Цепная реакция при ядерных взрывах. Мощность и загрязнение.

Цепная реакция при ядерных взрывах. Мощность и загрязнение.

Предыдущая статья: «Как происходит ядерный взрыв» : https://radiation-info.com/ru/2022/08/11/kak-proishodit-yadernyj-vzryv/

В 1939г. Ганном и Штрассманом был открыт процесс деления урана, при котором ядро урана после захвата нейтрона расщепляется на две части, совершенно отличные от исходного элемента. Этот процесс сопровождается освобождением чрезвычайно большой энергии в виде кинетической энергии осколков деления (162 Мэв на один акт), энергии В- и у-распада дочерних (осколочных) ядер (10 Мэв), энергии нейтронов деления 5,0 Мэв и мгновенных у-квантов (7,5 Мэв), энергии у- излучения, выделяемой при захвате нейтронов (8,0 Мэв). Значительная часть энергии уносится нейтрино (11 Мэв). Всего в одном акте деления освобождается энергия 203,5 Мэв.

Это открытие и положило начало использованию ядерной энергии в мирных и военных целях. Кроме высокого энергетического выхода, реакция ядерного деления урана характеризуется двумя особенностями, лежащими в основе ее практического использования как в мирной энергетике, так и военной технике.

Особенности реакции ядерного деления урана.

Во-первых, реакция деления урана, вызываемая нейтронами, в свою очередь сопровождается вылетом нейтронов; следовательно, при подходящих условиях процесс деления можно сделать самоподдерживающимся, регулируемым с непрерывным выделением определенного количества энергии. Это и было сделано в ядерных реакторах.

Во-вторых, естественный уран испытывает спонтанное деление с определенной скоростью: в 1 г обычного урана спонтанное деление в среднем испытывают около 23 ядер в течение часа; следовательно, некоторая «равновесная концентрация» свободных нейтронов, необходимых для деления ядер урана, без какого-либо внешнего воздействия поддерживается процессом спонтанного деления. При условиях, благоприятствующих использованию этого спонтанного процесса, можно получить цепную реакцию деления с освобождением за короткий промежуток времени чрезвычайно большой энергии. Это и было использовано при создании ядерного оружия.

Суть ядерного взрыва.

Естественно, реакция деления может носить цепной характер, черпая ресурсы для развития цепей в самой себе, только в том случае, если распад делящегося ядра после захвата одного нейтрона сопровождается освобождением не одного, а нескольких нейтронов, способных продолжать деление. В действительности оказалось, что неустойчивое ядро урана, захватившего один нейтрон, быстро распадается, при этом неустойчивые осколки деления в свою очередь выбрасывают 2—3 нейтрона.

Таким образом, «размножение» свободных нейтронов характеризуется выходом в среднем 2,5 нейтрона на  каждый акт деления. Этот  многокаскадный процесс,

получивший название цепной. реакции деления, схематически изображен на рис.1.

При достаточном количестве делящегося вещества, так называемой критической массе возникшая цепная реакция приводит к ядерному взрыву. В ядерной бомбе определенные количества делящихся изотопов находятся разобщенно друг от друга и цепной реакции не происходит. Для возникновения цепной реакции разобщенные количества делящегося вещества сближаются между собой, образуя критическую массу.

Критическая масса — наименьшее количество делящегося вещества, в котором начинает протекать цепная реакция деления, приводящая к взрыву при небольшом превышении этого количества. Величина критической массы зависит от природы делящегося вещества, степени его очистки от примесей, характера и толщины отражателей нейтронов, величины давления на ядерный заряд и геометрические формы этого заряда. Для урана-235 критическая масса около 30 кг, для калифорния-242 критическая масса около 1,5г.

Рис. 1. Схема цепной реакции деления.

Цепная реакция оказалась возможной только для одного природного изотопа урана — урана-235. Другим сырьем для атомного оружия оказался плутоний-239, который получался при «бомбардировке» нейтронами урана-238, переходящего при этом в уран-239, который в свою очередь, испуская электроны, переходил в плутоний-239.

Типы ядерных бомб и взрывов. Загрязнение.

Кроме ядерного оружия, основанного на реакции деления, было получено оружие, основанное на реакции синтеза (слияния) легких элементов. Так, если произвести слияние ядра водорода с ядром трития, то при этом образуется ядро гелия и выделяется большое количество энергии. Но для начала такой реакции необходима высокая температура — миллионы градусов. Такая температура развивается при взрыве бомбы, основанной на реакции деления. Следовательно, используя вначале реакцию деления (взрыв атомной бомбы), можно получить реакцию синтеза или термоядерную реакцию. На использовании этой реакции устроена водородная бомба.

Кроме указанных типов реакций, оказалась возможной ядерная реакция с использованием урана-238. Ядра урана-238 не подвергаются делению при попадании в них нейтронов с энергией менее 10—14 Мэв. Нейтроны же с такой энергией образуются при реакциях синтеза. Устройство с использованием на конечной стадии реакции деления ядер урана-238 было испытано 1 марта 1954 г. на атолле Бикини. Такого типа бомбы получили название трехстадийных бомб: сначала происходит реакция деления урана-235 или плутония-239, затем реакция синтеза и за ней реакция деления урана-238.

При ядерном взрыве вся энергия или часть ее освобождается в результате ядерной реакции деления или синтеза или их сочетания. В зависимости от количества делящегося или синтезируемого вещества происходит взрыв той или иной мощности, Мощность взрыва определяется тротиловым эквивалентом. Так, выражение «бомба 20 000 тонн тротила» означает, что ядерный взрыв этой бомбы равноценен взрыву 20 000 тонн взрывчатого вещества тротила. Мощность бомб может колебаться в самых широких пределах — от сотен тонн до десятков — тысяч килотонн) и сотен миллионов тонн (сотен мегатонн) тротила.

Существуют следующие основные типы ядерных взрывов: воздушный, наземный, подземный, подводный. При воздушном взрыве образующийся огненный шар не касается поверхности земли. При наземном взрыве огненный шар касается поверхности земли. Схематическое изображение взрывов приведено на рис. 2. Высота, при которой взрыв можно считать воздушным или наземным, зависит от тротилового эквивалента, как это показано на рис. 3.

 

Рис. 3. Высота воздушных и наземных взрывов как функция тротилового эквивалента.

Определение подземного и подводного взрыва вытекает из самих названий. При подземном взрыве возможно образование воронки на поверхности земли, при подводном — выброс столба воды.

Опасность для радиоактивного загрязнения местности представляет наземный взрыв ядерного оружия, так как в этом случае большие количества грунта захватываются

огненным шаром и образуются частицы, на которых оседают радиоактивные изотопы. При воздушных взрывах изотопы конденсируются в основном на материале бомбы и в боевой обстановке не представляют опасности, так как выпадают медленнее вследствие небольших размеров частиц. Ниже будут рассмотрены явления, относящиеся к наземному ядерному взрыву.

Следующая статья: «Атомное облако от ядерного взрыва, воронка и поражающие факторы» : https://radiation-info.com/ru/2022/08/11/atomnoe-oblako-ot-yadernogo-vzryva-voronka-i-porazhayushhie-faktory/

 

Из книги:

ЗАЩИТА ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ОСАДКОВ под редакцией А.И.Бурназяна

Р.В, Петров, В.Н. Правецкий, Ю.С. Степанов, М.И. Шальнов

Государственное издательство медицинской литературы Москва -1963.

Ссылка на основную публикацию