Путь к созданию атомной бомбы
В 1896 году французский химик Антуан Анри Беккерель открывает радиоактивность урана.
В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаруживает альфа- и бета-лучи. В 1900 г. открыто гамма-излучение.
В эти годы открыты многие радиоактивные изотопы химических элементов: в 1898 г. Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри открыты полоний и радий, в 1899 Резерфордом открыт радон, а Дебьерном — актиний.
В 1903 году Резерфорд и Фредерик Содди опубликовали закон радиоактивного распада.
В 1921 г. Отто Ган, фактически, открывает ядерную изомерию.
В 1932 г. Джеймс Чедвик открыл нейтрон, а Карл Д.Андерсон — позитрон.
В том же 1932 году в США Эрнест Лоуренс запустил первый циклотрон, а в Англии Эрнест Уолтон и Джон Кокрофт впервые расщепили ядро атома: они разрушили ядро лития, обстреливая его на ускорителе протонами. Одновременно такой эксперимент был проведен в СССР.
В 1934 г. Фредерик Жолио-Кюри открыл искусственную радиоактивность, а Энрико Ферми разработал методику замедления нейтронов. В 1936 г. им было открыто селективное поглощение нейтронов.
В 1938 г. Отто Ган, Фриц Штрассман и Лиза Мейтнер открывают расщепление ядра урана при поглощении им нейтронов. С этого и начинается разработка ядерного оружия.
В 1940 г. Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, работая в ЛФТИ, открыли спонтанное деление ядра урана.
Весной 1941 г. Ферми завершил разработку теории цепной ядерной реакции.
В июне 1942 г. Ферми и Г.Андерсоном в ходе опытов был получен коэффициент размножения нейтронов больше единицы, что открыло путь к созданию ядерного реактора.
2 декабря 1942 г. в США заработал первый в мире ядерный реактор, осуществлена первая самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция.
17 сентября 1943 г. стартовал «Манхэттенский проект».
16 июля 1945 г. в США в пустыне под Аламогордо (штат Нью-Мексико) испытано первое ядерное взрывное устройство «Gadget» (одноступенчатое, на основе плутония).
В августе 1945 г. на японские города американцами были сброшены первые атомные бомбы «Малыш» (6 августа, Хиросима) и «Толстяк» (9 августа, Нагасаки). См. Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.
Послевоенное совершенствование ядерного оружия
Июль 1946 г. США проводят операцию «Перекрёстки» на атолле Бикини: 4-й и 5-й атомные взрывы в истории человечества.
Весной 1948 г. американцы провели операцию «Песчаник». Подготовка к ней шла с лета 1947 г. В ходе операции были испытаны 3 усовершенствованные атомные бомбы.
29 августа 1949 г. СССР провел испытания своей атомной бомбы РДС-1, разрушив ядерную монополию США.
В конце января — начале февраля 1951 г. США открыли Ядерный полигон в Неваде и провели там операцию «Рейнджер» из 5 ядерных взрывов.
В апреле — мае 1951 г. США провели операцию «Парник» (Operation Greenhouse).
В октябре — ноябре 1951 г. на полигоне в Неваде США провели операцию «Бастер-Джангл». Принцип действия
В основу ядерного оружия положены неуправляемые цепная реакция деления тяжелых ядер и реакции термоядерного синтеза.
Для осуществления цепной реакции деления используются либо уран-235, либо плутоний-239, либо, в отдельных случаях, уран-233. Уран в природе встречается в виде двух основных изотопов — уран-235 (0,72 % природного урана) и уран-238 — всё остальное (99,2745 %). Обычно встречается также примесь из урана-234 (0,0055 %), образованная распадом урана-238. Однако, в качестве делящегося вещества можно использовать только уран-235. В уране-238 самостоятельное развитие цепной ядерной реакции невозможно (поэтому он и распространен в природе). Для обеспечения «работоспособности» ядерной бомбы содержание урана-235 должно быть не ниже 80 %. Поэтому при производстве ядерного топлива для повышения доли урана-235 и применяют сложный и крайне затратный процесс обогащения урана. В США степень обогащенности оружейного урана (доля изотопа 235) превышает 93 % и иногда доводится до 97,5 %.
Альтернативой химическому процессу обогащения урана служит создание «плутониевой бомбы» на основе изотопа плутоний-239, который для увеличения стабильности физических свойств и улучшения сжимаемости заряда обычно легируется небольшим количеством галлия. Плутоний вырабатывается в ядерных реакторах в процессе длительного облучения урана-238 нейтронами. Аналогично уран-233 получается при облучении нейтронами тория. В США ядерные боеприпасы снаряжаются сплавом 25 или Oraloy, название которого происходит от Oak Ridge (завод по обогащению урана) и alloy (сплав). В состав этого сплава входит 25 % урана-235 и 75 % плутония-239.
