Як працює ядерну зброю?
Як і в звичайній динамітної шашці, в ядерній бомбі використовується енергія. Тільки вона вивільняється в ході примітивної хімічної реакції, а в складних ядерних процесах. Існує два основних способи виділення ядерної енергії з атома. В ядерному поділі ядро атома розпадається на два менших фрагмента з нейтроном. Ядерний синтез – процес, за допомогою якого Сонце виробляє енергію – включає об’єднання двох менших атомів з утворенням більш великого. В будь-якому процесі, поділу або злиття виділяються великі кількості теплової енергії випромінювання. Залежно від того, використовується поділ ядер або їх синтез, бомби поділяються на ядерні (атомні) і термоядерні.
А можна детальніше про ядерне ділення?
Вибух атомної бомби над Хіросімою (1945 р)
Як ви пам’ятаєте, атом складається з трьох типів субатомних часток: протонів, нейтронів і електронів. Центр атома, називається ядром, що складається з протонів і нейтронів. Протони позитивно заряджені, електрони – негативно, а нейтрони взагалі не мають заряду. Ставлення протон-електрон завжди один до одного, тому атом у цілому має нейтральний заряд. Наприклад, атом вуглецю має шість протонів і шість електронів. Частинки утримуються разом фундаментальною силою – сильною ядерною взаємодією.
Властивості атома можуть значно мінятися в залежності від того, скільки різних частинок в ньому міститься. Якщо змінити кількість протонів, у вас буде вже інший хімічний елемент. Якщо ж змінити кількість нейтронів, ви отримаєте ізотоп того ж елемента, що у вас в руках. Наприклад, вуглець має три ізотопи: 1) вуглець-12 (шість протонів + шість нейтронів), стабільну і часто зустрічається форму елемента, 2) вуглець-13 (шість протонів + сім нейтронів), який є стабільним, але рідкісним і 3) вуглець-14 (шість протонів + вісім нейтронів), який є рідкісним і нестійким (або радіоактивним).
Більшість атомних ядер стабільні, але деякі з них нестійкі (радіоактивні). Ці ядра спонтанно випромінюють частинки, які вчені називають радіацією. Цей процес називається радіоактивним розпадом. Існує три типи розпаду:
Альфа-розпад: ядро викидає альфа-частинку – два протони і два нейтрона, пов’язаних разом. Бета-розпад: нейтрон перетворюється на протон, електрон і антинейтрино. Викинутий електрон є бета-частинкою. Спонтанне ділення: ядро розпадається на кілька частин і викидає нейтрони, а також спонукає електромагнітної енергії – гамма-промінь. Саме останній тип розпаду використовується в ядерній бомбі. Вільні нейтрони, викинуті в результаті поділу, починають ланцюгову реакцію, яка вивільняє колосальну кількість енергії.
З чого роблять ядерні бомби?
Їх можуть робити з урану-235 і плутонію-239. Уран в природі зустрічається у вигляді суміші трьох ізотопів: 238U (99,2745 % природного урану), 235U (0,72 %) і 234U (0,0055 %). Найбільш поширений 238U не підтримує ланцюгову реакцію: на це здатний лише 235U. Щоб досягти максимальної потужності вибуху, необхідно, щоб зміст 235U в «начинці» бомби становила не менше 80%. Тому уран доводиться штучно збагачувати. Для цього суміш уранових ізотопів поділяють на дві частини так, щоб в одній з них виявилося більше 235U.
Зазвичай при поділі ізотопів залишається багато збідненого урану, не здатного вступити в ланцюгову реакцію – але є спосіб змусити його це зробити. Справа в тому, що плутоній-239 в природі не зустрічається. Зате його можна отримати, бомбардуючи нейтронами 238U.
Як вимірюється їх потужність?
Потужність ядерного і термоядерного заряду вимірюється в тротиловому еквіваленті — кількості тринітротолуолу, яке потрібно підірвати для отримання аналогічного результату. Вона вимірюється в кілотоннах (кт) і мегатонни (Мт). Потужність надмалих ядерних боєприпасів становить менше 1 кт, в той час як надпотужні бомби дають понад 1 Мт.
Потужність радянської «Цар-бомби» становила за різними даними від 57 до 58,6 мегатонн у тротиловому еквіваленті, потужність термоядерної бомби, яку на початку вересня зазнала КНДР, склала близько 100 кілотонн.
Хто створив ядерну зброю?
Американський фізик Роберт Оппенгеймер і генерал Леслі Гровс
У 1930-х роках італійський фізик Енріко Фермі продемонструвала, що елементи, піддані бомбардуванню нейтронами, можуть бути перетворені в нові елементи. Результатом цієї роботи стало виявлення повільних нейтронів, а також відкриття нових елементів, не представлених на періодичній таблиці. Незабаром після відкриття Фермі німецькі вчені Отто Ган і Фріц Штрассман бомбардували уран нейтронами, у результаті чого утворився радіоактивний ізотоп барію. Вони прийшли до висновку, що низькошвидкісні нейтрони змушують ядро урану розриватися на дві більш дрібні частини.
Ця робота розбурхала уми всього світу. У Прінстонському університеті Нільс Бор працював з Джоном Уілер для розробки гіпотетичної моделі процесу ділення. Вони припустили, що уран-235 підлягає поділу. Приблизно в той же час інші вчені виявили, що процес ділення привів до утворення ще більшої кількості нейтронів. Це спонукало Бору і Уїлера поставити важливе питання: чи могли вільні нейтрони, створені в результаті поділу, почати ланцюгову реакцію, яка вивільнила б величезну кількість енергії? Якщо це так, то можна створити зброю неймовірної сили. Їх припущення підтвердив французький фізик Фредерік Жоліо-Кюрі. Його укладення стало поштовхом для розробок по створенню ядерної зброї.
Над створенням атомної зброї працювали фізики Німеччини, Англії, США, Японії. Перед початком Другої світової війни Альберт Ейнштейн написав президентові США Франкліну Рузвельту про те, що нацистська Німеччина планує очистити уран-235 і створити атомну бомбу. Зараз з’ясувалося, що Німеччина була далека від проведення ланцюгової реакції: вони працювали над «брудної», сильно радіоактивного бомбою. Як би те ні було, уряд США кинуло всі сили на створення атомної бомби в найкоротші терміни. Був запущений «Манхеттенський проект», яким керували американський фізик Роберт Оппенгеймер і генерал Леслі Гровс. У ньому брали участь видатні вчені, які емігрували з Європи. До літа 1945 року було створено атомну зброю, засноване на двох видах подільного матеріалу — урану-235 і плутонію-239. Одну бомбу, плутонієву «Штучку», підірвали на випробуваннях, а ще дві, уранового «Малюка» і плутонієвого «Товстуни» скинули на японські міста Хіросіму і Нагасакі.
Як працює термоядерна бомба і хто її винайшов?
Термоядерна бомба заснована на реакції ядерного синтезу. На відміну від ядерного ділення, яке може відбуватися як мимовільно, так і вимушено, ядерний синтез неможливий без підведення зовнішньої енергії. Атомні ядра заряджені позитивно, тому вони відштовхуються один від одного. Ця ситуація називається кулонівською бар’єром. Щоб подолати відштовхування, необхідно розігнати ці частинки до божевільних швидкостей. Це можна здійснити при дуже високій температурі — близько кількох мільйонів кельвінів (звідси і назва). Термоядерні реакції бувають трьох видів: самоподдерживающиеся (відбуваються у надрах зірок), керовані і некеровані або вибухові – вони використовуються у водневих бомбах.
Стаття по темі
Північна Корея опублікувала відео успішних випробувань балістичної ракети
Ідею бомби з термоядерним синтезом, ініційованим атомним зарядом, запропонував Енріко Фермі своєму колезі Едварду Теллеру ще в 1941 році, на самому початку Манхеттенського проекту. Однак тоді ця ідея виявилася не затребувана. Розробки Теллера удосконалив Станіслав Улам, зробивши ідею термоядерної бомби здійсненно на практиці. У 1952 році на атолі Эниветок в ході операції Ivy Mike випробували перше термоядерну вибуховий пристрій. Однак це був лабораторний зразок, непридатний у бойових діях. Рік Радянський Союз підірвав першу в світі термоядерну бомбу, зібрану по конструкції фізиків Андрія Сахарова і Юлія Харитона. Пристрій нагадує листковий пиріг, тому грізну зброю прозвали «Слойкой». В ході подальших розробок на світ з’явилася найпотужніша бомба на Землі, «Цар-бомба» або «Кузькіна мать». У жовтні 1961 року її випробували на архіпелазі Нова Земля.
З чого роблять термоядерні бомби?
Якщо ви думали, що водневі та термоядерні бомби — це різні речі, ви помилялися. Ці слова синонімічні. Саме водень (а точніше, його ізотопи — дейтерій і тритій) потрібно для проведення термоядерної реакції. Однак є складність: щоб підірвати водневу бомбу, необхідно спочатку в ході звичайного ядерного вибуху отримати високу температуру — лише тоді атомні ядра почнуть реагувати. Тому у випадку з термоядерною бомбою велику роль відіграє конструкція.
Широко відомі дві схеми. Перша — сахаровская «слойка». В центрі розташовувався ядерний детонатор, який був оточений шарами дейтериду літію в суміші з тритієм, які чергувалися з шарами збагаченого урану. Така конструкція дозволяла досягти потужності в межах 1 Мт. Друга — американська схема Теллера — Улама, де ядерна бомба і ізотопи водню розташовувалися окремо. Виглядало це так: знизу — ємність з сумішшю рідких дейтерію і тритію, по центру якої розташовувалася «свічка запалювання» — плутонієвий стрижень, а зверху — звичайний ядерний заряд, і все це в оболонці з важкого металу (наприклад, збідненого урану). Швидкі нейтрони, що утворилися під час вибуху, викликають у уранової оболонки реакції розподілу атомів і додають енергію в загальну енергію вибуху. Надстраивание додаткових шарів дейтериду літію урану-238 дозволяє створювати снаряди необмеженої потужності. У 1953 році радянський фізик Віктор Давиденко випадково повторив ідею Теллера — Улама, і на її основі Цукрів придумав багатоступеневу схему, яка дозволила створювати зброю небувалих потужностей. Саме за такою схемою працювала «Кузькіна мать».
Які ще бомби бувають?
Ще бувають нейтронні, але це взагалі страшно. По суті, нейтронна бомба — це малопотужна термоядерна бомба, 80% енергії вибуху якої становить радіація (нейтронне випромінювання). Це виглядає як звичайний ядерний заряд малої потужності, до якого доданий блок з ізотопом берилію — джерелом нейтронів. При вибуху ядерного заряду запускається термоядерна реакція. Цей вид зброї розробляв американський фізик Семюел Коен. Вважалося, що нейтронне зброю знищує все живе навіть в укриттях, однак дальність ураження такої зброї невелика, так як атмосфера розсіює потоки швидких нейтронів, і ударна хвиля на великих відстанях виявляється сильніше.
А як же кобальтова бомба?
Ні, синку, це фантастика. Офіційно кобальтових бомб немає ні в однієї країни. Теоретично це термоядерна бомба з оболонкою з кобальту, яка забезпечує сильне радіоактивне зараження місцевості навіть при порівняно слабкому ядерному вибуху. 510 тонн кобальту здатні заразити всю поверхню Землі і знищити все живе на планеті. Фізик Лео Сілард, описав цю гіпотетичну конструкцію у 1950 році, назвав її «Машиною судного дня».
Що крутіше: ядерна бомба або термоядерна?
Натурний макет «Цар-бомби”
Воднева бомба є набагато більш просунутою і технологічною, ніж атомна. Її потужність вибуху набагато перевершує атомну і обмежена тільки кількістю наявних компонентів. При термоядерної реакції на кожен нуклон (так називаються складові ядра, протони і нейтрони) виділяється набагато більше енергії, ніж при ядерній реакції. Наприклад, при поділі ядра урану на один нуклон припадає 0,9 Мев (мегаелектронвольт), а при синтезі ядра гелію з ядер водню виділяється енергія, рівна 6 Мев.
Як бомби доставляють до мети?
Стаття по темі
Північна Корея vs США: чи можливе примирення? Думка історика
Спочатку їх скидали з літаків, однак засоби протиповітряної оборони постійно удосконалювалися, і доставляти ядерну зброю таким чином виявилося безглуздим. Із зростанням виробництва ракетної техніки усі права на доставку ядерної зброї перейшли до балістичних і крилатих ракет різного базування. Тому під бомбою тепер мається на увазі не бомба, а боєголовка.
Є думка, що північнокорейська воднева бомба занадто велика, щоб її можна було встановити на ракеті — тому, якщо КНДР вирішить втілити загрозу в життя, її повезуть на кораблі до місця вибуху.
Які наслідки ядерної війни?
Хіросіма і Нагасакі — це лише мала частина можливого апокаліпсису. Наприклад, відома гіпотеза “ядерної зими”, яку висували американський астрофізик Карл Саган і радянський геофізик Георгій Голіцин. Передбачається, що при вибуху декількох ядерних боєзарядів (не в пустелі або на воді, а в населених пунктах) виникне безліч пожеж, і в атмосферу виплеснеться велика кількість диму і сажі, що призведе до глобального похолодання. Гіпотезу критикують, порівнюючи ефект з вулканічною активністю, яка надає незначний ефект на клімат. Крім того, деякі вчені відзначають, що швидше настане глобальне потепління,ніж похолодання — втім, обидві сторони сподіваються, що ми цього ніколи не дізнаємося.
Дозволено використовувати ядерну зброю?
Після гонки озброєнь у XX столітті країни схаменулися і вирішили обмежити використання ядерної зброї. ООН були прийняті договори про нерозповсюдження ядерної зброї та заборону ядерних випробувань (останній не був підписаний молодими ядерними державами Індією, Пакистаном, і КНДР). У липні 2017 року був прийнятий новий договір про заборону ядерної зброї.
“Кожна держава-учасниця зобов’язується ніколи і ні за яких обставин не розробляти, не відчувати, не виробляти, не виробляти, не набувати іншим чином, не мати у володінні і не накопичувати ядерну зброю або інші ядерні вибухові пристрої,” — говорить перша стаття договору.
Однак документ не набуде чинності до тих пір, поки його не ратифікують 50 держав.