Константин Андреев - Взрыв и взрывчатые вещества
Не все радиоактивные вещества способны давать взрыв при описанных условиях. Известны три таких вещества: уран с атомным весом 235, уран с атомным весом 233 и плутоний. Уран 235 и уран 233 являются изотопами элемента урана. Атомы урана, как и многих других элементов, существуют в виде нескольких разновидностей, которые называются изотопами. Изотопы одного элемента отличаются числом нейтронов, входящих в состав ядра; различны поэтому и атомные веса; число же протонов, а следовательно, и заряд ядра у них одинаковы. Так как число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно заряду ядра, то число и расположение электронов в изотопах одинаковы, поэтому одинаковы и их химические свойства.
Природный уран состоит главным образом из изотопа с массой 238. Урана 235 в нем содержится только 0,7 проц. После разделения изотопов, что представляет собой трудную, но осуществимую задачу, уран 235 можно применять в атомной бомбе. Первая бомба, сброшенная американцами над Хиросимой, имела заряд из урана 235.
Плутоний получается из естественного урана в специальных аппаратах (так называемых атомных котлах); в этих аппаратах создаются условия для того, чтобы распад урана 235 шел достаточно быстро и чтобы нейтроны, образующиеся при этом распаде, захватывались частично ядрами урана 238. В результате этого уран 238 превращается в новый элемент — плутоний, который отличается по своим химическим свойствам от урана и поэтому легче может быть отделен от урана 238, чем уран 235. Плутоний был применен во второй атомной бомбе, сброшенной американцами над Нагасаки.
Уран 233 получается из тория, радиоактивного элемента, природные запасы которого в три раза превосходят запасы урана. При действии на торий нейтронов он превращается в уран 233, который может быть выделен химическими методами.
Чтобы приготовить атомную бомбу из указанных веществ, может быть применено устройство, схематически показанное на рисунке 31. Два полушария, составляющие атомный заряд, разделены полостью, из которой выкачан воздух. Поверх полушарий расположены заряды обычного взрывчатого вещества. При взрыве этих зарядов полушария атомного взрывчатого вещества чрезвычайно быстро сближаются, масса его становится больше критической и наступает атомный взрыв.
Рис. 31. Схема устройства атомной бомбы.
Атомная бомба, как мы уже указывали, основана на превращении тяжелых элементов в более легкие элементы, идущем с выделением энергии.
В основе водородной бомбы лежит соединение легких элементов с образованием более тяжелых. Известно применение для этой цели изотопа водорода — тяжелого водорода — дейтерия и сверхтяжелого водорода — трития. При их взаимодействии образуется гелий, причем выделяется огромное количество энергии: на килограмм трития в 7 раз больше, чем при распаде килограмма урана.
Тяжелый водород, масса ядра которого вдвое больше массы ядра обычного водорода, получается из тяжелой воды, содержащейся в обычной воде в количестве двух сотых процента. Тритий получается искусственным путем при действии нейтронов на литий.
Главная трудность при осуществлении водородного взрыва заключается в его возбуждении. Мы видели, что и некоторые обычные вторичные взрывчатые вещества нелегко взорвать — для этого нужен удар большой силы, создаваемый взрывом инициирующего взрывчатого вещества.
Чтобы вызвать реакцию соединения ядер тяжелого водорода с образованием гелия, нужна крайне высокая температура. До осуществления атомного взрыва такая температура на земле была недостижимой. Атомный взрыв и оказался своего рода инициатором для возбуждения водородного взрыва. Атомный заряд, дающий при взрыве температуру в миллионы градусов, способен вызывать взрывную термоядерную реакцию в окружающей этот заряд смеси тяжелого и сверхтяжелого водорода.
Величина заряда атомной бомбы ограничивается тем обстоятельством, что масса каждой из частей радиоактивного вещества, составляющих атомный заряд, не может превосходить критическую.
У водородною заряда это ограничение отсутствует, и величина заряда и сила взрыва водородной бомбы по этой причине могут быть гораздо больше, чем атомной.
Принципиальная схема устройства водородной бомбы изображена на рисунке 32.
Рис. 32. Схема устройства водородной бомбы.
Взрыв заряда обычного взрывчатого вещества сближает части атомного заряда и приводит к атомному взрыву. Под действием разогрева, вызванного атомным взрывом, тяжелый и сверхтяжелый водород вступают в реакцию друг с другом.
Действие водородной бомбы чрезвычайно сильное и во много раз превосходит действие атомной бомбы. По данным иностранной печати, в одном из первых наземных водородных взрывов наблюдалось образование воронки диаметром свыше полутора километров и глубиной более 50 метров. По-видимому, в современной водородной бомбе достигнут предел разрушительного действия применительно к обычным постройкам городского и сельского типа в том смысле, что дальнейшее увеличение заряда этой бомбы идет на усиление ее действия в вертикальном направлении, то есть вверх и вниз, и не приводит поэтому к увеличению площади разрушений. По этой же причине площадь разрушений от взрыва атомной бомбы получается больше, если она взрывается в воздухе на некоторой высоте, а не на земле. В последнем случае много энергии расходуется на ненужное расплавление земли и стен зданий в месте взрыва. Понятно, что сказанное не относится к сооружениям повышенной прочности или расположенным на большой глубине в земле.
Мы рассмотрели физические основы получения атомной энергии и осуществления взрывного ее использования. Какова же внешняя картина атомного взрыва, как он действует, что общего в действии атомного взрыва с взрывом обычных взрывчатых веществ и чем он от этого взрыва отличается?
Первое, что наблюдается при взрыве атомной бомбы в воздухе, это ослепительная вспышка, озаряющая небо и местность на десятки километров от места взрыва и видимая на расстоянии более 100 километров. Вслед за вспышкой появляется яркий огненный шар диаметром до нескольких сотен метров.
Через некоторое время, зависящее, как и при ударе молнии, от расстояния до места взрыва, раздается громоподобный мощный звук, слышимый на расстоянии нескольких десятков километров.
Огненный шар, быстро увеличиваясь в размерах, поднимается кверху и, остывая, превращается в клубящееся облако, которое соединяется с пылевым столбом, поднимающимся с земли, принимая при этом грибовидную форму (рис. 33).
Рис. 33. Грибовидное облако при взрыве атомной бомбы.
Облако поднимается все выше, и через несколько минут высота его достигает 10–20 километров, а диаметр нескольких километров. Постепенно облако рассеивается и теряет свою первоначальную форму. На пути, движения облака на земле осаждается радиоактивная пыль, выпавшая из него. В одном из опытных наземных водородных взрывов, как сообщалось в иностранной печати, огненный шар имел диаметр около 5 километров; через 2 минуты образовалось грибообразное облако высотою 13 километров.
Поражающее действие атомного взрыва обусловлено рядом факторов.
При атомном взрыве крайне быстро выделяется огромное количество энергии. Вследствие этого вещество заряда и его оболочка за ничтожные доли секунды превращаются в раскаленные газы. Температура и давление этих газов чрезвычайно высоки, в тысячи раз больше температур и давлений, достигаемых при взрыве обычных взрывчатых веществ.
Если взрыв произведен в воздухе, очень сильно разогревается также окружающий бомбу воздух.
Резкое повышение давления, возникающее вследствие быстрого разогрева продуктов взрыва и воздуха, вызывает в окружающем воздухе распространение ударной волны такого же характера, как и при обычном взрыве, но гораздо более сильной; она производит поэтому бóльшие разрушения и сохраняет свою разрушительную силу на бóльших расстояниях.
Вначале ударная волна распространяется со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука, — первый километр она проходит за две секунды. По мере удаления от места взрыва давление в волне и скорость ее перемещения падают. В конце концов эта скорость становится равной скорости звука.
На своем пути ударная волна может поражать людей, разрушать здания и сооружения; обычные кирпичные здания разрушаются при взрыве бомбы, по силе равной первой американской бомбе, на расстоянии до 2,5 километра от места взрыва. При этом ударная волна наносит поражения не только сама по себе, но и разлетающимися обломками разрушенных ею зданий и сооружений.
Однако поражающее действие атомного взрыва в отличие от взрыва обычных взрывчатых веществ не ограничивается разрушениями, вызываемыми ударной волной.
