Уран-235

Урановые рудники: правда и вымысел

В СССР на обывательском уровне бытовала гипотеза о том, что в урановых шахтах работают обреченные на смерть преступники, таким образом искупая свою вину перед партией и советским народом. Это, конечно же, не правда.

Добыча урана – высокотехнологичная отрасль горнодобывающей промышленности, и отпетых убийц с разбойниками вряд ли кто-то допустил бы к работе со сложным и очень дорогим оборудованием. Более того, слухи о том, что добывающие уран шахтеры в обязательном порядке носят противогаз и свинцовое нижнее белье, также не более чем миф.

Добывается уран в шахтах глубиной иногда до километра. Самые большие запасы этого элемента обнаружены в Канаде, России, Казахстане и Австралии. В России из одной тонны руды получается в среднем около полутора килограмм урана. Это отнюдь не самый большой показатель. В некоторых европейских рудниках эта цифра доходит до 22 кг из тонны.

Радиационный фон в шахте примерно такой же, как и на границе стратосферы, где латают гражданские пассажирские самолеты.

Вынужденное деление

Основная статья: Деление ядра

Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов

В начале 1930-х годах Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 году О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2—3 нейтрона (см. схему).

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z = 30 (цинк) до Z = 64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа — симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115—119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление, такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра, и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.

Один из вариантов вынужденного деления урана-235 после поглощения нейтрона (схема)

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β−-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244⋅10−11 Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Деление ядер — лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора.

Цепная ядерная реакция

Основная статья: Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра 235U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем – 2,416) свободных нейтронов. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235U, при условии взаимодействия с другим ядром 235U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. В реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235U, или будучи захваченными как самим изотопом 235U с превращением его в 236U, так и иными материалами (например, 238U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149Sm или 135Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает ещё один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим (см. также Коэффициент размножения нейтронов).

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет 238U, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями:

• увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235U в образце;
• уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• использовать вещество — замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Газодиффузионный способ обогащения

Это первый способ, с помощью которого стали обогащать уран. Применяется до сих пор в США и Франции. Основан на разнице плотности 235 и 238 изотопов. Урановый газ, выделенный из оксида, под большим давлением закачивается в камеру, разделенную мембраной. Атомы 235 изотопа более легкие, поэтому от полученной порции тепла движутся быстрее «медлительных» атомов 238 урана, соответственно, чаще и интенсивнее бьются о мембрану. По законам теории вероятности имеют больше шансов угодить в одну из микропор и оказаться на другой стороне этой самой мембраны.

Эффективность такого метода невелика, ведь разница между изотопами очень и очень незначительна. Но как сделать обогащенный уран, пригодный для использования? Ответ – применяя этот метод много и много раз. Для того чтобы получить пригодный для изготовления топлива реактора электростанции уран, система очистки газодиффузионным способом повторяется несколько сотен раз.

Отзывы экспертов об этом методе неоднозначны. С одной стороны, газодиффузионный способ сепарации – первый, обеспечивший Соединенные Штаты высококачественным ураном, сделавший их на время лидером в военной сфере. С другой, считается, что газовая диффузия дает меньше отходов. Единственное, что подводит в данном случае, – высокая цена конечного продукта.

Газовая диффузия.

Первая практически применяемая в промышленных масштабах технология. Несмотря на требование наличия для сильного обогащения тысяч ступеней, по затратам это более выгодный метод, чем электромагнитное разделение. Газодиффузионные предприятия по обогащению U-235 огромны и имеют большую производственную мощность.

Главная трудность — создание надежных газодиффузионных барьеров, способных противостоять коррозийному действию UF6. Есть два основных типа таких барьеров: тонкие пористые мембраны и барьеры, собранные из отдельных трубочек. Мембраны представляют собой пленки с образованными травлением порами. Например, азотная кислота протравливает сплав 40/60 Au/Ag (Ag/Zn); либо электролитическим травлением алюминиевой фольги можно получить хрупкую алюминиевую мембрану. Составные барьеры собираются из маленьких дискретных элементов, упакованных в относительно толстую пористую перегородку.

Технология изготовления диффузионных барьеров продолжает оставаться засекреченной во всех странах, разработавших ее.

