Bomba termonucleare: dispositivo. La prima bomba termonucleare. Test della bomba termonucleare

Il nostro articolo è dedicato alla storia della creazione e ai principi generali della sintesi di un tale dispositivo come una bomba termonucleare, a volte chiamata bomba all'idrogeno. Invece di rilasciare l'energia di un'esplosione quando divide i nuclei di elementi pesanti, come l'uranio, ne genera ancora di più unendo i nuclei di elementi leggeri (ad esempio, gli isotopi dell'idrogeno) in uno pesante (ad esempio l'elio).

Perché la fusione nucleare è preferita?

In una reazione termonucleare consistente nella fusione dei nuclei degli elementi chimici che vi partecipano, viene generata molta più energia per unità di massa del dispositivo fisico rispetto a una pura bomba atomica che implementa una reazione di fissione nucleare.

In una bomba atomica, il combustibile nucleare fissile è rapidamente, sotto l'azione dell'energia di detonazione degli esplosivi convenzionali, combinata in un piccolo volume sferico, dove viene creata la sua cosiddetta massa critica e inizia la reazione di fissione. Allo stesso tempo, molti neutroni rilasciati dai nuclei fissionabili causeranno la fissione di altri nuclei nella massa di combustibile, che rilascia anche neutroni aggiuntivi, il che porta a una reazione a catena. Non copre più del 20% del carburante prima che la bomba esploda, o forse molto meno se le condizioni non sono perfette: così nelle bombe atomiche il Kid è caduto su Hiroshima e Fatty ha colpito Nagasaki, l'efficienza (se tale termine è possibile) applicare) erano solo 1,38% e 13%, rispettivamente.

La fusione (o sintesi) dei nuclei copre l'intera massa della carica della bomba e dura fino a quando i neutroni non trovano carburante termonucleare non reagito. Pertanto, la massa e la potenza esplosiva di una tale bomba sono teoricamente illimitate. Tale fusione può continuare teoricamente all'infinito. In effetti, una bomba termonucleare è uno dei potenziali dispositivi del giorno del giudizio che può distruggere tutta la vita umana.

Qual è la reazione di fusione nucleare?

Il combustibile per la reazione di fusione è isotopi di idrogeno deuterio o trizio. La prima differisce dall'idrogeno ordinario in quanto nel suo nucleo, ad eccezione di un protone, c'è anche un neutrone, e nel nucleo del trizio ci sono già due neutroni. Nell'acqua naturale, un atomo di deuterio rappresenta 7.000 atomi di idrogeno, ma della sua quantità. contenuto in un bicchiere d'acqua, è possibile ottenere come risultato di una reazione termonucleare la stessa quantità di calore di quando si bruciano 200 litri di benzina. In un incontro nel 1946 con i politici, il padre degli americani bomba all'idrogeno Edward Teller ha sottolineato che il deuterio fornisce più energia per grammo di peso rispetto all'uranio o al plutonio, ma costa venti centesimi al grammo rispetto a poche centinaia di dollari per grammo di combustibile per la fissione nucleare. Il trizio in natura non si verifica affatto in uno stato libero, quindi è molto più costoso del deuterio, con un prezzo di mercato di decine di migliaia di dollari per grammo, ma la maggior quantità di energia viene rilasciata proprio nella reazione di fusione dei nuclei di deuterio e trizio, a cui viene formato e rilasciato il nucleo dell'atomo di elio neutrone che porta via 17,59 MeV di energia in eccesso

D + T → ⁴ He + n + 17,59 MeV.

Questa reazione è mostrata schematicamente nella figura sottostante. È molto o poco? Come sai, tutto è relativo. Quindi, l'energia di 1 MeV è circa 2,3 milioni di volte superiore a 1 kg di olio rilasciato durante la combustione. Di conseguenza, la fusione di soli due nuclei di deuterio e tritio rilascia energia pari a 2,3 2,3 10 ⁶ ∙ 17,59 = 40,5 ∙ 10 ⁶ kg di olio viene rilasciato durante la combustione. Ma stiamo parlando solo di due atomi. Potete immaginare quanto in alto fosse la posta in gioco nella seconda metà degli anni '40 del secolo scorso, quando furono avviati i lavori negli Stati Uniti e nell'URSS, il cui risultato fu una bomba termonucleare.

Com'è cominciato tutto

Già nell'estate del 1942, all'inizio del progetto della bomba atomica negli Stati Uniti (il progetto Manheten) e successivamente in un programma sovietico simile, molto prima che la bomba fosse costruita sulla base della fissione dei nuclei di uranio, l'attenzione di alcuni partecipanti di questi programmi fu attratta dal dispositivo, che può usare una reazione di fusione termonucleare molto più potente. Negli Stati Uniti, Edward Teller, già menzionato sopra, era un sostenitore di questo approccio, e persino, si potrebbe dire, il suo apologeta. Nell'URSS, questa direzione è stata sviluppata da Andrei Sakharov, il futuro accademico e dissidente.