Следует отметить, что сведения об устройстве ядерных боеприпасов до сих пор строго засекречены во всех странах. Только дотошность отдельных западных журналистов и крайне редкие, ничтожные утечки этой закрытой информации, скрупулёзно изученные на основе физических знаний, с помощью методов «обратной инженерии» позволили с определенной вероятностью правильно понять основные принципы. Почти все эти сведения относятся к ядерным боеприпасам, произведённым в США.
Варианты детонации
Существуют две основные схемы подрыва делящегося заряда: пушечная, иначе называемая баллистической, и имплозивная.
Пушечная схема характерна для некоторых моделей ядерного оружия первого поколения, а также артиллерийских ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру орудия. Суть пушечной схемы заключается в выстреливании зарядом пороха одного блока делящегося вещества докритической массы («пуля») в другой — неподвижный («мишень»). Блоки рассчитаны так, что при соединении их общая масса становится сверхкритической.
Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет на два порядка более высокий нейтронный фон, что резко повышает вероятность преждевременного развития цепной реакции до соединения блоков. Это приводит к неполному выходу энергии (fizzle или «пшик»). Для реализации пушечной схемы в плутониевых боеприпасах требуется увеличение скорости соединения частей заряда до технически недостижимого уровня. Кроме того уран лучше, чем плутоний выдерживает механические перегрузки.
Классическим примером такой схемы является бомба «Малыш» («Little Boy»), сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 г. Уран для её производства был добыт в Бельгийском Конго (ныне Демократическая Республика Конго). В бомбе «Little Boy» для этой цели использовался укороченный до 1,8 м ствол морского орудия калибра 16,4 см, при этом урановая «мишень» представляла собой полый цилиндр, в который входила сплошная цилиндрическая «пуля» меньшего радиуса.
Имплозивная схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки. Для фокусировки ударной волны используются так называемые взрывные линзы, и подрыв производится одновременно во многих точках с прецизионной точностью. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Формирование сходяшейся ударной волны обеспечивалось использованием взрывных линз из «быстрой» и «медленной» взрывчаток — боратола и ТАТВ (см. анимацию).
По такой схеме был исполнен и первый ядерный заряд, взорванный в испытательных целях (ядерное устройство «Gadget» (англ. gadget — приспособление), подорванное в ходе испытаний с выразительным названием «Trinity» («Троица») 16 июля 1945 года на полигоне неподалеку от местечка Аламогордо в штате Нью-Мексико), и вторая из примененных по назначению атомных бомб — «Толстяк» («Fat Man»), сброшенная на Нагасаки. Фактически, «Gadget» был лишенным внешней оболочки прототипом бомбы «Толстяк». В этой первой атомной бомбе в качестве нейтронного инициатора был использован «ёжик» (англ. urchin). (Технические подробности см. в статье «Толстяк».) Впоследствии эта схема была признана малоэффективной, и неуправляемый тип нейтронного инициирования почти не применялся в дальнейшем.
Намного более эффективным устройством для запуска цепной реакции является импульсная нейтронная трубка. Она представляет собой компактный ускоритель ионов трития, которые ударяются о мишень, содержащую дейтерий. При соударении ускоренных ядер трития с ядрами дейтерия происходит квази-термоядерная реакция, при которой, как и при термоядерном синтезе выделяются быстрые нейтроны. Однако ядра гелия при этом не образуются. Происходит, можно сказать, срыв реакции синтеза. Варьируя ускоряющее напряжение нейтронной трубки, можно регулировать интенсивность инициирующего потока нейтронов и, таким образом, настраивать мощность ядерного взрыва до нужного значения.
В однофазных ядерных устройствах в центре полой сборки обычно размещается небольшое количество термоядерного топлива (газообразный дейтерий и тритий, или дейтерий и тритий в составе негазообразных химических соединений), которое нагревается и сжимается в процессе деления сборки до такого состояния, что в нем начинается термоядерная реакция синтеза. Выделяющиеся при этом дополнительные нейтроны инициируют новые цепные реакции в сборке и возмещают убыль нейтронов, покидающих активную зону, что приводит к многократному росту энергетического выхода от взрыва и более эффективному использованию делящегося вещества.
