А) Ядерні вибухові пристрої

Ядерна реакція, енергія якої використовується в ядерних вибухових пристроях, полягає в поділі ядра за рахунок захоплення ним нейтрона. Поглинання нейтрона здатне привести до поділу практично будь-якого ядра, однак для переважної більшості елементів реакція ділення можлива тільки у випадку якщо нейтрон до його поглинання ядром мав енергію, яка перевищує деяке граничне значення. Можливість практичного використання ядерної енергії у ядерних вибухових пристроях або у ядерних реакторах обумовлена існуванням елементів, ядра яких можуть ділитись під впливом нейтронів будь-якої енергії, у тому числі і як завгодно малої. Речовини, які мають подібні властивості називаються речовинами, що діляться.

Єдиним хімічним елементом, який може давати ядерну реакцію поділу і міститься в природі в значних кількостях є ізотоп урану-235. Вміст цього ізотопу в природному урані складає усього 0.7%. Частина, що залишилася, приходиться на уран-238. Оскільки хімічні властивості ізотопів абсолютно однакові, для виділення урану-235 із природного урану необхідне здійснення достатньо складного процесу поділу ізотопів. У результаті може бути отриманий високозбагачений уран, який містить близько 94% урану-235, придатний для використання в ядерній зброї.

Речовини, які при певних умовах можуть давати реакцію поділу, можуть бути отримані також штучно, причому найменш складним із практичної точки зору є одержання плутонію-239. Він утворюється в результаті захоплення нейтрона ядром урану-238 (і наступного ланцюжка радіоактивних перетворень проміжних ядер). Подібний процес можна здійснити в ядерному реакторі, який працює на природному або слабо збагаченому урані. Надалі, плутоній може бути виділений з відпрацьованого палива реактора у процесі хімічної переробки.

Для створення ядерних вибухових пристроїв можуть бути використані й інші речовини, які здатні давати реакцію поділу, наприклад уран-233, який отримують опроміненням в ядерному реакторі торию-232. Однак, практичне застосування знайшли лише уран-235 і плутоній-239, насамперед через відносну простоту одержання цих ізотопів.

Можливість практичного використання енергії, яка виділяється при поділі ядер, обумовлена тим, що реакція поділу може мати ланцюговий, самопідтримувальний характер. У кожному акті поділу утворюється приблизно два вторинних нейтрони, які, будучи захоплені іншими ядрами, можуть викликати їх поділ, а це в свою чергу приводить до утворення цілої лавини нейтронів. При створенні спеціальних умов, кількість нейтронів, а отже й актів поділу, росте від покоління до покоління.

Залежність кількості актів поділу від часу може бути описане за допомогою коефіцієнта розмноження нейтронів k, який дорівнює різниці кількості нейтронів в одному акті поділу і кількості нейтронів, втрачених за рахунок поглинання. Якщо параметр k менший одиниці, то реакція поділу не має ланцюгового характеру, тому що кількість нейтронів, здатних викликати поділ виявляється меншою, ніж їх початкова кількість. При досягненні значення k=1 кількість нейтронів, які викликають поділ, а значить і актів поділу, не змінюється від покоління до покоління. Реакція поділу набуває самопідтримувального ланцюгового характеру. Стан речовини, у якому реалізується ланцюгова реакція поділу з k=1, називається критичним. При k> 1 говорять про надкритичний стан.

Залежність кількості актів поділу від часу може бути показано за допомогою формули:

,

де N - повне число актів поділу, через час t від початку реакції; N₀ - число ядер, які зазнали поділу у першому поколінні; k-коефіцієнт розмноження нейтронів; t - час " зміни поколінь, " тобто середній час між послідовними актами поділу, характерне значення якого складає 10^-8 с.

Якщо допустити, що ланцюгова реакція починається з одного акту поділу і значення коефіцієнта розмноження складає 2, то нескладно оцінити кількість поколінь, необхідних для виділення енергії, еквівалентної вибуху 1 кілотонни тринітротолуолу (4.19.10¹² Дж). Оскільки в кожному акті поділу виділяється приблизно 180 МеВ (2.9. 10^-11 Дж), то повинно відбутися 1.451.10²³ актів поділу (що відповідає поділу приблизно 57 г урану - 235). Подібна кількість поділів відбувається за приблизно 53 покоління. Весь процес займає близько 0.5 мікросекунди, причому основна частка енергії виділиться протягом останніх декількох поколінь. Продовження процесу всього на кілька поколінь приведе до значного росту виділеної енергії. Так, для збільшення енергії вибуху в 10 разів (до 100 кт) необхідно всього п'ять додаткових поколінь.

Основним параметром, який визначає можливість здійснення ланцюгової реакції поділу і швидкості виділення енергії в ході цієї реакції є коефіцієнт розмноження нейтронів. Цей коефіцієнт залежить як від властивостей ядер, так і від кількості вторинних нейтронів, перетину реакцій поділу і захоплення, так і від зовнішніх факторів, які визначають втрати нейтронів, викликані їх вильотом за межі активної зони. Імовірність втрати нейтронів залежить від геометричної форми зразка і збільшується із збільшенням площі його поверхні. Імовірність же захоплення нейтрона пропорційна концентрації ядер речовини поділу, і довжині шляху, який проходять нейтрони у зразку. Якщо взяти зразок у формі кулі, то при збільшенні маси зразка імовірність захоплення нейтрона, який приводить до поділу, росте швидше, ніж імовірність його втрати, а це приводить до збільшення коефіцієнта розмноження. Масу, при якій подібний зразок досягає критичного стану (k=1), називають критичною масою речовини. Для високозбагаченого урану значення критичної маси складає близько 52 кг, для збройового плутонію - 11 кг. Критичну масу можна зменшити приблизно вдвічі, оточивши зразок речовини що ділиться, шаром матеріалу, який відбиває нейтрони, наприклад, берилію або природного урану.

Ланцюгова реакція можлива і при наявності меншої кількості речовини. Оскільки імовірність захоплення пропорційна концентрації ядер збільшення щільності зразка, наприклад, у результаті його стиску, може призвести до виникнення у зразку критичного стану. Саме цей спосіб і застосовується в ядерних вибухових пристроях, у яких маса речовини поділу, яка перебуває в підкритичному стані, переводиться у надкритичний стан за допомогою спрямованого вибуху деякого заряду і створення сильного ступеня стиску. Мінімальна кількість речовини поділу, необхідної для здійснення ланцюгової реакції, залежить в основному від досяжного на практиці ступеня стиску.

Ступінь і швидкість стиску маси речовини поділу визначають не тільки кількість матеріалу, що розщеплюється, необхідного для створення вибухового пристрою, але і потужність вибуху. Причиною цього служить той факт, що енергія, яка виділяється в ході ланцюгової реакції приводить до швидкого розігріву маси речовини поділу, і, як результат, до розльоту цієї маси. Через якийсь час заряд втрачає критичність і ланцюгова реакція зупиняється. Оскільки повна енергія вибуху залежить від кількості ядер, що встигли поділитися за час протягом якого заряд знаходився в критичному стані, для одержання досить великої потужності вибуху необхідно утримувати масу речовини, що ділиться, у критичному стані як можна довше. На практиці це досягається шляхом швидкого стиску заряду за допомогою спрямованого вибуху, так що в момент початку ланцюгової реакції, маса речовини поділу має дуже великий запас критичності.

Оскільки в процесі стиску заряд знаходиться в критичному стані, необхідно усунути сторонні джерела нейтронів, які можуть дати початок ланцюгової реакції ще до досягнення зарядом необхідного ступеня критичності. Передчасний початок ланцюгової реакції приведе, по-перше, до зменшення швидкості виділення енергії, а по-друге, до більш раннього розльоту заряду і втраті ним критичності. Після того як маса речовини поділу виявилася в критичному стані, початок ланцюгової реакції можуть дати акти спонтанного поділу ядер урану або плутонію. Однак, інтенсивність спонтанного поділу виявляється недостатньою для того, щоб забезпечити необхідний ступінь синхронізації моменту початку ланцюгової реакції з процесом стиску речовини і для забезпечення досить великої кількості нейтронів у першому поколінні. Для вирішення цієї проблеми в ядерних вибухових пристроях застосовують спеціальне джерело нейтронів, що забезпечує " вприскування" нейтронів у масу речовини поділу. Момент " вприскування" нейтронів повинний бути ретельно синхронізований із процесом стиску, тому що занадто ранній початок ланцюгової реакції приведе до швидкого початку розльоту речовини поділу, і, отже, до значного зменшення енергії вибуху.

Вибух першого ядерного вибухового пристрою був здійснений у США 16 липня 1945 р. в Аламогордо, штат Нью Мексико. Пристрій був плутонієвою бомбою, у якій для створення необхідної критичності використовувався спрямований вибух. Потужність вибуху такої бомби склала близько 20 кт. У Радянському Союзі вибух першого ядерного вибухового пристрою, аналогічного американському, був здійснений 29 серпня 1949 р.