Атомная бомба. Как работает ядерный (атомный) реактор

Взрывной характер

Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.

Процесс деления U238 - платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию - 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.

При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц - продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.

Критическая сборка

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, - важнейшая.

Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно - так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).

Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.

Шаровая сборка

Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона - больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное - при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.

Сборка выполняется из двух тщательно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой внутри); она заведомо подкритична - даже для тепловых нейтронов и даже после окружения ее замедлителем. Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве сохранить благородную форму шара - для этого слой взрывчатого вещества необходимо подорвать одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно. Широко распространено мнение, что для этого нужно много электродетонаторов. Но так было только на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось много энергии и немалые размеры системы инициирования. В современных зарядах применяется несколько отобранных по специальной методике, близких по характеристикам детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением методов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно 8 км/с пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, в один и тот же момент времени достигнет отверстий и подорвет основной заряд - одновременно во всех требуемых точках.

Взрыв вовнутрь

Направленный внутрь взрыв сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии почти исчезает внутренняя полость, плотность увеличивается, причем очень быстро - за десяток микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.

Через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке, - инерция: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.

В конце концов вещество все же разлетается, прекращается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия - порядка десятков и даже сотен МэВ, но только электрически нейтральные гамма-кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом и «ускользнуть». Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение - правда, уже не жесткое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы выбить у атомов электроны - не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из голых ядер, ободранных с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр (попытайтесь представить, как хорошо можно загореть под светом, приобретшим плотность алюминия!) - все то, что мгновение назад было зарядом, - приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.

Огненный шар

Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.

Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета - более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе - более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».

Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика - основную роль играет радиационная диффузия, если мала - расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.

Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного… Начинается образование ударной волны.

Ударная волна и атомный гриб

При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного - настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.

Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше - плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.

Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».

Нейтронное инициирование

Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно… 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?

Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся - всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное - излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» - маломощный тепловой взрыв.

Нейтронное инициирование не только увеличивает на много порядков энерговыделение ядерного взрыва, но и дает возможность регулировать его! Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасе с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно просто изменить напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменится выход нейтронов и выделение энергии (разумеется, при снижении мощности таким способом пропадает зря много дорогого плутония).

Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы разговоров о снижении мощности и быть не могло. Мощнее, мощнее и еще раз мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. В итоге от деления как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса - синтеза.

Ядерные заблуждения

Плотность плутония в момент взрыва увеличивается за счет фазового перехода

Металлический плутоний существует в шести фазах, плотность которых от 14,7 до 19,8 г/см3. При температуре ниже 119 °C существует моноклинная альфа-фаза (19,8 г/см3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может - плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, взрыва не последует - заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).

Нейтронный источник

В первых ядерных бомбах использовался бериллий-полониевый источник нейтронов. В современных зарядах применяются гораздо более удобные нейтронные трубки

В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) (1) и анодным узлом (2) прикладывается импульсное напряжение в 100 кВ. Когда напряжение максимально, необходимо, чтобы между анодом и катодом оказались ионы дейтерия, которые и требуется ускорить. Для этого служит ионный источник. На его анод (3) подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики (4), образует ионы дейтерия. Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в результате чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются нейтроны и ядра гелия-4.

По составу частиц и даже по энергетическому выходу эта реакция идентична синтезу - процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие считали, что это и есть синтез, но позже выяснилось, что в трубке происходит «срыв»: либо протон, либо нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). Если увязает протон, нейтрон отрывается и становится свободным.

Нейтроны - медленные и быстрые

В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, а затем, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом - термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов - 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.

Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например в растворе солей урана в хорошем замедлителе - воде, масса сборок составляет сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а когда пузырьки покидают жидкость, вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его - но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).

Видео: Ядерные взрывы

Подписывайтесь и читайте наши лучшие публикации в Яндекс.Дзен . Смотрите красивые фотографии со всех уголков планеты на нашей странице в Instagram

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

После окончания Второй Мировой войны страны антигитлеровской коалиции стремительными темпами пытались опередить друг друга в разработках более мощной ядерной бомбы.

Первое испытание, проведённое американцами на реальных объектах в Японии, до предела накалило обстановку между СССРи США. Мощные взрывы, прогремевшие в японских городах и практически уничтожившие всё живое в них, заставили Сталина отказаться от множества притязаний на мировой арене. Большинство советских учёных-физиков было в срочном порядке «брошены» на разработку ядерного оружия.

Когда и как появилось ядерное оружие

Годом рождения атомной бомбы можно считать 1896 год. Именно тогда учёный-химик из Франции А. Беккерель открыл, что уран радиоактивен. Цепная реакция урана образует мощную энергию, которая служит основой для страшного взрыва. Вряд ли Беккерель предполагал, что его открытие приведёт к созданию ядерного оружия — самого страшного оружия во всём мире.

Конец 19 — начало 20 века стал переломным моментом в истории изобретения ядерного оружия. Именно в этом временном промежутке учёные различных стран мира смогли открыть следующие законы, лучи и элементы:

• Альфа, гамма и бета лучи;
• Было открыто множество изотопов химических элементов, обладающих радиоактивными свойствами;
• Был открыт закон радиоактивного распада, который определяет временную и количественную зависимость интенсивности радиоактивного распада, зависящую от количества радиоактивных атомов в испытуемом образце;
• Зародилась ядерная изометрия.

В 1930-х годах впервые смогли расщепить атомное ядро урана с поглощением нейтронов. В это же время были открыты позитроны и нейроны. Всё это дало мощный толчок к разработкам оружия, которое использовало атомную энергию. В 1939 году была запатентована первая в мире конструкция атомной бомбы. Это сделал физик из Франции Фредерик Жолио-Кюри.

В результате дальнейших исследований и разработок в данной сфере, на свет появилась ядерная бомба. Мощность и радиус поражения современных атомных бомб настолько велик, что страна, которая обладает ядерным потенциалом, практически не нуждается в мощной армии, так как одна атомная бомба способна уничтожить целое государство.

Как устроена атомная бомба

Атомная бомба состоит из множества элементов, главными из которых являются:

• Корпус атомной бомбы;
• Система автоматики, контролирующая процесс взрыва;
• Ядерного заряда или боеголовки.

Система автоматики находится в корпусе атомной бомбы, вместе с ядерным зарядом. Конструкция корпуса должна быть достаточно надёжной, чтобы уберечь боеголовку от различных внешних факторов и воздействий. Например, различного механического, температурного или подобного влияния, которое может привести к незапланированному взрыву огромной мощности, способному уничтожить всё вокруг.

В задачу автоматики входит полный контроль над тем, чтобы взрыв произошёл в нужное время, поэтому система состоит из следующих элементов:

• Устройство, отвечающее за аварийный подрыв;
• Источник питания системы автоматики;
• Система датчиков подрыва;
• Устройство взведения;
• Устройство предохранения.

Когда проводились первые испытания, ядерные бомбы доставлялись на самолётах, которые успевали покинуть зону поражения. Современные атомные бомбы обладают такой мощностью, что их доставка может осуществляться только с помощью крылатых, баллистических или хотя бы зенитных ракет.

В атомных бомбах применяются различные системы детонирования. Самая простейшая из них – это обычное устройство, которое срабатывает при попадании снаряда в цель.

Одной из основных характеристик ядерных бомб и ракет, является разделение их на калибры, которые бывают трёх типов:

• Малый, мощность атомных бомб данного калибра эквивалентна нескольким тысячам тонн тротила;
• Средний (мощность взрыва – несколько десятков тысяч тонн тротила);
• Крупный, мощность заряда которого измеряется миллионами тонн тротила.

Интересно, что чаще всего мощность всех ядерных бомб измеряется именно в тротиловом эквиваленте, так как для атомного оружие не существует своей шкалы измерения мощности взрыва.

Алгоритмы действия ядерных бомб

Любая атомная бомба действует по принципу использования ядерной энергии, которая выделяется в ходе ядерной реакции. В основе данной процедуры лежит или деление тяжёлых ядер или синтез лёгких. Так как в ходе данной реакции выделяется огромное количество энергии, причём в кратчайшее время, радиус поражения ядерной бомбы очень впечатляет. Из-за этой особенности ядерное оружие относят к классу оружия массового поражения.

В ходе процесса, который запускается при взрыве атомной бомбы, имеются два главных момента:

• Это непосредственный центр взрыва, где проходит ядерная реакция;
• Эпицентр взрыва, который находится на месте, где взорвалась бомба.

Ядерная энергия, выделяемая при взрыве атомной бомбы, настолько сильна, что на земле начинаются сейсмические толчки. При этом непосредственные разрушения данные толчки приносят лишь на расстоянии нескольких сотен метров (хотя если учитывать силу взрыва самой бомбы, данные толчки уже ни на что не влияют).

Факторы поражения при ядерном взрыве

Взрыв ядерной бомбы приносит не только ужасные мгновенные разрушения. Последствия данного взрыва ощутят на себе не только люди, попавшие в зону поражения, но и их дети, родившиеся после атомного взрыва. Типы поражения атомным оружием подразделяются на следующие группы:

• Световое излучение, которое происходит непосредственно при взрыве;
• Ударная волна, распространяемая бомбой сразу после взрыва;
• Электромагнитный импульс;
• Проникающая радиация;
• Радиоактивное заражение, которое может сохраниться на десятки лет.

Хотя на первый взгляд, световая вспышка несет меньше всего угрозы, на самом деле она образуется в результате высвобождения огромного количества тепловой и световой энергии. Её мощность и сила намного превосходит мощность лучей солнца, поэтому поражение светом и теплом может стать фатальным на расстоянии нескольких километров.

Радиация, которая выделяется при взрыве, тоже очень опасна. Хотя она действует недолго, но успевает заразить всё вокруг, так как её проникающая способность невероятно велика.

Ударная волна при атомном взрыве действует подобно такой же волне при обычных взрывах, только её мощность и радиус поражения намного больше. За несколько секунд она наносит непоправимые повреждения не только людям, но и технике, зданиям и окружающей природе.

Проникающая радиация провоцирует развитие лучевой болезни, а электромагнитный импульс представляет опасность только для техники. Совокупность всех этих факторов, плюс мощность взрыва, делают атомную бомбу самым опасным оружием в мире.

Первые в мире испытания ядерного оружия

Первой страной, разработавшей и испытавшей ядерное оружие, оказались Соединённые Штаты Америки. Именно правительство США выделило огромные денежные дотации на разработку нового перспективного оружия. К концу 1941 года в США были приглашены многие выдающиеся учёные в сфере атомных разработок, которые уже к 1945 году смогли представить опытный образец атомной бомбы, пригодный для испытаний.

Первые в мире испытания атомной бомбы, оснащенной взрывным устройством, были проведены в пустыне на территории штата Нью-Мексико. Бомба под названием «Gadget» была взорвана 16 июля 1945 года. Результат испытаний оказался положительным, хотя военные требовали испытать ядерную бомбу в реальных боевых условиях.

Увидев, что до победы на гитлеровской коалицией остался всего один шаг, и больше такой возможности может не представиться, Пентагон решил нанести ядерный удар по последнему союзнику гитлеровской Германии – Японии. Кроме того, использование ядерной бомбы должно было решить сразу несколько проблем:

• Избежать ненужного кровопролития, которое неизбежно бы случилось, если бы войска США ступили на территорию императорской Японии;
• Одним ударом поставить на колени неуступчивых японцев, заставив их пойти на условия, выгодные США;
• Показать СССР (как возможному сопернику в будущем), что армия США обладает уникальным оружием, способным стереть с лица земли любой город;
• И, конечно же, на практике убедиться, на что способно ядерное оружие в реальных боевых условиях.

6 августа 1945 года на японский город Хиросима была сброшена первая в мире атомная бомба, которая применялась в военных действиях. Эту бомбу назвали «Малыш», так как её вес составлял 4 тонны. Сброс бомбы был тщательно спланирован, и она попала именно туда, куда и планировалось. Те дома, которые не были разрушены взрывной волной, сгорели, так как упавшие в домах печки спровоцировали пожары, и весь город был объят пламенем.

После яркой вспышки последовала тепловая волна, которая сожгла всё живое в радиусе 4 километров, а последовавшая за ней ударная волна разрушила большую часть зданий.

Те, кто попал под тепловой удар в радиусе 800 метров, были сожжены заживо. Взрывной волной у многих сорвало обгоревшую кожу. Через пару минут прошёл странный чёрный дождь, который состоял из пара и пепла. У тех, кто попал под чёрный дождь, кожа получила неизлечимые ожоги.

Те немногие, которым посчастливилось уцелеть, заболели лучевой болезнью, которая в то время была не только не изучена, но и полностью неизвестна. У людей началась лихорадка, рвота, тошнота и приступы слабости.

9 августа 1945 года на город Нагасаки была сброшена вторая американская бомба, которая называлась «Толстяк». Данная бомба имела примерно такую же мощность, как и первая, а последствия её взрыва были столь же разрушительные, хотя людей погибло в два раза меньше.

Две атомные бомбы, сброшенные на японские города, оказались первым и единственным в мире случаями применения атомного оружия. Более 300 000 человек погибли в первые дни после бомбардировки. Ещё около 150 тысяч погибли от лучевой болезни.

После ядерной бомбардировки японских городов, Сталин получил настоящий шок. Ему стало ясно, что вопрос разработки ядерного оружия в советской России – это вопрос безопасности всей страны. Уже 20 августа 1945 года начал работать специальный комитет по вопросам атомной энергии, который был в срочном порядке создан И. Сталиным.

Хотя исследования по ядерной физике проводились группой энтузиастов ещё в царской России, в советское время ей не уделяли должного внимания. В 1938 году все исследования в этой области были полностью прекращены, а многие учёные-ядерщики репрессированы, как враги народа. После ядерных взрывов в Японии советская власть резко начала восстанавливать ядерную отрасль в стране.

Имеются данные, что разработка ядерного оружия велась в гитлеровской Германии, и именно немецкие учёные доработали «сырую» американскую атомную бомбу, поэтому правительство США вывезло из Германии всех специалистов-атомщиков и все документы, связанные с разработкой ядерного оружия.

Советская разведывательная школа, которая за время войны смогла обойти все зарубежные разведки, ещё в 1943 году передавала в СССР секретные документы, связанные с разработкой ядерного оружия. В то же время были внедрены советские агенты во все серьёзные американские центры ядерных исследований.

В результате всех этих мер, уже в 1946 году было готово техническое задание по изготовлению двух ядерных бомб советского производства:

• РДС-1 (с плутониевым зарядом);
• РДС-2 (с двумя частями уранового заряда).

Аббревиатура «РДС» расшифровывалась как «Россия делает сама», что практически полностью соответствовало действительности.

Новости о том, что СССР готов выпустить своё ядерное оружие, заставило правительство США пойти на радикальные меры. В 1949 году был разработан план «Троян», согласно которому на 70 крупнейших городов СССР планировалось сбросить атомные бомбы. Лишь опасения ответного удара помешали этому плану осуществиться.

Данные тревожные сведения, поступающие от советских разведчиков, заставили учёных работать в авральном режиме. Уже в августе 1949 года состоялись испытания первой атомной бомбы, произведённой в СССР. Когда США узнала про эти испытания, план «Троян» был отложен на неопределённое время. Началась эпоха противостояния двух сверх держав, известная в истории как «Холодная война».

Самая мощная ядерная бомба в мире, известная под именем «Царь-бомбы» принадлежит именно периоду «Холодной войны». Учёные СССР создали самую мощную бомбу в истории человечества. Её мощность составляла 60 мегатонн, хотя планировалось создать бомбу в 100 килотонн мощности. Испытания данной бомбы прошли в октябре 1961 года. Диаметр огненного шара при взрыве составил 10 километров, а взрывная волна облетела земной шар три раза. Именно это испытание заставило большинство стран мира подписать договор о прекращении ядерных испытаний не только в атмосфере земли, но даже в космосе.

Хотя атомное оружие является превосходным средством устрашения агрессивных стран, с другой стороны оно способно гасить любые военные конфликты в зародыше, так как при атомном взрыве могут быть уничтожены все стороны конфликта.

Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.

По сути, там творится тот же процесс, что и при ядерном взрыве. Только вот взрыв происходит очень быстро, а в реакторе все это растягивается на длительное время. В итоге все остается целым и невредимым, а мы получаем энергию. Не столько, чтобы все вокруг сразу разнесло, но вполне достаточную для того, чтобы обеспечить электричеством город.

Прежде чем понять, как идет управляемая ядерная реакция, нужно узнать, что такое ядерная реакция вообще.

Ядерная реакция – это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.

Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.

Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Часто ядерный реактор называют еще и атомным. Отметим, что принципиальной разницы тут нет, но с точки зрения науки правильнее использовать слово "ядерный". Сейчас существует множество типов ядерных реакторов. Это огромные промышленные реакторы, предназначенные для выработки энергии на электростанциях, атомные реакторы подводных лодок, малые экспериментальные реакторы, используемые в научных опытах. Существуют даже реакторы, применяемые для опреснения морской воды.

История создания атомного реактора

Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали "Чикагской поленницей".

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной. К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт. Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем , отражатель нейтронов , теплоноситель , система управления и защиты . В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232). Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель). Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла. Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций - пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов . Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо . ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону. Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты . Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он - кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы .

Критическая масса – это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора. Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании . Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Взорвалась вблизи Нагасаки. Смерть и разрушения сопровождаемые этими взрывами были беспрецедентными. Страх и ужас охватил все Японское население, вынудив сдаться их меньше чем через месяц.

Однако после завершения второй мировой войны атомное оружие не отошло на второй план. Начавшаяся холодная война стала огромным психологическим фактором давления между СССР и США. Обе стороны инвестировали огромные средства в разработку и создание новых атомных . Таким образом, на нашей планете за 50 лет накопилось несколько тысяч атомных снарядов. Этого вполне достаточно, чтобы несколько раз уничтожить все живое на . По этой причине в конце 90-х годов между США и Россией был подписан первый договор по разоружению, чтобы снизить опасность всемирной катастрофы. Не смотря на это, в настоящее время 9 стран обладают ядерным оружием, ставя свою оборону на иной уровень. В этой статье мы рассмотрим, из-за чего атомное оружие получило свою разрушительную мощь и как устроена атомная .

Для того, чтобы понять всю мощь атомных бомб необходимо разобраться с понятием радиоактивности. Как известно, наименьшей структурной единицей материи, из которой состоит весь мир вокруг нас, является атом. Атом в свою очередь состоит из ядра и вращающихся вокруг него . Ядро состоит из нейтронов и протонов. Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны положительный. Нейтроны, как следует из их названия, – нейтральны. Обычно число нейтронов и протонов равно числу электронов в одном атоме. Однако под действием внешних сил число частиц в атомах вещества может измениться.

Нас интересует лишь вариант, когда изменяется число нейтронов, при этом образуется изотоп вещества. Некоторые изотопы вещества устойчивы и встречаются в природе, а некоторые – нестабильны и стремятся распасться. Например, углерод имеет 6 нейтронов. Также, встречается изотоп углерода с 7 нейтронами – достаточно устойчивый элемент, встречающий в природе. Изотоп углерода с 8 нейтронами – это уже нестабильный элемент и стремиться распасться. Это и есть радиоактивный распад. При этом нестабильные ядра, излучают лучи трех видов:

1. Альфа-лучи – достаточно безобидное в виде потока альфа-частиц, которое можно остановить с помощью тонкого листа бумаги и оно не может причинить вред

Даже если живые организмы смогли перенести первые две , то волна радиации вызывает очень скоротечную лучевую болезнь, убивающую за считанные минуты. Такое поражение возможно в радиусе нескольких сотен метров от взрыва. До нескольких километров от взрыва лучевая болезнь убьет человека за несколько часов или дней. Те, кто находился за пределами непосредственного взрыва, также могут получить дозу радиации, употребляя в пищу продукты и , а также вдыхая из зараженной зоны. Причем радиация не улетучивается мгновенно. Она накапливается в окружающей среде и может отравлять живые организмы еще долгие десятилетия после взрыва.

Вред от ядерного оружия слишком опасен, чтобы использовать его в любых условиях. От него неизбежно страдает мирное население и природе наносится непоправимый ущерб. Поэтому главное применение ядерных бомб в наше время – это сдерживание от нападения. Даже испытания ядерного оружия в настоящее время запрещены на большей части нашей планеты.

Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии. Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.

Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества. Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми. Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов. Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы. Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии. Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и .

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки. Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой. Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер. В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается. Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке. Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом. В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.

«Брест»

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.

ВВЭР-1200

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.