Ein mysteriöses Gerät, das in unbeschreiblich kurzer Zeit Gigajoule an Energie freisetzen kann, ist von ominöser Romantik umgeben. Selbstverständlich war die Arbeit an Atomwaffen überall auf der Welt streng geheim und die Bombe selbst war mit einer Masse von Legenden und Mythen überwuchert. Versuchen wir, sie der Reihe nach zu behandeln.
Nichts ist so interessant wie die Atombombe
Kritische Masse
Jeder hat gehört, dass eine gewisse kritische Masse erreicht werden muss, um eine nukleare Kettenreaktion zu starten. Das ist nur für eine echte nukleare Explosion, eine kritische Masse ist nicht genug - die Reaktion wird fast sofort aufhören, bevor merkliche Energie Zeit hat, freigesetzt zu werden. Für eine vollständige Explosion von mehreren Kilotonnen oder zehn Kilotonnen müssen Sie gleichzeitig zwei oder drei und vorzugsweise vier oder fünf kritische Massen sammeln.
Es scheint offensichtlich, dass Sie zwei oder mehr Teile aus Uran oder Plutonium herstellen und sie zum richtigen Zeitpunkt verbinden müssen. Fairerweise muss gesagt werden, dass Physiker auch so dachten, als sie sich an den Entwurf einer Atombombe machten. Aber die Realität hat ihre eigenen Anpassungen vorgenommen.
Die Sache ist, wenn wir sehr reines Uran-235 oder Plutonium-239 hätten, könnten wir das tun, aber Wissenschaftler müssten sich mit echten Metallen befassen. Durch die Anreicherung von natürlichem Uran können Sie eine Mischung herstellen, die 90 % Uran-235 und 10 % Uran-238 enthält. Versuche, den Rest von Uran-238 loszuwerden, führen zu einem sehr schnellen Anstieg der Kosten dieses Materials (es heißt hochangereichertes Uran). Plutonium-239, das in einem Kernreaktor aus Uran-238 bei der Sp altung von Uran-235 gewonnen wird, enthält zwangsläufig eine Beimischung von Plutonium-240.
Uran-235- und Plutonium-239-Isotope werden gerade-ungerade genannt, weil ihre Kerne eine gerade Anzahl von Protonen (92 für Uran und 94 für Plutonium) und eine ungerade Anzahl von Neutronen (143 bzw. 145) enth alten. Alle ungeradzahligen Kerne schwerer Elemente haben eine gemeinsame Eigenschaft: Sie sp alten selten spontan (Wissenschaftler sagen „spontan“), aber sie sp alten leicht, wenn sie von einem Neutron getroffen werden.
Uran-238 und Plutonium-240 sind gerade-gleich. Im Gegenteil, sie sp alten praktisch nicht mit Neutronen niedriger und mittlerer Energie, die aus sp altbaren Kernen herausfliegen, aber andererseits sp alten sie hundert- oder zehntausendmal häufiger spontan und bilden einen Neutronenhintergrund. Dieser Hintergrund macht es sehr schwierig, Nuklearwaffen herzustellen, da er dazu führt, dass die Reaktion vorzeitig beginnt, bevor sich die beiden Teile der Ladung treffen. Aus diesem Grund müssen in einem für eine Explosion vorbereiteten Gerät Teile der kritischen Masse weit genug voneinander entfernt und mit hoher Geschwindigkeit verbunden werden.
Kanonenbombe
Aber die Bombe, die am 6. August 1945 auf Hiroshima abgeworfen wurde, wurde genau nach dem obigen Schema hergestellt. Seine beiden Teile, das Ziel und die Kugel, wurden aus hochangereichertem Uran hergestellt. Das Ziel war ein Zylinder mit einem Durchmesser von 16 cm und einer Höhe von 16 cm. In seiner Mitte befand sich ein Loch mit einem Durchmesser von 10 cm. In Übereinstimmung mit diesem Loch wurde eine Kugel hergestellt. Insgesamt enthielt die Bombe 64 kg Uran.
