Раздел I Ядерное оружие

Ядерное оружие – оружие массового поражения и взрывного действия, поражающий эффект которого основан на использовании внутриядерной энергии, выделяющейся при ядерном взрыве.

Ядерный взрыв – это процесс мгновенного выделения большого ко­личества внутриядерной энергии в ограниченном объеме. Источником энер­гии при ядерном взрыве являются реакции деления ядер тяжелых элементов и синтеза ядер легких элементов. Для ядерного взрыва характерны чрезвычайно высокая концентрация выделяющейся энергии и крайне малое время его протекания (доли миллисекунды). Он существенно отличается от взрыва обыч­ных боеприпасов как масштабами, так и характером поражающих факторов.

В данном разделе рассматриваются физико-технические основы уст­ройства ядерного оружия, классификация ядерных боеприпасов и ядерных взрывов и их поражающие факторы.

Г л а в а 1

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА

ЯДЕРНЫХ БОЕПРИ­ПАСОВ

§ 1. Основы ядерной физики

Атом и атомное ядро

Все вещества окружающей нас природы состоят из малых частиц, кото­рые называются атомами.

Атом имеет сложное строение. В центре атома находится очень плот­ное ядро, несущее положительный заряд, вокруг которого с большой скоро­стью вращаются отрицательно заряженные электроны (е^–), составляющие электронную оболочку атома. Ядро атома состоит из положительно заряжен­ных частиц – протонов (р⁺) и нейтральных (не имеющих заряда ) частиц – нейтронов (n). Их общее название – нуклоны. Число протонов в атоме равно числу электронов, поэтому атом в целом электрически нейтрален. Число про­тонов равно порядковому номеру элемента в Периодической системе элемен­тов таблицы Д.И. Менделеева. Число нуклонов определяет массу ядра и назы­вается массовым числом. Число протонов в ядре каждого элемента строго оп­ределено, а число нейтронов может изменяться в некоторых пределах. По­этому могут существовать раз­новидности атомов одного и того же элемента, отличающиеся количеством нейтронов, а следовательно, и массой. Такие ато­мы называются изотопами.

Многие природные элементы являются смесью изотопов. Так, водород представляет собой смесь легкого изотопа протия (₁H¹) и тяжелого – дейте­рия (₁H²), известен также и тритий (₁H³), имеющий в своем ядре три нуклона.

Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. На долю электронов при­ходится менее 0,005% массы атома. При этом плотность ядерного вещества очень велика и составляет порядка 1,8 · 10¹⁷ кг/м³. Высокая плотность ядерно­го вещества обусловлена особыми свойствами внутриядерных сил. Так, их величина максимальна на расстоянии одного ферми (10^–13 см) и во много раз превышает силы электрического (кулоновского) взаимодействия: в отличие от кулоновских сил ядерные являются силами только притяжения. Они оди­наково взаимодействуют между нуклонами независимо от их заряда.

Природа ядерных сил окончательно не исследована. Предполагается, что она связана с обменом между взаимодействующими нуклонами π-мезонами. Эти частицы не входят в состав ядра. Они рождаются при взаим­ном превращении нуклонов. Например, процесс ядерного превращения ней­трона в протон может происходить испусканием π^–-мезона:

n → π^– +р⁺. (1.1)

Некоторое мгновение существуют два протона и π^–-мезон, затем π^–-мезон по­глощается протоном и образуется нейтрон. Возможен процесс обмена и π⁺-мезоном. Эти процессы постоянно повторяются.

Ядерные силы между частицами одного сорта (протон ↔ протон или нейтрон ↔ нейтрон) Обусловлены обменом нейтральными π-ме­зонами.

Между протонами атомного ядра действуют и силы электростатическо­го отталкивания. При взаимодействии двух протонов эти си­­лы примерно в тысячу раз меньше ядерных сил, поэтому в легких ядрах (небольшое число протонов) влияние сил отталкивания незначительно. При большом количест­ве протонов (тяжелое ядро) это взаимодействие уже становится сравнимым с ядерными силами, так как электрические силы действуют и на больших расстояниях.­ Поэтому прочность ядра заметно уменьшается. При числе протонов Z >115 электрические силы отталкивания превышают ядерные силы притяжения и поэтому ядро атома с порядковым номером больше 115 существовать не мо­жет, а ядра с большими массовыми числами неустойчивы и способны к само­произвольному распаду (делению). При этом испускаются различные иони­зирующие излучения (фотонные и корпускулярные).

Закон взаимосвязи массы и энергии. Энергия атомного ядра

Вопрос об источниках и количестве заключенной в ядрах энергии прин­ципиально был решен на основании теории относительности, разработанной немецким физиком А. Эйнштейном в 1905 г. Она устанавливает взаимо­связь между массой тела (m) и его энергией (Е):

Е = m · с² , (1.2)

где С ≈ 300 000 км/с = 3 · 10⁸ м/с – скорость света.

Согласно закону (1.2) масса любого тела есть мера его энергии. Выде­ление (или поглощение) энергии ΔЕ системой ведет к уменьшению (или уве­личению) ее массы на величину m, связанную с ΔЕ соотношением

ΔЕ = m · C². (1.3)

В макромире (мире больших тел) подобное изменение массы не наблюдается, поскольку оно мало по сравнению с массой самого тела. Так, заведенные ча­сы не кажутся нам тяжелее незаведенных, хотя при заводе они получили до­полнительную энергию. Даже масса ракеты, движущейся со скоростью 8 км/с, увеличивается только на ~ 10^–7% по сравнению с ее массой покоя. Од­нако в микромире, где массы частиц малы, изменение их массы становится уже заметным.

Закон взаимосвязи массы и энергии (1.2) показывает, что в окру­жаю­щих нас телах заключены неисчерпаемые запасы энергии. Вычислим для примера энергию тела массой в 1 кг:

E = l · (3 · 10⁸)² = 9 · 10¹⁶Дж = 2,5 · 10¹⁰ кВт · ч, ( 1.4 )

т.е. 25 млрд. кВт · ч. Почти столько энергии дали все электростанции бывшего Советского Союза за один месяц 1962 г.

Возникает естественный вопрос: где сосредоточена данная энергия? По­скольку вещество состоит из атомов, а основную массу атома составляет его ядро, очевидно, что энергия заключена главным образом в ядрах атомов.

Полная энергия ядра определяется уравнением Эйнштейна:

E = m_{ядра ·} C². (1.5)

Единицами измерения энергии и массы в ядерной физике служат мега-электронвольт (МэВ) и атомная единица массы (а.е.м.) соответственно.

Пользуясь законом (1.2), вычислим энергию, заключенную в 1 а.е.м. = 1,66 · 10^–27 кг:

Е = 1,66 · 10^–27 · (3 · 10⁸ )² = 1,49 · 10^–10 = 931 (МэВ). (1.6)

Таким образом, 931 МэВ есть энергетический эквивалент атомной единицы массы (или нуклона). Учитывая энергетический эквивалент 1 а.е.м., выражение для определения полной энергии ядра (1.5) можно представить в следующем виде:

E = 931 · A, MэB, (1.7)

где А – массовое число ядра, выраженное в а.е.м. Вычислим, например, энергию, связанную с массой ядра урана-235, масса которого m ≈ 235 а.е.м.:

Е = 931 · 235 ≈ 220 000 МэВ.

Возникает вопрос: как выделить энергию, которая заклю­чается в атомном ядре?

Из области химии известен один из способов получения энергии атома, в основе которого лежит изменение структуры электронной оболочки, – экзо­термическая химическая реакция. Установлено, что при этом может выделиться лишь около 10^–8% от полных запасов энергии системы. Очевидно, что наиболее эффективные способы освобождения энергии следует искать среди ядерных превращений, энергетические изменения системы при которых бу­дут существенны. При поисках решения этой проблемы ведущую роль играет знание прочности ядра и энергии связи нуклонов в ядре.