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.
В мире существует немалое количество различных политических клубов. Большая, теперь уже, семерка, Большая двадцатка, БРИКС, ШОС, НАТО, Евросоюз, в какой-то степени. Однако ни один из этих клубов не может похвастаться уникальной функцией – способностью уничтожить мир таким, каким мы его знаем. Подобными возможностями обладает «ядерный клуб».
На сегодняшний день существует 9 стран, обладающих ядерным оружием:
- Россия;
- Великобритания;
- Франция;
- Индия
- Пакистан;
- Израиль;
- КНДР.
Страны выстроены по мере появления у них в арсенал ядерного оружия. Если бы список был выстроен по количеству боеголовок, то Россия оказалась бы на первом месте с ее 8000 единицами, 1600 из которых можно запускать хоть сейчас. Штаты отстают всего на 700 единиц, но «под рукой» у них на 320 зарядов больше.«Ядерный клуб» — понятие сугубо условное, никакого клуба на самом деле нет. Между странами есть ряд соглашений по нераспространению и сокращению запасов ядерного оружия.
Первые испытания атомной бомбы, как известно, произвела США еще в 1945. Это оружие было испытано в «полевых» условиях Второй Мировой на жителях японских городов Хиросима и Нагасаки. Они действуют по принципу деления. Во время взрыва запускается цепная реакция, которая провоцирует деления ядер на два, с сопутствующим высвобождением энергии. Для этой реакции в основном используют уран и плутоний. С этими элементами и связаны наши представления о том, из чего делаются ядерные бомбы. Так как в природе уран встречается лишь в виде смеси трех изотопов, из которых только один способен поддерживать подобную реакцию, необходимо производить обогащение урана. Альтернативой является плутоний-239, который не встречается в природе, и его нужно производить из урана.
Если в урановой бомбе идет реакция деления, то в водородной реакция слияния - в этом суть того, чем отличается водородная бомба от атомной. Все мы знаем, что солнце дает нам свет, тепло, и можно сказать жизнь. Те же самые процессы, что происходят на солнце, могут с легкостью уничтожать города и страны. Взрыв водородной бомбы рожден реакцией синтеза легких ядер, так называемого термоядерного синтеза. Это «чудо» возможно благодаря изотопам водорода – дейтерию и тритию. Собственно поэтому бомба и называется водородной. Также можно увидеть название «термоядерная бомба», по реакции, которая лежит в основе этого оружия.
После того, как мир увидел разрушительную силу ядерного оружия, в августе 1945 года, СССР начало гонку, которая продолжалась до момента его распада. США первыми создали, испытали и применили ядерное оружие, первыми произвели подрыв водородной бомбы, но на счет СССР можно записать первое изготовление компактной водородной бомбы, которую можно доставить противнику на обычном Ту-16. Первая бомба США была размером с трехэтажный дом, от водородной бомбы такого размер мало толку. Советы получили такое оружие уже в 1952, в то время как первая «адекватная» бомба Штатов была принята на вооружение лишь в 1954. Если оглянуться назад и проанализировать взрывы в Нагасаки и Хиросиме, то можно прийти к выводу, что они не были такими уж мощными. Две бомбы в сумме разрушили оба города и убили по разным данным до 220 000 человек. Ковровые бомбардировки Токио в день могли уносить жизни 150-200 000 человек и без всякого ядерного оружия. Это связано с малой мощностью первых бомб — всего несколько десятков килотонн в тротиловом эквиваленте. Водородные же бомбы испытывали с прицелом на преодоление 1 мегатонны и более.
Первая Советская бомба была испытана с заявкой на 3 Мт, но в итоге испытывали 1.6 Мт.
Мощнейшая водородная бомба была испытана Советами в 1961 году. Ее мощность достигла 58-75 Мт, при заявленных 51 Мт. «Царь» поверг мир в легкий шок, в прямом смысле. Ударная волна обошла планету три раза. На полигоне (Новая Земля) не осталось ни одной возвышенности, взрыв было слышно на расстоянии 800км. Огненный шар достиг диаметра почти 5км, «гриб» вырос на 67км, а диаметр его шапки составил почти 100км. Последствия такого взрыва в крупном городе тяжело представить. По мнению многих экспертов, именно испытание водородной бомбы такой мощности (Штаты располагали на тот момент бомбами вчетверо меньше по силе) стало первым шагом к подписанию различных договоров по запрету ядерного оружия, его испытания и сокращению производства. Мир впервые задумался о собственной безопасности, которая действительно стояла под угрозой.
Как было сказано ранее, принцип действия водородной бомбы основан на реакции синтеза. Термоядерный синтез — это процесс слияния двух ядер в одно, с образованием третьего элемента, выделением четвертого и энергии. Силы, отталкивающие ядра, колоссальны, поэтому для того, чтобы атомы сблизилась достаточно близко для слияния, температура должна быть просто огромной. Ученые уже который век ломают голову над холодным термоядерным синтезом, так сказать пытаются сбросить температуру синтеза до комнатной, в идеале. В этом случае человечеству откроется доступ к энергии будущего. Что же до термоядерной реакции в настоящее время, то для ее запуска по-прежнему нужно зажигать миниатюрное солнце здесь на Земле — обычно в бомбах используют урановый или плутониевый заряд для старта синтеза.
Помимо описанных выше последствий от использования бомбы в десятки мегатонн, водородная бомба, как и любое ядерное оружие, имеет ряд последствий от применения. Некоторые люди склонны считать, что водородная бомба — «более чистое оружие», чем обычная бомба. Возможно, это связано с названием. Люди слышат слово «водо» и думают, что это как-то связано с водой и водородом, а следовательно последствия не такие плачевные. На самом деле это конечно не так, ведь действие водородной бомбы основано на крайне радиоактивных веществах. Теоретически возможно сделать бомбу без уранового заряда, но это нецелесообразно ввиду сложности процесса, поэтому чистую реакцию синтеза «разбавляют» ураном, для увеличения мощности. При этом количество радиоактивных осадков вырастает до 1000%. Все, что попадает в огненный шар, будет уничтожено, зона в радиусе поражения станет необитаемой для людей на десятилетия. Радиоактивные осадки могут нанести вред здоровью людей в сотнях и тысячах километров. Конкретные цифры, площадь заражения можно рассчитать, зная силу заряда.
Однако разрушение городов — не самое страшное, что может случиться «благодаря» оружию массового поражения. После ядерной войны мир не будет полностью уничтожен. На планете останутся тысячи крупных городов, миллиарды людей и лишь небольшой процент территорий потеряет свой статус «пригодная для жизни». В долгосрочной перспективе весь мир окажется под угрозой из-за так называемой «ядерной зимы». Подрыв ядерного арсенала «клуба» может спровоцировать выброс в атмосферу достаточного количества вещества (пыли, сажи, дыма), чтобы «убавить» яркость солнца. Пелена, которая может разнестись по всей планете, уничтожит урожаи на несколько лет вперед, провоцируя голод и неизбежное сокращение населения. В истории уже был «год без лета», после крупного извержения вулкана в 1816, поэтому ядерная зима выглядит более чем реально. Опять же в зависимости от того, как будет протекать война, мы можем получить следующие виды глобального изменения климата:
- похолодание на 1 градус, пройдет незаметно;
- ядерная осень – похолодание на 2-4 градуса, возможны неурожаи и усиление образования ураганов;
- аналог «года без лета» — когда температура упала значительно, на несколько градусов на год;
- малый ледниковый период – температура может упасть на 30 – 40 градусов на значительное время, будет сопровождаться депопуляцией ряда северных зон и неурожаями;
- ледниковый период – развитие малого ледникового периода, когда отражение солнечных лучей от поверхности может достичь некой критической отметки и температура продолжит падать, отличие лишь в температуре;
- необратимое похолодание – это совсем печальный вариант ледникового периода, который под влиянием множества факторов превратит Землю в новую планету.
Теория ядерной зимы постоянно подвергается критике, ее последствия выглядят немного раздутыми. Однако не стоит сомневаться в ее неминуемом наступлении при каком-либо глобальном конфликте с применением водородных бомб.
Холодная война давно позади, и поэтому ядерную истерию можно увидеть разве что в старых голливудских фильмах и на обложках раритетных журналов и комиксов. Несмотря на это, мы можем находиться на пороге, пусть и не большого, но серьезного ядерного конфликта. Все это благодаря любителю ракет и герою борьбы с империалистическими замашками США – Ким Чен Ыну. Водородная бомба КНДР — объект пока что гипотетический, о ее существовании говорят лишь косвенные улики. Конечно, правительство Северной Кореи постоянно сообщает о том, что им удалось изготовить новые бомбы, пока что в живую их никто не видел. Естественно Штаты и их союзники – Япония и Южная Корея, немного более обеспокоены наличием, пусть даже и гипотетическим, подобного оружия у КНДР. Реалии таковы, что на данный момент у КНДР не достаточно технологий для успешной атаки на США, о которой они каждый год заявляют на весь мир. Даже атака на соседние Японию или Юг могут быть не очень успешными, если вообще состоятся, но с каждым годом опасность возникновения нового конфликта на корейском полуострова растет.
Инициатора взрыва (триггера). Подобный тип оружия не создаёт долговременного радиоактивного заражения, ввиду отсутствия в нём распадающихся веществ. В настоящее время считается теоретически, безусловно, возможным, но пути практической реализации не ясны.
Энциклопедичный YouTube
1 / 1
МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИЕ Нити!!
Субтитры
Концепция
В современном термоядерном оружии, условия, необходимые для начала реакции ядерного синтеза , создаются путём детонации триггера - небольшого плутониевого ядерного заряда. Взрыв триггера создает высокую температуру и давление, необходимые для начала термоядерной реакции в дейтериде лития. При этом, основная часть долговременного радиоактивного заражения при термоядерном взрыве обеспечивается за счет радиоактивных веществ в триггере.
Однако, условия для начала термоядерной реакции возможно создать и без применения ядерного триггера. Такие условия создаются в лабораторных экспериментах и экспериментальных термоядерных реакторах. Теоретически, возможно создать термоядерное оружие, в котором реакция будет инициироваться без использования триггерного заряда - «чистое термоядерное» оружие.
Такое оружие будет иметь следующие преимущества:
Нейтронный вариант чистого термоядерного оружия
Основным поражающим фактором в чисто термоядерном устройстве может стать мощный выброс нейтронного излучения [ ] , а не тепловая вспышка или ударная волна [ ] . Таким образом, сопутствующий ущерб от подрыва такого оружия может быть лимитирован. С другой стороны, это делает чисто термоядерное оружие не лучшим средством для тех ситуаций, когда необходимо поражение прочных сооружений, не содержащих биологической материи или электронных устройств (например, мостов).
Недостатки нейтронного варианта чистого термоядерного оружия те же, что и любого нейтронного оружия :
- Из-за сильного поглощения и рассеивания нейтронов в атмосфере дальность поражения нейтронным излучением, по сравнению с дальностью поражения незащищённых целей ударной волной от взрыва обычного ядерного заряда той же мощности , невелика.
- Взаимодействием нейтронов с конструкционными и биологическими материалами приводит к появлению наведённой радиоактивности , то есть оружие не является полностью «чистым».
- Бронетехника , начиная с 1960-х годов, разрабатывается с учётом возможности применения нейтронного оружия. Были разработаны новые типы брони, которая уже способна защитить технику и её экипаж от нейтронного излучения. Для этой цели в броню добавляются листы с высоким содержанием бора , являющегося хорошим поглотителем нейтронов, а в броневую сталь добавляется обеднённый уран . Кроме того, состав брони подбирается так, чтобы она не содержала элементов, дающих под действием нейтронного облучения сильную наведённую радиоактивность. Таким образом, современная бронетехника чрезвычайно устойчива и к нейтронному оружию.
Возможные пути решения
Различные пути решения проблемы чистого термоядерного оружия рассматривались непрерывно с 1992 года, но в настоящее время не дали позитивного результата. Главной проблемой является значительная сложность создания условий начала термоядерной реакции. В лабораторных экспериментах и термоядерных реакторах, такие условия создаются крупногабаритными установками, к тому же весьма энергоемкими. В настоящее время не представляется возможным создание пригодного для использования в боевых условиях термоядерного оружия, основанного, например, на лазерном поджиге реакции , - требуемые для этого лазеры имеют огромные размеры и потребляют значительное количество энергии.
Существуют несколько теоретически возможных путей решения проблемы:
Чистое термоядерное оружие на ударно-волновом излучателе
Представляется теоретически возможным создание относительно компактного чисто термоядерного оружия на основе ударно-волнового излучателя . При этом, для запуска термоядерной реакции используется импульс электромагнитного излучения радиочастотного диапазона.
Согласно теоретическим расчетам, чистое термоядерное устройство на ударно-волновом излучателе будет иметь тротиловый эквивалент примерно сопоставимый с его собственной массой, или даже меньший. Таким образом, как взрывное устройство оно будет совершенно неэффективно. Однако, большая часть (до 80%) энергии при этом выделится в виде нейтронного потока, способного поражать неприятеля на расстоянии в сотни метров от эпицентра. Такое оружие, фактически, будет чистым нейтронным оружием - не оставляющим радиоактивного заражения и практически не создающим сопутствующего ущерба.
