Первое термоядерное устройство. Водородная (термоядерная) бомба: испытания оружия массового поражения. Нейтронный вариант чистого термоядерного оружия

Водородная бомба (Hydrogen Bomb, HB, ВБ) — оружие массового поражения, обладающее невероятной разрушительной силой (ее мощность оценивается мегатоннами в тротиловом эквиваленте). Принцип действия бомбы и схема строения базируется на использовании энергии термоядерного синтеза ядер водорода. Процессы, протекающие во время взрыва, аналогичны тем, что протекают на звёздах (в том числе и на Солнце). Первое испытание пригодной для транспортировки на большие расстояния ВБ (проекта А.Д.Сахарова) было проведено в Советском Союзе на полигоне под Семипалатинском.

Термоядерная реакция

Солнце содержит в себе огромные запасы водорода, находящегося под постоянным действием сверхвысокого давления и температуры (порядка 15 млн градусов Кельвина). При такой запредельной плотности и температуре плазмы ядра атомов водорода хаотически сталкиваются друг с другом. Результатом столкновений становится слияние ядер, и как следствие, образование ядер более тяжёлого элемента — гелия. Реакции такого типа именуют термоядерным синтезом, для них характерно выделение колоссального количества энергии.

Законы физики объясняют энерговыделение при термоядерной реакции следующим образом: часть массы лёгких ядер, участвующих в образовании более тяжёлых элементов, остаётся незадействованной и превращается в чистую энергию в колоссальных количествах. Именно поэтому наше небесное светило теряет приблизительно 4 млн т. вещества в секунду, выделяя при этом в космическое пространство непрерывный поток энергии.

Изотопы водорода

Самым простым из всех существующих атомов является атом водорода. В его состав входит всего один протон, образующий ядро, и единственный электрон, вращающийся вокруг него. В результате научных исследований воды (H2O), было установлено, что в ней в малых количествах присутствует так называемая «тяжёлая» вода. Она содержит «тяжёлые» изотопы водорода (2H или дейтерий), ядра которых, помимо одного протона, содержат так же один нейтрон (частицу, близкую по массе к протону, но лишённую заряда).

Науке известен также тритий — третий изотоп водорода, ядро которого содержит 1 протон и сразу 2 нейтрона. Для трития характерна нестабильность и постоянный самопроизвольный распад с выделением энергии (радиации), в результате чего образуется изотоп гелия. Следы трития находят в верхних слоях атмосферы Земли: именно там, под действием космических лучей молекулы газов, образующие воздух, претерпевают подобные изменения. Получение трития возможно также и в ядерном реакторе путём облучения изотопа литий-6 мощным потоком нейтронов.

Разработка и первые испытания водородной бомбы

В результате тщательного теоретического анализа, специалисты из СССР и США пришли к выводу, что смесь дейтерия и трития позволяет легче всего запускать реакцию термоядерного синтеза. Вооружившись этими знаниями, учёные из США в 50-х годах прошлого века принялись за создание водородной бомбы. И уже весной 1951 года, на полигоне Эниветок (атолл в Тихом океане) было проведено тестовое испытание, однако тогда удалось добиться лишь частичного термоядерного синтеза.

Прошло ещё чуть более года, и в ноябре 1952 года было проведено второе испытание водородной бомбы мощностью порядка 10 Мт в тротиловом эквиваленте. Однако тот взрыв трудно назвать взрывом термоядерной бомбы в современном понимании: по сути, устройство представляло собой крупную ёмкость (размером с трёхэтажный дом), наполненную жидким дейтерием.

В России тоже взялись за усовершенствование атомного оружия, и первая водородная бомба проекта А.Д. Сахарова была испытана на Семипалатинском полигоне 12 августа 1953 года. РДС-6 (данный тип оружия массового поражения прозвали «слойкой» Сахарова, так как его схема подразумевала последовательное размещение слоёв дейтерия, окружающих заряд-инициатор) имела мощность 10 Мт. Однако в отличие от американского «трёхэтажного дома», советская бомба была компактной, и её можно было оперативно доставить к месту выброски на территории противника на стратегическом бомбардировщике.

Приняв вызов, США в марте 1954 произвели взрыв более мощной авиабомбы (15 Мт) на испытательном полигоне на атолле Бикини (Тихий океан). Испытание стало причиной выброса в атмосферу большого количества радиоактивных веществ, часть из которых выпало с осадками за сотни километров от эпицентра взрыва. Японское судно «Счастливый дракон» и приборы, установленные на острове Рогелап, зафиксировали резкое повышение радиации.

Так как в результате процессов, происходящих при детонации водородной бомбы, образуется стабильный, безопасный гелий, ожидалось, что радиоактивные выбросы не должны превышать уровень загрязнения от атомного детонатора термоядерного синтеза. Но расчёты и замеры реальных радиоактивных осадков сильно разнились, причём как по количеству, так и по составу. Поэтому в руководстве США было принято решение временно приостановить проектирование данного вооружения до полного изучения его влияния на окружающую среду и человека.

Видео: испытания в СССР

Царь-бомба — термоядерная бомба СССР

Жирную точку в цепи набора тоннажа водородных бомб поставил СССР, когда 30 октября 1961 года на Новой Земле было проведено испытание 50-мегатонной (крупнейшей в истории) «Царь-бомбы » — результата многолетнего труда исследовательской группы А.Д. Сахарова. Взрыв прогремел на высоте 4 километра, а ударную волную трижды зафиксировали приборы по всему земному шару. Несмотря на то, что испытание не выявило никаких сбоев, бомба на вооружение так и не поступила. Зато сам факт обладания Советами таким вооружением произвёл неизгладимое впечатление на весь мир, а в США прекратили набирать тоннаж ядерного арсенала. В России, в свою очередь, решили отказаться от ввода на боевое дежурство боеголовок с водородными зарядами.

Водородная бомба — сложнейшее техническое устройство, взрыв которого требует последовательного протекания ряда процессов.