Per Teller, la sua fusione di fusione termonucleare negli anni della creazione della bomba atomica ha svolto un ruolo piuttosto disastroso. Come partecipante al progetto Manhattan, ha insistito per reindirizzare i fondi per attuare le proprie idee, il cui scopo era una bomba a idrogeno e termonucleare, che alla dirigenza non piaceva e causava tensioni nella relazione. Poiché a quel tempo la direzione della ricerca termonucleare non era supportata, dopo la creazione della bomba atomica, Teller lasciò il progetto e si impegnò nell'insegnamento, così come nella ricerca sulle particelle elementari.

Tuttavia, lo scoppio della Guerra Fredda, e soprattutto la creazione e il collaudo riuscito della bomba atomica sovietica nel 1949, divenne per il feroce anticomunista Teller una nuova possibilità di realizzare le sue idee scientifiche. Tornò al laboratorio di Los Alamos, dove fu creata la bomba atomica, e insieme a Stanislav Ulam e Cornelius Everett procedono ai calcoli.

Il principio della bomba termonucleare

Affinché la reazione di fusione nucleare inizi, è necessario riscaldare istantaneamente la carica della bomba ad una temperatura di 50 milioni di gradi. Lo schema di bomba termonucleare proposto da Teller utilizza per questo un'esplosione di una piccola bomba atomica, che si trova all'interno del serbatoio dell'idrogeno. Si può sostenere che ci sono state tre generazioni nello sviluppo del suo progetto negli anni '40 del secolo scorso:

• una variante di cassiere nota come "super classica";
• disegni più complessi, ma anche più reali da più sfere concentriche;
• La versione finale del progetto Teller-Ulam, che è la base di tutti i sistemi di armi termonucleari attualmente in funzione.

Simili bombe termo-nucleari di design dell'URSS sono andate avanti, con Andrei Sakharov all'inizio della loro creazione. Apparentemente, è completamente indipendente e indipendente dagli americani (il che non è il caso con la bomba atomica sovietica creata dagli sforzi congiunti di scienziati e agenti dei servizi segreti che hanno lavorato negli Stati Uniti) ha attraversato tutte le fasi di progettazione di cui sopra.

Le prime due generazioni possedevano la proprietà di avere una sequenza di "strati" concatenati, ognuno dei quali rinforzava alcuni aspetti del precedente, e in alcuni casi veniva stabilito un riscontro. Non c'era una netta separazione tra la bomba atomica primaria e la termonucleare secondaria. Al contrario, lo schema di una bomba termonucleare di sviluppo Teller-Ulam distingue nettamente un'esplosione primaria, una secondaria e, se necessario, aggiuntiva.

Il dispositivo di una bomba termonucleare secondo il principio di Teller-Ulam

Molti dei suoi dettagli rimangono ancora classificati, ma c'è sufficiente fiducia che tutte le armi termonucleari attualmente disponibili utilizzano il dispositivo creato da Edward Telleros e Stanislav Ulam in cui la bomba atomica (cioè la carica primaria) viene utilizzata per generare radiazioni, come un prototipo comprime e riscalda il combustibile termonucleare. Andrei Sakharov in Unione Sovietica, a quanto pare, in modo indipendente ha elaborato un concetto simile, che ha definito la "terza idea".

Il dispositivo della bomba termonucleare in questa variante è mostrato schematicamente nella figura sottostante. Aveva una forma cilindrica, con una bomba atomica sostanzialmente sferica a un'estremità. La carica termonucleare secondaria nei primi campioni, ancora non industriali, proveniva da deuterio liquido, un po 'più tardi divenne solida da un composto chimico chiamato deuteruro di litio.

Il fatto è che nel settore industriale l'idruro di litio LiH è stato a lungo utilizzato per il trasporto di idrogeno non in sala da ballo. Gli sviluppatori della bomba (questa idea fu usata per la prima volta nell'URSS) suggerirono semplicemente di prendere il suo isotopo deuterio invece dell'idrogeno ordinario e combinandolo con il litio, dal momento che è molto più facile eseguire una bomba con una carica termonucleare solida.

La forma della carica secondaria era un cilindro posto in un contenitore con un guscio di piombo (o uranio). Tra le cariche c'è lo scudo di protezione dai neutroni. Lo spazio tra le pareti del contenitore con combustibile termonucleare e il bossolo è riempito di plastica speciale, di regola, con polistirolo espanso. La stessa bomba è realizzata in acciaio o alluminio.