Построенное во время второй мировой войны производство K-25 в Ок-Ридже состояло из 3024 ступеней обогащения и продолжало функционировать до конца 1970-х. Разработка подходящего материала для барьеров оказалась сложным делом, что вызвало некоторую задержку с вводом в строй предприятия после войны, хотя даже частично законченный завод внес вклад в накопление U-235 для «Малыша» (Little Boy). В то время барьеры изготавливались из спеченного никелевого порошка, попытки создать многообещающие мембраны из электролитически вытравленного алюминия провалились. K-25 изначально содержал 162 000 м2 мембранной поверхности. Это предприятие, с расширениями, произвело большую часть всего урана для армии США в шестидесятых. С усовершенствованием газодиффузионных барьеров производительность завода возросла в 23 раза.

Диффузионное производство потребляет гораздо меньше электроэнергии по сравнению с электромагнитным, но ее расход все равно остается достаточно большим. В 1981 году, после модернизации, оно имело удельную потребляемую мощность на уровне 2370 кВт-ч/МПП-кг. Несмотря на то, что уран низкого обогащения — ценное сырье для производства высокообогащенного урана, газодиффузионные установки низкого обогащения невозможно легко переделать для производства урана высокого обогащения. Высокое обогащение требует много меньших по размеру ступеней, из-за резкого снижения коэффициента обогащения и проблем с критичностью (накопление критической массы урана) у больших по размеру блоков.

Огромные размеры обогатительной системы ведут к длительному времени заполнения ее материалом (обогащаемым веществом), до начала выхода продукта. Обычно это время установления равновесия составляет 1-3 месяца. Технология газовой диффузии широко использовалась во множестве стран, даже Аргентина создала действующее обогатительное предприятие для своей тайной оружейной программы (в настоящее время прекращенной). В 1979 году более 98% всего урана производилось с использованием этого процесса. К середине 1980-х эта доля сократилась до 95% с освоением метода центрифугирования.

Военное использование

Сердечник снаряда калибра 30 мм (пушки GAU-8 самолёта A-10) диаметром около 20 мм из обеднённого урана

Снаряды с обеднённым ураном для артиллерийского комплекса Mark 15 Phalanx CIWS на борту американского линкора USS Missouri (BB-63). Фотография военно-морских сил США, 1987 год

Боеприпасы

Главное военное применение обеднённого урана — бронебойные снаряды и пули[источник не указан 2571 день]. Использование обеднённого урана в боеприпасах вызвано его свойствами — высочайшей плотностью и пирофорностью пыли — таким образом, бронебойные снаряды, содержащие обеднённый уран, обеспечивают высокое бронебойное действие и вызывают существенные запреградные разрушения, что определяет их эффективность. Кроме того, в странах с развитой ядерной промышленностью, накопивших большое количество обеднённого урана, его использование для боеприпасов обходится дешевле, чем использование других материалов.

Плотность обеднённого урана очень высока — 19 050 кг/м³ (в 19 раз плотнее воды). Обеднённый уран на 67 % плотнее, чем свинец, это лишь немного меньше, чем плотность вольфрама и золота, и только на 16 % меньше, чем плотность осмия или иридия. В результате снаряд из обеднённого урана имеет меньший диаметр, чем эквивалентный по массе снаряд из другого металла, а следовательно и меньшее аэродинамическое сопротивление и глубже проникает в цель из-за более высокого удельного давления в момент попадания.

Использование боеприпасов из обеднённого урана является спорным вопросом, поскольку нет чёткого ответа на многочисленные вопросы по поводу долгосрочных последствий для здоровья. По мнению ряда экспертов, экологов, правозащитников и политиков, применение боеприпасов с обеднённым ураном вызывает заражение местности с последующей вспышкой раковых и наследственных заболеваний. Пентагон, НАТО, власти США и Великобритании настаивают на том, что это невозможно.

Применение

Территории, на которых США применяли боеприпасы с обеднённым ураном

Вооружённые силы США использовали оружие с обеднённым ураном в 1991 году в Персидском заливе, в войне в Боснии, при бомбардировке Сербии (1999) и в иракской войне (с 2003 года).

В войне против Ирака

США применяли боеприпасы с ураном во время войны против Ирака в 1991 году. Армия США истратила около 14 тысяч танковых снарядов, содержащих обеднённый уран. Всего было использовано от 275 до 300 тонн обеднённого урана. По словам директора Центра международных инициатив в Нью-Йорке Сары Фландерс, «Пентагон использовал огромное количество оружия с обеднённым ураном в войне против Ирака. За эту операцию было выпущено более 940 тысяч 30-миллиметровых снарядов с ураном и более 14 тысяч крупнокалиберных танковых снарядов — 105- и 120-миллиметровых снарядов».

После войны у нескольких тысяч солдат США и Великобритании были обнаружены различные заболевания.

В войне против Югославии

Использование урана в боеприпасах в ходе войны НАТО против Югославии привело впоследствии к крупному скандалу в Европе (заболеваниям и смерти военнослужащих; это явление известно как «балканский синдром»).
Согласно предварительным исследованиям комиссии ООН в январе 2001 года, из 11 обследованных объектов, по которым наносились удары урановыми боеприпасами, 8 серьёзно заражены. По мнению экспертов, большая часть воды в Косове непригодна для употребления. Сотрудникам ООН было не рекомендовано приближаться к опасным объектам и пить из местных источников. Дезактивация заражённых районов оценивалась в несколько миллиардов долларов.

Пластины брони

Благодаря высокой плотности обеднённый уран может быть использован в танковой броне в качестве промежуточного слоя между стальными листами. Например, поздние образцы танков Abrams (M1A1HA и M1A2), модернизированные после 1998 года, содержат вкладыши из обеднённого урана в броне передней части корпуса и передней части башни.

Такой обеднённый уран получил название «уранокерамика».

Обеднённый уран используется для оболочек ядерных зарядов, а также, в качестве ядерного топлива — третьего компонента в трёхступенчатых термоядерных зарядов: уран-238 не имеет критической массы, но под воздействием нейтронного пучка от термоядерной реакции быстро распадается с выделением дополнительной энергии. Это позволяет значительно (в 2-5 раз) повысить мощность взрыва, ценой еще более значительного (в 5-10 раз) увеличения радиоактивного загрязнения продуктами распада.с. 207.

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

β−-распад нуклида 235Pa (период полураспада составляет 24,44(11) мин):

91235Pa→92235U+e−+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{235}_{91}Pa} \rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e};}

K-захват, осуществляемый нуклидом 235Np (период полураспада составляет 396,1(12) дня):

93235Np+e−→92235U+ν¯e;{\displaystyle \mathrm {^{235}_{93}Np} +e^{-}\rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +{\bar {\nu }}_{e};}

α-распад нуклида 239Pu (период полураспада составляет 2,411(3)⋅104 лет):

94239Pu→92235U+24He.{\displaystyle \mathrm {^{239}_{94}Pu} \rightarrow \mathrm {^{235}_{92}U} +\mathrm {^{4}_{2}He} .}

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

α-распад в 231Th (вероятность 100 %, энергия распада 4 678,3(7) кэВ):

92235U→90231Th+24He;{\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm {^{231}_{90}Th} +\mathrm {^{4}_{2}He} ;}

• Спонтанное деление (вероятность 7(2)⋅10−9 %);
• Кластерный распад с образованием нуклидов 20Ne, ²⁵Ne и ²⁸Mg (вероятности соответственно составляют 8(4)⋅10−10 %, 8⋅10−10 %, 8⋅10−10 %):

92235U→82215Pb+1020Ne;{\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm {^{215}_{82}Pb} +\mathrm {^{20}_{10}Ne} ;}

92235U→82210Pb+1025Ne;{\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm {^{210}_{82}Pb} +\mathrm {^{25}_{10}Ne} ;}

92235U→80207Hg+1228Mg.{\displaystyle \mathrm {^{235}_{92}U} \rightarrow \mathrm {^{207}_{80}Hg} +\mathrm {^{28}_{12}Mg} .}

Сквозь сито

Самым простым методом разделения является газовая диффузия — «продавливание» газообразного сырья (гексафторид урана) сквозь мелкопористую мембрану, при этом различные изотопы диффундируют сквозь поры с различной скоростью. Именно газовая диффузия стала первым методом, который использовался для получения промышленных количеств урана-235 на первых обогатительных комбинатах. В США разработки в области газовой диффузии для Манхэттенского проекта велись под началом лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри. В СССР до 1954 года этим направлением руководил академик Борис Константинов, потом его сменил Исаак Кикоин.

