Ядерное оружие и защита от него (стр. 1 )

ЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ И ЗАЩИТА ОТ НЕГО.

Ядерным оружием называется оружие, поражающее действие которого обусловлено внутриядерной энергией, выделяющейся в результате взрывных процессов деления или синтеза ядер химических элементов. Оно включает различные ядерные боеприпасы, средства их доставки к цели и средства управления.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА.

Ядерным взрывом называется взрыв, происходящий в результате освобождения энергии, заключенной в ядрах атомов химических элементов.

Возможность выделения внутриядерной энергии обусловлена следующими природными свойствами химических элементов:

-атомные ядра различных изотопов обладают различной средней энергией связи их нуклонов – энергией связи, приходящейся на один нуклон, которая с увеличением массового числа А изотопа сначала увеличивается, а затем, достигнув максимума при А≈60, постепенно уменьшается;

-превращение ядер с меньшей средней энергией связи нуклонов в ядра с большей средней энергией связи их нуклонов сопровождается выделением энергии, количество которой равно разности энергий связи нуклонов в новых и исходных ядрах.

Эти свойства позволяют выделить внутриядерную энергию в результате деления ядер тяжелых химических элементов (с большим массовым числом) и синтеза ядер легких элементов (с малым массовым числом).

РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР. Деление атомных ядер может происходить самопроизвольно или при воздействии на них элементарных частиц и легких ядер. Для получения взрыва используется деление ядер тяжелых изотопов, которое происходит при воздействии на них нейтронов любых энергий, протекает с большой скоростью (одно деление длится 10-15 – 10-14 с), сопровождается выделением большого количества энергии (около 200 МэВ на одно деление) и испусканием двух или более нейтронов, способных вызвать деление других ядер. В большой массе таких изотопов под воздействием нейтронов любых энергий возникает саморазвивающаяся цепная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выделением вследствие этого большого количества энергии в течении малого промежутка времени. Такими свойствами обладают уран-235, уран-233, плутоний-239, плутоний-241 и ряд трансплутониевых элементов. Их называют делящимися изотопами.

Ядра урана-238 делятся только под воздействием быстрых нейтронов. Их деление происходит без самоподдерживающейся цепной реакции. Такие изотопы называются изотопами с пороговым характером деления.

В природе практически существует только уран-235. Он встречается в природном уране, представляющим собой смесь трех изотопов: урана-238 (99,282%), урана-235 (0,712%) и урана-234 (0,006%). Изотопы плутония-239 и урана-233 в промышленных количествах получают в результате облучения нейтронами в ядерных реакторах урана-238 и тория-232 соответственно.

Для каждого делящегося вещества существует своя минимальная масса, в которой возможно протекание самоподдерживающейся цепной реакции деления. Её называют критической. Критическая масса делящегося вещества зависит от его геометрической формы, объёма, плотности и количества примесей, которые могут поглощать нейтроны, не подвергаясь делению, либо замедлить их.

Критическая масса делящегося вещества в форме шара является наименьшей по отношению к другим геометрическим формам равного объема. Критическая масса шара урана-235 при нормальной плотности и чистоте ≈95% составляет 40-60 кг, а из плутония-239 – 10-20 кг. Значение критической массы можно существенно уменьшить, если делящееся вещество окружить оболочкой, способной отражать (возвращать) нейтроны в зону реакции. Такой способностью обладают водосодержащие вещества и ряд легких элементов.

Чтобы произошел взрыв, масса делящегося вещества должна быть надкритической, т. е. должна быть больше критической. Создание такой массы должно происходить за короткий промежуток времени, иначе возможно расплавление и преждевременное разбрасывание делящегося вещества даже под воздействием имеющихся в атмосфере блуждающих свободных электронов.

Энерговыделение при реакции деления атомных ядер, приходящееся на единицу массы вещества, в десятки миллионов раз превышает соответствующее энерговыделение при обычном взрыве. Например, при делении всех ядер, содержащихся в одном килограмме урана, выделяется столько же энергии, как при взрыве 20 тыс. т тротила.

РЕАКЦИЯ СИНТЕЗА АТОМНЫХ ЯДЕР. Такая реакция может начинаться и протекать лишь при нагреве вещества до температуры, при которой кинетическая энергия теплового движения ядер становится достаточной для преодоления сил взаимного электрического отталкивания, действующего между ними.

Реакции синтеза легких ядер, протекающие в условиях нагрева вещества до температуры десятков миллионов градусов, называются ТЕРМОЯДЕРНЫМИ.

Наиболее легко протекает реакция синтеза между ядрами изотопов водорода дейтерия и трития. Реакция синтеза ядер происходит с большой скоростью и с выделением огромного количества энергии. Например, акт слияния дейтерия и трития длится несколько наносекунд (1 нс=10-9 с) с выделением энергии, равной 17,6 МэВ, и испусканием нейтрона высокой энергии.

