Часть нейтронов, освобождаемых при реакции деления, вылетает из сферы реакции или же захватывается, не производя деления. Если создать условия, при которых скорость потери нейтронов будет больше скорости высвобождения новых нейтронов при делении, то цепная реакция при этих условиях перестанет быть самоподдерживающейся, то есть прекратится. При этом будет выделено некоторое количество энергии, но оно будет недостатoчным, a скорость высвобождения новых нейтронов будет слишком мала, чтобы вызвaть эффeктивный взрыв. Поэтому для осуществления ядерного взрыва необходимо создать условия, при которых потеря нейтронов была бы минимальной. B связи c этим особенно важное значение имеют нейтроны, которые вылетают из массы делящегося вещества и не принимают участия в реакции деления.

Вылет нейтронов из сферы реакции происходит через наружную поверхность массы урана (или плутония). Следовательно, скорость потери нейтронов за счёт их вылета из массы делящегося вещества будет определяться величиною поверхности этой массы. C другой стороны, процесс деления, в результате которого освобождается много новых нейтронов, происходит во всей массе делящегося вещества, и поэтому скорость освобождения этих нейтронов зависит от величины этой массы. При увеличении объёма делящегося вещества отношение величины его поверхности к массе уменьшается; следовательно, отношение числа потерянных (вылетевших) нейтронов к числу освобожденных при реакции деления новых нейтронов при этом будет уменьшаться.

Это положение легче понять, если рассмотреть рисунок справа, на котором изображены два сферических куска делящегося вещества, один из которых больше другого; в обоих случаях процeсс деления начинается одним нейтроном, изображённом на рисунке в виде точки в окружности. Предполагается, что при каждом акте деления освобождается три нейтрона, то есть один нейтрон захва-

Если масса урана или плутония мала, то eсть если отношение величины поверхности к объёму велико, то число нейтронов, потерянных в результате вылета, окажется настолько большим, что создание цепной ядерной реакции деления, a следовательно, и осуществление ядерного взрывa окажутся невозможными. Но с увеличением массы урана или плутония отпосительная потеря нейтронов уменьшается, и наступает момент, когда цепная реакция может стать самоподдерживающейся. Количество дeлящегося вещества, соответствующее этому моменту, называется критической массой.

Таким образом, для того чтобы произошёл ядерный взрыв, необходимо, чтобы в ядерном боeприпасе содержалось достаточное количество урана или плутония, превосходящее критическую массу при данных условиях. В действительности критическая масса зависит, кроме прочего, от формы куска делящегoся вещества, его составa и степени загрязнения посторонними примесями, которые могут поглощать нейтроны, не подвергаясь делению. Окружая делящееся вещество соответствующей оболочкой - отражателем нейтронов, можно уменьшить потерю нейтронов за счёт их вылета, a следовательно, и уменьшить величину критической массы. Кроме того, элементы, обладающие высокой плотностью и хорошей отражающей способностью для нейтронов высоких энергий, обеспечивают также некоторую инерционность делящегося вещества, задерживая его расширение в момент взрывa. Отражатель нейтронов благодаря своему экранирующему действию и инерциальным свойствам позволяет более эффективно использовать делящееся вещество в ядерном боеприпасе.

У многих наших читателей водородная бомба ассоциируется с атомной, только гораздо более мощной. На самом деле это принципиально новое оружие, потребовавшее для своего создания несоизмеримо больших интеллектуальных усилий и работающее на принципиально других физических принципах.

Единственно, что роднит атомную и водородную бомбу, так это то, что обе высвобождают колоссальную энергию, скрытую в атомном ядре. Сделать это можно двумя путями: разделить тяжелые ядра, например, урана или плутония, на более легкие (реакция деления) или заставить слиться легчайшие изотопы водорода (реакция синтеза). В результате обеих реакций масса получившегося материала всегда меньше массы исходных атомов. Но масса не может исчезнуть бесследно - она переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 .

Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.

Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.

Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 - 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.

Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию - обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.

Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись - как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.

А вот горючее для термоядерного синтеза критической массы не имеет. Вот Солнце, наполненное термоядерным топливом, висит над головой, внутри его уже миллиард лет идет термоядерная реакция, - и ничего, не взрывается. К тому же при реакции синтеза, например, дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого изотопа водорода) энергии выделяется в 4,2 раза больше, чем при сгорании такой же массы урана-235.

Изготовление атомной бомбы было скорее экспериментальным, чем теоретическим процессом. Создание же водородной бомбы потребовало появления совершенно новых физических дисциплин: физики высокотемпературной плазмы и сверхвысоких давлений. Прежде чем начинать конструировать бомбу, надо было досконально разобраться в природе явлений, происходящих только в ядре звезд. Никакие эксперименты тут помочь не могли - инструментами исследователей были только теоретическая физика и высшая математика. Не случайно гигантская роль в разработке термоядерного оружия принадлежит именно математикам: Уламу, Тихонову, Самарскому и т.д.

Классический супер

К концу 1945 года Эдвард Теллер предложил первую конструкцию водородной бомбы, получившую название «классический супер». Для создания чудовищного давления и температуры, необходимых для начала реакции синтеза, предполагалось использовать обычную атомную бомбу. Сам «классический супер» представлял собой длинный цилиндр, наполненный дейтерием. Предусматривалась также промежуточная «запальная» камера с дейтериевотритиевой смесью - реакция синтеза дейтерия и трития начинается при более низком давлении. По аналогии с костром, дейтерий должен был играть роль дров, смесь дейтерия с тритием - стакана бензина, а атомная бомба - спички. Такая схема получила название «труба» - своеобразная сигара с атомной зажигалкой с одного конца. По такой же схеме начали разрабатывать водородную бомбу и советские физики.

Однако математик Станислав Улам на обыкновенной логарифмической линейке доказал Теллеру, что возникновение реакции синтеза чистого дейтерия в «супере» вряд ли возможно, а для смеси потребовалось бы такое количество трития, что для его наработки нужно было бы практически заморозить производство оружейного плутония в США.

Слойка с сахаром

В середине 1946 года Теллер предложил очередную схему водородной бомбы - «будильник». Она состояла из чередующихся сферических слоев урана, дейтерия и трития. При ядерном взрыве центрального заряда плутония создавалось необходимое давление и температура для начала термоядерной реакции в других слоях бомбы. Однако для «будильника» требовался атомный инициатор большой мощности, а США (как, впрочем, и СССР) испытывали проблемы с наработкой оружейного урана и плутония.

Осенью 1948 года к аналогичной схеме пришел и Андрей Сахаров. В Советском Союзе конструкция получила название «слойка». Для СССР, который не успевал в достаточном количестве нарабатывать оружейный уран-235 и плутоний-239, сахаровская слойка была панацеей. И вот почему.

В обычной атомной бомбе природный уран-238 не только бесполезен (энергии нейтронов при распаде не хватает для инициации деления), но и вреден, поскольку жадно поглощает вторичные нейтроны, замедляя цепную реакцию. Поэтому оружейный уран на 90% состоит из изотопа уран-235. Однако нейтроны, появляющиеся в результате термоядерного синтеза, в 10 раз более энергетичные, чем нейтроны деления, и облученный такими нейтронами природный уран-238 начинает превосходно делиться. Новая бомба позволяла использовать в качестве взрывчатки уран-238, который прежде рассматривался как отходы производства.

Изюминкой сахаровской «слойки» было также применение вместо остродефицитного трития белого легкого кристаллического вещества - дейтрида лития 6 LiD.

Как упоминалось выше, смесь дейтерия и трития поджигается гораздо легче, чем чистый дейтерий. Однако на этом достоинства трития заканчиваются, а остаются одни недостатки: в нормальном состоянии тритий - газ, из-за чего возникают трудности с хранением; тритий радиоактивен и, распадаясь, превращается в стабильный гелий-3, активно пожирающий столь необходимые быстрые нейтроны, что ограничивает срок годности бомбы несколькими месяцами.

Нерадиоактивный дейтрид лития же при облучении его медленными нейтронами деления - последствиями взрыва атомного запала - превращается в тритий. Таким образом, излучение первичного атомного взрыва за мгновение вырабатывает достаточное для дальнейшей термоядерной реакции количество трития, а дейтерий в дейтриде лития присутствует изначально.

Именно такая бомба, РДС-6с, и была успешно испытана 12 августа 1953 на башне Семипалатинского полигона. Мощность взрыва составила 400 килотонн, и до сих пор не прекратились споры, был ли это настоящий термоядерный взрыв или сверхмощный атомный. Ведь на реакцию термоядерного синтеза в сахаровской слойке пришлось не более 20% суммарной мощности заряда. Основной вклад во взрыв внесла реакция распада облученного быстрыми нейтронами урана-238, благодаря которому РДС-6с и открыла эру так называемых «грязных» бомб.

Дело в том, что основное радиоактивное загрязнение дают как раз продукты распада (в частности, стронций-90 и цезий-137). По существу, сахаровская «слойка» была гигантской атомной бомбой, лишь незначительно усиленной термоядерной реакцией. Не случайно всего один взрыв «слойки» дал 82% стронция-90 и 75% цезия-137, которые попали в атмосферу за всю историю существования Семипалатинского полигона.

Американ бомб

Тем не менее, первыми водородную бомбу взорвали именно американцы. 1 ноября 1952 года на атолле Элугелаб в Тихом океане было успешно испытано термоядерное устройство «Майк» мощностью 10 мегатонн. Назвать бомбой 74-тонное американское устройство можно с большим трудом. «Майк» представлял собой громоздкое устройство размером с двухэтажный дом, заполненное жидким дейтерием при температуре, близкой к абсолютному нулю (сахаровская «слойка» была вполне транспортабельным изделием). Однако изюминкой «Майка» были не размеры, а гениальный принцип обжатия термоядерной взрывчатки.

Напомним, что основная идея водородной бомбы состоит в создании условий для синтеза (сверхвысокого давления и температуры) посредством ядерного взрыва. В схеме «слойка» ядерный заряд расположен в центре, и поэтому он не столько сжимает дейтерий, сколько разбрасывает его наружу - увеличение количества термоядерной взрывчатки не приводит к увеличению мощности - она просто не успевает детонировать. Именно этим и ограничена предельная мощность данной схемы - самая мощная в мире «слойка» Orange Herald, взорванная англичанами 31 мая 1957 года, дала только 720 килотонн.

Идеально было бы, если бы заставить взрываться атомный запал внутрь, сжимая термоядерную взрывчатку. Но как это сделать? Эдвард Теллер выдвинул гениальную идею: сжимать термоядерное горючее не механической энергией и нейтронным потоком, а излучением первичного атомного запала.

В новой конструкции Теллера инициирующий атомный узел был разнесен с термоядерным блоком. Рентгеновское излучение при срабатывании атомного заряда опережало ударную волну и распространялось вдоль стенок цилиндрического корпуса, испаряя и превращая в плазму полиэтиленовую внутреннюю облицовку корпуса бомбы. Плазма, в свою очередь, переизлучала более мягкое рентгеновское излучение, которое поглощалось внешними слоями внутреннего цилиндра из урана-238 - «пушера». Слои начинали взрывообразно испаряться (это явление называют абляция). Раскаленную урановую плазму можно сравнить со струями сверхмощного ракетного двигателя, тяга которого направлена внутрь цилиндра с дейтерием. Урановый цилиндр схлопывался, давление и температура дейтерия достигала критического уровня. Это же давление обжимало центральную плутониевую трубку до критической массы, и она детонировала. Взрыв плутониевого запала давил на дейтерий изнутри, дополнительно сжимая и нагревая термоядерную взрывчатку, которая детонировала. Интенсивный поток нейтронов расщепляет ядра урана-238 в «пушере», вызывая вторичную реакцию распада. Все это успевало произойти до того момента, когда взрывная волна от первичного ядерного взрыва достигала термоядерного блока. Расчет всех этих событий, происходящих за миллиардные доли секунды, и потребовал напряжения ума сильнейших математиков планеты. Создатели «Майка» испытывали от 10-мегатонного взрыва не ужас, а неописуемый восторг - им удалось не только разобраться в процессах, которые в реальном мире идут только в ядрах звезд, но и экспериментально проверить свои теории, устроив свою небольшую звезду на Земле.

Браво

Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.

Немного теории В термоядерной бомбе идут 4 реакции, и они протекают очень быстро. Первые две реакции служат источником материала для третьей и четвертой, которые при температурах термоядерного взрыва протекают в 30-100 раз быстрее и дают больший энергетический выход. Поэтому получившиеся гелий-3 и тритий сразу же расходуются. Ядра атомов заряжены положительно, и поэтому отталкиваются друг от друга. Чтобы они смогли прореагировать, их нужно столкнуть «лоб в лоб», преодолев электрическое отталкивание. Это возможно, только если они будут двигаться с большой скоростью. Скорость атомов напрямую связана с температурой, которая должна достигать 50 миллионов градусов! Но нагреть дейтерий до такой температуры мало, надо еще удержать его от разлета чудовищным давлением около миллиарда атмосфер! В природе такие температуры при такой плотности встречаются только в ядре звезд.

Ядерное оружие начало вызывать у людей страх уже с того самого момента, когда теоретически была доказана возможность его создания. И уже более полувека мир живет в этом страхе, меняется лишь его величина: от паранойи 50-60-х до перманентной тревоги сейчас. Но как вообще стала возможной подобная ситуация? Как в человеческий разум могла прийти сама идея создания такого жуткого оружия? Мы ведь знаем, что ядерная бомба фактически была создана руками величайших ученых-физиков тех времен, многие из них были на тот момент нобелевскими лауреатами или стали ими впоследствии.

Автор попытался дать понятный и доступный ответ на эти и многие другие вопросы, рассказав о гонке за обладание ядерным оружием. Главное внимание при этом уделяется судьбам отдельных ученых-физиков, непосредственно причастных к рассматриваемым событиям.

Глава 3 Критическая масса

В январе 1939 года Отто Фриш наконец-то получил добрые вести. Он узнал, что его отец, хотя и оставался пока в концлагере Дахау, все-таки получил шведскую визу. Вскоре его отпустили и в Вене он смог встретиться с матерью Фриша. Вдвоем они перебрались туда, где им ничто не угрожало, - в Стокгольм.

Но даже настолько радостные известия не могли избавить Отто от предчувствия близкой большой беды, с недавних пор его переполнявшего. Ожидание начала войны, которое было уже не за горами, погружало его все глубже в пучину депрессии. Фриш не видел никакого смысла продолжать те исследования, которыми занимался в Копенгагене. Росло и чувство незащищенности. Когда в лабораторию Бора приехали британец Патрик Блэкетт и австралиец Марк Олифант, Отто попросил их о помощи.

Олифант вырос в Аделаиде. Поначалу он интересовался медициной и, в частности, стоматологией , но в университете увлекся физикой. Наслушавшись Эренста Резерфорда, новозеландца по происхождению, впечатлительный студент решил заняться ядерной физикой. В 1927 году он присоединился к возглавляемой Резерфордом группе исследователей, которая работала в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Там в начале 1930-х он стал непосредственным свидетелем множества замечательных открытий в области ядерной физики. В 1934 году в соавторстве с Резерфордом (а также немецким химиком Паулем Гартеком) Олифант опубликовал статью, в которой описывалась реакция ядерного синтеза с участием тяжелого водорода - дейтерия .

В 1937 году Олифант получил профессорскую должность в Бирмингемском университете, став деканом факультета физики. Он очень участливо отнесся к просьбе Фриша о помощи и вскоре прислал ему письмо, в котором приглашал Отто посетить Бирмингем летом 1939-го и уже на месте посмотреть, что можно для него сделать. Спокойствие и уверенность Олифанта весьма впечатлили Фриша, который никак не мог выйти из депрессии, и он не стал ждать еще одного приглашения. Упаковав два маленьких чемодана, он выехал в Англию, «ничем не отличаясь от других туристов».

Австралиец устроил Отто на должность младшего преподавателя. Тот теперь работал в довольно неформальной обстановке. Олифант читал студентам лекции и направлял к Фришу тех, кто испытывал затруднения с освоением нового материала. Отто работал с несколькими десятками студентов, которые задавали ему огромное количество вопросов, и так завязывалась весьма оживленная дискуссия. Фришу очень нравилась подобная работа.

В Бирмингеме Фриш встретился с другим эмигрантом, своим земляком - Рудольфом Пайерлсом. Рудольф родился в Берлине, в семье ассимилировавшихся евреев. Физику он изучал в Берлине, Мюнхене и Лейпциге, где и защитился в 1928 году у Гейзенберга. Затем Пайерлс переехал в швейцарский Цюрих и уже там в 1932 году был удостоен рокфеллеровской стипендии. Обучаться он должен был сначала в Риме, у Ферми, а затем в английском Кембридже - у физика-теоретика Ральфа Фаулера. Когда в 1933 году Гитлер пришел к власти, Пайерлс как раз находился в Англии. Вскоре ему стало ясно, что обратный путь в Германию закрыт. Завершив обучение, Рудольф отправился в Манчестер, где работал вместе с Лоренсом Брэггом, а затем снова вернулся в Кембридж, где пробыл еще пару лет. В 1937 году он стал профессором математики в Бирмингемском университете.

С сентября 1939 года, после начала войны, лаборатории в Бирмингеме стали главным образом заниматься крайне важными - и засекреченными - исследованиями для военных.

Работа ученых была связана с резонансным магнетроном - приспособлением, необходимым для генерации интенсивного СВЧ-излучения в наземных и бортовых самолетных радарах. Позже Ч. П. Сноу назвал эти устройства «самым ценным научным изобретением англичан, сделанным во время войны с Гитлером».

Будучи гражданами враждебного государства, Фриш и Пайерлс не должны были ничего знать об этих работах. Однако секретность проекта имела какой-то непонятный характер. Порой Олифант задавал Пайерлсу гипотетические вопросы, которые начинались со слов: «Если бы вы столкнулись со следующей проблемой…». Как позднее напишет Фриш, «Олифант знал, что Пайерлс знает, и, думаю, Пайерлс знал, что Олифант знает, что тот знает. Однако никто из них и вида не показывал».

Фриш работал со студентами не постоянно, так что, имея достаточно свободного времени, он мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто провел несколько небольших экспериментов. Бор с Уилером утверждали, что уран расщепляем главным образом благодаря изотопу U 235 , обладающему не очень высокой стабильностью. Фриш решил доказать это экспериментальным путем, получив данные по образцам с немного увеличенным содержанием редкого изотопа. Чтобы выделить небольшое количество урана-235, он собрал маленький аппарат, в котором использовался метод термодиффузии, изобретенный Клузиусом и Дикелем. Прогресс, однако, был крайне медленным.

Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал и осветить в нем все недавние успехи в изучении атомного ядра, чтобы это было понятно и интересно химикам. Статью Отто писал в своей съемной комнате. Не снимая пальто, он сидел, держа машинку на коленях, около газовой горелки, пытаясь хоть немного согреться: температура той зимой опускалась до -18 °C. По ночам замерзала вода в стакане.

Рассказывая о расщеплении ядра, он повторял общепринятое на тот момент мнение: если однажды и удастся осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то с учетом того, что в ней должны использоваться медленные нейтроны, атомную бомбу, в которой цепная реакция будет происходить, взорвать практически невозможно. «По крайней мере похожего результата мы бы достигли, если бы просто подожгли аналогичное количество пороха», - так писал он в заключительной части. Фриш вообще не верил в возможность создания атомной бомбы.

Однако, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент, по утверждению Бора и Уилера, заключалась в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывало быстрые нейтроны, имевшие определенную «резонансную» энергию, или скорость, для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Однако их использование означало, что и получаемая энергия будет накапливаться весьма медленно. Если построить реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его или даже испарит задолго до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать все меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.

Физики «Уранового общества» пришли к тому же самому мнению. Однако Фриша теперь очень интересовал ответ на вопрос: что все-таки произойдет, если использовать быстрые нейтроны? Считалось, что уран-235 расщепляется нейтронами обоих типов. Однако если в расщепляемом уране слишком много U 238 , то от быстрых вторичных нейтронов, испускаемых U 235 при распаде, будет мало пользы: по всей видимости, эти быстрые вторичные нейтроны выйдут из реакции в силу резонансного захвата ядром урана-238. Но это препятствие легко обойти, если использовать чистый или почти чистый уран-235. Фриш без особого труда собрал маленький аппарат Клузиуса-Дикеля для отделения U 235 . Было понятно, что таким способом получить большие объемы чистого урана-235, например несколько тонн, невозможно. Но вдруг для цепной реакции на быстрых нейтронах окажется достаточно и гораздо меньшего количества?

Цепная реакция на быстрых нейтронах с использованием чистого урана-235 - если считать, что у атомной бомбы изначально и был какой-то секрет, то теперь он стал известен Фришу.

Отто поделился своими мыслями с Пайерлсом, который в начале июня 1939 года доработал формулу расчета критической массы материала, необходимой для поддержания цепной ядерной реакции. Составлена эта формула была французским физиком-теоретиком Франсисом Перреном. Для смеси изотопов с большим содержанием U 238 Пайерлс использовал свою измененную формулу, но, поскольку счет велся на тонны, для создания оружия такой вариант не подходил.

Теперь же Фришу необходимо было проводить вычисления совсем другого порядка - с участием чистого урана-235 и не медленных, а быстрых нейтронов. Проблема заключалась в том, что никто пока не знал, какой должна быть доля U 235 , чтобы обеспечить успешное участие в реакции быстрых нейронов . А не знали этого ученые потому, что пока еще не удавалось получить достаточное количество урана-235 в чистом виде.

В такой ситуации оставалось только выдвигать предположения. Результаты, полученные Бором и Уилером, ясно давали понять, что ядро U 235 легко расщепляется медленными нейтронами. Далее логично было предположить, что воздействие быстрых нейтронов ничуть не менее эффективно, и возможно даже, что ядро урана-235 делится при любом контакте с ними. Впоследствии Пайерлс так написал про эту гипотезу: «Судя по всему, из данных, которые получили Бор и Уилер, следовало сделать именно такой вывод: каждый нейтрон, попадающий в ядро 235-го [урана], вызывает его распад». Подобное допущение чрезвычайно упрощало расчеты. Теперь оставалось только высчитать, какое количество урана-235 необходимо для того, чтобы он легко расщеплялся быстрыми нейтронами.

Ученые подставили в формулу Пайерлса новые числа и были сражены наповал полученным результатом. О тоннах урана теперь и речи быть не могло. Критическая масса, согласно расчетам, составляла всего несколько килограммов. Для вещества с плотностью, как у урана, объем такого количества не превышал бы величины мячика для гольфа . По оценкам Фриша, столько U 235 можно получить за несколько недель, использовав порядка ста тысяч трубок аппаратов Клузиуса-Дикеля, подобных тому, который он собрал в бирмингемской лаборатории.

«Тут мы все переглянулись, осознав, что создать атомную бомбу все-таки возможно».

Загадочное устройство, способное выделить гигаджоули энергии в течение неописуемо малого промежутка времени, окружено зловещей романтикой. Что и говорить, во всем мире работы по ядерному оружию были глубоко засекречены, а сама бомба обросла массой легенд и мифов. Попробуем разобраться с ними по порядку.

Андрей Суворов

Ничто не вызывает такого интереса, как атомная бомба

Август 1945 года. Эрнест Орландо Лоуренс в лаборатории по разработке атомной бомбы

1954 год. Спустя восемь лет после взрыва у атолла Бикини японские ученые обнаружили высокий уровень радиации у рыбы, пойманной в местных водах

Критическая масса

Все слышали, что есть некая критическая масса, которую нужно набрать, чтобы началась цепная ядерная реакция. Вот только для того, чтобы произошел настоящий ядерный взрыв, одной критической массы недостаточно — реакция прекратится практически мгновенно, до того как успеет выделиться заметная энергия. Для полномасштабного взрыва в несколько килотонн или десятков килотонн нужно одномоментно собрать две-три, а лучше четыре-пять критических масс.

Кажется очевидным, что нужно сделать две или несколько деталей из урана или плутония и в требуемый момент соединить их. Справедливости ради надо сказать, что так же думали и физики, когда брались за конструирование ядерной бомбы. Но действительность внесла свои коррективы.

Дело в том, что если бы у нас был очень чистый уран-235 или плутоний-239, то можно было бы так и сделать, но ученым пришлось иметь дело с реальными металлами. Обогащая природный уран, можно сделать смесь, содержающую 90% урана-235 и 10% урана-238, попытки избавиться от остатка урана-238 ведут к очень быстрому удорожанию этого материала (его называют высокообогащенным ураном). Плутоний-239, который получают в атомном реакторе из урана238 при делении урана-235, обязательно содержит примесь плутония-240.

Изотопы уран235 и плутоний239 называются четно-нечетными, так как ядра их атомов содержат четное число протонов (92 для урана и 94 для плутония) и нечетное число нейтронов (143 и 145 соответственно). Все четно-нечетные ядра тяжелых элементов обладают общим свойством: они редко делятся самопроизвольно (ученые говорят: «спонтанно»), но легко делятся при попадании в ядро нейтрона.

Уран-238 и плутоний-240 — четно-четные. Они, наоборот, практически не делятся нейтронами малых и умеренных энергий, которые вылетают из делящихся ядер, но зато в сотни или десятки тысяч раз чаще делятся спонтанно, образуя нейтронный фон. Этот фон очень сильно затрудняет создание ядерных боеприпасов, потому что вызывает преждевременное начало реакции, до того как встретятся две детали заряда. Из-за этого в подготовленном к взрыву устройстве части критической массы должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, а соединяться с большой скоростью.

Пушечная бомба

Тем не менее, бомба, сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, была сделана именно по вышеописанной схеме. Две ее детали, мишень и пуля, были изготовлены из высокообогащенного урана. Мишень была цилиндром диаметром 16 см и высотой тоже 16 см. В ее центре было отверстие диаметром 10 см. В соответствии с этим отверстием и была изготовлена пуля. Всего бомба содержала 64 кг урана.

Мишень была окружена оболочкой, внутренний слой которой был изготовлен из карбида вольфрама, наружный — из стали. Назначение у оболочки было двойным: удержать пулю, когда она воткнется в мишень, и отразить хотя бы часть вылетающих из урана нейтронов обратно. С учетом отражателя нейтронов 64 кг составляли 2,3 критических массы. Как же это выходило, ведь каждый из кусков был субкритическим? Дело в том, что, вынимая из цилиндра среднюю часть, мы уменьшаем его среднюю плотность и значение критической массы повышается. Таким образом, масса этой части может превышать критическую массу для сплошного куска металла. А вот увеличить массу пули таким образом невозможно, ведь она должна быть сплошной.

И мишень, и пуля были собраны из кусочков: мишень из нескольких колец малой высоты, а пуля из шести шайб. Причина проста — заготовки из урана должны были быть небольшими по размеру, ведь при изготовлении (отливке, прессовании) заготовки общее количество урана не должно приближаться к критической массе. Пуля была заключена в тонкостенную оболочку из нержавеющей стали, с крышкой из карбида вольфрама, как у оболочки мишени.

Для того чтобы направить пулю в центр мишени, решили использовать ствол обычной зенитной пушки калибра 76,2 мм. Вот почему бомбу такого типа называют иногда бомбой пушечной сборки. Ствол был расточен изнутри до 100 мм, чтобы в него вошел столь необычный снаряд. Длина ствола составляла 180 см. В его зарядную камеру загружался обычный бездымный порох, который выстреливал пулю со скоростью примерно в 300 м/с. А другой конец ствола запрессовали в отверстие в оболочке мишени.

У этой конструкции была масса недостатков.

Она была чудовищно опасной: после того как порох был загружен в зарядную камеру, любая авария, которая могла его воспламенить, привела бы к взрыву бомбы на полную мощность. Из-за этого зарядка пироксилина происходила уже в воздухе, когда самолет подлетал к цели.

При аварии самолета урановые детали могли соединиться и без пороха, просто от сильного удара о землю. Чтобы избежать этого, диаметр пули был на долю миллиметра больше диаметра канала в стволе.

Если бы бомба упала в воду, то из-за замедления нейтронов в воде реакция могла бы начаться даже и без соединения частей. Правда, при этом ядерный взрыв маловероятен, но произошел бы тепловой взрыв, с распылением урана на большую территорию и радиоактивным заражением.

Длина бомбы такой конструкции превышала два метра, и это фактически непреодолимо. Ведь критическое состояние достигалось, и реакция начиналась, когда до остановки пули было еще добрых полметра!

Наконец, эта бомба была очень расточительной: прореагировать в ней успевало меньше 1% урана!

Достоинство же у пушечной бомбы было ровно одно: она не могла не сработать. Ее даже не собирались испытывать! А вот плутониевую бомбу американцы должны были испытать: уж слишком нова и сложна была ее конструкция.

Плутониевый футбольный мяч

Когда выяснилось, что даже крошечная (меньше 1%!) примесь плутония-240 делает невозможной пушечную сборку плутониевой бомбы, физики были вынуждены искать другие способы набрать критическую массу. И ключ к плутониевой взрывчатке нашел человек, который позже стал самым знаменитым «ядерным шпионом», — британский физик Клаус Фукс.

Его идея, получившая позже название «имплозия», заключалась в формировании сходящейся сферической ударной волны из расходящейся, с помощью так называемых взрывчатых линз. Эта ударная волна должна была сжать кусок плутония так, чтобы его плотность увеличилась вдвое.

Если уменьшение плотности вызывает увеличение критической массы, то увеличение плотности должно ее уменьшить! Для плутония это особенно актуально. Плутоний — материал очень специфический. При охлаждении куска плутония от температуры плавления до комнатной, он претерпевает четыре фазовых перехода. При последнем (около 122 градусов) его плотность скачком увеличивается на 10%. При этом любая отливка неизбежно растрескивается. Чтобы этого избежать, плутоний легируют каким-нибудь трехвалентным металлом, тогда стабильным становится неплотное состояние. Можно использовать алюминий, но в 1945 году опасались, что альфа-частицы, вылетающие из ядер плутония при их распаде, будут выбивать из ядер алюминия свободные нейтроны, увеличивая и без того заметный нейтронный фон, поэтому в первой атомной бомбе был использован галлий.

Из сплава, содержащего 98% плутония-239, 0,9% плутония-240 и 0,8% галлия, был изготовлен шарик диаметром всего 9 см и весом около 6,5 кг. В центре шарика была полость диаметром 2 см, и он состоял из трех деталей: двух половинок и цилиндрика диаметром 2 см. Этот цилиндрик служил пробкой, через которую во внутреннюю полость можно было вставить инициатор — источник нейтронов, который срабатывал при взрыве бомбы. Все три детали пришлось никелировать, потому что плутоний очень активно окисляется воздухом и водой и крайне опасен при попадании внутрь организма человека.

Шарик был окружен отражателем нейтронов из природного урана238 толщиной 7 см и весом 120 кг. Уран — хороший отражатель быстрых нейтронов, и в собранном виде система была лишь немного субкритической, поэтому вместо плутониевой пробки вставлялась кадмиевая, поглощавшая нейтроны. Отражатель служил еще и для удержания всех деталей критической сборки во время реакции, иначе большая часть плутония разлеталась, не успевая принять участия в ядерной реакции.

Дальше шел 11,5-сантиметровый слой алюминиевого сплава весом 120 кг. Назначение слоя такое же, как у просветления на линзах объективов: сделать так, чтобы взрывная волна проникла в ураново-плутониевую сборку, а не отразилась от нее. Это отражение происходит из-за большой разницы плотностей взрывчатки и урана (примерно 1:10). Кроме того, в ударной волне вслед за волной сжатия идет волна разрежения, так называемый эффект Тейлора. Слой алюминия ослаблял волну разрежения, которая уменьшала действие взрывчатки. Алюминий пришлось легировать бором, который поглощал нейтроны, вылетающие из ядер атомов алюминия под воздействием альфа-частиц, возникающих при распаде урана-238.

Наконец, снаружи находились те самые «взрывчатые линзы». Их было 32 (20 шестигранных и 12 пятигранных), они образовывали структуру, похожую на футбольный мяч. Каждая линза состояла из трех частей, причем средняя была изготовлена из специальной «медленной» взрывчатки, а наружная и внутренняя — из «быстрой». Внешняя часть была сферической снаружи, но внутри на ней была коническая впадина, как на кумулятивном заряде, вот только назначение ее было другое. Этот конус был заполнен медленной взрывчаткой, и на границе раздела происходило преломление взрывной волны подобно обычной световой волне. Но подобие здесь очень условное. В сущности, форма этого конуса и есть один из настоящих секретов ядерной бомбы.

В середине 40-х годов в мире не существовало таких компьютеров, на которых можно было бы рассчитать форму таких линз, а главное — не было даже подходящей теории. Поэтому они делались исключительно методом проб и ошибок. Пришлось провести более тысячи взрывов — и не просто провести, а сфотографировать специальными высокоскоростными камерами, регистрируя параметры взрывной волны. Когда была отработана уменьшенная версия, выяснилось, что взрывчатка так просто не масштабируется, и потребовалось сильно корректировать старые результаты.

Точность формы нужно было соблюсти с ошибкой меньше миллиметра, а состав и однородность взрывчатки выдерживать предельно аккуратно. Изготавливать детали можно было только литьем, поэтому годились не все взрывчатые вещества. Быстрая взрывчатка была смесью гексогена и тротила, причем гексогена было в два раза больше. Медленная — тот же тротил, но с добавкой инертного нитрата бария. Скорость детонационной волны в первой взрывчатке составляет 7,9 км/с, а во второй — 4,9 км/с.

Детонаторы вмонтировали в центр наружной поверхности каждой линзы. Все 32 детонатора должны были сработать одновременно с неслыханной точностью — менее 10 наносекунд, то есть миллиардных долей секунды! Таким образом, фронт ударной волны не должен был исказиться больше чем на 0,1 мм. С такой же точностью нужно было совместить и сопряженные поверхности линз, а ведь ошибка их изготовления была в десять раз больше! Пришлось повозиться и потратить немало туалетной бумаги и скотча, чтобы скомпенсировать неточности. Но система стала мало похожа на теоретическую модель.

Пришлось изобрести новые детонаторы: старые не обеспечивали должной синхронности. Они были сделаны на базе взрывающихся под мощным импульсом электрического тока проволочек. Для их срабатывания понадобилась батарея из 32 высоковольтных конденсаторов и такого же количества быстродействующих разрядников — по одному на каждый детонатор. Вся система, вместе с батареями и зарядным устройством для конденсаторов, весила в первой бомбе почти 200 кг. Впрочем, по сравнению с весом взрывчатки, которой ушло 2,5 т, это было немного.

Наконец вся конструкция была заключена в дюралевый сферический корпус, состоявший из широкого пояса и двух крышек — верхней и нижней, все эти детали собирались на болтах. Конструкция бомбы позволяла собрать ее без плутониевого сердечника. Для того чтобы вставить на место плутоний вместе с куском уранового отражателя, отвинчивали верхнюю крышку корпуса и вынимали одну взрывчатую линзу.

Война с Японией шла к концу, и американцы очень торопились. Но имплозионную бомбу необходимо было испытать. Этой операции было присвоено кодовое имя «Тринити» («Троица»). Да уж, атомная бомба должна была продемонстрировать мощь, доступную раньше только богам.

Блестящий успех

Место для испытания было выбрано в штате Нью-Мексико, в местечке с живописным названием Джорнададель-Муэрто (Путь смерти) — территория входила в артиллерийский полигон Аламагордо. Бомбу начали собирать 11 июля 1945 года. Четырнадцатого июля ее подняли на верхушку специально построенной башни высотой 30 м, подключили провода к детонаторам и начались последние стадии подготовки, связанные с большим количеством измерительной аппаратуры. 16 июля 1945 года в полшестого утра устройство было взорвано.

Температура в центре взрыва достигает нескольких миллионов градусов, поэтому вспышка ядерного взрыва гораздо ярче Солнца. Огненный шар держится несколько секунд, потом начинает подниматься, темнеть, из белого становится оранжевым, затем багровым, и образуется ныне знаменитый ядерный гриб. Первое грибовидное облако поднялось на высоту в 11 км.

Энергия взрыва составила больше 20 кт тротилового эквивалента. Большая часть измерительной аппаратуры была уничтожена, поскольку физики рассчитывали на 510 т и поставили технику слишком близко. В остальном это был успех, блестящий успех!

Но американцы столкнулись с неожиданным радиоактивным заражением местности. Шлейф радиоактивных осадков протянулся на 160 км к северо-востоку. Из небольшого городка Бингэм пришлось эвакуировать часть населения, но как минимум пятеро местных жителей получили дозы до 5760 рентген.

Выяснилось, что, чтобы избежать заражения, бомбу надо взрывать на достаточно большой высоте, минимум километр-полтора, тогда продукты радиоактивного распада рассеиваются на площади в сотни тысяч или даже миллионы квадратных километров и растворяются в глобальном радиационном фоне.

Вторая бомба такой конструкции была сброшена на Нагасаки 9 августа, через 24 дня после этого испытания и через три дня после бомбардировки Хиросимы. С тех пор практически все атомные боеприпасы используют технологию имплозии. Первая советская бомба РДС-1, испытанная 29 августа 1949 года, была сделана по такой же схеме.

Для осуществления цепной реакции деления необходимо создать размножающую среду, состоящую из чистого делящегося вещества или делящегося вещества и замедлителя, состав которой и обеспечивает возможность развития реакции. Следует учесть, что в этой среде неизбежно будут присутствовать конструкционные материалы. Однако подбор размножающей среды с нужными параметрами еще не обеспечивает все условия для цепной реакции. При небольших размерах, а соответственно и массе размножающей среды большая часть возникающих в ней нейтронов будет вылетать наружу, не успев вызвать делений, и самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) не возникнет. Утечка нейтронов из объема с размножающей средой приводит к тому же результату, что и их поглощение без деления.

По мере увеличения размеров размножающей среды увеличивается средняя длина пути нейтронов в ней, а следовательно, и число столкновений с ядрами с последующим делением и возникновением новых нейтронов.. Для описания поведения реактора во времени был введен коэффициент размножения k эфф - отношение числа нейтронов в последующем поколении к числу нейтронов в предыдущем. В такой трактовке при увеличении размеров среды k эфф растет от нуля при нулевой вероятности делений до величин, больших единицы, при лавиноподобном росте числа нейтронов в ряду поколений.

При k эфф, равном единице, интенсивность процесса делений не меняется во времени - процесс является самоподдерживающимся, и такая система называется критической . При k эфф < 1 скорость делений будет уменьшаться, и в этом случае систему называют подкритической . При k эфф > 1 система надкритическая .

Минимальная масса делящегося материала, необходимая для осуществления самоподдерживающейся реакции деления, называется критической массой . Если масса превысит критическую, то в каждом следующем поколении будет рождаться больше нейтронов, чем в предыдущем, и цепная реакция будет развиваться. Значение критической массы зависит от свойств делящегося нуклида (235 U или 239 Pu), состава размножающей среды и ее окружения. Величина критической массы может меняться от нескольких сот граммов в экспериментальных устройствах до десятков килограммов в ядерных боеголовках и нескольких тонн в больших энергетических реакторах. Рассмотрим ядерный реактор на естественном уране . В нем может возникнуть самоподдерживающаяся цепная реакция, если число вторичных нейтронов, рожденных при делении и способных вызвать дальнейшие деления, оказывается достаточным для того, чтобы поддерживать скорость деления в реакторе на постоянном уровне.