Как работает ядерная боеголовка (4 фото). История создания и принцип действия атомной бомбы

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.

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 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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».

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?

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.

Ядерные заблуждения

Плотность плутония в момент взрыва увеличивается за счет фазового перехода

Металлический плутоний существует в шести фазах, плотность которых от 14,7 до 19,8 г/см3. При температуре ниже 119 °C существует моноклинная альфа-фаза (19,8 г/см3), 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, взрыва не последует - заготовка просто раскалится, но может произойти сброс никелирования (а плутоний очень токсичен).

Нейтронный источник

В первых ядерных бомбах использовался бериллий-полониевый источник нейтронов. В современных зарядах применяются гораздо более удобные нейтронные трубки

В вакуумной нейтронной трубке между насыщенной тритием мишенью (катодом) (1) и анодным узлом (2) прикладывается импульсное напряжение в 100 кВ. 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 считали, что это и есть синтез, 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, нейтрон отрывается и становится свободным.

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, а затем, 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 составляет 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).

Видео: Ядерные взрывы

Подписывайтесь и читайте наши лучшие публикации в Яндекс.Дзен . Смотрите красивые фотографии со всех уголков планеты на нашей странице в Instagram

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Вся громада межконтинентальной баллистической ракеты, десятки метров и тонн сверхпрочных сплавов, высокотехнологичного топлива и совершенной электроники нужны лишь для одного - доставить к месту назначения боеголовку: конус высотой метр-полтора и толщиной у основания с туловище человека.

Взглянем на некую типовую боеголовку (в реальности между боеголовками могут существовать конструктивные различия). Это конус из легких прочных сплавов. Внутри есть переборки, шпангоуты, силовой каркас - почти всё как в самолете. Силовой каркас покрыт прочной металлической обшивкой. На обшивку нанесен толстый слой теплозащитного покрытия. Это похоже на древнюю корзину эпохи неолита, щедро обмазанную глиной и обожженную в первых экспериментах человека с теплом и керамикой. Схожесть легко объяснима: и корзине, и боеголовке предстоит сопротивляться наружному жару.

Внутри конуса, закрепленные на своих «сиденьях», находятся два основных «пассажира», ради которых все и затеяно: термоядерный заряд и блок управления зарядом, или блок автоматики. Они поразительно компактны. Блок автоматики - размером с пятилитровую банку маринованных огурцов, а заряд - с обычное огородное ведро. Тяжелый и увесистый, союз банки и ведра взорвется килотонн на триста пятьдесят - четыреста. Два пассажира соединены между собой связью, как сиамские близнецы, и через эту связь постоянно чем-то обмениваются. Диалог их ведется все время, даже когда ракета стоит на боевом дежурстве, даже когда этих близнецов только везут с предприятия-производителя.

Есть и третий пассажир - блок измерения движения боеголовки или вообще управления ее полетом. В последнем случае в боеголовку встроены рабочие органы управления, позволяющие изменять траекторию. Например, исполнительные пневмосистемы или пороховые системы. А еще бортовая электросеть с источниками питания, линии связи со ступенью, в виде защищенных проводов и разъемов, защита от электромагнитного импульса и система термостатирования - поддержания нужной температуры заряда.

Технология, по которой боевые блоки отделяются от ракеты и ложатся на собственные курсы - отдельная большая тема, о которой можно писать книги.

Для начала объясним, что такое "просто боевой блок". Это устройство, в котором физически находится термоядерный заряд на борту межконтинентальной баллистической ракеты. В ракете есть так называемая головная часть, в которой могут находиться один, два и более боевых блоков. Если их несколько, головная часть называется разделяющейся головной частью (РГЧ).

Внутри РГЧ находится очень сложный агрегат (его еще называют платформой разведения), который после вывода ракетой-носителем за пределы атмосферы начинает выполнять целый ряд запрограммированных действий по индивидуальному наведению и отделению находящихся на нем боевых блоков; в пространстве выстраиваются боевые порядки из блоков и ложных целей, которые изначально тоже находятся на платформе. Таким образом, каждый блок выводится на траекторию, обеспечивающую попадание в заданную цель на поверхности Земли.

Боевые блоки бывают разные. Те, что движутся по баллистическим траекториям после отделения от платформы, называются неуправляемыми. Управляемые же боевые блоки после отделения начинают "жить своей жизнью". Они снабжены двигателями ориентации для осуществления маневров в космическом пространстве, аэродинамическими рулевыми поверхностями для управления полетом в атмосфере, у них на борту установлена инерциальная система управления, несколько вычислительных устройств, радиолокатор со своим собственным вычислителем… Ну и, разумеется, боевой заряд.

