Водородная Бомба

Водородная Бомба

Как известно, еще в середине 20-х годов английский астрофизик Эддингтон выс-казал предположение, что источником энергии звезд могут быть ядерные… Таким образом теоретическая возможность получения энергии путем ядерного…  

США

Идея бомбы основанной на термоядерном синтезе, инициируемом атомным зарядом была предложена Э.Ферми его коллеге Э.Теллеру (который и считается «отцом» термо-ядерной бомбы) еще в 1941г. В 1942г. между Оппенгеймером и Теллером возник конфликт поскольку последний был «обижен» тем, что место главы теоретического отдела было отдано не ему. В результате Оппенгеймер отстранил Теллера от проекта атомной бомбы и перевел на изучение возможности использования реакции синтеза гелия из ядер тяжелого водорода (дейтерия) для создания нового оружия. Теллер принялся за создание устройства, получившего название «классический супер» (в со-ветском варианте «труба»). Идея состояла в разжигании термоядерной реакции в жид-ком дейтерии при помощи тепла от взрыва атомного заряда. Но вскоре выяснилось, что атомный взрыв недостаточно горяч, и не обеспечивает необходимых условий для

«горения» дейтерия. Для начала реакций синтеза требовалось введение в смесь трития. Реакция дейтерия с тритием должна была обеспечить повышение температуры до условий дейтериево-дейтериевого синтеза. Но тритий, ввиду своей радиоактивности (период полураспада всего 12 лет) в природе практически не встречается и его приходится получать искусственным путем в реакторах деления. Это делало его на порядок дороже оружейного плутония. Кроме того каждые 12 лет половина полученного трития просто исчезала в результате радиоактивного распада. Применение газообразных дейтерия и трития в качестве ядерного топлива было невозможно и приходилось применять сжиженный газ, что делало взрывные устройства малопригодными для практического применения. Исследования проблем «классического супера» продолжалось в США до конца 1950г. когда выяснилось что даже несмотря на большие количества трития достичь стабильного термоядерного горения в таком устройстве невозможно. Исследования зашли в тупик.

В апреле 1946г. в Лос-Аламосе проходило секретное совещание на котором обсуж-дались итоги американских работ по водородной бомбе в нем участвовал Клаус Фукс. Через какое-то время после совещания он передал материалы, связанные с этими рабо-тами, представителям советской разведки и они попали к нашим физикам. В начале 1950г. К.Фукс был арестован и этот источник информации «иссяк».

В конце августа 1946г. Э.Теллер выдвинул идею, альтернативную «классическому суперу», которую он назвал «Alarm Clock». Этот вариант был использован в СССР А.Сахаровым под названием «слойка», а в США никогда не реализовывался. Идея заклю-чалась в окружении ядра делящейся атомной бомбы слоем термоядерного горючего из смеси дейтерия с тритием. Излучение от атомного взрыва способно сжать 7-16 слоев горючего, перемежающегося со слоями делящегося материала и нагреть его примерно до такой же температуры, как и само делящиеся ядро. Это опять же требовало исполь-зования очень дорогого и неудобного трития. Термоядерное топливо окружала оболочка из урана-238 которая на первом этапе выполняла роль теплоизолятора, не давая энер- гии выйти за пределы капсулы с топливом. Без нее горючие, состоящие из легких элементов было бы абсолютно прозрачно для теплового излучения, и не прогрелось бы до высоких температур. Непрозрачный уран, поглощая эту энергию, возвращал часть ее обратно в топливо. Кроме того, они увеличивают сжатие горючего путем сдерживания его теплового расширения. На втором этапе, уран подвергался распаду за счет нейтро- нов, появившихся при синтезе, выделяя дополнительную энергию.

В сентябре 1947г. Теллер предложил использовать новое термоядерное горючее - дейтерид лития-6 являющееся при нормальных условиях твердым веществом. Литийпоглощая нейтрон делился на гелий и тритий с выделением дополнительной энергии,что еще больше повышало температуру, помогая начаться синтезу.

Идею «слойки», использовали и британские физики при создании при создании своей первой бомбы. Но будучи тупиковой ветвью развития термоядерных систем эта схема отмерла.

Перевести разработку термоядерного оружия в практическую плоскость позволила предложенная в 1951г. сотрудником Теллера Станиславом Уламом новая схема. Для инициирования термоядерного синтеза предполагалось сжимать термоядерное топливо, используя излучение от первичной реакции расщепления, а не ударную волну(т.н. идея «радиационной имплозии»), а также разместить термоядерный заряд отдельно от первичного ядерного компонента бомбы - триггера (двуступенчатая схема). Учитывая что при обычном атомном взрыве 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения, а около 20 в виде кинетической энергии осколков деления и что, рентгеновские лучи намного опережают расширяющиеся (со скоростью около 1000 км/с.) остатки плутония, такая схема позволяла сжать емкость с термоядерным горючим второй ступени до начала его интенсивного нагрева. Эта модель американской водородной бомбы получила название Улама-Теллера.

На практике все происходит следующим образом. Компоненты бомбы помещаются в цилиндрический корпус с триггером на одном конце. Термоядерное топливо в виде ци-линдра или эллипсоида помещается в корпус из очень плотного материала – урана, свинца или вольфрама. Внутри цилиндра аксиально помещен стержень из Pu-239 или U-235, 2-3 см. в диаметре. Все оставшееся пространство корпуса заполняется пласт-массой. При подрыве триггера испускаемые рентгеновские лучи нагревают урановый корпус бомбы он начинает расширяться и охлаждаться путем уноса массы (абляции). Явление уноса, подобно струе кумулятивного заряда направленного внутрь капсулы, развивает огромное давление на термоядерное горючие. Два других источника давления движение плазмы (после срабатывания первичного заряда корпус капсулы как и всё устройство представляет собой ионизированную плазму) и давление рентгеновских фотонов не оказывают значительного влияния на обжатие. При обжатии стержня из делящегося материала он переходит в надкритическое состояние. Быстрые нейтроны, образующиеся при делении триггера и замедленные дейтеридом лития до тепловых скоростей начинают цепную реакцию в стержне. Происходит еще один атомный взрыв действующий наподобие «запальной свечи» и вызывающий еще большее увеличивает давления и температуры в центре капсулы, делая их достаточными для разжигания термоядерной реакции. Урановый корпус мешает выходу теплового излучения за его пределы, значительно увеличивая эффективность горения. Температуры, возникающие в ходе термоядерной реакции многократно превышают образующиеся при цепном делении (до 300 млн. вместо 50-100млн. град.). Все это происходит примерно за несколько сотен наносекунд. Описанная выше последовательность процессов на этом заканчивается, если корпус заряда изготовлен из вольфрама (или свинца). Однако если изготовить его из U-238 то образующиеся при синтезе быстрые нейтроны, вызывают деление ядер U-238. Деление одной тонны U-238 дает энергию, эквивалентную 18 Мт. При этом образуется много радиоактивных продуктов деления . Все это и составляет радиоактивные осадки, сопровождающие взрыв водородной бомбы. Чисто термоядерные заряды создают значительно меньшее заражение обусловленное только взрывом триггера. Такие бомбы получили название «чистых»

Двухступенчатая схема Теллера-Улама позволяет создавать столь мощные заряды ,на сколько хватит мощности триггера для сверхбыстрого обжатия большого количества горючего. Для дальнейшего увеличения величины заряда можно использовать энергию второй ступени для сжатия третьей. На каждой стадии в таких устройствах возможно усиление мощности в 10-100 раз. Модель требовала большого количества трития, и для его производства американцы построили новые реакторы. Работы шли в большой спешке, ведь Советский Союз к тому времени уже создал атомную бомбу. Штатам оставалось только надеяться, что СССР пошел по украденному Фуксом тупиковому пути (который был арестован в Англии в январе 1950г.). И эти надежды оправдались.

Первые термоядерные устройства были взорваны в ходе операции Greenhouse (Оран-жерея) на атолле Эниветок (Маршалловы острова). Операция включала четыре испытания. В ходе первых двух «Dog» и «Easy» в апреле1951г. были испытаны две новые атомные бомбы: Mk.6 - 81Кт. и Mk.5 - 47Кт. 8 мая 1951г. было проведено первое испытание термоядерного устройства «George» мощностью 225Кт. Это был чисто исследовательский эксперимент по изучению термоядерного горения дейтерия. Устройство представляло собой ядерный заряд в виде тора 2,6м. в диаметре и 0,6м. толщиной с небольшим (несколько граммов) количеством жидкой дейтериево-тритиевой смеси, помещенным в центре. Выход энергии от синтеза в этом устройстве очень невелик по сравнению с выходом энергии от деления ядер урана. 25 мая 1951г. было проведено испытание термоядерного устройства «Item». В нем в качестве термоядерного топлива использовалась смесь дейтерия с тритием, охлажденная до жидкого состояния, и находящаяся внутри ядра из обогащенного урана. Устройство создавалось для испытания принципа увеличения мощности атомного заряда за счет дополнительных нейтронов возникающих в реакции синтеза. Эти нейтроны, попадая в зону реакции деления, увеличивали их интенсивность (увеличивалась доля ращепившихся ядер урана) а следовательно и силу взрыва.

Для ускорения разработок в июле 1952г. правительство США организовало второй оружейный ядерный центр - Ливерморскую национальную лабораторию им. Лоуренса в Калифорнии.

1 ноября 1952г. на атолле  Эниветок проведено испытание «Ivy Mike» мощностью 10,4Мт. Это было первое устройство, созданное по принципу Теллера-Улама. Весило оно около 80т. и занимало помещение размером с двухэтажный дом. Термоядерное горючее (дейтерий – тритий) находилось в жидком состоянии при температуре, близкой к абсолютному нулю в дьюаровском сосуде по центру которого проходил плутониевый стрежень. Сам сосуд окружал корпус-толкатель из природного урана, массой более 5т. Целиком сборка помещалась в огромную стальную оболочку, 2м. в диаметре и 6,1м. в высоту, со стенками толщиной 25-30см. Эксперимент стал промежуточным шагом амери канских физиков на пути к созданию транспортабельного водородного оружия. 77% (8 Мт.) выхода энергии обеспечило деление уранового корпуса заряда и только (2.4Мт.),приходился на реакцию синтеза. 

Смесь жидких изотопов водорода не имела практического применения для термоя-дерных боеприпасов, и последующий прогресс в развитии термоядерного оружия связан с использованием твердого топлива - дейтерида лития-6 ( Li6). В этом плане впереди оказались советские ученые, использовавшие дейтерид Li6 уже в первой советской термоядерная бомбе испытанной в августе 1953г. Американский же завод по производ- ству Li6 в Ок-Ридже был пущен в эксплуатацию только к середине 1953г. (строитель- ство началось в мае 1952г.). После операции «Ivy Mike» оба ядерных центра (в Лос-Аламосе и Калифорнии) приступили к спешной разработке более компактных зарядов с использованием дейтерида лития, которые возможно было бы применять в боевых усло- виях.

В 1954г. в ходе операции «Castle» на атолле Бикини планировалось провести ис-пытания экспериментальных образцов термоядерных зарядов ставшие прототипами для первых серийных бомб. Однако для скорейшего оснащения вооруженных сил новым ору-жием три типа устройств, были сразу, без испытаний, изготовлены малой серией (по 5 изделий). Одним из них стла бомба EC-16 (ее испытание под именем «Jughead» планиро-валось провести в ходе операции «Castle»). Это была транспортабельная версия криогенной системы «Mike» (масса бомбы 19т. мощность 8Мт.). Но после первых успеш-ных испытаний устройств с дейтеридом лития EC-16 моментально устарела и даже неиспытывалась. EC-17 и ЕС-14 были серийными версиями устройств «Runt I» и «Alarm Clock».

1 марта 1954г.(здесь и далее дата указана по местному времени) состоялось ис-пытание «Castle Bravo» в ходе которого было взорвано устройство «Shrimp». Это был двухступенчатый заряд с дейтеридом лития обогащенным изотопом Li6 до 40%(остальное составлял природный Li7). Такое горючие применялось в США впервые поэтому мощность взрыва сильно превысила ожидаемую в 4-8Мт. и составила 15Мт. (10Мт. Выделилось при делении оболочки из U-238 и 5 Мт. от реакции синтеза). Причина неожиданно высокой мощности состояла в Li7 который по ожиданиям должен был быть достаточно инертным, но в действительности при поглощении быстрых нейтронов атом Li7 тоже делился на тритий и гелий. Этот «незапланированный» тритий и обеспечил 2-х крат-

ное усиление мощности. Кратер от взрыва получился 2км. в диаметре и глубиной 75м. Масса устройства составляла 10.5т. длина 4,5м. диаметр 1,35м. Успешный результат первого испытаня привел к отказу от криогенных проектов «Jughead» (EC-16) и «Ramrod» (криогенного близнеца устройства «Morgenstern»).

Из-за дефицита обогащенного Li6 в следующем испытани «Castle Romeo» исполь-зовался заряд из природного (7.5% Li6) лития. Термоядерное устройство под именем «Runt I» было взорвано 26 Марта 1954г. Одновременно это было контрольное испытание термоядерной бомбы получившей обозначение EC-17. Мощность взрыва составила 11Мт. из которых на реакции синтеза пришлось 4Мт. Как и в случае с «Bravo», выделившаяся мощность намного превысила ожидаемые 1.5-7Мт. Масса устройства - 18т. длина – 5,7м. диаметр – 1,55м.

26 Апреля 1954г. в ходе испытания  «Castle Union» было взорвано устройство «Alarm Clock» (EC-14) с содержанием Li6-95%. Энерговыделение – 6,9 Мт. из которых 1,6Мт. (27.5%) образовались за счет реакций синтеза. Взрыв оставил на дне лагуны кратер 100м. шириной и 30м. глубиной. Масса устройства – 12,5 т. длина – 3,86 м. диаметр – 1,55м.

7 апреля 1954г. проведено испытание  «Castle Koon» в ходе которого было взорвано изделие «Morgenstern» являвшееся первой термоядерной разработкой Калифорний-ского ядерного центра и последним оружейным проектом, над которым работал Э.Теллер. Испытание было неудачным. Вместо планировавшейся 1Мт. мощность взрыва составила лишь 110кт. из которых только 10кт. за приходилось на термоядерный синтез. Это произошло из-за того, что нейтронный поток от триггера достиг второй ступени, пред- варительно разогрев ее и помешав эффективному обжатию. Остальные изделия, испытанные в «Castle», содержали бор-10, служащий хорошим поглотителем нейтронов и снижающим эффект предварительного разогрева термоядерного топлива.