No próximo aniversário do badabum em Hiroshima e Nagasaki, decidi vasculhar a Internet em busca de questões sobre armas nucleares, onde por que e como ele foi criado era de pouco interesse para mim (eu já sabia) - estava mais interessado em como 2 pedaços de plutônio não derretem, mas formam uma grande massa.
Fique de olho nos engenheiros - eles começam com uma semeadora e terminam com uma bomba atômica.
Marcel Pagnol
A física nuclear é uma das áreas mais controversas das veneráveis ciências naturais. Foi nessa área que a humanidade, por meio século, jogou bilhões de dólares, libras, francos e rublos, como na fornalha de uma locomotiva de um trem atrasado. Agora o trem parece não estar mais atrasado. As chamas furiosas de fundos em chamas e horas de trabalho morreram. Vamos tentar descobrir rapidamente que tipo de trem chamado "física nuclear" é.
Isótopos e radioatividade
Como você sabe, tudo o que existe consiste em átomos. Os átomos, por sua vez, consistem em conchas eletrônicas, vivendo de acordo com suas leis alucinantes, e um núcleo. A química clássica não está nada interessada no núcleo e em sua vida pessoal. Para ela, um átomo são seus elétrons e sua capacidade de trocar interação. E do núcleo da química, apenas sua massa é necessária para calcular as proporções dos reagentes. Por sua vez, a física nuclear não se preocupa profundamente com os elétrons. Ela está interessada em um minúsculo grão de poeira (100 mil vezes menor que o raio da órbita do elétron) dentro de um átomo, no qual está concentrada quase toda a sua massa.
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O que sabemos sobre o núcleo? Sim, consiste em prótons e nêutrons com carga positiva e sem carga elétrica. No entanto, isso não é totalmente verdade. O núcleo não é um punhado de bolas de duas cores, como na ilustração de um livro escolar. Existem leis completamente diferentes em ação aqui, chamadas de interação forte, transformando prótons e nêutrons em algum tipo de bagunça indistinguível. No entanto, a carga dessa mistura é exatamente igual à carga total dos prótons incluídos nela, e a massa - quase (repito, quase) coincide com a massa dos nêutrons e prótons que compõem o núcleo.
A propósito, o número de prótons de um átomo não ionizado sempre coincide com o número de elétrons que têm a honra de cercá-lo. Mas com nêutrons não é tão simples. Na verdade, a tarefa dos nêutrons é estabilizar o núcleo, pois sem eles prótons com cargas semelhantes não se dariam bem em microssegundos.
Vamos tomar o hidrogênio para definição. O hidrogênio mais comum. Seu dispositivo é ridiculamente simples - um próton cercado por um elétron em órbita. Hidrogênio no Universo em massa. Podemos dizer que o universo é composto principalmente de hidrogênio.
Agora vamos adicionar cuidadosamente um nêutron ao próton. Do ponto de vista da química, ainda é hidrogênio. Mas do ponto de vista da física, não mais. Tendo descoberto dois hidrogênios diferentes, os físicos ficaram preocupados e imediatamente pensaram em chamar o hidrogênio comum de prótio, e o hidrogênio com um nêutron com um próton - deutério.
Vamos pegar o nervo e alimentar o núcleo com mais um nêutron. Agora temos outro hidrogênio, ainda mais pesado - o trítio. Ele, novamente, do ponto de vista da química, praticamente não difere dos outros dois hidrogênios (bem, exceto que agora entra na reação um pouco menos voluntariamente). Quero avisá-lo imediatamente - nenhum esforço, ameaça ou advertência será capaz de adicionar outro nêutron ao núcleo do trítio. As leis locais são muito mais rígidas do que as humanas.
Assim, o protium, o deutério e o trítio são isótopos do hidrogênio. Sua massa atômica é diferente, mas sua carga não. Mas é a carga nuclear que determina a localização na tabela periódica dos elementos. É por isso que os isótopos foram chamados de isótopos. Traduzido do grego, significa "ocupar o mesmo lugar". A propósito, a conhecida água pesada é a mesma água, mas com dois átomos de deutério em vez de prótio. Conseqüentemente, a água superpesada contém trítio em vez de protium.
Vamos dar outra olhada em nossos hidrogênios. Então … Protium está no lugar, deutério está no lugar … Quem mais é este? Para onde foi meu trítio e de onde veio o hélio-3? Em nosso trítio, um dos nêutrons claramente errou, decidiu mudar de profissão e se tornou um próton. Ao fazer isso, ele deu origem a um elétron e um antineutrino. A perda de trítio é, claro, decepcionante, mas agora sabemos que é instável. A alimentação de nêutrons não foi em vão.
Então, como você entendeu, os isótopos são estáveis e instáveis. Existem muitos isótopos estáveis ao nosso redor, mas, graças a Deus, praticamente não há instáveis. Ou seja, eles existem, mas em um estado tão disperso que devem ser obtidos à custa de muito trabalho. Por exemplo, o urânio-235, que tanto aborreceu a Oppenheimer, é apenas 0,7% em urânio natural.
Meia vida
Tudo é simples aqui. A meia-vida de um isótopo instável é o período de tempo durante o qual exatamente metade dos átomos do isótopo decai e se transforma em alguns outros átomos. O já conhecido trítio tem meia-vida de 12,32 anos. É um isótopo de vida relativamente curta, embora comparado ao frâncio-223, que tem meia-vida de 22,3 minutos, o trítio se parece com um aksakal de barba grisalha.
Nenhum fator externo macroscópico (pressão, temperatura, umidade, o humor do pesquisador, a quantidade de apropriações, a localização das estrelas) afeta a meia-vida. A mecânica quântica é insensível a esse absurdo.
Mecânica de explosão popular
A essência de qualquer explosão é a rápida liberação de energia que antes estava em um estado não livre e limitado. A energia liberada é espalhada, transformando-se predominantemente em calor (energia cinética do movimento desordenado das moléculas), onda de choque (aqui também, movimento, mas já ordenado, na direção do centro da explosão) e radiação - de infravermelho suave a quanta rígido de comprimento de onda curto.
Com uma explosão química, tudo é relativamente simples. Uma reação energeticamente benéfica ocorre quando certas substâncias interagem umas com as outras. Apenas as camadas eletrônicas superiores de alguns átomos participam da reação, e a interação não é mais profunda. É fácil adivinhar que existe muito mais energia latente em qualquer substância. Mas sejam quais forem as condições do experimento, não importa quão bons sejam os reagentes que escolhemos, não importa como calibramos as proporções, a química não nos permitirá ir mais fundo no átomo. Uma explosão química é um fenômeno primitivo, ineficaz e, do ponto de vista da física, obscenamente fraco.
A reação em cadeia nuclear permite que você vá um pouco mais fundo, incluindo no jogo não apenas os elétrons, mas também os núcleos. Isso soa muito importante, talvez, apenas para um físico, e quanto ao resto, darei uma analogia simples. Imagine um peso gigante, em torno do qual partículas de poeira eletrificadas flutuam a uma distância de vários quilômetros. Este é um átomo, um "peso" é um núcleo e "partículas de poeira" são elétrons. O que quer que você faça com esses grãos de poeira, eles não darão nem mesmo um centésimo da energia que pode ser obtida com um peso pesado. Especialmente se, por algum motivo, ele quebrar e os detritos maciços se espalharem em grande velocidade em diferentes direções.
Uma explosão nuclear usa o potencial de ligação das partículas pesadas que compõem o núcleo. Mas isso está longe do limite: há muito mais energia latente na matéria. E o nome dessa energia é massa. Novamente, isso soa um pouco estranho para um não físico, mas massa é energia, apenas extremamente concentrada. Cada partícula: um elétron, um próton, um nêutron - todos esses são feixes escassos de energia incrivelmente densa, por enquanto em repouso. Você provavelmente conhece a fórmula E = mc2, que os autores de anedotas, editores de jornais de parede e designers de salas de aula tanto amam. Ela é exatamente sobre isso, e é ela quem postula a massa como nada mais do que uma forma de energia. E ela também responde à pergunta de quanta energia pode ser obtida de uma substância ao máximo.
O processo de uma transição completa de massa, ou seja, energia ligada em energia livre, é chamado de aniquilação. Pela raiz latina "nihil" é fácil adivinhar sua essência - é a transformação em "nada", ou melhor, em radiação. Para maior clareza, alguns números.
Energia equivalente a TNT de explosão (J)
Granada F-1 60 gramas 2,50 * 105
A bomba caiu em Hiroshima 16 quilotons 6,70 * 1013
Aniquilação de um grama de matéria 21,5 quilotons 8,99 * 1013
Um grama de qualquer matéria (apenas a massa é importante) durante a aniquilação fornecerá mais energia do que uma pequena bomba nuclear. Comparados a tal retorno, os exercícios dos físicos sobre a fissão nuclear e, mais ainda, os experimentos dos químicos com reagentes ativos, parecem ridículos.
Para a aniquilação, são necessárias condições apropriadas, a saber, o contato da matéria com a antimatéria. E, ao contrário de "mercúrio vermelho" ou "pedra filosofal", a antimatéria é mais do que real - pois as partículas que conhecemos existem e são investigadas como antipartículas semelhantes, e experimentos sobre a aniquilação dos pares "elétron + pósitron" têm sido repetidamente realizados na prática. Mas, para criar uma arma de aniquilação, é necessário reunir um certo volume pesado de antipartículas, e também limitar o contato com qualquer matéria até, de fato, o uso militar. Isso, pah-pah, ainda é uma perspectiva distante.
Defeito de massa
A última questão que falta entender em relação à mecânica de uma explosão é de onde vem a energia: aquela que é liberada durante a reação em cadeia? Aqui, novamente, não foi sem massa. Em vez disso, sem seu "defeito".
Até o século passado, os cientistas acreditavam que a massa é preservada sob quaisquer condições e eles estavam certos a seu modo. Assim, mergulhamos o metal no ácido - a retorta borbulhou e bolhas de gás subiram pela espessura do líquido. Mas se você pesar os reagentes antes e depois da reação, sem esquecer o gás liberado, a massa converge. E sempre será assim, enquanto operarmos com quilogramas, metros e reações químicas.
Mas vale a pena se aprofundar na área das micropartículas, pois a massa também apresenta uma surpresa. Acontece que a massa de um átomo pode não ser exatamente igual à soma das massas das partículas que o compõem. Quando um núcleo pesado (por exemplo, urânio, por exemplo) é dividido em partes, os "fragmentos" no total pesam menos que o núcleo antes da fissão. A "diferença", também chamada de defeito de massa, é responsável pelas energias de ligação dentro do núcleo. E é essa diferença que vai para o calor e a radiação durante a explosão, e tudo de acordo com a mesma fórmula simples: E = mc2.
Isso é interessante: aconteceu que é energeticamente vantajoso dividir os núcleos pesados e unir os leves. O primeiro mecanismo funciona em uma bomba de urânio ou plutônio, o segundo em uma bomba de hidrogênio. E você não pode fazer uma bomba de ferro com todo o desejo: ela está exatamente no meio desta linha.
Bomba nuclear
Em uma seqüência histórica, vamos primeiro olhar para as bombas nucleares e realizar nosso pequeno Projeto Manhattan. Não vou aborrecê-lo com métodos enfadonhos de separação de isótopos e cálculos matemáticos da teoria da reação em cadeia da fissão. Você e eu temos urânio, plutônio, outros materiais, instruções de montagem e a necessária dose de curiosidade científica.
Reação em cadeia de fissão Já mencionei que a reação em cadeia de fissão do urânio foi realizada pela primeira vez em dezembro de 1942 por Enrico Fermi. Agora vamos falar sobre a reação em cadeia nuclear com mais detalhes.
Todos os isótopos de urânio são instáveis em um grau ou outro. Mas o urânio 235 está em uma posição especial. Com o decaimento espontâneo do núcleo do urânio-235 (também chamado decaimento alfa), dois fragmentos (núcleos de outros elementos muito mais leves) e vários nêutrons (geralmente 2-3) são formados. Se o nêutron formado durante o decaimento atingir o núcleo de outro átomo de urânio, haverá uma colisão elástica usual, o nêutron irá ricochetear e continuar em busca de aventura. Mas depois de um tempo ele vai desperdiçar energia (o ideal é que colisões elásticas ocorram apenas com cavalos esféricos no vácuo), e o próximo núcleo se revelará uma armadilha - o nêutron será absorvido por ele. A propósito, os físicos chamam isso de nêutron térmico.
Veja a lista de isótopos de urânio conhecidos. Não existe nenhum isótopo com massa atômica de 236 entre eles. Sabe por quê? Esse núcleo vive por frações de microssegundos e então decai com a liberação de uma grande quantidade de energia. Isso é chamado de decadência forçada. Um isótopo com tal duração é até mesmo estranho chamar um isótopo.
A energia liberada durante a decomposição do núcleo do urânio-235 é a energia cinética de fragmentos e nêutrons. Se calcularmos a massa total dos produtos de decaimento do núcleo do urânio e a compararmos com a massa do núcleo original, veremos que essas massas não coincidem - o núcleo original era maior. Este fenômeno é denominado defeito de massa e sua explicação está na fórmula E0 = mñ2. A energia cinética dos fragmentos, dividida pelo quadrado da velocidade da luz, será exatamente igual à diferença de massas. Os fragmentos são desacelerados na rede cristalina do urânio, dando origem à radiação de raios X, e os nêutrons, tendo viajado, são absorvidos por outros núcleos de urânio ou saem da fundição de urânio, onde acontecem todos os eventos.
Se a fundição de urânio for pequena, a maioria dos nêutrons irá deixá-la antes que eles possam desacelerar. Mas se cada ato de decaimento forçado causa pelo menos mais um desses atos devido ao nêutron emitido, isso já é uma reação em cadeia autossustentável de fissão.
Conseqüentemente, se o tamanho do molde for aumentado, um número crescente de nêutrons causará atos de fissão forçada. E em algum ponto, a reação em cadeia se tornará incontrolável. Mas isso está longe de ser uma explosão nuclear. Apenas uma explosão térmica muito "suja", que irá liberar um grande número de isótopos muito ativos e tóxicos.
Massa crítica
Uma pergunta bastante natural - quanto urânio-235 é necessário para a reação em cadeia de fissão se tornar uma avalanche? Na verdade, nem tudo é tão simples. As propriedades do material físsil e a relação volume-superfície desempenham um papel aqui. Imagine uma tonelada de urânio-235 (vou fazer uma reserva agora - é muito), que existe na forma de um fio fino e muito longo. Sim, um nêutron voando ao longo dele, é claro, causará um ato de decadência forçada. Mas a fração de nêutrons voando ao longo do fio será tão pequena que é ridículo falar sobre uma reação em cadeia autossustentável.
Portanto, concordamos em considerar a massa crítica para uma fundição esférica. Para o urânio-235 puro, a massa crítica é de 50 kg (esta é uma bola com um raio de 9 cm). Você entende que essa bola não vai durar muito, no entanto, como aqueles que a lançaram.
Se uma bola de massa menor for cercada por um refletor de nêutrons (berílio é perfeito para isso) e um material - um moderador de nêutrons (água, água pesada, grafite, o mesmo berílio) - for introduzido na bola, a massa crítica se tornará muito menor. Usando os refletores e moderadores de nêutrons mais eficazes, a massa crítica pode ser aumentada para 250 gramas. Isso, por exemplo, pode ser alcançado colocando uma solução saturada de sal de urânio-235 em água pesada em um recipiente esférico de berílio.
A massa crítica não se limita ao urânio-235. Existem também vários isótopos capazes de reações em cadeia de fissão. A principal condição é que os produtos de decadência de um núcleo causem atos de decadência de outros núcleos.
Bomba de urânio
Portanto, temos duas peças fundidas de urânio hemisférico pesando 40 kg. Enquanto eles estiverem a uma distância respeitosa um do outro, tudo ficará calmo. E se você começar a movê-los lentamente? Ao contrário da crença popular, nada acontecerá rapidamente. É que as peças, à medida que se aproximam, começam a aquecer e, se você não pensar de novo a tempo, aquecem. No final, eles simplesmente derreterão e se espalharão, e todos que moveram as peças fundidas darão carvalho por irradiação de nêutrons. E aqueles que assistiram com interesse irão colar as nadadeiras.
E se for mais rápido? Vai derreter mais rápido. Mais rápido, ainda? Eles vão derreter ainda mais rápido. Legal? Sim, mesmo se você mergulhar em hélio líquido, não fará sentido. E se você atirar uma peça na outra? SOBRE! O momento da verdade. Acabamos de criar um esquema de canhão de urânio. No entanto, não temos nada do que nos orgulhar, este esquema é o mais simples e artístico de todos. Sim, e os hemisférios terão que ser abandonados. Como a prática tem mostrado, eles não tendem a se unir uniformemente por planos. A mais leve distorção - e você obtém um "monte" muito caro, depois do qual você terá que limpar por um longo tempo.
Melhor fazer um tubo curto de urânio-235 de parede espessa com uma massa de 30-40 kg, ao furo do qual anexamos um barril de aço de alta resistência do mesmo calibre, carregado com um cilindro do mesmo urânio de aproximadamente a mesma massa. Vamos cercar o alvo de urânio com um refletor de nêutrons de berílio. Agora, se você atirar uma "bala" de urânio no "tubo" de urânio - haverá um "tubo" cheio. Ou seja, haverá uma explosão nuclear. Só é preciso atirar com seriedade, para que a velocidade da boca do projétil de urânio seja de pelo menos 1 km / s. Caso contrário, novamente haverá um "grupo", mas mais alto. O fato é que quando o projétil e o alvo se aproximam, eles esquentam tanto que começam a evaporar intensamente da superfície, sendo retardados pelos fluxos de gás que se aproximam. Além disso, se a velocidade for insuficiente, há uma chance de que o projétil simplesmente não atinja o alvo, mas evapore ao longo do caminho.
Além disso, acelerar a essa velocidade um disco pesando várias dezenas de quilogramas a uma distância de alguns metros é uma tarefa extremamente difícil. É por isso que você não precisa de pólvora, mas de explosivos poderosos capazes de criar a pressão de gás adequada no cano em um tempo muito curto. E então você não precisa limpar o barril, não se preocupe.
A bomba Mk-I "Little Boy" lançada em Hiroshima foi projetada de acordo com o esquema do canhão.
Existem, é claro, detalhes insignificantes que não levamos em consideração em nosso projeto, mas não fomos contra o próprio princípio de forma alguma.
Bomba de plutônio
Então. Detonamos a bomba de urânio. Admiramos o cogumelo. Agora vamos explodir o de plutônio. Só não arraste um alvo, um projétil, um barril e outro lixo aqui. Este número não funcionará com plutônio. Mesmo se dispararmos uma peça contra outra a uma velocidade de 5 km / s, a montagem supercrítica ainda não funcionará. O plutônio-239 terá tempo de se aquecer, evaporar e estragar tudo ao seu redor. Sua massa crítica é de pouco mais de 6 kg. Você pode imaginar como ele é muito mais ativo na captura de nêutrons.
O plutônio é um metal incomum. Dependendo da temperatura, pressão e impurezas, existe em seis modificações da estrutura cristalina. Existem até modificações nas quais ele encolhe quando aquecido. As transições de uma fase para outra podem ser feitas abruptamente, enquanto a densidade do plutônio pode mudar em 25%. Vamos, como todos os heróis normais, dar uma volta. Lembre-se de que a massa crítica é determinada, em particular, pela relação entre o volume e a superfície. Ok, temos uma bola de massa subcrítica que tem uma superfície mínima para um determinado volume. Digamos 6 kg. O raio da bola é de 4,5 cm. E se esta bola for comprimida de todos os lados? A densidade aumentará em proporção ao cubo de compressão linear e a superfície diminuirá em proporção a seu quadrado. E é o que acontece: os átomos de plutônio ficarão mais densos, ou seja, a distância de parada do nêutron será encurtada,o que significa que a probabilidade de sua absorção aumentará. Mas, novamente, compactar na velocidade exigida (cerca de 10 km / s) ainda não funcionará. Fim da linha? Mas não.
A 300 ° C ocorre a chamada fase delta - a mais solta. Se o plutônio for dopado com gálio, aquecido a essa temperatura e depois resfriado lentamente, a fase delta pode existir à temperatura ambiente. Mas não será estável. Em altas pressões (da ordem de dezenas de milhares de atmosferas), ocorrerá uma transição abrupta para uma fase alfa muito densa.
Coloque a bola de plutônio em uma bola oca de urânio-238 grande (23 cm de diâmetro) e pesada (120 kg). Não se preocupe, não tem massa crítica. Mas reflete perfeitamente nêutrons rápidos. E eles ainda serão úteis para nós. Você acha que eles explodiram? Não importa como seja. O plutônio é uma entidade caprichosa. Ainda teremos que trabalhar. Vamos fazer dois hemisférios de plutônio na fase delta. Vamos formar uma cavidade esférica no centro. E nesta cavidade colocaremos a quintessência do pensamento das armas nucleares - um iniciador de nêutrons. Esta é uma pequena bola oca de berílio com um diâmetro de 20 e uma espessura de 6 mm. Dentro dela está outra bola de berílio com um diâmetro de 8 mm. Existem ranhuras profundas na superfície interna da bola oca. Tudo isso é generosamente banhado a níquel e ouro. O polônio-210 é colocado nas ranhuras, que emite partículas alfa ativamente. Aqui está um milagre da tecnologia. Como funciona? Espere um segundo. Ainda temos algumas coisas a fazer.
Vamos cercar a casca de urânio com outra feita de liga de alumínio e boro. A sua espessura é de cerca de 13 cm. No total, a nossa "boneca de nidificação" cresceu agora para meio metro e recuperou de 6 a 250 kg.
Agora vamos fazer lentes de implosão. Imagine uma bola de futebol. Clássico, composto por 20 hexágonos e 12 pentágonos. Vamos fazer essa "bola" com explosivos e equipar cada um dos segmentos com vários detonadores elétricos. A espessura do segmento é de cerca de meio metro. Também há muitas sutilezas na fabricação de "lentes", mas se você as descrever, não há espaço suficiente para todo o resto. O principal é a precisão máxima da lente. O menor erro - e todo o conjunto será esmagado pela ação de detonação de explosivos. O conjunto completo agora tem um diâmetro de cerca de um metro e meio e um peso de 2,5 toneladas. O projeto é completado por um circuito elétrico cuja tarefa é detonar os detonadores em uma sequência estritamente definida com a precisão de um microssegundo.
Tudo. Diante de nós está um esquema de implosão de plutônio.
Agora vem a parte divertida.
Quando detonado, o explosivo comprime o conjunto, e o "empurrador" de alumínio não permite que a decomposição da onda de choque se propague para dentro seguindo sua frente. Tendo passado pelo urânio com uma contra-velocidade de cerca de 12 km / s, a onda de compressão irá compactar tanto o urânio quanto o plutônio. Plutônio em pressões na zona de compressão da ordem de centenas de milhares de atmosferas (o efeito de focalizar a frente explosiva) irá saltar para a fase alfa. Em 40 microssegundos, o conjunto urânio-plutônio descrito aqui se tornará não apenas supercrítico, mas várias vezes maior do que a massa crítica.
Tendo alcançado o iniciador, a onda de compressão esmagará toda a sua estrutura em um monólito. Neste caso, o isolamento de ouro-níquel entrará em colapso, o polônio-210 devido à difusão penetrará no berílio, as partículas alfa emitidas por ele, passando pelo berílio, causarão um fluxo colossal de nêutrons que desencadeiam uma reação de fissão em cadeia em todo o volume de plutônio e o fluxo de nêutrons "rápidos" gerados a decomposição do plutônio, causará uma explosão de urânio-238. Feito, cultivamos um segundo cogumelo, não pior do que o primeiro.
Um exemplo de esquema de implosão de plutônio é a bomba Mk-III "Fatman" lançada em Nagasaki.
Todos os truques descritos aqui são necessários para forçar o número máximo de núcleos atômicos de plutônio a reagir. A principal tarefa é manter a carga em um estado compacto o máximo possível, para evitar que ela se espalhe como uma nuvem de plasma, na qual a reação em cadeia irá parar instantaneamente. Aqui, cada microssegundo ganho é um aumento de um ou dois quilotons de potência.
Bomba termonuclear
Há uma crença generalizada de que uma bomba nuclear é o fusível de uma bomba termonuclear. Em princípio, tudo é muito mais complicado, mas a essência é capturada corretamente. As armas baseadas nos princípios da fusão termonuclear tornaram possível alcançar tal poder de explosão que em nenhuma circunstância pode ser alcançado por uma reação em cadeia de fissão. Mas até agora a única fonte de energia que permite "acender" uma reação de fusão termonuclear é uma explosão nuclear.
Fusão termonuclear
Lembra como “alimentamos” o núcleo do hidrogênio com nêutrons? Então, se você tentar conectar dois prótons dessa maneira, nada sairá disso. Os prótons não se unem por causa das forças repulsivas de Coulomb. Ou eles se espalham ou ocorre o decaimento beta e um dos prótons se torna um nêutron. Mas o hélio-3 existe. Graças a um único nêutron, o que torna os prótons mais habitáveis uns com os outros.
Em princípio, com base na composição do núcleo do hélio-3, pode-se concluir que um núcleo do hélio-3 pode ser completamente montado a partir dos núcleos do prótio e do deutério. Em teoria, isso é verdade, mas essa reação só pode ocorrer nas entranhas de estrelas grandes e quentes. Além disso, nas profundezas das estrelas, mesmo de alguns prótons, o hélio pode ser coletado, convertendo alguns deles em nêutrons. Mas essas já são questões de astrofísica, e uma opção viável para nós é fundir dois núcleos de deutério ou deutério e trítio.
Uma condição muito específica é necessária para a fusão dos núcleos. Esta é uma temperatura muito alta (109 K). Somente com uma energia cinética média dos núcleos de 100 keV eles são capazes de se aproximar de uma distância na qual a interação forte começa a superar a interação de Coulomb.
Uma pergunta bastante legítima - por que cercar este jardim? O fato é que a fusão de núcleos leves libera uma energia de cerca de 20 MeV. Claro, com a fissão forçada de um núcleo de urânio, essa energia é 10 vezes mais, mas há uma ressalva - com os maiores truques, uma carga de urânio com capacidade de até 1 megaton é impossível. Mesmo para uma bomba de plutônio mais avançada, a produção de energia alcançável não é mais do que 7-8 quilotons por quilograma de plutônio (com um máximo teórico de 18 quilotons). E não se esqueça de que um núcleo de urânio é quase 60 vezes mais pesado do que dois núcleos de deutério. Se considerarmos o rendimento específico de energia, a fusão termonuclear está visivelmente à frente.
E ainda - para uma carga termonuclear não há restrições à massa crítica. Ele simplesmente não tem. Existem, no entanto, outras restrições, mas sobre eles - abaixo.
Em princípio, iniciar uma reação termonuclear como uma fonte de nêutrons não é difícil o suficiente. É muito mais difícil lançá-lo como fonte de energia. Aqui, estamos diante do chamado critério de Lawson, que determina a vantagem energética de uma reação termonuclear. Se o produto da densidade dos núcleos reagentes e o tempo de seu confinamento na distância de fusão for maior que 1014 seg./cm3, a energia fornecida pela fusão excederá a energia introduzida no sistema.
Todos os programas termonucleares foram dedicados a atingir esse critério.
Super clássico
O primeiro esquema de bomba termonuclear que veio à mente de Edward Teller foi algo semelhante a tentar criar uma bomba de plutônio usando um esquema de canhão. Ou seja, tudo parece estar correto, mas não funciona. O dispositivo "super clássico" - deutério líquido, no qual uma bomba de plutônio é imersa - era de fato clássico, mas longe de ser super.
A ideia de uma explosão de uma carga nuclear em um meio de deutério líquido acabou se revelando inicialmente um beco sem saída. Sob tais condições, um menor rendimento de energia de fusão termonuclear poderia ser alcançado detonando uma carga nuclear de 500 kt. E não havia necessidade de falar sobre o cumprimento do critério de Lawson.
Sopro
A ideia de envolver um disparador de carga nuclear com camadas de combustível termonuclear, intercaladas com urânio-238 como um isolador de calor e um amplificador de explosão, Teller também surgiu. E não só ele. As primeiras bombas termonucleares soviéticas foram construídas exatamente de acordo com esse esquema. O princípio era bastante simples: uma carga nuclear aquece um combustível termonuclear até a temperatura do início da fusão, e nêutrons rápidos gerados durante a fusão explodem camadas de urânio-238. No entanto, a limitação permaneceu a mesma - na temperatura que o gatilho nuclear poderia fornecer, apenas uma mistura de deutério barato e trítio incrivelmente caro poderia entrar na reação de fusão.
Mais tarde, Teller teve a ideia de usar o composto deutereto de lítio-6. Esta solução tornou possível abandonar recipientes criogênicos caros e inconvenientes com deutério líquido. Além disso, como resultado da irradiação com nêutrons, o lítio-6 foi convertido em hélio e trítio, que entraram em uma reação de fusão com o deutério.
A desvantagem desse esquema era a potência limitada - apenas uma parte limitada do combustível termonuclear que cercava o gatilho tinha tempo para entrar na reação de fusão. O resto, por mais que fosse, foi para o vento. A potência de carga máxima obtida ao usar o "puff" foi de 720 kt (bomba British Orange Herald). Aparentemente, era um "teto".
Esquema Teller-Ulam
Já falamos sobre a história do desenvolvimento do esquema Teller-Ulam. Agora vamos entender os detalhes técnicos desse circuito, que também é chamado de circuito de "dois estágios" ou de "compressão de radiação".
Nossa tarefa é aquecer o combustível termonuclear e mantê-lo em um determinado volume para atender ao critério de Lawson. Deixando de lado os exercícios americanos com circuitos criogênicos, tomemos o deutereto de lítio-6, já conhecido por nós, como combustível termonuclear.
Escolheremos o urânio-238 como material para o recipiente da carga termonuclear. O recipiente é cilíndrico. Ao longo do eixo do recipiente, dentro dele colocaremos uma haste cilíndrica de urânio-235, que possui uma massa subcrítica.
Nota: a bomba de nêutrons sensacional da época é o mesmo esquema de Teller-Ulam, mas sem a haste de urânio ao longo do eixo do contêiner. O objetivo é fornecer um fluxo poderoso de nêutrons rápidos, mas não permitir a queima de todo o combustível termonuclear, que consumirá nêutrons.
Preencha o resto do espaço livre do recipiente com deutereto de lítio-6. Colocaremos o container em uma das pontas do corpo da futura bomba (esta será a segunda etapa), e na outra ponta montaremos uma carga de plutônio convencional com capacidade de vários quilotons (primeira etapa). Entre as cargas nuclear e termonuclear, instalaremos uma partição de urânio-238 para evitar o aquecimento prematuro do deutereto de lítio-6. Preencha o resto do espaço livre dentro do corpo da bomba com polímero sólido. Em princípio, a bomba termonuclear está pronta.
Quando uma carga nuclear é detonada, 80% da energia é liberada na forma de raios-X. Sua velocidade de propagação é muito maior do que a dos fragmentos de fissão de plutônio. Em centésimos de microssegundo, o escudo de urânio evapora, e a radiação de raios X começa a ser intensamente absorvida pelo urânio do recipiente de carga termonuclear. Como resultado da chamada ablação (remoção de massa da superfície do recipiente aquecido), surge uma força reativa que comprime o recipiente 10 vezes. É este efeito denominado implosão de radiação ou compressão de radiação. Neste caso, a densidade do combustível de fusão aumenta 1000 vezes. Como resultado da pressão colossal da implosão da radiação, a haste central do urânio-235 também é comprimida, embora em menor grau, e passa para um estado supercrítico. A esta altura, o bloco termonuclear está sendo bombardeado com nêutrons rápidos de uma explosão nuclear. Depois de passar pelo deutereto de lítio-6, eles ficam mais lentos e são intensamente absorvidos pelo bastão de urânio.
Uma reação em cadeia de fissão começa na haste, levando rapidamente a uma explosão nuclear dentro do recipiente. Como o deutereto de lítio-6 é submetido à compressão ablativa de fora e à pressão de uma explosão nuclear de dentro, sua densidade e temperatura aumentam ainda mais. Este momento é o início do início da reação de síntese. Sua manutenção posterior é determinada pelo tempo que o recipiente manterá os processos termonucleares dentro de si, evitando a liberação de energia térmica para fora. Isso é o que determina o alcance do critério de Lawson. A combustão do combustível termonuclear prossegue do eixo do cilindro até sua borda. A temperatura da frente de combustão atinge 300 milhões de Kelvin. Demora algumas centenas de nanossegundos para desenvolver completamente uma explosão até a queima do combustível termonuclear e a destruição do recipiente - vinte milhões de vezes mais rápido do que você lê esta frase.
A operação confiável do circuito de dois estágios depende da montagem precisa do recipiente e da prevenção de aquecimento prematuro.
A potência da carga termonuclear para o esquema de Teller-Ulam depende da potência do gatilho nuclear, que garante compressão efetiva por radiação. No entanto, agora também existem esquemas de vários estágios nos quais a energia do estágio anterior é usada para comprimir o próximo. Um exemplo de um esquema de três estágios é a já mencionada "mãe Kuz'kina" de 100 megatoneladas.
