§ 228. Применения незатухающей цепной реакции деления. Атомная и водородная бомбы

Ценная реакция деления позволяет расщеплять уран в значительных количествах. Этот процесс сопровождается обильным выделением энергии. В зависимости от условий цепная реакция представляет собой либо спокойный, поддающийся регулировке процесс, либо взрывной процесс.

Если масса реагирующей системы лишь слегка превышает критическую массу, то реакция нарастает медленно. По достижении нужной мощности нарастание реакции можно прекратить. Для этого достаточно уменьшить массу системы до критической величины. Реакцию можно в любой момент погасить, уменьшив массу ниже критической. Таким образом, цепная реакция полностью поддается контролю.

Иначе обстоит дело, если масса системы значительно превышает критическую. В этом случае реакция нарастает со скоростью взрыва. После того как реакция началась, она выходит из-под контроля; бурное выделение энергии приводит к разрушению системы.

Особенно быстро развивается реакция в чистом , так как она вызывается здесь быстрыми (незамедленными) нейтронами. Поэтому  в количестве, заметно превышающем критическую массу, представляет сильнейшее взрывчатое вещество, используемое для так называемой атомной бомбы. Чтобы атомная бомба не взрывалась при хранении, можно разделить ее урановый заряд на несколько удаленных друг от друга частей с массой, меньшей критической. Для производства взрыва необходимо эти части быстро сблизить.

По энергии взрыва урановый заряд в сотни тысяч раз превосходит обычные взрывчатые вещества, взятые в том же количестве.

В момент взрыва температура в атомной бомбе поднимается до миллионов градусов. Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции (см. §226). К числу веществ, обладающих наиболее благоприятными свойствами для развития термоядерной реакции, относятся тяжелый водород (дейтерий ), сверхтяжелый водород (тритий ), литий и др. В смеси этих веществ могут идти, например, следующие ядерные реакции:

Система из атомной бомбы и вещества, в котором при ее взрыве возникает мощная термоядерная реакция, получила название термоядерной или водородной бомбы. Сила взрыва водородной бомбы в сотни раз превосходит силу взрыва атомной бомбы. Дело в том, что количество «взрывчатки» () в атомной бомбе ограничено: масса каждой ее части должна быть меньше критической во избежание преждевременного взрыва. Для количества же «взрывчатки» водородное бомбы такого ограничения нет, так как дейтерий, тритий, их смесь и т. п. сами собой взорваться не могут.

В отличие от реакции деления до настоящего времени еще не осуществлено использование термоядерной реакции для практического получения тепловой и электрической энергии. Однако интенсивные исследования в этом направлении ведутся в СССР и в других странах. Применение термоядерной реакции для получения энергии представляет огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции огромны (дейтерий в составе воды в океанах!), тогда как запасы урана ограничены.

Рис. 408. Движение медленной заряженной частицы в однородном магнитном поле (а) и в магнитном поле прямолинейного провода с током (б). Тонкие линии — линии магнитного поля, спирали — траектории частицы

Для возбуждения термоядерной реакции ядерное «горючее» должно быть нагрето до температуры порядка десяти миллионов  градусов. При таких температурах вещество переходит в состояние сильно ионизованного газа - плазмы.

Чтобы реакция не затухала, плазму нужно удерживать от расширения, т.е. надо ограничить свободу движения частиц плазмы — ионов и электронов. Этого нельзя достигнуть простым заключением плазмы в замкнутый сосуд, так как никакие стенки не могут противостоять температуре, в тысячи раз превышающей температуру испарения самых жаростойких материалов (изоляция плазмы от стенок нужна еще и потому, что интенсивная передача тепла стенкам затруднила бы нагрев плазмы).

В начале 50-х годов советские физики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм, а также некоторые зарубежные ученые предложили использовать для удержания плазмы сильные магнитные поля. Как мы знаем (§ 198), в однородном магнитном поле заряженная частица, начальная скорость которой перпендикулярна к индукции магнитного поля, движется по окружности в плоскости, перпендикулярной к направлению поля. Если начальная скорость параллельна магнитному полю, частица движется свободно (по инерции) вдоль линии магнитного поля, так как в этом случае сила Лоренца равна нулю. В общем случае, когда начальная скорость направлена произвольно, имеет место сложение прямолинейного и кругового движений — частица описывает винтовую траекторию, навивающуюся на линию магнитного поля (рис. 408, а). Такой характер движения сохраняется в неоднородном магнитном поле, если на расстоянии порядка шага «винта» направление магнитной индукции поля изменяется незначительно (рис. 408, б). Частица оказывается как бы привязанной к линии поля — она удерживается на постоянном расстоянии от нее, равном радиусу спирали. Радиус спирали прямо пропорционален скорости частицы и обратно пропорционален магнитной индукции  (см. § 198); увеличивая , можно сделать радиус спирали как угодно  малым.

В реальной плазме на движение частиц влияют соударения между ними Ии внутренние электрические и магнитные пол плазмы (они всегда имеются, так как плазма состоит из заряженных частиц). Ввиду этого рассмотрение действия внешнего магнитного поля на движение частиц плазмы оказывается очень сложным. Основная особенность, однако, остается— магнитное поле, искривляя траектории частиц, очень сильно затрудняет их движение в направлении, перпендикулярной к линиям внешнего магнитного поля. Эта особенность и используется для удержания (изоляции) плазмы.

Магнитное поле используется также и для нагрева плазмы: при изменении магнитной индукции возникает э. д. с. индукции, под действием которой ионы и электроны ускоряются.

К настоящему времени физики научились нагревать плазму, правда весьма разреженную, до температуры сто миллионов градусов и удерживать ее в таком состоянии в течение сотых долей секунды. Эти успехи позволяют надеяться, что на описанном пути удастся в конечном счете осуществить управляемую, а не взрывную, как в водородной бомбе, термоядерную реакцию.

При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эффектам, характерным для любого мощного взрыва, испускается еще много нейтронов и -излучение, а также образуется большое количество радиоактивных веществ. Излучения этих веществ делают район взрыва опасным для жизни еще в течение некоторого времени после взрыва. Радиоактивные продукты взрыва разносятся потоками воздуха на тысячи километров от места взрыва. Отметив с помощью счетчика излучений повышенную против обычного радиоактивность воздуха, можно с достоверностью установить факт взрыва атомной или водородной бомбы.