Появление такого мощного оружия, как ядерная бомба, стало результатом взаимодействия глобальных факторов объективного и субъективного характера. Объективно его создание было вызвано бурным развитием науки, начавшимся с фундаментальных открытий физики первой половины ХХ века. Сильнейшим субъективным фактором стала военно-политическая обстановка 40-х годов, когда страны антигитлеровской коалиции – США, Великобритания, СССР – пытались опередить друг друга в разработках ядерного оружия.
Предпосылки создания ядерной бомбы
Точкой отсчета научного пути к созданию атомного оружия стал 1896 год, когда французский химик А. Беккерель открыл радиоактивность урана. Именно цепная реакция этого элемента и легла в основу разработок страшного оружия.
В конце ХІХ и в первые десятилетия ХХ века ученые обнаружили альфа-, бета-, гамма-лучи, открыли немало радиоактивных изотопов химических элементов, закон радиоактивного распада и положили начало изучению ядерной изометрии. В 1930-х годах стали известны нейтрон и позитрон, а также впервые расщеплено ядро атома урана с поглощением нейтронов. Это стало толчком к началу создания ядерного оружия. Первым изобрел и в 1939 году запатентовал конструкцию ядерной бомбы французский физик Фредерик Жолио-Кюри.
В результате дальнейшего развития ядерное оружие стало исторически беспрецедентным военно-политическим и стратегическим феноменом, способным обеспечить национальную безопасность государства-обладателя и минимизировать возможности всех остальных систем вооружения.
Конструкция атомной бомбы состоит из ряда различных компонентов, среди которых выделяют два основных:
- корпус,
- система автоматики.
Автоматика вместе с ядерным зарядом располагается в корпусе, который защищает их от различных воздействий (механического, теплового и др.). Система автоматики контролирует, чтобы взрыв произошел в строго установленное время. Она состоит из следующих элементов:
- аварийный подрыв;
- устройство предохранения и взведения;
- источник питания;
- датчики подрыва заряда.
Доставка атомных зарядов осуществляется с помощью авиации, баллистических и крылатых ракет. При этом ядерные боеприпасы могут быть элементом фугаса, торпеды, авиабомбы и др.
Системы детонирования ядерных бомб бывают разными. Самым простым является инжекторное устройство, при котором толчком для взрыва становится попадание в цель и последующее образование сверхкритической массы.
Еще одной характеристикой атомного оружия является размер калибра: малый, средний, крупный. Чаще всего мощность взрыва характеризуют в тротиловом эквиваленте. Малый калибр ядерного оружия подразумевает мощность заряда в несколько тысяч тонн тротила. Средний калибр равен уже десяткам тысяч тонн тротила, крупный – измеряется миллионами.
Принцип действия
В основе схемы атомной бомбы лежит принцип использования ядерной энергии, выделяемой в ходе цепной ядерной реакции. Это процесс деления тяжелых или синтеза легких ядер. Из-за выделения огромного количества внутриядерной энергии в кратчайший промежуток времени ядерная бомба относится к оружию массового поражения.
В ходе указанного процесса выделяют два ключевых места:
- центр ядерного взрыва, в котором непосредственно протекает процесс;
- эпицентр, являющийся проекцией этого процесса на поверхность (земли или воды).
При ядерном взрыве высвобождается такое количество энергии, которое при проекции на землю вызывает сейсмические толчки. Дальность их распространения очень велика, но значительный вред окружающей среде наносится на расстоянии только нескольких сотен метров.
Атомное оружие имеет несколько типов поражения:
- световое излучение,
- радиоактивное заражение,
- ударная волна,
- проникающая радиация,
- электромагнитный импульс.
Ядерный взрыв сопровождается яркой вспышкой, которая образуется из-за высвобождения большого количества световой и тепловой энергии. Сила этой вспышки во много раз выше, чем мощность солнечных лучей, поэтому опасность поражения светом и теплом распространяется на несколько километров.
Еще одним очень опасным фактором воздействия ядерной бомбы является радиация, образующаяся при взрыве. Она действует только первые 60 секунд, но обладает максимальной проникающей способностью.
Ударная волна имеет большую мощность и значительное разрушающее действие, поэтому в считанные секунды причиняет огромный вред людям, технике, строениям.
Проникающая радиация опасна для живых организмов и является причиной развития лучевой болезни у человека. Электромагнитный импульс поражает только технику.
Все эти виды поражений в совокупности делают атомную бомбу очень опасным оружием.
Первые испытания ядерной бомбы
Наибольшую заинтересованность в атомном оружии первыми проявили США. В конце 1941 года в стране были выделены огромные средства и ресурсы на создание ядерного вооружения. Результатом работ стали первые испытания атомной бомбы с взрывным устройством «Gadget», которые прошли 16 июля 1945 года в американском штате Нью-Мексико.
Для США наступило время действовать. Для победного окончания второй мировой войны было решено разгромить союзника гитлеровской Германии – Японию. В Пентагоне были выбраны цели для первых ядерных ударов, на которых США хотели продемонстрировать, насколько мощным оружием они обладают.
6 августа того же года первая атомная бомба под именем «Малыш» была сброшена на японский город Хиросима , а 9 августа бомба с названием «Толстяк» упала на Нагасаки .
Попадание в Хиросиме было признано идеальным: ядерное устройство взорвалось на высоте 200 метров. Взрывной волной были опрокинуты печки в домах японцев, отапливаемые углем. Это привело к многочисленным пожарам даже в городских районах, удаленных от эпицентра.
За первоначальной вспышкой последовал удар тепловой волны, которой длился секунды, но его мощность, охватив радиус 4 км, расплавила черепицу и кварц в гранитных плитах, испепелила телеграфные столбы. Вслед за тепловой волной пришла ударная. Скорость ветра составила 800 км/час, а его порыв снес практически все в городе. Из 76 тысяч зданий 70 тысяч были полностью разрушены.
Через несколько минут пошел странный дождь из крупных капель черного цвета. Он был вызван конденсатом, образовавшимся в более холодных слоях атмосферы из пара и пепла.
Люди, попавшие под действие огненного шара на расстоянии 800 метров, были сожжены и превратились в пыль. У некоторых обгоревшая кожа была сорвана ударной волной. Капли черного радиоактивного дождя оставляли неизлечимые ожоги.
Оставшиеся в живых заболели неизвестным ранее заболеванием. У них началась тошнота, рвота, лихорадка, приступы слабости. В крови резко упал уровень белых телец. Это были первые признаки лучевой болезни.
Через 3 дня после проведения бомбардировки Хиросимы была сброшена бомба на Нагасаки. Она имела такую же мощность и вызвала аналогичные последствия.
Две атомные бомбы за секунды уничтожили сотни тысяч человек. Первый город был практически стерт ударной волной с лица земли. Больше половины мирных жителей (порядка 240 тысяч человек) погибли сразу от полученных ран. Многие люди подверглись облучению, которое привело к лучевой болезни, раку, бесплодию. В Нагасаки в первые дни было убито 73 тысячи человек, а через некоторое время в сильных муках умерло еще 35 тысяч жителей.
Видео: испытания ядерной бомбы
Испытания РДС-37
Создание атомной бомбы в России
Последствия бомбардировок и история жителей японских городов потрясли И. Сталина. Стало понятно, что создание собственного ядерного оружия – это вопрос национальной безопасности. 20 августа 1945 года в России начал свою работу комитет по атомной энергии, который возглавил Л. Берия.
Исследования по ядерной физике велись в СССР еще с 1918 года. В 1938 году при Академии наук была создана комиссия по атомному ядру. Но с началом войны практически все работы в этом направлении были приостановлены.
В 1943 году советские разведчики передали из Англии закрытые научные труды по атомной энергии, из которых следовало, что создание атомной бомбы на Западе продвинулось далеко вперед. В это же время в США были внедрены надежные агенты в несколько центров американских ядерных исследований. Они передавали информацию по атомной бомбе советским ученым.
Техническое задание на разработку двух вариантов атомной бомбы составил их создатель и один из научных руководителей Ю. Харитон. В соответствии с ним планировалось создание РДС («реактивного двигателя специального») с индексом 1 и 2:
- РДС-1 – бомба с зарядом из плутония, который предполагалось подрывать путем сферического обжатия. Его устройство передала русская разведка.
- РДС-2 – пушечная бомба с двумя частями уранового заряда, которые должны сближаться в стволе пушки до создания критической массы.
В истории знаменитого РДС самую распространенную расшифровку – «Россия делает сама» – придумал заместитель Ю. Харитона по научной работе К. Щeлкин. Эти слова очень точно передавали суть работ.
Информация о том, что СССР овладел секретами ядерного оружия, вызвало в США порыв к быстрейшему началу упреждающей войны. В июле 1949 появился план «Троян», согласно которому боевые действия планировалось начать 1 января 1950 года. Затем дата нападения была перенесена на 1 января 1957 года с тем условием, чтобы в войну вступили все страны НАТО.
Сведения, полученные по каналам разведки, ускорили работу советских ученых. По мнению западных специалистов, советское ядерное оружие могло быть создано не раньше 1954-1955 года. Однако испытание первой атомной бомбы произошло в СССР уже в конце августа 1949 года.
На полигоне в Семипалатинске 29 августа 1949 года было подорвано ядерное устройство РДС-1 – первая советская атомная бомба, которую изобрел коллектив ученых, возглавляемый И. Курчатовым и Ю. Харитоном. Взрыв имел мощность 22 Кт. Конструкция заряда подражала американскому «Толстяку», а электронная начинка была создана советскими учеными.
План «Троян», согласно которому американцы собирались сбросить атомные бомбы на 70 городов СССР, был сорван из-за вероятности ответного удара. Событие на Семипалатинском полигоне сообщило миру о том, что советская атомная бомба положила конец американской монополии на владение новым оружием. Это изобретение полностью разрушило милитаристский план США и НАТО и предупредило развитие Третьей мировой войны. Началась новая история – эпоха мира во всем мире, существующего под угрозой тотального уничтожения.
«Ядерный клуб» мира
Ядерный клуб – условное обозначение нескольких государств, владеющих ядерным оружием. Сегодня такое вооружение есть:
- в США (с 1945)
- в России (первоначально СССР, с 1949)
- в Великобритании (с 1952)
- во Франции (с 1960)
- в Китае (с 1964)
- в Индии (с 1974)
- в Пакистане (с 1998)
- в КНДР (с 2006)
Имеющим ядерное оружие также считается Израиль, хотя руководство страны не комментирует его наличие. Кроме того, на территории государств – членов НАТО (Германии, Италии, Турции, Бельгии, Нидерландов, Канады) и союзников (Японии, Южной Кореи, несмотря на официальный отказ) располагается ядерное оружие США.
Казахстан, Украина, Белоруссия, которые владели частью ядерного вооружения после распада СССР, в 90-х годах передали его России, ставшей единственным наследником советского ядерного арсенала.
Атомное (ядерное) оружие – самый мощный инструмент глобальной политики, который твердо вошел в арсенал взаимоотношений между государствами. С одной стороны, оно является эффективным средством устрашения, с другой – весомым аргументом для предотвращения военного конфликта и укрепления мира между державами, владеющими этим оружием. Это – символ целой эпохи в истории человечества и международных отношений, с которым надо обращаться очень разумно.
Видео: музей ядерного оружия
Видео о российской Царь-Бомбе
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Атомная электроэнергетика – современный и быстро развивающийся способ добычи электричества. А вы знаете, как устроены атомные станции? Каков принцип работы АЭС? Какие типы ядерных реакторов сегодня существуют? Постараемся детально рассмотреть схему работы АЭС, вникнуть в устройство ядерного реактора и узнать о том, насколько безопасен атомный способ добычи электроэнергии.
Любая станция – это закрытая зона вдалеке от жилого массива. На ее территории находятся несколько зданий. Самое главное сооружение – здание реактора, рядом с ним расположен машинный зал, из которого реактором управляют, и здание безопасности.
Схема невозможна без ядерного реактора. Атомный (ядерный) реактор – это устройство АЭС, которое призвано организовать цепную реакцию деления нейтронов с обязательным выделением энергии при этом процессе. Но каков принцип работы АЭС?
Вся реакторная установка помещается в здание реактора, большую бетонную башню, которая скрывает реактор и в случае аварии удержит в себе все продукты ядерной реакции. Эту большую башню называют контейнтмент, герметичная оболочка или гермозона.
Гермозона в новых реакторах имеет 2 толстые бетонные стенки – оболочки.
Внешняя оболочка толщиной в 80 см обеспечивает защиту гермозоны от внешних воздействий.
Внутренняя оболочка толщиной в 1 метр 20 см имеет в своем устройстве специальные стальные тросы, которые увеличивают прочность бетона почти в три раза и не дадут конструкции рассыпаться. С внутренней стороны она выложена тонким листом специальной стали, которая призвана служить дополнительной защитой контейнтмента и в случае аварии не выпустить содержимое реактора за пределы гермозоны.
Такое устройство атомной станции позволяет выдержать падение самолета весом до 200 тонн, 8 бальное землетрясение, торнадо и цунами.
Впервые герметичная оболочка была сооружена на американской АЭС Коннектикут Янки в 1968 году.
Полная высота гермозоны – 50-60 метров.
Из чего состоит атомный реактор?
Чтобы понять принцип работы ядерного реактора, а значит и принцип работы АЭС, нужно разобраться в составляющих реактора.
- Активная зона. Это зона, куда помещается ядерное топливо (тепловыделитель) и замедлитель. Атомы топлива (чаще всего топливом выступает уран) совершают цепную реакцию деления. Замедлитель призван контролировать процесс деления, и позволяет провести нужную по скорости и силе реакцию.
- Отражатель нейтронов. Отражатель окружает активную зону. Состоит он из того же материала, что и замедлитель. По сути это короб, главное назначение которого – не дать нейтронам выйти из активной зоны и попасть в окружающую среду.
- Теплоноситель. Теплоноситель должен вобрать в себя тепло, которое выделилось при делении атомов топлива, и передать его другим веществам. Теплоноситель во многом определяет то, как устроена АЭС. Самый популярный теплоноситель на сегодня – вода.
Система управления реактором. Датчики и механизмы, которые приводят реактор АЭС в действие.
Топливо для АЭС
На чем работает АЭС? Топливо для АЭС – это химические элементы, обладающие радиоактивными свойствами. На всех атомных станциях таким элементом выступает уран.
Устройство станций подразумевает, что АЭС работают на сложном составном топливе, а не на чистом химическом элементе. И чтобы из природного урана добыть урановое топливо, которое загружается в ядерный реактор, нужно провести множество манипуляций.
Обогащенный уран
Уран состоит из двух изотопов, то есть в его составе есть ядра с разной массой. Назвали их по количеству протонов и нейтронов изотоп -235 и изотоп-238. Исследователи 20 века начали добывать из руды 235й уран, т.к. его легче было разлагать и преобразовывать. Выяснилось, что такого урана в природе всего 0,7 % (остальные проценты достались 238му изотопу).
Что делать в этом случае? Уран решили обогащать. Обогащение урана это процесс, когда в нем остается много нужных 235х изотопов и мало ненужных 238х. Задача обогатителей урана – из 0.7% сделать почти 100% урана-235.
Обогатить уран можно с помощью двух технологий – газодиффузионной или газоцентрифужной. Для их использования уран, добытый из руды, переводят в газообразное состояние. В виде газа его и обогащают.
Урановый порошок
Обогащенный урановый газ переводят в твердое состояние – диоксид урана. Такой чистый твердый 235й уран выглядит как большие белые кристаллы, которые позже дробят в урановый порошок.
Урановые таблетки
Урановые таблетки – это твердые металлические шайбы, длиной в пару сантиметров. Чтобы из уранового порошка слепить такие таблетки, его перемешивают с веществом – пластификатором, он улучшает качество прессования таблеток.
Прессованные шайбы запекают при температуре 1200 градусов по Цельсию более суток, чтобы придать таблеткам особую прочность и устойчивость к высоким температурам. То, как работает АЭС, напрямую зависит от того, насколько хорошо спрессовали и запекли урановое топливо.
Запекают таблетки в молибденовых ящиках, т.к. только этот металл способен не расплавиться при «адских» температурах свыше полутора тысяч градусов. После этого урановое топливо для АЭС считается готовым.
Что такое ТВЭЛ и ТВС?
Активная зона реактора внешне выглядит как огромный диск или труба с дырками в стенках (в зависимости от типа реактора), раз в 5 больше человеческого тела. В этих дырках находится урановое топливо, атомы которого и проводят нужную реакцию.
Просто так закинуть топливо в реактор невозможно, ну, если вы не хотите получить взрыв всей станции и аварию с последствиями на пару близлежащих государств. Поэтому урановое топливо помещается в ТВЭЛы, а потом собирается в ТВС. Что значат эти аббревиатуры?
- ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент (не путать с одноименным названием российской компании, которая их производит). По сути это тонкая и длинная циркониевая трубка, сделанная из сплавов циркония, в которую помещаются урановые таблетки. Именно в ТВЭЛах атомы урана начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя тепло при реакции.
Цирконий выбран материалом для производства ТВЭЛов благодаря его тугоплавкости и антикоррозийности.
Тип ТВЭЛов зависит от типа и строения реактора. Как правило, строение и назначение ТВЭЛов не меняется, разными могут быть длина и ширина трубки.
В одну циркониевую трубку автомат загружает более 200 урановых таблеток. Всего в реакторе одновременно работают около 10 миллионов урановых таблеток.
ТВС – тепловыделяющая сборка. Работники АЭС называют ТВС пучками.
По сути это несколько ТВЭЛов, скрепленных между собой. ТВС – это готовое атомное топливо, то, на чем работает АЭС. Именно ТВС загружаются в ядерный реактор. В один реактор помещаются около 150 – 400 ТВС.
В зависимости от того, в каком реакторе ТВС будет работать, они бывают разной формы. Иногда пучки складываются в кубическую, иногда в цилиндрическую, иногда в шестиугольную форму.
Одна ТВС за 4 года эксплуатации вырабатывает столько же энергии как при сжигании 670 вагонов угля, 730 цистерн с природным газом или 900 цистерн, груженных нефтью.
Сегодня ТВС производят в основном на заводах России, Франции, США и Японии.
Чтобы доставить топливо для АЭС в другие страны, ТВС запечатывают в длинные и широкие металлические трубы, из труб выкачивают воздух и специальными машинами доставляют на борта грузовых самолетов.
Весит ядерное топливо для АЭС запредельно много, т.к. уран – один из самых тяжелых металлов на планете. Его удельный вес в 2,5 раза больше, чем у стали.
Атомная электростанция: принцип работы
Каков принцип работы АЭС? Принцип работы АЭС базируется на цепной реакции деления атомов радиоактивного вещества – урана. Эта реакция происходит в активной зоне ядерного реактора.
ВАЖНО ЗНАТЬ:
Если не вдаваться в тонкости ядерной физики, принцип работы АЭС выглядит так:
После пуска ядерного реактора из ТВЭЛов извлекаются поглощающие стержни, которые не дают урану вступить в реакцию.
Как только стрежни извлечены, нейтроны урана начинают взаимодействовать друг с другом.
Когда нейтроны сталкиваются, происходит мини-взрыв на атомном уровне, выделяется энергия и рождаются новые нейтроны, начинает происходить цепная реакция. Этот процесс выделяет тепло.
Тепло отдается теплоносителю. В зависимости от типа теплоносителя оно превращается в пар или газ, которые вращают турбину.
Турбина приводит в движение электрогенератор. Именно он по факту и вырабатывает электрический ток.
Если не следить за процессом, нейтроны урана могут сталкиваться друг с другом до тех пор, пока не взорвут реактор и не разнесут всю АЭС в пух и прах. Контролируют процесс компьютерные датчики. Они фиксируют повышение температуры или изменение давления в реакторе и могут автоматически остановить реакции.
Чем отличается принцип работы АЭС от ТЭС (теплоэлектростанций)?
Различия в работе есть только на первых этапах. В АЭС теплоноситель получает тепло от деления атомов уранового топлива, в ТЭС теплоноситель получает тепло от сгорания органического топлива (угля, газа или нефти). После того, как или атомы урана, или газ с углём выделили тепло, схемы работы АЭС и ТЭС одинаковы.
Типы ядерных реакторов
То, как работает АЭС, зависит от того, как именно работает ее атомный реактор. Сегодня есть два основных типа реакторов, которые классифицируются по спектру нейронов:
Реактор на медленных нейтронах, его также называют тепловым.
Для его работы используется 235й уран, который проходит стадии обогащения, создания урановых таблеток и т.д. Сегодня реакторов на медленных нейтронах подавляющее большинство.
Реактор на быстрых нейтронах.
За этими реакторами будущее, т.к. работают они на уране-238, которого в природе пруд пруди и обогащать этот элемент не нужно. Минус таких реакторов только в очень больших затратах на проектирование, строительство и запуск. Сегодня реакторы на быстрых нейтронах работают только в России.
Теплоносителем в реакторах на быстрых нейтронах выступает ртуть, газ, натрий или свинец.
Реакторы на медленных нейтронах, которыми сегодня пользуются все АЭС мира, тоже бывают нескольких типов.
Организация МАГАТЭ (международное агентство по атомной энергетике) создало свою классификацию, которой пользуются в мировой атомной энергетике чаще всего. Так как принцип работы атомной станции во многом зависит от выбора теплоносителя и замедлителя, МАГАТЭ базировали свою классификацию на этих различиях.
С химической точки зрения оксид дейтерия идеальный замедлитель и теплоноситель, т.к. ее атомы наиболее эффективно взаимодействуют с нейтронами урана по сравнению с другими веществами. Попросту говоря, свою задачу тяжелая вода выполняет с минимальными потерями и максимальным результатом. Однако ее производство стоит денег, в то время как обычную «легкую» и привычную для нас воду использовать куда проще.
Несколько фактов об атомных реакторах…
Интересно, что один реактор АЭС строят не менее 3х лет!
Для постройки реактора необходимо оборудование, которое работает на электрическом токе в 210 кило Ампер, что в миллион раз превышает силу тока, которая способна убить человека.
Одна обечайка (элемент конструкции) ядерного реактора весит 150 тонн. В одном реакторе таких элементов 6.
Водо-водяной реактор
Как работает АЭС в целом, мы уже выяснили, чтобы все «разложить по полочкам» посмотрим, как работает наиболее популярный водо-водяной ядерный реактор.
Во всем мире сегодня используют водо-водяные реакторы поколения 3+. Они считаются самыми надежными и безопасными.
Все водо-водяные реакторы в мире за все годы их эксплуатации в сумме уже успели набрать более 1000 лет безаварийной работы и ни разу не давали серьезных отклонений.
Структура АЭС на водо-водяных реакторах, подразумевает, что между ТВЭЛами циркулирует дистиллированная вода, нагретая до 320 градусов. Чтобы не дать ей перейти в парообразное состояние ее держат под давлением в 160 атмосфер. Схема АЭС называет ее водой первого контура.
Нагретая вода попадает в парогенератор и отдает свое тепло воде второго контура, после чего снова «возвращается» в реактор. Внешне это выглядит так, что трубки воды первого контура соприкасаются с другими трубками – воды второго контура, они передают тепло друг другу, но воды не контактируют. Контактируют трубки.
Таким образом, исключена возможность попадания радиации в воду второго контура, которая будет далее участвовать в процессе добычи электричества.
Безопасность работы АЭС
Узнав принцип работы АЭС мы должны понимать как же устроена безопасность. Устройство АЭС сегодня требует повышенного внимания к правилам безопасности.
Затраты на безопасность АЭС составляют примерно 40% от общей стоимости самой станции.
В схему АЭС закладываются 4 физических барьера, которые препятствуют выходу радиоактивных веществ. Что должны делать эти барьеры? В нужный момент суметь прекратить ядерную реакцию, обеспечивать постоянный отвод тепла от активной зоны и самого реактора, предотвращать выход радионуклеидов за пределы контайнмента (гермозоны).
- Первый барьер – прочность урановых таблеток. Важно, чтобы они не разрушались под воздействием высоких температур в ядерном реакторе. Во многом то, как работает атомная станция, зависит от того, как «испекли» таблетки из урана на начальной стадии изготовления. Если таблетки с урановым топливом запечь неверно, то реакции атомов урана в реакторе будут непредсказуемыми.
- Второй барьер – герметичность ТВЭЛов. Циркониевые трубки должны быть плотно запечатаны, если герметичность будет нарушена, то в лучшем случае реактор будет поврежден и работа остановлена, в худшем – все взлетит на воздух.
- Третий барьер – прочный стальной корпус реактор а, (та самая большая башня – гермозона) который «удерживает» в себе все радиоактивные процессы. Повредится корпус – радиация выйдет в атмосферу.
- Четвертый барьер – стержни аварийной защиты. Над активной зоной на магниты подвешиваются стержни с замедлителями, которые могут за 2 секунды поглотить все нейтроны и остановить цепную реакцию.
Если, несмотря на устройство АЭС с множеством степеней защиты, охладить активную зону реактора в нужный момент не удастся, и температура топлива возрастет до 2600 градусов, то в дело вступает последняя надежда системы безопасности – так называемая ловушка расплава.
Дело в том, что при такой температуре дно корпуса реактора расплавится, и все остатки ядерного топлива и расплавленных конструкций стекут в специальный подвешенный над активной зоной реактора «стакан».
Ловушка расплава охлаждаема и огнеупорна. Она наполнена так называемым «жертвенным материалом», который постепенно останавливает цепную реакцию деления.
Таким образом, схема АЭС подразумевает несколько степеней защиты, которые практически полностью исключают любую возможность аварии.
После окончания Второй Мировой войны страны антигитлеровской коалиции стремительными темпами пытались опередить друг друга в разработках более мощной ядерной бомбы.
Первое испытание, проведённое американцами на реальных объектах в Японии, до предела накалило обстановку между СССРи США. Мощные взрывы, прогремевшие в японских городах и практически уничтожившие всё живое в них, заставили Сталина отказаться от множества притязаний на мировой арене. Большинство советских учёных-физиков было в срочном порядке «брошены» на разработку ядерного оружия.
Когда и как появилось ядерное оружие
Годом рождения атомной бомбы можно считать 1896 год. Именно тогда учёный-химик из Франции А. Беккерель открыл, что уран радиоактивен. Цепная реакция урана образует мощную энергию, которая служит основой для страшного взрыва. Вряд ли Беккерель предполагал, что его открытие приведёт к созданию ядерного оружия — самого страшного оружия во всём мире.
Конец 19 — начало 20 века стал переломным моментом в истории изобретения ядерного оружия. Именно в этом временном промежутке учёные различных стран мира смогли открыть следующие законы, лучи и элементы:
- Альфа, гамма и бета лучи;
- Было открыто множество изотопов химических элементов, обладающих радиоактивными свойствами;
- Был открыт закон радиоактивного распада, который определяет временную и количественную зависимость интенсивности радиоактивного распада, зависящую от количества радиоактивных атомов в испытуемом образце;
- Зародилась ядерная изометрия.
В 1930-х годах впервые смогли расщепить атомное ядро урана с поглощением нейтронов. В это же время были открыты позитроны и нейроны. Всё это дало мощный толчок к разработкам оружия, которое использовало атомную энергию. В 1939 году была запатентована первая в мире конструкция атомной бомбы. Это сделал физик из Франции Фредерик Жолио-Кюри.
В результате дальнейших исследований и разработок в данной сфере, на свет появилась ядерная бомба. Мощность и радиус поражения современных атомных бомб настолько велик, что страна, которая обладает ядерным потенциалом, практически не нуждается в мощной армии, так как одна атомная бомба способна уничтожить целое государство.
Как устроена атомная бомба
Атомная бомба состоит из множества элементов, главными из которых являются:
- Корпус атомной бомбы;
- Система автоматики, контролирующая процесс взрыва;
- Ядерного заряда или боеголовки.
Система автоматики находится в корпусе атомной бомбы, вместе с ядерным зарядом. Конструкция корпуса должна быть достаточно надёжной, чтобы уберечь боеголовку от различных внешних факторов и воздействий. Например, различного механического, температурного или подобного влияния, которое может привести к незапланированному взрыву огромной мощности, способному уничтожить всё вокруг.
В задачу автоматики входит полный контроль над тем, чтобы взрыв произошёл в нужное время, поэтому система состоит из следующих элементов:
- Устройство, отвечающее за аварийный подрыв;
- Источник питания системы автоматики;
- Система датчиков подрыва;
- Устройство взведения;
- Устройство предохранения.
Когда проводились первые испытания, ядерные бомбы доставлялись на самолётах, которые успевали покинуть зону поражения. Современные атомные бомбы обладают такой мощностью, что их доставка может осуществляться только с помощью крылатых, баллистических или хотя бы зенитных ракет.
В атомных бомбах применяются различные системы детонирования. Самая простейшая из них – это обычное устройство, которое срабатывает при попадании снаряда в цель.
Одной из основных характеристик ядерных бомб и ракет, является разделение их на калибры, которые бывают трёх типов:
- Малый, мощность атомных бомб данного калибра эквивалентна нескольким тысячам тонн тротила;
- Средний (мощность взрыва – несколько десятков тысяч тонн тротила);
- Крупный, мощность заряда которого измеряется миллионами тонн тротила.
Интересно, что чаще всего мощность всех ядерных бомб измеряется именно в тротиловом эквиваленте, так как для атомного оружие не существует своей шкалы измерения мощности взрыва.
Алгоритмы действия ядерных бомб
Любая атомная бомба действует по принципу использования ядерной энергии, которая выделяется в ходе ядерной реакции. В основе данной процедуры лежит или деление тяжёлых ядер или синтез лёгких. Так как в ходе данной реакции выделяется огромное количество энергии, причём в кратчайшее время, радиус поражения ядерной бомбы очень впечатляет. Из-за этой особенности ядерное оружие относят к классу оружия массового поражения.
В ходе процесса, который запускается при взрыве атомной бомбы, имеются два главных момента:
- Это непосредственный центр взрыва, где проходит ядерная реакция;
- Эпицентр взрыва, который находится на месте, где взорвалась бомба.
Ядерная энергия, выделяемая при взрыве атомной бомбы, настолько сильна, что на земле начинаются сейсмические толчки. При этом непосредственные разрушения данные толчки приносят лишь на расстоянии нескольких сотен метров (хотя если учитывать силу взрыва самой бомбы, данные толчки уже ни на что не влияют).
Факторы поражения при ядерном взрыве
Взрыв ядерной бомбы приносит не только ужасные мгновенные разрушения. Последствия данного взрыва ощутят на себе не только люди, попавшие в зону поражения, но и их дети, родившиеся после атомного взрыва. Типы поражения атомным оружием подразделяются на следующие группы:
- Световое излучение, которое происходит непосредственно при взрыве;
- Ударная волна, распространяемая бомбой сразу после взрыва;
- Электромагнитный импульс;
- Проникающая радиация;
- Радиоактивное заражение, которое может сохраниться на десятки лет.
Хотя на первый взгляд, световая вспышка несет меньше всего угрозы, на самом деле она образуется в результате высвобождения огромного количества тепловой и световой энергии. Её мощность и сила намного превосходит мощность лучей солнца, поэтому поражение светом и теплом может стать фатальным на расстоянии нескольких километров.
Радиация, которая выделяется при взрыве, тоже очень опасна. Хотя она действует недолго, но успевает заразить всё вокруг, так как её проникающая способность невероятно велика.
Ударная волна при атомном взрыве действует подобно такой же волне при обычных взрывах, только её мощность и радиус поражения намного больше. За несколько секунд она наносит непоправимые повреждения не только людям, но и технике, зданиям и окружающей природе.
Проникающая радиация провоцирует развитие лучевой болезни, а электромагнитный импульс представляет опасность только для техники. Совокупность всех этих факторов, плюс мощность взрыва, делают атомную бомбу самым опасным оружием в мире.
Первые в мире испытания ядерного оружия
Первой страной, разработавшей и испытавшей ядерное оружие, оказались Соединённые Штаты Америки. Именно правительство США выделило огромные денежные дотации на разработку нового перспективного оружия. К концу 1941 года в США были приглашены многие выдающиеся учёные в сфере атомных разработок, которые уже к 1945 году смогли представить опытный образец атомной бомбы, пригодный для испытаний.
Первые в мире испытания атомной бомбы, оснащенной взрывным устройством, были проведены в пустыне на территории штата Нью-Мексико. Бомба под названием «Gadget» была взорвана 16 июля 1945 года. Результат испытаний оказался положительным, хотя военные требовали испытать ядерную бомбу в реальных боевых условиях.
Увидев, что до победы на гитлеровской коалицией остался всего один шаг, и больше такой возможности может не представиться, Пентагон решил нанести ядерный удар по последнему союзнику гитлеровской Германии – Японии. Кроме того, использование ядерной бомбы должно было решить сразу несколько проблем:
- Избежать ненужного кровопролития, которое неизбежно бы случилось, если бы войска США ступили на территорию императорской Японии;
- Одним ударом поставить на колени неуступчивых японцев, заставив их пойти на условия, выгодные США;
- Показать СССР (как возможному сопернику в будущем), что армия США обладает уникальным оружием, способным стереть с лица земли любой город;
- И, конечно же, на практике убедиться, на что способно ядерное оружие в реальных боевых условиях.
6 августа 1945 года на японский город Хиросима была сброшена первая в мире атомная бомба, которая применялась в военных действиях. Эту бомбу назвали «Малыш», так как её вес составлял 4 тонны. Сброс бомбы был тщательно спланирован, и она попала именно туда, куда и планировалось. Те дома, которые не были разрушены взрывной волной, сгорели, так как упавшие в домах печки спровоцировали пожары, и весь город был объят пламенем.
После яркой вспышки последовала тепловая волна, которая сожгла всё живое в радиусе 4 километров, а последовавшая за ней ударная волна разрушила большую часть зданий.
Те, кто попал под тепловой удар в радиусе 800 метров, были сожжены заживо. Взрывной волной у многих сорвало обгоревшую кожу. Через пару минут прошёл странный чёрный дождь, который состоял из пара и пепла. У тех, кто попал под чёрный дождь, кожа получила неизлечимые ожоги.
Те немногие, которым посчастливилось уцелеть, заболели лучевой болезнью, которая в то время была не только не изучена, но и полностью неизвестна. У людей началась лихорадка, рвота, тошнота и приступы слабости.
9 августа 1945 года на город Нагасаки была сброшена вторая американская бомба, которая называлась «Толстяк». Данная бомба имела примерно такую же мощность, как и первая, а последствия её взрыва были столь же разрушительные, хотя людей погибло в два раза меньше.
Две атомные бомбы, сброшенные на японские города, оказались первым и единственным в мире случаями применения атомного оружия. Более 300 000 человек погибли в первые дни после бомбардировки. Ещё около 150 тысяч погибли от лучевой болезни.
После ядерной бомбардировки японских городов, Сталин получил настоящий шок. Ему стало ясно, что вопрос разработки ядерного оружия в советской России – это вопрос безопасности всей страны. Уже 20 августа 1945 года начал работать специальный комитет по вопросам атомной энергии, который был в срочном порядке создан И. Сталиным.
Хотя исследования по ядерной физике проводились группой энтузиастов ещё в царской России, в советское время ей не уделяли должного внимания. В 1938 году все исследования в этой области были полностью прекращены, а многие учёные-ядерщики репрессированы, как враги народа. После ядерных взрывов в Японии советская власть резко начала восстанавливать ядерную отрасль в стране.
Имеются данные, что разработка ядерного оружия велась в гитлеровской Германии, и именно немецкие учёные доработали «сырую» американскую атомную бомбу, поэтому правительство США вывезло из Германии всех специалистов-атомщиков и все документы, связанные с разработкой ядерного оружия.
Советская разведывательная школа, которая за время войны смогла обойти все зарубежные разведки, ещё в 1943 году передавала в СССР секретные документы, связанные с разработкой ядерного оружия. В то же время были внедрены советские агенты во все серьёзные американские центры ядерных исследований.
В результате всех этих мер, уже в 1946 году было готово техническое задание по изготовлению двух ядерных бомб советского производства:
- РДС-1 (с плутониевым зарядом);
- РДС-2 (с двумя частями уранового заряда).
Аббревиатура «РДС» расшифровывалась как «Россия делает сама», что практически полностью соответствовало действительности.
Новости о том, что СССР готов выпустить своё ядерное оружие, заставило правительство США пойти на радикальные меры. В 1949 году был разработан план «Троян», согласно которому на 70 крупнейших городов СССР планировалось сбросить атомные бомбы. Лишь опасения ответного удара помешали этому плану осуществиться.
Данные тревожные сведения, поступающие от советских разведчиков, заставили учёных работать в авральном режиме. Уже в августе 1949 года состоялись испытания первой атомной бомбы, произведённой в СССР. Когда США узнала про эти испытания, план «Троян» был отложен на неопределённое время. Началась эпоха противостояния двух сверх держав, известная в истории как «Холодная война».
Самая мощная ядерная бомба в мире, известная под именем «Царь-бомбы» принадлежит именно периоду «Холодной войны». Учёные СССР создали самую мощную бомбу в истории человечества. Её мощность составляла 60 мегатонн, хотя планировалось создать бомбу в 100 килотонн мощности. Испытания данной бомбы прошли в октябре 1961 года. Диаметр огненного шара при взрыве составил 10 километров, а взрывная волна облетела земной шар три раза. Именно это испытание заставило большинство стран мира подписать договор о прекращении ядерных испытаний не только в атмосфере земли, но даже в космосе.
Хотя атомное оружие является превосходным средством устрашения агрессивных стран, с другой стороны оно способно гасить любые военные конфликты в зародыше, так как при атомном взрыве могут быть уничтожены все стороны конфликта.
Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.
Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.
Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.
Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.
Первый ядерный реактор
«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.
Типы ядерных реакторов
Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).
В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и .
Как устроен реактор
У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.
Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.
Как работает реактор
Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.
Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.
Что произошло на Чернобыльской АЭС
Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.
Реакторы нового поколения
За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.
«Брест»
Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.
В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.
«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.
ВВЭР-1200
ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.
Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.
Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.
Северная Корея угрожает США испытаниями сверхмощной водородной бомбы в Тихом океане. Япония, которая может пострадать из-за испытаний, назвала планы КНДР абсолютно неприемлемыми. Президенты Дональд Трамп и Ким Чен Ын ругаются в интервью и говорят об открытом военном конфликте. Для тех, кто не разбирается в ядерном оружии, но хочет быть в теме, «Футурист» составил путеводитель.
Как работает ядерное оружие?
Как и в обычной динамитной шашке, в ядерной бомбе используется энергия. Только высвобождается она не в ходе примитивной химической реакции, а в сложных ядерных процессах. Существует два основных способа выделения ядерной энергии из атома. В ядерном делении ядро атома распадается на два меньших фрагмента с нейтроном. Ядерный синтез – процесс, с помощью которого Солнце вырабатывает энергию – включает объединение двух меньших атомов с образованием более крупного. В любом процессе, делении или слиянии выделяются большие количества тепловой энергии и излучения. В зависимости от того, используется деление ядер или их синтез, бомбы делятся на ядерные (атомные) и термоядерные .
А можно поподробнее про ядерное деление?
Взрыв атомной бомбы над Хиросимой (1945 г)
Как вы помните, атом состоит из трех типов субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Центр атома, называемый ядром , состоит из протонов и нейтронов. Протоны положительно заряжены, электроны – отрицательно, а нейтроны вообще не имеют заряда. Отношение протон-электрон всегда один к одному, поэтому атом в целом имеет нейтральный заряд. Например, атом углерода имеет шесть протонов и шесть электронов. Частицы удерживаются вместе фундаментальной силой – сильным ядерным взаимодействием .
Свойства атома могут значительно меняться в зависимости от того, сколько различных частиц в нем содержится. Если изменить количество протонов, у вас будет уже другой химический элемент. Если же изменить количество нейтронов, вы получите изотоп того же элемента, что у вас в руках. Например, углерод имеет три изотопа: 1) углерод-12 (шесть протонов + шесть нейтронов), стабильную и часто встречающуюся форму элемента, 2) углерод-13 (шесть протонов + семь нейтронов), который является стабильным, но редким и 3) углерод-14 (шесть протонов + восемь нейтронов), который является редким и неустойчивым (или радиоактивным).
Большинство атомных ядер стабильны, но некоторые из них неустойчивы (радиоактивны). Эти ядра спонтанно излучают частицы, которые ученые называют радиацией. Этот процесс называется радиоактивным распадом . Существует три типа распада:
Альфа-распад : ядро выбрасывает альфа-частицу – два протона и два нейтрона, связанных вместе. Бета-распад : нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино. Выброшенный электрон является бета-частицей. Спонтанное деление: ядро распадается на несколько частей и выбрасывает нейтроны, а также излучает импульс электромагнитной энергии – гамма-луч. Именно последний тип распада используется в ядерной бомбе. Свободные нейтроны, выброшенные в результате деления, начинают цепную реакцию , которая высвобождает колоссальное количество энергии.
Из чего делают ядерные бомбы?
Их могут делать из урана-235 и плутония-239. Уран в природе встречается в виде смеси трех изотопов: 238 U (99,2745 % природного урана), 235 U (0,72 %) и 234 U (0,0055 %). Наиболее распространенный 238 U не поддерживает цепную реакцию: на это способен лишь 235 U. Чтобы достичь максимальной мощности взрыва, необходимо, чтобы содержание 235 U в «начинке» бомбы составляло не менее 80%. Поэтому уран приходится искусственно обогащать . Для этого смесь урановых изотопов разделяют на две части так, чтобы в одной из них оказалось больше 235 U.
Обычно при разделении изотопов остается много обедненного урана, не способного вступить в цепную реакцию – но есть способ заставить его это сделать. Дело в том, что плутоний-239 в природе не встречается. Зато его можно получить, бомбардируя нейтронами 238 U.
Как измеряется их мощность?
Мощность ядерного и термоядерного заряда измеряется в тротиловом эквиваленте - количестве тринитротолуола, которое нужно взорвать для получения аналогичного результата. Она измеряется в килотоннах (кт) и мегатоннах (Мт). Мощность сверхмалых ядерных боеприпасов составляет менее 1 кт, в то время как сверхмощные бомбы дают более 1 Мт.
Мощность советской «Царь-бомбы» составляла по разным данным от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте, мощность термоядерной бомбы, которую в начале сентября испытала КНДР, составила около 100 килотонн.
Кто создал ядерное оружие?
Американский физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс
В 1930-х годах итальянский физик Энрико Ферми продемонстрировал, что элементы, подвергшиеся бомбардировке нейтронами, могут быть преобразованы в новые элементы. Результатом этой работы стало обнаружение медленных нейтронов , а также открытие новых элементов, не представленных на периодической таблице. Вскоре после открытия Ферми немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман бомбардировали уран нейтронами, в результате чего образовался радиоактивный изотоп бария. Они пришли к выводу, что низкоскоростные нейтроны заставляют ядро урана разрываться на две более мелкие части.
Эта работа взбудоражила умы всего мира. В Принстонском университете Нильс Бор работал с Джоном Уилером для разработки гипотетической модели процесса деления. Они предположили, что уран-235 подвергается делению. Примерно в то же время другие ученые обнаружили, что процесс деления привел к образованию еще большего количества нейтронов. Это побудило Бора и Уилера задать важный вопрос: могли ли свободные нейтроны, созданные в результате деления, начать цепную реакцию, которая высвободила бы огромное количество энергии? Если это так, то можно создать оружие невообразимой силы. Их предположения подтвердил французский физик Фредерик Жолио-Кюри . Его заключение стало толчком для разработок по созданию ядерного оружия.
Над созданием атомного оружия трудились физики Германии, Англии, США, Японии. Перед началом Второй мировой войны Альберт Эйнштейн написал президенту США Франклину Рузвельту о том, что нацистская Германия планирует очистить уран-235 и создать атомную бомбу. Сейчас выяснилось, что Германия была далека от проведения цепной реакции: они работали над «грязной», сильно радиоактивной бомбой. Как бы то ни было, правительство США бросило все силы на создание атомной бомбы в кратчайшие сроки. Был запущен «Манхэттенский проект», которым руководили американский физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс . В нем участвовали крупные ученые, эмигрировавшие из Европы. К лету 1945 года было создано атомное оружие, основанное на двух видах делящегося материала - урана-235 и плутония-239. Одну бомбу, плутониевую «Штучку», взорвали на испытаниях, а еще две, уранового «Малыша» и плутониевого «Толстяка» сбросили на японские города Хиросиму и Нагасаки.
Как работает термоядерная бомба и кто ее изобрел?
Термоядерная бомба основана на реакции ядерного синтеза . В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Атомные ядра заряжены положительно - поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре - порядка нескольких миллионов кельвинов (отсюда и название). Термоядерные реакции бывают трех видов: самоподдерживающиеся (проходят в недрах звезд), управляемые и неуправляемые или взрывные – они используются в водородных бомбах.
Идею бомбы с термоядерным синтезом, инициируемым атомным зарядом, предложил Энрико Ферми своему коллеге Эдварду Теллеру еще в 1941 году, в самом начале Манхэттенского проекта. Однако тогда эта идея оказалась не востребована. Разработки Теллера усовершенствовал Станислав Улам , сделав идею термоядерной бомбы осуществимой на практике. В 1952 году на атолле Эниветок в ходе операции Ivy Mike испытали первое термоядерное взрывное устройство. Однако это был лабораторный образец, непригодный в боевых действиях. Год спустя Советский Союз взорвал первую в мире термоядерную бомбу, собранную по конструкции физиков Андрея Сахарова и Юлия Харитона . Устройство напоминало слоёный пирог, поэтому грозное оружие прозвали «Слойкой». В ходе дальнейших разработок на свет появилась самая мощная бомба на Земле, «Царь-бомба» или «Кузькина мать». В октябре 1961 года ее испытали на архипелаге Новая Земля.
Из чего делают термоядерные бомбы?
Если вы думали, что водородные и термоядерные бомбы - это разные вещи, вы ошибались. Эти слова синонимичны. Именно водород (а точнее, его изотопы - дейтерий и тритий) требуется для проведения термоядерной реакции. Однако есть сложность: чтобы взорвать водородную бомбу, необходимо сначала в ходе обычного ядерного взрыва получить высокую температуру - лишь тогда атомные ядра начнут реагировать. Поэтому в случае с термоядерной бомбой большую роль играет конструкция.
Широко известны две схемы. Первая - сахаровская «слойка». В центре располагался ядерный детонатор, который был окружен слоями дейтерида лития в смеси с тритием, которые перемежались со слоями обогащенного урана. Такая конструкция позволяла достичь мощности в пределах 1 Мт. Вторая - американская схема Теллера - Улама, где ядерная бомба и изотопы водорода располагались раздельно. Выглядело это так: снизу - емкость со смесью жидких дейтерия и трития, по центру которой располагалась «свеча зажигания» - плутониевый стержень, а сверху - обычный ядерный заряд, и все это в оболочке из тяжелого металла (например, обедненного урана). Быстрые нейтроны, образовавшиеся при взрыве, вызывают в урановой оболочке реакции деления атомов и добавляют энергию в общую энергию взрыва. Надстраивание дополнительных слоев дейтерида лития урана-238 позволяет создавать снаряды неограниченной мощности. В 1953 году советский физик Виктор Давиденко случайно повторил идею Теллера - Улама, и на ее основе Сахаров придумал многоступенчатую схему, которая позволила создавать оружие небывалых мощностей. Именно по такой схеме работала «Кузькина мать».
Какие еще бомбы бывают?
Еще бывают нейтронные, но это вообще страшно. По сути, нейтронная бомба - это маломощная термоядерная бомба, 80% энергии взрыва которой составляет радиация (нейтронное излучение). Это выглядит как обычный ядерный заряд малой мощности, к которому добавлен блок с изотопом бериллия - источником нейтронов. При взрыве ядерного заряда запускается термоядерная реакция. Этот вид оружия разрабатывал американский физик Сэмюэль Коэн . Считалось, что нейтронное оружие уничтожает все живое даже в укрытиях, однако дальность поражения такого оружия невелика, так как атмосфера рассеивает потоки быстрых нейтронов, и ударная волна на больших расстояниях оказывается сильнее.
А как же кобальтовая бомба?
Нет, сынок, это фантастика. Официально кобальтовых бомб нет ни у одной страны. Теоретически это термоядерная бомба с оболочкой из кобальта, которая обеспечивает сильное радиоактивное заражение местности даже при сравнительно слабом ядерном взрыве. 510 тонн кобальта способны заразить всю поверхность Земли и уничтожить все живое на планете. Физик Лео Силард , описавший эту гипотетическую конструкцию в 1950 году, назвал ее «Машиной судного дня».
Что круче: ядерная бомба или термоядерная?
Натурный макет «Царь-бомбы"
Водородная бомба является гораздо более продвинутой и технологичной, чем атомная. Ее мощность взрыва намного превосходит атомную и ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.
Как бомбы доставляют до цели?
Поначалу их сбрасывали с самолетов, однако средства противовоздушной обороны постоянно совершенствовались, и доставлять ядерное оружие таким образом оказалось неразумным. С ростом производства ракетной техники все права на доставку ядерного оружия перешли к баллистическим и крылатым ракетам различного базирования. Поэтому под бомбой теперь подразумевается не бомба, а боеголовка.
Есть мнение, что северокорейская водородная бомба слишком большая , чтобы ее можно было установить на ракете - поэтому, если КНДР решит воплотить угрозу в жизнь, ее повезут на корабле к месту взрыва.
Каковы последствия ядерной войны?
Хиросима и Нагасаки - это лишь малая часть возможного апокалипсиса. Например, известна гипотеза "ядерной зимы", которую выдвигали американский астрофизик Карл Саган и советский геофизик Георгий Голицын. Предполагается, что при взрыве нескольких ядерных боезарядов (не в пустыне или воде, а в населенных пунктах) возникнет множество пожаров, и в атмосферу выплеснется большое количество дыма и сажи, что приведет к глобальному похолоданию. Гипотезу критикуют, сравнивая эффект с вулканической активностью, которая оказывает незначительный эффект на климат. Кроме того, некоторые ученые отмечают, что скорее наступит глобальное потепление,чем похолодание - впрочем, обе стороны надеются, что мы этого никогда не узнаем.
Разрешено ли использовать ядерное оружие?
После гонки вооружений в XX веке страны одумались и решили ограничить использование ядерного оружия. ООН были приняты договоры о нераспространении ядерного оружия и запрещении ядерных испытаний (последний не был подписан молодыми ядерными державами Индией, Пакистаном, и КНДР). В июле 2017 года был принят новый договор о запрещении ядерного оружия.
"Каждое государство-участник обязуется никогда и ни при каких обстоятельствах не разрабатывать, не испытывать, не производить, не изготавливать, не приобретать иным образом, не иметь во владении и не накапливать ядерное оружие или другие ядерные взрывные устройства," - гласит первая статья договора.
Однако документ не вступит в силу до тех пор, пока его не ратифицируют 50 государств.