Практически управляемый боевой блок сочетает в себе свойства беспилотного космического корабля и гиперзвукового беспилотного самолета. Все действия как в космосе, так и во время полета в атмосфере, этот аппарат обязан выполнять автономно.

После отделения от платформы разведения боевой блок относительно долго летит на очень большой высоте - в космосе. В это время система управления блока осуществляет целую серию переориентаций, чтобы создать условия для точного определения собственных параметров движения, облегчения преодоления зоны возможных ядерных взрывов противоракет…
Перед вхождением в верхние слои атмосферы бортовой компьютер вычисляет необходимую ориентацию боевого блока и выполняет ее. Примерно в тот же период проходят сеансы определения фактического местоположения при помощи радиолокатора, для чего тоже нужно сделать ряд маневров. Затем антенна локатора отстреливается, и для боевого блока начинается атмосферный участок движения.

Внизу перед боеголовкой раскинулся огромный, контрастно блестящий с грозных больших высот, затянутый голубой кислородной дымкой, подернутый аэрозольными взвесями, необозримый и безбрежный пятый океан. Медленно и еле заметно поворачиваясь от остаточных воздействий разделения, боеголовка по пологой траектории продолжает спуск. Но вот навстречу ей тихонько потянул очень необычный ветерок. Чуть тронул ее - и стал заметен, обтянул корпус тонкой, уходящей назад волной бледного бело-голубого свечения. Волна эта умопомрачительно высокотемпературная, но она пока не жжет боеголовку, так как слишком уж бесплотна. Ветерок, обдувающий боеголовку, - электропроводящий. Скорость конуса настолько высока, что он в буквальном смысле дробит своим ударом молекулы воздуха на электрически заряженные осколки, происходит ударная ионизация воздуха. Этот плазменный ветерок называется гиперзвуковым потоком больших чисел Маха, и его скорость в двадцать раз превосходит скорость звука.

Из-за большой разреженности ветерок в первые секунды почти незаметен. Нарастая и уплотняясь с углублением в атмосферу, он сперва больше греет, чем давит на боеголовку. Но постепенно начинает с силой обжимать ее конус. Поток разворачивает боеголовку носиком вперед. Разворачивает не сразу - конус слегка раскачивается туда-сюда, постепенно замедляя свои колебания, и наконец стабилизируется.

Уплотняясь по мере снижения, поток все сильнее давит на боеголовку, замедляя ее полет. С замедлением плавно снижается температура. От огромных значений начала входа, бело-голубого свечения десятка тысяч кельвинов, до желто-белого сияния пяти-шести тысяч градусов. Это температура поверхностных слоев Солнца. Сияние становится ослепительным, потому что плотность воздуха быстро растет, а с ней и тепловой поток в стенки боеголовки. Теплозащитное покрытие обугливается и начинает гореть.

Оно горит вовсе не от трения об воздух, как часто неверно говорят. Из-за огромной гиперзвуковой скорости движения (сейчас в пятнадцать раз быстрее звука) от вершины корпуса расходится в воздухе другой конус - ударно-волновой, как бы заключая в себе боеголовку. Набегающий воздух, попадая внутрь ударно-волнового конуса, мгновенно уплотняется во много раз и плотно прижимается к поверхности боеголовки. От скачкообразного, мгновенного и многократного сжатия его температура сразу подскакивает до нескольких тысяч градусов. Причина этого - сумасшедшая быстрота происходящего, запредельная динамичность процесса. Газодинамическое сжатие потока, а не трение - вот что сейчас прогревает боеголовке бока.

Хуже всего приходится носовой части. Там образуется наибольшее уплотнение встречного потока. Зона этого уплотнения слегка отходит вперед, как бы отсоединяясь от корпуса. И держится впереди, принимая форму толстой линзы или подушки. Такое образование называется «отсоединенная головная ударная волна». Она в несколько раз толще остальной поверхности ударно-волнового конуса вокруг боеголовки. Лобовое сжатие набегающего потока здесь самое сильное. Поэтому в отсоединенной головной ударной волне самая высокая температура и самая большая плотность тепла. Это маленькое солнце обжигает носовую часть боеголовки лучистым путем - высвечивая, излучая из себя тепло прямо в нос корпуса и вызывая сильное обгорание носовой части. Поэтому там самый толстый слой теплозащиты. Именно головная ударная волна освещает темной ночью местность на многие километры вокруг летящей в атмосфере боеголовки.

Связанные одной целью

Термоядерный заряд и блок управления непрерывно общаются друг с другом. "Диалог" этот начинается сразу после установки боеголовки на ракету, а завершается он в момент ядерного взрыва. Все это время система управления готовит заряд к срабатыванию, как тренер - боксера к ответственному поединку. И в нужный момент отдает последнюю и самую главную команду.

При постановке ракеты на боевое дежурство ее заряд оснащают до полной комплектации: устанавливают импульсный нейтронный активатор, детонаторы и другое оборудование. Но к взрыву он еще не готов. Десятилетиями держать в шахте или на мобильной пусковой установке ядерную ракету, готовую рвануть в любой момент, попросту опасно.

Поэтому во время полета система управления переводит заряд в состояние готовности к взрыву. Происходит это постепенно, сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух основных условиях: надежность движения к цели и контроль над процессом. Стоит одному из этих факторов отклониться от расчетных значений и подготовка будет прекращена. Электроника переводит заряд во все более высокую степень готовности, чтобы в расчетной точке дать команду на срабатывание.

И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.

Сильно изменившись и снаружи, и внутри, боеголовка прошла в тропосферу - последний десяток километров высоты. Она сильно затормозилась. Гиперзвуковой полет выродился до сверхзвука в три-четыре единицы Маха. Светит боеголовка уже тускло, угасает и подходит к точке цели.

Взрыв на поверхности Земли планируется редко - только для углубленных в землю объектов вроде ракетных шахт. Большинство целей лежит на поверхности. И для их наибольшего поражения подрыв производят на некоторой высоте, зависящей от мощности заряда. Для тактических двадцати килотонн это 400−600 м. Для стратегической мегатонны оптимальная высота взрыва - 1200 м. Почему? От взрыва по местности проходят две волны. Ближе к эпицентру взрывная волна обрушится раньше. Упадет и отразится, отскочив в стороны, где и сольется с только что дошедшей сюда сверху, из точки взрыва, свежей волной. Две волны - падающая из центра взрыва и отраженная от поверхности - складываются, образуя в приземном слое наиболее мощную ударную волну, главный фактор поражения.

При испытательных же пусках боеголовка обычно беспрепятственно достигает земли. На ее борту находится полцентнера взрывчатки, подрываемой при падении. Зачем? Во-первых, боеголовка - секретный объект и должна надежно уничтожаться после использования. Во-вторых, это необходимо для измерительных систем полигона - для оперативного обнаружения точки падения и измерения отклонений.

Многометровая дымящаяся воронка завершает картину. Но перед этим, за пару километров до удара, с испытательной боеголовки отстреливается наружу бронекассета запоминающего устройства с записью всего, что регистрировалось на борту во время полета. Эта бронефлешка подстрахует от потери бортовой информации. Ее найдут позже, когда прилетит вертолет со спецгруппой поиска. И зафиксируют результаты фантастического полета.

Взглянем на некую типовую боеголовку (в реальности между боеголовками могут существовать конструктивные различия). Это конус из легких прочных сплавов — обычно из титана. Внутри есть переборки, шпангоуты, силовой каркас - почти как в самолете. Силовой каркас покрыт прочной металлической обшивкой. На обшивку нанесен толстый слой теплозащитного покрытия. Это похоже на древнюю корзину эпохи неолита, щедро обмазанную глиной и обожженную в первых экспериментах человека с теплом и керамикой. Схожесть легко объяснима: и корзине, и боеголовке предстоит сопротивляться наружному жару.

Боеголовка и ее начинка

На фото - ступень разведения ракеты МХ (Peacekeeper) и десять боевых блоков. Эта ракета давно снята с вооружения, но боевые блоки и сейчас используются те же самые (и даже еще более старые). Баллистические ракеты с разделяющейся ГЧ у американцев установлены только на подводных лодках.

После покидания автобуса боеголовки продолжают набирать высоту и одновременно мчаться в сторону целей. Они поднимаются до высших точек своих траекторий, а потом, не замедляя горизонтального полета, начинают все быстрее скатываться вниз. На высоте ровно ста километров над уровнем моря каждая боеголовка пересекает формально назначенную человеком границу космического пространства. Впереди атмосфера!

Электрический ветер

Жара на гиперзвуке

Бокам становится совсем несладко. Их сейчас тоже жарит нестерпимым сиянием из головной ударной волны. И обжигает раскаленный сжатый воздух, превратившийся в плазму от дробления его молекул. Впрочем, при столь высокой температуре воздух ионизируется и просто от нагрева - его молекулы распадаются на части от жары. Получается смесь ударно-ионизационной и температурной плазмы. Своим воздействием трения эта плазма шлифует горящую поверхность теплозащиты, словно песком или наждачной бумагой. Происходит газодинамическая эрозия, расходующая теплозащитное покрытие.

В это время боеголовка прошла верхнюю границу стратосферы - стратопаузу - и входит в стратосферу на высоте 55 км. Движется она сейчас с гиперзвуковой скоростью в десять-двенадцать раз быстрее звука.

Нечеловеческие перегрузки

Сильное обгорание изменяет геометрию носа. Поток, словно резцом скульптора, выжигает в носовом покрытии заостренный центральный выступ. Появляются и другие особенности поверхности из-за неравномерностей выгорания. Изменения формы приводят к изменениям обтекания. Это меняет распределение давлений сжатого воздуха на поверхности боеголовки и поля температур. Возникают вариации силового воздействия воздуха по сравнению с расчетным обтеканием, что порождает отклонение точки падения - формируется промах. Пусть и небольшой - допустим, двести метров, но по ракетной шахте врага небесный снаряд попадет с отклонением. Или не попадет вообще.

Кроме того, картина ударно-волновых поверхностей, головной волны, давлений и температур непрерывно меняется. Плавно снижается скорость, зато быстро растет плотность воздуха: конус проваливается все ниже в стратосферу. Из-за неравномерностей давлений и температур на поверхности боеголовки, из-за быстроты их изменений могут возникать тепловые удары. От теплозащитного покрытия они умеют откалывать кусочки и куски, что вносит новые изменения в картину обтекания. И увеличивает отклонение точки падения.

Одновременно боеголовка может входить в самопроизвольные частые раскачивания с изменением направления этих раскачиваний с «вверх-вниз» на «вправо-влево» и обратно. Эти автоколебания создают местные ускорения в разных частях боеголовки. Ускорения меняются по направлению и величине, усложняя картину воздействия, испытываемого боеголовкой. Она получает больше нагрузок, несимметричности ударных волн вокруг себя, неравномерности температурных полей и прочих маленьких прелестей, вмиг вырастающих в большие проблемы.

Но и этим набегающий поток себя не исчерпывает. Из-за столь мощного давления встречного сжатого воздуха боеголовка испытывает огромное тормозящее действие. Возникает большое отрицательное ускорение. Боеголовка со всеми внутренностями находится в быстро растущей перегрузке, а экранироваться от перегрузки невозможно.

Космонавты не испытывают таких перегрузок при снижении. Пилотируемый аппарат менее обтекаем и заполнен внутри не столь плотно, как боеголовка. Космонавты и не спешат спуститься побыстрее. Боеголовка же - это оружие. Она должна достичь цели как можно скорее, пока не сбили. Да и перехват ее тем труднее, чем быстрее она летит. Конус - фигура наилучшего сверхзвукового обтекания. Сохранив высокую скорость до нижних слоев атмосферы, боеголовка встречает там очень большое торможение. Вот зачем нужны прочные переборки и силовой каркас. И удобные «сиденья» для двух седоков - иначе сорвет с мест перегрузкой.

Диалог сиамских близнецов

Кстати, а что там с этими седоками? Пришло время вспомнить главных пассажиров, ибо они сидят сейчас отнюдь не пассивно, а проходят свой собственный сложный путь, и диалог их становится наиболее содержательным в эти самые мгновения.

Заряд при перевозке разобран на части. При установке в боеголовку его собирают, а устанавливая боеголовку в ракету, оснащают до полной боеготовой комплектации (вставляют импульсный нейтронный инициатор, снаряжают детонаторами и т. д.). Заряд готов к полету до цели на борту боеголовки, но пока еще не готов взорваться. Логика тут понятная: постоянная готовность заряда к взрыву не нужна и теоретически опасна.

В состояние готовности к взрыву (вблизи цели) его предстоит перевести сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом. Система подрыва строго своевременно переводит заряд во все более высокие степени готовности. И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.

Финальная вспышка

Первая межконтинентальная баллистическая ракета с ядерной БЧ

Первой в мире МБР с ядерной боеголовкой стала советская Р-7. Она несла один трехмегатонный боевой блок и могла поражать объекты на дальности до 11 000 км (модификация 7-А). Детище С.П. Королёва хоть и было принято на вооружение, но в качестве военной ракеты оказалось малоэффективным из-за невозможности находиться длительное время на боевом дежурстве без дополнительной заправки окислителем (жидким кислородом). Зато Р-7 (и ее многочисленные модификации) сыграла выдающуюся роль в деле освоения космоса.

Первая головная часть МБР с разделяемыми боеголовками

Первой в мире МБР с разделяющейся головной частью стала американская ракета LGM-30 Minuteman III, развертывание которой началось в 1970 году. По сравнению с предыдущей модификацией боевой блок W-56 был заменен тремя легкими боевыми блоками W-62, установленными на ступень разведения. Таким образом, ракета могла поразить три отдельные цели или сосредоточить все три боеголовки для удара по одной. В настоящее время на всех ракетах Minuteman III в рамках инициативы по разоружению оставлено лишь по одному боевому блоку.

Боеголовка с переменной мощностью

С начала 1960-х годов разрабатываются технологии создания термоядерных боеголовок с переменной мощностью. К таковым относится, например, боеголовка W80, которая устанавливалась, в частности, на ракету Tomahawk. Эти технологии создавались для термоядерных зарядов, построенных по схеме Теллера-Улама, где реакция деления ядер изотопов урана или плутония запускает реакцию слияния (то есть термоядерный взрыв). Изменение мощности происходило путем внесения поправок во взаимодействие двух этапов.

PS. Хочется еще добавить, что там, наверху, еще и отрабатывают свою задачу блоки постановки помех, выпускаются ложные цели, и вдобавок разгонные блоки и/или автобус подрываются после разведения, дабы увеличить число целей на радарах и перегрузить ПРО.

Взорвалась вблизи Нагасаки. Смерть и разрушения сопровождаемые этими взрывами были беспрецедентными. Страх и ужас охватил все Японское население, вынудив сдаться их меньше чем через месяц.

Однако после завершения второй мировой войны атомное оружие не отошло на второй план. Начавшаяся холодная война стала огромным психологическим фактором давления между СССР и США. Обе стороны инвестировали огромные средства в разработку и создание новых атомных . Таким образом, на нашей планете за 50 лет накопилось несколько тысяч атомных снарядов. Этого вполне достаточно, чтобы несколько раз уничтожить все живое на . По этой причине в конце 90-х годов между США и Россией был подписан первый договор по разоружению, чтобы снизить опасность всемирной катастрофы. Не смотря на это, в настоящее время 9 стран обладают ядерным оружием, ставя свою оборону на иной уровень. В этой статье мы рассмотрим, из-за чего атомное оружие получило свою разрушительную мощь и как устроена атомная .

Для того, чтобы понять всю мощь атомных бомб необходимо разобраться с понятием радиоактивности. Как известно, наименьшей структурной единицей материи, из которой состоит весь мир вокруг нас, является атом. Атом в свою очередь состоит из ядра и вращающихся вокруг него . Ядро состоит из нейтронов и протонов. Электроны имеют отрицательный заряд, а протоны положительный. Нейтроны, как следует из их названия, – нейтральны. Обычно число нейтронов и протонов равно числу электронов в одном атоме. Однако под действием внешних сил число частиц в атомах вещества может измениться.

Нас интересует лишь вариант, когда изменяется число нейтронов, при этом образуется изотоп вещества. Некоторые изотопы вещества устойчивы и встречаются в природе, а некоторые – нестабильны и стремятся распасться. Например, углерод имеет 6 нейтронов. Также, встречается изотоп углерода с 7 нейтронами – достаточно устойчивый элемент, встречающий в природе. Изотоп углерода с 8 нейтронами – это уже нестабильный элемент и стремиться распасться. Это и есть радиоактивный распад. При этом нестабильные ядра, излучают лучи трех видов:

1. Альфа-лучи – достаточно безобидное в виде потока альфа-частиц, которое можно остановить с помощью тонкого листа бумаги и оно не может причинить вред

Даже если живые организмы смогли перенести первые две , то волна радиации вызывает очень скоротечную лучевую болезнь, убивающую за считанные минуты. Такое поражение возможно в радиусе нескольких сотен метров от взрыва. До нескольких километров от взрыва лучевая болезнь убьет человека за несколько часов или дней. Те, кто находился за пределами непосредственного взрыва, также могут получить дозу радиации, употребляя в пищу продукты и , а также вдыхая из зараженной зоны. Причем радиация не улетучивается мгновенно. Она накапливается в окружающей среде и может отравлять живые организмы еще долгие десятилетия после взрыва.

Вред от ядерного оружия слишком опасен, чтобы использовать его в любых условиях. От него неизбежно страдает мирное население и природе наносится непоправимый ущерб. Поэтому главное применение ядерных бомб в наше время – это сдерживание от нападения. Даже испытания ядерного оружия в настоящее время запрещены на большей части нашей планеты.