Скільки енергії виділяється при ядерному вибуху

Ядерний вибух - Вибух, викликаний швидким звільненням великої кількості ядерної енергії. Ядерна енергія може звільнятися у великих кількостях у двох процесах – у ланцюговій реакції поділу важких ядер нейтронами та реакції з'єднання (синтезу) легких ядер. Ядерний вибух, викликаний першим процесом, зазвичай називають атомним (вибух атомної бомби), другий – термоядерним (воднева бомба). Атомний вибух вперше здійснено у США 16 липня 1945 р. У СРСР перший атомний вибух здійснено у 1949 р., термоядерний – у 1953 р.
Для здійснення ядерного вибуху в результаті ланцюгової реакції поділу необхідно, щоб маса речовини (урану-235, плутонію-239 та ін.) перевищувала критичну (50 кг для 235 U і 11 кг для 239 Pu). До вибуху система має бути підкритичною. Перехід у надкритичний стан здійснюється швидким зближенням декількох шматків речовини, що ділиться. Для такого зближення використовується хімічний вибух. При повному розподілі 1 кг урану виділяється енергія, що дорівнює енерговиділенню при вибуху 20 кілотонн тротилу, що приблизно відповідає бомбам, підірваним у Хіросімі та Нагасакі.

Мал. 1. Схема атомної бомби.

Атомний вибух розвивається за рахунок експоненційно зростаючої з часом кількості ядер, що розділилися. Середній час між двома послідовними актами розподілу Звідси можна отримати для часу повного розподілу 1 кг ядерної вибухівки величину сік. Це час атомного вибуху.
Внаслідок великого енерговиділення у центрі атомної бомби температура піднімається до 10 8 К, а тиск – до 10 12 атм. Речовина перетворюється на плазму, що розлітається.
Для здійснення термоядерного вибуху використовуються реакції синтезу легких ядер, зокрема ізотопів водню – дейтерію та тритію. Ці реакції можуть протікати лише за дуже високих температур ~10 7 К. Швидке розігрів термоядерної вибухівки здійснюється попереднім атомним вибухом, наприклад, твердої уранової оболонки, всередині якої укладено термоядерне пальне. Термоядерні бомби значно потужніші за атомні. Зазвичай їхній тротиловий еквівалент 100-1000 кт (у атомних бомб він 1-20 кт). Найпотужніший ядерний вибух (60 мегатонн тротилу) був зроблений в 1961 р. в СРСР (Нова Земля) в атмосфері.
При ядерному вибуху повітря утворюється потужна ударна хвиля. Радіус ураження нею обернено пропорційний кубічному кореню з енергії вибуху. Для номінальної ядерної бомби (20 кт) він близько 1 км. Енергія, що звільнилася, протягом декількох мкс передається навколишньому середовищу. Утворюється вогненна куля, що яскраво світиться. Через він досягає максимального радіусу 150 м (для бомби 20 кт), температура його падає до 8000 К (ударна хвиля йде далеко вперед). За час світіння (секунди) електромагнітне випромінювання переходить 10–20% енергії вибуху. Розріджене нагріте повітря, яке несе піднятий із землі радіоактивний пил, за кілька хвилин досягає висоти 10–15 км. Далі радіоактивна хмара розпливається на сотні кілометрів. Ядерний вибух супроводжується потужним потоком нейтронів та гамма-квантів.

Мал. 2. Схема термоядерної бомби.

Ядерний вибух

Ядерний вибух, некерований процес вивільнення великої кількості енергії за мінімальний проміжок часу в результаті ланцюгових ядерних реакцій поділу або термоядерних реакцій синтезу (термоядерний вибух).

Для здійснення ядерного вибуху в результаті ланцюгової ядерної реакції поділу необхідно, щоб маса речовини (235 U, 239 Pu та ін) перевищила критичну масу M_кp, що залежить від щільності речовини та її геометричної конфігурації. Для природного 235 U при сферичній формі заряду М_кр ≈ 50 кг. Перехід у надкритичний стан (М > М_кр) здійснюється швидким зближенням декількох частин матеріалу, що ділиться. Зазвичай для зближення використовується хімічний вибух, що викликає стиск (імплозію) матеріалу, що ділиться, що зменшує M_кр. У кожному акті поділу виділяється енергія ≈ 200 МеВ (≈ 1 МеВ на 1 нуклон ядра, що ділиться). При розподілі 1 кг 235 U виділяється енергія порядку 10 14 Дж, що еквівалентно енерговиділення при вибуху 20 кт тротилу.