Das Target war von einer Hülle umgeben, deren innere Schicht aus Wolframcarbid bestand, die äußere Schicht aus Stahl. Die Granate hatte einen zweifachen Zweck: die Kugel zu h alten, wenn sie das Ziel traf, und zumindest einen Teil der vom Uran emittierten Neutronen zurück zu reflektieren. Unter Berücksichtigung des Neutronenreflektors waren 64 kg 2,3 kritische Massen. Wie kam es dazu, dass jedes der Stücke unterkritisch war? Tatsache ist, dass wir durch das Entfernen des mittleren Teils des Zylinders seine durchschnittliche Dichte verringern und der Wert der kritischen Masse zunimmt. Daher kann die Masse dieses Teils die kritische Masse für ein massives Metallstück überschreiten. Aber es ist unmöglich, die Masse des Geschosses auf diese Weise zu erhöhen, weil es fest sein muss.
Sowohl die Zielscheibe als auch die Kugel wurden aus Einzelteilen zusammengesetzt: Die Zielscheibe bestand aus mehreren kleinen Ringen und die Kugel aus sechs Pucks. Der Grund ist einfach - Uranrohlinge mussten klein sein, da während der Herstellung (Gießen, Pressen) des Rohlings die Gesamtmenge an Uran die kritische Masse nicht erreichen sollte. Das Geschoss war von einem dünnwandigen Edelstahlmantel umgeben, mit einer Wolframkarbidkappe wie der Scheibenmantel.
Um die Kugel auf die Mitte des Ziels zu lenken, entschieden wir uns, den Lauf einer herkömmlichen Flugabwehrkanone des Kalibers 76,2 mm zu verwenden. Aus diesem Grund wird diese Art von Bombe manchmal als Kanonenbombe bezeichnet. Der Lauf wurde von innen auf 100 mm gebohrt, damit ein so ungewöhnliches Projektil eindrang. Die Länge des Laufs betrug 180 cm, in seine Ladekammer wurde das übliche rauchfreie Pulver geladen, das eine Kugel mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 m / s abfeuerte. Und das andere Ende des Laufs wurde in ein Loch in der Zielhülle gedrückt.
Dieses Design hatte viele Fehler.
Es war ungeheuer gefährlich: Sobald das Schießpulver in die Ladekammer geladen war, würde jeder Unfall, der es entzünden könnte, dazu führen, dass die Bombe mit voller Kraft explodiert. Aus diesem Grund wurde das Pyroxylin bereits in der Luft aufgeladen, als sich das Flugzeug dem Ziel näherte.
Im Falle eines Flugzeugabsturzes könnten sich Uranteile ohne Schießpulver verbinden, nur durch einen starken Aufprall auf den Boden. Um dies zu vermeiden, war der Durchmesser des Geschosses einen Bruchteil eines Millimeters größer als der Durchmesser der Bohrung im Lauf.
Wenn die Bombe ins Wasser gefallen wäre, könnte die Reaktion aufgrund der Verlangsamung der Neutronen im Wasser auch ohne Verbindung der Teile starten. In diesem Fall ist zwar eine nukleare Explosion unwahrscheinlich, aber es würde zu einer thermischen Explosion kommen, bei der Uran großflächig versprüht und radioaktiv verseucht würde.
Die Länge einer Bombe dieser Bauart überschritt zwei Meter und ist praktisch unüberwindbar. Immerhin war ein kritischer Zustand erreicht, und die Reaktion begann, als noch gut einen halben Meter Zeit war, bevor die Kugel aufhörte!
Schließlich war diese Bombe sehr verschwenderisch: weniger als 1% des Urans hatte Zeit, darin zu reagieren!
Der Verdienst einer Kanonenbombe war genau einer: Sie musste unbedingt funktionieren. Sie würde nicht einmal getestet werden! Aber die Amerikaner mussten die Plutoniumbombe testen: Ihr Design war zu neu und kompliziert.
Plutonium-Fußball
Als sich herausstellte, dass selbst eine winzige (weniger als 1%!) Beimischung von Plutonium-240 es unmöglich macht, eine Plutoniumbombe mit Kanonen zusammenzubauen, waren Physiker gezwungen, nach anderen Wegen zu suchen, um kritische Masse zu erreichen. Und den Schlüssel zum Plutoniumsprengstoff fand der Mann, der später zum berühmtesten „Atomspion“wurde – der britische Physiker Klaus Fuchs.
Seine Idee, später "Implosion" genannt, war es, aus einer divergierenden eine konvergierende kugelförmige Stoßwelle zu bilden, indem man sogenannte Sprenglinsen verwendete. Diese Stoßwelle sollte ein Stück Plutonium so zusammendrücken, dass sich seine Dichte verdoppelte.
Wenn eine Abnahme der Dichte zu einer Zunahme der kritischen Masse führt, dann sollte eine Zunahme der Dichte diese verringern! Dies gilt insbesondere für Plutonium. Plutonium ist ein sehr spezifisches Material. Wenn ein Stück Plutonium von seiner Schmelztemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt wird, durchläuft es vier Phasenübergänge. Bei letzterem (ca. 122 Grad) steigt seine Dichte schlagartig um 10 % an. In diesem Fall wird jeder Guss unweigerlich reißen. Um dies zu vermeiden, wird Plutonium mit einem dreiwertigen Metall legiert, dann wird der lose Zustand stabil. Aluminium kann verwendet werden, aber 1945 wurde befürchtet, dass Alphateilchen, die von Plutoniumkernen während ihres Zerfalls emittiert werden, freie Neutronen aus Aluminiumkernen herausschlagen und den bereits merklichen Neutronenhintergrund erhöhen würden, also wurde Gallium in der ersten Atombombe verwendet.
Aus einer Legierung mit 98 % Plutonium-239, 0,9 % Plutonium-240 und 0,8 % Gallium wurde eine Kugel mit einem Durchmesser von nur 9 cm und einem Gewicht von etwa 6,5 kg hergestellt. In der Mitte der Kugel befand sich ein Hohlraum mit einem Durchmesser von 2 cm, und sie bestand aus drei Teilen: zwei Hälften und einem Zylinder mit einem Durchmesser von 2 cm, der als Stopfen diente, durch den ein Initiator eingeführt werden konnte der innere Hohlraum - eine Neutronenquelle, die funktionierte, als die Bombe explodierte. Alle drei Teile mussten vernickelt werden, da Plutonium sehr aktiv durch Luft und Wasser oxidiert wird und äußerst gefährlich ist, wenn es in den menschlichen Körper gelangt.
Der Ballon war von einem 7 cm dicken und 120 kg schweren natürlichen Uran238-Neutronenreflektor umgeben. Uran ist ein guter Reflektor für schnelle Neutronen, und das zusammengebaute System war nur leicht unterkritisch, sodass anstelle eines Plutoniumsteckers ein Cadmiumstecker eingesetzt wurde, um Neutronen zu absorbieren. Der Reflektor diente auch dazu, alle Teile der kritischen Anordnung während der Reaktion zu h alten, da sonst das meiste Plutonium auseinanderfliegen würde und keine Zeit hätte, an der Kernreaktion teilzunehmen.
