ระเบิดปรมาณูมียูเรเนียมเท่าใด ระเบิดยูเรเนียม

ระเบิดยูเรเนียม

หลักการทำงาน

อาวุธนิวเคลียร์มีพื้นฐานมาจากปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ไม่สามารถควบคุมได้ของการแยกตัวของนิวเคลียร์ มีสองรูปแบบหลัก: "ปืนใหญ่" หรือที่เรียกว่าขีปนาวุธและแบบหุนหันพลันแล่น

« ปืนใหญ่"โครงการนี้เป็นเรื่องปกติสำหรับอาวุธนิวเคลียร์รุ่นแรกดั้งเดิมที่สุด เช่นเดียวกับปืนใหญ่และอาวุธนิวเคลียร์ขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดด้านลำกล้องของอาวุธ สาระสำคัญของมันคือการ "ยิง" สสารฟิสไซล์สองบล็อกที่มีมวลต่ำกว่าวิกฤตเข้าหากัน วิธีการระเบิดนี้ทำได้เฉพาะในกระสุนยูเรเนียมเท่านั้น เนื่องจากพลูโทเนียมมีพื้นหลังของนิวตรอนสูงกว่า ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มความเร็วที่ต้องการในการเชื่อมต่อชิ้นส่วนประจุ ซึ่งเกินกว่าที่สามารถทำได้ในทางเทคนิค

"หุนหันพลันแล่น"โครงการนี้เกี่ยวข้องกับการได้รับสถานะวิกฤตยิ่งยวดโดยการบีบอัดวัสดุฟิสไซล์ด้วยคลื่นกระแทกแบบโฟกัสที่สร้างขึ้นโดยการระเบิดของวัตถุระเบิดเคมีทั่วไป ซึ่งให้รูปทรงที่ซับซ้อนมากสำหรับการโฟกัส และการระเบิดจะดำเนินการพร้อมกันในหลายจุดด้วยความแม่นยำที่แม่นยำ

พลังงานนิวเคลียร์ ทำงานโดยเฉพาะ ตามหลักการฟิชชันของธาตุหนัก จำกัดหลายร้อยกิโลตัน . เป็นไปได้แต่ยากมากที่จะสร้างประจุที่ทรงพลังยิ่งขึ้นโดยอาศัยการแยกตัวของนิวเคลียร์เท่านั้น อาวุธยุทโธปกรณ์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกซึ่งมีพื้นฐานจากการแยกตัวของนิวเคลียร์ได้รับการทดสอบในสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่ 15 พฤศจิกายน พ.ศ. 2495 ด้วยพลังการระเบิด 500 kt

เพื่อให้ปฏิกิริยาสามารถรองรับตัวเองได้ จำเป็นต้องมี "เชื้อเพลิง" ที่เหมาะสม ซึ่งในขั้นตอนแรกถูกใช้เป็นไอโซโทปของยูเรเนียม

ยูเรเนียมเกิดขึ้นในธรรมชาติในรูปของไอโซโทปสองชนิด ได้แก่ ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238 เมื่อยูเรเนียม-235 ดูดซับนิวตรอนในระหว่างกระบวนการสลายตัว นิวตรอนหนึ่งถึงสามตัวจะถูกปล่อยออกมา:

ในทางกลับกันยูเรเนียม-238 เมื่อดูดซับนิวตรอนที่มีพลังงานปานกลางจะไม่ปล่อยนิวตรอนใหม่รบกวนปฏิกิริยานิวเคลียร์ มันเปลี่ยนเป็นยูเรเนียม-239 จากนั้นเป็นเนปทูเนียม-239 และสุดท้ายกลายเป็นพลูโทเนียม-239 ที่ค่อนข้างเสถียร

เพื่อให้มั่นใจว่าระเบิดนิวเคลียร์ทำงานได้ ปริมาณยูเรเนียม-235 ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะต้องมีอย่างน้อย 80% มิฉะนั้น ยูเรเนียม-238 จะดับปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์อย่างรวดเร็ว ยูเรเนียมธรรมชาติเกือบทั้งหมด (ประมาณ 99.3%) ประกอบด้วยยูเรเนียม-238 ดังนั้นในการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จึงใช้กระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมที่ซับซ้อนและหลายขั้นตอนซึ่งส่งผลให้สัดส่วนของยูเรเนียม-235 เพิ่มขึ้น

ระเบิดที่ใช้ยูเรเนียมเป็นอาวุธนิวเคลียร์ตัวแรกที่มนุษย์ใช้ในการต่อสู้ (ระเบิด "เด็กชายตัวเล็ก" ที่ทิ้งในฮิโรชิมา) เนื่องจากข้อเสียหลายประการ (ความยากลำบากในการได้รับ การพัฒนา และการส่งมอบ) จึงไม่แพร่หลายในขณะนี้ ด้อยกว่าระเบิดขั้นสูงที่อาศัยองค์ประกอบกัมมันตภาพรังสีอื่น ๆ ที่มีมวลวิกฤตต่ำกว่า

อุปกรณ์นิวเคลียร์ชิ้นแรกที่จุดชนวนเพื่อการทดสอบคืออุปกรณ์นิวเคลียร์ของอุปกรณ์ แกดเจ็ต- อุปกรณ์, เครื่องประดับเล็ก ๆ น้อย ๆ) - ต้นแบบของระเบิดพลูโตเนียม "แฟตแมน" ที่ทิ้งที่นางาซากิ การทดสอบดำเนินการที่สถานที่ทดสอบใกล้กับเมืองอาลาโมกอร์โดในนิวเม็กซิโก

ตามโครงสร้างแล้ว ระเบิดลูกนี้ประกอบด้วยทรงกลมหลายลูกซ้อนกันอยู่ภายใน:

1. ตัวเริ่มนิวตรอนแบบพัลซ์ (INI, “เม่น”, “เม่น” (อังกฤษ. เม่นทะเล)) - ลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 ซม. ทำจากเบริลเลียมเคลือบด้วยโลหะผสมอิตเทรียม - โพโลเนียมหรือโลหะพอโลเนียม -210 ชั้นบาง ๆ - แหล่งกำเนิดนิวตรอนหลักเพื่อลดมวลวิกฤติอย่างรวดเร็วและเร่งปฏิกิริยา . มันถูกกระตุ้นในขณะที่แกนการต่อสู้ถูกถ่ายโอนไปยังสถานะวิกฤตยิ่งยวด (ระหว่างการบีบอัด พอโลเนียมและเบริลเลียมจะผสมกับการปล่อยนิวตรอนจำนวนมาก) ปัจจุบัน พอโลเนียม-210 ที่มีอายุสั้นถูกแทนที่ด้วยพลูโทเนียม-238 ที่มีอายุยาวนาน ซึ่งยังสามารถผลิตพัลส์นิวตรอนอันทรงพลังเมื่อผสมกับเบริลเลียม
2. พลูโตเนียม ไอโซโทปที่บริสุทธิ์ที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ของพลูโทเนียม-239 นั้นเป็นที่ต้องการ แม้ว่าพลูโทเนียมจะถูกเจือด้วยแกลเลียมจำนวนเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความเสถียรของคุณสมบัติทางกายภาพ (ความหนาแน่น) และปรับปรุงความสามารถในการอัดประจุ
3. เชลล์ (อังกฤษ) การงัดแงะ) ทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนนิวตรอน (จากยูเรเนียม)
4. เปลือกบีบ ผู้เร่งเร้า) ทำจากอลูมิเนียม ให้ความสม่ำเสมอในการบีบอัดมากขึ้นด้วยคลื่นกระแทก ขณะเดียวกันก็ปกป้องชิ้นส่วนภายในของประจุจากการสัมผัสโดยตรงกับวัตถุระเบิดและผลิตภัณฑ์ที่ร้อนจากการสลายตัว
5. วัตถุระเบิดที่มีระบบการระเบิดที่ซับซ้อนซึ่งรับประกันการระเบิดแบบซิงโครไนซ์ของวัตถุระเบิดทั้งหมด การซิงโครไนซ์เป็นสิ่งจำเป็นในการสร้างคลื่นกระแทกแบบอัดทรงกลมอย่างเคร่งครัด (ส่งตรงภายในลูกบอล) คลื่นที่ไม่ใช่ทรงกลมทำให้เกิดการดีดตัวของวัสดุลูกบอลเนื่องจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน และความเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างมวลวิกฤต การสร้างระบบดังกล่าวสำหรับการวางระเบิดและการระเบิดถือเป็นงานที่ยากที่สุดครั้งหนึ่ง ใช้รูปแบบรวม (ระบบเลนส์) ของวัตถุระเบิด "เร็ว" และ "ช้า" - boratol และ TATV
6. ตัวเครื่องทำจากองค์ประกอบดูราลูมินที่มีการประทับตรา - ฝาครอบทรงกลมสองอันและเข็มขัดที่เชื่อมต่อกันด้วยสลักเกลียว

ต่อสู้กับระบบขีปนาวุธรถไฟ BZHRK 15P961 “Molodets” ด้วยขีปนาวุธนิวเคลียร์ข้ามทวีป

RT-23 UTTH ระบบขีปนาวุธและขีปนาวุธโดยทั่วไปได้รับการพัฒนาใน<КБ>Yuzhnoe ใน Dnepropetrovsk นักวิชาการนักออกแบบทั่วไป V.F. Utkin รถไฟและเครื่องปล่อยดังกล่าวได้รับการพัฒนาที่ KBSM เมืองเลนินกราด หัวหน้านักวิชาการด้านการออกแบบ A.F. อุตกิน. ในปี พ.ศ. 2530-2534 สร้างคอมเพล็กซ์ 12 แห่ง .

องค์ประกอบของ BZHRK ประกอบด้วย:

1. สามโมดูลเริ่มต้นขั้นต่ำ

2. โมดูลคำสั่งประกอบด้วยรถยนต์ 7 คัน

3. รถถังที่มีเชื้อเพลิงสำรองและน้ำมันหล่อลื่น

4. ตู้รถไฟดีเซล DM62 จำนวน 3 ตู้

โมดูลการเปิดตัวขั้นต่ำประกอบด้วยรถยนต์สามคัน:

1. ห้องควบคุมตัวเรียกใช้งาน 2.

2. ตัวเรียกใช้งาน

3. 3. หน่วยสนับสนุน

ความเกี่ยวข้องของงานที่สำคัญที่สุดที่ได้รับมอบหมายให้กับห้องปฏิบัติการพิเศษของนิวเคลียสของอะตอม (ตั้งแต่เดือนมีนาคม พ.ศ. 2486 - ห้องปฏิบัติการหมายเลข 2) คือการดำเนินการวิจัยที่จำเป็นและส่งรายงานไปยังคณะกรรมการป้องกันประเทศ " เกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการสร้างระเบิดยูเรเนียมหรือเชื้อเพลิงยูเรเนียม", - ได้รับความเข้มแข็งจากข้อเท็จจริงที่ว่าข้อมูลข่าวกรองของปี 1941 ซึ่งได้รับการระบุไว้ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นโดย I.V. Kurchatov ในจดหมายของเขาลงวันที่ 27 พฤศจิกายน 2485 ที่ส่งถึง V.M. โมโลตอฟไม่มีคำตอบที่ครบถ้วนสมบูรณ์สำหรับคำถามเกี่ยวกับ ความเป็นไปได้ของการสร้างระเบิดยูเรเนียม

ในเวลาเดียวกัน ฐานการทดลองและทฤษฎีที่ห้องปฏิบัติการหมายเลข 2 มีในครึ่งแรกของปี พ.ศ. 2486 และในช่วงเวลาต่อมาที่ค่อนข้างยาวนานนั้นไม่เพียงพอที่จะให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามเกี่ยวกับความเป็นจริงของ ระเบิดปรมาณูบนพื้นฐานของข้อมูลการทดลองและทางทฤษฎีของมันเองเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม สื่อข่าวกรองยังคงมาถึง รวมถึงวัสดุที่ I.V. เมื่อถึงฤดูใบไม้ผลิปี 1943 Kurchatov ไม่มีข้อสงสัยเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของระเบิดที่ทำจากยูเรเนียม-235 จากการทบทวนดังกล่าวข้างต้นโดย I.V. Kurchatov ลงวันที่ 4 กรกฎาคม พ.ศ. 2486 เพื่อตอบสนองต่อรายชื่อผลงานของอเมริกาเกี่ยวกับปัญหายูเรเนียมที่ได้รับผ่านช่องทางข่าวกรองตามมาว่าเขาไม่ได้กังวลเกี่ยวกับความเป็นไปได้ที่จะสร้างระเบิดจากยูเรเนียม-235 อีกต่อไป แต่มีความกังวลเกี่ยวกับ ความขัดแย้งในข้อมูลของงานต่าง ๆ เกี่ยวกับภาคตัดขวางฟิชชันของยูเรเนียม-235 ในพื้นที่พลังงานนิวตรอนปานกลาง ไอ.วี. Kurchatov ตั้งข้อสังเกต: " คำถามนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากขนาดของระเบิดที่ทำจากยูเรเนียม-235 และความเป็นไปได้อย่างมากในการสร้างหม้อต้มน้ำที่ทำจากโลหะยูเรเนียมนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของหน้าตัดฟิชชันในภูมิภาคนี้อย่างมาก" .

ในฤดูใบไม้ผลิปี 2486 I.V. ความเป็นไปได้ใหม่ในการสร้างระเบิดปรมาณูก็ชัดเจนสำหรับ Kurchatov เช่นกัน ในบันทึกที่ส่งถึง M.G. Pervukhin ลงวันที่ 22 มีนาคม พ.ศ. 2486 I.V. Kurchatov เขียนว่า: " วัสดุที่ฉันได้ตรวจสอบเมื่อเร็วๆ นี้... บ่งชี้ว่าบางทีผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใน "หม้อต้มยูเรเนียม" สามารถใช้แทนยูเรเนียม-235 เป็นวัสดุสำหรับระเบิดได้ ด้วยข้อสังเกตเหล่านี้ ฉันได้ตรวจสอบผลงานล่าสุดที่ตีพิมพ์โดยชาวอเมริกันใน "การทบทวนทางกายภาพ" เกี่ยวกับองค์ประกอบของทรานยูเรเนียม (eka-rhenium-239 และ eka-osmium-239) อย่างถี่ถ้วน และสามารถสร้างทิศทางใหม่ในการแก้ปัญหา ปัญหายูเรเนียมทั้งหมด..."การอภิปรายเป็นเรื่องเกี่ยวกับการใช้พลูโทเนียม-239 ในระเบิดปรมาณูซึ่ง I.V. Kurchatov เรียกในจดหมายของเขาว่า eka-ocmium-239 เขาเขียนว่า " แนวโน้มในทิศทางนี้น่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง". "ตามแนวคิดทางทฤษฎีทั้งหมดที่มีอยู่ในปัจจุบัน การที่นิวตรอนเข้าสู่นิวเคลียสเอคา-ออสเมียมควรมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมากและการปลดปล่อยนิวตรอนทุติยภูมิด้วย ดังนั้นในแง่นี้จึงควรจะเทียบเท่ากับยูเรเนียม-235" “หากในความเป็นจริง เอคา-ออสเมียมมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับยูเรเนียม-235 ก็สามารถแยกออกจาก “หม้อต้มยูเรเนียม” และใช้เป็นวัสดุสำหรับระเบิดเอคา-ออกเทียมได้ ระเบิดจึงถูกสร้างขึ้นจากวัตถุ “ประหลาด” ที่หายไปบนโลกของเรา.

อย่างที่คุณเห็น ด้วยวิธีแก้ไขปัญหาทั้งหมดนี้ ไม่จำเป็นต้องแยกไอโซโทปของยูเรเนียมซึ่งใช้เป็นเชื้อเพลิงและวัตถุระเบิด".

"ความเป็นไปได้ที่ไม่ธรรมดาที่กล่าวถึงข้างต้นนั้นแน่นอนว่าไม่มีหลักฐานแน่ชัด การนำไปปฏิบัติจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ eka-ocmium-239 มีความคล้ายคลึงกับยูเรเนียม-235 อย่างแท้จริงและหากนอกจากนี้ "หม้อน้ำยูเรเนียม" สามารถใช้งานได้ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง นอกจากนี้โครงการที่พัฒนาแล้วยังต้องมีการบัญชีเชิงปริมาณของรายละเอียดทั้งหมดของกระบวนการ งานสุดท้ายนี้จะถูกมอบหมายให้ศาสตราจารย์เร็วๆ นี้ ฉันจะ. เซลโดวิช".

ด้วยการประกาศเปิดตัวหม้อต้มยูเรเนียมเครื่องแรกในประเทศสหรัฐอเมริกาซึ่งเปิดโอกาสในการใช้พลังงานปรมาณูในวงกว้างและการผลิตวัสดุฟิสไซล์ใหม่ที่มีน้ำหนักอะตอม 239 เหมาะสำหรับการผลิตอะตอม ระเบิด (หมายถึงเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ของ E. Fermi ซึ่งเปิดตัวเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม พ.ศ. 2485 ในชิคาโก) I.V. Kurchatov ได้รับแจ้งในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2486 ไม่นานหลังจากได้รับข้อความนี้ผ่านช่องทางข่าวกรอง

เขาให้คะแนนสูงมากในการเปิดตัวเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกของโลกในสหรัฐอเมริกา ในการตอบสนองต่อเนื้อหาข่าวกรองที่ระบุเขาเขียนว่า: " วัสดุที่พิจารณามีข้อความที่สำคัญอย่างยิ่งเกี่ยวกับการเปิดตัวหม้อไอน้ำยูเรเนียม - กราไฟท์เครื่องแรกในอเมริกา - ข้อความเกี่ยวกับเหตุการณ์ที่ไม่สามารถประเมินเป็นอย่างอื่นได้ นอกเหนือจากเป็นปรากฏการณ์สำคัญในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโลก"

โปรดทราบว่าในรายงานที่กล่าวถึงแล้วของ "คณะกรรมการ MAUD" ภาษาอังกฤษซึ่งมาถึงสหภาพโซเวียตผ่านช่องทางข่าวกรองในปี 2484 และเมื่อปลายปี พ.ศ. 2485 I.V. กล่าวกันว่าธาตุที่มีมวล 239 ธาตุในคูร์ชาตอฟน่าจะมีคุณสมบัติฟิชชันคล้ายกับยูเรเนียม-235 มาก และสามารถใช้เป็นวัตถุระเบิดในระเบิดปรมาณูได้ (ดู)

(ปัจจุบันคือสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก) ในแคนาดา (เกรตแบร์เลค) และในสหรัฐอเมริกา (โคโลราโด)

ต่างจากระเบิดสมัยใหม่ส่วนใหญ่ซึ่งใช้หลักการระเบิด "เบบี้" เป็นระเบิดประเภทปืนใหญ่ ระเบิดปืนใหญ่นั้นง่ายต่อการคำนวณและผลิตและในทางปฏิบัติก็ไม่ล้มเหลว (ดังนั้นจึงยังคงจำแนกภาพวาดที่แน่นอนของระเบิด) ข้อเสียของการออกแบบนี้คือประสิทธิภาพต่ำ

ใช้กระบอกปืนกองทัพเรือลำกล้อง 16.4 ซม. สั้นลงเหลือ 1.8 ม. ในขณะที่ "เป้าหมาย" ยูเรเนียมเป็นทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มม. และมวล 25.6 กก. ซึ่งเมื่อถูกยิงจะมี "กระสุน" ทรงกระบอกที่มีน้ำหนัก 38 5 กก. พร้อมช่องด้านในที่เข้ากัน การออกแบบที่ "เข้าใจยาก" นี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อลดพื้นหลังนิวตรอนของเป้าหมาย: ในนั้นมันไม่ได้อยู่ใกล้ แต่อยู่ที่ระยะ 59 มม. จากตัวสะท้อนแสงนิวตรอน (“ การงัดแงะ”) เป็นผลให้ความเสี่ยงของการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันก่อนเวลาอันควรที่มีการปลดปล่อยพลังงานที่ไม่สมบูรณ์ลดลงเหลือหลายเปอร์เซ็นต์

แม้จะมีประสิทธิภาพต่ำ แต่การปนเปื้อนของกัมมันตภาพรังสีจากการระเบิดก็มีน้อยเนื่องจากการระเบิดเกิดขึ้นที่ความสูง 600 เมตรเหนือพื้นดินและยูเรเนียมที่ไม่ทำปฏิกิริยาเองก็มีกัมมันตภาพรังสีเล็กน้อยเมื่อเปรียบเทียบกับผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยานิวเคลียร์

ฟิวส์ถูกเสียบเข้าไปในระเบิดลูกนี้โดยตรงบนเครื่องบิน ในช่องวางระเบิด 15 นาทีหลังเครื่องขึ้น เพื่อลดอันตรายจากผลที่ตามมาของการขึ้นเครื่องไม่สำเร็จ ขณะเดียวกันก็มีความเป็นไปได้ที่จะทำงานผิดปกติ

