En el próximo aniversario de badabum en Hiroshima y Nagasaki, decidí buscar en Internet preguntas sobre armas nucleares, dónde el por qué y cómo se creó era de poco interés para mí (ya lo sabía); estaba más interesado en cómo 2 piezas de plutonio no se derriten sino que hacen un gran ancho.
Esté atento a los ingenieros: comienzan con una sembradora y terminan con una bomba atómica.
Marcel Pagnol
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La física nuclear es una de las áreas más controvertidas de las ciencias naturales venerables. Fue en esta área donde la humanidad durante medio siglo arrojó miles de millones de dólares, libras, francos y rublos, como en el horno de locomotora de un tren tardío. Ahora parece que el tren ya no llega tarde. Las furiosas llamas de los fondos en llamas y las horas de trabajo se apagaron. Tratemos de entender brevemente qué tipo de tren llamado "física nuclear" es.
Isótopos y radiactividad
Como sabes, todo lo que existe está formado por átomos. Los átomos, a su vez, están formados por capas electrónicas que viven de acuerdo con sus leyes alucinantes y un núcleo. La química clásica no se interesa en absoluto por el núcleo y su vida personal. Para ella, un átomo son sus electrones y su capacidad para intercambiar interacciones. Y desde el núcleo de la química, solo se necesita su masa para calcular las proporciones de reactivos. A su vez, la física nuclear no se preocupa mucho por los electrones. Está interesada en una diminuta mota de polvo (100 mil veces más pequeña que el radio de las órbitas de los electrones) dentro de un átomo, en la que se concentra casi toda su masa.
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¿Qué sabemos sobre el núcleo? Sí, consta de protones y neutrones cargados positivamente sin carga eléctrica. Sin embargo, esto no es del todo cierto. El núcleo no es un puñado de bolas de dos colores, como en una ilustración de un libro de texto escolar. Aquí operan leyes completamente diferentes llamadas interacción fuerte, que transforman tanto los protones como los neutrones en una especie de lío indistinguible. Sin embargo, la carga de esta mezcla es exactamente igual a la carga total de los protones incluidos en ella, y la masa - casi (repito, casi) coincide con la masa de neutrones y protones que componen el núcleo.
Por cierto, el número de protones de un átomo no ionizado siempre coincide con el número de electrones que tienen el honor de rodearlo. Pero con los neutrones no es tan sencillo. De hecho, la tarea de los neutrones es estabilizar el núcleo, ya que sin ellos, los protones cargados de manera similar no se llevarían bien ni siquiera en microsegundos.
Tomemos el hidrógeno para definirlo. El hidrógeno más común. Su dispositivo es ridículamente simple: un protón rodeado por un electrón en órbita. Hidrógeno en el Universo a granel. Podemos decir que el universo está compuesto principalmente de hidrógeno.
Ahora agreguemos cuidadosamente un neutrón al protón. Desde el punto de vista de la química, sigue siendo hidrógeno. Pero desde el punto de vista de la física, ya no. Habiendo descubierto dos hidrógenos diferentes, los físicos se preocuparon e inmediatamente se les ocurrió la idea de llamar protio al hidrógeno ordinario y al hidrógeno con un neutrón con un protón: deuterio.
Consigamos el nervio y alimentemos al núcleo con otro neutrón. Ahora tenemos otro hidrógeno, incluso más pesado: el tritio. De nuevo, desde el punto de vista de la química, prácticamente no difiere de los otros dos hidrógenos (bueno, excepto que ahora entra en la reacción un poco menos voluntariamente). Quiero advertirles de inmediato: ningún esfuerzo, amenazas y advertencias podrán agregar otro neutrón al núcleo de tritio. Las leyes locales son mucho más estrictas que las humanas.
Entonces el protio, el deuterio y el tritio son isótopos de hidrógeno. Su masa atómica es diferente, pero su carga no lo es. Pero es la carga nuclear la que determina la ubicación en la tabla periódica de elementos. Por eso los isótopos se llamaron isótopos. Traducido del griego, esto significa "ocupar el mismo lugar". Por cierto, el agua pesada conocida es la misma agua, pero con dos átomos de deuterio en lugar de protio. En consecuencia, el agua superpesada contiene tritio en lugar de protio.
Echemos otro vistazo a nuestros hidrógenos. Entonces … Protium en su lugar, deuterio en su lugar … ¿Quién más es este? ¿A dónde fue mi tritio y de dónde vino el helio-3? En nuestro tritio, uno de los neutrones claramente lo pasó por alto, decidió cambiar de profesión y se convirtió en protón. Al hacerlo, dio lugar a un electrón y un antineutrino. La pérdida de tritio es, por supuesto, decepcionante, pero ahora sabemos que es inestable. La alimentación de neutrones no fue en vano.
Entonces, como entendió, los isótopos son estables e inestables. Hay muchos isótopos estables a nuestro alrededor, pero, gracias a Dios, prácticamente no hay inestables. Es decir, existen, pero en un estado tan disperso que hay que obtenerlos a costa de mucha mano de obra. Por ejemplo, el uranio-235, que le causó tantas molestias a Oppenheimer, es sólo el 0,7% en uranio natural.
Media vida
Aquí todo es sencillo. La vida media de un isótopo inestable es el período de tiempo durante el cual exactamente la mitad de los átomos del isótopo se desintegran y se convierten en otros átomos. El ya conocido tritio tiene una vida media de 12,32 años. Es un isótopo de vida bastante corta, aunque en comparación con el francio-223, que tiene una vida media de 22,3 minutos, el tritio parece un aksakal de barba gris.
Ningún factor externo macroscópico (presión, temperatura, humedad, estado de ánimo del investigador, cantidad de apropiaciones, ubicación de las estrellas) afecta la vida media. La mecánica cuántica es insensible a tales tonterías.
Mecánica de explosión popular
La esencia de cualquier explosión es la rápida liberación de energía que anteriormente estaba en un estado ligado y no libre. La energía liberada se dispersa y se convierte predominantemente en calor (energía cinética del movimiento desordenado de las moléculas), onda de choque (aquí también, movimiento, pero ya ordenado, en la dirección desde el centro de la explosión) y radiación, desde el infrarrojo suave hasta los cuantos duros de onda corta.
Con una explosión química, todo es relativamente sencillo. Se produce una reacción energéticamente beneficiosa cuando determinadas sustancias interactúan entre sí. Solo las capas electrónicas superiores de algunos átomos participan en la reacción y la interacción no es más profunda. Es fácil adivinar que hay mucha más energía latente en cualquier sustancia. Pero no importa cuáles sean las condiciones del experimento, no importa qué tan buenos sean los reactivos que elijamos, no importa cómo calibremos las proporciones, la química no nos dejará profundizar en el átomo. Una explosión química es un fenómeno primitivo, ineficaz y, desde el punto de vista de la física, obscenamente débil.
La reacción en cadena nuclear te permite profundizar un poco más, incluyendo en el juego no solo los electrones, sino también los núcleos. Esto suena realmente importante, quizás, solo para un físico, y para el resto daré una analogía simple. Imagínese un peso gigante alrededor del cual revolotean partículas de polvo electrificado a una distancia de varios kilómetros. Este es un átomo, un "peso" es un núcleo y las "partículas de polvo" son electrones. Hagas lo que hagas con estos granos de polvo, no te darán ni una centésima parte de la energía que se puede obtener de un peso pesado. Especialmente si, por alguna razón, se rompe y los escombros masivos se dispersan a gran velocidad en diferentes direcciones.
Una explosión nuclear utiliza el potencial de unión de las partículas pesadas que forman el núcleo. Pero esto está lejos del límite: hay mucha más energía latente en la materia. Y el nombre de esta energía es masa. Una vez más, esto suena un poco extraño para un no físico, pero la masa es energía, solo que extremadamente concentrada. Cada partícula: un electrón, un protón, un neutrón, todos estos son racimos escasos de energía increíblemente densa, por el momento en reposo. Probablemente conozcas la fórmula E = mc2, que tanto adoran los autores de anécdotas, los editores de periódicos murales y los diseñadores de aulas escolares. De eso se trata exactamente, y es ella quien postula la masa como nada más que una forma de energía. Y también responde a la pregunta de cuánta energía se puede obtener de una sustancia al máximo.
El proceso de una transición completa de masa, es decir, energía ligada en energía libre, se llama aniquilación. Con la raíz latina "nihil" es fácil adivinar su esencia: esto es la transformación en "nada", o más bien, en radiación. Para mayor claridad, algunos números.
Energía equivalente de explosión TNT (J)
Granada F-1 60 gramos 2,50 * 105
La bomba lanzada sobre Hiroshima 16 kilotones 6,70 * 1013
Aniquilación de un gramo de materia 21,5 kilotones 8,99 * 1013
Un gramo de cualquier materia (solo la masa es importante) durante la aniquilación dará más energía que una pequeña bomba nuclear. Comparado con tal retorno, los ejercicios de físicos sobre fisión nuclear, y más aún los experimentos de químicos con reactivos activos, parecen ridículos.
Para la aniquilación se necesitan las condiciones adecuadas, a saber, el contacto de la materia con la antimateria. Y, a diferencia del "mercurio rojo" o la "piedra filosofal", la antimateria es más que real: para las partículas que conocemos, existen y se han estudiado antipartículas similares, y en la práctica se han llevado a cabo repetidamente experimentos de aniquilación de pares "electrón + positrón". Pero para crear un arma de aniquilación, es necesario reunir un cierto volumen de antipartículas, y también restringir su contacto con cualquier materia hasta, de hecho, el uso militar. Esto, pah-pah, es todavía una perspectiva lejana.
Defecto de masa
La última pregunta que queda por entender sobre la mecánica de una explosión es ¿de dónde proviene la energía: la que se libera durante la reacción en cadena? Aquí nuevamente, no fue sin masa. Más bien, sin su "defecto".
Hasta el siglo pasado, los científicos creían que la masa se conservaba bajo cualquier condición, y tenían razón a su manera. Así que sumergimos el metal en el ácido: la retorta burbujeó y las burbujas de gas se precipitaron hacia arriba a través del espesor del líquido. Pero si pesa los reactivos antes y después de la reacción, sin olvidar el gas liberado, la masa converge. Y siempre será así, mientras operemos con kilogramos, metros y reacciones químicas.
Pero vale la pena ahondar en el área de las micropartículas, ya que la masa también presenta una sorpresa. Resulta que la masa de un átomo puede no ser exactamente igual a la suma de las masas de las partículas que lo componen. Cuando un núcleo pesado (por ejemplo, el mismo uranio) se divide en partes, los "fragmentos" en total pesan menos que el núcleo antes de la fisión. La "diferencia", también llamada defecto de masa, es responsable de las energías de enlace dentro del núcleo. Y es esta diferencia la que entra en calor y radiación durante la explosión, y todo de acuerdo con la misma fórmula simple: E = mc2.
Esto es interesante: sucedió que es energéticamente ventajoso dividir núcleos pesados y unir núcleos ligeros. El primer mecanismo funciona en una bomba de uranio o plutonio, el segundo en una bomba de hidrógeno. Y no se puede hacer una bomba de hierro con todas las ganas: está exactamente en el medio de esta línea.
Bomba nuclear
En una secuencia histórica, veamos primero las bombas nucleares y llevemos a cabo nuestro pequeño Proyecto Manhattan. No los aburriré con métodos aburridos de separación de isótopos y cálculos matemáticos de la teoría de la reacción en cadena de la fisión. Tú y yo tenemos uranio, plutonio, otros materiales, instrucciones de montaje y la parte necesaria de curiosidad científica.
Reacción en cadena de fisión Ya he mencionado que la reacción en cadena de fisión de uranio fue realizada por primera vez en diciembre de 1942 por Enrico Fermi. Ahora hablemos de la reacción en cadena nuclear con más detalle.
Todos los isótopos de uranio son inestables en un grado u otro. Pero el uranio-235 está en una posición especial. Con la desintegración espontánea del núcleo del uranio-235 (también llamada desintegración alfa), se forman dos fragmentos (núcleos de otros elementos mucho más ligeros) y varios neutrones (generalmente 2-3). Si el neutrón formado durante la desintegración golpea el núcleo de otro átomo de uranio, se producirá una colisión elástica habitual, el neutrón rebotará y seguirá buscando aventuras. Pero después de un tiempo desperdiciará energía (idealmente las colisiones elásticas ocurren solo con caballos esféricos en el vacío), y el próximo núcleo resultará ser una trampa: el neutrón será absorbido por él. Por cierto, los físicos lo llaman térmico de neutrones.
Mire la lista de isótopos de uranio conocidos. No hay ningún isótopo con una masa atómica de 236 entre ellos. ¿Sabes por qué? Un núcleo así vive fracciones de microsegundos y luego se desintegra con la liberación de una gran cantidad de energía. A esto se le llama decaimiento forzado. Un isótopo con una vida así es de alguna manera vergonzoso de llamar isótopo.
La energía liberada durante la desintegración del núcleo de uranio-235 es la energía cinética de fragmentos y neutrones. Si calculamos la masa total de los productos de desintegración del núcleo de uranio y luego la comparamos con la masa del núcleo original, resulta que estas masas no coinciden: el núcleo original era más grande. Este fenómeno se denomina defecto de masa y su explicación se establece en la fórmula E0 = mc2. La energía cinética de los fragmentos dividida por el cuadrado de la velocidad de la luz será exactamente igual a la diferencia de masa. Los fragmentos se desaceleran en la red cristalina del uranio, dando lugar a la radiación de rayos X, y los neutrones, habiendo viajado, son absorbidos por otros núcleos de uranio o abandonan la fundición de uranio, donde tienen lugar todos los eventos.
Si la fundición de uranio es pequeña, la mayoría de los neutrones lo dejarán antes de que puedan ralentizarse. Pero si cada acto de desintegración forzada causa al menos un acto más debido al neutrón emitido, esto ya es una reacción en cadena autosostenida de fisión.
En consecuencia, si se aumenta el tamaño de la pieza fundida, un número creciente de neutrones provocará actos de fisión forzada. Y en algún momento, la reacción en cadena se volverá incontrolable. Pero esto está lejos de ser una explosión nuclear. Simplemente una explosión térmica muy "sucia", que liberará una gran cantidad de isótopos muy activos y tóxicos.
Masa critica
Una pregunta bastante natural: ¿cuánto uranio-235 se necesita para que la reacción en cadena de fisión se convierta en una avalancha? De hecho, no todo es tan sencillo. Las propiedades del material fisionable y la relación volumen / superficie juegan un papel aquí. Imagine una tonelada de uranio-235 (haré una reserva de inmediato, es mucho), que existe en forma de un cable delgado y muy largo. Sí, un neutrón volando a lo largo de él, por supuesto, provocará un acto de descomposición forzada. Pero la fracción de neutrones que vuelan a lo largo del cable será tan pequeña que es ridículo hablar de una reacción en cadena autosostenida.
Por lo tanto, acordamos considerar la masa crítica para una fundición esférica. Para el uranio 235 puro, la masa crítica es de 50 kg (se trata de una bola con un radio de 9 cm). Sin embargo, comprende que una pelota así no durará mucho, como quienes la lanzaron.
Si una bola de masa más pequeña está rodeada por un reflector de neutrones (el berilio es perfecto para ella) y se introduce un material en la bola, un moderador de neutrones (agua, agua pesada, grafito, el mismo berilio), entonces la masa crítica será mucho más pequeña. Usando los reflectores y moderadores de neutrones más eficientes, la masa crítica se puede aumentar a 250 gramos. Esto, por ejemplo, se puede lograr colocando una solución saturada de sal de uranio-235 en agua pesada en un recipiente esférico de berilio.
La masa crítica no se limita al uranio-235. También hay varios isótopos capaces de producir reacciones en cadena de fisión. La condición principal es que los productos de desintegración de un núcleo deben provocar actos de desintegración de otros núcleos.
Bomba de uranio
Entonces, tenemos dos fundiciones de uranio hemisféricas que pesan 40 kg. Siempre que estén a una distancia respetuosa el uno del otro, todo estará tranquilo. ¿Y si empiezas a moverlos lentamente? Contrariamente a la creencia popular, no sucederá nada. Es solo que las piezas, a medida que se acercan, comenzarán a calentarse y luego, si no cambias de opinión a tiempo, se calentarán. Al final, simplemente se derretirán y se esparcirán, y todos los que movieron las piezas fundidas darán roble por irradiación de neutrones. Y aquellos que vieron esto con interés pegarán las aletas.
¿Y si más rápido? Se derretirá más rápido. ¿Más rápido todavía? Se derretirán aún más rápido. ¿Frio? Sí, incluso si lo sumerges en helio líquido, no tendrá sentido. ¿Y si disparas una pieza a otra? ¡ACERCA DE! El momento de la verdad. Se nos ocurrió un esquema de cañón de uranio. Sin embargo, no tenemos nada de qué estar orgullosos, este esquema es el más simple y artístico de todos. Sí, y habrá que abandonar los hemisferios. Como ha demostrado la práctica, no están dispuestos a permanecer juntos de manera uniforme en los aviones. El más mínimo sesgo, y obtendrá un "grupo" muy caro, después del cual tendrá que limpiar durante mucho tiempo.
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Es mejor hacer un tubo corto de pared gruesa de uranio-235 con una masa de 30-40 kg, en cuyo orificio colocamos un barril de acero de alta resistencia del mismo calibre, cargado con un cilindro del mismo uranio de aproximadamente la misma masa. Rodeemos el objetivo de uranio con un reflector de neutrones de berilio. Ahora, si dispara una "bala" de uranio a la "tubería" de uranio, habrá una "tubería" llena. Es decir, habrá una explosión nuclear. Solo necesita disparar de manera seria, de modo que la velocidad de salida del proyectil de uranio sea de al menos 1 km / s. De lo contrario, de nuevo, habrá un "montón", pero más fuerte. El hecho es que cuando el proyectil y el objetivo se acercan entre sí, se calientan tanto que comienzan a evaporarse intensamente desde la superficie, siendo ralentizados por los flujos de gas que se aproximan. Además, si la velocidad es insuficiente, existe la posibilidad de que el proyectil simplemente no alcance el objetivo, sino que se evapore en el camino.
Acelerar a tal velocidad un disco que pesa varias decenas de kilogramos, además, en una distancia de un par de metros es una tarea extremadamente difícil. Es por eso que no necesita pólvora, sino poderosos explosivos capaces de crear la presión de gas adecuada en el barril en muy poco tiempo. Y luego no tienes que limpiar el cañón, no te preocupes.
La bomba Mk-I "Little Boy" lanzada sobre Hiroshima fue diseñada según el esquema del cañón.
Por supuesto, hay detalles insignificantes que no tomamos en cuenta en nuestro proyecto, pero no contradecimos el principio mismo en absoluto.
Bomba de plutonio
Entonces. Detonamos la bomba de uranio. Admiramos el hongo. Ahora volaremos el de plutonio. Simplemente no arrastre un objetivo, un proyectil, un barril y otra basura aquí. Este número no funcionará con plutonio. Incluso si disparamos una pieza contra otra a una velocidad de 5 km / s, el ensamblaje supercrítico seguirá sin funcionar. El plutonio-239 tendrá tiempo para calentarse, evaporarse y estropear todo a su alrededor. Su masa crítica es de poco más de 6 kg. Puedes imaginar cuánto más activo es capturando neutrones.
El plutonio es un metal inusual. Dependiendo de la temperatura, la presión y las impurezas, existe en seis modificaciones de la red cristalina. Incluso hay modificaciones en las que se encoge cuando se calienta. Las transiciones de una fase a otra se pueden hacer abruptamente, mientras que la densidad del plutonio puede cambiar en un 25%. Vamos, como todos los héroes normales, dando vueltas. Recuerde que la masa crítica está determinada, en particular, por la relación entre el volumen y la superficie. Bien, tenemos una bola de masa subcrítica que tiene una superficie mínima para un volumen dado. Digamos 6 kilogramos. El radio de la pelota es de 4.5 cm ¿Y si esta pelota se aprieta por todos lados? La densidad aumentará en proporción al cubo de compresión lineal y la superficie disminuirá en proporción a su cuadrado. Y esto es lo que sucede: los átomos de plutonio se volverán más densos, es decir, la distancia de detención del neutrón se acortará,lo que significa que aumentará la probabilidad de su absorción. Pero, nuevamente, comprimir a la velocidad requerida (aproximadamente 10 km / s) aún no funcionará. ¿Callejón sin salida? Pero no.
A 300 ° C, se produce la llamada fase delta, la más suelta. Si el plutonio se dopa con galio, se calienta a esta temperatura y luego se enfría lentamente, entonces la fase delta puede existir a temperatura ambiente. Pero no será estable. A altas presiones (del orden de decenas de miles de atmósferas), se producirá una transición abrupta a una fase alfa muy densa.
Coloque la bola de plutonio en una bola hueca de uranio-238 grande (23 cm de diámetro) y pesada (120 kg). No se preocupe, no tiene masa crítica. Pero refleja perfectamente los neutrones rápidos. Y todavía nos serán útiles ¿Crees que lo hicieron estallar? No importa como sea. El plutonio es una entidad malditamente caprichosa. Aún tendremos que trabajar. Hagamos dos hemisferios de plutonio en la fase delta. Formemos una cavidad esférica en el centro. Y en esta cavidad colocaremos la quintaesencia del pensamiento de las armas nucleares: un iniciador de neutrones. Esta es una bola de berilio hueca tan pequeña con un diámetro de 20 y un grosor de 6 mm. En su interior hay otra bola de berilio con un diámetro de 8 mm. Hay ranuras profundas en la superficie interna de la bola hueca. Todo esto está generosamente niquelado y dorado. Las ranuras contienen polonio-210, que emite activamente partículas alfa. Este es un milagro de la tecnología.¿Como funciona? Espera un segundo. Todavía tenemos algunas cosas por hacer.
Rodeemos la capa de uranio con otra hecha de una aleación de aluminio y boro. Su grosor es de unos 13 cm. En total, nuestra "matryoshka" ha crecido hasta medio metro y se ha recuperado de 6 a 250 kg.
Ahora vamos a hacer lentes de implosión. Imagina un balón de fútbol. Clásico, compuesto por 20 hexágonos y 12 pentágonos. Hagamos una "bola" con explosivos y equipamos cada uno de los segmentos con varios detonadores eléctricos. El grosor del segmento es de aproximadamente medio metro. También hay muchas sutilezas en la fabricación de "lentes", pero si las describe, entonces no hay suficiente espacio para todo lo demás. Lo principal es la máxima precisión de la lente. El más mínimo error, y todo el conjunto será aplastado por la acción de detonación de los explosivos. El conjunto completo tiene ahora un diámetro de aproximadamente un metro y medio y un peso de 2,5 toneladas. El diseño se completa con un circuito eléctrico cuya tarea es detonar los detonadores en una secuencia estrictamente definida con una precisión de un microsegundo.
Todos. Ante nosotros hay un esquema de implosión de plutonio.
Y ahora la parte divertida.
Cuando se detona, el explosivo comprime el conjunto y el "empujador" de aluminio no permite que la desintegración de la onda expansiva se propague hacia adentro siguiendo su frente. Habiendo atravesado el uranio con una contravelocidad de aproximadamente 12 km / s, la onda de compresión lo compactará tanto a él como al plutonio. El plutonio a presiones en la zona de compresión del orden de cientos de miles de atmósferas (el efecto de enfocar el frente explosivo) saltará a la fase alfa. En 40 microsegundos, el conjunto de uranio-plutonio descrito aquí se volverá no solo supercrítico, sino varias veces mayor que la masa crítica.
Una vez alcanzado el iniciador, la onda de compresión aplastará toda su estructura en un monolito. En este caso, el aislamiento de oro-níquel colapsará, el polonio 210 debido a la difusión penetrará en el berilio, las partículas alfa emitidas por él, al pasar por el berilio, provocarán un flujo colosal de neutrones que desencadenarán una reacción de fisión en cadena en todo el volumen de plutonio, y el flujo de neutrones "rápidos" generados. la desintegración del plutonio provocará una explosión de uranio-238. Hecho, hemos cultivado un segundo hongo, no peor que el primero.
Un ejemplo de un esquema de implosión de plutonio es la bomba Mk-III "Fatman" lanzada sobre Nagasaki.
Todos los trucos descritos aquí son necesarios para forzar la reacción del número máximo de núcleos atómicos de plutonio. La tarea principal es mantener la carga en un estado compacto el mayor tiempo posible, para evitar que se disperse como una nube de plasma, en la que la reacción en cadena se detendrá instantáneamente. Aquí, cada microsegundo ganado es un aumento de uno o dos kilotones de potencia.
Bomba termonuclear
Existe la creencia generalizada de que una bomba nuclear es la mecha de una bomba termonuclear. En principio, todo es mucho más complicado, pero la esencia se capta correctamente. Las armas basadas en los principios de la fusión termonuclear permitieron alcanzar tal poder de explosión que bajo ninguna circunstancia puede lograrse mediante una reacción en cadena de fisión. Pero hasta ahora la única fuente de energía que permite "encender" una reacción de fusión termonuclear es una explosión nuclear.
Fusión termonuclear
¿Recuerda cómo "alimentamos" el núcleo de hidrógeno con neutrones? Entonces, si intentas conectar dos protones juntos de esta manera, no saldrá nada. Los protones no se pegarán debido a las fuerzas repulsivas de Coulomb. O se dispersan o se produce la desintegración beta y uno de los protones se convierte en un neutrón. Pero el helio-3 existe. Gracias a un solo neutrón, que hace que los protones sean más habitables entre sí.
En principio, basándose en la composición del núcleo de helio-3, se puede concluir que un núcleo de helio-3 puede ensamblarse completamente a partir de los núcleos de protio y deuterio. En teoría, esto es así, pero tal reacción solo puede ocurrir en las entrañas de estrellas grandes y calientes. Además, en las profundidades de las estrellas, incluso de algunos protones, se puede recolectar helio, convirtiendo algunos de ellos en neutrones. Pero estas ya son cuestiones de astrofísica, y una opción factible para nosotros es fusionar dos núcleos de deuterio o deuterio y tritio.
Una condición muy específica es necesaria para la fusión de núcleos. Esta es una temperatura muy alta (109 K). Solo a una energía cinética promedio de los núcleos de 100 keV son capaces de acercarse entre sí a una distancia en la que la interacción fuerte comienza a superar la interacción de Coulomb.
Una pregunta bastante legítima: ¿por qué cercar este jardín? El hecho es que la fusión de núcleos ligeros libera una energía de unos 20 MeV. Por supuesto, con la fisión forzada de un núcleo de uranio, esta energía es 10 veces más, pero hay una advertencia: con los mayores trucos, una carga de uranio con una capacidad de incluso 1 megatón es imposible. Incluso para una bomba de plutonio más avanzada, el rendimiento energético alcanzable no es más de 7-8 kilotones por kilogramo de plutonio (con un máximo teórico de 18 kilotones). Y no olvide que un núcleo de uranio es casi 60 veces más pesado que dos núcleos de deuterio. Si consideramos el rendimiento energético específico, la fusión termonuclear está notablemente por delante.
Y, sin embargo, para una carga termonuclear no hay restricciones sobre la masa crítica. Simplemente no lo tiene. Sin embargo, existen otras restricciones, pero sobre ellas, a continuación.
En principio, iniciar una reacción termonuclear como fuente de neutrones no es lo suficientemente difícil. Es mucho más difícil lanzarlo como fuente de energía. Aquí nos enfrentamos al llamado criterio de Lawson, que determina la ventaja energética de una reacción termonuclear. Si el producto de la densidad de los núcleos que reaccionan y el tiempo de su confinamiento a la distancia de fusión es superior a 1014 seg / cm3, la energía proporcionada por la fusión excederá la energía introducida en el sistema.
Todos los programas termonucleares se dedicaron a lograr este criterio.
Super clásico
El primer esquema de bomba termonuclear que vino a la mente de Edward Teller fue algo parecido a intentar crear una bomba de plutonio usando un esquema de cañón. Es decir, todo parece estar correcto, pero no funciona. El dispositivo "super clásico", el deuterio líquido, en el que se sumerge una bomba de plutonio, era de hecho clásico, pero estaba lejos de ser super.
La idea de una explosión de una carga nuclear en un medio de deuterio líquido resultó ser un callejón sin salida inicialmente. En tales condiciones, se podría lograr un rendimiento mínimo de energía de fusión termonuclear detonando una carga nuclear de 500 kt. Y no había necesidad de hablar sobre la consecución del criterio de Lawson.
Soplo
La idea de rodear una carga de activación nuclear con capas de combustible termonuclear, intercaladas con uranio-238 como aislante térmico y amplificador de explosión, también se le ocurrió a Teller. Y no solo a él. Las primeras bombas termonucleares soviéticas se construyeron exactamente de acuerdo con este esquema. El principio era bastante simple: una carga nuclear calienta un combustible termonuclear a la temperatura de inicio de la fusión, y los neutrones rápidos generados durante la fusión hacen explotar capas de uranio-238. Sin embargo, la limitación siguió siendo la misma: a la temperatura que podría proporcionar un disparador nuclear, solo una mezcla de deuterio barato y tritio increíblemente caro podría entrar en la reacción de fusión.
Más tarde, a Teller se le ocurrió la idea de utilizar el compuesto deuteruro de litio-6. Esta solución permitió abandonar envases criogénicos costosos e inconvenientes con deuterio líquido. Además, como resultado de la irradiación con neutrones, el litio-6 se convirtió en helio y tritio, que entraron en una reacción de fusión con el deuterio.
La desventaja de este esquema fue la potencia limitada: solo una parte limitada del combustible termonuclear que rodeaba el gatillo tuvo tiempo de entrar en la reacción de fusión. El resto, por mucho que fuera, se fue al viento. La potencia de carga máxima obtenida al utilizar la "bocanada" fue de 720 kt (bomba British Orange Herald). Al parecer, era un "techo".
Esquema Teller-Ulam
Ya hemos hablado de la historia del desarrollo del esquema Teller-Ulam. Ahora entendamos los detalles técnicos de este circuito, que también se llama circuito de "dos etapas" o "compresión de radiación".
Nuestra tarea es calentar el combustible termonuclear y mantenerlo en un cierto volumen para cumplir con el criterio de Lawson. Dejando de lado los ejercicios estadounidenses con circuitos criogénicos, tomemos el deuteruro de litio-6, ya conocido por nosotros, como combustible termonuclear.
Elegiremos uranio-238 como material para el contenedor de la carga termonuclear. El recipiente es cilíndrico. A lo largo del eje del contenedor, en su interior colocaremos una varilla cilíndrica de uranio-235, que tiene una masa subcrítica.
Nota: la bomba de neutrones sensacional en ese momento es el mismo esquema Teller-Ulam, pero sin la barra de uranio a lo largo del eje del contenedor. El punto es proporcionar un flujo poderoso de neutrones rápidos, pero no permitir que se queme todo el combustible termonuclear, que consumirá neutrones.
Llene el resto del espacio libre del recipiente con deuteruro de litio-6. Colocaremos el contenedor en uno de los extremos del cuerpo de la futura bomba (esta será la segunda etapa), y en el otro extremo montaremos una carga de plutonio convencional con capacidad de varios kilotones (primera etapa). Entre las cargas nuclear y termonuclear, instalaremos una partición de uranio-238 para evitar el calentamiento prematuro del deuteruro de litio-6. Llene el resto del espacio libre dentro del cuerpo de la bomba con polímero sólido. En principio, la bomba termonuclear está lista.
Cuando se detona una carga nuclear, el 80% de la energía se libera en forma de rayos X. Su velocidad de propagación es mucho mayor que la de los fragmentos de fisión de plutonio. En centésimas de microsegundo, el escudo de uranio se evapora y la radiación de rayos X comienza a ser absorbida intensamente por el uranio del contenedor de carga termonuclear. Como resultado de la llamada ablación (eliminación de masa de la superficie del recipiente calentado), aparece una fuerza reactiva que comprime el recipiente 10 veces. Es este efecto el que se llama implosión por radiación o compresión por radiación. Al mismo tiempo, la densidad del combustible de fusión aumenta 1000 veces. Como resultado de la presión colosal de la implosión por radiación, la barra central de uranio-235 también se comprime, aunque en menor medida, y pasa a un estado supercrítico. En ese momento, el bloque termonuclear está siendo bombardeado con neutrones rápidos de una explosión nuclear. Después de atravesar el deuteruro de litio-6, se ralentizan y son absorbidos intensamente por la barra de uranio.
Una reacción en cadena de fisión comienza en la varilla, lo que lleva rápidamente a una explosión nuclear dentro del contenedor. Dado que el deuteruro de litio-6 está sujeto a una compresión ablativa desde el exterior y a la presión de una explosión nuclear desde el interior, su densidad y temperatura aumentan aún más. Este momento es el comienzo del inicio de la reacción de síntesis. Su mantenimiento posterior está determinado por el tiempo que el contenedor mantendrá los procesos termonucleares dentro de sí mismo, evitando la liberación de energía térmica al exterior. Esto es lo que determina la consecución del criterio de Lawson. La combustión del combustible termonuclear procede desde el eje del cilindro hasta su borde. La temperatura del frente de combustión alcanza los 300 millones de kelvin. Se necesitan un par de cientos de nanosegundos para desarrollar completamente una explosión hasta el agotamiento del combustible termonuclear y la destrucción del contenedor, veinte millones de veces más rápido de lo que lee esta frase.
El funcionamiento confiable del circuito de dos etapas depende del montaje preciso del recipiente y de la prevención del calentamiento prematuro.
El poder de la carga termonuclear para el esquema Teller-Ulam depende del poder del disparador nuclear, que asegura una compresión efectiva por radiación. Sin embargo, ahora también hay esquemas de múltiples etapas en los que la energía de la etapa anterior se usa para comprimir la siguiente. Un ejemplo de un esquema de tres etapas es el ya mencionado "madre Kuz'kina" de 100 megatones.