Характерной особенностью американской внешней политики с приходом в Белый дом Джорджа Буша-младшего (уже во время первого срока его президентства) стал резкий крен в сторону использования силовых методов для обеспечения национальной безопасности и национальных интересов США, практически при полном игнорировании роли ООН и мирового общественного мнения. Достаточно ярким подтверждением этого явилось принятие администрацией Соединенных Штатов так называемой "превентивной военной доктрины", предусматривающей возможность проведения упреждающих военных акций по сугубо субъективному обоснованию их необходимости. В эту доктрину вписывается и силовая модель "контрраспространения", допускающая физическое разрушение ядерной инфраструктуры подозрительного, с точки зрения Вашингтона, государства, которая может быть использована для создания ЯО.
ПРОНИКАЮЩИЕ БОЕГОЛОВКИ
По свидетельству сенаторов-демократов Карла Левина и Джека Рида, "вступив в должность президента США, Буш отказался от Договора по противоракетной обороне. Он оказал давление на Конгресс, чтобы утвердить меры и программы, снижающие порог применения ядерного оружия. Московский Договор об ограничении ядерных потенциалов станет началом и концом инициатив администрации Буша по контролю над вооружениями. Для этой администрации деятельность после окончания холодной войны заключается в том, чтобы опираться на ядерное оружие и уходить от контроля над вооружениями".
В представленном Конгрессу в январе 2002 года "Обзоре ядерной политики" (Nuclear Posture Review; далее для краткости "Ядерный обзор") отражено стремление администрации нивелировать различие между применением ЯО малой мощности и оружия обычного назначения при проведении боевых операций на ТВД. В разделе "Поражение прочных глубоко заглубленных целей" высказано требование о необходимости принятия на вооружение ударостойкой проникающей в грунт на большую глубину ядерной боеголовки малой мощности (до 5 кт). При этом подразумевается, что при использовании такой боеголовки не произойдет выброса радиоактивного заражения на поверхность, а прочные командные бункеры, в том числе и хранилища ОМУ, находящиеся на глубине до 300 м, будут уничтожены. Для реализации этого требования была принята программа разработки "ударостойкого ядерного земного проникателя" (Robust Nuclear Earth Penetrator - RNEP, далее в русской транскрипции - РНЕП).
Однако широкая дискуссия как в американских СМИ, так и на страницах научной периодики показала полную несостоятельность данной программы.
Во-первых, по самым оптимистическим прогнозам, вряд ли удастся добиться проникания боеголовки в грунт на глубину свыше 30 м. Взрыв 5-килотонной боеголовки на такой глубине будет мало чем отличаться от поверхностного взрыва и, следовательно, приведет к губительному радиоактивному заражению поверхности.
Во-вторых, для поражения сильно защищенных бункеров на глубинах порядка 300 м необходима мощность боеголовки не менее 100 кт. И даже при этом совершенно не гарантируется уничтожение химических и биологических агентов ОМУ, которые могут прорваться на поверхность, усугубив эффект заражения. Тем не менее администрация Буша продолжает настаивать на продолжении программы РНЕП, определив в качестве носителя "ядерного проникателя" стратегический бомбардировщик В-2А.
По решению Конгресса в 2000 году в структуре Министерства энергетики было создано ведомство, названное "Администрация национальной ядерной безопасности" (Nation Nuclear Security Administration - NNSA, далее в русской транскрипции ННСА), которая, в тесном взаимодействии с Пентагоном и по его заданиям, осуществляет руководство всеми военными ядерными программами, В ее ведении находятся и все три национальные ядерные оружейные лаборатории - Лос-Аламосская, Ливерморская и Сандийская. На 2006 финансовый год, учитывая неясность концепции РНЕП даже для Минобороны, Конгресс урезал ассигнования на программу до 4 млн. долларов. Однако администрация Буша планирует запросить на нее в 2007 финансовом году 14 млн. долларов. В целом же для обеспечения деятельности ННСА непосредственно в области ЯО в 2006 финансовом году Белый дом требует 6,63 млрд. долларов.
Следует обратить внимание на такой факт. Поначалу в ННСА имелся Консультативный комитет независимых ученых и экспертов в области ЯО. Однако он был распущен перед проведением секретного совещания якобы по ЯО малой мощности - "мини-ньюкам" - разрушителям бункеров на базе Стратегического командования Оффут (штат Небраска) в августе 2003 года. Тем самым ННСА де-факто потеряла свой полунезависимый статус и стала строго засекреченной руководящей структурой ядерного оборонного комплекса США. Нужно также отметить, что на указанное секретное совещание не были допущены даже представители Конгресса.
Между тем, по мнению ряда специалистов, работы по программе РНЕП вовсе не заслуживают столь высокого уровня секретности. Как отмечал физик-ядерщик Сидней Дрелл из Ливерморской национальной лаборатории: "Это вопрос не испытания или развития новых образцов оружия, а принятия решения о возможности скомпоновать конструкцию таким образом, чтобы она могла глубоко проникнуть без разрушения самой себя преждевременным взрывом".
Таким образом, "под сурдинку" мини-ньюков может проводиться разработка принципиально нового поколения ядерного оружия. Программа РНЕП также позволила администрации США оказать давление на Конгресс и добиться отмены в мае 2004 года поправки Спратта-Фурсе (принята в 1994 году), запрещавшей финансирование исследований и разработок по ЯО мощностью до 5 кт.
Об акценте на снижение порога использования ядерного оружия, прежде всего на ТВД, свидетельствуют и разрабатываемые концептуальные документы по условиям применения ЯО в возможных боевых операциях Объединенных вооруженных сил США.
ЧИСТО ТЕРМОЯДЕРНОЕ
Стремление администрации Буша снизить порог применения ядерного оружия и тем самым нивелировать различие между ЯО малой мощности и оружием общего назначения, по мнению многих американских ученых и экспертов, может воплотиться (если уже не воплотилось) в решение о разработке принципиально новых ядерных боеприпасов четвертого поколения - чисто термоядерных.
Напомню, что первое поколение ЯО - атомное, использующее только деление тяжелых ядер урана-235 и плутония-239.
Второе поколение - термоядерное ЯО, в котором предусмотрена как реакция деления тяжелых ядер в качестве детонатора, так и реакция термоядерного синтеза изотопов водорода - дейтерия и трития. При этом повышению удельной мощности способствует реакция деления урана-238 под действием высокоэнергетических нейтронов, возникающих при реакции термоядерного синтеза.
Третье поколение - это рентгеновский лазер. Его действие основано на накачке энергией ядерного взрыва рабочего тела с последующим излучением им рентгеновских лучей. Данное оружие не нашло военного применения и использовалось в качестве блефа администрацией президента Рейгана в рамках "Стратегической оборонной инициативы" (СОИ) как оружие противоракетной обороны.
Таким образом, во всех трех поколениях ЯО непременно присутствует реакция деления тяжелых ядер, сопровождающаяся долговременным радиоактивным заражением окружающей среды. Это обстоятельство и является до сих пор гарантом высокого порога для применения ядерного оружия даже малой и сверхмалой мощности.
Когда же идет речь о ЯО четвертого поколения, то имеется в виду чисто термоядерное оружие, реакция синтеза в котором инициируется альтернативным реакции деления источником энергии. Он должен быть вполне пригоден для осуществления реакции термоядерного синтеза и достаточно компактен для размещения в соответствующей боеголовке.
В американских специализированных научных изданиях и некоторых печатных источниках неправительственных организаций, занимающихся вопросами контроля над вооружениями, проблеме ЯО четвертого поколения придается значительное внимание. В то же время официальные представители администрации категорически отрицают как наличие решения о создании ЯО четвертого поколения, так и то, что национальные ядерные лаборатории занимаются его разработкой.
Однако некоторые независимые эксперты (правда, без каких-либо конкретных ссылок), определенно утверждают, что такие работы ядерными лабораториями ведутся. Так, например, директор "Ядерных наблюдений из Нью-Мексико" (Nucewatch of New Mexico) Джей Коуглин утверждает: "Существует три ядерные лаборатории, и все три имеют программы по термоядерному синтезу - одинаковые или разные. Такой интерес само собой разумеющийся┘".
Кратко, но по основным моментам полно, вопрос о чисто термоядерном оружии освещается в статье Джеймса Петокоукиса (James M. Pethokoukis. H-bomb Baby boom? The US News and World Report, October 13, 2003.): "┘активисты и исследователи говорят, что на длительный период зеленый свет для исследования могла также дать поддержка полностью нового мини-ньюка, так называемая чисто термоядерная бомба". Ему вторит Джей Коуглан, эксперт из Нью-Мексико: "Потворствуя мини-ньюкам, вы... открываете дверь к созданию даже более продвинутых мини-ньюков, таких, как чисто термоядерное оружие".
Чисто термоядерные бомбы могли бы быть более компактными и мощными, чем сегодняшние мини-ньюки, без выпадения радиоактивных осадков. Существующие конструкции получают основную мощность от синтеза водородных атомов, но для этого требуется могучая спичка - атомный взрыв, - чтобы зажечь процесс. А реакция деления означает осадки. Чистое термоядерное оружие испустило бы изрядное количество мгновенной убийственной радиации, но в виде короткоживущих нейтронов. "Вы могли бы вводить ваши воинские части через 48 часов, потому что не будет никаких радиоактивных осадков", - говорит Арджун Махиджани из Института исследований энергии и окружающей среды в Парке Такома, Mериленд. Это - военное преимущество, но это могло бы снизить порог использования этого оружия.
По словам Андрэ Гаспонера из Независимого научно-исследовательского института в Женеве, реакция деления требует критической массы плутония или урана; для чисто термоядерного оружия не существует критической массы, и потому "оно может быть, сколь угодно малым по вашему желанию, виртуально - атомными пулями". Однако будет дебютировать это ЯО, полагает эксперт, как ультрамощные боеголовки крылатых ракет.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕГРАДЫ
Наибольшая техническая преграда - "поджог" реакции синтеза без реакции деления. Размером со стадион и стоимостью в 3,3 млрд. долларов Национальная лазерная установка (NIF - National Ignition Facility) в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии исследует один из подходов. Начиная с 2008 года NIF будет обстреливать 192 лазерными лучами капсулы изотопов водорода размером с горошину, сжимая и нагревая их до 100 млн. градусов, чтобы зажечь реакцию синтеза. Официальные лица NIF указывают, что они не разрабатывают инициируемые лазером бомбы. "Нет ни одного такого аспекта, на который вы могли бы указать, - говорит руководитель NIF Джордж Миллер. - Это невыполнимо, и мы не планируем делать это".
Роль NIF состоит в том, чтобы изучить возможность создания гражданских электростанций на основе синтеза и проводить базовые исследование, способствующие оценке готовности существующего ядерного арсенала. Но то, что NIF открывает возможность осуществления реакции синтеза без реакции деления, может оказаться полезным для разработчиков оружия, заявляют некоторые эксперты. Например, Глен Вурден, физик - специалист по синтезу Лос-Аламосской национальной лаборатории: "Лазерный синтез работает очень похоже, как и в оружии".
Ключи к разгадке проблемы способна также добыть Национальная лаборатория Сандия в Нью-Мехико, где "Z-машина" управляет огромным импульсом электрического тока через связку очень тонких проводов. Результат - плазменный взрыв, испускающий пучок рентгеновских лучей, которые могут катализировать реакцию термоядерного синтеза. Некоторые теоретики даже предполагают, что частицы антиматерии послужат в качестве спускового механизма, хотя пока физики создали лишь несколько антиатомов.
Препятствия могли бы растягивать календарный график на десятилетия. Но даже в 1997 году чисто термоядерное оружие казалось достаточно вероятным для Ганса Бете, нобелевского лауреата по физике и ветерана усилий по созданию атомной бомбы. Он настоятельно советовал президенту Клинтону не финансировать подобные исследования. "В наши дни маленькие бомбы начинают вырисовываться в огромные", - говорил Бете.
Принципиально новой установкой для исследований термоядерного синтеза является Magnetized Target Fusion (MTF). Она совместно используется Лос-Аламосской национальной лабораторией и Научно-исследовательской лабораторией ВВС (база ВВС Киртланд, Нью-Мексико). В отличие от обычного токомака и лазерного возбуждения синтеза MTF имеет преимущество в менее дорогостоящей возможности получения термоядерной энергии в промышленных масштабах. В последние годы фокус усилий в исследованиях синтеза, особенно в США, перемещается от научной возможности к экономической практичности. Установка предназначена также для проведения исследований по военным программам.
Таким образом, в США создана мощная материальная основа для успешных исследований проблем термоядерного синтеза по трем разным направлениям, разумеется, не только для промышленного освоения термоядерной энергии, но и для военного применения.
Эта основа закладывалась в период второго срока президентства Клинтона в рамках подготовки к заключению Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) для обеспечения надежного функционирования ядерного арсенала США в условиях запрещения ядерных испытаний - Программы сопровождения ядерного арсенала.
Уже тогда эксперты Института исследований энергии и окружающей среды отмечали, что официальные планирующие документы по этой программе свидетельствовали: Министерство обороны США намерено поддерживать разработку нового ЯО. С точки зрения рационализма, Пентагону необходимо не только иметь передовые установки, чтобы заинтересовать и удержать ученых, но также предоставить им благоприятные возможности для практической реализации их знаний как творцов средств поражения будущего. Министерство обороны отрицает стремление разрабатывать чисто термоядерное оружие. Но проводимая Пентагоном научно-техническая деятельность может привести к его созданию, несмотря на все опровержения, потому что она на практике именно этому и способствует.
На проведение в США работ по чисто термоядерному оружию указывал в 1999 году академик Михайлов ("Перспективы новых технологий разработки ядерного оружия". "НВО", # 15, 1999). В частности, Михайлов отмечал, что в рамках Программы сопровождения ядерного арсенала "также будут проводиться работы по созданию принципиально новых видов оружия и оценке физических принципов, существенных для проектирования ядерного оружия. Надо полагать, речь идет, по сути, о практически "чистом" термоядерном заряде, резко понижающем психологический барьер применения ядерного оружия, и без долговременного заражения продуктами взрыва".
Характерно, что Министерство обороны США оперативно реагирует на даже, казалось бы, экзотические источники ядерной энергии для их использования в военных целях. Так, например, научные эксперименты по накачке гафния низкоэнергетическим рентгеновским излучением, приведшие к образованию метастабильного атомного изомера - hafnium-178m2, показавшие 60-кратное увеличение энергии последующего гамма-излучения, сразу же были включены в пентагоновский "Перечень военно-критических технологий": "Такая экстраординарная плотность энергии имеет потенциал революционизировать все аспекты ведения военных действий".
ПОНИЖЕНИЕ ПОРОГА
Следует также отметить, что помимо трех ядерных оружейных лабораторий Министерства энергетики, работы в области атомной изомерии в военно-прикладном плане, наряду с термоядерным синтезом, проводит упомянутая Исследовательская лаборатория ВВС в Киртланде.
Как уже подчеркивалось выше, с приходом в Белый дом Джорджа Буша-младшего наметился четкий акцент на снижение порога использования ЯО малой мощности, прежде всего на ТВД. Чисто термоядерное оружие в наибольшей степени соответствует такому стремлению.
Принципиальное преимущество чисто термоядерного боеприпаса перед нынешним поколением термоядерных БП с атомным детонатором - отсутствие долговременного заражения радиоактивными продуктами взрыва последнего. При чисто термоядерном взрыве образуются только инертный газ гелий и поток быстрых нейтронов, вызывающих незначительную наведенную радиацию. К тому же путем использования соответствующих материалов для конструкции корпуса боеприпаса можно снизить выход потока нейтронов в окружающую среду. Основными поражающими факторами такого боеприпаса будут только ударная волна и световое излучение. Что же касается механического поражающего фактора - ударной волны, то он может варьироваться в широчайших пределах от единиц до тысяч и более килограммов тротилового эквивалента, что не грозит человечеству "ядерной зимой" при применении такого термоядерного боеприпаса на высокоточных носителях для нанесения "хирургических ударов" по стратегически значимым целям.
Какие имеются стимулы создания такого термоядерного заряда для США? Это прежде всего интересы повышения эффективности противоракетной обороны - как на ТВД, так и национальной. Особенно теперь, когда выход США из Договора по ПРО более не ограничивает совершенствование систем противоракетной обороны и выбор средств для повышения ее эффективности. Использование чисто термоядерного боеприпаса для поражения вражеских боеголовок даже на малой высоте над своей территорией не приведет к выпадению радиоактивных осадков. Вдобавок такой боеприпас, в зависимости от его тротилового эквивалента, может обладать достаточно широким дистанционным поражающим эффектом.
В случае применения боеголовок с чисто термоядерным зарядом для поражения находящихся примерно в 300 м от поверхности земли и сильно укрепленных бункеров при внедрении боеголовки даже на небольшую глубину нейтронное излучение практически полностью будет поглощено прилегающими к месту взрыва слоями грунта. Но надо иметь в виду, что для уничтожения особо важных и защищенных объектов при реально достижимой глубине проникания боеприпаса требуется мощность взрыва порядка 100 кт и более.
При подводном взрыве чисто термоядерного боеприпаса нейтронное излучение также будет поглощено водными массами - следовательно, такое оружие будет эффективным противолодочным и противокорабельным оружием.
Исключительно адекватно чисто термоядерное оружие вписывается в американскую концепцию "контрраспространения" ОМУ, допускающую физическое разрушение инфраструктуры его производства (имеется в виду прежде всего ЯО враждебных, по мнению США, государств).
Поэтому есть высокая степень вероятности, что в условиях строжайшей секретности работы по созданию чисто термоядерного оружия ведутся в Соединенных Штатах полным ходом. На проведение таких работ указывают и некоторые американские эксперты. Единственной, но критической проблемой здесь является разработка такого компактного импульсного источника энергии, который был бы способен инициировать взрывную термоядерную реакцию синтеза и мог бы быть размещен в соответствующей боеголовке. Однако некоторые предпосылки решения этой проблемы в настоящее время имеются. Особо можно выделить три направления:
Первое - исследования процессов катализа термоядерного синтеза на субатомном уровне с целью возможности снижения его энергетики.
Второе - разработка компактных сверхмощных импульсных источников электромагнитной энергии.
Третье - разработка на базе последних достижений нанотехнологий накопителей электрической энергии, достаточной для "поджога" взрывного термоядерного синтеза.
В частности, относительно первого направления есть информация, что международный коллектив физиков в канадской "Национальной лаборатории физики ядра и элементарных частиц" выполнил эксперимент, который привел к интенсивному синтезу необычных молекул. Они состоят из ядер тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития и связанного с ними мю-мезона. Теоретические расчеты показывают, что такие мезомолекулы могут катализировать управляемые термоядерные реакции, протекающие при относительно низких температурах.
Но, возможно, более перспективным окажется второе направление в связи с тем, что уже сконструированы компактные мощные генераторы импульсного электромагнитного излучения (FC-генераторы), способные путем сжатия магнитного потока взрывом обычной взрывчатки производить электрический ток, в 10-1000 раз превышающий ток в разряде типичной молнии. Не исключено, что подобный генератор был использован в американской электромагнитной бомбе (Е-бомбе), взрыв которой 26 марта 2003 года вывел из строя все электронное оборудовании телевизионного центра в Багдаде.
Также возможно, что в связи с бурным развитием нанотехнологий перспективным может оказаться и третье направление разработки компактных источников энергии, достаточной для инициирования взрывной термоядерной реакции. В настоящее время есть данные, что уже имеются конденсаторы с удельной емкостью в 30 киловатт электрической энергии на один килограмм веса. Такие конденсаторы могут быть использованы для накачки лазеров, расположенных в боеголовке, и тем самым инициировать взрывную реакцию синтеза. По имеющейся информации, известная американская фирма "Интел" разрабатывает кремниевые микролазеры для использования при создании принципиально нового поколения микропроцессоров для ЭВМ. Эти кремниевые микролазеры способны усиливать на три порядка выход энергии излучения по сравнению с энергией, затрачиваемой на их накачку. Вполне вероятно, подобные эффекты могут быть получены и на соответствующих макролазерах.
В общем, миллиарды долларов, затрачиваемые самой передовой в технологическом отношении страной на деятельность ядерных оружейных лабораторий, не исключено, рано или поздно приведут к появлению четвертого поколения ЯО - чисто термоядерного. Многие эксперты полагают, что есть определенная степень вероятности появления чисто термоядерного оружия раньше, чем будет освоено промышленное использование термоядерной энергии на экономически приемлемом уровне. История может повториться, как это было с атомным оружием - сначала бомба, а потом энергетика.
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 .
Ядерное оружие
Ядерная реакция, энергия которой используется в ядерных взрывных устройствах, заключается в делении ядра в результате захвата этим ядром нейтрона. Поглощение нейтрона способно привести к делению практически любого ядра, однако для подавляющего большинства элементов реакция деления возможна только в случае если нейтрон до поглощения его ядром обладал энергией, превышающей некоторое пороговое значение. Возможность практического использования ядерной энергии в ядерных взрывных устройствах или в ядерных реакторах обусловлена существованием элементов, ядра которых делятся под воздействием нейтронов любой энергии, в том числе сколь угодно малой. Вещества, обладающие подобным свойством называются делящимися веществами .
Единственным встречающимся в природе в заметных количествах делящимся веществом является изотоп урана с массой ядра 235 атомных единиц массы (уран-235). Содержание этого изотопа в природном уране составляет всего 0.7%. Оставшаяся часть приходится на уран-238. Поскольку химические свойства изотопов абсолютно одинаковы, для выделения урана-235 из природного урана необходимо осуществление достаточно сложного процесса разделения изотопов. В результате может быть получен высокообогащенный уран , содержащий около 94% урана-235, который пригоден для использования в ядерном оружии.
Делящиеся вещества могут быть получены искусственно, причем наименее сложным с практической точки зрения является получение плутония-239 , образующегося в результате захвата нейтрона ядром урана-238 (и последующей цепочки радиоактивных распадов промежуточных ядер). Подобный процесс можно осуществить в , работающем на природном или слабообогащенном уране. В дальнейшем, плутоний может быть выделен из отработавшего топлива реактора в процессе химической переработки топлива, что заметно проще осуществляемого при получении оружейного урана процесса разделения изотопов.
Для создания ядерных взрывных устройств могут быть использованы и другие делящиеся вещества, например уран-233 , получаемый при облучении в ядерном реакторе тория-232. Однако, практическое применение нашли только уран-235 и плутоний-239, прежде всего из-за относительной простоты получения этих материалов.
Возможность практического использования выделяющейся при делении ядер энергии обусловлена тем, что реакция деления может иметь цепной, самоподдерживающийся характер. В каждом акте деления образуется примерно два вторичных нейтрона, которые, будучи захвачены ядрами делящегося вещества, могут вызвать их деление, в свою очередь приводящее к образованию еще большего количества нейтронов. При создании специальных условий, количество нейтронов, а следовательно и актов деления, растет от поколения к поколению.
Зависимость количества актов деления от времени может быть описана с помощью так называемого коэффициента размножения нейтронов k, равного разности количества нейтронов образующихся в одном акте деления и количества нейтронов, потерянных за счет поглощения, не приводящего к делению, или за счет ухода за пределы массы делящегося вещества. Параметр k, таким образом, соответствует количеству актов деления которое вызывает распад одного ядра. Если параметр k меньше единицы, то реакция деления не имеет цепного характера, так как количество нейтронов, способных вызвать деление оказывается меньшим, чем их начальное количество. При достижении значения k=1 количество нейтронов, вызывающих деление, а значит и актов распада, не меняется от поколения к поколению. Реакция деления приобретает цепной самоподдерживающийся характер. Состояние вещества, в котором реализуется цепная реакция деления с k=1, называется критическим . При k>1 говорят о сверхкритическом состоянии.
Зависимость количества актов деления от времени может быть представлена следующим образом:
N=N o *exp((k-1)*t/T)
- N — полное число актов деления, произошедших за время t с начала реакции,
- N 0 — число ядер, претерпевших деление в первом поколении, k-коэффициент размножения нейтронов,
- T — время «смены поколений,» т.е. среднее время между последовательными актами деления, характерное значение которого составляет 10 -8 сек.
Если предположить, что цепная реакция начинается с одного акта деления и значение коэффициента размножения составляет 2, то несложно оценить количество поколений, необходимое для выделения энергии, эквивалентной взрыву 1 килотонны тринитротолуола (10 12 калорий или 4.1910 12 Дж). Поскольку в каждом акте деления выделяется энергия равная примерно 180 МэВ (2.910 -11 Дж), должно произойти 1.4510 23 актов распада (что соответствует делению примерно 57 г делящегося вещества). Подобное количество распадов произойдет в течение примерно 53 поколений делящихся ядер. Весь процесс займет около 0.5 микросекунд, причем основная доля энергии выделится в течение последних нескольких поколений. Продление процесса всего на несколько поколений приведет к значительному росту выделенной энергии. Так, для увеличения энергии взрыва в 10 раз (до 100 кт) необходимо всего пять дополнительных поколений.
Основным параметром, определяющим возможность осуществления цепной реакции деления и скорость выделения энергии в ходе этой реакции является коэффициент размножения нейтронов. Этот коэффициент зависит как от свойств делящихся ядер, таких как количество вторичных нейтронов, сечения реакций деления и захвата, так и от внешних факторов, определяющих потери нейтронов вызванные их уходом за пределы массы делящегося вещества. Вероятность ухода нейтронов зависит от геометрической формы образца и увеличивается с увеличением площади его поверхности. Вероятность же захвата нейтрона пропорциональна концентрации ядер делящегося вещества и длине пути, который нейтрон проходит в образце. Если взять образец, имеющий форму шара, то при увеличении массы образца вероятность приводящего к делению захвата нейтрона растет быстрее, чем вероятность его ухода, что приводит к увеличению коэффициента размножения. Массу, при которой подобный образец достигает критического состояния (k=1), называют критической массой делящегося вещества. Для высокообогащенного урана значение критической массы составляет около 52 кг, для оружейного плутония-11 кг. Критическую массу можно уменьшить примерно вдвое окружив образец делящегося вещества слоем материала, отражающего нейтроны, например, бериллия или природного урана.
Цепная реакция возможна и при наличии меньшего количества делящегося вещества. Поскольку вероятность захвата пропорциональна концентрации ядер, увеличение плотности образца, например в результате его сжатия, способно привести к возникновению в образце критического состояния. Именно этот способ и применяется в ядерных взрывных устройствах, в которых масса делящегося вещества, находящаяся в подкритическом состоянии переводится в сверхкритическое с помощью направленного взрыва, подвергающего заряд сильной степени сжатия. Минимальное количество делящегося вещества, необходимого для осуществления цепной реакции, зависит в основном от достижимой на практике степени сжатия.
Степень и скорость сжатия массы делящегося вещества определяют не только количество расщепляющегося материала, необходимого для создания взрывного устройства, но и мощность взрыва . Причиной этого служит тот факт, что энергия, выделяющаяся в ходе цепной реакции приводит к быстрому разогреву массы делящегося вещества и, как результат, к разлету этой массы. Через некоторое время заряд теряет критичность и цепная реакция останавливается. Поскольку полная энергия взрыва зависит от количества ядер, успевших претерпеть деление за время в течение которого заряд находился в критическом состоянии, для получения достаточно большой мощности взрыва необходимо удерживать массу делящегося вещества в критическом состоянии как можно дольше. На практике это достигается путем быстрого сжатия заряда с помощью направленного взрыва, так что в момент начала цепной реакции, масса делящегося вещества обладает очень большим запасом критичности.
Поскольку в процессе сжатия заряд находится в критическом состоянии, необходимо устранить посторонние источники нейтронов, которые могут дать начало цепной реакции еще до достижения зарядом необходимой степени критичности. Преждевременное начало цепной реакции приведет, во-первых, к уменьшению скорости выделения энергии, а во-вторых, к более раннему разлету заряда и потере им критичности. После того как масса делящегося вещества оказалась в критическом состоянии, начало цепной реакции могут дать акты спонтанного деления ядер урана или плутония. Однако, интенсивность спонтанного деления оказывается недостаточной для того, чтобы обеспечить необходимую степень синхронизации момента начала цепной реакции с процессом сжатия вещества и для обеспечения достаточно большого количества нейтронов в первом поколении. Для решения этой проблемы в ядерных взрывных устройствах применяют специальный источник нейтронов, который обеспечивает «впрыск» нейтронов в массу делящегося вещества. Момент «впрыска» нейтронов должен быть тщательно синхронизован с процессом сжатия, так как слишком раннее начало цепной реакции приведет к быстрому началу разлета делящегося вещества и, следовательно, к значительному уменьшению энергии взрыва.
Взрыв первого ядерного взрывного устройства был произведен США 16 июля 1945 г. в Аламогордо, штат Нью Мексико. Устройство представляло собой плутониевую бомбу, в которой для создания критичности был использован направленный взрыв. Мощность взрыва составила около 20 кт. В СССР взрыв первого ядерного взрывного устройства, аналогичного американскому, был произведен 29 августа 1949 г.
Термоядерное оружие
В термоядерном оружии энергия взрыва образуется в ходе реакций синтеза легких ядер, таких как дейтерий, тритий, являющихся изотопами водорода или литий. Подобные реакции могут происходить только при очень высоких температурах, при которых кинетическая энергия ядер достаточна для сближения ядер на достаточно малое расстояние. Температуры, о которых идет речь, составляют около 10 7 -10 8 К.
Использование реакций синтеза для увеличения мощности взрыва может быть произведено по-разному. Первый способ заключается в помещении внутрь обычного ядерного устройства контейнера с дейтерием или тритием (или дейтеридом лития). Возникающие в момент взрыва высокие температуры приводят к тому, что ядра легких элементов вступают в реакцию, за счет которой происходит дополнительное выделение энергии. С помощью подобного метода можно заметно увеличить мощность взрыва. В то же время, мощность подобного взрывного устройства по-прежнему ограничивается конечным временем разлета делящегося вещества.
Другой способ-создание многоступенчатых взрывных устройств, в которых за счет специальной конфигурации взрывного устройства энергия обычного ядерного заряда (т.н. первичный заряд) используется для создания необходимых температур в отдельно расположенном «вторичном» термоядерном заряде, энергия которого, в свою очередь, может быть использована для подрыва третьего заряда и т.д. Первое испытание подобного устройства-взрыв «Майк»- было произведено в США 1 ноября 1952 г. В СССР подобное устройство было впервые испытано 22 ноября 1955 г. Мощность взрывного устройства, сконструированного подобным образом, может быть сколь угодно большой. Самый мощный ядерный взрыв был произведен именно с помощью многоступенчатого взрывного устройства. Мощность взрыва составила 60 Мт, причем мощность устройства была использована лишь на одну треть.
Последовательность событий при ядерном взрыве
Выделение огромного количества энергии, происходящее в ходе цепной реакции деления, приводит к быстрому разогреву вещества взрывного устройства до температур порядка 10 7 К. При таких температурах вещество представляет собой интенсивно излучающую ионизированную плазму. На этом этапе в виде энергии электромагнитного излучения выделяется около 80% энергии взрыва. Максимум энергии этого излучения, называемого первичным, приходится на рентгеновский диапазон спектра. Дальнейший ход событий при ядерном взрыве определяется в основном характером взаимодействия первичного теплового излучения с окружающей эпицентр взрыва средой, а также свойствами этой среды.
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. На первой стадии это облако растет в размерах за счет радиационной передачи энергии из горячей внутренней части облака к его холодному окружению. Температура газа в облаке примерно постоянна по его объему и снижается по мере его увеличения. В момент когда температура облака снижается до примерно 300 тысяч градусов, скорость фронта облака уменьшается до величин, сравнимых со скоростью звука. В этот момент формируется ударная волна , фронт которой «отрывается» от границы облака взрыва. Для взрыва мощностью 20 кт это событие наступает примерно через 0.1 мсек после взрыва. Радиус облака взрыва в этот момент составляет около 12 метров.
Интенсивность теплового излучения облака взрыва целиком определяется видимой температурой его поверхности. На некоторое время воздух, нагретый в результате прохождения взрывной волны, маскирует облако взрыва, поглощая излучаемую им радиацию, так что температура видимой поверхности облака взрыва соответствует температуре воздуха за фронтом ударной волны, которая падает по мере увеличения размеров фронта. Через примерно 10 миллисекунд после начала взрыва температура во фронте падает до 3000°С и он вновь становится прозрачным для излучения облака взрыва. Температура видимой поверхности облака взрыва вновь начинает расти и через примерно 0.1 сек после начала взрыва достигает примерно 8000°С (для взрыва мощностью 20 кт). В этот момент мощность излучения облака взрыва максимальна. После этого температура видимой поверхности облака и, соответственно, излучаемая им энергия быстро падает. В результате, основная доля энергии излучения высвечивается за время меньшее одной секунды.
Формирование импульса теплового излучения и образование ударной волны происходит на самых ранних стадиях существования облака взрыва. Поскольку внутри облака содержится основная доля радиоактивных веществ, образующихся в ходе взрыва, дальнейшая его эволюция определяет формирование следа радиоактивных осадков. После того как облако взрыва остывает настолько, что уже не излучает в видимой области спектра, процесс увеличения его размеров продолжается за счет теплового расширения и оно начинает подниматься вверх. В процессе подъема облако увлекает за собой значительную массу воздуха и грунта. В течение нескольких минут облако достигает высоты в несколько километров и может достичь стратосферы. Скорость выпадения радиоактивных осадков зависит от размера твердых частиц, на которых они конденсируются. Если в процессе своего формирования облако взрыва достигло поверхности, количество грунта, увлеченного при подъеме облака будет достаточно велико и радиоактивные вещества оседают в основном на поверхности частиц грунта, размер которых может достигать нескольких миллиметров. Такие частицы выпадают на поверхность в относительной близости от эпицентра взрыва, причем за время выпадения их радиоактивность практически не уменьшается.
В случае если облако взрыва не касается поверхности, содержащиеся в нем радиоактивные вещества конденсируются в гораздо меньшие частицы с характерными размерами 0.01-20 микрон. Поскольку такие частицы могут достаточно долго существовать в верхних слоях атмосферы, они рассеиваются над очень большой площадью и за время, прошедшее до их выпадения на поверхность, успевают потерять значительную долю своей радиоактивности. В этом случае радиоактивный след практически не наблюдается. Минимальная высота, взрыв на которой не приводит к образованию радиоактивного следа, зависит от мощности взрыва и составляет примерно 200 метров для взрыва мощностью 20 кт и около 1 км для взрыва мощностью 1 Мт.
Ударная волна, формирующаяся на ранних стадиях существования облака взрыва, представляет собой один из основных поражающих факторов атмосферного ядерного взрыва. Основными характеристиками ударной волны являются пиковое избыточное давление и динамическое давление во фронте волны. Способность объектов выдерживать воздействие ударной волны зависит от множества факторов, таких как наличие несущих элементов, материал постройки, ориентация по отношению ко фронту. Избыточное давление в 1 атм (15 фунтов/кв. дюйм), возникающее на расстоянии 2.5 км от наземного взрыва мощностью 1 Мт, способно разрушить многоэтажное здание из железобетона. Для противостояния воздействию ударной волны военные объекты, особенно шахты баллистических ракет проектируют таким образом, чтобы они могли выдержать избыточные давления в сотни атмосфер. Радиус области, в которой при взрыве в 1 Мт создается подобное давление составляет около 200 метров. Соответственно, для поражения укрепленных целей особую роль играет точность атакующих баллистических ракет.
На начальных стадиях существования ударной волны ее фронт представляет собой сферу с центром в точке взрыва. После того как фронт достигает поверхности, образуется отраженная волна. Так как отраженная волна распространяется в среде, через которую прошла прямая волна, скорость ее распространения оказывается несколько выше. В результате, на некотором расстоянии от эпицентра две волны сливаются возле поверхности, образуя фронт, характеризуемый примерно в два раза большими значениями избыточного давления. Поскольку для взрыва данной мощности расстояние, на котором образуется подобный фронт, зависит от высоты взрыва, высоту взрыва можно подобрать для получения максимальных значений избыточного давления на определенной площади. Если целью взрыва является уничтожение укрепленных военных объектов, оптимальная высота взрыва оказывается очень малой, что неизбежно приводит к образованию значительного количества радиоактивных осадков.
Еще одним поражающим фактором ядерного оружия является проникающая , представляющая собой поток высокоэнергетичных нейтронов и гамма-квантов, образующихся как непосредственно в ходе взрыва так и в результате распада продуктов деления. Наряду с нейтронами и гамма-квантами, в ходе ядерных реакций образуются также альфа- и бета-частицы, влияние которых можно не учитывать из-за того что они очень эффективно задерживаются на расстояниях порядка нескольких метров. Нейтроны и гамма-кванты продолжают выделяться в течение достаточно длительного времени после взрыва, оказывая воздействие на радиационную обстановку. К собственно проникающей радиации обычно относят нейтроны и гамма-кванты появляющиеся в течение первой минуты после взрыва. Подобное определение связано с тем, что за время порядка одной минуты облако взрыва успевает подняться на высоту, достаточную для того, чтобы радиационный поток на поверхности стал практически незаметен.
Интенсивность потока проникающей и расстояние на котором ее действие может нанести существенный ущерб, зависят от мощности взрывного устройства и его конструкции. , полученная на расстоянии около 3 км от эпицентра термоядерного взрыва мощностью 1 Мт достаточна для того чтобы вызвать серьезные биологические изменения в организме человека. Ядерное взрывное устройство может быть специально сконструировано таким образом чтобы увеличить ущерб, наносимый проникающей радиацией по сравнению с ущербом, наносимым другими поражающими факторами (так называемое нейтронное оружие ).
Процессы, происходящие в ходе взрыва на значительной высоте, где плотность воздуха невелика, несколько отличаются от происходящих при проведении взрыва на небольших высотах. Прежде всего, из-за малой плотности воздуха поглощение первичного теплового излучения происходит на гораздо больших расстояниях и размер облака взрыва может достигать десятков километров. Существенное влияние на процесс формирования облака взрыва начинают оказывать процессы взаимодействия ионизированных частиц облака с магнитным полем Земли. Ионизированные частицы, образовавшиеся в ходе взрыва, оказывают также заметное влияние на состояние ионосферы, затрудняя, а иногда и делая невозможным распространение радиоволн (этот эффект может быть использован для ослепления радиолокационных станций).
Одним из результатов проведения высотного взрыва оказывается возникновение мощного электромагнитного импульса , распространяющегося над очень большой территорией. Электромагнитный импульс возникает и в результате взрыва на малых высотах, однако напряженность электромагнитного поля в этом случае быстро спадает по мере удаления от эпицентра. В случае же высотного взрыва, область действия электромагнитного импульса охватывает практически всю видимую из точки взрыва поверхность Земли.
В случае если взрыв произведен под землей, на начальной стадии взрыва поглощение окружающей средой первичного теплового излучения приводит к образованию полости, давление в которой в течение менее чем микросекунды возрастает до нескольких миллионов атмосфер. Далее, в течение долей секунды в окружающей породе формируется ударная волна, фронт которой обгоняет распространение полости взрыва. Ударная волна вызывает разрушение породы в непосредственной близости от эпицентра и, ослабляясь по мере своего продвижения, дает начало серии сейсмических импульсов, сопровождающих подземный взрыв. Полость взрыва продолжает расширяться с несколько меньшей чем в начале скоростью, достигая в итоге значительных размеров. Так, радиус полости, образованной взрывом мощностью 150 кт может достичь 50 метров. На этом этапе стены полости представляют собой расплавленную породу. На третьем этапе газ внутри полости остывает, а расплавленная порода застывает на дне.
В течение следующей стадии, которая может длиться от нескольких секунд до нескольких часов, давление газов в полости падает так, что они больше неспособны выдерживать нагрузку верхних слоев породы, которые обрушиваются вниз. В результате образуется вертикальная сигарообразная структура, заполненная обломками породы. Размеры этой структуры зависят от характера породы, в которой произведен взрыв. В верхнем конце этой структуры остается полость, заполненная радиоактивными газами. В случае если взрыв произошел на недостаточно большой глубине, часть газов может выйти на поверхность.
Является самым разрушительным из всех существующих видов вооружений. Количество запасов ядерного оружия на Земле достигает таких размеров, что его хватит на то, чтобы уничтожить нашу планету несколько раз.
