Страница 220 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. При каком условии возникает неуправляемая цепная реакция деления ядер? Какое значение при этом имеет коэффициент размножения нейтронов?

Неуправляемая цепная реакция деления ядер возникает при условии, что масса делящегося вещества (например, изотопов урана-235 или плутония-239) превышает так называемую критическую массу. Критическая масса — это минимальное количество делящегося вещества, необходимое для поддержания самоподдерживающейся цепной реакции. Когда масса вещества больше критической (такое состояние называют сверхкритическим), каждый акт деления вызывает в среднем более одного нового деления в следующем поколении.

Этот процесс описывается коэффициентом размножения нейтронов ($k$), который определяется как отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер в одном поколении, к числу таких нейтронов в предыдущем поколении.

Для неуправляемой цепной реакции, характерной для ядерного взрыва, необходимо, чтобы число нейтронов лавинообразно росло. Это происходит, когда коэффициент размножения нейтронов становится больше единицы.

• При $k < 1$ (подкритическое состояние) реакция затухает.
• При $k = 1$ (критическое состояние) реакция протекает с постоянной скоростью (режим работы ядерных реакторов).
• При $k > 1$ (сверхкритическое состояние) происходит экспоненциальный рост числа делений, что приводит к неуправляемой реакции и выделению огромной энергии за короткое время.

Таким образом, для возникновения неуправляемой цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть строго больше единицы.

Ответ: Неуправляемая цепная реакция деления ядер возникает, когда масса делящегося вещества превышает критическую массу. При этом коэффициент размножения нейтронов $k$ должен быть больше единицы ($k > 1$).

2. Опишите одну из возможных конструкций атомной бомбы.

Одной из наиболее распространенных и эффективных конструкций атомной бомбы является имплозивная схема. Она была использована, например, в бомбе "Толстяк" (Fat Man), сброшенной на Нагасаки. Принцип её действия основан на сжатии делящегося материала до сверхкритического состояния с помощью обычной взрывчатки.

Основные компоненты имплозивной бомбы:

• Ядерный заряд (ядро). В центре устройства находится сфера из делящегося материала, обычно плутония-239 ($^{239}\text{Pu}$) или высокообогащенного урана-235 ($^{235}\text{U}$). Масса этого материала недостаточна для начала самоподдерживающейся цепной реакции в обычных условиях, то есть она является докритической.

• Нейтронный инициатор. В самом центре плутониевого ядра размещается небольшой источник нейтронов. Часто это капсула, содержащая смесь полония-210 и бериллия-9. В обычном состоянии они разделены, но при сжатии ударной волной они перемешиваются, и альфа-частицы полония выбивают нейтроны из бериллия, которые инициируют цепную реакцию.

• Тампер (отражатель). Ядро окружено слоем плотного вещества, например, природного урана ($^{238}\text{U}$) или вольфрама. Тампер выполняет две функции:

  1. Отражатель нейтронов: он отражает нейтроны, вылетающие из ядра, обратно в него, что повышает эффективность реакции.

  2. Инерционная оболочка: благодаря своей большой массе и инертности, тампер удерживает расширяющееся в результате реакции ядро от преждевременного разлета, позволяя прореагировать большей части делящегося материала.

• Слой взрывчатого вещества (ВВ) и взрывные линзы. Тампер окружен массивной сферической оболочкой из обычного химического взрывчатого вещества. Эта оболочка состоит из множества точно рассчитанных сегментов — так называемых взрывных линз. Каждая линза состоит из двух типов ВВ: "быстрого" (с высокой скоростью детонации) и "медленного". Их форма и расположение подобраны таким образом, чтобы превратить расходящиеся взрывные волны от множества точек инициации в единую, идеально сферическую, сходящуюся к центру (имплозивную) ударную волну.

• Система детонации. На внешней поверхности слоя ВВ расположено большое количество (десятки) электрических детонаторов. Они должны сработать абсолютно синхронно с точностью до долей микросекунды.

Принцип действия:

1. По сигналу высотомера или таймера система детонации одновременно подрывает все детонаторы на поверхности сферы из ВВ.

2. Детонация распространяется через взрывные линзы, которые фокусируют энергию взрыва, создавая мощную сферическую ударную волну, движущуюся строго к центру устройства.

3. Ударная волна достигает тампера и ядра, вызывая их всестороннее и равномерное сжатие (имплозию).

4. Плотность делящегося материала (плутония) резко возрастает. Поскольку критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности, докритическая масса вещества становится сверхкритической.

5. В момент максимального сжатия ударная волна разрушает нейтронный инициатор, который испускает "запал" из нейтронов.

6. Нейтроны запускают в сверхкритическом плутонии неуправляемую цепную реакцию деления, которая развивается лавинообразно.

7. За миллионные доли секунды выделяется колоссальное количество энергии, что приводит к ядерному взрыву.

Ответ: Одной из возможных конструкций атомной бомбы является имплозивная схема. Она включает в себя центральное ядро из докритической массы делящегося материала (например, плутония-239), окруженное тампером (нейтронным отражателем) и массивной сферой из химической взрывчатки, состоящей из взрывных линз. Одновременная детонация взрывчатки создает сходящуюся сферическую ударную волну, которая сжимает ядро, переводя его в сверхкритическое состояние. В этот момент нейтронный инициатор в центре ядра запускает цепную реакцию деления, приводящую к ядерному взрыву.

3. Какая величина характеризует мощность ядерного взрыва? Какой мощности был взрыв первой в истории атомной бомбы?

Какая величина характеризует мощность ядерного взрыва?

Мощность ядерного взрыва характеризуется полным количеством энергии, выделяющейся при взрыве. Эта величина называется энерговыделением. Для удобства сравнения мощности различных видов взрывных устройств, в том числе ядерных, используется специальная единица — тротиловый эквивалент.

Тротиловый эквивалент — это масса стандартного взрывчатого вещества, тринитротолуола (ТНТ, тротила), при взрыве которой выделяется такое же количество энергии, что и при рассматриваемом взрыве.

Мощность измеряется в тоннах, килотоннах (тысячах тонн) и мегатоннах (миллионах тонн) тротилового эквивалента. Соотношения с системной единицей энергии (джоуль) следующие:

• 1 тонна ТНТ эквивалентна $4.184 \times 10^9$ Дж
• 1 килотонна (кт) = $10^3$ тонн ТНТ = $4.184 \times 10^{12}$ Дж
• 1 мегатонна (Мт) = $10^6$ тонн ТНТ = $4.184 \times 10^{15}$ Дж

Ответ: Мощность ядерного взрыва характеризуется его тротиловым эквивалентом — количеством энергии, выделяемой при взрыве, которое для удобства измеряют в тоннах, килотоннах или мегатоннах в пересчете на энергию взрыва соответствующей массы тринитротолуола (ТНТ).

Какой мощности был взрыв первой в истории атомной бомбы?

Первое в истории испытание ядерного оружия, известное под кодовым названием «Тринити» (Trinity), было проведено Соединенными Штатами Америки 16 июля 1945 года. В ходе этого испытания была взорвана плутониевая бомба имплозивного типа под названием «Штучка» (The Gadget).

Мощность этого взрыва, по современным оценкам, составила примерно 21 килотонну (кт) в тротиловом эквиваленте. Это означает, что при взрыве выделилось такое же количество энергии, как при детонации 21 000 тонн тринитротолуола.

Ответ: Мощность взрыва первой в истории атомной бомбы («Тринити») составила около 21 килотонны в тротиловом эквиваленте.

4. Чем отличается водородная бомба от атомной?

Водородная (термоядерная) и атомная (ядерная) бомбы — это два типа ядерного оружия, но они основаны на разных физических принципах и существенно отличаются по своей мощности, конструкции и последствиям применения.

Принцип действия

Ключевое различие заключается в типе ядерной реакции, используемой для высвобождения энергии.

• Атомная бомба работает на принципе ядерного деления. В ней используется цепная реакция деления тяжелых ядер, таких как уран-235 ($^{235}\text{U}$) или плутоний-239 ($^{239}\text{Pu}$). При попадании нейтрона в ядро оно распадается на два более легких осколка с выделением огромного количества энергии и нескольких новых нейтронов, которые, в свою очередь, вызывают деление других ядер, запуская лавинообразный процесс.
• Водородная бомба работает на принципе термоядерного синтеза. В ней происходит слияние легких ядер, таких как изотопы водорода — дейтерий ($^2_1\text{H}$) и тритий ($^3_1\text{H}$). Для запуска этой реакции требуются колоссальные температура (десятки миллионов градусов) и давление, которые создаются путем взрыва встроенного в водородную бомбу атомного заряда (он служит детонатором или "запалом"). Реакция синтеза, например $^2_1\text{H} + ^3_1\text{H} \rightarrow ^4_2\text{He} + ^1_0\text{n}$, высвобождает гораздо больше энергии на единицу массы, чем реакция деления.

Ответ: Атомная бомба использует энергию распада тяжелых ядер (деление), а водородная — энергию слияния легких ядер (синтез).

Мощность и конструкция

• Атомная бомба имеет мощность, ограниченную критической массой делящегося вещества. Невозможно создать заряд мощностью выше определенного предела (обычно до сотен килотонн в тротиловом эквиваленте), так как сборка надкритической массы становится технически крайне сложной. Конструкция является одностадийной.
• Водородная бомба теоретически не имеет верхнего предела мощности. Её мощность зависит только от количества термоядерного топлива. Мощность таких бомб измеряется в мегатоннах (миллионах тонн) тротилового эквивалента, что в сотни и тысячи раз превышает мощность атомных бомб. Конструкция является двухстадийной (или многостадийной): первая стадия — это атомный взрыв для инициации, вторая — термоядерный синтез.

Ответ: Водородная бомба значительно мощнее атомной и имеет более сложную двухстадийную конструкцию, где атомный заряд используется как детонатор для запуска термоядерной реакции.

Последствия и радиоактивное заражение

• Атомная бомба создает мощное радиоактивное заражение местности из-за большого количества осколков деления — радиоактивных изотопов, образующихся при распаде урана или плутония.
• Водородная бомба в "чистом" виде (только синтез) создает меньше долгоживущих радиоактивных осадков, так как основной продукт реакции (гелий) стабилен. Однако на практике большинство современных термоядерных боеприпасов создаются по схеме "деление-синтез-деление". В них контейнер с термоядерным топливом делают из дешевого урана-238, ядра которого эффективно делятся под действием быстрых нейтронов, возникающих при термоядерном синтезе. Это резко увеличивает общую мощность взрыва и приводит к еще более сильному радиоактивному заражению, чем при взрыве атомной бомбы.

Ответ: Хотя "чистая" реакция синтеза создает меньше радиоактивных осадков, реальные конструкции водородных бомб часто приводят к гораздо более сильному и обширному радиоактивному заражению из-за дополнительной стадии деления урана-238.

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.