Перевага термоядерних реакцій синтезу над реакціями поділу в ядерному вибуху пов'язана зі значно більшим (у 5 разів) енерговиділенням на 1 г речовини. Це обумовлює значно більшу потужність термоядерних вибухових пристроїв порівняно з ядерними (може досягати 105-106 т тротилового еквівалента і вище). Для здійснення термоядерного вибуху також потрібні високі температура та щільність. У термоядерному вибуховому пристрої це створюється за допомогою ядерної бомби, яка є детонатором.

Ядерні вибухи прийнято класифікувати за потужністю ядерного заряду та місцезнаходженням (висотою) центру вибуху. Умовно потужність ядерного вибуху поділяється на надмалу (менше 1 кт тротилового еквівалента), малу (1–10 кт), середню (10–100 кт), велику (100 кт – 1 Мт) та надвелику (понад 1 Мт).По висоті точки вибуху розрізняють такі види ядерного вибуху: космічний – висотою понад 100 км; висотний – вище за межі тропосфери Землі (понад 10 км); повітряний - на висоті, при якій світиться вибух не стосується поверхні землі (води), але не вище 10 км; наземний (надводний) – на поверхні землі (води) або на такій висоті, коли область вибуху, що світиться, стосується поверхні землі (води); підземний – нижче за поверхню землі з викидом або без викиду (камуфлетний ядерний вибух) ґрунту; підводний – нижче поверхні води.

До факторів ядерного вибуху відносяться: ударна хвиля, світлове випромінювання, радіоактивне зараження, проникаюча радіація, електромагнітний імпульс. Дія вражаючих чинників змінюється залежно від виду вибуху. Так, при повітряному ядерному вибуху утворюється потужна ударна хвиля, яка, досягаючи Землі, викликає руйнації. Енергія, що виділилася, протягом декількох мікросекунд передається навколишньому середовищу. Вогненна куля, що яскраво світиться, розширюється спочатку за рахунок променистої теплопровідності, а потім разом з поширенням ударної хвилі. У міру розширення температура кулі падає, через 10-2-10-1 з куля досягає максимального радіусу (150 м для бомби в 20 кт). За час світіння (до кількох секунд) електромагнітне випромінювання переходить 10–20 % енергії ядерного вибуху; випромінювання викликає пожежі, опіки. Розріджене нагріте повітря, яке несе радіоактивні продукти вибуху, піднімається вгору і за кілька хвилин досягає висоти 10–15 км. Після цього хмара ядерного вибуху розпливається на сотні кілометрів і більше. Радіоактивні частинки випадають поверхню землі, утворюючи радіоактивний слід.Особливо небезпечний наземний ядерний вибух, коли вогненна куля, торкаючись поверхні Землі, піднімає вгору пил, радіоактивні частинки прилипають до частинок землі і випадають поблизу епіцентру вибуху в концентрації, летальній для людини. При ядерному вибуху утворюється потужний потік нейтронів і γ-випромінювання (1% всієї енергії, що виділяється), який, досягаючи поверхні Землі, може створювати летальну дозу випромінювання .

Перший ядерний вибух здійснено США 16 липня 1945 р. поблизу Аламогордо (штат Нью-Мексико) у межах «Манхеттенського проекту» . У СРСР перший ядерний вибух здійснено 29 серпня 1949 р., термоядерний – 12 серпня 1953 р. Підземні ядерні вибухи активно використовувалися й у мирних цілях, наприклад під час проведення великомасштабних гірничих робіт, у сейсмічній розвідці вивчення будови Землі. Проте з 1996 р. вони заборонені міжнародним договором поряд із будь-якими іншими ядерними випробуваннями.

Редакція фізичних наук

Опубліковано 20 квітня 2023 р. о 15:34 (GMT+3). Останнє оновлення 20 квітня 2023 р. о 15:34 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією

Ядерний вибух

Ядерний вибух, некерований процес вивільнення великої кількості енергії за мінімальний проміжок часу в результаті ланцюгових ядерних реакцій поділу або термоядерних реакцій синтезу (термоядерний вибух).

