Ядерная бомба (модель)
Александр Прищепенко, Сергей Апресов
Как-то раз у нас появилась идея: а почему бы не сделать ядерную бомбу своими руками! Судя по тому, что этот номер журнала все-таки вышел в печать, вы можете догадаться, что абсолютного успеха мы не добились
Скоростная серийная фотосъемка позволяет нам в подробностях рассмотреть процессы, которые происходят в течение тысячных или миллионных долей секунды и не видны невооруженным глазом в силу инертности зрения. Безусловно, одни из самых зрелищных и непредсказуемых мгновений – это взрывы. А самые мощные и красивые взрывы – конечно же, ядерные. Первые микросекунды ядерного взрыва, формирование огненного шара и так называемого «ядерного гриба» еще в середине прошлого века запечатлел Харольд Эджертон, один из основоположников высокоскоростной фотографии (эти фото можно увидеть в статье, посвященной конструкции ядерной бомбы). Однако собственно взрыв – это всего лишь результат срабатывания ядерной бомбы. Нам же захотелось рассмотреть сам процесс работы этого сложного устройства, заглянуть внутрь его корпуса и увидеть, как заряд взрывчатки сжимает шаровую плутониевую сборку, инициируя цепную реакцию.
Очевидно, что эта задача слишком амбициозна, чтобы броситься выполнять ее буквально. Даже если бы нам удалось придумать способ разместить высокоскоростную камеру внутри настоящей бомбы и забрать с нее фотографии до того, как она превратится в сгусток энергии, мы искренне надеемся, что до реализации эксперимента дело бы так и не дошло. Раздобыть «холостую» бомбу с шелухой от семечек вместо плутония в современных реалиях тоже не слишком просто. И даже в случае успеха вопрос сохранности камеры при срабатывании взрывчатки остался бы открытым. Вывод очевиден: чтобы увидеть, как работает ядерная бомба, нужно просто построить ее модель.
Моделирование на плоскости
Вначале мы задумали построить объемный физический макет имплозивного ядерного заряда. Первым делом решили упростить наш макет, ограничившись не шаровой «сборкой», а цилиндрической. В роли плутония должен был выступать поролоновый цилиндр. Между ним и корпусом «бомбы» (плоская жестяная консервная банка, закрытая с торца прозрачным листом поликарбоната) находилась «взрывчатка» – газовая смесь, сгорание которой должно было приводить к обжатию сборки. Мы надеялись, что опыт, полученный нами в области конструирования картофельных пушек на газовоздушных смесях («ПМ» № 3’2008), пригодится и для других видов «вооружений». Но уже первые эксперименты показали, что вследствие неравномерного сгорания газа добиться равномерного обжатия сборки практически невозможно. Кроме того, игры с газом показались нам довольно опасными (существует риск разрыва корпуса). Поэтому мы решили ограничиться так называемой анимационной моделью бомбы.
Главное упрощение нашего макета заключается в том, что все его элементы располагаются на плоскости. Зато нам удалось реализовать практически все конструктивные элементы бомбы. Роль взрывчатки в нашей пьесе исполняет оранжевый порошок бихромата аммония, «плутоний» представляет подкрашенный черной тушью поролон, а »замедлитель» – отрезок термоусадочного кембрика. В качестве детонатора выступает отрезок нихромовой проволоки, позаимствованной у старого паяльника. Когда на проволоку подается электрический ток, она нагревается и поджигает тонкую полоску целлулоида, вокруг которой она аккуратно уложена в крышечке от фотопленки. Крышечка более чем успешно справляется с ролью корпуса бомбы.
Воспламеняясь, целлулоид поджигает бихромат аммония. Он разлагается на оксид хрома, воду и азот, соответственно меняя цвет. Реакция протекает достаточно медленно, и при должном старании можно невооруженным глазом рассмотреть, как ее фронт сходится к «сборке». В результате поролон оказывается плотно обжатым внутри кембрика. Если бы он был способен к распаду, цепная реакция всенепременно бы началась.
Детонатор
Целлулоидная крышечка футляра от фотопленки как нельзя лучше подошла на роль корпуса нашей модели. В ней имеется углубление, в которое укладывается нихромовая проволока – нагреватель и »детонатор». Проволоку можно позаимствовать у старого паяльника
Служба собственной безопасности
Если вы захотите повторить наш эксперимент дома, имейте в виду: все проходит чисто и гладко только на бумаге. При сгорании бихромата аммония мелкодисперсный оксид хрома стремительно разносится конвекционными потоками горячих газов по всей лаборатории. Темно-зеленую пыль, образующуюся в колоссальных количествах, чрезвычайно трудно отмыть. И бихромат аммония, и оксид хрома умеренно ядовиты, поэтому эксперименты рекомендуется ставить только при наличии комплекта средств защиты: перчаток, очков и респиратора.
Кроме того, обильное выделение пыли и конвекционные потоки существенно затрудняют фотосъемку эксперимента. Прежде всего необходимо позаботиться о защите оборудования. Мы снимали работу модели сквозь прозрачный защитный экран. Пыль оседала на нем, загораживая картинку, зато камера осталась в целости и сохранности. Фотографии модели в действии, которые вы можете наблюдать, нам удалось снять, совершив почти два десятка запусков.
Оранжевый вулкан. Классика жанра
Один из классических школьных опытов – это «вулкан». На металлическую поверхность насыпают горку оранжевого порошка – бихромата аммония (NH4)2Cr2O7 – и поджигают его с помощью спички или лучины (или подогревают фарфоровый тигель с бихроматом на спиртовке). При этом бихромат аммония разлагается с выделением тепла, причем реакция протекает весьма бурно.
(NH4)2Cr2O7 Cr2O3 + N2 + 4H2O
При протекании реакции образуется большой объем горячих газов, которые, как миниатюрный вулкан, выбрасывают вверх хлопья зеленоватой пыли – оксида хрома.
Почему мы выбрали для своей модели именно бихромат аммония? Во-первых, при разложении он меняет цвет с оранжевого на зеленый, что позволяет легко наблюдать за фронтом горения. Во-вторых, фронт этот движется достаточно медленно (несколько миллиметров в секунду), что облегчает наблюдение и фотосъемку процесса.
|
