Александр Прищепенко - Шелест гранаты

• Название: Шелест гранаты
• Автор: Александр Прищепенко
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 2009

Эта книга об оружии, но не только — она открывает причудливую мозаику явлений физического мира: химические и ядерные взрывы, разделение изотопов и магнитная гидродинамика, кинетика ионов в плотных газах и ударные волны в твердых телах, физика нейтронов и электроника больших токов, магнитная кумуляция и электродинамика. Обо всем этом автор рассказывает, не прибегая к сложному аппарату высшей математики. Для тех, кто пожелает ознакомиться с этими явлениями подробно, им же написано рассчитанное на подготовленного читателя учебное пособие для университетов и военных академий «Взрывы и волны». В книге, которую держит в руках читатель, он найдет также исторические экскурсы, пронизанные иронией рассуждения о политике и политиках, а также — о персонажах замкнутого мира военной науки.

---

2. ВЕТЕР В СТАЛИ

2.1. «Изо всех сил старайтесь стать образованными, воспитанными людьми и берегите себя» Тикубасё. 9 февраля 1383 года. Третий год Эйтоку

Учиться в МИФИ было трудно. Неудовлетворительные оценки на первых курсах не миновали многих, а треть поступивших была отчислена. Однажды на экзамене обратил на себя внимание студент, монотонно бубнящий ответ. Лицо экзаменатора вытянулось от удивления, он заглянул в учебник, потом начал шептаться с сидевшими рядом коллегами. Удивляться было чему: студент заучил наизусть пару сотен страниц с многочисленными формулами! Этот подвиг, воистину достойный Геракла, пропал втуне: парию не зачли экзамен, потому что решить качественные задачи и ответить на дополнительные вопросы он не смог. Острое желание «стать ученым», не смотря ни на что, приводило некоторых и в психиатрические клиники. Но успешная учеба еще не является гарантией успеха в дальнейшем: можно разбираться в ходе рассуждений тех, кто заложил основы дисциплины, но не быть способным к синтезу — творческому объединению их идей со своими собственными.

Счастливчики, сочетавшие уникальную память и интеллект тоже встречались: один из приятелей на спор просто пролистал несколько десятков страниц заведомо незнакомой ему книги и потом свободно воспроизводил любой из абзацев. Я же, не обладая выдающейся памятью, на экзаменах пользовался шпаргалками. Обнаружение шпаргалки преподавателем влекло запрет на повторную сдачу экзамена во время сессии, но за все годы пришлось быть пойманным лишь раз. Избежать последствий огромных нагрузок помогали занятия спортом, выступления за сборную команду МИФИ. Не обходилось и без «спорта сильных и смелых», как на условном языке именовался преферанс. Игра в карты строго преследовалась ректоратом, да и правители страны — по давней традиции, людишки недалекие — подражали вкусам Ленина, считавшего игру в карты предосудительной, но обожавшего шахматы.

Напряженность учебы несколько спала только через три года: в расписании появилось много специальных предметов, для студентов организовывали экскурсии по институтам Средмаша, которых было немало в Москве.

2.2. Уран, нейтроны мгновенные и запаздывающие, быстрые и тепловые

…Ядро урана содержит 92 положительно заряженных протона. Это — белый на свежем изломе металл, который на воздухе сначала покрывается налетом цвета спелой сливы, а затем и вовсе чернеет. Как и все тяжелые металлы, он вреден для человека. К тому же, уран распадается (правда очень медленно), испуская альфа — частицы (ядра гелия), но, если залить сто кусок прозрачным компаундом, получается вполне безопасный сувенир (рис. 2.1). Кроме протонов, ядро урана включает и нейтроны, число которых может быть различным: в природном уране большинство ядер содержат по 146 нейтронов и лишь 0,7 % — по 143 (ядра с другим числом нейтронов в естественных условиях чрезвычайно редки). Ядра с равными количествами протонов, но различными — нейтронов, называют изотопами. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами нельзя, но различие в массах (для «уранов» весьма незначительное: 235 и 238 единиц) — позволяет сделать это физическими методами. Чтобы объяснить, как это происходит, вспомним о запачканных штанах (или юбке). Попытка отмыть бензином или другим растворителем жирное пятно часто приводит к тому, что после высыхания растворителя на светлой материи остается отчетливо различимый круг (а то — и несколько, концентрических).

Все наверняка слышали о броуновском, хаотическом движении молекул, а многие — о том, что, при данной температуре, скорость Движения молекулы тем выше, чем меньше ее масса. Представим, что две емкости разделены перегородкой. В одной части находится чистый растворитель, а в другой — с примесями двух различных по молекулярным весам «загрязнений». Пока в «грязной» половине движение ограничено со всех сторон, обе компоненты равномерно перемешаны, поскольку их молекулы долго совершали хаотические броски, хотя и с разными скоростями. Если перегородку убрать, то «загрязнения» начнут переходить на «чистую половину». За достаточное время легкая компонента сделает больше «шажков» в «чистом» направлении, потому что скорость ее между столкновениями больше, за то же время она поучаствует в большем числе соударений и среди них — тех, что сообщат ей скорость в «чистую» сторону. Таким образом, «чистая» половина вначале окажется обогащенной легкой компонентой — до тех пор, пока молекулы легкой компоненты не «упрутся» в границы сосуда, бывшего ранее «чистым», а тяжелые молекулы не догонят легкие у его стенки. Если растворитель испаряется достаточно интенсивно, есть возможность соорудить нечто вроде фотофиниша: зафиксировать результат гонок молекул до того момента, когда обе компоненты достигнут границы «чистого» сосуда. Возьмите лупу и рассмотрите на ваших изгаженных штанах (хорошо, если они — белые, возможно, привезенные из Рио-де-Жанейро) результат этого драматического забега. В них произошло вот что: растворитель, благодаря капиллярным явлениям просачивался по тонким зазорам между ворсинками материи. Растворенные загрязнения вынуждены были пройти довольно большие расстояния по таким узкостям и легкие компоненты при этом опередили тяжелые. Потом испарение растворителя привело к консервации распределения. Это явление называют хроматографией. Его можно наблюдать и на фильтровальной бумаге, сначала капнув растворитель с загрязнениями, а потом — капая, в центр пятна чистый растворитель (рис. 2.2). Когда растворитель высохнет, можно, по концентрическим окружностям, определяющим границы разделенных зон, разрезать фильтровальную бумагу, став обладателем «обогащенных» различными компонентами кусочков.

В процессе разделения «уранов» есть много общего с хроматографией. Сначала их природную смесь переводят в газообразное состояние, соединяя с фтором, потом — прокачивают через бесчисленные пористые перегородки, так что молекулы гексафторида более легкого изотопа постепенно отделяются от тяжелых. Потом обогащенный легким изотопом газ собирают и вновь обращают в металл. Разделение идет весьма медленно, потому что массы, а значит, и скорости изотопов различаются незначительно.

Рис. 2.1. Это-уран Рис. 2.2. Разделение методом хроматографии на промокательной бумаге синих чернил марки «Радуга-2». Видно, что самая быстрая компонента настолько опередила другие, что между ней и компонентой с промежуточной скоростью диффузии образовался разрыв (светлая область, в которой, вероятно, присутствует в основном растворитель — вода). Совсем уж «медленная» компонента занимает область в центре хроматограммы, более темную, чем остальные

Заводы, где из природного урана извлекают легкий изотоп стоят многие миллиарды долларов и занимают площади в десятки квадратных километров. На расходы идут потому, что, хотя «ураны» неотличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных «характеров».

Процесс деления U238 — «платный»: чтобы он начался, прилетающий извне нейтрон должен «принести» с собой энергию — МэВ[15] или более. A U235 «бескорыстен»: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре. При попадании нейтрона в способное к делению ядро, образуется неустойчивый «компаунд», но очень быстро (через 10-23 — 10-22 секунды) такое ядро разваливается на два осколка, неравных по массе и испускающих новые нейтроны (по 2–3 в каждом акте деления, процесс этот вероятностный), так что со временем может «размножаться» и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что «жадноватый» U238 не «желает» делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше МэВа. Кинетическая энергия частиц-продуктов деления на много порядков превышает выделение энергии при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская излучения самых различных видов, в том числе — те же нейтроны. Короткоживущими осколками нейтроны испускаются спустя 10-16 — 10-14 секунды после развала компаунд-ядра и такие нейтроны называют мгновенными. Но некоторые нейтроны испускаются через вполне ощутимое человеком время после деления (до десятков секунд). Такие нейтроны называют запаздывающими и, хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее процента), роль в работе ядерных установок — важнейшая.

Свободные нейтроны активно взаимодействуют с любыми ядрами, причем весьма разнообразно. Вероятность взаимодействия описывают «сечениями», измеряемыми «барнами» (барн равен 10-24 см2), уподобляя то или иное ядро мишени соответствующей площади для летящего нейтрона. Одно и то же ядро может представлять различной площади мишень для разных сценариев взаимодействия: например отскок нейтрона от ядра может быть намного более вероятен, чем его захват ядром с испусканием гамма-кванта. Таких сценариев очень много и по совокупности информации о них можно «узнать» го или иное ядро так же точно, как по отпечаткам пальцев — человека.