Поначалу, как это нередко бывает, метод газовой диффузии казался доступнее в реализации. Но он требовал огромных затрат электроэнергии — Саяно-Шушенская ГЭС и первая очередь Белоярской атомной, как теперь выясняется, строились прежде всего для этих целей. Кроме общей дороговизны и низкого КПД, метод газовой диффузии был небезопасен для работающих — главным образом из-за высоких температур и шума в цехах. Плюс большие объемы химически активных смесей под давлением, а это потенциальные выбросы и загрязнение окружающей среды. Между тем альтернатива газодиффузионному методу была известна с конца XIX века — это центрифужный метод, сулящий весьма значительную экономию: когда в 1958 году завод в Верх-Нейвинске вышел на расчетный режим, оказалось, что энергопотребление на единицу разделения в 20 (!) раз меньше диффузионного метода, а себестоимость — вдвое меньше. Правда, на пути создания центрифуг конструкторов поджидали многочисленные технологические сложности.

Технологии
Атомный могильник: как хранят радиоактивные отходы

Электромагнитное разделение. Основано на движении заряженных частиц (ионов) в магнитном поле. В зависимости от массы частиц кривизна их траектории при этом различна, и даже небольшая разница в атомной массе ядер изотопов урана дает возможность их разделения. Такие установки, называемые калютронами, использовались в американском Манхэттенском проекте, поскольку позволяли получить очень высокую степень обогащения урана за считанные проходы. Однако калютроны очень громоздки, дороги в обслуживании, потребляют много энергии и имеют низкую производительность, так что сейчас для промышленного обогащения урана не используются.

Технологии

Основная статья: Разделение изотопов

Известно много методов разделения изотопов. Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге, то тяжёлые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем лёгкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. В электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. В аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании: газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжёлые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с лёгким изотопом урана более подвижны чем тяжёлые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF₆.

Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования. Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.

Чем же так страшен обогащенный уран

Уран или оружейный плутоний опасны в чистом виде по одной простой причине: из них при наличии определенной технической базы можно изготовить взрывное ядерное устройство.

На рисунке представлено схематическое изображение простейшей ядерной боеголовки. Заготовки 1 и 2 из ядерного топлива находятся внутри оболочки. Каждая из них составляет одну из частей целого шара и весит немного меньше критической массы используемого в бомбе оружейного металла.

При подрыве тротилового детонирующего заряда урановые слитки 1 и 2 соединяются в одно целое, их общая масса уверенно превышает критическую массу для данного материала, что приводит к цепной ядерной реакции и, соответственно, к атомному взрыву.

Казалось бы, ничего сложного, но на самом деле это, конечно же, не так. В противном случае стран, располагающих ядерным оружием, было бы на планете на порядок больше. Более того, сильно возрос бы риск попадания таких опасных технологий в руки достаточно мощных и развитых террористических группировок.

Весь фокус в том, что обогащать уран, даже при нынешнем развитии техники, в состоянии только очень богатые державы, обладающие развитой научной инфраструктурой. Еще сложнее, без чего атомное устройство не будет работать, разделить 235 и 238 изотопы урана.

Применение

На атомные электростанции и другие ядерные установки топливо приходит в виде ТВС. Они могут загружаться в реактор как во время его работы (на место выгоревших ТВС), так и во время ремонтной кампании. В последнем случае тепловыделяющие сборки меняют крупными группами. При этом лишь третья часть топлива заменяется полностью. Наиболее выгоревшие сборки выгружаются из центральной части реактора, а на их место ставятся частично выгоревшие сборки, которые ранее находились в менее активных областях. Следовательно, на место последних устанавливаются новые ТВС. Эта нехитрая схема перестановки считается традиционной и имеет ряд преимуществ, главным из которых является обеспечение равномерного энерговыделения. Конечно же, это условная схема, которая дает лишь общие представления о процессе.

Военное использование

105-мм выстрел M900 БОПС-T (Бронебойный оперённый подкалиберный трассирующий снаряд с сердечником из обеднённого урана.)

Выстрелы с обеднённым ураном для артиллерийского комплекса Mark 15 Phalanx CIWS на борту американского линкора USS Missouri (BB-63). Фотография ВМФ США, 1987 год.

Боеприпасы

Основное военное применение обеднённого урана — бронебойные снаряды.
Идея использования обеднённого урана в качестве бронебойных сердечников восходит к Второй мировой войне, когда министр вооружений Рейха Альберт Шпеер распорядился использовать уран из-за дефицита вольфрама

Использование обеднённого урана в боеприпасах связано с его свойствами — высокой массовой плотностью и пирофорностью — благодаря которым снаряды с обеднённым ураном, обеспечивают высокое бронебойное действие и вызывают существенные запреградные разрушения, что в итоге определяет их эффективность. В странах с развитой атомной промышленностью, располагающих накопленными запасами обеднённого урана, его использование в боеприпасах обходится относительно дешевле, чем использование других материалов.

Плотность обеднённого урана высокая — 19 050 кг/м³, и на 67 процентов выше плотности свинца, немного меньше, чем плотность вольфрама и золота, и лишь на 16 % меньше, плотности осмия и иридия, — самых тяжёлых элементов таблицы Менделеева. В результате диаметр бронебойного сердечника из обеднённого урана меньше эквивалентного по массе сердечника из другого металла, соответственно меньше его аэродинамическое сопротивление и больше глубина проникания в преграду.

Использование боеприпасов из обеднённого урана является спорным вопросом, поскольку нет чёткого ответа на многочисленные вопросы по поводу долгосрочных последствий для здоровья. По мнению ряда экспертов, экологов, правозащитников и политиков, применение боеприпасов с обеднённым ураном вызывает заражение местности с последующей вспышкой раковых и наследственных заболеваний. Пентагон, НАТО, власти США и Великобритании настаивают на том, что это невозможно.

Применение

Территории, на которых США применяли боеприпасы с обеднённым ураном

См. также: Использование армией США боеприпасов с обеднённым ураном

Вооружённые силы США использовали оружие с обеднённым ураном в 1991 году в Персидском заливе, в ходе войны в Боснии, при бомбардировках Сербии (1999), в иракской войне (с 2003 года).

В войне против Ирака

США применяли боеприпасы с ураном во время войны против Ирака в 1991 году. Армия США израсходовала около 14 тысяч танковых выстрелов, содержащих обеднённый уран. Всего, согласно оценкам, было использовано от 275 до 300 тонн обеднённого урана. По словам директора Центра международных инициатив в Нью-Йорке Сары Фландерс, «Пентагон использовал огромное количество оружия с обеднённым ураном в войне против Ирака. За эту операцию было выпущено более 940 тысяч 30-миллиметровых снарядов с ураном и более 14 тысяч крупнокалиберных танковых снарядов — 105- и 120-миллиметровых снарядов».

В войне против Югославии

Использование в качестве танковой брони

Благодаря высокой плотности обеднённый уран используется в танковой броне в виде промежуточного слоя между стальными листами. Например, последние модификации танков Abrams (M1A1HA и M1A2), выпуска после 1998 года, содержат элементы защиты из обеднённого урана передних частей корпуса и башни.

Обеднённый уран используется для оболочек ядерных зарядов[источник не указан 191 день], а также, в качестве ядерного топлива — третьего компонента в трёхступенчатых термоядерных зарядов: уран-238 не имеет критической массы, но под воздействием нейтронного пучка от термоядерной реакции быстро распадается с выделением дополнительной энергии. Это позволяет значительно (в 2-5 раз) увеличить мощность взрыва, ценой еще более значительного (в 5-10 раз) увеличения радиоактивного загрязнения продуктами распада.с. 207.

Схема Теллера-Улама

Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».

В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер — цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.

На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба — это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.

Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.

При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.

В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент — начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд — в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.

Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.

Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы — уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».