Als nächstes kam eine 11,5 cm dicke Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einem Gewicht von 120 kg. Der Zweck der Schicht ist derselbe wie der der Beschichtung auf den Linsen der Objektive: sicherzustellen, dass die Druckwelle die Uran-Plutonium-Anordnung durchdringt und nicht von ihr reflektiert wird. Diese Reflexion ist auf den großen Dichteunterschied zwischen Sprengstoff und Uran (ca. 1:10) zurückzuführen. Außerdem folgt bei einer Stoßwelle auf eine Kompressionswelle eine Verdünnungswelle, der sogenannte Taylor-Effekt. Die Aluminiumschicht schwächte die Verdünnungswelle ab, was die Wirkung des Sprengstoffs verringerte. Aluminium musste mit Bor dotiert werden, das Neutronen absorbierte, die von den Kernen von Aluminiumatomen unter dem Einfluss von Alphateilchen emittiert wurden, die beim Zerfall von Uran-238 entstehen.
Schließlich waren diese „explosiven Linsen“draußen. Es gab 32 von ihnen (20 sechsseitige und 12 fünfseitige), sie bildeten eine Struktur ähnlich einem Fußball. Jede Linse bestand aus drei Teilen, wobei der mittlere aus speziellen "langsamen" Sprengstoffen und die äußeren und inneren aus "schnellen" Sprengstoffen bestanden. Der äußere Teil war außen kugelförmig, hatte aber innen einen kegelförmigen Hohlraum, wie bei einer Hohlladung, nur hatte er einen anderen Zweck. Dieser Kegel war mit langsamen Sprengstoffen gefüllt, und die Explosionswelle wurde an der Grenzfläche wie eine gewöhnliche Lichtwelle gebrochen. Aber die Ähnlichkeit ist hier sehr bedingt. Tatsächlich ist die Form dieses Kegels eines der wahren Geheimnisse der Atombombe.
Mitte der 40er Jahre gab es weltweit keinen Computer, der die Form solcher Linsen berechnen konnte, und vor allem gab es nicht einmal eine passende Theorie. Daher wurden sie ausschließlich durch Versuch und Irrtum hergestellt. Mehr als tausend Explosionen mussten durchgeführt werden – und nicht nur ausgeführt, sondern mit speziellen Hochgeschwindigkeitskameras fotografiert und die Parameter der Druckwelle aufgezeichnet werden. Als die kleinere Version ausgearbeitet wurde, stellte sich heraus, dass der Sprengstoff nicht so leicht skaliert, und es war notwendig, die alten Ergebnisse stark zu korrigieren.
Die Genauigkeit der Form musste mit einem Fehler von weniger als einem Millimeter eingeh alten werden, und die Zusammensetzung und Einheitlichkeit des Sprengstoffs musste mit größter Sorgf alt eingeh alten werden. Teile konnten nur durch Gießen hergestellt werden, daher waren nicht alle Sprengstoffe geeignet. Schnelle Sprengstoffe waren eine Mischung aus Hexogen und TNT mit doppelt so viel Hexogen. Langsam - das gleiche TNT, jedoch mit Zusatz von inertem Bariumnitrat. Die Geschwindigkeit der Detonationswelle im ersten Sprengstoff beträgt 7,9 km/s und im zweiten 4,9 km/s.
Zünder wurden in der Mitte der Außenfläche jeder Linse angebracht. Alle 32 Zünder mussten gleichzeitig mit unerhörter Genauigkeit arbeiten - weniger als 10 Nanosekunden, dh Milliardstel Sekunden! Die Stoßwellenfront sollte also um nicht mehr als 0,1 mm verzerrt worden sein. Mit der gleichen Genauigkeit mussten die Passflächen der Linsen kombiniert werden, und doch war der Fehler bei ihrer Herstellung zehnmal größer! Ich musste basteln und viel Toilettenpapier und Klebeband ausgeben, um Ungenauigkeiten auszugleichen. Aber das System ist wenig wie ein theoretisches Modell geworden.
Ich musste neue Zünder erfinden: Die alten lieferten keine richtige Synchronisation. Sie wurden auf der Grundlage von Drähten hergestellt, die unter einem starken Impuls eines elektrischen Stroms explodierten. Für ihren Betrieb wurde eine Batterie mit 32 Hochspannungskondensatoren und die gleiche Anzahl von Hochgeschwindigkeitsentladern benötigt - einer für jeden Zünder. Das gesamte System wog zusammen mit Batterien und Kondensatorladegerät in der ersten Bombe fast 200 kg. Im Vergleich zum Gewicht des Sprengstoffs, der 2,5 Tonnen in Anspruch nahm, war das jedoch nicht viel.
Schließlich wurde die gesamte Struktur in ein kugelförmiges Gehäuse aus Duraluminium eingeschlossen, das aus einem breiten Gürtel und zwei Abdeckungen bestand - oben und unten, alle diese Teile wurden auf Bolzen montiert. Das Design der Bombe ermöglichte es, sie ohne Plutoniumkern zusammenzubauen. Um das Plutonium zusammen mit einem Stück Uranreflektor anzubringen, schraubten sie die obere Abdeckung des Gehäuses ab und nahmen eine explosive Linse heraus.
Der Krieg mit Japan ging zu Ende und die Amerikaner hatten es eilig. Aber die Implosionsbombe musste getestet werden. Diese Operation erhielt den Codenamen "Trinity" (" Trinity"). Ja, die Atombombe sollte die Macht demonstrieren, die früher nur den Göttern zur Verfügung stand.
Glänzender Erfolg
Das Testgelände wurde im Bundesstaat New Mexico gewählt, an einem Ort mit dem malerischen Namen Jornadadel Muerto (Der Weg des Todes) - das Gebiet war Teil des Artillerie-Gebiets von Alamagordo. Die Bombe wurde am 11. Juli 1945 zusammengebaut. Am 14. Juli wurde sie auf einen 30 Meter hohen, eigens errichteten Turm gehoben, die Drähte wurden mit den Zündern verbunden und die letzten Vorbereitungsschritte begannen, verbunden mit einer großen Menge an Messgeräten. Am 16. Juli 1945, morgens um halb fünf, wurde das Gerät gesprengt.
Die Temperatur im Zentrum der Explosion erreicht mehrere Millionen Grad, daher ist der Blitz einer nuklearen Explosion viel heller als die Sonne. Der Feuerball dauert ein paar Sekunden, dann beginnt er aufzusteigen, sich zu verdunkeln, von weiß zu orange, dann purpurrot, und der heute berühmte Kernpilz wird gebildet. Der erste Atompilz stieg auf eine Höhe von 11 km.
Die Energie der Explosion betrug mehr als 20 kt TNT. Die meisten Messgeräte wurden zerstört, weil die Physiker mit 510 Tonnen gerechnet und die Geräte zu dicht aufgestellt hatten. Ansonsten war es ein Erfolg, ein fulminanter Erfolg!
Aber die Amerikaner wurden mit einer unerwarteten radioaktiven Verseuchung des Gebiets konfrontiert. Die Wolke aus radioaktivem Fallout erstreckte sich über 160 km nach Nordosten. Ein Teil der Bevölkerung musste aus der Kleinstadt Bingham evakuiert werden, aber mindestens fünf Anwohner erhielten Dosen bis zu 5760 Röntgen.
Es stellte sich heraus, dass zur Vermeidung einer Kontamination die Bombe in ausreichend großer Höhe gezündet werden muss, mindestens anderthalb Kilometer, dann verteilen sich die radioaktiven Zerfallsprodukte über eine Fläche von Hunderttausenden bzw sogar Millionen Quadratkilometer und lösen sich im globalen Strahlungshintergrund auf.
Die zweite Bombe dieses Designs wurde am 9. August auf Nagasaki abgeworfen, 24 Tage nach diesem Test und drei Tage nach der Bombardierung von Hiroshima. Seitdem verwenden praktisch alle Atomwaffen die Implosionstechnologie. Die erste sowjetische RDS-1-Bombe, die am 29. August 1949 getestet wurde, wurde auf die gleiche Weise hergestellt.
