rocket_history (rocket_history) wrote,
rocket_history
rocket_history

Глава 9 книги "Титан-2"

Продолжаем переводить книгу Ч. Пэнсона. Сейчас - Глава 9. Ядерное оружие.

П. С. как-нибудь добавлю картинки из главы, пока что под рукой нет сканера.

Ядерное оружие
Ни один рассказ о Титане-2 не будет полным без некоторого базового понимания принципов работы ядерного оружия.
Ядерное оружие в тысячи или даже в миллионы раз более мощное, чем самая большая бомба, изготовленная из обычной мощной взрывчатки. Ужасающая эффективность ядерного оружия делает возможным уничтожение целого города одним взрывом и изменяет наше представление о том, как могут идти войны. В противовес многолетним Первой и Второй мировым войнам третья мировая война может завершиться менее чем за 90 минут.
Как это работает
Ядерное оружие бывает двух основных конструкций: устройства, использующие реакции деления, в обиходе называемые атомными бомбами или А-бомбами; и устройства, использующие реакции синтеза, обычно называемые термоядерными бомбами, водородными бомбами или Н-бомбами (Н – hydrogen, водород – прим. перев.).
Большинство людей знакомы с самой известным уравнением Альберта Эйнштейна, Е=МС². Это уравнение говорит, что энергия (Е) эквивалентна массе (М), умноженной на скорость света (С), которая умножена сама на себя. Единственное значение, которое здесь известно – это скорость света: 186000 миль (300 000 000 м) в секунду. Вам не нужно много знать о математике, чтобы понять, что если вы умножаете что-либо на скорость света, возведённую в квадрат, то вы получаете огромное число. Вот что означает уравнение Эйнштейна: очень маленькое количество материи содержит в себе очень много энергии.
Даже индивидуальные атомы содержат существенное количество энергии. Когда атомы распадаются (этот процесс называется делением) некоторое количество этой энергии освобождается. Атомы очень тяжёлых элементов, таких как уран или плутоний, сравнительно легко распадаются, что определило их выбор в качестве топлива для атомной бомбы. Когда атомы этих тяжёлых элементов претерпевают деление, суммарная масса двух получившихся лёгких атомов меньше, чем масса исходного атома. "Потерянная" масса преобразуется в энергию. При одновременном делении несметного числа атомов вы можете получить очень большой взрыв. Так примерно и работает атомная бомба.
Вдобавок к выделившейся энергии, когда атом урана или плутония распадается, также выбрасывается две или три частицы, называемой нейтронами. Если эти нейтроны столкнутся с другими атомами урана или плутония, эти атомы также могут распасться, высвободив ещё энергии и ещё нейтронов, которые разделят ещё больше атомов. Эти нейтроны являются ключом к ядерной энергии, потому что они делают возможной самоподдерживающуюся цепную реакцию. Каждое деление атома потенциально вызовет деление как минимум двух или более атомов, и следовательно число распавшихся атомов будет увеличиваться экспоненциально: 2, 4, 8, 16, 32, 64 и так далее. Цепная реакция происходит очень быстро (в атомной бомбе весь процесс заканчивается примерно за одну миллионную долю секунды), высвобождая огромные количества энергии. Всё это звучит просто, но потребовались десятки лучших умов в мире, которые работали более двух лет над различными вопросами.
Начало цепной реакции требует минимального количества делящегося материала, называемого критической массой. Любое количество урана или плутония меньшее, чем эта минимальная масса, не будет поддерживать цепную реакцию и называется подкритичной массой. Критическая масса будет поддерживать стационарную цепную реакцию и обеспечивать постоянный выход энергии. Для ядерного оружия же необходима сверхкритическая масса – та, которая обеспечит неуправляемую цепную реакцию с постоянно увеличивающимся выходом энергии. Идея атомной бомбы состоит в создании сверхкритической массы из докритической. Фокус заключается в достаточно быстром создании сверхкритической массы для того, чтобы цепная реакция развилась как можно сильнее прежде, чем масса разлетится на куски. Для достижения этого были разработаны два способа.
Первый – это простое устройство пушечного типа, в котором докритический урановый снаряд выстреливается в докритическую же урановую мишень. Снаряд выстреливается в мишень с помощью заряда химической взрывчатки подобно пуле, заряд для которой содержится в гильзе. Когда снаряд сталкивается с мишенью, создаётся сверхкритическая масса. Бабах. Этот приём хорошо работает с ураном, но он слишком медленный при использовании плутония. Плутоний делится так легко, что цепная реакция начинается задолго до того, как два куска встретятся. Результатом будет пшик («бомба-шипучка» в терминологии советских и российских бомбоделов – прим. перев.).
В бомбе, использующей плутоний, подкритичная сфера плутония окружена сферой химической взрывчатки. Иногда это называется имплозивным устройством. При детонации взрывчатки ударная волна от взрыва сжимает сферу плутония до тех пор, пока та не перейдёт в надкритичное состояние.
В обоих – урановом и плутониевом – устройствах используется инициатор для впрыска дополнительных нейтронов в делящуюся массу для того, чтобы «обмануть» её на много поколений деления и таким образом увеличить мощность взрыва.
Оружие, использующее синтез, ненамного более сложно, но вместо распада атомов в нём происходит соединение двух атомов лёгких элементов (таких как водород) друг с другом, или сплавление (синтез), в один несколько более тяжёлый атом.
Соединение двух атомов вместе это непростая задача. Требуется температура выше, чем в ядре Солнца – 27,000,000 °F (15,000,000 °C). Для достижения этого небольшая атомная бомба, называемая первичным узлом, используется как детонатор для запуска реакций слияния во вторичном узле. В результате слияния масса получившегося тяжёлого атома немного меньше, чем суммарная масса двух исходных атомов. И снова «исчезнувшая» масса преобразовалась в энергию, но в процессе синтеза высвобождается гораздо больше энергии, чем в реакциях распада. На самом деле, фунт термоядерного горючего выделяет в три раза больше энергии, чем фунт ядерного. Для создания несколько более сильного взрыва за те же деньги термоядерные заряды обычно заключают в кожух, изготовленный из обеднённого урана. Температура и нейтроны, создаваемые термоядом, вызывают реакцию деления в кожухе, которая увеличивает итоговую взрывную силу.
Строго говоря, водородные бомбы не используют водород. Они используют изотопы водорода, а именно дейтерий (атом водорода с одним нейтроном), соединённый с литием и образующий дейтерид лития, а также тритий (атом водорода с двумя нейтронами).
Мощность
Сила взрыва ядерного оружия, неважно атомного или термоядерного, называется мощностью. Мощность измеряется в единицах, называемых килотоннами и мегатоннами. Эти единицы являются эквивалентом взрывной силы ТНТ (тринитротолуола – прим. перев.), сильной химической взрывчатки. Следовательно, одна килотонна эквивалентна мощности одной тысячи тонн ТНТ, тогда как одна мегатонна эквивалентна одному миллиону тонн ТНТ. Первые атомные бомбы имели мощность от 15 до 20 килотонн. Мощность бомб, использующих синтез, может превышать мегатонну, но в современных системах оружия, включая развёрнутые в настоящий момент ракеты, такие как Минитмен и Трайдент, мощность боеголовок обычно заключена в диапазоне от 150 до 350 килотонн.
Килотонны и мегатонны являются удобной мерой мощности ядерного оружия, но они не говорят о его ужасающей разрушительной мощи. Насколько велика мегатонна? Что это на самом деле означает? Оценим мощность с точки зрения потребной длины грузового поезда, необходимого для перевозки одного миллиона тонн ТНТ. Используя стандартные 100 тонные (90 метрических тонн) грузовые вагоны и предполагая, что 100 тонн ТНТ на самом деле войдут в 100 тонный грузовой вагон, вычислим, что длина грузового поезда, перевозящего один миллион тонн ТНТ, должна быть порядка 125 миль (200 км).
Бомба, установленная на Титане-2, была термоядерной мощностью 9 мегатонн, или, если вам будет предпочтительно, эквивалентный по взрывной мощи груз ТНТ потребовал бы для перевозки грузового поезда длиной около 1100 миль (1800 км). Этой мощности достаточно, чтобы опустошить территорию площадью 900 квадратных миль (2300 квадратных километров).
Явления, сопровождающие ядерный взрыв
Тип и тяжесть разрушений, вызванных ядерным взрывом, зависят от множества факторов: мощности бомбы, тем, где произошёл взрыв – на поверхности земли или в воздухе, высотой взрыва, расстоянием до цели, типом местности на или над которой произошёл взрыв, типом грунта, типом самой цели и погодными условиями, и т. д. Что ж, можно сделать обобщение.
Ядерное оружие испускает свою внушающую страх мощь тремя путями: тепловым излучением, ударной волной и радиацией широкого спектра от света до рентгеновских и гамма-лучей. Распределение мощности между каждым эффектом зависит в определённой степени от типа и мощности бомбы, но в большинстве случаев 50% приходится на ударную волну, 35% на тепловое излучение и 15% на радиацию. Последняя категория может быть разделена на два типа: мгновенная радиация, включающая гамма-лучи и нейтроны, выделяемые в течение короткого времени детонации бомбы; и остаточная радиация, испускаемая в течение дней, месяцев, и иногда лет. Остаточная радиация принимает вид выпадающих радиоактивных осадков, создаваемых в момент, когда испарённый материал бомбы смешивается с пылью и грязью, летящими в грибовидном облаке.
