Языком учебника

30 августа 2003 г.

Начало широкомасштабных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию атомной бомбы в разных странах следует отнести к 1939 году, после открытия О. Ганом и Ф. Штрассманом деления урана под действием нейтронов. В исследованиях принимали участие также И. Ноддак, И. Жолио-Кюри, Л. Мейтнер, О. Фриш и многие другие.
В облученном нейтронами образце урана после долгих опытов и научных споров были обнаружены элементы — барий и лантан (из середины таблицы Д.И.Менделеева), тогда как первоначально ожидалось появление более тяжелых, чем уран, трансурановых элементов.
Физики многих стан бросились срочно проверять результаты опытов и вскоре пришли к выводу, что деление ядра урана — реальный факт.

Из этого следовало, что, в принципе, на основе деления урана можно создать новое оружие — атомную бомбу (АБ) огромной разрушительной силы.

Было установлено, что при синтезе 1 г ТД (тритиево-дейтериевой)-смеси выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при делении 1 г урана-235.

В случае протекания реакций синтеза легких элементов таблицы Д. И. Менделеева сумма масс ядер, образованных в результате ядерного синтеза оказывается меньше суммы масс исходных ядер (ТиД).

Отметим одну особенность реакций деления: ядра-осколки оказываются более «перегружены» нейтронами, чем положено стабильным ядрам со средними атомными весами, и осколки деления извергают эти лишние нейтроны в форме мгновенных и запаздывающих нейтронов. В этом случае, в принципе, возможен лавинообразный процесс деления, когда вновь образованные нейтроны инициируют повторные реакции деления соседних ядер урана. Возникает цепная ядерная реакция (ЦЯР), в которой принимает участие макроскопическое количество ядер урана и, соответственно, выделяется огромная энергия.

В 1939 г. уже началась 2 Мировая война. Все урановые проекты были засекречены! Каждая из воюющих сторон стремилась овладеть ядерным оружием, не отстать от противника в создании атомной бомбы (АБ).

Но сделать ее оказалось не просто. Нацистская Германия оказалась неспособна к разработке и производству атомного оружия. Немцы (под руководством одного из выдающихся физиков своего времени В. Гейзенберга) не смогли даже запустить атомный реактор.

Возможно, правда, они этого и не хотели, проявляя скрытое сопотивление гитлеровскому режиму. История создания атомного оружия полна героизма, тяжелого напряженного труда и нераскрытых загадок. Велика, но не ясна до конца роль атомного шпионажа. Об этом времени написано много книг, проведены специальные исследования.

Первыми АБ смогли сделать американцы с помощью крупнейших, выдающихся европейских ученых-физиков, лауреатов Нобелевских премий.

16 июля 1945 года американцы провели в Аламогордо (Нью-Мексика) испытание своей первой атомной бомбы и зафиксировали номинальную мощность взрыва около 20 кт Т. Э. Затем 6 и 9 августа две АБ были сброшены с самолетов на японские города Хиросима и Нагасаки. Два больших города с многотысячным населением были полностью уничтожены. В мире появилось новое страшное оружие массового уничтожения.

Окончилась мировая война, но желанный мир не наступил: началась «холодная война» между бывшими союзниками антигитлеровской коалиции.

СССР не мог себе позволить отстать в производстве атомного оружия и уже в августе 1949 года на Семипалатинском ядерном полигоне испытал первую советскую АБ примерно такой же мощности, как американская.

В ответ на испытание советской АБ (РДС-1 в наших отчетах, или Джо-1, как ее называли американцы) президент Г. Трумен выступил перед Конгрессом США с призывом к ученым форсировать работы по водородной бомбе. В США уже были предложения (Э.Теллер, Э. Ферми и др.) создать значительно более мощную — водородную бомбу (ВБ), которую наша пропаганда сначала окрестила «водородной уткой».

Началась безудержная гонка вооружений.

В США и в СССР продолжались исследования и опытно-конструкторские работы по усовершенствованию ядерного и термоядерного оружия. Это соревнование шло в условиях строгой секретности и с переменным успехом для обеих сторон. Конечно, шила в мешке не утаишь, так что шпионаж играл на каждом этапе определенную роль.

1. Совершенствование ядерного оружия шло, прежде всего, в направлении миниатюризации, повышении надежности, повышении ядерной взрывобезопасности боеприпасов. Одним из стратегических направлений разработок было создание ядерных боеприпасов, стойких при преодолении противоракетной обороны противника.

2. Совершенствование термоядерных зарядов шло также по пути миниатюризации, повышении надежности, повышении удельной и абсолютной мощности. Создание термоядерных зарядов переменной мощности и т. д.

Необходимо отметить, что в зависимости от конкретных требований к мощности боеприпаса его конкретное конструктивное решение могло быть отнесено как к области ядерных, так и к области термоядерных зарядов, или к промежуточному комбинированному варианту. В каждом конкретном случае можно было найти оптимальное решение.

Хронологически происходило так: как правило, требовалось увеличить мощность отдельного стратегического боеприпаса следующего поколения. Правительство и Министерство обороны не сильно беспокоило, каким образом этого достичь. Была бы в полигонных испытаниях получена достаточно большая «рекордная» мощность! Именно это определяло ценность боеприпаса, давало оценку деятельности его разработчиков и определяло уровень правительственных наград.

Шло и соревнование в мощностях ядерных и термоядерных зарядов США и СССР. До появления термоядерных (водородных) зарядов потолок мощности достигал нескольких десятков, редко сотен килотонн. С появлением термоядерных зарядов он обязан был превысить 1Мт, затем несколько десятков Мт и наконец, достигнуть беспредела -сотни и тысячи Мт.

В таких масштабах происходила гонка вооружений между США и СССР. Каждый старался доказать противнику, что он сильнее и умнее. Количество полигонных испытаний нарастало с обеих сторон. Сначала десятки, потом сотни, потом тысячи. Помню, при проведении серий воздушных испытаний на южном и северном полигонах, мы иногда проводили по 5 испытаний в день.

Соревнование по мощности особенно развернулось после испытания первой советской АБ (РДС-1, или Джо-1, как называли ее американцы). Теллеровская супербомба тогда представляла собой длинную цилиндрическую трубу, заполненную жидким (охлажденным) термоядерным горючим — дейтерием. Было ясно, что для поддержания термоядерной реакции нужна температура в несколько десятков миллионов градусов, и этого можно было достичь только при использовании атомной бомбы на пушечном сближении в качестве запала.

Положение существенно улучшилось при использовании трития, поскольку скорость ТД-реакции при заданной температуре примерно в 100 раз больше чем у ДД-реакции.
Поэтому между атомным инициатором АБ и основным слоем (Д) для облегчения зажигания ставился промежуточный слой из жидкой (ТД) смеси. Такое устройство — модель ВБ — по расчетам обеспечивало мощность несколько десятков Мт Т. Э., весило около 80 тонн и было нетранспортабельно.

Испытано устройство «Майк» было 1 ноября 1952 г. на острове Эниветок. Расчеты по подобной модели проводились и у нас, в КБ-11, в группе Я. Б. Зельдовича.

Для проверки расчетов супербомбы в группе Я. Б. Зельдовича в Физическом институте АН СССР была создана небольшая группа теоретиков во главе с И. Е. Таммом, которой специальным постановлением Правительства были поручены исследования термоядерной проблемы. Первоначальный состав: А. Д. Сахаров, В. Л. Гинзбург, С. З. Беленький и Ю. А. Романов.

Через пару месяцев А. Д. Сахаров выступил с оригинальными предложениями и соображениями, составившими основу разработки первой советской водородной бомбы.
В качестве горючего для термоядерного устройства группой Зельдовича рассматривался до этого жидкий дейтерий (возможно, в смеси с тритием). Сахаров предложил гетерогенную конструкцию из чередующихся слоев легкого вещества (дейтерий, тритий и их химические соединения) и тяжелого U238, названную им «слойкой». Оказывается, близкие соображения высказывал в 1946 г. Э. Теллер, однако американские разработки пошли сначала по другому пути супер-бомбы, который оказался тупиковым.

В чем же преимущество такого «слоеного пирога»?

Во-первых, он дает возможность реализовать принцип «деление-синтез-деление», необходимый для повышения энергии взрыва. 14 МэВ нейтроны (ТД) реакции являются надпороговыми и делят природный уран-238, в результате чего выделяется дополнительная энергия.

В слойке РДС-6с были реализованы две основополагающие идеи.

1. Первая идея у теоретиков-разработчиков ядерного оружия получила название «сахаризация». Сущность этого явления состоит в том, что при развитии ЦЯР в активном делящемся материале достигаются температуры в несколько десятков миллионов градусов, при которых вещество практически полностью ионизовано и выравниванию давлений в чередующихся легких и тяжелых слоях РДС-6с отвечает одинаковая плотность электронов в них.

В результате легкое вещество, находящееся между тяжелыми слоями урана, оказывается сильно сжатым (ионизационная имплозия), а поскольку скорость протекания термоядерных реакций пропорциональна плотностям легких ядер, скорость термоядерных реакций сильно возрастает, что приводит к заметному увеличению «КПД» системы.

2. Как пишет в своих воспоминаниях А. Д. Сахаров, «вскоре мое предложение существенно дополнил Виталий Лазаревич Гинзбург, вывинув «вторую идею» — использование твердого химического соединения Li6D вместо жидкого (охлажденного) дейтерия. Литий-6, поглотив нейтрон, превращается в тритий, который быстро сгорает в ТД -реакции синтеза.

Это позволило сделать бомбу РДС-6с транспортабельной в габаритах РДС-1, перевозимой на самолете ТУ-4.

И.В.Курчатов правильно оценил перспективы применения лития-6, оперативно организовав его производство. В результате СССР опередил США в создании термоядерной транспортабельной бомбы.

Слойка РДС-6с была успешно испытана 12 августа 1953 года, а первая американская термоядерная боевая бомба с использованием брикета 6LiD вместо жидкого дейтерия испытана 1 марта 1954 г. в испытании «Браво».

В результате испытания бомбы РДС-6с 12 августа 1953 г. создана перевозимая на самолете ТУ-4 первая в мире термоядерная бомба мощностью в 20 номинальных хиросимских бомб (400 кт).

Подтвердились все расчеты. На тот период это было значительным достижением. А. Д. Сахаров за несколько месяцев стал доктором физико-математических наук, Академиком, лауреатом Сталинской Премии (1 млн. рублей), Героем Социалистического труда, был провозглашен «отцом» водородной бомбы.

Однако РДС-6с имела целый ряд недостатков:

I. Применение радиоактивного трития (в виде химического соединения 6LiT;с периодом полураспада 12,6 лет) требовало его постоянного восполнения и, следовательно, довольно частой переборки слойки РДС-6с.

Заметим, что после испытания РДС-6с разрабатывался бестритиевый вариант слойки в том же (РДС-1) габарите. Основное термоядерное горючее в нем составляли брикеты из 6LiD. Такое боевое изделие РДС-27 было испытано 06.11.55 и дало мощность 250 кт ТЭ вместо 400 кт ТЭ в РДС-6с. Этот вариант боевого термоядерного заряда был принят в серийное производство. Его основной разработчик-теоретик М. П. Шумаев был удостоен звания Героя Социалистического труда.

II. Второй трудностью явилось форсирование заряда типа слойки для получения мощности, превышающей мегатонный рубеж. К тому времени США испытали термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 Мт, хотя устройство было нетранспортабельно и весило около 80 тонн.

После испытания 12 августа 1953 г. работы в КБ-11 по форсированию слойки, в частности, за счет увеличения количества трития, не обеспечивали мегатонной мощности. Это направление на жаргонном языке у теоретиков называлось НБУ (не от большого ума). Параллельно проводили расчеты и конструкторские проработки обычного, не термоядерного заряда РДС-7 под кодовым названием «Дурак». В качестве основного ядерного горючего в нем использовался обогащенный уран-235 (90% и 75% обогащения). Закладка урана-235 в изделие РДС-7 составляла несколько десятков килограммов. В зависимости от закладки урана-235 его расчетная мощность составляла 0,5−1 Мт Т. Э.

Такой заряд уже вполне конкурировал по мощности со слойкой, но выгодно отличался тем, что не нужен был тритий, и гарантийные сроки его эксплуатации не были ограничены, поскольку период полураспада урана-235 и урана 238 около миллиарда лет.

Изделие РДС-7 («Дурак») было рассчитано, но его полигонных испытаний не было. Да, видимо, в них и не было необходимости, поскольку при достаточной газодинамической отработке и при высоких расчетных значениях КПД не возникало сомнений в его работоспособности.

Б.Д.Бондаренко

Поделиться: