1. Что называется цепной реакцией? А. Реакция, в которой образуется цепочка атомных ядер. Б. Реакция деления ядер. В. Реакция синтеза ядер. Г. Реакция, в которой происходит распад ядер. Д. Реакция, в которой частицы, вызывающие её, образуются как продукты этой реакции.
2. Реакция деления тяжёлых ядер протекает как цепная реакция вследствие испускания некоторых частиц. Укажите, какие это частицы в приведённой реакции: . А. Два протона. Б. Один протон и один нейтрон. В. Три нейтрона. Г. Два нейтрона. Д. Один протон и два нейтрона.
3. Атомное ядро висмута в результате ряда радиоактивных превращений превратилось в ядро свинца 
. Какие виды радиоактивных превращений оно испытало?
А.
Альфа-распад. Б.
Бета-плюс-распад. В.
Бета-минус-распад. Г
Бета-плюс-распад и альфа -распад. Д.
Бета-минус-распад и альфа-распад.
4. Ядро испускает g -квант. Из предложенных ниже утверждений выберите правильное. Порядковый номер элемента: А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется.
5. Ядро испускает электрон. Из перечисленных в таблице утверждений выберите правильное.
Ненужное зачеркнуть.
6. При осуществлении ядерной реакции деления ядер урана около 165 МэВ освобождается в форме кинетической энергии движения осколков ядра. Какие силы сообщают ускорение осколкам ядра, увеличивая их кинетическую энергию? А. Кулоновские силы. Б. Гравитационные силы. В. Ядерные силы. Г. Силы слабого взаимодействия. Д. Силы неизвестной природы. Е. Электромагнитные силы.
7. Какое условие необходимо для протекания цепной ядерной реакции: 1) масса урана или плутония должна быть не менее критической массы; 2) наличие высокой температуры; 3) масса урана или плутония должна быть меньше критической массы? А. Только 1. Б. Только 2. В. 1 и 2. Г. Только 3. Д. 2 и 3.
8. Что называется критической массой в урановом ядерном реакторе? А. Максимальная масса урана в реакторе, при которой он может работать без взрыва. Б. Минимальная масса урана в реакторе, при которой он может быть осуществлена цепная реакция. В. Дополнительная масса урана, вносимая в реактор для его запуска. Г. Дополнительная масса вещества, вносимого в реактор для его остановки в критических случаях.
9. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве поглотителей нейтронов: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) тяжёлая вода; 5) бор; 6) плутоний. (Выберите правильный ответ).
10. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве замедлителей нейтронов: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) тяжёлая вода; 5) бор; 6) плутоний. (Выберите правильный ответ).
11. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве ядерного горючего: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) тяжёлая вода; 5) бор; 6) плутоний. (Выберите правильный ответ).
12. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве теплоносителей: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) обычная вода; 5) жидкий натрий; 6) плутоний; 7) тяжёлая вода. (Выберите правильный ответ).
13. Какое называется Ядерный реактор – это устройство, в котором … А. ядерная энергия превращается в электрическую. Б. осуществляется управляемая реакция деления ядер. В. происходит синтез ядер. Г. происходит распад ядер. Д. протекает химическая реакция.
КРИТИЧЕСКАЯ МАССА, минимальная масса материала, способного к ДЕЛЕНИЮ, необходимая для начала ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ в атомной бомбе или атомном реакторе. В атомной бомбе взрывающийся материал разделяют на части, каждая из которых меньше критической… … Научно-технический энциклопедический словарь
См. МАССА КРИТИЧЕСКАЯ. Райзберг Б.А., Лозовский Л.Ш., Стародубцева Е.Б.. Современный экономический словарь. 2 е изд., испр. М.: ИНФРА М. 479 с.. 1999 … Экономический словарь
КРИТИЧЕСКАЯ МАССА - наименьшая (см.) делящегося вещества (уран 233 или 235, плутоний 239 и др.), при которой может возникнуть и протекать самоподдерживающаяся цепная реакция деления атомных ядер. Значение критической массы зависит от вида делящегося вещества, его… … Большая политехническая энциклопедия
КРИТИЧЕСКАЯ масса, минимальная масса делящегося вещества (ядерного горючего), обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления. Величина критической массы (Mкр) зависит от вида ядерного горючего и его геометрической… … Современная энциклопедия
Минимальная масса делящегося вещества, обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления … Большой Энциклопедический словарь
Critical mass наименьшая масса топлива, в которой может протекать самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер при определенной конструкции и составе активной зоны (зависит от многих факторов, например: состава топлива, замедлителя, формы… … Термины атомной энергетики
критическая масса - Наименьшая масса топлива, в которой может протекать самоподдерживающаяся цепная реакция деления ядер при определенной конструкции и составе активной зоны (зависит от многих факторов, например: состава топлива, замедлителя, формы активной зоны и… … Справочник технического переводчика
Критическая масса - КРИТИЧЕСКАЯ МАССА, минимальная масса делящегося вещества (ядерного горючего), обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления. Величина критической массы (Mкр) зависит от вида ядерного горючего и его геометрической… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Минимальное кол во ядерного горючего, содержащего делящиеся нуклиды (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), при к ром возможно осуществление ядерной цепной реакции деления (см. Деление ядер. Ядерный реактор, Ядерный взрыв). К. м. зависит от размеров и формы… … Физическая энциклопедия
Минимальная масса делящегося вещества, обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления. * * * КРИТИЧЕСКАЯ МАССА КРИТИЧЕСКАЯ МАССА, минимальная масса делящегося вещества, обеспечивающая протекание самоподдерживающейся … Энциклопедический словарь
Контрольная работа № 5
Вариант 1
Явление радиоактивности , открытое Беккерелем, свидетельствует о том, что…
Б. В состав атома входят электроны.
В. Атом имеет сложную структуру.
Г. Это явление характерно только для урана.
Кто предложил ядерную модель строения атома?
На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Чёрные точки- электроны. Какая схема соответствует атому 2 4 Не?
В состав атома входят следующие частицы:
Б. нуклоны и электроны.
В. протоны и нейтроны.
Г. Нейтроны и электроны.
Чему равно массовое число ядра атома марганца 25 55 Мn?
В каких из следующих реакций нарушен закон сохранения заряда?
Б. 3 6 Li + 1 1 Н→ 2 4 Не + 2 3 Не.
В. 2 3 Не + 2 3 Не→ 2 4 Не + 1 1 Н + 1 1 Н.
Г. 3 7 Li + 2 4 Не → 5 10 В + 0 1 n.
^ Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Между какими парами частиц внутри ядра действуют ядерные силы?
Б. Протон- нейтрон.
В. Нейтрон- нейтрон.
Г. Во всех парах А- В.
Массы протона и нейтрона…
Б. Приблизительно одинаковы.
В. Относятся как 1:1836.
Г. Приблизительно равны нулю.
В ядре атома кальция 20 40 Са содержится…
Б. 40 нейтронов и 20 электронов.
В. 20 протонов и 40 электронов.
Г. 20 протонов и 20 нейтронов.
^ В каком приборе след движения быстрой заряженной частицы в газе делается видимым (в результате конденсации пересыщенного пара на ионах)?
Б. В камере Вильсона.
Г. В пузырьковой камере.
^ Определить второй продукт Х в ядерной реакции: 13 27 Al + 0 1 n → 11 24 Na+Х.
Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса свободного нейтрона m n , свободного протона m p . Какое из приведенных ниже условий выполняется для массы ядра m g ?
Б. m g
В. m g > Zm p + Nm n.
Г. Для стабильных ядер условие А, для радиоактивных ядер условие В.
Рассчитать ∆ m (дефект масс) ядра атома 3 7 Li (в а.е.м.).
А. ∆m ≈ 0,04. Б. ∆m ≈ –0,04. В. ∆m =0. Г. ∆m ≈ 0,2.
14 В каких единицах должно быть выражено значение массы при вычислении энергии связи атомных ядер с использованием формулы ∆Е= ∆m*c 2 ?
А. В килограммах.
Б. В граммах.
В. В атомных единицах массы.
Г. В джоулях.
^ Что называется критической массой в урановом ядерном реакторе?
Б. Минимальная масса урана , при которой в реакторе может быть осуществлена цепная реакция.
В. Дополнительная масса урана , вносимая в реактор для его запуска.
Г. Дополнительная масса вещества, вносимого в реактор для его остановки в критических случаях.
^ Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внешнем облучении человека?
Б. гамма- излучение.
В. Альфа- излучение.
^ Дополнительное задание.
Все химические элементы существуют в виде двух или большего количества изотопов. Определите отличие в составе ядер изотопов 17 35 Cl и 17 37 Cl.
Б. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 протона меньше , чем 17 35 Cl.
В. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 нейтрона больше , чем 17 35 Cl.
Г. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 нейтрона меньше, чем 17 35 Cl.
18. При альфа- распаде атомных ядер…
массовое число сохраняется , а заряд увеличивается на единицу.
Б. Массовое число уменьшается на 4, а заряд остается неизменным.
В. Массовое число уменьшается на 4, а заряд увеличивается на 2.
Г. Массовое число уменьшается на 4, заряд также уменьшается на 2.
^ 19. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции. 3 6 Li + 1 1 Н→ 2 4 Не + 2 3 Не? Массы ядер и частиц в а. м. соответственно равны: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 Н= 1,00728, m 2 4 Не= 4,00260, m 2 3 Не =3,01602.
А. Поглощается, т.к. ∆m
Б. Выделяется, т.к. ∆m
В.Поглощается, т.к. ∆m> 0.
Г. Выделяется, т.к. ∆m> 0.
20. При бомбардировке изотопа 5 10 В нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается альфа- частица. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда , а также периодической системой элементов, запишите ядерную реакцию.
Контрольная работа № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Вариант 2
^ 1. В состав радиоактивного излучения могут входить…
А. Только электроны.
Б. Только нейтроны.
В. Только альфа-частицы.
Г. Бета- частицы, альфа-частицы, гамма-кванты.
^ 2. С помощью опытов Резерфорд установил, что…
А. Положительный заряд распределён равномерно по всему объёму атома.
Б. Положительный заряд сосредоточен в центре атома и занимает очень малый объём.
В. В состав атома входят электроны.
Г. Атом не имеет внутренней структуры.
^ На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Электроны изображены в виде чёрных точек.
В состав ядра входят следующие частицы:
Б. Протоны и электроны.
В. Протоны и нейтроны
Г. Нейтроны и электроны.
^ 5. Чему равен заряд ядра атома стронция 38 88 Sr?
А. 88 Б. 38 В. 50 Г. 126.
В каком из приведённых ниже уравнений ядерных реакций нарушен закон сохранения массового числа?
Б. 7 14 N + 2 4 Не → 8 17 О + 1 1 Н
В. 7 14 N + 1 1 Н → 5 11 В + 2 4 Не
Г. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 е
^ 6. Ядерные силы, действующие между нуклонами …
А. Во много раз превосходят гравитационные силы и действуют между заряжёнными частицами.
Б. Во много раз превосходят все виды сил и действуют на любых расстояниях.
В. Во много раз превосходят все другие виды сил , но действуют только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра.
Г. Во много раз превосходят гравитационные силы и действуют между любыми частицами.
Массы протона и электрона…
Б. Приблизительно одинаковы.
В. Относятся как 1: 1836.
Г. Приблизительно равно нулю.
^ 8. В ядре атома железа 26 56 Fe содержится:
А. 26 нейтронов и 56 протонов.
Б. 56 нейтронов и 26 протонов.
В. 26 протонов и 56 электронов.
Г. 26 протонов и 30 нейтронов.
В каком приборе происхождение ионизирующей частицы регистрируется по возникновению импульса электрического тока в результате возникновения самостоятельного разряда в газе?
Б. В счётчике Гейгера.
В. В сцинцилляционном счетчике.
Г. В пузырьковой камере.
^ Определите второй продукт Х ядерной реакции:
А. Альфа-частица (2 4 Не).
Б. Нейтрон.
В. Протон.
Г. Электрон.
^ 12. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса свободного нейтрона m n , свободного протона m p . Какое из приведённых ниже условий выполняется для массы ядра m я ?
А. m я Z*m p + m n ; В. m я = Z*m p + N*m n
Г. Для стабильных ядер условие А, для радиоактивных- условие Б.
^ 13. Рассчитать дефект масс (∆ m) в а. е. м. Ядра атома 2 3 Не. Массы частиц и ядра, выраженные в а. е. м., соответственно равны: m n = 1,00866; m p = 1,00728;
m я = 3,01602.
А. ∆ m ≈ 0,072 Б. ∆ m ≈ 0,0072 В. ∆ m ≈ -0,0072 Г.∆ m ≈ 0
^ 14. В каких единицах будет получено значение энергии при вычислении энергии связи атомных ядер с использованием формулы ∆E=m*c 2 ?
А. В электрон-вольтах (эВ).
Б. В мегаэлектрон-вольтах (МэВ)
В. В джоулях.
Г. В а. е. м.
^ 15. В ядерном реакторе в качестве так называемых замедлителей используются такие вещества, как графит или вода. Что они должны замедлять и зачем?
А. Замедляют нейтроны для уменьшения вероятности осуществления ядерной реакции деления.
Б. Замедляют нейтроны для увеличения вероятности осуществления ядерной реакции деления.
В. Замедляют осуществление цепной реакции деления , чтобы легче было управлять реактором.
Г. Замедляют осколки ядер, образовавшихся в результате деления урана, для практического использования их кинетической энергии.
^ 16. Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внутреннем облучении человека?
А. Бета-излучение.
Б. Гамма-излучение.
В. Альфа-излучение.
Г. Все три вида излучения: альфа, бета, гамма.
^ Дополнительное задание.
Все химические элементы существуют в виде двух или большего количества изотопов. Определите отличие в составе ядер изотопов 10 20 Ne и 10 22 Ne
Б. изотоп 10 20 Ne имеет в ядре на 2 протона меньше , чем 10 22 Ne
В. изотоп 10 22 Ne имеет в ядре на 2 нейтрона больше , чем 10 20 Ne
Г. изотоп 10 22 Ne имеет в ядре на 2 нейтрона меньше, чем 10 20 Ne
18.При бетта- распаде атомных ядер…
А. Масса ядра остается практически неизменной, поэтому массовое число сохраняется , а заряд увеличивается.
Б. Массовое число увеличивается на 1, а заряд уменьшается на 1.
В. Массовое число сохраняется, а заряд уменьшается на 1.
Г. Массовое число уменьшается на 1, заряд сохраняется.
19. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции 7 14 N + 2 4 Не → 8 17 О + 1 1 Н? Массы ядер и частиц(в а. м.) соответственно равны: m 7 14 N= 14,00307, m 2 4 Не = 4,00260, m 8 17 О=16,99913, m 1 1 Н =1,00728.
А. Поглощается, т.к. ∆m
Б. Выделяется, т.к. ∆m
В.Поглощается, т.к. ∆m> 0.
Г. Выделяется, т.к. ∆m> 0.
20. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда , а также периодической системой элементов, написать ядерную реакцию , происходящую при бомбардировке 5 11 В альфа – частицами и сопровождаемую выбиванием нейтронов
^ Бланк ответов
к контрольной работе № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Класс _____________
Вариант _______| № зад. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
| № дополнит. задания
| 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
^ Бланк ответов
к контрольной работе № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Дата: ___________________20__г.
Класс _____________
ФИО ________________________________
Вариант _______| № зад. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
| № дополнит. задания
| 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
^ Коды правильных ответов.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| В1 | В | Г | В | Б | Г | А | Г | Б | Г | Б | А | Б | А | А | Б | В | В | Г | Б |
| В2 | Г | Б | В | В | Б | В | В | А | Г | Б | Б | А | А | В | В | В | В | А | Б |
№20 5 10 В + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 Не (1 ВАРИАНТ)
5 11 В + 2 4 Не→ 7 14 N + 1 1 Н (2 ВАРИАНТ)
^ Таблица перевода числа правильных ответов на обязательные вопросы в оценку по пятибалльной шкале.
Для осуществления цепной реакции деления необходимо создать размножающую среду, состоящую из чистого делящегося вещества или делящегося вещества и замедлителя, состав которой и обеспечивает возможность развития реакции. Следует учесть, что в этой среде неизбежно будут присутствовать конструкционные материалы. Однако подбор размножающей среды с нужными параметрами еще не обеспечивает все условия для цепной реакции. При небольших размерах, а соответственно и массе размножающей среды большая часть возникающих в ней нейтронов будет вылетать наружу, не успев вызвать делений, и самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) не возникнет. Утечка нейтронов из объема с размножающей средой приводит к тому же результату, что и их поглощение без деления.
По мере увеличения размеров размножающей среды увеличивается средняя длина пути нейтронов в ней, а следовательно, и число столкновений с ядрами с последующим делением и возникновением новых нейтронов.. Для описания поведения реактора во времени был введен коэффициент размножения k эфф - отношение числа нейтронов в последующем поколении к числу нейтронов в предыдущем. В такой трактовке при увеличении размеров среды k эфф растет от нуля при нулевой вероятности делений до величин, больших единицы, при лавиноподобном росте числа нейтронов в ряду поколений.
При k эфф, равном единице, интенсивность процесса делений не меняется во времени - процесс является самоподдерживающимся, и такая система называется критической . При k эфф < 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют подкритической . При k эфф > 1 система надкритическая .
Минимальная масса делящегося материала, необходимая для осуществления самоподдерживающейся реакции деления, называется критической массой . Если масса превысит критическую, то в каждом следующем поколении будет рождаться больше нейтронов, чем в предыдущем, и цепная реакция будет развиваться. Значение критической массы зависит от свойств делящегося нуклида (235 U или 239 Pu), состава размножающей среды и ее окружения. Величина критической массы может меняться от нескольких сот граммов в экспериментальных устройствах до десятков килограммов в ядерных боеголовках и нескольких тонн в больших энергетических реакторах. Рассмотрим ядерный реактор на естественном уране . В нем может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция, если число вторичных нейтронов, рожденных при делении и способных вызвать дальнейшие деления, оказывается достаточным для того, чтобы поддерживать скорость деления в реакторе на постоянном уровне.
Загадочное устройство, способное выделить гигаджоули энергии в течение неописуемо малого промежутка времени, окружено зловещей романтикой. Что и говорить, во всем мире работы по ядерному оружию были глубоко засекречены, а сама бомба обросла массой легенд и мифов. Попробуем разобраться с ними по порядку.
Андрей Суворов
Ничто не вызывает такого интереса, как атомная бомба
Август 1945 года. Эрнест Орландо Лоуренс в лаборатории по разработке атомной бомбы
1954 год. Спустя восемь лет после взрыва у атолла Бикини японские ученые обнаружили высокий уровень радиации у рыбы, пойманной в местных водах
Критическая масса
Все слышали, что есть некая критическая масса, которую нужно набрать, чтобы началась цепная ядерная реакция. Вот только для того, чтобы произошел настоящий ядерный взрыв, одной критической массы недостаточно — реакция прекратится практически мгновенно, до того как успеет выделиться заметная энергия. Для полномасштабного взрыва в несколько килотонн или десятков килотонн нужно одномоментно собрать две-три, а лучше четыре-пять критических масс.
Кажется очевидным, что нужно сделать две или несколько деталей из урана или плутония и в требуемый момент соединить их. Справедливости ради надо сказать, что так же думали и физики, когда брались за конструирование ядерной бомбы. Но действительность внесла свои коррективы.
Дело в том, что если бы у нас был очень чистый уран-235 или плутоний-239, то можно было бы так и сделать, но ученым пришлось иметь дело с реальными металлами. Обогащая природный уран, можно сделать смесь, содержающую 90% урана-235 и 10% урана-238, попытки избавиться от остатка урана-238 ведут к очень быстрому удорожанию этого материала (его называют высокообогащенным ураном). Плутоний-239, который получают в атомном реакторе из урана238 при делении урана-235, обязательно содержит примесь плутония-240.
Изотопы уран235 и плутоний239 называются четно-нечетными, так как ядра их атомов содержат четное число протонов (92 для урана и 94 для плутония) и нечетное число нейтронов (143 и 145 соответственно). Все четно-нечетные ядра тяжелых элементов обладают общим свойством: они редко делятся самопроизвольно (ученые говорят: «спонтанно»), но легко делятся при попадании в ядро нейтрона.
Уран-238 и плутоний-240 — четно-четные. Они, наоборот, практически не делятся нейтронами малых и умеренных энергий, которые вылетают из делящихся ядер, но зато в сотни или десятки тысяч раз чаще делятся спонтанно, образуя нейтронный фон. Этот фон очень сильно затрудняет создание ядерных боеприпасов, потому что вызывает преждевременное начало реакции, до того как встретятся две детали заряда. Из-за этого в подготовленном к взрыву устройстве части критической массы должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, а соединяться с большой скоростью.
Пушечная бомба
Тем не менее, бомба, сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, была сделана именно по вышеописанной схеме. Две ее детали, мишень и пуля, были изготовлены из высокообогащенного урана. Мишень была цилиндром диаметром 16 см и высотой тоже 16 см. В ее центре было отверстие диаметром 10 см. В соответствии с этим отверстием и была изготовлена пуля. Всего бомба содержала 64 кг урана.
Мишень была окружена оболочкой, внутренний слой которой был изготовлен из карбида вольфрама, наружный — из стали. Назначение у оболочки было двойным: удержать пулю, когда она воткнется в мишень, и отразить хотя бы часть вылетающих из урана нейтронов обратно. С учетом отражателя нейтронов 64 кг составляли 2,3 критических массы. Как же это выходило, ведь каждый из кусков был субкритическим? Дело в том, что, вынимая из цилиндра среднюю часть, мы уменьшаем его среднюю плотность и значение критической массы повышается. Таким образом, масса этой части может превышать критическую массу для сплошного куска металла. А вот увеличить массу пули таким образом невозможно, ведь она должна быть сплошной.
И мишень, и пуля были собраны из кусочков: мишень из нескольких колец малой высоты, а пуля из шести шайб. Причина проста — заготовки из урана должны были быть небольшими по размеру, ведь при изготовлении (отливке, прессовании) заготовки общее количество урана не должно приближаться к критической массе. Пуля была заключена в тонкостенную оболочку из нержавеющей стали, с крышкой из карбида вольфрама, как у оболочки мишени.
Для того чтобы направить пулю в центр мишени, решили использовать ствол обычной зенитной пушки калибра 76,2 мм. Вот почему бомбу такого типа называют иногда бомбой пушечной сборки. Ствол был расточен изнутри до 100 мм, чтобы в него вошел столь необычный снаряд. Длина ствола составляла 180 см. В его зарядную камеру загружался обычный бездымный порох, который выстреливал пулю со скоростью примерно в 300 м/с. А другой конец ствола запрессовали в отверстие в оболочке мишени.
У этой конструкции была масса недостатков.
Она была чудовищно опасной: после того как порох был загружен в зарядную камеру, любая авария, которая могла его воспламенить, привела бы к взрыву бомбы на полную мощность. Из-за этого зарядка пироксилина происходила уже в воздухе, когда самолет подлетал к цели.
При аварии самолета урановые детали могли соединиться и без пороха, просто от сильного удара о землю. Чтобы избежать этого, диаметр пули был на долю миллиметра больше диаметра канала в стволе.
Если бы бомба упала в воду, то из-за замедления нейтронов в воде реакция могла бы начаться даже и без соединения частей. Правда, при этом ядерный взрыв маловероятен, но произошел бы тепловой взрыв, с распылением урана на большую территорию и радиоактивным заражением.
Длина бомбы такой конструкции превышала два метра, и это фактически непреодолимо. Ведь критическое состояние достигалось, и реакция начиналась, когда до остановки пули было еще добрых полметра!
Наконец, эта бомба была очень расточительной: прореагировать в ней успевало меньше 1% урана!
Достоинство же у пушечной бомбы было ровно одно: она не могла не сработать. Ее даже не собирались испытывать! А вот плутониевую бомбу американцы должны были испытать: уж слишком нова и сложна была ее конструкция.
Плутониевый футбольный мяч
Когда выяснилось, что даже крошечная (меньше 1%!) примесь плутония-240 делает невозможной пушечную сборку плутониевой бомбы, физики были вынуждены искать другие способы набрать критическую массу. И ключ к плутониевой взрывчатке нашел человек, который позже стал самым знаменитым «ядерным шпионом», — британский физик Клаус Фукс.
Его идея, получившая позже название «имплозия», заключалась в формировании сходящейся сферической ударной волны из расходящейся, с помощью так называемых взрывчатых линз. Эта ударная волна должна была сжать кусок плутония так, чтобы его плотность увеличилась вдвое.
Если уменьшение плотности вызывает увеличение критической массы, то увеличение плотности должно ее уменьшить! Для плутония это особенно актуально. Плутоний — материал очень специфический. При охлаждении куска плутония от температуры плавления до комнатной, он претерпевает четыре фазовых перехода. При последнем (около 122 градусов) его плотность скачком увеличивается на 10%. При этом любая отливка неизбежно растрескивается. Чтобы этого избежать, плутоний легируют каким-нибудь трехвалентным металлом, тогда стабильным становится неплотное состояние. Можно использовать алюминий, но в 1945 году опасались, что альфа-частицы, вылетающие из ядер плутония при их распаде, будут выбивать из ядер алюминия свободные нейтроны, увеличивая и без того заметный нейтронный фон, поэтому в первой атомной бомбе был использован галлий.
Из сплава, содержащего 98% плутония-239, 0,9% плутония-240 и 0,8% галлия, был изготовлен шарик диаметром всего 9 см и весом около 6,5 кг. В центре шарика была полость диаметром 2 см, и он состоял из трех деталей: двух половинок и цилиндрика диаметром 2 см. Этот цилиндрик служил пробкой, через которую во внутреннюю полость можно было вставить инициатор — источник нейтронов, который срабатывал при взрыве бомбы. Все три детали пришлось никелировать, потому что плутоний очень активно окисляется воздухом и водой и крайне опасен при попадании внутрь организма человека.
Шарик был окружен отражателем нейтронов из природного урана238 толщиной 7 см и весом 120 кг. Уран — хороший отражатель быстрых нейтронов, и в собранном виде система была лишь немного субкритической, поэтому вместо плутониевой пробки вставлялась кадмиевая, поглощавшая нейтроны. Отражатель служил еще и для удержания всех деталей критической сборки во время реакции, иначе большая часть плутония разлеталась, не успевая принять участия в ядерной реакции.
Дальше шел 11,5-сантиметровый слой алюминиевого сплава весом 120 кг. Назначение слоя такое же, как у просветления на линзах объективов: сделать так, чтобы взрывная волна проникла в ураново-плутониевую сборку, а не отразилась от нее. Это отражение происходит из-за большой разницы плотностей взрывчатки и урана (примерно 1:10). Кроме того, в ударной волне вслед за волной сжатия идет волна разрежения, так называемый эффект Тейлора. Слой алюминия ослаблял волну разрежения, которая уменьшала действие взрывчатки. Алюминий пришлось легировать бором, который поглощал нейтроны, вылетающие из ядер атомов алюминия под воздействием альфа-частиц, возникающих при распаде урана-238.
Наконец, снаружи находились те самые «взрывчатые линзы». Их было 32 (20 шестигранных и 12 пятигранных), они образовывали структуру, похожую на футбольный мяч. Каждая линза состояла из трех частей, причем средняя была изготовлена из специальной «медленной» взрывчатки, а наружная и внутренняя — из «быстрой». Внешняя часть была сферической снаружи, но внутри на ней была коническая впадина, как на кумулятивном заряде, вот только назначение ее было другое. Этот конус был заполнен медленной взрывчаткой, и на границе раздела происходило преломление взрывной волны подобно обычной световой волне. Но подобие здесь очень условное. В сущности, форма этого конуса и есть один из настоящих секретов ядерной бомбы.
В середине 40-х годов в мире не существовало таких компьютеров, на которых можно было бы рассчитать форму таких линз, а главное — не было даже подходящей теории. Поэтому они делались исключительно методом проб и ошибок. Пришлось провести более тысячи взрывов — и не просто провести, а сфотографировать специальными высокоскоростными камерами, регистрируя параметры взрывной волны. Когда была отработана уменьшенная версия, выяснилось, что взрывчатка так просто не масштабируется, и потребовалось сильно корректировать старые результаты.
Точность формы нужно было соблюсти с ошибкой меньше миллиметра, а состав и однородность взрывчатки выдерживать предельно аккуратно. Изготавливать детали можно было только литьем, поэтому годились не все взрывчатые вещества. Быстрая взрывчатка была смесью гексогена и тротила, причем гексогена было в два раза больше. Медленная — тот же тротил, но с добавкой инертного нитрата бария. Скорость детонационной волны в первой взрывчатке составляет 7,9 км/с, а во второй — 4,9 км/с.
Детонаторы вмонтировали в центр наружной поверхности каждой линзы. Все 32 детонатора должны были сработать одновременно с неслыханной точностью — менее 10 наносекунд, то есть миллиардных долей секунды! Таким образом, фронт ударной волны не должен был исказиться больше чем на 0,1 мм. С такой же точностью нужно было совместить и сопряженные поверхности линз, а ведь ошибка их изготовления была в десять раз больше! Пришлось повозиться и потратить немало туалетной бумаги и скотча, чтобы скомпенсировать неточности. Но система стала мало похожа на теоретическую модель.
Пришлось изобрести новые детонаторы: старые не обеспечивали должной синхронности. Они были сделаны на базе взрывающихся под мощным импульсом электрического тока проволочек. Для их срабатывания понадобилась батарея из 32 высоковольтных конденсаторов и такого же количества быстродействующих разрядников — по одному на каждый детонатор. Вся система, вместе с батареями и зарядным устройством для конденсаторов, весила в первой бомбе почти 200 кг. Впрочем, по сравнению с весом взрывчатки, которой ушло 2,5 т, это было немного.
Наконец вся конструкция была заключена в дюралевый сферический корпус, состоявший из широкого пояса и двух крышек — верхней и нижней, все эти детали собирались на болтах. Конструкция бомбы позволяла собрать ее без плутониевого сердечника. Для того чтобы вставить на место плутоний вместе с куском уранового отражателя, отвинчивали верхнюю крышку корпуса и вынимали одну взрывчатую линзу.
Война с Японией шла к концу, и американцы очень торопились. Но имплозионную бомбу необходимо было испытать. Этой операции было присвоено кодовое имя «Тринити» («Троица»). Да уж, атомная бомба должна была продемонстрировать мощь, доступную раньше только богам.
Блестящий успех
Место для испытания было выбрано в штате Нью-Мексико, в местечке с живописным названием Джорнададель-Муэрто (Путь смерти) — территория входила в артиллерийский полигон Аламагордо. Бомбу начали собирать 11 июля 1945 года. Четырнадцатого июля ее подняли на верхушку специально построенной башни высотой 30 м, подключили провода к детонаторам и начались последние стадии подготовки, связанные с большим количеством измерительной аппаратуры. 16 июля 1945 года в полшестого утра устройство было взорвано.
Температура в центре взрыва достигает нескольких миллионов градусов, поэтому вспышка ядерного взрыва гораздо ярче Солнца. Огненный шар держится несколько секунд, потом начинает подниматься, темнеть, из белого становится оранжевым, затем багровым, и образуется ныне знаменитый ядерный гриб. Первое грибовидное облако поднялось на высоту в 11 км.
Энергия взрыва составила больше 20 кт тротилового эквивалента. Большая часть измерительной аппаратуры была уничтожена, поскольку физики рассчитывали на 510 т и поставили технику слишком близко. В остальном это был успех, блестящий успех!
Но американцы столкнулись с неожиданным радиоактивным заражением местности. Шлейф радиоактивных осадков протянулся на 160 км к северо-востоку. Из небольшого городка Бингэм пришлось эвакуировать часть населения, но как минимум пятеро местных жителей получили дозы до 5760 рентген.
Выяснилось, что, чтобы избежать заражения, бомбу надо взрывать на достаточно большой высоте, минимум километр-полтора, тогда продукты радиоактивного распада рассеиваются на площади в сотни тысяч или даже миллионы квадратных километров и растворяются в глобальном радиационном фоне.
Вторая бомба такой конструкции была сброшена на Нагасаки 9 августа, через 24 дня после этого испытания и через три дня после бомбардировки Хиросимы. С тех пор практически все атомные боеприпасы используют технологию имплозии. Первая советская бомба РДС-1, испытанная 29 августа 1949 года, была сделана по такой же схеме.
