Уранова бомба та бомба з "неземного" матеріалу. Яскравіше Сонця: Атомна бомба Атомна бомба вага

У багатьох наших читачів воднева бомба асоціюється з атомною, але набагато потужнішою. Насправді це принципово нова зброя, що зажадала свого створення незрівнянно великих інтелектуальних зусиль і що працює на принципово інших фізичних принципах.

Єдине, що ріднить атомну і водневу бомбу, то це те, що обидві вивільняють колосальну енергію, приховану в атомному ядрі. Зробити це можна двома шляхами: розділити важкі ядра, наприклад, урану або плутонію, на легші (реакція поділу) або змусити злитися найлегші ізотопи водню (реакція синтезу). В результаті обох реакцій маса матеріалу, що вийшов, завжди менше маси вихідних атомів. Але маса неспроможна зникнути безслідно - вона перетворюється на енергію за відомою формулою Ейнштейна E=mc 2 .

Для створення атомної бомби необхідною і достатньою умовою є отримання матеріалу, що ділиться в достатній кількості. Робота досить трудомістка, але малоінтелектуальна, що лежить ближче до гірничорудної промисловості, ніж високої науки. Основні ресурси при створенні такої зброї йдуть на будівництво гігантських уранових копалень і збагачувальних комбінатів. Свідченням простоти пристрою є той факт, що між отриманням необхідного для першої бомби плутонію та першим радянським ядерним вибухом не минуло й місяця.

Нагадаємо коротко принцип роботи такої бомби, відомий із курсу шкільної фізики. В її основі лежить властивість урану та деяких трансуранових елементів, наприклад, плутонію, при розпаді виділяти більше одного нейтрону. Ці елементи можуть розпадатися як мимовільно, і під впливом інших нейтронів.

Нейтрон, що вивільнився, може залишити радіоактивний матеріал, а може і зіткнутися з іншим атомом, викликавши чергову реакцію поділу. При перевищенні певної концентрації речовини (критичної масі) кількість новонароджених нейтронів, що викликають подальший поділ атомного ядра, починає перевищувати кількість ядер, що розпадаються. Кількість атомів, що розпадаються, починає зростати лавиноподібно, народжуючи нові нейтрони, тобто відбувається ланцюгова реакція. Для урану-235 критична маса становить близько 50 кг, для плутонію-239 – 5,6 кг. Тобто кулька плутонію масою трохи менше 5,6 кг є просто теплим шматком металу, а масою трохи більше існує всього кілька наносекунд.

Власне схема роботи бомби проста: беремо дві півсфери урану або плутонію, кожна трохи менше критичної маси, розташовуємо їх на відстані 45 см, обкладаємо вибухівкою та вибухаємо. Уран або плутоній спікається у шматок надкритичної маси, і починається ядерна реакція. Усе. Існує інший спосіб запустити ядерну реакцію – обжати потужним вибухом шматок плутонію: відстань між атомами зменшиться, і реакція почнеться за меншої критичної маси. На цьому принципі працюють усі сучасні атомні детонатори.

Проблеми атомної бомби починаються з того моменту, коли хочемо наростити потужність вибуху. Простим збільшенням матеріалу, що ділиться, не обійтися - як тільки його маса досягає критичної, він детонує. Вигадувалися різні хитромудрі схеми, наприклад, робити бомбу не з двох частин, а з множини, чому бомба починала нагадувати розпорошений апельсин, а потім одним вибухом збирати її в один шматок, але все одно при потужності понад 100 кілотон проблеми ставали непереборними.

А ось пальне для термоядерного синтезу критичної маси не має. Ось Сонце, наповнене термоядерним паливом, висить над головою, усередині його вже мільярд років триває термоядерна реакція, - і нічого, не вибухає. До того ж при реакції синтезу, наприклад, дейтерію і тритію (важкого та надважкого ізотопу водню) енергії виділяється в 4,2 рази більше, ніж при згорянні такої ж маси урану-235.

Виготовлення атомної бомби було скоріше експериментальним, ніж теоретичним процесом. Створення водневої бомби зажадало появи абсолютно нових фізичних дисциплін: фізики високотемпературної плазми і надвисоких тисків. Перш ніж починати конструювати бомбу, треба було досконально розібратися у природі явищ, що відбуваються лише у ядрі зірок. Ніякі експерименти тут допомогти не могли - інструментами дослідників були лише теоретична фізика та вища математика. Невипадково гігантська роль розробці термоядерного зброї належить саме математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому тощо.

Класичний супер

До кінця 1945 Едвард Теллер запропонував першу конструкцію водневої бомби, що отримала назву «класичний супер». Для створення жахливого тиску і температури, необхідні початку реакції синтезу, передбачалося використовувати звичайну атомну бомбу. Сам «класичний супер» був довгим циліндром, наповненим дейтерієм. Передбачалася також проміжна «запальна» камера з дейтерієвотрітієвою сумішшю - реакція синтезу дейтерію і тритію починається при нижчому тиску. За аналогією з багаттям, дейтерій мав відігравати роль дров, суміш дейтерію з тритієм – склянки бензину, а атомна бомба – сірники. Така схема дістала назву «труба» - своєрідна сигара з атомною запальничкою з одного кінця. За такою ж схемою почали розробляти водневу бомбу та радянські фізики.

Однак математик Станіслав Улам на звичайній логарифмічній лінійці довів Теллеру, що виникнення реакції синтезу чистого дейтерію в «супері» навряд чи можливе, а для суміші знадобилася б така кількість тритію, що для його напрацювання потрібно було б практично заморозити виробництво збройового плутонію в США.

Шар з цукром

В середині 1946 Теллер запропонував чергову схему водневої бомби - «будильник». Вона складалася з сферичних шарів урану, дейтерію і тритію. При ядерному вибуху центрального заряду плутонію створювалося необхідне тиск і температура початку термоядерної реакції інших шарах бомби. Однак для «будильника» був потрібний атомний ініціатор великої потужності, а США (як, втім, і СРСР) мали проблеми з напрацюванням збройового урану і плутонію.

Восени 1948 до аналогічної схеми прийшов і Андрій Сахаров. У Радянському Союзі конструкція одержала назву «слойка». Для СРСР, який не встигав у достатній кількості напрацьовувати збройовий уран-235 та плутоній-239, цукорівська слойка була панацеєю. І ось чому.

У звичайній атомній бомбі природний уран-238 не тільки марний (енергії нейтронів при розпаді не вистачає для ініціації поділу), а й шкідливий, оскільки жадібно поглинає вторинні нейтрони, уповільнюючи ланцюгову реакцію. Тому збройовий уран на 90% складається із ізотопу уран-235. Однак нейтрони, що з'являються в результаті термоядерного синтезу, в 10 разів більш енергетичні, ніж нейтрони поділу, і природний уран-238, що опромінений такими нейтронами, починає чудово ділитися. Нова бомба дозволяла використовувати як вибухівку уран-238, який раніше розглядався як відходи виробництва.

Родзинкою цукорівської «шару» було також застосування замість гостродефіцитного тритію білої легкої кристалічної речовини – дейтриду літію 6 LiD.

Як згадувалося вище, суміш дейтерію та тритію підпалюється набагато легше, ніж чистий дейтерій. Однак на цьому переваги тритію закінчуються, а залишаються одні недоліки: у нормальному стані тритій - газ, через що виникають труднощі із зберіганням; тритій радіоактивний і, розпадаючись, перетворюється на стабільний гелій-3, що активно пожирає такі необхідні швидкі нейтрони, що обмежує термін придатності бомби кількома місяцями.

Нерадіоактивний дейтрид літію при опроміненні його повільними нейтронами поділу - наслідками вибуху атомного запалу - перетворюється на тритій. Таким чином, випромінювання первинного атомного вибуху за мить виробляє достатню для подальшої термоядерної реакції кількість тритію, а дейтерій в дейтриде літію є спочатку.

Саме така бомба, РДС-6с, і була успішно випробувана 12 серпня 1953 року на вежі Семипалатинського полігону. Потужність вибуху склала 400 кілотонн, і досі не припинилися суперечки, чи це справжній термоядерний вибух або надпотужний атомний. Адже реакцію термоядерного синтезу в сахаровской слойке довелося трохи більше 20% сумарної потужності заряду. Основний внесок у вибух зробила реакція розпаду опроміненого швидкими нейтронами урану-238, завдяки якому РДС-6с і відкрила епоху про «брудних» бомб.

Справа в тому, що основне радіоактивне забруднення дають якраз продукти розпаду (зокрема, стронцій-90 і цезій-137). Фактично, сахаровская «слойка» була гігантської атомної бомбою, лише трохи посиленої термоядерної реакцією. Не випадково лише один вибух «слойки» дав 82% стронцію-90 та 75% цезію-137, які потрапили в атмосферу за всю історію існування Семипалатинського полігону.

Американ бомб

Проте першими водневу бомбу підірвали саме американці. 1 листопада 1952 року на атоле Елугелаб у Тихому океані було успішно випробувано термоядерний пристрій «Майк» потужністю 10 мегатонн. Назвати бомбою 74-тонний американський пристрій можна з великими труднощами. «Майк» був громіздким пристроєм розміром з двоповерховий будинок, заповнений рідким дейтерієм при температурі, близької до абсолютного нуля (сахарівська «слойка» була цілком транспортабельним виробом). Проте родзинкою «Майка» були не розміри, а геніальний принцип обтиснення термоядерної вибухівки.

Нагадаємо, що основна ідея водневої бомби полягає у створенні умов для синтезу (надвисокого тиску та температури) за допомогою ядерного вибуху. У схемі «шарка» ядерний заряд розташований у центрі, і тому він не стільки стискає дейтерій, скільки розкидає його назовні – збільшення кількості термоядерної вибухівки не призводить до збільшення потужності – вона просто не встигає детонувати. Саме цим і обмежена гранична потужність даної схеми – найпотужніша у світі «шаровка» Orange Herald, підірвана англійцями 31 травня 1957 року, дала лише 720 кілотонн.

Ідеально було б, якби змусити вибухати атомний запал усередину, стискаючи термоядерну вибухівку. Але як це зробити? Едвард Теллер висунув геніальну ідею: стискати термоядерне пальне не механічною енергією та нейтронним потоком, а випромінюванням первинного атомного запалу.

У новій конструкції Теллера атомний вузол, що ініціює, був рознесений з термоядерним блоком. Рентгенівське випромінювання при спрацьовуванні атомного заряду випереджало ударну хвилю і поширювалося вздовж стінок циліндричного корпусу, випаровуючи і перетворюючи на плазму поліетиленове внутрішнє облицювання корпусу бомби. Плазма, у свою чергу, перевипромінювала м'якше рентгенівське випромінювання, яке поглиналося зовнішніми шарами внутрішнього циліндра з урану-238 – «пушера». Шари починали вибухоподібно випаровуватись (це явище називають абляція). Розпечену уранову плазму можна порівняти зі струменями надпотужного ракетного двигуна, тяга якого спрямована всередину циліндра з дейтерієм. Урановий циліндр плескався, тиск і температура дейтерію досягала критичного рівня. Це ж тиск обтискав центральну плутонію до критичної маси, і вона детонувала. Вибух плутонієвого запалу тиснув на дейтерій зсередини, додатково стискаючи та нагріваючи термоядерну вибухівку, яка детонувала. Інтенсивний потік нейтронів розщеплює ядра урану-238 у «пушері», викликаючи вторинну реакцію розпаду. Все це встигало статися до того моменту, коли вибухова хвиля від первинного ядерного вибуху сягала термоядерного блоку. Розрахунок всіх цих подій, що відбуваються за мільярдні частки секунди, і зажадав напруги розуму найсильніших математиків планети. Творці «Майка» відчували від 10-мегатонного вибуху не жах, а невимовний захват - їм вдалося не тільки розібратися в процесах, які в реальному світі йдуть тільки в ядрах зірок, а й експериментально перевірити свої теорії, влаштувавши свою невелику зірку на Землі.

Браво

Обійшовши росіян за красою конструкції, американці не змогли зробити свій пристрій компактним: вони використовували рідкий переохолоджений дейтерій замість порошкоподібного літрію дейтриду у Сахарова. У Лос-Аламосі на цукроварську «шару» реагували з часткою заздрощів: «замість величезної корови з відром сирого молока росіяни використовують пакет сухого молока». Проте приховати секрети одна від одної обом сторонам не вдалося. Першого березня 1954 року в атола Бікіні американці випробували 15-мегатонну бомбу «Браво» на дейтриді літію, а 22 листопада 1955 року над семипалатинським полігоном рвонула перша радянська двоступінчаста термоядерна бомба РДС-37 потужністю 1,7 мега З того часу конструкція термоядерної бомби зазнала незначних змін (наприклад, з'явився урановий екран між ініціюючою бомбою та основним зарядом) і стала канонічною. А у світі не залишилося більше таких масштабних загадок природи, розгадати які можна було б настільки ефектним експериментом. Хіба що народження наднової зірки.

Багато уранових родовищ містять багаті запаси урану. Чому ж він не вибухнув, а досі зберігається в землі, і чи є небезпека такого вибуху?

Згадаймо, що природний уран складається головним чином з урану 238 і лише Уіо частка його посідає уран 235. Поведінка цих двох сортів атомів урану при обстрілі їх нейтронами дуже різна. Ядра атомів урану 238 діляться лише дуже швидкими нейтронами, що мають значну енергію. Ядра атомів урану 235 діляться не тільки швидким, але і скільки завгодно повільними нейтронами, і тим краще, чим менше швидкість налітають на них нейтронів). Нейтрони, що виникають внаслідок мимовільного розподілу в природному урані, виявляються зазвичай не в змозі розділити ядра урану 238. Поглинання нейтронів ядрами урану 238 не призводить до поділу. Тому «ядерним пальним», придатним створення ланцюгової реакції, є лише уран 235. Зустріч же нейтронів з ядрами урану 235 відбувається надзвичайно рідко, унаслідок чого у природному урані за звичайних умовах ланцюгової процес немає. Таким чином, природний уран, що в основному складається з урану 238, не є ядерним пальним і жодної небезпеки вибуху не становить.

Для створення атомних бомб, здатних виробляти атомні вибухи, необхідно отримувати значну кількість чистого урану 235, відокремлюючи його від урану 238. Відмінність у масах урану 238 і 235 невелика (близько 1 %). Тому поділ ізотопів урану виявляється винятково складною та дорогою операцією.

Подивимося тепер, як влаштовано атомну бомбу.

Якщо взяти шматочок урану 235 вагою в 1 грам - це буде кубик з ребром в 3,7 міліметра, то такий шматочок ніколи не вибухне. Чому? Припустимо, що у центрі
шматочка урану стався мимовільний розпад одного ядра урану і виникли 3 швидкі нейтрони. Рухаючись у невеликій товщі урану, вони зазвичай не зустрічають на своєму шляху нових ядер, а вилітають за межі уранового кубика. Тому в такому шматочку урану ланцюговий процес розвинутися не може.

Для того, щоб зробити вибух, треба мати значно більше чистого урану 235. Кількість урану 235, в якому ланцюговий процес розподілу атомних ядер призводить до вибуху, зазвичай називають критичною масою. Якщо маса наявного шматка урану 235 менша за критичну, вибуху ніколи не буде. Якщо ж маса шматка дорівнює критичній або більше за неї - вибух відбувається негайно. Критична маса урану 235 становить близько кілограма.

Кількість урану, необхідне для атомного вибуху, можна зменшити, змусивши частину нейтронів, що виходять з нього, повернутися назад в уран. Цього можна досягти, оточуючи шматок урану шаром легкого металу берилію. Зіткнувшись з ядрами берилію, нейтрони здебільшого відскакують від них і повертаються в уран.

Для того, щоб бомба вибухала в потрібний момент часу, в неї закладають не один, а два шматки урану 235. Маса кожного з них дещо менша за критичну. Доки обидва шматки відділені один від одного, жодної небезпеки вибуху немає. Щоб зробити вибух, треба дуже швидко з'єднати обидва шматки урану в один. При цьому вийде шматок з масою, більшою за критичну, і відразу ж відбудеться вибух.

На рис. 17 показана зразкова схема атомної бомби. Бомба є металевою посудиною з дуже міцною оболонкою. У нижній частині знаходиться один шматок урану 235, у верхній - інший. Кожен із шматків урану 235 укладений у спеціальну оболонку з берилію, яка перешкоджає вильоту нейтронів з урану і відображає їх назад у глибину шматка. Це дозволяє
повніше використовувати нейтрони, що у процесі поділу. Для швидкого з'єднання обох шматків у верхній частині бомби розташований заряд звичайної вибухової речовини (тротилу) і встановлений спеціальний підривник. У потрібний момент часу підривник запалює тротиловий заряд. Відбувається постріл одним шматком урану інакше - сила вибуху заряду тисне на верхній шматок урану, змушуючи його миттєво з'єднатися з нижнім. Негайно виникає атомний вибух.

У ході створення атомної зброї в рамках манхеттенського проекту одночасно велися роботи зі створення двох ядерних бомб – уранової та плутонієвої.

Після проведення випробування першого ядерного заряду "Gadget" (прототипу плутонієвої бомби "Товстун" - FatMan) наступним, готовим до застосування був урановий "Малюк" (LittleBoy). Саме він і виявився скинутим на Хіросіму 6 серпня 1945 року. Виготовлення ще одного "Малюка" зажадало б місяців накопичення урану, тому другою скинутою бомбою став "Товстун", зібраний на острові Тініан незадовго до свого використання.

Початкове складання Fat man'а відбувалося на базі ВМФ Солтвеллс, Каліфорнія. б бути нанесений по Кокурі (Kokura), через кілька днів після першої атаки, проте через погодні умови бомбардування зазнало міста Нагасакі.

Уранові атомна бомба Little Boy.
Урановий заряд у бомбі складається з двох частин: мішені та снаряда. Снаряд діаметром 10 і довжиною 16 сантиметрів є набором з шести уранових кілець. У ньому міститься близько 25.6 кг – 40% всього урану. Кільця в снаряді підтримуються диском з вольфраму карбіду і сталевими пластинами і знаходяться всередині сталевого корпусу. Мета має масу 38.46 кг і зроблена у формі порожнього циліндра діаметром 16 см і довжиною 16 см. Конструктивно вона виконана у вигляді двох окремих половинок. Мета вмонтована у корпус, який служить відбивачем нейтронів. У принципі, використане в бомбі кількість урану дає критичну масу і без відбивача, проте його наявність, як і виготовлення снаряда з більш збагаченого урану (89% U-235) ніж мета(~80% U-235), дозволяє збільшити потужність заряду.

Процес збагачення урану відбувався у 3 етапи. Спочатку на термодифузійної установки відбувалося збагачення природної руди (0.72% урану) до 1-1.5%. Далі йшли газова дифузійна установка та остання стадія - електромагнітний сепаратор, на якому вже проводилося поділ ізотопів урану. Для виробництва "малюка" знадобилося 64 кг збагаченого урану, що становить ~2.5 критичні маси. До літа 1945 року було накопичено близько 50 кг 89%-ного U-235 і 14 кг 50%-ного. У результаті загальна концентрація склала ~80%. Якщо порівняти ці показники з плутонієвим ядром, маса Pu-239 в якому склала всього ~6 кілограмів, що містять у собі приблизно 5 критичних мас, стає видно головний недолік уранового проекту: труднощі забезпечення високої надкритичності речовини, що ділиться, внаслідок чого низьку ефективність зброї.

Для запобігання випадковому виникнення ланцюгової реакції в мішені міститься борова заглушка, а снаряд вкладений у борову оболонку. Бор є хорошим поглиначем нейтронів, таким чином збільшується безпека під час перевезення та зберігання спорядженого боєприпасу. Коли снаряд досягає мети, його оболонка відлітає, а заглушка в мішені викидається із неї.

Зібрана оболонка бомби складається з корпусу з карбіду вольфраму (службовцем відбивачем нейтронів), оточеного сталевою сорочкою діаметром приблизно 60 см. Загальна маса такої конструкції - близько 2.3 т. У просвердленому в сорочці отвір встановлений карбідний корпус, який вмонтована мішень. У днищі цього отвору можуть бути один або кілька берилієво-полонієвих ініціаторів. Стовбур, яким переміщається урановий снаряд міцно кріпиться на різьбленні до сталевого корпусу мішені, запозичений він від 75-мм зенітної зброї і розточений за розміром снаряда до 100 мм. Довжина ствола становить приблизно 2 м, маса – 450 кг, а казенної частини – 34 кг. Як метальна вибухова речовина використовується бездимний порох. Швидкість руху снаряда в стовбурі досягає близько 300 м/с, для приведення його в рух потрібна дія сили не менше ніж 300 кН.

Little Boy був надзвичайно небезпечним у зберіганні та транспортуванні бомбою. Детонація, нехай навіть і випадкова, метальна вибухова речовина (що призводить до руху снаряд), викликає ядерний вибух. З цієї причини повітряний спостерігач і фахівець із озброєння С. Парсонс вирішив завантажити порох у бомбу лише після зльоту. Втім, при досить сильному ударі при падінні снаряд може почати рухатися і без допомоги пороху, що здатне призвести до вибуху від декількох тонн до повної потужності. Little Boy становить небезпеку і при попаданні у воду. Уран, що знаходиться всередині - кілька критичних мас загалом, розділений повітрям. При попаданні всередину води вона може зіграти роль посередника, призводячи до ланцюгової реакції. Це призведе до швидкого розплавлення або невеликого вибуху з викидом великої кількості радіоактивних речовин.

Складання та застосування Little Boy.
Перші компоненти снаряда були закінчені в Лос-Аламосі 15 червня 1945 року, повністю ж вони були виготовлені до 3 липня.

14 Липня Little Boy та урановий снаряд до нього були відвантажені на судно Індіанаполіс і 16 числа вирушили на о. Тініан, Маріанські о-ви. Корабель прибув на острів 26 липня.

24 липня було завершено виготовлення мішені для бомби і 26-го ці компоненти були відправлені трьома літаками C-54 з Альбукерке і прибули на Тініан 28-го.

31 липня Мета зі снарядом встановлені всередину бомби. Ядерна атака намічена наступного дня, 1 серпня, але тайфун, що наближається, змусив перенести операцію на 5 днів.

6 серпня:
00:00 Остання нарада, ціль - Хіросіма. Пілот – Тіббетс (Tibbets), 2-й пілот – Льюїс (Lewis).
02:45 Бомбардувальник злітає.
07:30 Бомба повністю готова до скидання.
08:50 Літак летить над японським островом Сікоку.
09:16:02 Little Boy вибухає на висоті 580 м. Потужність вибуху: 12-18 кт, за пізніми оцінками - 15 кт (+/- 20%).

За такої потужності вибуху та висота, де він був підірваний, оптимальна тиску ударної хвилі 12 psi (фунтов/квадратний дюйм), тобто. для максимізації області, підданої тиску 12 psi або більше. Для руйнування будівель міста достатньо тиску в 5 psi, чому відповідає висота ~860, таким чином, при установці такої висоти жертви та руйнування могли б бути ще більшими. Через неясності у визначенні потужності і великої кількості причин, що можуть викликати зменшення потужності вибуху, висота вибиралася помірно низькою, як у випадку з маленьким за силою зарядом. Висота 580 м оптимальна для вибуху 5 кт.

Плутонієва атомна бомба Fat Man.

Ядро бомби є набір вкладених один одного сфер. Тут вони перераховуються у порядку вкладеності, наведено розміри для зовнішніх радіусів сфер:

* вибухова оболонка - 65 см,
* "штовхач"/поглинач нейтронів - 23 см,
* урановий корпус/відбивач нейтронів - 11.5 см,
* плутонієве ядро ​​- 4.5 см,
* берилієво-полонієвий нейтронний ініціатор - 1 см.

Нейтронний ініціатор
Перший ступінь - нейтронний ініціатор, званий також Урчин (Urchin), є берилієвою сферичною оболонкою, діаметром 2 см і товщиною 0.6 см. Усередині неї знаходиться бериллієвий вкладиш діаметром 0.8 см. Загальна вага конструкції становить близько 7 грамів. На внутрішній поверхні оболонки виготовлено 15 клиноподібних щілин, глибиною 2.09 мм. Сама оболонка отримана гарячим пресуванням в атмосфері карбонільного нікелю, поверхня її та внутрішньої сфери покрита шаром нікелю та золота. На внутрішній сфері та щілинах в оболонці обложено 50 кюрі полонія-210 (11 мг). Шари золота і нікелю оберігають берилій від альфа-частинок, що випускаються полонієм або навколишнім ініціатором плутонієм. Ініціатор закріплений на кронштейні всередині порожнини діаметром 2.5 см у плутонієвому ядрі.

Урчин активізується при досягненні ударної хвилі центру заряду. Коли ударна хвиля досягає стінок внутрішньої порожнини в плутонії, ударна хвиля з плутонію, що випарувався, впливає на ініціатор, змінюючи щілини з полонієм і створюючи ефект Манро (Munroe) - сильні струмені речовини, які швидко змішують полоній і берилій із зовнішньої та внутрішньої сфер. Альфа-частинки, що випускаються Po-210, поглинаються атомами берилію, які у свою чергу і випромінюють нейтрони.

Плутонієвий заряд.
Дев'ятисантиметрова сфера з порожниною в центрі розміром 2.5 см для нейтронного ініціатора. Цю форму заряду запропонував Роберт Крісті (Robert Christy) зменшення асиметрії і нестабільності при імплозії.

Плутоній в ядрі стабілізований у дельта-фазі з низькою щільністю (щільність 15.9) за допомогою сплаву його з 3% галію за кількістю речовини (0.8% за масою). Переваги використання дельта-фази в порівнянні з більш щільною альфа-фазою (щільність 19.2) полягають у тому, що дельта-фаза ковка та податлива, у той час як альфа-фаза ламка і крихка, крім того, стабілізація плутонію у дельта-фазі дозволяє уникнути усадки при охолодженні та деформації заготовки після лиття або гарячої обробки. Може здатися, що використання для ядра матеріалу з нижчою щільністю може бути невигідним, так як застосування більш щільного матеріалу краще через підвищення ефективності та зниження кількості необхідного плутонію, але це виявляється не зовсім так. Дельта-стабілізований плутоній піддається переходу в альфа-фазу за відносно низького тиску в десятки тисяч атмосфер. Тиск кілька мільйонів атмосфер, що виникає при імплозійному вибуху робить цей перехід поряд з іншими явищами, що виникають при такому стиску. Таким чином, з плутонієм у дельта-фазі відбувається більше збільшення щільності та більший введення реактивності, ніж це відбувалося б у випадку із щільною альфа-фазою.

Ядро зібрано з двох напівсфер, ймовірно спочатку відлитих у заготовки, а потім оброблених гарячим пресуванням в атмосфері карбонільного нікелю. Так як плутоній хімічно дуже активний метал, а, крім того, що представляє небезпеку для життя, кожна півсфера покрита шаром нікелю (або срібла, як повідомлялося для ядра Gadget"а). Це покриття створило неприємність з ядром Gadget"а, так як швидке гальванопокриття плутонію нікелем (або сріблом) призвело до утворення раковин у металі та непридатності його до використання в ядрі. Бережне шліфування та нашаровування шарів золота відновили отримані напівсферами дефекти. Тим не менш, тонкий золотий прошарок (близько 0.1 мм товщиною) між напівсферами була в будь-якому разі необхідною частиною проекту, що служить для запобігання передчасному проникненню струменів ударної хвилі між напівсферами, що могло б передчасно активізувати нейтронний ініціатор.

Урановий корпус/відбивач нейтронів.
Плутонієвий заряд оточений корпусом із природного урану масою 120 кг та діаметром 23 см. Цей корпус утворює семи сантиметровий шар навколо плутонію. Товщина урану обумовлена ​​завданням збереження нейтронів, так що шару в кілька сантиметрів достатньо для забезпечення гальмування нейтронів. Більш товстий корпус (що перевищує по товщині 10 см) додатково забезпечує значне збереження нейтронів для всієї конструкції, однак, ефект "тимчасового поглинання" властивий швидким, ланцюговим реакціям, що експоненційно розвиваються, зменшує вигоди від використання більш товстого відбивача.

Близько 20% енергії бомби виділяється з допомогою швидкого розподілу уранового корпусу. Ядро та корпус утворюють разом мінімально підкритичну систему. Коли за допомогою імплозійного вибуху відбувається стиск складання до 2.5 разів у порівнянні зі звичайною щільністю, ядро ​​починає містити близько чотирьох-п'яти критичних мас.

"Товкач"/поглинач нейтронів.
Навколишній уран шар алюмінію товщиною 11.5 см важить 120 кг. Основне призначення цієї сфери, званої "штовхачем", полягає у зменшенні дії тейлорової хвилі, швидкого зниження тиску, що відбувається позаду детонаційного фронту. Ця хвиля має тенденцію зростати при імплозії, викликаючи все більш і більш швидке падіння тиску при сходження детонаційного фронту в одну точку. Часткове відображення ударної хвилі, що відбувається на межі розділу вибухівка (композиція "Б")/алюміній (внаслідок відмінності щільностей: 1.65/2.71) відправляє вторинний фронт назад у вибухівку, придушуючи тейлорову хвилю. Це посилює тиск минулої хвилі, збільшуючи стиск у центрі ядра.

Алюмінієвий "штовхач" містить у собі і частку бору. Так як сам по собі бор тендітна неметалічна речовина, важка у застосуванні, ймовірно, що він міститься у формі зручного в обробці сплаву з алюмінієм, званого боракс (35-50% бору). Хоча загальна його частка в оболонці невелика, бір грає роль поглинача нейтронів, запобігаючи попаданню назад в плутонієво-уранову збірку нейтронів, що вилітають звідти, сповільнилися в алюмінії і вибухівці до теплових швидкостей.

Вибухова оболонка та детонаційна система.
Вибухова оболонка є шаром бризантної вибухової речовини. Її товщина близько 47 см, а маса щонайменше 2500 кг. Ця система містить 32 вибухові лінзи, 20 з яких шестикутні, а 12 – п'ятикутні. Лінзи з'єднуються разом за зразком футбольного м'яча, утворюючи сферичне вибухове складання, близько 130 см діаметром. Кожна має 3 частини: дві з них виготовлені з вибухової речовини (ВВ) з великою швидкістю детонації, одна – з низькою. Найкраща частина швидкодетонуючого ВР має конусоподібне поглиблення, заповнене ВР з низькою швидкістю детонації. Ці пов'язані частини формують діючу лінзу, здатну створювати круглу, зростаючу ударну хвилю, спрямовану в центр. Внутрішня сторона швидкодетонуючого ВР майже покриває алюмінієву сферу для посилення схожого удару.

Лінзи виготовлялися точним литтям, тому вибухівка повинна була бути розплавлена ​​перед використанням. Основним швидкодетонуючим ВР була "композиція Б", суміш 60% гексагену (RDX) - дуже швидкодетонуючі, але погано плавиться бризантне ВР, 39% тротилу (TNT) - добре вибухає і легко плавиться ВР і 1% воску. "Повільним" ВВ був баратол - суміш тротилу і нітрату барію (частка толу зазвичай 25-33%) з 1% воску як сполучна речовина.

Склад та щільність лінз точно контролювались і залишалися незмінними. Лінзова система підганялася з дуже малим допуском, так що її частини з'єднувалися один з одним з точністю менше 1 мм, щоб уникнути неоднорідностей в ударній хвилі, але вирівнювання поверхні лінз було навіть більш важливим, ніж підгонка їх один до одного.

Для отримання дуже точної синхронізації детонаторів, у стандартних детонаторів були відсутні комбінації первинних/вторинних ВР і були провідники, що електрично нагрівалися. Ці провідники є відрізками тонкого дроту, які моментально випаровуються від кидка струму, отриманого від потужного конденсатора. Відбувається підрив вибухової речовини детонатора. Розряд конденсаторної батареї та випаровування дроту у всіх детонаторів може бути вироблено практично одномоментно – різниця становить +/-10 наносекунд. Зворотний бік такої системи - необхідність у великих батареях, високовольтному джерелі живлення та потужного банку конденсаторів (званого X-Unit, близько 200 кг вагою), призначених для одночасного спрацьовування 32 детонаторів.

Готова вибухова оболонка міститься в корпус з дюралюмінію. Конструкція корпусу складалася з центрального пояса, зібраного з 5 оброблених алюмінієвих виливків, і верхньої та нижньої півсфер, що утворюють закінчену оболонку.

Кінцева стадія збирання.
Фінальний проект бомби передбачає особливу "кришку", через яку в кінці закладаються матеріали, що діляться. Заряд може бути виготовлений повністю, крім вставки плутонію з ініціатором. З метою безпеки, складання завершується безпосередньо перед практичним застосуванням. Видаляється алюмінієва півсфера разом із однією з вибухових лінз. Нейтронний ініціатор встановлюється між плутонієвими півсферами і кріпиться всередині 40-кілограмового уранового циліндра і потім вся ця конструкція вкладається всередину уранового відбивача. Лінза повертається на своє місце, до неї підключається детонатор, зверху прикручується на місце кришка.

Fat Man представляв серйозну небезпеку в плані доставки та зберігання у готовому до використання стані, щоправда, навіть у найгіршому випадку небезпека була все ж таки менша, ніж у Little Boy. Критична маса ядра з урановим відбивачем становить 7.5 кг плутонію для дельта-фази і лише 5.5 кг для альфа-фази. Будь-яка випадкова детонація вибухової оболонки може призводити до стиснення 6.2-кілограмового ядра Fat Man"а в надкритичну альфа-фазу. Передбачувана потужність вибуху від такого несанкціонованого спрацьовування заряду становитиме від десятків тонн (грубо кажучи на порядок більше, ніж заряд вибухівки в бомбі) пари-другий сотень тонн тротилового еквівалента, але головна небезпека криється від потоку проникаючої радіації під час вибуху. дозу опромінення 640 бер на відстані 250 м.

Перевезення Fat Man"а з міркувань безпеки ніколи не здійснювалося в повністю зібраному вигляді, бомби завершували безпосередньо перед застосуванням. Внаслідок складності зброї на цей процес вимагалося щонайменше кілька днів (з урахуванням проміжних перевірок). Зібрана бомба не могла довго перебувати у працездатному. стані через розряд батарей X-Unit"а.

Обриси бойової плутонієвої бомби в основному складаються з конструкції експериментального Gadget"а, упакованого в сталеву оболонку. Дві половини сталевого еліпсоїда кріпляться до бандажу вибухової системи разом з X-Unit"ом, батареями, запобіжниками та пусковою електронікою розміщені на передній стороні оболонки.

Як і в Little Boy, висотним запалом у Fat Man'є служить радіолокаційна далекомірна система "Атчіс" (Archies - її антени можна бачити збоку на фотографіях Little Boy"я). При досягненні зарядом необхідної висоти над землею (встановлена ​​на 1850+-100 футів) вона видає сигнал до детонації. Крім нього, бомба оснащена ще й барометричним датчиком, що запобігає вибуху вище 7000 футів.

Бойове застосування плутонієвої бомби.
Остаточне складання Товстуна проходило на о. Тініан.

26 липня 1945 плутонієве ядро ​​з ініціатором відправлено літаком C-54 з авіабази Кіртленд на Тініан.

28 Липень ядро ​​прибуває на острів. Цього дня три B-29 відправляються з Кіртленда на Тініан із трьома попередньо зібраними Fat Man'ами.

2 серпня - прибуття B-29. Дата бомбардування визначена як 11 серпня, мета – арсенал у Кокурі. Неядерна частина першої бомби виявилася готовою до 5 серпня.

7 серпня приходить прогноз про несприятливі для польоту 11 числа метеоумови, дата польоту зсувається на 10, потім - на 9 серпня. Через зсув дати, ведуться прискорені роботи зі збирання заряду.

8-го вранці збірка Fat Man"а завершується, до 22:00 він завантажений в B-29 "Block"s Car".

9 серпня:
03:47 Літак злітає з Тініана, мету визначено як Кокурський арсенал. Пілот - Чарльз Свіні (Charles Sweeney).
10:44 Час підльоту до Кокури, але ціль невидима в умовах поганої видимості. Вогонь зенітної артилерії та поява японських винищувачів змушують припинити пошуки та повернути убік запасної мети - Нагасакі.
Над містом виявився шар хмарності - як і над Кокурою, пального залишалося тільки на один захід, тому бомба була скинута в перший відповідний просвіт у хмарах за кілька миль від призначеної мети.
11:02 Відбувається вибух на висоті 503 м поблизу кордону міста, потужність за даними вимірів 1987 року – 21 кт. Незважаючи на те, що вибух стався на межі населеної частини міста, кількість жертв перевищила 70 000 людей. Було зруйновано і збройові виробництва Міцубісі.

Перші атомні бомби - Little Boy та Fat Man
У ході створення атомної зброї в рамках манхеттенського проекту одночасно велися роботи зі створення двох ядерних бомб – уранової та плутонієвої.

Після проведення випробування першого ядерного заряду "Gadget" (прототипу плутонієвої бомби "Товстун" - FatMan) наступним, готовим до застосування був урановий "Малюк" (LittleBoy). Саме він і виявився скинутим на Хіросіму 6 серпня 1945 року. Виготовлення ще одного "Малюка" зажадало б місяців накопичення урану, тому другою скинутою бомбою став "Товстун", зібраний на острові Тініан незадовго до свого використання.

Початкове складання Fat man'а відбувалося на базі ВМФ Солтвеллс, Каліфорнія. б бути нанесений по Кокурі (Kokura), через кілька днів після першої атаки, проте через погодні умови бомбардування зазнало міста Нагасакі.

Уранові атомна бомба Little Boy.
Урановий заряд у бомбі складається з двох частин: мішені та снаряда. Снаряд діаметром 10 і довжиною 16 сантиметрів є набором з шести уранових кілець. У ньому міститься близько 25.6 кг – 40% всього урану. Кільця в снаряді підтримуються диском з вольфраму карбіду і сталевими пластинами і знаходяться всередині сталевого корпусу. Мета має масу 38.46 кг і зроблена у формі порожнього циліндра діаметром 16 см і довжиною 16 см. Конструктивно вона виконана у вигляді двох окремих половинок. Мета вмонтована у корпус, який служить відбивачем нейтронів. У принципі, використане в бомбі кількість урану дає критичну масу і без відбивача, проте його наявність, як і виготовлення снаряда з більш збагаченого урану (89% U-235) ніж мета(~80% U-235), дозволяє збільшити потужність заряду.

Процес збагачення урану відбувався у 3 етапи. Спочатку на термодифузійної установки відбувалося збагачення природної руди (0.72% урану) до 1-1.5%. Далі йшли газова дифузійна установка та остання стадія - електромагнітний сепаратор, на якому вже проводилося поділ ізотопів урану. Для виробництва "малюка" знадобилося 64 кг збагаченого урану, що становить ~2.5 критичні маси. До літа 1945 року було накопичено близько 50 кг 89%-ного U-235 і 14 кг 50%-ного. У результаті загальна концентрація склала ~80%. Якщо порівняти ці показники з плутонієвим ядром, маса Pu-239 в якому склала всього ~6 кілограмів, що містять у собі приблизно 5 критичних мас, стає видно головний недолік уранового проекту: труднощі забезпечення високої надкритичності речовини, що ділиться, внаслідок чого низьку ефективність зброї.
Для запобігання випадковому виникнення ланцюгової реакції в мішені міститься борова заглушка, а снаряд вкладений у борову оболонку. Бор є хорошим поглиначем нейтронів, таким чином збільшується безпека під час перевезення та зберігання спорядженого боєприпасу. Коли снаряд досягає мети, його оболонка відлітає, а заглушка в мішені викидається із неї.
Зібрана оболонка бомби складається з корпусу з карбіду вольфраму (службовцем відбивачем нейтронів), оточеного сталевою сорочкою діаметром приблизно 60 см. Загальна маса такої конструкції - близько 2.3 т. У просвердленому в сорочці отвір встановлений карбідний корпус, який вмонтована мішень. У днищі цього отвору можуть бути один або кілька берилієво-полонієвих ініціаторів. Стовбур, яким переміщається урановий снаряд міцно кріпиться на різьбленні до сталевого корпусу мішені,
запозичений він від 75-мм зенітної зброї та розточений за розміром снаряда до 100 мм. Довжина ствола становить приблизно 2 м, маса – 450 кг, а казенної частини – 34 кг. Як метальна вибухова речовина використовується бездимний порох. Швидкість руху снаряда в стовбурі досягає близько 300 м/с, для приведення його в рух потрібна дія сили не менше ніж 300 кН.

Little Boy був надзвичайно небезпечним у зберіганні та транспортуванні бомбою. Детонація, нехай навіть і випадкова, метальна вибухова речовина (що призводить до руху снаряд), викликає ядерний вибух. З цієї причини повітряний спостерігач і фахівець із озброєння С. Парсонс вирішив завантажити порох у бомбу лише після зльоту. Втім, при досить сильному ударі при падінні снаряд може почати рухатися і без допомоги пороху, що здатне призвести до вибуху від декількох тонн до повної потужності. Little Boy становить небезпеку і при попаданні у воду. Уран, що знаходиться всередині - кілька критичних мас загалом, розділений повітрям. При попаданні всередину води вона може зіграти роль посередника, призводячи до ланцюгової реакції. Це призведе до швидкого розплавлення або невеликого вибуху з викидом великої кількості радіоактивних речовин.

Складання та застосування Little Boy.
Перші компоненти снаряда були закінчені в Лос-Аламосі 15 червня 1945 року, повністю ж вони були виготовлені до 3 липня.
14 Липня Little Boy та урановий снаряд до нього були відвантажені на судно Індіанаполіс і 16 числа вирушили на о. Тініан, Маріанські о-ви. Корабель прибув на острів 26 липня.
24 липня було завершено виготовлення мішені для бомби і 26-го ці компоненти були відправлені трьома літаками C-54 з Альбукерке і прибули на Тініан 28-го.
31 липня Мета зі снарядом встановлені всередину бомби. Ядерна атака намічена наступного дня, 1 серпня, але тайфун, що наближається, змусив перенести операцію на 5 днів.
5 серпня бомба завантажується в B-29 №82 "Enola Gay".
6 серпня:
00:00 Остання нарада, ціль - Хіросіма. Пілот - Тіббетс (Tibbets), 2-й пілот - Льюїс (Lewis).
02:45 Бомбардувальник злітає.
07:30 Бомба повністю готова до скидання.
08:50 Літак летить над японським островом Сікоку.
09:16:02 Little Boy вибухає на висоті 580 м. Потужність вибуху: 12-18 кт, за пізніми оцінками - 15 кт (+/- 20%).
За такої потужності вибуху та висота, де він був підірваний, оптимальна тиску ударної хвилі 12 psi (фунтов/квадратний дюйм), тобто. для максимізації області, підданої тиску 12 psi або більше. Для руйнування будівель міста достатньо тиску в 5 psi, чому відповідає висота ~860, таким чином, при установці такої висоти жертви та руйнування могли б бути ще більшими. Через неясності у визначенні потужності і великої кількості причин, що можуть викликати зменшення потужності вибуху, висота вибиралася помірно низькою, як у випадку з маленьким за силою зарядом. Висота 580 м оптимальна для вибуху 5 кт.

Плутонієва атомна бомба Fat Man.Ядро бомби є набір вкладених один одного сфер. Тут вони перераховуються у порядку вкладеності, наведено розміри для зовнішніх радіусів сфер: