Ядерная реакция

Вопрос 1. Ядерные Боеприпасы. Принцип устройства и средства применения

Ядерное оружие– это оружие, в основу поражающего действия которого положен ядерный (реакция деления ядер тяжёлых изотопов U, Pu) или термоядерный взрыв (реакция синтеза ядер лёгких изотопов водорода D, T, либо гелия).

Ядерная реакция

В основе явления ядерного взрыва лежит деление атомных ядер.

Реакция деления ядер под воздействием нейтронов обладает двумя важнейшими свойствами:

1. Выделением очень большого количества энергии, в десятки и более раз превосходящего количество энергии при любой другой ядерной реакции;

2. В каждом акте деления вместо одного поглощенного нейтрона выделяется несколько новых нейтронов, способных вызвать деление следующих ядер.

Условием протекания реакции деления является наличие критической массы делящегося вещества.

Критическая масса – это такое количество ядерного взрывчатого вещества, находящегося в определённых условиях, в котором каждое поколение нейтронов рождает новое, состоящее из такого же количества нейтронов.

Величина критической массы М_кр зависит от:

- размера и геометрической формы делящегося вещества;

- чистоты делящегося вещества;

- наличия отражателя нейтронов;

- плотности делящегося вещества – М_кр=1/ρ² ;

- вида делящегося изотопа.

Рис.1 - Ядерный взрыв	Условием протекания цепной ядерной реакции деления (ядерный взрыв) является кроме наличия критической массы делящегося вещества ещё и условие, что коэффициент развития реакции должен быть больше единицы. Коэффициент развития реакции - Крр численно равен отношению количества вторичных нейтронов последующего цикла деления ni+1, участвующих в делении ядер к количеству вторичных нейтронов, образующихся в предыдущем цикле (поколении) деления ni . Крр = ni+1/ ni = Nядерi+1/ N ядерi Если Крр > 1, то реакция развивается с ускорением (Рис.1 - ядерный взрыв). Если Крр = 1, то реакция деления идёт с постоянной скоростью.
Рисунок 2 - Устройство ядерного боеприпаса: 1 – система предохранения и взведения; 2 – система аварийного подрыва; 3 – система подрыва заряда; 4 – источники питания; 5 – система датчиков подрыва	Для возникновения ядерного взрыва необходимо создать надкритическое состояние (массу больше критической) ядерного заряда (ядерного вещества), то есть, создать условия, при которых возникает цепная ядерная реакция Крр >1. При делении всех ядер, содержащихся в одном килограмме изотопа урана U235, выделяется количество энергии, эквивалентное взрыву 20 тыс. тонн тротила. Ядерные заряды, работающие на принципе деления ядер разрабатываются двух типов: имплозивного (Рис.2) и пушечного (Рис.4) типов. В боеприпасе имплозивного типа создание надкритического состояния осуществляется за счёт быстрого равномерного обжатия ядерного заряда (ЯЗ) сферической формы (Рис.3), то есть, за счёт мгновенного увеличения плотности ЯЗ путём создания давления взрывчатым веществом при обжатии с одновременным облучением ядерного заряда потоком нейтронов.
а) б)   Рисунок 3 - Устройство ядерного заряда имплозивного типа: а) состояние ядерного боеприпаса до взрыва, б) в момент взрыва; 1 – детонатор, 2 – заряд взрывчатого вещества, 3 – отражатель нейтронов, 4 – ЯЗ, 5 – источник нейтронов, 6 – корпус	В таких условиях количество вторичных нейтронов в каждом последующем цикле будет превышать количество нейтронов предыдущего цикла и ядра вещества лавинообразно делятся с выделением энергии. На рисунке 3а изображено исходное состояние ядерного боеприпаса: плотность ЯЗ нормальная, масса его меньше критической. На рисунке 3б изображён момент взрыва ядерного боеприпаса: плотность ЯЗ выше нормальной, масса его больше критической. В боеприпасах пушечного типа создание условий протекания ядерной реакции осуществляется за счёт создания надкритического состояния путём соединения двух частей ядерного заряда (вещества), которые в исходном состоянии не обладают критической массой, а при их объединении возникает критическая масса заряда. Одновременно заряд облучается потоком нейтронов.

Рисунок 3 - Устройство ядерного заряда пушечного типа

Термоядерная реакция Основными условиями протекания реакции синтеза ядер легких элементов (изотопов водорода) являются высокое значение температур и давлений в зоне реакции. Реакция синтеза лёгких ядер (термоядерная) эффективно протекает в условиях нагрева вещества до температуры десятков миллионов градусов. Формула синтеза гелия: D + T → 2He + n + 17, 6 МэВ. Время протекания данной реакции составляет 10-9 с.

При синтезе 1 кг гелия выделяется в 5 раз больше энергии, чем при делении 1 кг U²³⁵.

Термоядерные заряды характеризуются коэффициентом термоядерности

К_т (η_т), который численно равен отношению энергии полученной за счет реакции синтеза к общей энергии выделяемой при реакции деления и синтеза: К_т (η_т) = Е_с /(Е_с +Е_д) ,

где Е_с – энергия реакции синтеза; Е_д – энергия реакции деления.

Выделяющаяся в ходе реакции синтеза энергия распределяется следующим образом: 70 % уносится быстрыми нейтронами; 20 % - ядрами атомов гелия; 2 % - γ-квантами.

Температуру, при которой начинается реакция синтеза, достигают с помощью ядерного взрыва, основанного на реакции деления атомных ядер.

Общая схема создания условий протекания реакции синтеза представлена на рисунке 4. Реакция термоядерного взрыва проходит в два этапа. Вначале происходит задействование (подрыв) первичного ядерного заряда (ядерного детонатора) для создания условий протекания синтеза лёгких ядер дейтерия D и трития T (высокая температура и высокое давление), а затем только возникает и протекает реакция синтеза D и T. В ходе синтеза выделяется значительно больше энергии, чем при делении тяжёлых ядер изотопов U и Pu, поэтому большая часть энергии боеприпаса выделяется во второй фазе его подрыва.

Рисунок 4 - Устройство термоядерного заряда: 1 – ядерный детонатор (заряд деления), 2 – заряд для реакции синтеза (дейтерид лития), 3 – корпус	Рисунок 5 - Устройство нейтронного боеприпаса: 1 – корпус боеприпаса с системой удержания плазмы в зоне реакции; 2 – смесь дейтерия и трития; 3 – отражатель нейтронов; 4 – заряд Pu239; 5 – заряд взрывчатого вещества; 6 – детонатор; 7 – источники нейтронов

Разновидностью термоядерного оружия является нейтронное оружие (Рис.5). Оно отличается повышенным выходом нейтронов при взрыве и меньшим выходом других поражающих факторов, что некоторыми зарубежными специалистами интерпретируется как положительный и даже гуманный эффект. Они эти боеприпасы называют «чистыми», предполагая незначительные в сравнении с «грязными» разрушения, вызываемые ударной волной, заражением местности радиоактивными продуктами распада тяжёлых элементов и их составных частей.

Основной характеристикой ядерных боеприпасов является его мощность, которая выражается величиной эквивалентной аналогичной мощности обычного боеприпаса, измеряемой в тротиловом эквиваленте.

Тротиловый эквивалент – это такое количество тротила в тоннах, при взрыве которого выделяется такое же количество энергии, что и при взрыве данного ядерного заряда.

По мощности ядерные боеприпасы условно делятся на:

сверхмалые (до 1 кТ);

малые (от 1 до 10 кТ);

средние (от 10 до 100 кТ);

крупные (от 100 кт до 1 МТ);

сверхкрупные (свыше 1 МТ).