Для здійснення ядерного вибуху в результаті ланцюгової ядерної реакції поділу необхідно, щоб маса речовини (235 U, 239 Pu та ін) перевищила критичну масу M_кp, що залежить від щільності речовини та її геометричної конфігурації. Для природного 235 U при сферичній формі заряду М_кр ≈ 50 кг. Перехід у надкритичний стан (М > М_кр) здійснюється швидким зближенням декількох частин матеріалу, що ділиться.Зазвичай для зближення використовується хімічний вибух, що викликає стиск (імплозію) матеріалу, що ділиться, що зменшує M_кр. У кожному акті поділу виділяється енергія ≈ 200 МеВ (≈ 1 МеВ на 1 нуклон ядра, що ділиться). При розподілі 1 кг 235 U виділяється енергія порядку 10 14 Дж, що еквівалентно енерговиділення при вибуху 20 кт тротилу.

Перевага термоядерних реакцій синтезу над реакціями поділу в ядерному вибуху пов'язана зі значно більшим (у 5 разів) енерговиділенням на 1 г речовини. Це обумовлює значно більшу потужність термоядерних вибухових пристроїв порівняно з ядерними (може досягати 105-106 т тротилового еквівалента і вище). Для здійснення термоядерного вибуху також потрібні високі температура та щільність. У термоядерному вибуховому пристрої це створюється за допомогою ядерної бомби, яка є детонатором.

Ядерні вибухи прийнято класифікувати за потужністю ядерного заряду та місцезнаходженням (висотою) центру вибуху. Умовно потужність ядерного вибуху поділяється на надмалу (менше 1 кт тротилового еквівалента), малу (1–10 кт), середню (10–100 кт), велику (100 кт – 1 Мт) та надвелику (понад 1 Мт). По висоті точки вибуху розрізняють такі види ядерного вибуху: космічний – висотою понад 100 км; висотний – вище за межі тропосфери Землі (понад 10 км); повітряний - на висоті, при якій світиться вибух не стосується поверхні землі (води), але не вище 10 км; наземний (надводний) – на поверхні землі (води) або на такій висоті, коли область вибуху, що світиться, стосується поверхні землі (води); підземний – нижче за поверхню землі з викидом або без викиду (камуфлетний ядерний вибух) ґрунту; підводний – нижче поверхні води.

До факторів ядерного вибуху відносяться: ударна хвиля, світлове випромінювання, радіоактивне зараження, проникаюча радіація, електромагнітний імпульс. Дія вражаючих чинників змінюється залежно від виду вибуху. Так, при повітряному ядерному вибуху утворюється потужна ударна хвиля, яка, досягаючи Землі, викликає руйнації. Енергія, що виділилася, протягом декількох мікросекунд передається навколишньому середовищу. Вогненна куля, що яскраво світиться, розширюється спочатку за рахунок променистої теплопровідності, а потім разом з поширенням ударної хвилі. У міру розширення температура кулі падає, через 10-2-10-1 з куля досягає максимального радіусу (150 м для бомби в 20 кт). За час світіння (до кількох секунд) електромагнітне випромінювання переходить 10–20 % енергії ядерного вибуху; випромінювання викликає пожежі, опіки. Розріджене нагріте повітря, яке несе радіоактивні продукти вибуху, піднімається вгору і за кілька хвилин досягає висоти 10–15 км. Після цього хмара ядерного вибуху розпливається на сотні кілометрів і більше. Радіоактивні частинки випадають поверхню землі, утворюючи радіоактивний слід. Особливо небезпечний наземний ядерний вибух, коли вогненна куля, торкаючись поверхні Землі, піднімає вгору пил, радіоактивні частинки прилипають до частинок землі і випадають поблизу епіцентру вибуху в концентрації, летальній для людини. При ядерному вибуху утворюється потужний потік нейтронів і γ-випромінювання (1% всієї енергії, що виділяється), який, досягаючи поверхні Землі, може створювати летальну дозу випромінювання .

Перший ядерний вибух здійснено США 16 липня 1945 р.поблизу Аламогордо (штат Нью-Мексико) у рамках «Манхеттенського проекту». У СРСР перший ядерний вибух здійснено 29 серпня 1949 р., термоядерний – 12 серпня 1953 р. Підземні ядерні вибухи активно використовувалися й у мирних цілях, наприклад під час проведення великомасштабних гірничих робіт, у сейсмічній розвідці вивчення будови Землі. Проте з 1996 р. вони заборонені міжнародним договором поряд із будь-якими іншими ядерними випробуваннями.

Редакція фізичних наук

Опубліковано 20 квітня 2023 р. о 15:34 (GMT+3). Останнє оновлення 20 квітня 2023 р. о 15:34 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією