Интегральный быстрый реактор (ИБР) не просто новый
тип реактора, это новый топливный цикл. Интегральный быстрый реактор
− реактор на быстрых нейтронах без замедлителя. В нем есть только активная зона и
отсутствует бланкет.
В ИБР используется металлическое топливо
− сплав урана и плутония.
В его
топливном цикле используется восстановление топлива непосредственно
в самом реакторе с помощью пиропроцессинга . В
пиропроцессинге на ИБР
практически чистый уран собирается
на твердом катоде, а смесьплутония
,
америция
, нептуния
, кюрия
,
урана
и некоторые продукты деления собираются нажидкий кадмиевый катод, плавающий
в соли
электролита.Остальные продукты деления собираются в соли
электролита и в слое кадмия.
Интегральный быстрый реактор охлаждается жидким натрием или свинцом.
Производство металлического топлива проще и дешевле, чем
керамического. Металлическое топливо делает выбор пиропроцесса
естественным. У металлического топлива лучшая теплопроводность
теплоемкость, чем у оксидного Топливом служит сплав урана и
плутония.
Первоначальная закладка в интегральный быстрый реактор должна
содержать больше делящихся под действием тепловых нейтронов изотопов (>
20%),
чем в реактор на тепловых нейтронах. Это могут быть сильно обогащенные уран или
плутоний, списанное ядерное оружие и т.п. За время работы реактор преобразует
неделящиеся под действием тепловых нейтронов материалы(фертильные) в делящиеся.
Фертильными материалами быстром реакторе могут быть обедненный уран (в основном
U-238) природный уран, торий или уран переработанный
из облученного топлива обычного водяного реактора.
Топливо содержится в стальной оболочке с жидким натрием,
расположенным между топливом и оболочкой. Свободное пространство над
топливом позволяет гелию и радиоактивному ксенону свободно
собираться без существенного увеличения давления внутри топливного
элемента и позволяет топливу расширятся не повреждая оболочки
реактора.
Преимущество свинца по сравнению с натрием
заключается в его химической инертности,
в особенности по отношению в воде или воздуху. С другой
стороны, свинец гораздо более вязок, что затрудняет его перекачку.
Кроме того, в нем содержатся активируемые нейтронами изотопы,
которых практически отсутствуют в натрии.
Контуры охлаждения сконструированы таким образом, что позволяют передачу
тепла конвекцией. Так что при потере питания насосами или неожиданной остановки
реактор, тепло вокруг активной зоны будет достаточно для циркуляции охладителя.
В ИБР делящиеся изотопы не разделяются с изотопами плутония,
а также с продуктами деления и поэтому использование такого процесса
для производства оружия практически невозможно. Кроме того плутоний
не извлекается из реактора, что делает его несанкционированное
использование нереальным. После того, как актиниды (уран,
плутоний и минорные актиниды) переработаны, остаются отходы
− продукты деления Sm-151
с периодом полураспада 90 л или долгоживущие как Tc-99 с периодом
полураспада 211000 л и более.
Отходы ИБР либо имеют малые периоды полураспада, либо очень
большие, что означает, что они слабо радиоактивны. Общее количество отходов ИБР
составляет 1/20 от переработанного топлива (которое обычно считается отходами)
реакторов на тепловых нейтронах с той же мощностью. 70% продуктов деления либо
стабильны, либо имеют периоды полураспада около года. Технеций-99 и иод-129,
которых 6% в в продуктах деления имеют очень большие периоды полураспада, но
могут быть трансмутированы в реакторе в изотопы с малыми периодами полураспада (15.46 с и
12.36 ч) поглощением нейтронов в реакторе. Цирконий-93 (5% в
отходах) может быть переработаны в оболочки для топлива, где
радиоактивность не имеет значения. Остальные компоненты отходов
менее радиоактивны, чем естественный уран.
В ИБР используется топливный цикл на два порядка более эффективный,
в части использования топлива, по сравнению с традиционными циклами в реакторах
на медленных нейтронах, препятствующий распространению ядерного
оружия, минимизирующий высокоактивные отходы, более того,
использующий некоторые отходы как топливо.
В ИБР топливо и оболочка сконструирована так, что при
повышении температуры и их расширении все больше нейтронов покидают активную
зону, уменьшая интенсивность цепной реакции. То есть работает отрицательный
коэффициент реактивности. В ИБР этот эффект настолько силен, что способен
остановить цепную реакцию без вмешательства операторов
Пиропрцессинг ‒ высокотемпературный метод электролитической переработки ОЯТ . По сравнению с гидрометаллургическим методом (например PUREX), пиропроцессинг используется непосредственно на реакторе. Растворителями являются расплавленные соли (например, LiCl + KCl или LiF + CaF 2) и расплавленные металлы (например, кадмий, висмут, магний), а не вода и органические соединения. В пиропроцессинге извлечение урана, а также плутония и минорных актинидов происходит одновременно и они могут тут же использоваться как топливо. Объем отходов при этом меньше и в них содержатся в основном продукты деления. Пиропрцессинг используется в ИБР и реакторах с расплавленными солями.
Актуальность важнейшей задачи, поставленной перед специальной лабораторией атомного ядра (с марта 1943 г. - Лабораторией № 2), - проведение необходимых исследований и представление в ГКО доклада "о возможности создания урановой бомбы или уранового топлива ", - усиливалась тем, что разведывательная информация 1941 г., что отмечал, как уже говорилось выше, И.В. Курчатов в своём письме от 27 ноября 1942 г. на имя В.М. Молотова, не содержала исчерпывающего ответа на вопрос о возможности создания урановой бомбы.
В то же время экспериментальная и теоретическая базы, которыми располагала Лаборатория № 2 в первой половине 1943 г., да и в относительно длительный последующий период, были недостаточными для того, чтобы дать определённый ответ на вопрос о реальности атомной бомбы только на основании собственных экспериментальных и теоретических данных.
Однако продолжавшие поступать разведывательные материалы, в том числе материалы, которыми И.В. Курчатов располагал уже к весне 1943 г., по существу не оставляли у него сомнений в осуществимости бомбы из урана-235. Из уже упоминавшегося выше отзыва И.В. Курчатова от 4 июля 1943 г. на поступивший по каналам разведки перечень американских работ по проблеме урана следует, что его беспокоила уже не сама возможность создания бомбы из урана-235, а озабоченность вызывали противоречия в данных различных работ по сечениям деленияурана-235 в области средних энергий нейтронов. И.В. Курчатов отмечал: "Вопрос этот имеет кардинальное значение, так как от величины сечения деления в этой области крайне резко зависят размеры бомбы из урана-235 и самая возможность осуществления котла из металлического урана " .
Весной 1943 г. И.В. Курчатову стала принципиально ясной и новая возможность конструирования атомной бомбы. В записке на имя М.Г. Первухина от 22 марта 1943 г. И.В. Курчатов писал: "В материалах, рассмотрением которых занимался в последнее время… указано, что, может быть, продукты сгорания ядерного топлива в "урановом котле" могут быть использованы вместо урана-235 в качестве материала для бомбы. Имея в виду эти замечания, я внимательно рассмотрел последние из опубликованных американцами в "Physical Review" работ по трансурановым элементам (эка-рению-239 и эка-осьмию-239) и смог установить новое направление в решении всей проблемы урана… ". Речь шла об использовании в атомной бомбе плутония-239, который И.В. Курчатов называл в своём письме эка-осьмием-239. Он писал, что "перспективы этого направления необычайно увлекательны ". "По всем существующим сейчас теоретическим представлениям попадание нейтрона в ядро эка-осьмия должно сопровождаться большим выделением энергии и испусканием вторичных нейтронов, так что в этом отношении он должен быть эквивалентен урану-235". "Если в действительности эка-осьмий обладает такими же свойствами, каки уран-235, его можно будет выделить из "уранового котла" и употребить в качестве материала для эка-осьмиевой бомбы. Бомба будет сделана, следовательно, из "неземного" материала, исчезнувшего на нашей планете .
Как видно, при таком решении всей проблемы отпадает необходимость разделения изотопов урана, который используется и как топливо, и как взрывчатое вещество ".
"Разобранные необычайные возможности, конечно, во многом ещё не обоснованы. Их реализация мыслима лишь в том случае, еслиэка-осьмий-239 действительно аналогичен урану-235 и если, кроме того, так или иначе может быть пущен в ход "урановый котёл". Кроме того, развитая схема нуждается в проведении количественного учёта всех деталей процесса. Эта последняя работа в ближайшее время будет мной поручена проф. Я.Б. Зельдовичу ".
С сообщением о пуске в США первого уранового котла, открывающего перспективы крупномасштабного использования атомной энергии и получения нового делящегося материала с атомным весом 239, пригодного для изготовления атомной бомбы (имелся в виду ядерный реактор Э. Ферми, пущенный 2 декабря 1942 г. в г. Чикаго), И.В. Курчатов был ознакомлен в июле 1943 г. вскоре после получения по каналам разведки этого сообщения.
Он дал чрезвычайно высокую оценку факту пуска в США первого в мире ядерного реактора. В своём отзыве на указанный материал разведки он писал: "Рассмотренный материал содержит исключительной важности сообщение о пуске в Америке первого уран-графитового котла - сообщение о событии, которое нельзя оценить иначе, как крупнейшее явление в мировой науке и технике "
Отметим, что в уже упоминавшемся докладе английского "Комитета MAUD", который поступил в СССР по каналам разведки в 1941 г. и с которым в конце 1942 г. был ознакомлен И.В. Курчатов, говорилось о том, что элемент с массой 239 весьма вероятно будет иметь делительные свойства, подобные свойствам урана-235, и может быть использован как взрывчатое вещество в атомной бомбе(см. ).
В очередную годовщину бадабума на Хиросиме и Нагасаки я решил прошерстить интернет на вопросы ядерного оружия, где почему и как создавалось меня мало интересовало (я уже знал)-меня больше интересовала как 2 куска плутония не плавятся а делают большой бабах.
Приглядывайте за инженерами - они начинают с сеялки, а заканчивают атомной бомбой.
Ядерная физика - одна из самых скандальных областей почтенной естественной науки. Именно в эту область человечество на протяжении полувека бросало миллиарды долларов, фунтов, франков и рублей, как в паровозную топку опаздывающего поезда. Теперь поезд, похоже, уже не опаздывает. Бушующее пламя сгорающих средств и человеко-часов утихло. Попробуем вкратце разобраться, что же это за поезд под названием «ядерная физика».
Изотопы и радиоактивность
Как известно, все сущее состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из электронных оболочек, живущих по своим умопомрачительным законам, и ядра. Классическая химия совершенно не интересуется ядром и его личной жизнью. Для нее атом - это его электроны и их способность к обменному взаимодействию. А от ядра химии нужна только его масса, чтобы рассчитывать пропорции реагентов. В свою очередь, ядерной физике глубоко плевать на электроны. Ее интересует крохотная (в 100 тысяч раз меньше радиуса орбит электронов) пылинка внутри атома, в которой сосредоточена практически вся его масса.
Что мы знаем о ядре? Да, оно состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Впрочем, это не совсем верно. Ядро - это не горсточка шариков двух цветов, как на иллюстрации из школьного учебника. Здесь работают совсем другие законы под названиемсильное взаимодействие, превращающие и протоны, и нейтроны в какое-то неразличимое месиво. Однако заряд этого месива в точности равен суммарному заряду входящих в него протонов, а масса - почти (повторяю, почти) совпадает с массой нейтронов и протонов, из которых состоит ядро.
Кстати, количество протонов неионизированного атома всегда совпадает с количеством электронов, имеющих честь его окружать. А вот с нейтронами дело не так просто. Собственно говоря, задача нейтронов - стабилизировать ядро, поскольку без них одноименно заряженные протоны не ужились бы вместе и микросекунды.
Возьмем для определенности водород. Самый обычный водород. Его устройство до хохота просто - один протон, окруженный одним орбитальным электроном. Водорода во Вселенной навалом. Можно сказать, что Вселенная состоит в основном из водорода.
Теперь аккуратно добавим к протону нейтрон. С точки зрения химии это все равно водород. А вот с точки зрения физики уже нет. Обнаружив два разных водорода, физики забеспокоились и тут же придумали называть обычный водород протием, а водород с нейтроном при протоне - дейтерием.
Наберемся наглости и скормим ядру еще один нейтрон. Теперь у нас еще один водород, еще более тяжелый - тритий. Он, опять же, с точки зрения химии практически не отличается от двух других водородов (ну, разве что в реакцию теперь вступает чуть менее охотно). Сразу хочу предупредить - никакими усилиями, угрозами и увещеваниями вы не сможете добавить к ядру трития еще один нейтрон. Здешние законы куда более строги, чем человеческие.
Итак, протий, дейтерий и тритий - это изотопы водорода. Их атомная масса различна, а заряд - нет. А ведь именно зарядом ядра определяется местоположение в периодической системе элементов. Потому и назвали изотопы изотопами. В переводе с греческого это означает «занимающие одно и то же место». Кстати говоря, всем известная тяжелая вода - это та же вода, но с двумя атомами дейтерия вместо протия. Соответственно, сверхтяжелая вода содержит вместо протия тритий.
Давайте взглянем снова на наши водороды. Так… Протий на месте, дейтерий на месте… А это еще кто? Куда делся мой тритий и откуда здесь появился гелий-3? У нашего трития один из нейтронов явно соскучился, решил сменить профессию и стал протоном. При этом он породил электрон и антинейтрино. Потеря трития - это, конечно, огорчительно, но зато мы теперь знаем, что он нестабилен. Кормежка нейтронами даром не прошла.
Итак, как вы поняли, изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильных изотопов вокруг нас полно, а вот нестабильных, слава богу, практически нет. То есть они имеются, но в настолько рассеянном состоянии, что добывать их приходится ценой очень большого труда. К примеру, уран-235, который доставил столько нервотрепки Оппенгеймеру, составляет в природном уране всего лишь 0,7%.
Период полураспада
Здесь все просто. Периодом полураспада нестабильного изотопа называется промежуток времени, за который ровно половина атомов изотопа распадется и превратится в какие-то другие атомы. Уже знакомый нам тритий имеет период полураспада 12,32 года. Это - достаточно короткоживущий изотоп, хотя по сравнению с францием-223, у которого период полураспада составляет 22,3 минуты, тритий покажется седобородым аксакалом.
Никакие макроскопические внешние факторы (давление, температура, влажность, настроение исследователя, количество ассигнований, расположение звезд) не влияют на период полураспада. Квантовая механика нечувствительна к подобным глупостям.
Популярная механика взрыва
Суть любого взрыва - это стремительное высвобождение энергии, ранее находившейся в несвободном, связанном состоянии. Освободившаяся энергия рассеивается, преимущественно переходя в тепло (кинетическую энергию неупорядоченного движения молекул), ударную волну (тут тоже движение, но уже упорядоченное, по направлению от центра взрыва) и излучение - от мягкого инфракрасного до жестких коротковолновых квантов.
При химическом взрыве все относительно просто. Происходит энергетически-выгодная реакция, когда между собой взаимодействуют некие вещества. В реакции участвуют только верхние электронные слои некоторых атомов, а глубже взаимодействие не идет. Несложно догадаться, что скрытой энергии в любом веществе гораздо больше. Но каковы бы ни были условия опыта, сколь бы удачные реагенты мы ни подобрали, как бы ни выверяли пропорции - глубже в атом химия нас не пустит. Химический взрыв - явление примитивное, малоэффективное и, с точки зрения физики, до неприличия слабое.
Ядерная цепная реакция позволяет копнуть чуть глубже, включая в игру не только электроны, но и ядра. По-настоящему весомо это звучит, пожалуй, только для физика, а остальным приведу простую аналогию. Представьте себе гигантскую гирю, вокруг которой на расстоянии нескольких километров порхают наэлектризованные пылинки. Это атом, «гиря» - ядро, а «пылинки» - электроны. Что с этими пылинками ни делай, они не дадут и сотой доли той энергии, которую можно получить от увесистой гири. Особенно если в силу каких-то причин она расколется, и массивные обломки на огромной скорости разлетятся в разные стороны.
Ядерный взрыв задействует потенциал связи тяжелых частиц, из которых состоит ядро. Но это еще далеко не предел: скрытой энергии в веществе гораздо больше. И имя этой энергии - масса. Опять же, для не-физика это звучит немного непривычно, но масса - это энергия, только предельно сконцентрированная. Каждая частица: электрон, протон, нейтрон - все это мизерные сгустки невероятно плотной энергии, до поры до времени пребывающей в покое. Вы наверняка знаете формулу E=mc2, которую так полюбили авторы анекдотов, редакторы стенгазет и оформители школьных кабинетов. Она именно об этом, и именно она постулирует массу как не более чем одну из форм энергии. И она же дает ответ на вопрос, сколько энергии можно получить из вещества по максимуму.
Процесс полного перехода массы, то есть энергии связанной, в энергию свободную, называетсяаннигиляцией. По латинскому корню «nihil» несложно догадаться о ее сути - это превращение в «ничто», вернее - в излучение. Для ясности - немного цифр.
Взрыв Тротиловый эквивалент Энергия (Дж)
Граната Ф-1 60 грамм 2,50*105
Бомба, сброшенная на Хиросиму 16 килотонн 6,70*1013
Аннигиляция одного грамма материи 21,5 килотонн 8,99*1013
Один грамм любой материи (важна только масса) при аннигиляции даст больше энергии, чем небольшая ядерная бомба. По сравнению с такой отдачей смешными кажутся и упражнения физиков над расщеплением ядра, и уж тем более опыты химиков с активными реагентами.
Для аннигиляции нужны соответствующие условия, а именно - контакт материи с антиматерией. И, в отличие от «красной ртути» или «философского камня», антиматерия более чем реальна - для известных нам частиц существуют и исследованы аналогичные античастицы, а эксперименты по аннигиляции пар «электрон + позитрон» неоднократно проводились на практике. Но чтобы создать аннигиляционное оружие, необходимо собрать воедино некоторый весомый объем античастиц, а также ограничить их от контакта с любой материей вплоть до, собственно, боевого применения. Это, тьфу-тьфу, еще далекая перспектива.
Дефект массы
Последний вопрос, который осталось уяснить относительно механики взрыва, - это откуда все-таки берется энергия: та самая, которая высвобождается в ходе цепной реакции? Тут опять не обошлось без массы. Вернее, без ее «дефекта».
Вплоть до прошлого века ученые полагали, что масса сохраняется при любых условиях, и были по-своему правы. Вот мы опустили металл в кислоту - в реторте забурлило и сквозь толщу жидкости наверх устремились пузырьки газа. Но если взвесить реагенты до и после реакции, не забыв при этом и выделившийся газ, - масса сходится. И так будет всегда, пока мы оперируем килограммами, метрами и химическими реакциями.
Но стоит углубиться в область микрочастиц, как и масса тоже преподносит сюрприз. Оказывается, что масса атома может отнюдь не в точности равняться сумме масс частиц, его составляющих. При делении на части тяжелого ядра (к примеру, того же урана) «осколки» в сумме весят меньше, чем ядро до деления. За «разницу», также называемую дефектом массы, отвечают энергии связей внутри ядра. И именно эта разница уходит в тепло и излучение во время взрыва, причем все по той же простенькой формуле: E=mc2.
Это интересно: так сложилось, что тяжелые ядра энергетически выгодно делить, а легкие - объединять. Первый механизм работает в урановой или плутониевой бомбе, второй - в водородной. А из железа бомбу не сделать при всем желании: оно в этой линейке стоит ровно посередине.
Ядерная бомба
Соблюдая историческую последовательность, рассмотрим сначала ядерные бомбы и осуществим свой маленький «Манхэттенский проект». Я не стану утомлять вас занудными методиками разделения изотопов и математическими выкладками теории цепной реакции деления. У нас с вами есть уран, плутоний, прочие материалы, инструкция по сборке и необходимая доля научного любопытства.
Все изотопы урана нестабильны в той или иной степени. Но уран-235 - на особом положении. При самопроизвольном распаде ядра урана-235 (его еще называют альфа-распадом) образуются два осколка (ядра других, гораздо более легких элементов) и несколько нейтронов (обычно 2-3). Если образовавшийся при распаде нейтрон ударится о ядро другого атома урана, будет обычное упругое соударение, нейтрон отскочит и продолжит поиски приключений. Но через какое-то время он растратит энергию (идеально упругие соударения бывают только у сферических коней в вакууме), и очередное ядро окажется ловушкой - нейтрон поглотится им. Кстати, такой нейтрон физики называюттепловым.
Посмотрите на перечень известных изотопов урана. Среди них нет изотопа с атомной массой 236. А знаете, почему? Такое ядро живет доли микросекунд, а затем распадается с выделением огромного количества энергии. Это называется вынужденный распад. Изотоп с таким временем жизни даже как-то неловко называть изотопом.
Энергия, выделившаяся при распаде ядра урана-235, - это кинетическая энергия осколков и нейтронов. Если подсчитать общую массу продуктов распада ядра урана, а затем сравнить ее с массой первоначального ядра, то окажется, что эти массы не совпадают - первоначальное ядро было больше. Это явление называется дефектом массы, а его объяснение заложено в формуле E0=mс2. Кинетическая энергия осколков, деленная на квадрат скорости света, в точности будет равна разности масс. Осколки тормозятся в кристаллической решетке урана, рождая рентгеновское излучение, а нейтроны, попутешествовав, поглощаются другими ядрами урана или покидают урановую отливку, где все события и происходят.
Если урановая отливка маленькая, то большая часть нейтронов покинет ее, не успев затормозиться. А вот если каждый акт вынужденного распада вызовет хотя бы еще один такой же акт за счет испущенного нейтрона - это уже самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Соответственно, если увеличивать размер отливки, все большее количество нейтронов станет причиной актов вынужденного деления. И в какой-то момент цепная реакция станет неуправляемой. Но это еще далеко не ядерный взрыв. Просто очень «грязный» термический взрыв, при котором выделится большое количество очень активных и ядовитых изотопов.
Вполне закономерный вопрос - сколько нужно урана-235, чтобы цепная реакция деления стала лавинообразной? На самом деле не все так просто. Здесь играют роль свойства расщепляющегося материала и отношение объема к поверхности. Представьте себе тонну урана-235 (сразу оговорюсь - это очень много), которая существует в виде тонкой и очень длинной проволоки. Да, нейтрон, летящий вдоль нее, разумеется, вызовет акт вынужденного распада. Но доля нейтронов, летящих вдоль проволоки, окажется настолько малой, что говорить о самоподдерживающейся цепной реакции просто смешно.
Поэтому условились считать критическую массу для сферической отливки. Для чистого урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это шарик радиусом 9 см). Сами понимаете, такой шарик долго не просуществует, впрочем, как и те, кто его отлили.
Если же шарик меньшей массы окружить отражателем нейтронов (для него прекрасно подходит бериллий), а в состав шарика ввести материал - замедлитель нейтронов (вода, тяжелая вода, графит, тот же бериллий), то критическая масса станет гораздо меньшей. Применяя наиболее эффективные отражатели и замедлители нейтронов, можно довести критическую массу до 250 грамм. Этого, к примеру, можно достигнуть, если поместить в сферическую бериллиевую емкость насыщенный раствор соли урана-235 в тяжелой воде.
Критическая масса существует не только для урана-235. Есть еще ряд изотопов, способных к цепной реакции деления. Главное условие - продукты распада ядра должны вызывать акты распада других ядер.
Итак, у нас есть две полусферических отливки урана массой по 40 кг. Пока они находятся на почтительном отдалении друг от друга, все будет спокойно. А если начать их медленно сдвигать? Вопреки распространенному мнению, не произойдет ничего грибообразного. Просто куски по мере сближения начнут нагреваться, а затем, если вовремя не одуматься, раскаляться. В конце концов они просто расплавятся и растекутся, а все, кто двигал отливки, дадут дуба от облучения нейтронами. А те, кто с интересом наблюдал за этим, склеят ласты.
А если быстрее? Быстрее расплавятся. Еще быстрее? Еще быстрее расплавятся. Охладить? Да хоть в жидкий гелий опустите - толку не будет. А если выстрелить одним куском в другой? О! Момент истины. Мы только что придумали урановую пушечную схему. Впрочем, гордиться нам особенно нечем, эта схема - самая простая и безыскусная из всех возможных. Да и от полушарий придется отказаться. Они, как показала практика, не склонны ровненько слипаться плоскостями. Малейший перекос - и получится очень дорогостоящий «пук», после которого долго придется убирать.