Сначала происходит детонация заряда-инициатора, находящегося внутри оболочки ВБ (миниатюрная атомная бомба), результатом которой становится мощный выброс нейтронов и создание высокой температуры, требуемой для начала термоядерного синтеза в основном заряде. Начинается массированная нейтронная бомбардировка вкладыша из дейтерида лития (получают соединением дейтерия с изотопом лития-6).

Под действием нейтронов происходит расщепление лития-6 на тритий и гелий. Атомный запал в этом случае становится источником материалов, необходимых для протекания термоядерного синтеза в самой сдетонировавшей бомбе.

Смесь трития и дейтерия запускает термоядерную реакцию, вследствие чего происходит стремительное повышение температуры внутри бомбы, и в процесс вовлекается всё больше и больше водорода.
Принцип действия водородной бомбы подразумевает сверхбыстрое протекание данных процессов (устройство заряда и схема расположения основных элементов способствует этому), которые для наблюдателя выглядят мгновенными.

Супербомба: деление, синтез, деление

Последовательность процессов, описанных выше, заканчивается после начала реагирования дейтерия с тритием. Далее было решено использовать деление ядер, а не синтез более тяжёлых. После слияния ядер трития и дейтерия выделяется свободный гелий и быстрые нейтроны, энергии которых достаточно для инициации начала деления ядер урана-238. Быстрым нейтронам под силу расщепить атомы из урановой оболочки супербомбы. Расщепление тонны урана генерирует энергию порядка 18 Мт. При этом энергия расходуется не только на создание взрывной волны и выделения колоссального количества тепла. Каждый атом урана распадается на два радиоактивных «осколка». Образуется целый «букет» из различных химических элементов (до 36) и около двухсот радиоактивных изотопов. Именно по этой причине и образуются многочисленные радиоактивные осадки, регистрируемые за сотни километров от эпицентра взрыва.

После падения «железного занавеса», стало известно, что в СССР планировали разработку «Царь бомбы», мощностью в 100 Мт. Из-за того, что тогда не было самолёта, способного нести столь массивный заряд, от идеи отказались в пользу 50 Мт бомбы.

Последствия взрыва водородной бомбы

Ударная волна

Взрыв водородной бомбы влечёт масштабные разрушения и последствия, а первичное (явное, прямое) воздействие имеет тройственный характер. Самое очевидное из всех прямых воздействий — ударная волна сверхвысокой интенсивности. Её разрушительная способность уменьшается при удалении от эпицентра взрыва, а так же зависит от мощности самой бомбы и высоты, на которой произошла детонация заряда.

Тепловой эффект

Эффект от теплового воздействия взрыва зависит от тех же факторов, что и мощность ударной волны. Но к ним добавляется ещё один — степень прозрачности воздушных масс. Туман или даже незначительная облачность резко уменьшает радиус поражения, на котором тепловая вспышка может стать причиной серьёзных ожогов и потери зрения. Взрыв водородной бомбы (более 20 Мт) генерирует невероятное количество тепловой энергии, достаточной, чтобы расплавить бетон на расстоянии 5 км, выпарить воду практически всю воду из небольшого озера на расстоянии в 10 км, уничтожить живую силу противника, технику и постройки на том же расстоянии. В центре образуется воронка диаметром 1-2 км и глубиной до 50 м, покрытая толстым слоем стекловидной массы (несколько метров пород, имеющих большое содержание песка, почти мгновенно плавятся, превращаясь в стекло).

Согласно расчётам, полученным в ходе реальных испытаний, люди получают 50% вероятность остаться в живых, если они:

Находятся в железобетонном убежище (подземном) в 8 км от эпицентра взрыва (ЭВ);
Находятся в жилых домах на расстоянии 15 км от ЭВ;
Окажутся на открытой территории на расстоянии более 20 км от ЭВ при плохой видимости (для «чистой» атмосферы минимальное расстояние в этом случае составит 25 км).

С удалением от ЭВ резко возрастает и вероятность остаться в живых у людей, оказавшихся на открытой местности. Так, на удалении в 32 км она составит 90-95%. Радиус в 40-45 км является предельным для первичного воздействия от взрыва.

Огненный шар

Ещё одним явным воздействием от взрыва водородной бомбы являются самоподдерживающиеся огненные бури (ураганы), образующиеся вследствие вовлекания в огненный шар колоссальных масс горючего материала. Но, несмотря на это, самым опасным по степени воздействия последствием взрыва окажется радиационное загрязнение окружающей среды на десятки километров вокруг.

Радиоактивные осадки

Возникший после взрыва огненный шар быстро наполняется радиоактивными частицами в огромных количествах (продукты распада тяжёлых ядер). Размер частиц настолько мал, что они, попадая в верхние слои атмосферы, способны пребывать там очень долго. Всё, до чего дотянулся огненный шар на поверхности земли, моментально превращается в пепел и пыль, а затем втягивается в огненный столб. Вихри пламени перемешивают эти частички с заряженными частицами, образуя опасную смесь радиоактивной пыли, процесс оседания гранул которой растягивается на долгое время.

Крупная пыль оседает довольно быстро, а вот мелкая разносится воздушными потоками на огромные расстояния, постепенно выпадая из новообразованного облака. В непосредственной близости от ЭВ оседают крупные и наиболее заряженные частицы, в сотнях километров от него всё ещё можно встретить различимые глазом частицы пепла. Именно они образуют смертельно опасный покров, толщиной в несколько сантиметров. Каждый кто окажется рядом с ним, рискует получить серьёзную дозу облучения.

Более мелкие и неразличимые частицы могут «парить» в атмосфере долгие годы, многократно огибая Землю. К тому моменту, когда выпадут на поверхность, они изрядно теряют радиоактивность. Наиболее опасен стронций-90, имеющий период полураспада 28 лет и генерирующий стабильное излучение на протяжении всего этого времени. Его появление определяется приборами по всему миру. «Приземляясь» на траву и листву, он становится вовлечённым в пищевые цепи. По этой причине у людей, находящихся за тысячи километров от мест испытаний при обследовании обнаруживается стронций-90, накапливаемый в костях. Даже если его содержание крайне невелико, перспектива оказаться «полигоном для хранения радиоактивных отходов» не сулит человеку ничего хорошего, приводя к развитию костных злокачественных новообразований. В регионах России (а также других стран), близких к местам пробных запусков водородных бомб, до сих пор наблюдается повышенный радиоактивный фон, что ещё раз доказывает способность этого вида вооружения оставлять значительные последствия.

Видео о водородной бомбе

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них

Одним из типов ядерного оружия является термоядерное оружие , которое многим из нас более известно под названием водородная бомба . Такая бомба обладает огромным разрушительным действием. Принцип действия этого типа оружия основан на высвобождении огромного количества энергии при синтезе легких химических элементов в более тяжелые. Сегодня термоядерное оружие представлено в виде боеголовок для крылатых ракет, боеголовок для баллистических ракет и в виде авиационных бомб.

История создания термоядерного оружия

Исследованиями в области термоядерного оружия занимались многие страны мира, но основными являлись , и Великобритания и происходило это приблизительно в одно и то же время с 40-х годов 20 века.

Идея о создании бомбы с термоядерной реакцией принадлежит Станиславу Уламу и Эдварду Таллеру, которые заговорили об этом еще в 1941 году.

Первый проект по разработке термоядерного оружия получил название «Классический супер». Начало этому проекту положил Таллер, которого в 1942 году отстранили от создания атомной бомбы и перевели на изучение создания нового оружия – водородной бомбы. В 1945 году ученый уже представил практически готовый проект, по которому термоядерная реакция должна была проходить при разжигании жидкого дейтерия от тепла атомного заряда. Однако ученые встали с двумя проблемами, которые им предстояло решить: как разжечь дейтерий и будет ли реакция горения поддерживаться самостоятельно до прохождения термоядерной реакции. Найти решение этих проблем ученые не смогли и поэтому проект «супер» был закрыт.

Еще во время работы над созданием проекта «Классический супер» в 1946 году Таллер придумал еще один проект, получивший название «Будильник». Однако этот проект не получил должного внимания и работы по нему в США не проводились. Одновременно с возникновением «Будильника» в Советском Союзе начинается работа над похожим проектом «Слойка». Над созданием первой термоядерной бомбы в СССР трудился А.Д. Сахаров, который предложил окружить первичный атомный заряд чередующимися слоями делящегося и горючего термоядерного материала. Работы велись не зря, в итоге появилась первая в мире транспортабельная термоядерная авиабомба, в которой в качестве термоядерного топлива использовался Li6D – дейтерид лития-6, предложенный в марте 1949 года В.Л.Гинзбургом. «Слойка» оказалась действенным проектом, но по нему возможно было создавать только бомбы ограниченной мощности, так что ученые продолжали исследования.

Исследования продолжались и в Штатах, где была начата разработка проекта «Таллера-Улама». Станислав Улам с конца 50-го и до начала 51 года 20 века думал над решением усовершенствования деления ядерных зарядов и пришел к выводу, что усилить мощность термоядерного оружия можно увеличив компрессию делящегося материала, а этого можно добиться при помощи обжатия одного атомного заряда при помощи другого. Были проведены испытания, в результате которых удалось получить из емкости с термоядерным горючим отдельную капсулу для второй ступени заряда. Таллер сомневался в том, что из-за компрессии материала можно будет произвести поджег топлива, но расчеты Улама доказали обратное и Америка готова была приступить к изготовлению бомбы на практике. Несмотря на идею создания капсулы термоядерного топлива Улам не знал, как правильно использовать ее для создания бомбы и за решение этой проблемы взялся Таллер. Он заметил, что в ходе реакции деления выделяется небольшое количество кинетической энергии и много излучения, при этом излучение действует эффективнее механического обжатия. Эта идея Таллера ныне известна под названием Схема радиационной имплозии. Сжатое топливо в 1000 раз и разогретое до 1000000 градусов все равно не вызовет термоядерное горение, поэтому было решено еще расположить в центр плутониевый стержень, который будет переходить в критическое состояние, а при делении будет вызывать нужное повышение температуры. Это была финишная прямая на пути создания термоядерного оружия неограниченной мощности.

К идее применения обжатия с помощью радиационной имплозии пришли и ученые СССР в 1954-1955 гг.

Испытания термоядерного оружия

Первые испытания термоядерного оружия был проведены Соединенными Штатами Америки 1 ноября 1952 года. Заряд был взорван на атолле Эниветок в Тихом океане. Это была не бомба, а лабораторный образец, который внешне походил на некое сооружение. А вот первая готовая водородная бомба была испытана – бомба РДС-6, сделанная в СССР. Испытания устройства готового к использованию проводились на полигоне в Семипалатинске 12 августа 1953 года.

Самой крупной водородной обмой, которую испытывали, была водородная 50-мгатонная бомба, которую называют «царь-бомба» . Ее испытание проводили на полигоне, расположенном на архипелаге Новая Земля 30 октября 1961 года. Первоначально планировалось испытывать 100-мегатонную бомбу, но потом было решено вполовину уменьшить мощность испытуемого оружия. Бомбу взорвали на высоте 4 километров, после чего взрывная волна обогнула земной шар три раза. Испытания прошли успешно, но оружие не было взято на вооружение, зато эти испытания дали понять Америке, что Советский Союз может создавать термоядерные бомбы любого мегатоннажа.

В 1958 году над побережьем Джорджия (США) истребитель F-86 столкнулся с бомбардировщиком B-47. Последнему пришлось произвести аварийный сброс водородной бомбы МАРК 15 в океан. Бомба до сих пор не была найдена.

Над Испанией 17 января 1966 года произошло столкновение самолета-заправщика и бомбардировщика B-52 с пятью водородными бомбами. Три бомбы были найдены сразу после аварии, а две только после двух месяцев поиска.

В США 29 августа 2007 года произошел инцидент – в бомбардировщик B-52H были по ошибке загружены 6 крылатых ракет с термоядерными головками и переправлены из Северной Дакоты в Луизиану. О случайной переправке стало известно только через 36 часов и все это время оружие находилось без охраны. Ситуация вызвала громкий скандал и серьезные изменения в Военно-воздушных силах страны.

Теоретическое вступление. Термоядерное оружие, как не трудно догадаться, основано на организации термоядерных реакций синтеза атомных ядер. Из всех известных естествоиспытателям реакций протекающих в окружающем мире, термоядерные реакции обладают наибольшим выделением удельной энергии, т.е. энергии, приходящейся на единицу массы.
Учёными установлено, что в природе термоядерные процессы распространены достаточно широко, в частности, они являются источником энергии звёзд. Наше Солнце - не исключение. В наше время Солнце является обычной звездой, в ядре которой протекают термоядерные реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода.
О..
. ГИГАНТЫ N
СВЕРХГИГАНТЫ
Ежесекундно Солнце на реакцию синтеза расходует 6-1011 кг водорода, с выходом 4-109 кг гелия. По прогнозам астрофизиков наблюдаемое сейчас состояние динамического равновесия нашей эволюционирующей звезды продлится около 5 млрд. лет.
БЕЛЫЕ ** КАРЛИКИ.
Так, что поводов для тактического беспокойства пока нет. Интенсивность термоядерных реакций можно проследить на диаграмме Герцшпрунга - Рессела (рис.
Рис. 6.32. Эволюция звёзд в зависимости от интенсивности ядерных реакций
10 000 6 000 ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ, К
| м
|F| G I

, где показана зависимость светимости звёзд от их температуры, которая одновременно является и показателем спектрального класса.

