Термоядерное оружие

Немного истории

После того, как мир увидел разрушительную силу ядерного оружия, в августе 1945 года, СССР начало гонку, которая продолжалась до момента его распада. США первыми создали, испытали и применили ядерное оружие, первыми произвели подрыв водородной бомбы, но на счет СССР можно записать первое изготовление компактной водородной бомбы, которую можно доставить противнику на обычном Ту-16. Первая бомба США была размером с трехэтажный дом, от водородной бомбы такого размер мало толку. Советы получили такое оружие уже в 1952, в то время как первая «адекватная» бомба Штатов была принята на вооружение лишь в 1954. Если оглянуться назад и проанализировать взрывы в Нагасаки и Хиросиме, то можно прийти к выводу, что они не были такими уж мощными. Две бомбы в сумме разрушили оба города и убили по разным данным до 220 000 человек. Ковровые бомбардировки Токио в день могли уносить жизни 150-200 000 человек и без всякого ядерного оружия. Это связано с малой мощностью первых бомб — всего несколько десятков килотонн в тротиловом эквиваленте. Водородные же бомбы испытывали с прицелом на преодоление 1 мегатонны и более.

Немного истории

Механизм действия водородной бомбы.

Последовательность процессов, происходящих при взрыве водородной бомбы, можно представить следующим образом. Сначала взрывается находящийся внутри оболочки HB заряд-инициатор термоядерной реакции (небольшая атомная бомба), в результате чего возникает нейтронная вспышка и создается высокая температура, необходимая для инициации термоядерного синтеза. Нейтроны бомбардируют вкладыш из дейтерида лития – соединения дейтерия с литием (используется изотоп лития с массовым числом 6). Литий-6 под действием нейтронов расщепляется на гелий и тритий. Таким образом, атомный запал создает необходимые для синтеза материалы непосредственно в самой приведенной в действие бомбе.

Затем начинается термоядерная реакция в смеси дейтерия с тритием, температура внутри бомбы стремительно нарастает, вовлекая в синтез все большее и большее количество водорода. При дальнейшем повышении температуры могла бы начаться реакция между ядрами дейтерия, характерная для чисто водородной бомбы. Все реакции, конечно, протекают настолько быстро, что воспринимаются как мгновенные.

Ядерная зима

Однако разрушение городов — не самое страшное, что может случиться «благодаря» оружию массового поражения. После ядерной войны мир не будет полностью уничтожен. На планете останутся тысячи крупных городов, миллиарды людей и лишь небольшой процент территорий потеряет свой статус «пригодная для жизни». В долгосрочной перспективе весь мир окажется под угрозой из-за так называемой «ядерной зимы». Подрыв ядерного арсенала «клуба» может спровоцировать выброс в атмосферу достаточного количества вещества (пыли, сажи, дыма), чтобы «убавить» яркость солнца. Пелена, которая может разнестись по всей планете, уничтожит урожаи на несколько лет вперед, провоцируя голод и неизбежное сокращение населения. В истории уже был «год без лета», после крупного извержения вулкана в 1816, поэтому ядерная зима выглядит более чем реально. Опять же в зависимости от того, как будет протекать война, мы можем получить следующие виды глобального изменения климата:

• похолодание на 1 градус, пройдет незаметно;
• ядерная осень – похолодание на 2-4 градуса, возможны неурожаи и усиление образования ураганов;
• аналог «года без лета» — когда температура упала значительно, на несколько градусов на год;
• малый ледниковый период – температура может упасть на 30 – 40 градусов на значительное время, будет сопровождаться депопуляцией ряда северных зон и неурожаями;
• ледниковый период – развитие малого ледникового периода, когда отражение солнечных лучей от поверхности может достичь некой критической отметки и температура продолжит падать, отличие лишь в температуре;
• необратимое похолодание – это совсем печальный вариант ледникового периода, который под влиянием множества факторов превратит Землю в новую планету.

Устройство термоядерной бомбы по принципу Теллера-Улама

Многие его детали по-прежнему остаются засекреченными, но есть достаточная уверенность, что все имеющееся ныне термоядерное оружие использует в качестве прототипа устройство, созданное Эдвардом Теллерос и Станиславом Уламом, в котором атомная бомба (т. е. первичный заряд) используется для генерации излучения, сжимает и нагревает термоядерное топливо. Андрей Сахаров в Советском Союзе, по-видимому, независимо придумал аналогичную концепцию, которую он назвал “третьей идеей”.

Схематически устройство термоядерной бомбы в этом варианте показано на рисунке ниже.

Дело в том, что в промышленности давно используется гидрид лития LiH для безбалонной транспортировки водорода. Разработчики бомбы (эта идея сначала была использована в СССР) просто предложили брать вместо обычного водорода его изотоп дейтерий и соединять с литием, поскольку с твердым термоядерным зарядом выполнить бомбу гораздо проще.

По форме вторичный заряд представлял собой цилиндр, помещенный в контейнер со свинцовой (или урановой) оболочкой. Между зарядами находится щит нейтронной защиты. Пространство, между стенками контейнера с термоядерным топливом и корпусом бомбы заполнено специальным пластиком, как правило, пенополистиролом. Сам корпус бомбы выполнен из стали или алюминия.

Эти формы изменились в последних конструкциях, таких как показанная на рисунке ниже.

Принципы устройства и действия ядерных боеприпасов

Ядерными боеприпасами называются авиабомбы, торпеды, боевые части ракет, артиллерийские снаряды и специальные ин­женерные мины, снаряженные ядерными зарядами.

Отли­чительные особенности ядерных боеприпасов обусловлены:

— типом носителя, определяющим форму, габаритные и ве­совые характеристики боеприпаса;

— калибром боеприпаса, который характеризуется тротиловым эквивалентом;

надежностью действия и безопасностью при хранении, транспортировке и боевом применении;

— экономичностью конструкции боеприпаса. 

Ядерный боеприпас состоит из ядерного заряда, датчиков подрыва, системы автома­тики и источников питания, размещенных в корпусе.

Ядерный заряд представляет собой устройство для осуществления взрывного про­цесса освобождения внутри­ядерной энергии.

По характе­ру происходящих в них взрыв­ных реакций ядерные заряды подразделяются на три вида:

— ядерные заряды деле­ния, энергия взрыва которых обусловлена только реакцией деления плутония-239, урана-235, урана-233;

— ядерные заряды, у ко­торых кроме реакции деления плутония или урана, происхо­дит реакция синтеза легких ядер; эти заряды еще называ­ются термоядерными зарядами типа „деление—синтез»;

— ядерные заряды, энергия взрыва которых освобождается в результате развития трех ядерных реакций. Такие заряды на­зываются комбинированными зарядами или термоядерными заря­дами типа «деление — синтез — деление».

Результаты теста

Взрыв AN602 по классификации ядерных взрывов был сверхмощным ядерным взрывом малой мощности. Результаты были впечатляющими:

• Вспышка была видна на расстоянии более 1000 км. Наблюдался в Норвегии, Гренландии и на Аляске.
• Ядерный гриб взрыва поднялся на высоту 67 км. Форма «шляпы» была двухъярусной; Диаметр верхнего яруса оценивался в 95 км (59 миль), нижнего яруса — в 70 км (43 мили). Облако наблюдалось в 800 км от места взрыва.
• Взрывная волна трижды облетела земной шар, первый раз за 36 часов 27 минут.
• Сейсмическая волна в земной коре, созданная ударной волной взрыва, трижды обогнула земной шар.
• Волна атмосферного давления в результате взрыва была трижды зарегистрирована в Новой Зеландии : станция в Веллингтоне зафиксировала повышение давления в 21:57 30 октября с северо-запада, в 07:17 31 октября с на юго-востоке и в 9:16 1 ноября с северо-запада (все время по Гринвичу ) с амплитудами 0,6  мбар (0,60  гПа ), 0,4 мбар (0,40 гПа) и 0,2 мбар (0,20 гПа). Соответственно, средняя скорость волны оценивается в 303 м / с (990 фут / с), или 9,9 градуса большого круга в час.
• Стекло разбилось в окнах в 780 км от взрыва в деревне на острове Диксон .
• Звуковая волна , порожденная взрывом достигли острова Диксон, но нет никаких сообщений о гибели или повреждения структур даже в поселке городского типа в Амдерме , что гораздо ближе (280 км (170 миль)) до выхода на сушу.
• Ионизация атмосферы вызвала помехи радиосвязи даже за сотни километров от полигона примерно на 40 минут.
• Радиоактивное заражение экспериментального поля радиусом 2–3 км (1,2–1,9 мили) в зоне эпицентра составило не более 1 миллирентген / час, испытатели появились на месте взрыва через 2 часа, радиоактивное заражение практически не представляло опасности. участникам теста.

Все здания в деревне Северный , как деревянные, так и кирпичные, расположенные в 55 км от эпицентра в пределах полигона Сухой Нос, были разрушены. В районах за сотни километров от эпицентра земли были разрушены деревянные дома, каменные лишились крыш, окон и дверей, почти на час прервалась радиосвязь. Один участник теста увидел яркую вспышку через темные очки и почувствовал воздействие теплового импульса даже на расстоянии 270 км (170 миль). Тепло от взрыва могло вызвать ожоги третьей степени в 100 км от эпицентра. Ударная волна наблюдалась в воздухе в поселке Диксон в 700 км (430 миль); оконные стекла были частично разбиты на расстояниях до 900 километров (560 миль). Атмосферная фокусировка вызвала повреждения от взрыва на еще больших расстояниях, разбив окна в Норвегии и Финляндии. Несмотря на то, что он взорвался на высоте 4,2 км (3 мили) над землей, его магнитуды объемной сейсмической волны оценивались в 5,0–5,25.

Сразу после испытания несколько сенаторов США осудили Советский Союз. Премьер — министр Швеции , Эрландер увидел взрыв , как ответ Советов на личное обращение , чтобы остановить ядерные испытания , что он послал советский лидер в неделе до взрыва. Иностранные дела Великобритании , премьер — министр Норвегии Герхардсен , премьер — министр Дания Виего Кампманна и других также опубликовали заявление , осуждающее взрыв. Советские и китайские радиостанции говорилось , что США подземное ядерное испытание в гораздо меньшей бомбы (возможно, норка тест) , проведенной за день до этого , не упоминая тест царя Bomba.

Техническое задание

Согласно заданию, конструкторам необходимо было построить РДС двух моделей:

1. РДС-1. Бомба с плутониевым зарядом, которая подрывается путем сферического обжатия. Устройство было позаимствовано у американцев.
2. РДС-2. Пушечная бомба с двумя урановыми зарядами, сближающимися в стволе пушки, прежде чем создастся критическая масса.

Когда Америка узнала о том, что Советский Союз владеет секретами создания ядерного оружия, у нее появилось стремление к скорейшей эскалации превентивной войны.

Летом 1949 года появился план «Троян», по данным которого 1 января 1950 года планировалось начать боевые действия против СССР. 

Первые реальные испытания

Дело не ограничилось только пробными испытаниями. В наши дни существует единственный пример использования атомной бомбы в реальных целях. Это атака бомбардировщиками США на Японские города Хиросима и Нагасаки.

Это произошло 6 и 9 августа 1945 года. Сбросили две бомбы – урановая «Малыш» и плутониевая «Толстяк». В результате такого нападения погибло более 400 тысяч человек. Власти в США пошли на такой шаг, посчитав это более разумным, чем продолжение войны с возможностью ещё больших потерь. Так и случилось. Япония решила капитулировать, тем самым Вторая мировая война была окончена.

По сохранившимся данным, на месте погибло около 70 тысяч людей, остальные умерли вскоре от облучения.

Стоит помнить, что водородная бомба уничтожает всех и вся не только во время взрыва, но также несёт последствия, которые настигнут пострадавших в будущем. Это – облучение и радиация. Радиоактивный фон может распространяться и сохраняться в течение очень долгого времени (десятилетиями).Это нанесет вред не только ныне живущим, но и их потомкам.Разрушения очень мощные, территории, которые подвергались взрыву, трудно восстановить.

Термоядерный плуг для великих строек капитализма

Теллер некоторое время пытался продвигать свою гигабомбу, но понял бесперспективность предприятия. К тому же после его участия в травле Оппенгеймера научное сообщество глубоко презирало Теллера, и никто не подал бы голос в поддержку идеи оружия для осуществления геноцида целых стран. Такой монстр не заинтересовал даже ястребов из Стратегического авиационного командования, а Эйзенхауэр попросту закрыл разработку всех проектовот 60 мегатонн».

На ту же тему NAWAPA: как провалился самый амбициозный инфраструктурный проект США

ПосемуСтрейнджлав во плоти» увлёкся другими идеями. Например, продвижением идей опасности глобального потепления, помощи израильской атомной программе и проектомПлаушер»:Плуг».

Он предполагал мирное использование атомных и термоядерных взрывов — наподобие советской госпрограммыЯдерные взрывы для народного хозяйства». Размах идей был традиционным для Теллера. Почему бы не сделать на Аляске новую искусственную бухту? Всего-то и надо — взорвать пару небольших подземных устройства мощностью по 2,4 мегатонны. И ещё три поменьше, чтобы прорыть проход. И отлично.

Оказалось, что экономического и даже военного смысла в такой бухте не очень много. А радиационное заражение водоёма и окрестностей будет таким, что работать там придётся в костюмах РХБЗ. Впрочем, проект попытались реализовать, и для проверки не придумали ничего лучше, чем привезти на Аляску заражённую землю из Невады. Провести проверки и прикопать.

Когда местные жители стали слишком часто умирать от рака, история всплыла и получилосьочень неудобно». Впрочем,заодно» были получены ценные научные данные о социально-экономических эффектах радиоактивного заражения коренных народов Крайнего Севера…

Теллер был очень раздосадован провалом и предложил новую идею: давайте добывать нефть из битуминозных песков канадской Атабаски посредством термоядерных взрывов?Проклятые радиофобы и пацифисты» из канадского правительства изумились и отказались.

Доктор Стрейнджлав» не угомонился, хоть и пережил сердечный приступ из-за критики атомной энергетики после аварии АЭС Три-Майл-Айленд. В 1980-м он выступил с идеей размещения атомного и лазерного оружия в космосе. Именно так началась   Стратегическая оборонная инициатива» — но об этом уже не сейчас.

Три-Майл-Айленд после аварии

А могли бы реально создать десятигигатонную бомбу?

В принципе, да. Только не бомбу, а гораздо более крупное устройство.

Смысла в этом не было ни малейшего. Мощность боеприпасов в начале атомной эры наращивали по двум причинам.

Во-первых, из-за неуверенности в успешности прорыва всё более мощной ПВО вероятного противника — чтобы хоть кто-то прорвался и достал цель парой десятков мегатонн, после чего о ней можно было бы забыть. Во-вторых, межконтинентальные баллистические ракеты первых поколений имели очень сомнительную точность. Особенно это актуально было для СССР, который к началу 60-х опасно отставал от США в средствах доставки.

Царь-Бомба»

Тогда, в начале 60-х, американцы приняли на вооружение бомбу Mk-41 на 25 мегатонн и изготовили таких пять сотен. СССР ответил испытаниямиЦарь-Бомбы» на 58 мегатонн.

Как только от авиабомб перешли к ракетамвоздух-земля», которые можно было пускать издалека, а межконтинентальные боеголовки научились приземляться в десятках метров от целей, — оружие мегатонного класса стало покидать арсеналы. Сейчас на вооружении, главным образом, стоят боеголовки регулируемой мощности до сотен килотонн.

Рассказывали, что у Теллера в кабинете висела доска со списком возможных боеприпасов и средств доставки. Финальным пунктом значилось устройство необозначенной запредельной мощности, а средством доставки был обозначен собственный задний двор.

Всё равно хватило бы всем.

Водородная бомба

Увеличение мощности обычной ядерной бомбы упирается в некий потолок, ограниченной мощностью в несколько десятков килотонн. Дело в том, что цепная реакция при большой сверхкритической массе не успевает затронуть всё вещество – начавшееся практически мгновенно выделение энергии успевает разбросать большую часть вещества до того, как оно вступит в цепную реакцию. Необходимо повысить мощность взрыва другим методом. И решение было найдено: в дело вступил термоядерный синтез, на сегодняшний день самый мощный тип энергии. Управляемый синтез нам не подвластен до сих пор, а неуправляемый (взрыв) – уже давно освоен. Первая в мире водородная бомба была взорвана СССР на Семипалатинском полигоне в 1953 году…

Термоядерный синтез можно наблюдать в любой горячей звезде: в условиях чудовищных температур и давления легкие ядра водорода приобретают такую огромную кинетическую энергию движения, что объединяются друг с другом, образуя, естественно, более тяжелые ядра – ядра гелия. При этом часть ядер водорода испускается в виде потока высокой энергии.

В водородной бомбе применяется не чистый водород, а дейтерид лития-6, содержащий в себе изотоп водорода дейтерий и изотоп лития, служащий для выделения еще одного изотопа водорода – трития. Вот такая сложная схема. Но дальше будет еще сложнее.

Дейтерид лития-6 помещают в контейнер, изготовленный из урана-238, а рядом размещают обычный ядерный заряд небольшой мощности. Этот заряд нужен для инициации термоядерной реакции.

Ядерный заряд подрывается, контейнер мгновенно превращается в плазму, обеспечивая необходимые нам давления и температуру. Нейтроны, излучаемые ураном-238, вступают в реакцию с дейтеридом лития-6, в результате чего получается тритий.

Дейтерий и тритий взаимодействуют между собой, образуя более тяжелые ядра с высвобождением гигантской энергии.

По сути, мощность водородной бомбы почти ничем не ограничена.

Запись ядерных реакций

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

48113Cd+n→48114Cd+γ{\displaystyle {}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}+n\rightarrow {}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}+\gamma }.

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

48113Cd(n,γ)48114Cd{\displaystyle {}_{48}^{113}{\textrm {Cd}}(n,\gamma ){}_{48}^{114}{\textrm {Cd}}}.

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n, γ)-реакции.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провёл Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы

714N(α,p)817O{\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}(\alpha ,p){}_{8}^{17}{\textrm {O}}}, где p=11H{\displaystyle p={}_{1}^{1}{\textrm {H}}} — ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта реакция выглядит как

714N+α→p+817O{\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}+\alpha \rightarrow p+{}_{8}^{17}{\textrm {O}}}.

«Колоссальная и нетривиальная работа»

Первый прообраз термоядерной бомбы США испытали 1 ноября 1952 года на Маршалловых островах. Мощность боеприпаса составила 10,4 мегатонны, превысив в 450 раз мощность 21-килотонной бомбы «Толстяк», сброшенной на Нагасаки 9 августа 1945 года.

Советский Союз впервые испытал прототип водородной бомбы 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне (Казахская ССР). Это была четвёртая попытка «протестировать» термоядерное оружие. Боеприпас мощностью 400 килотонн получил название «изделие РДС‑6c». 

Также по теме

«Зрелище было неземное»: 55 лет назад Советский Союз испытал Царь-бомбу

30 октября 1961 года СССР провёл испытание самой мощной в истории термоядерной авиационной бомбы. RT восстановил события того дня, а…

«Испытание вызвало огромный интерес и волнение во всём мире. В США его окрестили «Джо-4». Четыре — порядковый номер советских испытаний, Джо — соответствует Иосифу, имя Сталина. Мощность взрыва и другие параметры оказались близкими к расчётным. Начальство было в восторге. Мы же понимали, что ещё предстоит колоссальная и нетривиальная работа», — воспоминал «отец водородной бомбы», академик Андрей Сахаров.

В последующие девять лет в рамках программы по созданию мощнейшей в мире водородной бомбы СССР провёл свыше 200 различных испытаний. В итоге советские учёные смогли решить эту сложнейшую технологическую задачу.

17 октября 1961 года на XXII съезде КПСС Никита Хрущёв представил делегатам отчётный доклад, где содержалась информация о ходе работ по созданию термоядерного боеприпаса. В своём выступлении советский лидер анонсировал грядущее испытание мощнейшей водородной бомбы.

• Первый секретарь ЦК КПСС Никита Хрущёв
• РИА Новости

«Хочу сказать, что очень успешно идут у нас испытания и нового ядерного оружия. Скоро мы завершим эти испытания. Очевидно, в конце октября. В заключение, вероятно, взорвём водородную бомбу мощностью в 50 млн тонн тротила (мегатонн)», — сообщил Хрущёв.

Также по теме

Ядерный пацифизм: насколько оправданны призывы запретить атомное оружие

16 июля 1945 года Соединённые Штаты впервые в истории человечества провели испытание атомной бомбы. В 1949 году обладателем самого…

30 октября 1961 года состоялось успешное испытание «чистой» водородной бомбы АН602, мощность которой составила 58 мегатонн. Это был самый сильный ядерный взрыв в истории человечества. Испытание прошло в Арктике на Государственном полигоне №6 «Сухой Нос» (Новая Земля).

Бомба была закреплена под фюзеляжем самолёта Ту-95. Экипаж под руководством подполковника Андрея Дурновцева сбросил АН602 с высоты 10,5 км. После этого в хвостовой части бомбы раскрылся парашют. Это было необходимо, чтобы лётчики смогли удалиться на безопасное от взрыва расстояние.

Подрыв АН602 произошёл на высоте примерно 4,2 км. Возникла очень яркая вспышка, которую можно было видеть даже за тысячу километров. Через 30 секунд после взрыва огненный купол достиг высоты 30 км. Спустя несколько минут купол превратился в грибообразное облако.

Что такое атомная бомба?

Принцип действия атомной бомбы основан на использовании энергии, возникающей в результате нарастающей цепной реакции, вызванной делением (расщеплением) тяжелых ядер плутония или урана-235 с последующим образованием более легких ядер.

Сам процесс называют однофазным, и протекает он следующим образом:

После детонации заряда вещество, находящееся внутри бомбы (изотопы урана или плутония), переходит в стадию распада и начинает захват нейтронов.

Процесс распада нарастает, как снежная лавина. Расщепление одного атома приводит к распаду нескольких. Возникает цепная реакция, ведущая к разрушению всех атомов, находящихся в бомбе.

Начинается ядерная реакция. Весь заряд бомбы превращается в единое целое, и его масса переходит свою критическую отметку. Причем вся эта вакханалия длится очень недолго и сопровождается мгновенным выделением огромного количества энергии, что в конечном итоге и приводит к грандиозному взрыву.

Кстати, эта особенность атомного однофазного заряда – быстро набирать критическую массу – не позволяет бесконечно увеличивать мощность данного вида боеприпаса. Заряд может быть мощностью сотни килотонн, но чем ближе он к мегатонному уровню, тем меньше его эффективность. Он просто не успеет полностью расщепиться: произойдет взрыв и часть заряда так и останется неиспользованной – ее разметает взрывом. Эта проблема была решена в следующем виде атомного боеприпаса – в водородной бомбе, которая также называется термоядерной.