Queste forme sono cambiate in disegni recenti, come quello mostrato nella figura sotto. In esso, la carica primaria è appiattita, come un cocomero o una palla nel football americano, e la carica secondaria è sferica. Tali forme si adattano molto più efficacemente al volume interno delle testate missilistiche coniche.

Sequenza di esplosione termonucleare

Quando la bomba atomica primaria esplode, nei primi momenti di questo processo un potente X-radiazioni (flusso di neutroni), che è parzialmente bloccato dallo schermo di protezione dai neutroni, e viene riflesso dal rivestimento interno del corpo che circonda la carica secondaria, in modo che i raggi X cadano simmetricamente su di esso per tutta la sua lunghezza.

Nelle fasi iniziali della reazione termonucleare, i neutroni dall'esplosione atomica vengono assorbiti dal riempitivo di plastica per evitare che il combustibile si surriscaldi troppo rapidamente.

I raggi X provocano dapprima una densa schiuma plastica che riempie lo spazio tra il corpo e la carica secondaria, che rapidamente si trasforma in plasma, che riscalda e comprime la carica secondaria.

Inoltre, i raggi X evaporano la superficie del contenitore che circonda la carica secondaria. Evaporando simmetricamente rispetto a questa carica, la sostanza del contenitore acquisisce un certo impulso diretto dal suo asse e gli strati della carica secondaria ricevono un impulso diretto all'asse del dispositivo secondo la legge di conservazione della quantità di moto. Il principio qui è lo stesso di un razzo, solo se si immagina che il carburante per razzi voli simmetricamente dal suo asse e il corpo sia compresso all'interno.

Come risultato di tale compressione del combustibile termonucleare, il suo volume diminuisce migliaia di volte e la temperatura raggiunge il livello di insorgenza della reazione di fusione nucleare. C'è un'esplosione di una bomba termonucleare. La reazione è accompagnata dalla formazione di nuclei di trizio, che si fondono con i nuclei di deuterio, che sono inizialmente presenti nella composizione della carica secondaria.

Le prime cariche secondarie furono costruite attorno ad un nucleo centrale di plutonio, chiamato informalmente una "candela", che entrò nella reazione di fissione nucleare, cioè un'altra ulteriore esplosione atomica fu effettuata per aumentare la temperatura ancora di più per assicurare l'inizio della fusione nucleare. Allo stato attuale, si ritiene che sistemi di compressione più efficienti abbiano eliminato la "candela", consentendo un'ulteriore miniaturizzazione del design della bomba.

Operazione Ivy

Fu così che furono chiamati i test delle armi termonucleari americane sulle Isole Marshall nel 1952 durante i quali la prima bomba termonucleare fu fatta detonare. Si chiamava Ivy Mike ed è stato costruito secondo il tipico schema Teller-Ulam. La sua carica termonucleare secondaria è stata collocata in un contenitore cilindrico, che è isolato termicamente vaso di Dewar con combustibile termonucleare in forma di deuterio liquido, lungo l'asse del quale passò una "candela" di 239 plutonio . Il Dewar, a sua volta, era coperto da uno strato di 238-uranio del peso di oltre 5 tonnellate, che evaporò durante l'esplosione, fornendo una compressione simmetrica del combustibile termonucleare. Il contenitore con le cariche primaria e secondaria era collocato in una cassa di acciaio larga 80 pollici e lunga 244 pollici con pareti di 10-12 pollici di spessore, che era il più grande esempio di un prodotto forgiato fino a quel momento. La superficie interna del case è stata rivestita con fogli di piombo e polietilene per riflettere la radiazione dopo l'esplosione della carica primaria e creare un plasma che riscalda la carica secondaria. L'intero dispositivo pesava 82 tonnellate. La vista del dispositivo poco prima dell'esplosione è mostrata nella foto qui sotto.

Il primo test di una bomba termonucleare ebbe luogo il 31 ottobre 1952. Il potere dell'esplosione era di 10,4 megatoni. Attol Eniwetok, su cui è stato prodotto, è stato completamente distrutto. Il momento dell'esplosione è mostrato nella foto qui sotto.

L'URSS fornisce una risposta simmetrica

Il campionato termonucleare statunitense non durò a lungo. Il 12.08.1953, la prima bomba termonucleare sovietica RDS-6, sviluppata sotto la direzione di Andrei Sakharov e Yuli Khariton, è stata testata nel sito di test di Semipalatinsk.Dalla descrizione precedente, è chiaro che la bomba su Eniwetok non è stata effettivamente esplosa dagli americani, ma piuttosto un dispositivo da laboratorio, ingombrante e molto imperfetto. Gli scienziati sovietici, nonostante la piccola capacità di soli 400 kg, testarono munizioni completamente finite con combustibile termonucleare in forma di deuteruro di litio solido, e non di deuterio liquido, come negli americani. A proposito, va notato che nella composizione del litio deuteruro viene utilizzato solo l'isotopo ⁶ Li (ciò è dovuto alle caratteristiche del passaggio delle reazioni termonucleari), e in natura è mescolato con l'isotopo ⁷ Li. Pertanto, sono state costruite produzioni speciali per la separazione degli isotopi del litio e la selezione di soli ⁶ Li.

Raggiungimento della massima potenza

Questo è stato seguito da un decennio di continuo corsa agli armamenti durante il quale il potere delle munizioni termonucleari era in continuo aumento. Infine, il 30/10/1961, nell'URSS, la bomba termonucleare più potente mai costruita e collaudata, conosciuta in Occidente come la bomba dello zar, fu fatta saltare in aria a circa 4 km di altezza nell'URSS.

Questa munizione a tre stadi fu effettivamente sviluppata come una bomba da 101,5 megatoni, ma il desiderio di ridurre la contaminazione radioattiva del territorio costrinse gli sviluppatori ad abbandonare il terzo stadio con una capacità di 50 megatoni e ridurre la potenza stimata del dispositivo a 51,5 megatoni. Allo stesso tempo, 1,5 megatoni erano il potere dell'esplosione della carica atomica primaria, e il secondo stadio termonucleare avrebbe dovuto dare altri 50. La vera potenza dell'esplosione era di 58 megatoni.L'apparizione della bomba è mostrata nella foto sotto.

Le implicazioni di ciò erano impressionanti. Nonostante l'altezza molto significativa dell'esplosione di 4000 m, la palla di fuoco incredibilmente luminosa raggiunse quasi il bordo inferiore della terra, e quella superiore salì a un'altezza di oltre 4,5 km. La pressione al di sotto del punto di rottura era sei volte superiore alla pressione di picco nell'esplosione di Hiroshima. Il lampo di luce era così brillante che era visibile a una distanza di 1000 chilometri, nonostante il tempo nuvoloso. Uno dei partecipanti al test ha visto un lampo luminoso attraverso gli occhiali scuri e ha percepito gli effetti di un impulso di calore anche a una distanza di 270 km. La foto del momento dell'esplosione è mostrata sotto.

È stato dimostrato che il potere della carica termonucleare non ha davvero limiti. Dopotutto, era sufficiente per eseguire il terzo passo e la potenza calcolata sarebbe stata raggiunta. Ma è possibile aumentare il numero di passi e oltre, poiché il peso della "bomba dello zar" non superava le 27 tonnellate. La vista di questo dispositivo è mostrata nella foto qui sotto.

Dopo questi test, è diventato chiaro a molti politici e militari sia in URSS che negli Stati Uniti che la corsa agli armamenti nucleari era giunta al termine e che doveva essere fermata.

La Russia moderna ha ereditato l'arsenale nucleare dell'URSS. Oggi le bombe termonucleari della Russia continuano a servire da deterrente per coloro che cercano l'egemonia globale. Speriamo che giochino il loro ruolo solo sotto forma di deterrente e non verranno mai fatti saltare in aria.

Il sole come reattore a fusione

È noto che temperatura del sole, più precisamente, il suo nucleo, che raggiunge 15000000 ° K, è supportato dal flusso continuo di reazioni termonucleari. Tuttavia, tutto ciò che abbiamo potuto imparare dal testo precedente, dice la natura esplosiva di tali processi. Allora perché il sole non esplode come una bomba termonucleare?

Il fatto è che con un'enorme frazione di idrogeno nella composizione della massa solare, che raggiunge il 71%, la proporzione del suo isotopo del deuterio, i cui nuclei possono solo partecipare alla reazione di fusione termonucleare, è trascurabile. Il fatto è che i nuclei del deuterio stessi sono formati come risultato della fusione di due nuclei di idrogeno, e non solo una fusione, ma con il decadimento di uno dei protoni in un neutrone, un positrone e un neutrino (chiamato anche decadimento beta), che è un evento raro. Allo stesso tempo, i nuclei di deuterio formati sono distribuiti in modo abbastanza uniforme sul volume del nucleo solare. Pertanto, con le sue enormi dimensioni e massa, i singoli e rari fuochi di reazioni termonucleari di potenza relativamente bassa sono, per così dire, distribuiti su tutto il suo nucleo del Sole. Il calore rilasciato durante queste reazioni non è chiaramente sufficiente a bruciare istantaneamente tutto il deuterio del Sole, ma è sufficiente riscaldarlo a una temperatura che assicuri la vita sulla Terra.