11.8: Ядерні бомби

Цілі навчання

• Опишіть ключові особливості атомної бомби.
• Визначте ядерні випади.

Друга світова війна принесла багато досягнень в озброєнні. Нацисти використовували величезну наукову здатність своїх знову завойованих країн, щоб спробувати створити супер зброю, щоб зберегти нову територію. Зброя включала нові танки, такі як боячись Tiger Tank, або високорозвинені ВПС Люфтваффе. Однак єдиною зброєю, яку дійсно хотіли мати нацисти, була атомна бомба. Проблема, яку почали мати нацисти, полягала в тому, що багато великих умів вони колись покинули країну і приїхали до Сполучених Штатів. Також, врешті-решт війська союзників дісталися Гітлеру і його вченим безпосередньо перед тим, як вони змогли завершити будь-які атомні бомби. США також хотіли створити атомну бомбу, причому з тих же причин. Манхеттенський проект був розпочато для формування цієї нової зброї.

Манхеттенський проект був успішним у Сполучених Штатах через величезні ресурси, які можна було зібрати разом для проекту. Великі уми працювали під футбольним полем Університету Чикаго, щоб спробувати створити поділ. Завод в штаті Теннессі мав єдину мету виробляти достатню кількість урану для випробувань атомної бомби. Нарешті, Нью-Мексико став епіцентром всієї операції. Саме тут були сконструйовані і випробувані бомби. Необхідні ресурси були величезними. Мало бути достатньо палива для бомби, і все, що потрібно для її виготовлення. Там повинно було бути житло і їжа для всіх вчених. Можливо, найголовніше, щоб було достатньо коштів для підтримки проекту. Сполучені Штати змогли ефективно використовувати всі ці ресурси, в той час як німці не мали ресурсів і не використовували їх настільки ефективно. Нарешті, після багаторічної наполегливої праці 16 липня 1945 року відбулося випробування атомної бомби. Бомба утримувалася в деяких частинок просто стрічкою, але це був величезний успіх. Проблема полягала в тому, що війна в Європі вже закінчилася, тому президенту Трумену довелося вирішити, використовувати бомбу на Японію чи ні.

Війна в Тихому океані сильно відрізнялася від війни в Європі. У Європі ви приземлилися один раз і пробилися свій шлях до Берліна, щоб перемогти нацистів. Однак у Тихому океані Японія контролювала сотні островів, перш ніж ви потрапили на материк. Вторгнення коштувало б величезної кількості американських життів і ресурсів. В результаті, коли бомба пройшла успішне випробування, президент Трумен заявив, що навряд чи вагався схвалити використання атомної бомби на Японію.

Перша атомна бомба була скинута на Хіросіму 6 серпня 1945 року Енола Гей. Бомба зруйнувала місто, загинуло майже 100 000 чоловік. Місто Хіросіма був по суті вирівняний. Після цієї атаки 9 серпня 1945 року на Нагасакі скинули ще одну атомну бомбу. Такі ж ефекти відчувалися і в цьому місті. США були готові скинути ще одну атомну бомбу в третій тиждень серпня, ще 3 у вересні і ще 3 в жовтні, якщо це необхідно. Однак 15 серпня Японія здалася союзникам і Друга світова війна була офіційно закінчена.

Малюнок\(\PageIndex{1}\) (ліворуч) Хіросіма перед атомною бомбою (праворуч) Хіросіма після атомної бомби

Робота атомної бомби

Важливою особливістю поділу урану, без якого атомна бомба неможлива, є те, що поділ виробляє більше нейтронів, ніж споживає. Як видно з Eqs. (1), для кожного нейтрона, захопленого\(\ce{^{235}_{92}U}\) ядром, утворюється від двох до чотирьох нейтронів. Припустимо тепер, коли у нас дуже великий зразок чистого\(\ce{^{235}_{92}U}\) ізотопу і в цей зразок потрапляє бродячий нейтрон. Як тільки він потрапить в\(\ce{^{235}_{92}U}\) ядро, відбудеться поділ і буде вироблено близько трьох нейтронів. Вони, в свою чергу, поділять ще три ядра ²³⁵ U, виробляючи загалом дев'ять нейтронів. Третє повторення дасть 27 нейтронів. четвертий 81. і так далі. Цей процес (який називається ланцюговою реакцією) загострюється дуже швидко. Протягом декількох мікросекунд відбувається поділ дуже великої кількості ядер, з виділенням величезної кількості енергії, і виникає атомний вибух.

)

Є дві причини, за якими нормальний зразок уранового металу мимовільно не вибухає таким чином. В першу чергу природний уран складається в основному з ізотопу\(\ce{^{238}_{92}U}\), тоді як ділиться ізотоп\(\ce{^{235}_{92}U}\) становить лише 0,7 відсотка від загальної кількості. Більшість нейтронів, що утворюються в даному процесі поділу, захоплюються\(\ce{^{238}_{92}U}\) ядрами без подальшого виробництва нейтронів. Ескалація процесу поділу таким чином стає неможливою. Однак навіть зразок чистого ²³⁵ U не завжди вибухне спонтанно. Якщо він досить малий, багато нейтронів втечуть в навколишнє середовище, не викликаючи подальшого поділу. Зразок повинен перевищувати критичну масу до вибуху. У атомній бомбі кілька шматків матеріалу, що ділиться, всі з яких знаходяться нижче критичної маси, утримуються досить далеко один від одного, щоб не відбулася ланцюгова реакція. Коли вони раптово об'єднані, негайно виникає атомний вибух.

Два види атомних бомб були розроблені одночасно під час війни: порівняно проста і більш складна. Конструкція типу пістолета виявилася недоцільною для використання, і тому був розроблений більш простий тип пістолета, який використовується, і що становить лише 0,7 відсотка природного. Хімічно ідентичний найпоширенішому ізотопу, і з майже однаковою масою виявилося важко розділити два.

Паралельно з роботою над ураном йшло зусилля по видобутку, яке було відкрито в 1940 році. Після доцільності першого в світі штучного ядерного реактора, був продемонстрований в 1942 році в, Проект спроектував в Оук-Рідж і виробничі реактори на в, в якому уран був опромінений і в плутоній. Плутоній потім хімічно відокремлювали від урану, використовуючи. Плутонієва зброя імплозійного типу була розроблена в узгодженому проектуванні та розробці лабораторії Лос-Аламоса.

Ізотопне збагачення

Велика частина п'яти років Манхеттенського проекту була витрачена на відокремлення 0,7 відсотка ²³⁵ U від більш рясних ²³⁸ U. більшість цієї роботи була виконана на вул. Це було зроблено шляхом підготовки газоподібної сполуки UF ₆ і дозволивши йому стікати через пористий екран. Кожен випіт призвів до газу, який був трохи багатшим на більш легкий ізотоп. Повторюючи цей процес, врешті-решт, отримано з'єднання, досить багате на ²³⁵ U для цілей виготовлення бомб.

Синтез плутонію

Паралельно з роботою над ураном йшло зусилля по видобутку, яке було відкрито в 1940 році. Тільки перша бомба, скинута на Японію, використовував уран. У другій бомбі використовувався штучний елемент плутоній, вироблений нейтронним бомбардуванням ²³⁸ U:

\[ \ce{^{235}_{92} U + ^{1}_0n \rightarrow ^{239}_{94}Pu + 2 ^{0}_{-1}\beta } \nonumber \]

Розподіл Пу-239 відбувається приблизно так само, як і для У-235, даючи різноманітні продукти; наприклад,

\[ \ce{^{239}_{94} Pu + ^{1}_0n \rightarrow ^{90}_{38}Pu + ^{147}_{56}Ba + 3 ^{1}_{0}n } \nonumber \]

Знову ж таки, це високоекзотермічна реакція, що дає приблизно таку ж енергію на моль (20 000 ГДж моль ^—1), що і ²³⁵ U.

Ця величезна кількість енергії, що виділяється, є причиною того, що плутоній і уран були використані. Для порівняння, 1 тонна тротилу дає близько 4 ГДж моль ^—1 енергії. Це означає, що атомні бомби мали приблизно в 5000 разів більше енергії, ніж 1 тонна тротилу, тобто величезна кількість енергії, і пояснює, чому бомба була настільки ефективною і руйнівною.

Ядерний вибух

Відео Порівняння потужності \(\PageIndex{1}\)ядерного вибуху.

Хоча атомна бомба Товстуна була надзвичайно потужною і руйнівною, вона навіть не близька до потужності наступних ядерних бомб. Атомний вік був встановлений Сполученими Штатами в ці два доленосних дні в серпні. У наступні роки багато інших країн використовували потужність ядерної зброї, включаючи Росію, Китай, Великобританію, Францію. «Висока точка» атомної епохи прийшла з вибухом царя Бомби Росією. Ця бомба дорівнювала 50 мегатоннам тротилу, або в 2500 разів могутніше бомби Товстуна. Було сказано, що коли бомба була підірвана, ударна хвиля в землі може відчуватися за 600 миль (бомба навіть не була детонована на землі, а скоріше в повітрі!). Просування та застосування ядерної зброї, здавалося, зростали надзвичайно швидкими темпами. Однак країни активізували і підписали різні договори, включаючи Договір про нерозповсюдження ядерної зброї, щоб зупинити збільшення ядерної зброї і, сподіваємось, застосування в майбутньому.

Будівництво бомб

У Лос-Аламосі, штат Нью-Мексико, Дж.Роберту Оппенгеймеру та його дослідницькій групі було дано завдання по збірці та випробуванню бомби поділу. Обидва види палива, які були виготовлені (U-235 і Pu-239), будуть розміщені окремо в дві різні конструкції бомб. Менша з двох бомб містила б U-235 і носила кодову назву «Маленький хлопчик». Більша бомба, в якій розміщувався Пу-239, отримала назву «Товстун». З двох, тільки бомба Pu-239 була б випробувана до того, як вона була скинута у воєнний час.

Базова конструкція бомби U-235 показана на малюнку нижче. Для запобігання мимовільної детонації атомної бомби розщеплювач U-235 утримується в докритичної конфігурації. Потім він швидко збирається в надкритичну масу за допомогою звичайних вибухових речовин. Як тільки бомба досягне цієї маси, будь-який нейтрон, введений в неї, швидше за все, ініціює ланцюгову реакцію. Механізмом для «Маленького хлопчика» був пістолет, який стріляв один докритичний шматок У-235 в інший для формування надкритичної маси (рис.\(\PageIndex{2}\)). Шматки повинні були бути зібрані протягом часу, меншого за середній час між появою спонтанних нейтронів від U-235 або космічного випромінювання. Звичайна вибухівка в артилерійському стовбурі може обстрілювати масу U-235 зі швидкістю кілька міліметрів в секунду, досить швидко, щоб запобігти засміченню, спричиненому спонтанним нейтроном, що запускає передчасну ланцюгову реакцію.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Маленький хлопчик: Пристрій типу пістолета. (Громадське надбання).

Спочатку механізм гарматного типу планувався як для зброї U-235, так і для пу-239. Однак виникла проблема з бомбою Пу-239, яка вимагала іншого механізму складання через невелику кількість Пу-240, який виробляється з Пу-239 в реакторі. Pu-240 спонтанно випромінює велику кількість нейтронів: 1030 нейтронів на грам в секунду порівняно з 0,0004 нейтронами на грам в секунду для U-235. Навіть при концентрації 1% Pu-240 в делящейся Pu-239 необхідна маса Pu випромінює 52 000 нейтронів в секунду або один нейтрон кожні 20 мікросекунд. Таким чином, дуже ймовірно, що нейтрон з Пу-240 ініціює передчасну ланцюгову реакцію протягом критичних останніх 100 мікросекунд критичної маси в вузлі типу пістолета. Ця проблема була виявлена в середині 1944 року, ще після початку будівництва масивного Хенфордського виробництва плутонію.

Ілюстрація\(\PageIndex{3}\): Товстун: бомба імплозійного типу. (Громадське надбання).

Зняття Пу-240 виявилося недоцільним. Тож вчені та інженери шукали більш швидкий спосіб складання плутонію. Механізм, заснований на імплозії, забезпечив рішення цієї проблеми. У такій конструкції матеріал, що розщеплюється формується в єдину сферу з масою трохи менше критичної (рис.\(\PageIndex{3}\)). Шари ретельно сформованих високих вибухових речовин оточують сферу. При детонуванні вибухівки сила ударної хвилі стискає розщеплюється матеріал в менший обсяг, утворюючи надкритичну масу. Такий спосіб складання набагато швидше механізму пістолетного типу і тим самим усуває проблеми, що виникають в результаті спонтанного випромінювання нейтронів Пу-240. Сферична маса призвела до гарбузоподібної зброї під назвою «Товстун».

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Дивіться від 23-хвилинної позначки через 32-хвилинну позначку третьої партії Манхеттенського проекту History Channel та відповідайте на запитання нижче.

1. Які були проблеми з двома різними видами палива, які повинні були бути використані в зброї поділу?
2. Якою була конфігурація або настройка бомби Пу-239?
3. Поєднання електромагнітного поділу і газоподібної дифузії збагачене досить U-235, щоб виробляти скільки бомб?
4. Чому бомба U-235 так і не була випробувана?
5. Коли було завершено будівництво U-235?
6. Скільки Трумен знав про ядерні бомби, коли FDR був живий?
7. Хто був обраний для пілотування літака для ядерної зброї?
8. Який острів буде служити базою для розміщення ядерних бомб перед тим, як доставити їх до своїх цілей?

У липні 1945 року США мали достатню кількість розщеплювального матеріалу для одного уранового і двох плутонієвих зброї. Вчені та інженери відчували впевненість, що механізм збірки типу пістолета для Little Boy буде функціонувати належним чином. Крім того, у них не було матеріалу для тестового пристрою. Вони були менш впевнені в механізмі імплозії на плутонієвої зброї і вважали, що випробування необхідно. 16 липня 1945 року перший ядерний пристрій, відомий як «Гаджет», був розміщений на 100-футовій вежі і успішно підірвався в пустелі Аламогордо, в 200 милах на південь від Лос-Аламоса (рис.\(\PageIndex{4}\)).

Ілюстрація\(\PageIndex{4}\): Гаджет на Трійцькому полігоні, 1945 р. Надано Міністерством оборони США

Оскільки війна з Японією тривала і дороге вторгнення союзників вимальовувалося як реальна можливість, президент Трумен схвалив застосування ядерної зброї проти окремих японських цілей. Військово-повітряні сили США отримали замовлення на застосування цієї зброї в будь-який час після 3 серпня 1945 року. 6 серпня «Маленький хлопчик» був скинутий на Хіросіму (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Маленький хлопчик - єдина зброя U-235, побудована під час Другої світової війни. Надано Міністерством оборони США

Маленький хлопчик був урановою зброєю, що містить 141,4 фунта ділиться матеріалу, що містить 82,7% U-235. Всього близько двох фунтів ділилися, виділяючи енергетичний еквівалент 15-16 000 тонн тротилу. Безпосередні наслідки вибуху загинули приблизно 70 000 людей, а до кінця 1945 року відбулося ще 20 000 до 70 000 смертей, багато через брак адекватних медичних ресурсів.

Через три дні «Товстун» знищив значну частину Нагасакі (рис.\(\PageIndex{6}\)). Товстун містив 13,6 фунтів Пу-239, з яких тільки 2 фунти піддалися поділу. Вихід вибухової речовини був еквівалентний приблизно 22 000 тонн тротилу. Товстун призвів до 35 000 негайних смертей. До кінця 1945 року в цій події загинуло не менше 70 тисяч чоловік.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Товстун - Один з багатьох ядерних озброєнь Pu-239, побудованих під час Другої світової війни. Надано Міністерством оборони США

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Запустіть відео нижче на позначці 23:20 і зупиніть його на 29-хвилинному налаштуванні. Потім дайте відповідь на запитання нижче:

9. Коли і де була випробувана перша ядерна бомба?
10. Чи була бомба розміщена на землі?
11. Чого боялися вчені, що зробить перша ядерна бомба?
12. Що Едуард Теллер (батько термоядерної бомби) застосував до його шкіри до того, як бомба була запалена? Навіщо він це зробив?
13. Що бомба зробила з вежею і навколишнім піском?
14. На фотографії, де генерал Гроув зосередив свою увагу?

Ядерні випади

Ядерне випадання відноситься до радіоактивного матеріалу, який «випадає» з атмосфери після ядерного вибуху (реактора або бомби). Він складається з пилу і радіоактивних частинок, які можуть забруднити ділянку радіоактивністю і представляти величезну небезпеку для здоров'я біологічних організмів. Це може забруднити ланцюг їжі для тварин, що може мати різкий вплив на уражену область. Погода має величезний вплив на випадання, вітрові течії можуть поширювати радіоактивні випади або на велику площу, наприклад, у випадку з замком Браво, чи ні.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): 450 км (280 миль) випадання шлейфу з 15 Mt постріл Замок Браво, 1954. (Публічний домен; Міністерство енергетики Сполучених Штатів через Вікіпедію)

Що стосується ядерних реакцій, поділ виробляє більше продуктів випадання, що злиття. Інтенсивне тепло останнього типу реакцій зменшує кількість і тип вироблених радіоізотопів. Хоча більш потужний, термоядерний синтез є «чистішим» типом ядерної реакції. Збільшуючи компонент поділу термоядерної зброї, бомби можуть бути розроблені для генерації більшої кількості продуктів випадання. З різних типів ізотопів, які виробляє поділ, найбільш тривожними є Sr-90, Cs-137 та I-131. Перший з цих ізотопів має період напіврозпаду 28,8 років і розпадається за рахунок гамма- і бета-випромінювання. Після прийому всередину або вдихання Sr-90 відкладається в зубах, кістках та кістковому мозку. Вплив Sr-90 може призвести до раку кісток та/або лейкемії. Cs-137 (t _1/2 = 30.17 років) випромінює бета- і гамма-випромінювання. Це іонізуюче випромінювання відкладень в м'яких тканині організму. Крім того, саме цей радіоізотоп є водорозчинним і може легко забруднювати харчові та водні запаси. I-131 мав період напіврозпаду протягом 8.1 днів і піддається гамма/бета-розпаду. Як тільки цей продукт випадання потрапляє в організм, він атакує щитовидну залозу. Великі пошкодження можуть вплинути на частоту серцевих скорочень, артеріальний тиск, температуру тіла та ріст дитинства. Крім того, вплив I-131 може призвести до раку щитовидної залози.

Ядерні випади

Перегляньте відео про випадання, а потім дайте відповідь на запитання нижче:

Резюме

• У атомній бомбі кілька шматків матеріалу, що ділиться, утримуються досить далеко один від одного, щоб не відбулася ланцюгова реакція. Коли вони раптово зводяться, критична маса досягається, і атомний вибух негайно виникає.
• Дві бомби поділу, зібрані в Лос-Аламосі, штат Нью-Мексико, Дж.Робертом Оппенгеймером та його дослідницькою групою були виготовлені з двох видів палива, а саме U-235 та Pu-239.
  • Менша з двох бомб містила б U-235 і носила кодову назву «Маленький хлопчик». Ця бомба була скинута в Хірсохімі, Японія, 6 серпня 1945 року.
  • Більша бомба, в якій розміщувався Пу-239, отримала назву «Товстун». Ця бомба була скинута в Нагазакі, Японія, 9 серпня 1945 року.
• Ядерне випадання відноситься до радіоактивного матеріалу, який «випадає» з атмосфери після ядерного вибуху (реактора або бомби).

Автори та атрибуція

• Template:ContribOpenStax

• Template:ContribChemPrime

• Template:ContribFrankSettle
• Template:ContribAgnewM
• Muneeba Ali (Furman University)