(В МАРКЕТИНГЕ) критическая масса

обязательный набор новшеств, которые должны быть присущи, наличествовать в товаре, чтобы он считался современным.

Энциклопедический словарь, 1998 г.

критическая масса

минимальная масса делящегося вещества, обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления.

Критическая масса

наименьшая масса делящегося вещества, при которой может протекать самоподдерживающаяся цепная реакция деления атомных ядер; характеризуется обращением в единицу коэффициента размножения нейтронов. Соответствующие размеры и объём устройства, в котором протекает цепная реакция, также называется критическими (см. Ядерные цепные реакции, Ядерный реактор).

Википедия

Критическая масса

Критическая масса - в ядерной физике минимальная масса делящегося вещества, необходимая для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества больше единицы или равен единице. Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими.

В ядерной энергетике параметр критической массы является определяющим при конструировании и расчётах самых разнообразных устройств, использующих в своей конструкции различные изотопы или смеси изотопов элементов, способных в определенных условиях к ядерному делению с выделением колоссального количества энергии. Например, при проектировании мощных радиоизотопных генераторов, в которых используются в качестве топлива уран и ряд трансурановых элементов, параметр критической массы ограничивает мощность такого устройства. При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критической массы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на его стоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, параметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.

Наименьшей критической массой обладают растворы солей чистых делящихся нуклидов в воде с водяным отражателем нейтронов. Для U критическая масса такого раствора равна 0,8 кг, для Pu - 0,5 кг, для некоторых солей Cf - 10 г.

Для безопасной работы с ядерноопасными делящимися веществами параметры оборудования должны быть меньше критических. В качестве нормативных параметров ядерной безопасности используют: количество, концентрацию и объем ядерноопасного делящегося материала; диаметр оборудования, имеющего цилиндрическую форму; толщину плоского слоя для оборудования, имеющего форму пластины. Нормативный параметр устанавливают исходя из допустимого параметра, который меньше критического и не должен быть превышен при эксплуатации оборудования. При этом необходимо, чтобы характеристики, влияющие на критические параметры, находились в строго определенных пределах. Используются следующие допустимые параметры: количество М доп , объем V доп , диаметр D доп , толщина слоя t доп .

Используя зависимость критических параметров от концентрации ядерноопасного делящегося нуклида, определяют такое значение критического параметра, ниже которого при любой концентрации СЦРД невозможна. Например, для растворов солей плутония и обогащенного урана критические масса, объем, диаметр бесконечного цилиндра, толщина бесконечного плоского слоя имеют минимум в области оптимального замедления. Для смесей металлического обогащенного урана с водой критическая масса, как и для растворов, имеет ярко выраженный минимум в области оптимального замедления, а критические объем, диаметр бесконечного цилиндра, толщина бесконечного плоского слоя при высоком обогащении (>35 %) имеют минимальные значения при отсутствии замедлителя (r н /r 5 =0); для обогащения ниже 35% критические параметры смеси имеют минимум при оптимальном замедлении. Очевидно, что параметры, установленные исходя из минимальных критических параметров, обеспечивают безопасность во всем интервале изменения концентрации. Эти параметры называются безопасными , они меньше минимальных критических параметров. Используются следующие безопасные параметры: количество, концентрация, объем, диаметр, толщина слоя.

При обеспечении ядерной безопасности системы по допустимому параметру обязательно ограничивается концентрация делящегося нуклида (иногда количество замедлителя), в то же время при использовании безопасного параметра никаких ограничений на концентрацию (или по количеству замедлителя) не накладывается.

2 КРИТИЧЕСКАЯ МАССА

Будет или не будет развиваться цепная реакция, зависит от результата соревнования четырёх процессов:

(1) Вылет нейтронов из урана,

(2) захват нейтронов ураном без деления,

(3) захват нейтронов примесями.

(4) захват нейтронов ураном с делением.