มันเป็นหนึ่งในกระบวนการที่น่าทึ่ง ลึกลับ และน่ากลัวที่สุด หลักการทำงานของอาวุธนิวเคลียร์นั้นขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาลูกโซ่ นี่เป็นกระบวนการที่ความก้าวหน้าอย่างมากเริ่มต้นขึ้นอย่างต่อเนื่อง หลักการทำงานของระเบิดไฮโดรเจนนั้นขึ้นอยู่กับการหลอมรวม

ระเบิดปรมาณู

นิวเคลียสของไอโซโทปบางชนิดของธาตุกัมมันตภาพรังสี (พลูโทเนียม แคลิฟอร์เนียม ยูเรเนียม และอื่นๆ) สามารถสลายตัวได้ในขณะที่จับนิวตรอน หลังจากนั้นจะมีการปล่อยนิวตรอนอีกสองหรือสามตัว การทำลายนิวเคลียสของอะตอมหนึ่งภายใต้สภาวะที่เหมาะสมสามารถนำไปสู่การสลายอีกสองหรือสามอะตอม ซึ่งในทางกลับกันสามารถก่อให้เกิดอะตอมอื่นได้ และอื่นๆ กระบวนการทำลายล้างจำนวนนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้นคล้ายหิมะถล่มเกิดขึ้น โดยปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลเพื่อทำลายพันธะอะตอม ในระหว่างการระเบิด พลังงานมหาศาลจะถูกปล่อยออกมาในช่วงเวลาอันสั้นมาก สิ่งนี้เกิดขึ้นในจุดหนึ่ง นี่คือเหตุผลว่าทำไมการระเบิดของระเบิดปรมาณูจึงทรงพลังและทำลายล้างมาก

ในการเริ่มต้นปฏิกิริยาลูกโซ่ ปริมาณของสารกัมมันตภาพรังสีจะต้องเกินมวลวิกฤติ แน่นอนว่าคุณต้องนำยูเรเนียมหรือพลูโตเนียมหลายส่วนมารวมกันเป็นชิ้นเดียว อย่างไรก็ตาม นี่ไม่เพียงพอที่จะทำให้ระเบิดปรมาณูระเบิด เนื่องจากปฏิกิริยาจะหยุดก่อนที่จะปล่อยพลังงานเพียงพอ หรือกระบวนการจะดำเนินการอย่างช้าๆ เพื่อให้บรรลุความสำเร็จ ไม่เพียงแต่จะต้องเกินมวลวิกฤตของสสารเท่านั้น แต่ยังต้องทำเช่นนี้ในระยะเวลาอันสั้นมากอีกด้วย ควรใช้หลาย ๆ อัน ซึ่งทำได้โดยการใช้อันอื่นและสลับระเบิดที่เร็วและช้า

การทดสอบนิวเคลียร์ครั้งแรกดำเนินการในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2488 ในสหรัฐอเมริกาใกล้กับเมืองอัลโมกอร์โด ในเดือนสิงหาคมของปีเดียวกัน ชาวอเมริกันใช้อาวุธเหล่านี้กับฮิโรชิมาและนางาซากิ การระเบิดของระเบิดปรมาณูในเมืองนำไปสู่การทำลายล้างอันน่าสยดสยองและการเสียชีวิตของประชากรส่วนใหญ่ ในสหภาพโซเวียต มีการสร้างและทดสอบอาวุธปรมาณูในปี พ.ศ. 2492

ระเบิดเอช

เป็นอาวุธที่มีพลังทำลายล้างสูงมาก หลักการทำงานของมันขึ้นอยู่กับการสังเคราะห์นิวเคลียสฮีเลียมที่หนักกว่าจากอะตอมไฮโดรเจนที่เบากว่า สิ่งนี้จะปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา ปฏิกิริยานี้คล้ายกับกระบวนการที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้ไอโซโทปของไฮโดรเจน (ทริเทียม ดิวทีเรียม) และลิเธียม

ชาวอเมริกันทดสอบหัวรบไฮโดรเจนครั้งแรกในปี 1952 ในความเข้าใจสมัยใหม่ อุปกรณ์นี้แทบจะเรียกได้ว่าเป็นระเบิดเลยทีเดียว เป็นอาคารสามชั้นที่เต็มไปด้วยดิวทีเรียมเหลว การระเบิดของระเบิดไฮโดรเจนครั้งแรกในสหภาพโซเวียตเกิดขึ้นหกเดือนต่อมา อาวุธนิวเคลียร์แสนสาหัสของโซเวียต RDS-6 ถูกจุดชนวนในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2496 ใกล้กับเมืองเซมิพาลาตินสค์ สหภาพโซเวียตทดสอบระเบิดไฮโดรเจนที่ใหญ่ที่สุดด้วยผลผลิต 50 เมกะตัน (ซาร์บอมบา) ในปี 2504 คลื่นหลังจากการระเบิดของกระสุนวนรอบโลกสามครั้ง

ในวันครบรอบปีถัดไปของ badabum ที่ฮิโรชิมาและนางาซากิ ฉันตัดสินใจค้นหาอินเทอร์เน็ตเกี่ยวกับคำถามเกี่ยวกับอาวุธนิวเคลียร์ ซึ่งเหตุใดและอย่างไรจึงถูกสร้างขึ้นมานั้นทำให้ฉันสนใจเพียงเล็กน้อย (ฉันรู้แล้ว) - ฉันสนใจมากขึ้นว่า 2 ชิ้นส่วนของพลูโตเนียมไม่ละลายแต่ทำให้เกิดการระเบิดครั้งใหญ่

จับตาดูวิศวกร - พวกเขาเริ่มต้นด้วยเครื่องหยอดเมล็ดและจบลงด้วยระเบิดปรมาณู

ฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นหนึ่งในสาขาที่มีการถกเถียงกันมากที่สุดในสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่มีชื่อเสียง ในบริเวณนี้เองที่มนุษยชาติทุ่มเงินหลายพันล้านดอลลาร์ ปอนด์ ฟรังก์ และรูเบิลมาเป็นเวลาครึ่งศตวรรษ เหมือนกับการโยนเข้าไปในเตาหัวรถจักรของรถไฟสายหนึ่ง ตอนนี้รถไฟดูเหมือนจะไม่สายอีกต่อไป เปลวไฟที่โหมกระหน่ำของเงินทุนที่ลุกไหม้และเวลาทำงานลดลง ลองคิดสั้น ๆ ว่ารถไฟประเภทใดที่เรียกว่า "ฟิสิกส์นิวเคลียร์"

ไอโซโทปและกัมมันตภาพรังสี

ดังที่คุณทราบ ทุกสิ่งที่มีอยู่ประกอบด้วยอะตอม ในทางกลับกัน อะตอมก็ประกอบด้วยเปลือกอิเล็กตรอนที่อาศัยอยู่ตามกฎอันน่าเหลือเชื่อและนิวเคลียส เคมีคลาสสิกไม่สนใจนิวเคลียสและชีวิตส่วนตัวของมันเลย สำหรับเธอ อะตอมคืออิเล็กตรอนและความสามารถในการแลกเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์กัน และจากนิวเคลียสเคมี คุณเพียงต้องการมวลของมันเพื่อคำนวณสัดส่วนของรีเอเจนต์ ในทางกลับกัน ฟิสิกส์นิวเคลียร์ไม่สนใจอิเล็กตรอน เธอสนใจจุดฝุ่นเล็กๆ (เล็กกว่ารัศมีวงโคจรอิเล็กตรอน 100,000 เท่า) ภายในอะตอม ซึ่งมีมวลเกือบทั้งหมดมีความเข้มข้น

เรารู้อะไรเกี่ยวกับนิวเคลียส? ใช่ ประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนที่มีประจุบวกซึ่งไม่มีประจุไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม นี่ไม่เป็นความจริงทั้งหมด แกนกลางไม่ใช่ลูกบอลสองสีจำนวนหนึ่ง ดังภาพประกอบจากหนังสือเรียนของโรงเรียน มีกฎที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในการทำงานที่นี่เรียกว่าปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง ซึ่งเปลี่ยนทั้งโปรตอนและนิวตรอนให้กลายเป็นความยุ่งเหยิงที่แยกไม่ออก อย่างไรก็ตาม ประจุของสารนี้เท่ากับประจุรวมของโปรตอนที่อยู่ในนั้นทุกประการ และมวลเกือบจะ (ฉันขอย้ำว่าเกือบ) เกิดขึ้นพร้อมกับมวลของนิวตรอนและโปรตอนที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียส

อย่างไรก็ตาม จำนวนโปรตอนของอะตอมที่ไม่แตกตัวเป็นไอออนมักจะเกิดขึ้นพร้อมกับจำนวนอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบอะตอมนั้นเสมอ แต่สำหรับนิวตรอนแล้ว เรื่องมันไม่ง่ายอย่างนั้น พูดอย่างเคร่งครัด หน้าที่ของนิวตรอนคือทำให้นิวเคลียสเสถียร เนื่องจากหากไม่มีโปรตอนที่มีประจุคล้ายกันก็จะไม่สามารถรวมตัวกันได้แม้แต่เสี้ยววินาที

ลองใช้ไฮโดรเจนเพื่อความแน่นอน ไฮโดรเจนที่พบมากที่สุด โครงสร้างของมันเรียบง่ายอย่างน่าขัน โดยมีโปรตอนหนึ่งตัวล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนในวงโคจรหนึ่งตัว มีไฮโดรเจนมากมายในจักรวาล เราสามารถพูดได้ว่าจักรวาลประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่

ทีนี้มาเพิ่มนิวตรอนให้กับโปรตอนอย่างระมัดระวัง จากมุมมองทางเคมี มันก็ยังคงเป็นไฮโดรเจน แต่จากมุมมองของฟิสิกส์ไม่มีอีกต่อไป เมื่อค้นพบไฮโดรเจนที่แตกต่างกันสองตัวนักฟิสิกส์ก็เริ่มกังวลและเกิดความคิดที่จะเรียกไฮโดรเจนโปรเทียมธรรมดาและไฮโดรเจนด้วยนิวตรอนที่โปรตอน - ดิวทีเรียม

เรามากล้าหาญและป้อนนิวตรอนอีกตัวเข้าสู่นิวเคลียสกันดีกว่า ตอนนี้เรามีไฮโดรเจนอีกตัวหนึ่งซึ่งหนักกว่านั้นคือไอโซโทป อีกครั้ง จากมุมมองทางเคมี ในทางปฏิบัติแล้ว มันไม่ต่างจากไฮโดรเจนอีกสองตัวอื่นเลย (ยกเว้นว่าตอนนี้มันจะตอบสนองน้อยลงเล็กน้อยทันที) ฉันต้องการเตือนคุณทันที ไม่มีความพยายาม การคุกคาม หรือการโน้มน้าวใจสักเท่าไรที่จะสามารถเพิ่มนิวตรอนอีกตัวเข้าไปในนิวเคลียสของไอโซโทปได้ กฎหมายท้องถิ่นเข้มงวดกว่ามนุษย์มาก

ดังนั้นโปรเทียม ดิวทีเรียม และทริเทียม จึงเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน มวลอะตอมต่างกัน แต่ประจุไม่ต่างกัน แต่มันเป็นประจุของนิวเคลียสที่กำหนดตำแหน่งในตารางธาตุ นั่นเป็นสาเหตุที่ไอโซโทปถูกเรียกว่าไอโซโทป แปลจากภาษากรีกแปลว่า "ครอบครองที่เดียวกัน" อย่างไรก็ตาม น้ำหนักที่รู้จักกันดีคือน้ำชนิดเดียวกัน แต่มีอะตอมดิวเทอเรียมสองอะตอมแทนที่จะเป็นโปรเทียม ดังนั้นน้ำที่มีน้ำหนักยิ่งยวดจึงมีไอโซโทปแทนโปรเทียม

เรามาดูไฮโดรเจนของเรากันอีกครั้ง ดังนั้น... โพรเทียมก็เข้าที่ ดิวทีเรียมก็เข้าที่... นี่ใครอีกล่ะ? ไอโซโทปของฉันไปอยู่ที่ไหนและฮีเลียม-3 มาจากไหน? ในไอโซโทปของเรานิวตรอนตัวหนึ่งเบื่ออย่างเห็นได้ชัดจึงตัดสินใจเปลี่ยนอาชีพและกลายเป็นโปรตอน ในการทำเช่นนั้น มันทำให้เกิดอิเล็กตรอนและแอนตินิวตริโน แน่นอนว่าการสูญเสียไอโซโทปเป็นเรื่องที่น่าผิดหวัง แต่ตอนนี้เรารู้แล้วว่ามันไม่เสถียร การป้อนนิวตรอนไม่ได้ไร้ผล

ตามที่คุณเข้าใจ ไอโซโทปมีความเสถียรและไม่เสถียร มีไอโซโทปเสถียรอยู่มากมายรอบตัวเรา แต่ขอบคุณพระเจ้า ในทางปฏิบัติแล้วไม่มีไอโซโทปที่ไม่เสถียรเลย นั่นคือพวกมันมีอยู่จริง แต่อยู่ในสภาพที่กระจัดกระจายจนต้องได้มันมาด้วยค่าแรงมหาศาล ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียม-235 ซึ่งสร้างปัญหามากมายให้กับออพเพนไฮเมอร์ คิดเป็นสัดส่วนเพียง 0.7% ของยูเรเนียมธรรมชาติ

ครึ่งชีวิต

ทุกอย่างเรียบง่ายที่นี่ ครึ่งชีวิตของไอโซโทปที่ไม่เสถียรคือช่วงเวลาที่อะตอมของไอโซโทปครึ่งหนึ่งจะสลายตัวและกลายเป็นอะตอมอื่น ไอโซโทปที่เราคุ้นเคยอยู่แล้วมีครึ่งชีวิต 12.32 ปี นี่เป็นไอโซโทปที่ค่อนข้างสั้น แม้ว่าเมื่อเทียบกับแฟรนเซียม-223 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 22.3 นาที ไอโซโทปจะดูเหมือนผู้เฒ่ามีหนวดเคราสีเทา

ไม่มีปัจจัยภายนอกที่มองเห็นด้วยตาเปล่า (ความดัน อุณหภูมิ ความชื้น อารมณ์ของผู้วิจัย จำนวนการจัดสรร ตำแหน่งของดวงดาว) ส่งผลกระทบต่อครึ่งชีวิต กลศาสตร์ควอนตัมไม่มีความรู้สึกต่อเรื่องไร้สาระเช่นนั้น

กลไกการระเบิดยอดนิยม

แก่นแท้ของการระเบิดใดๆ ก็ตามคือการปลดปล่อยพลังงานอย่างรวดเร็วซึ่งก่อนหน้านี้อยู่ในสถานะที่ไม่เป็นอิสระและถูกผูกมัด พลังงานที่ปล่อยออกมาจะกระจายไปโดยส่วนใหญ่จะกลายเป็นความร้อน (พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่ไม่เป็นระเบียบ) คลื่นกระแทก (ที่นี่ก็มีการเคลื่อนไหวเช่นกัน แต่ได้รับคำสั่งแล้วในทิศทางจากศูนย์กลางของการระเบิด) และการแผ่รังสี - จาก อินฟราเรดอ่อนไปจนถึงควอนตัมคลื่นสั้นแบบแข็ง

ในการระเบิดทางเคมี ทุกอย่างค่อนข้างง่าย ปฏิกิริยาที่เป็นประโยชน์อย่างมีพลังเกิดขึ้นเมื่อสารบางชนิดมีปฏิกิริยาต่อกัน มีเพียงชั้นอิเล็กทรอนิกส์ส่วนบนของอะตอมบางอะตอมเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา และปฏิสัมพันธ์ไม่ได้ลึกลงไปอีก เป็นเรื่องง่ายที่จะเดาได้ว่ามีพลังงานที่ซ่อนอยู่ในสสารใด ๆ มากกว่านั้นมาก แต่ไม่ว่าเงื่อนไขของการทดลองจะเป็นอย่างไร ไม่ว่าเราจะเลือกรีเอเจนต์ได้สำเร็จแค่ไหน ไม่ว่าเราจะตรวจสอบสัดส่วนอย่างไร เคมีก็จะไม่ยอมให้เราเจาะลึกเข้าไปในอะตอมมากขึ้น การระเบิดทางเคมีเป็นปรากฏการณ์ดึกดำบรรพ์ ไม่ได้ผล และจากมุมมองของฟิสิกส์ ถือว่าอ่อนแออย่างไม่เหมาะสม

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ช่วยให้คุณเจาะลึกลงไปอีกเล็กน้อย ไม่เพียงแต่นำอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงนิวเคลียสด้วย สิ่งนี้ฟังดูสำคัญจริงๆ บางทีสำหรับนักฟิสิกส์เท่านั้น แต่สำหรับส่วนที่เหลือฉันจะให้การเปรียบเทียบง่ายๆ ลองนึกภาพน้ำหนักมหาศาลที่มีอนุภาคฝุ่นที่ถูกประจุไฟฟ้ากระพืออยู่รอบๆ เป็นระยะทางหลายกิโลเมตร นี่คืออะตอม “น้ำหนัก” คือนิวเคลียส และ “อนุภาคฝุ่น” คืออิเล็กตรอน ไม่ว่าคุณจะทำอะไรกับจุดฝุ่นเหล่านี้ มันจะไม่สามารถให้พลังงานได้แม้แต่หนึ่งในร้อยของพลังงานที่สามารถได้รับจากน้ำหนักที่หนักมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้ามันแยกออกด้วยเหตุผลบางประการและชิ้นส่วนขนาดใหญ่กระจัดกระจายไปในทิศทางต่าง ๆ ด้วยความเร็วสูง

การระเบิดของนิวเคลียร์เกี่ยวข้องกับศักยภาพในการจับตัวของอนุภาคหนักที่ประกอบกันเป็นนิวเคลียส แต่นี่ยังห่างไกลจากขีดจำกัด: ยังมีพลังงานที่ซ่อนอยู่ในสสารอีกมาก และชื่อของพลังงานนี้คือมวล ขอย้ำอีกครั้งว่านี่อาจฟังดูผิดปกติเล็กน้อยสำหรับผู้ที่ไม่ใช่นักฟิสิกส์ แต่มวลก็คือพลังงาน ซึ่งมีความเข้มข้นสูงมากเท่านั้น แต่ละอนุภาค: อิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน - ทั้งหมดนี้คือกลุ่มเล็ก ๆ ของพลังงานหนาแน่นอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งในขณะนี้ยังคงอยู่นิ่ง ๆ คุณคงรู้จักสูตร E=mc2 ซึ่งเป็นที่ชื่นชอบของนักเขียนตลก บรรณาธิการหนังสือพิมพ์ติดผนัง และผู้ตกแต่งห้องเรียนในโรงเรียน นี่คือสิ่งที่เป็นอยู่จริงๆ และเป็นสิ่งที่ทำให้มวลเป็นเพียงพลังงานรูปแบบหนึ่งเท่านั้น และยังให้คำตอบสำหรับคำถามว่าสามารถรับพลังงานจากสารได้สูงสุดเท่าใด

กระบวนการเปลี่ยนมวลโดยสมบูรณ์ซึ่งก็คือพลังงานที่ถูกผูกไว้เป็นพลังงานอิสระเรียกว่าการทำลายล้าง จากรากศัพท์ภาษาละติน "nihil" มันง่ายที่จะคาดเดาแก่นแท้ของมัน - นี่คือการเปลี่ยนแปลงเป็น "ไม่มีอะไร" หรือค่อนข้างจะเป็นรังสี เพื่อความชัดเจน นี่คือตัวเลขบางส่วน

การระเบิด TNT เทียบเท่าพลังงาน (J)

ระเบิดมือ F-1 60 กรัม 2.50*105

ระเบิดที่ฮิโรชิมา 16 กิโลตัน 6.70*1013

การทำลายสสารหนึ่งกรัม 21.5 กิโลตัน 8.99*1013

สสารหนึ่งกรัม (มวลเท่านั้นที่สำคัญ) เมื่อถูกทำลายจะให้พลังงานมากกว่าระเบิดนิวเคลียร์ลูกเล็ก เมื่อเปรียบเทียบกับผลตอบแทนดังกล่าว แบบฝึกหัดของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับการแยกตัวของนิวเคลียร์ และยิ่งกว่านั้น การทดลองของนักเคมีด้วยรีเอเจนต์ที่ออกฤทธิ์นั้นดูไร้สาระ

ในการทำลายล้างจำเป็นต้องมีเงื่อนไขที่เหมาะสม กล่าวคือ การสัมผัสสสารกับปฏิสสาร และแตกต่างจาก "ปรอทสีแดง" หรือ "ศิลาอาถรรพ์" ปฏิสสารนั้นมีมากกว่าของจริง - สำหรับอนุภาคที่เรารู้จัก มีปฏิปักษ์ที่คล้ายกันอยู่และได้รับการศึกษาแล้ว และการทดลองในการทำลายล้างคู่ "อิเล็กตรอน + โพซิตรอน" ซ้ำแล้วซ้ำเล่า ดำเนินการในทางปฏิบัติ แต่เพื่อที่จะสร้างอาวุธทำลายล้าง จำเป็นต้องรวบรวมปฏิปักษ์ในปริมาณที่มีนัยสำคัญไว้ด้วยกัน และจำกัดไม่ให้พวกมันสัมผัสกับสสารใด ๆ จนถึงการใช้การต่อสู้ในความเป็นจริง นี่ ปะ ปะ ยังคงเป็นโอกาสที่ห่างไกล

ข้อบกพร่องมวล

คำถามสุดท้ายที่ยังต้องเข้าใจเกี่ยวกับกลไกของการระเบิดคือพลังงานมาจากไหน คำถามเดียวกับที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยาลูกโซ่ มีมวลชนเข้ามาเกี่ยวข้องอีกครั้งที่นี่ หรือค่อนข้างไม่มี "ข้อบกพร่อง"

จนกระทั่งถึงศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามวลจะถูกอนุรักษ์ไว้ภายใต้เงื่อนไขใดๆ ก็ตาม และพวกมันก็ถูกต้องในแบบของตัวเอง ดังนั้นเราจึงลดโลหะลงในกรด - มันเริ่มเกิดฟองในการรีทอร์ตและฟองก๊าซก็พุ่งขึ้นผ่านความหนาของของเหลว แต่ถ้าคุณชั่งน้ำหนักรีเอเจนต์ก่อนและหลังปฏิกิริยา โดยไม่ลืมก๊าซที่ปล่อยออกมา มวลก็จะมาบรรจบกัน และจะเป็นเช่นนี้เสมอตราบใดที่เราทำงานด้วยปฏิกิริยากิโลกรัม เมตร และปฏิกิริยาเคมี

แต่ทันทีที่คุณเจาะลึกเข้าไปในสาขาอนุภาคขนาดเล็ก มวลก็นำมาซึ่งความประหลาดใจเช่นกัน ปรากฎว่ามวลของอะตอมอาจไม่เท่ากับผลรวมของมวลของอนุภาคที่ประกอบกันเป็นอะตอม เมื่อนิวเคลียสหนัก (เช่น ยูเรเนียม) ถูกแบ่งออกเป็นส่วนๆ “ชิ้นส่วน” จะมีน้ำหนักรวมน้อยกว่านิวเคลียสก่อนเกิดฟิชชัน “ความแตกต่าง” หรือที่เรียกว่าข้อบกพร่องมวล มีหน้าที่รับผิดชอบต่อพลังงานที่ยึดเหนี่ยวภายในนิวเคลียส และความแตกต่างนี้ก็คือความร้อนและการแผ่รังสีระหว่างการระเบิด ทั้งหมดนี้เป็นไปตามสูตรง่ายๆ เดียวกัน: E=mc2

สิ่งนี้น่าสนใจ: มันบังเอิญว่าการแบ่งนิวเคลียสหนักและรวมนิวเคลียสที่เบาเข้าด้วยกันนั้นมีข้อได้เปรียบอย่างแข็งขัน กลไกแรกทำงานในระเบิดยูเรเนียมหรือพลูโทเนียม ส่วนกลไกที่สองทำงานในระเบิดไฮโดรเจน แต่คุณไม่สามารถสร้างระเบิดจากเหล็กได้ ไม่ว่าคุณจะพยายามแค่ไหนก็ตาม มันอยู่ตรงกลางเส้นนี้พอดี

ระเบิดนิวเคลียร์

ตามลำดับประวัติศาสตร์ ก่อนอื่นมาพิจารณาระเบิดนิวเคลียร์และดำเนิน "โครงการแมนฮัตตัน" เล็กๆ ของเรา ฉันจะไม่ทำให้คุณเบื่อกับวิธีการแยกไอโซโทปที่น่าเบื่อและการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของทฤษฎีปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน คุณและฉันมียูเรเนียม พลูโทเนียม วัสดุอื่นๆ คำแนะนำในการประกอบ และความอยากรู้อยากเห็นทางวิทยาศาสตร์ในปริมาณที่จำเป็น

ไอโซโทปของยูเรเนียมทั้งหมดไม่เสถียรในระดับหนึ่งหรืออย่างอื่น แต่ยูเรเนียม-235 อยู่ในตำแหน่งพิเศษ ในระหว่างการสลายตัวที่เกิดขึ้นเองของนิวเคลียสยูเรเนียม-235 (เรียกอีกอย่างว่าการสลายตัวของอัลฟา) จะมีการสร้างชิ้นส่วนสองชิ้น (นิวเคลียสขององค์ประกอบอื่นที่เบากว่ามาก) และนิวตรอนหลายตัว (ปกติ 2-3) หากนิวตรอนก่อตัวขึ้นระหว่างการสลายตัวชนนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียมอื่น จะเกิดการชนแบบยืดหยุ่นตามปกติ นิวตรอนจะกระเด็นออกมาและค้นหาการผจญภัยต่อไป แต่หลังจากผ่านไประยะหนึ่งมันจะสิ้นเปลืองพลังงาน (การชนแบบยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์แบบเกิดขึ้นเฉพาะกับม้าทรงกลมในสุญญากาศ) และนิวเคลียสถัดไปจะกลายเป็นกับดัก - นิวตรอนจะถูกดูดซับโดยมัน อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์เรียกสิ่งนี้ว่าความร้อนของนิวตรอน

ดูรายการไอโซโทปของยูเรเนียมที่รู้จัก ในหมู่พวกเขาไม่มีไอโซโทปที่มีมวลอะตอม 236 คุณรู้ไหมว่าทำไม? นิวเคลียสดังกล่าวมีชีวิตอยู่เพียงเศษเสี้ยวไมโครวินาทีแล้วสลายตัว ปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา นี่เรียกว่าการสลายแบบบังคับ มันเป็นเรื่องที่น่าอึดอัดใจที่จะเรียกไอโซโทปที่มีอายุการใช้งานเช่นนี้ว่าไอโซโทป

พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัวของนิวเคลียสยูเรเนียม-235 คือพลังงานจลน์ของชิ้นส่วนและนิวตรอน หากคุณคำนวณมวลรวมของผลิตภัณฑ์สลายตัวของนิวเคลียสยูเรเนียมแล้วเปรียบเทียบกับมวลของนิวเคลียสดั้งเดิมปรากฎว่ามวลเหล่านี้ไม่ตรงกัน - นิวเคลียสดั้งเดิมมีขนาดใหญ่กว่า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าข้อบกพร่องมวล และคำอธิบายมีอยู่ในสูตร E0=mс2 พลังงานจลน์ของชิ้นส่วนที่หารด้วยกำลังสองของความเร็วแสงจะเท่ากับผลต่างมวลอย่างแน่นอน ชิ้นส่วนต่างๆ จะถูกชะลอลงในโครงผลึกของยูเรเนียม ทำให้เกิดรังสีเอกซ์ และนิวตรอนที่เคลื่อนที่ไปจะถูกดูดซับโดยนิวเคลียสของยูเรเนียมอื่น หรือออกจากการหล่อยูเรเนียม ซึ่งเป็นที่ที่เหตุการณ์ทั้งหมดเกิดขึ้น

หากการหล่อยูเรเนียมมีขนาดเล็ก นิวตรอนส่วนใหญ่จะหลุดออกไปโดยไม่มีเวลาชะลอความเร็ว แต่ถ้าแต่ละการกระทำของการสลายแบบบังคับทำให้เกิดการกระทำที่คล้ายกันอีกอย่างน้อยหนึ่งครั้งเนื่องจากนิวตรอนที่ปล่อยออกมา นี่ถือเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ของฟิชชันที่ยั่งยืนในตัวเองอยู่แล้ว

ดังนั้น หากคุณเพิ่มขนาดของการหล่อ จำนวนนิวตรอนที่เพิ่มขึ้นจะทำให้เกิดการฟิชชันแบบบังคับ และเมื่อถึงจุดหนึ่งปฏิกิริยาลูกโซ่ก็จะควบคุมไม่ได้ แต่นี่ยังห่างไกลจากการระเบิดของนิวเคลียร์ เป็นเพียงการระเบิดจากความร้อนที่ "สกปรก" ซึ่งจะปล่อยไอโซโทปที่มีฤทธิ์และเป็นพิษจำนวนมากออกมา

คำถามเชิงตรรกะก็คือ ต้องใช้ยูเรเนียม-235 เท่าใดเพื่อให้ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันกลายเป็นหิมะถล่ม จริงๆ แล้วมันไม่ง่ายขนาดนั้น คุณสมบัติของวัสดุฟิสไซล์และอัตราส่วนปริมาตรต่อพื้นผิวมีบทบาทที่นี่ ลองนึกภาพยูเรเนียม-235 ตัน (ฉันจะจองทันที - เยอะมาก) ซึ่งมีอยู่ในรูปของลวดเส้นเล็กและยาวมาก ใช่แล้ว นิวตรอนที่บินไปตามนั้นแน่นอนว่าจะทำให้เกิดการสลายแบบบังคับ แต่เศษของนิวตรอนที่บินไปตามเส้นลวดจะมีน้อยมากจนเป็นเรื่องไร้สาระที่จะพูดถึงปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนในตัวเอง

ดังนั้นเราจึงตกลงที่จะคำนวณมวลวิกฤตสำหรับการหล่อทรงกลม สำหรับยูเรเนียม-235 บริสุทธิ์ มวลวิกฤติคือ 50 กก. (นี่คือลูกบอลที่มีรัศมี 9 ซม.) คุณเข้าใจว่าลูกบอลดังกล่าวจะอยู่ได้ไม่นาน แต่คนที่โยนก็เช่นกัน

ถ้าลูกบอลที่มีมวลน้อยกว่าถูกล้อมรอบด้วยตัวสะท้อนนิวตรอน (เบริลเลียมเหมาะสำหรับมัน) และนำวัสดุตัวหน่วงนิวตรอน (น้ำ, น้ำหนัก, กราไฟต์, เบริลเลียมชนิดเดียวกัน) เข้าไปในลูกบอล มวลวิกฤตก็จะกลายเป็นมาก เล็กกว่า ด้วยการใช้ตัวสะท้อนแสงและตัวหน่วงนิวตรอนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด มวลวิกฤตจะเพิ่มขึ้นเป็น 250 กรัม ตัวอย่างเช่น สามารถทำได้โดยการวางสารละลายเกลือยูเรเนียม-235 ที่อิ่มตัวในน้ำหนักในภาชนะเบริลเลียมทรงกลม

