Учёные создают ядерное оружие уже более 80 лет, но процесс его изготовления остаётся сложной задачей.
Первое испытание ядерного оружия под кодовым названием «Тринити» состоялось в пустыне Нью-Мексико в 5:30 утра 16 июля 1945 года. Это испытание стало доказательством работоспособности концепции секретных ядерных исследований, проводившихся в Лос-Аламосе в рамках Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны, и привело к сбросу атомных бомб на Хиросиму и Нагасаки, Япония, всего несколько недель спустя.
После этих взрывов разработка ядерного оружия ускорилась. Страны по всему миру создали свои собственные ядерные запасы, включая более 5 000 ядерных боеголовок, хранящихся в США.
И всё же, несмотря на то, что основные компоненты этой технологии больше не являются секретными, разработка ядерного оружия остаётся сложной научной и инженерной задачей. Почему же ядерное оружие до сих пор так сложно создать?
Большая часть трудностей связана с получением химических элементов, используемых в этом оружии для создания взрыва, сообщил Live Science по электронной почте Ханс Кристенсен, директор проекта «Ядерная информация» в Федерации американских учёных.
«Основная идея ядерного взрыва заключается в том, что ядерные [расщепляющиеся] материалы стимулируют к высвобождению их огромной энергии», — сказал он. «Производство расщепляющегося материала достаточной чистоты и в достаточном количестве — сложная задача, и для её решения требуются значительные промышленные мощности».
Огромное высвобождение энергии называется реакцией деления ядер. Когда происходит эта реакция, начинается цепная реакция, в ходе которой атомы расщепляются, высвобождая энергию. Это та самая реакция, которая делает возможной использование ядерной энергии.
Обогащение урана и плутония
Расщепляющийся материал в ядерной бомбе — это в основном изотопы урана и плутония, которые являются радиоактивными элементами, рассказал Live Science Мэтью Зерфи, профессор-практик в области ядерной инженерии в Университете штата Пенсильвания. Самый распространённый изотоп урана, уран-238 (U-238), добывают, а затем подвергают процессу обогащения, чтобы превратить часть урана в другой изотоп, уран-235 (U-235), который уже легче использовать в ядерных реакциях.
«Один из способов обогащения урана — превратить его в газ и очень быстро вращать в центрифугах», — говорит Зерфи. «Из-за разницы в массе между U-235 и U-238 изотопы разделяются, и вы можете отделить U-235».
По словам Зерфи, для получения оружейного урана 90% образца U-238 необходимо преобразовать в U-235. Самой сложной частью этого процесса, который может занять от нескольких недель до нескольких месяцев, является химическое превращение самого элемента, требующее больших затрат энергии и специального оборудования. Одной из химических опасностей этого процесса является возможное выделение гексафторида урана (UF6), высокотоксичного вещества, которое при вдыхании может повредить почки, печень, лёгкие, мозг, кожу и глаза.
По его словам, процесс обогащения плутония до такой же степени ещё сложнее, поскольку этот элемент не встречается в природе, в отличие от урана. Вместо этого плутоний получают как побочный продукт ядерных реакторов, а это значит, что для использования плутония учёным необходимо работать с радиоактивным отработанным ядерным топливом и перерабатывать материал с помощью «интенсивного» химического осаждения. По словам Зерфи, переработка этого материала также может представлять риск для безопасности, если случайно соберётся критическая масса — наименьшее количество расщепляющегося материала, необходимое для поддержания самоподдерживающейся реакции деления.
«Нужно быть очень осторожным, чтобы этого не произошло в процессе изготовления этих компонентов, чтобы убедиться, что они не соберутся случайно вместе и не войдут в критическое состояние, — сказал он, — что может привести к случайному взрыву».
Хотя научные принципы объединения этих компонентов хорошо изучены, создать и контролировать эту реакцию за доли секунды всё ещё сложно.
Оружие сконструировано таким образом, что при его взрыве очень быстро создаётся „сверхкритическая“ масса расщепляющегося материала… в очень небольшом пространстве», — говорит Зерфи. «Это приводит к экспоненциальному увеличению числа делений, распространяющихся по всему материалу практически мгновенно».
По его словам, такое быстрое распространение атомного деления — это большая часть того, что делает ядерную реакцию такой разрушительной.
В случае термоядерного оружия, которое было разработано после Второй мировой войны и использует комбинацию деления и синтеза ядер для создания ещё более мощного взрыва, стандартная реакция деления должна вызвать вторичную и более сильную реакцию синтеза. Эта термоядерная реакция даёт тот же вид энергии, который рождается в центре Солнца.
Испытания ядерного оружия
После создания такого оружия учёные и инженеры должны быть уверены, что оно будет работать так, как нужно, если его когда-нибудь применят. Когда ядерное оружие только разрабатывалось, учёные сами испытывали его на полигонах (что разрушало окружающую среду в «пустынных» местах, где проводились испытания, а также влияло на здоровье людей и животных, которые жили поблизости). Современные испытания оружия уже опираются на компьютерные модели. Это часть работы, выполняемой Национальной администрацией по ядерной безопасности (NNSA).
«NNSA… разрабатывает инструменты для квалификации компонентов оружия и сертификации оружия, обеспечивая его живучесть и эффективность в различных сценариях», — сообщил представитель NNSA в электронном письме Live Science. «Это включает в себя передовое моделирование с использованием суперкомпьютерных систем, знаний из областей материаловедения и точного машиностроения, чтобы гарантировать, что оружие будет функционировать так, как задумано».
В конечном итоге сложность и проблемы, связанные с созданием этого оружия, могут объяснить, почему сегодня в мире существует так мало ядерных сверхдержав.
