Процесс деления
При бомбардировке нейтронами некоторые изотопы урана и плутония (и некоторые другие более тяжелые элементы) распадаются на атомы более легких элементов — этот процесс известен как ядерное деление. Помимо образования более легких атомов, в процессе деления выделяется в среднем от 2,5 до 3 свободных нейтронов, а также значительное количество энергии. Как правило, при полном делении 1 кг (2,2 фунта) урана или плутония выделяется около 17,5 килотонн взрывной энергии в тротиловом эквиваленте.
В атомной бомбе или ядерном реакторе сначала небольшому количеству нейтронов придается энергия, достаточная для столкновения с некоторыми делящимися ядрами, которые, в свою очередь, производят дополнительные свободные нейтроны. Часть этих нейтронов захватывается ядрами, которые не делятся, другие покидают вещество, не будучи захваченными, а оставшиеся вызывают дальнейшее деление. Многие тяжелые атомные ядра способны к делению, но лишь некоторые из них являются делящимися, то есть делящимися не только под действием быстрых (высокоэнергетических) нейтронов, но и под действием медленных нейтронов. Непрерывный процесс, в ходе которого нейтроны, испускаемые делящимися ядрами, вызывают деления в других делящихся или делящихся ядрах, называется цепной реакцией деления. Если число делений в одном поколении равно числу нейтронов в предыдущем поколении, система считается критической; если число больше единицы — сверхкритической; если меньше единицы — подкритической. В случае ядерного реактора количество делящихся ядер, доступных в каждом поколении, тщательно контролируется, чтобы предотвратить «беглую» цепную реакцию. Однако в случае с атомной бомбой количество делений стремится к очень быстрому росту.
Оружие деления обычно изготавливается из материалов с высокой концентрацией делящихся изотопов урана-235, плутония-239 или их комбинации; однако некоторые взрывные устройства с высокой концентрацией урана-233 также были созданы и испытаны.
Основными природными изотопами урана являются уран-235 (0,7 %), который является делящимся, и уран-238 (99,3 %), который является делящимся, но не делящимся. В природе плутоний существует лишь в ничтожных концентрациях, поэтому делящийся изотоп плутония-239 получают искусственно в ядерных реакторах из урана-238. (См. раздел «Переработка урана»). Для того чтобы произвести взрыв, делящемуся оружию не нужен уран или плутоний, содержащий чистые изотопы урана-235 и плутония-239. Большая часть урана, используемого в современном ядерном оружии, — это примерно на 93,5 процента обогащенный уран-235. Ядерное оружие обычно содержит 93 процента или более плутония-239, менее 7 процентов плутония-240 и очень небольшое количество других изотопов плутония. Плутоний-240, побочный продукт производства плутония, обладает рядом нежелательных характеристик, включая большую критическую массу (то есть массу, необходимую для возникновения цепной реакции), большую радиационную нагрузку на работников (по сравнению с плутонием-239) и, для некоторых конструкций оружия, высокую скорость спонтанного деления, которая может привести к преждевременному началу цепной реакции, что приведет к меньшей мощности. Поэтому в реакторах, используемых для производства оружейного плутония-239, ограничивается время пребывания урана-238 в реакторе, чтобы ограничить накопление плутония-240 примерно до 6 процентов.