В термоядерной бомбе деление урана или плутония в первичном заряде и последующий синтез дейтерий-тритевых компонентов освобождает значительное количество энергии менее чем за миллионную долю секунды. Эта энергия испаряет весь материал, из которого состоит бомба, преобразуя его в массу сверхгорячего газа под огромным давлением – миллионы фунтов на квадратный дюйм (миллион фунтов на квадратный дюйм – чуть менее 7 миллиардов Па или около 70 тысяч атмосфер – прим. пер.). Этот горячий газ испускает вспышку высокоэнергичных рентгеновских лучей, которые быстро поглощаются воздухом, окружающим бомбу. Энергия этих рентгеновских лучей передаётся воздуху, нагревая его и заставляя таким образом светиться, результатом является быстрорасширяющийся огненный шар, наблюдаемый при атомных взрывах.
Возникновение огненного шара имеет два важных последствия. Первое: тепло из огненного шара излучается вовне и распространяется со скоростью, близкой к скорости света, как тепловой поток. Чем ближе к точке взрыва, тем выше интенсивность теплового потока. Есть много переменных, влияющих на тепловые эффекты ядерного взрыва, поэтому трудно с достаточной точностью сказать, что произойдёт на конкретном расстоянии от точки взрыва. Можно сказать, что девятимегатонный взрыв приведёт к возникновению сильных пожаров на расстоянии 20 миль (30 км), причинит ожоги третьей степени незащищённой коже на 25 милях (40 км) и ожоги первой степени на 30 милях (50 км) или более. Дополнительно, яркое сияние огненного шара девятимегатонного взрыва будет многократно ярче солнечного света в полдень на расстоянии более 100 миль (160 км). Если кому-то непосчастливилось смотреть в непосредственном направлении взрыва, когда он произошёл, почти наверняка временно пострадает или навсегда ослепнет.
Вторым важным эффектом огненного шара является взрывная волна. Взрывная волна от ядерного взрыва вызывается быстрым расширением перегретого воздуха. Расширяющийся во все стороны от точки взрыва воздух может быть представлен как движущаяся стена сильно сжатого воздуха. Рядом с точкой взрыва эта движущаяся стена воздуха будет распространяться со сверхзвуковой скоростью. Взрывную волну часто называют ударной, потому что на объекты, встречающиеся ей на пути, она воздействует подобно внезапному удару. В зависимости от высоты взрыва, приближающаяся к земле ударная волна может встретиться с отражённой от поверхности земли ударной волной и сформировать с ней скачок Маха с повышением давления приблизительно в два раза по сравнению с одиночной ударной волной и способный сносить всё возможное на своём пути. Также сильный ветер, скорость которого зависит от давления в ударной волне и особенностей препятствий на его пути, следует за ударной волной или скачком Маха.
Ударные волны, созданные каким-либо взрывом, оказывают мощное воздействие на объекты, с которыми они встречаются. Это воздействие измеряется в избыточном давлении. Избыточным давлением называется давление на поверхность объекта за вычетом нормального атмосферного давления. Избыточное давление измеряется в фунтах на квадратный дюйм (psi – pounds per square inch) и избыточное давление всего лишь в 3…5 фунтов на кв. дюйм (0,21…0,35 кг/см²) причинит серьёзный ущерб домам с деревянным каркасом. Избыточное давление от 5 до 10 фунтов на кв. дюйм (0,35…0,70 кг/см²) разрушит большинство жилых зданий из неусиленного бетона или кирпича в том случае, если толщина их стен будет менее 12 дюймов (30 см). Не так много зданий любого типа смогут выдержать избыточное давление более 10 фунтов на кв. дюйм.
Как ориентир: защитные клапаны, предохранявшие команду в КП, были разработаны с тем, чтобы автоматически закрываться под действием избыточного давления в 2 фунта на кв. дюйм. Два фунта на квадратный дюйм могут казаться не такой уж и большой величиной, поэтому рассмотрим следующее описание из документального фильма PBS (PBS – американский некоммерческий телеканал; – прим. пер.) на этот счёт:
Каждый дом, рассчитанный на одну семью, который не будет полностью уничтожен, будет сильно повреждён. Окна в офисных зданиях будут выбиты, как и некоторые стены. Содержимое верхних этажей этих зданий, включая работающих там людей, будет выброшено на улицу. Существенное количество обломков завалят целые районы. Пять процентов населения погибнет от воздействия избыточного давления от двух до пяти фунтов на кв. дюйм. Сорок процентов будет ранено.
Радиус, на котором порождённая девятимегатонной бомбой ударная волна будет иметь избыточное давление два фунта на кв. дюйм, может достичь порядка 17 миль (27 км) в зависимости от местного ландшафта и высоты, на которой была взорвана бомба.
