У многих наших читателей водородная бомба ассоциируется с атомной, только гораздо более мощной. На самом деле это принципиально новое оружие, потребовавшее для своего создания несоизмеримо больших интеллектуальных усилий и работающее на принципиально других физических принципах.
Редакция ПМ
«Слойка»
Современная бомба
Единственно, что роднит атомную и водородную бомбу, так это то, что обе высвобождают колоссальную энергию, скрытую в атомном ядре. Сделать это можно двумя путями: разделить тяжелые ядра, например, урана или плутония, на более легкие (реакция деления) или заставить слиться легчайшие изотопы водорода (реакция синтеза). В результате обеих реакций масса получившегося материала всегда меньше массы исходных атомов. Но масса не может исчезнуть бесследно — она переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2.
A-bomb
Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.
Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.
Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 — 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.
Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию — обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.
Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись — как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.
H-bomb
А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиарды лет идет термоядерная реакция, — и ничего, не взрывается. К тому же при реакции синтеза, например, дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого изотопа водорода) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при сгорании такой же массы урана-235.
Изготовление атомной бомбы было скорее экспериментальным, чем теоретическим процессом. Создание же водородной бомбы потребовало появления совершенно новых физических дисциплин: физики высокотемпературной плазмы и сверхвысоких давлений. Прежде чем начинать конструировать бомбу, надо было досконально разобраться в природе явлений, происходящих только в ядре звезд. Никакие эксперименты тут помочь не могли — инструментами исследователей были только теоретическая физика и высшая математика. Не случайно гигантская роль в разработке термоядерного оружия принадлежит именно математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому и т. д.
Классический супер
К концу 1945 года Эдвард Теллер предложил первую конструкцию водородной бомбы, получившую название «классический супер». Для создания чудовищного давления и температуры, необходимых для начала реакции синтеза, предполагалось использовать обычную атомную бомбу. Сам «классический супер» представлял собой длинный цилиндр, наполненный дейтерием. Предусматривалась также промежуточная «запальная» камера с дейтериевотритиевой смесью — реакция синтеза дейтерия и трития начинается при более низком давлении. По аналогии с костром, дейтерий должен был играть роль дров, смесь дейтерия с тритием — стакана бензина, а атомная бомба — спички. Такая схема получила название «труба» — своеобразная сигара с атомной зажигалкой с одного конца. По такой же схеме начали разрабатывать водородную бомбу и советские физики.
Однако математик Станислав Улам на обыкновенной логарифмической линейке доказал Теллеру, что возникновение реакции синтеза чистого дейтерия в «супере» вряд ли возможно, а для смеси потребовалось бы такое количество трития, что для его наработки нужно было бы практически заморозить производство оружейного плутония в США.
Слойка с сахаром
В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы — «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.
Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.
В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.
Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества — дейтрида лития 6LiD.
Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий — газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.
Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления — последствиями взрыва атомного запала — превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.
Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.
Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.
Американ бомб
Тем не менее, первыми водородную бомбу взорвали именно американцы. 1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было успешно испытано термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 мегатонн. Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, заполненное жидким дейтерием при температуре, близкой к абсолютному нулю (сахаровская «слойка» была вполне транспортабельным изделием). Однако изюминкой «Майка» были не размеры, а гениальный принцип обжатия термоядерной взрывчатки.
Напомним, что основная идея водородной бомбы состоит в создании условий для синтеза (сверхвысокого давления и температуры) посредством ядерного взрыва. В схеме «слойка» ядерный заряд расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтерий, сколько разбрасывает его наружу — увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности — она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы — самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн.
Идеально было бы, если бы заставить взрываться атомный запал внутрь, сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией и нейтронным потоком, а излучением первичного атомного запала.
В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком. Рентгеновское излучение при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы. Плазма, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 — «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться (это явление называют абляция). Раскаленную урановую плазму можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая детонировала. Интенсивный поток нейтронов расщепляет ядра урана-238 в «пушере», вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. Создатели «Майка» испытывали от 10-мегатонного взрыва не ужас, а неописуемый восторг — им удалось не только разобраться в процессах, которые в реальном мире идут только в ядрах звезд, но и экспериментально проверить свои теории, устроив свою небольшую звезду на Земле.
Браво
Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.
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.
Итак, в водородной бомбе при термоядерном взрыве выгорает 100% смеси дейтерия и трития. Но в ней, как и во всех энергетических процессах, идет их расщепление, а не синтез гелия. Именно поэтому нет никакого прогресса в освоении термоядерного синтеза для получения электроэнергии, что энергетические устройства проектируются по ошибочной теории.
Полученные выше результаты можно отнести к урановому заряду водородной бомбы. Итак, расщепление уранового заряда прервалось и электронный газ вырвался на новый оперативный простор. Если термоядерным горючим служила смесь дейтерия и трития, то можно сказать, что все 2∙10 28 электронов равномерно распределились в объеме водородной бомбы и каждый электрон стал началом цепной реакции с коэффициентом размножения равным трем. Повторяется тот же процесс, что и в центре уранового заряда, но с теми отличиями, что здесь нет лимитирующего фактора в распространении ФПВР на всю массу термоядерного горючего. Именно поэтому выгорает вся масса ядерного горючего – все 100%. По ходу развития процесса ФПВР электрино покидают объем бомбы в виде γ –излучения, а все высвобождающиеся электроны накапливаются в нем. И опять электронный газ создает высокое напряжение (давление) по всему объему бомбы, разрывает корпус и выходит на новый оперативный простор. При этом все накопленное количество электронов приступает к расщеплению азота и кислорода воздуха. ФПВР в атмосферном воздухе гаснет, в основном, за счет связывания электронов в отрицательно заряженные ионы воздуха, значительная часть которых становится радиоактивной.
Интересно почувствовать масштаб дополнительной мощности от взрыва воздуха при термоядерном взрыве. По воспоминаниям Славского из газет известно, что при взрыве водородной бомбы мощностью 58 Мт по тротиловому эквиваленту на Новой Земле в радиусе 20 км испарился лед 3-х метровой толщины. После несложного подсчета видно, что только на испарение этого льда затрачено энергии в 50 раз больше, чем указанная мощность бомбы. Ясно, что эта цифра оценочная и она многое не учитывает; в открытой литературе встречаются данные о том, что при разных термоядерных взрывах дополнительная энергия участвующего во взрыве воздуха на 2...3 порядка выше расчетной мощности термоядерной бомбы.
