Атомное оружие. В чем отличие атомной, ядерной и водородной бомб друг от друга? Как выглядит ядерное оружие

А вот этого-то мы зачастую и не знаем. И почему ядерная бомба взрывается, тоже…

Начнём издалека. У каждого атома есть ядро, а ядро состоит из протонов и нейтронов – это знают, пожалуй, все. Точно так же все видели таблицу Менделеева. Но почему химические элементы в ней размещены именно так, а не иначе? Уж наверняка не потому, что Менделееву так захотелось. Порядковый номер каждого элемента в таблице указывает на то, сколько протонов находится в ядре атома этого элемента. Иными словами, железо стоит 26-м номером в таблице, потому что в атоме железа 26 протонов. А если их не 26, это уже не железо.

Но вот нейтронов в ядрах одного и того же элемента может быть разное количество, а значит, и масса у ядер бывает разная. Атомы одного и того же элемента с разной массой называются изотопами. У урана таких изотопов несколько: самый распространённый в природе – уран-238 (в его ядре 92 протона и 146 нейтронов, вместе получается 238). Он радиоактивен, но ядерную бомбу из него не изготовишь. А вот изотоп уран-235, небольшое количество которого есть в урановых рудах, для ядерного заряда годится.

Возможно, читатель сталкивался с выражениями «обогащённый уран» и «обеднённый уран». В обогащённом уране больше урана-235, чем в природном; в обеднённом, соответственно – меньше. Из обогащённого урана можно получить плутоний – другой элемент, пригодный для ядерной бомбы (в природе он почти не встречается). Как обогащают уран и как из него получают плутоний – тема отдельного разговора.

Итак, почему ядерная бомба взрывается? Дело в том, что некоторые тяжёлые ядра имеют свойство распадаться, если в них попадёт нейтрон. А уж свободного нейтрона долго ждать не придётся – их вокруг очень много летает. Итак, попадает такой нейтрон в ядро урана-235 и тем самым разбивает его на «осколки». При этом высвобождается ещё несколько нейтронов. Догадываетесь, что произойдёт, если вокруг будут ядра того же элемента? Правильно, произойдёт цепная реакция. Вот так это происходит.

В ядерном реакторе, где уран-235 «растворён» в более стабильном уране-238, взрыва при нормальных условиях не происходит. Большинство нейтронов, которые вылетают из распадающихся ядер, улетает «в молоко», не находя ядер урана-235. В реакторе распад ядер идёт «вяло» (но этого хватает, чтобы реактор давал энергию). Вот в цельном куске урана-235, если он будет достаточной массы, нейтроны будут гарантированно разбивать ядра, цепная реакция пойдёт лавиной, и… Стоп! Ведь если изготовить кусок урана-235 или плутония нужной для взрыва массы, он сразу же и взорвётся. Это не дело.

А если взять два куска докритической массы, и столкнуть их друг с другом при помощи механизма на дистанционном управлении? Например, поместить оба в трубку и к одному прикрепить пороховой заряд, чтобы в нужный момент выстрелить одним куском, как снарядом, в другой. Вот и решение проблемы.

Можно поступить иначе: взять шарообразный кусок плутония и по всей его поверхности закрепить взрывные заряды. Когда эти заряды по команде извне сдетонируют, их взрыв сожмёт плутоний со всех сторон, сдавит его до критической плотности, и произойдёт цепная реакция. Однако тут важны точность и надёжность: все взрывные заряды должны сработать одновременно. Если часть из них сработает, а часть – нет, или часть сработает с опозданием, никакого ядерного взрыва не выйдет: плутоний не сожмётся до критической массы, а рассеется в воздухе. Вместо ядерной бомбы получится так называемая «грязная».

Так выглядит ядерная бомба имплозионного типа. Заряды, которые должны создать направленный взрыв, выполнены в форме многогранников, чтобы как можно плотнее охватить поверхность плутониевой сферы.

Устройство первого типа назвали пушечным, второго типа – имплозионным.
Бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму, имела заряд из урана-235 и устройство пушечного типа. Бомба «Толстяк», взорванная над Нагасаки, несла плутониевый заряд, а взрывное устройство было имплозионным. Сейчас устройства пушечного типа почти не используются; имплозионные сложнее, но в то же время позволяют регулировать массу ядерного заряда и расходовать его более рационально. Да и плутоний как ядерная взрывчатка вытеснил уран-235.

Прошло совсем немного лет, и физики предложили военным ещё более мощную бомбу – термоядерную, или, как её ещё называют, водородную. Получается, водород взрывается сильнее плутония?

Водород действительно взрывоопасен, но не настолько. Впрочем, «обычного» водорода в водородной бомбе нет, в ней используются его изотопы – дейтерий и тритий. У ядра «обычного» водорода один нейтрон, у дейтерия – два, у трития – три.

В ядерной бомбе ядра тяжёлого элемента делятся на ядра более лёгких. В термоядерной идёт обратный процесс: лёгкие ядра сливаются друг с другом в более тяжёлые. Ядра дейтерия и трития, к примеру, соединяются в ядра гелия (иначе называемые альфа-частицами), а «лишний» нейтрон отправляется в «свободный полёт». При этом выделяется значительно больше энергии, чем при распаде ядер плутония. Кстати, именно этот процесс идёт на Солнце.

Однако реакция слияния возможна только при сверхвысоких температурах (почему она и называется ТЕРМОядерной). Как заставить дейтерий и тритий вступить в реакцию? Да очень просто: нужно использовать как детонатор ядерную бомбу!

Поскольку дейтерий и тритий сами по себе стабильны, их заряд в термоядерной бомбе может быть сколь угодно огромным. А значит, термоядерную бомбу можно сделать несравненно мощнее «простой» ядерной. «Малыш», сброшенный на Хиросиму, имел тротиловый эквивалент в пределах 18 килотонн, а самая мощная водородная бомба (так называемая «Царь-бомба», она же «Кузькина мать») – уже 58,6 мегатонн, более чем в 3255 раз мощнее «Малыша»!

Облако-«гриб» от «Царь-бомбы» поднялось на высоту 67 километров, а взрывная волна трижды обогнула земной шар.

Однако такая гигантская мощность явно избыточна. «Наигравшись» с мегатонными бомбами, военные инженеры и физики пошли по другому пути – пути миниатюризации ядерного оружия. В обычном виде ядерные боеприпасы можно сбрасывать со стратегических бомбардировщиков, как авиабомбы, или запускать с баллистическими ракетами; если же их миниатюризировать, получится компактный ядерный заряд, который не разрушает всё на километры вокруг, и который можно поставить на артиллерийский снаряд или ракету «воздух-земля». Повысится мобильность, расширится спектр решаемых задач. В дополнение к стратегическому ядерному оружию мы получим тактическое.

Для тактического ядерного оружия разрабатывались самые разные средства доставки – ядерные пушки, миномёты, безоткатные орудия (например, американский «Дэви Крокетт»). В СССР даже был проект ядерной пули. Правда, от него пришлось отказаться – ядерные пули были так ненадёжны, так сложны и до́роги в изготовлении и хранении, что в них не было никакого смысла.

