Водородная бомба
Термоя́дерное ору́жие - тип оружия массового поражения , разрушительная сила которого основана на использовании энергии реакции ядерного синтеза легких элементов в более тяжёлые (например, синтеза двух ядер атомов дейтерия (тяжелого водорода) в одно ядро атома гелия), при которой выделяется колоссальное количество энергии . Имея те же поражающие факторы, что и у ядерного оружия , термоядерное оружие имеет намного большую мощность взрыва. Теоретически она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов. Следует отметить, что радиоактивное заражение от термоядерного взрыва гораздо слабее, чем от атомного, особенно, по отношению к мощности взрыва. Это дало основания называть термоядерное оружие «чистым». Термин этот, появившийся в англоязычной литературе, к концу 70-х годов вышел из употребления.
Общее описание
Термоядерное взрывное устройство может быть построено, как с использованием жидкого дейтерия, так и газообразного сжатого. Но появление термоядерного оружия стало возможным только благодаря разновидности гидрида лития - дейтериду лития-6. Это соединение тяжёлого изотопа водорода - дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6.
Дейтерид лития-6 - твёрдое вещество, которое позволяет хранить дейтерий (обычное состояние которого в нормальных условиях - газ) при плюсовых температурах, и, кроме того, второй его компонент - литий-6 - это сырьё для получения самого дефицитного изотопа водорода - трития . Собственно, 6 Li - единственный промышленный источник получения трития:
В ранних термоядерных боеприпасах США использовался также и дейтерид природного лития, содержащего в основном изотоп лития с массовым числом 7. Он также служит источником трития, но для этого нейтроны, участвующие в реакции, должны иметь энергию 10 МэВ и выше.
Для того, чтобы создать необходимые для начала термоядерной реакции нейтроны и температуру (порядка 50 млн градусов), в водородной бомбе сначала взрывается небольшая по мощности атомная бомба . Взрыв сопровождается резким ростом температуры, электромагнитным излучением, а также возникновением мощного потока нейтронов. В результате реакции нейтронов с изотопом лития образуется тритий.
Наличие дейтерия и трития при высокой температуре взрыва атомной бомбы инициирует термоядерную реакцию (234), которая и дает основное выделение энергии при взрыве водородной (термоядерной) бомбы. Если корпус бомбы изготовлен из природного урана, то быстрые нейтроны (уносящие 70 % энергии, выделяющейся при реакции (242)) вызывают в нем новую цепную неуправляемую реакцию деления. Возникает третья фаза взрыва водородной бомбы. Подобным образом создается термоядерный взрыв практически неограниченной мощности.
Дополнительным поражающим фактором является нейтронное излучение , возникающее в момент взрыва водородной бомбы.
Устройство термоядерного боеприпаса
Термоядерные боеприпасы существуют как в виде авиационных бомб (водородная или термоядерная бомба ), так и боеголовок для баллистических и крылатых ракет.
История
СССР
Первый советский проект термоядерного устройства напоминал слоеный пирог, в связи с чем получил условное наименование «Слойка». Проект был разработан в 1949 году (еще до испытания первой советской ядерной бомбы) Андреем Сахаровым и Виталием Гинзбургом и имел конфигурацию заряда, отличную от ныне известной раздельной схемы Теллера-Улама . В заряде слои расщепляющегося материала чередовались со слоями топлива синтеза - дейтерида лития в смеси с тритием («первая идея Сахарова»). Заряд синтеза, располагающийся вокруг заряда деления малоэффективно увеличивал общую мощность устройства (современные устройства типа «Теллер-Улам» могут дать коэффициент умножения до 30 раз). Кроме того, области зарядов деления и синтеза перемежались с обычным взрывчатым веществом - инициатором первичной реакции деления, что дополнительно увеличивало необходимую массу обычной взрывчатки. Первое устройство типа «Слойка» было испытано в 1953 году, получив наименование на Западе «Джо-4» (первые советские ядерные испытания получали кодовые наименования от американского прозвища Иосифа (Джозефа) Сталина «Дядя Джо»). Мощность взрыва была эквивалентна 400 килотоннам при кпд всего 15 - 20 %. Расчёты показали, что разлёт непрореагировавшего материала препятствует увеличению мощности свыше 750 килотонн.
После проведения Соединенными Штатами испытаний «Иви Майк» в ноябре 1952, которые доказали возможность создания мегатонных бомб, Советский Союз стал разрабатывать другой проект. Как упоминал в своих мемуарах Андрей Сахаров, «вторая идея» была выдвинута Гинзбургом еще в ноябре 1948 года и предлагала использовать в бомбе дейтерид лития, который при облучении нейтронами образует тритий и высвобождает дейтерий.
В конце 1953 года физик Виктор Давиденко предложил располагать первичный (деление) и вторичный (синтез) заряды в отдельных объемах, повторив таким образом схему Теллера-Улама. Следующий большой шаг был предложен и развит Сахаровом и Яковом Зельдовичем весной 1954. Он подразумевал использовать рентгеновское излучение от реакции деления для сжатия дейтерида лития перед синтезом («лучевая имплозия»). «Третья идея» Сахарова была проверена в ходе испытаний «РДС-37» мощностью 1.6 мегатонн в ноябре 1955 года. Дальнейшее развитие этой идеи подтвердило практическое отсутствие принципиальных ограничений на мощность термоядерных зарядов.
Советский Союз продемонстрировал это испытаниями в октябре 1961 года, когда на Новой Земле была взорвана бомба мощностью 50 мегатонн, доставленная бомбардировщиком Ту-95 . КПД устройства составил почти 97 %, и изначально оно было рассчитано на мощность в 100 мегатонн, урезанных впоследствии волевым решением руководства проекта вдвое. Это было самое мощное термоядерное устройство, когда-либо разработанное и испытанное на Земле. Настолько мощное, что его практическое применение в качестве оружия теряло всякий смысл, даже с учетом того, что оно было испытано уже в виде готовой бомбы.
США
Идея бомбы с термоядерным синтезом, инициируемым атомным зарядом была предложена Энрико Ферми его коллеге Эдварду Теллеру еще в 1941 году , в самом начале Манхэттенского проекта . Значительную часть своей работы в ходе Манхэттенского проекта Теллер посвятил работе над проектом бомбы синтеза, в некоторой степени пренебрегая собственно атомной бомбой. Его ориентация на трудности и позиция «адвоката дьявола» в обсуждениях проблем заставили Оппенгеймера увести Теллера и других «проблемных» физиков на запасной путь.
Первые важные и концептуальные шаги к осуществлению проекта синтеза сделал сотрудник Теллера Станислав Улам . Для инициирования термоядерного синтеза Улам предложил сжимать термоядерное топливо до начала его нагрева, используя для этого факторы первичной реакции расщепления, а также разместить термоядерный заряд отдельно от первичного ядерного компонента бомбы. Эти предложения позволили перевести разработку термоядерного оружия в практическую плоскость. Исходя из этого, Теллер предположил, что рентгеновское и гамма излучение, порожденные первичным взрывом могут передать достаточно энергии во вторичный компонент, расположенный в общей оболочке с первичным, чтобы осуществить достаточную имплозию(обжатие) и инициировать термоядерную реакцию. Позднее Теллер, его сторонники и противники обсуждали вклад Улама в теорию, лежащую в основе этого механизма.
Тот, кто изобрёл атомную бомбу, даже не представлял себе, к каким трагическим последствиям может привести это чудо-изобретение XX столетия. Перед тем как это супероружие испытали на себе жители японских городов Хиросима и Нагасаки, был проделан очень долгий путь.
Начало положено
В апреле 1903 года в Парижском саду известного физика Франции Поля Ланжевена собрались его друзья. Поводом стала защита диссертации молодой и талантливой учёной Марии Кюри. Среди именитых гостей присутствовал знаменитый английский физик сэр Эрнест Резерфорд. В самый разгар веселья был потушен свет. Мария Кюри объявила всем, что сейчас будет сюрприз.С торжественным видом Пьер Кюри внёс небольшую трубочку с солями радия, которая светила зелёным светом, вызывая необычайный восторг у присутствующих. В дальнейшем гости жарко рассуждали об будущем этого явления. Все сходились во мнении, что благодаря радию решится острая проблема нехватки энергии. Это всех вдохновляло на новые исследования и дальнейшие перспективы.
Если бы тогда им сказали, что лабораторные работы с радиоактивными элементами положат начало страшному оружию XX века, неизвестно, какова бы была их реакция. Именно тогда началась история атомной бомбы, унесшей жизни сотни тысяч японских мирных жителей.
Игра на опережение
17 декабря 1938 года немецким учёным Отто Ганном было получено неопровержимое доказательство распада урана на более мелкие элементарные частицы. По сути, ему удалось расщепить атом. В научном мире это расценивалось как новая веха в истории человечества. Отто Ганн не разделял политические взгляды третьего Рейха.Поэтому в том же, 1938 году, учёный был вынужден переехать в Стокгольм, где совместно с Фридрихом Штрассманом продолжил свои научные изыскания. Опасаясь, что фашистская Германия первой получит страшное оружие, он пишет письмо президенту Америки с предупреждением об этом.
Известие о возможном опережении сильно встревожило правительство США. Американцы стали действовать быстро и решительно.
Кто создал атомную бомбу?Американский проект
Ещё до начала Второй мировой войны группе американских учёных, многие из которых были беженцами от немецко-фашистского режима в Европе, была поручена разработка ядерного оружия. Первоначальные исследования, стоит заметить, проводились в нацистской Германии. В 1940 году правительство Соединённых Штатов Америки начало финансирование собственной программы по развитию атомного оружия. Для осуществления проекта была выделена невероятная по тем временам сумма в два с половиной миллиарда долларов.К осуществлению этого секретного проекта были приглашены выдающиеся физики XX века, среди которых было более десяти Нобелевских лауреатов. Всего же было задействовано около 130 тысяч сотрудников, среди которых были не только военные, но и гражданские лица. Коллектив разработчиков возглавил полковник Лесли Ричард Гровс, научным руководителем стал Роберт Оппенгеймер. Именно он - тот человек, кто изобрёл атомную бомбу.
В районе Манхэттена был построен специальный секретный инженерный корпус, который известен нам под кодовым названием «Манхэттенский проект». В течение последующих нескольких лет учёные секретного проекта работали над проблемой ядерного расщепления урана и плутония.
Немирный атом Игоря Курчатова
Сегодня каждый школьник сможет ответить на вопрос о том, кто изобрёл атомную бомбу в Советском Союзе. А тогда, в начале 30-х годов прошлого столетия, этого не знал никто.В 1932 году академик Игорь Васильевич Курчатов одним из первых в мире начинает изучение атомного ядра. Собрав вокруг себя единомышленников, Игорь Васильевич в 1937 году создаёт первый в Европе циклотрон. В этом же году он со своими единомышленниками создаёт и первые искусственные ядра.
В 1939 году И. В. Курчатов начинает изучение нового направления - ядерной физики. После нескольких лабораторных успехов в изучении этого явления учёный получает в своё распоряжение засекреченный исследовательский центр, который был назван "Лаборатория № 2". В наши дни этот засекреченный объект называется "Арзамас-16".
Целевым направлением этого центра было серьёзное исследование и создание ядерного оружия. Теперь становится очевидным, кто создал атомную бомбу в Советском Союзе. В его команде тогда было всего лишь десять человек.
Атомной бомбе быть
Уже к концу 1945 года Игорю Васильевичу Курчатову удаётся собрать серьёзную команду учёных численностью более ста человек. Лучшие умы разных научных специализаций приехали в лабораторию со всех концов страны для создания атомного оружия. После сбрасывания американцами атомной бомбы на Хиросиму советские учёные понимали, что это можно сделать и с Советским Союзом. "Лаборатория № 2" получает от руководства страны резкое увеличение финансирования и большой приток квалифицированных кадров. Ответственным за столь важный проект назначается Лаврентий Павлович Берия. Огромные труды советских учёных дали свои плоды.Семипалатинский полигон
Атомная бомба в СССР впервые была испытана на полигоне в Семипалатинске (Казахстан). 29 августа 1949 года ядерное устройство мощностью 22 килотонны сотрясло казахскую землю. Нобелевский лауреат, физик Отто Ханц, сказал: «Это хорошие вести. Если Россия будет иметь атомное оружие, тогда не будет войны». Именно эта атомная бомба в СССР, зашифрованная как изделие № 501, или РДС-1, ликвидировала монополию США на ядерное оружие.Атомная бомба. Год 1945-й
Ранним утром 16 июля «Манхэттенский проект» провел свое первое успешное испытание атомного устройства - плутониевой бомбы - на полигоне Аламогордо штат Нью-Мексико США.Деньги, вложенные в проект, были потрачены не зря. Первый в истории человечества атомный взрыв был произведён в 5 часов 30 минут утра.
«Мы проделали работу дьявола»,- скажет позднее Роберт Оппенгеймер - тот, кто изобрёл атомную бомбу в США, названный впоследствии «отцом атомной бомбы».
Япония не капитулирует
К моменту окончательного и успешного тестирования атомной бомбы советские войска и союзники окончательно разгромили фашистскую Германию. Однако оставалось одно государство, которое пообещало бороться до конца за господство в Тихом океане. С середины апреля по середину июля 1945 года японская армия неоднократно осуществляла авиационные удары по союзническим войскам, тем самым нанося большие потери армии США. В конце июля 1945 года милитаристское правительство Японии отклонило требование союзников о капитуляции согласно Потсдамской декларации. В ней, в частности, говорилось, что в случае неповиновения японскую армию ждёт быстрое и полное уничтожение.Президент соглашается
Американское правительство сдержало своё слово и начало целенаправленную бомбардировку японских военных позиций. Авиационные удары не приносили желаемого результата, и президент США Гарри Трумэн принимает решение о вторжении американских войск на территорию Японии. Однако военное командование отговаривает своего президента от такого решения, мотивируя это тем, что вторжение американцев повлечёт за собой большое количество жертв.По предложению Генри Льюиса Стимсона и Дуайта Дэвида Эйзенхауэра было решено применить более эффективный способ окончания войны. Большой сторонник атомной бомбы, секретарь президента США Джеймс Фрэнсис Бирнс, считал, что бомбардировка японских территорий окончательно прекратит войну и поставит США в доминирующее положение, что положительно скажется в дальнейшем ходе событий послевоенного мира. Таким образом, президента США Гарри Трумэна убедили, что это единственно правильный вариант.
Атомная бомба. Хиросима
В качестве первой мишени был выбран небольшой японский город Хиросима с населением чуть более 350 тысяч человек, находящийся в пятистах милях от столицы Японии Токио. После прибытия на военно-морскую базу США на острове Тиниан модифицированного бомбардировщика В-29 «Энола Гей», на борт самолёта была установлена атомная бомба. Хиросима должна была испытать на себе действие 9 тысяч фунтов урана-235.Это невиданное до сих пор оружие было предназначено для мирных жителей маленького японского городка. Командиром бомбардировщика был полковник Пол Уорфилд Тиббетс-младший. Атомная бомба США носила циничное название «Малыш». Утром 6 августа 1945 года, примерно в 8 часов 15 минут, американский «Малыш» был сброшен на японскую Хиросиму. Около 15 тысяч тонн тротила уничтожило всё живое в радиусе пяти квадратных миль. Сто сорок тысяч жителей города погибли в считанные секунды. Оставшиеся в живых японцы умирали мучительной смертью от лучевой болезни.
Их уничтожил американский атомный «Малыш». Однако опустошение Хиросимы не вызвало немедленной капитуляции Японии, как этого все ожидали. Тогда было принято решение о ещё одной бомбардировке японской территории.
Нагасаки. Небо в огне
Американская атомная бомба «Толстяк» была установлена на борт самолёта В-29 9 августа 1945 года всё там же, на военно-морской базе США в Тиниане. На этот раз командиром воздушного судна был майор Чарльз Суини. Первоначально стратегической мишенью был город Кокура.Однако погодные условия не позволили осуществить задуманное, мешала большая облачность. Чарльз Суини зашёл на второй круг. В 11 часов 02 минуты американский атомный «Толстяк» поглотил Нагасаки. Это был более мощный разрушающий авиационный удар, который по своей силе, в несколько раз превышал бомбардировку в Хиросиме. Нагасаки испытал на себе атомное оружие весом около 10 тысяч фунтов и 22 килотонны тротила.
Географическое расположение японского города уменьшило ожидаемый эффект. Всё дело в том, что город находится в узкой долине между гор. Поэтому разрушения в 2,6 квадратные мили не раскрыли весь возможный потенциал американского оружия. Испытание атомной бомбы в Нагасаки считается неудавшимся «Манхэттенским проектом».
Япония сдалась
В полдень 15 августа 1945 года император Хирохито объявил о капитуляции своей страны в радиообращении к жителям Японии. Эта новость быстро разлетелась по миру. В Соединённых Штатах Америки начались торжества по случаю победы над Японией. Народ ликовал.2 сентября 1945 года на борту американского линкора «Миссури», стоящего на якоре в Токийском заливе, было подписано официальное соглашение о прекращении войны. Таким образом закончилась самая жестокая и кровопролитная война в истории человечества.
Долгих шесть лет мировое сообщество шло к этой знаменательной дате - с 1 сентября 1939 года, когда прозвучали первые выстрелы нацистской Германии на территории Польши.
Мирный атом
Всего в Советском Союзе было проведено 124 ядерных взрыва. Характерным является то, что все они были осуществлены на благо народного хозяйства. Только лишь три из них были авариями, повлекших за собой утечку радиоактивных элементов.Программы по применению мирного атома реализовывались только лишь в двух странах - США и Советском Союзе. Атомная мирная энергетика знает и пример глобальнейшей катастрофы, когда 26 апреля 1986 года на четвёртом энергоблоке Чернобыльской АЭС произошёл взрыв реактора.
Древнеиндийские и древнегреческие ученые предполагали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц, в своих трактатах они писали об этом задолго до начала нашей эры. В V в. до н. э. греческий ученый Левкипп из Ми-лета и его ученик Демокрит сформулировали понятие атома (греч. atomos «неделимый»). На протяжении многих столетий эта теория оставалась скорее философской, и только в 1803 г. английским химиком Джоном Дальтоном была предложена научная теория атома, подтверждаемая экспериментами.
В конце XIX начале XX в. эту теорию развили в своих трудах Джозеф Томсон, а затем Эрнест Резерфорд, именуемый отцом ядерной физики. Было выяснено, что атом вопреки своему названию не является неделимой конечной частицей, как утверждалось раньше. В 1911 г. физики приняли «планетарную» систему Резерфорда Бора, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Позднее было установлено, что ядро также не является неделимым оно состоит из протонов, заряженных положительно, и не имеющих заряда нейтронов, которые состоят, в свою очередь, из элементарных частиц.
Как только ученым стало более или менее понятно строение атомного ядра, они попытались осуществить давнюю мечту алхимиков превращение одного вещества в другое. В 1934 г. французские ученые Фредерик и Ирен Жолио-Кюри при бомбардировке алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) получили радиоактивные атомы фосфора, которые, в свою очередь, переходили в устойчивый изотоп кремния более тяжелого элемента, чем алюминий. Возникла идея провести подобный опыт с самым тяжелым природным элементом ураном, открытым в 1789 г. Мартином Клапротом. После того как в 1896 г. Анри Беккерель обнаружил радиоактивность солей урана, этот элемент всерьез заинтересовал ученых.
Э. Резерфорд.
Гриб ядерного взрыва.
В 1938 г. немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман провели опыт, сходный с экспериментом Жолио-Кюри, правда, взяв вместо алюминия уран, они рассчитывали получить новый сверхтяжелый элемент. Однако результат оказался неожиданным: вместо сверхтяжелого получились легкие элементы из средней части периодической таблицы. Через некоторое время физик Лиза Мейтнер предположила, что бомбардировка урана нейтронами приводит к расщеплению (делению) его ядра, в результате чего получаются ядра легких элементов и остается некоторое число свободных нейтронов.
Дальнейшие исследования показали, что природный уран состоит из смеси трех изотопов, причем наименее стабильным из них является уран-235. Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, этот процесс сопровождается выделением двух-трех свободных нейтронов, которые мчатся со скоростью около 10 тыс. кмс. Ядра наиболее распространенного изото-па-238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны, реже происходит превращение урана в нептуний и далее в плутоний-239. При попадании нейтрона в ядро урана-2 3 5 моментально происходит его новое деление.
Было очевидно: если взять достаточно большой кусок чистого (обогащенного) урана-235, реакция деления ядер в нем пойдет лавинообразно эту реакцию назвали цепной. При делении каждого ядра выделяется огромное количество энергии. Было подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. т угля. Этот колоссальный выброс энергии, высвобождающейся в считаные мгновения, должен был проявить себя как взрыв чудовищной силы, что, разумеется, сразу заинтересовало военные ведомства.
Супруги Жолио-Кюри. 1940-е гг.
Л. Мейтнер и О. Ган. 1925 г.
Перед началом Второй мировой войны в Германии и некоторых других странах велись строго засекреченные работы по созданию ядерного оружия. В США исследования, обозначенные как «Манхэттенский проект», стартовали в 1941 г., год спустя в Лос-Аламосе была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория. Административно проект подчинялся генералу Гровсу научное руководство осуществлял профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. В работе проекта принимали участие крупнейшие авторитеты в области физики и химии, в том числе 13 лауреатов Нобелевской премии: Энрико Ферми, Джеймс Франк, Нильс Бор, Эрнест Лоуренс и др.
Главной задачей ставилось получение достаточного количества урана-235. Было установлено, что зарядом для бомбы может служить также плутоний-2 39, поэтому работы велись сразу по двум направлениям. Накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. Обогащение природного урана производилось на заводах компании «Вестингауз», а для производства плутония необходимо было построить ядерный реактор.
Именно в реакторе происходил процесс облучения урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была превратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом были делящиеся атомы урана-235, но захват нейтронов ураном-238 не давал начаться цепной реакции. Решить проблему помогло открытие Энрико Ферми, который обнаружил, что нейтроны, замедленные до скорости 22 мс, вызывают цепную реакцию урана-235, но не захватываются ураном-238. В качестве замедлителя Ферми предложил 40-сантиметровый слой графита либо тяжелую воду, в состав которой входит изотоп водорода дейтерий.
Р. Оппенгеймер и генерал-лейтенант Л. Гровс. 1945 г.
Калутрон в Ок-Ридже.
Опытный реактор был сооружен в 1942 г. под трибунами Чикагского стадиона. 2 декабря произошел его успешный экспериментальный запуск. Через год в городе Ок-Ридж был построен новый обогатительный завод и запущен реактор для промышленного получения плутония, а также калутрон устройство для электромагнитного разделения изотопов урана. Общая стоимость работ по проекту составила около 2 млрд долларов. Тем временем в Лос-Аламосе шли работы непосредственно над устройством бомбы и способами детонации заряда.
16 июня 1945 г. неподалеку от города Аламогордо в штате Нью-Мексико в ходе испытаний под кодовым названием Trinity («Троица») было взорвано первое в мире ядерное устройство с плутониевым зарядом и имплозивной (использующей для детонации химическую взрывчатку) схемой подрыва. Мощность взрыва была эквивалентна взрыву 20 килотонн тротила.
Следующим шагом стало боевое применение ядерного оружия против Японии, которая после капитуляции Германии одна продолжала войну против США и их союзников. 6 августа бомбардировщик В-29 «Энола Гэй» под управлением полковника Тиббетса сбросил на Хиросиму бомбу Little Boy («малыш») с урановым зарядом и пушечной (использующей соединение двух блоков для создания критической массы) схемой подрыва. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась на высоте 600 м от земли. 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил на Нагасаки плутониевую бомбу Fat Man («толстяк»). Последствия взрывов были ужасны. Оба города были практически полностью разрушены, в Хиросиме погибло более 200 тыс. человек, в Нагасаки около 80 тыс. Позже один из пилотов признался, что они видели в эту секунду самое страшное, что только может увидеть человек. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало.
Хиросима после атомной бомбардировки.
Взрыв атомной бомбы поставил точку во Второй мировой войне, но фактически начал новую войну «холодную», сопровождаемую безудержной гонкой ядерного вооружения. Советским ученым пришлось догонять американцев. В 1943 г. была создана секретная «лаборатория № 2», которую возглавил известный физик Игорь Васильевич Курчатов. Позднее лаборатория была преобразована в Институт атомной энергии. В декабре 1946 г. на опытном ядерном ураново-графитовом реакторе Ф1 была осуществлена первая цепная реакция. Два года спустя в Советском Союзе построили первый плутониевый завод с несколькими промышленными реакторами, а в августе 1949 г. на Семипалатинском полигоне провели испытательный взрыв первой советской атомной бомбы с плутониевым зарядом РДС-1 мощностью 22 килотонны.
В ноябре 1952 г. на атолле Эниветок в Тихом океане США взорвали первый термоядерный заряд, разрушительная сила которого возникала за счет энергии, высвобождающейся в ходе ядерного синтеза легких элементов в более тяжелые. Через девять месяцев на Семипалатинском полигоне советские ученые испытали РДС-6 термоядерную, или водородную, бомбу мощностью 400 килотонн, разработанную группой ученых под руководством Андрея Дмитриевича Сахарова и Юлия Борисовича Харитона. В октябре 1961 г. на полигоне архипелага Новая Земля была взорвана 50-мега-тонная «Царь-бомба» самая мощная водородная бомба из всех, когда-либо испытанных.
И. В. Курчатов.
На конец 2000-х годов США располагали примерно 5000, а Россия 2800 единицами ядерных боеприпасов на развернутых стратегических носителях, а также значительным количеством тактического ядерного оружия. Этого запаса достаточно, чтобы несколько раз уничтожить всю планету. Всего одна термоядерная бомба средней мощности (около 25 мегатонн) равна 1500 «хиросимам».
В конце 1970-х годов проводились исследования по созданию нейтронного оружия разновидности ядерной бомбы малой мощности. Нейтронная бомба отличается от обычной ядерной тем, что у нее искусственно увеличена та доля энергии взрыва, которая выделяется в виде нейтронного излучения. Это излучение поражает живую силу противника, воздействует на его вооружение и создает радиоактивное заражение местности, при этом воздействие ударной волны и светового излучения ограниченно. Однако ни одна армия мира так и не взяла нейтронные заряды на вооружение.
Хотя использование энергии атома поставило мир на грань уничтожения, у нее есть и мирная ипостась, правда, крайне опасная при выходе из-под контроля это ясно показали аварии на Чернобыльской и Фукусимской атомных электростанциях. Первая в мире АЭС мощностью всего 5 МВт была запущена 27 июня 1954 г. в поселке Обнинское Калужской области (ныне город Обнинск). На сегодняшний день в мире эксплуатируется более 400 АЭС, 10 из них в России. На них вырабатывается около 17 % всей мировой электроэнергии, и показатель этот, скорее всего, будет только увеличиваться. В настоящее время мир не может обойтись без использования ядерной энергии, однако хочется верить, что в будущем человечество найдет более безопасный источник энергопитания.
Пульт управления атомной станции в Обнинске.
Чернобыль после катастрофы.
Привлекала специалистов многих стран. Над этими разработками трудились ученые и инженеры США, СССР, Англии, Германии и Японии. Особенно активную работу вели в данной области американцы, располагавшие наилучшей технологической базой и сырьем, а также сумевшие привлечь к исследованиям сильнейшие по тем временам интеллектуальные ресурсы.
Правительство Соединенных Штатов поставило перед физиками задачу – в предельно сжатые сроки создать новый вид оружия, которое можно было бы доставить в самую отдаленную точку планеты.
Центром американских ядерных исследований стал Лос-Аламос, расположенный в безлюдной пустыне штата Нью-Мексико. Над сверхсекретным военным проектом трудилось множество ученых, конструкторов, инженеров и военных, возглавлял же всю работу опытный физик-теоретик Роберт Оппенгеймер, которого чаще всего и называют «отцом» атомного оружия. Под его руководством лучшие специалисты всего мира разрабатывали технологию управляемого , не прерывая процесс поисков ни на минуту.
К осени 1944 года мероприятия по созданию первой в истории атомной в общих чертах подошли к завершению. К этому времени в Соединенных Штатах уже был сформирован специальный авиационный полк, которому предстояло выполнять задачи по доставке смертоносного оружия к местам его применения. Летчики полка проходили специальную подготовку, совершая тренировочные полеты на разных высотах и в условиях, приближенных к боевым.
Первые атомные бомбардировки
В середине 1945 года конструкторы США сумели собрать два ядерных устройства, готовых к применению. Были выбраны и первые объекты для удара. Стратегическим противником США была в то время Япония.
Американское руководство решило нанести первые атомные удары по двум японским городам, чтобы этой акцией устрашить не только Японию, но и другие страны, включая СССР.
6-ого и 9-ого августа 1945 года американские бомбардировщики сбросили первые в истории атомные бомбы на ничего не подозревавших жителей японских городов, которыми были Хиросима и Нагасаки. В результате от теплового излучения и ударной волны погибла не одна сотня тысяч человек. Таковы были последствия применения невиданного оружия. Мир вступил в новую фазу своего развития.
Впрочем, монополия США на военное использование атома была не слишком долгой. Советский Союз также усиленно искал способы практической реализации принципов, положенных в основу ядерного оружия. Возглавлял работу коллектива советских ученых и изобретателей Игорь Курчатов. В августе 1949 года были успешно проведены испытания советской атомной бомбы, получившей рабочее название РДС-1. Хрупкое военное равновесие в мире было восстановлено.
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.