Что касается синтеза атомов и молекул, то действительно при этом выделяется энергия. Однако, она на 20 порядков меньше, чем энергия распада вещества той же массы на элементарные частицы и обусловлена частичным распадом атомов при их сближении, а не синтезом. Тогда электроны – «склейщики» молекулы за краткий миг успевают «раздеть» атомы, сняв с них несколько электрино с выделением энергии, которую и считают энергией синтеза. Поэтому и теоретически и практически энергия выделяется только при распаде вещества, как аккумулятора энергии, на элементарные частицы.
Как известно, еще в середине 20-х годов английский астрофизик Эддингтон выс- казал предположение, что источником энергии звезд могут быть ядерные реакции син- теза (слияние легких атомных ядер в более тяжелые. Сверхвысокие температура и давление в недрах звезд создают необходимые для этого условия. В нормальных (земных) условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы они, преодолев электростатическое отталкивание, могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако это отталкивание можно преодолеть, сталкивая разогнанные до больших скоростей ядра легких элементов. Д.Кокрофт и Э.Уолтон использовали этот метод в своих экспериментах, проводившихся в 1932г. в Кембридже (Великобритания). Ускоренные в электрическом поле протоны, «обстреливали» литиевую мишень при этом наблюдалось взаимодействие протонов с ядрами лития. В 1938г. тремя физиками неза- висимо друг от друга были открыты два цикла термоядерных реакций превращения водо- рода в гелий, являющиеся источником энергии звезд:- протон-протонный (Г. Бете и Ч.Критчфилд) и углеродно-азотный (Г.Бете и К.Вейцзеккер). Таким образом теоретическая возможность получения энергии путем ядерного син- теза была известна еще до войны. Вопрос состоял в том чтобы создать работоспособ- ное техническое устройство которое бы позволило создать на Земле условия необходи- мые для начала реакций синтеза. Для этого требовались миллионные температуры и сверхвысокие давления. В 1944г. в Германии в лаборатории Дибнера велись работы по инициированию термоядерного синтеза путем сжатия ядерного топлива подрывом кумуля- тивных зарядов обычного взрывчатого вещества (см. «Урановый проект Фашистской Германии»). Работы эти не дали однако желаемого результата как теперь понятно из-за недостаточности давления и температуры. США Идея бомбы основанной на термоядерном синтезе, инициируемом атомным зарядом была предложена Э.Ферми его коллеге Э.Теллеру (который и считается «отцом» термо- ядерной бомбы) еще в 1941г. В 1942г. между Оппенгеймером и Теллером возник конфликт поскольку последний был «обижен» тем, что место главы теоретического отдела было отдано не ему. В результате Оппенгеймер отстранил Теллера от проекта атомной бомбы и перевел на изучение возможности использования реакции синтеза гелия из ядер тяжелого водорода (дейтерия) для создания нового оружия. Теллер принялся за создание устройства, получившего название «классический супер» (в со- ветском варианте «труба»). Идея состояла в разжигании термоядерной реакции в жид- ком дейтерии при помощи тепла от взрыва атомного заряда. Но вскоре выяснилось, что атомный взрыв недостаточно горяч, и не обеспечивает необходимых условий для «горения» дейтерия. Для начала реакций синтеза требовалось введение в смесь трития. Реакция дейтерия с тритием должна была обеспечить повышение температуры до условий дейтериево-дейтериевого синтеза. Но тритий, ввиду своей радиоактивности (период полураспада всего 12 лет) в природе практически не встречается и его приходится получать искусственным путем в реакторах деления. Это делало его на порядок дороже оружейного плутония. Кроме того каждые 12 лет половина полученного трития просто исчезала в результате радиоактивного распада. Применение газообразных дейтерия и трития в качестве ядерного топлива было невозможно и приходилось применять сжи- женный газ, что делало взрывные устройства малопригодными для практического приме- нения. Исследования проблем «классического супера» продолжалось в США до конца 1950г. когда выяснилось что даже несмотря на большие количества трития достичь стабильного термоядерного горения в таком устройстве невозможно. Исследования зашли в тупик. В апреле 1946г. в Лос-Аламосе проходило секретное совещание на котором обсуж- дались итоги американских работ по водородной бомбе в нем участвовал Клаус Фукс. Через какое-то время после совещания он передал материалы, связанные с этими рабо- тами, представителям советской разведки и они попали к нашим физикам. В начале 1950г. К.Фукс был арестован и этот источник информации «иссяк». В конце августа 1946г. Э.Теллер выдвинул идею, альтернативную «классическому суперу», которую он назвал «Alarm Clock». Этот вариант был использован в СССР А.Сахаровым под названием «слойка», а в США никогда не реализовывался. Идея заклю- чалась в окружении ядра делящейся атомной бомбы слоем термоядерного горючего из смеси дейтерия с тритием. Излучение от атомного взрыва способно сжать 7-16 слоев горючего, перемежающегося со слоями делящегося материала и нагреть его примерно до такой же температуры, как и само делящиеся ядро. Это опять же требовало исполь- зования очень дорогого и неудобного трития. Термоядерное топливо окружала оболочка из урана-238 которая на первом этапе выполняла роль теплоизолятора, не давая энер- гии выйти за пределы капсулы с топливом. Без нее горючие, состоящие из легких элементов было бы абсолютно прозрачно для теплового излучения, и не прогрелось бы до высоких температур. Непрозрачный уран, поглощая эту энергию, возвращал часть ее обратно в топливо. Кроме того, они увеличивают сжатие горючего путем сдерживания его теплового расширения. На втором этапе, уран подвергался распаду за счет нейтро- нов, появившихся при синтезе, выделяя дополнительную энергию. В сентябре 1947г. Теллер предложил использовать новое термоядерное горючее - дейтерид лития-6 являющееся при нормальных условиях твердым веществом. Литий поглощая нейтрон делился на гелий и тритий с выделением дополнительной энергии, что еще больше повышало температуру, помогая начаться синтезу. Идею «слойки», использовали и британские физики при создании при создании своей первой бомбы. Но будучи тупиковой ветвью развития термоядерных систем эта схема отмерла. Перевести разработку термоядерного оружия в практическую плоскость позволила предложенная в 1951г. сотрудником Теллера Станиславом Уламом новая схема. Для инициирования термоядерного синтеза предполагалось сжимать термоядерное топливо, используя излучение от первичной реакции расщепления, а не ударную волну(т.