Александр Прищепенко - Огонь! Об оружии и боеприпасах
Но вернемся к нейтронному инициированию. Оно дает возможность изменять энерговыделение ядерного взрыва. Понятно, что, выполняя боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, не начинают лихорадочно разбирать ядерный заряд на ракете или бомбе, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасах с «переключаемым» тротиловым эквивалентом просто изменяют напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменяется выход нейтронов и выделение энергии. Ясно, что при снижении мощности таким способом «пропадает зря» много дорогого плутония.
Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы — какие могли быть разговоры о снижении мощности и «пропаже» плутония! Нет, не зря отец и учитель, а также вождь всех времен и народов учит нас повсеместной бдительности! Мощнее, мощнее и еще раз — мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические (вспомним «опыт» Слотина!) и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент энерговыделения взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. Для деления последовали оргвыводы — от него, как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса — синтеза.
Заряду деления отвели роль «запала» (рис. 3.17). Материал корпуса «запала» 1 сделали «прозрачным» для мягкого рентгеновского излучения, о котором читатель уже знает. Излучение опережает разлетающееся вещество заряда и превращает ампулу, состоящую из оболочки 2 и топлива 3 в плазму. Вещество оболочки 2 подобрано так, что его плазма существенно расширяется, сжимая топливо 3 к оси ампулы (такой процесс называют радиационной имплозией[28]).
Рис. 3.17. Схема термоядерного зарядаНельзя сказать, что энергия ядерного взрыва избыточна для инициирования второй — термоядерной — фазы работы боеприпаса, поэтому важно выбрать для нее наиболее «легковоспламеняющееся» топливо. Наименьшие энергии частиц требуются для «зажигания» реакции:
D + Т → Не4 + n + 17,6 МэВ
которая на единицу массы реагентов обеспечивает выход в несколько раз большей энергии, чем реакция деления. Однако изотопы водорода — дейтерий (D) и тритий (Т) при нормальных условиях — газы, достаточные количества которых нельзя «собрать» в устройстве разумных размеров. Но оказалось возможным инициировать синтез в твердых гидридах изотопа лития-6 (Li6D и Li6T), «перевалив», с помощью ядерного заряда, необходимое для этого значение комбинации температуры топлива и времени его удержания при этой температуре. По мере того, как синтез самых «легкозажигаемых» изотопов разогревает топливо, в нем начинают протекать и другие реакции, с участием как содержавшихся в смеси, так и образовавшихся ядер:
D + D → T + p + 4 МэВ;
D + D → He3 + n + 3,3 МэВ;
T + T → He4 + 2n + 11,3 МэВ;
He3 + D → He4 + p + 18,4 МэВ;
Li6 + n → He4 + T + 4,8 МэВ;
так что и литий оказывается не совсем уж «балластом». При этом ядра ускоряются не напряжением, как в нейтронной трубке, а приобретают необходимую скорость за счет теплового движения, то есть — температуры. Это — истинные термоядерные взаимодействия, а не похожие на них реакции срыва. Сечения реакций, происходящих в ампуле, неодинаковы и, конечно, не все топливо успевает прореагировать. Для взрывных целей кпд двухфазного (деление+синтез) процесса невысок: значительная часть энергии (для первой из упомянутых реакций — более 80 %) уносится из огненного шара быстрыми нейтронами, пробег которых в воздухе составляет многие километры.
Эта часть энергии «пропала» бы, рассеявшись в соответствующих размеров воздушной сфере, практически не возмущая ее, поэтому в образцах термоядерного оружия, которые рассчитаны на взрывной эффект, такого не допускают, реализуя еще и третью фазу, для чего ампула окружается тяжелой оболочкой 4 из U238. Нейтроны, испускаемые при развале ядер этого изотопа имеют слишком малую энергию, чтобы вызывать последующие акты деления, продолжающие цепную реакцию, но U238 делится под действием «внешних» высокоэнергетичных нейтронов от термоядерных реакций. Неценная реакция, в окружающей ампулу оболочке дает прибавку энергии огненного шара, превалирующую даже над вкладом синтеза.
В капсуле нет веществ, в которых при нормальных условиях может возникнуть цепная реакция, поэтому их количество не ограничено, а, значит — у энерговыделения термоядерного заряда нет верхнего предела, вроде того, который существует для заряда деления. На каждый килограмм веса трехфазных изделий приходится несколько килотонн тротилового эквивалента — они существенно превосходят по удельным характеристикам другие классы ядерного оружия!
Неприятная особенность трехфазных боеприпасов — повышенный выход осколков деления. Не то, чтобы двухфазные боеприпасы не загаживали местность нейтронами, вызывавшими в практически всех элементах ядерные реакции, не прекращавшиеся и спустя многие годы после взрыва[29], а также осколками деления своих «запалов», по все познается в сравнении, и трехфазные далеко превосходят их в этом отношении. Превосходят настолько, что некоторые боеприпасы выпускались в двух вариантах: «грязных» — трехфазных и «чистых». Последние предназначались для применения на территории, где предполагались действия своих войск и, ради обеспечения их безопасности, шли на снижение мощности. Так, например, американская авиабомба В53 выпускалась в двух идентичных по внешнему виду вариантах: «грязном» B53Y1, с энерговыделением 9 мегатонн и ровно вдвое уступавшем ему по мощности, «чистом» варианте B53Y2.
К тому же, не слишком удобны для оружейного применения твердые гидриды: любое соединение, содержащее тритий, нестабильно, потому что этот изотоп сам по себе «разваливается» на бета-частицы и гелий-3. Тот же гелий-3 выделяется и из насыщенных тритием мишеней нейтронных трубок, но, чтобы предотвратить потерю вакуума, там этот газ поглощается специальными пористыми материалами. Однако в трубке количество трития ничтожно по сравнению с ампулой, из которой гелий-3 надо просто откачивать: ее «распирает» давлением этого газа. Количество основного реагента в ампуле убывает (вдвое за дюжину лет). Чтобы поддерживать готовность многочисленных образцов термоядерного оружия к применению, необходимо непрерывно нарабатывать тритий в реакторах, а расходы на такие хлопоты по карману не каждой ядерной державе. Например, английские специалисты, получив в 70-х годах из США ракеты «Поларис», предпочли отказаться от американского термоядерного боевого оснащения в пользу разработанных в своей стране по программе «Шевалин» менее мощных однофазных зарядов деления.
