Реакция взрывного типа

Если размер куска ядерного горючего превысит критический, то интенсивность начавшейся цепной реакции будет нарастать (k_эфф>1) и может закончиться взрывом. Такая неуправляемая реакция используется в военных целях.

Существует два вида ядерных взрывных устройств: основанные на реакции деления ¾ (атомные бомбы), основанные на реакции деления-слияния ¾ (водородные бомбы). Детали их конструкции различаются, но принципиальные особенности одинаковы.

Для осуществления реакции взрывного типа природный уран не пригоден. Дело в том, что такой уран состоит (в основном) из двух изотопов: U (99,29 %) и U (0,71%) . Изотопы U (которых в 140 раз больше) делятся только быстрыми нейтронами (E_п>1 МэВ), да и то лишь в 20% случаев. В 80% случаев и при меньших энергиях ядра U либо захватывают нейтроны с образованием U без последующего деления (см. п. 3.6.), либо неупруго рассеивают их. В последнем случае энергия нейтронов уменьшается, и они уже не могут вызвать деление ядер U. Изотопы U делятся под действием нейтронов любых энергий, однако, их в природном уране ничтожно мало. Выделение чистого изотопа U из природного урана - весьма трудная техническая задача разделения изотопов - была решена (для больших количеств урана) только в 1945 году. Тогда же и была изготовлена первая атомная бомба, осуществлена быстрая (взрывная) цепная реакция.

Топливо в атомной бомбе (см. рис. 4.3) состоит из очень чистого изотопа актиноурана U или плутония Pu. В достаточно большом куске такого материала (m > m_кр) может начаться цепная реакция под действием какого-либо случайного начального нейтрона спонтанного деления или космического излучения.

Рис. 4.3.

Для предотвращения случайного взрыва (при хранении или транспортировке) топливо разделено на части, имеющие докритические массы m_i < m_кр. В требуемый момент под действием электрического запала взрывается химическое взрывчатое вещество, и части ядерного топлива устремляются с большими скоростями к центру устройства, где они, смыкаясь, образуют надкритическую массу m = Sm_i > m_кр. После этого начинается цепная реакция, которая, согласно соотношению (4.2) приводит к экспоненциальному увеличению числа N нейтронов. Для более эффективного использования нейтронов оболочка бомбы изготавливается из урана U.

Примерно через t ~ 0,5×10^-6c после начала процесса выделяется столько энергии, что все устройство мгновенно взрывается (см. рис. 4.4).

При ядерном взрыве за короткое время высвобождается огромная энергия деления, и температура продуктов взрыва превышает миллион градусов. Весь заряд мгновенно испаряется, и большая часть ядерного горючего разлетается в стороны, не успев претерпеть деления. В целом взрыв такой бомбы эквивалентен взрыву десятков тысяч тонн обычной взрывчатки. Опасность атомного взрыва усугубляется еще и тем, что кроме разрушений и пожаров, на месте взрыва и в атмосфере остается много радиоактивных остатков: радиоактивные осколки деления и ядра окружающей среды, поглотившие выделившиеся при взрыве нейтроны и ставшие, таким образом, радиоактивными (наведенная радиоактивность).

Рис. 4.4.