принцыпы ядерного оружия

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 доставки их к цели (носители) и средства управления. 1.1. Физические основы ядерного взрываЯдерным 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 используют деление ядер тяжелых изотопов, которое происходит при воздействии на них нейтронов любых энергий, протекает с высокой 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 ядерная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выделением вследствие этого большого количества энергии в течение малого промежутка времени. Такими свойствами обладают уран-233, уран-235, плутоний-239, плутоний-241 и ряд трансплутониевых элементов. Их называют делящимися изотопами.В ядерных боеприпасах могут использоваться и изотопы, деление ядер которых вызывают нейтроны с энергией не ниже определенного значения изотопы с пороговым характером деления, например уран-238. Ядра урана-238 делятся только под воздействием быстрых нейтронов. Их деление происходит без самоподдерживающейся цепной реакции. Вещества, которые используют для получения энергии в результате взрывных реакций деления их атомных ядер, называют ядерным горючим. К ним относятся делящиеся изотопы, а также изотопы с пороговым характером деления.Основными делящимися изотопами, используемыми в настоящее время в качестве ядерного горючего, являются уран-235, плутоний-239 и уран-233. Из них практически только уран-235 существует в природе. Он встречается в природном уране, представляющем 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. Из изотопов с пороговым характером деления в качестве ядерного горючего применяется уран-238.Уран металл серебристого цвета с голубоватым оттенком. Он обладает высокой химической активностью, в природе встречается только в виде соединений. Содержание урана в рудах большинства месторождений составляет менее одного процента.Плутоний серебристый металл. Он токсичен, химически более активен, чем уран. В природе плутоннй-239 в ничтожно малых количествах обнаруживается в урановых рудах. Его содержание по отношению к урану составляет 10-9%. Поэтому даже богатые урановые месторождения не могут быть источниками промышленного получения плутония.Уран и плутоний радиоактивны. Они подвержены самопроизвольному альфа-распаду (испусканию альфа-частиц, представляющих собой ядра гелия) и спонтанному делению. Для каждого делящегося вещества существует своя минимальная масса, в которой возможно протекание самоподдерживающейся цепной реакции деления. Ее называют критической.Критическая масса делящегося вещества зависит от его геометрической формы, объема, плотности и количества посторонних примесей, которые могут поглощать нейтроны, не подвергаясь делению, либо замедлять их (снижать их энергию).Критическая масса делящегося вещества в форме шара является наименьшей по отношению к другим геометрическим формам равного объема. Это объясняется тем, что для шара свойственно наименьшее отношение площади поверхности к объему, а следовательно, минимальное относительное количество нейтронов, выходящих за пределы массы делящегося вещества не вызывая делений ядер (нейтронов утечки).Критическая масса шара из урана-235 при нормальной плотности и чистоте ~95% составляет 40- 60 кг, а из плутония-239 10 20кг.При увеличении количества примесей в делящемся веществе его критическая масса увеличивается, при увеличении плотности делящегося вещества уменьшается.Значение критической массы можно существенно уменьшить, если делящееся вещество окружить оболочкой, способной возвращать (отражать) нейтроны в зону реакции. Отражающим нейтроны свойством обладают водородосодержащие вещества и ряд легких элементов.Чтобы произошел взрыв, масса делящегося вещества должна быть надкритической, т. е. стать больше критической. Создание такой массы должно происходить за короткий промежуток времени, иначе возможно расплавление и преждевременное разбрасывание делящегося вещества.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 такое же количество энергии, как при взрыве 20 тыс. т тротила.Реакция синтеза атомных ядер. Реакция синтеза легких ядер может начаться и протекать лишь при нагреве вещества до температуры, при которой кинетическая энергия теплового движения ядер становится достаточной для преодоления сил взаимного электрического отталкивания, действующих между ними.Реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие в условиях нагрева вещества до температуры десятков миллионов градусов и более, называются термоядерными.Наиболее легко протекает реакция синтеза между ядрами изотопов водорода дейтерия и трития. Значительно более вы]сокая температура требуется для реакций синтеза между ядрами только дейтерия, а также между ядрами только трития.Реакция синтеза ядер происходит с большой скоростью, при этом выделяется достаточно большое количество энергии. Например, один 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.PТемпературу, при которой начинается реакция синтеза, достигают с помощью ядерного взрыва, основанного на реакции lеления атомных ядер. Возможны реакции синтеза и между ядрами других элементов, однако вследствие необходимости крайне высоких температур для их начала и протекания они практического значения в настоящее время не имеют. Изотопы, которые используют для получения взрыва в результате реакции синтеза их атомных ядер, называют термоядерным горючим. В качестве термоядерного горючего в настоящее время используют изотопы водорода дейтерий и тритий. В свободном виде дейтерий и тритий представляют собой газы. Атомарное содержание дейтерия в природном водороде составляет около 0,015%, трития 10-16%. Дейтерий встречается в природе в свободном состоянии и в химическом соединении D2O, называемом тяжелой водой. Тяжелая вода содержится в обычной воде в количестве 0,015%. Для практических нужд дейтерий получают электролизом тяжелой воды (из 1000 кг воды получается 20 г дейтерия). Дейтерий являетс

Физические основы ядерного оружия

Физические основы ядерного оружия

Физические основы ядерного оружия