Металл для ядерной бомбы
С середины сороковых годов на вооружение ведущих стран поступало ядерное и термоядерное оружие – системы особой мощности, использующие реакции распада или синтеза атомного ядра. За прошедшие десятилетия ученые и инженеры предложили целый ряд разновидностей такого вооружения с теми или иными принципами действия, особенностями конструкции и возможностями. Некоторые из таких предложений успешно прошли через стадию исследований и практических испытаний, подтвердили свой потенциал и поступили на вооружение.
Энергия распада
Первым было предложено, теоретически обосновано, изготовлено и испытано ядерное или атомное оружие. Именно к этому классу относились американские изделия Gadget, Little Boy и Fat Man, советское РДС-1 и т.д. В течение некоторого времени оно составляло основу ядерных арсеналов – вплоть до появления термоядерных систем, имеющих ряд важных отличий.
Подобное оружие использует принцип лавинообразной цепной реакции распада атомного ядра с выделением большого количества энергии. В качестве заряда единственной ступени в подобных изделиях применяются блоки из урана-235 или плутония-239 с высокой степенью обогащения. Проводились исследования иных изотопов, но они не получили практического продолжения. Заряды могут иметь разную конфигурацию и использоваться в устройствах разных схем.
Цепная реакция запускается путем перевода делящегося вещества в критическое состояние – за счет соединения нескольких блоков или обжатия единого заряда. После этого начинается распад ядер на более легкие элементы с выходом различных частиц, в т.ч. нейтронов, которые «разбивают» следующие ядра, что приводит к продолжению реакции.
«Обычное» атомное оружие отличается ограниченной эффективностью: в реакцию вступают лишь десятки процентов урана / плутония. Кроме того, существует вероятность т.н. шипучки (fizzle) – реакции недостаточного количества вещества с получением недостаточной мощности. Впрочем, и в оптимальных условиях ядерный заряд с одной ступенью имеет ограниченный потенциал и позволяет получить мощность не более сотен килотонн в тротиловом эквиваленте.
Эффективность ядерного заряда может быть повышена за счет т.н. усиления или бустинга. Заряд с усилением отличается наличием небольшого количества дейтериево-литиевой смеси. Под воздействием основного заряда в такой смеси начинается реакция термоядерного синтеза. При этом выделяется дополнительное количество нейтронов, воздействующих на делящееся вещество. Бустинг позволяет максимально увеличить выход энергии при минимальном усложнении конструкции устройства.
Реакция синтеза
В 1952 и 1953 гг. США и СССР провели первые испытания своих термоядерных зарядов. Такое оружие использовало новую схему, которая позволяла увеличивать его мощность до десятков мегатонн. По очевидным причинам, термоядерные боезаряды достаточно быстро прошли стадию испытаний и поступили на вооружение. В дальнейшем термоядерное оружие вышло на лидирующие позиции и почти полностью вытеснило изделия предыдущего поколения.
Термоядерный боеприпас заметно отличается от атомного. Он является двухступенчатым и работает по двухфазному принципу. Первая ступень представляет собой «обычный» атомный заряд, а вторая включает дейтерий и дейтерид лития-6, используемые в качестве т.н. термоядерного топлива. Также в конструкции изделия присутствуют дополнительные устройства и компоненты разного назначения.
Под воздействием ядерной реакции первой ступени во второй начинатся термоядерный синтез. Происходит образование гелия с выделением нейтронов и большого количества энергии. В зависимости от количества т.н. термоядерного топлива и других параметров, мощность двух реакций может достигать 20-25 Мт.
Применение более сложных конструкций позволяет дополнительно увеличить мощность взрыва. Так, в 1961 г. была испытана советская термоядерная свободнопадающая бомба АН602 с расчетной мощностью 50 Мт и фактической 58 Мт. При этом исходный проект позволял получить выход энергии, превышающий 100 Мт.
В изделии АН602 была реализована трехступенчатая схема устройства. Первые две ступени представляли собой термоядерные устройства двухфазного типа мощностью по 750 кт. Они должны были запускать реакцию в третьей ступени, включающей термоядерное топливо и заряд урана. Одновременные реакции распада и синтеза позволяли максимально полно использовать имеющиеся материалы и получить максимальную мощность. При этом опытная бомба по соображениям безопасности не получила урановые элементы.
Впрочем, АН602 так и осталась экспериментальным изделием. Пошли в серию и поступили на вооружение боезаряды меньшей мощности. Ценой разумного ограничения мощности удалось получить необходимую эффективность при приемлемых габаритах и массе.
Повышенный выход нейтронов
Разновидностью термоядерного оружия является нейтронное. Эта концепция предусматривает создание особого заряда, выдающего мощный поток быстрых нейтронов. Эти частицы отличаются высокой проникающей способностью, за счет чего обеспечивается эффективное поражение живой силы и иных целей, в т.ч. за различными преградами. Кроме того, нейтронный заряд создает в окружающих объектах наведенную радиоактивность.
Нейтронный заряд представляет собой вариант двухфазного устройства с особым зарядом второй ступени, дающим повышенный выход нейтронов. Кроме того, заряду требуется оболочка, не задерживающая такие частицы. Правильно разработанное устройство выделяет до 75-80 проц. энергии именно в виде нейтронов. При этом быстрые частицы полностью компенсируют потери в других поражающих факторах.
Тем не менее, нейтронное оружие сталкивается с некоторыми ограничениями. Так, при воздушном подрыве поток нейтронов рассеивается и поглощается атмосферой. Это сокращает дальность поражения живой силы до 1-1,5 км, вне зависимости от наличия защиты. Как следствие, нейтронный заряд не имеет существенных преимуществ перед оружием других классов.
При этом нейтронные боевые части нашли применение в проектах противоракетной и противокосмической обороны. На больших высотах, в разреженной атмосфере или за ее пределами, нейтроны не сталкиваются с помехами и могут лететь на большие расстояния – поражая живую силу и аппаратуру либо вызывая подрыв ядерных зарядов.
Теоретическая угроза
Еще в начале пятидесятых годов американские физики предложили идею кобальтовой бомбы. Эта концепция предусматривала создание особой модификации термоядерного заряда, способной создавать устойчивое радиационное загрязнение местности. Всего несколько таких изделий большой мощности, вне зависимости от их расположения, за короткое время могли бы уничтожить все живое на планете. Вследствие этого кобальтовую бомбу также назвали «Машиной Судного дня» (Doomsday Device).
Такая «Машина» по своей конструкции повторяет двухступенчатый термоядерный заряд, но во второй ступени добавляется кобальт-59. При взрыве этот изотоп получает нейтрон и превращается в радиоактивный кобальт-60 с периодом полураспада 5,2 года; также происходит образование ряда других опасных элементов.
Особая опасность кобальтовой бомбы могла бы сделать ее эффективным средством сдерживания. Попытка атаковать ее хозяина могла вылиться в полномасштабную радиационную катастрофу. Однако эти идеи не получили поддержки, и Doomsday Device так и остался исключительно теоретической разработкой. Кроме того, такое оружие прочно вошло в массовую культуру.
Запуск ракеты Р-36М. На борту ракеты может быть от 10 боезарядов по 10 Мт до одного на 20 Мт. Фото Минобороны РФ
В девяностых годах тоже в США была предложена т.н. гафниевая бомба. Утверждалось, что изомер гафния-178м2 под внешним воздействием может начать распад с выделением гамма-излучения. По расчетам, такая реакция позволяла получить энергии в 100 тыс. раз больше, чем эквивалентное количество взрывчатого вещества, хотя и в 100 раз меньше ядерного распада.
В 1998 г. группа ученых сообщила, что им удалось спровоцировать распад гафния-178м2, однако выход энергии оказался минимальным. Предполагалось, что дальнейшие исследования помогут найти оптимальные режимы и запустить распад. Тем не менее, никому не удалось повторить даже исходный опыт, не говоря уже о каким-либо прогрессе. По всей видимости, имела место некая ошибка или сознательная мистификация.
Ядерный прогресс
С момента своего появления ядерное вооружение прошло большой путь. Предлагались и реализовывались разные схемы с теми или иными особенностями и преимуществами. На их основе разрабатывались реальные боеприпасы тактического и стратегического назначении, а также средства их доставки. Создавались и внедрялись разнообразные тактики и стратегии использования и применения.
Следует отметить, что до практической реализации дошли далеко не все идеи и решения. Некоторые предложения были отвергнуты после теоретического анализа или по результатам дальнейшей проработки. В итоге до производства и эксплуатации дошли только самые удачные и эффективные конструкции. И на протяжении нескольких последних десятилетий они обеспечивают безопасность государств-создателей.
Кто на самом деле создал атомную бомбу?
Отцами атомной бомбы обычно называют американца Роберта Оппенгеймера и советского ученого Игоря Курчатова. Но учитывая, что работы над смертоносным оружием велись параллельно в четырех странах и кроме ученых этих стран в них участвовали выходцы из Италии, Венгрии, Дании и т. д., родившаяся в результате бомба по справедливости может быть названа детищем разных народов.
Первыми за дело взялись немцы. В декабре 1938 года их физики Отто Ган и Фриц Штрассман впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана. В апреле 1939 года в адрес военного руководства Германии поступило письмо профессоров Гамбургского университета П. Хартека и В. Грота, в котором указывалось на принципиальную возможность создания нового вида высокоэффективного взрывчатого вещества. Ученые писали: «Та страна, которая первой сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретет абсолютное превосходство над другими». И вот уже в имперском министерстве науки и образования проводится совещание на тему «О самостоятельно распространяющейся (то есть цепной) ядерной реакции». Среди участников профессор Э. Шуман, руководитель исследовательского отдела Управления вооружений Третьего рейха. Не откладывая, перешли от слов к делу. Уже в июне 1939 года началось сооружение первой в Германии реакторной установки на полигоне Куммерсдорф под Берлином. Был принят закон о запрете вывоза урана за пределы Германии, а в Бельгийском Конго срочно закупили большое количество урановой руды.
Германия начинает и… проигрывает
26 сентября 1939 года, когда в Европе уже полыхала война, было принято решение засекретить все работы, имеющие отношение к урановой проблеме и осуществлению программы, получившей название «Урановый проект». Задействованные в проекте ученые поначалу были настроены весьма оптимистично: они считали возможным создание ядерного оружия в течение года. Ошибались, как показала жизнь.
К участию в проекте были привлечены 22 организации, в том числе такие известные научные центры, как Физический институт Общества Кайзера Вильгельма, Институт физической химии Гамбургского университета, Физический институт Высшей технической школы в Берлине, Физико-химический институт Лейпцигского университета и многие другие. Проект курировал лично имперский министр вооружений Альберт Шпеер. На концерн «ИГ Фарбениндустри» было возложено производство шестифтористого урана, из которого возможно извлечение изотопа урана-235, способного к поддержанию цепной реакции. Этой же компании поручалось и сооружение установки по разделению изотопов. В работах непосредственно участвовали такие маститые ученые, как Гейзенберг, Вайцзеккер, фон Арденне, Риль, Позе, нобелевский лауреат Густав Герц и другие.
В течение двух лет группа Гейзенберга провела исследования, необходимые для создания атомного реактора с использованием урана и тяжелой воды. Было подтверждено, что взрывчатым веществом может служить лишь один из изотопов, а именно — уран-235, содержащийся в очень небольшой концентрации в обычной урановой руде. Первая проблема заключалась в том, как его оттуда вычленить. Отправной точкой программы создания бомбы был атомный реактор, для которого — в качестве замедлителя реакции — требовался графит либо тяжелая вода. Немецкие физики выбрали воду, создав себе тем самым серьезную проблему. После оккупации Норвегии в руки нацистов перешел в то время единственный в мире завод по производству тяжелой воды. Но там запас необходимого физикам продукта к началу войны составлял лишь десятки килограммов, да и они не достались немцам — французы увели ценную продукцию буквально из-под носа нацистов. А в феврале 1943 года заброшенные в Норвегию английские коммандос с помощью бойцов местного сопротивления вывели завод из строя. Реализация ядерной программы Германии оказалась под угрозой. На этом злоключения немцев не кончились: в Лейпциге взорвался опытный ядерный реактор. Урановый проект поддерживался Гитлером лишь до тех пор, пока оставалась надежда получить сверхмощное оружие до конца развязанной им войны. Гейзенберга пригласил Шпеер и спросил прямо: «Когда можно ожидать создания бомбы, способной быть подвешенной к бомбардировщику?» Ученый был честен: «Полагаю, потребуется несколько лет напряженной работы, в любом случае на итоги текущей войны бомба повлиять не сможет». Германское руководство рационально посчитало, что форсировать события не имеет смысла. Пусть ученые спокойно работают — к следующей войне, глядишь, успеют. В итоге Гитлер решил сосредоточить научные, производственные и финансовые ресурсы только на проектах, дающих скорейшую отдачу в создании новых видов оружия. Государственное финансирование работ по урановому проекту было свернуто. Тем не менее работы ученых продолжались.
В 1944 году Гейзенберг получил литые урановые пластины для большой реакторной установки, под которую в Берлине уже сооружался специальный бункер. Последний эксперимент по достижению цепной реакции был намечен на январь 1945 года, но 31 января все оборудование спешно демонтировали и отправили из Берлина в деревню Хайгерлох неподалеку от швейцарской границы, где оно было развернуто только в конце февраля. Реактор содержал 664 кубика урана общим весом 1525 кг, окруженных графитовым замедлителем-отражателем нейтронов весом 10 т. В марте 1945 года в активную зону дополнительно влили 1,5 т тяжелой воды. 23 марта в Берлин доложили, что реактор заработал. Но радость была преждевременна — реактор не достиг критической точки, цепная реакция не пошла. После перерасчетов оказалось, что количество урана необходимо увеличить по крайней мере на 750 кг, пропорционально увеличив массу тяжелой воды. Но запасов ни того ни другого уже не оставалось. Конец Третьего рейха неумолимо приближался. 23 апреля в Хайгерлох вошли американские войска. Реактор был демонтирован и вывезен в США.
Тем временем за океаном
Параллельно с немцами (лишь с небольшим отставанием) разработками атомного оружия занялись в Англии и в США. Начало им положило письмо, направленное в сентябре 1939 года Альбертом Эйнштейном президенту США Франклину Рузвельту. Инициаторами письма и авторами большей части текста были физики-эмигранты из Венгрии Лео Силард, Юджин Вигнер и Эдвард Теллер. Письмо обращало внимание президента на то, что нацистская Германия ведет активные исследования, в результате которых может вскоре обзавестись атомной бомбой.
В СССР первые сведения о работах, проводимых как союзниками, так и противником, были доложены Сталину разведкой еще в 1943 году. Сразу же было принято решение о развертывании подобных работ в Союзе. Так начался советский атомный проект. Задания получили не только ученые, но и разведчики, для которых добыча ядерных секретов стала сверхзадачей.
Ценнейшие сведения о работе над атомной бомбой в США, добытые разведкой, очень помогли продвижению советского ядерного проекта. Участвовавшие в нем ученые сумели избежать тупиковых путей поиска, тем самым существенно ускорив достижение конечной цели.
Опыт недавних врагов и союзников
Естественно, советское руководство не могло оставаться безразличным и к немецким атомным разработкам. По окончании войны в Германию была направлена группа советских физиков, среди которых были будущие академики Арцимович, Кикоин, Харитон, Щелкин. Все были закамуфлированы в форму полковников Красной армии. Операцией руководил первый заместитель наркома внутренних дел Иван Серов, что открывало любые двери. Кроме нужных немецких ученых «полковники» разыскали тонны металлического урана, что, по признанию Курчатова, сократило работу над советской бомбой не менее чем на год. Немало урана из Германии вывезли и американцы, прихватив и специалистов, работавших над проектом. А в СССР, помимо физиков и химиков, отправляли механиков, электротехников, стеклодувов. Некоторых находили в лагерях военнопленных. Например, Макса Штейнбека, будущего советского академика и вице-президента АН ГДР, забрали, когда он по прихоти начальника лагеря изготовлял солнечные часы. Всего по атомному проекту в СССР работали не менее 1000 немецких специалистов. Из Берлина была целиком вывезена лаборатория фон Арденне с урановой центрифугой, оборудование Кайзеровского института физики, документация, реактивы. В рамках атомного проекта были созданы лаборатории «А», «Б», «В» и «Г», научными руководителями которых стали прибывшие из Германии ученые.
Лабораторией «А» руководил барон Манфред фон Арденне, талантливый физик, разработавший метод газодиффузионной очистки и разделения изотопов урана в центрифуге. Поначалу его лаборатория располагалась на Октябрьском поле в Москве. К каждому немецкому специалисту было приставлено по пять-шесть советских инженеров. Позже лаборатория переехала в Сухуми, а на Октябрьском поле со временем вырос знаменитый Курчатовский институт. В Сухуми на базе лаборатории фон Арденне сложился Сухумский физико-технический институт. В 1947 году Арденне удостоился Сталинской премии за создание центрифуги для очистки изотопов урана в промышленных масштабах. Через шесть лет Арденне стал дважды Сталинским лауреатом. Жил он с женой в комфортабельном особняке, жена музицировала на привезенном из Германии рояле. Не были обижены и другие немецкие специалисты: они приехали со своими семьями, привезли с собой мебель, книги, картины, были обеспечены хорошими зарплатами и питанием. Были ли они пленными? Академик А.П. Александров, сам активный участник атомного проекта, заметил: «Конечно, немецкие специалисты были пленными, но пленными были и мы сами».
Николаус Риль, уроженец Санкт-Петербурга, в 1920-е годы переехавший в Германию, стал руководителем лаборатории «Б», которая проводила исследования в области радиационной химии и биологии на Урале (ныне город Снежинск). Здесь с Рилем работал его старый знакомый еще по Германии, выдающийся русский биолог-генетик Тимофеев-Ресовский («Зубр» по роману Д. Гранина).
