Л. Феоктистов - Оружие, которое себя исчерпало
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.
Аналогом плутония-239 является уран-233 , также реакторного происхождения, но на основе тория. Торий-232 подхватывает нейтроны и также через два amp;beta;-распада обращается в уран-233 . Но и в этой технологии есть свои трудности (в первую очередь — повышенная гамма-радиоактивность), из-за чего сколько-нибудь заметного применения в военной технике уран-233 не получил.
* * *
Итак, мы установили: чтобы сделать бомбу, нужны высокообогащённый уран (ВОУ) или оружейный плутоний.
Вернемся, однако, к явлению, названному выше размножением нейтронов. И напомним, что нейтрон, испытывая многократные взаимодействия в расщепляющейся среде, может достигать её границы и исчезать. Ясно, что в бесконечной среде такого рода потерь нет. И наоборот: если размер рассматриваемой области (например , радиус делящегося плутониевого шара) сопоставим с длиной пробега нейтронов, их потери за счёт вылета становятся преобладающими.
Отсюда возникает важнейшее для последующего изложения понятие критического размера, или критической массы. Наиболее экономичной геометрической фигурой, имеющей наименьшую критическую массу, является, как известно, шар. Он обладает минимальным отношением поверхности (вылет) к объёму (рождению) .
С этим соотношением связаны понятия критичности. В надкритическом состоянии (большой размер) поток нейтронов экспоненциально нарастает, в подкритическом — реакция затухает, в критическом — поддерживается стационарный уровень нейтронов. Реакторы АЭС, в которых поддерживается постоянное энерговыделение, находятся в критическом состоянии. Собственно говоря, вся система управления реактором направлена на то, чтобы поддерживать критическое состояние и не дать свалиться реактору ни в ту, ни в другую сторону.
Естественно, любое взрывное устройство должно обладать механизмом, способным перевести его из безопасного состояния (подкритического) во взрывное (надкритическое) . Но каков бы ни был механизм такого перевода, по механическим соображениям он не может быть скачкообразным (мгновенным) , он непременно растянут во времени.
Реально используются два способа перевода в надкритическое положение. Условно выражаясь — медленный и быстрый. Первый из них схематично можно представить так. Имеются два куска урана-235 , каждый из которых подкритичен. Масса отдельного объёма составляет 0,75 от критической массы. При их совмещении с помощью пороха возникает надкритическая конфигурация, способная к импульсному размножению нейтронов.
Такой „пушечный“ вариант сближения, когда в урановую цилиндрическую оболочку загоняется сердцевина из урана, имеет дело с большими массами, считается медленным и не пригоден для плутония из-за большого нейтронного фона (у урана фон в сотни раз меньше) . На практике такой способ был применён в бомбе, сброшенной на Хиросиму, но в дальнейшем в военных зарядах распространения не получил. Его используют лишь в некоторых специальных конструкциях, для которых существенны не вес и расход материала, а заданные габариты.
Вариант быстрого перехода через критсостояние называется, по американской терминологии, имплозией — „взрывом внутрь“. Опуская некоторые весьма существенные детали, вообразим такую конструкцию.
Пусть активный материал — плутоний — распределён в виде тонкой сферической оболочки и окружён взрывчатым веществом. Снаружи ВВ установлены капсюли-детонаторы, которые по внешнему сигналу образуют во взрывчатом веществе сферическую детонационную сходящуюся волну. Энергия ВВ передаётся плутониевой оболочке, и она летит в центр сферы, преобразуясь геометрически в шар и одновременно подвергаясь сжатию. Ввиду того что скорости оболочки и звука сравнимы, сжатие составляет разы. А раз повышается плотность материала — значит, снижается критмасса (обратно пропорционально квадрату плотности) и вообще весовые показатели заряда.
Описанный здесь способ перевода вещества в надкритическое состояние является самым совершенным, так как использует в полной мере оба фактора: геометрический и динамический. Одновременно он же является наиболее трудно достижимым технологически (тонкие , с высокими требованиями по допускам оболочки, организация с большой точностью сферической детонационной волны и т. д.) .
На заре атомной эры поступали проще. В первой американской плутониевой бомбе, имевшей 6 кило делящегося материала, как и в аналогичной советской, плутоний заранее был собран в шар, а подлетающая инертная оболочка выполняла роль отражателя нейтронов и вызывала небольшое сжатие ядра.
* * *
Таким образом, мы установили второе существенное обстоятельство на пути к созданию бомбы: мало просто иметь делящееся вещество — надо научиться переводить это вещество через критическое состояние с максимальной эффективностью.
Рассмотрим это на примере плутония — его выдающаяся роль в атомном оружии напрямую связана с ядерно-физическими свойствами. Плутоний в виде голого шара имеет критмассу около 10 кг, тогда как урана-235 требуется примерно 50 кг. В сравнении с ураном-235 производство плутония дороже примерно в пять раз, но без него не обходится практически ни один вид современного атомного оружия.
При имплозии время нахождения вещества в сжатом (надкритическом) состоянии имеет важное значение. Собственно говоря, именно это обстоятельство в сочетании с конечной величиной сжатия определяет минимальное количество плутония, способного к взрыву. Теоретический предел возникает ввиду конечности скорости полёта оболочки. Она равна скорости детонации химического ВВ (примерно 10 км/сек) , при любом сколь угодно большом отношении масс ВВ и оболочки. На практике минимально допустимая масса составляет несколько сот граммов плутония. Теоретически можно представить себе дальнейшее снижение массы, если придумать другое ВВ, с большей калорийностью и, соответственно, с большей скоростью звука продуктов взрыва.
В химии ВВ предел практически достигут. С изобретением лазеров возникла идея лазерного термоядерного синтеза. Свет лазера, работающего в импульсном режиме, концентрируется на маленькую мишень (доли миллиметров) , разогревает её до очень высокой температуры (десятки миллионов градусов) и вызывает горение дейтерия в смеси с тритием.
Лет двадцать назад в печати появилось предложение использовать не реакции синтеза, а делительные реакции на плутонии в той же лазерной концепции. Было показано, что надкритичность из-за сверхвысокого сжатия может достигаться при миллиграммовых массах. Но — „забыли“ про время развития цепной реакции. В результате минимальная масса превратилась в граммы, энергия лазеров — в десятки мегаджоулей, а выходная энергия — в тонны тротилового эквивалента, что в совокупности оказалось абсолютно неприемлемым для лабораторного эксперимента.
Значит, чрезмерно быстрое сжатие и сопровождающее его большое давление не гарантируют достижения цели — вполне может так произойти, что цепная реакция не успеет развиться и будет так называемый „проскок“. Неприемлема и другая противоположность — очень медленное сжатие. В этом случае сразу после перехода через критическое состояние начнёт развиваться цепная реакция от случайного фонового нейтрона с выделением энергии, которая остановит движение внутрь. Взрыв произойдёт задолго до самого благоприятного момента — максимального сжатия и наивысшей надкритичности. Энерговыделение резко упадёт, будет попросту „пшик“, или, выражаясь по-научному, неполный взрыв (НВ) .
Из сказанного выше со всей очевидностью напрашивается вывод: переход через критсостояние должен быть тщательно организован — без чрезмерной динамики и без замедления, то есть надо найти „золотую середину“. Кроме того, нейтронный источник, вызывающий цепную реакцию, должен включиться в строго определённый момент (вблизи максимального сжатия) , чтобы энерговыделение было максимальным. Подобного рода синхронизация — тонкая наука, к тому же неоднозначная, привязана к конкретному „изделию“, с его допусками, статистическим разбором.
Один из способов достичь автоматической синхронизации состоит в следующем. В центре заряда располагается совсем небольшое количество твёрдого вещества, содержащего дейтерий. В результате ударной волны, приходящей от заряда химической взрывчатки, возникает ядерная реакция „дейтерий-дейтерий“ с выделением нейтронов. Опытным путём было установлено, что число возникших нейтронов достаточно для инициирования цепной реакции.
