – із зарядом плутонію-239 мала яйцеподібну форму з великогабаритним стабілізатором. Довжина її
становила 3, 2 м, діаметр 1, 5 м, вага – 4, 5 т.

6 серпня бомбардувальник Б-29 «Енола Гей» полковника Тіббетса скинув «Малюка» на велике японське місто Хіросіму. Бомба опускалася на парашуті і вибухнула, як це було передбачено, на висоті 600 м від землі.

Наслідки вибуху були жахливими. Навіть на самих пілотів вид знищеного ними в одну мить мирного міста справив гнітюче враження. Пізніше один із них зізнався, що вони бачили в цю секунду найгірше, що тільки може побачити людина.

Для тих, хто знаходився на землі, те, що відбувалося, нагадувало справжнє пекло. Насамперед над Хіросимою пройшла теплова хвиля. Її дія тривала всього кілька миттєвостей, але була настільки потужною, що розплавило навіть черепицю та кристали кварцу в гранітних плитах, перетворило на вугілля телефонні стовпи на відстані 4 км і, нарешті, настільки спопелило людські тіла, що від них залишилися тільки тіні на асфальті мостових. або на стінах будинків. Потім з-під вогняної кулі вирвався жахливий порив вітру і промчав над містом зі швидкістю 800 км/год, змітаючи все на своєму шляху. Будинки, що не витримали його лютого натиску, руйнувалися як підкошені. У гігантському колі діаметром 4 км не залишилося жодної цілої будівлі. Через кілька хвилин після вибуху над містом пройшов чорний радіоактивний дощ - це волога, що перетворена на пару, сконденсувалася у високих шарах атмосфери і випала на землю у вигляді великих крапель, змішаних з радіоактивним пилом.

Після дощу на місто обрушився новий порив вітру, що цього разу дмухав у напрямку епіцентру. Він був слабший за першого, але все-таки досить сильний, щоб виривати з коренем дерева. Вітер роздув гігантську пожежу, в якій горіло все, що могло тільки горіти. З 76 тисяч будівель повністю зруйнувалося та згоріло 55 тисяч. Свідки цієї жахливої катастрофи згадували про людей-факелів, з яких згорілий одяг спадав на землю разом з лахміттям шкіри, і про натовп збожеволілих людей, вкритих жахливими опіками, які з криком металися вулицями. У повітрі стояв задушливий сморід від горілого м'яса. Всюди валялися люди, мертві та вмираючі. Було багато таких, які засліпли і оглухли і, торкаючись на всі боки, не могли нічого розібрати в хаосі, що панував навколо.

Нещасні, що знаходилися від епіцентру на відстані до 800 м, за частки секунди згоріли в буквальному сенсі слова - їх нутрощі випарувалися, а тіла перетворилися на грудки вугілля, що димить. Ті, що перебували від епіцентру на відстані 1 км, були уражені променевою хворобою у вкрай важкій формі. Вже за кілька годин у них почалося сильне блювання, температура підскочила до 39-40 градусів, з'явилися задишка та кровотечі. Потім на шкірі висипали виразки, що не гояться, склад крові різко змінився, волосся випало. Після жахливих страждань, зазвичай другого чи третього дня, наступала смерть.

Загалом від вибуху та променевої хвороби загинуло близько 240 тисяч людей. Близько 160 тисяч отримали променеву хворобу у легшій формі - їхня болісна смерть виявилася відстроченою на кілька місяців або років. Коли звістка про катастрофу поширилася країною, вся Японія була паралізована страхом. Він ще збільшився, після того, як 9 серпня літак «Бокс Кар» майора Суїні скинув другу бомбу на Нагасакі. Тут також загинуло та було поранено кілька сотень тисяч жителів. Не в силах протистояти новій зброї, японський уряд капітулював - атомна бомба поклала край Другій світовій війні.

Війна закінчилась. Вона тривала лише шість років, але встигла змінити світ і людей майже до невпізнання.

Людська цивілізація до 1939 року і людська цивілізація після 1945 року дуже не схожі один на одного. Тому є багато причин, але одна з найважливіших – поява ядерної зброї. Можна без перебільшень сказати, що тінь Хіросіми лежить по всій другій половині ХХ століття. Вона стала глибоким моральним опіком для багатьох мільйонів людей, як сучасників цієї катастрофи, так і народилися через десятиліття після неї. Сучасна людина вже не може думати про світ так, як думали про нього до 6 серпня 1945 - він занадто ясно розуміє, що цей світ може за кілька миттєвостей перетворитися на ніщо.

Сучасна людина не може дивитися на війну, оскільки дивилися її діди та прадіди - він достовірно знає, що ця війна буде останньою, і в ній не виявиться ні переможців, ні переможених. Ядерна зброя наклала свій відбиток на всі сфери суспільного життя, і сучасна цивілізація не може жити за тими самими законами, що шістдесят чи вісімдесят років тому. Ніхто не розумів цього краще за самих творців атомної бомби.