Температуру, при которой начинается реакция синтеза, достигают с помощью ядерного взрыва, основанного на реакции деления атомных ядер. Изотопы, которые используются для получения взрыва в результате реакции синтеза их атомных ядер, называют термоядерным горючим. В настоящее время в качестве термоядерного горючего используются изотопы водорода – дейтерий и тритий. В свободном виде эти изотопы представляют собой газы. Атомарное содержания дейтерия в природном водороде составляет около 0,015%, трития – 10-16%. Дейтерий встречается в природе в свободном состоянии и в виде химического соединения D2O, называемого тяжелой водой. Тяжелая вода содержится в обычной воде в количестве 0,015%. Для практических нужд дейтерий получают электролизом тяжелой воды (из 1000 кг воды получают 20 г дейтерия).

Тритий в небольшом количестве содержится в атмосфере. Он образуется в результате взаимодействия ядер азота с нейтронами и расщеплении ядер различных химических элементов космическими частицами высоких энергий. Для промышленных нужд тритий получают в ядерных реакторах в результате облучения лития-6 нейтронами.

При синтезе всех ядер дейтерия и трития, содержащихся в одном килограмме их смеси, освобождается примерно такая же энергия, как при взрыве 80 тыс. т тротила.

2. ЯДЕРНЫЕ ЗАРЯДЫ.

Устройства, предназначенные для осуществления взрывного процесса освобождения внутриядерной энергии, называются ядерными зарядами. В настоящее время различают два основных класса ядерных зарядов: атомные и термоядерные.

В атомных зарядах для получения взрыва делящееся вещество переводится в надкритическое состояние. По принципу перевода атомные заряды делятся на заряды пушечного и имплозивного типов.

В зарядах пушечного типа две или больше частей делящегося вещества, масса каждой из которых меньше критической, быстро соединяются друг с другом в надкритическую массу в результате взрыва обычного взрывчатого вещества – «выстреливания» одной части в другую. При создании зарядов по такой схеме трудно обеспечить высокую надкритичность делящегося вещества, поэтому коэффициент полезного использования его невелик. Достоинством схемы пушечного заряда является возможность создания зарядов малого диаметра и высокой стойкости к воздействию механических нагрузок, что позволяет использовать их в артиллерийских снарядах и минах.

В зарядах имплозивного типа делящееся вещество, имеющее при нормальной плотности массу меньше критической, переводится в надкритическое состояние повышением его плотности в результате всестороннего обжатия с помощью взрыва обычного взрывчатого вещества. В таких зарядах возможно получить наибольший коэффициент использования делящегося вещества.

В термоядерных зарядах основными элементами заряда являются термоядерное горючее и атомный заряд – инициатор реакции синтеза.

В связи с тем, что дейтерий и тритий в свободном состоянии представляют собой газы, а тритий, кроме того, является радиоактивным и дорогостоящим изотопом, в качестве первичного термоядерного горючего обычно используют дейтрид лития-6 – твердое вещество, представляющее собой соединение дейтрия и лития-6. При облучении лития-6 нейтронами, возникающими при взрыве ядерного заряда (инициатора реакции синтеза), образуется тритий, который и вступает в реакцию синтеза с дейтерием. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны вновь приводят к образованию трития, а следовательно, к поддержанию реакции синтеза.

Термоядерные заряды условно разделяют на обычные и специализированные. Для обычных термоядерных зарядов распределение энергии взрыва между поражающими факторами близко к её распределению при взрывах атомных зарядов, а для специализированных – характерно резкое изменение распределения энергии по поражающим факторам. К специализированным термоядерным зарядам относятся, например, нейтронные, «чистые» и др. Для нейтронных зарядов характерны в несколько раз больший удельный (на единицу энергии взрыва) выход нейтронов и повышенная их энергия. У чистых зарядов резко снижен вклад в общее энерговыделение реакции деления, т. е. резко уменьшен выход радиоактивных продуктов.

3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ И ФОРМИРОВАНИЕ ИХ ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ.

Взрыв любого ядерного заряда начинается с цепной реакции деления атомных ядер. Первоначально энергия при ядерных взрывах выделяется в виде кинетической энергии образовавшихся частиц (осколков деления, нейтронов, альфа-частиц и др.) и энергии гамма-квантов. Указанные частицы и гамма-кванты, взаимодействуя с атомами непрореагировавшей части вещества заряда, передает им большую часть своей энергии, в результате чего температура в зоне ядерной реакции резко до нескольких десятков миллионов градусов. При такой температуре вещество заряда и элементы конструкции боезаряда мгновенно превращаются в ионизированный газ (плазму). В момент образования этот газ занимает ограниченный объём и давление в нем составляет несколько десятков миллионов атмосфер.

Часть нейтронов и гамма-квантов, образующихся в процессе ядерной реакции выходят за пределы зоны взрыва. Их поток вместе с образующимися при радиоактивном распаде нейтронами (их называют запаздывающими) и гамма-излучением (его называют осколочным), а также гамма-излучением, возникающим в результете взаимодействия нейтронов с веществами боеприпаса и окружающей средой, представляет собой характерный для ядерного взрыва поражающий фактор, который называется ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИЕЙ.