…Ну, допустим, пришёл боевой блок МБР в расчётную точку. Или атомная бомба на парашюте опустилась на ту высоту, где, выражаясь популярно, необходимо непременно бахнуть. А бахнуть — это вообще как? Что происходит в корпусе бомбы за то мгновение, когда он с содержимым превращается в энергию?
Нет, вот не надо мне тут про «вспышку слева», про «ногами в эпицентр» и прочий стёб по мотивам скверно зазубренного учебника гражданской обороны. Что конкретно происходит под корпусом термоядерной боеголовки в тот момент, пока этот корпус ещё существует — хотя бы условно и частично?
Отстаньте от меня с вашим раскаянием, это же такая красивая физика! (Laßt mich in Ruhe mit euren Gewissensbissen, das ist doch so schöne Physik!)
Так сказал Энрико Ферми перед первыми ядерными испытаниями в Аламогордо, июль 1945 года. (Если, конечно, верить автору книги «Ярче тысячи солнц» Роберту Юнгу. Оснований верить ему нет ни малейших, но фраза всё равно хорошая, и мы ею цинично воспользуемся.)
Первое испытание ядерного оружия 16 июля 1945 года
Будем рассматривать двухступенчатый боеприпас, выполненный по схеме Теллера-Улама. В Советском Союзе она широко известна как «третья идея» из воспоминаний Андрея Сахарова, хотя реальных «отцов» у неё в наших палестинах был целый взвод — как минимум Давиденко, Франк-Каменецкий, Зельдович, Бабаев и Трутнев. Поэтому неправильно было бы приписывать её лично товарищу академику Сахарову, как это иногда делают. (Товарищ академик тоже не приписывал себе ничего лишнего. Будь как товарищ академик.)
Килотонная зажигалка
Начинается всё с первой ступени — так называемого триггера. Это простой атомный заряд (ну, может не совсем простой), а в нём уже всё стартует одновременным подрывом заряда обычной взрывчатки, хитрым образом обёрнутого вокруг делящегося вещества.
В древние времена атомной эры было важно, чтобы детонаторы сработали строго одновременно, с минимальным рассогласованием — в пределах десятков наносекунд. Иначе будет небольшой обычный взрыв с быстро погасшей ядерной реакцией (так называемая «шипучка»). Он изгадит все окрестности впустую израсходованным плутонием и прочей радиоактивной поганью. В конце концов придумали хитрый вариант подрыва, так называемый «лебедь». В нём синхронность некритична, и можно не утыкивать всю поверхность детонаторами.
Схема водородной бомбы
Специально обученная взрывчатка взрывается и давит на тампер (толкатель — тяжёлую оболочку триггера). Он «падает» внутрь через пустоту, в центре которой, окружённое бериллиевым отражателем нейтронов, висит самое интересное: маленький шарик плутония-239. Тампер обжимает шарик, доводя давление до нескольких миллионов атмосфер, и переводит его в надкритическое состояние.
Внимание: с момента запуска детонаторов уже прошло несколько десятков микросекунд, а меж тем никакой ядерной реакции ещё нет. Но сейчас будет.
Кино замедлилось окончательно, дальше всё пойдет значительно быстрее.
В момент обжатия плутониевого ядрышка срабатывает «запал»: стартовый источник начинает гнать в ядро нейтроны.
Вот она, о: с этого момента и начинается всё веселье.
Пошли первые деления плутония, ещё под действием внешнего потока нейтронов. Несколько дополнительных наносекунд, и в толще плутония загуляла следующая волна нейтронов, уже «собственных».
Поздравляю, дамы и господа, перед нами — цепная реакция. Вас предупреждали.
Давление в центре уже шкалит за миллиард атмосфер, температура уверенно движется к 100 миллионам градусов Кельвина. А что происходит снаружи этого маленького шарика? Там же обычный взрыв вроде был? Так он и есть. Висит, извините за такой глагол, держит всю эту конструкцию через тампер, чтобы сразу никуда не убежало, но силы его на исходе.
Тут всё заканчивается: через одну десятимиллионную долю секунды с момента «ноль» (0,1 микросекунды, но все цифры очень приблизительны) реакция в плутонии завершена.
Подставляй ведро
Вроде как всё, ядерный взрыв состоялся, расходимся? Ну, теоретически да. Но если бросить всё как есть, взрыв будет не очень мощный. Можно его усилить (бустировать) слоями термоядерного горючего. Правда есть одна проблема. Вон ударная волна висит, по швам уже расходится, устала вашу ядрену-бомбу держать. Как это всё сжигать, пока оно не убежало? Сделаешь в семнадцать этажей, пять прореагируют, на те два процента и живём, а остальное — ковром по сельской местности? Нет уж, давайте думать.
Боевые блоки МБР LGM-118 Peacekeeper на последнем отрезке траектории
Как писал Теллер в обосновании своей идеи, где-то 70-80% энергии ядерной реакции выделяется в виде рентгеновского излучения, которое движется существенно быстрее, чем рвущиеся наружу осколки деления плутония. Что это даёт пытливому уму физика?
А давайте, говорит физик, пока до нас не доползла взрывная волна и тут всё вообще не разлетелось к едрене-фене, используем уже вышедший из триггера рентген для поджига термоядерной реакции.
Поставим рядом ведро жидкого дейтерия (как у Теллера в первом изделии и было) или твердого дейтерида лития (как Гинзбург в Союзе предложил), и используем взрыв триггера как зажигалку, ну или, если хотите, как детонатор НАСТОЯЩЕГО ВЗРЫВА.
Сказано — сделано. Теперь понятна конструкция нашего заряда: пустотелый бак, с одного торца — триггер, всю низость падения которого мы уже обсудили. Пространство между первой и второй ступенью заполняется разными хитрыми рентгенопроницаемыми материалами. Везде официально указано, что поначалу это был пенополистирол. Но с конца 1970-х у американцев, скажем, используется шибко секретный материал FOGBANK — предположительно, аэрогель. Наполнитель предохраняет вторую ступень от раннего перегрева, а внешний корпус заряда — от быстрого разрушения. Корпус поддаёт также давления на вторую ступень и вообще способствует симметричности обжатия.
Кроме того, там же — в небольшом перерывчике между первой и второй — установлены совсем хитрые и начисто секретные конструкции, про которые стараются вообще ничего не писать. Их можно осторожно назвать концентраторами рентгеновского излучения. Нужно всё это, чтобы рентген не просто так светил в пространство, а надлежащим образом доехал до второй ступени.
Всё остальное место занимает вторая ступень. Пакет её тоже непростой, а какой надо пакет. В самой сердцевине этого цилиндра из дейтерида лития, упакованного в прочный тяжёлый корпус, проделан канал, в который коварно вложили стержень из того же самого плутония-239 или урана-235.
Если вы находитесь в эпицентре, взрыв уничтожит вас
Любой человек в эпицентре взрыва – точке непосредственно над или под детонацией – вряд ли выживет. Согласно Брук Баддемайер, физику здоровья в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора, единственные люди, которые могли бы пройти через ядерный взрыв на таком близком расстоянии, – это те, кто находится в укрепленном здании или подземном бункере.
Если вам не посчастливилось оказаться в одном из этих безопасных мест и вы все еще находитесь в радиусе нескольких километрах от бомбы, ваше тело мгновенно уменьшится до своих основных минералов от взрыва. Он может достигать до 300 000 градусов Цельсия – в 300 раз горячее, чем температура, используемая для кремации человеческих тел.
К счастью, это произойдет так быстро, что вы не заметите, как это произойдет.
Когда Родине нужно — и звёзды зажигают
Рентген испарил наполнитель, переотражается изнутри от внешней оболочки и действует на корпус второй ступени. Да и в общем, чего греха таить, вся эта ярмарка уже приступает к ликвидации самой бомбы как материальной конструкции. Но мы успеем, нам надо-то всего ничего, около микросекунды.
Всё испарившееся ломится в центр и со страшной силой давит и греет (миллионы градусов, сотни миллионов атмосфер) внешнюю оболочку второй ступени. Она тоже начинает испаряться (эффект абляции). Ну как — испаряться…
Реактивный двигатель на форсаже в сравнении с этим — попытка деликатно высморкаться.
Отсюда можете прикинуть давление на то, что внутри оболочки. См. выше про тампер на первой ступени, идея в чем-то схожая.
Вторая ступень уменьшается в размерах — в 30 раз для цилиндрического варианта и примерно в 10 для сферического. Плотность вещества возрастает более, чем в тысячу раз. Внутренний стержень из плутония доводится до надкритичности и в нём начинается ядерная реакция — уже вторая в нашем боеприпасе за последнюю микросекунду.
Итак, сверху обжатый тампер, внутри жёстко бомбануло, пошёл поток нейтронов — и у нас внутри стоят расчудесные погоды.
Здравствуй, синтез легких ядер, литий в тритий, всё вместе в гелий, вот он, выход мощности. Сотни миллионов градусов, как в звёздах. Термоядерная бомба пожаловала.
Микросекунда капает, подожжённый дейтерид лития горит из центра наружу… стоп, а если нам и сейчас мощности мало?
Давайте-ка отмотаемся немного назад и организуем корпус второй ступени не просто так, а из урана-238. По сути, из природного металла, а то и из обеднённого.
У нас от синтеза лёгких ядер прёт поток очень быстрых нейтронов, они кидаются изнутри на недоиспарившийся урановый тампер и — о, чудо! — в этом безобидном изотопе запускается ядерная реакция. Не цепная, самоподдерживаться она не может. Но этих нейтронов из термояда вылетает столько, что на тонну урана хватит: вся вторая ступень как огромный нейтронный источник работает.
Это так называемая «реакция Джекила-Хайда». Потому и название такое: никого не трогал, вроде был нормальный, и тут на тебе ВНЕЗАПНО.
Радиация
Одним из самых больших долгосрочных последствий ядерного взрыва является радиация, а не только то, что оседает во время выпадения осадков. Если вы близки к первоначальному взрыву и выжили, это значит, что вы заражены радиацией.
Радиация может вызвать химические изменения в вашей ДНК в достаточно высоких дозах, и если вы близки к ядерному взрыву, эти уровни могут быть смертельными, повреждающими или убивающими ваши клетки. Радиация может вызвать немедленные ожоги (в том числе смертельные), а также привести к раку.
Оно вылупилось
У нас, напомним, не прошло и двух микросекунд, а уже столько сделано важных дел: взорвали атомную бомбу, подожгли с её помощью термоядерное горючее и, если было надо, заставили делиться аполитичного пофигиста — уран-238. Последнее, кстати, важно: на нём можно сильно разогнать мощность устройства. Но и грязи в окружающую среду полетит много.
Правда, на этом «красивая физика» гигантов научной мысли середины XX века заканчивается. Теперь вся эта первозданная стихия готова излиться наружу, за призрачные границы того, что ещё недавно было корпусом бомбы.
И вот там дальше начнет развиваться огненный шар, а потом возникают и поражающие факторы ядерного взрыва. Но о них — потом.
Последствия ядерного взрыва
Поражающие факторы.
При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв, поражающими факторами которого являются:
*ударная волна
*световое излучение
*проникающая радиация
*радиоактивное заражение
*электромагнитный импульс (ЭМИ)
*рентгеновское излучение
Люди, непосредственно подвергшиеся воздействию поражающих факторов ядерного взрыва, кроме физических повреждений, испытывают мощное психологическое воздействие от ужасающего вида картины взрыва и разрушений. Электромагнитный импульс непосредственного влияния на живые организмы не оказывает, но может нарушить работу электронной аппаратуры.
Радиоактивное заражение — результат выпадения из поднятого в воздух облака значительного количества радиоактивных веществ. Три основных источника радиоактивных веществ в зоне взрыва — продукты деления ядерного горючего, не вступившая в реакцию часть ядерного заряда и радиоактивные изотопы, образовавшиеся в грунте и других материалах под воздействием нейтронов (наведенная радиоактивность).
Оседая на поверхность земли по направлению движения облака, продукты взрыва создают радиоактивный участок, называемый радиоактивным следом. Плотность заражения в районе взрыва и по следу движения радиоактивного облака убывает по мере удаления от центра взрыва. Форма следа может быть самой разнообразной, в зависимости от окружающих условий.
Радиоактивные продукты взрыва испускают три вида излучения: альфа, бета и гамма. Время их воздействия на окружающую среду весьма продолжительно.
В связи с естественным процессом распада радиоактивность уменьшается, особенно резко это происходит в первые часы после взрыва.
Поражение людей и животных воздействием радиационного заражения может вызываться внешним и внутренним облучением. Тяжелые случаи могут сопровождаться лучевой болезнью и летальным исходом.
Ядерный взрыв в населённом пункте, как и другие катастрофы, связанные с большим количеством жертв, разрушением вредных производств и пожарами, приведёт к тяжёлым условиям в районе его действия, что будет вторичным поражающим фактором. Люди, даже не получившие значительных поражений непосредственно от взрыва, с большой вероятностью могут погибнуть от инфекционных заболеваний[7] и химических отравлений. Велика вероятность сгореть в пожарах или просто расшибиться при попытке выйти из завалов.
Ядерная атака атомной электростанции может поднять в воздух значительно больше радиоактивных веществ, чем может дать сама бомба. При прямом попадании заряда и испарении реактора или хранилища радиоактивных материалов площадь земель, в течение многих десятков лет непригодных для жизни, будет в сотни—тысячи раз больше площади заражения от наземного ядерного взрыва. Например, при испарении реактора мощностью 100 МВт ядерным взрывом в 1 мегатонну и просто при наземном ядерном взрыве 1 Мт соотношение площадей территории со средней дозой 2 рад (0,02 Грей) в год будет следующим: через 1 год после атаки 130 000 км? и 15 000 км? через 5 лет 60 000 км? и 90 км? через 10 лет 50 000 км? и 15 км? через 100 лет 700 км? и 2 км?[8].
Проникающая радиация (ионизирующее излучение) представляет собой гамма-излучение и поток нейтронов, испускаемых из зоны ядерного взрыва в течение единиц или десятков секунд.
Радиус поражения проникающей радиации при взрывах в атмосфере меньше, чем радиусы поражения от светового излучения и ударной волны, поскольку она сильно поглощается атмосферой. Проникающая радиация поражает людей только на расстоянии 2-3 км от места взрыва, даже для больших по мощности зарядов, однако ядерный заряд может быть специально сконструирован таким образом, чтобы увеличить долю проникающей радиации для нанесения максимального ущерба живой силе (так называемое нейтронное оружие). На больших высотах, в стратосфере и космосе проникающая радиация и электромагнитный импульс — основные поражающие факторы.
Проникающая радиация может вызывать обратимые и необратимые изменения в материалах, электронных, оптических и других приборах за счет нарушения кристаллической решетки вещества и других физико-химических процессов под воздействием ионизирующих излучений.
Защитой от проникающей радиации служат различные материалы, ослабляющие гамма-излучение и поток нейтронов. Разные материалы по-разному реагируют на эти излучения и по-разному защищают.
От гамма-излучения хорошо защищают материалы, имеющие элементы с высокой атомной массой (железо, свинец, низкообогащённый уран), но эти элементы очень плохо ведут себя под нейтронным излучением: нейтроны относительно хорошо их проходят и при этом генерируют вторичные захватные гамма-лучи, а также активируют радиоизотопы, надолго делая саму защиту радиоактивной (например, железную броню танка; свинец же не проявляет вторичной радиоактивности). Пример слоёв половинного ослабления проникающего гамма-излучения[4]: свинец 2 см, сталь 3 см, бетон 10 см, каменная кладка 12 см, грунт 14 см, вода 22 см, древесина 31 см.
Нейтронное излучение в свою очередь хорошо поглощается материалами, содержащими лёгкие элементы (водород, литий, бор), которые эффективно и с малым пробегом рассеивают и поглощают нейтроны, при этом не активируются и гораздо меньше выдают вторичное излучение. Слои половинного ослабления нейтронного потока: вода, пластмасса 3 — 6 см, бетон 9 — 12 см, грунт 14 см, сталь 5 — 12 см, свинец 9 — 20 см, дерево 10 — 15 см. Лучше всех материалов поглощают нейтроны водород (но в газообразном состоянии он имеет малую плотность), гидрид лития и карбид бора.
Идеального однородного защитного материала от всех видов проникающей радиации нет, для создания максимально лёгкой и тонкой защиты приходится совмещать слои различных материалов для последовательного поглощения нейтронов, а затем первичного и захватного гамма-излучения (например, многослойная броня танков, в которой учтена и радиационная защита; защита оголовков шахтных пусковых установок из ёмкостей с гидратами лития и железа с бетоном), а также применять материалы с добавками. Универсальны широко применяемые в строительстве защитных сооружений бетон и увлажнённая грунтовая засыпка, содержащие и водород и относительно тяжёлые элементы. Очень хорош для строительства бетон с добавкой бора (20 кг B4C на 1 м? бетона), при одинаковой толщине с обычным бетоном (0,5 — 1 м) он обеспечивает в 2 — 3 раза лучшую защиту от нейтронной радиации и подходит для защиты от нейтронного оружия[5].
4.Двусторонние соглашения о ядерном оружии
По мере того как на различных международных форумах продолжались попытки сдерживания ядерного оружия, росло всеобщее понимание того, что ядерные державы несут особую ответственность за поддержание стабильной и надежной системы международной безопасности. В период «холодной войны» и после ее окончания обе главные ядерные державы заключили соглашения, значительно снизившие угрозу ядерной войны.
Заключение.
Ученые считают, что при нескольких крупномасштабных ядерных взрывах, повлекших за собой сгорание лесных массивов, городов, огромные слоя дыма, гари поднялись бы к стратосфере, блокируя тем самым путь солнечной радиации. Это явление носит название “ядерная зима”. Зима продлится несколько лет, может даже всего пару месяцев, но за это время будет почти полностью уничтожен озоновый слой Земли. На Землю хлынут потоки ультрафиолетовых лучей. Моделирование данной ситуации показывает, что в результате взрыва мощностью в 100 Кт температура понизится в среднем у поверхности Земли на 10-20 градусов. После ядерной зимы дальнейшее естественное продолжение жизни на Земле будет довольно проблематичным:
• возникнет дефицит питания и энергии. Из-за сильного изменения климата сельское хозяйство придет в упадок, природа будет уничтожена, либо сильно изменится.
• произойдет радиоактивное загрязнение участков местности, что опять же приведет к истребление живой природы
• глобальные изменения окружающей среды (загрязнение, вымирание множества видов, разрушение дикой природы).
Ядерное оружие — огромная угроза всему человечеству. Так, по расчетам американских специалистов, взрыв термоядерного заряда мощностью 20 Мт может сравнять с землей все жилые дома в радиусе 24 км и уничтожить все живое на расстоянии 140 км от эпицентра.
Учитывая накопленные запасы ядерного оружия и его разрушительную силу, специалисты считают, что мировая война с применением ядерного оружия означала бы гибель сотен миллионов людей, превращение в руины всех достижений мировой цивилизации и культуры.
К счастью, окончание холодной войны немного разрядило международную политическую обстановку. Подписаны ряд договоров о прекращении ядерных испытаний и ядерном разоружении.
Также важной проблемой на сегодняшний день является безопасная эксплуатация атомных электростанций. Ведь самая обыкновенное невыполнение техники безопасности может привести к таким же последствиям что и ядерная войны.
Сегодня люди должны подумать о своем будущем, о том в каком мире они будут жить уже в ближайшие десятилетия.
Используемая литература:
https://ru.wikipedia.org
https://www.fas.org/programs/ssp/nukes/nuclearweapons/nukestatus.html
Роберт Юнг.
«Ярче тысячи солнц». М, 1960
Пономарёв, Леонид Иванович, «Под знаком кванта», 1984 (1989, 2007) Атомная бомба. (глава из книги)
Ядерное оружие: полная энциклопедия.
