Это минимальное количество делящегося вещества, в котором возможен запуск цепной реакции деления. В общем случае критическая масса зависит от степени очистки металла, но конкретно для урана очищенного до оружейного качества составляет порядка 70 килограммов. По объему это немного, уран очень тяжелый. Ядро заряда изготавливают в виде двух полусфер, ну как половинки яблока. Чтобы запустилась цепная реакция, и произошел ядерный взрыв надо, чтобы эти половинки слились в единый шар — ядро. Но сближать их надо не абы как, а с высокой скоростью. Не помню точно, с какой именно скоростью, но речь идет о нескольких километрах в секунду. При слишком медленном сближении ядерная реакция начнется, но не та, что надо. Половинки ядра при сближении от ядерной реакции успеют нагреться, «потекут», потеряют форму, превратятся в раскаленную до бела каплю. Эта медленная реакция будет идти долго, пока весь уран постепенно не «выгорит». Поэтому применяется так называемая «пушечная схема». Половинки ядра посылают навстречу друг другу путем направленного взрыва. С подбором химической взрывчатки, расположением ее блоков, синхронизацией подрыва придется немало повозиться. Тут важно чтобы этот взрыв с нужной скоростью соединил точно изготовленные полусферы, а не раздробил их до того момента, когда цепная реакция запустится. Потом уже не важно, ибо в результате цепной реакции в ядре выделиться такая энергия, что взрыв химической взрывчатки покажется жалкой искрой в океане огромного пожара. Например, урановая бомба «Малыш», которую США сбросили на Хиросиму, имела мощность порядка 20 килотонн в тротиловом эквиваленте.
Лейтенант особо не впечатлился. — Про эти килотонны мы уже слышали. Но ведь были бомбы и мощнее, там вообще в мегатоннах счет идет?
— Были и мощнее, например, знаменитый советский боеприпас, известный под названием «Кузькина мать» имел мощность мегатонн под шестьдесят. Но это уже термоядерные устройства, их еще называют водородными бомбами и работают они на реакции синтеза. О них мы позднее побеседуем. А пока с атомными зарядами разберемся, которые на реакции распада ядер тяжелых элементов.
— Давайте разберемся, — не стал спорить лейтенант, — помнится, переходить надо к плутониевым бомбам.
— К ним, родимым, — Николай Иванович устроился поудобнее, — этим и займемся. Записывайте.
— Вариант с плутониевым зарядом тоже имеет ряд достоинств и недостатков. Плутониевые заряды гораздо компактнее, ибо критическая масса плутония порядка 8 килограммов, против семидесяти у урана. Это шарик размером с яичный желток. Такие устройства умудрялись даже в артиллеристские снаряды впихивать, чуть ли даже не в 152-х миллиметровые. Кроме того, производство плутония на круг выходит дешевле, ибо его можно получать как попутный продукт работы атомных электростанций. Но зато первоначальные вложения высокие, когда еще будут те электростанции. Плутоний образуется в ядерных реакторах, при облучении нейтронами урана-238. Без реактора тут никак.
Для работы реактора его загружают ураном, но не природным, а прошедшим обогащение методом газовой диффузии, чтобы содержание урана-235 было порядка 3–4%. Этого достаточно для работы ядерного котла.
Теперь о конструкции реактора. Реактор лучше делать не на тяжелой воде, как пытались сделать немцы, а графитовый, как делали американцы. Реактор должен работать на медленных нейтронах, их еще называют тепловыми, а графит или тяжелая вода тут служат их замедлителем. Графит используется не простой, а очищенный от поглощающих нейтроны примесей, особенно от бора. С очисткой придется повозиться, ибо графита на один реактор идут тысячи тонн. То есть реактор представляет собой сложенный из графитовых блоков, и заключенный в корпус из нержавеющей стали массив. В этом массиве делаются вертикальные отверстия для установки стержней — тысячи отверстий. В эти отверстия вставляются трубы, которые ввариваются в верхнюю и нижнюю плиты корпуса реактора. Тут важно, чтобы циркулирующая в системе охлаждения вода не попала в графит. Если попадет, то графит вспучится и разорвет реактор. Будет очень худо. Чтобы графит не окислялся, внутри его массива циркулирует инертный газ — аргон. Большая часть вертикальных отверстий используется для загрузки топливных стержней. Часть для регулирующих стержней. Регулирующие стержни делают из бора, если не вру, то из карбида бора. Бор является сильным поглотителем нейтронов. Полностью опущенные регулирующие стержни «глушат» реактор, при полностью поднятых стержнях реактор работает по максимуму. Соответственно, меняя количество опущенных в реактор регулирующих стержней, можно управлять его работой. Оставшиеся отверстия используются для различных датчиков, при помощи которых можно следить за состоянием реактора, или туда еще суют различные вещества с целью их облучения нейтронами. Топливные стержни представляют собой пакет трубок из нержавейки или циркония диаметром миллиметров двенадцать, снабженный системой протока охлаждающей жидкости. Тепла выделяется много и его куда-то надо отводить. Лучше на паровую турбину электростанции, но можно и просто в окружающую среду. Систему охлаждения делают многоконтурной, ибо среди такой кучи трубок наверняка найдутся дефектные, и радиация попадет в систему охлаждения. Так пусть уж только в первый контур. Трубки в топливных стержнях набиты прессованными из карбида обогащенного урана таблетками. Это и есть топливо реактора.
Что там еще по конструкции реактора? Ага, вспомнил, с боков, сверху и снизу слой отражателя нейтронов, чтобы зря по сторонам не разлетались. Только не помню из чего, в голове вертится все тот же графит. Кольцевой водяной бак биологической защиты по периметру, чтобы персонал не мёр от лучевой болезни. Аварийные системы охлаждения и прочие системы безопасности. К безопасности, кстати, следует относиться весьма ответственно. Аварии на ядерных объектах это сущий кошмар. Например, тепловой взрыв на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС привел к тому, что пришлось переселять сотни тысяч людей и вывести из хозяйственного оборота кучу земель. Да и реноме свое страна подпортила изрядно.
Так, малость с мысли сбился. Значит, загрузили мы реактор топливом и запустили его. Атомная реакция идет, нейтроны летят, из урана-238 образуется плутоний. Причем в виде нескольких изотопов. Для бомбы нам нужен плутоний-239, а изотопы 240 и 241 нам совершенно не нужны, но тоже присутствуют. Причем сначала образуется изотоп 239, а уже из него 240, а потом и 241. Чем больше времени стержни проведут в реакторе, тем хуже будет соотношение изотопов. Для плутония оружейного качества паразитных примесей должно быть не более 5 %. И это качество должно быть достигнуто еще в реакторе, ибо разделить изотопы с разницей всего в одну единицу практически невозможно. Поэтому стержни вынимают из реактора и отправляют на переработку раньше, чем в них выгорит весь уран-235. Если не ошибаюсь, то через три месяца. Кроме того, все стержни по определенной схеме периодически переставляют в реакторе с места на место, чтобы облучались равномерно.
Николай Иванович сделал паузу, чтобы отдышаться и попросил пить. Лейтенант кивнул и отправился за водой. Вернулся он с медсестрой, которая, судя по всему, не решилась доверить мужчине столь важную операцию и напоила его сама. Дождавшись, когда женщина удалится, лейтенант вежливо предложил продолжать.
— А на чем мы там остановились? — спросил Николай Иванович.
Лейтенант заглянул в свои записи, — на перестановке стержней в реакторе, чтобы их облучение шло равномерно.
— Да, вспомнил. Собственно с реактором мы в основном закончили. Если чего забыл, то потом постараюсь вспомнить. Или у наших атомщиков в процессе работы возникнут конкретные вопросы. Тогда с этими вопросами ко мне. Не гарантирую, что обязательно отвечу, но возможно по ассоциации всплывет еще что-то. В таких делах и обрывки информации могут здорово помочь.
— Мы придерживаемся такой же точки зрения, — вставил лейтенант.
— Так вот. Пробывшие в реакторе нужный срок стержни извлекают и отправляют на переработку радиохимический завод. Цель обработки — извлечь наработанный плутоний. Насколько я понимаю, стержни даже не разбирают из-за сильной радиоактивности. Самоубийц нет, чтобы такую операцию проводить. То ли перемалывают в порошок, то ли растворяют в кислоте. О химии процесса тоже не имею представления. Слышал только, что в установках надо конструктивно избегать возможности накопления больших количеств плутония. В том смысле, чтобы он в каком-нибудь там отстойнике или изгибе трубы не накопился. Могут быть большие неприятности.
Результатом работы радиохимического завода является металлический плутоний в слитках. Слитки, само собой, не должны иметь массу, приближающуюся к критической. Содержание плутония-239 в этом металле, как я уже говорил, должно быть не меньше 95 %.
Теперь переходим к конструкции ядерного заряда на плутонии. Взорвать такой заряд с применением «пушечной схемы», как урановый, невозможно. Слишком большая скорость сближения секторов должна быть, никакой химической взрывчаткой ее не обеспечить.
Поэтому применяют так называемую имплозивную схему. Металлический плутоний имеет несколько фазовых состояний, имеющих разную плотность. Ядро заряда изготовляют из металла находящегося в наименее плотной дельта-фазе. Насколько я помню, для этого плутоний стабилизируют небольшим количеством галлия, около одного процента. То есть делают отливку, потом эта отливка проходит точную механическую обработку, потом ее никелируют. Обычно ядро изготовляют в форме шара, но приходилось слышать и о цилиндрической форме. Вроде и другие бывают. Да, пока не забыл, все операции с плутонием, пока его не покрыли защитным слоем, следует проводить либо в вакууме, либо в атмосфере инертного газа. Например, тонкая стружка его имеет свойство самовоспламеняться. Это приведет к потере дорогого материала, не говоря уже о том, что вдохнувшие этот дымок люди долго не проживут.
Так о чем я говорил? А, вспомнил, получили мы ядро, стабилизированное в дельта-фазе. Суть имплозивного метода в том, чтобы резким обжатием перевести плутоний ядра в наиболее плотную альфа-фазу. Обжатие осуществляется взрывом химической взрывчатки так, чтобы ядро оказалось в фокусе взрыва. С взрывчаткой опять же придется повозиться. Она должна быть достаточно твердой, чтобы блоки ее можно было подвергнуть точной механообработке. С высокой скорость детонации, энергетика тут менее важна. С равномерными характеристиками подрыва по всему объему. Плюс к тому высокая стабильность, в том смысле, чтобы характеристики не «поплыли» со временем от температурных и химических воздействий. А еще надо добиться синхронизации подрыва всех блоков взрывчатки на уровне микросекунд. С детонаторами, само собой, тоже придется изрядно помучиться.
Итак, оказавшееся в фокусе взрыва плутониевое ядро обжимается и переходит в плотную альфа-фазу. В этот точно рассчитанный момент, для запуска цепной реакции на ядро должен быть подан короткий, но мощный поток нейтронов. То есть, необходим так называемый нейтронный инициатор. Насколько я помню, в первых образцах бомб использовался инициатор из Полония-210 и вроде лития, не помню какой именно его изотоп. Ампула, содержащая смесь этих веществ, помещается в центр плутониевого ядра. Вроде эту ампулу еще золотом для чего-то покрывают. Когда взрывная волна доходит до нее, полоний с литием смешиваются и дают нейтронный импульс. Схема очень неудобная из-за небольшого времени полураспада Полония-210. То есть, чтобы поддерживать ядерный заряд в боеспособном состоянии нейтронный инициатор раз в пару месяцев приходится менять на свежий. А это неудобно, тут чуть ли не всю конструкцию разбирать приходится. В более поздних образцах в качестве нейтронного инициатора использовали нейтронную пушку. По сути, линейный ускоритель с мишенью из дейдрида лития. Это удобнее, но с конструкцией его придется повозиться.
— А что такое дейдрид лития? — уточнил лейтенант, — гидрид понятно, а….
— Это тот же гидрид, но вода в нем тяжелая.
— Ясно, давайте дальше.
— Можно, только я уже практически закончил. Что там еще? Заряд необходимо термостабилизировать. Ядро постоянно выделяет тепловую энергию за счет процессов внутреннего ядерного распада. Большую часть энергии дает распад нестабильных паразитных изотопов плутония 240 и 241, почему их количество и стараются свести к минимуму. Тепло надо постоянно отводить. Если не отводить, то ядро перегреется, и плутоний в нем может местами сменить фазовое состояние. Да и характеристики химической взрывчатки «поплывут». То есть поломка системы охлаждения или ротозейство обслуживающего персонала запросто может вывести боеприпас из строя.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24