Фізика ядерного вибуху

3D Simulations

⚛️ Ядерна фізика · Історія науки

📅 Березень 2026⏱ 12 хв🟠 Просунутий · Останнє оновлення: 28 травня 2026 р.

Фізика ядерного вибуху

Ядерний вибух вивільняє енергію, що зв'язує атомні ядра — за час у мікросекунди, в об'ємі, спочатку меншому за грейпфрут. Ця фізика охоплює квантову механіку, перенесення нейтронів, радіаційну гідродинаміку та фізику плазми, і чітке її розуміння є важливим для осягнення як історичної події, так і наукових принципів, що лежать в основі ядерного стримування та нерозповсюдження.

Автор: Команда MySimulator · Редакційна перевірка: Редакція MySimulator

1. Ядерний поділ і ланцюгова реакція

Ядерний поділ: ²³⁵U + n \to [²³⁶U]* \to ⁹²Kr + ¹⁴¹Ba + 3n + ~200 МеВ (на поділ) (або багато інших пар уламків поділу) Вивільнена енергія: Дефект маси: Δm = m(²³⁵U) + m(n) - m(Kr) - m(Ba) - 3m(n) Δm \approx 0.00085 а.о.м. на поділ E = Δm\cdotc² \approx 0.00085 \times 931.5 МеВ/а.о.м. \approx 200 МеВ на поділ Порівняння: ТНТ \approx 1 ккал/моль \to ~0.04 еВ на молекулу Відношення: 200 МеВ / 0.04 еВ \approx 5\times10⁹ \to ядерна енергія ~у 5 млрд\times хімічної 1 кг ²³⁵U, повністю поділеного: N = (1000 г)/(235 г/моль) \times 6.022\times10²³ = 2.56\times10²⁴ поділів E = 2.56\times10²⁴ \times 200\times10⁶ \times 1.6\times10⁻¹⁹ Дж = 8.2\times10¹³ Дж \approx 20 кТ ТНТ Ланцюгова реакція: Кожен поділ вивільняє 2-3 нейтрони. Ці нейтрони можуть спричиняти подальші поділи. Спектр швидких нейтронів (без уповільнення): ²³⁵U поділяється швидкими нейтронами. Коефіцієнт розмноження k: k = (вироблені нейтрони) / (поглинені або втрачені нейтрони) k < 1: підкритичний — ланцюг затухає k = 1: критичний — підтримувана реакція (реактор) k > 1: надкритичний — експоненційне зростання У зброї: k >> 1 (надкритичний) \to експоненційне зростання за наносекунди

2. Критична маса

Критична маса — мінімальна маса для самопідтримуваної ланцюгової реакції: Середня довжина вільного пробігу нейтрона в ²³⁵U: λ = 1/(n\cdotσ_f), де σ_f = переріз поділу (барни) Для швидких нейтронів: σ_f \approx 1.2 барн = 1.2\times10⁻²⁴ см² n(U235) = ρ\cdotN_A/A = 18.7 г/см³ \times 6.022\times10²³ / 235 = 4.79\times10²² атомів/см³ λ \approx 1/(4.79\times10²² \times 1.2\times10⁻²⁴) \approx 17 см (груба оцінка) Для сфери радіуса R: Імовірність витоку \propto R² (поверхня) Поглинання \propto R³ (об'єм) Критичність, коли геометрія врівноважує витік і поглинання Чиста сфера ²³⁵U: m_c \approx 52 кг (гола сфера, нестиснена) Чиста сфера ²³⁹Pu: m_c \approx 10 кг (менша — вищий σ_f) Ефект тампера: оточення подільного матеріалу ²³⁸U або берилієм відбиває нейтрони назад \to зменшує критичну масу у ~3-4 рази Імплозійне стиснення: подвоєння густини \to зменшує критичну масу у ~4 рази \to Fat Man використав лише ~6 кг Pu (тампер + імплозія разом)

3. Конструкції зброї: гарматна проти імплозійної

Гарматного типу (Little Boy, Хіросіма, 6 серпня 1945): підкритична маса ²³⁵U (збагаченого до ~80%) вистрілюється через циліндр у іншу підкритичну частину. Зібрана разом, сумарна маса перевищує критичну. Проста, надійна — але потребує ~50 кг ²³⁵U (неефективно). Не може використовуватися з ²³⁹Pu (проблема передчасного підриву — домішка ²⁴⁰Pu спричиняє завчасну ланцюгову реакцію під час складання). Потужність: 15 кТ.
Імплозійна конструкція (Fat Man, Нагасакі, 9 серпня 1945; Trinity, 16 липня 1945): підкритична сфера ²³⁹Pu оточена фігурними лінзами з вибухівки. Одночасний підрив з усіх боків породжує сферично-симетричну збіжну ударну хвилю, що стискає ядро з Pu до ~2-3× нормальної густини. Це знижує критичну масу нижче зібраної кількості → надкритичність. Полоній-берилієвий ініціатор («їжачок») у центрі вивільняє нейтронний імпульс точно в момент максимального стиснення. Технічний виклик одночасного підриву (з точністю до мікросекунд) вимагав масштабних випробувань — звідси Trinity. Потужність: 21 кТ (Fat Man).

4. Потужність і Trinity

Потужність (W): 1 кТ ТНТ = 4.184\times10¹² Дж 1 МТ ТНТ = 4.184\times10¹⁵ Дж Історичні потужності: Trinity (перше випробування), 16 липня 1945: ~21 кТ Little Boy (Хіросіма): ~15 кТ Fat Man (Нагасакі): ~21 кТ «Цар-бомба» (СРСР, 1961): ~50 МТ (найбільший підірваний) Сучасна термоядерна боєголовка (W88): ~475 кТ Ефективність поділу («частка вигоряння»): Ідеал (повний поділ 6 кг Pu): еквівалент ~500 кТ Потужність Fat Man: ~21 кТ \to частка вигоряння ~4% Сучасні конструкції: ефективність 15-30% Спостереження на Trinity (оцінка Фермі): Фермі кидав клаптики паперу під час проходження ударної хвилі. Виміряне зміщення: ~2.5 м на відстані 10 км від підриву Використав формулу зміщення від тиску вибуху \to оцінив ~10 кТ Офіційна оцінка (прилади): 21 кТ Швидка усна оцінка Фермі відрізнялася не більше ніж удвічі — знаменитий приклад фізичної оцінки за порядком величини («оцінка Фермі»)

Термоядерні (водневі) бомби: первинна ступінь поділу стискає й нагріває вторинну ступінь, що містить дейтерид літію-6. Вибух поділу породжує рентгенівські промені, які абляційно стискають оболонку вторинної ступені → імплозія → температура ~10⁸ K → реакції синтезу дейтерію-тритію (D + T → ⁴He + n + 17.6 МеВ). Нейтрони синтезу також спричиняють поділ ²³⁸U-тампера → більшість потужності насправді походить від поділу, а не синтезу. Конструкція Теллера-Улама (1951) уможливила мегатонні потужності в компактній формі. Усі стратегічні ядерні боєголовки є термоядерними.

5. Фази вибуху: що відбувається

Після підриву ядерний вибух проходить через окремі фази, керовані різною фізикою:

t = 0–50 нс (Ланцюгова реакція): поділ протікає експоненційно. Близько 80 поколінь від початкового нейтрона до повної потужності. Температура зростає до ~10⁸ K, густина — до ~10⁷ кг/м³. Бомба розпадається раніше, ніж устигає поділитися весь матеріал.
t = 50 нс–1 мс (Вогняна куля / рентгенівська фаза): матеріал зброї — повністю випарувана плазма, що випромінює інтенсивні рентгенівські та γ-промені. Довжина вільного пробігу рентгенівських променів коротка → вони поглинаються в довколишньому повітрі → повітря перегрівається й перевипромінює. Радіус вогняної кулі зростає до ~100 м для вибуху 1 МТ за ~1 мс. Ударна хвиля відокремлюється від світної вогняної кулі.
t = 1 мс–10 с (Ударна хвиля): надзвукова ударна хвиля поширюється назовні. Надлишковий тиск (+ΔP понад атмосферний) руйнує споруди. Надлишковий тиск 5 psi руйнує більшість житлових будівель. Далі настає фаза від'ємного тиску (розрідження), що створює зворотний вітер.
t = 10 с–кілька хвилин (Теплова фаза): вогняна куля піднімається як плавучий шлейф. Температура поверхні ~8000 K → інтенсивне теплове випромінювання. Становить ~35% загальної потужності. Може спричиняти миттєві опіки на відстані десятків км за мегатонних потужностей.
Радіоактивні опади: уламки зброї, ґрунт (за наземного вибуху) та продукти поділу підіймаються в грибоподібну хмару. Випадання з дощем та опади осаджують радіоактивний матеріал за вітром. ⁹⁰Sr та ¹³⁷Cs (періоди напіврозпаду 29 і 30 років) — головні довгострокові загрози.

6. Закони масштабування та ефекти

Закон масштабування за кубічним коренем (Glasstone «Effects of Nuclear Weapons»): R = R_1 \cdot (W/W_1)^(1/3) Де R = радіус заданого ефекту, W = потужність зброї, W_1 = еталонна потужність. Приклад: радіус 1 psi (помірні пошкодження споруд) для вибуху 1 кТ: ~1.3 км Для 1 МТ (у 1000\times потужніше): R = 1.3 км \times (1000)^(1/3) = 1.3 \times 10 = 13 км \to радіус 1 psi Теплові ефекти (R_thermal \propto W^(1/2) приблизно, залежить від видимості): Для опіків 3-го ступеня за ясної погоди: 1 кТ: ~0.5 км 1 МТ: ~12 км (\times\sqrt1000 \approx 32\times, але атмосферне поглинання обмежує великі потужності) Смертельне іонізуюче випромінювання від миттєвих гамма/нейтронів: Суттєве лише в межах ~1-2 км навіть для великої зброї (на більших відстанях домінують ударна хвиля/тепло) ЕМІ (Електромагнітний імпульс): Високовисотний вибух (>40 км): комптонівські електрони від гамма-променів спіралять у магнітному полі Землі \to поле супер-ЕМІ до 50 кВ/м над усією зоною прямої видимості (1000+ км для висоти 400 км) Пошкоджує незахищену електроніку в континентальному масштабі

7. Історична спадщина та нерозповсюдження

Манхеттенський проєкт (1942–1946): ~130 000 людей, $2 мільярди (~$30 мільярдів сьогодні). Паралельні заводи в Оук-Ріджі (збагачення ²³⁵U), Генфорді (виробництво ²³⁹Pu), Лос-Аламосі (конструкція зброї, Оппенгеймер). Перша демонстрація великомасштабної інженерії ядерної науки.
Ядерні випробування: загалом 2056 ядерних випробувань (1945–1998). Понад 500 атмосферних випробувань до Договору про часткову заборону випробувань 1963 року. Довгострокове підвищення ¹⁴C, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs у глобальному довкіллі. ДВЗЯВ (Договір про всеосяжну заборону ядерних випробувань, 1996): не ратифікований США, Китаєм. Мораторій на випробування широко дотримується.
Стримування та розповсюдження: наразі ядерну зброю мають 9 країн (~12 500 боєголовок загалом, 2023). Договір про нерозповсюдження (ДНЯЗ, 1968): 191 держава-учасниця. Виклик: Північна Корея випробовувала зброю 2006–2017. Програма збагачення Ірану. Система гарантій МАГАТЕ є формальним механізмом перевірки.
Гуманітарний вплив: Хіросіма + Нагасакі: 109 000–226 000 загиблих до кінця 1945 року. Хібакуся (ті, що вижили) несли радіологічні та психологічні наслідки впродовж поколінь. Міжнародна кампанія за ліквідацію ядерної зброї (ICAN) — Нобелівська премія миру 2017 — виступає за Договір про заборону ядерної зброї (ДЗЯЗ, 2021).