Критическая масса. Гальванические покрытия, хромирование Что значит критическая масса урана

На сайте изложены основы технологии гальванических покрытий. Подробно рассмотрены процессы подготовки и нанесения электрохимических и химических покрытий, а также методы контроля качества покрытий. Описано основное и вспомогательное оборудование гальванического цеха. Приведены сведения по механизации и автоматизации гальванического производства, а также санитарии и технике безопасности.

Сайт может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.

Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решать многие задачи, среди которых важное место занимает защита металлов от коррозии. Коррозия металлов, т. е. разрушение их вследствие электрохимического или химического воздействия среды, причиняет-народному хозяйству огромный ущерб. Ежегодно вследствие коррозии выходит из употребления до 10—15 % годового выпуска металла в виде ценных деталей и конструкций, сложных приборов и машин. В отдельных случаях коррозия приводит к авариям.

Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также широко применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости и износостойкости, высокой отражательной способности, улучшенных антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности, облегчения паяемости и, наконец, просто для улучшения внешнего вида изделий.

Русские ученые являются создателями многих важнейших способов электрохимической обработки металлов. Так, создание гальванопластики — заслуга академика Б. С. Якоби (1837 г.). Важнейшие работы в области гальванотехники принадлежат русским ученым Э. X. Ленцу и И. М. Федоровскому. Развитие гальванотехники после Октябрьской революции неразрывно связано с именами ученых профессоров Н. Т. Кудрявцева, В. И. Лайнера, Н. П. Федотьева и многих других.

Проделана большая работа по стандартизации и нормализации процессов нанесения покрытий. Резко увеличивающийся объем работы, механизация и автоматизация гальванических цехов потребовали четкого регламентирования процессов, тщательного отбораэлектролитов для нанесения покрытия, выбора наиболее эффективных способов подготовки поверхности деталей перед осаждением гальванических покрытий и заключительных операций, а также надежных методов контроля качества изделий. В этих условиях резко возрастает роль квалифицированного рабочего-гальваника.

Основной задачей данного сайта является помощь учащимся технических училищ в овладении профессией рабочего-гальваника, знающего современные технологические процессы, применяемые в передовых гальванических цехах.

Электролитическое хромирование является эффективным способом повышения износостойкости трущихся деталей, защиты их от коррозии, а также способом защитно-декоративной отделки. Значительную экономию дает хромирование при восстановлений изношенных деталей. Процесс хромирования широко применяется в народном хозяйстве. Над его совершенствованием работает ряд научно-исследовательских организаций, институтов, вузов и машиностроительных предприятий. Появляются более эффективные электролиты и режимы хромирования, разрабатываются методы повышения механических свойств хромированных деталей, в результате чего расширяется область применения хромирования. Знание основ срвременной технологии хромирования способствует выполнению указаний нормативно-технической документации и творческому участию широких кругов практических работников в дальнейшем развитии хромирования.

На сайте развиты вопросы влияния хромирования на прочность деталей, расширено использование эффективных электролитов и технологических процессов, введен новый раздел по методам повышения экономичности хромирования. Основные разделы переработаны с учетом nporpecсивных достижений технологии хромирования. Приведенные технологические указания и конструкции подвесных приспособлений являются примерными, ориентирующими читателя в вопросах выбора условий хромирования и в принципах конструирования подвесных приспособлений.

Непрерывное развитие всех отраслей машиностроения и приборостроения обусловило значительное расширение области применения электролитических и химических покрытий.

Путем химического осаждения металлов, в сочетании с гальваническим созданы металлические покрытия на самых разнообразных диэлектриках: пластмассах, керамике, ферритах, ситалле и других материалах. Изготовление деталей из этих материалов с металлизированной поверхностью обеспечило внедрение новых конструктивно-технических решений, улучшение качества изделий и удешевление производства аппаратуры, машин, предметов широкого потребления.

Детали из пластмасс с металлическими покрытиями широко используются в автомобилестроении, радиотехнической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Особенно большое значение процессы металлизации полимерных материалов приобрели в производстве печатных плат, являющихся основой современных электронных приборов и радиотехнических изделий.

В брошюре даны необходимые сведения о процессах химико-электролитической металлизации диэлектриков, приведены основные закономерности химического осаждения металлов. Указаны особенности электролитических покрытий при металлизации пластмасс. Уделено значительное внимание технологии производства печатных плат, а также даны методы анализа растворов, применяемых в процессах металлизации, и способы их приготовления и корректирования.

В доступной и увлекательной форме сайт знакомит с физической природой в особенностями ионизирующей радиации и радиоактивности, с влиянием различных доз радиации на живые организмы, способами защиты и предупреждения лучевой опасности, возможностями использования радиоактивных изотопов для распознавания и лечения заболеваний человека.

С момента окончания самой страшной в истории человечества войны прошло чуть более двух месяцев. И вот 16 июля 1945 года американскими военными была испытана первая ядерная бомба, а спустя еще месяц в атомном пекле гибнут тысячи жителей японских городов. С тех оружие, так же как и средства доставки его к целям, непрерывно совершенствовалось на протяжении более полувека.

Военным хотелось получить в свое распоряжение как сверхмощные боеприпасы, одним ударом сметающие с карты целые города и страны, так и сверхмалые, умещающиеся в портфель. Такое устройство вывело бы диверсионную войну на небывалый доселе уровень. Как с первым, так и со вторым возникли непреодолимые трудности. Виной всему, так называемая, критическая масса. Однако, обо всем по порядку.

Такое взрывоопасное ядро

Чтобы разобраться в порядке работы ядерных устройств и понять, что называется критической массой, вернемся ненадолго за парту. Из школьного курса физики мы помним простое правило: одноименные заряды отталкиваются. Там же, в средней школе ученикам рассказывают о строении атомного ядра, состоящего из нейтронов, нейтральных частиц и протонов, заряженных положительно. Но как такое возможно? Положительно заряженные частицы расположены так близко друг к другу, силы отталкивания должны быть колоссальными.

Науке до конца не известна природа внутриядерных сил, удерживающих вместе протоны, хотя свойства этих сил изучены достаточно хорошо. Силы действуют только на очень близком расстоянии. Но стоит хотя бы чуть-чуть разделить протоны в пространстве, как силы отталкивания начинают превалировать, и ядро разлетается на куски. А мощность такого разлета воистину колоссальна. Известно, что силы взрослого мужчины не хватило бы для удержания протонов всего лишь одного единственного ядра атома свинца.

Чего испугался Резерфорд

Ядра большинства элементов таблицы Менделеева стабильны. Однако с ростом атомного числа эта стабильность все уменьшается. Дело в размере ядер. Представим себе ядро атома урана, состоящее из 238 нуклидов, из которых 92 - протоны. Да, протоны находятся в тесном контакте друг с другом, и внутриядерные силы надежно цементируют всю конструкцию. Но сила отталкивания протонов, находящихся на противоположных концах ядра становится заметной.

Что проделывал Резерфорд? Он производил бомбардировку атомов нейтронами (электрон не пройдет через электронную оболочку атома, а положительно заряженный протон не сможет приблизиться к ядру из-за сил отталкивания). Нейтрон, попадая в ядро атома, вызывал его деление. В стороны разлетались две отдельные половинки и два-три свободных нейтрона.

Этот распад, в силу громадных скоростей разлетающихся частиц, сопровождался выбросом громадной энергии. Ходил слух, что Резерфорд даже хотел скрыть свое открытие, испугавшись его возможных последствий для человечества, но это, скорее всего, не более чем сказки.

Так при чем тут масса и почему она критическая

Ну и что? Как можно облучить потоком протонов достаточное количество радиоактивного металла, чтобы получить мощный взрыв? И что такое критическая масса? Все дело в тех нескольких свободных электронах, которые вылетают из «разбомбленного» атомного ядра, они в свою очередь так же, столкнувшись с другими ядрами, вызовут их деление. Начнется так называемая Однако запустить ее будет чрезвычайно сложно.

Уточним масштаб. Если за ядро атома принять яблоко на нашем столе, то для того, чтобы представить себе ядро соседнего атома, такое же яблоко придется отнести и положить на стол даже не в соседней комнате, а… в соседнем доме. Нейтрон же будет размером с вишневую косточку.

Для того, чтобы выделившиеся нейтроны не улетали впустую за пределы слитка урана, а более 50 % из них находили бы себе цель в виде атомных ядер, этот слиток должен иметь соответствующие размеры. Вот что называется критической массой урана - масса, при которой более половины выделяющихся нейтронов сталкиваются с другими ядрами.

На деле это происходит в одно мгновение. Количество расщепленных ядер нарастает как лавина, их осколки устремляются во все стороны со скоростями сопоставимыми со скоростью света, вспарывая воздух, воду, любую другую среду. От их столкновений с молекулами окружающей среды область взрыва мгновенно нагревается до миллионов градусов, излучая жар, испепеляющий все в округе нескольких километров.

Резко нагретый воздух мгновенно увеличивается в размерах, создавая мощную ударную волну, которая сносит с фундаментов здания, переворачивает и крушит все на своем пути… такова картина атомного взрыва.

Как это выглядит на практике

Устройство атомной бомбы на удивление просто. Имеются два слитка урана (или другого масса каждого из которых немного меньше критической. Один из слитков изготовлен в виде конуса, другой - шара с конусообразным отверстием. Как нетрудно догадаться, при совмещении обеих половинок получается шар, у которого достигается критическая масса. Это стандартная простейшая ядерная бомба. Соединяются две половинки при помощи обычного тротилового заряда (конус выстреливается в шар).

Но не стоит думать, что такое устройство сможет собрать «на коленке» любой желающий. Весь фокус заключается в том, что уран, чтобы бомба из него взорвалась, должен быть очень чистым, наличие примесей - практически ноль.

Почему не бывает атомной бомбы размером с пачку сигарет

Все по той же причине. Критическая масса самого распространенного изотопа урана 235 составляет около 45 кг. Взрыв такого количества ядерного топлива - это уже катастрофа. А изготовить с меньшим количеством вещества невозможно - оно просто не сработает.

По той же причине не получилось и создать сверхмощные атомные заряды из урана или других радиоактивных металлов. Для того, чтобы бомба была очень мощной, ее делали из десятка слитков, которые при подрыве детонирующих зарядов устремлялись к центру, соединяясь как дольки апельсина.

Но что происходило на деле? Если по каким-то причинам два элемента встречались на тысячную долю секунды раньше остальных, критическая масса достигалась быстрее чем «подоспеют» остальные, взрыв происходил не той мощности, на которую рассчитывали конструкторы. Проблема сверхмощных ядерных боеприпасов была решена только с появлением термоядерного оружия. Но это чуть другая история.

А как же работает мирный атом

Атомная электростанция - по сути та же ядерная бомба. Только у этой «бомбы» ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), изготовленные из урана, находятся на некотором расстоянии друг от друга, что не мешает им обмениваться нейтронными «ударами».

ТВЭЛы изготавливаются в виде стержней, между которыми находятся регулирующие стержни, выполненные из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Принцип работы прост:

• регулирующие (поглощающие) стержни вводятся в пространство между стержнями урана - реакция замедляется или останавливается вовсе;
• регулирующие стержни выводятся из зоны - радиоактивные элементы активно обмениваются нейтронами, ядерная реакция протекает интенсивнее.

Действительно, получается та же атомная бомба, в которой критическая масса достигается настолько плавно и регулируется так четко, что это не приводит к взрыву, а лишь к нагреву теплоносителя.

Хотя, к сожалению, как показывает практика, не всегда человеческий гений способен обуздать эту огромную и разрушительную энергию - энергию распада атомного ядра.

Ядерное оружие начало вызывать у людей страх уже с того самого момента, когда теоретически была доказана возможность его создания. И уже более полувека мир живет в этом страхе, меняется лишь его величина: от паранойи 50-60-х до перманентной тревоги сейчас. Но как вообще стала возможной подобная ситуация? Как в человеческий разум могла прийти сама идея создания такого жуткого оружия? Мы ведь знаем, что ядерная бомба фактически была создана руками величайших ученых-физиков тех времен, многие из них были на тот момент нобелевскими лауреатами или стали ими впоследствии.

Автор попытался дать понятный и доступный ответ на эти и многие другие вопросы, рассказав о гонке за обладание ядерным оружием. Главное внимание при этом уделяется судьбам отдельных ученых-физиков, непосредственно причастных к рассматриваемым событиям.

Глава 3 Критическая масса

В январе 1939 года Отто Фриш наконец-то получил добрые вести. Он узнал, что его отец, хотя и оставался пока в концлагере Дахау, все-таки получил шведскую визу. Вскоре его отпустили и в Вене он смог встретиться с матерью Фриша. Вдвоем они перебрались туда, где им ничто не угрожало, - в Стокгольм.

Но даже настолько радостные известия не могли избавить Отто от предчувствия близкой большой беды, с недавних пор его переполнявшего. Ожидание начала войны, которое было уже не за горами, погружало его все глубже в пучину депрессии. Фриш не видел никакого смысла продолжать те исследования, которыми занимался в Копенгагене. Росло и чувство незащищенности. Когда в лабораторию Бора приехали британец Патрик Блэкетт и австралиец Марк Олифант, Отто попросил их о помощи.

Олифант вырос в Аделаиде. Поначалу он интересовался медициной и, в частности, стоматологией , но в университете увлекся физикой. Наслушавшись Эренста Резерфорда, новозеландца по происхождению, впечатлительный студент решил заняться ядерной физикой. В 1927 году он присоединился к возглавляемой Резерфордом группе исследователей, которая работала в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Там в начале 1930-х он стал непосредственным свидетелем множества замечательных открытий в области ядерной физики. В 1934 году в соавторстве с Резерфордом (а также немецким химиком Паулем Гартеком) Олифант опубликовал статью, в которой описывалась реакция ядерного синтеза с участием тяжелого водорода - дейтерия .

В 1937 году Олифант получил профессорскую должность в Бирмингемском университете, став деканом факультета физики. Он очень участливо отнесся к просьбе Фриша о помощи и вскоре прислал ему письмо, в котором приглашал Отто посетить Бирмингем летом 1939-го и уже на месте посмотреть, что можно для него сделать. Спокойствие и уверенность Олифанта весьма впечатлили Фриша, который никак не мог выйти из депрессии, и он не стал ждать еще одного приглашения. Упаковав два маленьких чемодана, он выехал в Англию, «ничем не отличаясь от других туристов».

Австралиец устроил Отто на должность младшего преподавателя. Тот теперь работал в довольно неформальной обстановке. Олифант читал студентам лекции и направлял к Фришу тех, кто испытывал затруднения с освоением нового материала. Отто работал с несколькими десятками студентов, которые задавали ему огромное количество вопросов, и так завязывалась весьма оживленная дискуссия. Фришу очень нравилась подобная работа.

В Бирмингеме Фриш встретился с другим эмигрантом, своим земляком - Рудольфом Пайерлсом. Рудольф родился в Берлине, в семье ассимилировавшихся евреев. Физику он изучал в Берлине, Мюнхене и Лейпциге, где и защитился в 1928 году у Гейзенберга. Затем Пайерлс переехал в швейцарский Цюрих и уже там в 1932 году был удостоен рокфеллеровской стипендии. Обучаться он должен был сначала в Риме, у Ферми, а затем в английском Кембридже - у физика-теоретика Ральфа Фаулера. Когда в 1933 году Гитлер пришел к власти, Пайерлс как раз находился в Англии. Вскоре ему стало ясно, что обратный путь в Германию закрыт. Завершив обучение, Рудольф отправился в Манчестер, где работал вместе с Лоренсом Брэггом, а затем снова вернулся в Кембридж, где пробыл еще пару лет. В 1937 году он стал профессором математики в Бирмингемском университете.

С сентября 1939 года, после начала войны, лаборатории в Бирмингеме стали главным образом заниматься крайне важными - и засекреченными - исследованиями для военных.

Работа ученых была связана с резонансным магнетроном - приспособлением, необходимым для генерации интенсивного СВЧ-излучения в наземных и бортовых самолетных радарах. Позже Ч. П. Сноу назвал эти устройства «самым ценным научным изобретением англичан, сделанным во время войны с Гитлером».

Будучи гражданами враждебного государства, Фриш и Пайерлс не должны были ничего знать об этих работах. Однако секретность проекта имела какой-то непонятный характер. Порой Олифант задавал Пайерлсу гипотетические вопросы, которые начинались со слов: «Если бы вы столкнулись со следующей проблемой…». Как позднее напишет Фриш, «Олифант знал, что Пайерлс знает, и, думаю, Пайерлс знал, что Олифант знает, что тот знает. Однако никто из них и вида не показывал».

Фриш работал со студентами не постоянно, так что, имея достаточно свободного времени, он мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто провел несколько небольших экспериментов. Бор с Уилером утверждали, что уран расщепляем главным образом благодаря изотопу U 235 , обладающему не очень высокой стабильностью. Фриш решил доказать это экспериментальным путем, получив данные по образцам с немного увеличенным содержанием редкого изотопа. Чтобы выделить небольшое количество урана-235, он собрал маленький аппарат, в котором использовался метод термодиффузии, изобретенный Клузиусом и Дикелем. Прогресс, однако, был крайне медленным.

Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал и осветить в нем все недавние успехи в изучении атомного ядра, чтобы это было понятно и интересно химикам. Статью Отто писал в своей съемной комнате. Не снимая пальто, он сидел, держа машинку на коленях, около газовой горелки, пытаясь хоть немного согреться: температура той зимой опускалась до -18 °C. По ночам замерзала вода в стакане.

Рассказывая о расщеплении ядра, он повторял общепринятое на тот момент мнение: если однажды и удастся осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то с учетом того, что в ней должны использоваться медленные нейтроны, атомную бомбу, в которой цепная реакция будет происходить, взорвать практически невозможно. «По крайней мере похожего результата мы бы достигли, если бы просто подожгли аналогичное количество пороха», - так писал он в заключительной части. Фриш вообще не верил в возможность создания атомной бомбы.

Однако, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент, по утверждению Бора и Уилера, заключалась в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывало быстрые нейтроны, имевшие определенную «резонансную» энергию, или скорость, для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Однако их использование означало, что и получаемая энергия будет накапливаться весьма медленно. Если построить реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его или даже испарит задолго до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать все меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.

Физики «Уранового общества» пришли к тому же самому мнению. Однако Фриша теперь очень интересовал ответ на вопрос: что все-таки произойдет, если использовать быстрые нейтроны? Считалось, что уран-235 расщепляется нейтронами обоих типов. Однако если в расщепляемом уране слишком много U 238 , то от быстрых вторичных нейтронов, испускаемых U 235 при распаде, будет мало пользы: по всей видимости, эти быстрые вторичные нейтроны выйдут из реакции в силу резонансного захвата ядром урана-238. Но это препятствие легко обойти, если использовать чистый или почти чистый уран-235. Фриш без особого труда собрал маленький аппарат Клузиуса-Дикеля для отделения U 235 . Было понятно, что таким способом получить большие объемы чистого урана-235, например несколько тонн, невозможно. Но вдруг для цепной реакции на быстрых нейтронах окажется достаточно и гораздо меньшего количества?

Цепная реакция на быстрых нейтронах с использованием чистого урана-235 - если считать, что у атомной бомбы изначально и был какой-то секрет, то теперь он стал известен Фришу.

Отто поделился своими мыслями с Пайерлсом, который в начале июня 1939 года доработал формулу расчета критической массы материала, необходимой для поддержания цепной ядерной реакции. Составлена эта формула была французским физиком-теоретиком Франсисом Перреном. Для смеси изотопов с большим содержанием U 238 Пайерлс использовал свою измененную формулу, но, поскольку счет велся на тонны, для создания оружия такой вариант не подходил.

Теперь же Фришу необходимо было проводить вычисления совсем другого порядка - с участием чистого урана-235 и не медленных, а быстрых нейтронов. Проблема заключалась в том, что никто пока не знал, какой должна быть доля U 235 , чтобы обеспечить успешное участие в реакции быстрых нейронов . А не знали этого ученые потому, что пока еще не удавалось получить достаточное количество урана-235 в чистом виде.

В такой ситуации оставалось только выдвигать предположения. Результаты, полученные Бором и Уилером, ясно давали понять, что ядро U 235 легко расщепляется медленными нейтронами. Далее логично было предположить, что воздействие быстрых нейтронов ничуть не менее эффективно, и возможно даже, что ядро урана-235 делится при любом контакте с ними. Впоследствии Пайерлс так написал про эту гипотезу: «Судя по всему, из данных, которые получили Бор и Уилер, следовало сделать именно такой вывод: каждый нейтрон, попадающий в ядро 235-го [урана], вызывает его распад». Подобное допущение чрезвычайно упрощало расчеты. Теперь оставалось только высчитать, какое количество урана-235 необходимо для того, чтобы он легко расщеплялся быстрыми нейтронами.

Ученые подставили в формулу Пайерлса новые числа и были сражены наповал полученным результатом. О тоннах урана теперь и речи быть не могло. Критическая масса, согласно расчетам, составляла всего несколько килограммов. Для вещества с плотностью, как у урана, объем такого количества не превышал бы величины мячика для гольфа . По оценкам Фриша, столько U 235 можно получить за несколько недель, использовав порядка ста тысяч трубок аппаратов Клузиуса-Дикеля, подобных тому, который он собрал в бирмингемской лаборатории.

«Тут мы все переглянулись, осознав, что создать атомную бомбу все-таки возможно».

Пособие для граждан "Осторожно! Радиация"

Деление ядер атомов

Деление ядер атомов - это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части, на два "осколка".

Осколки - это два радиоактивных изотопа элементов центральной части таблицы Д. И. Менделеева, примерно от меди до средины элементов-лантаноидов (самария, европия).

При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде. Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8?10 гамма-квантов! Кроме того разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.

Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.

Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.

Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию ("атомную энергию") можно использовать либо для отопления, либо для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.

Если же позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв. Это уже - ядерное оружие.

В природе имеется только один химический элемент - уран, у которого есть только один делящийся изотоп - уран-235 . Это оружейный уран . И этого изотопа в природном уране 0,7%, то есть всего 7 кг в тонне! Остальные 99,3% (993 кг в тонне) - неделящийся изотоп - уран-238. Есть, правда, ещё один изотоп - уран-234, но его всего 0,006% (60 граммов в тонне).

Но в обычном урановом атомном реакторе из неделящегося ("неоружейного") урана-238 под действием нейтронов (нейтронная активация!) образуется новый изотоп урана - уран-239, а из него (путём двойного бета-минус распада) - новый, искусственный, не имеющийся в природе элемент плутоний. При этом сразу образуется делящийся изотоп плутония - плутоний-239 . Это оружейный плутоний .

Деление ядер атомов - это суть, основа атомного оружия и атомной энергетики.

Критическая масса - это такое количество оружейного изотопа, при котором нейтроны, выделяющиеся при самопроизвольном делении ядер, не вылетают наружу, а попадают в соседние ядра и вызывают их искусственное деление.

Критическая масса металлического урана-235 - 52 кг. Это шар диаметром 18 см.

Критическая масса металлического плутония-239 - 11 кг (а по некоторым публикациям - 9 и даже 6 кг). Это шар диаметром около 9-10 см.

Таким образом, сейчас у человечества имеется два делящихся, оружейных изотопа: уран-235 и плутоний-239. Разница между ними только в том, что уран, во-первых, более пригоден для использования в атомной энергетике: он позволяет управлять своей цепной реакцией, а во-вторых, он менее эффективен для осуществления неуправляемой цепной реакции - атомного взрыва: у него меньшая скорость самопроизвольного деления ядер и больше критическая масса. А оружейный плутоний, наоборот, более пригоден для ядерного оружия: у него большая скорость самопроизвольного деления ядер и гораздо меньше критическая масса. Плутоний-239 не позволяет надёжно управлять своей цепной реакцией и поэтому пока ещё не нашёл широкого применения в атомной энергетике, в атомных реакторах.

Именно поэтому все проблемы с оружейным ураном были решены в считанные годы, а попытки использовать плутоний в атомной энергетике продолжаются до сих пор - уже более 60 лет.

Так, через два года после открытия деления ядер урана был запущен первый в мире урановый атомный реактор (декабрь 1942 года, Энрико Ферми, США), а ещё через два с половиной года (в 1945 году) американцы взорвали первую урановую бомбу.

А с плутонием... Первая плутониевая бомба была взорвана в 1945 году, то есть примерно через четыре года после его открытия как химического элемента и открытия его деления. Причём, для этого потребовалось сначала построить урановый атомный реактор, наработать плутоний в этом реакторе из урана-238, затем выделить его из облучённого урана, хорошо изучить его свойства, изготовить бомбу. Наработали, выделили, изготовили. А вот разговоры о возможности использования плутония в качестве ядерного горючего в плутониевых атомных реакторах так и остались разговорами, и остаются таковыми вот уже более 60 лет.

Процесс деления можно характеризовать "периодом полуделения".

Впервые периоды полуделения оценили К. А. Петржак и Г. И. Флёров в 1940 г.

И у урана, и у плутония они крайне велики. Так по разным оценкам, у урана-235 период полуделения составляет примерно 10^17 (или 10^18 лет (Физический энциклопедический словарь); по другим данным - 1,8·10^17 лет. А у плутония-239 (по данным того же словаря) существенно меньше - примерно 10^15,5 лет; по другим данным - 4·10^15 лет.

Для сравнения напомним периоды полураспада (Т 1/2). Так у U-235 он "всего" 7,038·10^8 лет, а у Pu-239 и того меньше - 2,4·10^4 лет

Вообще, делиться могут ядра многих тяжёлых атомов, начиная с урана. Но мы ведём речь о двух основных, которые вот уже более 60 лет имеют огромное практическое значение. Другие представляют, скорее, чисто научный интерес.

Откуда берутся радионуклиды

Радионуклиды получают из трёх источников (тремя способами).

Первый источник - это природа. Это естественные радионуклиды , которые сохранились, дожили до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит, велико время жизни. Естественно, что их осталось гораздо меньше, чем было вначале. Их извлекают из природного сырья.

Второй и третий источники - искусственные.

Искусственные радионуклиды образуются двумя способами.

Первые - радионуклиды осколочного происхождения , которые образуются в результате деления ядер атомов. Это - "осколки деления". Естественно, что основная их масса образуется в ядерных реакторах различного назначения, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция). Они находятся в облучённом уране, извлекаемом из реакторов военного назначения (из "промышленных реакторов"), и в огромных количествах в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), извлекаемом из энергетических реакторов АЭС.

Ранее в природную среду они попадали при проведении ядерных испытаний и переработке облучённого урана. Сейчас продолжают попадать при переработке (регенерации) ОЯТ, а также при авариях на АЭС, на реакторах. При необходимости извлекали их из облучённого урана, а сейчас из ОЯТ.

Вторые - это радионуклиды активационного происхождения . Они образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома какой-либо субатомной частицы, в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. В подавляющем большинстве случаев такой частицей-снарядом является нейтрон. Поэтому для получения искусственных радионуклидов обычно используют метод нейтронной активации. Он состоит в том, что стабильный изотоп любого химического элемента в любом виде (металл, соль, химическое соединение) помещают в активную зону реактора на определённое время. А так как в активной зоне реактора каждую секунду образуется колоссальное количество нейтронов, то поэтому все химические элементы, которые находятся в активной зоне или вблизи неё постепенно становятся радиоактивными. Активируются и те элементы, которые растворены в охлаждающей реактор воде.

Реже используется метод бомбардировки стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.

Радионуклиды бывают естественные - природного происхождения и искусственные - осколочного и активационного происхождения. Ничтожное количество радионуклидов осколочного происхождения всегда имелось в природной среде, ибо они образуются в результате самопроизвольного деления ядер урана-235. Но их так мало, что не удаётся обнаружить современными средствами анализа.

Количество нейтронов в активной зоне различных типов реакторов таково, что через любое сечение в 1см^2 в любой точке активной зоны за 1 секунду пролетает порядка 10^14 нейтронов.

Измерение ионизирующих излучений. Определения

Характеризовать только сами источники ионизирующего излучения (ИИИ) и только их активностью (количеством актов распада) не всегда удобно и целесообразно. И дело не только в том, что измерять активность можно, как правило, только в стационарных условиях на весьма сложных установках. Главное в том, что при единичном акте распада разных изотопов могут образовываться различные по своей природе частицы, могут одновременно образовываться несколько частиц и гамма-квантов. При этом энергия, а следовательно, и ионизирующая способность разных частиц будут различными. Поэтому основным показателем для характеристики ИИИ является оценка их ионизирующей способности, то есть (в итоге) той энергии, которую они теряют при прохождении через вещество (среду) и которая оказывается поглощённой этим веществом.

При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты поправочные коэффициенты. Назовём их, приведём ряд определений.

Доза , поглощённая доза (от греческого - доля, порция) - энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощённая облучаемым веществом и часто рассчитанная на единицу его массы (см. "рад", "Грэй"). То есть доза измеряется в единицах энергии, которая выделяется в веществе (поглощается веществом) при прохождении через него ионизирующего излучения.

Есть несколько разновидностей доз.

Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) - определяется по ионизации воздуха. Единицей измерения в системе СИ является "кулон на кг" (Кл/кг), что соответствует образованию в 1 кг воздуха такого количества ионов, суммарный заряд которых равен 1 Кл (каждого знака). Внесистемной единицей измерения является "рентген" (см. "Кл/кг" и "рентген").

Для оценки влияния ИИ на человека используются поправочные коэффициенты .

До недавнего времени при расчёте "эквивалентной дозы" использовались " коэффициенты качества излучения " (К) - поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Используются при расчёте "эквивалентной дозы". Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали очень "по-научному" - "Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (W Rкоэффициент радиационного риска

Мощность дозы - доза, полученная за единицу времени (сек., час).

Фон - мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.

Естественный фон - мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ (см. "Радиационный фон").

У многих наших читателей водородная бомба ассоциируется с атомной, только гораздо более мощной. На самом деле это принципиально новое оружие, потребовавшее для своего создания несоизмеримо больших интеллектуальных усилий и работающее на принципиально других физических принципах.

Единственно, что роднит атомную и водородную бомбу, так это то, что обе высвобождают колоссальную энергию, скрытую в атомном ядре. Сделать это можно двумя путями: разделить тяжелые ядра, например, урана или плутония, на более легкие (реакция деления) или заставить слиться легчайшие изотопы водорода (реакция синтеза). В результате обеих реакций масса получившегося материала всегда меньше массы исходных атомов. Но масса не может исчезнуть бесследно - она переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 .

Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.

Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.

Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 - 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.

Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию - обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.

Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись - как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.

А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиард лет идет термоядерная реакция, - и ничего, не взрывается. К тому же при реакции синтеза, например, дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого изотопа водорода) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при сгорании такой же массы урана-235.

Изготовление атомной бомбы было скорее экспериментальным, чем теоретическим процессом. Создание же водородной бомбы потребовало появления совершенно новых физических дисциплин: физики высокотемпературной плазмы и сверхвысоких давлений. Прежде чем начинать конструировать бомбу, надо было досконально разобраться в природе явлений, происходящих только в ядре звезд. Никакие эксперименты тут помочь не могли - инструментами исследователей были только теоретическая физика и высшая математика. Не случайно гигантская роль в разработке термоядерного оружия принадлежит именно математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому и т.д.

Классический супер

К концу 1945 года Эдвард Теллер предложил первую конструкцию водородной бомбы, получившую название «классический супер». Для создания чудовищного давления и температуры, необходимых для начала реакции синтеза, предполагалось использовать обычную атомную бомбу. Сам «классический супер» представлял собой длинный цилиндр, наполненный дейтерием. Предусматривалась также промежуточная «запальная» камера с дейтериевотритиевой смесью - реакция синтеза дейтерия и трития начинается при более низком давлении. По аналогии с костром, дейтерий должен был играть роль дров, смесь дейтерия с тритием - стакана бензина, а атомная бомба - спички. Такая схема получила название «труба» - своеобразная сигара с атомной зажигалкой с одного конца. По такой же схеме начали разрабатывать водородную бомбу и советские физики.

Однако математик Станислав Улам на обыкновенной логарифмической линейке доказал Теллеру, что возникновение реакции синтеза чистого дейтерия в «супере» вряд ли возможно, а для смеси потребовалось бы такое количество трития, что для его наработки нужно было бы практически заморозить производство оружейного плутония в США.

Слойка с сахаром

В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы - «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.

Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.

В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.

Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества - дейтрида лития 6 LiD.

Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий - газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.

Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления - последствиями взрыва атомного запала - превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.

Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.

Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.

Американ бомб

Тем не менее, первыми водородную бомбу взорвали именно американцы. 1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было успешно испытано термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 мегатонн. Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, заполненное жидким дейтерием при температуре, близкой к абсолютному нулю (сахаровская «слойка» была вполне транспортабельным изделием). Однако изюминкой «Майка» были не размеры, а гениальный принцип обжатия термоядерной взрывчатки.

Напомним, что основная идея водородной бомбы состоит в создании условий для синтеза (сверхвысокого давления и температуры) посредством ядерного взрыва. В схеме «слойка» ядерный заряд расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтерий, сколько разбрасывает его наружу - увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности - она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы - самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн.

Идеально было бы, если бы заставить взрываться атомный запал внутрь, сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией и нейтронным потоком, а излучением первичного атомного запала.

В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком. Рентгеновское излучение при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы. Плазма, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 - «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться (это явление называют абляция). Раскаленную урановую плазму можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая детонировала. Интенсивный поток нейтронов расщепляет ядра урана-238 в «пушере», вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. Создатели «Майка» испытывали от 10-мегатонного взрыва не ужас, а неописуемый восторг - им удалось не только разобраться в процессах, которые в реальном мире идут только в ядрах звезд, но и экспериментально проверить свои теории, устроив свою небольшую звезду на Земле.

Браво

Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.