10 häbiväärset küsimust tuumarelvade kohta: füüsik Dmitri Pobedinski vastab
Varia / / July 17, 2023
Oleme kogunud kõik, mida tahtsite teada, kuid olite küsimiseks liiga häbelik.
Uues artiklite seeria eksperdid vastavad küsimustele, mida on tavaliselt piinlik küsida: tundub, et kõik teavad seda juba ja küsija näeb rumal välja.
Enne Oppenheimeri esilinastust rääkisime füüsik Dmitri Pobedinskiga aatomipommidest. Loodame, et film on nüüd selgem.
Dmitri Pobedinsky
1. Mille poolest erineb aatomipomm tavapärasest?
Pomm on põhimõtteliselt lõhkeainega täidetud mürsk, mis võib väga kiiresti keemilise reaktsiooni astuda. Kui see juhtub, toimub plahvatus – see tähendab, et lühikese aja jooksul vabaneb suur hulk energiat.
Enne pommi aktiveerimist salvestub see energia justkui "uinevasse" seisundisse. Tavalistes pommides säilitatakse seda molekulide aatomite vaheliste sidemete kujul. Tuumapommis - sidemete kujul tuuma osakeste, prootonite ja neutronite vahel. Viimaste vahelised ühendused on palju tugevamad, seega on pommi aktiveerimisel vabanevat energiat rohkem – ceteris paribus – umbes miljon korda.
2. Mis vahe on aatomi-, tuuma- ja termotuumapommidel?
Aatomi- ja tuumapommi mõisted on enamasti omavahel asendatavad ja tähendavad meie kontekstis sama asja: nende plahvatamiseks kasutatakse tuuma lõhustumise reaktsiooni. rasked elemendidnagu uraan või plutoonium.
Termotuumapommid kasutavad teistsugust põhimõtet - termotuumasünteesi, milles sellised kopsud elemendid nagu vesinik või liitium sulanduvad raskemateks, tänu millele tekib selleks vajalik energia plahvatus.
Energia vabanemise poolest saab termotuumapomme erinevalt tuumapommidest teha väga suureks. Tuumalaengu võimsust on üsna keeruline mitmekordistada, kuid termotuumapommi võimsust on suhteliselt lihtne suurendada.
Isegi termotuumapommidel pole sellist kahjustavat tegurit nagu kiirgus. Kuid kui tuumapomm plahvatab, tekib palju ebastabiilseid elemente ja tekib piirkonna kiirgussaaste.
Sageli sisaldab termotuumapomm aga tuumapommi, mis põhjustab kiirgussaastet, kuigi vähem.
Kokku võtma:
- aatomipomm ja tuumapomm on samad
- aatomipommid kasutavad raskete elementide reaktsioone, termotuumapommid kasutavad kergeid,
- termotuumapommide võimsust on lihtsam suurendada kui aatomipommide,
- sama võimsusega tuuma- ja termotuumaplahvatusega on teisel juhul vähem kiirgussaastet.
3. Kuidas tuumarelvi aktiveeritakse ja sihtmärgi poole suunatakse?
Aatomipommi sees olevas radioaktiivses aines toimub lõhustumisreaktsioon pidevalt hõõguvas režiimis. Kuid sel juhul vabanevast energiast ei piisa suure plahvatuse toimumiseks.
Protsessi on võimalik aktiivsemalt käima panna. Selleks peab lõhustumisreaktsioon olema ahel- ja isemajandav – ehk nii, et ühe sideme katkemine tuuma osakeste vahel provotseerib teise katkemise jne järjest suurenevas järjekorras. Siis viib see laviinilaadne löök sekundi mikroosades suure hulga energia vabanemiseni ja sellest tulenevalt plahvatuse.
On olemas selline asi nagu kriitiline mass – aine minimaalne mass, mis on vajalik lõhustumise ahelreaktsiooni käivitamiseks. See tähendab, et pommi plahvatamiseks on vaja ületada kriitiline mass. Seda tehakse kahel viisil:
- Ühendage kaks identset varda, mille sees on sama aine, ja suruge need mõneks ajaks kokku. See tähendab, et kui kriitiline mass on 10 kg ja iga varras kaalub 6 kg, siis nende ühendamisel saame 12 kg kaaluva varda, mis ületab kriitilise massi ja algab tuuma ahelreaktsioon. Nii tegid näiteks esimese pommi "Baby" loojad, mis visati Hiroshimale.
- Pall, mille mass on kriitilisest väiksema massiga, ümbritsetakse lõhkeainetega ja tekitab suunatud plahvatuse. Lööklaine surub selle palli kokku, selle tihedus suureneb. Selle uue tiheduse mass muutub kriitilisest suuremaks ja reaktsioon algab. Seda meetodit nimetatakse implosiooniks, seda kasutati Nagasakile heidetud Paksu mehe aktiveerimiseks, aga ka kõige esimese USA kõrbes plahvatatud pommi Gadgeti jaoks. Film Oppenheimer näitab seda hetke.
See, kuidas pomm sihtmärgile suunatakse, on aerodünaamika ja kosmoseballistika küsimus. Nüüd on olemas tuuma- või termotuumalõhkepeadega ballistilised raketid, mis lastakse õhku nagu kosmoserakette, kuid need ei lähe orbiidile. Selle asemel hakkavad nad teatud, eelnevalt välja arvutatud trajektoori pidi sihtmärgi poole langema.
4. Mis saab pärast plahvatust?
Pärast pommi plahvatamist eraldub esmalt palju valguskiirgust, mis põletab kõik teatud raadiuses. See välk on nii võimas, et seda saab võrrelda kosmoses oleva tähe kiirgusega. Seetõttu põleb kõik, mis on epitsentris, hetkega läbi.
Siis tuleb lööklaine. See liigub kiirusega üle helikiiruse, kuid alla valguse kiiruse, pühkides minema kõik, mis teele jääb: hävitades hooneid, juurides välja puid, lükates ümber autosid.
Paralleelselt sellega on piirkond kiirgusega saastunud. Inimesed haigestuvad kiiritushaigusesse, nemad ja nende järeltulijad suurendavad onkoloogiliste haiguste kasvu. Taimed ja loomad muteeruvad. Põllumajanduspõllud muutuvad kasutuskõlbmatuks.
5. Kas tuumapresidentidel on tõesti punane nupp?
Ma ei tea seda. Ma arvan, et see on kujundlik pealkiri. Lennukis on näiteks seadmed, millele salvestatakse lennuparameetrid ja pilootide vestlused. Neid nimetatakse mustadeks kastideks, kuigi tegelikult on need oranžiks värvitud. Sama kehtib ka siin - on ebatõenäoline, et "punane nupp" kirjeldab füüsilist kehastust.
Kuid tõsiasi, et on olemas strateegilised tuumarelvad, mis on valmisolekus ja suhteliselt öeldes iga hetk kasutusvalmis, on tõsi. Seda saab kasutada siis, kui on otsene oht riigile – näiteks tuumalöögist kuni tulnukate rünnakuni. Sel juhul annab riigi esimene isik, president, isikliku korralduse selle käivitamiseks.
Lisaks on taktikalisi tuumarelvi, mis ei ole ette valmistatud otseseks kasutamiseks. Seda hoitakse väeosades „koivarrega“ olekus.
6. Kas tuumarelvadel on aegumiskuupäev?
Tuumapommides kasutatakse ebastabiilset radioaktiivset ainet, mis läbib loomuliku lagunemisprotsessi. Selle tõttu muutuvad tuumapommide aktiivsed omadused aja jooksul aina väiksemaks. Kuid konto ei lähe mitte aastateks, vaid kümneteks tuhandeteks aastateks.
Näiteks plutoonium-239 poolestusaeg on 24 000 aastat ja uraan-235 oma 700 000 000 aastat. Mida see tähendab? See tähendab, et alles selle aja möödudes muutub pommis sisalduv toimeaine poole vähem. See tähendab, et sadade aastate silmapiiril jääb tuumapomm ohtlikuks.
Kuid lisaks sellele on pommis täiendavaid elemente, millest igaühel on oma aegumiskuupäev. Ka need elemendid vananevad. Näiteks võivad levinumad lõhkekehad muutuda niiskeks, elektroonika kasutuskõlbmatuks. Seetõttu sõltub iga konkreetse pommi säilivusaeg selle disainist.
7. Kas aatomipomm võib iseenesest plahvatada?
Äärmiselt ebatõenäoline. Tuuma- või termotuumapommi plahvatus on protsess, mille käigus võib midagi kergesti valesti minna. Kui näiteks pomm kukub kogemata lennukist kõnniteele, siis võib selles midagi liikuda, klõpsida, plahvatuse käivitamise protsess algab, kuid tõenäoliselt ei saa see täielikult lõpule ega vii hiiglaseni energia vabanemine. Tuleb lihtsalt väike "zilch".
Näiteks 1966. aastal, külma sõja ajal, viisid USA õhujõud läbi operatsiooni Chrome Dome. Mitu pommitajat, mille pardal olid aatomipommid, olid pidevalt õhus ja olid iga hetk valmis NSV Liitu ründama.
Selle operatsiooni käigus juhtus mitu õnnetust. Kord kukkus nende luugist välja aatomipomm ja selle killud kukkusid Hispaanias asuvale Palomarese külale. Süttis tulekahju, kuid õnneks plahvatust ei toimunud ja keegi elanikest viga ei saanud. Samuti kukkus merre pomm, mis saadi tuukrite kaasamisel välja. Kõik need juhtumid ei viinud hoolimata muudest negatiivsetest tagajärgedest tuumapommi aktiveerimiseni.
8. Kas tuumarelvi saab osta?
Tuumarelvi on peaaegu võimatu hankida või toota – see on raske, kallis ja ebaseaduslik.
1968. aastal kirjutas enamik tol ajal eksisteerinud riike alla tuumarelvade leviku tõkestamise lepingule. See piirab selliste relvade tootmist ja müüki. Nüüd aga kahtlustatakse mõnda riiki selle rikkumises. Näiteks on tulnud teateid, et Iraan soovib ühineda tuumariikide klubiga. Väidetavalt on selle territooriumil käimas aatomipommi väljatöötamine.
Kindlalt võib öelda, et eraettevõtted vaevalt suudavad tuumarelvi arendada. Enamasti on need riiklikud projektid, mis on saadaval ainult suure majandusega riikidele. Tõepoolest, nullist aatomipommi loomiseks peate esmalt maaki rikastama, nii et soovitud isotoop saadakse tavalisest uraanist. Lisaks on vaja väga täpseid instrumente lõhkeainete olemasolu mõõtmiseks relvades.
Lisaks jälgib radioaktiivsete elementide ringlust spetsiaalne "radioaktiivne politsei". Kiirgus jätab ju alati jälgi. Seetõttu on vaevalt võimalik veenduda, et märkamatult kandub kuhugi suur hulk radioaktiivset materjali.
9. Mille poolest erineb plahvatus tuumajaamas aatomipommi plahvatusest?
Tuumapommi plahvatamisel toimub ahelreaktsioon ja aatomi tuumas salvestatud energia vabaneb. Ja tuumaelektrijaama avarii korral tekib radioaktiivse ainega tuumareaktoris suur rõhk, mis viib rebenemiseni. Kujutage ette, et keedate kondenspiima: kui keedate purki, siis see plahvatab.
Jah, mõlemal juhul toimub piirkonna radioaktiivne saastumine, kuid selle ulatus võib erineda. Näiteks Hiroshima ja Nagasaki asustati uuesti alles paar aastat pärast pommitamist. Kuid Tšernobõli tuumaelektrijaama ümbruses on keelutsoon endiselt säilinud, kuigi õnnetus juhtus kaua aega tagasi - 1986. aastal. Miks?
Esiteks on tõsiasi, et Jaapanis plahvatas aatomipomm mitmesaja meetri kõrgusel maapinnast, nii et kiirgus "ilmastus" kiiremini. Tšernobõli reaktor plahvatas maapinnal, muutes pinnase paljudeks aastateks radioaktiivseks. Alles hiljuti on nad hakanud kohtama metsloomi ja taimi ilma mutatsioonimärkideta.
Teiseks sisaldas "Kid" pomm ainult umbes 65 kg uraani, samas kui "Fat Man" sisaldas umbes 6 kg plutooniumi. Tšernobõli reaktor vabastas 180 tonni tuumakütust. See tähendab, et õnnetuse käigus paiskus atmosfääri suurusjärgu võrra rohkem kahjulikke aineid.
10. Mitu aatomipommi on vaja maa hävitamiseks? Mis juhtub, kui puhkeb tuumasõda?
Maailma tuumaarsenalis on praegu umbes 13 000 tuumalõhkepead. Sellest reservist ei piisa näiteks Maa orbiidilt välja viimiseks ja seeläbi võimaliku elu hävitamiseks sellel.
Kui aga puhkeb tuumasõda, kannatab suurem osa maailma elanikkonnast. Kui võtta arvesse, et iga viies inimene elab miljonilinnas, siis nende vastu suunatud streigid toovad kaasa inimkonna olulise vähenemise.
Seejärel algavad üle kogu Maa tulekahjud, mis mõjutavad kliimat. Seega seisavad ellujääjad silmitsi tohutu põua, happevihmade ja näljahädaga.