2. Публичная лекция в МИФИ: сокращённый вариант

2. Публичная лекция в МИФИ: сокращённый вариант

Уже несколько лет я читаю лекции студентам Московского инженерно-физического института. В деканате знают в общих чертах, чем я занимался в предыдущие годы, и несколько раз предлагали мне подумать о популярной лекции на тему что-то вроде „Атомная бомба в профиль и анфас“.

Я, конечно, слегка утрирую. Меня просили рассказать об общих физических основах атомной бомбы. Но тем самым хочу подчеркнуть, как разительно изменилось время. Ещё совсем недавно соблюдалась строжайшая тайна о людях, местоположении „объектов“, обо всём, что так или иначе было связано с разработкой и производством ядерного оружия. Сегодня многие табу сняты.

Но уровень секретности в атомной сфере остаётся высоким, что в большинстве случаев, на мой взгляд, вполне оправданно. Есть и другое смущающее меня обстоятельство. Грань, отделяющая секретное от несекретного, часто оказывается размытой. И знающий человек, который берётся что-то рассказывать, неизбежно испытывает по этому поводу затруднения.

Однако слово сказано. И после этой предварительной ремарки я всё же попытаюсь, привлекая сведения самого общего характера, просчитать и сконструировать у вас на глазах примитивную А-бомбу.

* * *

В основе атомной бомбы лежат открытия довоенного времени: деление урана и цепная нейтронная реакция. Деление урана примечательно в двух отношениях. Первое — энергетическое.

Как известно, все элементы, содержащиеся в таблице Менделеева, состоят из ядер и электронов, движущихся вокруг ядра. Ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. При этом в так называемых лёгких ядрах их число сопоставимо, а в тяжёлых — преобладают нейтроны.

Ядро в сто тысяч раз меньше атома, внутри которого располагаются электроны. Поэтому ядерные, концентрированные силы намного больше, чем атомные (кулоновские) . Все химические реакции затрагивают электронные оболочки с их относительно слабыми связями, тогда как ядерные превращения изменяют структуру ядра.

При делении урана под действием нейтрона происходит развал тяжёлого ядра на два осколка, приходящихся „на середину“ периодической системы элементов, где ядра наиболее крепко связаны. Именно этот принцип — деление ядер — положен в основу конструкции атомной бомбы. Попутно отметим, что слияние лёгких ядер с образованием более тяжёлых лежит в основе термоядерных реакций водородной бомбы * .

При химических реакциях, например когда взрывается порох, тротил или другое ВВ, энергии выделяется примерно в 10 миллионов раз меньше, чем при реакции ядерной, — в расчёте на равное количество инициируемого вещества. Именно из этого обстоятельства вытекает огромное преимущество ядерного оружия над обычным.

Первая советская атомная бомба весила около 5 тонн (как и первая американская) и имела мощность около 15 килотонн тротилового эквивалента (ТНТ) , то есть превосходила свой химический аналог в 3 тысячи раз. Не в 10 миллионов раз, как отмечалось выше, а в тысячи раз меньше.

Почему?

Дело в том, что в массивном корпусе атомной бомбы содержалось всего лишь 6 килограммов активного материала, который к тому же „сгорал“ далеко не полностью (в отличие от обычного ВВ с коэффициентом полезного действия, близким к 100 процентам) .

Вторая особенность деления состоит в том, что в результате распада тяжёлого ядра образуются новые нейтроны. Это принципиальное обстоятельство приводит к возможности цепной реакции — нарастающему экспоненциально потоку нейтронов.

Экспериментальным путём выяснили, что для реализации взрыва пригодными оказались нечётные изотопы урана и плутония (уран-235 , плутоний-239) . Другие элементы, в том числе уран-233 , более далёкие изотопы плутония, прочие трансураны, распространения не получили из-за технологических трудностей и высокой стоимости.

К слову сказать, в своё время возлагались большие надежды на кюрий-245 . Было высказано предположение, что у него уникальные ядерные свойства и можно сделать не то что бомбу, а чуть ли не атомную пулю. На реакторе добыли некоторое количество кюрия, определили его физические и ядерные константы. Иллюзии исчезли так же быстро, как и появились. Кюрий-245 по ядерным характеристикам не сильно отличался от плутония-239 , но превосходил последний по стоимости в десятки раз.

Уран-235 является изотопом природного урана, в котором его содержится всего 0,7 процента, остальные 99,3 — уран-238 . Известно несколько способов разделения изотопов: газодиффузионный, центробежный, лазерный, некоторые другие. В Советском Союзе наибольшее распространение получил центробежный. Он достиг очень высокого уровня совершенства. На его основе в настоящее время осуществляются поставки обогащённого урана для атомных станций внутри страны и на экспорт.

В бомбах использовался высокообогащённый уран (ВОУ) с концентрацией по урану-235 до 90 amp;ndash;95 процентов.

Плутоний-239 — искусственный изотоп, которого нет в недрах Земли. Его получают в действующих реакторах. Уран-238 при облучении захватывает нейтрон и затем через два amp;beta;-распада переходит в плутоний-239 . Одна тонкость: из плутония-239 путём последующего захвата нейтрона образуется плутоний-240 . В военном плутонии допустимое количество плутония-240 не должно составлять более 5 amp;ndash;6 процентов, поэтому „срок выдержки“ облучаемого материала в специальных реакторах исчисляется неделями, тогда как в энергетических реакторах АЭС тепловыделяющие элементы могут находиться годами. Жёсткие требования по плутонию-240 , прямым образом влияющие на стоимость военного плутония, обуславливаются инертностью плутония-240 по отношению к делению и сильно выраженным — из-за спонтанного деления — нейтронным фоном.

Есть ещё одна особенность плутония, доставляющая много хлопот конструкторам. Она связана с тем, что плутоний-239 обладает amp;alpha;-радиоактивностью с периодом полураспада около 24 тысяч лет. Энергетический (из реакторов АЭС) плутоний мало пригоден для военной техники также и потому, что в нём накапливаются длинные „хвосты“ трансурановых элементов, вплоть до плутония-244 . При этом чётные изотопы малопродуктивны, нечётные определяют большой тепловой эффект из-за сравнительно короткого периода распада.

Аналогом плутония-239 является уран-233 , также реакторного происхождения, но на основе тория. Торий-232 подхватывает нейтроны и также через два amp;beta;-распада обращается в уран-233 . Но и в этой технологии есть свои трудности (в первую очередь — повышенная гамма-радиоактивность), из-за чего сколько-нибудь заметного применения в военной технике уран-233 не получил.

* * *

Итак, мы установили: чтобы сделать бомбу, нужны высокообогащённый уран (ВОУ) или оружейный плутоний.

Вернемся, однако, к явлению, названному выше размножением нейтронов. И напомним, что нейтрон, испытывая многократные взаимодействия в расщепляющейся среде, может достигать её границы и исчезать. Ясно, что в бесконечной среде такого рода потерь нет. И наоборот: если размер рассматриваемой области (например , радиус делящегося плутониевого шара) сопоставим с длиной пробега нейтронов, их потери за счёт вылета становятся преобладающими.

Отсюда возникает важнейшее для последующего изложения понятие критического размера, или критической массы. Наиболее экономичной геометрической фигурой, имеющей наименьшую критическую массу, является, как известно, шар. Он обладает минимальным отношением поверхности (вылет) к объёму (рождению) .

С этим соотношением связаны понятия критичности. В надкритическом состоянии (большой размер) поток нейтронов экспоненциально нарастает, в подкритическом — реакция затухает, в критическом — поддерживается стационарный уровень нейтронов. Реакторы АЭС, в которых поддерживается постоянное энерговыделение, находятся в критическом состоянии. Собственно говоря, вся система управления реактором направлена на то, чтобы поддерживать критическое состояние и не дать свалиться реактору ни в ту, ни в другую сторону.

Естественно, любое взрывное устройство должно обладать механизмом, способным перевести его из безопасного состояния (подкритического) во взрывное (надкритическое) . Но каков бы ни был механизм такого перевода, по механическим соображениям он не может быть скачкообразным (мгновенным) , он непременно растянут во времени.

Реально используются два способа перевода в надкритическое положение. Условно выражаясь — медленный и быстрый. Первый из них схематично можно представить так. Имеются два куска урана-235 , каждый из которых подкритичен. Масса отдельного объёма составляет 0,75 от критической массы. При их совмещении с помощью пороха возникает надкритическая конфигурация, способная к импульсному размножению нейтронов.

Такой „пушечный“ вариант сближения, когда в урановую цилиндрическую оболочку загоняется сердцевина из урана, имеет дело с большими массами, считается медленным и не пригоден для плутония из-за большого нейтронного фона (у урана фон в сотни раз меньше) . На практике такой способ был применён в бомбе, сброшенной на Хиросиму, но в дальнейшем в военных зарядах распространения не получил. Его используют лишь в некоторых специальных конструкциях, для которых существенны не вес и расход материала, а заданные габариты.

Вариант быстрого перехода через критсостояние называется, по американской терминологии, имплозией — „взрывом внутрь“. Опуская некоторые весьма существенные детали, вообразим такую конструкцию.

Пусть активный материал — плутоний — распределён в виде тонкой сферической оболочки и окружён взрывчатым веществом. Снаружи ВВ установлены капсюли-детонаторы, которые по внешнему сигналу образуют во взрывчатом веществе сферическую детонационную сходящуюся волну. Энергия ВВ передаётся плутониевой оболочке, и она летит в центр сферы, преобразуясь геометрически в шар и одновременно подвергаясь сжатию. Ввиду того что скорости оболочки и звука сравнимы, сжатие составляет разы. А раз повышается плотность материала — значит, снижается критмасса (обратно пропорционально квадрату плотности) и вообще весовые показатели заряда.

Описанный здесь способ перевода вещества в надкритическое состояние является самым совершенным, так как использует в полной мере оба фактора: геометрический и динамический. Одновременно он же является наиболее трудно достижимым технологически (тонкие , с высокими требованиями по допускам оболочки, организация с большой точностью сферической детонационной волны и т. д.) .

На заре атомной эры поступали проще. В первой американской плутониевой бомбе, имевшей 6 кило делящегося материала, как и в аналогичной советской, плутоний заранее был собран в шар, а подлетающая инертная оболочка выполняла роль отражателя нейтронов и вызывала небольшое сжатие ядра.

* * *

Таким образом, мы установили второе существенное обстоятельство на пути к созданию бомбы: мало просто иметь делящееся вещество — надо научиться переводить это вещество через критическое состояние с максимальной эффективностью.

Рассмотрим это на примере плутония — его выдающаяся роль в атомном оружии напрямую связана с ядерно-физическими свойствами. Плутоний в виде голого шара имеет критмассу около 10 кг, тогда как урана-235 требуется примерно 50 кг. В сравнении с ураном-235 производство плутония дороже примерно в пять раз, но без него не обходится практически ни один вид современного атомного оружия.

При имплозии время нахождения вещества в сжатом (надкритическом) состоянии имеет важное значение. Собственно говоря, именно это обстоятельство в сочетании с конечной величиной сжатия определяет минимальное количество плутония, способного к взрыву. Теоретический предел возникает ввиду конечности скорости полёта оболочки. Она равна скорости детонации химического ВВ (примерно 10 км/сек) , при любом сколь угодно большом отношении масс ВВ и оболочки. На практике минимально допустимая масса составляет несколько сот граммов плутония. Теоретически можно представить себе дальнейшее снижение массы, если придумать другое ВВ, с большей калорийностью и, соответственно, с большей скоростью звука продуктов взрыва.

В химии ВВ предел практически достигут. С изобретением лазеров возникла идея лазерного термоядерного синтеза. Свет лазера, работающего в импульсном режиме, концентрируется на маленькую мишень (доли миллиметров) , разогревает её до очень высокой температуры (десятки миллионов градусов) и вызывает горение дейтерия в смеси с тритием.

Лет двадцать назад в печати появилось предложение использовать не реакции синтеза, а делительные реакции на плутонии в той же лазерной концепции. Было показано, что надкритичность из-за сверхвысокого сжатия может достигаться при миллиграммовых массах. Но — „забыли“ про время развития цепной реакции. В результате минимальная масса превратилась в граммы, энергия лазеров — в десятки мегаджоулей, а выходная энергия — в тонны тротилового эквивалента, что в совокупности оказалось абсолютно неприемлемым для лабораторного эксперимента.

Значит, чрезмерно быстрое сжатие и сопровождающее его большое давление не гарантируют достижения цели — вполне может так произойти, что цепная реакция не успеет развиться и будет так называемый „проскок“. Неприемлема и другая противоположность — очень медленное сжатие. В этом случае сразу после перехода через критическое состояние начнёт развиваться цепная реакция от случайного фонового нейтрона с выделением энергии, которая остановит движение внутрь. Взрыв произойдёт задолго до самого благоприятного момента — максимального сжатия и наивысшей надкритичности. Энерговыделение резко упадёт, будет попросту „пшик“, или, выражаясь по-научному, неполный взрыв (НВ) .

Из сказанного выше со всей очевидностью напрашивается вывод: переход через критсостояние должен быть тщательно организован — без чрезмерной динамики и без замедления, то есть надо найти „золотую середину“. Кроме того, нейтронный источник, вызывающий цепную реакцию, должен включиться в строго определённый момент (вблизи максимального сжатия) , чтобы энерговыделение было максимальным. Подобного рода синхронизация — тонкая наука, к тому же неоднозначная, привязана к конкретному „изделию“, с его допусками, статистическим разбором.

Один из способов достичь автоматической синхронизации состоит в следующем. В центре заряда располагается совсем небольшое количество твёрдого вещества, содержащего дейтерий. В результате ударной волны, приходящей от заряда химической взрывчатки, возникает ядерная реакция „дейтерий-дейтерий“ с выделением нейтронов. Опытным путём было установлено, что число возникших нейтронов достаточно для инициирования цепной реакции.

Универсальное радикальное решение возникло позже. Генеральная идея состояла в том, чтобы к делительным реакциям присоединить термоядерные по схеме деление — синтез — деление. При этом первичная энергия, выделившаяся вследствие деления, приводит к реакциям синтеза с выделением новых нейтронов, которые, в свою очередь, вызывают последующие деления. При сгорании нескольких граммов трития (по реакции дейтерий + тритий = amp;alpha;-частица + нейтрон) выделяется около 1024 нейтронов, сравнимых по числу со всеми атомами плутония.

Искусство создателей оружия состояло в том, чтобы вызвать термоядерную DT-реакцию в наихудших условиях, при минимальном первоначальном КПД, что и приводило к стабилизации мощности заряда в целом. Вот почему в ядерном оружии, по крайней мере в наиболее совершенных вариантах, используется наряду с плутонием тритий.

* * *

Подводя итог, скажем, что, если кто-то и в самом деле вознамерится сделать атомную бомбу, ему потребуются плутоний, химическая взрывчатка, нейтронный источник и многое-многое другое, о чём я не упомянул. Физика взрыва, ядерных реакций, всей той науки, которая сопровождаёт ядерное оружие, необычайно насыщенна и многогранна. Но мой вам совет, искреннее пожелание человека, который всё это прошёл: пусть ни ум ваш, ни руки не затронет эта тема.

* Наивно предполагать, что водородное оружие использует только реакции синтеза, а атомное — только деления. На самом деле всегда присутствует и то и другое, но в разных пропорциях, с разным акцентом. Исключение составляют только заряды мирного назначения. В них проявлена особая забота, направленная на уменьшение радиоактивности, и урановые слои заменены на инертные. Такие заряды по своим техническим показателям, однако, резко уступают военным. Вместе с тем — подчеркнём ещё раз — во всех без исключения зарядах, атомных и водородных, военных и мирных, инициирующее начало возникает при делении.