Получив признание в СССР как исследователь и талантливый организатор, умеющий находить эффективные решения сложнейших проблем, доктор Риль стал одной из ключевых фигур советского атомного проекта. После успешного испытания советской бомбы он стал Героем Социалистического Труда и лауреатом Сталинской премии.
Работы лаборатории «В», организованной в Обнинске, возглавил профессор Рудольф Позе, один из пионеров в области ядерных исследований. Под его руководством были созданы реакторы на быстрых нейтронах, первая в Союзе АЭС, началось проектирование реакторов для подводных лодок. Объект в Обнинске стал основой для организации Физико-энергетического института имени А.И. Лейпунского. Позе работал до 1957 года в Сухуми, затем — в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне.
Руководителем лаборатории «Г», размещенной в сухумском санатории «Агудзеры», стал Густав Герц, племянник знаменитого физика XIX века, сам известный ученый. Он получил признание за серию экспериментов, ставших подтверждением теории атома Нильса Бора и квантовой механики. Результаты его весьма успешной деятельности в Сухуми в дальнейшем были использованы на промышленной установке, построенной в Новоуральске, где в 1949 году была выработана начинка для первой советской атомной бомбы РДС-1. За свои достижения в рамках атомного проекта Густав Герц в 1951 году удостоился Сталинской премии.
Немецкие специалисты, получившие разрешение вернуться на родину (естественно, в ГДР), давали подписку о неразглашении в течение 25 лет сведений о своем участии в советском атомном проекте. В Германии они продолжали работать по специальности. Так, Манфред фон Арденне, дважды удостоенный Национальной премии ГДР, занимал должность директора Физического института в Дрездене, созданного под эгидой Научного совета по мирному применению атомной энергии, которым руководил Густав Герц. Национальную премию получил и Герц — как автор трехтомного труда-учебника по ядерной физике. Там же, в Дрездене, в Техническом университете, работал и Рудольф Позе.
Участие немецких ученых в атомном проекте, как и успехи разведчиков, нисколько не умаляют заслуг советских ученых, своим самоотверженным трудом обеспечивших создание отечественного атомного оружия. Однако надо признать, что без вклада тех и других создание атомной промышленности и атомного оружия в СССР растянулось бы на долгие годы.
Little Boy
Американская урановая бомба, разрушившая Хиросиму, имела пушечную конструкцию. Советские атомщики, создавая РДС-1, ориентировались на «бомбу Нагасаки» — Fat Boy, выполненную из плутония по имплозионной схеме.
Манфред фон Арденне, разработавший метод газодиффузионной очистки и разделения изотопов урана в центрифуге.
Операция Crossroads — серия тестов атомной бомбы, проведенная США на атолле Бикини летом 1946 года. Целью было испытать эффект атомного оружия на кораблях.
Помощь из-за океана
Пионеры деления ядер
К. А. Петржак и Г. Н. Флеров
В 1940 году в лаборатории Игоря Курчатова двумя молодыми физиками был открыт новый, очень своеобразный вид радиоактивного распада атомных ядер — спонтанное деление.
Отто Ган
В декабре 1938 года немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана.
Развитие конструкций ядерных зарядов
Ядерное оружие является самым эффективным в истории человечества по критерию стоимость/эффективность: годовые затраты на разработку, испытание, изготовление и поддержание в эксплуатации этого оружия составляют от 5 до 10 процентов военного бюджета США и РФ – стран с уже сформированным ядерным производственным комплексом, развитой атомной энергетикой и наличием парка суперкомпьютеров для математического моделирования ядерных взрывов.
Использование ядерных устройств в военных целях основано на свойстве атомов тяжелых химических элементов распадаться на атомы более легких элементов с выделением энергии в виде электромагнитного излучения (гама- и рентгеновского диапазона), а также в виде кинетической энергии разлетающихся элементарных частиц (нейтронов, протонов и электронов) и ядер атомов более легких элементов (цезия, стронция, иода и других)
Наиболее востребованными тяжелыми элементами являются уран и плутоний. Их изотопы при делении своего ядра выделяют от 2 до 3 нейтронов, которые в свою очередь вызывают деление ядер соседних атомов и т.д. В веществе возникает самораспространяющаяся (т.н. цепная) реакция с выделением большого количества энергии. Для запуска реакции требуется определенная критическая масса, объем которой будет достаточен для захвата нейтронов ядрами атомов без вылета нейтронов за пределы вещества. Критическая масса может быть уменьшена с помощью отражателя нейтронов и инициирующего источника нейтронов
Запуск реакции деления производится путем соединения двух подкритических масс в одну надкритическую или путем обжатия сферической оболочки надкритической массы в сферу, увеличивая тем самым концентрацию делящегося вещества в заданном объеме. Соединение или обжатие делящегося вещества осуществляется с помощью направленного взрыва химического взрывчатого вещества.
Кроме реакции деления тяжелых элементов, в ядерных зарядах применяется реакция синтеза легких элементов. Термоядерный синтез требует нагрева и сжатия вещества до нескольких десятков миллионов градусов и атмосфер, что можно обеспечить только за счет энергии, выделяющейся при реакции деления. Поэтому термоядерные заряды конструируются по двухступенчатой схеме. В качестве легких элементов используют изотопы водорода тритий и дейтерий (требующие минимальных значений температуры и давления для запуска реакции синтеза) или химическое соединение — дейтерид лития (последний под действием нейтронов от взрыва первой ступени делится на тритий и гелий). Энергия в реакции синтеза выделяется в виде электромагнитного излучения и кинетической энергии нейтронов, электронов и ядер атомов гелия (т.н. альфа-частиц). Энерговыделение реакции синтеза в расчете на единицу массы в четыре раза превышает подобный показатель реакции деления
Тритий и продукт его самораспада дейтерий используют также в качестве источника нейтронов для инициации реакции деления. Тритий или смесь изотопов водорода под действием сжатия плутониевой оболочки частично вступает в реакцию синтеза с выделением нейтронов, которые переводят плутоний в надкритичное состояние.
Основными компонентами современных ядерных зарядов являются следующие:
— стабильный (самопроизвольно не делящийся) изотоп урана U-238, добываемый из урановой руды или (в виде примеси) из фосфатной руды;
— радиоактивный (самопроизвольно делящийся) изотоп урана U-235, добываемый из урановой руды или нарабатываемый из U-238 в ядерных реакторах;
— радиоактивный изотоп плутония Pu-239, нарабатываемый из U-238 в ядерных реакторах;
— стабильный изотоп водорода дейтерий D, добываемый из природной воды или нарабатываемый из протия в ядерных реакторах;
— радиоактивный изотоп водорода тритий T, нарабатываемй из дейтерия в ядерных реакторах;
— стабильный изотоп лития Li-6, добываемый из руды;
— стабильный изотоп бериллия Be-9, добываемый из руды;
— октоген и триаминотринитробензол, химические взрывчатые вещества.
Критическая масса шара, выполненного из U-235 с диаметром 17 см, составляет 50 кг, критическая масса шара, выполненного из Pu-239 с диаметром 10 см — 11 кг. С помощью отражателя нейтронов из бериллия и источника нейтронов из трития критическую массу можно снизить соответственно до 35 и 6 кг.
Для устранения риска самопроизвольного срабатывания ядерных зарядов в них используют т.н. оружейный Pu-239, очищенный от других, менее стабильных изотопов плутония до уровня 94%. С периодичность 30 лет плутоний очищают от продуктов самопроизвольного ядерного распада его изотопов. С целью увеличения механической прочности плутоний сплавляют с 1 массовым процентом галлия и покрывают тонким слоем никеля для защиты от окисления
Температура радиационного саморазогрева плутония в процессе хранения ядерных зарядов не превышает 100 градусов Цельсия, что ниже температуры разложения химического ВВ.
По состоянию на 2000 год количество оружейного плутония в распоряжении РФ оценивается в 170 тонн, США – в 103 тонны плюс несколько десятков тонн, принятых на хранение от стран НАТО, Японии и Южной Кореи, не обладающих ядерным оружием. РФ имеет самые большие в мире мощности по производству плутония в виде оружейных и энергетических атомных реакторов на быстрых нейтронах. Вместе с плутонием себестоимостью порядка 100 долларов США за грамм (5-6 кг на один заряд) нарабатывается тритий себестоимостью порядка 20 тысяч долларов США за грамм (4-5 грамм на один заряд).
Самыми первыми конструкциями ядерных зарядов деления были «Малыш» и «Толстяк», разработанные в США в середине 1940-х годов. Последний тип заряда отличался от первого сложной аппаратурой синхронизации подрыва многочисленных электродетонаторов и большим поперечным габаритом.
«Малыш» был выполнен по пушечной схеме – вдоль продольной оси корпуса авиационной бомбы монтировался артиллерийской ствол, в заглушенном конце которого находилось одна половины делящегося вещества (уран U-235), вторая половина делящегося вещества представляла собой снаряд, разгоняемый пороховым зарядом. Коэффициент использования урана в реакции деления составлял порядка 1 процента, остальная масса U-235 выпадала в виде радиоактивных осадков с периодом полураспада 700 млн. лет
«Толстяк» был выполнен по имплозивной схеме – полую сферу из делящегося вещества (плутоний Pu-239) окружали оболочка из урана U-238 (толкатель), оболочка из алюминия (гаситель) и оболочка (генератор имплозии), набранная из пяти- и шестигранных сегментов химического взрывчатого вещества, на внешней поверхности которых были установлены электродетонаторы. Каждый сегмент представлял собой детонационную линзу из двух видов ВВ с различной скоростью детонации, преобразовывавших расходящуюся волну давления в сферическую сходящуюся волну, равномерно сжимавшую алюминиевую оболочку, которая в свою очередь сжимала урановую оболочку, а та – плутониевую сферу до смыкания её внутренней полости. Алюминиевый гаситель был использован, чтобы воспринять отдачу волны давления при её переходе в материал с большей плотностью, урановый толкатель – для инерционного удержания плутония в ходе реакции деления. Во внутренней полости плутониевой сферы был расположен источник нейтронов, изготовленный из радиоактивного изотопа полония Po-210 и бериллия, который под действием альфа-излучения полония испускал нейтроны. Коэффициент использования делящегося вещества составлял порядка 5 процентов, период полураспада радиоактивных осадков — 24 тысячи лет
Сразу после создания «Малыша» и «Толстяка» в США начались работы по оптимизации конструкции ядерных зарядов как пушечной так и имплозивной схем, направленные на уменьшение критической массы, повышение коэффициента использования делящегося вещества, упрощение системы электродетонации и снижения габаритов. В СССР и других государствах – обладателях ядерного оружия заряды изначально создавались по имплозивной схеме. В результате оптимизации конструкции критическая масса делящегося вещества была уменьшена, а коэффициент его использования был повышен в несколько раз за счет применения отражателя нейтронов и источника нейтронов.
Бериллиевый отражатель нейтронов представляет собой металлическую оболочку толщиной до 40 мм, источник нейтронов – газообразный тритий, заполняющий полость в плутонии, или пропитанный тритием гидрид железа с титаном, хранящийся в отдельном баллоне (бустере) и выделяющий тритий под действием нагрева электричеством непосредственно перед применением ядерного заряда, после чего тритий по газопроводу подается внутрь заряда. Последнее техническое решение позволяет кратно варьировать мощность ядерного заряда в зависимости от объема перекачиваемого трития, а также облегчает замену газовой смеси на новую каждые 4-5 лет, поскольку период полураспада трития составляет 12 лет. Избыточное количество трития в составе бустера позволяет снизить критическую массу плутония до 3 кг и существенно повысить действие такого поражающего фактора как нейтронное излучение (за счет снижения действия других поражающих факторов — ударной волны и светового излучения). В результате оптимизации конструкции коэффициент использования делящегося вещества увеличился до 20%, в случае избытка трития – до 40%.
Пушечная схема была упрощена за счет перехода к радиально-осевой имплозии посредством выполнения массива делящегося вещества в виде полого цилиндра, сминаемого взрывом двух торцевых и одного аксиального заряда ВВ
Имплозивная схема была оптимизирована (SWAN) за счет выполнения внешней оболочки ВВ в форме эллипсоида, позволившего уменьшить количество детонационных линз до двух единиц, разнесенных к полюсам эллипсоида — разность в скорости прохождения детонационной волны в поперечном сечении детонационной линзы обеспечивает одновременный подход ударной волны к сферической поверхности внутреннего слоя ВВ, детонация которого равномерно обжимает оболочку из бериллия (совмещающего функции отражателя нейтронов и гасителя отдачи волны давления) и сферу из плутония с внутренней полостью, заполненную тритием или его смесью с дейтерием
Наиболее компактной реализацией имплозивной схемы (примененной в советском 152-мм снаряде) является выполнение взрывчато-бериллиево-плутониевой сборки в виде полого эллипсоида с переменной толщиной стенки, обеспечивающей расчетную деформацию сборки под действием ударной волны от взрыва ВВ в конечную сферическую конструкцию
Несмотря на различные технические усовершенствования мощность ядерных зарядов деления оставалась ограниченной уровнем 100 Ктн в тротиловом эквиваленте из-за неустранимого разлета внешних слоев делящегося вещества в процессе взрыва с исключением вещества из реакции деления.
Поэтому была предложена конструкция термоядерного заряда, включающего в свой состав как тяжелые элементы деления, так и легкие элементы синтеза. Первый термоядерный заряд (Ivy Mike) был выполнен в виде криогенного бака, заполненного жидкой смесью трития и дейтерия, в которой располагался имплозивный ядерный заряд плутония. В связи с крайне большими габаритами и необходимостью постоянного охлаждения криогенного бака на практике использовали другую схему – имплозивную «слойку» (РДС-6с), включающую несколько чередующихся слоев урана, плутония и дейтерида лития с внешним бериллиевым отражателем и внутренним тритиевым источником
Однако мощность «слойки» также была ограничена уровнем 1 Мтн из-за начала протекания реакции деления и синтеза во внутренних слоях и разлета непрореагировавших внешних слоев. С целью преодоления этого ограничения была разработана схема обжатия легких элементов реакции синтеза рентгеновским излучением (вторая ступень) от реакции деления тяжелых элементов (первая ступень). Огромное давление потока рентгеновских фотонов, выделяющихся в реакции деления, позволяет 10-кратно обжать дейтерид лития с увеличением плотности в 1000 раз и нагреть в процессе сжатия, после чего литий подвергается воздействию потока нейтронов от реакции деления, превращаясь в тритий, который вступает в реакции синтеза с дейтерием. Двухступенчатая схема термоядерного заряда является наиболее чистой по выходу радиоактивности, поскольку вторичные нейтроны от реакции синтеза дожигают непрореагировавший уран/плутоний до короткоживущих радиоактивных элементов, а сами нейтроны гасятся в воздухе при пробеге порядка 1,5 км.
С целью равномерного обжима второй ступени корпус термоядерного заряда выполняют в форме скорлупы арахиса, располагая сборку первой ступени в геометрическом фокусе одной части скорлупы, а сборку второй ступени – в геометрическом фокусе другой части скорлупы. Сборки подвешены в объеме корпуса с помощью наполнителя из пенопласта или аэрогеля. По правилам оптики рентгеновское излучение от взрыва первой ступени концентрируется в сужении между двумя частями скорлупы и равномерно распределяется по поверхности второй ступени. С целью увеличения отражательной способности в рентгеновском диапазоне внутренняя поверхность корпуса заряда и внешняя поверхность сборки второй ступени покрываются слоем из плотного вещества: свинца, вольфрама или урана U-238. В последнем случае термоядерный заряд становится трехступенчатым – под действием нейтронов от реакции синтеза U-238 превращается в U-235, атомы которого вступают в реакцию деления и увеличивают мощность взрыва
Трехступенчатая схема была заложена в конструкции советской авиабомбы АН-602, расчетная мощность которой составляла 100 Мтн. Перед проведением испытания третья ступень была исключена из её состава путем замены урана U-238 на свинец из-за риска расширения зоны радиоактивных осадков от деления U-238 за пределы испытательного полигона. Фактическая мощность двухступенчатой модификации АН-602 составила 58 Мтн. Дальнейшее наращивание мощности термоядерных зарядов можно производить путем увеличения количества термоядерных зарядов в составе объединенного взрывного устройства. Однако в этом нет необходимости по причине отсутствия адекватных им целей – современный аналог АН-602, размещенный на борту подводного аппарата «Посейдон», имеет радиус разрушений ударной волной зданий и сооружений в 72 км и радиус пожаров в 150 км, что вполне достаточно для уничтожения таких мегаполисов как Нью-Йорк или Токио
С точки зрения ограничения последствий использования ядерного оружия (территориальная локализация, минимизация выхода радиоактивности, тактический уровень применения) перспективными являются т.н. прецизионные одноступенчатые заряды мощностью до 1 Ктн, которые предназначены для поражения точечных целей – ракетных шахт, штабов, узлов связи, радаров, позиций ЗРК, кораблей, подводных лодок, стратегических бомбардировщиков и т.п.
Конструкция подобного заряда может быть выполнена в виде имплозивной сборки, включающее две эллипсоидные детонационные линзы (химическое ВВ из октогена, инертный материал из полипропилена), три сферические оболочки (нейтронный отражатель из бериллия, пьезоэлектрический генератор из иодида цезия, делящееся вещество из плутония) и внутреннюю сферу (термоядерное топливо из дейтерида лития)
Под действием сходящейся волны давления иодид цезия вырабатывает сверхмощный электромагнитный импульс, поток электронов генерирует в плутонии гамма-излучение, выбивающее нейтроны из ядер, инициируя тем самым самораспространяющуюся реакцию деления, рентгеновское излучение сжимает и нагревает дейтерид лития, поток нейтронов вырабатывает из лития тритий, который вступает в реакцию с дейтерием. Центростремительная направленность реакций деления и синтеза обеспечивает 100-процентное использование термоядерного топлива.
Дальнейшее развитие конструкций ядерных зарядов в направлении минимизации мощности и радиоактивности возможно за счет замены плутония на устройство лазерного сжатия капсулы со смесью трития и дейтерия.
О разновидностях ядерного оружия
Читайте также: