Номер 5, страница 220 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 60. Ядерное оружие. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 5, страница 220.

5. Опишите одну из возможных конструкций водородной бомбы. Какой мощности достигает взрыв водородной бомбы?

Опишите одну из возможных конструкций водородной бомбы.

Одна из наиболее распространённых конструкций водородной (термоядерной) бомбы основана на принципе радиационной имплозии, известном как схема Теллера-Улама. Эта конструкция является двухступенчатой и обеспечивает чрезвычайно высокую мощность взрыва.

Первая ступень (триггер) — это компактный ядерный заряд деления (атомная бомба), как правило, на основе плутония-239. Его задача — инициировать взрыв и создать необходимые условия для запуска второй ступени: сверхвысокую температуру, давление и мощный поток рентгеновского излучения.

Вторая ступень (термоядерный узел) содержит основное термоядерное топливо. В современных конструкциях это твёрдое химическое соединение — дейтерид лития-6 ($^6LiD$). В центре этого узла расположен стержень из делящегося материала (плутония или урана), называемый "запалом" или "свечой зажигания". Вся вторая ступень окружена массивной оболочкой из тяжелого материала, например, урана-238, которая выполняет роль тампера (отражателя) и может служить дополнительным источником энергии.

Обе ступени размещаются внутри специального тяжёлого корпуса, который образует радиационный канал (Hohlraum).

Процесс подрыва происходит в следующей последовательности:

1. С помощью обычного взрывчатого вещества подрывается первая ступень — атомный заряд. Происходит ядерный взрыв, который выделяет огромное количество энергии в виде интенсивного рентгеновского излучения.

2. Рентгеновские лучи, распространяясь со скоростью света, опережают ударную волну. Они заполняют пространство внутри корпуса, поглощаются его стенками и специальным наполнителем, превращая его в горячую плазму. Это создает огромное давление рентгеновского излучения.

3. Под действием этого излучения внешняя поверхность оболочки второй ступени мгновенно испаряется (абляция). В соответствии с третьим законом ньютона, возникает колоссальная реактивная сила, направленная внутрь. Эта сила вызывает мощнейшую ударную волну, которая симметрично сжимает термоядерное топливо и плутониевый запал до сверхвысоких плотностей и температур. Этот процесс называется радиационной имплозией.

4. Экстремальное сжатие плутониевого запала приводит его в надкритическое состояние, и он взрывается, создавая дополнительный нагрев и мощный поток нейтронов уже в центре сжатого термоядерного топлива.

5. Созданные условия (температура в сотни миллионов градусов и огромное давление) запускают цепные термоядерные реакции. Нейтроны от взрывов первой ступени и запала взаимодействуют с литием-6, образуя тритий ($^3H$):

$ ^6Li + n \rightarrow ^3H + ^4He $

Далее происходит реакция синтеза ядер дейтерия ($^2H$, уже имевшегося в топливе) и образовавшегося трития ($^3H$), которая является основным источником энергии в бомбе:

$ ^2H + ^3H \rightarrow ^4He + n + 17.6 \, \text{МэВ} $

6. Быстрые нейтроны, рождённые в реакции синтеза, имеют достаточную энергию, чтобы вызвать деление ядер в урановой оболочке ($U-238$) второй ступени. Это деление даёт значительный дополнительный вклад в общую мощность взрыва и является характерной чертой схемы "деление-синтез-деление".

Ответ: Одна из возможных конструкций водородной бомбы — это двухступенчатая схема Теллера-Улама, в которой энергия взрыва первичного ядерного заряда деления используется для радиационного обжатия (имплозии) и поджига вторичного узла, содержащего термоядерное топливо (например, дейтерид лития-6).

Какой мощности достигает взрыв водородной бомбы?

Мощность взрыва водородной бомбы измеряется в тротиловом эквиваленте и может быть колоссальной, многократно превосходя мощность атомных бомб, основанных только на реакции деления. В отличие от атомного оружия, где существует критическая масса и, соответственно, практические ограничения на мощность одного заряда, теоретического верхнего предела мощности для многоступенчатой термоядерной бомбы не существует. Мощность можно наращивать, добавляя новые термоядерные ступени.

На практике мощность испытанных и развернутых термоядерных боезарядов варьируется в широком диапазоне — от сотен килотонн до десятков мегатонн в тротиловом эквиваленте. Для сравнения, мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму ("Малыш"), составляла около 15 килотонн.

Самым мощным взорванным термоядерным устройством в истории человечества является советская "Царь-бомба" (АН602), испытанная 30 октября 1961 года. Мощность её взрыва составила, по разным оценкам, от 50 до 58 мегатонн. Это эквивалентно 50-58 миллионам тонн тротила и примерно в 3300-3800 раз мощнее бомбы, уничтожившей Хиросиму.

Ответ: Мощность взрыва водородной бомбы может достигать десятков мегатонн в тротиловом эквиваленте. Рекордная мощность, зафиксированная во время испытаний, составляет около 58 мегатонн.