60 лет назад, 1 марта 1954 года, США произвели взрыв водородной бомбы на атолле Бикини. Мощность этого взрыва была эквивалентна взрыву тысячи бомб, которые были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Это было самое мощное испытание из когда-либо произведённых в Соединенных Штатах. Расчётная мощность бомбы была равна 15 мегатоннам. В дальнейшем в США повышение взрывной силы таких бомб признали нецелесообразным.
В результате испытания в атмосферу попало около 100 млн. тонн заражённого грунта. Пострадали и люди. Американские военные не стали откладывать испытание, зная, что ветер дует в сторону обитаемых островов и, что могут пострадать рыбаки. Островитян и рыбаков даже не предупредили об испытаниях и возможной опасности.
Так, японское рыболовное судно «Счастливый дракон» («Фукурю-Мару»), которое находилось в 140 км от эпицентра взрыва, подверглось облучению, 23 человека пострадали (в дальнейшем 12 из них умерло). По данным японского министерства здравоохранения, в результате испытания «Кастл Браво» заражению различной степени подверглось более 800 японских рыболовных судов. На них находилось около 20 тыс. человек. Серьёзные дозы облучения получили жители атоллов Ронгелап и Аилингинаэ. Пострадали и некоторые американские военные.
Мировая общественность высказала свою обеспокоенность по поводу мощной ударной войны и радиоактивных осадков. Несколько выдающихся ученых, включая Бертрана Рассела, Альберта Эйнштейна, Фредерика Жолио-Кюри, выступили с протестом. В 1957 году в канадском местечке Пагуош прошла первая конференция научного движения, целью которого был запрет ядерных испытаний, снижение опасности возникновения вооруженных конфликтов и совместный поиск решения глобальных проблем (Пагуошское движение).
Из истории создания водородной бомбы в США
Идея бомбы с термоядерным синтезом, инициируемым атомным зарядом, была высказано ещё в 1941 году. В мае 1941 года учёный-физик Токутаро Хагивара из университета в Киото в Японии высказал мысль о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода с помощью взрывной цепной реакции деления ядер урана-235. Аналогичную идею, в сентябре 1941 года в Колумбийском университете высказал выдающийся итальянский физик Энрико Ферми. Он её изложил своему коллеге американскому физику Эдварду Теллеру. Затем Ферми и Теллер высказали мысль о возможности инициирования ядерным взрывом термоядерных реакций в среде из дейтерия. Теллер загорелся этой идеей и в ходе реализации Манхэттенского проекта большую часть своего времени посвятил работе по созданию термоядерной бомбы.
Надо сказать, что был настоящим учёным-«милитаристом», который выступал за обеспечение преимущества США в области ядерных вооружений. Учёный был против запрещения ядерных испытаний в трех средах, предлагал проводить новые работы по созданию более дешевых и эффективных видов атомного . Выступал за развертывание вооружений в космосе.
Группа блестящих учёных США и Европы, которая работала в Лос-Аламосской лаборатории, в ходе работы по созданию ядерного оружия, затрагивала и проблемы дейтериевой сверхбомбы. К концу 1945 года была создана относительная целостная концепция «классического супера». Считалось, что потоком нейтронов, выходящих из первичной атомной бомбы на основе урана-235, можно вызвать детонацию в цилиндре с жидким дейтерием (через промежуточную камеру с DT-смесью). Эмиль Конопинский предложил добавить к дейтерию тритий для уменьшения температуры зажигания. В 1946 году Клаус Фукс при участии Джона Фон-Неймана предложил использовать новую систему инициирования. Она включала в себя дополнительный вторичный узел из жидкой DT-смеси, которая зажигалась в результате излучения первичной атомной бомбы.
Сотрудник Теллера польский математик Станислав Улам высказал предложения, которые позволили перевести разработку термоядерной бомбы в практическую плоскость. Так, он для инициирования термоядерного синтеза предложил сжимать термоядерное топливо до начала его нагрева, использовав для этого первичную реакцию расщепления и разместив термоядерный заряд отдельно от первичного ядерного компонента. Исходя из этих расчётов, Теллер предположил, что рентгеновское и гамма излучение, вызванное первичным взрывом, сможет передать достаточно энергии во вторичный компонент, позволит инициировать термоядерную реакцию.
В январе 1950 года американский президент Гарри Трумен заявил о том, что США будут вести работу над всеми видами атомного оружия, включая водородную бомбу («сверхбомбу»). Было принято решение провести в 1951 году первые полигонные испытания с термоядерными реакциями. Так, планировали испытать «усиленную» атомную бомбу «Пункт», а также модель «классического супера» с бинарным инициирующим отсеком. Это испытание получило название «Джордж» (само устройство назвали «Цилиндр»). В ходе подготовки испытания «Джорж» был использован классический принцип конструирования термоядерного устройства, где удерживается и используется энергия первичной атомной бомбы для сжатия и инициирования второго компонента с термоядерным горючим.
9 мая 1951 года испытание «Джордж» было проведено. На Земле вспыхнуло первое маленькое термоядерное пламя. В 1952 году началось строительство завода по производству лития-6. В 1953 году производство было запущено.
В сентябре 1951 года в Лос-Аламосе приняли решение о разработке термоядерного устройства «Майк». 1 ноября 1952 год испытание термоядерного взрывного устройства было проведено на атолле Эниветок. Мощность взрыва оценили в 10-12 мегатонн тротилового эквивалента. В качестве топлива для термоядерного синтеза использовали жидкий дейтерий. Идея двухступенчатого устройства с конфигурацией Теллера-Улама себя оправдала. Устройство состояло из обычного ядерного заряда и криогенной ёмкости со смесью жидких дейтерия и трития. «Свечой зажигания» для термоядерной реакции были плутониевый стержень, который располагался по центру криогенной ёмкости. Испытание было успешным.
Однако была проблема – сверхбомба была сконструирована в нетранспортабельном варианте. Общая масса конструкции составляла более 70 тонн. Её нельзя было использовать во время войны. Главной задачей стало создание транспортабельного термоядерного оружия. Для этого необходимо было накопить достаточное количество лития-6. Достаточное количество накопили к весне 1954 года.
1 марта 1954 года американцы провели новое термоядерное испытание «Кастл Браво» на атолле Бикини. В качестве термоядерного горючего применили дейтерид лития. Это был двухступенчатый заряд: инициирующий атомный заряд и термоядерное горючее. Испытание признали успешным. Хотя и ошиблись в мощности взрыва. Он был намного мощнее, чем предполагали.
Дальнейшие испытания позволили усовершенствовать термоядерный заряд. 21 мая 1956 года произвели первый сброс бомбы с летательного аппарата. Масса заряда была сокращена, что позволило уменьшить бомбу. Уже к 1960 году США смогли создать боеголовки мегатонного класса, которые развернули на атомных подводных лодках.
Айви Майк - первые атмосферные испытания водородной бомбы, проведенные США на атоллле Эниветок 1 ноября 1952 года.
65 лет назад Советский Союз взорвал свою первую термоядерную бомбу. Как устроено это оружие, что оно может и чего не может? 12 августа 1953-го в СССР взорвали первую «практичную» термоядерную бомбу. Мы расскажем об истории ее создания и разберёмся, правда ли, что такой боеприпас почти не загрязняет среду, но может уничтожить мир.
Идея термоядерного оружия, где ядра атомов сливаются, а не расщепляются, как в атомной бомбе, появилась не позднее 1941 года. Она пришла в головы физикам Энрико Ферми и Эдварду Теллеру. Примерно в то же время они стали участниками Манхэттенского проекта и помогли создать бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки. Сконструировать термоядерный боеприпас оказалось намного сложнее.
Приблизительно понять, насколько термоядерная бомба сложнее атомной, можно и по тому факту, что работающие АЭС давно обыденность, а работающие и практичные термоядерные электростанции - все еще научная фантастика.
Чтобы атомные ядра сливались друг с другом, их надо нагреть до миллионов градусов. Схему устройства, которое позволило бы это проделать, американцы запатентовали в 1946 году (проект неофициально назывался Super), но вспомнили о ней только спустя три года, когда в СССР успешно испытали ядерную бомбу.
Президент США Гарри Трумэн заявил, что на советский рывок нужно ответить «так называемой водородной, или супербомбой».
К 1951 году американцы собрали устройство и провели испытания под кодовым названием «Джордж». Конструкция представляла собой тор - проще говоря, бублик - с тяжелыми изотопами водорода, дейтерием и тритием. Выбрали их потому, что такие ядра сливать проще, чем ядра обычного водорода. Запалом служила ядерная бомба. Взрыв сжимал дейтерий и тритий, те сливались, давали поток быстрых нейтронов и зажигали обкладку из урана. В обычной атомной бомбе он не делится: там есть только медленные нейтроны, которые не могут заставить делиться стабильный изотоп урана. Хотя на энергию слияния ядер пришлось примерно 10% от общей энергии взрыва «Джорджа», «поджиг» урана-238 позволил поднять мощность взрыва вдвое выше обычного, до 225 килотонн.
За счет дополнительного урана взрыв получился вдвое мощнее, чем с обычной атомной бомбой. Но на термоядерный синтез приходилось только 10% выделившейся энергии: испытания показали, что ядра водорода сжимаются недостаточно сильно.
Тогда математик Станислав Улам предложил другой подход - двухступенчатый ядерный запал. Его задумка заключалась в том, чтобы поместить в «водородной» зоне устройства плутониевый стержень. Взрыв первого запала «поджигал» плутоний, две ударные волны и два потока рентгеновских лучей сталкивались - давление и температура подскакивали достаточно, чтобы начался термоядерный синтез. Новое устройство испытали на атолле Эниветок в Тихом океане в 1952 году - взрывная мощность бомбы составила уже десять мегатонн в тротиловом эквиваленте.
Тем не менее и это устройство было непригодно для использования в качестве боевого оружия.
Чтобы ядра водорода сливались, расстояние между ними должно быть минимальным, поэтому дейтерий и тритий охлаждали до жидкого состояния, почти до абсолютного нуля. Для этого требовалась огромная криогенная установка. Второе термоядерное устройство, по сути увеличенная модификация «Джорджа», весило 70 тонн - с самолета такое не сбросишь.
СССР начал разрабатывать термоядерную бомбу позднее: первая схема была предложена советскими разработчиками лишь в 1949 году. В ней предполагалось использовать дейтерид лития. Это металл, твердое вещество, его не надо сжижать, а потому громоздкий холодильник, как в американском варианте, уже не требовался. Не менее важно и то, что литий-6 при бомбардировке нейтронами от взрыва давал гелий и тритий, что еще больше упрощает дальнейшее слияние ядер.
Бомба РДС-6с была готова в 1953 году. В отличие от американских и современных термоядерных устройств плутониевого стержня в ней не было. Такая схема известна как «слойка»: слои дейтерида лития перемежались урановыми. 12 августа РДС-6с испытали на Семипалатинском полигоне.
Мощность взрыва составила 400 килотонн в тротиловом эквиваленте - в 25 раз меньше, чем во второй попытке американцев. Зато РДС-6с можно было сбросить с воздуха. Такую же бомбу собирались использовать и на межконтинентальных баллистических ракетах. А уже в 1955 году СССР усовершенствовал свое термоядерное детище, оснастив его плутониевым стержнем.
Сегодня практически все термоядерные устройства - судя по всему, даже северокорейские - представляют собой нечто среднее между ранними советскими и американскими моделями. Все они используют дейтерид лития как топливо и поджигают его двухступенчатым ядерным детонатором.
Как известно из утечек, даже самая современная американская термоядерная боеголовка W88 похожа на РДС-6c: слои дейтерида лития перемежаются ураном.
Разница в том, что современные термоядерные боеприпасы - это не многомегатонные монстры вроде «Царь-бомбы», а системы мощностью в сотни килотонн, как РДС-6с. Мегатонных боеголовок в арсеналах ни у кого нет, так как в военном отношении десяток менее мощных зарядов ценнее одного сильного: это позволяет поразить больше целей.
Техники работают с американской термоядерной боеголовкой W80
Чего не может термоядерная бомба
Водород - элемент чрезвычайно распространенный, достаточно его и в атмосфере Земли.
Одно время поговаривали, что достаточно мощный термоядерный взрыв может запустить цепную реакцию и весь воздух на нашей планете выгорит. Но это миф.
Не то что газообразный, но и жидкий водород недостаточно плотный, чтобы начался термоядерный синтез. Его нужно сжимать и нагревать ядерным взрывом, желательно c разных сторон, как это делается двухступенчатым запалом. В атмосфере таких условий нет, поэтому самоподдерживающиеся реакции слияния ядер там невозможны.
Это не единственное заблуждение о термоядерном оружии. Часто говорят, что взрыв «чище» ядерного: мол, при слиянии ядер водорода «осколков» - опасных короткоживущих ядер атомов, дающих радиоактивное загрязнение, - получается меньше, чем при делении ядер урана.
Заблуждение это основано на том, что при термоядерном взрыве большая часть энергии якобы выделяется за счет слияния ядер. Это неправда. Да, «Царь-бомба» была такой, но только потому, что ее урановую «рубашку» для испытаний заменили на свинцовую. Современные двухступенчатые запалы приводят к значительному радиоактивному загрязнению.
Зона возможного тотального поражения «Царь-бомбой», нанесенная на карту Парижа. Красный круг - зона полного разрушения (радиус 35 км). Желтый круг - размер огненного шара (радиус 3,5 км).
Правда, зерно истины в мифе о «чистой» бомбе все же есть. Взять лучшую американскую термоядерную боеголовку W88. При ее взрыве на оптимальной высоте над городом площадь сильных разрушений практически совпадет с зоной радиоактивного поражения, опасного для жизни. Погибших от лучевой болезни будет исчезающе мало: люди погибнут от самого взрыва, а не радиации.
Еще один миф гласит, что термоядерное оружие способно уничтожить всю человеческую цивилизацию, а то и жизнь на Земле. Это тоже практически исключено. Энергия взрыва распределена в трех измерениях, поэтому при росте мощности боеприпаса в тысячу раз радиус поражающего действия растет всего в десять раз - мегатонная боеголовка имеет радиус поражения всего в десять раз больше, чем тактическая, килотонная.
66 миллионов лет назад столкновение с астероидом привело к исчезновению большинства наземных животных и растений. Мощность удара составила около 100 млн мегатонн - это в 10 тыс. раз больше суммарной мощности всех термоядерных арсеналов Земли. 790 тыс. лет назад с планетой столкнулся астероид, удар был мощностью в миллион мегатонн, но никаких следов хотя бы умеренного вымирания (включая наш род Homo) после этого не случилось. И жизнь в целом, и человек куда крепче, чем они кажутся.
Правда о термоядерном оружии не так популярна, как мифы. На сегодня она такова: термоядерные арсеналы компактных боеголовок средней мощности обеспечивают хрупкий стратегический баланс, из-за которого никто не может свободно утюжить другие страны мира атомным оружием. Боязнь термоядерного ответа - более чем достаточный сдерживающий фактор.
30 октября 1961 года на советском ядерном полигоне на Новой Земле прогремел самый мощный взрыв в истории человечества. Ядерный гриб поднялся на высоту 67 километров, а диаметр «шляпки» это гриба составил 95 километров. Ударная волна трижды обогнула земной шар (а взрывной волной сносило деревянные постройки на расстоянии нескольких сотен километров от полигона). Вспышку взрыва было видно с расстояния в тысячу километров, невзирая на то, что над Новой Землей висела густая облачность. В течение почти часа во всей Арктике не работала радиосвязь. Мощность взрыва по разным данным составила от 50 до 57 мегатонн (миллионов тонн тротила).
Впрочем, как пошутил Никита Сергеевич Хрущев, мощность бомбы не стали доводить до 100 мегатонн, только потому, что в этом случае в Москве выбило бы все стекла. Но, в каждой шутке есть доля шутки – первоначально планировалось взорвать именно 100 мегатонную бомбу. И взрыв на Новой Земле убедительно доказал, что создание бомбы мощностью хоть в 100 мегатонн, хоть в 200, - вполне осуществимая задача. Но и 50 мегатонн – это почти в десять раз больше мощности всех боеприпасов, истраченных за всю Вторую Мировую войну всеми странами - участницами. К тому же, в случае испытания изделия мощностью в 100 мегатонн от полигона на Новой Земле (да и от большей части этого острова) остался бы только оплавленный кратер. В Москве стекла, скорее всего, уцелели бы, но вот в Мурманске могли и вылететь.
Макет водородной бомбы. Историко-мемориальный Музей ядерного оружия в Сарове
Устройство, взорванное на высоте 4200 метров над уровнем моря 30 октября 1961 года, вошло в историю под именем «Царь-Бомба». Еще одно неофициальное название - «Кузькина Мать». А официальное название этой водородной бомбы было не столь громким – скромное изделие АН602. Военного значения это чудо-оружие не имело – не тоннах тротилового эквивалента, а в обычных метрических тоннах «изделие» весило 26 тонн и его было бы проблематично доставить до «адресата». Это была демонстрация силы – наглядное доказательство того, что Стране Советов по силам создать оружие массового уничтожения любой мощности. Что же заставило руководство нашей страны пойти на столь беспрецедентный шаг? Разумеется, не что иное, как обострение отношений с Соединенными Штатами. Еще совсем недавно казалось, что США и Советский Союз достигли взаимопонимания по всем вопросам – в сентябре 1959 года Хрущев посетил США с официальным визитом, планировался и ответный визит в Москву президента Дуайта Эйзенхауэра. Но 1 мая 1960 года над советской территорией был сбит американский самолет-разведчик U-2. В апреле 1961 года американские спецслужбы организовали высадку на Кубу отрядов хорошо подготовленных и обученных кубинских эмигрантов в заливе Плайя-Хирон (эта авантюра завершилась убедительной победой Фиделя Кастро). В Европе великие державы не могли определиться со статусом Западного Берлина. В итоге,13 августа 1961 года столица Германии оказалась перегороженной знаменитой Берлинской стеной. Наконец, в том 1961 году США разместили в Турции ракеты PGM-19 «Юпитер» - европейская часть России (включая Москву) находилась в пределах дальности действия этих ракет (годом позже Советский Союз разместит ракеты на Кубе и начнется знаменитый Карибский Кризис). Это не говоря уж о том, что паритета по числу ядерных зарядов и их носителей тогда между Советским Союзом и Америкой тогда не было – 6 тысячам американских боеголовок мы могли противопоставить всего триста. Так что, демонстрация термоядерной мощи была в сложившейся ситуации совсем не лишней.
Советский короткометражный фильм про испытание Царь-бомбы
Существует популярный миф, что сверхбомбу разработали по приказу Хрущева все в том же 1961 году в рекордно короткие сроки – всего за 112 дней. На самом деле разработку бомбы вели с 1954 года. А в 1961 разработчики просто довели уже имеющиеся «изделие» до нужной мощности. Параллельно КБ Туполева занималось модернизацией самолетов Ту-16 и Ту-95 под новое оружие. По первоначальным расчетам вес бомбы должен был составить не менее 40 тонн, но авиаконструкторы объяснили ядерщикам, что на данный момент носителей для изделия с таким весом нет и быть не может. Ядерщики пообещали снизить вес бомбы до вполне приемлемых 20 тонн. Правда, и такой вес и такие габариты требовали полной переделки бомбовых отсеков, креплений, бомболюков.
Взрыв водородной бомбы
Работа над бомбой велась группой молодых физиков-ядерщиков под руководством И.В. Курчатова. В эту группу входил и Андрей Сахаров, который в ту пору еще не помышлял о диссидентстве. Более того, он был одним из ведущих разработчиков изделия.
Такой мощности удалось добиться благодаря применению многоступенчатой конструкции – урановый заряд, мощностью в «всего» полторы мегатонны запускал ядерную реакцию в заряде второй ступени, мощностью в 50 мегатонн. Не меняя габаритов бомбы можно было сделать ее и трехступенчатой (это уже за 100 мегатонн). Теоретически – число зарядов ступеней могло быть ничем не ограниченным. Конструкция бомбы была уникальной для своего времени.
Хрущев торопил разработчиков – в октябре в только что построенном Кремлевском Дворце Съездов отрывался XXII съезд КПСС и огласить новость о самом мощном взрыве в истории человечества надо бы именно с трибуны съезда. И 30 октября 30 октября 1961 года Хрущев получил долгожданную телеграмму за подписью министра среднего машиностроения Е. П. Славского и Маршала Советского Союза К. С. Москаленко (руководителей испытания):
"Москва. Кремль. Н. С. Хрущеву.Испытание на Новой Земле прошло успешно. Безопасность испытателей и близлежащего населения обеспечена. Полигон и все участники выполнили задание Родины. Возвращаемся на съезд".
Взрыв Царь-Бомбы почти сразу же послужил благодатной почвой для разного рода мифов. Некоторые из них распространялись … официальной печатью. Так, например, «Правда» называла «Царь-Бомбу» не иначе как вчерашним днем атомного оружия и утверждала, что сейчас уже созданы более мощные заряды. Не обошлось и без слухов о самоподдерживающейся термоядерной реакции в атмосфере. Снижение мощности взрыва, по мнению некоторых, было вызвано страхом расколоть земную кору или … вызвать термоядерную реакцию в океанах.
Но, как бы то ни было, годом позже, во время Карибского кризиса США все еще имели подавляющее превосходство по числу ядерных зарядов. Но применить их так и не решились.
Кроме того, считается, что этот мега-взрыв помог сдвинуть с мертвой точки переговоры о запрете ядерных испытаний в трех средах, которые велись в Женеве с конца пятидесятых годов. В 1959-60 все ядерные державы, за исключением Франции, приняли односторонний отказ от испытаний, пока идут эти переговоры. Но о причинах, которые заставили Советский Союз не соблюдать взятые на себя обязательства, мы говорили ниже. После взрыва на Новой Земле переговоры возобновились. И 10 октября 1963 года в Москве был подписан «Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой». Пока этот Договор соблюдается, советская Царь-Бомба останется самым мощным взрывным устройством в человеческой истории.
Современная компьютерная реконструкция
Наша статья посвящена истории создания и общим принципам синтеза такого устройства, как иногда называемой водородной. Вместо выделения энергии взрыва при расщеплении ядер тяжелых элементов, вроде урана, она генерирует даже большее ее количество путем слияния ядер легких элементов (например, изотопов водорода) в один тяжелый (например, гелий).
Почему предпочтительнее слияние ядер?
При термоядерной реакции, заключающейся в слиянии ядер участвующих в ней химических элементов, генерируется значительно больше энергии на единицу массы физического устройства, чем в чистой атомной бомбе, реализующей ядерную реакцию деления.
В атомной бомбе делящееся ядерное топливо быстро, под действием энергии подрыва обычных взрывчатых веществ объединяется в небольшом сферическом объеме, где создается его так называемая критическая масса, и начинается реакция деления. При этом многие нейтроны, освобождающиеся из делящихся ядер, будут вызывать деление других ядер в массе топлива, которые также выделяют дополнительные нейтроны, что приводит к цепной реакции. Она охватывает не более 20 % топлива, прежде чем бомба взрывается, или, возможно, гораздо меньше, если условия не идеальны: так в атомных бомбах Малыш, сброшенной на Хиросиму, и Толстяк, поразившей Нагасаки, КПД (если такой термин вообще можно к ним применять) были всего 1,38 % и 13%, соответственно.
Слияние (или синтез) ядер охватывает всю массу заряда бомбы и длится, пока нейтроны могут находить еще не вступившее в реакцию термоядерное горючее. Поэтому масса и взрывная мощность такой бомбы теоретически неограниченны. Такое слияние может продолжаться теоретически бесконечно. Действительно, термоядерная бомба является одним из потенциальных устройств конца света, которое может уничтожить всю человеческую жизнь.
Что такое реакция слияния ядер?
Топливом для реакции термоядерного синтеза служат изотопы водорода дейтерий или тритий. Первый отличается от обычного водорода тем, что в его ядре, кроме одного протона содержится еще и нейтрон, а в ядре трития уже два нейтрона. В природной воде один атом дейтерия приходится на 7000 атомов водорода, но из его количества. содержащегося в стакане воды, можно в результате термоядерной реакции получить такое же количество теплоты, как и при сгорании 200 л бензина. На встрече в 1946 году с политиками, отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер подчеркнул, что дейтерий дает больше энергии на грамм веса, чем уран или плутоний, однако стоит двадцать центов за грамм в сравнении с несколькими сотнями долларов за грамм топлива для ядерного деления. Тритий в природе в свободном состоянии вообще не встречается, поэтому он гораздо дороже, чем дейтерий, с рыночной ценой в десятки тысяч долларов за грамм, однако наибольшее количество энергии высвобождается именно в реакции слияния ядер дейтерия и трития, при которой образуется ядро атома гелия и высвобождается нейтрон, уносящий избыточную энергию в 17,59 МэВ
D + T → 4 Не + n + 17,59 МэВ.
Схематически эта реакция показана на рисунке ниже.
Много это или мало? Как известно, все познается в сравнении. Так вот, энергия в 1 МэВ примерно в 2,3 миллиона раз больше, чем выделяется при сгорании 1 кг нефти. Следовательно слияние только двух ядер дейтерия и трития высвобождает столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,3∙10 6 ∙17,59 = 40,5∙10 6 кг нефти. А ведь речь идет только о двух атомах. Можете представить, как высоки были ставки во второй половине 40-х годов прошлого века, когда в США и СССР развернулись работы, результатом которых стала термоядерная бомба.
Как все начиналось
Еще летом 1942 г. в начале реализации проекта создания атомной бомбы в США (Манхэтенский проект) и позднее в аналогичной советской программе, задолго до того, как была построена бомба, основанная на делении ядер урана, внимание некоторых участников этих программ было привлечено к устройству, которое может использовать гораздо более мощную термоядерную реакцию слияния ядер. В США сторонником этого подхода, и даже, можно сказать, его апологетом, был уже упомянутый выше Эдвард Теллер. В СССР это направление развивал Андрей Сахаров, будущий академик и диссидент.
Для Теллера его увлечение термоядерным синтезом в годы создания атомной бомбы сыграло скорее медвежью услугу. Будучи участником Манхэтенского проекта, он настойчивые призывал к перенаправлению средств на реализацию собственных идей, целью которых была водородная и термоядерная бомба, что не понравилось руководству и вызвало напряженность в отношениях. Поскольку в то время термоядерное направление исследований не было поддержано, то после создания атомной бомбы Теллер покинул проект и занялся преподавательской деятельностью, а также исследованиями элементарных частиц.
Однако начавшаяся холодная война, а больше всего создание и успешное испытание советской атомной бомбы в 1949 г., стали для яростного антикоммуниста Теллера новым шансом реализовать свои научные идеи. Он возвращается в Лос-Аламосскую лабораторию, где создавалась атомная бомба, и совместно со Станиславом Уламом и Корнелиусом Эвереттом приступает к расчетам.
Принцип термоядерной бомбы
Для того чтобы началась реакция слияния ядер, нужно мгновенно нагреть заряд бомбы до температуры в 50 миллионов градусов. Схема термоядерной бомбы, предложенная Теллером, использует для этого взрыв небольшой атомной бомы, которая находится внутри корпуса водородной. Можно утверждать, что было три поколения в развитии ее проекта в 40-х годах прошлого века:
- вариант Теллера, известный как "классический супер";
- более сложные, но и более реальные конструкции из нескольких концентрических сфер;
- окончательный вариант конструкции Теллера-Улама, которая является основой всех работающих поныне систем термоядерного оружия.
Аналогичные этапы проектирования прошли и термоядерные бомбы СССР, у истоков создания которых стоял Андрей Сахаров. Он, по-видимому, вполне самостоятельно и независимо от американцев (чего нельзя сказать о советской атомной бомбе, созданной совместными усилиями ученых и разведчиков, работавших в США) прошел все вышеперечисленные этапы проектирования.
Первые два поколения обладали тем свойством, что они имели последовательность сцепленных "слоев", каждый из которых усиливал некоторый аспект предыдущего, и в некоторых случаях устанавливалась обратная связь. Там не было четкого разделения между первичной атомной бомбой и вторичной термоядерной. В отличие от этого, схема термоядерной бомбы разработки Теллера-Улама резко различает первичный взрыв, вторичный, и при необходимости, дополнительный.
Устройство термоядерной бомбы по принципу Теллера-Улама
Многие его детали по-прежнему остаются засекреченными, но есть достаточная уверенность, что все имеющееся ныне термоядерное оружие использует в качестве прототипа устройство, созданное Эдвардом Теллерос и Станиславом Уламом, в котором атомная бомба (т. е. первичный заряд) используется для генерации излучения, сжимает и нагревает термоядерное топливо. Андрей Сахаров в Советском Союзе, по-видимому, независимо придумал аналогичную концепцию, которую он назвал "третьей идеей".
Схематически устройство термоядерной бомбы в этом варианте показано на рисунке ниже.
Она имела цилиндрическую форму, с примерно сферической первичной атомной бомбой на одном конце. Вторичный термоядерный заряд в первых, еще непромышленных образцах, был из жидкого дейтерия, несколько позднее он стал твердым из химического соединения под названием дейтерид лития.
Дело в том, что в промышленности давно используется гидрид лития LiH для безбалонной транспортировки водорода. Разработчики бомбы (эта идея сначала была использована в СССР) просто предложили брать вместо обычного водорода его изотоп дейтерий и соединять с литием, поскольку с твердым термоядерным зарядом выполнить бомбу гораздо проще.
По форме вторичный заряд представлял собой цилиндр, помещенный в контейнер со свинцовой (или урановой) оболочкой. Между зарядами находится щит нейтронной защиты. Пространство, между стенками контейнера с термоядерным топливом и корпусом бомбы заполнено специальным пластиком, как правило, пенополистиролом. Сам корпус бомбы выполнен из стали или алюминия.
Эти формы изменились в последних конструкциях, таких как показанная на рисунке ниже.
В ней первичный заряд сплюснут, как арбуз или мяч в американском футболе, а вторичный заряд - сферический. Такие формы гораздо более эффективно вписываются во внутренний объем конических ракетных боеголовок.
Последовательность термоядерного взрыва
Когда первичная атомная бомба детонирует, то в первые мгновения этого процесса генерируется мощное рентгеновское излучение (поток нейтронов), которое частично блокируется щитом нейтронной защиты, и отражается от внутренней облицовки корпуса, окружающего вторичный заряд, так что рентгеновские лучи симметрично падают на него по всей его длине.
На начальных этапах термоядерной реакции нейтроны от атомного взрыва поглощаются пластиковым заполнителем, чтобы не допустить чересчур быстрого разогрева топлива.
Рентгеновские лучи вызвают появление вначале плотной пластиковой пены, заполняющей пространство между корпусом и вторичным зарядом, которая быстро переходит в состояние плазмы, нагревающей и сжимающей вторичный заряд.
Кроме того, рентгеновские лучи испаряют поверхность контейнера, окружающего вторичный заряд. Симметрично испаряющееся относительно этого заряда вещество контейнера приобретает некоторый импульс, направленный от его оси, а слои вторичного заряда согласно закону сохранения количества движения получают импульс, направленный к оси устройства. Принцип здесь тот же, что и в ракете, только если представить, что ракетное топливо разлетается симметрично от ее оси, а корпус сжимается внутрь.
В результате такого сжатия термоядерного топлива, его объем уменьшается в тысячи раз, а температура достигает уровня начала реакции слияния ядер. Происходит взрыв термоядерной бомбы. Реакция сопровождается образованием ядер трития, которые сливаются с ядрами дейтерия, изначально имеющимися в составе вторичного заряда.
Первые вторичные заряды были построены вокруг стержневого сердечника из плутония, неофициально называемого "свечой", который вступал в реакцию ядерного деления, т. е. осуществлялся еще один, дополнительный атомный взрыв с целью еще большего поднятия температуры для гарантированного начала реакции слияния ядер. В настоящее время считается, что более эффективные системы сжатия устранили «свечу», позволяя дальнейшую миниатюризацию конструкции бомбы.
Операция Плющ
Так назвались испытания американского термоядерного оружия на Маршалловых островах в 1952 г. во время которых была взорвана первая термоядерная бомба. Она называлась Плющ Майк и была построена по типовой схеме Теллера-Улама. Ее вторичный термоядерный заряд был помещен в цилиндрический контейнер, представляющий собой термически изолированный сосуд Дьюара с термоядерным топливом в виде жидкого дейтерия, вдоль оси которого проходила «свеча» из 239-плутония. Дьюар, в свою очередь, был покрыт слоем 238-урана весом более 5 метрических тонн, который в процессе взрыва испарялся, обеспечивая симметричное сжатие термоядерного топлива. Контейнер с первичным и вторичным зарядами был помещен в стальной корпус 80 дюймов шириной и 244 дюйма длиной со стенками в 10-12 дюймов толщиной, что было крупнейшим примером кованого изделия до того времени. Внутренняя поверхность корпуса был выстлана листами свинца и полиэтилена для отражения излучения после взрыва первичного заряда и создания плазмы, разогревающей вторичный заряд. Все устройство весило 82 тонны. Вид устройства незадолго до взрыва показан на фото ниже.
Первое испытание термоядерной бомбы состоялось 31 октября 1952 г. Мощность взрыва составила 10,4 мегатонны. Аттол Эниветок, на котором он был произведен, был полностью разрушен. Момент взрыва показан на фото ниже.
СССР дает симметричный ответ
Термоядерное первенство США продержалось недолго. 12.08.1953 г. на Семипалатинском полигоне была испытана первая советская термоядерная бомба РДС-6, разработанная под руководством Андрея Сахарова и Юлия Харитона.Из описания выше становится ясно, что американцами на Эниветоке была взорвана собственно не бомба, как вид готового к применению боеприпаса, а скорее лабораторное устройство, громоздкое и весьма несовершенное. Советские же ученые, несмотря на небольшую мощность всего 400 кг, испытали вполне законченный боеприпас с термоядерным топливом в виде твердого дейтерида лития, а не жидкого дейтерия, как у американцев. Кстати, следует отметить, что в составе дейтерида лития используется только изотоп 6 Li (это связано с особенностями прохождения термоядерных реакций), а в природе он находится в смеси с изотопом 7 Li. Поэтому были построены специальные производства для разделения изотопов лития и отбора только 6 Li.
Достижение предельной мощности
Затем последовало десятилетие непрерывной гонки вооружений, в течение которого мощность термоядерных боеприпасов непрерывно возрастала. Наконец, 30.10.1961 г. в СССР над полигоном Новая Земля в воздухе на высоте около 4 км была взорвана самая мощная термоядерная бомба, которая когда-либо была построена и испытана, известная на Западе как «Царь-бомба».
Этот трехступенчатый боеприпас разрабатывался на самом деле как 101,5-мегатонная бомба, но стремление снизить радиоактивное заражение территории заставило разработчиков отказаться от третьей ступени мощностью в 50 мегатонн и снизить расчетную мощность устройства до 51,5 мегатонн. При этом 1,5 мегатонны составляла мощность взрыва первичного атомного заряда, а вторая термоядерная ступень должна была дать еще 50. Реальная мощность взрыва составила до 58 мегатонн.Внешний вид бомбы показан на фото ниже.
Последствия его были впечатляющими. Несмотря на весьма существенную высоту взрыва в 4000 м, невероятно яркий огненный шар нижним краем почти достиг Земли, а верхним поднялся до высоты более 4,5 км. Давление ниже точки разрыва было в шесть раз выше пикового давления при взрыве в Хиросиме. Вспышка света была настолько яркой, что ее было видно на расстоянии 1000 километров, несмотря на пасмурную погоду. Один из участников теста увидел яркую вспышку через темные очки и почувствовал последствия теплового импульса даже на расстоянии 270 км. Фото момента взрыва показано ниже.
При этом было показано, что мощность термоядерного заряда действительно не имеет ограничений. Ведь достаточно было выполнить третью ступень, и расчетная мощность была бы достигнута. А ведь можно наращивать число ступеней и далее, так как вес «Царь-бомбы» составил не более 27 тонн. Вид этого устройства показан на фото ниже.
После этих испытаний многим политикам и военным как в СССР, так и в США стало ясно, что наступил предел гонки ядерных вооружений и ее нужно остановить.
Современная Россия унаследовала ядерный арсенал СССР. Сегодня термоядерные бомбы России продолжают служить сдерживающим фактором для тех, кто стремится к мировой гегемонии. Будем надеяться, что они сыграют свою роль только в виде средства устрашения и никогда не будут взорваны.
Солнце как термоядерный реактор
Общеизвестно, что температура Солнца, точнее его ядра, достигающая 15000000 °К, поддерживается за счет непрерывного протекания термоядерных реакций. Однако все, что мы могли почерпнуть из предыдущего текста, говорит о взрывном характере таких процессов. Тогда почему Солнце не взрывается как термоядерная бомба?
Дело в том, что при огромной доле водорода в составе солнечной массы, которая достигает 71 %, доля его изотопа дейтерия, ядра которого только и могут участвовать в реакции термоядерного синтеза, ничтожно мала. Дело в том, что ядра дейтерия сами образуются в результате слияния двух ядер водорода, да не просто слияния, а с распадом одного из протонов на нейтрон, позитрон и нейтрино (т. наз. бета-распад), что является редким событием. При этом образующиеся ядра дейтерия распределены по объему солнечного ядра довольно равномерно. Поэтому при её огромных размерах и массе отдельные и редкие очаги термоядерных реакций относительно небольшой мощности как бы размазаны по всему его ядру Солнца. Выделяемого при этих реакциях тепла явно недостаточно, чтобы мгновенно выжечь весь дейтерий в Солнце, но хватает для его нагрева до температуры, обеспечивающей жизнь на Земле.
ВОДОРОДНАЯ БОМБА, оружие большой разрушительной силы (порядка мегатонн в тротиловом эквиваленте), принцип действия которого основан на реакции термоядерного синтеза легких ядер. Источником энергии взрыва являются процессы, аналогичные процессам, протекающим на Солнце и других звездах.
В 1961 году был произведен самый мощный взрыв водородной бомбы.
Утром 30 октября в 11 ч. 32 мин. над Новой Землей в районе Губы Митюши на высоте 4000 м над поверхностью суши была взорвана водородная бомба мощностью в 50 млн. т. тротила.
Советский Союз провел испытание самого мощного в истории термоядерного устройства. Даже в "половинном" варианте (а максимальная мощность такой бомбы составляет 100 мегатонн) энергия взрыва десятикратно превышала суммарную мощность всех взрывчатых веществ, использованных всеми воюющими сторонами за годы Второй мировой войны (включая атомные бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки). Ударная волна от взрыва трижды обогнула земной шар, первый раз - за 36 ч. 27 мин.
Световая вспышка была настолько яркой, что, несмотря на сплошную облачность, была видна даже с командного пункта в поселке Белушья Губа (отдаленном от эпицентра взрыва почти на 200 км). Грибовидное облако выросло до высоты 67 км. К моменту взрыва, пока на огромном парашюте бомба медленно опускалась с высоты 10500 до расчетной точки подрыва, самолет-носитель Ту-95 с экипажем и его командиром майором Андреем Егоровичем Дурновцевым уже был в безопасной зоне. Командир возвращался на свой аэродром подполковником, Героем Советского Союза. В заброшенном поселке - 400 км от эпицентра - были порушены деревянные дома, а каменные лишились крыш, окон и дверей. На многие сотни километров от полигона в результате взрыва почти на час изменились условия прохождения радиоволн, и прекратилась радиосвязь.
Бомба была разработана В.Б. Адамским, Ю.Н. Смирновым, А.Д. Сахаровым, Ю.Н. Бабаевым и Ю.А. Трутневым (за что Сахаров был награжден третьей медалью Героя Социалистического Труда). Масса "устройства" составляла 26 тонн, для ее транспортировки и сброса использовался специально модифицированный стратегический бомбардировщик Ту-95.
"Супербомба", как называл ее А.Сахаров, не помещалась в бомбовом отсеке самолета (ее длина составляла 8 метров, а диаметр - около 2 метров), поэтому несиловую часть фюзеляжа вырезали и смонтировали специальный подъемный механизм и устройство для крепления бомбы; при этом в полете она все равно больше чем наполовину торчала наружу. Весь корпус самолета, даже лопасти его винтов, был покрыт специальной белой краской, защищающей от световой вспышки при взрыве. Такой же краской был покрыт корпус сопровождавшего самолета-лаборатории.
Результаты взрыва заряда, получившего на Западе имя «Царь-бомба», впечатляли:
* Ядерный «гриб» взрыва поднялся на высоту 64 км; диаметр его шляпки достиг 40 километров.
Огненный шар разрыва достиг земли и почти достиг высоты сброса бомбы (то есть, радиус огненного шара взрыва был примерно 4,5 километра).
* Излучение вызывало ожоги третьей степени на расстоянии до ста километров.
* На пике выделения излучения взрыв достиг мощности в 1 % от солнечной.
* Ударная волна, возникшая в результате взрыва, три раза обогнула земной шар.
* Ионизация атмосферы стала причиной помех радиосвязи даже в сотнях километров от полигона в течение одного часа.
* Свидетели почувствовали удар и смогли описать взрыв на расстоянии тысячи километров от эпицентра. Также, ударная волна в какой-то степени сохранила разрушительную силу на расстоянии тысячи километров от эпицентра.
* Акустическая волна докатилась до острова Диксон, где взрывной волной повыбивало окна в домах.
Политическим результатом этого испытания была демонстрация Советским Союзом владения неограниченным по мощности оружием массового уничтожения -- максимальный мегатоннаж бомбы из испытанных к тому моменту США был вчетверо меньше, чем у «Царь-бомбы». В самом деле, увеличение мощности водородной бомбы достигается простым увеличением массы рабочего материала, так что, в принципе, нет никаких факторов, препятствующих созданию 100-мегатонной или 500-мегатонной водородной бомбы. (На самом деле, «Царь-бомба» была рассчитана на 100-мегатонный эквивалент; планируемую мощность взрыва урезали вдвое, по словам Хрущёва, «Чтобы не разбить все стёкла в Москве»). Этим испытанием Советский Союз продемонстрировал способность создать водородную бомбу любой мощности и средства доставки бомбы к точке подрыва.
Термоядерные реакции. В недрах Солнца содержится гигантское количество водорода, находящегося в состоянии сверхвысокого сжатия при температуре ок. 15 000 000 К. При столь высоких температуре и плотности плазмы ядра водорода испытывают постоянные столкновения друг с другом, часть из которых завершается их слиянием и в конечном счете образованием более тяжелых ядер гелия. Подобные реакции, носящие название термоядерного синтеза, сопровождаются выделением огромного количества энергии. Согласно законам физики, энерговыделение при термоядерном синтезе обусловлено тем, что при образовании более тяжелого ядра часть массы вошедших в его состав легких ядер превращается в колоссальное количество энергии. Именно поэтому Солнце, обладая гигантской массой, в процессе термоядерного синтеза ежедневно теряет ок. 100 млрд. т вещества и выделяет энергию, благодаря которой стала возможной жизнь на Земле.
Изотопы водорода. Атом водорода - простейший из всех существующих атомов. Он состоит из одного протона, являющегося его ядром, вокруг которого вращается единственный электрон. Тщательные исследования воды (H 2 O) показали, что в ней в ничтожном количестве присутствует «тяжелая» вода, содержащая «тяжелый изотоп» водорода - дейтерий (2 H). Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона - нейтральной частицы, по массе близкой к протону.
Существует третий изотоп водорода - тритий, в ядре которого содержатся один протон и два нейтрона. Тритий нестабилен и претерпевает самопроизвольный радиоактивный распад, превращаясь в изотоп гелия. Следы трития обнаружены в атмосфере Земли, где он образуется в результате взаимодействия космических лучей с молекулами газов, входящих в состав воздуха. Тритий получают искусственным путем в ядерном реакторе, облучая изотоп литий-6 потоком нейтронов.
Разработка водородной бомбы. Предварительный теоретический анализ показал, что термоядерный синтез легче всего осуществить в смеси дейтерия и трития. Приняв это за основу, ученые США в начале 1950 приступили к реализации проекта по созданию водородной бомбы (HB). Первые испытания модельного ядерного устройства были проведены на полигоне Эниветок весной 1951; термоядерный синтез был лишь частичным. Значительный успех был достигнут 1 ноября 1951 при испытании массивного ядерного устройства, мощность взрыва которого составила 4 ? 8 Мт в тротиловом эквиваленте.
Первая водородная авиабомба была взорвана в СССР 12 августа 1953, а 1 марта 1954 на атолле Бикини американцы взорвали более мощную (примерно 15 Мт) авиабомбу. С тех пор обе державы проводили взрывы усовершенствованных образцов мегатонного оружия.
Взрыв на атолле Бикини сопровождался выбросом большого количества радиоактивных веществ. Часть из них выпала в сотнях километров от места взрыва на японское рыболовецкое судно «Счастливый дракон», а другая покрыла остров Ронгелап. Поскольку в результате термоядерного синтеза образуется стабильный гелий, радиоактивность при взрыве чисто водородной бомбы должна быть не больше, чем у атомного детонатора термоядерной реакции. Однако в рассматриваемом случае прогнозируемые и реальные радиоактивные осадки значительно различались по количеству и составу.
Механизм действия водородной бомбы. Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки HB заряд-инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из дейтерида лития - соединения дейтерия с литием (используется изотоп лития с массовым числом 6). Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Таким образом, атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой приведенной в действие бомбе.
Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода. При дальнейшем повышении температуры могла бы начаться реакция между ядрами дейтерия, характерная для чисто водородной бомбы. Все реакции, конечно, протекают настолько быстро, что воспринимаются как мгновенные.
Деление, синтез, деление (супербомба). На самом деле в бомбе описанная выше последовательность процессов заканчивается на стадии реакции дейтерия с тритием. Далее конструкторы бомбы предпочли использовать не синтез ядер, а их деление. В результате синтеза ядер дейтерия и трития образуются гелий и быстрые нейтроны, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать деление ядер урана-238 (основной изотоп урана, значительно более дешевый, чем уран-235, используемый в обычных атомных бомбах). Быстрые нейтроны расщепляют атомы урановой оболочки супербомбы. Деление одной тонны урана создает энергию, эквивалентную 18 Мт. Энергия идет не только на взрыв и выделение тепла. Каждое ядро урана расщепляется на два сильно радиоактивных «осколка». В число продуктов деления входят 36 различных химических элементов и почти 200 радиоактивных изотопов. Все это и составляет радиоактивные осадки, сопровождающие взрывы супербомб.
Благодаря уникальной конструкции и описанному механизму действия оружие такого типа может быть сделано сколь угодно мощным. Оно гораздо дешевле атомных бомб той же мощности.
Загрузка...