11 октября Норвежский Нобелевский комитет присудил Нобелевскую премию мира 2024 года японской организации Nihon Hidankyo. Это союз выживших после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Таких людей называют "хибакуша". Общее число хибакуша, проживающих в Японии, составляет около 300 000 человек по состоянию на март 1999 года. Организация Nihon Hidankyo занимается предотвращением ядерной войны и ликвидацией ядерного оружия, компенсацией ущерба и помощью хибакуша.
Кажется, премия мира 2024 и соответствует своей категории и позволяет обсудить физику, чем и займемся ниже.
Ядерные технологии
В текстах и Нобелевского комитета и любых заявлений организации Nihon Hidanky бомбы указаны как "A- and H-bombs", стало быть, есть два различных принципа получения энергии ядерным способом, которые нужно знать для дискуссии о премии мира в этом году.
Термоядерный синтез
Ядра химических элементов рождаются в ядрах звезд, но не только. Этот процесс называется нуклеосинтез. Водороду не нужно создавать ядро - это просто протон и все они образовались в результате большого взрыва. Протон и нейтрон вместе - это дейтрон, то есть ядро дейтерия. Нейтрону никакие кулоновские силы не мешают и он сам спокойно присоединяется к протону и... дейтрон теряет часть массы. Результат синтеза легче чем сумма двух его компонентов. Чтобы математики не психовали, в процессе синтеза образуется не только дейтрон с массой покоя, но и гамма квант, то есть безмассовый фотон. Да, у фотона нет "массы покоя", но есть скорость, а значит и кинетическая энергия. Если пересчитать эту энергию по, наверное, самой знаменитой формуле в мире E=mc^2, то потерянная масса дейтрона найдется в энергии фотона, который испущен при синтезе. Это основа как термоядерной энергетики, так и вооружения - соедините легкие ядра элементов - получите тяжелые, но меньше по массе, а всю разницу покроет излучение, которе светит, греет и убивает, если нужно.
Термоядерный распад
При термоядерном нуклеосинтезе можно получить, например, гелий из двух протонов, а дальше придется прибавлять либо нейтрон, что легко, либо протон, что сложно. Это тоже энергетически "прибыльно", но не всегда.
До железа синтезировать ядра "выгодно", а более тяжелые элементы сами требуют энергию для утяжеления ядра. Но, "прибыль" от них все равно можно получить. Как в экономике, можно заработать и на покупке и на продаже, в физике можно дождаться распада ядер элементов. Тяжелые элементы распадаются быстрее и их распад легче спровоцировать. Поэтому, для энергетики или вооружения ядерного распада берут что-то из конца таблицы Менделеева, например уран.
Природный уран-238 имеет атомный номер 92, то есть в его ядре 92 протона и 146 нейтронов (92 + 146 = 238). Такой уран еще называют обедненным, потому что в нем мало (или вообще нет) другого изотопа - урана-235, у которого на 3 протона меньше и он менее стабильный. Для реакций ядерного распада уран-235 подходит лучше, однако его всего 0,7 % в природном уране-238. Поэтому, как для оружия, так и для энергетики природный уран обогащают, то есть повышают содержание изотопа 235 в общей массе 238.
Атомная бомба или А-bomb
То что в англоязычной литературе называют A-bomb - устройство, основанное на ядерном распаде. Совсем стабильных изотопов у урана нет, но даже обогащенный до 90 % уран-235 в небольших количествах распадается не очень активно. Однако, если набрать критическую массу, что для урана-235 порядка 50 кг, реакция распада резко активизируется.
Малыш
Бомба "малыш", сброшенная на Хиросиму имела очень простой принцип. Две детали - стержень и набор колец вместе были тяжелее критической массы урана - весили 64 кг. В режиме хранения эти части не соприкасались а когда нужно было произвести врыв, обычный пороховой заряд вытолкнул снаряд из карбида вольфрама, на конце которого были урановые кольца. Пройдя по стволу, спиленному с корабельной пушки, снаряд надел кольца на цилиндр, который находится на выходе из ствола. Критическая масса урана запустила цепную реакцию распада и все. Трудно поверить, что такая примитивная штука разделила мир на "до" и "после".
Толстяк
Ключом к цепной реакции, которую запускает критическая масса, являются нейтроны. Как вы уже знаете, они легко проникают в атомы, обходя кулоновский барьер. Если нейтрон приводит к распаду атома, тот выделит еще больше нейтронов и так по новой. Но запускать цепную реакцию распада механическим сложением массивных железок - неудобно. Нужно было придумать более хитроумный способ обдать ядерный материал нейтронами, да так чтобы они достаточно долго там продержались.
В центре «Толстяка» находился первичный источник нейтронов — «ёжик», шарик диаметром порядка 2 см из бериллия, покрытый радиоактивным полонием-210. Вокруг «ежика» - сфера из плутония-239. Критическая масса плутония порядка 10 кг, а в сфере находилось 6 кг. Вокруг находилась сфера из обогащенного урана, окруженная алюминиевой оболочкой и равномерно распределенными химическими зарядами.
Для взрыва, все заряды должны были сработать строго одновременно, затем волна давления должна была направиться ровно в центр. Ее направляли «взрывные линзы». Давление сферически смыкалось в «ежике», заставляя испускаемые распадом полония ядра гелия выбивать из бериллия нейтроны. Дальше взрыв шел в обратную сторону - волна нейтронов проходила сквозь плутоний, запуская часть цепной реакции, затем через уран, отражаясь от него и алюминия и возвращалась обратно в центр бомбы. Получалось, что урановая сфера замедляла поток нейтронов, не позволяя ему быстро прикинуть зону с ядерным топливом, что и было залогом успеха работы «Толстяка».
Фильм «Оппенгеймер»
В фильме «Оппенгеймер» показаны испытания бомбы «Тринити», которая проверяла работу имплозивной схемы, используемой в «Толстяке». Заглавный герой переживал не только из-за того что схема была технически сложной: требовалась точная форма взрывных зеркал, хорошо просчитанные массы ядерных компонентов и точный одновременный подрыв зарядов. Перед испытаниями физик Энрико Ферми высказал предположение, что взрыв достаточно мощной атомной бомбы может спровоцировать цепную реакцию распада или синтеза элементов атмосферы. К счастью, поджечь ядерным огнем всю атмосферу планеты оказалось гораздо сложнее.
Водородная бомба или H-bomb
Нейтрон, как Прометей принес людям силу огня ядерного распада. Было вопросом времени, когда человек придет за силой термоядерного синтеза. Вам уже известно, что для синтеза нужна пара легких ядер, например два ядра водорода, то есть пара протонов. Для столкновения ядер, приводящего к синтезу требуется много энергии в виде тепла. И два протона очень «прожорливые» в этом плане, что приводит к размышлениям о выборе лучшей топливной пары для синтеза.
Царь бомба
Реакция термоядерного синтеза - требовательная и капризная. Для ее запуска в конструкции «Царь бомбы» использовались две ступени похожие на уже известные нам атомные бомбы. Первая ступень - сфера, построенная по имплозивной схеме, как «Толстяк». Ее взрыв создавал поток рентгеновского излучения, который отражался от корпуса и подрывал вторую ступень. Вторая ступень - похожа на «Малыша» - цилиндр из урана, в центре которого помещена пара для синтеза - дейтерий и литий-6.
Любопытно, что «Малыш» - урановая бомба, а ее называют «атомной», «Толстяк» - урановая, плутониевая и полониевая бомба, а ее часто называют только «плутоиевой». А «Царь бомба» состоит из урана, плутония, полония, дейтерия и лития, а ее называют «водородной», несмотря на то что она содержит что угодно, кроме водорода.
Работа ядерного взрыва
Ядреные взрывы бывают космические, атмосферные, наземные, подземные и все варианты связанные с водой. Самый интересный с точки зрения физики - атмосферный взрыв недалеко от земли, рассмотрим его последовательность.
Яркий шар
Основной продукт реакции распада и синтеза - тепло. Температура порядка 10 000 000 кельвинов создает шар с давлением порядка 1 000 000 000 атмосфер. Разогретый до таких температур воздух становится непрозрачным и сам излучает в широком спектре от радиоволн до высокоэнергичных рентген и гамма-квантов, быстрых электронов и нейтронов. Излучение как в видимом, так и в невидимом спектре уже разрушительно - оно может поджечь то что находится в прямой видимости у плазменного шара. Рентген и гамма излучение иронизирует живые клетки, а это приводит к лучевой болезни. Поток нейтронов проникает в ядра атомов плотных веществ вокруг и может превратить их в нестабильные изотопы.
Если говорить о лучевой болезни, под прямые лучи ионизирующего излучения взрыва попадут только непосредственные свидетели, а им дожить до последствий отравления радиацией будет не просто. А вот, вдохнуть или испачкаться в нестабильных изотопах, оставшихся после нейтронной бомбардировки - вполне вероятно. Кроме того, и распад и синтез разбрасываются ядрами чуть ли не всей таблицы Менделеева, что тоже лучше бы не трогать. Радиационное заражение местности может длиться тысячелетиями, но если вы пережили ядерный взрыв в подвале - выбирайтесь сразу как пыль осядет, критическая опасность заражения местности быстро снижается.
Электромагнитная волна
В нескольких предыдущих статьях мы рассказывали, что такое космические лучи высоких энергий и как их можно коммерчески использовать. Ядерный взрыв тоже выделяет частицы и гамма-кванты высоких энергий. Они так же, как и космические лучи, сталкиваются с атомами и молекулами атмосферы, выбивая из них новые частицы, в том числе электроны. Под плазменным шаром образуется пятно ионизированных положительно заряженных атомов, вокруг которых электронное облако. Электроны выделяются, объединяются с положительными ионами, двигаются от излучения. Все это создает электромагнитные волны, мощность которых может составлять сотни миллиардов ватт. Это выводит из строя чувствительную электронику, например, системы связи.
Ударная волна
Начиная с определённого момента скорость фронта ударной волны обгоняет скорость расширения плазменного шара. Ударная волна полностью отрывается от шара, унося значительную долю энергии взрыва. Чтобы скрыться от ударной волны потребуется серьезный каменный или бетонный фундамент здания, лучше всего находиться ниже уровня земли. В Нагасаки ударная волна сдула деревянные постройки, выбросила людей из окон домов на улицу, но бетонные и каменные арки перед синтоистскими храмами устояли в 800 метрах от эпицентра.
Ядерный гриб
В определенный момент шар превращается в облако и начинает подниматься вверх, увлекая с собой пыль, грунт, предметы и всех кто не спрятался. Восходящий воздух закручивается в вихрь, который стремится к огненному шару, образуя ножку «ядерного гриба». Раньше и в США и в СССР были расчеты, прогнозирующие что эти вихри поднимут в воздух столько пыли, что она будет осаждаться десятилетиями, породив «ядерную зиму». Сейчас эти расчеты считаются не реалистичными.
После выравнивания температур и давлений подъём пыли и частиц с земли прекращается, ножка «гриба» останавливается и оседает на землю, «шляпка» превращается в тёмное облако, выпадающее осадками и разносится ветром на большие расстояния.
Поражение городов
Лауреаты Нобелевской премии мира 2024 пытаются сказать миру: «мы видели ядерный взрыв, вам такое не понравится!». Но словами этого не передать. А там где слова бессильны поможет кое-что посильнее - расчеты.
При помощи сайта Nukemap я смоделирую падение описанных в этой статье ядерных бомб на города, где я проживал, чтобы оценить свои шансы уцелеть.
«Малыш» в Смоленске
Центр Смоленска легко определить, там находится парк в самом центре которого - памятник Ленину. Вот над ним и расположим «Малыша» в симуляции. Плазменный шар вдвое горячее средней температуры фотосферы Солнца как раз будет размером с парковую зону сада Блонье. Его описывает желтый круг. Красный круг - это ударная волна, обгоняющая плазменный шар и поднимающая вихрь пыли. Зеленый круг - радиус смертельного ионизирующего излучения. Пережить взрыв больше чем на месяц в этой зоне не получится. Первый серый круг содержит здания, которые будут снесены ударной волной. До моего дома в Смоленске первый серый круг не доходит, а значит он устоит. Устоит, чтобы сгореть. Оранжевый круг описывает зону, в которой люди получат ожоги третий степени от яркого света плазменного шара. Мой дом был деревянным, как и многие дома в Хиросиме и Нагасаки, так что он сгорит как спичка. Второй серый круг очерчивает дома, в которых взрывом выбьет стекла и если стоять рядом с окном - выкинет в окно жителей квартир. В него попадает вообще весь город.
«Толстяк» в Питере
За центр Питера возьмем Петропавловскую крепость, «Толстяк» отправится туда. Плазменный шар окажется как раз размером с остров, на котором Петропавловская крепость расположена. Чудовищная ударная волна дойдет до станции метро Горьковская. Постройки сдует от Петроградской до Адмиралтейской. А сгореть от яркого света можно, прогуливаясь по Ботаническому саду. Стекла повыбивает в домах от Черной речки до Обводного канала. А вот до спальных районов ни один из поражающих факторов не дойдет. Что ж, Питер слишком велик для «Толстяка».
«Царь бомба» в Москве
В какое место в Москве поместить «Царь бомбу» - не так важно, она снесет весь город вместе с пригородами. Все в радиусе 60 км просто сгорит. Любопытно, что в этом случае, тепловое поражение от яркого света больше по размеру чем все остальные поражающие факторы. Например, в Звенигороде ударная волна даже окна не выбьет, а ожоги от излучения будут смертельными.
Если «Царь бомба» попадет в Кремль, то плазменный шар будет размером от Сокольников до конца парка Горького. И в парке находится место, где мне хотелось бы бывать чаще - там снимают передачу «Что? Где? Кода?». Останавливаюсь я обычно в гостинице «Космос». Там рядом ВДНХ и музей космонавтики. И эти места находятся внутри зоны ударной волны максимальной силы. Такая волна снесет любые постройки, включая каменные и бетонные монументы. На юге эта зона поражения дойдет до метро Нагорная. В Мытищах снесет здания, сохранив бетонные фундаменты. А в Королеве уже вынесет только окна, если не считать сожжения под светом второго Солнца. Однако, космонавты будут сидеть в центрифуге и должны такое пережить.
Принцип ядерного сдерживания
Зачем примерять ядерные расчеты к нашим городам? Это же мы - ядерная держава! Пусть они боятся и круги разноцветные рисуют на карте Вашингтона, Лондона, Хельсинки!
За долго до того как прошли успешные испытания "Тринити", все мировое сообщество прекрасно понимало, что нельзя отдавать власть над военным атомом в одни руки. Гонка ядерного вооружения привела к равновесию Нэша: стоит одной стране "Обязательно бахнуть. Весь мир в труху!", как весь мир ответит тем же. К каждому заявлению о разрушении любого города в другой стране должны прилагаться карты по сносу города, где живет заявитель. Это никому не выгодно и пока равновесие держится. Можно только понадеяться на его устойчивость.
Автор статьи - физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал
