Ликбез про устройство и принцип работы атомной бомбы.

[Андрей Суворов]

ВАПРОС остался нераскрытым
Итак, что будет, если взять руками в перчатках две плутониевые полусферы и попытаться их прижать друг к другу?

Перчатки зачем? Прижимающему они врядли потом понадобятся. 8 кг плутония - представляем какое там выделение нейтронов? А критическая у плутония без шаманства с бериллием больше 15 кг вроде.

Критмасса у плутония в форме шара в альфа-фазе без отражателя - 5,6 кг. Но альфа-фаза хрупкая, поэтому легируют плутоний трёхваленными металлами, стабилизируя дельта-фазу. В ней критмасса около семи килограмм, гарантированно меньше восьми.

В современных боеприпасах используется около 3,5 кг плутония.

Выделение нейтронов в докритическом состоянии умеренное. Ещё раз подчёркиваю - очень многие атомные бомбы собирались руками, в "Гэджете" и "Фэтмэне" для этого плутониевый сердечник был покрыт никелем, чтобы изолировать плутоний от воздуха и водяных паров, и обеспечить безопасность для того, кто эти детали берёт в руки. "Ядро" в этих бомбах содержало около 6 кг плутония в дельта-фазе, но было снабжено отражателем нейтронов из природного урана.

Ядро состояло из трёх деталей - двух полушарий с дыркой и цилиндрика, который вынимался для того, чтобы можно было вставить источник нейтронов в центр сборки. Цилиндрик вставлялся с помощью инструмента, а вот полушария укладывались руками. На время ручных операций цилиндрик из плутония заменяли кадмиевым, для поглощения нейтронов.

В полностью собранном виде ядро было лишь немного субкритическим.

[kulch]

ВАПРОС остался нераскрытым
Итак, что будет, если взять руками в перчатках две плутониевые полусферы и попытаться их прижать друг к другу?

В общем, я так понимаю, если полусферы субкритические, сблизить их руками не удастся. Испарятся раньше, чем соприкоснутся.

Хозяину рук, понятное дело - досвидос...

[Андрей Суворов]

Да, насчёт "желтка" - это враки. Плотность плутония в альфа-фазе около 18 г/см3, а в дельта-фазе - около 15 г/см3, т.е. меньше плотности золота в первом случае и немногим больше плотности ртути во втором. Нетрудно посчитать, что нужное количество плутония - около полулитра, или шар диаметром 9 см.

[kulch]

а остальное - правда?
(я сам не спец)

[Андрей Суворов]

Даже то, что соответствует истине, подано тенденциозно. Например, про ту же альфа-активность. Ну, выше, ну и что? обычные резиновые перчатки всю эту альфу задерживают нахрен. Да просто в воздухе пробег альфа-частиц всего около 10 см.
Чтобы умереть от альфа-излучения плутония, надо, чтобы плутоний попал внутрь. Через рот, через органы дыхания, ещё как-нибудь. Для 50%-го развития рака в течение 5 лет достаточно 50 микрограмм плутония на килограмм веса человека. При 500 микрограммах на килограмм развивается уже острое поражение, НО НЕ ЛУЧЕВАЯ БОЛЕЗНЬ НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ!
Для лучевой болезни нужно дозу ещё в 10 раз поднять. Вот тогда уже появятся "быстрые" эффекты облучения - выпадение волос, рвота, помутнение в глазах и т.д.
Но это всё - только внутри организма. Наружное облучение от плутония практически никакой роли не играет. По советским нормам, работать с деталями из плутония в перчаточном ящике можно было 100 часов в год. При этом частота онкозаболеваний, по сравнению с контрольными значениями, увеличивалась меньше, чем на 10%, т.е. едва-едва выходила за погрешности опыта.

[kulch]

Я имел в виду, что плутоний плавиться и испаряться начнет, и руки пожжет, понятное дело. Но и нейтронное облучение ведь будет немалое?

[Андрей Суворов]

Да. Об инциденте во время Манхеттенского проекта.

Вспышка света, которую видели все находящиеся там - это черенковское излучение, излучение частиц, движущихся быстрее скорости света в данной среде.

ко "вспышке" ядерного взрыва она никакого отношения не имеет. Там светится воздух, раскалённый до десятка тысяч градусов.

И, наконец, о вопросе, с которого "началось".

Человеческое тело, содержащее довольно много воды, является весьма эффективным замедлителем нейтронов. Толщина его как раз подходит для замедления нейтронов деления до теплового уровня.

Сечение деления для тепловых нейтронов в десятки и сотни тысяч раз больше, чем для быстрых. Если на экспериментаторе нет кадмиевого фартука, поглощающего тепловые нейтроны, реакция, скорее всего, начнётся в тот момент, когда он попытается подойти ко второй полусфере. Он даже не успеет её взять во вторую руку.

При этом "доза" от облучения быстрыми нейтронами, ведь кадмий их не задерживает, пренебрежимо мала, пока сборка находится в докритическом состоянии.

Но - парадокс - ядерного взрыва на тепловых нейтронах быть не может. Потому что для ядерного взрыва нужно около 80 поколений нейтронов. Время же, потребное для одного поколения, это характерные размеры системы, делённые на скорость этого нейтрона, которая для тепловых нейтронов равна единицам километров в секунду. Плюс время на замедление, которое для водяного замедлителя раз в 10 меньше.

То есть, взрыв может быть, и он, скорее всего, будет, но тепловой, с энерговыделением от сотни килоджоулей до сотни килограммов ТЭ.

[Старый]

В книге "Как создавалась атомная промышленность СССР" описано несколько случаев когда цепная реакция возникала в сосудах в которых оказывалось слишком много раствора содержащего плутоний.

[kulch]

Так в манхеттенском случае был уран или плутоний? (мне припоминается, что все-таки уран)

[Alex_II]

Так в манхеттенском случае был уран или плутоний? (мне припоминается, что все-таки уран)

ЕМНИП, и то и другое - одна бомба была урановая, другая плутониевая. Только не спрашивайте какая из них какая - все равно не помню  

[Андрей Суворов]

Гэджет и Фэтмэн были плутониевые, Литтл Бой - урановая. Фэтмэн от Гэджета отличался только наружным корпусом с парашютом и высотометром.

Хиросимский Литтл Бой был существенно проще - это была бомба "пушечного", или, как говорили наши, баллистического типа. Там, действительно, одним куском урана (цилиндрик диаметром 10 см высотой 16 см) стреляли в другой (цилиндр диаметром 16 и такой же высоты с дыркой 10 см под "пулю").  Вокруг большого цилиндра был отражатель из вольфрама или карбида вольфрама, не помню... "из того же материала" была "пробка" на "пуле". Общее кол-во урана около 64 кг, обогащение - среднее - 90%. По некоторым источникам, в "пуле" было некоторое кол-во урана с обогащением 95-98%

Скорость пули была 180 м/с, что не так много. Чем лучше обогащение, тем меньше потребная скорость для успешного взрыва. Если бы это был "чистый" уран-235 (примесь 238 меньше 1% и 234 меньше 10 ppm), действительно, можно было бы руками вставлять... Тяжело только

[Андрей Суворов]

А, из чего была критсборка во время того инцидента?
Из плутония.
Дело вот в чём.
Американцы тогда запустили оба проекта - и обогащение урана, и получение плутония в реакторах с последующим хим. извлечением. И, если с первым не очень-то ладилось (в проекте LOPO было использовано 4 килограмма урана, обогащённого всего лишь до 14,7%, и это был тогда ВЕСЬ обогащённый уран), и к самому концу войны они наскребли урана на одну бомбу, то с плутонием всё вышло легче.

Вначале американцы даже собирались взрывать бомбу в специальном массивном сосуде (Jumbo), на тот случай, если что-то откажет, или в дизайне будет ошибка, чтобы потом собрать плутоний, но, потом от этой идеи отказались. Потому что плутония было - ну, не завались, но достаточно. Правда, третье "ядро" не могло бы быть готово раньше конца сентября - начала октября 1945 года, но, если бы Япония не капитулировала, его бы успели применить.

После успеха "Гэджета" один из физиков даже агитировал начальников Манхэттенского проекта на переделку Литтл Боя в имплозионный вариант по схеме Гэджета (тогда б урана хватило аж на ТРИ бомбы!), но Гроувс (по-моему, это был он) отверг эту идею, т.к. это бы отодвинуло боевое применение на несколько недель, а нужно было "прям щас", а, точнее, "вчера".

[kulch]

Очень интересно, спасибо.

У меня еще вопрос? Что такое 3-фазный термоядерный заряд и как он устроен?

[rain]

Критмасса у плутония в форме шара в альфа-фазе без отражателя - 5,6 кг. Но альфа-фаза хрупкая, поэтому легируют плутоний трёхваленными металлами, стабилизируя дельта-фазу. В ней критмасса около семи килограмм, гарантированно меньше восьми.

Это критическая с учетом нейтронного рефлектора, который применялся в дизайне первой бомбы, для него-же - 7.5 для дельты. Без отражателя, "на свежем воздухе" - больше 15 кг. Если вернутся к идее, что некий "экспериментатор" будет достаточно быстро сближать нужное количество плутония (этакая разновидность пушечной схемы, в таком случае из одной полусферы надо сделать кувалду, а из другой наковальню), урана или еще чего, то в принципе наверное можно подобрать условия, когда у него начнется цепная реакция, боюсь что никто тут не станет рассчитывать как это сделать. Но даже если чего и начнется, то КПД такой схемы будет черезвычайно низок, наверное максимум в несколько тон эквивалента. Ну и плюс гамма радиация. Кстати, говорят, что для оружейного плутония пушечная схема непригодна из-за примесей плутония-240. В теории, без 240-го должна работать.

[rain]

Очень интересно, спасибо.

У меня еще вопрос? Что такое 3-фазный термоядерный заряд и как он устроен?

Чтоб сжать большое количество ТЯ топлива нужна соответствующая мощность. Ураниевый или плутониевый триггер ограничен по мощности, поэтому и ТЯ заряд будет ограничен по мощности. Но его можно  использовать в качестве триггера для сжатия и разогрева еще большего количества ТЯ топлива. И в теории - так далее, ступеньками. Плюс еще огромный выход энергии от деления уранового корпуса заряда нейтронами ТЯ реакции, грязно, но очень мощно.

[kulch]

Понял, спасибо!

Вот, кстати, неплохой сайт нашел:
http://nuclear-weapons.nm.ru/index.htm

[Андрей Суворов]

Если ... некий "экспериментатор" будет достаточно быстро сближать нужное количество плутония ... урана или еще чего, то в принципе наверное можно подобрать условия, когда у него начнется цепная реакция, боюсь что никто тут не станет рассчитывать как это сделать. Но даже если чего и начнется, то КПД такой схемы будет черезвычайно низок, наверное максимум в несколько тон эквивалента. Ну и плюс гамма радиация. Кстати, говорят, что для оружейного плутония пушечная схема непригодна из-за примесей плутония-240. В теории, без 240-го должна работать.

К.П.Д. "такой схемы" зависит от содержания чётно-чётных изотопов, которые и генерируют нейтронный фон. Для того, чтобы "схема" имела к.п.д., как у хиросимской бомбы (несколько менее 1%) нужно иметь содержание 238 изотопа в уране меньше 0,1% (а 234-го - меньше нескольких ppm), а 238, 240, 242 и 244 изотопов в плутонии суммарно - меньше 0,1 ppm, тогда потребная скорость соединения частей уменьшится до единиц метров в секунду, что достижимо и руками. Вот только стоимость такой очистки ну очень велика - проще сделать имплозионный заряд, который, к тому же, позволяет поднять к.п.д. за счёт сжатия делящегося материала.

Есть и ещё один "кандидат" - уран-233, получаемый в реакторе из тория-232. Ему мешает уран-232, который неизбежно образуется вместе с ним. И для применения в пушечной схеме, и для работы "руками" - из урана-232 получается в цепочке распадов нуклид с 3 МэВ-ным гамма, от которого сложно заэкранироваться...

[falanger]

Вопрос - какая минимальная масса плутониевого боезаряда ТНТ эквивалентом в 5 килотонн? Если волнует именно миниатюризация, а цена уже на втором плане. И время "жизни" боезаряда на складе нужно не менее 50 лет, тоесть быстро распадающиеся изотопы плутония с малой критмассой пролетают мимо кассы.

[Андрей Суворов]

Вопрос - какая минимальная масса плутониевого боезаряда ТНТ эквивалентом в 5 килотонн? Если волнует именно миниатюризация, а цена уже на втором плане. И время "жизни" боезаряда на складе нужно не менее 50 лет, тоесть быстро распадающиеся изотопы плутония с малой критмассой пролетают мимо кассы.

А у "быстро распадающихся" изотопов плутония критмасса больше, чем у 239-го. Он для бомбы - самый лучший изотоп плутония.

Про 5 кт не скажу. Но существовала "усиленная версия" "ядерной базуки", известной также, как Davy Crockett, с тротиловым эквивалентом около 1 кт (неусиленная - 10...250 тонн, регулируемая), и весило взрывное устройство всего около 27 кг.

[ratte07]

Да, снаряды от 150 мм калибра, а это где-то 50 кг.