Muchos de nuestros lectores asocian la bomba de hidrógeno con una atómica, solo que mucho más poderosa. De hecho, se trata de un arma fundamentalmente nueva, que para su creación requirió esfuerzos intelectuales desproporcionadamente grandes y funciona según principios físicos fundamentalmente diferentes.
"Soplo"
bomba moderna
Lo único que tienen en común las bombas atómicas y de hidrógeno es que ambas liberan una energía colosal escondida en el núcleo atómico. Esto se puede hacer de dos maneras: dividir núcleos pesados, por ejemplo, uranio o plutonio, en otros más ligeros (reacción de fisión) o forzar la fusión de los isótopos de hidrógeno más ligeros (reacción de fusión). Como resultado de ambas reacciones, la masa del material resultante es siempre menor que la masa de los átomos originales. Pero la masa no puede desaparecer sin dejar rastro: se convierte en energía según la famosa fórmula de Einstein E=mc2.
Una bomba
Para crear una bomba atómica, una condición necesaria y suficiente es obtener material fisionable en cantidades suficientes. El trabajo requiere bastante mano de obra, pero poco intelectual y se acerca más a la industria minera que a la alta ciencia. Los principales recursos para la creación de tales armas se gastan en la construcción de minas gigantes de uranio y plantas de enriquecimiento. Una prueba de la simplicidad del dispositivo es el hecho de que pasó menos de un mes entre la producción del plutonio necesario para la primera bomba y la primera explosión nuclear soviética.
Recordemos brevemente el principio de funcionamiento de una bomba de este tipo, conocido en los cursos escolares de física. Se basa en la propiedad del uranio y de algunos elementos transuránicos, por ejemplo el plutonio, de liberar más de un neutrón durante la desintegración. Estos elementos pueden desintegrarse espontáneamente o bajo la influencia de otros neutrones.
El neutrón liberado puede abandonar el material radiactivo o puede chocar con otro átomo, provocando otra reacción de fisión. Cuando se excede una cierta concentración de una sustancia (masa crítica), la cantidad de neutrones recién nacidos, que causan una mayor fisión del núcleo atómico, comienza a exceder la cantidad de núcleos en descomposición. La cantidad de átomos en descomposición comienza a crecer como una avalancha, dando lugar a nuevos neutrones, es decir, se produce una reacción en cadena. Para el uranio-235, la masa crítica es de unos 50 kg, para el plutonio-239, 5,6 kg. Es decir, una bola de plutonio que pesa un poco menos de 5,6 kg es simplemente una pieza de metal caliente, y una masa de un poco más dura sólo unos pocos nanosegundos.
El funcionamiento real de la bomba es sencillo: tomamos dos hemisferios de uranio o plutonio, cada uno ligeramente menor que la masa crítica, los colocamos a una distancia de 45 cm, los cubrimos con explosivos y los detonamos. El uranio o el plutonio se sinteriza en un trozo de masa supercrítica y comienza una reacción nuclear. Todo. Hay otra forma de iniciar una reacción nuclear: comprimir un trozo de plutonio con una poderosa explosión: la distancia entre los átomos disminuirá y la reacción comenzará con una masa crítica más baja. Todos los detonadores atómicos modernos funcionan según este principio.
Los problemas con la bomba atómica comienzan desde el momento en que queremos aumentar la potencia de la explosión. No basta con aumentar el material fisionable: tan pronto como su masa alcanza una masa crítica, detona. Se inventaron varios esquemas ingeniosos, por ejemplo, para hacer una bomba no de dos partes, sino de muchas, lo que hizo que la bomba comenzara a parecerse a una naranja destripada, y luego la ensamblara en una sola pieza con una explosión, pero aún así, con un poder. de más de 100 kilotones, los problemas se volvieron insuperables.
bomba H
Pero el combustible para la termo. fusión nuclear No tiene masa crítica. Aquí el Sol, lleno de combustible termonuclear, cuelga sobre nuestras cabezas, en su interior se ha producido una reacción termonuclear durante miles de millones de años y nada explota. Además, durante la reacción de síntesis de, por ejemplo, deuterio y tritio (isótopo pesado y superpesado del hidrógeno), se libera energía 4,2 veces más que durante la combustión de la misma masa de uranio-235.
Fabricar la bomba atómica fue un proceso más experimental que teórico. La creación de una bomba de hidrógeno requirió la aparición de disciplinas físicas completamente nuevas: la física del plasma a alta temperatura y presiones ultraaltas. Antes de comenzar a construir una bomba, era necesario comprender a fondo la naturaleza de los fenómenos que ocurren sólo en el núcleo de las estrellas. Ningún experimento pudo ayudar en este caso: las herramientas de los investigadores fueron sólo la física teórica y las matemáticas superiores. No es casualidad que el gigantesco papel en el desarrollo de la termoeléctrica armas nucleares pertenece específicamente a los matemáticos: Ulam, Tikhonov, Samarsky, etc.
Súper clásico
A finales de 1945, Edward Teller propuso el primer diseño de bomba de hidrógeno, llamado "superclásico". Para crear la monstruosa presión y temperatura necesarias para iniciar la reacción de fusión, se suponía que se utilizaría una bomba atómica convencional. El “súper clásico” en sí era un cilindro largo lleno de deuterio. También se proporcionó una cámara de "ignición" intermedia con una mezcla de deuterio y tritio: la reacción de síntesis de deuterio y tritio comienza a una presión más baja. Por analogía con el fuego, se suponía que el deuterio desempeñaba el papel de leña, una mezcla de deuterio y tritio, un vaso de gasolina y una bomba atómica, una cerilla. Este esquema se llamó "pipa", una especie de cigarro con un encendedor atómico en un extremo. Los físicos soviéticos comenzaron a desarrollar la bomba de hidrógeno utilizando el mismo esquema.
Sin embargo, el matemático Stanislav Ulam, utilizando una regla de cálculo común, le demostró a Teller que la reacción de fusión de deuterio puro en un "super" es casi imposible, y que la mezcla requeriría tal cantidad de tritio que para producirla sería necesario Será necesario congelar prácticamente la producción de plutonio apto para armas en Estados Unidos.
Hojaldre con azúcar
A mediados de 1946, Teller propuso otro diseño de bomba de hidrógeno: el "reloj despertador". Consistía en capas esféricas alternas de uranio, deuterio y tritio. Durante una explosión nuclear, se creó la carga central de plutonio. presión requerida y la temperatura para el inicio de una reacción termonuclear en otras capas de la bomba. Sin embargo, el “reloj de alarma” requería un iniciador atómico de alta potencia, y Estados Unidos (así como la URSS) tuvieron problemas para producir uranio y plutonio aptos para armas.
En el otoño de 1948, Andrei Sajarov llegó a un plan similar. En la Unión Soviética el diseño se llamaba “sloyka”. Para la URSS, que no tuvo tiempo de producir uranio-235 y plutonio-239 aptos para armas en cantidades suficientes, la pasta de hojaldre de Sajarov fue una panacea. Y es por eso.
En una bomba atómica convencional, el uranio-238 natural no sólo es inútil (la energía de los neutrones durante la desintegración no es suficiente para iniciar la fisión), sino también dañino porque absorbe con entusiasmo los neutrones secundarios, ralentizando la reacción en cadena. Por lo tanto, el 90% del uranio apto para armas se compone del isótopo uranio-235. Sin embargo, los neutrones resultantes de la fusión termonuclear son 10 veces más energéticos que los neutrones de fisión, y el uranio-238 natural irradiado con tales neutrones comienza a fisionarse de manera excelente. La nueva bomba hizo posible utilizar como explosivo el uranio-238, que anteriormente se consideraba un producto de desecho.
Lo más destacado del “hojaldre” de Sajarov fue también el uso de una sustancia cristalina de luz blanca, el deuteruro de litio 6LiD, en lugar de tritio, que tiene una deficiencia aguda.
Como se mencionó anteriormente, una mezcla de deuterio y tritio se enciende mucho más fácilmente que el deuterio puro. Sin embargo, aquí terminan las ventajas del tritio y solo quedan desventajas: en su estado normal, el tritio es un gas, lo que provoca dificultades de almacenamiento; El tritio es radiactivo y se desintegra formando helio-3 estable, que consume activamente los tan necesarios neutrones rápidos, lo que limita la vida útil de la bomba a unos pocos meses.
El deutruro de litio no radiactivo, cuando se irradia con neutrones de fisión lenta (consecuencias de la explosión de una mecha atómica), se convierte en tritio. Así, la radiación de la explosión atómica primaria produce instantáneamente una cantidad suficiente de tritio para una reacción termonuclear adicional, y el deuterio está inicialmente presente en el deutruro de litio.
Fue precisamente una bomba de este tipo, la RDS-6, la que se probó con éxito el 12 de agosto de 1953 en la torre del polígono de pruebas de Semipalatinsk. La potencia de la explosión fue de 400 kilotones y todavía se debate si se trató de una verdadera explosión termonuclear o de una atómica superpoderosa. Después de todo, la reacción de fusión termonuclear en la pasta de hojaldre de Sajarov no representó más del 20% de la potencia total de carga. La principal contribución a la explosión fue la reacción de desintegración del uranio-238 irradiado con neutrones rápidos, gracias a la cual las RDS-6 marcaron el comienzo de la era de las llamadas bombas "sucias".
El hecho es que la principal contaminación radiactiva proviene de los productos de desintegración (en particular, estroncio-90 y cesio-137). Esencialmente, el “hojaldre” de Sajarov era una bomba atómica gigante, sólo ligeramente mejorada por una reacción termonuclear. No es casualidad que una sola explosión de "hojaldre" haya producido el 82% del estroncio-90 y el 75% del cesio-137, que han entrado en la atmósfera durante toda la historia del polígono de Semipalatinsk.
bombas americanas
Sin embargo, fueron los estadounidenses los primeros en detonar la bomba de hidrógeno. 1 de noviembre de 1952 en el atolón de Elugelab en océano Pacífico Se probó con éxito el dispositivo termonuclear Mike con una potencia de 10 megatones. Sería difícil llamar bomba a un dispositivo estadounidense de 74 toneladas. "Mike" era un dispositivo voluminoso del tamaño de casa de dos pisos, lleno de deuterio líquido a una temperatura cercana al cero absoluto (el "hojaldre" de Sajarov era un producto completamente transportable). Sin embargo, lo más destacado de "Mike" no fue su tamaño, sino el ingenioso principio de comprimir explosivos termonucleares.
Recordemos que la idea principal de una bomba de hidrógeno es crear condiciones para la fusión (presión y temperatura ultraaltas) mediante una explosión nuclear. En el esquema de "bocanada", la carga nuclear está ubicada en el centro y, por lo tanto, no comprime el deuterio sino que lo dispersa hacia afuera; aumentar la cantidad de explosivo termonuclear no conduce a un aumento de potencia, simplemente no tener tiempo para detonar. Esto es precisamente lo que limita el poder máximo de este plan: la "bocanada" más poderosa del mundo, el Orange Herald, volado por los británicos el 31 de mayo de 1957, produjo sólo 720 kilotones.
Sería ideal si pudiéramos hacer explotar la mecha atómica del interior, comprimiendo el explosivo termonuclear. ¿Pero cómo hacer eso? Edward Teller propuso una idea brillante: comprimir el combustible termonuclear no con energía mecánica y flujo de neutrones, sino con la radiación de la mecha atómica primaria.
En el nuevo diseño de Teller, la unidad atómica iniciadora estaba separada de la unidad termonuclear. Cuando se activó la carga atómica, la radiación de rayos X precedió a la onda de choque y se extendió a lo largo de las paredes del cuerpo cilíndrico, evaporándose y convirtiendo el revestimiento interior de polietileno del cuerpo de la bomba en plasma. El plasma, a su vez, volvió a emitir rayos X más suaves, que fueron absorbidos por las capas externas del cilindro interno de uranio-238, el "empujador". Las capas comenzaron a evaporarse explosivamente (este fenómeno se llama ablación). El plasma de uranio caliente se puede comparar con los chorros de un motor de cohete superpotente, cuyo empuje se dirige hacia un cilindro con deuterio. El cilindro de uranio colapsó y la presión y temperatura del deuterio alcanzaron un nivel crítico. La misma presión comprimió el tubo central de plutonio hasta una masa crítica y detonó. La explosión de la mecha de plutonio presionó el deuterio desde el interior, comprimiendo y calentando aún más el explosivo termonuclear, que detonó. Una intensa corriente de neutrones divide los núcleos de uranio-238 en el "empujador", provocando una reacción de desintegración secundaria. Todo esto logró suceder antes del momento en que la onda expansiva de la explosión nuclear primaria alcanzara la unidad termonuclear. El cálculo de todos estos acontecimientos, que ocurrieron en milmillonésimas de segundo, requirió la capacidad intelectual de los matemáticos más fuertes del planeta. Los creadores de "Mike" no experimentaron horror por la explosión de 10 megatones, sino un deleite indescriptible: lograron no solo comprender los procesos que en el mundo real ocurren solo en los núcleos de las estrellas, sino también probar experimentalmente sus teorías, estableciendo por su cuenta pequeña estrella en el piso.
Bravo
Habiendo superado a los rusos en la belleza del diseño, los estadounidenses no pudieron hacer que su dispositivo fuera compacto: utilizaron deuterio líquido sobreenfriado en lugar del deuteruro de litio en polvo de Sajarov. En Los Álamos reaccionaron al “hojaldre” de Sajarov con un poco de envidia: “en lugar de una vaca enorme con un cubo de leche cruda, los rusos usan una bolsa de leche en polvo”. Sin embargo, ambas partes no lograron ocultarse secretos entre sí. El 1 de marzo de 1954, cerca del atolón Bikini, los estadounidenses probaron una bomba "Bravo" de 15 megatones utilizando deuteruro de litio, y el 22 de noviembre de 1955, la primera bomba termonuclear soviética de dos etapas RDS-37 con una potencia de 1,7 megatones. explotó sobre el polígono de pruebas de Semipalatinsk, demoliendo casi la mitad del polígono de pruebas. Desde entonces, el diseño de la bomba termonuclear ha sufrido cambios menores (por ejemplo, apareció un escudo de uranio entre la bomba iniciadora y la carga principal) y se ha vuelto canónico. Y no quedan en el mundo más misterios de la naturaleza a gran escala que puedan resolverse con un experimento tan espectacular. Quizás el nacimiento de una supernova.
Armas termonucleares (bomba H)- un tipo de arma nuclear, cuyo poder destructivo se basa en el uso de la energía de la reacción de fusión nuclear de elementos ligeros en otros más pesados (por ejemplo, la síntesis de un núcleo de un átomo de helio a partir de dos núcleos de deuterio átomos), que libera energía.
descripción general [ | ]
Se puede construir un dispositivo explosivo termonuclear utilizando deuterio líquido o deuterio gaseoso comprimido. Pero la aparición de armas termonucleares sólo fue posible gracias a un tipo de hidruro de litio: el deuteruro de litio-6. Se trata de una combinación de un isótopo pesado de hidrógeno, el deuterio, y un isótopo de litio con un número másico de 6.
El deuteruro de litio-6 es un sólido que permite almacenar deuterio (cuyo estado habitual es en condiciones normales- gas) en condiciones normales y, además, su segundo componente, el litio-6, es la materia prima para producir el isótopo más escaso del hidrógeno, el tritio. En realidad, 6 Li es la única fuente industrial de tritio:
3 6 L yo + 0 1 norte → 1 3 H + 2 4 H mi + mi 1 . (\displaystyle ()_(3)^(6)\mathrm (Li) +()_(0)^(1)n\to ()_(1)^(3)\mathrm (H) +() _(2)^(4)\mathrm (Él) +E_(1).)La misma reacción ocurre en el deuteruro de litio-6 en un dispositivo termonuclear cuando se irradia con neutrones rápidos; energía liberada mi 1 = 4,784 MeV. El tritio resultante (3H) reacciona con el deuterio, liberando energía. mi 2 = 17,59 MeV:
1 3 H + 1 2 H → 2 4 H e + 0 1 n + E 2 , (\displaystyle ()_(1)^(3)\mathrm (H) +()_(1)^(2)\ mathrm (H) \to ()_(2)^(4)\mathrm (He) +()_(0)^(1)n+E_(2),)Además, se produce un neutrón con una energía cinética de al menos 14,1 MeV, que puede iniciar nuevamente la primera reacción en otro núcleo de litio-6, provocar la fisión de núcleos pesados de uranio o plutonio en una capa o desencadenarse con la emisión de varios neutrones más rápidos.
Las primeras municiones termonucleares estadounidenses también utilizaban deuteruro de litio natural, que contiene principalmente el isótopo de litio con número de masa 7. También sirve como fuente de tritio, pero para ello los neutrones que participan en la reacción deben tener una energía de 10 MeV o superior: reacción norte+ 7 Li → 3 H + 4 Él + norte− 2,467 MeV Es endotérmico y absorbe energía.
Una bomba termonuclear que funciona según el principio de Teller-Ulam consta de dos etapas: un gatillo y un recipiente con combustible termonuclear.
El dispositivo probado por Estados Unidos en 1952 no era en realidad una bomba, sino un prototipo de laboratorio, una “casa de tres pisos llena de deuterio líquido”, realizada con un diseño especial. Los científicos soviéticos desarrollaron precisamente la bomba, un dispositivo completo adecuado para uso militar práctico.
La bomba de hidrógeno más grande jamás detonada es la "Tsar Bomba" soviética de 58 megatones, detonada el 30 de octubre de 1961 en el polígono de pruebas del archipiélago. Nueva tierra. Más tarde, Nikita Khrushchev bromeó públicamente diciendo que el plan original era detonar una bomba de 100 megatones, pero que la carga se redujo "para no romper todos los cristales de Moscú". Estructuralmente, la bomba fue diseñada para 100 megatones, y esta potencia podría lograrse reemplazando el plomo por uranio. La bomba fue detonada a una altitud de 4.000 metros sobre el polígono de Nueva Zembla. La onda expansiva tras la explosión dio la vuelta al mundo tres veces. A pesar de la prueba exitosa, la bomba no entró en servicio; Sin embargo, la creación y prueba de la superbomba fue de gran importancia política, demostrando que la URSS había resuelto el problema de alcanzar prácticamente cualquier nivel de megatonelaje en su arsenal nuclear.
EE.UU [ | ]
La idea de una bomba de fusión iniciada por una carga atómica fue propuesta por Enrico Fermi a su colega Edward Teller en el otoño de 1941, al comienzo del Proyecto Manhattan. Teller dedicó gran parte de su trabajo durante el Proyecto Manhattan a trabajar en el proyecto de la bomba de fusión, descuidando hasta cierto punto la bomba atómica en sí. Su enfoque en las dificultades y la posición de "abogado del diablo" en las discusiones sobre problemas obligaron a Oppenheimer a llevar a Teller y otros físicos "problemáticos" al desvío.
Los primeros pasos importantes y conceptuales hacia la implementación del proyecto de síntesis los dio el colaborador de Teller, Stanislav Ulam. Para iniciar la fusión termonuclear, Ulam propuso comprimir el combustible termonuclear antes de calentarlo, utilizando factores reacción primaria fisión, y también colocar la carga termonuclear por separado del componente nuclear primario de la bomba. Estas propuestas permitieron llevar el desarrollo de armas termonucleares a un nivel práctico. En base a esto, Teller propuso que los rayos X y gamma generados por la explosión primaria podrían transferir suficiente energía al componente secundario, ubicado en una capa común con el primario, para llevar a cabo una implosión (compresión) suficiente para iniciar una reacción termonuclear. . Teller y sus partidarios y oponentes discutieron más tarde la contribución de Ulam a la teoría subyacente a este mecanismo.
Explosión "jorge"
En 1951, se llevaron a cabo una serie de pruebas bajo el nombre general de Operación Invernadero, durante las cuales se resolvieron cuestiones de miniaturización de cargas nucleares y aumento de su potencia. Una de las pruebas de esta serie fue una explosión con el nombre en código "George", en la que se detonó un dispositivo experimental, que era una carga nuclear en forma de toro con una pequeña cantidad de hidrógeno líquido colocada en el centro. La mayor parte de la potencia de explosión se obtuvo precisamente gracias a la fusión del hidrógeno, lo que confirmó en la práctica el concepto general de dispositivos de dos etapas.
"Evie Mike"
Pronto, el desarrollo de armas termonucleares en los Estados Unidos se dirigió hacia la miniaturización del diseño Teller-Ulam, que podría equiparse con misiles balísticos intercontinentales (ICBM) y misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM). En 1960, se adoptaron las ojivas W47 de clase megatón, desplegadas en submarinos equipados con misiles balísticos Polaris. Las ojivas tenían una masa de 320 kg y un diámetro de 50 cm. Pruebas posteriores demostraron la baja fiabilidad de las ojivas instaladas en los misiles Polaris y la necesidad de modificarlas. A mediados de la década de 1970, la miniaturización de nuevas versiones de ojivas según el diseño de Teller-Ulam hizo posible colocar 10 o más ojivas en las dimensiones de una ojiva múltiple (MIRV).
URSS [ | ]
Corea del Norte [ | ]
En diciembre de este año, KCNA distribuyó una declaración del líder norcoreano Kim Jong-un, en la que informaba que Pyongyang tenía su propia bomba de hidrógeno.
La bomba de hidrógeno (Hydrogen Bomb, HB) es un arma de destrucción masiva con un increíble poder destructivo (su potencia se estima en megatones de TNT). El principio de funcionamiento de la bomba y su estructura se basan en el aprovechamiento de la energía de la fusión termonuclear de núcleos de hidrógeno. Los procesos que ocurren durante la explosión son similares a los que ocurren en las estrellas (incluido el Sol). La primera prueba de un VB apto para transporte de larga distancia (diseñado por A.D. Sajarov) se llevó a cabo en la Unión Soviética en un polígono de pruebas cerca de Semipalatinsk.
Reacción termonuclear
El Sol contiene enormes reservas de hidrógeno, que está bajo la influencia constante de presiones y temperaturas ultraaltas (alrededor de 15 millones de grados Kelvin). A una densidad y temperatura del plasma tan extremas, los núcleos de los átomos de hidrógeno chocan aleatoriamente entre sí. El resultado de las colisiones es la fusión de núcleos y, como consecuencia, la formación de núcleos de un elemento más pesado: el helio. Las reacciones de este tipo se denominan fusión termonuclear y se caracterizan por la liberación de cantidades colosales de energía.
Las leyes de la física explican la liberación de energía durante una reacción termonuclear de la siguiente manera: parte de la masa de los núcleos ligeros implicados en la formación de elementos más pesados no se utiliza y se convierte en energía pura en cantidades colosales. Por eso nuestro cuerpo celestial Pierde aproximadamente 4 millones de toneladas de materia por segundo, liberando un flujo continuo de energía al espacio exterior.
Isótopos de hidrógeno
El más simple de todos los átomos existentes es el átomo de hidrógeno. Está formado por un solo protón, que forma el núcleo, y un único electrón que orbita a su alrededor. Como resultado de estudios científicos sobre el agua (H2O), se descubrió que contiene la llamada agua "pesada" en pequeñas cantidades. Contiene isótopos "pesados" de hidrógeno (2H o deuterio), cuyos núcleos, además de un protón, también contienen un neutrón (una partícula de masa cercana a un protón, pero sin carga).
La ciencia también conoce el tritio, el tercer isótopo del hidrógeno, cuyo núcleo contiene 1 protón y 2 neutrones. El tritio se caracteriza por la inestabilidad y la constante desintegración espontánea con liberación de energía (radiación), como resultado de lo cual se forma un isótopo de helio. Se encuentran trazas de tritio en capas superiores Atmósfera terrestre: es allí, bajo la influencia de los rayos cósmicos, donde las moléculas de gases que forman el aire sufren cambios similares. El tritio también se puede producir en un reactor nuclear irradiando el isótopo de litio-6 con un potente flujo de neutrones.
Desarrollo y primeras pruebas de la bomba de hidrógeno.
Como resultado de un análisis teórico exhaustivo, los expertos de la URSS y los EE. UU. llegaron a la conclusión de que una mezcla de deuterio y tritio facilita el lanzamiento de una reacción de fusión termonuclear. Armados con este conocimiento, los científicos de Estados Unidos en los años 50 del siglo pasado comenzaron a crear una bomba de hidrógeno. Y ya en la primavera de 1951, se llevó a cabo una prueba de prueba en el sitio de pruebas de Enewetak (un atolón en el Océano Pacífico), pero luego solo se logró una fusión termonuclear parcial.
Pasó poco más de un año y en noviembre de 1952 se llevó a cabo la segunda prueba de una bomba de hidrógeno con una potencia de aproximadamente 10 Mt de TNT. Sin embargo, esa explosión difícilmente puede considerarse la explosión de una bomba termonuclear en el sentido moderno: de hecho, el dispositivo era un contenedor grande (del tamaño de un edificio de tres pisos) lleno de deuterio líquido.
Rusia también asumió la tarea de mejorar las armas atómicas y la primera bomba de hidrógeno del proyecto A.D. Sajarov fue probado en el polígono de Semipalatinsk el 12 de agosto de 1953. El RDS-6 (este tipo de arma de destrucción masiva recibió el apodo de “bocanada” de Sajarov, ya que su diseño implicaba la colocación secuencial de capas de deuterio rodeando la carga iniciadora) tenía una potencia de 10 Mt. Sin embargo, a diferencia de la "casa de tres pisos" estadounidense, la bomba soviética era compacta y podía ser lanzada rápidamente en un bombardero estratégico al lugar de lanzamiento en territorio enemigo.
Al aceptar el desafío, Estados Unidos hizo explotar en marzo de 1954 una bomba aérea más potente (15 Mt) en un polígono de pruebas en el atolón de Bikini (Océano Pacífico). La prueba provocó la liberación a la atmósfera de una gran cantidad de sustancias radiactivas, algunas de las cuales cayeron en forma de precipitación a cientos de kilómetros del epicentro de la explosión. El barco japonés "Lucky Dragon" y los instrumentos instalados en la isla Rogelap registraron un fuerte aumento de la radiación.
Dado que los procesos que ocurren durante la detonación de una bomba de hidrógeno producen helio estable e inofensivo, se esperaba que las emisiones radiactivas no excedieran el nivel de contaminación de un detonador de fusión atómica. Pero los cálculos y mediciones de la lluvia radiactiva real variaron mucho, tanto en cantidad como en composición. Por lo tanto, el liderazgo estadounidense decidió suspender temporalmente el diseño de esta arma hasta que se estudie completamente su impacto en el medio ambiente y en los seres humanos.
Vídeo: pruebas en la URSS.
Tsar Bomba - bomba termonuclear de la URSS
La URSS marcó el punto final en la cadena de producción de bombas de hidrógeno cuando, el 30 de octubre de 1961, se probó en Novaya Zemlya una "Bomba Zar" de 50 megatones (la más grande de la historia), resultado de muchos años de trabajo de A.D. El grupo de investigación. Sájarov. La explosión se produjo a una altitud de 4 kilómetros y la onda de choque fue registrada tres veces por instrumentos de todo el mundo. A pesar de que la prueba no reveló ningún fallo, la bomba nunca entró en servicio. Pero el hecho mismo de que los soviéticos poseyeran tales armas dejó una impresión imborrable en todo el mundo, y Estados Unidos dejó de acumular el tonelaje de su arsenal nuclear. Rusia, a su vez, decidió abandonar la introducción en servicio de combate de ojivas con cargas de hidrógeno.
La bomba de hidrógeno es la más compleja. dispositivo técnico, cuya explosión requiere la ocurrencia secuencial de una serie de procesos.
Primero, la carga iniciadora ubicada dentro del caparazón de la VB (bomba atómica en miniatura) detona, lo que resulta en una poderosa emisión de neutrones y la creación alta temperatura necesario para iniciar la fusión termonuclear en la carga principal. Comienza el bombardeo masivo de neutrones del inserto de deuteruro de litio (obtenido combinando deuterio con el isótopo de litio-6).
Bajo la influencia de los neutrones, el litio-6 se divide en tritio y helio. La mecha atómica en este caso se convierte en una fuente de materiales necesarios para que se produzca la fusión termonuclear en la propia bomba detonada.
Una mezcla de tritio y deuterio desencadena una reacción termonuclear, lo que hace que la temperatura dentro de la bomba aumente rápidamente y en el proceso interviene cada vez más hidrógeno.
El principio de funcionamiento de una bomba de hidrógeno implica la ocurrencia ultrarrápida de estos procesos (a esto contribuyen el dispositivo de carga y la disposición de los elementos principales), que al observador le parecen instantáneos.
Superbomba: fisión, fusión, fisión
La secuencia de procesos descrita anteriormente finaliza después del inicio de la reacción del deuterio con el tritio. A continuación, se decidió utilizar la fisión nuclear en lugar de la fusión de otras más pesadas. Después de la fusión de los núcleos de tritio y deuterio, se libera helio libre y neutrones rápidos, cuya energía es suficiente para iniciar la fisión de los núcleos de uranio-238. Los neutrones rápidos son capaces de dividir átomos de la capa de uranio de una superbomba. La fisión de una tonelada de uranio genera una energía de unos 18 Mt. En este caso, la energía se gasta no solo en crear una onda expansiva y liberar una cantidad colosal de calor. Cada átomo de uranio se desintegra en dos “fragmentos” radiactivos. Todo un “ramo” de diferentes elementos químicos(hasta 36) y unos doscientos isótopos radiactivos. Es por este motivo que se forman numerosas lluvias radioactivas, registradas a cientos de kilómetros del epicentro de la explosión.
Después de la caída del Telón de Acero, se supo que la URSS planeaba desarrollar una “Bomba Zar” con una capacidad de 100 Mt. Debido a que en aquel momento no había ningún avión capaz de transportar una carga tan masiva, se abandonó la idea en favor de una bomba de 50 Mt.
Consecuencias de la explosión de una bomba de hidrógeno
Onda de choque
La explosión de una bomba de hidrógeno conlleva destrucción y consecuencias a gran escala, y el impacto principal (obvio, directo) es triple. El más obvio de todos los impactos directos es una onda de choque de altísima intensidad. Su capacidad destructiva disminuye con la distancia al epicentro de la explosión y también depende del poder de la bomba y de la altura a la que detonó la carga.
Efecto térmico
Efecto de efectos térmicos La explosión depende de los mismos factores que la potencia de la onda de choque. Pero se les suma una cosa más: el grado de transparencia de las masas de aire. La niebla o incluso una ligera nubosidad reducen drásticamente el radio de daño en el que un destello térmico puede causar quemaduras graves y pérdida de visión. La explosión de una bomba de hidrógeno (más de 20 Mt) genera una increíble cantidad de energía térmica, suficiente para fundir el hormigón a una distancia de 5 km, evaporar casi toda el agua de un pequeño lago a una distancia de 10 km y destruir al personal enemigo. , equipos y edificios a la misma distancia . En el centro se forma un embudo con un diámetro de 1-2 km y una profundidad de hasta 50 m, cubierto con una gruesa capa de masa vítrea (varios metros de rocas con un alto contenido de arena se derriten casi instantáneamente, convirtiéndose en vidrio ).
Según cálculos basados en pruebas de la vida real, las personas tienen un 50% de posibilidades de sobrevivir si:
- Están ubicados en un refugio de hormigón armado (subterráneo) a 8 km del epicentro de la explosión (EV);
- Están ubicados en edificios residenciales a una distancia de 15 km del vehículo eléctrico;
- Se encontrarán en un área abierta a una distancia de más de 20 km del vehículo eléctrico con poca visibilidad (para una atmósfera “limpia”, la distancia mínima en este caso será de 25 km).
Con la distancia de los vehículos eléctricos, la probabilidad de sobrevivir de las personas que se encuentran en la calle área abierta. Entonces, a una distancia de 32 km será del 90-95%. Un radio de 40 a 45 km es el límite para el impacto primario de una explosión.
bola de fuego
Otro impacto obvio de la explosión de una bomba de hidrógeno son las tormentas de fuego autosostenidas (huracanes), que se forman como resultado de la atracción de masas colosales de material combustible hacia la bola de fuego. Pero a pesar de esto, la consecuencia más peligrosa de la explosión en términos de impacto será la contaminación por radiación. ambiente durante decenas de kilómetros a la redonda.
Caer
La bola de fuego que aparece después de la explosión se llena rápidamente de partículas radiactivas en grandes cantidades (productos de la desintegración de núcleos pesados). El tamaño de las partículas es tan pequeño que, cuando entran en la atmósfera superior, pueden permanecer allí durante mucho tiempo. Todo lo que la bola de fuego alcanza en la superficie de la tierra se convierte instantáneamente en cenizas y polvo, y luego es atraído hacia la columna de fuego. Los vórtices de llamas mezclan estas partículas con partículas cargadas, formando una mezcla peligrosa de polvo radiactivo, cuyo proceso de sedimentación de los gránulos dura mucho tiempo.
El polvo grueso se deposita con bastante rapidez, pero el polvo fino es transportado por corrientes de aire a grandes distancias y cae gradualmente de la nube recién formada. Las partículas más grandes y más cargadas se depositan en las inmediaciones de la CE; las partículas de ceniza visibles a simple vista todavía se pueden encontrar a cientos de kilómetros de distancia. Forman una cubierta mortal, de varios centímetros de espesor. Cualquiera que se acerque a él corre el riesgo de recibir una dosis grave de radiación.
Las partículas más pequeñas e indistinguibles pueden "flotar" en la atmósfera durante muchos años, dando vueltas alrededor de la Tierra repetidamente. Cuando caen a la superficie, han perdido una buena cantidad de radiactividad. El más peligroso es el estroncio-90, que tiene una vida media de 28 años y genera radiación estable durante todo este tiempo. Su aparición es detectada por instrumentos de todo el mundo. Al “aterrizar” sobre la hierba y el follaje, se involucra en las cadenas alimentarias. Por este motivo, los exámenes realizados a personas situadas a miles de kilómetros de los lugares de prueba revelan estroncio-90 acumulado en los huesos. Incluso si su contenido es extremadamente bajo, la perspectiva de ser un “vertedero para almacenar desechos radiactivos” no augura nada bueno para una persona, lo que lleva al desarrollo de enfermedades malignas en los huesos. En las regiones de Rusia (y de otros países) cercanas a los lugares de lanzamiento de pruebas de bombas de hidrógeno todavía se observa un aumento del fondo radiactivo, lo que demuestra una vez más la capacidad de este tipo de arma de dejar consecuencias importantes.
Vídeo sobre la bomba de hidrógeno.
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Cómo los físicos soviéticos fabricaron la bomba de hidrógeno, qué pros y contras tenía esta terrible arma, lea en la sección "Historia de la ciencia".
Después de la Segunda Guerra Mundial, todavía era imposible hablar sobre el inicio real de la paz: dos grandes potencias mundiales entraron en una carrera armamentista. Una de las facetas de este conflicto fue el enfrentamiento entre la URSS y los Estados Unidos en la creación de armas nucleares. En 1945, Estados Unidos, el primero en participar en la carrera entre bastidores, lanzó bombas nucleares sobre las famosas ciudades de Hiroshima y Nagasaki. La Unión Soviética también trabajó en la creación de armas nucleares y en 1949 probó la primera bomba atómica, cuya sustancia activa era el plutonio. Incluso durante su desarrollo, la inteligencia soviética descubrió que Estados Unidos había pasado a desarrollar una bomba más poderosa. Esto llevó a la URSS a empezar a producir armas termonucleares.
Los servicios de inteligencia no pudieron descubrir qué resultados lograron los estadounidenses y los intentos de los científicos nucleares soviéticos no tuvieron éxito. Por ello, se decidió crear una bomba cuya explosión se produciría por la síntesis de núcleos ligeros, y no por la fisión de los pesados, como en una bomba atómica. En la primavera de 1950, se empezó a trabajar en la creación de una bomba, que más tarde recibió el nombre de RDS-6s. Entre sus desarrolladores se encontraba el futuro laureado. premio Nobel mundo Andrei Sajarov, quien propuso la idea de diseñar una carga allá por 1948, pero luego se opuso a las pruebas nucleares.
Andréi Sájarov
Vladimir Fedorenko/Wikimedia Commons
Sajarov propuso cubrir un núcleo de plutonio con varias capas de elementos ligeros y pesados, concretamente uranio y deuterio, un isótopo del hidrógeno. Posteriormente, sin embargo, se propuso sustituir el deuterio por deuteruro de litio, lo que simplificó enormemente el diseño de la carga y su funcionamiento. Una ventaja adicional fue que el litio, después del bombardeo con neutrones, produce otro isótopo de hidrógeno: el tritio. Cuando el tritio reacciona con el deuterio, libera mucha más energía. Además, el litio también ralentiza mejor los neutrones. Esta estructura de la bomba le dio el sobrenombre de "Sloika".
Un cierto desafío fue que el espesor de cada capa y el número final de capas también eran muy importantes para una prueba exitosa. Según los cálculos, entre el 15% y el 20% de la energía liberada durante la explosión provino de reacciones termonucleares y otro 75-80% de la fisión de los núcleos de uranio-235, uranio-238 y plutonio-239. También se suponía que la potencia de carga sería de 200 a 400 kilotones; el resultado práctico estuvo en el límite superior de las previsiones.
El día X, 12 de agosto de 1953, se probó en acción la primera bomba de hidrógeno soviética. El polígono de pruebas de Semipalatinsk donde se produjo la explosión estaba situado en la región del este de Kazajstán. La prueba del RDS-6 fue precedida por un intento en 1949 (en ese momento se llevó a cabo en el polígono de prueba una explosión terrestre de una bomba con una potencia de 22,4 kilotones). A pesar de la ubicación aislada del polígono, la población de la región experimentó de primera mano la belleza de los ensayos nucleares. Las personas que vivieron relativamente cerca del sitio de pruebas durante décadas, hasta su cierre en 1991, estuvieron expuestas a la radiación y áreas a muchos kilómetros del sitio de pruebas quedaron contaminadas con productos de desintegración nuclear.
La primera bomba de hidrógeno soviética RDS-6
Wikimedia Commons
Una semana antes de la prueba del RDS-6, según testigos presenciales, los militares entregaron dinero y comida a las familias que vivían cerca del lugar de la prueba, pero no hubo evacuación ni información sobre los próximos eventos. Se eliminó el suelo radiactivo del lugar de prueba y se restauraron las estructuras y puestos de observación cercanos. Se decidió detonar la bomba de hidrógeno en la superficie de la Tierra, a pesar de que la configuración permitía lanzarla desde un avión.
Las pruebas anteriores de cargas atómicas fueron sorprendentemente diferentes de lo que los científicos nucleares registraron después de la prueba de Sajarov. La producción de energía de la bomba, que los críticos no llaman bomba termonuclear sino bomba atómica termonuclear mejorada, fue 20 veces mayor que la de cargas anteriores. Esto se notaba a simple vista con gafas de sol: de los edificios supervivientes y restaurados tras la prueba de la bomba de hidrógeno sólo quedaba polvo.
Ivy Mike: la primera prueba atmosférica de una bomba de hidrógeno realizada por Estados Unidos en el atolón de Eniwetak el 1 de noviembre de 1952.
hace 65 años Unión Soviética hizo estallar su primera bomba termonuclear. ¿Cómo funciona esta arma, qué puede hacer y qué no? El 12 de agosto de 1953 se detonó en la URSS la primera bomba termonuclear “práctica”. Le contaremos la historia de su creación y descubriremos si es cierto que estas municiones apenas contaminan el medio ambiente, pero pueden destruir el mundo.
La idea de las armas termonucleares, en las que los núcleos de los átomos se fusionan en lugar de dividirse, como en una bomba atómica, apareció a más tardar en 1941. Se les ocurrió a los físicos Enrico Fermi y Edward Teller. Casi al mismo tiempo, se involucraron en el Proyecto Manhattan y ayudaron a crear las bombas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki. Diseñar un arma termonuclear resultó mucho más difícil.
Se puede comprender aproximadamente cuánto más complicada es una bomba termonuclear que una bomba atómica por el hecho de que las centrales nucleares en funcionamiento han sido algo común durante mucho tiempo, y las centrales termonucleares prácticas y en funcionamiento siguen siendo ciencia ficción.
Para que los núcleos atómicos se fusionen entre sí, deben calentarse a millones de grados. Los estadounidenses patentaron el diseño de un dispositivo que permitiría hacer esto en 1946 (el proyecto se llamó extraoficialmente Super), pero lo recordaron solo tres años después, cuando la URSS probó con éxito una bomba nuclear.
El presidente estadounidense Harry Truman dijo que el avance soviético debería responderse con “la llamada hidrógeno o superbomba”.
En 1951, los estadounidenses ensamblaron el dispositivo y realizaron pruebas con el nombre en clave "George". El diseño era un toro, es decir, un donut, con isótopos pesados de hidrógeno, deuterio y tritio. Fueron elegidos porque dichos núcleos son más fáciles de fusionar que los núcleos de hidrógeno ordinarios. La mecha era una bomba nuclear. La explosión comprimió el deuterio y el tritio, se fusionaron, produjeron una corriente de neutrones rápidos y encendieron la placa de uranio. En una bomba atómica convencional, no se fisiona: sólo hay neutrones lentos, que no pueden provocar la fisión de un isótopo estable de uranio. Aunque la energía de fusión nuclear representó aproximadamente el 10% de la energía total de la explosión de George, la "ignición" del uranio-238 permitió que la explosión fuera dos veces más potente de lo habitual, hasta 225 kilotones.
Gracias al uranio adicional, la explosión fue dos veces más potente que la de una bomba atómica convencional. pero en fusión termonuclear representó sólo el 10% de la energía liberada: las pruebas demostraron que los núcleos de hidrógeno no se comprimen con suficiente fuerza.
Luego, el matemático Stanislav Ulam propuso un enfoque diferente: una mecha nuclear de dos etapas. Su idea era colocar una barra de plutonio en la zona de “hidrógeno” del dispositivo. La explosión de la primera mecha "encendió" el plutonio, dos ondas de choque y dos corrientes de rayos X chocaron: la presión y la temperatura aumentaron lo suficiente como para que comenzara la fusión termonuclear. El nuevo dispositivo fue probado en el atolón Enewetak en el Océano Pacífico en 1952; el poder explosivo de la bomba ya era de diez megatones de TNT.
Sin embargo, este dispositivo tampoco era apto para su uso como arma militar.
Para que los núcleos de hidrógeno se fusionen, la distancia entre ellos debe ser mínima, por lo que el deuterio y el tritio se enfriaron hasta un estado líquido, casi hasta el cero absoluto. Esto requirió una enorme instalación criogénica. El segundo dispositivo termonuclear, esencialmente una modificación ampliada del George, pesaba 70 toneladas; eso no se puede dejar caer desde un avión.
La URSS comenzó a desarrollar una bomba termonuclear más tarde: el primer esquema fue propuesto por los desarrolladores soviéticos recién en 1949. Se suponía que utilizaría deuteruro de litio. Este es un metal, una sustancia sólida, no es necesario licuarlo y, por lo tanto, ya no era necesario un refrigerador voluminoso, como en la versión americana. No menos importante es que el litio-6, al ser bombardeado con neutrones de la explosión, produjo helio y tritio, lo que simplifica aún más la fusión de núcleos.
La bomba RDS-6 estuvo lista en 1953. A diferencia de los dispositivos termonucleares estadounidenses y modernos, no contenía una barra de plutonio. Este esquema se conoce como “bocanada”: se intercalaron capas de deuteruro de litio con capas de uranio. El 12 de agosto, el RDS-6 fue probado en el polígono de pruebas de Semipalatinsk.
La potencia de la explosión fue de 400 kilotones de TNT, 25 veces menos que en el segundo intento de los estadounidenses. Pero los RDS-6 podrían lanzarse desde el aire. La misma bomba iba a utilizarse en misiles balísticos intercontinentales. Y ya en 1955, la URSS mejoró su creación termonuclear equipándola con una barra de plutonio.
Hoy en día, prácticamente todos los dispositivos termonucleares (al parecer, incluso los norcoreanos) son un cruce entre los primeros diseños soviéticos y estadounidenses. Todos utilizan deuteruro de litio como combustible y lo encienden con un detonador nuclear de dos etapas.
Como se sabe por las filtraciones, incluso la ojiva termonuclear estadounidense más moderna, la W88, es similar a la RDS-6c: capas de deuteruro de litio están intercaladas con uranio.
La diferencia es que las municiones termonucleares modernas no son monstruos de varios megatones como la Tsar Bomba, sino sistemas con una potencia de cientos de kilotones, como los RDS-6. Nadie tiene ojivas de megatones en sus arsenales, ya que, militarmente, una docena de ojivas menos poderosas son más valiosas que una fuerte: esto permite alcanzar más objetivos.
Los técnicos trabajan con una ojiva termonuclear estadounidense W80
Lo que una bomba termonuclear no puede hacer
El hidrógeno es un elemento extremadamente común; hay suficiente cantidad en la atmósfera terrestre.
Hubo un tiempo en que se rumoreaba que una explosión termonuclear suficientemente potente podría iniciar una reacción en cadena y quemar todo el aire de nuestro planeta. Pero esto es un mito.
No sólo el hidrógeno gaseoso, sino también el líquido, no es lo suficientemente denso para que comience la fusión termonuclear. Debe comprimirse y calentarse mediante una explosión nuclear, preferiblemente desde diferentes lados, como se hace con una mecha de dos etapas. En la atmósfera no existen tales condiciones, por lo que allí son imposibles reacciones de fusión nuclear autosostenidas.
Ésta no es la única idea errónea sobre las armas termonucleares. Se suele decir que una explosión es “más limpia” que una nuclear: dicen que cuando los núcleos de hidrógeno se fusionan, quedan menos “fragmentos” -peligrosos núcleos atómicos de corta vida que producen contaminación radiactiva- que cuando los núcleos de uranio se fisionan.
Esta idea errónea se basa en el hecho de que durante una explosión termonuclear, la mayor parte de la energía supuestamente se libera debido a la fusión de los núcleos. No es cierto. Sí, la Bomba Zar era así, pero sólo porque su “chaqueta” de uranio fue reemplazada por plomo para realizar pruebas. Las espoletas modernas de dos etapas provocan una importante contaminación radiactiva.
La zona de posible destrucción total por la Bomba Zar, trazada en el mapa de París. El círculo rojo es la zona de destrucción total (radio de 35 km). El círculo amarillo tiene el tamaño de la bola de fuego (radio de 3,5 km).
Es cierto que todavía hay una pizca de verdad en el mito de la bomba “limpia”. Tomemos como ejemplo la mejor ojiva termonuclear estadounidense, la W88. Si explota a la altura óptima sobre la ciudad, el área de destrucción severa prácticamente coincidirá con la zona de daño radiactivo, peligroso para la vida. Habrá muy pocas muertes por enfermedades causadas por la radiación: la gente morirá por la explosión misma, no por la radiación.
Otro mito dice que las armas termonucleares son capaces de destruir toda la civilización humana, e incluso la vida en la Tierra. Esto también está prácticamente excluido. La energía de la explosión se distribuye en tres dimensiones, por lo tanto, con un aumento en el poder de la munición mil veces, el radio de acción destructiva aumenta solo diez veces: una ojiva de megatón tiene un radio de destrucción solo diez veces mayor que una ojiva táctica de kilotones.
Hace 66 millones de años, el impacto de un asteroide provocó la extinción de la mayoría de los animales y plantas terrestres. La potencia del impacto fue de unos 100 millones de megatones, es decir, 10 mil veces más que la potencia total de todos los arsenales termonucleares de la Tierra. Hace 790 mil años, un asteroide chocó con el planeta, el impacto fue de un millón de megatones, pero después de eso no hubo rastros de extinción ni siquiera moderada (incluido nuestro género Homo). Tanto la vida en general como las personas son mucho más fuertes de lo que parecen.
La verdad sobre las armas termonucleares no es tan popular como los mitos. Hoy es así: los arsenales termonucleares de ojivas compactas de potencia media proporcionan un frágil equilibrio estratégico, por lo que nadie puede planchar libremente a otros países del mundo con armas atómicas. El miedo a una respuesta termonuclear es un elemento disuasivo más que suficiente.