«Дэви Крокетт». Некоторое количество этих ядерных орудий состояло на вооружении ВС США, а западногерманский министр обороны безуспешно добивался того, чтобы ими вооружили и Бундесвер.

Говоря о малых ядерных боеприпасах, стоит упомянуть и другую разновидность ядерного оружия – нейтронную бомбу. Заряд плутония в ней невелик, но это и не нужно. Если термоядерная бомба идёт по пути наращивания силы взрыва, то нейтронная делает ставку на другой поражающий фактор – радиацию. Для усиления радиации в нейтронной бомбе есть запас изотопа бериллия, который при взрыве даёт огромное количество быстрых нейтронов.

По замыслу её создателей, нейтронная бомба должна убивать живую силу противника, но оставлять в целости технику, которую можно потом захватить при наступлении. На практике получилось несколько иначе: облучённая техника становится непригодной к использованию – любой, кто рискнёт её пилотировать, очень скоро «заработает» себе лучевую болезнь. Это не отменяет того факта, что взрыв нейтронной бомбы способен поразить врага через танковую броню; нейтронные боеприпасы разрабатывались США именно как оружие против советских танковых соединений. Впрочем, вскоре была разработана танковая броня, обеспечивающая какую-никакую защиту и от потока быстрых нейтронов.

Ещё один вид ядерного оружия был придуман в 1950 году, но никогда (насколько это известно) не производился. Это так называемая кобальтовая бомба – ядерный заряд с оболочкой из кобальта. При взрыве кобальт, облучённый потоком нейтронов, становится крайне радиоактивным изотопом и рассеивается по местности, заражая её. Всего одна такая бомба достаточной мощности могла бы покрыть кобальтом весь земной шар и погубить всё человечество. К счастью, этот проект остался проектом.

Что можно сказать в заключение? Ядерная бомба – действительно страшное оружие, и вместе с тем оно (вот ведь парадокс!) помогло сохранить относительный мир между сверхдержавами. Если у твоего противника есть ядерное оружие, ты десять раз подумаешь, прежде чем на него нападать. Ни одна страна с ядерным арсеналом ещё не подвергалась атаке извне, и после 1945 года в мире не было войн между крупными государствами. Будем надеяться, что их и не будет.

Мировая наука не стоит на месте. Проникновение в тайны строения ядра атома подарило человечеству эффективную и дешевую энергию, новые диагностические технологии. Однако исследования в этой области привели к созданию ядерного оружия и страшным катастрофам, повлекшим за собой огромное количество смертей, разрушение городов и заражение многих километров земной поверхности.

Споры о плюсах и минусах научных открытий в этой сфере продолжаются до сих пор.

История создания

Предпосылки

Военно-политическая обстановка и мощное развитие научных теорий в 20 веке создали реальные предпосылки для появления оружия массового уничтожения.

Однако первым кирпичиком в строительстве атомной бомбы можно считать открытие (в 1896 году) Антуаном Анри Беккерелем радиоактивности урана. В этом же ключе проводили свои исследования Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. Уже в 1913 году для изучения радиоактивности они создали свое научное учреждение (Радиевый институт).

Еще два важнейших открытия в этой сфере: планетарная модель атома и проведение успешных опытов по расщеплению ядра, значительно ускорили появление нового оружия.

В 1934 году был оформлен первый патент, который представлял описание реактора на атомной энергии (Лео Силард), а в 1939 году Фредериком Жолио-Кюри была запатентована урановая бомба.

Три страны мира начали свою борьбу за пальму первенства в производстве ядерного оружия.

Немецкая программа

Начало

В 1939 - 1945 году созданием атомной бомбы занимались ученые нацистской Германии. Эта программа получила название «Урановый проект» и была строго засекреченной. В ее планы входило создание оружия в течение девяти-двенадцати месяцев. Проект собрал около 22 научных организаций, в которые входили самые известные институты страны.

Во главе секретной компании были назначены Альберт Шпеер и Эрих Шуман.

Для создания сверхоружия было запущено производство фторида урана, из которого можно было получить уран-235, а также разработано специальное устройство по разделению изотопов по методу Клузиуса - Диккеля. Эта установка состояла из двух труб, одна из которых должна была нагреваться, а вторая охлаждаться. Между ними должен был продвигаться гексафторид урана в газообразном состоянии, что дало бы возможность разделить более легкий уран −235 и тяжелый уран - 238.

На основании теоретических выкладок по конструированию ядерного реактора, которые предоставил Вернер Гейзенберг, компания «Ауэрге» получила заказ на производство некоторого количества урана. Норвежская Norsk Hydro предоставляла оксид дейтерия (тяжеловодородную воду).

В 1940 году Физический институт, который занимался вопросами атомной энергии, перешел в ведение вооруженных сил.

Неудачи

Однако, не смотря на то, что над проектом работало огромное количество ученых в течение года, собранное устройство для разделения изотопов так и не заработало. Было разработано еще около пяти вариантов обогащения урана, которые также не привели к успеху.

Считается, что причинами неудачных экспериментов является дефицит тяжеловодородной воды и недостаточно очищенный графит. Только в начале 1942 года немцы смогли построить первый реактор, который через некоторое время взорвался. Проведение последующих экспериментов было затруднено, поскольку в Норвегии был уничтожен завод по производству оксида дейтерия.

Последние данные о проведении экспериментов, дающих возможность получить цепную реакцию, были датированы январем 1945 года, однако уже в конце месяца установку пришлось демонтировать и отправить дальше от линии фронта в Хайгерлох. Последняя проба устройства была назначена на март - апрель. Считается, что ученые могли в короткий срок получить положительный результат, но этому не суждено было случиться, поскольку войска союзников вошли в город.

По окончанию Второй мировой войны немецкий реактор был вывезен в Америку.

Американская программа

Предпосылки

Первые разработки, связанные с атомной энергией, проводились Америкой, совместно с Канадой, Германией и Англией. Программа носила название «Урановый комитет». Руководство проекта осуществляли два человека - ученый и военный, физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс. Специально для прикрытия работ была сформирована особая часть войск - Манхэттенский инженерный округ, командующим которого был назначен Гровс.

В середине 1939 года президент Рузвельт получил письмо, подписанное Альбертом Эйнштейном, в котором сообщалось, что Германия разрабатывает новейшее сверхоружие. Была назначена специальная организация «Урановый комитет», которая должна была выяснить, насколько реальны слова Эйнштейна. Уже в октябре новость о возможности создания оружия была подтверждена и комитет начал свою активную работу.

Gadget

«Проект Манхеттен»

В 1943 в США был создан «Проект Манхеттен», целью которого стало создание ядерного оружия. В разработках участвовали известные ученые из стран-союзников, а также огромное количество строительных служащих и военных.

Уран был главным сырьем для экспериментов, однако в составе природного ископаемого содержится всего лишь 0,7% необходимого для производства урана-235. Поэтому было принято решение провести исследования по разделению и обогащению этого элемента.

Для этого использовались технологии термо - и газовой диффузии, а также электромагнитного разделения. В конце 1942 года было одобрено строительство специальной установки для произведения газовой диффузии.

Факт. Несмотря на то, что в проекте работали ученые из Англии, Канады, Америки и Германии, США отказались делиться результатами исследований с Англией, что послужило развитию некоторой напряженности между странами - союзниками.

Была поставлена главная цель исследований: создать ядерную бомбу в 1945 году, что удалось достичь ученым, входившим в «Проект Манхеттен».

Осуществление

Итогом деятельности этой организации являлось создание трех бомб:

Gadget (Штучка) на основе плутония-239;
Little Boy (Малыш) урановая;
Fat Man (Толстяк) на основе распада плутония-239.

Little Boy и Fat Man в августе 1945 года были сброшены на Японию, что нанесло непоправимый ущерб населению страны.

Ядерная бомба малыш и толстяк

Теория и развитие

Еще в 1920 году в СССР был создан Радиевый институт, который занимался фундаментальными исследованиями радиоактивности. Уже в середине 20 века (с 1930 по 1940 годы) в Советском Союзе велись активные работы, связанные с получением ядерной энергии.

В 1940 известные российские ученые обратились к правительству, говоря о необходимости развития практической базы в атомной области. Благодаря этому была создана специальная организация (Комиссия по проблеме урана), председателем которой назначили В. Г. Хлопина. За год была проведена огромная работа по организации и координации учреждений, входивших в ее состав. Однако началась война, и большую часть научных институтов пришлось эвакуировать в. Казань. В тылу теоретическая работа над развитием этой отрасли продолжалась.

В сентябре 1942 года, практически сразу после начала американского проекта «Манхеттен» правительство СССР постановило начать работы по изучению урана. Для этого были выделены специальные помещения для лаборатории в Казани. Доклад о результатах исследований был назначен на апрель 1943 года. А в феврале 1943 года начались практические работы по созданию атомной бомбы.

Практические разработки

После возвращения Радиевого института в Ленинград (1944 г) ученые приступили к практической реализации своих проектов. Считается, что 5 декабря 1945 года - дата начала работ по разработке атомной энергии.

Исследования велись по следующим направлениям:

изучение радиоактивного плутония;
эксперименты по выделению плутония;
разработка технологии получения плутония из урана.

После бомбардировки Японии Государственный комитет обороны издал указ об образовании Специального комитета по использованию атомной энергии. Для руководства этим проектом было организовано Первое главное управление. На решение поставленной задачи было брошено огромное количество человеческих и материальных ресурсов. Директивой Сталина предписывалось создать урановую и плутониевую бомбы не позднее 1948 года.

Развитие

Первоочередными задачами проекта являлось открытие производства промышленного плутония и урана и строительство ядерного реактора. Для разделения изотопов решено был использовать диффузионный метод. С огромной скоростью стали возводиться секретные предприятия, необходимые для решения этих вопросов. Техническая документация для этого оружия должна была быть готова к июлю 1946 года, а собранные конструкции - уже в 1948 году.

Благодаря колоссальному человеческому ресурсу и мощной материальной базе переход от теории к практическим экспериментам произошел в сжатые сроки. Первый реактор был построен и успешно запущен в декабре 1946 года. И уже в августе 1949 года была успешно испытана первая атомная бомба.

Первое испытание атомной бомбы в Советском Союзе

Устройство бомбы

Основные компоненты:

корпус;
автоматическая система;
ядерный заряд.

Корпус производится из прочного и надежного металла, способного уберечь боеголовку от негативных внешних факторов. В частности, от перепада температур, механических повреждений или других влияний, способных вызвать незапланированный взрыв.

Автоматика осуществляет контроль над следующими функциями:

предохранительные устройства;
механизм взведения;
устройство аварийного подрыва;
питание;
подрывная система (датчик подрыва заряда).

Ядерный заряд - устройство, содержащее запас определенных веществ и обеспечивающее высвобождение энергии непосредственно для взрыва.

Принцип действия

В основе любого ядерного оружия лежит цепная реакция - процесс, при котором происходит цепное деление ядер атомов и выделяется мощная энергия.

Критическое состояние может быть достигнуто при наличии целого ряда факторов. Существуют вещества, способные или неспособные к цепной реакции, в частности Уран-235 и Плутоний-239, которые используются в производстве этого вида оружия.

В уране-235 деление тяжелого ядра может возбуждаться одним нейтроном, а в результате процесса появляется уже от 2 до 3 нейтронов. Таким образом, порождается цепная реакция разветвленного типа. В этом случае ее носителями являются нейтроны.

Природный уран состоит из 3 изотопов - 234, 235 и 238. Однако содержание Урана-235, необходимого для поддержания цепной реакции, всего около 0,72%. Поэтому для производственных целей проводят разделение изотопов. Альтернативным вариантом служит использование Плутония-239. Этот элемент получают искусственным путем, в процессе облучения Урана - 238 нейтронами.

При взрыве урановой или плутониевой бомбы могут быть выделены два ключевых момента:

непосредственный центр взрыва, где протекает цепная реакция;
проекция взрыва на поверхность - эпицентр.

РДС-1 в разрезе

Факторы поражения при ядерном взрыве

Типы поражения атомной бомбой:

ударная волна;
световое и тепловое излучение;
электромагнитное воздействие;
радиоактивное заражение;
проникающая радиация.

Ударная взрывная волна разрушает строения и технику, наносит повреждения людям. Этому способствует резкий перепад давления и высокая скорость воздушного потока.

В процессе взрыва высвобождается огромное количество световой и тепловой энергии. Поражение этой энергией может распространяться на несколько тысяч метров. Ярчайший свет поражает зрительный аппарат, а высокая температура вызывает воспламенение горючих веществ и наносит ожоги.

Электромагнитные импульсы выводят из строя электронику, и повреждает радиосвязь.

Радиация заражает поверхность земли в очаге поражения и вызывает нейтронную активацию веществ, находящихся в почве. Проникающая радиация разрушает все системы человеческого организма и вызывает лучевую болезнь.

Классификация ядерных боеприпасов

Существует два класса боеголовок:

атомные;
термоядерные.

Первые - это устройства одноступенчатого (однофазного) типа, образование энергии в которых происходит при делении тяжелых ядер (использование урана или плутония) с получением более легких элементов.

Вторые - устройства, имеющие двухступенчатый (двухфазный) механизм действия, происходит последовательное развитие двух физических процессов (цепная реакция и термоядерный синтез).

Еще одним важным показателем ядерного оружия является его мощность, которую измеряют в тротиловом эквиваленте.

На сегодняшний день существует пять таких групп:

менее 1 кт (килотонн) - сверхмалая мощность;
от 1 до 10 кт - малая;
от 10 до 100 кт - средняя;
от 100 до 1 Мт (мегатонн) - крупная;
более 1 Мт - сверхкрупная.

Факт. Считается, что взрыв на Чернобыльской АЭС имел мощность около 75 тонн.

Варианты детонации

Детонация может обеспечиваться подключением двух основных схем или их комбинации.

Баллистическая или пушечная схема

Ее использование возможно только в зарядах, содержащих уран. Для осуществления взрыва производится выстрел одним блоком, содержащим делящееся вещество, имеющее подкритическую массу в другой блок, являющийся неподвижным.

Имплозивная схема

Производится направленный внутрь взрыв, осуществляемый при помощи обжатия горючего, в процессе которого докритическая масса делящегося вещества становится сверхкритической.

Средства доставки

Атомные боеголовки могут доставлять до цели практически современные ракеты, которые позволяют разместить внутри боеприпас.

Существует разделение средств доставки по следующим группам:

тактические (средства поражения воздушных, морских и космических целей), предназначены для уничтожения военной техники и человеческого ресурса противника на линии фронта и в ближайшем тылу;
стратегические - поражение стратегических целей (в частности, административных единиц и промышленных предприятий, находящихся в тылу противника);
оперативно-тактические уничтожение целей, которые находятся в диапазоне оперативной глубины.

Самая мощная бомба в мире

Такой боеголовкой считается так называемая «Царь-бомба» (АН602 или «Иван»). Оружие было разработано в России группой физиков - ядерщиков. Руководил проектом академик И. В. Курчатов. Это самое мощное термоядерное взрывное устройство в мире, которое прошло успешные испытания. Мощность заряда составляет около 58,6 мегатонн (в тротиловом эквиваленте), что превысило расчетные характеристики почти на 7 Мт. Испытание мегаоружия были проведены 30 октября 1961 года.

Бомба АН602

Бомба АН602 внесена в книгу рекордов Гиннесса.

Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки

В конце Второй мировой войны США решили продемонстрировать наличие оружие массового уничтожения. Это было единственное за всю историю применение ядерных бомб в боевых целях.

В августе 1945 года на Японию, воевавшую на стороне Германии, были сброшены ядерные боеголовки. Города Хиросима и Нагасаки были практически полностью снесены с лица земли. Записи свидетельствуют, что в Хиросиме погибло около 166 тысяч человек, а в Нагасаки - 80 тысяч. Однако огромное количество японцев, пострадавших от взрыва умерло через некоторое время после бомбардировки или продолжали болеть еще долгие годы. Это связано с тем, что проникающая радиация вызывает нарушения всех систем человеческого организма.

На тот момент понятия о радиоактивном загрязнении поверхности земли не существовало, поэтому люди продолжали находиться на территории, подвергшейся облучению. Высокую смертность, генетические уродства у новорожденных и развитие онкологических заболеваний тогда не связывали со взрывами.

Опасность войны и катастрофы, связанные с атомом

Ядерные энергетика и оружие были и остаются предметов самых острых споров. Поскольку невозможно реально оценить безопасность в этой сфере. Наличие сверхмощного оружия с одной стороны, является сдерживающим фактором, однако, с другой - его применение может вызвать масштабную мировую катастрофу.

Опасность любой атомной отрасли в первую очередь связана с утилизацией отходов, которые еще долгое время излучают высокий радиационный фон. А также с безопасной и эффективной работой всех производственных отсеков. Существует более 20 случаев, когда «мирный атом» выходил из под контроля, и приносил колоссальные потери. Одной из самых больших катастроф считается авария на Чернобыльской АЭС.

Заключение

Атомное оружие считается одним из самых сильных инструментов мировой политики, находящихся в арсенале некоторых стран. С одной стороны, это серьезный аргумент для предотвращения военных столкновений и укрепления мира, но с другой - причина возможных масштабных аварий и катастроф.

В день 70-летия испытаний первой советской атомной бомбы «Известия» публикуют уникальные фотографии и воспоминания очевидцев событий, которые происходили на полигоне в Семипалатинске. Новые материалы проливают свет на обстановку, в которой ученые создавали ядерное устройство - в частности, стало известно, что Игорь Курчатов имел обыкновение проводить секретные совещания на берегу реки. Также крайне интересны детали постройки первых реакторов для получения оружейного плутония. Нельзя не отметить и роль разведки в ускорении советского ядерного проекта.

Молодой, но перспективный

Необходимость скорейшего создания советского ядерного оружия стала очевидна, когда в 1942 году из донесений разведки выяснилось, что ученые в США далеко продвинулись в ядерных исследованиях. Косвенно говорило об этом и полное прекращение научных публикаций по данной тематике ещё в 1940. Все указывало на то, что работы по на созданию самой мощной в мире бомбы идут полным ходом.

28 сентября 1942 года Сталин подписал секретный документ «Об организации работ по урану».

Руководство советским атомным проектом поручили молодому и энергичному физику Игорю Курчатову , который, как позже вспоминал его друг и соратник академик Анатолий Александров, «уже давно воспринимался как организатор и координатор всех работ в области ядерной физики». Однако сам масштаб тех работ, о которых упомянул ученый, был тогда еще невелик - в то время в СССР, в специально созданной в 1943 году Лаборатории № 2 (ныне Курчатовский институт) разработкой ядерного оружия занимались лишь 100 человек, тогда как в США над аналогичным проектом трудилось около 50 тыс. специалистов.

Поэтому работа в Лаборатории № 2 велась авральными темпами, которые требовали как поставок и создания новейших материалов и оборудования (и это в военное время!), так и изучения данных разведки, которой удавалось заполучить часть информации об американских исследованиях.

- Разведка помогла ускорить работу и приблизительно на год сократить наши усилия, - отметил советник директора НИЦ «Курчатовский институт» Андрей Гагаринский. - В «отзывах» Курчатова о разведматериалах Игорь Васильевич по существу давал разведчикам задания, о чем именно хотелось бы узнать ученым.

Не существующий в природе

Ученые Лаборатории № 2 перевезли из только что освобожденного Ленинграда циклотрон, который был запущен еще в 1937 году, - тогда он стал первым в Европе. Эта установка была необходима для нейтронного облучения урана. Так удалось накопить начальное количество не существующего в природе плутония, который впоследствии стал основным материалом для первой советской атомной бомбы РДС-1.

Затем производство данного элемента удалось наладить с помощью первого в Евразии атомного реактора Ф-1 на уран-графитовых блоках, который был сооружен в Лаборатории № 2 в кратчайшие сроки (всего за 16 месяцев) и пущен 25 декабря 1946 года под руководством Игоря Курчатова.

Промышленных же объемов выпуска плутония физики добились после постройки реактора под литерой А в городе Озерске Челябинской области (также ученые называли его «Аннушка») - на проектную мощность установка вышла 22 июня 1948 года, что уже вплотную приблизило проект по созданию ядерного заряда.

В сфере сжатия

Первая советская атомная бомба имела заряд плутония мощностью в 20 килотонн, который располагался в двух отделенных друг от друга полусферах. Внутри них находился инициатор цепной реакции из бериллия и полония, при соединении которых происходит выделение нейтронов, запускающих цепную реакцию. Для мощного сжатия всех этих компонентов использовалась сферическая ударная волна, которая возникала после подрыва круглой оболочки из взрывчатки, окружавшей плутониевый заряд. Внешний корпус получившегося изделия обладал каплевидной формой, а его общая масса составляла 4,7 т.

Испытания бомбы решили провести на Семипалатинском полигоне, который специально обустроили для того, чтобы оценить воздействие взрыва на самые различные строения, технику и даже животных.

Фото: Музей ядерного оружия РФЯЦ-ВНИИЭФ

–– В центре полигона стояла высокая железная башня, а вокруг нее как грибы росли самые разные постройки и сооружения: кирпичные, бетонные и деревянные дома с разными типами кровли, машины, танки, орудийные башни кораблей, железнодорожный мост и даже бассейн, - отмечает в своей рукописи «Первые испытания» участник тех событий Николай Власов. - Так что по разнообразию предметов полигон напоминал ярмарку - только без людей, которых здесь почти не было видно (за исключением редких одиноких фигур, которые завершали установку аппаратуры).

Также на территории размещался биологический сектор, где находились загоны и клетки с подопытными животными.

Встречи на берегу

Остались у Власова и воспоминания об отношении коллектива к руководителю проекта в период испытаний.

–– В это время за Курчатовым уже прочно укрепилось прозвище Борода (он изменил свой облик в 1942 году), а его популярность охватила не только ученую братию всех специальностей, но и офицеров и солдат, –– пишет очевидец. –– Руководители групп гордились встречами с ним.

Некоторые особо секретные собеседования Курчатов вел в неформальной обстановке - например, на берегу реки, приглашая нужного человека на купание.

В Москве открылась фотовыставка, посвященная истории Курчатовского института, который в этом году отмечает свое 75-летие. Подборка уникальных архивных кадров, запечатлевших работу как рядовых сотрудников, так и самого знаменитого физика Игоря Курчатова, - в галерее портала сайт

Игорь Курчатов, ученый-физик, одним из первых в СССР приступил к изучению физики атомного ядра, его также называют отцом атомной бомбы. На фото: ученый в физико-техническом институте в Ленинграде, 1930-е годы

Фото: Архив НИЦ «Курчатовский институт»

Курчатовский институт был создан в 1943 году. Сначала он именовался Лабораторией № 2 АН СССР, сотрудники которой занимались созданием ядерного оружия. Позднее лабораторию переименовал в Институт атомной энергии имени И.В. Курчатова, а в 1991 году - в Национальный исследовательский центр

Фото: Архив НИЦ «Курчатовский институт»

Сегодня Курчатовский институт - один из крупнейших научно-исследовательских центров России. Его специалисты занимаются исследованиями в области безопасного развития ядерной энергетики. На фото: ускоритель «Факел»

Фото: Архив НИЦ «Курчатовский институт»

Конец монополии

Точное время проведения испытаний ученые рассчитали таким образом, чтобы ветер унес образовавшееся в результате взрыва радиоактивное облако в сторону малообитаемых территорий , и воздействие вредных осадков на людей и домашний скот оказалось минимальным. В результате таких вычислений исторический взрыв наметили на утро 29 августа 1949 года.

–– На юге вспыхнуло зарево и появился красный полукруг, похожий на взошедшее солнце, –– вспоминает Николай Власов. –– А через три минуты после того, как зарево угасло, а облако растворилось в предрассветной дымке, до нас дошел раскатистый грохот взрыва, похожий на отдаленный гром могучей грозы.

Приехав на место срабатывания РДС-1, (см. справку) ученые могли оценить все разрушения, которые за ним последовали. По их словам, от центральной башни не осталось никаких следов, стены ближайших домов рухнули, а вода в бассейне полностью испарилась от высокой температуры.

Но эти разрушения, как это ни парадоксально, помогли установить глобальное равновесие в мире. Создание первой советской атомной бомбы положило конец монополии США на ядерное оружие. Это позволило установить паритет стратегических вооружений, который до сих пор удерживает страны от военного применения оружия, способного уничтожить всю цивилизацию.

Александр Колдобский, заместитель директора Института международных отношений НИЯУ «МИФИ», ветеран атомной энергетики и промышленности:

Аббревиатура РДС применительно к опытным образцам ядерного оружия впервые появилась в постановлении Совмина СССР от 21 июня 1946 года как сокращение формулировки «Реактивный двигатель С». В дальнейшем это обозначение в официальных документах присваивалось всем пилотным конструкциям ядерных зарядов как минимум до конца 1955 года. Строго говоря, РДС-1 - это не совсем бомба, это ядерно-взрывное устройство, ядерный заряд. Позже для заряда РДС-1 был создан баллистический корпус авиабомбы («изделие 501»), адаптированный к бомбардировщику Ту-4. Первые серийные образцы ядерного оружия на основе РДС-1 были изготовлены в 1950 году. Однако в баллистическом корпусе эти изделия не испытывались, на вооружение армии не принимались и хранились в разобранном виде. А первое испытание со сбросом атомной бомбы с Ту-4 состоялось лишь 18 октября 1951 года. В ней был использован уже другой заряд, гораздо более совершенный.

Об истории ядерного противостояния сверхдержав и конструкции первых ядерных бомб написаны сотни книг. А вот о современном ядерном оружии ходит много мифов. «Популярная механика» решила внести ясность в этот вопрос и рассказать, как работает самое разрушительное оружие, придуманное человеком.

Взрывной характер

Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.

Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию — 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.

При попадании нейтронов ядро урана-235 легко делится, образуя новые нейтроны. При определенных условиях начинается цепная реакция.

При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.

Металлический плутоний существует в шести фазах, плотности которых от 14,7 до 19,8 кг/см 3 . При температуре ниже 119 градусов Цельсия существует моноклинная альфа-фаза (19,8 кг/см 3), но такой плутоний очень хрупок, а в кубической гранецентрированной дельта-фазе (15,9) он пластичен и хорошо обрабатывается (именно эту фазу и стараются сохранить с помощью легирующих добавок). При детонационном обжатии никаких фазовых переходов быть не может — плутоний находится в состоянии квазижидкости. Фазовые переходы опасны при производстве: при больших размерах деталей даже при незначительном изменении плотности возможно достижение критического состояния. Конечно, произойдет это без взрыва — заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).

Критическая сборка

Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, — важнейшая.

Взрывные линзы создавали сходящуюся волну. Надежность обеспечивалась парой детонаторов в каждом блоке.

Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).

Плутониевая сборка (шаровой слой в центре) была окружена корпусом из урана-238, а затем слоем алюминия.

Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.

В первых ядерных зарядах в качестве источника нейтронов использовались полоний и бериллий (в центре).

Шаровая сборка

Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное — при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.

Слой алюминия использовался для того, чтобы уменьшить волну разрежения после детонации взрывчатки.

Сборка выполняется из двух тщательно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой внутри); она заведомо подкритична — даже для тепловых нейтронов и даже после окружения ее замедлителем. Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве сохранить благородную форму шара — для этого слой взрывчатого вещества необходимо подорвать одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно. Широко распространено мнение, что для этого нужно много электродетонаторов. Но так было только на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось много энергии и немалые размеры системы инициирования. В современных зарядах применяется несколько отобранных по специальной методике, близких по характеристикам детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением методов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно 8 км/с пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, в один и тот же момент времени достигнет отверстий и подорвет основной заряд — одновременно во всех требуемых точках.

На рисунках показаны первые мгновения жизни огненного шара ядерного заряда — радиационная диффузия (а), расширение горячей плазмы и образование «волдырей» (б) и возрастание мощности излучения в видимом диапазоне при отрыве ударной волны (в).

Взрыв вовнутрь

Направленный внутрь взрыв сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии почти исчезает внутренняя полость, плотность увеличивается, причем очень быстро — за десяток микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.

Через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке, — инерция: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.

В конце концов вещество все же разлетается, прекращается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия — порядка десятков и даже сотен МэВ, но только электрически нейтральные гамма-кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом и «ускользнуть». Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение — правда, уже не жесткое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы выбить у атомов электроны — не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из голых ядер, ободранных с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр (попытайтесь представить, как хорошо можно загореть под светом, приобретшим плотность алюминия!) — все то, что мгновение назад было зарядом, — приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.

Огненный шар

Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.

Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета — более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе — более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».

В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) 1 и анодным узлом 2 прикладывается импульсное напряжение в сотню киловольт. Когда напряжение максимально, необходимо, чтобы между анодом и катодом оказались ионы дейтерия, которые и требуется ускорить. Для этого служит ионный источник. На его анод 3 подается поджигающий импульс, и разряд, проходя по поверхности насыщенной дейтерием керамики 4, образует ионы дейтерия. Ускорившись, они бомбардируют мишень, насыщенную тритием, в результате чего выделяется энергия 17,6 МэВ и образуются нейтроны и ядра гелия-4. По составу частиц и даже по энергетическому выходу эта реакция идентична синтезу — процессу слияния легких ядер. В 1950-х многие так и считали, но позже выяснилось, что в трубке происходит «срыв»: либо протон, либо нейтрон (из которых состоит ион дейтерия, разогнанный электрическим полем) «увязает» в ядре мишени (трития). Если увязает протон, то нейтрон отрывается и становится свободным.

Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика — основную роль играет радиационная диффузия, если мала — расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.

Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного… Начинается образование ударной волны.

Ударная волна и атомный гриб

При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного — настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.

Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше — плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.

Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».

Нейтронное инициирование

Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно… 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?

Нейтроны — медленные и быстрые

В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, и, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом — термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов — 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то, можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например — в растворе солей урана в хорошем замедлителе — воде, масса сборок — сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а, когда пузырьки покидают жидкость — вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его — но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).

Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся — всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное — излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» — маломощный тепловой взрыв.

Нейтронное инициирование не только увеличивает на много порядков энерговыделение ядерного взрыва, но и дает возможность регулировать его! Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасе с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно просто изменить напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменится выход нейтронов и выделение энергии (разумеется, при снижении мощности таким способом пропадает зря много дорогого плутония).

Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы разговоров о снижении мощности и быть не могло. Мощнее, мощнее и еще раз мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. В итоге от деления как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса — синтеза.

Великобритания Румыния Германия Саудовская Аравия Египет Сирия Израиль США Индия Норвегия Ирак Украина Иран Франция Канада Казахстан Швеция Китай ЮАР КНДР Япония Польша

При подрыве ядерного боеприпаса происходит ядерный взрыв , поражающими факторами которого являются:

Люди, непосредственно подвергшиеся воздействию поражающих факторов ядерного взрыва, кроме физических повреждений, испытывают мощное психологическое воздействие от ужасающего вида картины взрыва и разрушений. Электромагнитный импульс непосредственного влияния на живые организмы не оказывает, но может нарушить работу электронной аппаратуры.

Классификация ядерных боеприпасов

Все ядерные боеприпасы могут быть разделены на две основные категории:

«Атомные» - однофазные или одноступенчатые взрывные устройства, в которых основной выход энергии происходит от ядерной реакции деления тяжелых ядер (урана-235 или плутония) с образованием более лёгких элементов.

Термоядерное оружие (также «водородные») - двухфазные или двухступенчатые взрывные устройства, в которых последовательно развиваются два физических процесса, локализованных в различных областях пространства: на первой стадии основным источником энергии является реакция деления тяжелых ядер, а на второй реакции деления и термоядерного синтеза используются в различных пропорциях, в зависимости от типа и настройки боеприпаса.

Реакция термоядерного синтеза, как правило, развивается внутри делящейся сборки и служит мощным источником дополнительных нейтронов. Только ранние ядерные устройства в 40-х годах XX в., немногочисленные бомбы пушечной сборки в 1950-х, некоторые ядерные артиллерийские снаряды, а также изделия ядерно-технологически слаборазвитых государств (ЮАР, Пакистан, КНДР) не используют термоядерный синтез в качестве усилителя мощности ядерного взрыва. Вопреки устойчивому стереотипу, в термоядерных (то есть двухфазных) боеприпасах бо́льшая часть энергии (до 85%) выделяется за счет деления ядер урана-235/плутония-239 и/или урана-238. Вторая ступень любого такого устройства может быть оснащена тампером из урана-238, который эффективно делится от быстрых нейтронов реакции синтеза. Так достигается многократное увеличение мощности взрыва и чудовищный рост количества радиоактивных осадков. С легкой руки Р. Юнга, автора знаменитой книги Ярче тысячи солнц, написанной в 1958 году по «горячим следам» Манхэттенского проекта , такого рода «грязные» боеприпасы принято называть FFF (fusion-fission-fusion) или трехфазными. Однако этот термин не является вполне корректным. Почти все «FFF» относится к двухфазным и отличаются только материалом тампера, который в «чистом» боеприпасе может быть выполнен из свинца, вольфрама и т. д. Исключением являются устройства типа «Слойки» Сахарова , которые следует отнести к однофазным, хотя они имеют слоистую структуру взрывчатого вещества (ядро из плутония - слой дейтерида лития-6 - слой урана 238). В США такое устройство получило название Alarm Clock (Часы с будильником). Схема последовательного чередования реакций деления и синтеза реализована в двухфазных боеприпасах, в которых можно насчитать до 6 слоев при весьма «умеренной» мощности. Примером служит относительно современная боеголовка W88, в которой первая секция (primary) содержит два слоя, вторая секция (secondary) имеет три слоя, и ещё одним слоем является общая для двух секций оболочка из урана-238 (см. рисунок).

Иногда в отдельную категорию выделяется нейтронное оружие - двухфазный боеприпас малой мощности (от 1 кт до 25 кт), в котором 50-75% энергии получается за счет термоядерного синтеза. Поскольку основным переносчиком энергии при синтезе являются быстрые нейтроны, то при взрыве такого боеприпаса выход нейтронов может в несколько раз превышать выход нейтронов при взрывах однофазных ядерных взрывных устройств сравнимой мощности. За счет этого достигается существенно больший вес поражающих факторов нейтронное излучение и наведённая радиоактивность (до 30% от общего энерговыхода), что может быть важным с точки зрения задачи уменьшения радиоактивных осадков и снижения разрушений на местности при высокой эффективности применения против танков и живой силы. Следует отметить мифический характер представлений о том, что нейтронное оружие поражает исключительно людей и оставляет в сохранности строения. По разрушительному воздействию взрыв нейтронного боеприпаса в сотни раз превосходит любой неядерный боеприпас.

Пушечная схема

«Пушечная схема» использовалась в некоторых моделях ядерного оружия первого поколения. Суть пушечной схемы заключается в выстреливании зарядом пороха одного блока делящегося вещества докритической массы («пуля») в другой - неподвижный («мишень»). Блоки рассчитаны так, что при соединении их общая масса становится сверхкритической.

Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет на два порядка более высокий нейтронный фон, что резко повышает вероятность преждевременного развития цепной реакции до соединения блоков. Это приводит к неполному выходу энергии (fizzle или «пшик»). Для реализации пушечной схемы в плутониевых боеприпасах требуется увеличение скорости соединения частей заряда до технически недостижимого уровня. Кроме того, уран лучше, чем плутоний, выдерживает механические перегрузки.

Классическим примером такой схемы является бомба «Малыш » («Little Boy»), сброшенная на Хиросиму 6 августа г. Уран для её производства был добыт в Бельгийском Конго (ныне Демократическая Республика Конго), в Канаде (Большое Медвежье озеро) и в США (штат Колорадо). В бомбе «Little Boy» для этой цели использовался укороченный до 1,8 м ствол морского орудия калибра 16,4 см, при этом урановая «мишень» представляла собой цилиндр диаметром 100 мм, на который при «выстреле» надвигалась цилиндрическая «пуля» сверхкритической массы (38,5 кг) с соответствующим внутренним каналом. Такой «интуитивно непонятный» дизайн был сделан для снижения нейтронного фона мишени: в нём она находилась не вплотную, а на расстоянии 59 мм от нейтронного отражателя («тампера»). В результате риск преждевременного начала цепной реакции деления с неполным энерговыделением снижался до нескольких процентов.

Имплозивная схема

Эта схема детонации подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом химической взрывчатки. Для фокусировки ударной волны используются так называемые взрывные линзы, и подрыв производится одновременно во многих точках с прецизионной точностью. Создание подобной системы расположения взрывчатки и подрыва являлось в своё время одной из наиболее трудных задач. Формирование сходящейся ударной волны обеспечивалось использованием взрывных линз из «быстрой» и «медленной» взрывчаток - ТАТВ (Триаминотринитробензол) и баратола (смесь тринитротолуола с нитратом бария), и некоторыми добавками) (см. анимацию).

По такой схеме был исполнен и первый ядерный заряд (ядерное устройство «Gadget» (англ. gadget - приспособление), взорванный на башне в испытательных целях в ходе испытаний с выразительным названием «Trinity» («Троица») 16 июля 1945 года на полигоне неподалеку от местечка Аламогордо в штате Нью-Мексико), и вторая из примененных по назначению атомных бомб - «Толстяк » («Fat Man»), сброшенная на Нагасаки. Фактически, «Gadget» был лишенным внешней оболочки прототипом бомбы «Толстяк». В этой первой атомной бомбе в качестве нейтронного инициатора был использован так называемый «ёжик» (англ. urchin ). (Технические подробности см. в статье «Толстяк ».) Впоследствии эта схема была признана малоэффективной, и неуправляемый тип нейтронного инициирования почти не применялся в дальнейшем.

В ядерных зарядах на основе реакции деления в центре полой сборки обычно размещается небольшое количество термоядерного топлива (дейтерий и тритий), которое нагревается и сжимается в процессе деления сборки до такого состояния, что в нём начинается термоядерная реакция синтеза. Эту газовую смесь необходимо непрерывно обновлять, чтобы скомпенсировать непрерывно идущий самопроизвольный распад ядер трития. Выделяющиеся при этом дополнительные нейтроны инициируют новые цепные реакции в сборке и возмещают убыль нейтронов, покидающих активную зону, что приводит к многократному росту энергетического выхода от взрыва и более эффективному использованию делящегося вещества. Варьируя содержание газовой смеси в заряде получают боеприпасы с регулируемой в широких пределах мощностью взрыва.

Следует отметить, что описанная схема сферической имплозии является архаичной и с середины 1950-х годов почти не применяется. Реально применяемый дизайн Swan (англ. swan - лебедь), основан на использовании эллипсоидальной делящейся сборки, которая в процессе двухточечной, то есть инициированной в двух точках имплозии сжимается в продольном направлении и превращается в надкритическую сферу. Как таковые, взрывные линзы при этом не используются. Детали этого дизайна до сих пор засекречены, но, предположительно, формирование сходящейся ударной волны осуществляется за счет эллипсоидальной формы имплозирующего заряда, так что между ним и находящейся внутри ядерной сборкой остается заполненное воздухом пространство. Тогда равномерное обжатие сборки осуществляется за счет того, что скорость детонации взрывчатки превышает скорость движения ударной волны в воздухе. Существенно более легкий тампер выполняется не из урана-238, а из хорошо отражающего нейтроны бериллия. Можно предположить, что необычное название данного дизайна - «Лебедь» (первое испытание - Inca в 1956 г.) было подсказано образом взмахнувшего крыльями лебедя, который отчасти ассоциируется с фронтом ударной волны, плавно охватывающим с двух сторон сборку. Таким образом оказалось возможным отказаться от сферической имплозии и, тем самым, уменьшить диаметр имплозивного ядерного боеприпаса с 2 м у бомбы «Толстяк » до 30 см и менее. Для самоликвидации такого боеприпаса без ядерного взрыва инициируется только один из двух детонаторов, и плутониевый заряд разрушается несимметричным взрывом безо всякого риска его имплозии.

Мощность ядерного заряда, работающего исключительно на принципе деления тяжёлых элементов, ограничивается десятками килотонн. Энерговыход (англ. yield ) однофазного боеприпаса, усиленного термоядерным зарядом внутри делящейся сборки, может достигать сотен килотонн. Создать однофазное устройство мегатонного класса практически невозможно, увеличение массы делящегося вещества не решает проблему. Дело в том, что энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции, раздувает сборку со скоростью порядка 1000 км/с, поэтому она быстро становится докритической и бо́льшая часть делящегося вещества не успевает прореагировать. Например, в сброшенной на город Нагасаки бомбе «Толстяк » успело прореагировать не более 20 % из 6,2 кг заряда плутония, а в уничтожившей Хиросиму бомбе «Малыш » с пушечной сборкой распалось только 1,4 % из 64 кг обогащенного примерно до 80 % урана. Самый мощный в истории однофазный (британский) боеприпас, взорванный в ходе испытаний Orange Herald в г., достиг мощности 720 кт.

Двухфазные боеприпасы позволяют повысить мощность ядерных взрывов до десятков мегатонн. Однако ракеты с разделяющимися боеголовками, высокая точность современных средств доставки и спутниковая разведка сделали устройства мегатонного класса практически ненужными. Тем более, что носители сверхмощных боеприпасов более уязвимы для систем ПРО и ПВО.

Дизайн Теллера-Улама для двухфазного боеприпаса («термоядерная бомба»).

В двухфазном устройстве первая стадия физического процесса (primary ) используется для запуска второй стадии (secondary ), в ходе которой выделяется наибольшая часть энергии. Такую схему принято называть дизайном Теллера-Улама.

Энергия от детонации primary передаётся через специальный канал (interstage ) в процессе радиационной диффузии квантов рентгеновского излучения и обеспечивает детонацию secondary посредством радиационной имплозии тампера/пушера, внутри которого находится дейтерид лития-6 и запальный плутониевый стержень. Последний также служит дополнительным источником энергии вместе с пушером и/или тампером из урана-235 или урана-238, причем совместно они могут давать до 85 % от общего энерговыхода ядерного взрыва. При этом термоядерный синтез служит в большей мере источником нейтронов для деления ядер. Под действием нейтронов деления на ядра Li в составе дейтерида лития образуется тритий , который сразу вступает в реакцию термоядерного синтеза с дейтерием.

В первом двухфазном экспериментальном устройстве Ivy Mike (10,5 Мт в испытании 1952 г.) вместо дейтерида лития использовались сжиженный дейтерий и тритий, но в последующем крайне дорогой чистый тритий непосредственно в термоядерной реакции второй стадии не применялся. Интересно отметить, что только термоядерный синтез обеспечил 97 % основного энерговыхода экспериментальной советской «Царь-бомбе » (она же «Кузькина мать»), взорванной в 1961 г. с абсолютно рекордным выходом энергии около 58 Мт. Наиболее эффективным по отношению мощность/вес двухфазным боеприпасом стал американский «монстр» Mark 41 с мощностью 25 Мт, который выпускался серийно для развертывания на бомбардировщиках B-47 , B-52 и в варианте моноблока для МБР Титан-2. Тампер этой бомбы выполнен из урана-238, поэтому она никогда не испытывалась в полном масштабе. При замене тампера на свинцовый мощность данного устройства понижалась до 3 Мт.

Средства доставки

Средством доставки ядерного боеприпаса к цели может быть практически любое тяжелое вооружение. В частности, тактическое ядерное оружие с 1950-х существует в форме артиллерийских снарядов и мин - боеприпасов для ядерной артиллерии . Носителями ядерного оружия могут быть реактивные снаряды РСЗО , но пока ядерных снарядов для РСЗО не существует . Однако, габариты многих современных ракет РЗСО позволяют разместить в них ядерный заряд, аналогичный применяемому ствольной артиллерией, в то время как некоторые РСЗО, например российский «Смерч », по дальности практически сравнялись с тактическими ракетами, другие же (например, американская система MLRS) способны запускать со своих установок тактические ракеты . Тактические ракеты и ракеты большей дальности являются носителями ядерного оружия. В Договорах по ограничению вооружений в качестве средств доставки ядерного оружия рассматриваются баллистические ракеты , крылатые ракеты и самолеты . Исторически самолеты были первыми средствами доставки ядерного оружия, и именно с помощью самолетов было выполнено единственное в истории боевое ядерное бомбометание :

На японский город Хиросима 6 августа 1945 года. В 08:15 местного времени самолёт B-29 «Enola Gay» под командованием полковника Пола Тиббетса, находясь на высоте свыше 9 км, произвёл сброс атомной бомбы «Малыш » («Little Boy») на центр Хиросимы. Взрыватель был установлен на высоту 600 метров над поверхностью; взрыв, эквивалентом от 13 до 18 килотонн тротила, произошёл через 45 секунд после сброса.
На японский город Нагасаки 9 августа 1945 года. В 10:56 самолёт В-29 «Bockscar» под командованием пилота Чарльза Суини прибыл к Нагасаки. Взрыв произошёл в 11:02 местного времени на высоте около 500 метров. Мощность взрыва составила 21 килотонну.

Развитие систем ПВО и ракетного оружия выдвинуло на первый план именно ракеты.

«Старые» ядерные державы США, Россия, Великобритания, Франция и Китай являются т. н. ядерной пятёркой - то есть государствами, которые считаются «легитимными» ядерными державами согласно Договору о нераспространении ядерного оружия . Остальные страны, обладающие ядерным оружием, называются «молодыми» ядерными державами.

Кроме того, на территории нескольких государств, которые являются членами НАТО и другими союзниками, находится или может находиться ядерное оружие США. Некоторые эксперты считают, что в определенных обстоятельствах эти страны могут им воспользоваться .

Испытание термоядерной бомбы на атолле Бикини, 1954 г. Мощность взрыва 11 Мт, из которых 7 Мт выделилось от деления тампера из урана-238

Взрыв первого советского ядерного устройства на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года. 10 часов 05 минут.

СССР испытал своё первое ядерное устройство мощностью 22 килотонны 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне . Испытание первой в мире термоядерной бомбы - там же 12 августа 1953 года. Россия стала единственным международно-признанным наследником ядерного арсенала Советского Союза.

Израиль не комментирует информацию о наличии у него ядерного оружия, однако, по единодушному мнению всех экспертов, владеет ядерными боезарядами собственной разработки с конца 1960-х - начала 1970-х гг.

Небольшой ядерный арсенал был у ЮАР , но все шесть собранных ядерных зарядов были добровольно уничтожены при демонтаже режима апартеида в начале 1990-х годов . Полагают, что ЮАР проводила собственные или совместно с Израилем ядерные испытания в районе острова Буве в 1979 году . ЮАР - единственная страна, которая самостоятельно разработала ядерное оружие и при этом добровольно от него отказалась.

По различным причинам добровольно отказались от своих ядерных программ Бразилия , Аргентина , Ливия . В разные годы подозревалось, что ядерное оружие могут разрабатывать ещё несколько стран. В настоящее время предполагается, что наиболее близок к созданию собственного ядерного оружия Иран . Также по мнению многих специалистов, некоторые страны (например, Япония и Германия), не обладающие ядерным оружием, по своим научно-производственным возможностям способны создать его в течение короткого времени после принятия политического решения и финансирования.

Исторически потенциальную возможность создать ядерное оружие второй или даже первой имела нацистская Германия . Однако Урановый проект до разгрома Третьего Рейха завершён не был по ряду причин.

Запасы ядерного оружия в мире

Количество боеголовок (активных и в резерве)

	1947	1952	1957	1962	1967	1972	1977	1982	1987	1989	1992	2002	2010
США	32	1005	6444	≈26000	>31255	≈27000	≈25000	≈23000	≈23500	22217	≈12000	≈10600	≈8500
СССР/Россия	-	50	660	≈4000	8339	≈15000	≈25000	≈34000	≈38000		≈25000	≈16000	≈11000
Великобритания	-	-	20		270							512	≈225