Механізм атомної бомби Хто винайшов атомну бомбу? Історія винаходу та створення радянської атомної бомби

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».

Пристрій і принцип дії засновані на ініціалізації і контролі ядерної реакції, що самопідтримується. Його використовують як дослідний інструмент, для виробництва радіоактивних ізотопів і як джерело енергії для атомних електростанцій.

принцип роботи (коротко)

Тут використовується процес при якому важке ядро розпадається на два дрібніші фрагменти. Ці уламки перебувають у дуже збудженому стані і випускають нейтрони, інші субатомні частинки та фотони. Нейтрони можуть викликати нові поділки, у яких їх випромінюється ще більше, тощо. Такий безперервний ряд розщеплень, що самопідтримується, називається ланцюговою реакцією. При цьому виділяється велика кількість енергії, виробництво якої є метою використання АЕС.

Принцип роботи ядерного реактора такий, що близько 85% енергії розщеплення вивільняється протягом дуже короткого проміжку часу після початку реакції. Решта виробляється в результаті радіоактивного розпаду продуктів поділу, після того, як вони випромінювали нейтрони. Радіоактивний розпад є процесом, у якому атом досягає стабільнішого стану. Він продовжується і після завершення поділу.

В атомній бомбі ланцюгова реакція збільшує свою інтенсивність, поки не буде розщеплена більша частина матеріалу. Це відбувається дуже швидко, роблячи надзвичайно потужні вибухи, характерні для таких бомб. Пристрій та принцип дії ядерного реактора засновані на підтримці ланцюгової реакції на регульованому майже постійному рівні. Він сконструйований таким чином, що вибухнути як атомна бомба не може.

Ланцюгова реакція та критичність

Фізика ядерного реактора поділу полягає в тому, що ланцюгова реакція визначається ймовірністю розщеплення ядра після нейтронів. Якщо населення останніх зменшується, то швидкість поділу зрештою впаде до нуля. У цьому випадку реактор перебуватиме у докритичному стані. Якщо ж населення нейтронів підтримується постійному рівні, то швидкість розподілу залишатиметься стабільної. Реактор перебуватиме у критичному стані. І, нарешті, якщо населення нейтронів з часом зростає, швидкість поділу і потужність збільшуватиметься. Стан активної зони стане надкритичним.

Принцип дії ядерного реактора є наступним. Перед його запуском населення нейтронів близька до нуля. Потім оператори видаляють стержні, що управляють, з активної зони, збільшуючи поділ ядер, що тимчасово переводить реактор в надкритичний стан. Після виходу на номінальну потужність оператори частково повертають стрижні, що управляють, регулюючи кількість нейтронів. Надалі реактор підтримується у критичному стані. Коли його потрібно зупинити, оператори вставляють стрижні повністю. Це пригнічує поділ і переводить активну зону докритичний стан.

Типи реакторів

Більшість ядерних установок, що існують у світі, є енергетичними, що генерують тепло, необхідне для обертання турбін, які приводять в рух генератори електричної енергії. Також є багато дослідницьких реакторів, а деякі країни мають підводні човни або надводні кораблі, які рухаються енергією атома.

Енергетичні установки

Існує кілька видів реакторів цього типу, але широке застосування знайшла конструкція легкої води. У свою чергу, в ній може використовуватись вода під тиском або кипляча вода. У першому випадку рідина під високим тиском нагрівається теплом активної зони і надходить парогенератор. Там тепло від первинного контуру передається на вторинний, що також містить воду. Пар, що генерується в кінцевому рахунку, служить робочою рідиною в циклі парової турбіни.

Реактор киплячого типу працює за принципом прямого енергетичного циклу. Вода, проходячи через активну зону, доводиться до кипіння середньому рівні тиску. Насичена пара проходить через серію сепараторів і сушарок, розташованих у корпусі реактора, що приводить його в надперегрітий стан. Перегріта водяна пара потім використовується як робоча рідина, що обертає турбіну.

Високотемпературні з газовим охолодженням

Високотемпературний газоохолоджуваний реактор (ВТГР) - це ядерний реактор, принцип роботи якого заснований на застосуванні як паливо суміші графіту та паливних мікросфер. Існують дві конкуруючі конструкції:

німецька «засипна» система, яка використовує сферичні паливні елементи діаметром 60 мм, що є сумішшю графіту і палива в графітовій оболонці;
американський варіант у вигляді графітових гексагональних призм, що зчіплюються, створюючи активну зону.

В обох випадках рідина, що охолоджує, складається з гелію під тиском близько 100 атмосфер. У німецькій системі гелій проходить через проміжки у шарі сферичних паливних елементів, а в американській - через отвори у графітових призмах, що розташовані вздовж осі центральної зони реактора. Обидва варіанти можуть працювати за дуже високих температур, оскільки графіт має надзвичайно високу температуру сублімації, а гелій повністю інертний хімічно. Гарячий гелій може бути застосований безпосередньо як робоча рідина в газовій турбіні при високій температурі або його тепло можна використовувати для генерації пари водяного циклу.

Рідкометалевий та принцип роботи

Реакторам на швидких нейтронах із натрієвим теплоносієм приділялася велика увага у 1960-1970-х роках. Тоді здавалося, що їхні можливості щодо відтворення найближчим часом необхідні для виробництва палива для атомної промисловості, що швидко розвивається. Коли у 1980-ті роки стало ясно, що це очікування нереалістичне, ентузіазм згас. Однак у США, Росії, Франції, Великобританії, Японії та Німеччині побудовано низку реакторів цього типу. Більшість із них працює на діоксиді урану або його суміші з діоксидом плутонію. У Сполучених Штатах, однак, найбільшого успіху було досягнуто з металевим паливом.

CANDU

Канада зосередила свої зусилля на реакторах, у яких використовується природний уран. Це позбавляє необхідності для його збагачення вдаватися до послуг інших країн. Результатом такої політики став дейтерій-урановий реактор (CANDU). Контроль та охолодження в ньому проводиться важкою водою. Пристрій та принцип роботи ядерного реактора полягає у використанні резервуару з холодною D 2 O при атмосферному тиску. Активна зона пронизана трубами з цирконієвого сплаву з паливом з природного урану, через які циркулює важка вода, що охолоджує його. Електроенергія проводиться за рахунок передачі теплоти поділу у важкій воді рідини, що охолоджує, яка циркулює через парогенератор. Пара у вторинному контурі потім проходить через звичайний турбінний цикл.

Дослідницькі установки

Для проведення наукових досліджень найчастіше використовується ядерний реактор, принцип роботи якого полягає у застосуванні водяного охолодження та пластинчастих уранових паливних елементів у вигляді збирання. Здатний функціонувати в широкому діапазоні рівнів потужності, від кількох кіловат до сотень мегават. Оскільки виробництво електроенергії не є основним завданням дослідницьких реакторів, вони характеризуються тепловою енергією, що виробляється, щільністю і номінальною енергією нейтронів активної зони. Саме ці параметри допомагають кількісно оцінити здатність дослідницького реактора проводити конкретні дослідження. Малопотужні системи, як правило, функціонують в університетах та використовуються для навчання, а висока потужність необхідна у науково-дослідних лабораторіях для тестування матеріалів та характеристик, а також для загальних досліджень.

Найбільш поширений дослідницький ядерний реактор, будова та принцип роботи якого наступні. Його активна зона розташована у нижній частині великого глибокого басейну з водою. Це спрощує спостереження та розміщення каналів, якими можуть бути спрямовані пучки нейтронів. При низьких рівнях потужності немає необхідності прокачувати рідину, що охолоджує, так як для підтримки безпечного робочого стану природна конвекція теплоносія забезпечує достатній відвід тепла. Теплообмінник, як правило, знаходиться на поверхні або у верхній частині басейну, де накопичується гаряча вода.

Корабельні установки

Початковим та основним застосуванням ядерних реакторів є їх використання у підводних човнах. Головною їх перевагою є те, що, на відміну від систем спалювання викопного палива, для вироблення електроенергії їм не потрібне повітря. Отже, атомна субмарина може залишатися в зануреному стані протягом тривалого часу, а звичайний дизель-електричний підводний човен повинен періодично підніматися на поверхню, щоб запускати свої двигуни в повітрі. дає стратегічну перевагу кораблям ВМС. Завдяки їй відпадає потреба заправлятися в іноземних портах або від легко вразливих танкерів.

Принцип роботи ядерного реактора на підводному човні засекречено. Однак відомо, що в США в ньому використовується високозбагачений уран, а уповільнення та охолодження проводиться легкою водою. Конструкція першого реактора атомної субмарини USS Nautilus була під сильним впливом потужних дослідницьких установок. Його унікальними особливостями є великий запас реактивності, що забезпечує тривалий період роботи без дозаправки і можливість перезапуску після зупинки. Електростанція в підводних човнах повинна бути дуже тихою, щоб уникнути виявлення. Для задоволення конкретних потреб різних класів субмарин було створено різні моделі силових установок.

На авіаносцях ВМС США використовується ядерний реактор, принцип роботи якого, як вважають, запозичений у найбільших підводних човнів. Детальні відомості їхньої конструкції також не були опубліковані.

Крім США, атомні підводні човни є у Великобританії, Франції, Росії, Китаю та Індії. У кожному випадку конструкція не розголошувалась, але вважається, що всі вони дуже схожі – це є наслідком однакових вимог до їх технічних характеристик. Росія також має невеликий флот, на якому встановлювалися такі ж реактори, як і на радянських субмаринах.

Промислові установки

Для цілей виробництва використовується ядерний реактор, принцип роботи якого полягає у високій продуктивності при низькому рівні виробництва енергії. Це пов'язано з тим, що тривале перебування плутонію в активній зоні призводить до накопичення небажаного 240 Pu.

Виробництво тритію

В даний час основним матеріалом, одержуваним за допомогою таких систем, є тритій (3 H або T) - заряд для Плутоній-239 має тривалий період напіврозпаду, що дорівнює 24100 рокам, тому країни з арсеналами ядерної зброї, які використовують цей елемент, як правило, мають його більше, ніж потрібно. На відміну від 239 Pu, період напіврозпаду тритію становить приблизно 12 років. Таким чином, щоб підтримувати необхідні запаси, цей радіоактивний ізотоп водню повинен проводитись безперервно. У США в Саванна-Рівер (штат Південна Кароліна), наприклад, працює кілька реакторів на важкій воді, які виробляють тритій.

Плавучі енергоблоки

Створено ядерні реактори, здатні забезпечити електроенергією та паровим опаленням віддалені ізольовані райони. У Росії її, наприклад, знайшли застосування невеликі енергетичні установки, спеціально призначені обслуговування арктичних населених пунктів. У Китаї 10-МВт установка HTR-10 забезпечує теплом та електроенергією дослідний інститут, в якому вона знаходиться. Розробки невеликих автоматично керованих реакторів з аналогічними можливостями ведуться у Швеції та Канаді. У період з 1960 до 1972 року армія США використовувала компактні водяні реактори для забезпечення віддалених баз у Гренландії та Антарктиці. Вони замінили мазутними електростанціями.

Підкорення космосу

Крім того, були розроблені реактори для енергопостачання та пересування у космічному просторі. У період з 1967 по 1988 рік Радянський Союз встановлював невеликі ядерні установки на супутники серії "Космос" для живлення обладнання та телеметрії, але ця політика стала мішенню для критики. Принаймні один із таких супутників увійшов в атмосферу Землі, внаслідок чого радіоактивне забруднення зазнали віддалених районів Канади. Сполучені Штати запустили лише один супутник з ядерним реактором у 1965 році. Проте проекти щодо їх застосування у далеких космічних польотах, пілотованих дослідженнях інших планет або на постійній місячній базі продовжують розроблятися. Це обов'язково буде газоохолоджуваний або рідкометалевий ядерний реактор, фізичні принципи роботи якого забезпечать максимально високу температуру, необхідну мінімізації розміру радіатора. Крім того, реактор для космічної техніки повинен бути максимально компактним, щоб звести до мінімуму кількість матеріалу, що використовується для екранування, і зменшення ваги під час старту і космічного польоту. Запас палива забезпечить роботу реактора весь період космічного польоту.

Після закінчення Другої Світової війни країни антигітлерівської коаліції стрімкими темпами намагалися випередити одна одну у розробках потужнішої ядерної бомби.

Перше випробування, проведене американцями на реальних об'єктах в Японії, до краю розжарило обстановку між СРСР і США. Потужні вибухи, що прогриміли в японських містах і практично знищили живе в них, змусили Сталіна відмовитися від безлічі домагань на світовій арені. Більшість радянських вчених-фізиків були терміново «кинуті» на розробку ядерної зброї.

Коли і як з'явилася ядерна зброя

Роком народження атомної бомби вважатимуться 1896 рік. Саме тоді вчений-хімік із Франції А. Беккерель відкрив, що уран радіоактивний. Ланцюгова реакція урану утворює потужну енергію, яка є основою для страшного вибуху. Навряд чи Беккерель припускав, що його відкриття призведе до створення ядерної зброї — найстрашнішої зброї в усьому світі.

Кінець 19 - початок 20 століття став переломним моментом в історії винаходу ядерної зброї. Саме в цьому часовому проміжку вчені різних країн світу змогли відкрити такі закони, промені та елементи:

Альфа, гамма та бета промені;
Було відкрито безліч ізотопів хімічних елементів, що мають радіоактивні властивості;
Було відкрито закон радіоактивного розпаду, який визначає тимчасову та кількісну залежність інтенсивності радіоактивного розпаду, яка залежить від кількості радіоактивних атомів у випробуваному зразку;
Зародилася ядерна ізометрія.

У 1930-х роках вперше змогли розщепити атомне ядро урану з поглинанням нейтронів. У цей час були відкриті позитрони і нейрони. Все це дало потужний поштовх до розробок зброї, яка використовувала атомну енергію. У 1939 році була запатентована перша у світі конструкція атомної бомби. Це зробив фізик із Франції Фредерік Жоліо-Кюрі.

В результаті подальших досліджень та розробок у цій сфері, на світ з'явилася ядерна бомба. Потужність і радіус ураження сучасних атомних бомб настільки великий, що країна, яка має ядерний потенціал, практично не потребує потужної армії, оскільки одна атомна бомба здатна знищити цілу державу.

Як влаштовано атомну бомбу

Атомна бомба складається з безлічі елементів, головними з яких є:

Корпус атомної бомби;
Система автоматики, яка контролює процес вибуху;
Ядерного заряду чи боєголовки.

Система автоматики перебуває у корпусі атомної бомби, разом із ядерним зарядом. Конструкція корпусу має бути достатньо надійною, щоб уберегти боєголовку від різних зовнішніх факторів та впливів. Наприклад, різного механічного, температурного або подібного впливу, що може призвести до незапланованого вибуху величезної потужності, здатного знищити все довкола.

У завдання автоматики входить повний контроль над тим, щоб вибух стався у потрібний час, тому система складається з наступних елементів:

Пристрій, який відповідає за аварійний підрив;
Джерело живлення системи автоматики;
Система датчиків підриву;
Влаштування зведення;
Пристрій запобігання.

Коли проводилися перші випробування, ядерні бомби доставлялися літаками, які встигали залишити зону поразки. Сучасні атомні бомби мають таку потужність, що їх доставка може здійснюватися тільки за допомогою крилатих, балістичних або хоча б зенітних ракет.

В атомних бомбах застосовуються різні системи детонування. Найпростіша з них - це звичайний пристрій, який спрацьовує при попаданні снаряда в ціль.

Однією з основних характеристик ядерних бомб і ракет є поділ їх на калібри, які бувають трьох типів:

Мінімальний, потужність атомних бомб даного калібру еквівалентна кільком тисячам тонн тротилу;
Середній (потужність вибуху – кілька десятків тисяч тонн тротилу);
Великий, потужність заряду якого вимірюється мільйонами тонн тротилу.

Цікаво, що найчастіше потужність всіх ядерних бомб вимірюється саме у тротиловому еквіваленті, оскільки для атомної зброї немає своєї шкали вимірювання потужності вибуху.

Алгоритми дії ядерних бомб

Будь-яка атомна бомба діє за принципом використання ядерної енергії, що виділяється в ході ядерної реакції. В основі даної процедури лежить поділ важких ядер або синтез легень. Оскільки під час цієї реакції виділяється дуже багато енергії, причому у найкоротший час, радіус ураження ядерної бомби дуже вражає. Через цю особливість ядерну зброю відносять до класу зброї масового ураження.

У ході процесу, який запускається під час вибуху атомної бомби, є два головні моменти:

Це безпосередній центр вибуху, де відбувається ядерна реакція;
Епіцентр вибуху, що знаходиться на місці, де вибухнула бомба.

Ядерна енергія, що виділяється під час вибуху атомної бомби, настільки сильна, що на землі починаються сейсмічні поштовхи. При цьому безпосередні руйнування ці поштовхи приносять лише на відстані кількох сотень метрів (хоча якщо враховувати силу вибуху самої бомби, ці поштовхи вже ні на що не впливають).

Чинники ураження при ядерному вибуху

Вибух ядерної бомби завдає не тільки жахливих миттєвих руйнувань. Наслідки цього вибуху відчують на собі не лише люди, які потрапили до зони поразки, а й їхні діти, які народилися після атомного вибуху. Типи ураження атомною зброєю поділяються на такі групи:

Світлове випромінювання, яке відбувається безпосередньо під час вибуху;
Ударна хвиля, що розповсюджується бомбою відразу після вибуху;
Електромагнітний імпульс;
Проникаюча радіація;
Радіоактивне зараження, яке може зберегтися на десятки років.

Хоча на перший погляд, світловий спалах несе найменше загрози, насправді він утворюється внаслідок вивільнення величезної кількості теплової та світлової енергії. Її потужність і сила набагато перевершує потужність променів сонця, тому поразка світлом і теплом може стати фатальним з відривом кількох кілометрів.

Радіація, що виділяється під час вибуху, теж дуже небезпечна. Хоча вона діє недовго, але встигає заразити все навколо, оскільки її здатність, що проникає, неймовірно велика.

Ударна хвиля при атомному вибуху діє подібно до такої ж хвилі при звичайних вибухах, тільки її потужність і радіус ураження набагато більше. За кілька секунд вона завдає непоправних ушкоджень не тільки людям, а й техніці, будинкам та навколишньому природі.

Проникаюча радіація провокує розвиток променевої хвороби, а електромагнітний імпульс становить небезпеку лише техніки. Сукупність усіх цих факторів, плюс потужність вибуху, роблять атомну бомбу найнебезпечнішою зброєю у світі.

Перші у світі випробування ядерної зброї

Першою країною, яка розробила та випробувала ядерну зброю, виявилися Сполучені Штати Америки. Саме уряд США надав величезні грошові дотації на розробку нової перспективної зброї. До кінця 1941 року в США було запрошено багато видатних вчених у сфері атомних розробок, які вже до 1945 року змогли представити досвідчений зразок атомної бомби, придатний для випробувань.

Перші у світі випробування атомної бомби, оснащеної вибуховим пристроєм, було проведено у пустелі на території штату Нью-Мексико. Бомбу під назвою «Gadget» було підірвано 16 липня 1945 року. Результат випробувань виявився позитивним, хоча військові вимагали випробувати ядерну бомбу у реальних бойових умовах.

Побачивши, що до перемоги на гітлерівській коаліцією залишився лише один крок, і більше такої можливості може не представитися, Пентагон вирішив завдати ядерного удару останньому союзнику гітлерівської Німеччини – Японії. Крім того, використання ядерної бомби мало вирішити відразу кілька проблем:

Уникнути непотрібного кровопролиття, яке неминуче сталося б, якби війська США ступили на територію імператорської Японії;
Одним ударом поставити навколішки непоступливих японців, змусивши їх на умови, вигідні США;
Показати СРСР (як можливому супернику в майбутньому), що армія США має унікальну зброю, здатну стерти з лиця землі будь-яке місто;
І, звичайно ж, на практиці переконатися, на що здатна ядерна зброя у реальних бойових умовах.

6 серпня 1945 року на японське місто Хіросіма було скинуто першу у світі атомну бомбу, яка застосовувалася у військових діях. Цю бомбу назвали «Малюк», оскільки її вага становила 4 тонни. Скидання бомби було ретельно сплановане, і вона потрапила саме туди, куди й планувалося. Ті будинки, які не були зруйновані вибуховою хвилею, згоріли, оскільки печі, що впали в будинках, спровокували пожежі, і все місто було охоплене полум'ям.

Після яскравого спалаху пішла теплова хвиля, яка спалила все живе в радіусі 4 кілометрів, а ударна хвиля, що послідувала за нею, зруйнувала більшу частину будівель.

Ті, хто потрапив під тепловий удар у радіусі 800 метрів, були спалені живцем. Вибуховою хвилею у багатьох зірвало шкіру, що обгоріла. За кілька хвилин пройшов дивний чорний дощ, який складався з пари та попелу. У тих, хто потрапив під чорний дощ, шкіра зазнала невиліковних опіків.

Ті небагато, яким пощастило вціліти, захворіли на променеву хворобу, яка на той час була не тільки не вивчена, а й повністю невідома. У людей почалася лихоманка, блювання, нудота та напади слабкості.

9 серпня 1945 року на місто Нагасакі було скинуто другу американську бомбу, яка називалася «Товстун». Ця бомба мала приблизно таку ж потужність, як і перша, а наслідки її вибуху були настільки ж руйнівні, хоча людей загинуло вдвічі менше.

Дві атомні бомби, скинуті на японські міста, виявилися першими та єдиними у світі випадками застосування атомної зброї. Понад 300 000 людей загинули у перші дні після бомбардування. Ще близько 150 тисяч загинули від променевої хвороби.

Після ядерного бомбардування японських міст Сталін отримав справжній шок. Йому стало зрозуміло, що питання розробки ядерної зброї у радянській Росії – це питання безпеки усієї країни. Вже 20 серпня 1945 року почав працювати спеціальний комітет з питань атомної енергії, який був терміново створений І. Сталіним.

Хоча дослідження з ядерної фізики проводилися групою ентузіастів ще царської Росії, за радянських часів їй не приділяли належної уваги. У 1938 році всі дослідження в цій галузі були повністю припинені, а багато вчених-ядерників репресовані, як вороги народу. Після ядерних вибухів у Японії радянська влада різко почала відновлювати ядерну галузь у країні.

Є дані, що розробка ядерної зброї велася в гітлерівській Німеччині, і саме німецькі вчені доопрацювали «сиру» американську атомну бомбу, тому уряд США вивезло з Німеччини всіх фахівців-атомників та всі документи, пов'язані з розробкою ядерної зброї.

Радянська розвідувальна школа, яка за час війни змогла обійти всі закордонні розвідки, ще 1943 року передавала до СРСР секретні документи, пов'язані з розробкою ядерної зброї. У той же час було впроваджено радянські агенти у всі серйозні американські центри ядерних досліджень.

В результаті всіх цих заходів вже в 1946 році було готове технічне завдання з виготовлення двох ядерних бомб радянського виробництва:

РДС-1 (з плутонієвим зарядом);
РДС-2 (з двома частинами уранового заряду).

Абревіатура "РДС" розшифровувалась як "Росія робить сама", що практично повністю відповідало дійсності.

Новини про те, що СРСР готовий випустити свою ядерну зброю, змусив уряд США вдатися до радикальних заходів. У 1949 році було розроблено план «Троян», згідно з яким на 70 найбільших міст СРСР планувалося скинути атомні бомби. Лише побоювання удару у відповідь завадили цьому плану здійснитися.

Ці тривожні відомості, що надходять від радянських розвідників, змусили вчених працювати в авральному режимі. Вже серпні 1949 року відбулися випробування першої атомної бомби, виробленої СРСР. Коли США дізналася про ці випробування, план «Троян» було відкладено на певний час. Почалася епоха протистояння двох понад держав, відома історія як «Холодна війна».

Найпотужніша ядерна бомба у світі, відома під ім'ям «Цар-бомби», належить саме періоду «Холодної війни». Вчені СРСР створили найпотужнішу бомбу історія людства. Її потужність становила 60 мегатонн, хоча планувалося створити бомбу в 100 кілотон потужності. Випробування цієї бомби пройшли у жовтні 1961 року. Діаметр вогняної кулі під час вибуху становив 10 кілометрів, а вибухова хвиля облетіла земну кулю тричі. Саме це випробування змусило більшість країн світу підписати договір про припинення ядерних випробувань не лише в атмосфері землі, а й навіть у космосі.

Хоча атомна зброя є чудовим засобом залякування агресивних країн, з іншого боку, вона здатна гасити будь-які військові конфлікти в зародку, оскільки при атомному вибуху можуть бути знищені всі сторони конфлікту.

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:

Аварійний вибух.
Пристрої зведення та запобігання.
Джерело живлення.
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:

Радіоактивне зараження.
Світлове випромінювання.
Ударна хвиля.
Електромагнітний імпульс.
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:

РДС-1. Бомба з плутонієвим зарядом, що підривається шляхом сферичного обтиснення. Пристрій був запозичений у американців.
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:

Америка (з 1945 р.).
СРСР, а тепер Росія (з 1949 р.).
Англія (з 1952 р.).
Франція (з 1960 р.).
Китай (з 1964 р.).
Індія (з 1974 р.).
Пакистан (з 1998 р.).
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.

Вибухнула поблизу Нагасакі. Смерть і руйнування, що супроводжувалися цими вибухами, були безпрецедентними. Страх і жах охопив все японське населення, змусивши здатися їх менше ніж за місяць.

Однак після завершення Другої світової війни атомна зброя не відійшла на другий план. Холодна війна, що почалася, стала величезним психологічним фактором тиску між СРСР і США. Обидві сторони інвестували величезні кошти у розробку та створення нових атомних. Таким чином, на нашій планеті за 50 років накопичилося кілька тисяч атомних снарядів. Цього цілком достатньо, щоб кілька разів знищити все живе. З цієї причини наприкінці 90-х років між США та Росією було підписано перший договір із роззброєння, щоб знизити небезпеку всесвітньої катастрофи. Незважаючи на це, нині 9 країн мають ядерну зброю, ставлячи свою оборону на інший рівень. У цій статті ми розглянемо, чому атомна зброя отримала свою руйнівну міць і як влаштована атомна зброя.

Щоб зрозуміти всю потужність атомних бомб необхідно розібратися з поняттям радіоактивності. Як відомо, найменшою структурною одиницею матерії, з якої складається весь світ довкола нас, є атом. Атом у свою чергу складається з ядра і обертаються навколо нього. Ядро складається з нейтронів та протонів. Електрони мають негативний заряд, а протони позитивні. Нейтрони, як випливає з їхньої назви, – нейтральні. Зазвичай число нейтронів і протонів дорівнює кількості електронів в одному атомі. Однак під дією зовнішніх сил кількість частинок атомів речовини може змінитися.

Нас цікавить лише варіант, коли змінюється кількість нейтронів, у своїй утворюється ізотоп речовини. Деякі ізотопи речовини стійкі та зустрічаються в природі, а деякі – нестабільні та прагнуть розпастися. Наприклад, вуглець має 6 нейтронів. Також зустрічається ізотоп вуглецю з 7 нейтронами - досить стійкий елемент, що зустрічає в природі. Ізотоп вуглецю з 8 нейтронами - це вже нестабільний елемент і прагнути розпастися. Це і є радіоактивний розпад. При цьому нестабільні ядра випромінюють промені трьох видів:

1. Альфа-промені – досить нешкідливе у вигляді потоку альфа-часток, яке можна зупинити за допомогою тонкого аркуша паперу і воно не може завдати шкоди

Навіть якщо живі організми змогли перенести перші дві, то хвиля радіації викликає дуже швидкоплинну променеву хворобу, яка вбиває за лічені хвилини. Така поразка можлива в радіусі кількох сотень метрів від вибуху. За кілька кілометрів від вибуху променева хвороба уб'є людину за кілька годин чи днів. Ті, хто перебував за межами безпосереднього вибуху, також можуть отримати дозу радіації, вживаючи в їжу продукти і вдихаючи із зараженої зони. Причому радіація не випаровується миттєво. Вона накопичується у навколишньому середовищі та може отруювати живі організми ще довгі десятиліття після вибуху.

Шкода від ядерної зброї надто небезпечна, щоб використовувати її в будь-яких умовах. Від нього неминуче страждає мирне населення та природі завдається непоправна шкода. Тому головне застосування ядерних бомб у наш час – це стримування нападу. Навіть випробування ядерної зброї наразі заборонені на більшій частині нашої планети.