Лучше сделаем короткую толстостенную трубу из урана-235 с массой 30-40 кг, к отверстию которой приставим высокопрочный стальной ствол того же калибра, заряженный цилиндром из такого же урана примерно такой же массы. Окружим урановую мишень бериллиевым отражателем нейтронов. Вот теперь, если пальнуть урановой «пулей» по урановой «трубе» - будет полная «труба». То есть будет ядерный взрыв. Только пальнуть надо по-серьезному, так, чтобы дульная скорость уранового снаряда была хотя бы 1 км/с. Иначе опять же будет «пук», но погромче. Дело в том, что при сближении снаряда и мишени они настолько разогреваются, что начинают интенсивно испаряться с поверхности, тормозясь встречными газовыми потоками. Более того, если скорость недостаточна, то есть шанс, что снаряд просто не долетит до мишени, а испарится по дороге.
Разогнать до такой скорости болванку массой в несколько десятков килограмм, причем на отрезке в пару метров - задача крайне непростая. Именно поэтому потребуется не порох, а мощная взрывчатка, способная создать в стволе должное давление газов за очень короткое время. А ствол потом чистить не придется, не беспокойтесь.
Бомба Mk-I «Little Boy», сброшенная на Хиросиму, была устроена именно по пушечной схеме.
Есть, конечно, незначительные детали, которые мы не учли в нашем проекте, но против самого принципа не погрешили совершенно.
Так. Урановую бомбу мы взорвали. Грибом полюбовались. Теперь будем взрывать плутониевую. Только не надо тащить сюда мишень, снаряд, ствол и прочий хлам. Этот номер с плутонием не пройдет. Даже если мы пальнем одним куском в другой со скоростью в 5 км/с, все равно надкритической сборки не выйдет. Плутоний-239 успеет разогреться, испариться и изгадить все вокруг. Его критическая масса - чуть больше 6 кг. Можете себе представить, насколько он активнее в плане захвата нейтронов.
Плутоний - металл необычный. В зависимости от температуры, давления и примесей он существует в шести модификациях кристаллической решетки. Есть даже такие модификации, в которых он сжимается при нагревании. Переходы из одной фазы в другую могут совершаться скачкообразно, при этом плотность плутония может меняться на 25%.Давайте, как все нормальные герои, пойдем в обход. Вспомним, что критическая масса определяется, в частности, отношением объема к поверхности. Ладно, у нас есть шарик докритической массы, имеющий минимальную поверхность при заданном объеме. Скажем, 6 килограмм. Радиус шарика - 4,5 см. А если этот шарик сжать со всех сторон? Плотность возрастет пропорционально кубу линейного сжатия, а поверхность уменьшится пропорционально его же квадрату. И вот что получится: атомы плутония уплотнятся, то есть тормозной путь нейтрона сократится, а значит, увеличится вероятность его поглощения. Но, опять же, сжать с нужной скоростью (порядка 10 км/с) все равно не выйдет. Тупик? А вот и нет.
При 300°С наступает так называемая дельта-фаза - самая рыхлая. Если легировать плутоний галлием, нагреть его до этой температуры, а затем медленно охладить, то дельта-фаза сможет существовать и при комнатной температуре. Но она не будет стабильной. При большом давлении (порядка десятков тысяч атмосфер) произойдет скачкообразный переход в очень плотную альфа-фазу.
Поместим плутониевый шарик в большой (диаметр 23 см) и тяжелый (120 кг) пустотелый шар из урана-238. Не переживайте, у него нет критической массы. Зато он прекрасно отражает быстрые нейтроны. А они нам еще пригодятся.Думаете, взорвали? Как бы не так. Плутоний - чертовски капризная сущность. Придется еще поработать. Сделаем две полусферы из плутония в дельта-фазе. Сформируем в центре сферическую полость. И в эту полость поместим квинтэссенцию ядерно-оружейной мысли - нейтронный инициатор. Это такой маленький пустотелый шарик из бериллия диаметром 20 и толщиной 6 мм. Внутри его - еще один шарик из бериллия диаметром 8 мм. На внутренней поверхности пустотелого шарика - глубокие бороздки. Все это щедро никелировано и покрыто золотом. В бороздки помещается полоний-210, который активно испускает альфа-частицы. Вот такое вот чудо технологии. Как оно работает? Секундочку. У нас еще есть несколько дел.
Окружим урановую оболочку еще одной, из сплава алюминия с бором. Ее толщина - около 13 см. Итого, наша «матрешка» теперь растолстела до полуметра и поправилась с 6 до 250 кг.
Теперь изготовим имплозионные «линзы». Представьте себе футбольный мяч. Классический, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Изготовим такой «мяч» из взрывчатки, а каждый из сегментов снабдим несколькими электродетонаторами. Толщина сегмента - около полуметра. При изготовлении «линз» есть тоже масса тонкостей, но если их описывать, то на все остальное не хватит места. Основное - максимальная точность линз. Малейшая погрешность - и всю сборку раздробит бризантным действием взрывчатки. Полная сборка теперь имеет диаметр около полутора метров и массу 2,5 тонны. Завершает конструкцию электрическая схема, задача которой - подорвать детонаторы в строго определенной последовательности с точностью до микросекунды.
Все. Перед нами - плутониевая имплозионная схема.
А теперь - самое интересное.
При детонации взрывчатка обжимает сборку, а алюминиевый «толкатель» не дает распространиться спаду взрывной волны, распространяющемуся вслед за ее фронтом внутрь. Пройдя через уран со встречной скоростью около 12 км/с, волна сжатия уплотнит и его, и плутоний. Плутоний при давлениях в зоне сжатия порядка сотен тысяч атмосфер (эффект фокусировки взрывного фронта) перейдет скачком в альфа-фазу. За 40 микросекунд описанная здесь сборка уран-плутоний станет не просто надкритической, а превышающей критическую массу в несколько раз.
Дойдя до инициатора, волна сжатия сомнет всю его конструкцию в монолит. При этом золото-никелевая изоляция разрушится, полоний-210 за счет диффузии проникнет в бериллий, испускаемые им альфа-частицы, проходящие через бериллий, вызовут колоссальный поток нейтронов, запускающих цепную реакцию деления во всем объеме плутония, а поток «быстрых» нейтронов, рожденный распадом плутония, вызовет взрыв урана-238. Готово, мы вырастили второй гриб, ничуть не хуже первого.
Пример плутониевой имплозионной схемы - бомба Mk-III «Fatman», сброшенная на Нагасаки.
Все описанные здесь ухищрения нужны для того, чтобы заставить вступить в реакцию максимальное количество атомных ядер плутония. Основная задача - как можно дольше удержать заряд в компактном состоянии, не дать ему разлететься плазменным облаком, в котором цепная реакция мгновенно прекратится. Здесь каждая выигранная микросекунда - прирост одной-двух килотонн мощности.
Термоядерная бомба
Существует расхожее мнение, что ядерная бомба - запал для термоядерной. В принципе, все гораздо сложнее, но суть ухвачена верно. Оружие, основанное на принципах термоядерного синтеза, позволило добиться такой мощности взрыва, которая ни при каких условиях не может быть достигнута цепной реакцией деления. Но единственный пока источник энергии, позволяющий «поджечь» термоядерную реакцию синтеза, - это ядерный взрыв.
Помните, как мы с вами «кормили» ядро водорода нейтронами? Так вот, если попытаться подобным образом соединить между собой два протона, ничего не выйдет. Протоны не удержатся вместе из-за кулоновских сил отталкивания. Либо они разлетятся, либо произойдет бета-распад и один из протонов станет нейтроном. А вот гелий-3 существует. Благодаря одному-единственному нейтрону, который делает протоны более уживчивыми друг с другом.
В принципе, на основании состава ядра гелия-3 можно сделать вывод, что из ядер протия и дейтерия можно вполне собрать одно ядро гелия-3. Теоретически это так, но такая реакция может идти только в недрах больших и горячих звезд. Более того, в недрах звезд даже из одних протонов можно собрать гелий, превращая часть их в нейтроны. Но это уже вопросы астрофизики, а достижимый для нас вариант - это слить два ядра дейтерия или дейтерий и тритий.
Для слияния ядер необходимо одно очень специфическое условие. Это очень высокая (109 К) температура. Только при средней кинетической энергии ядер в 100 килоэлектронвольт они способны сблизиться на расстояние, при котором сильное взаимодействие начинает преодолевать кулоновское.
Вполне законный вопрос - зачем городить этот огород? Дело в том, что при синтезе легких ядер выделяется энергия порядка 20 МэВ. Разумеется, при вынужденном делении ядра урана эта энергия в 10 раз больше, но есть один нюанс - при самых больших ухищрениях урановый заряд мощностью даже в 1 мегатонну невозможен. Даже для более совершенной плутониевой бомбы достижимый выход энергии - не более чем 7-8 килотонн с одного килограмма плутония (при теоретическом максимуме 18 килотонн). И не забывайте о том, что ядро урана почти в 60 раз тяжелее двух ядер дейтерия. Если считать удельный выход энергии, то термоядерный синтез заметно впереди.
И еще - для термоядерного заряда не существует никаких ограничений по критической массе. У него попросту ее нет. Есть, правда, другие ограничения, но о них - ниже.
В принципе, запустить термоядерную реакцию как источник нейтронов достаточно несложно. Гораздо труднее запустить ее как источник энергии. Здесь мы сталкиваемся с так называемым критерием Лоусона, который определяет энергетическую выгодность термоядерной реакции. Если произведение плотности реагирующих ядер и времени их удержания на расстоянии слияния больше, чем 1014 сек/см3, энергия, даваемая синтезом, превысит энергию, вводимую в систему.
Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.
Первая схема термоядерной бомбы, пришедшая в голову Эдварду Теллеру, была чем-то сродни попытке создать плутониевую бомбу по пушечной схеме. То есть вроде бы все правильно, но не работает. Устройство «классического супера» - жидкий дейтерий, в который погружена плутониевая бомба, - было и вправду классическим, но далеко не супер.
Мысль о взрыве ядерного заряда в среде жидкого дейтерия оказалась тупиковой изначально. При таких условиях мало-мальский выход энергии термоядерного синтеза мог быть достигнут при подрыве ядерного заряда мощностью 500 кт. А о достижении критерия Лоусона вообще говорить не приходилось.
Идея окружить ядерный заряд-триггер слоями термоядерного топлива, перемежающегося ураном-238 в качестве теплоизолятора и усилителя взрыва, Теллеру тоже приходила в голову. Да и не только ему. Первые советские термоядерные бомбы были построены именно по этой схеме. Принцип был достаточно простым: ядерный заряд прогревает термоядерное горючее до температуры начала синтеза, а рождающиеся при синтезе быстрые нейтроны взрывают слои урана-238. Однако ограничение оставалось прежним - при той температуре, которую мог обеспечить ядерный триггер, в реакцию синтеза могла вступить только смесь дешевого дейтерия и невероятно дорогого трития.
Позже Теллера посетила мысль использовать соединение дейтерид лития-6. Такое решение позволило отказаться от дорогих и неудобных криогенных емкостей с жидким дейтерием. К тому же в результате облучения нейтронами литий-6 превращался в гелий и тритий, вступавший с дейтерием в реакцию синтеза.
Недостатком этой схемы оказалась ограниченная мощность - в реакцию синтеза успевала вступить лишь ограниченная часть термоядерного горючего, окружавшего триггер. Остальное, сколько бы его ни было, шло на ветер. Максимальная мощность заряда, полученная при использовании «слойки», равнялась 720 кт (британская бомба Orange Herald). Судя по всему, это был «потолок».
Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».
Наша задача - нагреть термоядерное топливо и удержать его в определенном объеме, чтобы выполнить критерий Лоусона. Оставляя в стороне американские упражнения с криогенными схемами, возьмем в качестве термоядерного топлива уже известный нам дейтерид лития-6.
В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер - цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.
На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба - это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.
Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.
При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.
В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент - начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд - в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.
Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.
Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы - уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».
Мы не будем оригинальными, если скажем, что с двух атомных бомб, сброшенных 6 и 9 августа 1945 г. на Хиросиму и Нагасаки, начался совершенно новый этап в развитии человеческой цивилизации. Глобальные мировые войны навсегда ушли в историю. Осознание этого факта пришло не сразу, но сейчас, после 45 лет холодной войны, стало уже ясно, что ядерное оружие вообще нельзя считать оружием в традиционном смысле этого слова, означающим техническое средство ведения войны. Являясь всё это время наиболее эффективным средством поддержания глобального мира, оно не способно уберечь своих обладателей от позорных поражений в малых войнах (Суэцкий и Карибский кризисы, Корея, Вьетнам, Афганистан и др.).
История создания атомного оружия до сих пор полна белых пятен и ещё ждёт своего летописца, мы же в рамках краткого обзора остановимся только на наиболее важных событиях.
РАЗРАБОТКА ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ В США
Особый драматизм этой истории придает тот факт, что явление деления ядра урана было открыто на рубеже 1938-1939 гг., когда скорое вооруженное столкновение в Европе стало уже практически неотвратимым, но мировое научное сообщество было ещё единым. Если бы это произошло всего на год-два раньше, а такое вполне могло случиться, очень вероятно, что атомное оружие было бы применено в Европе, причём наибольший научно-технический потенциал для его создания имела Германия. После начала Второй мировой войны, когда коллективный разум физиков был разделен линиями фронтов, а фундаментальная наука была отложена до лучших времен, это открытие вообще могло не состояться.
Как бы там ни было, деление ядер урана было открыто, что послужило толчком к развитию ядерной техники.
Сделаем небольшое отступление для читателей, слегка забывших курс общей физики. Для возникновения и развития цепной реакции деления необходимо, чтобы в данный момент времени число испускаемых нейтронов было больше числа поглощенных ядрами урана и других материалов, а также ушедших через поверхность образца, то есть коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы. Количество испускаемых при делении нейтронов пропорционально плотности вещества и объёму, а количество уходящих нейтронов пропорционально площади поверхности образца, поэтому коэффициент размножения увеличивается с ростом его размеров. Состояние с коэффициентом размножения нейтронов, равным единице, получило название критического, а соответствующая масса вещества - критической массы. Величина критической массы зависит от формы образца, его плотности, наличия других материалов, играющих роль поглотителя или замедлителя нейтронов, поэтому состояния критичности можно достичь различными способами, иногда даже помимо желания экспериментатора.
Ко времени открытия деления ядер урана было уже известно, что природный уран представляет собой смесь двух основных изотопов - 99,3% 238U и 0,7% 235U. Вскоре было показано, что цепная реакция возможна в изотопе 235U.
Таким образом, задача овладения ядерной энергией сводилась к задаче промышленного разделения изотопов урана, технически очень сложной, но вполне разрешимой. В условиях начинавшейся большой войны вопрос создания атомной бомбы становился вопросом времени.
Ещё спустя некоторое время было установлено, что цепная реакция возможна в искусственном элементе - плутонии 239Рu. Его можно было получить, облучая природный уран в ядерном реакторе.
Пионером в разработке ядерного оружия, можно считать Францию. Имея отлично оснащённую лабораторию в Коллеж де Франс и государственную поддержку, французы выполнили много фундаментальных работ в ядерной области. В 1930-х гг. Франция скупила все запасы урановой руды в Бельгийском Конго, что составляло половину всего мирового запаса урана. В 1940 г., после падения Франции, эти запасы на двух транспортах были переправлены в Америку. Впоследствии вся американская ядерная программа базировалась именно на этом уране.
Немецкие оккупационные власти не обратили внимания на ядерную лабораторию - такие исследования не были в Германии приоритетными. Лаборатория благополучно пережила оккупацию и сыграла ведущую роль при создании французской бомбы после войны.
В последнее время появилось много публикаций о том, что немцы близко подошли к созданию ядерной бомбы или даже имели её. Данный эпизод показывает, что это не так. В конце войны американцы послали в Европу специальную комиссию, которая шла за наступающими войсками союзников и разыскивала следы немецких ядерных исследований. Её отчёт был опубликован, в том числе и на русском языке. Единственная существенная находка - образец недостроенного ядерного реактора. Его изучение показало, что критического состояния этот реактор достичь не мог. Так что до создания бомбы немцам было очень далеко...
В Англии работы по исследованию деления урана начались позже, чем во Франции, зато сразу с четкой направленностью на создания атомного оружия. Британцы выполнили расчёт, хотя и очень приближённый, критической массы урана 235, который не превышал 100 кг, а не тонн, как предполагалось ранее. Была предложена первая работоспособная схема ядерной бомбы пушечного типа. В ней критическая масса создаётся быстрым сближением двух кусков 235U в пушечном стволе. Скорость сближения оценивалась в 1000... 1800 м/с. В дальнейшем оказалось, что эта скорость была сильно завышена. В связи с уязвимым положением Великобритании под немецкими бомбами, работы были перенесены в Канаду, а потом и в США.
Работы над атомной бомбой в США начались под влиянием Англии, и физиков (как отечественных, так и эмигрировавших из Германии). Основным аргументом был вопрос - а вдруг Германия создаёт атомную бомбу? Деньги на исследования были выделены, и 2 декабря 1942 г в Чикаго был запущен первый атомный реактор на природном уране и графите, в качестве замедлителя, а 13 августа 1942 г. был создан Манхэттенский округ инженерных войск. Так возник Манхэттенский проект, увенчавшийся созданием атомной бомбы в 1945 г.
Главным вопросом при создании бомбы, было получение пригодных для неё делящихся материалов. Природные изотопы урана - 235U и 238U имеют совершенно одинаковые химические и физические свойства, поэтому разделить их известными на то время методами было невозможно. Разница состоит только в ничтожном различии атомной массы этих изотопов. Только используя эту разницу, можно было попробовать разделить изотопы. Исследования показали практическую осуществимость четырёх методов разделения изотопов урана:
- электромагнитное разделение;
- газодиффузионное разделение;
- термодиффузионное разделение;
- разделение изотопов на высокоскоростных центрифугах.
Все четыре метода требовали строительства огромных заводов с многоступенчатым производственным процессом, потребляющих большое количество электроэнергии, требующих больших объёмов глубокого вакуума и других тонких и сложных технологий. Финансовые и интеллектуальные затраты обещали быть огромными. Тем не менее, в США были построены обогатительные заводы по первым трём методам (высокоскоростные центрифуги в то время оставались лабораторными образцами).
К концу 1945 г. производительность американской промышленности составила 40 кг оружейного урана 235 - 80% (позже - 90%) обогащения. Для секретности оружейный уран назвали сплав Оралой. Обогащенный уран использовался не только для создания бомбы. Уран, обогащенный до 3%...4% нужен для создания реакторов.
В последнее время часто упоминается обеднённый уран. Здесь нужно понимать, что это уран, из которого извлекли какую то часть изотопа 235U. То есть, по сути дела, это отходы ядерного производства. Такой уран используют для легирования твёрдых сплавов, применяемых в бронебойных артиллерийских снарядах. Другое применение урана - создание некоторых красок.
Для производства оружейного плутония в Хэнфорде, шт. Вашингтон, был создан промышленный комплекс, включающий: атомные уран-графитовые реакторы, радиохимическое производство для выделения плутония из извлечённых из реакторов материалов, а также металлургическое производство. Плутоний - металл, и его нужно плавить и рафинировать.
В плутониевом цикле свои трудности: мало того, что атомный реактор сам по себе - сложнейший агрегат, требующий многих знаний и больших затрат, но и весь цикл - грязный. Всё оборудование и выпускаемая продукция были радиоактивными, что требовало применения особых методов производства и средств защиты.
Первую продукцию - металлический плутоний-239 - завод в Хэнфорде выдал в начале 1945 г. Его производительность в 1945 г. составляла около 20 кг плутония в месяц, что позволяло изготавливать в месяц до трех атомных бомб.
До середины 1942 г. разработке собственно атомной бомбы особого внимания не уделялось. Главным считалось получение для неё делящихся материалов - урана-235 и плутония-239. Для разработки и сборки атомных бомб в пустынном штате Нью-Мексико был построен закрытый научный городок Лос-Аламос (Лагерь V).
Весной 1945 г. в Лос-Аламосе действовали следующие подразделения: теоретической физики (директор X. Бете), экспериментальной ядерной физики (Дж. Кеннеди и С. Смит), военное (У. Парсонс), взрывчатых веществ (Г. Кистяковский), физики бомбы (Р. Бахер), перспективных исследований (Э. Ферми), химии и металлургии. Каждое подразделение делилось на группы по усмотрению их руководителей.
Создание американских атомных бомб обошлось недёшево. Общие затраты оцениваются суммой, превышающей 2 млрд. долл. Только в Лос-Аламосе на начальном этапе создания ядерного оружия произошло семь радиационных аварий с человеческими жертвами. Наиболее известна гибель от переоблучения молодого физика Луи Слотина, занимавшегося опасными экспериментами с подкритическими сборками.
«Теперь можно учитывать в наших оперативных планах существование бомбы пушечного типа, которая должна предположительно иметь мощность, эквивалентную взрыву 10000 т тринитротолуола (ТНТ). Если не производить настоящего испытания (нам это не кажется необходимым), первая бомба должна быть готова к 1 августа 1945 г. Вторая должна быть закончена к концу года, а последующие... через промежутки времени, которые предстоит уточнить.
Сначала мы надеялись, что к концу весны станет возможным создать бомбу компрессионного (имплозивного) типа, однако эти надежды не сбылись вследствие трудностей научного характера, которые пока не удалось преодолеть. В настоящее время эти осложнения приводят к тому, что нам необходимо большее количество материала, который будет использован с меньшей эффективностью, чем это предполагалось ранее. Мы будем располагать достаточным количеством сырья для изготовления бомбы компрессионного типа к концу июля. Эта бомба должна будет иметь мощность, эквивалентную примерно 500 т ТНТ. Можно надеяться, что во второй половине 1945 г. нам удастся изготовить... другие дополнительные бомбы. Они будут иметь большую мощность: по мере продолжения работ мощность каждой бомбы сможет достичь эквивалента 1000 т ТНТ; если нам удастся разрешить некоторые проблемы, мощность атомной бомбы сможет достичь 2500 т ТНТ.
Оперативный план, основанный в настоящее время на более надежном использовании мощной бомбы пушечного типа, предполагает также использований бомб компрессионного типа, когда их будет достаточное количество. Осуществление различных стадий нашего плана не должны препятствовать никакие трудности, за исключением тех, которые связаны с решением проблем, имеющих чисто научный характер».
Обращает на себя внимание уверенность генерала в успехе урановой бомбы и очень осторожное его отношение к бомбе плутониевой.
Здесь настало время перейти к конкретному описанию конструкции первых американских атомных бомб - знаменитых «Малыша» и «Толстяка», а также их послевоенных модификаций.
БОМБЫ «МАЛЫШ» И «ТОЛСТЯК»
В период разработки и в 1945 г. они назывались (совсем как у нас) скромным словом изделие (gadget), но после войны, с официальным принятием изделий на вооружение, они получили соответствующую маркировку. «Малыш» и «Толстяк» получили обозначение соответственно Mk.I и Mk.III, нереализованный проект плутониевой бомбы военного времени - Mk.II.
Конструкция бомбы пушечного типа Little Boy («Малыш») была разработана под руководством Уильяма Парсонса. Принцип её действия был основан на создании критической массы урана-235 путём сближения двух подкритических масс в орудийном стволе. Схема такой бомбы и основные методы разделения изотопов урана были изложены ещё в английском отчете Комитета Томсона, переданном американским специалистам осенью 1941 г., поэтому «Малыша» можно с полным основанием называть бомбой английского типа.
В отчёте Комитета Томсона указывалась основная трудность на пути реализации пушечной схемы – большая требуемая скорость сближения подкритических масс. Она необходима для того, чтобы не допустить преждевременного разлёта урана при начале цепной реакции. По оценкам английских специалистов, эта скорость составляла примерно 1000-1800 м/с, что близко к предельной для артиллерийских систем величине. Дальнейшие исследования показали, что эта оценка завышена, и при условии использования для начала цепной реакции нейтронного инициатора, скорость сближения подкритических масс может быть намного меньшей - порядка 300-500 м/с. Кроме того, задача существенно облегчалась тем, что конструкция была одноразовой, поэтому запас прочности ствола можно было принять близким к единице. Интересно, что по воспоминаниям Гровса, это было осознано разработчиками бомбы не сразу, поэтому первоначально её конструкция получалась сильно перетяжелённой.
Ядерный заряд из урана-235 - 80% обогащения состоит из двух подкритических масс - цилиндрического снаряда и мишени, помещённых в ствол из легированной стали. Мишень представляет собой три кольца диаметром 152 мм (6 дюймов) и общей длиной 203 мм (8 дюймов), установленных в массивном стальном отражателе нейтронов диаметром 610 мм (24 дюйма). Отражатель выполняет также роль инертной массы, препятствующей быстрому разлёту делящихся материалов при развитии цепной реакции. Масса стального отражателя составляет 2270 кг - больше половины всей массы бомбы.
Масса уранового заряда «Малыша» составляет 60 кг, из которых 42% (25 кг) приходятся на снаряд, а 58% (35 кг) - на мишень. Это значение примерно соответствует критической массе урана-235 - 80% обогащения. Для быстрого развития цепной реакции и, следовательно, высокого коэффициента использования делящихся материалов применён нейтронный инициатор, установленный на дне мишени.
В принципе, заряд пушечного типа может работать и без нейтронного инициатора, но тогда цепная реакция в массе, незначительно превышающей критическую, будет развиваться медленнее, что уменьшит коэффициент использования делящихся материалов.
Калибр пушечного ствола составляет 76,2 мм (3 дюйма - один из стандартных артиллерийских калибров), а его длина - 1830 мм. В хвостовой части бомбы помещается поршневой затвор, урановый снаряд и картузный заряд бездымного пороха, массой несколько фунтов (1 фунт - 0,454 кг). Масса ствола составляет 450 кг, затвора - 35 кг. При выстреле урановый снаряд разгоняется в стволе до скорости около 300 м/с. В популярных фильмах, посвященных ядерному оружию, показывают драматическую сцену, как в полёте, в бомбовом отсеке, специалист по ядерному оружию откручивает какие-то гайки и выполняет какие-то манипуляции с бомбой, тщательно пересчитывая гайки. Так он заряжает «Малыша» перед сбросом.
Корпус «Малыша» имел цилиндрическую форму и, по мнению летчиков, больше всего напоминал мусорный бак с хвостом. Для защиты от осколков зенитных снарядов он выполнен из легированной стали толщиной 51 мм (2 дюйма).
Требование защиты от зенитной артиллерии после войны было признано надуманным, приведшим лишь к неоправданному перетяжелению первых атомных бомб. Действительно, попасть в небольшую бомбу, падающую с околозвуковой скоростью, практически невозможно.
Бомба имеет стандартное для американских авиабомб Второй мировой войны довольно громоздкое хвостовое оперение. Длина «Малыша» составляет 3200 мм, диаметр - 710 мм, полный вес - 4090 кг. Бомба имеет один узел подвески. После отделения от самолёта бомба свободно падала по баллистической траектории, достигая у земли околозвуковых скоростей. Никакой парашютной системы, упоминаемой в некоторых популярных книгах, не было. Благодаря передней центровке и большому удлинению, «Малыш» выгодно отличался от «Толстяка» устойчивостью на траектории и, следовательно, хорошей точностью попадания.
Система подрыва бомбы должна была обеспечить её взрыв на высоте 500-600 м над землёй, оптимальной для образования у поверхности мощной ударной волны. Известно, что ядерный взрыв имеет четыре основных поражающих фактора: ударную волну, световое излучение, проникающую радиацию и радиоактивное заражение местности. Последнее максимально при наземном взрыве, когда большинство радиоактивных продуктов деления остается на месте взрыва. Система подрыва должна удовлетворять двум совершенно противоположным требованиям:
1. Бомба должна быть безопасной в обращении, поэтому несанкционированный ядерный взрыв должен быть совершенно исключён.
2. При сбросе над целью должен быть гарантирован взрыв на заданной высоте, в крайнем случае - самоликвидация бомбы при ударе о землю, чтобы она не попало в руки противника.
Основными компонентами системы подрыва являются четыре радиовысотомера, барометрический и временной предохранители, блок автоматики, источник питания (аккумулятор).
Радиовысотомеры APS-13 Арчи обеспечивают взрыв бомбы на заданной высоте. При этом для повышения надёжности блок автоматики подрыва срабатывает при получении сигнала от любых двух из четырех высотомеров. Малогабаритный высотомер Арчи был разработан ранее в лаборатории Альвареса по заказу ВВС как радиодальномер защиты хвоста самолёта, но в этом качестве он не нашёл широкого применения. Дальность действия Арчи составляла 600–800 м, используемый как радиовысотомер, он выдавал команду на подрыв бомбы на высоте 500-600 м. Так как носовая часть бомбы занята массивным стальным отражателем, характерные штыревые антенны Арчи размещаются на боковой поверхности корпуса. Антенны были весьма уязвимы, поэтому при хранении и транспортировке бомбы они снимались. Интересно, что 6 и 9 августа 1945 г., в дни атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, чтобы не помешать работе радиовзрывателей «Малыша» и «Толстяка», всей американской авиации, действовавшей над Японией, было запрещено ставить радиопомехи.
Для предотвращения несанкционированного взрыва бомбы служит барометрический предохранитель, который блокирует цепи подрыва на высотах, больших 2135 м. Давление к бародатчику подаётся через снабженные дефлекторами воздухозаборники, симметрично расположенные вокруг хвостовой части бомбы.
Временной предохранитель (таймер) предотвращает срабатывание радиовысотомера по сигналу, отражённому от самолёта-носителя в случае неисправности барометрического предохранителя. Он блокирует цепь подрыва в течение первых 15 с после отделения от самолёта.
Таким образом, автоматика бомбы работает следующим образом:
1. Сброс бомбы осуществляется с высоты 9500-10000 м. Через 15 с после отделения от самолёта-носителя, когда бомба удаляется от него примерно на 1100 м, временной предохранитель включает систему подрыва.
2. На высоте 2100-2200 м барометрический предохранитель включает радиовысотомеры и цепь зарядки высоковольтного конденсатора подрыва по схеме: аккумулятор - инвертор - трансформатор - выпрямитель - конденсатор.
3. На высоте 500-600 м при срабатывании двух из четырёх радиовысотомеров, блок автоматики подрыва разряжает конденсатор на электродетонатор пушечного заряда.
4. В случае полного отказа всех вышеперечисленных систем, бомба взрывается от обычного взрывателя, при ударе о землю.
Расчетный тротиловый эквивалент (ТЭ) «Малыша» составлял 10-15 кТ.
На изготовление первой атомной бомбы, сброшенной 6 августа 1945 г. на Хиросиму, ушёл практически весь полученный к тому времени оружейный уран, поэтому полигонные испытания бомбы не проводились, тем более, что работоспособность её несложной и хорошо отработанной конструкции сомнений не вызывала. Вообще разработка и доводка «Малыша» были практически закончены к концу 1944 г., и его применение задерживалось только отсутствием необходимого количества урана-235. Обогащенный уран с большими трудностями был получен только в июне 1945 г.
По разрушениям в Хиросиме была проведена приблизительная оценка мощности бомбы, которая реально составляла 12-15 кт тротилового эквивалента. Количество урана, вступившего в реакцию деления, не превышало 1,3%.
На производство 1 кг урана-235 80% обогащения по технологии 1945 г. требовалось около 600000 кВт-ч электроэнергии и более 200 кг природного урана, соответственно один «Малыш» с урановым зарядом массой 60 кг обходился в 36000 МВт-ч энергии, более 12 т урана и полтора месяца непрерывной работы промышленного гиганта в Ок-Ридже. Именно из-за неэкономичного использования крайне дорогостоящих делящихся материалов, ядерные заряды пушечного типа, впоследствии, были почти полностью вытеснены имплозивными.
После войны история «Малыша» не закончилась. Между августом 1945 г. и февралем 1950 г. было изготовлено пять урановых бомб типа Mk.l, все они были сняты с вооружения уже в январе 1951 г. Вновь о «Малыше» вспомнили, когда флоту США потребовалась малогабаритная атомная бомба для разрушения сильно защищенных целей. Модернизированный вариант «Малыша» получил обозначение Мк.8 и состоял на вооружении с 1952 по 1957 гг.
Другой путь создания атомной бомбы базировался на использовании плутония. Основная трудность в создании плутониевой бомбы заключалась в свойствах самого плутония. Он делится интенсивнее, чем уран, поэтому критическая масса для плутония существенно меньше, чем у урана (11 кг для 239Ри и 48 кг для 235U). Плутоний радиоактивен и ядовит, поэтому при работах с ним нужно использовать средства защиты.
Металлический плутоний имеет малую прочность, в диапазоне температур от комнатной до температуры плавления проходит шесть модификаций строения кристаллической решётки, с разной плотностью и подвергается интенсивной коррозии на открытом воздухе. Кроме того, он постоянно выделяет тепло, которое необходимо отводить. Для преодоления этих черт, детали из плутония приходится легировать другими металлами и наносить защитные покрытия.
Как было сказано ранее, критическое состояние можно получить не только быстрым сближением двух масс (для плутония этот путь не выгоден, в силу ряда причин), но и путём увеличения плотности подкритической массы делящегося материала. Плутоний для этого подходил лучше, чем уран.
Из школьного курса физики мы знаем, что твёрдые тела и жидкости несжимаемы. Для повседневной жизни - это действительно так. Но если приложить ОЧЕНЬ большое давление, то твёрдое тело (кусок плутония) можно сжать. Тогда он достигнет критического состояния, и произойдёт ядерный взрыв. Достичь этого давления можно при помощи взрыва обычной взрывчатки. Для этого нужно ядро из плутония поместить в сферу из обычного взрывчатого вещества (ВВ). По всей поверхности взрывчатки расположить детонаторы и одновременно их подорвать. Тогда внешняя поверхность сферы будет разлетаться в стороны, а детонационная волна пойдёт внутрь и сожмёт ядерный заряд.
Практически осуществить мы это не можем - ведь невозможно на поверхности сферы разместить огромное количество детонаторов. Решением проблемы стала нетривиальная идея имплозии (Implosion) - взрыва, направленного вовнутрь, предложенная Сетом Неддермейером. Процесс взрыва нам кажется мгновенным, но на самом деле процесс детонации ВВ происходит во фронте детонационной волны, которая распространяется в взрывчатке со скоростью 5200..7800 м/с. Для разных сортов взрывчатки скорость детонации разная.
Для получения сферически сходящейся волны, поверхность сферы была разделена на отдельные блоки. В каждом блоке детонация инициируется в одной точке, а затем расходящаяся из этой точки волна детонации преобразуется линзой в сходящуюся. Принцип действия линзы из ВВ совершенно аналогичен принципу действия обычной оптической линзы. Преломление фронта волны детонации осуществляется за счет различной скорости детонации в различных взрывчатых веществах. Чем больше разница скоростей детонации в элементах линзового блока, тем он получается компактнее. Из геометрических соображений, на поверхности сферы можно разместить 32, 60 или 92 линзы.
Чем больше линз в сферически симметричном заряде, тем он компактнее, а сферичность имплозии выше, но сложнее автоматика подрыва. Последняя должна обеспечить одновременный подрыв всех детонаторов с разбросом по времени не более 0,5-1,0 мкс.
В первые послевоенные годы, в печати часто обсуждался вопрос о секрете атомной бомбы. И хотя Вячеслав Молотов, в одной из своих речей сказал, что для нас никакого секрета не существует, мы должны понимать, что этот «секрет» распадается на множество составляющих секретов, каждый из которых важен для общего успеха. О трудностях получения делящихся материалов мы уже упоминали. Не менее важно было понимать свойства взрывчатки и процессов её детонации. Необходимо было обеспечить стабильность качества взрывчатки независимо от партии и внешних условий. Это потребовало проведения больших исследовательских работ.
Другой секрет - разработка системы подрыва и детонаторов, одновременно срабатывающих на всей сфере заряда. Это так же является технологическим секретом.
Центральный металлический узел ядерного заряда, состоит из концентрически установленных (от центра к периферии) импульсного источника нейтронов, ядра из делящихся материалов и отражателя нейтронов из природного урана. После войны, центральный узел усовершенствовали - между внутренним слоем отражателя нейтронов и ядром из плутония оставили некоторый зазор. Ядро оказывалось как бы «висящим» внутри заряда. При взрыве отражатель в этом зазоре успевает набрать дополнительную скорость до удара в ядро. Это позволяет существенно увеличить степень сжатия ядра и, соответственно, коэффициент использования делящихся материалов. Левитирующее ядро использовалось в зарядах послевоенных бомб Мк.4, Мк.5, Мк.6, Мк.7 и др.
Из сказанного выше вытекает один из способов обеспечения безопасности при хранении ядерных боеприпасов: нужно извлечь делящееся ядро из взрывающейся сферы, и хранить его отдельно. Тогда в случае аварии взорвётся обыкновенная взрывчатка, но ядерного взрыва не будет. Вводить ядро в боеприпас нужно непосредственно перед применением.
Отработка имплозивного заряда требовала большого объёма взрывных экспериментов с инертным веществом вместо плутониевого ядра. Конечной целью было добиться правильного сферического обжатия центрального ядра. После интенсивных работ, 7 февраля 1945 г. был испытан имплозивный заряд (без делящихся материалов) давший удовлетворительные результаты. Это открыло путь к созданию «Толстяка».
Принцип действия бомбы имплозивного типа и само слово имплозия оставались в США секретными даже после опубликования в 1946 г. известного официального отчета «Атомная энергия для военных целей». Впервые краткое описание имплозивной бомбы появилось только в 1951 г. в материалах судебного расследования по делу советского агента Дэвида Грингласса, работавшего механиком в Лос-Аламосе.
Вершиной второго, плутониевого, направления Манхэттенского проекта стала бомба Mk.III «Fat Man» («Толстяк»).
В центре заряда помещён источник нейтронов (инициатор), за характерный внешний вид получивший прозвище шарик для гольфа.
Активным материалом атомной бомбы является легированный плутоний-239 с плотностью 15,9 г/куб.см. Заряд изготовлен в виде полого шара, состоящего из двух половинок. Внешний диаметр шара 80-90 мм, масса - 6,1 кг. Это значение массы плутониевого ядра приведено в рассекреченном ныне докладе генерала Гровса от 18 июня 1945 г. о результатах первого ядерного испытания.
Плутониевое ядро установлено внутри полого шара из металлического природного урана с внешним диаметром 460 мм (18 дюймов). Урановая оболочка играет роль отражателя нейтронов и также состоит из двух полусфер. Снаружи урановый шар окружен тонким слоем боросодержащего материала, уменьшающего вероятность преждевременного начала цепной реакции. Масса уранового отражателя - 960 кг.
Вокруг центрального металлического узла размещается составной заряд взрывчатого вещества. Заряд ВВ состоит из двух слоев. Внутренний формируется двумя полусферическими блоками, изготовленными из мощной взрывчатки. Внешний слой ВВ образован линзовыми блоками, схема которых описана выше. Детали блоков изготовлены из ВВ с точными (машиностроительными) допусками размеров. Всего во внешнем слое составного заряда 60 блоков ВВ с 32 взрывными линзами.
Детонация составного заряда инициируется одновременно (±0,2 мкс) в 32 точках 64 высоковольтными электродетонаторами (для большей надёжности детонаторы дублированы). Профиль взрывных линз обеспечивает превращение расходящейся волны детонации в сходящуюся к центру заряда. К моменту окончания детонации линзовых блоков на поверхности внутреннего сплошного слоя ВВ формируется сферически симметричная сходящаяся детонационная волна с давлением во фронте несколько тысяч атмосфер. При прохождении её через ВВ давление возрастает ещё почти вдвое. Затем ударная волна проходит через урановый отражатель, сжимает плутониевый заряд и переводит его в надкритическое состояние, а поток нейтронов, возникающий при разрушении нейтронного инициатора, вызывает цепную ядерную реакцию. Степень сжатия ядра в первой имплозивной бомбе была относительно небольшой - порядка 10%.
Общая масса химического взрывчатого вещества составляла около 2300 кг, то есть примерно половину полной массы бомбы. Наружный диаметр составного заряда 1320 мм (52 дюйма).
Заряд взрывчатого вещества вместе с центральным металлическим узлом размещался в дюралевом корпусе сферической формы диаметром 1365 мм (54 дюйма), на наружной поверхности которого установлены 64 разъёма для крепления электродетонаторов. Корпус заряда собирался на болтах из двух полусферических оснований и пяти центральных сегментов. К фланцам корпуса крепились передний и задний конусы. На переднем конусе установлен блок автоматики подрыва (блок X), на заднем - радиодальномеры, барометрический и временной предохранители.
Эта сборка (без заднего конуса со всем его содержимым) и была, собственно, ядерным зарядом, взорванным в Аламогордо 16 июля 1945 г.
Тротиловый эквивалент заряда составлял 22±2 кт.
Ядерный заряд установлен в баллистическом корпусе эллиптической формы, напоминавшем дыню, отсюда и прозвище - «Толстяк». Чтобы противостоять осколкам зенитных снарядов, он выполнен из броневой стали толщиной 9,5 мм (3/8 дюйма). Масса корпуса составляет почти половину всей массы бомбы. Корпус имеет три поперечных разъёма, по которым разделяется на четыре секции: носовой отсек, передний и задний полуэллипсоиды, образующие отсек ядерного заряда, хвостовой отсек. На фланце носового отсека установлены аккумуляторные батареи. Носовой отсек и отсек ядерного заряда вакуумируются для защиты автоматики от влаги и пыли, а также для повышения точности бародатчика.
Максимальный диаметр бомбы составлял 1520 мм (60 дюймов), длина - 3250 мм (128 дюймов), полная масса - 4680 кг. Диаметр определялся размерами ядерного заряда, длина - протяженностью переднего бомбоотсека бомбардировщика В-29.
Интересно, что за время доводки имплозивного заряда изменялся и корпус бомбы. Первый его вариант (модель 1222) был признан неудачным. Окончательный вариант баллистического корпуса получил обозначение Модель 1561. После войны первый, неосуществлённый вариант плутониевой бомбы получил обозначение Mk.II, а её окончательный вариант, взорванный в Аламогордо, Нагасаки и на атолле Бикини - Mk.III.
Компоновку «Толстяка» и форму его эллиптического корпуса нельзя назвать удачными с точки зрения аэродинамики. Тяжелый ядерный заряд расположен в средней части корпуса, так что центр масс бомбы совпадает с центром давления, поэтому устойчивость бомбы на траектории можно было обеспечить только за счет развитого хвостового оперения.
Его доводка вызвала наибольшие (если не считать ядерных проблем) трудности. Эксперименты по сбрасыванию макетов бомбы проводились на авиабазе Мюрок Драй Лэйк в Калифорнии. Первоначально «Толстяк» имел изящный кольцевой стабилизатор. Испытания были неудачными: при падении с большой высоты бомба разгонялась до околозвуковых скоростей, картина обтекания нарушалась, и бомба начинала кувыркаться. Кольцевой стабилизатор заменили на обычный для американских бомб - коробчатый, большей площади, но и ему не удалось стабилизировать «Толстяка».
Ранее с той же проблемой столкнулся Барнс Уоллис, конструктор английских сверхтяжелых 5- и 10-тонных бомб «Толлбой» и «Грэнд Слэм». Уоллису удалось обеспечить их устойчивость за счёт большого удлинения корпуса (порядка 6) и вращения бомбы вокруг продольной оси.
Удлинение «Толстяка» составляло всего 2,1 и было лимитировано размерами ядерного заряда и бомбоотсека. Было предложено применить парашютную систему, но это было крайне нежелательно, так как увеличило рассеивание бомбы и её уязвимость от огня ПВО противника.
В конце концов, инженерам-испытателям авиабазы удалось найти приемлемую конструкцию коробчатого хвостового стабилизатора, известную как Калифорнийский парашют. Калифорнийский парашют представлял собой громоздкую дюралевую конструкцию массой 230 кг, состоящую из 12 плоскостей общей площадью 5,4 кв.м. Стабилизация осуществлялась не столько за счёт смещения центра давления, сколько за счёт эффекта воздушного тормоза.
Калифорнийский парашют не дал «Толстяку» кувыркаться, но его устойчивость на траектории оставляла желать лучшего. Колебания бомбы по углам рыскания и тангажа достигали 25°, при этом нагрузки на хвостовое оперение приближались к пределу его прочности. Соответственно, круговое вероятное отклонение бомбы достигало 300 м (для сравнения, у английской 5-тонной бомбы «Толлбой» - порядка 50 м). Непредсказуемость своей траектории Толстяк продемонстрировал на практике: по некоторым данным, в Нагасаки он взорвался в 2000 м от точки прицеливания («Малыш» в Хиросиме - всего в 170 м), на испытаниях в Бикини в 1946 г. он промазал на 650 м.
Состав и логика работы автоматики подрыва аналогичны таковым у «Малыша». Высоковольтные блоки, для повышения надёжности их было два, каждый со своей группой детонаторов, обеспечивали одновременный подрыв всех 32 линзовых блоков. Штыревые антенны радиовысотомеров Арчи устанавливались, как и у «Малыша», на боковой поверхности корпуса, воздухозаборники и коллектор бародатчика - в его хвостовой части.
Вокруг передней крышки корпуса установлены четыре стандартных ударных взрывателя AN 219, связанных с составным зарядом детонирующими трубками. Ударные взрыватели обеспечивали самоликвидацию бомбы при ударе о грунт даже в случае полного отказа всей автоматики. Конечно, ядерный взрыв, для которого требовался одновременный подрыв всех блоков ВВ, при этом исключался. Антенны радиовысотомеров и ударные взрыватели устанавливались непосредственно перед боевым вылетом, поэтому на большинстве фотографий «Толстяка» они отсутствуют.
Для отработки атомной бомбы был спроектирован массогабаритный макет «Толстяка». Такие макеты, получившие прозвище Pumpkinsi («Тыква»), были изготовлены в количестве около 200 штук и использовались для тренировок лётчиков и обслуживающего персонала. Для соблюдения секретности «Тыквы» считались прототипами фугасной бомбы большой мощности и снаряжались 2500 кг ВВ и тремя ударными взрывателями.
В отличие от «Малыша», плутониевая бомба «Толстяк» изготавливалась серийно, хотя в 1945 г. это был только экспериментальный образец, собранный «на коленке» физиками и техниками из Лос-Аламоса. К концу года они собрали ещё две такие бомбы.
После войны началось новое, очень опасное противостояние с бывшим союзником - Советским Союзом. Для гарантии безопасности Запада было принято решение иметь в готовности к боевому применению не менее 50 атомных бомб. «Толстяк» имел много недостатков, но альтернативы ему не было: «Малыш» требовал слишком много высокообогащённого урана, а новая модель имплозивной бомбы - Мк.4 - ещё только разрабатывалась.
«Толстяк», получивший в серийном производстве обозначение Mk.III, был доработан с точки зрения повышения технологичности конструкции и надёжности автоматики. Серийные Mk.III отличались от «Толстяка» 1945 г. новыми электродетонаторами и новым, более надёжным блоком автоматики подрыва.
Производство Mk.III началось в апреле 1947 г. и продолжалось до апреля 1949 г. Всего было выпущено около 120 бомб трёх незначительно отличавшихся модификаций Mod.0, Mod.1 и Mod.2. Часть из них, по некоторым данным, для экономии плутония имела составное ядро из плутония и урана-235.
Серийное производство Mk.III следует считать вынужденным решением. Неустойчивость на траектории была главным, но не единственным её недостатком. Свинцовые аккумуляторы имели срок службы в заряженном состоянии всего девять суток. Через каждые трое суток требовалась подзарядка батарей, а через девять суток - их замена, для чего нужно было разбирать корпус бомбы.
Из-за тепловыделения плутония, вызванного его радиоактивностью, время хранения ядерного заряда в собранном состоянии не превышало десяти суток. Дальнейший нагрев мог повредить линзовые блоки ВВ и электродетонаторы.
Сборка и разборка ядерного заряда были очень трудоёмкими и опасными операциями, в которых были заняты 40-50 человек в течение 56-76 ч. Наземное обслуживание бомбы Mk.III требовало много нестандартного оборудования: специальных транспортировочных тележек, подъёмников, вакуумных насосов, контрольно-измерительных приборов и т.п.
Сказанного достаточно, чтобы убедиться, что Mk.III нельзя считать боевой системой оружия.
Уже весной 1949 г. началась замена Mk.III на новую бомбу Мк.4. В конце 1950 г. была снята с вооружения последняя Mk.III. Такой короткий срок службы лишь недавно выпущенных изделий объясняется крайне ограниченным тогда запасом делящихся материалов. Плутоний из зарядов Mk.III мог быть использован гораздо более эффективно в Мк.4.
Первое испытание ядерного заряда плутониевой бомбы «Толстяк» состоялось в Аламогоро, примерно в 300 км к югу от Лос-Аламоса, 16 июля 1945 г. Испытание получило кодовое наименование Trinity («Троица»). Ядерный заряд бомбы и блоки автоматики без баллистического корпуса были установлены на 30-метровой стальной башне. В радиусе 10 км были оборудованы три наблюдательных пункта, а на расстоянии 16 км - блиндаж для пункта управления.
Так как уверенности в успехе первого испытания не было, поступило предложение взорвать бомбу в специальном сверхпрочном контейнере, который, в случае неудачи, не дал бы разлететься драгоценному плутонию. Такой контейнер, рассчитанный на взрыв 250 т тротила, был изготовлен и доставлен на полигон. Контейнер, получивший прозвище «Дамбо», имел длину 8 м, диаметр 3,5 м и массу 220 т. Взвесив все за и против, Оппенгеймер и Гровс отказались от его использования. Решение было благоразумным, ибо осколки этого монстра при взрыве могли натворить бед.
Перед испытаниями многие специалисты, в качестве пари, записали ожидаемую мощность взрыва. Вот их прогнозы: Оппенгеймер осторожно записал 300 т тротила, Кистяковский - 1400 т, Бете - 8000 т, Раби - 18000 т, Теллер - 45000 т. Альварес записал 0 т, успокоив присутствовавших рассказом о том, что разработанная им ранее система слепой посадки сработала только с пятого раза.
Сборка и подключение автоматики заряда были закончены Георгием Кистяковским и двумя его помощниками за полчаса до взрыва. Взрыв был произведен в 5 ч 30 мин утра. Его мощность превзошла ожидания большинства присутствовавших. Самое эмоциональное описание взрыва содержится, на наш взгляд, в докладе генерала Гровса, приведенном в книге его воспоминаний. Более всего поразила воображение генерала судьба контейнера «Дамбо», стоявшего в нескольких сотнях метров от эпицентра. 220-тонный гигант был выворочен из бетонного основания и изогнут в дугу.
Сразу после взрыва Ферми осмотрел из танка «Шерман» 400-метровую пологую воронку, покрытую расплавленным песком. Тротиловый эквивалент взрыва составил 22±2 кт. Коэффициент использования делящихся материалов превысил ожидаемый и составил 17% (напомним, у «Малыша» - всего 1,3 %). При этом примерно 80% энергии выделилось в плутониевом ядре, а 20% - в урановом отражателе нейтронов.
Для «технарей», которые составляют большинство читателей этой статьи, приведем физическую картину 20-килотонного взрыва:
При взрыве, эквивалентном 20 кт тротила, через 1 мкс радиус огненной сферы, состоящей из раскалённых паров и газов, составляет около 15 м, а температура - порядка 300000°С. Уже примерно через 0,015 с радиус увеличивается до 100 м, а температура падает до 5000-7000°С. Через 1 с огненный шар достигает максимальных размеров (радиус 150 м). Вследствие сильного разрежения огненный шар с большой скоростью поднимается вверх, увлекая за собой пыль с поверхности земли. Остывая, шар превращается в клубящееся облако, имеющее характерную для ядерного взрыва грибовидную форму.
Внешне похожую картину даёт взрыв большой ёмкости с бензином, чем и пользуются для имитации ядерного взрыва на военных учениях.
Ещё две бомбы Mk.III были взорваны в 1946 г. на атолле Бикини в рамках операции Кроссроудз. Оба взрыва, воздушный и, впервые, подводный, были проведены в интересах Военно-морских сил США, уже тогда начавших многолетнее соперничество с ВВС за первое место в стратегических силах.
Воздействию ядерного взрыва было подвергнуто большое количество боевых кораблей, в том числе 5 линкоров, 2 авианосца, 4 крейсера и 8 подводных лодок. На испытания были приглашены наблюдатели из государств-членов ООН, в том числе из Советского Союза.
1 июля 1946 г. был проведён воздушный ядерный взрыв «Эйбл» на высоте 400 м, а 25 июля - подводный взрыв «Бейкер» на глубине 30 м. В целом боевые корабли показали высокую боевую устойчивость к ядерному взрыву. При воздушном взрыве затонули всего 5 кораблей из 77, стоявших не далее 500 м от эпицентра. При подводном взрыве основные повреждения были получены при ударе кораблей днищами о грунт при прохождении под ними волны от взрыва. Высота волны на удалении от эпицентра 300 м достигала 30 м, на удалении 1000 м - 12 м и на 1500 м - 5-6 м. Если бы взрыв происходил не на мелководье, повреждения были бы минимальными.
Результаты испытаний на Бикини дали повод некоторым специалистам говорить о неэффективности ядерного оружия против соединения кораблей, идущего в противоатомном ордере, на расстоянии около 1000 м друг от друга. Однако это верно только в отношении ядерного взрыва относительно небольшой мощности - порядка 20 кт. Кроме того, то, что корабли остались на плаву, ещё не означало сохранения их боеспособности.
B-29 - НОСИТЕЛЬ ДЛЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
Параллельно с организацией работ по созданию ядерного оружия генералу Гровсу пришлось задуматься о его носителе. Лучший бомбардировщик американских ВВС - Боинг В-29 «Суперфортресс» - был приспособлен для подвески бомб калибром не более 1814 кг. Единственным бомбардировщиком союзников, рассчитанным на применение 5-тонных бомб, если не считать советского Пе-8, был английский «Ланкастер».
Англо-американское соглашение о совместной разработке атомной бомбы не исключало, конечно, применения «Ланкастера», но Гровс был твёрдо убеждён, что в вопросах применения ядерного оружия Америка должна быть полностью независимой даже от союзников. Программа переоборудования бомбардировщика В-29 в носитель атомной бомбы получила шифр Silverplate Project. В рамках этого проекта было оборудовано 45 самолётов.
Основным их отличием от стандартного В-29 была установка в бомбоотсеке английского бомбодержателя F, использовавшегося в RAF для подвески сверхмощной 5443-килограммовой бомбы «Толлбой». Держатель был приспособлен для подвески плутониевой бомбы «Толстяк», а для крепления урановой бомбы «Малыш» требовался специальный переходник. С целью облегчения самолёта всё бронирование и оборонительное вооружение, кроме кормовой установки, было снято. Дополнительно были установлены аппаратура контроля автоматики бомбы, система электрообогрева бомбоотсека и радиовысотомер SCR-718.
Максимальное облегчение самолёта и установка более высотных двигателей и винтов позволила поднять потолок В-29 до 12000 м. Сложная и недостаточно надёжная автоматика бомбы потребовала включения в экипаж бомбардировщика дополнительного специалиста оператора бомбового вооружения.
Из-за большого диаметра «Толстяка» его загрузка в бомбоотсек В-29 проводилась над специальной ямой или при помощи подъёмника.
Первые 15 самолётов поступили на вооружение 509-й смешанной авиагруппы, сформированной 9 декабря 1944 г. В состав авиагруппы входили 393-я бомбардировочная эскадрилья на В-29 и 320-я транспортная эскадрилья на четырёхмоторных самолётах Дуглас С-54. Командиром 509-й авиагруппы был назначен 29-летний полковник Пол Тиббетс, опытнейший летчик, принимавший участие в налётах на Регенсбург и Швейфурт, а затем в испытаниях В-29.
509-я авиагруппа первоначально базировалась на аэродроме Уэндовер-Филд в штате Юта. Боевая подготовка заключалась в отработке прицельного высотного бомбометания одиночными авиабомбами большой мощности. После сброса бомбы на высоте 10000 м самолёт выполнял резкий разворот на 150-160° и на форсаже со снижением уходил от точки сброса. За 40 с падения бомбы по баллистической траектории он удалялся от эпицентра взрыва на 16 км. По расчетам, на таком расстоянии ударная волна 20-килотонного взрыва создавала перегрузку 2g при разрушающей для конструкции В-29 перегрузке 4g. Однако об этих расчётах знал только полковник Тиббетс. Остальной личный состав считал, что массогабаритные макеты бомб («Тыквы») и будут основным вооружением авиагруппы.
После окончания курса боевой подготовки в Уиндовере 509-я авиагруппа была переброшена на Кубу, где тренировалась в длительных полётах над морем. 26 апреля 1945 г. авиагруппа полковника Тиббетса была признана готовой к боевому применению и начала перебазироваться на аэродром Норд-Филд на острове Тиниан из группы Мари-
БОМБАРДИРОВКА ХИРОСИМЫ И НАГАСАКИ
Вопрос о боевом применении ядерного оружия встал уже в конце 1944 г. Создатели бомбы, политическое руководство и военные торопились: опасались появления ядерного оружия у Германии, поэтому ни у кого не было сомнений, что бомбу сбросят на Германию, причём хорошо бы в полосе наступления Советских войск... Но Германии повезло - она капитулировала 9 мая 1945 г. Единственным противником осталась Япония.
Была создана специальная группа, которая выработала рекомендации по выбору цели для ядерной бомбардировки. Вкратце эти рекомендации выглядят так: нужно сбросить по крайней мере 2 бомбы, чтобы противник подумал, что у США есть запас ядерных бомб. Цель должна иметь компактную застройку, преимущественно деревянными зданиями (все японские города имели такую застройку), иметь большое военно-стратегическое значение и не подвергаться до этого налётам бомбардировочной авиации. Это позволяло точнее определить эффект от ядерной бомбардировки.
В качестве объектов атомной бомбардировки были выбраны четыре японских города, удовлетворявших перечисленным требованиям: Хиросима, Ниигата, Кокура и Киото. Впоследствии Киото - город-памятник, древняя столица Японии, по решению военного министра Стимсона, была вычеркнута из чёрного списка. Его место занял портовый город Нагасаки.
Окончательное решение о применении было за президентом Трумэном (Рузвельт к тому времени уже умер) и оно было положительным. В своих мемуарах он пишет:
«Принимать окончательное решение о времени и месте применения бомбы должен был я. В этом не может быть никакого сомнения. Я считал атомную бомбу средством ведения войны и никогда не сомневался в необходимости пустить её в ход».
Генерал Гровс по этому поводу заметил: «Трумэн не так уж много сделал, сказав да. В те времена потребовалось бы огромное мужество, чтобы сказать нет».
Тем временем 509-я авиагруппа начала тренировочные полёты с острова Тиниан. При этом небольшие группы по 2-3 В-29 сбрасывали массо-габаритные макеты атомной бомбы («Тыквы») на соседние с объектами будущей атомной бомбардировки японские города. Полёты проходили практически в полигонных условиях: японцы, экономя горючее и боеприпасы, при появлении на большой высоте одиночных самолётов даже не объявляли воздушной тревоги. Личный состав авиагруппы, за исключением полковника Тиббетса, считал, что эти полёты, засчитывавшиеся экипажам как боевые вылеты, и есть их работа. Лётчики испытывали, правда, лёгкое разочарование, так как «Тыквы» по всем параметрам уступали английским сверхмощным 5- и 10-тонным бомбам, а о точности прицеливания с 10-километровой высоты и говорить нечего. Всего было выполнено 12 таких полётов, одной из целей которых было приучить японцев к виду тройки В-29 на большой высоте.
С этими полётами, возможно, связана одна легенда, о которой можно было и не говорить, если бы она не получила широкого распространения. В смутное время Перестройки в ряде изданий появилось, со ссылкой на какие-то документы из архивов внешней разведки, сенсационное утверждение, что на Японию было сброшено не две, а три атомные бомбы, но одна из них не взорвалась и попала в руки советских разведчиков. Зная, с какими трудностями и в какие сроки были получены делящиеся материалы для первых двух бомб, можно с уверенностью утверждать, что третьей бомбы не могло быть в принципе.
Бывший сотрудник посольства СССР в Токио, генерал-майор в отставке М.И. Иванов предполагает, что в этих документах речь идет о неразорвавшейся 250-килограммовой американской бомбе, упавшей вблизи советского консульства в Нагасаки. Рискнём высказать ещё одно предположение, в которое, впрочем, не очень верим сами. В ходе тренировочных полетов 509-й авиагруппы могла «не разорваться» одна из «Тыкв». «Наши люди» могли заинтересоваться бомбой необычной формы, что и нашло отражение в документах.
26 июля 1945 г. Уильям Парсонс на крейсере «Индианополис» доставил на Тиниан урановый заряд для первой бомбы. К тому времени японский флот был уничтожен практически полностью, и капитану III ранга Парсонсу морской путь доставки казался надёжнее воздушного. По иронии судьбы на обратном пути «Индианополис» был потоплен человекоторпедой, выпущенной одной из немногих уцелевших японских подводных лодок. Заряд для плутониевой бомбы был доставлен по воздуху самолётом С-54. Бомбы, самолёты и экипажи были готовы к 2 августа, но приходилось ждать улучшения погоды.
Первая атомная бомбардировка была намечена на 6 августа 1945 г. Основная цель - Хиросима, запасные - Кокура и Нагасаки. Тиббетс решил вести В-29 с тактическим номером 82 сам. Командир корабля капитан Льюис должен был занять правое кресло второго пилота. Места штурмана-навигатора и штурмана-бомбардира заняли старший штурман авиагруппы капитан Ван Кирк и старший бомбардир майор Ферреби. Остальные члены экипажа - бортмеханик ст. сержант Дазенбери, радист рядовой Нельсон, стрелки сержант Карон и сержант Шумард, оператор РЛС сержант Стиборик - были оставлены на своих местах. Кроме них в состав экипажа входили специалисты по полезной нагрузке из Лос-Аламоса - руководитель разработки Малыша капитан III ранга Парсонс, механик лейтенант Джеппсон и электронщик ст. лейтенант Бисер. Средний возраст экипажа не превышал 27 лет, выделялся только 44-летний Парсонс.
В операции «Сентеборд» должны были участвовать семь В-29. Три самолёта выполняли роль разведчиков погоды над Хиросимой, Кокурой и Нагасаки. В-29 полковника Тиббетса возьмёт на борт урановую бомбу «Малыш». Его сопровождают ещё две «Сверхкрепости», одна из которых сбрасывает над целью контейнер с измерительной аппаратурой, а вторая фотографирует результаты бомбардировки. Седьмой В-29 был заранее послан на остров Иводзима, лежащий на маршруте группы, для возможной замены одной из машин. На борту своего В-29 номер 82 Пол Тиббетс попросил написать имя своей матери - Энола Гэй (Enola Gay).
В дни, предшествовавшие вылету «Энолы Гэй», на Тиниане произошло несколько катастроф при взлёте перегруженных В-29 других авиагрупп. Насмотревшись на то, как они взрывались на собственных бомбах, Парсонс решил зарядить пушку «Малыша» в воздухе после взлёта. Эта операция не была предусмотрена заранее, но сравнительно несложная конструкция «Малыша» теоретически позволяла это сделать. После нескольких тренировок в бомбоотсеке стоящего самолёта, Парсонсу удалось, ободрав руки об острые кромки деталей и перепачкавшись в графитовой смазке, научиться выполнять эту операцию за 30 мин.
5 августа, накануне вылета, Тиббетс собрал экипаж «Энолы Гэй» и сообщил, что ему выпала честь сбросить первую в истории атомную бомбу, эквивалентную по мощности примерно 20 тыс. т обычной взрывчатки. Парсонс показал фотографии, сделанные три недели назад в Аламогоро.
6 августа в 1 ч 37 мин стартовали три самолёта метеоразведки: В-29 «Straight Flash», «Full House» и «Yabbit III». В 2 ч 45 мин поднялась в воздух ударная тройка: «Enola Gay» с «Малышом» в бомбоотсеке, «The Great Artist» с измерительной аппаратурой и «Necessary Evil» с фотоаппаратурой. На корпусе «Малыша» было написано: «За души погибших членов экипажа «Индианополиса». После взлёта Парсонс спустился в тёмный и негерметичный бомбоотсек, зарядил пушку бомбы урановым снарядом и подключил электродетонатор.
В 7 ч 09 мин высоко над Хиросимой появился метеоразведчик «Стрэйт Флэш» майора Изерли. В сплошной облачности как раз над городом оказался большой просвет диаметром около 20 км. Изерли передал Тиббетсу: «Облачность меньше трех десятых на всех высотах. Можно идти на основную цель».
Приговор Хиросиме был подписан. Это оказалось слишком сильным потрясением для майора Изерли; до конца своей жизни он так и не смог оправиться от психической травмы и кончил свои дни в больнице.
Полёт «Энолы Гэй» проходил на редкость спокойно. Воздушную тревогу японцы не объявляли, жители Хиросимы уже привыкли к пролётам одиночных В-29 над городом. Самолёт вышел на цель с первого захода. В 8 ч 15 мин 19 с местного времени «Малыш» покинул бомбоотсек «Сверхкрепости». «Энола Гэй» развернулась на 155° вправо и начала со снижением на полной мощности моторов уходить от цели.
В 8 ч 16 мин 02 с, через 43 с после сброса, «Малыш» взорвался на высоте 580 м над городом. Эпицентр взрыва находился в 170 м к юго-востоку от точки прицеливания - моста Аиой в самом центре города. Работа штурмана-бомбардира была безупречной.
Хвостовой стрелок сквозь тёмные очки наблюдал картину взрыва и две приближавшиеся к самолёту ударные волны: прямую и отражённую от земли. От каждой В-29 встряхивало, как от попадания зенитного снаряда. После 15 ч полёта все самолёты, участвовавшие в операции Сентеборд, вернулись на базу.
Результаты 15-килотонного взрыва превзошли все ожидания. Город с населением 368 тыс. человек был разрушен практически полностью. Убито 78 тыс. и ранено 51 тыс. человек. По японским, более достоверным, данным число погибших значительно больше - 140±10 тыс. человек. Основной причиной гибели людей были ожоги и, в меньшей степени, радиационное облучение.
Уничтожено 70 тыс. строений - 90% всего города. Хиросима навсегда стала пугающим символом Третьей мировой войны, возможно, не состоявшейся только благодаря ей. Вместо описания ужасов бомбардировки достаточно взглянуть на фотографии разрушенного атомным взрывом города.
Вторая атомная бомбардировка была запланирована на 12 августа, но внезапно перенесена на 9 августа. Трумэн спешил, возможно, он просто опасался, что Япония капитулирует раньше.
Многие историки, даже признавая целесообразность атомной бомбардировки Хиросимы для ускорения окончания войны и, в конечном счете, уменьшения её жертв, считают сброс второй бомбы преступлением. Между 6 и 9 августа прошло так мало времени, что американцы не могли даже узнать о реакции японцев на первую бомбу. Кстати, японское правительство, поначалу не поняло, что произошло в Хиросиме. Они получили доклад, что в Хиросиме произошло что-то ужасное, но что это было - оставалось неизвестным. Понимание пришло позже.
Что касается второй бомбардировки, то вероятно, помимо понятного желания испытать в боевых условиях бомбу более совершенного типа, американское руководство желало, чтобы японцы убедились: атомная бомба не одна, применяться они будут со всей решительностью, так что с капитуляцией следует поспешить. Об этом говорит любопытное послание, сброшенное с одного из самолётов сопровождения в день второй атомной бомбардировки. Оно было адресовано профессору - физику Сагане, известному как на Западе, так и в Японии, и подписано Альваресом и другими американскими физиками. В письме американские ученые просили Сагану употребить всё своё влияние, чтобы ускорить капитуляцию и избежать полного разрушения Японии атомными бомбами Возможно, истинными авторами этого послания были американские спецслужбы. Самое интересное, что оно действительно было доставлено адресату, но к тому времени война уже закончилась.
Как бы то ни было, 9 августа 1945 г. в 3 часа утра с Тиниана стартовал В-29 со второй атомной бомбой - плутониевым «Толстяком».
Это был «Bock`s car» под управлением майора Суини, который во время налета на Хиросиму управлял самолётом сопровождения «The Great Artist». Место командира «The Great Artist» занял штатный командир экипажа «Bock`s car» капитан Бок, которому самолёт был обязан своим прозвищем (игра слов: boxcar - товарный вагон). Конструкция «Толстяка» не допускала таких цирковых трюков, как сборка - разборка в полёте, поэтому самолёт взлетал с полностью снаряжённой бомбой. Основной целью была назначена Кокура, запасной - Нагасаки.
В отличие от рейда на Хиросиму, вторая атомная бомбардировка проходила очень тяжело. Началось с отказа бензонасоса, который делал невозможной выработку 2270 л топлива из дополнительного бака, подвешенного в заднем бомбоотсеке. Погода стремительно ухудшалась. В полёте над океаном исчез из видимости В-29 майора Гопкинса, который должен был фотографировать результаты взрыва. На этот случай было предусмотрено 15-минутное ожидание у берегов Японии. Суини кружил на месте встречи, соблюдая радиомолчание, целый час, пока в поле зрения не появился В-29, как выяснилось, - чужой... Самолёты метеоразведки сообщили о хорошей погоде как над Кокурой, так и над Нагасаки.
Так и не дождавшись Гопкинса, Суини повёл свой «Бокскар» на основную цель - Кокуру. Однако тем временем ветер над Японией изменил направление. Густой дым над горевшим после очередного налета металлургическим комбинатом Явата закрыл цель. Майор Суини сделал три захода на цель, но прицельное бомбометание было невозможно. Суини, хотя топлива было в обрез, принял решение идти на запасную цель - Нагасаки. Над ней тоже было облачно, но контуры залива всё же просматривались на экране радиолокационного прицела. Отступать было некуда, и в 11 ч 02 мин «Толстяк» взорвался на высоте 500 м над промзоной Нагасаки примерно в 2 км севернее точки прицеливания.
Хотя бомба была почти вдвое мощнее «Малыша», результаты взрыва были скромнее, чем в Хиросиме: погибли 35 тыс. человек, ранено 60 тыс. По японским данным, число жертв вдвое больше - 70±10 тыс. человек. Город пострадал меньше. Сыграла свою роль большая ошибка прицеливания и конфигурация города, расположенного в долинах двух рек, разделённых холмами.
О возвращении на базу не могло быть и речи. Горючего могло хватить только до запасного аэродрома на Окинаве. Когда остров показался на горизонте, стрелки бензиномеров стояли уже на нулях. Выпустив фейерверк ракет, Суини сумел обратить на себя внимание. Полосу освободили, и «Бокскар» совершил посадку с прямой. На уход с полосы топлива уже не хватило...
Уже после войны стало известно, что японская служба радиоперехвата вела В-29 на всём его пути до Нагасаки. Дело в том, что несмотря на режим радиомолчания, бомбардировщик обменивался с базой на Тиниане кодированными радиосигналами. Эти сигналы были зафиксированы японцами при первом налёте на Хиросиму, а при втором они позволили отслеживать путь самолёта. Однако японская ПВО уже была в таком плачевном состоянии, что не смогла поднять на перехват ни одного истребителя.
Чем считать атомную бомбардировку Хиросимы и Нагасаки: воинским подвигом, остановившим войну, или преступлением? Конечно, как и в случае ночных ковровых бомбардировок городов Германии и Вьетнама, гордиться особенно нечем, да и была ли эта бомбардировка необходимой?
Известно, что к весне 1945 г. правящие круги Японии уже осознали, что война проиграна, и начали готовить почву для заключения перемирия на приемлемых для себя условиях. Но правительство Трумэна оставляло эти усилия без внимания, готовясь положить на стол свой главный, атомный, козырь. Потсдамская декларация требовала от Японии, по сути, безоговорочной капитуляции. После Хиросимы и Нагасаки условия капитуляции были Японией приняты.
Допустим, что Америка в 1945 г. не имела бы атомного оружия. Тогда американцам пришлось бы проводить высадку непосредственно на Японские острова. Эта компания, по оценке некоторых экспертов, могла стоить американцам потери до 1 миллиона солдат. Японские солдаты и камикадзе уже доказали свою самоотверженность, а общественное мнение Америки уже было шокировано огромными потерями на Иводзиме и Окинаве. Правда, в 1945 г. американская бомбардировочная авиация была уже в состоянии сравнять с землей все японские города и промышленные предприятия с помощью обычных бомб, но это обернулось бы гораздо большим количеством жертв среди мирного населения, чем в Хиросиме и Нагасаки.
Таким образом, отказавшись от применения атомного оружия, американское руководство вынуждено было либо принять японские условия перемирия, либо продолжать утюжить японские города, приумножая число жертв.
На наш взгляд, самое большое влияние ужасная судьба Хиросимы и Нагасаки оказала на ход послевоенной истории. Вид этих японских городов, мы думаем, не раз вставал в воображении Сталина, Эйзенхауэра, Хрущева и Кеннеди, так и не дав 45-летней Холодной войне перерасти в Третью мировую...
Подготовка к применению ядерного оружия продолжалась и после Хиросимы и Нагасаки. По утверждению Гровса, третья плутониевая бомба могла быть готова после 13 августа, другие источники называют значительно более поздние сроки - не ранее осени 1945 г. Так или иначе, при планировании возможной высадки на Японские острова осенью 1945 г. Комитет начальников штабов США планировал использование девяти атомных бомб. Трудно сказать, насколько эти планы были реальными. Капитуляция Японии резко затормозила все работы - к концу года имелось в наличие всего две бомбы.
Оба атомных бомбардировщика, «Enola Gay» и «Bockscar», сохранились до наших дней. Первый выставлен в экспозиции Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, второй - в музее ВВС США на авиабазе Райт-Паттерсон в штате Огайо.
(К. Кузнецов, Г. Дьяконов, «Авиация и космонавтика»)
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.
Ничто не вызывает такого интереса, как атомная бомба
Строение заряда бомбы
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.
«Полевой командир» в прямом эфире Где сейчас вячеслав мальцев
ОАО «Долгопрудненское научно-производственное предприятие» (dnpp)
Кислород физические свойства
«Институт пищевых технологий и дизайна» - филиал
Противоэпидемиологические мероприятия