Может ли открытая небезопасная реакция ядерного синтеза сжечь атмосферу?

Из того, что я прочитал в «Американском Прометее: Триумф и трагедия Дж. Роберта Оппенгеймера», Теллер был первым, кто выразил эту озабоченность перед испытанием Троицы. Также цитата из: http://www.sciencemusings.com/2005/10/what-didnt-happen.html

Физик Эдвард Теллер рассмотрел другую возможность. Огромная температура ядерного взрыва — десятки миллионов градусов — могла бы сплавить ядра легких элементов, таких как водород, процесс, который также высвобождает энергию (позже это открытие станет основой для водородных бомб). Если бы температура взрыва была достаточно высокой, атомы азота в атмосфере сливались бы, высвобождая энергию. Воспламенение атмосферного азота может привести к плавлению водорода в океанах. Эксперимент Тринити может непреднамеренно превратить всю планету в термоядерную бомбу с цепной реакцией.

Роберт Оппенгеймер, руководитель отдела американских ученых-атомщиков, серьезно отнесся к предложению Теллера. Он обсудил это с Артуром Комптоном, другим ведущим физиком. «Это было бы окончательной катастрофой», — писал Комптон. «Лучше смириться с рабством нацистов, чем рискнуть опустить последний занавес над человечеством!»

Оппенгеймер попросил Ганса Бете и других физиков проверить их расчеты температуры воспламенения азота и охлаждающих эффектов, ожидаемых от огненного шара ядерной бомбы. Новые расчеты показали, что атмосферный пожар невозможен». Бете, по-видимому, тогда убедительно показал, что атмосфера не будет подожжена ядерной бомбой.

Я просто хотел бы добавить к ответу физикофила .

Первоисточником этого вопроса является

Конопинский, Э.Дж.; К. Марвин; Эдвард Телле, «Зажигание атмосферы ядерными бомбами», технический отчет Лос-Аламосской национальной лаборатории № LA-602.

Это показывает, что ответ на вопрос ОП «крайне маловероятен». Это не доказывает невозможность. Это интересное чтение с точки зрения того, что именно с этими расчетами и рассуждениями решалось все будущее жизни на Земле.

Как физик, я бы сказал, что документ очень здравый. В целом приемлемо для принятия решений о любых расходах денег, даже достаточно разумных, чтобы согласиться с экспериментом, который может рисковать даже сотнями жизней (хотя трудно придумать реалистичный пример). Но немного страшно подумать, что с ним решалось все будущее жизни на Земле...

Итак, давайте посмотрим на экспериментальные данные. Мы еще не накалили атмосферу. Я думаю, что этот экспериментальный факт важен для вашего вопроса: насколько я понимаю, тонкие детали динамики взрыва в значительной степени находятся методом проб и ошибок, и такие экспериментальные данные все равно засекречены. Но следующие комментарии, вероятно, уместны. Самой большой бомбой на сегодняшний день была советская «Царь-бомба», которая ускользнула$2.4\times10^{17}J$, или же$2.6{\rm kg}$(правильно, килограммов!) энергии (57 МТ в тротиловом эквиваленте). Огненный шар от этого монстра был восьми километров в поперечнике. При таком размере бомбы вы, вероятно, достигли масштаба, в котором более крупные бомбы будут означать пропорционально больший объем пространства при примерно тех же температурах (порядка$10^8{\rm K}$). Более того, Эдвард Теллер подсчитал, что при ненамного большей мощности эффект увеличения мощности (в отношении атмосферы) пренебрежимо мал: большая часть атмосферы вокруг взрыва разгоняется до космической скорости Земли и теряется в космосе. поэтому добавление выхода просто означает, что выходящий газ будет уходить быстрее: он не вернется, как только достигнет$11{\rm km\, s^{-1}}$, так что то, что с ним происходит, не имеет значения.

Резюме : в воздухе в основных реакциях участвует азот, а в море – дейтерий. Основываясь на знаниях, которые Бете имел еще в 1940-х годах, и делая очень оптимистичные предположения, неуправляемый синтез в воздухе казался невозможным, но с небольшим коэффициентом безопасности менее 2, если вы должны были использовать термоядерную бомбу с радиусом действия 3 метра. жидкий дейтерий. Это была бы супербомба, гораздо более мощная, чем любая бомба, которую мы могли бы создать. Безудержный синтез в океане никогда не был правдоподобным.

Однако к 1975 году в комментарии доктора Гилберта к статье на эту тему стало ясно, что атмосфера далеко не достаточно плотна для устойчивой реакции синтеза, даже если реакция азота имеет такой же выход энергии, как синтез дейтерия и трития (наиболее реактивная известная реакция синтеза) из-за потерь энергии - а что касается моря, то потери энергии на реакцию синтеза сделали бы ее невозможной даже в море чистого D2O вместо H2O. Потери энергии слишком велики для устойчивого синтеза при давлениях, которых мы можем достичь в земном океане.

Это не должно быть слишком удивительным. В конце концов, в ранней Солнечной системе, особенно в первый миллиард лет или около того, Земля часто сталкивалась с большими ударами диаметром в сто километров и более. Ни одна из наших ядерных бомб не приблизилась к такому уровню нагрева атмосферы или океана, и, очевидно, они не вызывали устойчивых термоядерных реакций в атмосфере или океане. Ведь в океане много воды и не вся она превратилась в гелий, а атмосфера не превратилась в магний - мы бы обязательно увидели сигнатуру такого события, даже если бы она потом как-то пополнялась . Даже ударный элемент Чиксулуб имел мощность около 100 миллионов мегатонн по высвобождаемой им энергии, или в два миллиона раз мощнее, чем Царь-бомба. ВидетьУченый UT Остин сообщает о результатах исследования кратера Юкатан, связанного с массовым вымиранием динозавров

Коричневые карлики могут иметь спорадический синтез дейтерия, но это происходит при гораздо более высоких давлениях в ядрах этих объектов. См. ПРЕДЕЛ МАССЫ СГОРАНИЯ ДЕЙТЕРИЯ ДЛЯ КОРИЧНЕВЫХ КАРЛИКОВ И ПЛАНЕТ-ГИГАНТОВ.

ДЕТАЛИ

Здесь есть хороший отчет об исторической справке и цитатах, и он резюмирует реакции, которые они рассмотрели:

• (Невозможность) разжечь атмосферный огонь

Dongwoo Chung, 16 февраля 2015 г., представлен в качестве курсовой работы для Стэнфордского университета.

Есть два конкурирующих рассказа о том, насколько серьезно они относились к этому тогда, оба, вероятно, чрезмерно драматизированы в рассказе.

Боб Сербер:

Эдвард [Теллер] поднял пресловутый вопрос о воспламенении атмосферы. Бете пошел своим обычным путем, подставил цифры и показал, что этого не может быть. Это был вопрос, на который нужно было ответить, но это никогда не было ничем, это был вопрос только на несколько часов. Оппи совершил большую ошибку, упомянув об этом по телефону в разговоре с Артуром Комптоном. У Комптона не хватило ума замолчать об этом. Каким-то образом оно попало в документ, который отправился в Вашингтон. Так что время от времени после этого кто-то случайно замечал это, а затем вниз по лестнице возникал вопрос, и дело так и не было положено.

Интервью Бакс с Комптоном

В течение следующих трех месяцев ученые на секретной конференции обсуждали опасность термоядерного синтеза, но без согласия. И снова Комптон взял на себя инициативу в окончательном решении. Если после расчетов, сказал он, будет доказано, что вероятность того, что земля испарится в результате атомного взрыва, превышает приблизительно три случая на миллион, он не будет продолжать проект. Расчеты показали цифры чуть меньше - и проект продолжился.

Как он говорит:

Оба сообщения, безусловно, обладают привлекательным драматическим чутьем по-своему, но когда они рисуют такие разные картины вовлеченных дискуссий, мы должны считать, что их точные детали утеряны для потомков.

ДЕТАЛИ РАСЧЕТА БЕТЕ

Dongwoo Chung, похоже, допустил несколько незначительных числовых ошибок в своих резюме статьи, возможно, потому, что текст местами плохо читается. Так что я пойду к самой бумаге для расчетов.

Воспламенение атмосферы ядерными бомбами .

Короче говоря, основные реакции в воздухе

N14 + N14 → Mg24 + α + 17,7 МэВ

Бете рассчитывает коэффициент безопасности около 1,6 при энергии около 10 МэВ.

Однако он рассчитывает, что средний свободный пробег в воздухе составляет 57 метров, поэтому для устойчивого синтеза необходимо нагреть область радиусом не менее 57 метров.

Чтобы нагреть столько атмосферы до 10 МэВ, как он считает, нужно сжечь 1500 тонн делящегося материала (он не говорит, это уран-235 или плутоний). Но обычно только 1% идет на нагрев воздуха, так что для достижения температуры 10 МэВ потребуется одновременно взорвать 150 000 тонн.

Он подсчитал, что для термоядерной реакции для достижения 10 МэВ в радиусе 57 метров потребуется одновременно взорвать 3-метровый радиус жидкого дейтерия.

[Дону Чон почему-то говорит, что радиус 7 метров — текст местами немного неясен, может быть, он просто неправильно прочитал]

Есть дополнительная реакция

N14 + N14 → O12 + C16 + 10,6 МэВ

Для этого требуется «всего» дейтериевая сфера радиусом от 1 до 1,5 метров, но коэффициент безопасности увеличивается до 2,67.

В океане реакции следующие:

O16 + H1 → F17 + γ D2 + D2 → H3 + H1 D2 + D2 → He3 + n D2 + H1 → He3 + γ

Но коэффициенты безопасности здесь гораздо выше

ОБНОВЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ Д-РО ГИЛБЕРТОМ В 1975 ГОДУ.

Это комментарии д-ра Гилберта, заместителя директора по военному применению Управления энергетических исследований и разработок США в Вашингтоне:

Комментарии LLL об окончательной катастрофе

• для атмосферы плотность атмосферы слишком мала для устойчивой реакции

Простые расчеты показывают, что плотность атмосферы настолько мала, что даже при колоссально больших предполагаемых сечениях горение протекает гораздо медленнее, чем процессы, стремящиеся зажать вещество в низкотемпературное равновесие с его излучением. Доступной энергии на единицу объема воздуха даже от полного выгорания атмосферного азота достаточно только для создания равновесной температуры менее 1,5 кэВ, при этом более 99% энергии приходится на излучение.

Также объясняет ранее

Эффекты аномально больших сечений горения азота никогда не наблюдались в звездах, обладающих необходимыми составляющими, высокими температурами и временем реакции в миллиарды лет. Реакция N14 + N14 -> + Mg24 считалась опасной Конопинским и др. al. Однако сильное электростатическое отталкивание заряженных ионов азота требует относительной энергии примерно 8,6 МэВ, чтобы они подошли достаточно близко и слились. ... Мы не знаем способа получить температуру даже на 10% от требуемой.

Сечения реакций N14 (a,p) и O17 (a,n) в цепочке, которую доктор Макнелли считает «наиболее опасной размножающейся цепочкой в ​​воздухе», также были измерены и не показали резонанса выше 250 мб, более чем на порядок меньше, чем для поддержания любой цепной реакции синтеза, даже если бы можно было достичь достаточных температур. ... Даже если бы азот был во много раз более реактивным, чем DT, самое реакционноспособное известное ядерное топливо, скорости генерации термоядерной энергии при любой возможной температуре все равно было бы недостаточно для преодоления потерь энергии из-за тормозного излучения и обратный эффект Комптона.

• Для моря распространение не удается даже в море чистого D2O под высоким давлением.

море было смоделировано самым простым, но консервативным способом, предполагая, что оно состоит из двух процентов D2O при высоком давлении, что более чем в 100 раз превышает фактическую концентрацию дейтерия. Начальные высокие температуры вблизи источника безмассовой энергии массой 500 Мт уменьшились примерно в 100 раз за 2 x 10^-8 секунд. Модель моря произвела дополнительно 0,006 процента исходной энергии, прежде чем выходное производство было остановлено. Фактическая концентрация дейтерия в морской воде уменьшила бы даже это незначительное сжигание примерно в 20 000 раз. На самом деле распространение не удалось (с большим отрывом) в модельном море чистого D2O под высоким давлением!

Примерно в 60-х годах был подписан договор о запрете разработки устройств ядерного синтеза мощностью более 50 Мт (точное число не помню), чтобы предотвратить синтез атмосферного водорода и, таким образом, неконтролируемое увеличение взрывной мощности устройства. Это было до того, как в 1974 году был подписан Договор о пороговом запрещении ядерных испытаний, который вступил в силу в 1990 году.