Избыточное давление в два фунта на квадратный дюйм (0,14 кг/см²) будет создавать силу в 288 фунтов на каждый квадратный фут (4600 кг/м2) на поверхность, подвергающуюся воздействию ударной волны. Человек высотой 5½ фута (167 см) весящий 130 фунтов (59 кг) будет иметь площадь 8 квадратных футов (0,74 м2) если он будет стоять лицом (или спиной) к взрыву. Ударная волна с избыточным давлением в два фунта на квадратный дюйм подействует на его тело с усилием в 2300 фунтов (3400 кг).
Если защитные двери комплекса Титан-2 будут подвергнуты воздействию ударной волны с избыточным давлением в два фунта на квадратный дюйм, то на них будет действовать сила в 12000 фунтов (5400 кг). Эти двери способны выдержать воздействие ударной волны с избыточным давлением в 1000 фунтов на квадратный дюйм (70 кг/см²), при этом на них действует сил в 6000000 фунтов (2700000 кг).
Интересный факт: разрушительная мощь ядерного оружия не увеличивается прямо пропорционально его мощности. Например, 20-и мегатонная бомба не причинит в два раза больше разрушений, чем 10-и мегатонная. Удвоение мощности бомбы будет увеличивать радиус разрушений только на 25%. Для увеличения радиуса разрушений в два раза, нужно увеличить мощность бомбы в 8 раз, с 10 до 80 мегатонн, например.
На то есть несколько причин, но упрощая, можно сказать, что энергия ядерного взрыва распространяется в трёх направлениях – взрыв распространяется сферически во все стороны. Энергия из нижней полусферы направлена по большей части вниз на землю, тогда как энергия верхней полусферы уходит в небо. И лишь энергия из небольшой полоски на экваторе сферы распространяется вдаль и расходуется с пользой для дела, если конечно «польза» в данном случае правильное слово. Рост мощности бомбы приводит к росту размера огненного шара, но размер полоски на экваторе увеличивается медленно.
Другим следствием ядерного взрыва является остаточная радиация. Как упоминалось ранее, атомы тяжёлых элементов, таких как уран или плутоний, способны разделяться на более лёгкие элементы, испуская при этом энергию. Этот процесс называется делением. Получившиеся лёгкие атомы называются продуктами деления. Спустя 40 дней после того как атомы урана или плутония претерпели распад, ядерная бомба создаст более 80 различных продуктов деления – почти все они хорошо знакомые нам встречающиеся в природе элементы. Эти новые атомы обычно создаются в условиях, которые делают их нестабильными. Пытаясь вернуться в стабильное состояние они «сбрасывают» излишек энергии в форме частиц или иногда в форме гамма-лучей. В процессе потери частиц, некоторые атомы преобразуются в другие элементы. Они называются продуктами распада, многие из которых радиоактивны. Радиоактивность сохраняется до тех пор, пока все атомы не перейдут в стабильное состояние – этот процесс может затянутся на десятки тысяч лет. Нужно напомнить, что при взрыве водородной бомбы радиоактивность создаётся в основном ураном или плутонием, содержащимся в небольшой ядерной бомбе, инициирующей водородный взрыв, и ураном, использующимся в оболочке водородной бомбы. Реакции синтеза создают огромное количество нейтронов (которые сами по себе не радиоактивны, но могут создавать радиоактивность в широком спектре материалов), но сам процесс синтеза достаточно радиационно чист.
Большинство испарившихся радиоактивных продуктов деления и распада поглощается грибовидным облаком. При охлаждении они начинают оседать на частицы пыли и обломки в облаке. Часть этой пыли затягивается высоко в небо восходящим потоком горячего воздуха и разносится ветром. Тяжёлые частицы выпадают из облака вскоре после взрыва, тогда как лёгкие в зависимости от своего веса могут оставаться наверху месяцами. Эти радиоактивные осадки, большинство из которых невероятно радиоактивны, разносятся ветром от взрыва, и выпадают за десятки, а иногда и за сотни миль от точки взрыва. Радиоактивные осадки могут убивать людей, далеких от прямых последствий взрыва, вызвавшего это, и могут сохраняться на опасных уровнях в течение нескольких недель. Даже после того, как радиоактивность от радиоактивных осадков перестанет быть смертельной, повышенные уровни радиоактивности будут сохраняться в течение десятилетий.
Радиация опасна своей способностью разрушать клетки в живых тканях и вызывать мутации в ДНК. Если клетки будут разрушаться быстрее, чем тело может их заменять, то за этим могут последовать болезнь или смерть. Мутации в клеточной ДНК более коварны в том, что повреждение является постоянным и может привести к различным раковым заболеваниям (которые могут не проявляться в течение десятилетий), увеличению врожденных дефектов и, как правило, сокращению продолжительности жизни.
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments