Бомба з гафнію - Мастерок.жж.рф - LiveJournal

1. наукова сенсація
2. військовий оптимізм
3. викинуті гроші
4. діамантові боєприпаси
5. наукове закриття
6. ядерна ізомерія

Бомба на основі ізотопу гафнію Hf-178-m2 могла стати найдорожчою і найпотужнішою в історії неядерних вибухових пристроїв. Але не стала. Зараз цей випадок визнано одним з найгучніших провалів DARPA - Агентства перспективних оборонних проектів американського військового відомства.

Так в 1998 році почалася історія ізомерної бомби, яка в подальшому стала відома як одна з найбільших помилок в історії науки і військових досліджень.

А починалося все ось так. У 1921 році німецький фізик О. Ганн виявив якийсь досі невідомий ізотоп урану, тут же названий їм ураном-Z. За атомної масі і хімічними властивостями він не відрізнявся від уже відомих. Інтерес для науки представляв його період напіврозпаду - він був трохи більше, ніж у інших ізотопів урану. У 1935 брати Курчатова, Л.І. Русинів і Л.В. Мисовської отримали специфічний ізотоп брому з подібними властивостями. Саме після цього світова наука щільно зайнялася проблемою, названої ізомерією атомних ядер. За минулий з тих пір час було знайдено кілька десятків ізомерних ізотопів з відносно великим часом життя, однак зараз нас цікавить тільки один, а саме 178m2Hf (ізотоп гафнію з атомною масою в 178 одиниць. M2 в індексі дозволяє розрізняти його і ізотопу m1 з такою ж масою, але іншими іншими показниками).

Від інших своїх ізомерних побратимів з періодом напіврозпаду більше року цей ізотоп гафнію відрізняється найбільшою енергією збудження - близько 1,3 ТДж на кілограм маси, що приблизно дорівнює вибуху 300 кілограм тротилу. Вивільнення всієї цієї маси енергії відбувається у вигляді гамма-випромінювання, хоча це процес дуже і дуже нешвидкий. Таким чином, теоретично можливо військове застосування даного ізотопу гафнію. Потрібно було тільки змусити атом або атоми переходити із збудженого стан в основне з відповідною швидкістю. Тоді звільняється енергія могла б перевершити за ефективністю будь-який існуючий зброю. Теоретично могла.

До практики справа дійшла в 1998 році. Тоді група співробітників Техаського університету під керівництвом Карла Б. Коллінза заснувала в одній з університетських будівель «Центр квантової електроніки». Під серйозною і пафосною вивіскою ховалися набір обов'язкового для подібних лабораторій устаткування, гори ентузіазму і щось, віддалено нагадувала рентгенівський апарат з кабінету дантиста і підсилювач для аудіосистеми, що потрапили в руки злого генія. З цих приладів вчені «Центру» зібрали примітний агрегат, який і повинен був зіграти головну роль в їх дослідженні.

Підсилювач формував електричний сигнал з потрібними параметрами, який в рентгенівському апараті перетворювався в рентгенівське випромінювання. Воно прямувало на крихітний шматочок 178m2Hf, що лежить на перевернутому одноразовому стакані. Чесно сказати, це виглядає далеко не так, як повинна виглядати передова наука, до якої, власне кажучи, відносила себе група Коллінза. Кілька днів рентгенівський прилад опромінював препарат гафнію, а датчики безпристрасно записували все, що «відчували». Ще кілька тижнів пішло на аналіз результатів експерименту.

наукова сенсація

У своєму звіті Коллінз писав, що йому вдалося зареєструвати вкрай незначне зростання рентгенівського фону, який випускав опромінюваний зразок. Тим часом саме рентгенівське випромінювання є ознакою переходу 178m2Hf з ізомерного стану в звичайне (див. Врізку). Отже, стверджував Коллінз, його групі вдалося домогтися прискорення цього процесу за рахунок бомбардування зразка рентгеном (при поглинанні рентгенівського фотона з відносно невеликою енергією ядро ​​переходить на інший збуджений рівень, а потім слідує швидкий перехід на основний рівень, що супроводжується вивільненням всього запасу енергії). Щоб змусити зразок вибухнути, міркував Коллінз, потрібно лише збільшити потужність випромінювача до певної межі, після якого власне випромінювання зразка виявиться достатнім для того, щоб запустити ланцюгову реакцію переходу атомів з ізомерного стану в нормальне. Результатом стане вельми відчутний вибух, а також колосальний сплеск рентгенівського випромінювання.

Наукове співтовариство зустріло цю публікацію з явною недовірою, в лабораторіях по всьому світу почалися експерименти з перевірки результатів Коллінза. Деякі дослідницькі групи поквапилися заявити про підтвердження результатів, хоча їх цифри лише незначно перевищували вимірювальні помилки. Але більшість експертів все ж визнало, що отриманий результат є наслідком неправильної інтерпретації експериментальних даних.

військовий оптимізм

Однак одна з організацій надзвичайно зацікавилася цією роботою. Незважаючи на весь скептицизм наукового співтовариства, американські військові від обіцянок Коллінза буквально втратили голову. І було від чого! Вивчення ядерних ізомерів відкривало дорогу до створення принципово нових бомб, які, з одного боку, були б значно потужніше звичайної вибухівки, а з іншого - не підпадали б під міжнародні обмеження, пов'язані з виробництвом і застосуванням ядерної зброї (ізомерна бомба не є ядерною, оскільки в ній не відбувається перетворення одного елемента в інший).

Ізомерні бомби могли б бути дуже компактні (у них немає обмеження по масі знизу, оскільки процес переходу ядер із збудженого стану в звичайне не вимагає наявності критичної маси), а під час вибуху вивільняли б величезна кількість жорсткого випромінювання, що знищує все живе. До того ж гафнієвих бомби можна було б розглядати як щодо «чисті» - адже основне стану гафнію-178 стабільно (він не радіоактивний), і під час вибуху практично не відбувалося б зараження місцевості.

викинуті гроші

Протягом наступних кількох років агентство DARPA вклало в вивчення Hf-178-m2 кілька десятків мільйонів доларів. Однак військові так і не дочекалися створення робочого зразка бомби. Почасти це пояснюється невдачами дослідного плану: в ході декількох експериментів з використанням потужних рентгенівських випромінювачів Коллінзу не вдалося продемонструвати хоч скільки-небудь значиме збільшення фону опромінюються зразків.

Спроби повторити результати Коллінза протягом декількох років робилися неодноразово. Однак жодна інша наукова група не змогла достовірно підтвердити прискорення розпаду ізомерного стану гафнію. Цим питанням займалися і фізики з декількох американських національних лабораторій - Лос-Аламоської, Аргоннской і Ліверморської. Вони використовували значно потужніший рентгенівський джерело - Advanced Photon Source Аргонської національної лабораторії, але так і не змогли виявити ефект індукованого розпаду, хоча інтенсивність опромінення в їх експериментах на кілька порядків перевищувала аналогічні показники в дослідах самого Коллінза. Їх результати підтвердили і незалежні експерименти в ще одній національній лабораторії США - Брукхейвенської, де для опромінення використовувався потужний синхротрон National Synchrotron Light Source. Після ряду невтішних висновків інтерес до цієї теми у військових згас, фінансування припинилося, і в 2004 році програма була закрита.

діамантові боєприпаси

Тим часом з самого початку було ясно, що при всіх своїх перевагах ізомерна бомба володіє і цілим рядом принципових недоліків. По-перше, Hf-178-m2 радіоактивний, так що бомба буде не зовсім вже «чиста» (деякий зараження місцевості «не спрацював," гафнію все ж станеться). По-друге, ізомер Hf-178-m2 не зустрічається в природі, а процес його напрацювання досить дорогий. Отримати його можна одним з декількох способів - або опромінюючи альфа-частками мішень з ітербію-176, або протонами - вольфрам-186 або природну суміш ізотопів танталу. Таким способом можна одержувати мікроскопічні кількості ізомери гафнію, яких повинно цілком вистачити для проведення наукових досліджень.

Більш-менш масовим способом отримання цього екзотичного матеріалу виглядає опромінення нейтронами гафнію-177 в атомному реакторі на теплових нейтронах. Точніше, виглядало - поки вчені не підрахували, що за рік в такому реакторі з 1 кг природного гафнію (що містить менше 20% ізотопу 177) можна отримати всього-на-всього близько 1 мікрограма порушеної ізомери (виділення цієї кількості - окрема проблема). Нічого не скажеш, масове виробництво! Але ж маса малого бойового заряду повинна становити хоча б десятки грамів ... Виходило, що такі боєприпаси виходять навіть не «золотими», а прямо-таки «діамантовими» ...

Ткаля Євген Вікторович

наукове закриття

Але незабаром було показано, що і ці недоліки не є вирішальними. І справа тут не в недосконалості техніки чи недоробки експериментаторів. Остаточну крапку в цій гучній історії поставили російські фізики. У 2005 році Євген Ткаля з Інституту ядерної фізики МДУ опублікував в журналі «Успіхи фізичних наук» статтю, де він виклав всі можливі способи прискорення розпаду ізомери гафнію. Їх існує всього три: взаємодія випромінювання з ядром і розпад через проміжний рівень, взаємодія випромінювання з електронною оболонкою, яка потім передає збудження на ядро, і зміна ймовірності спонтанного розпаду.

Ізомер гафнію 178m2Hf є ядро гафнію-178 в збудженому стані з запасеної енергією 2,446 МеВ, що відповідає більш ніж гігаджоуль (приблизно 250 кг в тротиловому еквіваленті) на один грам речовини. Через високий спина, що утрудняє вивільнення запасеної енергії, у цього ізомеру рекордно великий період напіврозпаду - 31 рік. Тому так спокуслива думка про створення бомби на основі цього ізомеру: достатньо взяти гафній-178, перевести його в збуджений стан, упакувати в оболонку і забезпечити її будь-яким пристроєм вивільнення енергії. При вибуху такої бомби виділялися б виключно фотони, т. Е. Гамма-промені; вона виробляла б руйнування навколо себе без радіаційного зараження навколишнього середовища, і тому на неї не поширювалися б угоди по звичайному ядерному озброєнню.

Щоб бомба була по-справжньому ефективною, необхідно прискорити процес вивільнення енергії в мільйони разів - т. Е. Період напіврозпаду з 31 року треба скоротити до секунд. Найпростіший спосіб прискорити розпад - опромінити ядра рентгенівськими променями. Поглинувши рентгенівський фотон відносно невеликий енергії, ядро ​​переходить на інший збуджений рівень і звідти вже швидко вивільняє всю накопичену енергію.

Спостереження цього ефекту і описується в ряді публікацій американських дослідників, що з'явилися в період з 1999-го по 2005 рік. Правда, мова йде про дуже невелику прискоренні розпаду: в залежності від умов конкретного експерименту середня інтенсивність випромінювання ізомерного зразка зростала лише на кілька відсотків. Проте це не позбавляло американських дослідників оптимізму, і вони сподівалися згодом досягти більш вражаючих успіхів.

Зрозуміло, інші експериментальні групи зробили спроби повторити експерименти техаських дослідників. Відразу в чотирьох національних лабораторіях США - Лос-Аламоської , Аргоннской , Лоуренс-Лівермор і Брукхевенської - були проведені аналогічні експерименти з набагато більш потужними рентгенівськими променями, і жоден з них не підтвердив прискорення розпаду гафнієвих ізомери.

Виявилося, конфлікт не тільки з експериментом. У критичній статті, що вийшла в травневому номері журналу «УФН» ( Е. В. Ткаля, «Успіхи Фізичних Наук», т. 175, Н. 5, 2005, стор. 555-561 ), А також в ряді інших робіт співробітник НИИЯФ МГУ Е. В. Ткаля продемонстрував, що заявлені техаськими дослідниками результати не можуть бути зрозумілі теорією навіть при найсильніших припущеннях про структуру цього ізомеру. Провівши оцінки ефективності всіх можливих механізмів цього розпаду, автор отримав значення на кілька порядків менші, ніж ті, що йдуть їх робіт техасців. Можна без перебільшення сказати, що заявлені ними результати суперечать всьому більш ніж піввікового досвіду ядерної фізики.

Таким чином, в цій історії - принаймні, на сьогоднішній день - можна поставити крапку. Ядра 178m2Hf, звичайно, несуть в собі накопичену енергію, але змусити її ефективно виділятися за допомогою сучасних технологій поки нереально. Заявлені результати не підтверджені іншими дослідниками і знаходяться в протиріччі з усією теоретичної ядерною фізикою. Гафнівая бомба поки залишається долею фантастів, хоча, звичайно, не можна виключити вірогідність, що в майбутньому з'являться нові, невідомі зараз методи прискорення розпаду довгоживучих ізомерів.

ядерна ізомерія

Поняття ядерної ізомерії виникло в 1921 році, коли німецький хімік, майбутній лауреат Нобелівської премії Отто Ган виявив «неправильний» варіант одного з продуктів розпаду урану, названого їм «ураном XII» (UXII). Ні за своїми хімічними властивостями, ні з масового числа він не відрізнявся від уже відомого радіоактивного елемента «урану Z» (UZ) - і все ж він мав іншим, значно тривалішим періодом напіврозпаду. Пізніше з'ясувалося, що в обох випадках це був ізотоп протактиний-234 (234Pa) - в збудженому (ізомерному) і основному стані ядра.

Ядерні ізомери - це довгоживучі порушені стану атомних ядер. Такі ядра мають незвичайну структуру: при певних умовах формують їх нейтрони і протони можуть прийняти особливу, збуджену конфігурацію. Більша частина ізомерів відрізняється вкрай недовгим терміном життя - ядра практично моментально переходять в звичайне стан, звільняючи надлишок енергії у вигляді фотонів рентгенівського діапазону або передаючи його електронів атомної оболонки (так звана внутрішня конверсія). Однак деякі можуть залишатися стабільними протягом досить довгого терміну. До числа таких фізичних чудасій належить, зокрема, Hf-178-m2 (178m2Hf).

Мета-стабільні ізомери можна використовувати в ролі своєрідної «енергетичної губки», здатної зберігати ввібрану енергію на певний термін і з відносно невеликими втратами. Період напіврозпаду 178m2Hf становить 31 рік: це означає, що за три десятка років шматок ізомерного гафнію втратить тільки половину надлишкової енергії, вивільнивши її у вигляді рентгенівського випромінювання. Крім того, серед відомих нині ядерних ізомерів 178m2Hf володіє найбільшою енергією збудженого стану - 2,446 МеВ, так що один грам порушеної ізомери по збереженої енергії еквівалентний приблизно 300 кг тринітротолуолу. Все це означає, що з 178m2Hf могла б вийти прекрасна вибухівка - потрібно лише знайти спосіб, що дозволяє різко прискорити його перехід в нормальний стан, тобто створити пристрій, котрий відіграв би в ізомерної бомбу роль детонатора.

Зараз Карл Б. Коллінз в цілому згоден з висновками колег, але як і раніше не відмовляє ізомерів в практичному застосуванні. Наприклад, спрямоване гамма-випромінювання, вважає він, можна використовувати для лікування онкологічних хворих. А повільне, невибухове, випромінювання енергії атомами може в перспективі дати людству надмісткі акумулятори величезної потужності.
Однак все це буде тільки в майбутньому, близькому або далекому. І то, якщо вчені вирішать знову зайнятися проблемою практичного застосування ядерних ізомерів. Якщо ті роботи увінчаються успіхом, то цілком можливо, що зберігається під склом в Техаському університеті стакан з досвіду Коллінза (тепер цей артефакт називається «Меморіальної підставкою для експерименту доктора К.») буде перенесений в більший і шановний музей.

[ джерела ]

джерела

http://www.popmech.ru/weapon/6899-oshibka-pentagona-kto-skazal-gafniy/#full

http://elementy.ru/news/25697

http://topwar.ru/9264-gafnievaya-chudo-bomba-i-surovaya-realnost.html

Давайте ще згадаємо про Найдорожча система озброєнь. Пристрасті по F-35 , А ще можна згадати про «Шарль де Голль»: корабель-катастрофа! . Нагадаю вам ще по темі: Атомний крейсер «Петро Великий» проти системи «Іджіс» . і ще про Занадто унікальний USS Zumwalt Оригінал статті знаходиться на сайті ІнфоГлаз.рф Посилання на статтю, з якої зроблена ця копія - http://infoglaz.ru/?p=61453