Моисей Нейман - Термоядерное оружие

Рассчитаем величину энергии, выделяющейся при образовании гелия из протонов и нейтронов по реакции

Точный атомный вес протона — 1,00812, а атомный вес нейтрона — 1,00893. Вес двух протонов и двух нейтронов в атомных единицах равен, следовательно, 4,0341. Точный же атомный вес образовавшегося гелия меньше этой величины, он равен 4,0039.

Таким образом, при образовании 4 г гелия по указанной реакции окружающей материи будет передана масса, равная 4,0341-4,0039=0,0302 г, что соответствует передаче около 660 млрд. кал. Такое количество энергии получается при сгорании 80 т антрацита.

Из приведенного расчета следует, что при образовании 1 г гелия выделяется 660:4=165 млрд. кал. Именно этой величине на левой шкале рис. 11 и отвечает положение 2Не 4на кривой.

Из графика рис. 11 видно, что наибольшее количество энергии выделяется при образовании ядер с атомными весами приблизительно от 40 до 120. Поэтому ядра атомов с такими атомными весами и являются наиболее прочными — разложить или соединить в более тяжелые ядра их можно только с затратой большой энергии.

Ядра атомов, расположенных в начале и в конце периодической системы элементов, образуются с меньшим выделением энергии, поэтому они и являются менее устойчивыми.

Ядра урана и других тяжелых элементов могут делиться, превращаясь в более легкие ядра элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева. При этом выделяется большое количество энергии.

Еще большее количество энергии выделяется при образовании гелия и других легких элементов из нуклонов. Следует отметить относительную прочность гелия по сравнению с другими легкими элементами, например литием и бериллием. Поэтому гелий резко выпадает из кривой графика на рис. 11.

Из сказанного следует, что энергия любой ядерной реакции может быть вычислена при помощи закона Эйнштейна, если известны массы исходных и получающихся в результате реакции изотопов.

От обнаружения давно уже известного ученым большого выделения энергии при ядерных превращениях до практического осуществления ядерных реакций был еще большой и трудный путь. В самом деле, достаточно, например, поджечь один раз массу угля, обеспечив доступ кислорода, чтобы реакция шла, поддерживая сама себя. Ясно, что если бы приходилось вновь «зажигать» каждую молекулу углерода, то каменный уголь не имел бы практического использования. Точно так же если бы реакция деления урана не оказалась самоподдерживающейся, то есть цепной, то она не нашла бы практического применения. Но, как известно, при захвате нейтрона ядром урана 235 последнее может разделиться, причем обычно образуются два «осколка» и два или три (в среднем 2,5) нейтрона. Иногда после захвата нейтрона ядро урана не испытывает деления; оно в данном случае отдает избыточную энергию в виде гамма-кванта и стабилизуется, образуя ядро более тяжелого изотопа урана 236. При попадании медленного нейтрона в ядро урана 235 вероятность деления равна 84%, а вероятность образования урана 236 составляет 16%. Поэтому на каждый израсходованный нейтрон образуется не 2,5 новых нейтрона, а только 0,84∙2,5=2,1 нейтрона.

Таким образом, в результате деления урана появляются такие же частицы, которые вызвали первичный акт деления да еще в большем количестве. Эти нейтроны, как уже было сказано, способны вызвать дальнейшее цепное развитие ядерной реакции деления, приводящей при определенных условиях к взрыву. Следовательно, взрыв, происходящий в атомной бомбе, является цепным взрывом.

Теорию цепных взрывовна примере химических реакций разработал в 1928 году академик Н. Н. Семенов. Он же показал, что в случае химических процессов, кроме цепных взрывов, возможны также взрывы иной природы, так называемые тепловые взрывы. За эти выдающиеся работы Шведская академия наук присудила Н. Н. Семенову в 1956 году Нобелевскую премию.

Тепловые взрывы происходят в химических системах, в которых скорость реакций сильно возрастает с ростом температуры и в то же время реакции сопровождаются значительным выделением тепла. В таких системах начало реакции приводит к разогреву. Этот разогрев обусловливает ускорение реакции. Скорость выделения тепла при этом возрастает, а следовательно, возрастает и разогрев. В конечном счете скорость выделения тепла начинает превышать скорость отвода тепла и происходит тепловой взрыв. Примерами таких систем являются различные пороха, смесь паров бензина с воздухом при высоких давлениях, смесь водорода и кислорода («гремучая смесь») и т. д.

Так, если взять гремучую смесь, то есть такую смесь водорода и кислорода, в которой на каждую молекулу кислорода приходится по две молекулы водорода, то такое соотношение будет наиболее благоприятным для протекания химической реакции соединения водорода с кислородом с образованием воды. Однако, кроме удачного соотношения числа молекул этих газов (или их веса), для быстрого протекания реакции необходимы определенные температурные условия. При обычной температуре эта реакция будет происходить так медленно, что прошли бы годы, а в воду не превратилась бы и сотая часть газовой смеси. Если же поджечь эту смесь, например, искрой, то произойдет взрыв. Это значит, что достаточно сильно нагреть гремучую смесь в одном месте, чтобы в этом месте реакция ускорилась в миллиарды раз. В дальнейшем данная реакция сама себя поддерживает, так как в процессе образования молекул воды выделяется много тепла.

Подобные явления могут быть и при ядерных превращениях. В этих случаях тоже требуется «зажигание», то есть начальное нагревание, но для того, чтобы температура влияла на скорость ядерных реакций, здесь нужны температуры порядка миллионов и десятков миллионов градусов. Когда же в результате зажигания ядерная реакция начнется, тогда уже будет выделяться достаточно тепла для поддержания ее хода. Ядерные реакции такого типа и называются термоядерными.

До того, как появились урановые бомбы, не существовало методов получения столь высоких температур. Поэтому практическое осуществление искусственных термоядерных реакций стало реальным лишь после появления атомных бомб, хотя в существовании таких реакций ученые были уверены еще до открытия деления урана.

В термоядерных реакциях принимают участие ядра атомов, которые, как известно, заряжены положительным электричеством. При движении через вещество эти ядра взаимодействуют с окружающими атомами и молекулами, что часто связано с перераспределением энергии. Поэтому, прежде чем перейти к подробному разбору особенностей термоядерных реакций, рассмотрим те явления, которые происходят при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.