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.