н. идея «радиационной имплозии»), а также разместить термоядерный заряд отдельно от пер- вичного ядерного компонента бомбы - триггера (двуступенчатая схема). Учитывая что при обычном атомном взрыве 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения, а около 20 в виде кинетической энергии осколков деления и что, рентгеновские лучи намного опережают расширяющиеся (со скоростью около 1000 км/с.) остатки плутония, такая схема позволяла сжать емкость с термоядерным горючим второй ступени до начала его интенсивного нагрева. Эта модель американской водородной бомбы получила название Улама-Теллера. На практике все происходит следующим образом. Компоненты бомбы помещаются в цилиндрический корпус с триггером на одном конце. Термоядерное топливо в виде ци- линдра или эллипсоида помещается в корпус из очень плотного материала – урана, свинца или вольфрама. Внутри цилиндра аксиально помещен стержень из Pu-239 или U-235, 2-3 см. в диаметре. Все оставшееся пространство корпуса заполняется пласт- массой. При подрыве триггера испускаемые рентгеновские лучи нагревают урановый корпус бомбы он начинает расширяться и охлаждаться путем уноса массы (абляции). Явление уноса, подобно струе кумулятивного заряда направленного внутрь капсулы, развивает огромное давление на термоядерное горючие. Два других источника давления движение плазмы (после срабатывания первичного заряда корпус капсулы как и всё устройство представляет собой ионизированную плазму) и давление рентгеновских фотонов не оказывают значительного влияния на обжатие. При обжатии стержня из делящегося материала он переходит в надкритическое состояние. Быстрые нейтроны, образующиеся при делении триггера и замедленные дейтеридом лития до тепловых скоростей начинают цепную реакцию в стержне. Происходит еще один атомный взрыв действующий наподобие «запальной свечи» и вызывающий еще большее увеличивает дав- ления и температуры в центре капсулы, делая их достаточными для разжигания термо- ядерной реакции. Урановый корпус мешает выходу теплового излучения за его пределы, значительно увеличивая эффективность горения. Температуры, возникающие в ходе термоядерной реакции многократно превышают образующиеся при цепном делении (до 300 млн. вместо 50-100млн. град.). Все это происходит примерно за несколько сотен нано- секунд. Описанная выше последовательность процессов на этом заканчивается, если корпус заряда изготовлен из вольфрама (или свинца). Однако если изготовить его из U-238 то образующиеся при синтезе быстрые нейтроны, вызывают деление ядер U-238. Деление одной тонны U-238 дает энергию, эквивалентную 18 Мт. При этом обраэуется много радиоактивных продуктов деления. Все это и составляет радиоактивные осадки, сопровождающие взрыв водородной бомбы. Чисто термоядерные заряды создают значи- тельно меньшее заражение обусловленное только взрывом триггера. Такие бомбы полу- чили название «чистых»/ Двухступенчатая схема Теллера-Улама позволяет создавать столь мощные заряды, на сколько хватит мощности триггера для сверхбыстрого обжатия большого количества горючего. Для дальнейшего увеличения величины заряда можно использовать энергию второй ступени для сжатия третьей. На каждой стадии в таких устройствах возможно усиление мощности в 10-100 раз. Модель требовала большого количества трития, и для его производства американцы построили новые реакторы. Работы шли в большой спешке, ведь Советский Союз к тому времени уже создал атомную бомбу. Штатам оставалось только надеяться, что СССР пошел по украденному Фуксом тупиковому пути (который был арестован в Англии в январе 1950г.). И эти надежды оправдались. Первые термоядерные устройства были взорваны в ходе операции Greenhouse (Оран- жерея) на атолле Эниветок (Маршалловы острова). Операция включала четыре испытания. В ходе первых двух «Dog» и «Easy» в апреле1951г. были испытаны две новые атомные бомбы: Mk.6 - 81Кт. и Mk.5 - 47Кт. 8 мая 1951г. было проведено первое испытание термоядерного устройства «George» мощностью 225Кт. Это был чисто исследовательский эксперимент по изучению термоядерного горения дейтерия. Устройство представляло собой ядерный заряд в виде тора 2,6м. в диаметре и 0,6м. толщиной с небольшим (несколько граммов) количеством жидкой дейтериево-тритиевой смеси, помещенным в центре. Выход энергии от синтеза в этом устройстве очень невелик по сравнению с выходом энергии от деления ядер урана. 25 мая 1951г. было проведено испытание тер- моядерного устройства «Item». В нем в качестве термоядерного топлива использова- лась смесь дейтерия с тритием, охлажденная до жидкого состояния, и находящаяся внутри ядра из обогащенного урана. Устройство создавалось для испытания принципа увеличения мощности атомного заряда за счет дополнительных нейтронов возникающих в реакции синтеза. Эти нейтроны, попадая в зону реакции деления, увеличивали их интенсивность (увеличивалась доля ращепившихся ядер урана) а следовательно и силу взрыва. Для ускорения разработок в июле 1952г. правительство США организовало второй оружейный ядерный центр - Ливерморскую национальную лабораторию им. Лоуренса в Калифорнии. 1 ноября 1952г. на атолле Эниветок проведено испытание «Ivy Mike» мощностью 10,4Мт. Это было первое устройство, созданное по принципу Теллера-Улама. Весило оно около 80т. и занимало помещение размером с двухэтажный дом. Термоядерное горю- чее (дейтерий – тритий) находилось в жидком состоянии при температуре, близкой к абсолютному нулю в дьюаровском сосуде по центру которого проходил плутониевый стр- ежень. Сам сосуд окружал корпус-толкатель из природного урана, массой более 5т. Целиком сборка помещалась в огромную стальную оболочку, 2м. в диаметре и 6,1м. в высоту, со стенками толщиной 25-30см. Эксперимент стал промежуточным шагом амери- канских физиков на пути к созданию транспортабельного водородного оружия. 77% (8 Мт.) выхода энергии обеспечило деление уранового корпуса заряда и только (2.4Мт.), приходился на реакцию синтеза.
«Ivy Mike»
Смесь жидких изотопов водорода не имела практического применения для термоя-
дерных боеприпасов, и последующий прогресс в развитии термоядерного оружия связан
с использованием твердого топлива - дейтерида лития-6 (Li6). В этом плане впереди
оказались советские ученые, использовавшие дейтерид Li6 уже в первой советской
термоядерная бомбе испытанной в августе 1953г. Американский же завод по производ-
ству Li6 в Ок-Ридже был пущен в эксплуатацию только к середине 1953г. (строитель-
ство началось в мае 1952г.). После операции «Ivy Mike» оба ядерных центра (в Лос-
Аламосе и Калифорнии) приступили к спешной разработке более компактных зарядов с
использованием дейтерида лития, которые возможно было бы применять в боевых усло-
виях.
В 1954г. в ходе операции «Castle» на атолле Бикини планировалось провести ис-
пытания экспериментальных образцов термоядерных зарядов ставшие прототипами для
первых серийных бомб. Однако для скорейшего оснащения вооруженных сил новым ору-
жием три типа устройств, были сразу, без испытаний, изготовлены малой серией (по 5
изделий). Одним из них стла бомба EC-16 (ее испытание под именем «Jughead» планиро-
валось провести в ходе операции «Castle»). Это была транспортабельная версия
криогенной системы «Mike» (масса бомбы 19т. мощность 8Мт.). Но после первых успеш-
ных испытаний устройств с дейтеридом лития EC-16 моментально устарела и даже не
испытывалась. EC-17 и ЕС-14 были серийными версиями устройств «Runt I» и «Alarm
Clock».
1 марта 1954г.(здесь и далее дата указана по местному времени) состоялось ис-
пытание «Castle Bravo» в ходе которого было взорвано устройство «Shrimp». Это был
двухступенчатый заряд с дейтеридом лития обогащенным изотопом Li6 до 40%(остальное
составлял природный Li7). Такое горючие применялось в США впервые поэтому мощность
взрыва сильно превысила ожидаемую в 4-8Мт. и составила 15Мт. (10Мт. выделилось
при делении оболочки из U-238 и 5 Мт. от реакции синтеза). Причина неожиданно
высокой мощности состояла в Li7 который по ожиданиям должен был быть достаточно
инертным, но в действительности при поглощении быстрых нейтронов атом Li7 тоже
делился на тритий и гелий. Этот «незапланированный» тритий и обеспечил 2-х крат-
ное усиление мощности. Кратер от взрыва получился 2км. в диаметре и глубиной 75м.
Масса устройства составляла 10.5т. длина 4,5м. диаметр 1,35м. Успешный результат
первого испытаня привел к отказу от криогенных проектов «Jughead» (EC-16) и
«Ramrod» (криогенного близнеца устройства «Morgenstern»).
Из-за дефицита обогащенного Li6 в следующем испытани «Castle Romeo» исполь-
зовался заряд из природного (7.5% Li6) лития. Термоядерное устройство под именем
«Runt I» было взорвано 26 Марта 1954г. Одновременно это было контрольное испытание
термоядерной бомбы получившей обозначение EC-17. Мощность взрыва составила 11Мт.
из которых на реакции синтеза пришлось 4Мт. Как и в случае с «Bravo», выделившаяся
мощность намного превысила ожидаемые 1.5-7Мт. Масса устройства - 18т. длина –
5,7м. диаметр – 1,55м.
26 Апреля 1954г. в ходе испытания «Castle Union» было взорвано устройство
«Alarm Clock» (EC-14) с содержанием Li6-95%. Энерговыделение – 6,9 Мт. из которых
1,6Мт. (27.5%) образовались за счет реакций синтеза. Взрыв оставил на дне лагуны
кратер 100м. шириной и 30м. глубиной. Масса устройства – 12,5 т. длина – 3,86 м.
диаметр – 1,55м.
7 апреля 1954г. проведено испытание «Castle Koon» в ходе которого было взор-
вано изделие «Morgenstern» являвшееся первой термоядерной разработкой Калифорний-
ского ядерного центра и последним оружейным проектом, над которым работал Э.Теллер.
Испытание было неудачным. Вместо планировавшейся 1Мт. мощность взрыва составила
лишь 110кт. из которых только 10кт. за приходилось на термоядерный синтез. Это
произошло из-за того, что нейтронный поток от триггера достиг второй ступени, пред-
варительно разогрев ее и помешав эффективному обжатию. Остальные изделия, испытан-
ные в «Castle», содержали бор-10, служащий хорошим поглотителем нейтронов и снижа-
ющим эффект предварительного разогрева термоядерного топлива.
5 Мая 1954г. произведено испытание «Castle Yankee». Испытываемый заряд назы-
вался «Runt II» и являлся прототипом для бомбы EC-24 и близнецом «Runt I». Это
изделие было полностью аналогично испытанному в «Romeo», но в нем вместо природ-
ного применялся обогащенный (до 40% Li6) литий. Это дало прибавку мощности в 2.5Мт.
Мощность взрыва составила 13.5 Мт. (при ожидаемых 7.5-15Мт.) из которых на реакции
синтеза пришлось 6,5Мт. Масса «Runt II» 17,8т. длина-5,6м. диаметр -1,52м. Вклю-
чение в график испытания этого заряда произошло из-за чрезвычайного успеха «Castle
Romeo» и исключения испытаний устройств «Ramrod» и «Jughead».
14 Мая 1954г. состоялось испытание «Castle Nectar» в ходе которого было взор-
вано изделие «Zombie» представлявшее собой прототип облегченного термоядерного
заряда TX-15. По сравнению с весом остальных зарядов, эта бомба выглядит совсем
небольшой масса - 2.9т. мощность - 1.7 Мт, длина – 2,8м. диаметр- 0,88 м. Первона-
чально она разрабатывалось как чисто атомная бомба с мощностью в диапазоне сотен
килотонн в которой применялось радиационное обжатие одного атомного заряда другим.
Идея была сохранена но в проект добавили термоядерное горючее для увеличения мощ-
ности. В итоге получилась радиационно обжимаемая атомная бомба с термоядерным
усилением (80% энергии выделяется за счет деления урана). Проект выиграл в весе,
но применение в нем дорогого и отсутствующего на тот момент в должных количествах
материала - высокообогащенного лития сдерживало его производство до 1955г.
Таким образом на вооружение США уже в 1954г поступили в ограниченном коли-
честве первые термоядерные бомбы. Это были огромные и тяжелые мастодонты ЕС-14
(«Alarm Clock») масса 14т. мощность 7Мт. получивший обозначение Мк.14, ЕС-17
(«Runt I») масса 19 т. мощность 11 Мт. диаметр – 1,6 м. длина – 7,5м получивший
обозначение Мк.17. Эти заряды изготовлены сериями по 5 шт. Кроме того, имелось 10
зарядов EC 24 («Runt II») получивших обозначение Мк.24. Термоядерная бомба Mk.17
стала крупнейшей бомбой из созданных в США. Взять ее в полет мог только B-36. Для
ее эксплуатации требовались специальные машины, средства и приспособления. Подве-
сить ее в самолет могли лишь на одной авиабазе, что было крайне неудобно и снижало
гибкость применения этого оружия. Поэтому все пять Mk.17 были сняты с вооружения
в 1957г.
После операции «Castle» было развернуто серийное производство новых термоя-
дерных зарядов, начавших поступать на вооружение в 1955г. Серийная версия «Zombie»
(«Castle Nectar»)- Mk.15 длина - 3,5м. масса - 3447кг. мощность - 1.69Мт. В 1955-
1957гг. было изготовлено 1200шт. сняты с вооружения в 1965г. Mk.21 с ядром, содер-
жащим 95% лития-6: длина – 3,75м. масса – 8т. мощность 5Мт. В 1955 – 56гг. произ-
ведено 275 шт. сняты с вооружения в 1957г. Наследник «Castle Yankee» - Mk.24 длина
– 7,42м. масса 19т. мощность 15Мт. В 1954-55 гг. изготовлено 105шт. сняты с воору-
жения в 1956г. В 1956г. состоялось испытание «Redwing Cherokee» (дальнейшее раз-
витие бомбы Mk.15). Энерговыделение составило 3.8Мт. масса 3,1т. длина – 3,45м.
диаметр - 0,88м. Важное отличие этого заряда от испытанных ранее то, что он был
сразу конструктивно оформлен в виде авиабомбы и впервые в США было произведено бом-
бометание термоядерного устройства с самолета.
Самая мощная американская бомба была разработана по программе B-41. Работы
начались в 1955г. в Калифорнийскрм ядерном центре на основе разрабатываемой там
экспериментальной трехступенчатой термоядерной системы. Прототипы бомбы TX-41, ис-
пытывался в тестах "Sycamore", "Poplar" и "Pine" операции "Hardtack" на полигоне в
Тихом океане, между 31 маем и 27 июлем 1958г. среди них были только чистые вари-
анты. В результете была создана самая мощная американская термоядерная бомба Mk.41.
Она имела ширину 1,3м. (1,85м. по хвостовому оперению) длину 3,7м. и массу 4,8т.
За период 1960-62гг. было изготовлено 500 шт. (снята с вооружения в 1976г.).
Этот трехступенчатый термоядерный заряд производился в двух вариантах. «Гряз-
ная» с оболочкой третьей ступени из U-238 - Y1 и «чистая» со свинцовой оболочкой
-Y2 мощностью менее 10 Мт. и 25 Мт. соответственно. В качестве топлива использо-
вался дейтерид лития с 95% Li-6. Среди всех американских проектов, в этом был
достигнут наибольший удельный энерговыход: 5.2 кт/кг. (по словам Тейлора для
термоядерного оружия предел отношения мощности заряда к массе - около 6 кт/кг.).
В 1979г. после тяжелого сердечного приступа Э.Теллер сделал неожиданное заяв-
ление «…первую конструкцию (водородной бомбы) создал Дик Гарвин». В интервью,
посвященном той же теме, Гарвин вспоминал что в 1951г. в Лос-Аламосе Теллер рас-
сказал ему о научной идее, лежащей в основе создания будущего оружия, и попросил
сконструировать ядерное взрывное устройство. Рэй Киддер, один из основоположников
атомного оружия прокомментировал это заявление так: «Всегда существовало противоре-
чие подобного типа: у кого возникла идея создания водородной бомбы и кто ее создал.
Теперь все сказано. Это исключительно правдоподобно и, смею заметить, точно».
Однако среди ученых нет единодушия в отношении вклада 23-хлетнего (в ту пору
Гарвина в разработку термоядерной бомбы.
СССР
Как уже говорилось СССР через своего агента - английского физика Клауса Фукса
(до его ареста в 1950г.) получал практически все материалы по американским раз-
работкам как говорится из "первых рук". Но он был не единственным нашим источником
и после 1950г. информация продолжала поступать (может быть не том количестве). С
ней, в строжайшей тайне, знакомился только Курчатов. Никто (из физиков) кроме него
об этой информации не знал. Со стороны это выглядело как гениальное озарение Но к
идее использования термоядерного синтеза для создания бомбы советские ученые
похоже пришли самостоятельно. В 1946г. И. Гуревич, Я. Зельдович, И.Померанчук
и Ю. Харитон передали Курчатову совместное предложение в форме открытого отчёта.
Суть их предложения заключалась в использовании атомного взрыва в качестве детона-
тора для обеспечения взрывной реакции в дейтерии. При этом подчёркивалось, что
„желательна наибольшая возможная плотность дейтерия“, а для облегчения возникнове-
ния ядерной детонации полезно применение массивных оболочек, замедляющих разлёт.
Гуревич позднее назвал факт незасектеченности этого отчета «... наглядным доказа-
тельством того, что мы ничего не знали об американских разработках.» Но Сталин
и Берия во всю гнали создание атомной бомбы и на предложение малоизвстных ученых
не обратили внимания. Далее события развивались следующим образом.
В июне 1948г. по постановлению Правительства в ФИАНе под руководством И.Тамма
была создана специальная группа, в которую был включен А.Сахаров в задачу которой
входило исследование возможности создания водородной бомбы. При этом ей поручалась
проверка и уточнение тех расчётов, которые проводились в московской группе Я. Зель-
довича в Институте химической физики. Надо сказать, что в тот период группа Я.Зель-
довича разрабатывала проект «труба».
Уже в конце 1949г. Сахаров предложил новую модель водородной бомбы. Это была
гетерогенная конструкция из чередующихся слоев расщепляющегося материала и слоев
топлива синтеза (дейтерия в смеси с тритием). Схема получила наименование «слойка»
или схема Сахарова-Гинзбурга (непонятно каким образом «слойку» внедрялись жидкие
дейтерий и тритий). Эта модель имела некоторые недостатки - водородный компонент
бомбы был незначителен, что ограничивало мощность взрыва. Эта мощность могла быть
максимум в двадцать-сорок раз выше мощности обычной плутониевой бомбы. Кроме того
только тритий был очень дорог и для его производства требовалось много времени. По
предложению В. Гинзбурга в качестве источника дейтерия и трития был использован
литий, имевший к тому же дополнительные преимущества -твёрдое агрегатное состояние
и дешевизну.
В феврале 1950г. было принято постановление Совета Министров СССР ставившее
задачу организовать расчетно-теоретические, экспериментальные и конструкторские
работы по созданию изделий РДС-6с («слойка») и РДС-6т («труба»). Таким образом у
нас параллельно развивались два направления - «труба» и «слойка». В первую очередь
должно было быть создано изделие РДС-6с весом до 5т. для усиления мощности в дейте-
рид лития вводилось небольшое количество трития. Был установлен срок изготовления
первого экземпляра изделия РДС-6с - 1954г. К 1 мая 1952г. следовало изготовить РДС-6с была испытана 12 августа 1953г. на Семипалатинском полигоне,получив на
Западе наименование «Джо-4». Это была именно перемещаемая бомба, а не стационарное
устройство, как у американцев. Заряд имел несколько больший вес и те же габариты,
что и первая советская атомная бомба, испытанная в 1949г. Испытание решено было
провести в стационарных условиях на стальной башне высотой 40м. (заряд устанавли-
вался на высоте 30м.). Мощность взрыва была эквивалентна 400Кт. при кпд всего 15
- 20 %. Расчёты показали, что разлёт непрореагировавшего материала препятствует
увеличению мощности свыше 750Кт. Выделяемая мощность распределялась следующим
образом 40 кт. - триггер, 60-80 кт. синтез, остальное - деление оболочек из U-238.
Л.Феоктистов вспоминает: «В 1953г. мы... были уверены, что... «слойкой» мы не
только догоняем, но даже перегоняем Америку. ... Конечно, мы уже тогда слышали об
испытании «Майк», но...в то время мы думали, что богатые американцы взорвали «дом»
с жидким дейтерием... по схеме, близкой к «трубе» Зельдовича» . Бомба имела
два существенных недостатка, обусловленные наличием трития - высокая стоимость и
ограниченный (до полугода) срок годности. В дальнейщем от трития отказались, что
привело к некоторому снижению мощности. Испытание нового заряда было проведено 6
ноября 1955г. Причем впервые водорордная бомба была сброшена с самолета.
В начале 1954г. состоялось специальное совещание в Министерстве среднего маши-
ностроения с участием министра В. Малышева по «трубе». Было принято решение о
полной бесперспективности этого направления (в США к такому же выводу пришли еще в
1950г.). Дальнейшие исследования сконцентрировались на том, что у нас получило
название «атомного обжатия» (АО) идея которого заключалась использовать для обжа-
тия основного заряда не продуктов взрыва, а излучения (схема Улама-Теллера). В
связи с этим 14 января 1954г. Зельдович собственноручно написал записку Харитону,
сопроводив её поясняющей схемой: «В настоящей записке сообщаются предварительная
схема устройства для АО сверхъизделия и оценочные расчёты её действия. Применение
АО было предложено В. Давиденко». В своих «Воспоминаниях» Сахаров отмечал что к
этой идее «…одновременно пришли несколько сотрудников наших теоретических отделов.
Одним из них был я... Но также, несомненно, очень велика была роль Зельдовича,
Трутнева и некоторых...».
К началу лета 1955г. расчётно-теоретические работы были завершены, был выпущен
отчёт. Но изготовление экспериментального заряда завершилось лишь к осени. Он
был успешно испытан 22 ноября 1955г. Это была первая советская двухступенчатая
водородная бомба небольшой мощности, получившая обозначение РДС-37. При ее испы-
тании пришлось заменить часть термоядерного горючего на инертное вещество, чтобы
снизить мощность ради безопасности самолёта и жилого городка, находившегося при-
мерно в 70км. от места взрыва. Мощность взрыва составила 1,6Мт.
Решение о создании водородной бомбы мощностью 100Мт. Хрущев принял в 1961г.
дабы показать империалистам «кузькину мать». До этого максимальным зарядом,
испытанным в СССР заряд мощностью 2.9 Мт. К разработке устройства получившего
обозначение А602ЭН группа Сахарова приступила сразу после совещания с Хрущевым 10
июля 1961г. на котором было объявлено о начале проведения осенью 1961г. серии
испытаний устройств в 4, 10 и 12.5 Мт. Разработка шла ускоренными темпами. Из
готовившегося испытания не делали тайны. Публичное заявление по поводу планирующе-
гося супервзрыва было сделано Хрущевым 1 сентября 1961г. (в тот же день произве-
дено первое испытание серии). Ядерный заряд разрабатывался в ВНИИЭФ (Арзамас-16),
собиралась бомба в РФЯЦ-ВНИИТФ (Челябинск-70). Бомба имела трехступенчатую схему.
Около 50% мощности обеспечивалось термоядерной частью, а 50% - делением корпусов
третьей и второй ступеней из урана-238. Для испытаний было решено ограничить мак-
симальную мощность бомбы до 50 Мт. Для этого урановую оболочку третьей ступени
заменили на свинцовую что снизило вклад урановой части с 51.5 до 1.5 Мт. Для
обеспечения безопасного (для экипажа) применения «супербомбы» с самолета-носителя
в НИИ парашютно-десантных систем была создана тормозная парашютная система с пло-
щадью основного купола 1600 кв.м. Бомба имела длину около 8 м. диаметр около 2 м.
массу 27т. Груз таких габаритов не помещался ни в один из существующих бомбарди-
ровщиков и только Ту-95 на пределе грузоподъемности мог поднять его в воздух. Но
и в егов бомбоотсек бомба не помещалась. На заводе-изготовителе стратегический
бомбардировщик Ту-95 подвергли доработке, вырезав часть фюзеляжа и все-таки в
полете бомба больше чем наполовину торчала наружу. Такая подвеска и немалый вес
груза привели к тому, что самолет сильно сбавил в дальности и скорости - становясь
практически негодным к боевому применению. Весь корпус самолета, даже лопасти его
винтов, были покрыты специальной белой краской, защищающей от световой вспышки при
взрыве.
Все было готово уже через 112 дней после встречи с Хрущевым. Утром 30 октября
1961г. Ту-95 поднялся в воздух и взял курс на Новую Землю. Экипажем самолета
командовал майор А.Дурновцев (после испытания он получил звание Героя СССР и повы-
шение до подполковника). Бомба отделилась на высоте 10500м. и снижалась на замед-
ляющем парашюте до 4000м. За время падения самолет успел удалиться на относительно
безопасное расстояние в 40-50км. Взрыв произошел в 11:32 по московскому времени.
Вспышка оказалась настолько ярка, что ее можно было наблюдать с расстояния до 1000
км. на 300-километровом удалении был слышен мощный рев. Светящийся огненный шар
достиг земли и имел размеры около 10км. в диаметре. Гиганский гриб поднялся на
высоту в 65 км. После взрыва из-за ионизации атмосферы на 40 мин. было прервано
радиосообщение с Новой Землей. Зона полного уничтожения представляла собой круг в
25км. в радиусе 40км. были разрушены деревянные и сильно повреждены каменные дома,
на расстоянии 60 км. можно было получить ожоги третьей степени (с омертвлением
верхних слоев кожи), а окна, двери, крыши срывало и на больших расстояниях. При
полной мощности в 100 Мт. зона полного уничтожения имела бы радиус 35 км. зона
серьезных повреждений - 50 км. ожоги третьей степени можно было бы п олучить на
дистанции в 77 км.
С полной уверенностью можно утверждать, что использование такого оружия в
военных условиях было невозможно и испытание имело сугубо политическое и психоло-
гическое значение. Дальнейшие работы по бомбе были прекращены серийное производ-
ство не велось.
Великобритания
В Великобритании разработка термоядерного оружия была начата в 1954г. в Олдер-
мастоне группой под руководством сэра Уильяма Пеннея, ранее участвовавшего в Ман-
хэттенском проекте в США. В целом информированность британской стороны по термо-
ядерной проблеме находилась на весьма зачаточном уровне, так как США не делились
информацией, ссылаясь на закон об Атомной энергии 1946г.
В 1957г. Великобритания провела серию испытаний на островах Рождества в Тихом
океане под общим наименованием «Operation Grapple» (Операция Схватка). Первым под
наименованием «Short Granite» (Хрупкий Гранит) было испытано опытное термоядерное
устройство мощностью около 300Кт. оказавшееся значительно слабее советских и аме-
риканских аналогов. В ходе испытания «Orange Herald» (Оранжевый вестник) была
взорвана самая мощная из когда-либо созданных атомная бомба мощностью 700Кт. Почти
все свидетели испытаний (включая экипаж самолета, который ее сбросил) считали, что
это была термоядерная бомба. Бомба оказалась слишком дорогой в производстве, так
как в ее состав входил 117кг. плутония, а годовое производство плутония в Велико-
британии составляло в то время 120 кг.
В сентябре 1957г. была проведена вторая серия испытаний. Первым в испытании
под названием «Grapple Х Round» 8 ноября было взорвано двухступенчатое устройство с
небольшим термоядерным зарядом. Мощность взрыва составила приблизительно 1.8 Мт.
28 апреля 1958г. в ходе испытаний «Grapple Y» над островом Рождества была сброшена
самая мощная британская термоядерная бомба мощностью 3 Мт. 2 сентября 1958 г. был
взорван облегченный вариант этого устройства мощностью около 1,2 Мт. 11 сентября
1958 г. в ходе последнего испытания под наименованием "Halliard 1" было взорвано
трехступенчатое устройство мощностью около 800Кт.
Франция
В ходе испытаний «Канопус» во Французской Полинезии в августе 1968 г. Франция
взорвала термоядерное устройство типа «Теллер-Улам» мощностью около 2,6Мт. Подроб-
ности о развитиии французской программы малоизвестны.
Это фотографии испытаний первой французской термоядерной бомбы.
Китай
КНР испытала своё первое термоядерное устройство типа «Теллер-Улам» мощностью
3,31Мт. в июне 1967г. (известно также под наименованием «Испытание номер 6»). Испы-
тание было проведено спустя всего 32 месяца после взрыва первой китайской атомной
бомбы, что является примером самого быстрого развития национальной ядерной прог-
раммы от реакции расщепления к синтезу. Это стало возможным благодаря США откуда
в то время были высланы по подозрению в шпионаже работавшие там китайские физики.
16 января 1963 года Никита Хрущев объявил о создании в СССР водородной бомбы. И это очередной повод вспомнить о масштабах ее разрушительных последствий и о том, какую угрозу представляет собой оружие массового поражения.
16 января 1963 года Никита Хрущев объявил о том, что в СССР создана водородная бомба, после чего ядерные испытания были прекращены. Карибский кризис 1962 года показал, насколько хрупким и беззащитным может быть мир на фоне ядерной угрозы, поэтому в бессмысленной гонке на уничтожение друг друга СССР и США смогли прийти к компромиссу и подписать первый договор, регламентировавший разработку ядерного оружия, – Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой, к которому впоследствии подключились многие страны мира.
В СССР и США испытания ядерного оружия велись еще с середины 1940-х годов. Теоретическая возможность получения энергии путем термоядерного синтеза была известна еще до Второй мировой войны. Также известно, что в Германии в 1944 году велись работы по инициированию термоядерного синтеза путем сжатия ядерного топлива с использованием зарядов обычного взрывчатого вещества, но они не увенчались успехом, так как не удалось получить необходимых температур и давления.
За 15 лет испытаний ядерного оружия в СССР и США было сделано множество открытий в области химии и физики, которые привели к получению двух типов бомб – атомной и водородной. Принцип их работы немного отличается: если к взрыву атомной бомбы приводит распад ядра, то водородная бомба взрывается благодаря синтезу элементов с выделением колоссального количества энергии. Именно эта реакция протекает в недрах звезд, где под действием сверхвысоких температур и гигантского давления ядра водорода сталкиваются и сливаются в более тяжелые ядра гелия. Полученного количества энергии достаточно для того, чтобы запустить цепную реакцию, вовлекая в нее весь возможный водород. Именно поэтому звезды не гаснут, а взрыв водородной бомбы обладает такой разрушительной силой.
Как это работает?
Ученые скопировали эту реакцию с использованием жидких изотопов водорода – дейтерия и трития, что и дало название "водородная бомба". В последствии стал использоваться дейтерид лития-6, твердое вещество, соединение дейтерия и изотопа лития, которое по своим химическим свойствам является аналогом водорода. Таким образом дейтерид лития-6 является горючим бомбы и, по сути, оказывается более "чистым", чем уран-235 или плутоний, используемые в атомных бомбах и вызывающие мощнейшую радиацию. Однако для того, чтобы сама водородная реакция запустилась, что-то должно очень сильно и резко повысить температуры внутри снаряда, для чего используется обычный ядерный заряд. А вот контейнер для термоядерного топлива делают из радиоактивного урана-238, чередуя его со слоями дейтерия, отчего первые советские бомбы такого типа назывались "слойками". Именно из-за них все живое, оказавшееся даже на расстоянии сотен километров от взрыва и уцелевшее при взрыве, может получить дозу облучения, которая приведет к тяжелым заболеваниям и летальному исходу.
Почему при взрыве образуется "гриб"?
На самом деле облако грибовидной формы – обыкновенное физическое явление. Такие облака образуются при обычных взрывах достаточной мощности, при извержениях вулканов, сильных пожарах и падениях метеоритов. Горячий воздух всегда поднимается выше холодного, однако тут его нагрев происходит настолько быстро и так мощно, что он видимым столбом поднимается вверх, закручивается в кольцеобразный вихрь и тянет за собой "ножку" – столб пыли и дыма с поверхности земли. Поднимаясь, воздух постепенно охлаждается, становясь похожим на обычное облако из-за конденсации паров воды. Однако это еще не все. Гораздо опаснее для человека ударная взрывная волна , расходящаяся по поверхности земли от эпицентра взрыва по окружности радиусом, достигающим 700 км, и радиоактивные осадки, выпадающие из того самого грибовидного облака.
60 водородных бомб СССР
До 1963 года в СССР было произведено более 200 ядерных испытательных взрывов, 60 из которых были термоядерными, то есть взрывалась в данном случае не атомная, а водородная бомба. В день на полигонах могли производиться по три-четыре эксперимента, в ходе которых изучалась динамика взрыва, поражающие способности, потенциальный ущерб противника.
Первый опытный образец был взорван 27 августа 1949 года, а последнее испытание ядерного оружия в СССР произвели 25 декабря 1962-го. Все испытания проходили в основном на двух полигонах – на Семипалатинском полигоне или "Сияпе", расположенном на территории Казахстана, и на Новой земле, архипелаге в Северном Ледовитом океане.
12 августа 1953-го: первые испытания водородной бомбы в СССР
Впервые водородный взрыв был произведен в США в 1952 году на атолле Эниветок. Там осуществили взрыв заряда мощностью 10,4 мегатонны, что в 450 раз превышало мощность бомбы "Толстяк", сброшенной на Нагасаки. Впрочем, называть это устройство бомбой в прямом смысле слова нельзя. Это была конструкция с трехэтажный дом, заполненная жидким дейтерием.
А вот первое термоядерное оружие в СССР было испытано в августе 1953 года на Семипалатинском полигоне. Это была уже настоящая бомба, сброшенная с самолета. Проект был разработан в 1949 году (еще до испытания первой советской ядерной бомбы) Андреем Сахаровым и Юлием Харитоном. Мощность взрыва была эквивалентна 400 килотоннам, однако исследования показали, что мощность могла быть увеличена до 750 килотонн, так как в термоядерной реакции было израсходовано лишь 20% топлива.
Самая мощная бомба в мире
Самый мощный взрыв в истории был инициирован группой физиков-ядерщиков под руководством академика Академии наук СССР И.В. Курчатова 30 октября 1961 года на полигоне "Сухой Нос" на архипелаге Новая земля. Измеренная мощность взрыва составила 58,6 мегатонны, что многократно превышало все опытные взрывы, произведенные на территории СССР или США. Изначально планировалось, что бомба будет еще больше и мощнее, однако не существовало ни одного самолета, который мог бы поднять больший вес в воздух.
Огненный шар взрыва достиг радиуса примерно 4,6 километра. Теоретически он мог бы вырасти до поверхности земли, однако этому воспрепятствовала отраженная ударная волна, поднявшая низ шара и отбросившая его от поверхности. Ядерный гриб взрыва поднялся на высоту 67 километров (для сравнения: современные пассажирские самолеты летают на высоте 8-11 километров). Ощутимая волна атмосферного давления, возникшая в результате взрыва, три раза обогнула земной шар, распространившись всего за несколько секунд, а звуковая волна докатилась до острова Диксон на расстоянии около 800 километров от эпицентра взрыва (расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга). Радиацией было заражено все на расстоянии двух-трех километров.