Следует отметить, что описанная схема сферической имплозии является анахроничной и с середины 1950-х годов почти не применяется. Реально применяемый дизайн Swan (англ. swan — лебедь), основан на использовании эллипсоидальной делящейся сборки, которая в процессе двухточечной, то есть, инициированной в двух точках имплозии сжимается в продольном направлении и превращается в надкритическую сферу. Как таковые, взрывные линзы при этом не используются. Детали этого дизайна до сих пор засекречены, но, предположительно, формирование сходящейся ударной волны осуществляется за счет эллипсоидальной формы имплозирующего заряда, так что между ним и находящейся внутри ядерной сборкой остается заполненное воздухом пространство. Тогда равномерное обжатие сборки осуществляется за счет того, что скорость детонации взрывчатки превышает скорость движения ударной волны в воздухе. Существенно более легкий тампер выполняется не из урана-238, а из хорошо отражающего нейтроны бериллия. Можно предположить, что необычное название данного дизайна — «Лебедь» (первое испытание — Inca в 1956 г.) было подсказано образом взмахнувшего крыльями лебедя, который отчасти ассоциируется с фронтом ударной волны, плавно охватывающим с двух сторон сборку. Таким образом оказалось возможным отказаться от сферической имплозии и, тем самым, уменьшить диаметр имплозивного ядерного боеприпаса с 2 м у бомбы «Толстяк» до 30 см и менее.
Мощность ядерного заряда, работающего исключительно на принципе деления тяжёлых элементов, ограничивается десятками килотонн. Энерговыход (англ. yield) однофазного боеприпаса, усиленного термоядерным зарядом внутри делящейся сборки, может достигать сотен килотонн. Создать однофазное устройство мегатонного класса практически невозможно, и увеличение массы делящегося вещества не решает проблему. Дело в том, что энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции, раздувает сборку со скоростью порядка 1000 км/с, поэтому она быстро становится докритической, и большая часть делящегося вещества не успевает прореагировать. Например, в сброшенной на город Нагасаки бомбе «Толстяк» успело прореагировать не более 20 % из 6,2 кг заряда плутония, а в уничтожившей Хиросиму бомбе «Малыш» с пушечной сборкой распалось только 1,4 % из 64 кг обогащенного до 80 % урана. Самый мощный в истории, однофазный (британский) боеприпас, взорванный в ходе испытаний Orange Herald в 1957 г., достиг мощности 720 кт.
Двухфазные боеприпасы позволяют повысить мощность ядерных взрывов до десятков мегатонн. Однако ракеты с разделяющимися боеголовками, высокая точность современных средств доставки и спутниковая разведка сделали устройства мегатонного класса практически ненужными. Тем более, что носители сверхмощных боеприпасов более уязвимы для систем ПРО и ПВО.
В двухфазном устройстве первая стадия физического процесса (primary) используется для запуска второй стадии (secondary), в ходе которой выделяется наибольшая часть энергии. Такую схему принято называть дизайном Теллера-Улама, однако вскоре она была независимо разработана в СССР и сегодня, по-видимому, является общепринятой. Энергия от детонации primary передается через специальный канал (interstage) в процессе радиационной диффузии квантов рентгеновского излучения и обеспечивает детонацию secondary посредством радиационной имплозии тампера/пушера, внутри которого находится дейтерид лития-6 и запальный плутониевый стержень. Последний также служит дополнительным источником энергии вместе с пушером и/или тампером из урана-235 или урана-238, причем совместно они могут давать до 85 % от общего энерговыхода ядерного взрыва. При этом термоядерный синтез служит в большей мере источником нейтронов для деления ядер. Под действием нейтронов деления на дейтерид лития образуется тритий, который сразу вступает в реакцию термоядерного синтеза с дейтерием. В первом двухфазном, экспериментальном устройстве Ivy Mike (10.5 Мт в испытании 1952 г.) вместо дейтерида лития использовались сжиженный дейтерий и тритий, но в последующем крайне дорогой чистый тритий непосредственно в термоядерной реакции второй стадии не применялся. Интересно отметить, что только термоядерный синтез обеспечил 97 % основного энерговыхода экспериментальной советской «Царь бомбе», взорванной в 1961 г. с абсолютно рекордным выходом энергии около 58 Мт. Наиболее эффективным по отношению мощность/вес двухфазным боеприпасом стал американский «монстр» Mark 41 с мощностью 25 Мт, который выпускался серийно для развертывания на бомбардировщиках B-47, B-52 и в варианте моноблока для МБР Титан-2. Тампер этой бомбы выполнен из урана-238, поэтому она никогда не испытывалась в полном масштабе. При замене тампера на свинцовый мощность данного устройства понижалась до 3 Мт.
|