มวลวิกฤตไม่ได้มีเฉพาะในยูเรเนียม-235 เท่านั้น นอกจากนี้ยังมีไอโซโทปจำนวนหนึ่งที่สามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันได้ เงื่อนไขหลักคือผลผลิตที่สลายตัวของนิวเคลียสจะต้องทำให้เกิดการสลายตัวของนิวเคลียสอื่น

เรามีการหล่อยูเรเนียมครึ่งทรงกลมสองอัน ซึ่งแต่ละอันมีน้ำหนัก 40 กก. ตราบใดที่พวกเขาอยู่ห่างจากกันอย่างเคารพนับถือ ทุกอย่างก็จะสงบ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณเริ่มเคลื่อนย้ายพวกมันช้าๆ? ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่นิยม จะไม่มีอะไรที่เหมือนเห็ดเกิดขึ้น เพียงแต่ว่าชิ้นส่วนต่างๆ จะเริ่มร้อนขึ้นเมื่อเข้ามาใกล้ และหากคุณไม่รู้สึกตัวทันเวลา ชิ้นส่วนก็จะร้อนแดง ในที่สุดพวกมันก็จะละลายและแพร่กระจาย และทุกคนที่เคลื่อนย้ายการหล่อจะตายจากการฉายรังสีนิวตรอน และผู้ที่สนใจชมเรื่องนี้จะติดครีบกันเลยทีเดียว

เกิดอะไรขึ้นถ้ามันเร็วกว่า? พวกเขาจะละลายเร็วขึ้น เร็วขึ้นอีกเหรอ? พวกเขาจะละลายเร็วขึ้นอีก เย็น? แม้ว่าคุณจะใส่ฮีเลียมเหลวลงไป มันก็ไม่ได้ผลอะไร จะเป็นอย่างไรถ้าคุณยิงชิ้นหนึ่งใส่อีกชิ้นหนึ่ง? เกี่ยวกับ! ช่วงเวลาแห่งความจริง เราเพิ่งคิดการออกแบบปืนใหญ่ยูเรเนียมขึ้นมา อย่างไรก็ตาม เราไม่มีอะไรน่าภาคภูมิใจเป็นพิเศษ โครงการนี้ง่ายที่สุดและไร้ศิลปะที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ใช่แล้ว และซีกโลกจะต้องถูกละทิ้งไป ดังที่แสดงให้เห็นแล้วว่า พวกมันไม่ได้ติดกันอย่างราบรื่น การบิดเบือนน้อยที่สุด - และคุณจะได้รับ "ผายลม" ที่มีราคาแพงมากหลังจากนั้นคุณจะต้องทำความสะอาดเป็นเวลานาน

จะดีกว่าถ้าสร้างท่อยูเรเนียม-235 ที่มีกำแพงหนาสั้นและมีมวล 30-40 กิโลกรัมที่ช่องเปิดซึ่งเราจะติดกระบอกเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงที่มีลำกล้องเดียวกันซึ่งชาร์จด้วยกระบอกสูบขนาดเดียวกัน ยูเรเนียมที่มีมวลประมาณเท่ากัน มาล้อมรอบเป้าหมายยูเรเนียมด้วยตัวสะท้อนแสงนิวตรอนเบริลเลียมกันดีกว่า ตอนนี้ ถ้าคุณยิง "กระสุน" ยูเรเนียมไปที่ "ท่อ" ยูเรเนียม "ท่อ" จะเต็ม นั่นคือจะมีการระเบิดของนิวเคลียร์ คุณเพียงแค่ต้องยิงอย่างจริงจัง เพื่อให้ความเร็วปากกระบอกปืนของกระสุนยูเรเนียมอยู่ที่อย่างน้อย 1 กม./วินาที ไม่งั้นจะตดอีกแต่ดังขึ้น ความจริงก็คือเมื่อโพรเจกไทล์และเป้าหมายเข้าใกล้กัน พวกมันจะร้อนขึ้นมากจนเริ่มระเหยออกจากพื้นผิวอย่างเข้มข้น และช้าลงด้วยการไหลของก๊าซที่กำลังจะมาถึง ยิ่งกว่านั้นหากความเร็วไม่เพียงพอก็มีโอกาสที่กระสุนปืนจะไม่ไปถึงเป้าหมาย แต่จะระเหยไปตามทาง

การเร่งความเร็วที่ว่างเปล่าซึ่งมีน้ำหนักหลายสิบกิโลกรัมด้วยความเร็วดังกล่าวและในระยะทางสองสามเมตรถือเป็นงานที่ยากมาก นั่นคือเหตุผลที่คุณไม่จำเป็นต้องใช้ดินปืน แต่เป็นวัตถุระเบิดที่ทรงพลังที่สามารถสร้างแรงดันก๊าซที่เหมาะสมในถังได้ในเวลาอันสั้น และคุณไม่จำเป็นต้องทำความสะอาดถังในภายหลังไม่ต้องกังวล

ระเบิด Mk-I "Little Boy" ที่ทิ้งลงที่ฮิโรชิมาได้รับการออกแบบตามการออกแบบปืนใหญ่ทุกประการ

แน่นอนว่ามีรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ที่เราไม่ได้คำนึงถึงในโครงการของเรา แต่เราไม่ได้ทำบาปต่อหลักการเลย

ดังนั้น. เราจุดชนวนระเบิดยูเรเนียม เราชื่นชมเห็ด ตอนนี้เราจะระเบิดพลูโตเนียม อย่าลากเป้าหมาย กระสุนปืน กระบอกปืน และขยะอื่นๆ มาที่นี่ เคล็ดลับนี้ใช้ไม่ได้กับพลูโตเนียม แม้ว่าเราจะยิงชิ้นหนึ่งไปยังอีกชิ้นหนึ่งด้วยความเร็ว 5 กม./วินาที แต่การประกอบที่วิกฤตยิ่งยวดก็ยังไม่ทำงาน พลูโทเนียม-239 จะมีเวลาในการทำให้ร้อน ระเหย และทำลายทุกสิ่งรอบตัว มวลวิกฤติของมันคือมากกว่า 6 กิโลกรัมเล็กน้อย คุณคงจินตนาการได้ว่ามันจะมีความว่องไวมากขึ้นเพียงใดในแง่ของการจับนิวตรอน

พลูโตเนียมเป็นโลหะที่ผิดปกติ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และสิ่งสกปรก มีอยู่ในการปรับเปลี่ยนโครงตาข่ายคริสตัลหกแบบ มีการดัดแปลงให้หดตัวเมื่อถูกความร้อนด้วยซ้ำ การเปลี่ยนจากระยะหนึ่งไปอีกระยะหนึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ทันทีในขณะที่ความหนาแน่นของพลูโทเนียมสามารถเปลี่ยนแปลงได้ 25% เรามาแวะเวียนเช่นเดียวกับฮีโร่ทั่วไป ให้เราจำไว้ว่ามวลวิกฤตถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของปริมาตรต่อพื้นผิวโดยเฉพาะ โอเค เรามีลูกบอลที่มีมวลต่ำกว่าวิกฤตซึ่งมีพื้นที่ผิวต่ำสุดสำหรับปริมาตรที่กำหนด สมมุติว่า 6 กิโลกรัม. รัศมีของลูกบอลอยู่ที่ 4.5 ซม. แล้วถ้าลูกบอลนี้ถูกอัดจากทุกด้านล่ะ? ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของกำลังสามของการบีบอัดเชิงเส้น และพื้นผิวจะลดลงตามสัดส่วนของกำลังสอง และนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น: อะตอมพลูโทเนียมจะมีความหนาแน่นมากขึ้นนั่นคือระยะหยุดของนิวตรอนจะสั้นลงซึ่งหมายความว่าความน่าจะเป็นของการดูดซับจะเพิ่มขึ้น แต่ขอย้ำอีกครั้งว่าการบีบอัดด้วยความเร็วที่ต้องการ (ประมาณ 10 กม./วินาที) ยังคงใช้งานไม่ได้ ทางตัน? แต่ไม่มี.

ที่อุณหภูมิ 300°C ระยะเดลต้าที่เรียกว่าจะเริ่มต้นขึ้น ซึ่งเป็นระยะที่หลวมที่สุด ถ้าพลูโทเนียมเจือด้วยแกลเลียม ให้ความร้อนถึงอุณหภูมินี้ แล้วค่อยๆ ทำให้เย็นลง เฟสเดลต้าก็สามารถดำรงอยู่ได้ที่อุณหภูมิห้อง แต่มันจะไม่มั่นคง ที่ความกดอากาศสูง (ตามลำดับบรรยากาศนับหมื่น) การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันไปสู่เฟสอัลฟาที่มีความหนาแน่นมากจะเกิดขึ้น

เรามาวางลูกบอลพลูโตเนียมในลูกบอลกลวงขนาดใหญ่ (เส้นผ่านศูนย์กลาง 23 ซม.) และหนัก (120 กก.) ที่ทำจากยูเรเนียม-238 ไม่ต้องกังวล มันไม่มีมวลวิกฤต แต่มันสะท้อนนิวตรอนเร็วได้อย่างสมบูรณ์แบบ และมันยังจะมีประโยชน์ต่อเราอีก คิดว่าจะระเบิดไหม? ไม่ว่ามันจะเป็นอย่างไร พลูโตเนียมเป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่แน่นอน เราจะต้องทำงานเพิ่มเติม มาสร้างซีกโลกสองซีกจากพลูโทเนียมในระยะเดลต้ากัน เรามาสร้างโพรงทรงกลมตรงกลางกัน และในช่องนี้ เราจะวางแก่นสารของแนวคิดเกี่ยวกับอาวุธนิวเคลียร์ นั่นก็คือ ตัวริเริ่มนิวตรอน นี่คือลูกบอลเบริลเลียมกลวงขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 และความหนา 6 มม. ข้างในนั้นมีลูกบอลเบริลเลียมอีกลูกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. มีร่องลึกบนพื้นผิวด้านในของลูกกลวง ทั้งหมดนี้ชุบนิกเกิลและชุบทองอย่างไม่เห็นแก่ตัว Polonium-210 วางอยู่ในร่องซึ่งปล่อยอนุภาคอัลฟ่าออกมาอย่างแข็งขัน นี่เป็นความมหัศจรรย์ของเทคโนโลยี มันทำงานอย่างไร? รอสักครู่. เรายังมีบางสิ่งที่ต้องทำ

มาล้อมเปลือกยูเรเนียมด้วยอีกอันหนึ่งที่ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์พร้อมโบรอน ความหนาประมาณ 13 ซม. โดยรวมแล้ว "matryoshka" ของเรามีความหนาเพิ่มขึ้นถึงครึ่งเมตรและได้รับน้ำหนักจาก 6 เป็น 250 กก.

ทีนี้มาสร้าง "เลนส์" ระเบิดกัน ลองนึกภาพลูกฟุตบอล คลาสสิกประกอบด้วยรูปหกเหลี่ยม 20 รูปและรูปห้าเหลี่ยม 12 รูป เราจะสร้าง "ลูกบอล" จากวัตถุระเบิดและแต่ละส่วนจะติดตั้งเครื่องจุดระเบิดไฟฟ้าหลายตัว ความหนาของปล้องประมาณครึ่งเมตร ยังมีรายละเอียดปลีกย่อยอีกมากมายในการผลิต “เลนส์” แต่ถ้าเราอธิบายมัน ก็จะไม่มีที่ว่างเพียงพอสำหรับอย่างอื่น สิ่งสำคัญคือความแม่นยำสูงสุดของเลนส์ ข้อผิดพลาดเพียงเล็กน้อย - และชุดประกอบทั้งหมดจะถูกบดขยี้ด้วยการระเบิดของวัตถุระเบิด ขณะนี้ชุดประกอบทั้งหมดมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 เมตรครึ่ง และมีน้ำหนัก 2.5 ตัน การออกแบบเสร็จสิ้นโดยใช้วงจรไฟฟ้าซึ่งมีหน้าที่จุดระเบิดตามลำดับที่กำหนดอย่างเคร่งครัดด้วยความแม่นยำระดับไมโครวินาที

ทั้งหมด. ก่อนหน้าเราคือวงจรการระเบิดของพลูโตเนียม

และตอนนี้ - ส่วนที่น่าสนใจที่สุด

ในระหว่างการระเบิด วัตถุระเบิดจะบีบอัดชุดประกอบ และ "ตัวดัน" ที่เป็นอะลูมิเนียมจะป้องกันไม่ให้คลื่นระเบิดสลายตัวเข้าไปด้านในตามด้านหน้า เมื่อผ่านยูเรเนียมด้วยความเร็วสวนกลับประมาณ 12 กม./วินาที คลื่นอัดจะอัดแน่นทั้งยูเรเนียมและพลูโทเนียม พลูโตเนียมที่ความดันในบริเวณการบีบอัดตามลำดับบรรยากาศนับแสน (ผลจากการมุ่งหน้าระเบิด) จะกระโดดเข้าสู่เฟสอัลฟาทันที ภายใน 40 ไมโครวินาที การประกอบยูเรเนียม-พลูโทเนียมที่อธิบายไว้ ณ ที่นี้จะไม่เพียงกลายเป็นวิกฤตยิ่งยวดเท่านั้น แต่ยังมากกว่ามวลวิกฤตหลายเท่าอีกด้วย

เมื่อไปถึงตัวริเริ่ม คลื่นอัดจะบดขยี้โครงสร้างทั้งหมดจนกลายเป็นเสาหิน ในกรณีนี้ฉนวนทองคำ-นิกเกิลจะถูกทำลาย พอโลเนียม-210 จะทะลุเข้าไปในเบริลเลียมเนื่องจากการแพร่ อนุภาคอัลฟาที่ปล่อยออกมาและผ่านเบริลเลียมจะทำให้เกิดการไหลของนิวตรอนขนาดมหึมา ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันทั่วทั้งบริเวณ ปริมาตรของพลูโตเนียม และการไหลของนิวตรอน "เร็ว" ที่ทำให้เกิดการสลายตัวของพลูโทเนียมจะทำให้เกิดการระเบิดของยูเรเนียม-238 เสร็จแล้วเราได้เพาะเห็ดตัวที่สองแล้วไม่แย่ไปกว่าเห็ดตัวแรก

ตัวอย่างของการออกแบบการระเบิดของพลูโทเนียมคือระเบิด Mk-III "Fatman" ที่ทิ้งลงที่นางาซากิ

เทคนิคทั้งหมดที่อธิบายไว้ ณ ที่นี้จำเป็นเพื่อบังคับให้นิวเคลียสของอะตอมพลูโทเนียมจำนวนสูงสุดเกิดปฏิกิริยา ภารกิจหลักคือรักษาประจุให้อยู่ในสถานะกะทัดรัดให้นานที่สุดและป้องกันไม่ให้กระจายไปสู่เมฆพลาสมา ซึ่งปฏิกิริยาลูกโซ่จะหยุดทันที ที่นี่ ทุก ๆ ไมโครวินาทีที่ได้รับคือพลังงานที่เพิ่มขึ้นหนึ่งหรือสองกิโลตัน

ระเบิดแสนสาหัส

มีความเชื่อกันทั่วไปว่าระเบิดนิวเคลียร์เป็นฟิวส์สำหรับระเบิดแสนสาหัส โดยหลักการแล้วทุกอย่างซับซ้อนกว่ามาก แต่จับสาระสำคัญได้อย่างถูกต้อง อาวุธที่ใช้หลักการของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันทำให้สามารถบรรลุพลังการระเบิดซึ่งปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันไม่สามารถทำได้ไม่ว่าในกรณีใด แต่แหล่งพลังงานเดียวที่สามารถ "จุดชนวน" ปฏิกิริยาฟิวชันแสนสาหัสได้คือการระเบิดของนิวเคลียร์

จำได้ไหมว่าคุณและฉัน "ป้อน" นิวเคลียสไฮโดรเจนด้วยนิวตรอนอย่างไร ดังนั้น หากคุณพยายามเชื่อมต่อโปรตอนสองตัวเข้าด้วยกันด้วยวิธีนี้ ก็จะไม่มีอะไรทำงาน โปรตอนจะไม่เกาะติดกันเนื่องจากแรงผลักกันของคูลอมบ์ ไม่ว่าพวกมันจะบินออกจากกัน หรือเบต้าจะสลายตัว และโปรตอนตัวใดตัวหนึ่งจะกลายเป็นนิวตรอน แต่มีฮีเลียม-3 อยู่ ต้องขอบคุณนิวตรอนเดี่ยวซึ่งทำให้โปรตอนเข้ากันได้มากขึ้น

ตามหลักการ จากองค์ประกอบของนิวเคลียสฮีเลียม-3 เราสามารถสรุปได้ว่าค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะประกอบนิวเคลียสฮีเลียม-3 หนึ่งนิวเคลียสจากนิวเคลียสของโปรเทียมและดิวทีเรียม ตามทฤษฎีแล้ว นี่เป็นเรื่องจริง แต่ปฏิกิริยาดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ในส่วนลึกของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่และร้อนเท่านั้น ยิ่งไปกว่านั้น ในส่วนลึกของดวงดาว ฮีเลียมสามารถรวบรวมได้จากโปรตอนเพียงอย่างเดียว ทำให้บางส่วนกลายเป็นนิวตรอน แต่สิ่งเหล่านี้เป็นปัญหาเกี่ยวกับดาราศาสตร์ฟิสิกส์อยู่แล้ว และทางเลือกที่ทำได้สำหรับเราคือการรวมนิวเคลียสดิวเทอเรียมหรือดิวทีเรียมกับทริเทียมเข้าด้วยกัน

นิวเคลียร์ฟิวชันต้องมีเงื่อนไขเฉพาะอย่างหนึ่ง นี่เป็นอุณหภูมิที่สูงมาก (109 เคลวิน) มีเพียงพลังงานจลน์เฉลี่ยของนิวเคลียส 100 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์เท่านั้นที่พวกมันจะสามารถเข้าใกล้กันในระยะห่างที่ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเริ่มเอาชนะปฏิสัมพันธ์ของคูลอมบ์ได้

คำถามที่ถูกต้องตามกฎหมายอย่างสมบูรณ์ - ทำไมต้องรั้วสวนนี้? ความจริงก็คือในระหว่างการหลอมรวมของนิวเคลียสแสง พลังงานประมาณ 20 MeV จะถูกปล่อยออกมา แน่นอนว่าด้วยการบังคับฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม พลังงานนี้จึงมากกว่า 10 เท่า แต่มีข้อแม้อยู่ประการหนึ่ง - ด้วยเทคนิคที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ประจุยูเรเนียมที่มีกำลังถึง 1 เมกะตันจึงเป็นไปไม่ได้ แม้แต่ระเบิดพลูโตเนียมที่มีความก้าวหน้ากว่านั้น พลังงานที่ผลิตได้จะไม่เกิน 7-8 กิโลตันต่อพลูโทเนียมหนึ่งกิโลกรัม (โดยสูงสุดทางทฤษฎีคือ 18 กิโลตัน) และอย่าลืมว่านิวเคลียสของยูเรเนียมนั้นหนักกว่านิวเคลียสดิวทีเรียมเกือบ 60 เท่า หากเราพิจารณาผลผลิตพลังงานจำเพาะ ฟิวชั่นแสนสาหัสก็อยู่ข้างหน้าอย่างเห็นได้ชัด

และอีกอย่างหนึ่ง - สำหรับประจุแสนสาหัสไม่มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับมวลวิกฤต เขาไม่มีมัน อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อจำกัดอื่นๆ อยู่ แต่มีข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อจำกัดเหล่านี้ด้านล่าง

โดยหลักการแล้ว การเริ่มปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ในฐานะแหล่งกำเนิดนิวตรอนนั้นค่อนข้างง่าย การเปิดตัวเป็นแหล่งพลังงานนั้นยากกว่ามาก ที่นี่เรากำลังเผชิญกับสิ่งที่เรียกว่าเกณฑ์ลอว์สันซึ่งกำหนดประโยชน์ด้านพลังงานของปฏิกิริยาแสนสาหัส ถ้าผลคูณของความหนาแน่นของนิวเคลียสที่ทำปฏิกิริยาและเวลากักเก็บที่ระยะฟิวชันมากกว่า 1,014 วินาที/ซม.3 พลังงานที่ได้จากฟิวชันจะเกินกว่าพลังงานที่ป้อนเข้าสู่ระบบ

โปรแกรมเทอร์โมนิวเคลียร์ทั้งหมดทุ่มเทเพื่อให้บรรลุเกณฑ์นี้

การออกแบบระเบิดแสนสาหัสครั้งแรกที่เกิดขึ้นกับ Edward Teller เป็นสิ่งที่คล้ายกับความพยายามที่จะสร้างระเบิดพลูโทเนียมโดยใช้การออกแบบปืนใหญ่ นั่นคือทุกอย่างดูเหมือนจะถูกต้อง แต่ก็ไม่ได้ผล อุปกรณ์ของ "ซูเปอร์คลาสสิก" - ดิวทีเรียมเหลวซึ่งมีระเบิดพลูโทเนียมจุ่มอยู่ - เป็นแบบคลาสสิกจริงๆ แต่ก็ห่างไกลจากซุปเปอร์

ความคิดในการระเบิดประจุนิวเคลียร์ในดิวทีเรียมเหลวกลายเป็นจุดจบตั้งแต่แรกเริ่ม ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว พลังงานฟิวชันแสนสาหัสที่ส่งออกได้ไม่มากก็น้อยสามารถทำได้โดยการระเบิดประจุนิวเคลียร์ที่มีกำลัง 500 นอต และไม่จำเป็นต้องพูดถึงการบรรลุเกณฑ์ของลอว์สันเลย

ความคิดในการล้อมรอบประจุกระตุ้นนิวเคลียร์ด้วยชั้นของเชื้อเพลิงแสนสาหัสสลับกับยูเรเนียม-238 ในฐานะฉนวนความร้อนและเครื่องขยายสัญญาณการระเบิดก็เกิดขึ้นกับ Teller เช่นกัน และไม่ใช่แค่เขาเท่านั้น ระเบิดแสนสาหัสของโซเวียตลูกแรกถูกสร้างขึ้นอย่างแม่นยำตามการออกแบบนี้ หลักการนั้นค่อนข้างง่าย: ประจุนิวเคลียร์จะทำให้เชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์ร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ฟิวชันเริ่มต้นขึ้น และนิวตรอนเร็วที่เกิดขึ้นระหว่างฟิวชันจะระเบิดชั้นของยูเรเนียม-238 อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดยังคงเหมือนเดิม นั่นคือที่อุณหภูมิที่ตัวกระตุ้นนิวเคลียร์สามารถทำได้ มีเพียงส่วนผสมของดิวทีเรียมราคาถูกและไอโซโทปที่มีราคาแพงอย่างไม่น่าเชื่อเท่านั้นที่จะเข้าสู่ปฏิกิริยาฟิวชันได้

ต่อมาเทลเลอร์เกิดแนวคิดในการใช้สารประกอบลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์ วิธีแก้ปัญหานี้ทำให้สามารถละทิ้งภาชนะแช่แข็งที่มีดิวเทอเรียมเหลวซึ่งมีราคาแพงและไม่สะดวกได้ นอกจากนี้จากการฉายรังสีด้วยนิวตรอนลิเธียม -6 ก็ถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียมและไอโซโทปซึ่งเข้าสู่ปฏิกิริยาฟิวชันกับดิวเทอเรียม

ข้อเสียของโครงการนี้คือกำลังที่จำกัด - เชื้อเพลิงแสนสาหัสที่อยู่รอบไกปืนเพียงบางส่วนเท่านั้นที่มีเวลาในการเข้าสู่ปฏิกิริยาฟิวชัน ที่เหลือมีเท่าไรก็ลงท่อระบายน้ำ กำลังชาร์จสูงสุดที่ได้รับเมื่อใช้ "พัฟ" คือ 720 kt (ระเบิด British Orange Herald) เห็นได้ชัดว่านี่คือ "เพดาน"

เราได้พูดคุยเกี่ยวกับประวัติความเป็นมาของการพัฒนาโครงการ Teller-Ulam แล้ว ตอนนี้เรามาทำความเข้าใจรายละเอียดทางเทคนิคของวงจรนี้ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า "วงจรสองขั้นตอน" หรือ "วงจรการบีบอัดรังสี"

หน้าที่ของเราคือการให้ความร้อนแก่เชื้อเพลิงแสนสาหัสและเก็บไว้ในปริมาตรหนึ่งเพื่อให้เป็นไปตามเกณฑ์ของลอว์สัน นอกเหนือจากการออกกำลังกายแบบอเมริกันที่ใช้แผนการแช่แข็งแล้ว ขอให้เราใช้ลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์ที่เรารู้จักอยู่แล้วเป็นเชื้อเพลิงเทอร์โมนิวเคลียร์

เราจะเลือกยูเรเนียม-238 เป็นวัสดุบรรจุประจุเทอร์โมนิวเคลียร์ ภาชนะมีลักษณะเป็นทรงกระบอก ตามแกนของภาชนะเราจะวางแท่งทรงกระบอกที่ทำจากยูเรเนียม-235 ไว้ข้างในซึ่งมีมวลต่ำกว่าวิกฤต

หมายเหตุ: ระเบิดนิวตรอนซึ่งน่าตื่นเต้นในเวลานั้นเป็นแบบแผน Teller-Ulam แบบเดียวกัน แต่ไม่มีแท่งยูเรเนียมตามแนวแกนของภาชนะ ประเด็นก็คือเพื่อให้นิวตรอนเร็วไหลอย่างมีพลัง แต่เพื่อป้องกันการเผาไหม้เชื้อเพลิงแสนสาหัสทั้งหมดซึ่งจะกินนิวตรอน

เราจะเติมพื้นที่ว่างที่เหลือของคอนเทนเนอร์ด้วยลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์ วางภาชนะไว้ที่ปลายด้านหนึ่งของร่างระเบิดในอนาคต (ซึ่งจะเป็นระยะที่สอง) และอีกด้านหนึ่งเราจะติดตั้งประจุพลูโทเนียมธรรมดาที่มีกำลังหลายกิโลตัน (ระยะแรก) ระหว่างประจุนิวเคลียร์และเทอร์โมนิวเคลียร์ เราจะติดตั้งฉากกั้นที่ทำจากยูเรเนียม-238 ซึ่งจะป้องกันไม่ให้ลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์เกิดความร้อนก่อนเวลาอันควร มาเติมพื้นที่ว่างที่เหลืออยู่ในตัวระเบิดด้วยโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง โดยหลักการแล้ว ระเบิดแสนสาหัสพร้อมแล้ว

เมื่อประจุนิวเคลียร์ระเบิด พลังงาน 80% จะถูกปล่อยออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ ความเร็วของการแพร่กระจายนั้นสูงกว่าความเร็วของการแพร่กระจายของชิ้นส่วนฟิชชันพลูโทเนียมมาก หลังจากผ่านไปหนึ่งในร้อยของไมโครวินาที ตัวกรองยูเรเนียมจะระเหยออกไป และรังสีเอกซ์ก็เริ่มถูกดูดซับอย่างเข้มข้นโดยยูเรเนียมของภาชนะบรรจุประจุแสนสาหัสนิวเคลียร์ อันเป็นผลมาจากสิ่งที่เรียกว่าการระเหย (การกำจัดมวลออกจากพื้นผิวของภาชนะที่ให้ความร้อน) แรงปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นซึ่งบีบอัดภาชนะ 10 ครั้ง ผลกระทบนี้เรียกว่าการระเบิดของรังสีหรือการบีบอัดรังสี ในกรณีนี้ความหนาแน่นของเชื้อเพลิงแสนสาหัสจะเพิ่มขึ้น 1,000 เท่า อันเป็นผลมาจากแรงดันมหาศาลของการระเบิดของรังสี แท่งแกนกลางของยูเรเนียม-235 ก็ถูกบีบอัดเช่นกัน แม้ว่าจะอยู่ในระดับที่น้อยกว่า และจะเข้าสู่สถานะวิกฤตยิ่งยวด มาถึงตอนนี้ หน่วยเทอร์โมนิวเคลียร์ถูกโจมตีด้วยนิวตรอนเร็วจากการระเบิดของนิวเคลียร์ หลังจากผ่านลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์ พวกมันจะเคลื่อนที่ช้าลงและถูกแท่งยูเรเนียมดูดซับอย่างเข้มข้น

ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันเริ่มต้นขึ้นในแท่ง ทำให้เกิดการระเบิดของนิวเคลียร์ภายในภาชนะอย่างรวดเร็ว เนื่องจากลิเธียม-6 ดิวเทอไรด์ถูกบีบอัดแบบระเหยจากภายนอกและความดันของการระเบิดนิวเคลียร์จากภายใน ความหนาแน่นและอุณหภูมิจึงเพิ่มขึ้นมากยิ่งขึ้น ขณะนี้เป็นจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาการสังเคราะห์ การบำรุงรักษาเพิ่มเติมนั้นพิจารณาจากระยะเวลาที่คอนเทนเนอร์จะคงกระบวนการเทอร์โมนิวเคลียร์ไว้ภายในตัวมันเอง เพื่อป้องกันไม่ให้พลังงานความร้อนหลุดออกไปข้างนอก นี่คือสิ่งที่กำหนดความสำเร็จของเกณฑ์ลอว์สันอย่างชัดเจน เชื้อเพลิงแสนสาหัสจะเผาไหม้จากแกนกระบอกสูบถึงขอบ อุณหภูมิหน้าการเผาไหม้สูงถึง 300 ล้านเคลวิน การพัฒนาเต็มรูปแบบของการระเบิดจนกระทั่งเชื้อเพลิงแสนสาหัสไหม้และภาชนะถูกทำลายใช้เวลาสองสามร้อยนาโนวินาที - เร็วกว่าที่คุณอ่านวลีนี้ถึงยี่สิบล้านเท่า

การทำงานที่เชื่อถือได้ของวงจรสองขั้นตอนขึ้นอยู่กับการประกอบภาชนะที่แม่นยำและการป้องกันความร้อนก่อนวัยอันควร

พลังของประจุแสนสาหัสสำหรับวงจร Teller-Ulam ขึ้นอยู่กับพลังของตัวกระตุ้นนิวเคลียร์ซึ่งทำให้มั่นใจได้ถึงการบีบอัดที่มีประสิทธิภาพด้วยการแผ่รังสี อย่างไรก็ตาม ขณะนี้มีวงจรหลายขั้นตอนซึ่งใช้พลังงานของขั้นตอนที่แล้วเพื่อบีบอัดขั้นตอนถัดไป ตัวอย่างของโครงการสามขั้นตอนคือ "แม่ Kuzkina" ขนาด 100 เมกะตันที่กล่าวถึงแล้ว