«Люди нашої планети , - писав Роберт Оппенгеймер, - повинні об'єднатися. Жах та руйнація, посіяні останньою війною, диктують нам цю думку. Вибухи атомних бомб довели її з усією жорстокістю. Інші люди в інший час вже говорили подібні слова – тільки про іншу зброю та про інші війни. Вони не досягли успіху. Але той, хто і сьогодні скаже, що ці слова марні, введений в оману мінливістю історії. Нас не можна переконати у цьому. Результати нашої праці не залишають людству іншого вибору, як створити об'єднаний світ. Світ, заснований на законності та гуманізму».

Конструктивно перша атомна бомба складалася з наступних важливих складових вузлів:

ядерного заряду;
вибухового пристрою та системи автоматики підриву заряду із системами запобігання;
балістичного корпусу авіабомби, в якому розміщувалися ядерний заряд та автоматика підриву.

Основні умови, що визначили конструкцію бомби РДС-1, були пов'язані:

з рішенням максимально зберегти у заряді принципову схему американської атомної бомби, випробуваної 1945 року;
з необхідністю в інтересах безпеки остаточне складання заряду, встановленого в балістичному корпусі бомби, здійснювати в умовах полігону, безпосередньо перед підривом;
з можливістю бомбометання РДС-1 з важкого бомбардувальника ТУ-4.

Атомний заряд бомби РДС-1 був багатошаровою конструкцією, в якій переведення активної речовини - плутонію в надкритичний стан здійснювалося за рахунок його стиснення за допомогою сферичної детонаційної хвилі у вибуховій речовині.

У центрі ядерного заряду розміщувався плутоній, що конструктивно складається з двох напівсферичних деталей. Масу плутонію було визначено у липні 1949 року, після завершення дослідів із виміру ядерних констант.

Великих успіхів досягли не лише технологи, а й металурги та радіохіміки. Завдяки їхнім старанням вже перші плутонієві деталі містили невелику кількість домішок і високоактивних ізотопів. Останній момент був особливо суттєвий, оскільки короткоживучі ізотопи, будучи основним джерелом нейтронів, могли негативно вплинути на ймовірність передчасного вибуху.

У порожнині плутонієвого ядра у складовій оболонці з природного урану встановлювався нейтронний запал (НЗ). Протягом 1947-1948 років було розглянуто близько 20 різних пропозицій щодо принципів дії, устрою та вдосконалення НЗ.

Одним із найскладніших вузлів першої атомної бомби РДС-1 був заряд вибухової речовини зі сплаву тротилу з гексогеном.

Вибір зовнішнього радіусу ВР визначався, з одного боку, необхідністю отримання задовільного енерговиділення, з другого - допустимими зовнішніми габаритами вироби і технологічними можливостями виробництва.

Перша атомна бомба розроблялася стосовно підвіски її в літаку ТУ-4, бомболюк якого забезпечував можливість розміщення виробу діаметром до 1500 мм. Виходячи з цього габариту і було визначено мідель балістичного корпусу бомби РДС-1. Заряд ВР конструктивно являв собою порожню кулю і складався з двох шарів.

Внутрішній шар формувався із двох напівсферичних основ, виготовлених із вітчизняного сплаву тротилу з гексогеном.

Зовнішній шар заряду ВР РДС-1 збирався з окремих елементів. Цей шар, призначений для формування на підставі ВР сферичної детонаційної хвилі, що сходить і отримав назву фокусуючої системи, був одним з основних функціональних вузлів заряду, багато в чому визначав його тактико-технічні показники.

Основним призначенням системи автоматики бомби було здійснення ядерного вибуху у заданій точці траєкторії. Частина електрообладнання бомби розміщувалася літаком-носієм, а окремі його елементи - на ядерному заряді.
Для підвищення надійності спрацьовування виробу окремі елементи автоматики підриву були виконані за двоканальною (дублюючою) схемою. На випадок відмови систем висотного підривника конструкції бомби було передбачено спеціальний пристрій (ударний датчик) для здійснення ядерного вибуху при ударі бомби об грунт.

Вже на початковому етапі розробки ядерної зброї стало очевидним, що дослідження процесів, що протікають у заряді, має піти розрахунково-експериментальним шляхом, що дозволяв коригувати теоретичний аналіз за результатами експериментів досвідчених даних про газодинамічні характеристики ядерних зарядів.

У загальному аспекті газодинамічна відпрацювання ядерного заряду включала цілу низку досліджень, що стосуються постановки експериментів і реєстрації швидкоплинних процесів, включаючи поширення детонаційних і ударних хвиль в гетерогенних середовищах.

Дослідження властивостей речовин на газодинамічній стадії роботи ядерних зарядів, коли діапазон тисків досягає величин до сотень мільйонів атмосфер, зажадали розробки принципово нових методів досліджень, кінетика яких вимагала високої точності - до сотих часток мікросекунди. Такі вимоги спричинили розробку нових методів реєстрації високошвидкісних процесів. Саме в Науково-дослідному Секторі КБ-11 було закладено основи вітчизняної високошвидкісної фотохронографії зі швидкістю розгорнення до 10 км/сек та швидкістю зйомки близько мільйона кадрів на секунду. Надшвидкісний реєстратор розробки А.Д.Захаренкова, Г.Д.Соколова та В.К.Боболєва (1948) став прототипом серійних приладів СФР, розроблених за технічним завданням КБ-11 в Інституті Хімічної Фізики в 1950 році.

Зазначимо, що цей фотохронограф із приводом від повітряної турбіни вже на той час забезпечив швидкість розгорнення зображення 7 км/с. Параметри створеного на його основі серійного приладу СФР (1950) з приводом від електродвигуна скромніше - до 3,5 км/с.

Є.К.Завойський

Для розрахунково-теоретичного обґрунтування працездатності першого виробу важливо було знання параметрів стану ПВ за фронтом детонаційної хвилі, а також динаміку сферично-симетричного стиску центральної частини виробу. І тому 1948 року Е.К.Завойским було запропоновано і розроблено електромагнітний метод реєстрації масових швидкостей продуктів вибуху за фронтом детонаційних хвиль, як із плоскому, і у сферичному вибуху.

Розподіл швидкості продуктів вибуху проводилося паралельно методом імпульсної рентгенографії В.А.Цукерманом зі співробітниками.

Для реєстрації швидкоплинних процесів були створені унікальні багатоканальні реєстратори ЕТАР-1 та ЕТАР-2, розробки Е.А.Етингофа та М.С.Тарасова, з близьким до наносекундного тимчасовим дозволом. Згодом ці реєстратори були замінені серійним приладом, що випускається ОК-4 розробки А.І. Соколика (ІХФ АН).

Застосування нових методів та нових реєстраторів у дослідженнях КБ-11 дозволило вже на старті робіт зі створення атомної зброї отримати необхідні дані щодо динамічної стисливості конструкційних матеріалів.

p align="justify"> Експериментальні дослідження констант робочих речовин, що входять до складу фізичної схеми заряду, створювали фундамент для верифікації фізичних уявлень про процеси, що відбуваються в заряді на газодинамічній стадії його роботи.

Загальна будова атомної бомби

Основними елементами ядерних боєприпасів є:

корпус
система автоматики

Корпус призначений для розміщення ядерного заряду та системи автоматики, а також оберігає їх від механічної, а в деяких випадках і від теплової дії. Система автоматики забезпечує вибух ядерного заряду в заданий час і виключає його випадкове чи передчасне спрацьовування. Вона включає:

систему запобігання та зведення
систему аварійного підриву
систему підриву заряду
джерело живлення
систему датчиків підриву

Засобами доставки ядерних боєприпасів можуть бути балістичні ракети, крилаті та зенітні ракети, авіація. Ядерні боєприпаси застосовуються для спорядження авіабомб, фугасів, торпед, артилерійських снарядів (203,2 мм СГ та 155 мм СГ-США).

Різні системи були винайдені, щоб детонувати атомну бомбу. Найпростіша система - зброя типу інжектора, в якому снаряд, зроблений з речовини, що ділиться, врізається в адресанта, утворюючи надкритичну масу. Атомна бомба, скинута Сполученими Штатами на Хіросіму 6 серпня 1945, мала детонатор інжекторного типу. І мала енергетичний еквівалент приблизно 20 кілотонн тротилу.

Музей ядерної зброї

Історико-меморіальний Музей ядерної зброї РФЯЦ-ВНИИЭФ (Російський федеральний ядерний центр - Всеросійський науково-дослідний інститут експериментальної фізики) було відкрито місті Сарове 13 листопада 1992 року. Це перший музей країни, який розповідає про основні етапи створення вітчизняного ядерного щита. Перші експонати музею постали перед його відвідувачами цього дня у будівлі колишнього технікуму, де музей і знаходиться і зараз.

Його експонати - зразки виробів, які стали легендами історії атомної галузі країни. Те, над чим працювали найбільші фахівці, донедавна становило величезну державну таємницю не лише для простих смертних, а й для самих розробників ядерної зброї.

Експозиція музею містить експонати від першого випробувального зразка 1949 року, до наших днів.

Північна Корея загрожує США випробуваннями надпотужної водневої бомби у Тихому океані. Японія, яка може постраждати через випробування, назвала плани КНДР абсолютно неприйнятними. Президенти Дональд Трамп і Кім Чен Ин лаються в інтерв'ю і говорять про відкритий воєнний конфлікт. Для тих, хто не знається на ядерній зброї, але хоче бути в темі, «Футурист» склав путівник.

Як працює ядерна зброя?

Як і у звичайній динамітній шашці, у ядерній бомбі використовується енергія. Тільки вивільняється вона під час примітивної хімічної реакції, а складних ядерних процесах. Існує два основні способи виділення ядерної енергії з атома. У ядерному поділу ядро атома розпадається на два менші фрагменти з нейтроном. Ядерний синтез - процес, за допомогою якого Сонце виробляє енергію - включає об'єднання двох менших атомів з утворенням більшого. У будь-якому процесі, розподілі чи злитті виділяються великі кількості теплової енергії та випромінювання. Залежно від того, використовується розподіл ядер або їх синтез, бомби поділяються на ядерні (атомні) і термоядерні .

А чи можна докладніше про ядерний поділ?

Вибух атомної бомби над Хіросимою (1945 р)

Як ви пам'ятаєте, атом складається з трьох типів субатомних частинок: протонів, нейтронів та електронів. Центр атома, званий ядром , складається з протонів та нейтронів. Протони позитивно заряджені, електрони негативно, а нейтрони взагалі не мають заряду. Ставлення протон-електрон завжди друг до друга, тому атом загалом має нейтральний заряд. Наприклад, атом вуглецю має шість протонів та шість електронів. Частки утримуються разом фундаментальною силою – сильною ядерною взаємодією .

Властивості атома можуть значно змінюватись в залежності від того, скільки різних частинок у ньому міститься. Якщо змінити кількість протонів, у вас буде інший хімічний елемент. Якщо змінити кількість нейтронів, ви отримаєте ізотоп того ж елемента, що у вас у руках. Наприклад, вуглець має три ізотопи: 1) вуглець-12 (шість протонів + шість нейтронів), стабільну і часто зустрічається форму елемента, 2) вуглець-13 (шість протонів + сім нейтронів), який є стабільним, але рідкісним і 3) вуглець -14 (шість протонів + вісім нейтронів), який є рідкісним та нестійким (або радіоактивним).

Більшість атомних ядер стабільні, але з них нестійкі (радіоактивні). Ці ядра спонтанно випромінюють частки, які вчені називають радіацією. Цей процес називається радіоактивним розпадом . Існує три типи розпаду:

Альфа-розпад : ядро викидає альфа-частинку – два протони і два нейтрони, пов'язані разом. Бета-розпад : нейтрон перетворюється на протон, електрон та антинейтрино. Викинутий електрон є бета-часткою. Спонтанний поділ: ядро розпадається кілька частин і викидає нейтрони, і навіть випромінює імпульс електромагнітної енергії – гамма-промень. Саме останній тип розпаду використовується у ядерній бомбі. Вільні нейтрони, викинуті внаслідок поділу, починають ланцюгову реакцію яка вивільняє колосальну кількість енергії.

Із чого роблять ядерні бомби?

Їх можуть робити з урану-235 та плутонію-239. Уран у природі зустрічається у вигляді суміші трьох ізотопів: 238 U (99,2745 % природного урану), 235 U (0,72 %) та 234 U (0,0055 %). Найбільш поширений 238 U не підтримує ланцюгову реакцію: на це здатний лише 235 U. Щоб досягти максимальної потужності вибуху, необхідно, щоб вміст 235 U в "начинці" бомби становив не менше 80%. Тому уран доводиться штучно збагачувати . Для цього суміш ізотопів уранових поділяють на дві частини так, щоб в одній з них виявилося більше 235 U.

Зазвичай при поділі ізотопів залишається багато збідненого урану, не здатного вступити в ланцюгову реакцію - але є спосіб змусити це зробити. Справа в тому, що плутоній-239 у природі не зустрічається. Зате його можна отримати бомбардуючи нейтронами 238 U.

Як вимірюється їхня потужність?

Потужність ядерного та термоядерного заряду вимірюється в тротиловому еквіваленті - кількості тринітротолуолу, яке потрібно підірвати для отримання аналогічного результату. Вона вимірюється в кілотоннах (кт) та мегатоннах (Мт). Потужність надмалих ядерних боєприпасів не перевищує 1 кт, тоді як надпотужні бомби дають понад 1 Мт.

Потужність радянської «Цар-бомби» становила за різними даними від 57 до 58,6 мегатонн у тротиловому еквіваленті, потужність термоядерної бомби, яку на початку вересня зазнала КНДР, становила близько 100 кілотонн.

Хто створив ядерну зброю?

Американський фізик Роберт Оппенгеймер та генерал Леслі Гровс

У 1930-х роках італійський фізик Енріко Фермі продемонстрував, що елементи, що зазнали бомбардування нейтронами, можуть бути перетворені на нові елементи. Результатом цієї роботи стало виявлення повільних нейтронів , і навіть відкриття нових елементів, не представлених на періодичної таблиці. Незабаром після відкриття Фермі німецькі вчені Отто Ган і Фріц Штрассман бомбардували уран нейтронами, внаслідок чого утворився радіоактивний ізотоп барію. Вони дійшли висновку, що низькошвидкісні нейтрони змушують ядро урану розриватися на дві дрібніші частини.

Ця робота розбурхала уми всього світу. У Прінстонському університеті Нільс Бор працював з Джоном Вілером для розробки гіпотетичної моделі процесу розподілу. Вони припустили, що уран-235 піддається поділу. Приблизно водночас інші вчені виявили, що ділення призвів до утворення ще більшої кількості нейтронів. Це спонукало Бора і Уїлера поставити важливе питання: чи могли вільні нейтрони, створені в результаті поділу, розпочати ланцюгову реакцію, яка б звільнила величезну кількість енергії? Якщо це так, то можна створити зброю неймовірної сили. Їхні припущення підтвердив французький фізик Фредерік Жоліо-Кюрі . Його висновок став поштовхом для розробок створення ядерної зброї.

Над створенням атомної зброї працювали фізики Німеччини, Англії, США, Японії. Перед початком Другої світової війни Альберт Ейнштейн написав президенту США Франкліну Рузвельту про те, що нацистська Німеччина планує очистити уран-235 та створити атомну бомбу. Зараз з'ясувалося, що Німеччина була далекою від проведення ланцюгової реакції: вони працювали над «брудною», сильно радіоактивною бомбою. Як би там не було, уряд США кинув усі сили на створення атомної бомби у найкоротший термін. Було запущено «Манхеттенський проект», яким керували американський фізик Роберт Оппенгеймер та генерал Леслі Гровс . У ньому брали участь великі вчені, які емігрували з Європи. До літа 1945 року було створено атомну зброю, засновану на двох видах матеріалу, що ділиться - урану-235 і плутонію-239. Одну бомбу, плутонієву «Штучку», підірвали на випробуваннях, а ще дві, уранового «Малюка» та плутонієвого «Товстуна» скинули на японські міста Хіросіму та Нагасакі.

Як працює термоядерна бомба та хто її винайшов?

Термоядерна бомба ґрунтується на реакції ядерного синтезу . На відміну від ядерного поділу, який може проходити як мимовільно, так і вимушено, ядерний синтез неможливий без підведення зовнішньої енергії. Атомні ядра заряджені позитивно тому вони відштовхуються один від одного. Ця ситуація називається кулонівським бар'єром. Щоб подолати відштовхування, необхідно розігнати ці частинки до божевільних швидкостей. Це можна здійснити за дуже високої температури - близько кількох мільйонів кельвінів (звідси й назва). Термоядерні реакції бувають трьох видів: самопідтримуються (проходять у надрах зірок), керовані та некеровані чи вибухові – вони використовуються у водневих бомбах.

Ідею бомби з термоядерним синтезом, який ініціює атомний заряд, запропонував Енріко Фермі своєму колезі. Едварду Теллеру ще 1941 року, на самому початку Манхеттенського проекту. Однак тоді ця ідея виявилася не затребуваною. Розробки Теллера удосконалив Станіслав Улам , зробивши ідею термоядерної бомби здійсненної практично. У 1952 році на атоле Еніветок під час операції Ivy Mike випробували перший термоядерний вибуховий пристрій. Однак це був лабораторний зразок, непридатний у бойових діях. Рік потому Радянський Союз підірвав першу у світі термоядерну бомбу, зібрану за конструкцією фізиків Андрія Сахарова і Юлія Харитона . Пристрій нагадував листковий пиріг, тому грізну зброю прозвали «Шаркою». У ході подальших розробок на світ з'явилася найпотужніша бомба на Землі, Цар-бомба або Кузькіна мати. У жовтні 1961 року її випробували на архіпелазі Нова Земля.

Із чого роблять термоядерні бомби?

Якщо ви думали, що водневі і термоядерні бомби – це різні речі, ви помилялися. Ці слова синонімічні. Саме водень (а точніше, його ізотопи – дейтерій та тритій) потрібний для проведення термоядерної реакції. Однак є складність: щоби підірвати водневу бомбу, необхідно спочатку в ході звичайного ядерного вибуху отримати високу температуру - лише тоді атомні ядра почнуть реагувати. Тому у випадку з термоядерною бомбою велику роль відіграє конструкція.

Широко відомі дві схеми. Перша – сахарівська «шаровка». У центрі розташовувався ядерний детонатор, який був оточений верствами дейтериду літію в суміші з тритієм, які перемежувалися з шарами збагаченого урану. Така конструкція дозволяла досягти потужності не більше 1 Мт. Друга - американська схема Теллера - Улама, де ядерна бомба та ізотопи водню розташовувалися окремо. Виглядало це так: знизу – ємність із сумішшю рідких дейтерію та тритію, по центру якої розташовувалась «свічка запалювання» – плутонієвий стрижень, а зверху – звичайний ядерний заряд, і все це в оболонці з важкого металу (наприклад, збідненого урану). Швидкі нейтрони, що утворилися під час вибуху, викликають в уранової оболонці реакції поділу атомів і додають енергію до загальної енергії вибуху. Надбудова додаткових шарів дейтериду літію урану-238 дозволяє створювати снаряди необмеженої потужності. 1953 року радянський фізик Віктор Давиденко випадково повторив ідею Теллера - Улама, і її основі Сахаров придумав багатоступінчасту схему, яка дозволила створювати зброю небувалих потужностей. Саме за такою схемою працювала «Кузькова мати».

Які ще бувають бомби?

Ще бувають нейтронні, але це загалом страшно. Власне, нейтронна бомба - це малопотужна термоядерна бомба, 80% енергії вибуху якої становить радіація (нейтронне випромінювання). Це виглядає як звичайний ядерний заряд малої потужності, до якого доданий блок із ізотопом берилію - джерелом нейтронів. Під час вибуху ядерного заряду запускається термоядерна реакція. Цей вид зброї розробляв американський фізик Семюель Коен . Вважалося, що нейтронна зброя знищує все живе навіть у укриттях, проте дальність поразки такої зброї невелика, оскільки атмосфера розсіює потоки швидких нейтронів, і ударна хвиля великих відстанях виявляється сильніше.

А як же кобальтова бомба?

Ні, синку, це фантастика. Офіційно кобальтових бомб немає в жодній країні. Теоретично це термоядерна бомба з оболонкою з кобальту, яка забезпечує сильне радіоактивне зараження місцевості навіть за порівняно слабкого ядерного вибуху. 510 тонн кобальту здатні заразити всю поверхню Землі та знищити все живе на планеті. Фізик Лео Сілард , Який описав цю гіпотетичну конструкцію в 1950 році, назвав її «Машиною судного дня».

Що крутіше: ядерна бомба чи термоядерна?

Натурний макет "Цар-бомби"

Воднева бомба є набагато більш просунутою та технологічною, ніж атомна. Її потужність вибуху набагато перевищує атомну і обмежена лише кількістю наявних компонентів. При термоядерній реакції на кожен нуклон (так називаються складові ядра, протони та нейтрони) виділяється набагато більше енергії, ніж при ядерній реакції. Наприклад, при розподілі ядра урану однією нуклон доводиться 0,9 МеВ (мегаэлектронвольт), а синтезі ядра гелію з ядер водню виділяється енергія, рівна 6 МеВ.

Як бомби доставляютьдо мети?

Спочатку їх скидали з літаків, проте засоби протиповітряної оборони постійно вдосконалювалися, і доставляти ядерну зброю таким чином було нерозумним. Зі зростанням виробництва ракетної техніки всі права на доставку ядерної зброї перейшли до балістичних та крилатих ракет різного базування. Тому під бомбою тепер мається на увазі не бомба, а боєголовка.

Є думка, що північнокорейська воднева бомба надто велика, щоб її можна було встановити на ракеті – тому, якщо КНДР вирішить втілити загрозу у життя, її повезуть на кораблі до місця вибуху.

Які наслідки ядерної війни?

Хіросіма та Нагасакі – це лише мала частина можливого апокаліпсису. Приміром, відома гіпотеза "ядерної зими", яку висували американський астрофізик Карл Саган та радянський геофізик Георгій Голіцин. Передбачається, що під час вибуху кількох ядерних боєзарядів (не в пустелі чи воді, а в населених пунктах) виникне безліч пожеж, і в атмосферу виплеснеться велика кількість диму та сажі, що призведе до глобального похолодання. Гіпотезу критикують, порівнюючи ефект із вулканічною активністю, яка має незначний ефект на клімат. Крім того, деякі вчені відзначають, що швидше настане глобальне потепління, ніж похолодання - втім, обидві сторони сподіваються, що ми цього ніколи не дізнаємось.

Чи дозволено використовувати ядерну зброю?

Після гонки озброєнь у XX столітті країни одумалися та вирішили обмежити використання ядерної зброї. ООН було прийнято договори про нерозповсюдження ядерної зброї та заборону ядерних випробувань (останній не був підписаний молодими ядерними державами Індією, Пакистаном та КНДР). У липні 2017 року було ухвалено новий договір про заборону ядерної зброї.

"Кожна держава-учасниця зобов'язується ніколи і за жодних обставин не розробляти, не випробовувати, не виробляти, не виготовляти, не купувати іншим чином, не мати у володінні і не накопичувати ядерну зброю або інші ядерні вибухові пристрої", - говорить перша стаття договору .

Проте документ не набуде чинності доти, доки його не ратифікують 50 держав.

Є одним із найдивовижніших, загадкових та страшних процесів. Принцип дії ядерної зброї ґрунтується на ланцюговій реакції. Це такий процес, сам процес якого ініціює його продовження. Принцип дії водневої бомби ґрунтується на синтезі.

Атомна бомба

Ядра деяких ізотопів радіоактивних елементів (плутоній, каліфорній, уран та інших) здатні розпадатися, захоплюючи при цьому нейтрон. Після цього виділяється ще два чи три нейтрони. Руйнування ядра одного атома за ідеальних умов може призвести до розпаду ще двох чи трьох, які, своєю чергою, можуть ініціювати інші атоми. І так далі. Відбувається лавиноподібний процес руйнування дедалі більшої кількості ядер із вивільненням гігантської кількості енергії розриву атомних зв'язків. Під час вибуху величезні енергії вивільняються за надмалий проміжок часу. Відбувається це в одній точці. Тому вибух атомної бомби є настільки потужним та руйнівним.

Щоб ініціювати початок ланцюгової реакції, необхідно, щоб кількість радіоактивної речовини перевищила критичну масу. Очевидно, що потрібно взяти кілька частин урану чи плутонію та поєднати в одне ціле. Однак, щоб викликати вибух атомної бомби, цього недостатньо, тому що реакція припиниться раніше, ніж виділиться достатня кількість енергії, або процес протікатиме повільно. Для того, щоб досягти успіху, необхідно не просто перевищити критичну масу речовини, а зробити це вкрай малий проміжок часу. Найкраще використовувати кілька. Цього досягають за допомогою застосування інших. Причому чергують швидку і повільну вибухівки.

Перше ядерне випробування було проведено у липні 1945 року у США неподалік містечка Алмогордо. У серпні того ж року американці застосували цю зброю проти Хіросіма та Нагасакі. Вибух атомної бомби у місті призвів до жахливих руйнувань та загибелі більшої частини населення. У СРСР атомну зброю було створено та випробувано у 1949 році.

Воднева бомба

Є зброєю з дуже великою руйнівною силою. Принцип її дії ґрунтується на синтезі з більш легких атомів водню важких ядер гелію. При цьому відбувається звільнення дуже великої кількості енергії. Ця реакція аналогічна до процесів, які протікають на Сонці та інших зірках. найлегше проходить з використанням ізотопів водню (тритію, дейтерію) та літію.

Випробування першого водневого боєзаряду провели американці 1952 року. У сучасному розумінні цей пристрій важко назвати бомбою. Це був триповерховий будинок, заповнений рідким дейтерієм. Перший вибух водневої бомби в СРСР було зроблено на півроку пізніше. Радянський термоядерний боєприпас РДС-6 підірвали у серпні 1953 року під Семипалатинськом. Найбільшу водневу бомбу потужністю 50 мегатонн (Цар-бомба) СРСР випробував у 1961 році. Хвиля після вибуху боєприпасу обігнула планету тричі.

Ядерна зброя – озброєння стратегічного характеру, здатне вирішувати глобальні завдання. Його застосування пов'язане зі страшними наслідками для людства. Це робить атомну бомбу як загрозою, а й зброєю стримування.

Поява озброєння, здатного поставити крапку у розвитку людства, ознаменувало початок його нової доби. Імовірність глобального конфлікту чи нової світової війни зведена до мінімуму через можливість тотального знищення всієї цивілізації.

Незважаючи на такі загрози, ядерна зброя продовжує залишатися на озброєнні провідних країн світу. Певною мірою саме воно стає визначальним чинником міжнародної дипломатії та геополітики.

Історія створення ядерної бомби

Питання про те, хто винайшов ядерну бомбу, в історії немає однозначної відповіді. Передумовою до роботи над атомною зброєю прийнято вважати відкриття радіоактивності урану. У 1896 році французький хімік А. Беккерель відкрив ланцюгову реакцію даного елемента, започаткувавши розробки в ядерній фізиці.

У наступне десятиліття було відкрито альфа-, бета- і гамма-промені, а також ряд радіоактивних ізотопів деяких хімічних елементів. Відкриття закону радіоактивного розпаду атома стало початком для вивчення ядерної ізометрії.

У грудні 1938 року німецькі фізики О. Ган та Ф. Штрассман першими змогли провести реакцію розщеплення ядра у штучних умовах. 24 квітня 1939 р. керівництву Німеччини було доповідано про ймовірність створення нової потужної вибухової речовини.

Проте німецьку ядерну програму було приречено на провал. Незважаючи на успішне просування вчених, країна через війну постійно відчувала труднощі з ресурсами, особливо з постачанням важкої води. На пізніх етапах дослідження сповільнювалися постійними евакуаціями. 23 квітня 1945 р. розробки німецьких учених були захоплені в Хайгерлоху і вивезені до США.

США стали першою країною, яка висловила зацікавленість у новому винаході. У 1941 році на його розробку та створення було виділено значні кошти. Перші випробування відбулися 16 липня 1945 року. Менше, ніж за місяць, США вперше застосували ядерну зброю, скинувши дві бомби на Хіросіму та Нагасакі.

Власні дослідження в галузі ядерної фізики в СРСР велися з 1918 року. Комісія з атомного ядра була створена в 1938 при Академії наук. Проте з початком війни її діяльність у цьому напрямі було припинено.

В 1943 відомості про наукові праці в ядерній фізиці були отримані радянськими розвідниками з Англії. Були впроваджені агенти до кількох дослідницьких центрів США. Відомості, що здобуваються, дозволили прискорити розробку власної ядерної зброї.

Винахід радянської атомної бомби було очолено І. Курчатовим та Ю. Харитоном, вони і вважаються творцями радянської атомної бомби. Інформація про це стала поштовхом для підготовки США до попереджувальної війни. У липні 1949 року було розроблено план «Троян», яким планувалася розпочати військові дії 1 січня 1950 р.

Пізніше дата була перенесена на початок 1957 року з урахуванням того, щоб усі країни НАТО могли підготуватися та включитися у війну. За даними західної розвідки, випробування ядерної зброї в СРСР могло бути проведене не раніше 1954 року.

Однак про підготовку США до війни стало відомо заздалегідь, що змусило радянських вчених прискорити дослідження. У стислі терміни вони винаходять і створюють власну ядерну бомбу. 29 серпня 1949 р. у Семипалатинську на полігоні випробувано першу радянську атомну бомбу РДС-1 (реактивний двигун спеціальний).

Такі випробування зірвали план «Троян». З цього моменту США перестали мати монополію на ядерну зброю. Незалежно від сили попереджувального удару, залишався ризик дій у відповідь, що загрожувало катастрофою. З цього моменту найстрашніша зброя стала гарантом миру між великими державами.

Принцип роботи

Принцип роботи атомної бомби ґрунтується на ланцюговій реакції розпаду важких ядер або термоядерному синтезі легень. У ході цих процесів виділяється величезна кількість енергії, яка і перетворює бомбу на зброю масового ураження.

24 вересня 1951 року було проведено випробування РДС-2. Їх уже можна було доставити до точок запуску так, щоб вони діставали до США. 18 жовтня було випробувано РДС-3, що доставляється бомбардувальником.

Подальші випробування перейшли до термоядерного синтезу. Перші випробування подібної бомби США пройшли 1 листопада 1952 року. У СРСР така боєголовка була випробувана вже за 8 місяців.

ТХ ядерної бомби

Ядерні бомби не мають чітких характеристик через різноманітність застосування подібних боєприпасів. Однак існує низка загальних аспектів, які обов'язково враховуються при створенні даної зброї.

До таких відносять:

осесиметрична будова бомби - всі блоки та системи розміщуються попарно у контейнерах циліндричної, сфероциліндричної або конічної форми;
при проектуванні скорочують масу ядерної бомби за рахунок об'єднання силових вузлів, вибору оптимальної форми оболонок та відсіків, а також застосування міцніших матеріалів;
мінімізують кількість проводів і роз'ємів, а для передачі впливу застосовують пневмопровід або вибуходетанірующий шнур;
блокування основних вузлів здійснюється за допомогою перегородок, що руйнуються пірозарядами;
активні речовини закачуються за допомогою окремого контейнера чи зовнішнього носія.

З урахуванням вимог до пристрою ядерна бомба складається з наступних комплектуючих:

корпус, що забезпечує захист боєприпасу від фізичного та теплового впливу - розділений на відсіки, може комплектуватися силовою рамою;
ядерний заряд із силовим кріпленням;
система самоліквідації з її інтеграцією у ядерний заряд;
джерело живлення, розрахований на тривале зберігання-приводиться в дію вже при запуску ракети;
зовнішні датчики – для збору інформації;
системи зведення, управління та підриву, остання впроваджена в заряд;
системи діагностики, підігріву та підтримки мікроклімату всередині герметичних відсіків.

Залежно від типу ядерної бомби, до неї інтегрують інші системи. Серед них може бути датчик польоту, пульт блокування, розрахунок польотних опцій, автопілот. У деяких боєприпасах застосовують і постановники перешкод, розраховані зниження протидії ядерної бомбі.

Наслідки застосування такої бомби

«Ідеальні» наслідки застосування ядерної зброї було зафіксовано вже під час скидання бомби на Хіросіму. Заряд вибухнув на висоті 200 метрів, що спричинило сильну ударну хвилю. У багатьох будинках були перекинуті пічки, що опалюються вугіллям, що призвело до пожеж навіть за межами зони ураження.

За світловим спалахом пішов тепловий удар, який тривав лічені секунди. Однак його потужності вистачило, щоб у радіусі 4 км розплавити черепицю та кварц, а також розпорошити телеграфні стовпи.

За тепловою хвилею була ударна. Швидкість вітру досягала 800 км/год, його порив зруйнував майже всі будівлі міста. З 76 тис. будівель, частково вціліло близько 6 тис., решту було зруйновано повністю.

Теплова хвиля, а також пара і попіл, що піднялася, викликали сильний конденсат в атмосфері. За кілька хвилин пішов дощ із чорними від попелу краплями. Їхнє попадання на шкіру викликало сильні невиліковні опіки.

Люди, які перебували за 800 метрів від епіцентру вибуху, були спалені в пилюку. Ті, хто залишився, зазнали впливу радіації та променевої хвороби. Її ознаками стали слабкість, нудота, блювання, лихоманка. У крові спостерігалося різке зниження кількості білих тілець.

За секунди було вбито близько 70 тис. людей. Ще стільки ж згодом загинуло від отриманих ран та опіків.

Через 3 дні ще одну бомбу скинули на Нагасакі з аналогічними наслідками.

Запаси ядерної зброї у світі

Основні запаси ядерної зброї зосереджені в Росії та США. Крім них, атомні бомби мають такі країни:

Великобританія – з 1952 року;
Франція – з 1960;
Китай – з 1964;
Індія – з 1974;
Пакистан – з 1998;
КНДР – з 2008.

Ядерну зброю має і Ізраїль, хоча офіційного підтвердження від керівництва країни так і не надходило.