Глеб Анфилов - Искусственное Солнце
Не слишком сложные теоретические исследования в сочетании с экспериментами дают на такой вопрос положительный ответ.
Чем же тогда объяснялась американская сверхсекретность?
Приводим слова того же Лэппа: «Видно, с ликвидацией нашей монополии на атомную бомбу отчаявшиеся конгрессмены захотели возродить чувство безопасности, установив монополию на водородную бомбу».
СВЕРХНОВАЯ ЗВЕЗДА НА ЗЕМЛЕ
Чем располагает физик, задавшийся целью воссоздать на Земле сверхновую звезду — грандиозную термоядерную вспышку?
Прежде всего температурой во многие миллионы градусов, которая вызывается соединением кусков урана. Но длится такой нагрев ничтожно малый промежуток времени — всего одну миллионную долю секунды. И в это мгновение нужно втиснуть процессы синтеза гелия.
Каковы же они могут быть?
Точное повторение обычных звездных конвейеров — протонно-протонного и углеродного — очевидно, отпадает. Эти циклы реакций слишком медленны.
Но есть иные возможности. Чтобы найти их, воспроизведем в увеличенном масштабе левую часть графика удельных масс нуклонов в разных атомных ядрах.
Мы не забыли, что чем ниже ядро на этой кривой, тем оно устойчивее. Реакции с выделением энергии — как бы прыжки ядер вниз. А самое нижнее и, стало быть, самое устойчивое ядро здесь принадлежит гелию-4. Оно и является желательным конечным продуктом реакций.
Слева, повыше гелия-4 расположились: обычный водород, тяжелый водород (дейтерий) и сверхтяжелый водород (тритий). Напомним, что ядро дейтерия (дейтон) вмещает протон и нейтрон, ядро трития — протон и два нейтрона.
Какими путями взаимодействуют перечисленные легкие атомные ядра?
Стремясь к большей устойчивости, они в результате парных соударений могут перестраиваться следующим образом:
Как видите, самым кратковременным взаимодействием, дающим к тому же весьма большой выход энергии, является слияние дейтона с ядром трития. Отсюда ясен и простейший способ возбудить на Земле термоядерный взрыв. Смесь тяжелого и сверхтяжелого водорода достаточно разместить вокруг запала, состоящего из обычной урановой или плутониевой бомбы. Когда запал взорвется, под влиянием развившейся огромной температуры ядра изотопов водорода сольются в ядра гелия-4, излучая колоссальную энергию.
По всей вероятности, именно таким был термоядерный взрыв, произведенный американцами в 1952 году под шифрованным наименованием «Майк». Испытания прошли на атолле Эниветок в Тихом океане (Маршальские острова). Там была устроена громоздкая, тяжеловесная 65-тонная установка, собранная на высоком металлическом основании. Тритий (который не добывается в природе, а вырабатывается из лития путем облучения его нейтронами) американцы готовили в специальных реакторах у реки Саванны, в штате Южная Каролина. Строительство этого предприятия обошлось в баснословную сумму — почти в полтора миллиарда долларов.
Взрыв оказался в 25 раз мощнее атомных. Он смел с лица Земли остров длиной в 5 и шириной в 1,5 километра.
И тем не менее этой термоядерной «башне» было еще очень далеко до настоящей водородной бомбы.
Ведь башню не поднимешь в воздух, не сбросишь на цель.
Однако вернемся к нашему рассказу.
Смесь дейтерия с тритием — горючее, не очень подходящее для бомбы. Сверхтяжелый водород трудно изготавливать. Кроме того, он сильно радиоактивен — в течение 12 лет наполовину распадается.
Чтобы уменьшить количество необходимого трития, его можно использовать не в качестве основного горючего, а лишь для усиления уранового запала, чтобы открыть возможность соединения дейтонов (первая и вторая реакция, стр. 128), а также взаимодействию дейтонов с протонами (ускоренная вторая ступень протонно-протонного солнечного конвейера). На этом принципе мыслима термоядерная бомба с запалом из урана или плутония, вокруг которого находится смесь дейтерия и трития, служащая как бы продолжением запала, и поверх всего этого — основное термоядерное горючее: смесь дейтерия с водородом.
Однако и в такой системе хоть и в малых дозах, но остался необходимым дорогостоящий и неудобный тритий.
РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ ЛИТИЯ
Продолжив наш график немного вправо, мы увидим правее самого нижнего ядра (гелия-4) ядра лития, причем помещаются они намного выше. Значит, альфа-частицы гораздо устойчивее ядер лития и, следовательно, превращение лития в гелий тоже даст выделение энергии.
Существует два изотопа лития — с массовыми числами 6 и 7.
В тонне природного металла первого изотопа содержится только 74 килограмма. Остальное составляет литий-7. Однако разделение изотопов лития вполне доступно современной технике..
Эти новые элементы термоядерного горючего способны взаимодействовать следующим образом:
Чтобы реализовать написанные реакции и освободить внутриядерную энергию, достаточно в наружной оболочке добавить к дейтерию и водороду литий. Можно пойти и дальше: ввести литий в запал. Тогда добавлять к содержимому бомбы тритий уже не потребуется, ибо он станет вырабатываться из-за бомбардировки лития-6 нейтронами. Они в большом количестве выделяются при взрыве атомного запала — во время цепной реакции деления ядер урана или плутония, а чуть позднее — при взаимодействии дейтонов. Процесс пойдет по реакции:
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ ПОРОХ
Дейтерий, водород, тритий — газы. Но газообразное горючее для термоядерной бомбы не годится: оно занимает слишком большой объем, имеет малую плотность, малую теплопроводность, а поэтому не успевает быстро прогреться от взрыва запала.
Можно попытаться либо очень сильно сжать газы, либо охладить их градусов на 250 ниже нуля и превратить таким способом в жидкость, либо применить изотопы водорода связанными с кислородом—в виде тяжелой, сверхтяжелой и обычной воды. Однако подготовка и использование подобных видов термоядерного горючего встречают серьезные затруднения.
Сильно сжать газ очень трудно. Чтобы сохранить его под высоким давлением, нужна необычайно прочная и, следовательно, тяжелая оболочка. Превратить газообразное горючее в жидкое путем охлаждения легче, но в этом случае опять-таки требуется мощная теплоизоляционная оболочка — очевидно, со слоями жидкого азота и твердой углекислоты. Начинить бомбу водой совсем легко. Однако вода — не только водород.
Здесь появляется и «негорючий» балласт — кислород.
Все эти мощные оболочки и балластные примеси весьма отрицательно сказываются на развитии термоядерного взрыва. Они резко снижают нагрев горючей смеси.
Самое выгодное — применить термоядерное горючее в чистом виде, а, главное, сделать его твердым, не нуждающимся в особых оболочках. И это, оказывается, возможно.
Схема водородной бомбы на «термоядерном порохе» — дейтериде лития -6
Удается получить твердые соединения изотопов водорода с материалом запала - ураном или плутонием. Наконец, еще эффективнее путь, открываемый благодаря применению того же лития.
Химически соединяясь с изотопами водорода, литий образует твердые вещества — гидриды, в которых водородные атомы расположены теснее, чем даже в чистом жидком водороде.
Особенно сильный взрыв дает гидрид лития-6 с дейтерием — дейтерид лития-6 (Li6D). При взрыве он освобождает тритий и обеспечивает, как сообщалось в научной печати, нагрев до 300 миллионов градусов. При такой температуре успевает совершиться и превращение Li36+D12 →2Не24 , что также сопровождается огромным выделением ядерной энергии.
Дейтерид лития-6 — твердый термоядерный «порох». Сила его взрыва неслыханно велика. Взрыв этого вещества, похожего по виду на обыкновенную мирную столовую соль, в миллиарды раз мощнее вспышки обычного химического пороха.
ГДЕ ПРЕДЕЛ?
Саперу надо свалить дерево. Он привязывает к стволу небольшую, с кусок туалетного мыла, желтую пластинку тола, присоединяет детонатор с бикфордовым шнуром, воспламеняет шнур спичкой и отбегает в сторону. Проходит несколько секунд — раздается взрыв, и дерево падает. Двухсотграммовой пластинки химического взрывчатого вещества хватило на то, чтобы разорвать волокна толстого древесного ствола.
Вообразите теперь, что из подобных плиток сложен штабель размером в шестиэтажный дом— 20 тысяч тонн тола. Если взорвать его, получится эффект, примерно равный взрыву обыкновенной атомной бомбы — типа той, что разрушила Хиросиму (разумеется, без губительной радиоактивности). И такой взрыв создается соединением двух кусков металла общим объемом примерно в две— три маленькие толовые шашки.
