Имплозия — сжатие под внешним давлением¶

Имплозия — процесс сжатия объекта, вещества или объёма под действием направленного внутрь внешнего давления, сопровождающийся резким увеличением плотности и температуры вещества. В отличие от взрыва (эксплозии), при котором вещество разлетается наружу, при имплозии потоки вещества движутся к центру. Явление наблюдается в физике, астрономии, вооружениях и инженерии.

¶Физическая суть процесса

Имплозия возникает, когда внешнее давление на объект существенно превышает внутреннее. Если разница давлений достаточно велика и действует достаточно равномерно, сжатие ускоряется по мере уменьшения объёма: чем меньше объём, тем больше плотность и тем быстрее вещество сжимается дальше. Процесс может приводить к образованию сверхплотных состояний вещества, его нагреву до миллионов градусов и, при достижении критических условий, к запуску термоядерной реакции или к финальному «отскоку» — расширению.

Типичный пример — схлопывание пузыря в жидкости (кавитация). Микроскопические пузырьки, возникающие в зоне пониженного давления, при переносе в область высокого давления схлопываются за микросекунды, причём в центре пузыря кратковременно достигаются температуры в тысячи кельвинов и давления в тысячи атмосфер. Этот процесс изучается в кавитационной физике и используется в ультразвуковой химии.

¶Имплозия в ядерных зарядах

Ключевое применение имплозия нашла в конструкции ядерного оружия. В оружии «класса оружейного урана» используется подкритическая сборка: два или более подкритических куска оружейного урана-235 или плутония-239 соединяются в сверхкритическую массу за счёт обычного взрывчатого вещества. Такая схема требует дорогого оружейного материала и относительно неэффективна.

Имплозионная схема, предложенная в 1940-х годах физиками Лос-Аламосской лаборатории (США) и независимо разработанная в СССР группой И. В. Курчатова, использует сферический заряд взрывчатого вещества, детонирующий по всей поверхности одновременно. Образующаяся сферическая ударная волна сжимает шарик оружейного плутония-239 (или обогащённого урана) до плотности, в несколько раз превышающей нормальную, переводя материал в сверхкритическое состояние и запуская цепную реакцию деления.

Имплозионная схема позволила создать более компактные и экономичные заряды. Первое в мире испытание имплозионного устройства — «Тринити» — проведено США 16 июля 1945 года в пустыне Нью-Мексико; мощность составила около 21 килотонны в тротиловом эквиваленте. В СССР первое испытание имплозионного заряда (РДС-1) состоялось 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне. В современных ядерных боезарядах используется именно имплозионная схема, часто дополненная термоядерной ступенью (слой дейтерида лития вокруг «запала» из плутония).

¶Астрономическая имплозия

В астрономии имплозией называют гравитационное схлопывание массивных объектов. Когда у звезды заканчивается термоядерное топливо, излучение больше не поддерживает давление в её ядре, и звезда под собственной гравитацией сжимается. Дальнейшая судьба зависит от массы:

• Звёзды с массой до ~8 солнечных сжимаются до состояния белого карлика — объекта, удерживаемого давлением вырожденного электронного газа.
• Звёзды с массой ~8–20 солнечных проходят через стадию сверхновой; ядро схлопывается в нейтронную звезду, удерживаемую нейтронным давлением.
• Звёзды с массой более ~20 солнечных сжимаются безостановочно, формируя чёрную дыру.

Процесс коллапса ядра сверхновой типа II длится доли секунды; при этом выделяется колоссальная энергия, большая часть которой уносится нейтрино. Именно нейтринный выброс, зафиксированный в 1987 году при наблюдении сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке, подтвердил теорию имплозионного коллапса.

¶Имплозия в инженерии

В технике термин «имплозия» применяется к разрушению конструкций внутрь под действием внешнего давления. Типичный пример — затопление подводных лодок, превышающих глубину погружения: давление воды сжимает прочный корпус до разрушения. Известны случаи гибели подводных лодок в результате имплозии корпуса — например, катастрофа американской лодки USS Thresher (SSN-593) 10 апреля 1963 года на глубине около 730 метров.

Имплозии подвержены также стеклянные вакуумные колбы, танки-цистерны при разгерметизации, глубоководные аппараты. Обратный процесс — экструзия металла при высоком давлении — тоже иногда описывают через явление имплозии в широком смысле.

¶Имплозия и экстраполированное понятие

В переносном смысле слово «имплозия» употребляется для обозначения процесса «схлопывания изнутри» — например, кризиса организации, социального института или экономики, когда деструктивные процессы развиваются внутри системы, не сопровождаясь внешним «взрывом». Такое употребление закрепилось в социологии и журналистике во второй половине XX века.

¶См. также

• Взрыв
• Кавитация
• Сверхновая звезда
• Термоядерный синтез

¶Источники

• С. А. Зельдович, Ю. Б. Харитон. «Принципы и методы расчёта ядерных зарядов»
• Лос-Аламосская национальная лаборатория. Техническая история проекта «Манхэттен»
• К. Саган. «Космос»
• Encyclopædia Britannica. «Implosion»