Л. Феоктистов - Оружие, которое себя исчерпало
Как актуально это звучит сегодня! Проблема безопасности существующих ядерных зарядов, насколько мне известно, сильно беспокоит американских коллег. В 1997 году мне довелось побывать в Ливерморской национальной лаборатории. Довольно откровенные разговоры, которые мы там вели, в конечном счёте замыкались на вопросах безопасности — в том смысле, о чём речь шла чуть раньше. Американские коллеги прямо интересовались, как преодолеть договор о полном запрещении испытаний применительно к маломощным взрывам. Было ощущение, что их всерьёз заботит та самая „одна точка“. Обсуждалась возможность создания импульсных ускорителей, способных просвечивать многие сантиметры тяжёлого металла. Речь также заходила о математических трёхмерных программах гидродинамического сжатия для суперкомпьютеров…
Полагаю, у меня есть основания сказать с достаточной уверенностью, что усилия, в своё время предпринятые Юлием Борисовичем Харитоном в области безопасности ядерного оружия, были объективно необходимы: я не вспоминаю ни одной ядерной аварии, связанной с оружием. В условиях запрета натурных ядерных испытаний это даёт нам своего рода фору перед американцами.
Оглядываясь на то, что и как было сделано, анализируя прошлое с позиций сегодняшнего дня, хочу сделать ещё одно признание. Отделённые от высокого начальства естественной перегородкой, мы, случается, не всегда объективно оцениваем его роль в выборе стратегической линии. В своё время, когда я работал уже в Челябинске-70 (речь об этом пойдёт дальше) , мы весьма гордились своими успехами по основной, военной теме. Мы и в самом деле не уступали, как нам казалось, коллегам-конкурентам из ВНИИЭФ, где бессменным научным руководителем долгие годы оставался Ю.Б. Харитон. Теперь я начинаю понимать и оценивать, что институт под его руководством всегда шёл значительно более широким научным фронтом. В переломный момент, который ныне переживает страна, это даёт о себе знать. Сегодня, когда интерес к оружию заметно снизился, а рыночные тенденции нарастают, учёным и специалистам из Арзамаса-16 (ВНИИЭФ) легче, чем моим соратникам из Челябинска-70 (ВНИИТФ) , приспособиться, найти себя в новом качестве.
И последнее, личное. В 1965 году академик Харитон приехал в Челябинск-70 на защиту моей докторской диссертации. Приехал как официальный оппонент, оторвавшись на один день от своих многочисленных дел. И привёз положительный отзыв, что самым благоприятным образом отразилось на всей процедуре защиты. А когда официальная часть завершилась, поздравил и в тот же день отбыл. На вечернюю послезащитную трапезу, сколько ни уговаривали, задержаться не согласился. К всеобщему нашему огорчению.
* * *
Я отсчитываю годы назад — и благословляю то время. Не только потому, что с ним связана лучшая пора — молодость, но и потому, что судьба свела меня с очень умными и талантливыми учителями.
2. Публичная лекция в МИФИ: сокращённый вариант
Уже несколько лет я читаю лекции студентам Московского инженерно-физического института. В деканате знают в общих чертах, чем я занимался в предыдущие годы, и несколько раз предлагали мне подумать о популярной лекции на тему что-то вроде „Атомная бомба в профиль и анфас“.
Я, конечно, слегка утрирую. Меня просили рассказать об общих физических основах атомной бомбы. Но тем самым хочу подчеркнуть, как разительно изменилось время. Ещё совсем недавно соблюдалась строжайшая тайна о людях, местоположении „объектов“, обо всём, что так или иначе было связано с разработкой и производством ядерного оружия. Сегодня многие табу сняты.
Но уровень секретности в атомной сфере остаётся высоким, что в большинстве случаев, на мой взгляд, вполне оправданно. Есть и другое смущающее меня обстоятельство. Грань, отделяющая секретное от несекретного, часто оказывается размытой. И знающий человек, который берётся что-то рассказывать, неизбежно испытывает по этому поводу затруднения.
Однако слово сказано. И после этой предварительной ремарки я всё же попытаюсь, привлекая сведения самого общего характера, просчитать и сконструировать у вас на глазах примитивную А-бомбу.
* * *
В основе атомной бомбы лежат открытия довоенного времени: деление урана и цепная нейтронная реакция. Деление урана примечательно в двух отношениях. Первое — энергетическое.
Как известно, все элементы, содержащиеся в таблице Менделеева, состоят из ядер и электронов, движущихся вокруг ядра. Ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. При этом в так называемых лёгких ядрах их число сопоставимо, а в тяжёлых — преобладают нейтроны.
Ядро в сто тысяч раз меньше атома, внутри которого располагаются электроны. Поэтому ядерные, концентрированные силы намного больше, чем атомные (кулоновские) . Все химические реакции затрагивают электронные оболочки с их относительно слабыми связями, тогда как ядерные превращения изменяют структуру ядра.
При делении урана под действием нейтрона происходит развал тяжёлого ядра на два осколка, приходящихся „на середину“ периодической системы элементов, где ядра наиболее крепко связаны. Именно этот принцип — деление ядер — положен в основу конструкции атомной бомбы. Попутно отметим, что слияние лёгких ядер с образованием более тяжёлых лежит в основе термоядерных реакций водородной бомбы * .
При химических реакциях, например когда взрывается порох, тротил или другое ВВ, энергии выделяется примерно в 10 миллионов раз меньше, чем при реакции ядерной, — в расчёте на равное количество инициируемого вещества. Именно из этого обстоятельства вытекает огромное преимущество ядерного оружия над обычным.
Первая советская атомная бомба весила около 5 тонн (как и первая американская) и имела мощность около 15 килотонн тротилового эквивалента (ТНТ) , то есть превосходила свой химический аналог в 3 тысячи раз. Не в 10 миллионов раз, как отмечалось выше, а в тысячи раз меньше.
Почему?
Дело в том, что в массивном корпусе атомной бомбы содержалось всего лишь 6 килограммов активного материала, который к тому же „сгорал“ далеко не полностью (в отличие от обычного ВВ с коэффициентом полезного действия, близким к 100 процентам) .
Вторая особенность деления состоит в том, что в результате распада тяжёлого ядра образуются новые нейтроны. Это принципиальное обстоятельство приводит к возможности цепной реакции — нарастающему экспоненциально потоку нейтронов.
Экспериментальным путём выяснили, что для реализации взрыва пригодными оказались нечётные изотопы урана и плутония (уран-235 , плутоний-239) . Другие элементы, в том числе уран-233 , более далёкие изотопы плутония, прочие трансураны, распространения не получили из-за технологических трудностей и высокой стоимости.
К слову сказать, в своё время возлагались большие надежды на кюрий-245 . Было высказано предположение, что у него уникальные ядерные свойства и можно сделать не то что бомбу, а чуть ли не атомную пулю. На реакторе добыли некоторое количество кюрия, определили его физические и ядерные константы. Иллюзии исчезли так же быстро, как и появились. Кюрий-245 по ядерным характеристикам не сильно отличался от плутония-239 , но превосходил последний по стоимости в десятки раз.
Уран-235 является изотопом природного урана, в котором его содержится всего 0,7 процента, остальные 99,3 — уран-238 . Известно несколько способов разделения изотопов: газодиффузионный, центробежный, лазерный, некоторые другие. В Советском Союзе наибольшее распространение получил центробежный. Он достиг очень высокого уровня совершенства. На его основе в настоящее время осуществляются поставки обогащённого урана для атомных станций внутри страны и на экспорт.
В бомбах использовался высокообогащённый уран (ВОУ) с концентрацией по урану-235 до 90 amp;ndash;95 процентов.
Плутоний-239 — искусственный изотоп, которого нет в недрах Земли. Его получают в действующих реакторах. Уран-238 при облучении захватывает нейтрон и затем через два amp;beta;-распада переходит в плутоний-239 . Одна тонкость: из плутония-239 путём последующего захвата нейтрона образуется плутоний-240 . В военном плутонии допустимое количество плутония-240 не должно составлять более 5 amp;ndash;6 процентов, поэтому „срок выдержки“ облучаемого материала в специальных реакторах исчисляется неделями, тогда как в энергетических реакторах АЭС тепловыделяющие элементы могут находиться годами. Жёсткие требования по плутонию-240 , прямым образом влияющие на стоимость военного плутония, обуславливаются инертностью плутония-240 по отношению к делению и сильно выраженным — из-за спонтанного деления — нейтронным фоном.
Есть ещё одна особенность плутония, доставляющая много хлопот конструкторам. Она связана с тем, что плутоний-239 обладает amp;alpha;-радиоактивностью с периодом полураспада около 24 тысяч лет. Энергетический (из реакторов АЭС) плутоний мало пригоден для военной техники также и потому, что в нём накапливаются длинные „хвосты“ трансурановых элементов, вплоть до плутония-244 . При этом чётные изотопы малопродуктивны, нечётные определяют большой тепловой эффект из-за сравнительно короткого периода распада.
