Ядерный взрыв

грандиозный по своим масштабам и разрушительной силе Взрыв, вызываемый высвобождением ядерной энергии (См. Ядерная энергия). К возможности овладения ядерной энергией физики вплотную подошли в начале второй мировой войны 1939—45. Первая так называемая Атомная бомба была создана в США объединёнными усилиями большой группы крупнейших учёных, многие из которых эмигрировали из Европы, спасаясь от гитлеровского режима. Первый испытательный Я. в. был произведён 16 июля 1945 близ Аламогордо (штат Нью-Мексико, США); 6 и 9 августа 1945 две американские атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки (см. Ядерное оружие). Энергия первых Я. в. оценивалась примерно в 10²¹ эрг (10¹⁴ дж),что эквивалентно выделению энергии при взрыве около 20 тыс. т(кт) тротила (энергию Я. в. обычно характеризуют его тротиловым эквивалентом (См. Тротиловый эквивалент)). В СССР первый атомный взрыв был осуществлен в августе 1949, а 12 августа 1953 в СССР было проведено первое испытание значительно более мощной водородной бомбы. В дальнейшем ядерные державы производили испытательные Я. в. с энергиями до десятков млн. т(Мт) тротилового эквивалента.

К Я. в. может привести либо ядерная цепная реакция (См. Ядерные цепные реакции) деления тяжёлых ядер (например, ²³⁵U и ²³⁹Pu), либо термоядерная реакция (См. Термоядерные реакции) синтеза ядер гелия из более лёгких ядер. Ядра ²³⁵U и ²³⁹Pu делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней атомной массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину Δm, называемую дефектом массы (См. Дефект масс). Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия ΔЕ =Δm․c²(с — скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия ΔE составляет около 200 Мэв.В 1 кг ²³⁵U или ^239Pu содержится 2,5 ․10²⁴ ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 10²¹ эрг.

Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведёт к распаду всех ядер 1 кг делящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует Критическая масса). Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлёта нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я. в., основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.

Я. в. большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. т тротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь — превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода (дейтерия (См. Дейтерий) ²H и трития (См. Тритий) ³H) в ядро гелия ⁴He и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв. При полном превращении 1 кг тяжёлого водорода выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг ²³⁵U или ^239Pu. Для того чтобы положительно заряженные ядра ²H и ³H могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в водородной бомбе, протекает при очень высоких температурах — порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я. в. атомной бомбы, применяемой в качестве «запала» в водородной бомбе. Поскольку водород в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твёрдые водородсодержащие вещества ⁶Li ²H, ⁶Li ³H. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.

Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10^-7 сек, отсчитываемому от её начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объёме (порядка 1 т и 1 м³). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я. в. в чрезвычайно разреженной атмосфере — на высотах порядка 100 км и выше. Во всех остальных случаях — при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землёй, под водой — почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная Ударная волна. Я. в. порождает также проникающую радиацию — потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м.

Воздух в ударной волне Я. в. нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я. в., эквивалентном 20 кт, в воздухе атмосферного давления через 10^-4 сек радиус огненного шара равен примерно 14 м; через 0,01 сек — 100 м. На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперёд; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 сек радиус огненного шара достигает своей максимальной величины — примерно 150 м; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 сек яркость свечения начинает падать, и через 2—3 сек свечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 км пожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 сек ударная волна уходит на расстояние 3,7 км от центра Я. в. Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я. в. в 20 кт оказывает на расстоянии до 1 км.

Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон). В процессе подъёма нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нём происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я. в. поперечником в сотни м. Через минуту оно достигает высоты 4 км, через 10 мин — 10 км. В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км. Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают γ -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я. в., вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я. в. на малой высоте, когда огненный шар при своём расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я. в. в 20 Мт примерно в 10 раз больше, чем для Я. в. в 20 кт, т. е. порядка 10 км. Такой взрыв может уничтожить большой город.

При Я. в. на очень больших высотах, выше 100—200 км, также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я. в., т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я. в. являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни км и возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и γ-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьёзным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я. в., осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.

При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счёт пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я. в. в 20 кт на небольшой глубине), составляет Ядерный взрыв 0,5 км. При подводном Я. в. появляется «султан» — огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км (при взрыве в 20 кт на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м).

При подземном Я. в. разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я. в. вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я. в. в 20 кт можно сравнить с землетрясением силой в 5 М (магнитуд) по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения). Я. в. водородной бомбы в 20 Мт соответствует землетрясению с силой 7 М. Сейсмические волны подземных Я. в. регистрируются на расстояниях в тысячи км от места взрыва.

Ю. П. Райзер.

Подземные Я. в. применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я. в. наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я. в. наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоёмов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я. в. осуществляются при заглублении заряда до нескольких км. Эти взрывы интенсифицируют разработку истощённых нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) ёмкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.

Лит.: Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; Атомные взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.

ЯДЕРНЫЙ взрыв - мощный взрыв, вызванный высвобождением ядерной энергии либо при быстро развившейся цепной реакции деления тяжелых ядер (235U или 239Pu), либо при термоядерной реакции синтеза.

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ, взрыв, вызванный неуправляемым высвобождением ядерной энергии либо при быстро развившейся ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер (U или Pu), либо при термоядерной реакции синтеза. Ядерный взрыв впервые осуществлен в США 16.7.1945; 6 и 9.8.1945 американские ядерные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки. В СССР первый ядерный взрыв осуществлен в 1949, термоядерный - в 1953. Мощность ядерного взрыва оценивается по эквивалентному взрыву заряда тротила; первые ядерные бомбы имели тротиловый эквивалент ~20 Кт, а у термоядерных (водородных) бомб он может превышать несколько Мт. В результате большого энерговыделения в центре взрыва развиваются огромные температура (~108К) и давление (~1012 атм). Вещество превращается в плазму и разлетается. Ядерный взрыв вызывает ударную волну и сейсмические эффекты, сопоставимые с землетрясениями и регистрируемые на расстоянии многих тыс. км.

nuclear explosion

ЯДЕРНЫЙ ВЗРЫВ

взрыв, вызванный выделением внутриядерной энергии. Масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов на величину DМ (дефект массы), к-рая соответствует энергии связи?св нуклонов в ядре. Удельная энергия связи?/N (N—число нуклонов в ядре) максимальна для ядер вблизи 56Fe периодич. системы элементов. Это означает, что яд. реакции, идущие с образованием этих ядер, сопровождаются выделением энергии (см. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ). Такими реакциями могут быть деление тяжёлых ядер, лежащее в основе Я. в., или синтез лёгких ядер, приводящий к термоядерному взрыву. Я. в. был осуществлён впервые в США 16 июля 1945, а 6 и 9 августа 1945 две яд. бомбы были сброшены на япон. гг. Хиросима и Нагасаки. В СССР первый Я. в. был осуществлён в 1949, термоядерный — в 1953.

Для осуществления Я. в. в результате ядерной цепной реакции деления (атомная, точнее, яд. бомба) необходимо, чтобы масса делящегося в-ва (235U, 239Pu и др.; (см. ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО) превысила т. н. критич. массу Мкр, зависящую от плотности r в-ва и его геом. конфигурации. Размер R системы должен превышать критич. размер Rкр порядка длины свободного пробега l нейтрона. Т. к. l=1/r, то определяющей величиной явл. т. н. оптич. толщина системы t=rR. При М>Мкр (R >Rкр) состояние системы надкритично, и развитие цепной реакции может привести к Я. в. (в отличие от ядерного реактора, где М=Mкр и состояние системы критично). Для 235U r=19,5 г/см3 и при сферич. форме системы Mкр=50 кг (Rкр=9 см), для 239Pu Мкр=11 кг, для 233U Мкр=16 кг.

До взрыва яд. бомбы система должна быть подкритичной. Переход в надкритическое состояние осуществляется быстрым сближением неск. кусков активного (делящегося) материала, напр. 235U. Если таких кусков два (напр., 2 полусферы), то т. н. величина надкритичности (M/Mкр) невелика (M/Mкр=2); если их больше (в пределе — сколь угодно малые сегменты шара), то она может быть сколь угодно увеличена. Обычно для сближения используется хим. взрыв, при к-ром развивается высокое давление (=106 атм), способствующее сжатию (имплозии) активного материала Rкр, что уменьшает Мкр. Характерное время между двумя столкновениями нейтронов с ядрами в-ва

t=l/vп=10 -8c при энергии нейтронов?п=1 МэВ.

Увеличенное в неск. раз, оно определяет длительность Я. в. В каждом акте деления выделяется энергия =200 МэВ (1 МэВ на 1 нуклон делящегося ядра). Если 1 кг 235U полностью прореагирует, то выделится энергия =1021 эрг, что эквивалентно энерговыделению при взрыве 20 кт тротила. Т. о., яд. «взрывчатка» эффективнее химической в 107 раз. В результате большого энерговыделения в центре бомбы развиваются огромные темп-ра (=108К) и давление (=1012 атм). В-во превращается в плазму, разлетается и теряет надкритичность.

Для цепных реакций деления энергия теплового движения ч-ц среды всегда значительно ниже, чем?п, поэтому темп-ра среды не играет роли. Для реакций синтеза она существенна. Возможно большое кол-во энергетически выгодных яд. реакций синтеза, но в земных условиях не развивающихся из-за низкой темп-ры (см. УПРАВЛЯЕМЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ). В звёздах, где темп-ры высоки, а разлёт в-ва сдерживается гравитац. силами, протекают реакции синтеза, составляющие основу энергетич. циклов звёзд. Темп-ра среды пропорц. кинетич. энергии её ч-ц. Чтобы 2 ядра с ат. номерами Z1 и Z2 слились, их кинетич. энергия должна быть сравнима с энергией электростатич. отталкивания:?=Z1 Z2 e2/r на расстояниях порядка размера ядра (=10-13 см). Распределение ч-ц по энергиям N(?)=ехр(-?/kT). Это означает наличие иек-рого количества ч-ц с энергией большей, чем средняя?ср=3/2kТ; кроме того, возможно туннельное проникновение ч-ц через энергетич. барьер (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ). В результате возникает резкая зависимость скорости реакции от темп-ры, но порог отсутствует.

Т. к., с одной стороны, скорость реакции синтеза пропорц. плотности в-ва (число соударений в ед. времени), с др. стороны, время разлёта ч-ц тем больше, чем больше размер системы (выгорание термоядерного топлива зависит также от оптич. толщины rR), то для осуществления термоядерного взрыва необходимы высокие темп-ра и плотность. В термоядерном взрывном устройстве это создаётся при помощи яд. бомбы (деления), служащей детонатором.

Для осуществления термоядерного взрыва используются реакции:

Русско-китайский словарь: пресса, интернет, радио, телевидение

核爆炸