Эту зависимость можно выразить уравнением, связывающим светимость и размеры звезды
L = R52.
При образовании одного ядра гелия из двух ядер водорода выделяется энергия, равная 24 МэВ. Напомним, что 1 эВ - это энергия которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов, равную 1 В, 1 эВ « 1,6-10 - 19 Дж. В 1 кг дейтерия, изотопа водорода содержится 1,5-1026 пар соединяющихся ядер.
Энергию, выделяющуюся из 1 кг дейтерия при синтезе гелия можно определить следующим образом
Е1 = 1,5 -1026 - 24 = 3,6 -1027МэВ = 1,62 -108 КВт - час.
Как известно дейтерий в малых концентрациях содержится в воде. В пересчёте на среднюю концентрацию дейтерия из 1 л воды потенциально возможно получить энергию порядка 6100 КВт-час., что эквивалентно сжиганию 672 литров бензина, при расходовании на реакцию окисления около восьми тонн кислорода. Для слияния двух ядер водорода в одно ядро гелия необходимо, чтобы эти положительно заряженные ядра преодолели кулоновские силы отталкивания
r 1 Ze1 - Ze1 r
FK = -Lr .
4П880 r
Для слияния исходных ядер водорода необходимо их сблизить на расстояние соизмеримое с размерами ядра, т.е. на « 3-1015 м. На этом расстоянии потенциальная энергия двух положительных зарядов (ядер водорода) будет равна
1 Ze Ze
П = e= 7,68 10-14 Дж = 5 105эВ.
4П880 Г
Две заряженные частицы могут сблизится на расстояние, соизмеримое с размерами ядра в том случае, если они будут иметь кинетическую энергию, превосходящую или равную половине потенциальной энергии взаимодействия. Из молекулярной физики известно, что кинетическая энергия структурных элементов материи при их хаотическом тепловом движении определяется температурой
2 -л
к 0 = mui.=2k,t,
0 2 2
что даёт возможность оценить соответствующие термоядерному синтезу температуры
13 0,5Кgt;П; -Пgt;Кgt;- kBT,
2 2 B
T.і. 7"68-10-‘‘ s 1,83-10* 0K.
-23
3kB 3 -1,4 -10
Температуры всего на два порядка ниже реализуются в течение короткого времени, при атомных взрывах и внутри звёзд. По последним данным космофизиков температура Солнца лежит в пределах 1,2-107 - 1,5-107 0К. При таких относительно низких температурах возможен прямой захват протона протоном
H1 + H1 ^ He2 + e+1 +v0,
При этом ядро He2 является неустойчивым и быстро превращается за счёт по- зитронного распада в тяжёлый водород. Позитрон, сталкиваясь со своим антиподом - электроном, аннигилирует, превращаясь в излучение
H2 + H1 ^ He2 + у (5,5МэВ),
Далее начинается взаимодействие нестабильных ядер гелия
He2 + He2 ^ He2 + 2H1 (12,8МэВ), которые превращаются в стабильную модификацию гелия. При превращении 1 кг водорода в 883 г гелия, Am . 7 г вещества трансформируется в соответствии с уравнением Оливера Хевисайда в излучение
E = Am - c° = 7-10-3 - 9-1016 = 6,3-1014 Дж.
Столько энергии освобождается при полном окислении 1,6-1010 кг автомобильного бензина. Естественно такой энергетический выход не мог не заинтересовать венец Природы - человечество, которое в лучших традициях своего эволюционного пути нашло таки способ приспособить всю эту энергетическую эффективность исключительно для истребления себе подобных и иже с ними.
Дефект масс, открытый при исследованиях расщепления ядер, означает, в частности, что масса любого стабильного ядра меньше суммы масс составлявших его протонов и нейтронов. Например, масса изотопа гелия He42 меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, если два протона и два нейтрона привести в соприкосновение, чтобы образовалось ядро гелия, то это слияние сопровождалось бы уменьшением массы. Уменьшение массы на Am проявляется в выделении огромного удельного количества энергии (AE = Amc2). Образование ядер в процессе объединения отдельных протонов и нейтронов или легких ядер как раз и называется ядерным синтезом.
Для выяснения подробностей энергетического аспекта этого процесса обратимся вновь к данным рис.4.14, где приведена кривая изменения удельной энергии связи, т. е. энергия в расчете на нуклон. В силу отрицательного знака дефекта масс, слияние ядер тяжёлых элементов (правая ветвь кривой) будет сопровождаться выделением энергии.
Процесс будет в высокой степени эндотермическим, т.е. для его осуществления требуются значительные энергетические затраты. Реакция синтеза двух ядер урана, например, возможна только в том случае, если объединяющиеся ядра будут обладать, по меньшей мере, такой же энергией, сколько её высвобождается при делении каждого из них. Получение сверхтяжелых ядер весьма энергоёмкое и дорогостоящее предприятие, не возможное в настоящее время.
Синтез легких ядер, наоборот, приводит к такому дефекту масс, который связан с высвобождением значительных энергий связи. При объединении двух лёгких ядер имеет место экзотермический процесс.
При слиянии двух протонов и двух нейтронов в ядро гелия мы получаем выигрыш в энергии 28,2 МэВ, а для 1 кг синтезированного гелия это составит около 2-10 8 кВт-ч. Даже по сравнению с энергетикой деления ядер - впечатляет, весьма.
На первый взгляд, методика осуществления реакции синтеза ядер, кажется простой как амёба, действительно, чего проще, соединили два ядра дейтерия и, вот он - гелий:
D2 + D2 ^ He2 + 23,64 МэВ, причём, появление каждого нового ядра сопровождается выделением энергии 23,64 МэВ. Естественно предположить, что эта энергия равна разности между полной энергией связи ядра атома гелия (28,2МэБ), удерживающей вместе четыре нуклона, и полной энергией связи двух ядер тяжелого водорода (по 2,28МэВ каждый). Существует ряд других реакций, которые используются в работах по термоядерному синтезу. Они тоже внешне до неприличия просты
D2 + D2 ^ He2 + 3,27 МэВ,
D2 + D2 ^ T° + р1 + 4,03 МэВ,
Li36 + n0 ^ T° + He4 + 4,6Мэв.
Слияние, например, двух ядер тяжелого водорода возможно, если их удастся сблизить до расстояния действия ядерных сил, т.е. до =3-10 - 15м. А для этого необходимо преодолеть кулоновское отталкивание протонов в ядрах. Элементарный подсчет показывает, что на расстояниях такого масштаба электростатическая энергия отталкивания равна = 0,1Мэв.
Единственное препятствие в организации термоядерной реакции в домашних условиях, состоит, в преодолении кулоновского отталкивания, поскольку протоны и другие легкие ядра всегда положительно заряжены.
Как показывают расчеты, два встречных сталкивающихся протона должны иметь кинетическую энергию порядка 250 кэВ каждый. Эту энергию невозможно получить путем обычного нагревания, так как даже при температуре 107 0К энергия частицы едва достигает только =1 кэВ. А нагревать надо до температур порядка 109 0К, чтобы энергии движения частиц хватило на преодоление взаимного отталкивания ядер. При Т = 10 К они вступают в непосредственный контакт, и происходит объединение ядер. Реальная температура, необходимая для поддержания реакций синтеза несколько ниже расчётной и составляет порядка 108 0К, что обусловлено явлением туннельного эффекта.
Кроме того, согласно функции распределения Максвелла, многие частицы обладают энергиями значительно превышающими среднее значение (E) = kT.
После второй мировой войны стало ясно, что при взрыве атомной бомбы имеют место температуры около 108 0К. Возникла идея использовать атомную бомбу в качестве запала для водородной бомбы, реализующей ядерную реакцию синтеза.
Получить неуправляемое выделение колоссальных количеств энергии при взрыве водородной бомбы, после того как уже набили руку на обычных ядерных взрывах, оказалось достаточно просто.
Термоядерная бомба, по сути, состоит из атомной бомбы и термоядерного заряда. Внутри оболочки, заполненной легкими элементами, способными вступать в реакцию синтеза, взрывается атомная бомба. На очень короткое время - миллионные доли секунды, температура внутри еще целой оболочки достигает нескольких сотен миллионов градусов (108 0К), а давление - сотен миллиардов атмосфер.

ЕІри таких экстремальных условиях начинается слияние ядер дейтерия и трития в ядро гелия
d2 + т° ^ He2 + n0, выделяется огромная энергия в очень короткое время, т.е. происходит взрыв (рис.

. Энергия, выделяющаяся в реакции ядерного синтеза в расчете на данную массу горючего, больше, чем при делении ядра. Кроме того, при ядерном синтезе не столь остра проблема захоронения радиоРис. 6.33. Синтез ядер гелия активных отходов.

В качестве горючего термоядерного реактора можно использовать дейтерий, в изобилии встречающийся в воде океанов. Из 60 литров океанской воды можно извлечь около 1 г дейтерия.
Однако осуществить управляемый термоядерный синтез, т.е. не взрывоподобный отвод энергии технически оказалось весьма сложной задачей. Всё дело упёрлось в создание и поддерживание достаточно продолжительное время необходимых для ядерного синтеза высоких температур.
Любое вещество при обсуждаемых температурах представляет собой особую среду, которая состоит из ядер и несвязанных с ними электронов. Это состояние вещества называется плазмой.
Если посмотреть в соответствующий раздел справочника по физическим свойствам веществ, то можно обнаружить, что из всего их множества наибольшей температурой плавления обладает карбид гафния Тпл = 4000 0К, даже в нём «содержать» высокотемпературную среду не представляется возможным.
Обычные материалы испаряются при температуре в лучшем случае 104 0К, следовательно, они не пригодны для термоядерных технологий. Но Природа - Мать распорядилась так, что плазма, имея огромное число свободных электронов, может пропускать электрический ток и реагировать на внешнее магнитное поле.
Водородная бомба. По одной из циркулирующих в прессе версий, история первого практического использования термоядерной реакции начинается в 1941г. Японский физик Хагивара из университета г. Киото, который не разбомбили в

г. американцы по причине плохой видимости, в лекции своим студентам высказал идею о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода в условиях, создаваемых взрывом атомной бомбы на основе U235.

Рис 6.35. Клаус Фукс
В сентябре 1941 г. по другую сторону океана Энрико Ферми аналогичную идею высказал в беседе с Эдвардом Теллером (рис.6. 34). Идея Ферми захватила учёного, который стал последовательным и напористым инициатором разработки оружия такого типа.
Надо сказать, что эта идея обсуждалась и на закрытых семинарах физиками СССР уже сразу после развёртывания атомного проекта, по крайней мере не для Курчатова, не для Флёрова и других ядерщиков такая идея не являлась новостью.
До поры до времени просто не хватало времени и сил для её разработки на систематической основе. Развернулась атомная гонка, все усилия весьма ограниченных ресурсов, как интеллектуальных, так и материальных концентрировались на ней.
Идея «классического супера» была оформлена в виде набросков в Лос-Аламосе к концу 1945 г. Весной

г. Клаус Фукс предложил при использовании в качестве запала атомной бомбы вынести смесь из дейтерия и трития и первичного взрывателя в прогреваемый излучением отражатель из окиси бериллия.

По сути это была идея ионизационной имплозии, которая должна была обеспечить условия термоядерного зажигания. Для удержания излучения в объёме заряда он закрывался непрозрачным кожухом.

Рис. 6.36. Схема бомбы Теллера - Улама
В 1946 г. произошло рождение идеи радиационной имплозии. Схема предложенная Клаусом Фуксом, стала основой будущей конфигурации Теллера - Улама, которая вошла вовсе современные хрестоматии по термоядерной технике (рис. 6.36).
Устройство состояло из двух функциональных частей В едином корпусе располагался атомный заряд в виде плутониевой сферической бомбы, который обеспечивал при срабатывании высокие значения температуры и давления и, собственно, термоядерного горючего, окрашенного на рисунке в вишнёвый цвет.
Современные специалисты по ядерной физике признают, что, опережающие время идеи немецкого физика Фукса стали основой многих последующих конструкций термоядерных устройств. Фукс и Фон - Нейман 28 мая 1946 г. подали заявку на изобретение новой схемы инициирующего отсека с использованием радиационной имплозии.
Только спустя пять лет в США полностью осознали огромный идейный потенциал всех предложений Фукса. В конце августа 1946 г. неутомимый Теллер обнародовал отчёт, в котором развил новую схему термоядерной бомбы под романтическим названием «Будильник».
Новая версия бомбы по предложению Теллера должна была состоять из чередующихся сферических слоёв делящихся материалов и термоядерного горючего, дейтерия, трития и их химических соединений.
Цепная реакция деления, возникшая в одном из слоёв, должна была за счёт большого количества быстрых нейтронов инициировать процессы деления в соседних слоях, что должно повышать энерговыделение, особенно тепловое.
Результат атомного взрыва должен был вызвать уплотнение активных делящихся элементов, т.е. объёмное сближения ядер исходного вещества. Плотность термоядерного горючего увеличивалась с возрастанием скорости термоядерных реакций.
Однако термоядерный заряд по этой схеме получался недопустимо габаритным, не позволяющим даже теоретически рассматривать его практическое использование. Некоторое время проекты «Классический супер» и «Будилькик» разрабатывали специалистами Лос-Аламоса параллельно.
В январе 1950 г. президент США Гарри Трумэн выступил с публичным заявлением об официальном поручении учёным из Лос-Аламоса разработки водородной бомбы. Естественно, что работы в этом направлении стали проводится более динамично.

Рис. 6. 37. Термоядерный заряд Mike
В сентябре 1951 г. началась подготовка термоядерного заряда «Майк» к испытаниям, которые успешно были проведены 1 ноября 1952 г. Мощность взрыва составила 10 Мт в тротиловом эквиваленте. Это даже с натяжкой трудно было назвать оружием (рис. 6.37).
Полнейшая нетранспорта-
бельность, габариты соответствовали приличных размеров двухэтажному строению. Продукты термоядерного деления поддерживались при температуре жидкого азота. Термоядерный заряд, в этой связи, был снабжен стационарными рефрижераторными установками, способными во время монтажа и испытаний поддерживать сверхнизкие температуры.
В СССР до 1945 г. возможности официально заниматься вопросами термоядерного синтеза, кроме рассмотрения теоретических аспектов, небыло. Страна воевала и в ускоренных темпах создавала атомную бомбу, напрягаясь из всех мыслимых и немыслимых сил.
Первый официальный документ по термоядерному оружию относится к 22 сентября 1945 г., его подготовил на имя И.В. Курчатова учёный - ядерщик Яков Ильич Френкель, где теоретически обосновал возможность протекания термоядерных реакций у условиях взрыва атомной бомбы: «....Представляется интересным использовать высокие - миллиардные - температуры, развивающиеся при взрыве атомной бомбы, для проведения синтетических реакций (например, образование гелия из водорода), которые являются источником энергии звёзд и которые могли бы ещё более повысить энергию, освобождаемую при взрыве основного вещества (уран, висмут, и т.д.)».

Рис. 6.38 Я.И. Френкель
Направляя записку Курчатову, учёный не мог знать, что вопросы термоядерных реакций уже давно обсуждаются создателями атомного оружия и что Курчатов владеет полной информацией о состоянии дел по термоядерной тематике в Лос-Аламосе.
В сентябре 1945 г. по каналам внешней разведки Курчатову поступил материал об американских работах по комбинированию атомной бомбы пушечного типа на основе U°°5 с отражателем из окиси бериллия, промежуточной камеры с дейтерий тритиевой смесью и цилиндра с жидким дейтерием.
Открытая информация о возможности создания сверхбомбы появилось в Британской газете «Таймс» 19 октября 1945 г. за долго до испытания термоядерных зарядов в США.
Естественно, что такие сообщения не могли остаться без внимания высших руководителей СССР и ведущих учёных, занятых в атомных программах. Л.П. Берия поручил дипломатам уточнить информацию.

Обратились к Нильсу Бору, который только что вернулся в Данию из США. Бор посчитал необходимым всех успокоить: «Что значит сверхбомба? Это или бомба большего веса, чем уже изобретенная, или бомба, изготовленная из какого- то нового вещества. Что же, первое возможно, но бессмысленно, так как, повторяю, разрушительная сила бомбы и так очень велика, а второе, я думаю, что нереально». Несмотря на несомненный авторитет в области атомной физики, Бору у нас в стране не поверили.
По настоянию Берии руководитель атомной программы Курчатов дал поручение ведущим специалистам Ю.Б. Харитону, Я.Б.
Зельдовичу, И.И. Гуревичу и И.Я. Померанчу- ку рассмотреть в теоретическом плане вопрос о возможности освобождения энергии лёгких элементов и представить свои выводы на заседании Технического
Тем не менее И. В. Курчатов обратился к Ю.Б. Харитону с поручением рассмотреть Риа 6.39. Я.Б. Зельдович
вместе с И. И. Гуревичем, Я. Б. Зельдовичем и
И. Я. Померанчуком вопрос о возможности освобождения энергии лёгких элементов и представить соображения по этому вопросу на заседании Технического совета Специального комитета.
Соображения И.И. Гуревича, Я.Б. Зельдовича, И.Я. Померанчука и Ю.Б. Харитона были изложены в отчёте „Использование ядерной энергии лёгких элементов“, материалы которого были заслушаны на заседании Технического совета 17 декабря 1945 года.
Докладчиком был Я. Б. Зельдович. В основе подхода к решению проблемы в отчёте и докладе было представление о возможности возбуждения ядерной детонации в цилиндре с дейтерием при осуществлении неравновесного режима горения.
Рассмотренный на заседании отчёт полностью опубликован в журнале «Успехи физических наук» № 5 за 1991 год. По докладу Я.Б. Зельдовича на заседании Технического совета 17 декабря 1945 года было принято решение, которое касалось только измерений сечений реакций на лёгких ядрах и не содержало поручений, относящихся к организации и проведению расчётно-теоретических исследований и работ по сверхбомбе.
Тем не менее в июне 1946 года группа теоретиков Института химической физики АН СССР в составе А. С. Компанейца и С.П. Дьякова под руководством Я.Б. Зельдовича в рамках программы исследований вопросов ядерного горения и взрыва начала теоретическое рассмотрение возможности освобождения ядерной энергии лёгких элементов.
В то время, как группа Я.Б. Зельдовича проводила свои исследования, в СССР в 1946-1947 годах продолжали поступать разведывательные сообщения информационного характера, касающиеся работ в США по сверхбомбе. К ним добавились и новые сообщения в открытой печати, в том числе статья Э. Теллера в февральском номере «Бюллетеня ученых-атомщиков» за 1947 год.
28 сентября 1947 года в Лондоне состоялась первая встреча К. Фукса, вернувшегося из США в Англию, с представителем советской разведки А.С. Феклисо- вым. А. С. Феклисов обратился к К. Фуксу с 10-ю вопросами, первый из которых относился к сверхбомбе.
Из отчёта о встрече А.С. Феклисова с К. Фуксом 28 сентября 1947 года следует, что К. Фукс устно сообщил о том, что теоретические работы по сверхбомбе проводятся в США под руководством Э. Теллера и Э. Ферми в Чикаго.
К. Фукс описал некоторые конструкционные особенности сверхбомбы и принципы её работы, отметил использование наряду с дейтерием трития. К. Фукс устно сообщил, что к началу 1946 года Э. Ферми и Э. Теллер доказали, что такая сверхбомба должна эффективно действовать. Однако А.С. Феклисов, не будучи физиком, смог воспроизвести конструкционные особенности сверхбомбы и её работу весьма приближённо. Начались ли в США практические работы по созданию сверхбомбы и каковы их результаты, К. Фуксу было неизвестно.
В июне 1948 г. Советом Министров СССР было принято постановление № 1989 - 773 «О дополнении плана работ КБ-11» в котором, в частности, предписывалось лаборатории ядерной физики, совместно с Физическим институтом АН СССР провести теоретическую и экспериментальную проверку возможностей создания водородной бомбы, которая в документах получила шифр РДС-6.

С материалами по американским разработкам был знаком только И.В. Курчатов, который не стад знакомить с ними своих сотрудников.
Чтобы не стеснять свободы поиска альтернативных решений. И они не замедлили последовать.
Сахаров Андрей Дмитриевич совместно с Яковом Борисовичем Зельдовичем предложили схему комбинированной бомбы, в которой дейтерий используется в смеси с U238. Другими словами, независимо от Э. Тейлера отечественные учёные пришли к идее гетерогенной бомбы, как она стала называться среди разработчиков «Слойка», в которой предполагалось использовать принцип ионизационного сжатия термоядерного горючего.
Игорь Евгеньевич Тамм, руководитель А.Д. Сахарова по аспирантуре, в ноябре 1948 г. обратился с письмом к директору Физического института АН СССР Вавилову С.И., в котором сообщал, что руководимая им группа физиков нашла принципиальную возможность нового способа использования детонации дейтерия, основанного на особом способе его сочетания с тяжёлой водой и природным ураном U238. В этом же письме предлагалось для осуществления термоядерной реакции использовать схему Li6 + n = T + He4 + 4,8 МэВ,

Рис. 6.41. И.Е. Тамм
где в качестве термоядерного оружия используется дейтерит лития-6.
Сахаровым была предложена схема дополнительного заряда плутония для предварительного сжатия «слойки». Это был принцип двухступенчатой конструкции термоядерной бомбы.
В США, как известно, 1 марта 1954 г. был проведен мощный термоядерный взрыв, свидетельствующий, что термоядерная программа конкурентов из теоретической стадии перешла в практическую плоскость.
Это придало нашим учёным и политикам новые силы. Буквально в первых числах апреля 1954 г. В КБ-11 был открыт новый принцип построения термоядерной бомбы.
Разработка технического задания на новое термоядерное изделие РДС-37. В июле 1955 г. был выпущен отчёт с обоснованием конструкции изделия РДС-37.
Авторами отчёта являлись: Е.Н. Аврорин, В. А. Александров, Ю.Н. Бабаев, Г. А. Гончаров, Я. Б. Зельдович, В. Н. Климов, Г. Е. Клинишов, Б. Н. Козлов, Е. С. Павловский, Е.М. Рабинович, Ю.А. Романов, А.Д. Сахаров, Ю.А. Трутнев, В.П. Феодори- тов, М.П. Шумаев, В.Б. Адамский, Б. Д. Бондаренко, Ю.С. Вахрамеев, Г.М. Ган- дельман, Г.А. Дворовенко, Н.А. Дмитриев, Е.И. Забабахин, В.Г. Заграфов, Т.Д. Кузнецова, И.А. Курилов, Н.А. Попов, В.И. Ритус, В.Н. Родигин, Л.П. Феоктистов, Д.А. Франк-Каменецкий, М.Д. Чуразов. Среди авторов были математики: И.А. Адамская, А. А. Бунатян, И.М. Гельфанд, А. А. Самарский, К. А. Семендяев, И.М. Халатников, которые под руководством М.В. Келдыша и А.Н. Тихонова проделали огромную работу по теоретическому обеспечению проекта.

Рис. 6.42. Изделие РДС-37
В ноябре 1955 г. было проведено
предварительное испытание одноступенчатого термоядерного устройства, а 22 ноября 1955 г. бл успешно проведён подрыв двухступенчатого термоядерного заряда, оформленного как авиационная бомба (рис. 6.42).
Как сказал после испытания А.Д.
Сахаров: «Испытание было завершением многолетних усилий, триумфом, открывшим пути к разработке целой гаммы изделий с разнообразными высокими характеристиками (хотя при этом встретятся ещё не раз неожиданные трудности)».
Таким образом был успешно завершён очередной этап создания термоядерного оружия, при этом достигнуты следующие результаты:

Учёные СССР первыми в мировой практике (1952 г) применили высокоэффективное термоядерное горючее дейтерид литияLi6. В США применение этого материала относится к началу 1956 г.;
Отечественные учёные уже в стадии первых испытаний достигли высокой точности совпадения теоретических параметров термоядерного взрыва с наблюдаемыми на практике характеристиками;
Уровень теоретического обоснования конструкции был настолько высок, что стало возможным при экспериментальных взрывах искусственно занижать мощность, с целью снижения влияния на окружающее пространство;
В двух испытаниях 1955 г. впервые был осуществлён сброс термоядерных зарядов с борта серийных бомбардировщиков ТУ-16.

Рис. 6.43. Бомбардировщик ТУ-95 в момент начала бомбометания
30 октября 1961 г. над Новой Землёй на высоте 4000 м над поверхностью земли была взорвана самая мощная в мире термоядерная бомба с тротиловым эквивалентом 50 МГт.
Бомба была сброшена с бомбардировщика ТУ-95 (рис.6.43). Экипажем командовал майор Дурновцев А. Е.
Такого ещё на планете не происходило. Несмотря на то, что подорван был половинный заряд, вспышку в условиях облачности было видно на расстоянии тысячи километров.

Рис. 6.44. Термоядерная отечественная бомба мощностью 100 МГт
Это был акт разовой силовой демонстрации, сопутствовавшей конкретным обстоятельствам политической кухни, „большой игре“ на устрашение между сверхдержавами.
Это было единичное изделие, конструкция которого при полной „за- грузке“ ядерным горючим и при сохранении тех же габаритов позволяла достигнуть мощности даже в 100 мегатонн. Столь ужасающий взрыв в боевых условиях мгновенно породил бы огненный смерч, который охватил бы территорию огромной площади.
После этого испытания пришло понимание, что созданное оружие предназначено не для войны за жизнь - оно предназначено для уничтожения жизни.
Очевидно, именно после этого взрыва политическим лидерам «атомных» держав стала ясна бессмысленность дальнейшего наращивания «термоядерных мускулов». Оружия уже вполне хватало, чтобы в одночасье покончить со многими проблемами современной цивилизации.

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.

Ядерное оружие - оружие массового поражения взрывного действия, основанное на использовании энергии деления тяжелых ядер некоторых изотопов урана и плутония, или при термоядерных реакциях синтеза легких ядер изотопов водорода дейтерия и трития, в более тяжелые, например, ядра изотопов гелия.

Ядерными зарядами могут быть снабжены боевые части ракет и торпед, авиационные и глубинные бомбы, артиллерийские снаряды и мины. По мощности различают ядерные боеприпасы сверхмалые (менее 1 кт), малые (1-10 кт), средние (10-100 кт), крупные (100-1000 кт) и сверхкрупные (более 1000 кт). В зависимости от решаемых задач возможно применение ядерного оружия в виде подземного, наземного, воздушного, подводного и надводного взрывов. Особенности поражающего действия ядерного оружия на население определяются не только мощностью боеприпаса и видом взрыва, но и типом ядерного устройства. В зависимости от заряда различают: атомное оружие, в основе которого лежит реакция деления; термоядерное оружие - при использовании реакции синтеза; комбинированные заряды; нейтронное оружие.

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 ядерном реакторе, 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.

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.

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.