Атомная электростанция Обнинск РБМК-1000 ВВЭР - 440 Реактор БН 600 Российские атомные ледоколы Атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки Ядерный арсенал США Манхэттенский проект Невадский испытательный полигон Нейтронная боеголовка


Понятие ядерное оружие объединяет взрывные устройства, в которых энергия взрыва образуется при делении или слиянии ядер. В узком смысле под ядерным оружием понимают взрывные устройства, использующие энергию, выделяемую при делении тяжелых ядер. Устройства, использующее энергию, выделяющуюся при синтезе легких ядер, называются термоядерными.

Термоядерное оружие в США: история создания.

  О термоядерной бомбе начали, наверное, подумывать уже сразу после создания бомбы атомной. Однако официально о начале работ по термоядерной программе в США заявил президент Труман 30 января 1950 года. В числе причин к этому немалое место занимало испытание Советским Союзом атомной бомбы осенью 1949. Правда, на тот момент, отсутствовали сколько-нибудь хорошие идеи по поводу практического создания термоядерной бомбы большой мощности (порядка нескольких мегатонн). Основную идею - обжатие излучением - высказали уже позже Станислав Улам и Эдвард Теллер (Stanislaw Ulam, Edward Teller). Эта исследовательская программа завершилась взрывом в 1952 устройства Mike, первого термоядерного устройства мегатонного класса Ivy Mike в 10.4 Мт.

Проблемы термоядерного синтеза

    Безусловно, в то время (40-е - начало 50-х) Советский Союз находился в роли догоняющей стороны, такое положение можно объяснить множеством объективных причин. О них, как и о создании термоядерного оружия в СССР читайтездесь Первенство же в создании "настоящих" термоядерных зарядов принадлежит США.
    Кандитатами на роль "применимых" термоядерных реакций могут быть:
   (1) D + T -> He4 + n + 17.588 MeV
   (2) D + D -> He3 + n + 3.268 MeV
   (3) D + D -> T + p + 4.03 MeV
   (4) He-3 + D -> He4 + p + 18.34 MeV
   (5) Li-6 + n -> T + He4 + 4.78 MeV
   (6) Li-7 + n -> T + He4 + n - 2.47 MeV
    При температурах, достигаемых в атомных бомбах, реакция (1) проходит в 100 раз быстрее, чем следующие (реакции 2 и 3 вместе взятые). Это объясняет очень сильное желание использовать тритий в первых термоядерных экспериментах. Реакции (2) и (3), в свою очередь, в 10 раз быстрее реакции (4). При этом скорость всех этих процессов (1-4) экспоненциально растет с температурой. При повышении температуры, в ходе набирающего обороты синтеза, скорость реакции (4) превышает скорость реакций (2)+(3) вместе взятых. Реакции (5) и (6) строго говоря не являются термоядерными. Это обычные реакции деления, происходящие при захвате литием нейтрона в нужном энергетическом диапазоне. Зато в их ходе выделяется очень ценный тритий, который не останется без дела. Реакция Li-6 + n требует нейтрона с энергией несколько MeV, Li-7 + n - нейтрона не менее 4 MeV.
    Используя легкую для поджога, но чрезвычайно дорогую дейтериево-тритиевую смесь, возможно инициировать заметную реакцию даже при обычной плотности термоядерного горючего, используя лишь тепло от атомного взрыва (50-100 млн. градусов). Правда изотоп водорода H3 - тритий - дорог в производстве (на порядок дороже оружейного плутония), да и к тому же нестабилен (радиоактивен). Это делает его непригодным к использованию. Остается H2 - дейтерий - вполне доступное горючие для реакций (2), (3). Чистый дейтерий как таковой был использован лишь однажды - во время Ivy Mike. Его недостаток - дейтерий должен был быть очень сильно сжат или сжижен при криогенной температуре - непрактично. Проблема решается путем комбинирования дейтерия с литием в химическое соединение - дейтерид лития. При этом за счет деления лития производится большое количество трития для реакции (1).
    Все сложности с реакциями синтеза упираются лишь в три ключевых условия:
- обеспечить высокую скорость протекания реакции (сиречь высокую температуру);
- сохранить предыдущее условие на время, достаточное для:
- такое время, чтобы энергетический выход, пропорциональный произведению скорость_реакции*время_ее_удержания, заставил всех ужаснуться.

История создания

    Ключевую роль в создании работоспособной схемы устройства зарядов большой мощности принадлежит Эдварду Теллеру и Станиславу Уламу.
 
Проект №1. "Классический супер" ("The Classical Super").
    В 1942 году, в Лос-Аламосе, из-за конфликта Оппенгеймера с Теллером, который считал себя обиженным, из-за того, что место главы теоретического отдела было отдано не ему, Оппенгеймер отстраняет Теллера от проекта атомной бомбы и переводит на изучение возможностей создания водородной бомбы.
    Тогда-то Э.Теллер впервые и выдвинул идею устройства, получившего название "классический супер". Относительно целостный вид она приобрела к концу 1945 г. Идея состояла в разжигании термоядерной реакции в жидком дейтерии при помощи тепла от атомного заряда.
    Однако термоядерное горение сильно отличается от горения (детонации) обычного ВВ. Оно не прекращается позади распространяющегося фронта горения, а продолжает идти до исчерпания топлива либо пока расширение не охладит его.
    Разработка этого подхода потребовала решения двух задач: как вообще поджечь топливо и будет ли такое горение самоподдреживающейся реакцией.
    Несмотря на гигантские температуры и плотности энергии при атомном взрыве, первая проблема далеко не так проста. Около 80% энергии выделяется в виде мягких рентгеновских лучей, но ионизированный водород практических прозрачен для них (дистанция распространения составляет сотни метров). Таким образом, рентген непосредственно не может качественно прогреть топливо. Оставшиеся 20% энергии представляют собой кинетическую энергию электронов и осколков деления. Эта энергия, переносимая в виде ударной волны, может передаваться топливу. Сверх этого, около 1% энергии выходит вместе с быстрими нейтронами, но они отдают свою энергию при взаимодействии с водородом достаточно тонкому слою (~8 см толщиной). Итак, необходим достаточно мощный заряд, в сотни килотонн, чтобы инициировать реакцию.
    Вторая проблема, будет ли термоядерное горение устойчивым и эффективным, крайне сложна для решения. В ней участвуют множество факторов: энергообразование, вопросы переноса энергии продуктами реакции (ионами, нейтронами, электронами), потери энергии в результате обратного комптон-эффекта и т.д.
    Вскоре выяснилось, что прямой нагрев дейтерия не обеспечит условий горения и что даже атомный взрыв недостаточно горяч для этого. Для старта потребовалось введение в смесь сверхдорогого трития. Реакция (1) должна была обеспечить повышение температуры до условий дейтериево-дейтериевого синтеза. Наряду с крайней непрактичностью использования трития встал дополнительный вопрос: продолжится ли горение после перехода в чистый дейтерий? Изучение проблемы "классического супера" продолжалось всю войну и далее, до конца 1950 г.
    В конце концов выяснилось что даже несмотря на большие количества трития (3-5 кг, производство которых потребовало бы отказаться от изготовления 220-500 кг плутония), в окружающей атомный заряд стартовой дейтерий-тритиевой смеси, достич стабильного термоядерного горения в таком устройстве невозможно. Сечение реакции синтеза дейтерий-дейтерий раза в 2-3 меньше, чем то требуется для реализации "супера".
    Исследования зашли в тупик.
 
Проект №2. Будильник ("Alarm Clock").
    В конце августа 1946 г. Э.Теллер выдвинул идею, альтернативную "классическому суперу", которую он назвал "Alarm Clock". Этот проект был переоткрыт в СССР А. Д. Сахаровым, а в США никогда не реализовывался. Поэтому его детальное описание находится в Советской термоядерной программе
 
Проект №3. Схема Теллера-Улама.
    В конце 50-го - начале 1951 годов Станислав Улам занимался проблемой усовершенствования делящихся ядерных зарядов. Поскольку эффективность их целиком завязана на степени компрессии делящегося материала, он предложил использовать один заряд атомный заряд для обжатия другого. Очень здравая идея ибо сила атомного взрыва превышает мощность химического в миллионы раз. Это позволило бы добиться гораздо большего сжатия и эффективности.
    Очень скоро он расширил эту идею до обжатия емкости с термоядерным горючим. Это было ключевым моментом - устройство емкости с горючим в виде отдельной капсулы (второй ступени заряда) и применение атомной бомбы (на первой ступени) для обжатия второй.
    Было далеко не очевидно, что подобная конструкция может как-либо помочь в реализации термоядерного проекта. При постоянной температуре скорость реакций в топливе возрастает линейно с ростом сжатия, так же поступает и скорость рассеяния энергии за счет тормозного излучения. Так что баланс производства и потери энергии не меняется. По этой причине Теллер долго считал сжатие горючего неэффективным средством для усовершенствования "классического супера".
    Однако, не все физические процессы изменяются одинаково при компрессии. В то время, как производство и потери энергии изменяется линейно с плотностью, то масштабы всей системы изменяются обратно пропорционально кубическому корню от степени сжатия. Так, если произошла компрессия в 1000 раз, то вещество уменьшилось в размерах по каждому из трех измерений в 10 раз. Это влечет за собой несколько важных последствий. Во-первых, термоядерное горючие находится в очень удобном для поджога состоянии. Во-вторых, средний пробег нейтронов уменьшается в 1000 раз, а фотонов в миллион раз. Таким образом, нейтроны разогревают узкую зону, помогая распространению области горения, а поглощение фотонов ведет к важному явлению - исключению потерь энергии на тормозное излучение.
    Улам, проделавший подобные расчеты, был ключевой фигурой в обосновании выгод от компрессии топлива. Следующим шагом было воплощение идеи в материале. Проект Улама не содержал никаких идей по реализации сжатия капсулы с топливом энергией атомного взрыва. Первоначальный замысел по использованию ударной волны провалился - на практике реализовать ее фокусировку на вторую ступень практически невозможно. Эдвард Теллер предложил план получше.
    Изучив перенос энергии в ходе цепной реакции деления, он обнаружил, что большая часть энергии выделяется в виде излучения, а отнюдь не в виде кинетической энергии осколков деления. И более того, излучение справится со своей задачей быстрее и эффективнее механического обжатия. Ключевая идея Теллера сейчас известна как схема радиационной имплозии. Подробно об этом принципе читайте в статье схема радиационной имплозии: схема Теллера-Улама. А в караткой версии она выглядит так.
    Рентгеновские лучи, излучаемые пусковым атомным зарядом, достигают по специальному радиационному каналу капсулы из урана (свинца) с термоядерным горючим. Уран очень активно поглощает излучение, превращается в плазму и очень сильно сжимает горючие (до 1000 раз). Очень важно предотвратить преждевременный нагрев топлива, так как это чрезвычайно снизит степень компрессии.
    Однако даже в сжатое 1000 раз и разогретое до миллионов градусов топливо еще не способно к термоядерному горению. Хотя в принципе проводились эксперименты, в которых внутри топлива достигалась "термоядерная" температура, при схождении волны сжатия к центру капсулы. Если же такого разогрева не происходит, реакции надо "помочь" разгорется - путем размещения в центре плутониевого стержня. После сжатия стержень переходит в сверхкритическое состояние и в результате реакции деления температура повышается до нужных высот.
    Совместный отчет Теллера и Улама от 09.03.51 вывел американскую программу по созданию новых бомб колоссальной мощности на финишную прямую.

Ядерная программа США Ядерный арсенал США Первые атомные бомбы Индийская ядерная программа Испытания ядерного оружия
В случае если взрыв произведен на небольшой высоте в атмосфере, первичное излучение взрыва поглощается воздухом на расстояниях порядка нескольких метров. Поглощение рентгеновского излучения приводит к образованию облака взрыва, характеризующегося очень высокой температурой.