Термоядерное оружие - [9]
Такой процесс, при котором разрушения атомных ядер следуют друг за другом, называют цепным процессом, цепной реакцией.
Что представляет собой цепная реакция?
Если нейтрон попадет в ядро урана 235 или плутония 239, то это ядро разделится на два «осколка», причем, как показали опыты Фредерика Жолио-Кюри, образуется два или три новых быстролетящих нейтрона. Реакции деления могут быть различными, например:
или
или
или
Мы видим, что при делении ядра урана распадаются на разнообразные «осколки». При этом могут получиться: барий и криптон, лантан и бром, ксенон и стронций, олово и молибден или многие другие пары атомных ядер элементов. Во всех случаях, однако, сумма зарядов получившихся «осколков» равна 92, то есть заряду делящегося ядра урана, так как число протонов при делении не изменяется.
Получающиеся при делении нейтроны летят с неодинаковой скоростью, доходящей до десятков тысяч километров в секунду. Каждый такой нейтрон, как показано на рис. 7, может попасть в следующее ядро и разрушить его; из разрушенного ядра вылетают новые нейтроны и т. д. Если из каждого ядра будут вылетать даже только по два нейтрона, то первые два нейтрона вызовут появление новых четырех. Затем их станет: 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 и т. д. Реакция будет развиваться подобно лавине в горах, где один катящийся с горы камень увлекает несколько других, а каждый из них увлекает новые камни, и вскоре образуется грандиозная каменная лавина. В течение короткого времени будет разрушено громадное число атомных ядер. Каждое ядро при этом выделит большую энергию. Быстрое выделение большой энергии в малом пространстве приведет к взрыву.
Ядра урана 238 также способны делиться, но только под влиянием быстрых нейтронов, имеющих скорость движения приблизительно 20 000 км/сек, но и в этом случае вероятность деления невелика. Гораздо чаще быстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами урана 238, передают им значительную часть своей энергии, начинают двигаться медленнее и уже не могут вызвать деление ядер урана 238. Основное отличие урана 238 от урана 235 заключается в том, что ядра первого могут делиться только под влиянием быстрых нейтронов, в то время как ядра урана 235 и других видов ядерного горючего могут делиться при воздействии как быстрых, так и медленных нейтронов.
Нейтроны в природном уране, замедленные в результате столкновений с ядрами атомов, могут попасть либо в ядра урана 235 и вызвать их деление, либо в ядра урана 238 и поглотиться последними. Так как ядер урана 238 в 140 раз больше, чем ядер урана 235, поглощение нейтронов ураном 238 является весьма вероятным процессом, протекающим одновременно с делением ядер урана 235. Этого урана хотя и мало, зато способность его расщепляться под действием медленных нейтронов очень велика.
Советские ученые Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович еще в 1940 году доказали, что именно из-за сильного поглощения нейтронов ураном 238 в природном уране цепная реакция не приводит к взрыву.
Читатель уже знает, что ядра урана и плутония могут делиться не только под влиянием нейтронов, но способны также к самопроизвольному делению, которое тоже сопровождается вылетом нескольких нейтронов. Самопроизвольное деление происходит очень редко — в 1 кг урана в секунду самопроизвольно делится примерно 10 ядер урана. В куске урана 235 или плутония 239 цепная реакция деления при некоторых условиях может возникнуть самопроизвольно.
Какие же это условия?
Дело заключается в том, что малый кусочек ядерного горючего взорваться не может, так как большинство нейтронов, пролетая в промежутках между ядрами атомов, достигает поверхности кусочка урана или плутония, не встретив на своем пути ни одного ядра. В результате бóльшая часть нейтронов вылетает из куска ядерного горючего наружу, и процесс размножения нейтронов не происходит. В большом же куске урана или плутония вылетающие из его центра нейтроны не долетают до поверхности куска и принимают участие в развитии цепной реакции, что приводит к взрыву.
Следовательно, обязательным условием возникновения атомного взрыва является определенный размер куска урана 235 или плутония 239. С целью экономии следует брать кусок такой формы, чтобы при минимальной поверхности объем его был наибольшим.
Такой формой является шар.
Минимальное количество делящегося вещества, в котором может протекать цепная реакция деления, называется критической массой. Чтобы реакция шла вполне успешно, кусок урана 235 или плутония должен быть больше критического.
Величина критической массы заряда зависит от его формы, материала оболочки, конструкции атомной бомбы, вида ядерного горючего и некоторых других факторов. Расчеты показывают, что вес критической массы урана 235, имеющей форму шара, близок, по-видимому, к 1 кг. Для других форм заряда он несколько больше. Однако практически вес ядерного заряда в атомных бомбах больше (от нескольких килограммов до десятков килограммов, в зависимости от калибра бомбы). Нужно также учитывать, что во время взрыва в цепной реакции деления участвует не все делящееся вещество.
