Що таке ядерна бомба? Атомна бомба

Атомна електроенергетика - сучасний і швидко розвивається спосіб видобутку електрики. А ви знаєте, як улаштовані атомні станції? Який принцип роботи АЕС? Які типи ядерних реакторів сьогодні є? Намагатимемося детально розглянути схему роботи АЕС, вникнути у влаштування ядерного реактора та дізнатися про те, наскільки безпечний атомний спосіб видобутку електроенергії.

Будь-яка станція – це закрита зона далеко від житлового масиву. На її території є кілька будівель. Найголовніша споруда – будівля реактора, поруч із нею розташований машинний зал, з якого реактором керують, та будівля безпеки.

Схема неможлива без ядерного реактора. Атомний (ядерний) реактор – це пристрій АЕС, який має організувати ланцюгову реакцію поділу нейтронів з обов'язковим виділенням енергії у цьому процесі. Але який принцип роботи АЕС?

Вся реакторна установка поміщається у будівлю реактора, велику бетонну вежу, яка приховує реактор і у разі аварії утримає у собі всі продукти ядерної реакції. Цю велику вежу називають контейнтментом, герметичною оболонкою або гермозоною.

Гермозона у нових реакторах має 2 товсті бетонні стінки – оболонки.
Зовнішня оболонка завтовшки 80 см забезпечує захист гермозони від зовнішніх впливів.

Внутрішня оболонка завтовшки 1 метр 20 см має у своєму пристрої спеціальні сталеві троси, які збільшують міцність бетону майже втричі і не дадуть конструкції розсипатися. З внутрішньої сторони вона викладена тонким листом спеціальної сталі, яка покликана служити додатковим захистом контейнтменту та у разі аварії не випустити вміст реактора за межі гермозони.

Такий пристрій атомної станції дозволяє витримати падіння літака вагою до 200 тонн, 8 бальний землетрус, торнадо та цунамі.

Вперше герметична оболонка була споруджена на американській АЕС Коннектикут Янкі у 1968 році.

Повна висота гермозони – 50-60 метрів.

З чого складається атомний реактор?

Щоб зрозуміти принцип роботи ядерного реактора, а отже, і принцип роботи АЕС, потрібно розібратися у складових реактора.

• Активна зона. Це зона, куди міститься ядерне паливо (тепловидільник) та сповільнювач. Атоми палива (найчастіше паливом виступає уран) здійснюють ланцюгову реакцію поділу. Уповільнювач покликаний контролювати процес поділу, і дозволяє провести потрібну за швидкістю і силою реакцію.
• Відбивач нейтронів. Відбивач оточує активну зону. Складається він із того ж матеріалу, що й уповільнювач. По суті це короб, головне призначення якого – не дати нейтронам вийти з активної зони та потрапити до навколишнього середовища.
• Теплоносій. Теплоносій повинен увібрати в себе тепло, яке виділилося при розподілі атомів палива, та передати його іншим речовинам. Теплоносій багато в чому визначає те, як влаштовано АЕС. Найпопулярніший теплоносій на сьогодні – вода.
  Система керування реактором. Датчики та механізми, що приводять реактор АЕС у дію.

Паливо для АЕС

На чому працює АЕС? Паливо для АЕС – це хімічні елементи, що мають радіоактивні властивості. На всіх атомних станціях таким елементом є уран.

Пристрій станцій передбачає, що АЕС працюють на складному паливі, а не на чистому хімічному елементі. І щоб із природного урану видобути уранове паливо, яке завантажується в ядерний реактор, потрібно провести багато маніпуляцій.

Збагачений уран

Уран складається із двох ізотопів, тобто у його складі є ядра з різною масою. Назвали їх за кількістю протонів та нейтронів ізотоп-235 та ізотоп-238. Дослідники 20 століття почали видобувати з руди 235-й уран, т.к. його легше було розкладати та перетворювати. З'ясувалося, що такого урану в природі всього 0,7% (інші відсотки дісталися 238 ізотопу).

Що робити у цьому випадку? Уран вирішили збагачувати. Збагачення урану це процес, коли в ньому залишається багато потрібних 235-х ізотопів і мало непотрібних 238-х. Завдання збагачувачів урану – з 0.7% зробити майже 100% урану-235.

Збагатити уран можна за допомогою двох технологій – газодифузійної чи газоцентрифужної. Для їх використання уран, здобутий із руди, переводять у газоподібний стан. У вигляді газу його збагачують.

Урановий порошок

Збагачений урановий газ переводять у твердий стан – діоксид урану. Такий чистий твердий 235-й уран виглядає як великі білі кристали, які потім дроблять в порошок урану.

Уранові таблетки

Уранові таблетки – це тверді металеві шайби, завдовжки кілька сантиметрів. Щоб з уранового порошку зліпити такі пігулки, його перемішують із речовиною – пластифікатором, він покращує якість пресування пігулок.

Пресовані шайби запікають при температурі 1200 градусів за Цельсієм більше доби, щоб надати пігулкам особливої ​​міцності та стійкості до високих температур. Те, як працює АЕС, безпосередньо залежить від того, наскільки добре спресували та запікали уранове паливо.

Запікають таблетки в ящиках молібденових, т.к. тільки цей метал здатний не розплавитися при «пекельних» температурах понад півтори тисячі градусів. Після цього уранове паливо для АЕС вважається готовим.

Що таке ТВЕЛ та ТВС?

Активна зона реактора зовні виглядає як величезний диск або труба з дірками в стінках (залежно від типу реактора), раз на 5 більше людського тіла. У цих дірках знаходиться уранове паливо, атоми якого проводять потрібну реакцію.

Просто так закинути паливо в реактор неможливо, ну якщо ви не хочете отримати вибух усієї станції та аварію з наслідками на пару прилеглих держав. Тому уранове паливо міститься у ТВЕЛи, а потім збирається у ТВС. Що означають ці абревіатури?

• ТВЕЛ - тепловиділяючий елемент (не плутати з однойменною назвою російської компанії, яка їх виробляє). По суті, це тонка і довга цирконієва трубка, зроблена зі сплавів цирконію, в яку містяться уранові таблетки. Саме в ТВЕЛ атоми урану починають взаємодіяти один з одним, виділяючи тепло при реакції.

Цирконій обраний матеріалом для виробництва ТВЕЛів завдяки його тугоплавкості та антикорозійності.

Тип ТВЕЛів залежить від типу та будови реактора. Як правило, будова та призначення ТВЕЛів не змінюється, різними можуть бути довжина та ширина трубки.

В одну цирконієву трубку автомат завантажує понад 200 уранових пігулок. Загалом у реакторі одночасно працюють близько 10 мільйонів уранових таблеток.
ТВС - тепловиділяюча збірка. Працівники АЕС називають ТВС пучками.

По суті, це кілька ТВЕЛів, скріплених між собою. ТВС – це готове атомне паливо, те, на чому працює АЕС. Саме ТВС завантажуються у ядерний реактор. В один реактор містяться близько 150 - 400 ТВС.
Залежно від того, в якому реакторі ТВС працюватиме, вони бувають різної форми. Іноді пучки складаються в кубічну, іноді циліндричну, іноді шестикутну форму.

Одна ТВС за 4 роки експлуатації виробляє стільки ж енергії, як при спалюванні 670 вагонів вугілля, 730 цистерн з природним газом або 900 цистерн, завантажених нафтою.
Сьогодні ТВС виробляють переважно на заводах Росії, Франції, США та Японії.

Щоб доставити паливо для АЕС до інших країн, ТВС запечатують у довгі та широкі металеві труби, з труб викачують повітря та спеціальними машинами доставляють на борти вантажних літаків.

Важить ядерне паливо для АЕС дуже багато, т.к. Уран – один із найважчих металів на планеті. Його питома вага в 2,5 рази більша, ніж у сталі.

Атомна електростанція: принцип роботи

Який принцип роботи АЕС? Принцип роботи АЕС виходить з ланцюгової реакції розподілу атомів радіоактивного речовини – урану. Ця реакція відбувається у активній зоні ядерного реактора.

ВАЖЛИВО ЗНАТИ:

Якщо не вдаватися до тонкощів ядерної фізики, принцип роботи АЕС виглядає так:
Після пуску ядерного реактора з ТВЕЛів вилучаються стрижні, що поглинають, які не дають урану вступити в реакцію.

Як тільки стрижні вилучені, нейтрони урану починають взаємодіяти один з одним.

Коли нейтрони стикаються, відбувається міні-вибух на атомному рівні, виділяється енергія та народжуються нові нейтрони, починає відбуватися ланцюгова реакція. Цей процес виділяє тепло.

Тепло віддається теплоносія. Залежно від типу теплоносія воно перетворюється на пару чи газ, які обертають турбіну.

Турбіна приводить у рух електрогенератор. Саме він за фактом виробляє електричний струм.

Якщо не стежити за процесом, нейтрони урану можуть стикатися один з одним доти, доки не підірвуть реактор і не рознесуть всю АЕС у пух і порох. Контролюють процес комп'ютерні датчики. Вони фіксують підвищення температури або зміну тиску реакторі і можуть автоматично зупинити реакції.

Чим відрізняється принцип роботи АЕС від ТЕС (теплоелектростанцій)?

Відмінності у роботі є лише на перших етапах. В АЕС теплоносій отримує тепло від розподілу атомів уранового палива, в ТЕС теплоносій отримує тепло від згоряння органічного палива (вугілля, газу чи нафти). Після того, як або атоми урану, або газ із вугіллям виділили тепло, схеми роботи АЕС та ТЕС однакові.

Типи ядерних реакторів

Те, як працює АЕС, залежить від того, як саме працює її атомний реактор. Сьогодні є два основні типи реакторів, які класифікуються за спектром нейронів:
Реактор на повільних нейтронах його також називають тепловим.

Для його роботи використовується 235 уран, який проходить стадії збагачення, створення уранових таблеток і т.д. Сьогодні реакторів на повільних нейтронах переважна більшість.
Реактор на швидкі нейтрони.

За цими реакторами майбутнє, т.к. працюють вони на урані-238, якого в природі хоч греблю гати і збагачувати цей елемент не потрібно. Мінус таких реакторів лише у дуже великих витратах на проектування, будівництво та запуск. Сьогодні реактори на швидких нейтронах працюють лише у Росії.

Теплоносієм у реакторах на швидких нейтронах виступає ртуть, газ, натрій чи свинець.

Реактори на повільних нейтронах, якими сьогодні користуються всі АЕС світу, також бувають кількох типів.

Організація МАГАТЕ (міжнародне агентство з атомної енергетики) створило свою класифікацію, якою користуються у світовій атомній енергетиці найчастіше. Оскільки принцип роботи атомної станції багато в чому залежить від вибору теплоносія та сповільнювача, МАГАТЕ базували свою класифікацію цих відмінностях.

З хімічної погляду оксид дейтерію ідеальний сповільнювач і теплоносій, т.к. її атоми найефективніше взаємодіють із нейтронами урану проти іншими речовинами. Простіше кажучи, своє завдання важка вода виконує з мінімальними втратами та максимальним результатом. Однак її виробництво коштує грошей, тоді як звичайну «легку» та звичну для нас воду використовувати набагато простіше.

Декілька фактів про атомні реактори…

Цікаво, що один реактор АЕС будують не менше 3-х років!
Для будівництва реактора необхідне обладнання, яке працює на електричному струмі в 210 кілограмів Ампер, що в мільйон разів перевищує силу струму, яка здатна вбити людину.

Одна обичайка (елемент конструкції) ядерного реактора важить 150 тонн. В одному реакторі таких елементів 6.

Водо-водяний реактор

Як працює АЕС загалом, ми вже з'ясували, щоб усе «розкласти по поличках», подивимося, як працює найбільш популярний водо-водяний ядерний реактор.
У всьому світі сьогодні використовують водоводяні реактори покоління 3+. Вони вважаються найнадійнішими та безпечнішими.

Усі водо-водяні реактори у світі за всі роки їх експлуатації в сумі вже встигли набрати понад 1000 років безаварійної роботи і жодного разу не давали серйозних відхилень.

Структура АЕС на водо-водяних реакторах передбачає, що між ТВЕЛами циркулює дистильована вода, нагріта до 320 градусів. Щоб не дати їй перейти в пароподібний стан, її тримають під тиском у 160 атмосфер. Схема АЕС називає її водою першого контуру.

Нагріта вода потрапляє в парогенератор і віддає своє тепло воді другого контуру, після чого знову повертається в реактор. Зовні це виглядає так, що трубки води першого контуру торкаються інших трубок – води другого контуру, вони передають тепло один одному, але води не контактують. Контактують трубки.

Таким чином, виключена можливість попадання радіації у воду другого контуру, яка далі братиме участь у процесі видобутку електрики.

Безпека роботи АЕС

Дізнавшись принцип роботи АЕС, ми повинні розуміти як влаштована безпека. Влаштування АЕС сьогодні потребує підвищеної уваги до правил безпеки.
Витрати на безпеку АЕС становлять приблизно 40% від загальної вартості самої станції.

У схему АЕС закладаються 4 фізичні бар'єри, які перешкоджають виходу радіоактивних речовин. Що мають робити ці бар'єри? У потрібний момент зуміти припинити ядерну реакцію, забезпечувати постійне відведення тепла від активної зони та самого реактора, запобігати виходу радіонуклеїдів за межі контайнменту (гермозони).

• Перший бар'єр – міцність уранових пігулок.Важливо, щоб вони не руйнувалися під впливом високих температур ядерного реактора. Багато в чому те, як працює атомна станція, залежить від того, як "спекли" таблетки з урану на початковій стадії виготовлення. Якщо таблетки з урановим паливом запекти невірно, реакції атомів урану в реакторі будуть непередбачуваними.
• Другий бар'єр – герметичність ТВЕЛів.Цирконієві трубки повинні бути щільно запечатані, якщо герметичність буде порушена, то в кращому разі реактор буде пошкоджений і робота зупинена, у гіршому – все злетить у повітря.
• Третій бар'єр – міцний сталевий корпус реактора, (та найбільша вежа – гермозона) який «утримує» у собі всі радіоактивні процеси. Зруйнується корпус – радіація вийде в атмосферу.
• Четвертий бар'єр – стрижні аварійного захисту.Над активною зоною на магніти підвішуються стрижні із сповільнювачами, які можуть за 2 секунди поглинути усі нейтрони та зупинити ланцюгову реакцію.

Якщо, незважаючи на влаштування АЕС з багатьма ступенями захисту, охолодити активну зону реактора в потрібний момент не вдасться, і температура палива зросте до 2600 градусів, то справа набуває останньої надії системи безпеки – так звана пастка розплаву.

Справа в тому, що при такій температурі дно корпусу реактора розплавиться, і всі залишки ядерного палива та розплавлених конструкцій стікають у спеціальний підвішений над активною зоною реактора «стакан».

Пастка розплаву охолоджується і вогнетривка. Вона наповнена так званим «жертвовим матеріалом», який поступово зупиняє ланцюгову реакцію поділу.

Таким чином, схема АЕС має на увазі кілька ступенів захисту, які практично повністю виключають будь-яку можливість аварії.

Вибуховий характер

Ядро урану містить 92 протони. Природний уран являє собою переважно суміш двох ізотопів: U238 (в ядрі якого 146 нейтронів) і U235 (143 нейтрони), причому останнього в природному урані лише 0,7%. Хімічні властивості ізотопів абсолютно ідентичні, тому й розділити їх хімічними методами неможливо, але різниця в масах (235 і 238 одиниць) дозволяє зробити це фізичними методами: суміш уранів переводять у газ (гексафторид урану), а потім прокачують незліченними пористими перегородками. Хоча ізотопи урану не відрізняються ні на вигляд, ні хімічно, їх поділяє прірва у властивостях ядерних характерів.

Процес поділу U238 - платний: нейтрон, що прилітає ззовні, повинен принести з собою енергію - 1 МеВ або більше. А U235 безкорисливий: для збудження і подальшого розпаду від нейтрона, що прийшов, нічого не потрібно, цілком достатньо його енергії зв'язку в ядрі.

При попаданні нейтрону в здатне до поділу ядро ​​утворюється нестійкий компаунд, але дуже швидко (через 10-23-10-22 с) таке ядро ​​розвалюється на два уламки, не рівних по масі і миттєво (протягом 10-16-10- 14 с) що випускають по два-три нових нейтрони, так що з часом може розмножуватися і кількість ядер, що діляться (така реакція називається ланцюговою). Можливе таке тільки в U235, тому що жадібний U238 не бажає ділитися від своїх власних нейтронів, енергія яких на порядок менша за 1 МеВ. Кінетична енергія частинок - продуктів розподілу на багато порядків перевищує енергію, що виділяється за будь-якого акту хімічної реакції, в якій склад ядер не змінюється.

Критична збірка

Продукти розподілу нестабільні і ще довго «приходять до тями», випускаючи різні випромінювання (у тому числі нейтрони). Нейтрони, які випускаються через значний час (до десятків секунд) після поділу, називають запізнюючими, і хоча частка їх у порівнянні з миттєвими мала (менше 1%), роль, яку вони грають у роботі ядерних установок, – найважливіша.

Продукти поділу при численних зіткненнях з навколишніми атомами віддають їм свою енергію, підвищуючи температуру. Після того як у збірці з речовиною, що ділиться, з'явилися нейтрони, потужність тепловиділення може зростати або зменшуватися, а параметри складання, в якій кількість поділів в одиницю часу постійно, називають критичними. Критичність зборки може підтримуватися і при великій, і при малій кількості нейтронів (при відповідно більшій або меншій потужності тепловиділення). Теплову потужність збільшують, або підкачуючи в критичне складання додаткові нейтрони ззовні, або роблячи складання надкритичної (тоді додаткові нейтрони постачають дедалі більше численні покоління ядер, що діляться). Наприклад, якщо треба підвищити теплову потужність реактора, його виводять на такий режим, коли кожне покоління миттєвих нейтронів трохи менше, ніж попереднє, але завдяки нейтронам, що запізнюються, реактор ледве помітно переходить критичний стан. Тоді він не йде в розгін, а набирає потужність повільно - так, що її приріст можна в потрібний момент зупинити, ввівши поглиначі нейтронів (стрижні, що містять кадмій або бір).

Утворені при розподілі нейтрони часто пролітають повз навколишні ядер, не викликаючи повторного поділу. Чим ближче до поверхні матеріалу народжений нейтрон, тим більше у нього шансів вилетіти з матеріалу, що ділиться, і ніколи не повернутися назад. Тому формою складання, що зберігає найбільшу кількість нейтронів, є куля: для цієї маси речовини він має мінімальну поверхню. Нічим не оточена (відокремлена) куля з 94% U235 без порожнин усередині стає критичною при масі в 49 кг і радіусі 85 мм. Якщо ж збірка з такого ж урану є циліндром з довжиною, що дорівнює діаметру, вона стає критичною при масі в 52 кг. Поверхня зменшується і у разі зростання щільності. Тому вибуховий стиск, не змінюючи кількості матеріалу, що ділиться, може приводити складання в критичний стан. Саме цей процес лежить в основі поширеної конструкції ядерного заряду.

Кульове складання

Але найчастіше у ядерній зброї застосовують не уран, а плутоній-239. Його одержують у реакторах, опромінюючи уран-238 потужними нейтронними потоками. Плутоній коштує приблизно в шість разів дорожче за U235, зате при розподілі ядро ​​Pu239 випускає в середньому 2,895 нейтрона - більше, ніж U235 (2,452). До того ж ймовірність поділу плутонію вища. Все це призводить до того, що відокремлена куля Pu239 стає критичною при майже втричі меншій масі, ніж куля з урану, а головне - при меншому радіусі, що дозволяє зменшити габарити критичного складання.

Складання виконується з двох ретельно підігнаних половинок у формі шарового шару (порожнистої всередині); вона свідомо підкритична - навіть теплових нейтронів і навіть після оточення її сповільнювачем. Навколо збирання з дуже точно пригнаних блоків вибухівки монтують заряд. Щоб зберегти нейтрони, треба і при вибуху зберегти шляхетну форму кулі - для цього шар вибухової речовини необхідно підірвати одночасно по всій зовнішній поверхні, обтиснувши збірку рівномірно. Широко поширена думка, що для цього потрібно багато електродетонаторів. Але так було тільки на зорі «бомбобудування»: для спрацьовування багатьох десятків детонаторів потрібно багато енергії та чималі розміри системи ініціювання. У сучасних зарядах застосовується декілька відібраних за спеціальною методикою, близьких за характеристиками детонаторів, від яких спрацьовує високостабільна (за швидкістю детонації) вибухівка у відфрезерованих у шарі полікарбонату канавках (форма яких на сферичній поверхні розраховується із застосуванням методів геометрії Рімана). Детонація зі швидкістю приблизно 8 км/с пробіжить по канавках абсолютно рівні відстані, в той самий момент часу досягне отворів і підірве основний заряд - одночасно у всіх потрібних точках.

Вибух усередину

Спрямований усередину вибух здавлює складання тиском понад мільйон атмосфер. Поверхня зборки зменшується, у плутонії майже зникає внутрішня порожнина, щільність збільшується, причому дуже швидко - за десяток мікросекунд стислива збірка проскакує критичний стан на теплових нейтронах і стає суттєво надкритичною на швидких нейтронах.

Через період, що визначається мізерним часом незначного уповільнення швидких нейтронів, кожен з нового, більш численного їх покоління додає виробленим ним розподілом енергію в 202 МеВ і без того розпирається жахливим тиском речовина складання. У масштабах явищ, що відбуваються, міцність навіть найкращих легованих сталей настільки мізерна, що нікому і в голову не приходить враховувати її при розрахунках динаміки вибуху. Єдине, що не дає розлетітися збірці, - інерція: щоб розширити плутонію за десяток наносекунд всього на 1 см, потрібно надати речовині прискорення, в десятки трильйонів разів перевищує прискорення вільного падіння, а це непросто.

Зрештою речовина все ж таки розлітається, припиняється розподіл, але процес на цьому не завершується: енергія перерозподіляється між іонізованими осколками ядер, що розділилися, та іншими випущеними при розподілі частинками. Їхня енергія – близько десятків і навіть сотень МеВ, але тільки електрично нейтральні гамма-кванти великих енергій та нейтрони мають шанси уникнути взаємодії з речовиною та «вислизнути». Заряджені ж частки швидко втрачають енергію в актах зіткнень та іонізацій. При цьому випромінюється - правда, вже не жорстке ядерне, а м'якше, з енергією на три порядки меншою, але все ж таки більш ніж достатньою, щоб вибити в атомів електрони - не тільки із зовнішніх оболонок, а й взагалі все. Мішанина з голих ядер, обдертих з них електронів і випромінювання з щільністю в грами на кубічний сантиметр (спробуйте уявити, як добре можна засмагнути під світлом, що придбало щільність алюмінію!) - все те, що миттю назад було зарядом, - приходить в якусь подобу рівноваги . У дуже молодому вогненному кулі встановлюється температура близько десятків мільйонів градусів.

Вогненна куля

Здавалося б, навіть і м'яке, але випромінювання, що рухається зі швидкістю світла, повинно залишити далеко позаду речовина, яка його породила, але це не так: у холодному повітрі пробіг квантів кевних енергій становить сантиметри, і рухаються вони не по прямій, а змінюючи напрямок руху, перевипромінюючись при кожній взаємодії. Кванти іонізують повітря, поширюються в ньому, подібно до вишневого соку, вилитого в склянку з водою. Це явище називають радіаційною дифузією.

Молода вогненна куля вибуху потужністю 100 кт через кілька десятків наносекунд після завершення спалаху поділів має радіус 3 м і температуру майже 8 млн кельвінів. Але вже через 30 мікросекунд його радіус становить 18 м, щоправда, температура спускається нижче за мільйон градусів. Куля пожирає простір, а іонізоване повітря за його фронтом майже не рухається: передати йому значний імпульс при дифузії випромінювання не може. Але воно накачує в це повітря величезну енергію, нагріваючи його, і коли енергія випромінювання вичерпується, куля починає зростати за рахунок розширення гарячої плазми, що розпирається зсередини тим, що раніше було зарядом. Розширюючись, подібно до міхура, що надувається, плазмова оболонка стоншується. На відміну від міхура, її, звичайно, ніщо не надує: з внутрішньої сторони майже не залишається речовини, все воно летить від центру за інерцією, але через 30 мікросекунд після вибуху швидкість цього польоту – понад 100 км/с, а гідродинамічний тиск у речовині - Більше 150 000 атм! Стати надто тонкою оболонці не судилося, вона лопається, утворюючи «пухирі».

Який із механізмів передачі енергії вогняної кулі навколишньому середовищу превалює, залежить від потужності вибуху: якщо вона велика – основну роль відіграє радіаційна дифузія, якщо мала – розширення плазмового міхура. Зрозуміло, що можливий і проміжний випадок, коли обидва ефективні механізми.

Процес захоплює нові шари повітря, енергії на те, щоб обдерти всі електрони з атомів, вже не вистачає. Вичерпується енергія іонізованого шару та уривків плазмового міхура, вони вже не в змозі рухати перед собою величезну масу і помітно уповільнюються. Але те, що до вибуху було повітрям, рухається, відірвавшись від кулі, вбираючи все нові шари повітря холодного… Починається утворення ударної хвилі.

Ударна хвиля та атомний гриб

При відриві ударної хвилі від вогняної кулі змінюються характеристики випромінюючого шару і різко зростає потужність випромінювання оптичної частини спектру (так званий перший максимум). Далі конкурують процеси висвічування та зміни прозорості навколишнього повітря, що призводить до реалізації і другого максимуму, менш потужного, але значно тривалішого - настільки, що вихід світлової енергії більший, ніж у першому максимумі.

Поблизу вибуху все навколишнє випаровується, подалі - плавиться, але й ще далі, де тепловий потік вже недостатній для плавлення твердих тіл, ґрунт, скелі, будинки течуть, як рідина, під жахливим напором газу, розпеченого до нестерпного для очей, що руйнує всі міцності. сяйва.

Нарешті, ударна хвиля йде далеко від точки вибуху, де залишається пухка і ослабла, але широка хмара з конденсованих пар, що звернулися в найдрібніший і дуже радіоактивний пил того, що побувало плазмою заряду, і того, що в свою страшну годину виявилося близько до місця, від якого слід було б триматися якнайдалі. Хмара починає підніматися нагору. Воно остигає, змінюючи свій колір, «одягає» білу шапку вологи, що сконденсувалася, за ним тягнеться пил з поверхні землі, утворюючи «ніжку» того, що прийнято називати «атомним грибом».

Нейтронне ініціювання

Уважні читачі можуть з олівцем у руках прикинути енерговиділення під час вибуху. При часі знаходження складання в надкритичному стані системи мікросекунд, віці нейтронів системи пікосекунд і коефіцієнті розмноження менше 2 виділяється близько гігаджоуля енергії, що еквівалентно… 250 кг тротилу. А де ж кіло- та мегатонни?

Справа в тому, що ланцюг поділів у складанні починається не з одного нейтрону: у потрібну мікросекунду їх впорскують у надкритичне складання мільйонами. У перших ядерних зарядах для цього використовувалися ізотопні джерела, розташовані в порожнині всередині плутонієвої збірки: полоній-210 в момент стиску з'єднувався з бериллієм і своїми альфа-частинками викликав нейтронну емісію. Але всі ізотопні джерела слабкі (у першому американському виробі генерувалося менше мільйона нейтронів за мікросекунду), а полоній дуже швидко псується - всього за 138 діб знижує свою активність вдвічі. Тому на зміну ізотопам прийшли менш небезпечні (не випромінюють у невключеному стані), а головне - випромінюючі більш інтенсивно нейтронні трубки (див. врізання): за кілька мікросекунд (стільки триває імпульс, що формується трубкою) народжуються сотні мільйонів нейтронів. А от якщо вона не спрацює або спрацює не вчасно, станеться так звана бавовна, або пшик - малопотужний тепловий вибух.

Нейтронне ініціювання не тільки збільшує на багато порядків енерговиділення ядерного вибуху, а й дає можливість його регулювати! Зрозуміло, що, отримавши бойове завдання, при постановці якої обов'язково вказується потужність ядерного удару, ніхто не розбирає заряд, щоб оснастити його плутонієвим складанням, оптимальним для заданої потужності. У боєприпасі з тротиловим еквівалентом, що перемикається, досить просто змінити напругу живлення нейтронної трубки. Відповідно, зміниться вихід нейтронів і виділення енергії (зрозуміло, при зниженні потужності таким способом зникає багато дорогого плутонію).

Але про необхідність регулювання енерговиділення стали замислюватися набагато пізніше, а в перші повоєнні роки розмов про зниження потужності і не могло бути. Потужніше, потужніше та ще раз потужніше! Але виявилося, що існують ядерно-фізичні та гідродинамічні обмеження допустимих розмірів докритичної сфери. Тротиловий еквівалент вибуху в сотню кілотонн близький до фізичної межі для однофазних боєприпасів, у яких відбувається лише поділ. У результаті розподілу як основного джерела енергії відмовилися, ставку зробили на реакції іншого класу - синтезу.

Ядерні помилки

Щільність плутонію в момент вибуху збільшується за рахунок фазового переходу

Металевий плутоній існує у шести фазах, щільність яких від 14,7 до 19,8 г/см3. При температурі нижче 119 °C існує моноклінна альфа-фаза (19,8 г/см3), але такий плутоній дуже крихкий, а в кубічній гранецентрованій дельта-фазі (15,9) він пластичний і добре обробляється (саме цю фазу і намагаються зберегти за допомогою легуючих добавок). При детонаційному обтисканні ніяких фазових переходів не може бути - плутоній перебуває у стані квазижидкости. Фазові переходи є небезпечними при виробництві: при великих розмірах деталей навіть при незначній зміні щільності можливе досягнення критичного стану. Звичайно, вибуху не буде - заготівля просто розжариться, але може статися скидання нікелювання (а плутоній дуже токсичний).

Нейтронне джерело

У вакуумній нейтронній трубці між насиченою тритієм мішенню (катодом) (1) і анодним вузлом (2) прикладається імпульсна напруга 100 кВ. Коли напруга максимальна, необхідно, щоб між анодом і катодом виявилися іони дейтерію, які потрібно прискорити. Для цього є іонне джерело. На його анод (3) подається запалюючий імпульс, і розряд, проходячи поверхнею насиченої дейтерієм кераміки (4), утворює іони дейтерію. Прискорившись, вони бомбардують мету, насичену тритієм, у результаті виділяється енергія 17,6 МеВ і утворюються нейтрони і ядра гелію-4.

За складом частинок і навіть енергетичним виходом ця реакція ідентична синтезу - процесу злиття легких ядер. У 1950-х багато хто вважав, що це і є синтез, але пізніше з'ясувалося, що в трубці відбувається «зрив»: або протон, або нейтрон (з яких складається іон дейтерію, розігнаний електричним полем) «ув'язує» в ядрі мішені (тритію) . Якщо ув'язує протон, нейтрон відривається і стає вільним.

Нейтрони - повільні та швидкі

У речовині, що не розділяється, «відскакуючи» від ядер, нейтрони передають їм частину своєї енергії, тим більшу, чим легше (ближче їм по масі) ядра. Чим у більшій кількості зіткнень взяли участь нейтрони, тим паче вони уповільнюються, та був, нарешті, в теплову рівновагу з навколишнім речовиною - термалізуються (це займає мілісекунди). Швидкість теплових нейтронів – 2200 м/с (енергія 0,025 еВ). Нейтрони можуть вислизнути з уповільнювача, захоплюються його ядрами, але з уповільненням їх здатність вступати в ядерні реакції суттєво зростає, тому нейтрони, які «не загубилися», з лишком компенсують зменшення чисельності.

Так, якщо кулю речовини, що ділиться оточити сповільнювачем, багато нейтронів покинуть сповільнювач або будуть поглинені в ньому, але будуть і такі, які повернуться в кулю («відб'ються») і, втративши свою енергію, з набагато більшою ймовірністю викличуть акти поділу. Якщо куля оточити шаром берилію товщиною 25 мм, то можна заощадити 20 кг U235 і все одно досягти критичного стану збирання. Але за таку економію платять часом: кожне наступне покоління нейтронів, перш ніж викликати поділ, має спочатку сповільнитись. Ця затримка зменшує кількість поколінь нейтронів, що народжуються в одиницю часу, а отже, енерговиділення затягується. Чим менше речовини, що ділиться в зборці, тим більше потрібно сповільнювача для розвитку ланцюгової реакції, а розподіл йде на все більш низькоенергетичних нейтронах. У граничному випадку, коли критичність досягається тільки на теплових нейтронах, наприклад, у розчині солей урану в хорошому сповільнювачі - воді, маса збірок становить сотні грамів, але розчин просто періодично закипає. Виділені бульбашки пари зменшують середню щільність речовини, що ділиться, ланцюгова реакція припиняється, а коли бульбашки залишають рідину, спалах поділів повторюється (якщо закупорити посудину, пара розірве його - але це буде тепловий вибух, позбавлений всіх типових «ядерних» ознак).

Відео: Ядерні вибухи

Підписуйтесь і читайте наші найкращі публікації в Яндекс.Дзен. Дивіться красиві фотографії з усіх куточків планети на нашій сторінці Instagram

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

Поява атомної (ядерної) зброї була обумовлена ​​масою об'єктивних та суб'єктивних факторів. Об'єктивно до створення атомної зброї прийшли завдяки бурхливому розвитку науки, яка почалася з фундаментальних відкриттів у галузі фізики, першої половини ХХ століття. Головним суб'єктивним чинником була військово-політична ситуація, коли держави антигітлерівської коаліції розпочали негласну гонку у розробці такого сильного озброєння. Сьогодні ми з вами дізнаємося, хто винайшов атомну бомбу, як вона розвивалася у світі та Радянському Союзі, а також познайомимося з її пристроєм та наслідками застосування.

Створення атомної бомби

З наукового погляду, роком створення атомної бомби став далекий 1896 рік. Саме тоді французький фізик А. Беккерель відкрив радіоактивність урану. Згодом ланцюгова реакція урану стала розглядатися як джерело величезної енергії і легка в основу розробки найнебезпечнішої зброї у світі. Проте Беккереля рідко згадують, говорячи про те, хто винайшов атомну бомбу.

Протягом кількох наступних десятиліть, вченими з різних куточків Землі було виявлено альфа, бета та гамма промені. Тоді ж було відкрито велику кількість радіоактивних ізотопів, сформульовано закон радіоактивного розпаду та закладено початок дослідження ядерної ізомерії.

У 1940-х вчені виявили нейрон та позитрон і вперше провели розщеплення ядра атома урану, що супроводжується поглинанням нейронів. Саме це відкриття стало переломним моментом історії. У 1939 році французький фізик Фредерік Жоліо-Кюрі запатентував першу у світі ядерну бомбу, яку він розробив разом зі своєю дружиною, сповідуючи суто науковий інтерес. Саме Жоліо-Кюрі вважається творцем атомної бомби, незважаючи на те, що він був переконаним захисником світу у всьому світі. У 1955 році він, разом з Ейнштейном, Борном та низкою інших відомих учених, організував Пагуошський рух, члени якого виступали за мир та роззброєння.

Стрімко розвиваючись, атомна зброя стала безпрецедентним військово-політичним феноменом, що дозволяє забезпечити безпеку своєму власнику та знизити до мінімуму можливості інших систем озброєння.

Як влаштовано ядерну бомбу?

Конструктивно атомна бомба складається з великої кількості компонентів, головними з яких є корпус та автоматика. Корпус покликаний захищати автоматику та ядерний заряд від механічних, теплових та інших впливів. Автоматика контролює часові параметри вибуху.

До її складу входять:

1. Аварійний вибух.
2. Пристрої зведення та запобігання.
3. Джерело живлення.
4. Різні датчики.

Транспортування атомних бомб до місця атаки здійснюється за допомогою ракет (зенітних, балістичних або крилатих). Ядерний боєприпас може входити до складу фугасу, торпеди, авіаційної бомби та інших елементів. Для атомних бомб використовують різні системи детонування. Найбільш простим є пристрій, в якому влучення снаряда в ціль, що викликає утворення надкритичної маси, стимулює вибух.

Ядерна зброя може мати великий, середній та малий калібр. Потужність вибуху зазвичай виявляється у тротиловому еквіваленті. Малокаліберні атомні снаряди мають потужність кілька тисяч тонн тротилу. Середньокаліберні відповідають уже десяткам тисяч тонн, а потужність калібру доходить до мільйонів тонн.

Принцип роботи

Принцип дії ядерної бомби ґрунтується на використанні енергії, що виділяється при протіканні ланцюгової ядерної реакції. Під час цього процесу важкі частки діляться, а легкі – синтезуються. При вибуху атомної бомби за найкоротший проміжок часу на невеликій площі виділяється величезна кількість енергії. Ось чому такі бомби належать до зброї масової поразки.

В області ядерного вибуху виділяють дві ключові ділянки: центр та епіцентр. У центрі вибуху безпосередньо протікає процес вивільнення енергії. Епіцентр є проекцією цього процесу на земну чи водну поверхню. Енергія ядерного вибуху, проеціруючись на землю, може призвести до сейсмічних поштовхів, що поширюються на значну відстань. Шкода навколишньому середовищу ці поштовхи завдають лише радіусі кількох сотень метрів від точки вибуху.

Вражаючі фактори

Атомна зброя має такі фактори ураження:

1. Радіоактивне зараження.
2. Світлове випромінювання.
3. Ударна хвиля.
4. Електромагнітний імпульс.
5. Проникаюча радіація.

Наслідки вибуху атомної бомби є згубними для всього живого. Через вивільнення величезної кількості світлової та теплої енергії вибух ядерного снаряда супроводжується яскравим спалахом. За потужністю цей спалах у кілька разів сильніший, ніж сонячні промені, тому небезпека ураження світловим та тепловим випромінюванням є в радіусі кількох кілометрів від точки вибуху.

Ще одним небезпечним вражаючим фактором атомної зброї є радіація, що утворюється при вибуху. Вона діє лише хвилину після вибуху, але має максимальну проникаючу здатність.

Ударна хвиля має сильну руйнівну дію. Вона буквально стирає з лиця землі все, що стоїть на шляху. Проникаюча радіація несе небезпеку всім живих істот. У людей вона спричиняє розвиток променевої хвороби. Ну а електромагнітний імпульс завдає шкоди лише техніці. У сукупності ж вражаючі чинники атомного вибуху несуть у собі величезну небезпеку.

Перші випробування

Протягом усієї історії атомної бомби найбільшу зацікавленість у її створенні виявляла Америка. Наприкінці 1941 року керівництво країни виділило на цей напрямок величезну кількість грошей та ресурсів. Керівником проекту було призначено Роберта Оппенгеймера, якого багато хто вважає творцем атомної бомби. По суті він був першим, хто зміг втілити ідею вчених у життя. У результаті 16 липня 1945 року у пустелі штату Нью-Мексико відбулося перше випробування атомної бомби. Тоді Америка вирішила, що для закінчення війни їй необхідно розгромити Японію - союзника гітлерівської Німеччини. Пентагон швидко вибрав цілі для перших ядерних атак, які мали стати яскравою ілюстрацією потужності американського озброєння.

6 серпня 1945 атомна бомба США, цинічно названа «Малюком», була скинута на місто Хіросіма. Постріл вийшов просто ідеальним - бомба вибухнула на висоті 200 метрів від землі, завдяки чому її вибухова хвиля завдала місту жахливої ​​шкоди. У районах, віддалених від центру, було перекинуто печі з вугіллям, що призвело до сильних пожеж.

Слідом за яскравим спалахом пішла теплова хвиля, яка за 4 секунди дії встигла розплавити черепицю на дахах будинків та спопелити телеграфні стовпи. За тепловою хвилею була ударна. Вітер, що пронісся містом зі швидкістю близько 800 км/год, зносив усе на своєму шляху. З 76 000 будівель, розташованих у місті до вибуху, було повністю зруйновано близько 70 000. Через кілька хвилин після вибуху з неба пішов дощ, великі краплі якого мали чорний колір. Дощ випав через утворення у холодних шарах атмосфери величезної кількості конденсату, що складається з пари та попелу.

Люди, які потрапили під дію вогняної кулі в радіусі 800 метрів від точки вибуху, перетворилися на пилюку. У тих, хто був трохи далі від вибуху, обгоріла шкіра, залишки якої зірвала ударна хвиля. Чорний радіоактивний дощ залишав на шкірі вцілілі невиліковні опіки. У тих, хто дивом зумів врятуватися, незабаром стали виявлятися ознаки променевої хвороби: нудота, лихоманка та напади слабкості.

Через три дні після бомбардування Хіросіми Америка атакувала ще одне японське місто - Нагасакі. Другий вибух мав такі ж згубні наслідки, як і перший.

За лічені секунди дві атомні бомби знищили сотні тисяч людей. Ударна хвиля практично стерла з землі Хіросіму. Більше половини місцевих жителів (близько 240 тисяч осіб) загинуло одразу від отриманих поранень. У місті Нагасакі, від вибуху загинуло близько 73 тисяч людей. Багато з тих, хто вцілів, зазнали найсильнішого опромінення, яке викликало безпліддя, променеву хворобу та рак. В результаті частина з уцілілих померла у страшних муках. Використання атомної бомби у Хіросімі та Нагасакі проілюструвало жахливу силу цієї зброї.

Ми з вами вже знаємо, хто винайшов атомну бомбу, як вона працює і які до яких наслідків може призвести. Тепер дізнаємося, як з ядерною зброєю були справи в СРСР.

Після бомбардування японських міст І.В. Сталін зрозумів, що створення радянської атомної бомби є питанням національної безпеки. 20 серпня 1945 року в СРСР було створено комітет з ядерної енергетики, головою якого призначили Л. Берію.

Варто зазначити, що роботи в цьому напрямку велися в Радянському Союзі ще з 1918 року, а в 1938 році було створено спеціальну комісію з атомного ядра при Академії наук. З початком Другої світової війни всі роботи в цьому напрямку були заморожені.

У 1943 році розвідники СРСР передали з Англії матеріали закритих наукових праць в галузі атомної енергетики. Ці матеріали проілюстрували, що робота закордонних вчених над створенням атомної бомби серйозно просунулась уперед. Водночас американські резиденти сприяли впровадженню надійних радянських агентів у основні центри ядерних досліджень США. Агенти передавали інформацію про нові розробки радянським вченим та інженерам.

Технічне завдання

Коли у 1945 році питання про створення радянської ядерної бомби стало чи не пріоритетним, один із керівників проекту Ю. Харитон склав план розробки двох варіантів снаряду. 1 червня 1946 року план було підписано вищим керівництвом.

Відповідно до завдання, конструкторам необхідно було побудувати РДС (Реактивний спеціальний двигун) двох моделей:

1. РДС-1. Бомба з плутонієвим зарядом, що підривається шляхом сферичного обтиснення. Пристрій був запозичений у американців.
2. РДС-2. Гарматна бомба з двома урановими зарядами, що зближуються в стовбурі гармати, перш ніж утвориться критична маса.

В історії горезвісного РДС, найпоширенішим, хоч і жартівливим формулюванням, була фраза «Росія робить сама». Її вигадав заступник Ю. Харитона, К. Щолкін. Ця фраза дуже точно передає суть роботи принаймні для РДС-2.

Коли Америка дізналася про те, що Радянський Союз має секрети створення ядерної зброї, у неї з'явилося прагнення якнайшвидшої ескалації превентивної війни. Влітку 1949 року виник план «Троян», за даними якого 1 січня 1950 року планувалося розпочати бойові дії проти СРСР. Потім дату нападу перенесли на початок 1957 року, але за умови, що до нього приєднуватимуться всі країни НАТО.

Випробування

Коли відомості про плани Америки надійшли розвідувальними каналами в СРСР, робота радянських учених значно прискорилася. Західні фахівці вважали, що в СРСР атомна зброя буде створена не раніше, ніж у 1954-1955 роках. Насправді ж випробування першої атомної бомби у СРСР відбулися вже у серпні 1949 року. 29 серпня на полігоні в Семипалатинську було підірвано пристрій РДС-1. У його створенні взяв участь великий колектив вчених, на чолі якого став Курчатов Ігор Васильович. Конструкція заряду належала американцям, а електронне обладнання було створено з нуля. Перша атомна бомба в СРСР вибухнула з потужністю 22 Кт.

Через ймовірність удару у відповідь план «Троян», який передбачав ядерну атаку 70 радянських міст, був зірваний. Випробування на Семипалатинську стали кінцем американської монополії на володіння атомною зброєю. Винахід Ігоря Васильовича Курчатова повністю зруйнувало військові плани Америки та НАТО та запобігло розвитку чергової світової війни. Так почалася епоха світу на Землі, що існує під загрозою абсолютного знищення.

"Ядерний клуб" світу

На сьогоднішній день атомне озброєння є не тільки в Америки та Росії, а й у інших країнах. Сукупність країн, які мають таку зброю, умовно називають «ядерним клубом».

До нього входять:

1. Америка (з 1945 р.).
2. СРСР, а тепер Росія (з 1949 р.).
3. Англія (з 1952 р.).
4. Франція (з 1960 р.).
5. Китай (з 1964 р.).
6. Індія (з 1974 р.).
7. Пакистан (з 1998 р.).
8. Корея (з 2006 р.).

Ядерна зброя також має Ізраїль, хоча керівництво країни відмовляється коментувати його наявність. Крім того, на території країн НАТО (Італія, Німеччина, Туреччина, Бельгія, Нідерланди, Канада) та союзників (Японія, Південна Корея, незважаючи на офіційну відмову), знаходиться американська ядерна зброя.

Україна, Білорусь та Казахстан, які володіли частиною ядерної зброї СРСР, після розпаду Союзу передали свої бомби Росії. Вона стала єдиним спадкоємцем ядерного арсеналу СРСР.

Висновок

Сьогодні ми з вами дізналися, хто винайшов атомну бомбу і що вона є. Резюмуючи вищесказане, можна зробити висновок, що ядерна зброя на сьогоднішній день є найпотужнішим інструментом глобальної політики, який твердо увійшов у відносини між країнами. Воно, з одного боку, є дієвим засобом залякування, з другого - переконливим аргументом задля унеможливлення військового протистояння та зміцнення мирних відносин між державами. Атомна зброя є символом цілої доби, яка потребує особливо дбайливого поводження.

Світ атома настільки фантастичний, що для його розуміння потрібна докорінна ломка звичних понять про простір і час. Атоми такі малі, що якби краплю води можна було збільшити до розмірів Землі, то кожен атом у цій краплі був би меншим за апельсин. Насправді, одна крапля води складається з 6000 мільярдів мільярдів (6000000000000000000000) атомів водню і кисню. Проте, незважаючи на свої мікроскопічні розміри, атом має будову до певної міри подібну до будови нашої сонячної системи. У його незбагненно малому центрі, радіус якого менше однієї трильйонного сантиметра, знаходиться відносно величезне «сонце» – ядро ​​атома.

Навколо цього атомного "сонця" обертаються крихітні "планети" - електрони. Ядро складається з двох основних будівельних цеглин Всесвіту - протонів і нейтронів (вони мають назву - нуклони). Електрон і протон - заряджені частинки, причому кількість заряду у кожному їх абсолютно однаково, проте заряди різняться за знаком: протон завжди заряджений позитивно, а електрон - негативно. Нейтрон не несе електричного заряду і тому має дуже велику проникність.

В атомній шкалі вимірювань маса протона та нейтрону прийнята за одиницю. Атомна вага будь-якого хімічного елемента тому залежить кількості протонів і нейтронів, укладених у його ядрі. Наприклад, атом водню, ядро ​​якого складається тільки з одного протона, має атомну масу, що дорівнює 1. Атом гелію, з ядром з двох протонів і двох нейтронів, має атомну масу, що дорівнює 4.

Ядра атомів одного і того ж елемента завжди містять однакову кількість протонів, але число нейтронів може бути різним. Атоми, що мають ядра з однаковим числом протонів, але відрізняються за кількістю нейтронів і відносяться до різновидів одного й того самого елемента, називаються ізотопами. Щоб відрізнити їх один від одного, до символу елемента приписують число, яке дорівнює сумі всіх частинок в ядрі даного ізотопу.

Чи може виникнути питання: чому ядро ​​атома не розвалюється? Адже протони, що входять до нього, - електрично заряджені частинки з однаковим зарядом, які повинні відштовхуватися один від одного з великою силою. Пояснюється це тим, що всередині ядра діють ще й так звані внутрішньоядерні сили, що притягають частинки ядра один до одного. Ці сили компенсують сили відштовхування протонів і дають ядру мимоволі розлетітися.

Внутрідерні сили дуже великі, але діють тільки на дуже близькій відстані. Тому ядра важких елементів, які з сотень нуклонів, виявляються нестабільними. Частинки ядра перебувають у безперервному русі (не більше обсягу ядра), і якщо додати їм якесь додаткову кількість енергії, можуть подолати внутрішні сили - ядро ​​розділиться на частини. Величину цієї надлишкової енергії називають енергією збудження. Серед ізотопів важких елементів є такі, які знаходяться на самій грані саморозпаду. Достатньо лише невеликого «поштовху», наприклад, простого влучення в ядро ​​нейтрона (причому він навіть не повинен розганятися до великої швидкості), щоб пішла реакція ядерного поділу. Деякі з цих «діляться» ізотопів пізніше навчилися отримувати штучно. У природі існує тільки один такий ізотоп - це уран-235.

Уран був відкритий в 1783 Клапротом, який виділив його з уранової смолки і назвав на честь нещодавно відкритої планети Уран. Як виявилося надалі, це був, власне, не сам уран, яке оксид. Чистий уран – метал сріблясто-білого кольору – був отриманий
лише у 1842 році Пеліго. Новий елемент не мав жодних чудових властивостей і не привертав до себе уваги аж до 1896 року, коли Беккерель відкрив явище радіоактивності солей урану. Після цього уран став об'єктом наукових досліджень та експериментів, але практичного застосування, як і раніше, не мав.

Коли в першій третині XX століття фізикам більш-менш стала зрозумілою будова атомного ядра, вони насамперед спробували здійснити давню мрію алхіміків - постаралися перетворити один хімічний елемент на інший. У 1934 році французькі дослідники дружини Фредерік та Ірен Жоліо-Кюрі доповіли Французькій академії наук про наступний досвід: при бомбардуванні пластин алюмінію альфа-частинками (ядрами атома гелію) атоми алюмінію перетворювалися на атоми фосфору, але не звичайні, а радіо у стійкий ізотоп кремнію. Таким чином, атом алюмінію, приєднавши один протон і два нейтрони, перетворювався на важчий атом кремнію.

Цей досвід навів на думку, що якщо «обстрілювати» нейтронами ядра найважчого з існуючих у природі елементів – урану, можна отримати такий елемент, якого у природних умовах немає. У 1938 році німецькі хіміки Отто Ган і Фріц Штрассман повторили загалом досвід подружжя Жоліо-Кюрі, взявши замість алюмінію уран. Результати експерименту виявилися зовсім не ті, що вони очікували – замість нового надважкого елемента з масовим числом більше, ніж у урану, Ган та Штрассман отримали легкі елементи із середньої частини періодичної системи: барій, криптон, бром та деякі інші. Самі експериментатори не змогли пояснити явище, що спостерігається. Тільки наступного року фізик Ліза Мейтнер, якій Ган повідомив про свої труднощі, знайшла правильне пояснення феномену, що спостерігається, припустивши, що при обстрілі урану нейтронами відбувається розщеплення (розподіл) його ядра. При цьому мали утворюватися ядра легших елементів (ось звідки бралися барій, криптон та інші речовини), а також виділятися 2-3 вільні нейтрони. Подальші дослідження дозволили детально прояснити картину того, що відбувається.

Природний уран складається з суміші трьох ізотопів з масами 238, 234 і 235. Основна кількість урану припадає на ізотоп-238, в ядро ​​якого входять 92 протони та 146 нейтронів. Уран-235 складає всього 1/140 природного урану (0,7% (він має у своєму ядрі 92 протони і 143 нейтрони), а уран-234 (92 протони, 142 нейтрони) лише - 1/17500 від загальної маси урану (0 Найменш стабільним з цих ізотопів є уран-235.

Іноді ядра його атомів мимоволі діляться на частини, унаслідок чого утворюються легші елементи періодичної системи. Процес супроводжується виділенням двох чи трьох вільних нейтронів, які мчать із величезною швидкістю - близько 10 тис. км/с (їх називають швидкими нейтронами). Ці нейтрони можуть потрапляти до інших ядрів урану, викликаючи ядерні реакції. Кожен ізотоп веде себе у разі по-різному. Ядра урану-238 у більшості випадків просто захоплюють ці нейтрони без будь-яких подальших перетворень. Але приблизно в одному випадку з п'яти при зіткненні швидкого нейтрону з ядром ізотопу-238 відбувається цікава ядерна реакція: один з нейтронів урану-238 випускає електрон, перетворюючись на протон, тобто ізотоп урану звертається на більш
важкий елемент – нептуній-239 (93 протони + 146 нейтронів). Але нептуній нестабільний - через кілька хвилин один з його нейтронів випускає електрон, перетворюючись на протон, після чого ізотоп нептунія звертається до наступного за рахунком елементу періодичної системи - плутоній-239 (94 протона + 145 нейтронів). Якщо ж нейтрон потрапляє в ядро ​​нестійкого урану-235, то негайно відбувається розподіл - атоми розпадаються з випромінюванням двох або трьох нейтронів. Зрозуміло, що в природному урані, більшість атомів якого відносяться до ізотопу-238, жодних видимих ​​наслідків ця реакція не має – усі вільні нейтрони виявляться, зрештою, поглиненими цим ізотопом.

Ну а якщо уявити досить масивний шматок урану, що повністю складається з ізотопу-235?

Тут процес піде по-іншому: нейтрони, що виділилися при розподілі кількох ядер, своєю чергою, потрапляючи в сусідні ядра, викликають їх розподіл. В результаті виділяється нова порція нейтронів, що розщеплює наступні ядра. За сприятливих умов ця реакція протікає лавиноподібно і зветься ланцюгової реакції. Для її початку може бути достатньо ліченої кількості бомбардуючих частинок.

Справді, хай уран-235 бомбардують лише 100 нейтронів. Вони поділять 100 ядер урану. При цьому виділиться 250 нових нейтронів другого покоління (у середньому 2, 5 за один поділ). Нейтрони другого покоління зроблять вже 250 поділів, у якому виділиться 625 нейтронів. У наступному поколінні воно дорівнюватиме 1562, потім 3906, далі 9670 і т.д. Число поділів збільшуватиметься безмежно, якщо процес не зупинити.

Проте реально лише незначна частина нейтронів потрапляє у ядра атомів. Решта, стрімко промчавши між ними, несуть у навколишній простір. Ланцюгова реакція, що самопідтримується, може виникнути тільки в досить великому масиві урану-235, що володіє, як кажуть, критичною масою. (Ця маса за нормальних умов дорівнює 50 кг.) Важливо відзначити, що розподіл кожного ядра супроводжується виділенням величезної кількості енергії, яка виявляється приблизно в 300 мільйонів разів більше енергії, витраченої на розщеплення! (Підраховано, що при повному розподілі 1 кг урану-235 виділяється стільки ж тепла, скільки при спалюванні 3 тис. тонн вугілля.)

Цей колосальний виплеск енергії, що звільняється за лічені миті, виявляє себе як вибух жахливої ​​сили та лежить в основі дії ядерної зброї. Але для того, щоб ця зброя стала реальністю, необхідно, щоб заряд складався не з природного урану, а з рідкісного ізотопу - 235 (такий уран називають збагаченим). Пізніше було встановлено, що чистий плутоній також ділиться матеріалом і може бути використаний в атомному заряді замість урану-235.

Усі ці важливі відкриття було зроблено напередодні Другої світової війни. Незабаром у Німеччині та інших країнах почалися секретні роботи зі створення атомної бомби. У цій проблемою зайнялися 1941 року. Усьому комплексу робіт було надано назву «Манхеттенського проекту».

Адміністративне керівництво проектом здійснював генерал Гровс, а наукове – професор Каліфорнійського університету Роберт Оппенгеймер. Обидва добре розуміли величезну складність завдання, що стоїть перед ними. Тому першою турботою Оппенгеймер стало комплектування високоінтелектуального наукового колективу. У тоді було багато фізиків, емігрували з фашистської Німеччини. Нелегко було залучити їх до створення зброї, спрямованої проти їхньої колишньої батьківщини. Оппенгеймер особисто розмовляв з кожним, пускаючи у хід усю силу своєї чарівності. Незабаром йому вдалося зібрати невелику групу теоретиків, яких він жартівливо називав світилами. І справді, до неї входили найбільші фахівці того часу в галузі фізики та хімії. (Серед них 13 лауреатів Нобелівської премії, у тому числі Бор, Фермі, Франк, Чедвік, Лоуренс.) Крім них, було багато інших фахівців різного профілю.

Уряд США не скупився на витрати, і роботи із самого початку набули грандіозного розмаху. У 1942 році було засновано найбільшу у світі дослідницьку лабораторію в Лос-Аламосі. Населення цього наукового міста невдовзі досягло 9 тисяч жителів. За складом учених, розмахом наукових експериментів, числом фахівців і робочих Лос-Аламоська лабораторія, що залучаються до роботи, не мала собі рівних у світовій історії. "Манхеттенський проект" мав свою поліцію, контррозвідку, систему зв'язку, склади, селища, заводи, лабораторії, свій колосальний бюджет.

Головна мета проекту полягала в отриманні достатньої кількості матеріалу, що ділиться, з якого можна було б створити кілька атомних бомб. Окрім урану-235 зарядом для бомби, як уже говорилося, міг служити штучний елемент плутоній-239, тобто бомба могла бути як урановою, так і плутонієвою.

Гровс і Оппенгеймер погодилися, що роботи мають вестися одночасно за двома напрямками, оскільки неможливо наперед вирішити, який із них виявиться більш перспективним. Обидва способи принципово відрізнялися один від одного: накопичення урану-235 мало здійснюватися шляхом його відокремлення від основної маси природного урану, а плутоній міг бути отриманий тільки в результаті керованої ядерної реакції при опроміненні нейтронами урану-238. І той та інший шлях видавався надзвичайно важким і не обіцяв легких рішень.

Справді, як можна відокремити один від одного два ізотопи, які лише трохи відрізняються своєю вагою і хімічно поводяться абсолютно однаково? Ні наука, ні техніка ще ніколи не стикалися з такою проблемою. Виробництво плутонію теж спочатку здавалося дуже проблематичним. До того весь досвід ядерних перетворень зводився до кількох лабораторних експериментів. Тепер же в промисловому масштабі треба було освоїти виробництво кілограмів плутонію, розробити і створити для цього спеціальну установку - ядерний реактор, і навчитися керувати перебігом ядерної реакції.

І там і тут треба було вирішити цілий комплекс складних завдань. Тому «Манхеттенський проект» складався з кількох підпроектів, на чолі яких стояли видатні вчені. Сам Оппенгеймер був головою Лос-Аламоської наукової лабораторії. Лоуренс управляв Радіаційною лабораторією Каліфорнійського університету. Фермі вів у університеті Чикаго дослідження зі створення ядерного реактора.

Спочатку найважливішою проблемою було отримання урану. До війни цей метал фактично не мав застосування. Тепер, коли він був потрібний відразу у величезних кількостях, виявилося, що не існує промислового способу його виробництва.

Компанія «Вестингауз» взялася за його розробку і швидко досягла успіху. Після очищення уранової смоли (у такому вигляді уран зустрічається в природі) та одержання окису урану, її перетворювали на тетрафторид (UF4), з якого шляхом електролізу виділявся металевий уран. Якщо наприкінці 1941 року у розпорядженні американських учених було лише кілька грамів металевого урану, то вже у листопаді 1942 року його промислове виробництво заводах фірми «Вестингауз» досягло 6000 фунтів на місяць.

Водночас точилася робота над створенням ядерного реактора. Процес виробництва плутонію фактично зводився до опромінення уранових стрижнів нейтронами, у результаті частина урану-238 мала звернутися в плутоній. Джерелами нейтронів при цьому могли бути атоми урану-235, що діляться, розсіяні в достатній кількості серед атомів урану-238. Але щоб підтримувати постійне відтворення нейтронів, мала розпочатися ланцюгова реакція поділу атомів урану-235. Тим часом, як говорилося, на кожен атом урану-235 припадало 140 атомів урану-238. Ясно, що у нейтронів, що розлітаються на всі боки, було набагато більше ймовірності зустріти на своєму шляху саме їх. Тобто, величезна кількість нейтронів, що виділилися, виявлялося без будь-якої користі поглиненим основним ізотопом. Очевидно, що за таких умов ланцюгова реакція не могла йти. Як же бути?

Спочатку уявлялося, що без поділу двох ізотопів робота реактора взагалі неможлива, але незабаром було встановлено одну важливу обставину: виявилося, що уран-235 та уран-238 сприйнятливі до нейтронів різних енергій. Розщепити ядро ​​атома урану-235 можна нейтроном порівняно невеликої енергії, що має швидкість близько 22 м/с. Такі повільні нейтрони не захоплюються ядрами урану-238 - для цього ті повинні мати швидкість сотень тисяч метрів на секунду. Тобто уран-238 безсилий завадити початку і ходу ланцюгової реакції в урані-235, викликаної нейтронами, уповільненими до вкрай малих швидкостей - трохи більше 22 м/с. Це явище було відкрито італійським фізиком Фермі, який з 1938 жив у США і керував тут роботами зі створення першого реактора. Як сповільнювач нейтронів Фермі вирішив застосувати графіт. За його розрахунками, нейтрони, що вилетіли з урану-235, пройшовши через шар графіту в 40 см, повинні були знизити свою швидкість до 22 м/с і почати ланцюгову реакцію, що самопідтримується, в урані-235.

Іншим сповільнювачем могла бути так звана «важка» вода. Оскільки атоми водню, що входять до неї, за розмірами та масою дуже близькі до нейтронів, вони могли найкраще уповільнювати їх. (Зі швидкими нейтронами відбувається приблизно те саме, що з кулями: якщо маленька куля вдаряється об велику, вона відкочується назад, майже не втрачаючи швидкості, при зустрічі ж з маленькою кулею він передає йому значну частину своєї енергії - так само нейтрон при пружному зіткненні відскакує від важкого ядра лише трохи сповільнюючись, а при зіткненні з ядрами атомів водню дуже швидко втрачає всю свою енергію. Однак звичайна вода не підходить для уповільнення, так як її водень має тенденцію поглинати нейтрони. Ось чому для цього слід використовувати дейтерій, що входить до складу «важкої» води.

На початку 1942 року під керівництвом Фермі у приміщенні тенісного корту під західними трибунами стадіону Чикаго почалося будівництво першого в історії ядерного реактора. Усі роботи вчені проводили самі. Управління реакцією можна здійснювати єдиним способом - регулюючи число нейтронів, що у ланцюгової реакції. Фермі припускав домогтися цього за допомогою стрижнів, виготовлених із таких речовин, як бор та кадмій, які сильно поглинають нейтрони. Уповільнювачем служили графітові цеглини, з яких фізики звели колони заввишки 3 м і шириною 1,2 м. Між ними були встановлені прямокутні блоки з окисом урану. На всю конструкцію пішло близько 46 тонн окису урану та 385 тонн графіту. Для уповільнення реакції служили введені в реактор стрижні з кадмію та бору.

Якби цього виявилося недостатньо, то для страховки на платформі, розташованій над реактором, стояли двоє вчених із відрами, наповненими розчином солей кадмію - вони мали вилити їх на реактор, якби реакція вийшла з-під контролю. На щастя, цього не потрібно. 2 грудня 1942 року Фермі наказав висунути всі контрольні стрижні, і експеримент розпочався. Через чотири хвилини нейтронні лічильники почали клацати все голосніше та голосніше. З кожною хвилиною інтенсивність нейтронного потоку зростала. Це говорило про те, що в реакторі йде ланцюгова реакція. Вона тривала протягом 28 хвилин. Потім Фермі дав знак і опущені стрижні припинили процес. Так уперше людина звільнила енергію атомного ядра і довела, що може контролювати її за своєю волею. Тепер уже не було сумніву, що ядерна зброя – реальність.

1943 року реактор Фермі демонтували і перевезли до Арагонської національної лабораторії (50 км від Чикаго). Тут був незабаром
побудований ще один ядерний реактор, в якому як сповільнювач використовувалася важка вода. Він складався з циліндричної алюмінієвої цистерни, що містить 6,5 тонн важкої води, в яку було вертикально занурено 120 стрижнів із металевого урану, ув'язнених у алюмінієву оболонку. Сім керівників стрижнів було зроблено з кадмію. Навколо цистерни розташовувався графітовий відбивач, потім екран зі сплавів свинцю та кадмію. Вся конструкція полягала в бетонний панцир із товщиною стінок близько 2,5 м.

Експерименти цих досвідчених реакторах підтвердили можливість промислового виробництва плутонію.

Головним центром «Манхеттенського проекту» незабаром стало містечко Ок-Рідж у долині річки Теннесі, населення якого за кілька місяців зросло до 79 тисяч людей. Тут у короткий термін було збудовано перший в історії завод з виробництва збагаченого урану. Тут же 1943 року було пущено промисловий реактор, який виробляв плутоній. У лютому 1944 року з нього щодня витягували близько 300 кг урану, з поверхні якого шляхом хімічного поділу отримували плутоній. (Для цього плутоній спочатку розчиняли, а потім брали в облогу.) Очищений уран після цього знову повертався в реактор. Того ж року в безплідній похмурій пустелі на південному березі річки Колумбія почалося будівництво величезного заводу Хенфорд. Тут розміщувалося три потужні атомні реактори, які щодня давали кілька сотень грамів плутонію.

Паралельно повним ходом йшли дослідження щодо розробки промислового процесу збагачення урану.

Розглянувши різні варіанти, Гровс та Оппенгеймер вирішили зосередити зусилля на двох методах: газодифузійному та електромагнітному.

Газодифузійний метод ґрунтувався на принципі, відомому під назвою закону Грехема (він був вперше сформульований 1829 року шотландським хіміком Томасом Грехемом і розроблений 1896 року англійським фізиком Рейлі). Відповідно до цього закону, якщо два газу, один з яких легший за інший, пропускати через фільтр з мізерно малими отворами, то через нього пройде дещо більше легкого газу, ніж важкого. У листопаді 1942 року Юрі та Даннінг з Колумбійського університету створили на основі методу Рейлі газодифузійний метод поділу ізотопів урану.

Оскільки природний уран - тверда речовина, його спочатку перетворювали на фтористий уран (UF6). Потім цей газ пропускали через мікроскопічні - близько тисячних часток міліметра - отвори в перегородці фільтра.

Так як різниця в молярних терезах газів була дуже мала, то за перегородкою вміст урану-235 збільшувався всього в 1,0002 рази.

Для того щоб збільшити кількість урану-235 ще більше, отриману суміш знову пропускають через перегородку, і кількість урану знову збільшується в 10002 рази. Таким чином, щоб підвищити вміст урану-235 до 99% потрібно було пропускати газ через 4000 фільтрів. Це відбувалося на величезному газодифузійному заводі Ок-Рідж.

У 1940 році під керівництвом Ернста Лоуренса в Каліфорнійському університеті почалися дослідження по розподілу ізотопів урану електромагнітним методом. Необхідно було знайти такі фізичні процеси, які б розділити ізотопи, користуючись різницею їх мас. Лоуренс спробував розділити ізотопи, використовуючи принцип мас-спектрографа - приладу, з допомогою якого визначають маси атомів.

Принцип його дії зводився до наступного: попередньо іонізовані атоми прискорювалися електричним полем, а потім пропускалися через магнітне поле, в якому вони описували кола, розташовані в площині перпендикулярної напрямку поля. Так як радіуси цих траєкторій були пропорційні масі, легкі іони виявлялися на кола меншого радіусу, ніж важкі. Якщо на шляху атомів розміщували пастки, то можна було окремо збирати різні ізотопи.

Таким був метод. У лабораторних умовах він дав непогані результати. Але будівництво установки, де поділ ізотопів міг би проводитися у промислових масштабах, виявилося надзвичайно складним. Однак Лоуренсу врешті-решт вдалося подолати всі труднощі. Результатом його зусиль стала поява калутрона, встановленого на гігантському заводі в Ок-Ріджі.

Цей електромагнітний завод був побудований в 1943 році і виявився чи не найдорожчим дітищем «Манхеттенського проекту». Метод Лоуренса вимагав великої кількості складних, ще не розроблених пристроїв, пов'язаних із високою напругою, високим вакуумом та сильними магнітними полями. Масштаби витрат виявилися величезними. Калутрон мав гігантський електромагніт, довжина якого досягала 75 м за вагою близько 4000 тонн.

На обмотки для цього електромагніту пішло кілька тисяч тонн срібного дроту.

Усі роботи (не рахуючи вартості срібла на суму 300 мільйонів доларів, яке державне казначейство надало лише на якийсь час) обійшлися в 400 мільйонів доларів. Тільки за електроенергію, витрачену калутроном, міністерство оборони сплатило 10 мільйонів. Більшість обладнання ок-риджського заводу перевершувала за масштабами і точності виготовлення все, що будь-коли розроблялося у цій галузі техніки.

Але всі ці витрати виявилися марними. Витративши загалом близько 2 мільярдів доларів, вчені США до 1944 року створили унікальну технологію збагачення урану та виробництва плутонію. Тим часом у Лос-Аламоській лабораторії працювали над проектом самої бомби. Принцип її дії був у загальних рисах зрозумілий вже давно: речовина, що ділиться (плутоній або уран-235), слід було в момент вибуху перевести в критичний стан (для здійснення ланцюгової реакції маса заряду повинна бути навіть помітно більшою за критичну) і опромінити пучком нейтронів, що вабило за собою початок ланцюгової реакції.

За розрахунками, критична маса заряду перевищувала 50 кілограмів, але її змогли значно зменшити. Загалом на величину критичної маси сильно впливають кілька факторів. Чим більша поверхнева площа заряду - тим більше нейтронів марно випромінюється в навколишній простір. Найменшою площею поверхні має сфера. Отже, сферичні заряди за інших рівних умов мають найменшу критичну масу. Крім того, величина критичної маси залежить від чистоти і виду матеріалів, що діляться. Вона обернено пропорційна квадрату щільності цього матеріалу, що дозволяє, наприклад, зі збільшенням щільності вдвічі, зменшити критичну масу вчетверо. Потрібну ступінь підкритичності можна отримати, наприклад, ущільненням матеріалу, що ділиться за рахунок вибуху заряду звичайної вибухової речовини, виконаного у вигляді сферичної оболонки, що оточує ядерний заряд. Критичну масу, крім того, можна зменшити, оточивши заряд екраном, що добре відображає нейтрони. Як такий екран можуть бути використані свинець, берилій, вольфрам, природний уран, залізо та багато інших.

Одна з можливих конструкцій атомної бомби складається із двох шматків урану, які, з'єднуючись, утворюють масу більше критичної. Для того, щоб викликати вибух бомби, треба якнайшвидше зблизити їх. Другий метод заснований на використанні вибуху, що сходить всередину. У цьому випадку потік газів від звичайної вибухової речовини прямував на розташований всередині матеріал, що ділиться і стискав його до тих пір, поки він не досягав критичної маси. З'єднання заряду та інтенсивне опромінення його нейтронами, як уже говорилося, викликає ланцюгову реакцію, в результаті якої в першу секунду температура зростає до 1 мільйона градусів. За цей час встигало розділитися лише близько 5% критичної маси. Решта заряду в бомбах ранньої конструкції випаровувалась без
будь-якої користі.

Першу в історії атомну бомбу (їй було дано ім'я «Трініті») було зібрано влітку 1945 року. А 16 червня 1945 року на атомному полігоні в пустелі Аламогордо (штат Нью-Мексико) було зроблено перший на Землі атомний вибух. Бомбу помістили у центрі полігону на вершині сталевої 30-метрової вежі. Навколо неї на великій відстані розміщувалася реєструюча апаратура. У 9 км був спостережний пункт, а 16 км - командний. На всіх свідків цієї події атомний вибух справив приголомшливе враження. За описом очевидців, було таке відчуття, ніби безліч сонців з'єдналося в одне й одразу висвітлило полігон. Потім над рівниною виникла величезна вогненна куля і до неї повільно і зловісно стала підніматися кругла хмара пилу і світла.

Відірвавшись від землі, ця вогненна куля за кілька секунд злетіла на висоту понад три кілометри. З кожною миттю він розростався у розмірах, незабаром його діаметр досяг 1,5 км, і він повільно піднявся до стратосфери. Потім вогненна куля поступилася місцем стовпу диму, що клубився, який витягнувся на висоту 12 км, прийнявши форму гігантського гриба. Все це супроводжувалося жахливим гуркотом, від якого тремтіла земля. Потужність бомби, що вибухнула, перевершила всі очікування.

Як тільки дозволила радіаційна ситуація, кілька танків «Шерман», викладені зсередини свинцевими плитами, кинулися в район вибуху. На одному з них знаходився Фермі, якому не терпілося побачити результати своєї праці. Його очам постала мертва випалена земля, на якій у радіусі 1,5 км було знищено все живе. Пісок спікся в склоподібну зелену кірку, що покривала землю. У величезній вирві лежали понівечені залишки сталевої опорної вежі. Сила вибуху була оцінена у 20000 тонн тротилу.

Наступним кроком мало стати бойове застосування бомби проти Японії, яка після капітуляції фашистської Німеччини одна продовжувала війну зі США та їх союзниками. Ракет-носіїв тоді ще не було, тому бомбардування мали здійснити з літака. Компоненти двох бомб були з великою обережністю доставлені крейсером «Індіанаполіс» на острів Тініан, де базувалася 509 зведена група ВПС США. За типом заряду та конструкції ці бомби дещо відрізнялися одна від одної.

Перша бомба - «Малюк» - була великогабаритною авіаційною бомбою з атомним зарядом із сильно збагаченого урану-235. Довжина її була близько 3 м, діаметр – 62 см, вага – 4, 1 т.

Друга бомба – «Товстун» – із зарядом плутонію-239 мала яйцеподібну форму з великогабаритним стабілізатором. Довжина її
становила 3, 2 м, діаметр 1, 5 м, вага – 4, 5 т.

6 серпня бомбардувальник Б-29 «Енола Гей» полковника Тіббетса скинув «Малюка» на велике японське місто Хіросіму. Бомба опускалася на парашуті і вибухнула, як це було передбачено, на висоті 600 м від землі.

Наслідки вибуху були жахливими. Навіть на самих пілотів вид знищеного ними в одну мить мирного міста справив гнітюче враження. Пізніше один із них зізнався, що вони бачили в цю секунду найгірше, що тільки може побачити людина.

Для тих, хто знаходився на землі, те, що відбувалося, нагадувало справжнє пекло. Насамперед над Хіросимою пройшла теплова хвиля. Її дія тривала всього кілька миттєвостей, але була настільки потужною, що розплавило навіть черепицю та кристали кварцу в гранітних плитах, перетворило на вугілля телефонні стовпи на відстані 4 км і, нарешті, настільки спопелило людські тіла, що від них залишилися тільки тіні на асфальті мостових. або на стінах будинків. Потім з-під вогняної кулі вирвався жахливий порив вітру і промчав над містом зі швидкістю 800 км/год, змітаючи все на своєму шляху. Будинки, що не витримали його лютого натиску, руйнувалися як підкошені. У гігантському колі діаметром 4 км не залишилося жодної цілої будівлі. Через кілька хвилин після вибуху над містом пройшов чорний радіоактивний дощ - це волога, що перетворена на пару, сконденсувалася у високих шарах атмосфери і випала на землю у вигляді великих крапель, змішаних з радіоактивним пилом.

Після дощу на місто обрушився новий порив вітру, що цього разу дмухав у напрямку епіцентру. Він був слабший за першого, але все-таки досить сильний, щоб виривати з коренем дерева. Вітер роздув гігантську пожежу, в якій горіло все, що могло тільки горіти. З 76 тисяч будівель повністю зруйнувалося та згоріло 55 тисяч. Свідки цієї жахливої ​​катастрофи згадували про людей-факелів, з яких згорілий одяг спадав на землю разом з лахміттям шкіри, і про натовп збожеволілих людей, вкритих жахливими опіками, які з криком металися вулицями. У повітрі стояв задушливий сморід від горілого м'яса. Всюди валялися люди, мертві та вмираючі. Було багато таких, які засліпли і оглухли і, торкаючись на всі боки, не могли нічого розібрати в хаосі, що панував навколо.

Нещасні, що знаходилися від епіцентру на відстані до 800 м, за частки секунди згоріли в буквальному сенсі слова - їх нутрощі випарувалися, а тіла перетворилися на грудки вугілля, що димить. Ті, що перебували від епіцентру на відстані 1 км, були уражені променевою хворобою у вкрай важкій формі. Вже за кілька годин у них почалося сильне блювання, температура підскочила до 39-40 градусів, з'явилися задишка та кровотечі. Потім на шкірі висипали виразки, що не гояться, склад крові різко змінився, волосся випало. Після жахливих страждань, зазвичай другого чи третього дня, наступала смерть.

Загалом від вибуху та променевої хвороби загинуло близько 240 тисяч людей. Близько 160 тисяч отримали променеву хворобу у легшій формі - їхня болісна смерть виявилася відстроченою на кілька місяців або років. Коли звістка про катастрофу поширилася країною, вся Японія була паралізована страхом. Він ще збільшився, після того, як 9 серпня літак «Бокс Кар» майора Суїні скинув другу бомбу на Нагасакі. Тут також загинуло та було поранено кілька сотень тисяч жителів. Не в силах протистояти новій зброї, японський уряд капітулював - атомна бомба поклала край Другій світовій війні.

Війна закінчилась. Вона тривала лише шість років, але встигла змінити світ і людей майже до невпізнання.

Людська цивілізація до 1939 року і людська цивілізація після 1945 року дуже не схожі один на одного. Тому є багато причин, але одна з найважливіших – поява ядерної зброї. Можна без перебільшень сказати, що тінь Хіросіми лежить по всій другій половині ХХ століття. Вона стала глибоким моральним опіком для багатьох мільйонів людей, як сучасників цієї катастрофи, так і народилися через десятиліття після неї. Сучасна людина вже не може думати про світ так, як думали про нього до 6 серпня 1945 - він занадто ясно розуміє, що цей світ може за кілька миттєвостей перетворитися на ніщо.

Сучасна людина не може дивитися на війну, оскільки дивилися її діди та прадіди - він достовірно знає, що ця війна буде останньою, і в ній не виявиться ні переможців, ні переможених. Ядерна зброя наклала свій відбиток на всі сфери суспільного життя, і сучасна цивілізація не може жити за тими самими законами, що шістдесят чи вісімдесят років тому. Ніхто не розумів цього краще за самих творців атомної бомби.

«Люди нашої планети , - писав Роберт Оппенгеймер, - повинні об'єднатися. Жах та руйнація, посіяні останньою війною, диктують нам цю думку. Вибухи атомних бомб довели її з усією жорстокістю. Інші люди в інший час вже говорили подібні слова – тільки про іншу зброю та про інші війни. Вони не досягли успіху. Але той, хто і сьогодні скаже, що ці слова марні, введений в оману мінливістю історії. Нас не можна переконати у цьому. Результати нашої праці не залишають людству іншого вибору, як створити об'єднаний світ. Світ, заснований на законності та гуманізму».

Вся громада міжконтинентальної балістичної ракети, десятки метрів і тонн надміцних сплавів, високотехнологічного палива та досконалої електроніки потрібні лише для одного – доставити до місця призначення боєголовку: конус заввишки метр-півтора та завтовшки біля основи з тулуба людини.

Погляньмо на якусь типову боєголовку (насправді між боєголовками можуть існувати конструктивні відмінності). Це конус із легких міцних сплавів. Усередині є перебірки, шпангоути, силовий каркас - майже все, як у літаку. Силовий каркас покритий міцною металевою обшивкою. На обшивку нанесено товстий шар теплозахисного покриття. Це схоже на стародавній кошик епохи неоліту, щедро обмазаний глиною та обпалений у перших експериментах людини з теплом та керамікою. Схожість легко зрозуміла: і кошику, і боєголовку доведеться чинити опір зовнішньому спеку.

Усередині конуса, закріплені на своїх «сидіннях», знаходяться два основних «пасажири», заради яких усе й затіяно: термоядерний заряд та блок керування зарядом, або блок автоматики. Вони напрочуд компактні. Блок автоматики – розміром із п'ятилітрову банку маринованих огірків, а заряд – із звичайне городне відро. Важкий і важкий, союз банки і відра вибухне кілотон на триста п'ятдесят - чотириста. Два пасажири з'єднані між собою зв'язком, як сіамські близнюки, і через цей зв'язок постійно обмінюються чимось. Діалог їх ведеться весь час, навіть коли ракета стоїть на бойовому чергуванні, навіть коли цих близнюків лише везуть із підприємства-виробника.

Є і третій пасажир - блок виміру руху боєголовки або взагалі керування її польотом. У разі у боєголовку вбудовані робочі органи управління, дозволяють змінювати траєкторію. Наприклад, виконавчі пневмосистеми чи порохові системи. А ще бортова електромережа з джерелами живлення, лінії зв'язку зі ступенем, у вигляді захищених проводів та роз'ємів, захист від електромагнітного імпульсу та система термостатування – підтримання потрібної температури заряду.

Технологія, за якою бойові блоки відокремлюються від ракети і лягають на власні курси – окрема велика тема, про яку можна писати книги.

Для початку пояснимо, що таке "просто бойовий блок". Це пристрій, у якому фізично знаходиться термоядерний заряд на борту міжконтинентальної балістичної ракети. У ракеті є так звана головна частина, в якій можуть бути один, два і більше бойових блоків. Якщо їх кілька, головна частина називається головною частиною, що розділяється (РГЧ).

Усередині РГЧ знаходиться дуже складний агрегат (його ще називають платформою розведення), який після виведення ракетою-носієм за межі атмосфери починає виконувати цілу низку запрограмованих дій з індивідуального наведення і відділення бойових блоків, що знаходяться на ньому; в просторі вишиковуються бойові порядки з блоків і хибних цілей, які спочатку теж знаходяться на платформі. Таким чином, кожен блок виводиться на траєкторію, що забезпечує влучення в задану мету на поверхні Землі.

Бойові блоки бувають різні. Ті, що рухаються балістичними траєкторіями після відокремлення від платформи, називаються некерованими. Керовані бойові блоки після відділення починають "жити своїм життям". Вони забезпечені двигунами орієнтації для здійснення маневрів у космічному просторі, аеродинамічними кермовими поверхнями для керування польотом в атмосфері, у них на борту встановлено інерційну систему керування, кілька обчислювальних пристроїв, радіолокатор зі своїм власним обчислювачем… Ну і, зрозуміло, бойовий заряд.

Практично керований бойовий блок поєднує властивості безпілотного космічного корабля і гіперзвукового безпілотного літака. Усі дії як у космосі, і під час польоту атмосфері, цей апарат повинен виконувати автономно.

Після відокремлення від платформи розведення бойовий блок відносно довго летить на дуже великій висоті – у космосі. У цей час система управління блоку здійснює цілу серію переорієнтацій, щоб створити умови для точного визначення власних параметрів руху, полегшення подолання зони можливих ядерних вибухів протиракет.
Перед входженням у верхні шари атмосфери бортовий комп'ютер обчислює необхідну орієнтацію бойового блоку та виконує її. Приблизно в той же період проходять сеанси визначення фактичного розташування за допомогою радіолокатора, для чого також потрібно зробити ряд маневрів. Потім антена локатора відстрілюється, і бойового блоку починається атмосферний ділянку руху.

Внизу перед боєголовкою розкинувся величезний, контрастно блискучий з грізних великих висот, затягнутий блакитним кисневим серпанком, подертий аерозольними суспензією, неозорий і безмежний п'ятий океан. Повільно та ледве помітно повертаючись від залишкових впливів поділу, боєголовка по пологій траєкторії продовжує спуск. Але назустріч їй тихенько потяг дуже незвичайний вітерець. Трохи торкнув її - і став помітний, обтягнув корпус тонкою хвилею блідого біло-блакитного свічення. Хвиля ця дивно високотемпературна, але вона поки не палить боєголовку, тому що занадто вже безтілесна. Вітерець, що обдує боєголовку, - електропровідний. Швидкість конуса настільки висока, що він буквально дробить своїм ударом молекули повітря на електрично заряджені уламки, відбувається ударна іонізація повітря. Цей плазмовий вітерець називається гіперзвуковим потоком великих чисел Маха, і його швидкість у двадцять разів перевищує швидкість звуку.

Через велику розрідженість вітерець у перші секунди майже непомітний. Наростаючи і ущільнюючись із заглибленням у повітря, він спочатку більше гріє, ніж тисне на боєголовку. Але поступово починає з силою обтискати її конус. Потік розгортає боєголовку носиком уперед. Розвертає не відразу - конус злегка розгойдується туди-сюди, поступово уповільнюючи свої коливання і нарешті стабілізується.

Ущільнюючись у міру зниження, потік дедалі сильніше тисне на боєголовку, сповільнюючи її політ. З уповільненням плавно знижується температура. Від величезних значень початку входу, біло-блакитного світіння десятка тисяч кельвінів, до жовто-білого сяйва п'яти-шести тисяч градусів. Це температура поверхневих шарів Сонця. Сяйво стає сліпучим, тому що щільність повітря швидко зростає, а з нею і тепловий потік у стінки боєголовки. Теплозахисне покриття обвуглюється і починає горіти.

Воно горить зовсім не від тертя об повітря, як часто хибно кажуть. Через величезну гіперзвукову швидкість руху (зараз у п'ятнадцять разів швидше за звук) від вершини корпусу розходиться в повітрі інший конус - ударно-хвильовий, ніби укладаючи в собі боєголовку. Повітря, що набігає, потрапляючи всередину ударно-хвильового конуса, миттєво ущільнюється в багато разів і щільно притискається до поверхні боєголовки. Від стрибкоподібного, миттєвого та багаторазового стиску його температура одразу підскакує до кількох тисяч градусів. Причина цього - божевільна швидкість того, що відбувається, поміркова динамічність процесу. Газодинамічний стиск потоку, а не тертя - ось що зараз прогріває боєголовку бока.

Найгірше доводиться носовій частині. Там утворюється найбільше ущільнення зустрічного потоку. Зона цього ущільнення трохи відходить вперед, як би від'єднуючись від корпусу. І тримається попереду, набираючи форми товстої лінзи або подушки. Така освіта називається «від'єднана головна ударна хвиля». Вона в кілька разів товща за решту поверхні ударно-хвильового конуса навколо боєголовки. Лобове стиснення потоку, що набігає, тут найсильніше. Тому у від'єднаній головній ударній хвилі найвища температура і найбільша щільність тепла. Це маленьке сонце обпалює носову частину боєголовки променистим шляхом - висвічуючи, випромінюючи тепло прямо в ніс корпусу і викликаючи сильне обгорання носової частини. Тому там найтовстіший шар теплозахисту. Саме головна ударна хвиля висвітлює темної ночі місцевість на багато кілометрів навколо боєголовки, що летить в атмосфері.

Пов'язані однією метою

Термоядерний заряд та блок управління безперервно спілкуються один з одним. "Діалог" цей починається одразу після встановлення боєголовки на ракету, а завершується він у момент ядерного вибуху. Весь цей час система управління готує заряд до спрацьовування, як тренер – боксера до відповідального поєдинку. І в потрібний момент віддає останню та найголовнішу команду.

При постановці ракети на бойове чергування її заряд оснащують до повної комплектації: встановлюють нейтронний імпульсний активатор, детонатори та інше обладнання. Але до вибуху він ще не готовий. Десятиліттями тримати в шахті або на мобільній пусковій установці ядерну ракету, готову рвонути будь-якої миті, просто небезпечно.

Тому під час польоту система управління переводить заряд у стан готовності до вибуху. Відбувається це поступово, складними послідовними алгоритмами, що базуються на двох основних умовах: надійність руху до мети та контроль над процесом. Варто одному з цих факторів відхилитися від розрахункових значень та підготовку буде припинено. Електроніка переводить заряд у дедалі більше високий рівень готовності, щоб у розрахунковій точці дати команду на спрацьовування.

І коли повністю готовий заряд прийде з блоку управління бойова команда на підрив, вибух відбудеться негайно, миттєво. Боєголовка, що летить зі швидкістю снайперської кулі, пройде лише пару сотих часток міліметра, не встигнувши зміститися в просторі навіть на товщину людського волосся, коли в її заряді почнеться, розвинеться, повністю пройде і вже завершиться термоядерна реакція, виділивши всю штатну потужність.

Сильно змінившись і зовні, і всередині боєголовка пройшла в тропосферу - останній десяток кілометрів висоти. Вона сильно загальмувалась. Гіперзвуковий політ виродився до надзвуку в три-чотири одиниці Маху. Світить боєголовка вже тьмяно, згасає і підходить до точки цілі.

Вибух на поверхні Землі планується рідко – лише для поглиблених у землю об'єктів на кшталт ракетних шахт. Більшість цілей лежить на поверхні. І їхнього найбільшого поразки підрив роблять на деякій висоті, що залежить від потужності заряду. Для тактичних двадцяти кілотон це 400-600 м. Для стратегічної мегатонни оптимальна висота вибуху - 1200 м. Чому? Від вибуху місцевістю проходять дві хвилі. Ближче до епіцентру вибухова хвиля впаде раніше. Впаде і відіб'ється, відскочивши в сторони, де і зіллється з свіжою хвилею, що тільки-но дійшла сюди зверху, з точки вибуху. Дві хвилі - падаюча з центру вибуху і відбита від поверхні - складаються, утворюючи в приземному шарі найбільш потужну ударну хвилю, головний фактор ураження.

При випробувальних пусках боєголовка зазвичай безперешкодно досягає землі. На її борту знаходиться півцентнера вибухівки, що підривається під час падіння. Навіщо? По-перше, боєголовка - секретний об'єкт і має надійно знищуватися після використання. По-друге, це необхідно для вимірювальних систем полігону – для оперативного виявлення точки падіння та вимірювання відхилень.

Багатометрова вирва, що димить, завершує картину. Але перед цим, за пару кілометрів до удару, з випробувальної боєголовки відстрілюється назовні бронекасета пристрою із записом всього, що реєструвалося на борту під час польоту. Ця бронефлешка підстрахує від втрати бортової інформації. Її знайдуть пізніше, коли прилетить гелікоптер зі спецгрупою пошуку. І зафіксують результати фантастичного польоту.