Если потеря нейтронов в первых трех процессах меньше количества нейтронов, освобождаемых в четвёртом, то цепная реакция происходит; в противном случае она невозможна. Очевидно, что если из первых трёх процессов весьма вероятен, то избыток нейтронов, освобождаемых при делении, не сможет обеспечить продолжение реакции. Например, в том случае, когда вероятность процесса (2) (захват ураном без деления) намного больше вероятности захвата с делением, цепная реакция невозможна. Дополнительную трудность вносит изотопный природного урана: он состоит из трех изотопов: 234 U, 235 U и 238 U, вклады которых 0,006, 0,7 и 99,3% соответственно. Важно, что вероятности процессов (2) и (4) различны для разных изотопов и по-разному зависят от энергии нейтронов.

Для оценки конкуренции различных процессов с точки зрения развития в веществе цепного процесса деления ядер вводится понятие «критическая масса».

Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления. Критическая масса тем меньше, чем меньше период полураспада деления и чем выше обогащение рабочего элемента делящимся изотопом.

Критическая масса - минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в таком количестве вещества равен единице.

Критическая масса - масса делящегося вещества реактора, находящегося в критическом состоянии.

Критические размеры ядерного реактора - наименьшие размеры активной зоны реактора, при которых ещё может осуществляться самоподдерживающаяся реакция деления ядерного горючего. Обычно под критическим размером принимают критический объём активной зоны.

Критический объём ядерного реактора - объём активной зоны реактора в критическом состоянии.

Относительное количество нейтронов, которые вылетают из урана, может быть уменьшено изменением размеров и формы. В сфере поверхностные эффекты пропорциональны квадрату, а объемные - кубу радиуса. Вылет нейтронов из урана является поверхностным эффектом, зависящим от величины поверхности; захват с делением происходит во всем объеме, занимаемом материалом, и поэтому является

объемным эффектом. Чем больше количество урана, тем меньше вероятность того, что вылет нейтронов из объема урана будет преобладать над захватами с делением и препятствовать цепной реакции. Потеря нейтронов на захваты без деления является объемным эффектом, подобно освобождению нейтронов при захвате с делением, так что увеличение размеров не изменяет их относительной важности.

Критические размеры устройства, содержащего уран, можно определить как размеры, при которых количество освобождаемых при делении нейтронов в точности равно их потере вследствие вылета и захватов, не сопровождающихся делением. Другими словами, если размеры меньше критических, то, по определению, цепная реакция не может развиться.

Критическую массу могут образовывать только нечётные изотопы. Лишь 235 U встречается в природе, а 239 Pu и 233 U - искусственные, они образуются в ядерном реакторе (в результате захвата нейтронов ядрами 238 U

и 232 Th с двумя последующими β - распадами).

В природном уране цепная реакция деления не может развиться ни при каком количестве урана, однако, в таких изотопах, как 235 U и 239 Pu цепной процесс достигается сравнительно легко. При наличии замедлителя нейтронов, цепная реакция идёт и в природном уране.

Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточно большого количества делящегося вещества, так как в образцах малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Цепная реакция ядерного взрыва возникает при достижении

делящимся веществом некоторой критической массы.

Пусть имеется кусок вещества, способного к делению, например, 235 U, в который попадает нейтрон. Этот нейтрон либо вызовет деление, либо бесполезно поглотится веществом, либо, продиффундировав, выйдет через наружную поверхность. Важно, что будет на следующем этапе – уменьшится или уменьшится число нейтронов в среднем, т.е. ослабнет или разовьется цепная реакция, т.е. будет ли система в подкритическом или в надкритическом (взрывном) состоянии. Так как вылет нейтронов регулируется размером (для шара – радиусом), то возникает понятие критического размера (и массы). Для развития взрыва размер должен быть больше критического.

Критический размер делящейся системы можно оценить, если известна длина пробега нейтронов в делящемся материале.

Нейтрон, летая по веществу, изредка сталкивается с ядром, он как бы видит его поперечное сечение. Размер поперечного сечения ядра σ=10-24 см2 (барн). Если N - число ядер в кубическом сантиметре, то комбинация L =1/N σ дает среднюю длину пробега нейтрона по отношению к ядерной реакции. Длина пробега нейтрона – единственная размерная величина, которая может послужить отправной точкой оценки критразмера. В любой физической теории используются методы подобия, которые, в свою очередь, строятся из безразмерных комбинаций размерных величин, характеристик системы и вещества. Таким безразмерным

числом является отношение радиуса куска делящегося материала к длине пробега в нем нейтронов. Если принять, что безразмерное число порядка единицы, а длина пробега при типичном значении N =1023 , L = 10 см

(для σ =1) (обычно σ обычно намного выше 1, так что критическая масса меньше нашей оценки). Критическая масса зависит от сечения реакции деления конкретного нуклида. Так, для создания атомной бомбы необходимо примерно 3 кг плутония или 8 кг 235 U (при имплозивной схеме и в случае чистого 235 U) При стволовой схеме атомной бомбы требуется примерно 50 кг оружейного урана (При плотности урана 1,895·104 кг/м3 радиус шара такой массы равен примерно 8,5 см, что на удивление хорошо совпадает с нашей оценкой

R =L =10 см).

Выведем теперь более строгую формулу для расчета критического размера куска делящегося материала.

Как известно, при распаде ядра урана образуется несколько свободных нейтронов. Часть из них покидает образец, а часть поглощается другими ядрами, вызывая их деление. Цепная реакция возникает, если число нейтронов в образце начинает лавинообразно расти. Для определения критической массы можно использовать уравнение диффузии нейтронов:

	∂C	D C + β C
	∂t

где С - концентрация нейтронов, β>0 – константа скорости реакции размножения нейтронов (аналогично постоянной радиоактивного распада имеет размерность 1/сек, D -коэффициент диффузии нейтронов,

Пусть образец имеет форму шара радиусом R . Тогда нам надо найти решение уравнения (1), удовлетворяющее краевому условию: C (R,t )=0.

Сделаем замену C = ν e β t , тогда

∂C

∂ν

ν = D

+ βν e

∂t

Получили классическое уравнение теплопроводности:

∂ν

D ν

∂t

Решение этого уравнения хорошо известно

π 2 n 2

ν (r , t )=

sin π n re

π 2 n

β −

C(r, t) =

sin π n re

r n = 1

Цепная реакция пойдёт при условии (то есть

C(r, t)

t →∞ → ∞ ), что хотя бы при одном n коэффициент в

показателе степени положителен.

Если β − π 2 n 2 D > 0,

то β > π 2 n 2 D и критический радиус сферы:

R = π n

Если π

≥ R , то ни при каком n не будет растущей экспоненты

Если π

< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту.

Ограничимся первым членом ряда, n =1:

R = π

Критическая масса:

M = ρ V = ρ

Минимальное значение радиуса шара, при котором возникает цепная реакция называется

критическим радиусом, а масса соответствующего шара - критической массой.

Подставив значение для R , получим формулу для расчета критической массы:

M кр = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Величина критической массы зависит от формы образца, коэффициента размножения нейтронов и коэффициента диффузии нейтронов. Их определение является сложной экспериментальной задачей, поэтому полученная формула используется для определения указанных коэффициентов, а проведенные выкладки являются доказательством существования критической массы.

Роль размеров образца очевидна: с уменьшением размеров процент нейтронов, вылетающих через ее поверхность, увеличивается, так что при малых (ниже критических!) размерах образца цепная реакция становится невозможной даже при благоприятном соотношении между процессами поглощения и образования нейтронов.

Для высокообогащенного урана значение критической массы составляет около 52 кг, для оружейного плутония - 11 кг. В нормативных документах по охране ядерных материалов от хищения указываются критические массы: 5 кг 235 U или 2 кг плутония (для имплозивной схемы атомной бомбы). Для пушечной схемы критические массы намного больше. На базе этих значений строится интенсивность защиты делящихся веществ от нападения террористов.

Замечание. Критическая масса системы из металлического урана 93,5% обогащения (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) равна 52 кг без отражателя и 8,9 кг, когда система окружена отражателем нейтронов из оксида бериллия. Критическая масса водного раствора урана – примерно 5 кг.

Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления и радиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения. Например, наличие отражателей нейтронов может сильно уменьшить критическую массу. Для конкретного делящегося вещества количество материала, которое составляет критическую массу, может изменяться в широком диапазоне и зависит от плотности, характеристик (вид материала и толщина) отражателя, а также от природы и процентного содержания любых присутствующих инертных разбавителей (таких как кислород в оксиде урана, 238 U в частично обогащенном 235 U или химические примеси).

В целях сравнения, привёдем критические массы шаров без отражателя для нескольких видов материалов с некоторой стандартной плотностью.

Для сравнения приведем следующие примеры критических масс: 10 кг 239 Pu, металл в альфа-фазе

(плотность 19,86 г/см3 ); 52 кг 94%-го 235 U (6% 238 U), металл (плотность 18,72 г/см3 ); 110 кг UO2 (94% 235 U)

при плотности в кристаллическом виде 11 г/см3 ; 35 кг PuO2 (94% 239 Pu) при плотности в кристаллическом

виде 11,4 г/см3 . Наименьшей критической массой обладают растворы солей чистых делящихся нуклидов в воде с водяным отражателем нейтронов. Для 235 U Критическая масса равна 0,8 кг, для 239 Pu - 0,5 кг, для 251 Cf -

Критическая масса M связана с критической длиной l: М l x , где x зависит от формы образца и лежит в пределах от 2 до 3. Зависимость от формы связана с утечкой нейтронов через поверхность: чем больше поверхность, тем больше критическая масса. Образец с минимальной критической массой имеет форму шара. Табл. 5. Основные оценочные характеристики чистых изотопов способных к ядерному делению

							Нейтроны
	Получение		Критическая	Плотность	Температура	Тепловыделение	спонтанного
	Получение	полураспада	Критическая	Плотность	Температура	Тепловыделение	спонтанного
	(источник)	полураспада		г/см³	плавления °С
		T 1/2					105 (кг·сек)
231Pa
232U	Реактор на
232U
	нейтронах
233U
235U	Природный	7,038×108 лет

236U		2,3416×107 лет? кг
237Np		2,14×107 лет
236Pu
238Pu
239Pu
240Pu
241Pu
242Pu
241Am
242mAm
243mAm
243Am
243Cm
244Cm
245Cm
246Cm
247Cm		1,56×107 лет
248Cm
249Cf
250Cf
251Cf
252Cf

Остановимся несколько подробнее на критических параметрах изотопов некоторых элементов. Начнём с урана.

Как уже неоднократно упоминалось, 235 U (кларк 0,72%) имеет особо важное значение, поскольку делится под действием тепловых нейтронов (σ f =583 барн), выделяя при этом «тепловой нергетический эквивалент» 2×107 кВт×ч/к. Поскольку помимо α -распада 235 U ещё и спонтанно делится (Т 1/2 =3,5×1017 лет), то в массе урана всегда присутствуют нейтроны, а значит возможно создание условий для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции деления. Для металлического урана с обогащением 93,5 % критическая масса равна: 51 кг без отражателя; 8,9 кг с отражателем из оксида бериллия; 21,8 кг с полным водяным отражателем. Критические параметры гомогенных смесей урана и его соединений приведены в

Критические параметры изотопов плутония: 239 Pu: М кр = 9,6 кг, 241 Pu: М кр =6,2 кг, 238 Pu: М кр = от 12 до 7,45 кг. Наибольший интерес представляют смеси изотопов: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Большое удельное энерговыделение 238 Pu приводит к окислению металла в воздухе, поэтому наиболее вероятно его использование в виде оксидов. При получении 238 Pu сопутствующим изотопом является 239 Pu. Соотношение этих изотопов в смеси определяет как значение критических параметров, так и их зависимость при изменении содержания замедлителя. Различные оценки критической массы для голой металлической сферы из 238 Pu дают значения от 12 до 7,45 кг по сравнению с критической массой для 239 Pu, равной 9,6 кг. Так как ядро 239 Pu содержит нечетное число нейтронов, то критическая масса при добавлении в систему воды будет уменьшаться. Критическая масса 238 Pu при добавлении воды увеличивается. Для смеси этих изотопов суммарный эффект добавления воды зависит от соотношения изотопов. При массовом содержании 239 Pu, равном 37% или меньше, критическая масса смеси изотопов 239 Pu и 238 Pu не уменьшается при добавлении в систему воды. В этом случае допустимое количество диоксидов 239 Pu-238 Pu составляет 8 кг. При других

соотношениях диоксидов 238 Pu и 239 Pu минимальное значение критической массы изменяется от 500 г для чистого 239 Pu до 24,6 кг для чистого 238 Pu.

Табл. 6. Зависимость критической массы и критического объёма урана от обогащения по 235 U.

Примечание. I - гомогенная смесь металлического урана и воды; II - гомогенная смесь диоксида урана и воды; III - раствор уранилфторида в воде; IV - раствор уранилнитрата в воде. * Данные, полученные с помощью графической интерполяции.

Другим изотопом с нечетным числом нейтронов является 241 Pu. Минимальное значение критической массы для 241 Pu достигается в водных растворах при концентрации 30 г/л и составляет 232 кг. При получении 241 Pu из облученного горючего ему всегда сопутствует 240 Pu, который по содержанию не превосходит его. При равном отношении нуклидов в смеси изотопов минимальная критическая масса 241 Pu превышает критическую массу 239 Pu. Следовательно, по отношению к минимальной критической массе изотоп 241 Pu при

оценке ядерной безопасности можно заменить 239 Pu, если в смеси изотопов находятся равные количества

241 Pu и 240 Pu.

Табл. 7. Минимальные критические параметры урана с обогащением 100% по 233 U.

Рассмотрим теперь критические характеристики изотопов америция. Присутствие в смеси изотопов 241 Am и 243 Am увеличивает критическую массу 242 m Am. Для водных растворов существует такое соотношение изотопов, при котором система всегда подкритична. При массовом содержании 242 m Am в смеси 241 Am и 242 m Am менее 5% система остается подкритической вплоть до концентрации америция в растворах и механических смесях диоксида с водой, равной 2500 г/л. 243 Am в смеси с 242m Am также увеличивает

критическую массу смеси, но в меньшей степени, так как сечение захвата тепловых нейтронов для 243 Am на порядок ниже, чем у 241 Am

Табл. 8. Критические параметры гомогенных плутониевых (239 Pu+240 Pu) сферических сборок.

Табл. 9. Зависимость критических массы и объема для соединений плутония* от изотопного состава плутония

* Основной нуклид 94 239 Pu.

Примечание . I - гомогенная смесь металлического плутония и воды; II - гомогенная смесь диоксида плутония и воды; IIIгомогенная смесь оксалата плутония и воды; IV - раствор нитрата плутония в воде.

Табл. 10. Зависимость минимальной критической массы 242 m Am от его содержания в смеси 242 m Am и 241 Am (критическая масса рассчитана для AmO2 +H2 O в сферической геометрии с водяным отражателем):

	Критическая масса 242 m Am, г

При малой массовой доле 245 Cm нужно учитывать, что 244 Cm также имеет конечную критическую массу в системах без замедлителей. Другие изотопы кюрия с нечетным числом нейтронов имеют минимальную критическую массу в несколько раз большую, чем 245 Cm. В смеси СmО2 + Н2 О изотоп 243 Cm имеет минимальную критическую массу порядка 108 г, a 247 Cm - порядка 1170 г. По отношению к

критической массе можно считать, что 1 г 245 Cm эквивалентен 3 г 243 Cm или 30 г 247 Cm. Минимальная критическая масса 245 Cm, г, в зависимости от содержания 245 Cm в смеси изотопов 244 Cm и 245 Cm для СmО2 +

Н2 О достаточно хорошо описывается формулой

	М кр = 35,5 +
		ξ + 0,003

где ξ - массовая доля 245 Cm в смеси изотопов кюрия.

Критическая масса зависит от сечения реакции деления. При создании оружия, всяческими ухищрениями можно уменьшить требуемую для взрыва критическую массу. Так, для создания атомной бомбы необходимо 8 кг урана-235 (при имплозивной схеме и в случае чистого урана-235; при использовании же 90% урана-235 и при стволовой схеме атомной бомбы требуется не менее 45 кг оружейного урана). Критическую массу можно существенно уменьшить, окружив образец делящегося вещества слоем материала, отражающего нейтроны, например, бериллия или природного урана. Отражатель возвращает значительную часть нейтронов, вылетающих через поверхность образца. Например, если использовать отражатель толщиной в 5 см, изготовленный из таких материалов, как уран, железо, графит, критическая масса составит половину от критической массы «голого шара». Более толстые отражатели уменьшают критическую массу. Особенно эффективен бериллий, обеспечивающий критическую массу в 1/3 от стандартной критической массы. Система на тепловых нейтронах имеет самый большой критический объем и минимальную критическую массу.

Важную роль играет степень обогащения по делящемуся нуклиду. Природный уран с содержанием 235 U 0,7% не может быть использован для изготовления атомного оружия, поскольку остальной уран (238 U) интенсивно поглощает нейтроны, препятствуя развитию цепного процесса. Поэтому изотопы ураны необходимо разделить, что представляет собой сложную и трудоёмкую задачу. Разделение приходится вести до степеней обогащения по 235 U выше 95%. Попутно необходимо избавляться от примесей элементов с высоким сечением захвата нейтронов.

Замечание. При приготовлении оружейного урана, не просто избавляются от ненужных примесей, а замещают их на другие примеси, способствующие цепному процессу, например, вводят элементы – размножители нейтронов.

Уровень обогащения урана оказывает существенное влияние на величину критической массы. Например, критическая масса урана с обогащением 235 U 50% составляет 160 кг (в 3 раза больше массы 94%- го урана), а критическая масса 20%-го урана составляет 800 кг (то есть в ~15 раз больше, чем критическая масса 94%-го урана). Аналогичные коэффициенты зависимости от уровня обогащения применимы и к оксиду урана.

Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности материала, М к ~1/ρ 2 , . Так, критическая масса металлического плутония в дельта-фазе (плотность 15,6 г/см3 ) составляет 16 кг. Это обстоятельство учитывается при конструировании компактной атомной бомбы. Поскольку вероятность захвата нейтронов пропорциональна концентрации ядер, увеличение плотности образца, например, в результате его сжатия, способно привести к возникновению в образце критического состояния. В ядерных взрывных устройствах масса делящегося вещества, находящаяся в безопасном подкритическом состоянии переводится во взрывное сверхкритическое с помощью направленного взрыва, подвергающего заряд сильной степени сжатия.

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.

На сайте изложены основы технологии гальванических покрытий. Подробно рассмотрены процессы подготовки и нанесения электрохимических и химических покрытий, а также методы контроля качества покрытий. Описано основное и вспомогательное оборудование гальванического цеха. Приведены сведения по механизации и автоматизации гальванического производства, а также санитарии и технике безопасности.

Сайт может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.

Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решать многие задачи, среди которых важное место занимает защита металлов от коррозии. Коррозия металлов, т. е. разрушение их вследствие электрохимического или химического воздействия среды, причиняет-народному хозяйству огромный ущерб. Ежегодно вследствие коррозии выходит из употребления до 10—15 % годового выпуска металла в виде ценных деталей и конструкций, сложных приборов и машин. В отдельных случаях коррозия приводит к авариям.

Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также широко применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости и износостойкости, высокой отражательной способности, улучшенных антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности, облегчения паяемости и, наконец, просто для улучшения внешнего вида изделий.

Русские ученые являются создателями многих важнейших способов электрохимической обработки металлов. Так, создание гальванопластики — заслуга академика Б. С. Якоби (1837 г.). Важнейшие работы в области гальванотехники принадлежат русским ученым Э. X. Ленцу и И. М. Федоровскому. Развитие гальванотехники после Октябрьской революции неразрывно связано с именами ученых профессоров Н. Т. Кудрявцева, В. И. Лайнера, Н. П. Федотьева и многих других.

Проделана большая работа по стандартизации и нормализации процессов нанесения покрытий. Резко увеличивающийся объем работы, механизация и автоматизация гальванических цехов потребовали четкого регламентирования процессов, тщательного отбораэлектролитов для нанесения покрытия, выбора наиболее эффективных способов подготовки поверхности деталей перед осаждением гальванических покрытий и заключительных операций, а также надежных методов контроля качества изделий. В этих условиях резко возрастает роль квалифицированного рабочего-гальваника.

Основной задачей данного сайта является помощь учащимся технических училищ в овладении профессией рабочего-гальваника, знающего современные технологические процессы, применяемые в передовых гальванических цехах.

Электролитическое хромирование является эффективным способом повышения износостойкости трущихся деталей, защиты их от коррозии, а также способом защитно-декоративной отделки. Значительную экономию дает хромирование при восстановлений изношенных деталей. Процесс хромирования широко применяется в народном хозяйстве. Над его совершенствованием работает ряд научно-исследовательских организаций, институтов, вузов и машиностроительных предприятий. Появляются более эффективные электролиты и режимы хромирования, разрабатываются методы повышения механических свойств хромированных деталей, в результате чего расширяется область применения хромирования. Знание основ срвременной технологии хромирования способствует выполнению указаний нормативно-технической документации и творческому участию широких кругов практических работников в дальнейшем развитии хромирования.

На сайте развиты вопросы влияния хромирования на прочность деталей, расширено использование эффективных электролитов и технологических процессов, введен новый раздел по методам повышения экономичности хромирования. Основные разделы переработаны с учетом nporpecсивных достижений технологии хромирования. Приведенные технологические указания и конструкции подвесных приспособлений являются примерными, ориентирующими читателя в вопросах выбора условий хромирования и в принципах конструирования подвесных приспособлений.

Непрерывное развитие всех отраслей машиностроения и приборостроения обусловило значительное расширение области применения электролитических и химических покрытий.

Путем химического осаждения металлов, в сочетании с гальваническим созданы металлические покрытия на самых разнообразных диэлектриках: пластмассах, керамике, ферритах, ситалле и других материалах. Изготовление деталей из этих материалов с металлизированной поверхностью обеспечило внедрение новых конструктивно-технических решений, улучшение качества изделий и удешевление производства аппаратуры, машин, предметов широкого потребления.

Детали из пластмасс с металлическими покрытиями широко используются в автомобилестроении, радиотехнической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Особенно большое значение процессы металлизации полимерных материалов приобрели в производстве печатных плат, являющихся основой современных электронных приборов и радиотехнических изделий.

В брошюре даны необходимые сведения о процессах химико-электролитической металлизации диэлектриков, приведены основные закономерности химического осаждения металлов. Указаны особенности электролитических покрытий при металлизации пластмасс. Уделено значительное внимание технологии производства печатных плат, а также даны методы анализа растворов, применяемых в процессах металлизации, и способы их приготовления и корректирования.

В доступной и увлекательной форме сайт знакомит с физической природой в особенностями ионизирующей радиации и радиоактивности, с влиянием различных доз радиации на живые организмы, способами защиты и предупреждения лучевой опасности, возможностями использования радиоактивных изотопов для распознавания и лечения заболеваний человека.