Бомба. Тайны и страсти атомной преисподней

Как уже говорилось, совершенствуя и наращивая мощь бомбы деления, американские ученые невольно прокладывали тем самым путь к термоядерному оружию. Это — с одной стороны.

А с другой, отвергнув «будильник», они не позаботились проблемами производства нужного изотопа лития, благодаря которому водородная бомба становится более компактной и более эффективной. Что совершенно необходимо в плане практическом.

Однако, и теоретические расчеты супер-классик не очень-то обнадеживали. Сначала возникли предположения, что температуры бомбы деления недостаточно, чтобы поджечь жидкий дейтерий, который воспламеняется при 400 миллионов градусов. Положение спас Конопинский, который предложил в начале разместить тритий, который легко возгорается и потом подожжет дейтерий. А дальше реакция синтеза, мол, пойдет сама собой.

Тритий действительно действует на дейтерий, как бензин на сырые дрова, но, когда математик Станислав Улам оценил количество требуемого трития, то схватился за голову — такое количество едва ли могла выдать промышленность[8], да и стоимость его была чудовищной, что делало водородную бомбу экономически нереальной.

К тому же, приблизительный расчеты Ферми и того же Улама показывали, что сечения (вероятности) слияния ядер дейтерия недостаточно велики, чтобы можно было уверенно говорить об успешной самоподдерживающейся реакции синтеза в дейтерии, приводящей к ожидаемому взрыву.

Как видно, доктор Теллер, увлекшись напористой рекламой своего «детища», не обеспечил себе крепкие тылы.

И это выяснилось в чрезвычайно критический момент, когда президент США издал директиву о создании водородного оружия. Но Теллер, похоже, считал, что все как-то само собой образуется, что точно измеренные сечения дадут новую надежду. Когда на «водородную» программу, наконец, выделили средства и научные силы — 400 человек, когда она стала официально признанной, более полные компьютерные расчеты подтвердили первоначальные пессимистические оценки Улама и Ферми.

К тому же Теллер получил еще один удар ниже пояса, — точно измеренные сечения реакции слияния ядер дейтерия оказались еще меньше, чем использованные в ранних расчетах, не дававших и тогда никакого оптимизма.

В конце концов, Теллер официально заявил: «Мы оказались на ошибочном пути, и конструкция водородной бомбы, считавшаяся нами наилучшей, оказалась неработоспособной». Можно представить себе — как тяжело было Теллеру расписаться в провале и признать себя неудачником.

Глава теоротдела Ганс Бете очень четко высказался по этому поводу: «Никто не собирается обвинять Теллера в том, что расчеты 1946 года оказались неверными, особенно если учесть, что тогда в нашей распоряжении еще не было надлежащих вычислительных машин.

Однако, его реально обвиняют в том, что он вовлек Лос-Аламосскую лабораторию, а в итоге — всю страну в авантюрную программу, основываясь на расчетах, неполнота которых должна быть ему известной».

Психика доктора Теллера находилась на грани, он всерьез надумывал о самоубийстве. Единственно, что хоть как-то утешало это то, что в этом же тупике топтались и советские ядерщики. К тому времени на допросах арестованный Фукс уже рассказал о всех документах по «термояду», которые он передал советской разведке.

Мать, беременная идеями Улама

Расчеты, сделанные много лет спустя, когда все параметры синтеза были точно известны и экспериментально подтверждены, когда резко выросли объем памяти и быстродействия вычислительных устройств, однозначно подтвердили, что идея супер-классик была утопична. Но это станет окончательно ясным потом, а сейчас нужно было изворачиваться.

В течении всего 1950-го года Теллер отчаянно метался, пытаясь найти работоспособный вариант для «термояда», но ничего разумного в голову не приходило.

Неожиданная помощь пришла со стороны направления, которое просто бесило Теллера — от тех, кто работал над эффективностью бомбы деления. И что интересно — от человека, который своими оценками, а потом и точными расчетами похоронил все надежды на будущее супер-классик.

В это время — в начале 1951 года — Станислав Улам раздумывал над одним из способов повышения эффективности бомбы деления двухступенчатой конструкции — он полагал взрывом одной атомной бомбы, точнее продуктами этого взрыва, обжать заряд другой бомбы деления — двойная, так сказать, имплозия. И тут ему в голову приходит мысль — обжать атомным взрывом дейтерий с помощью специальных гидродинамических линз, для улучшения условий слияния его ядер.

Причем дейтерий размещался в другом, физически отделенном отсеке, который образовывал уже новую — двухступенчатую конструкцию. Нельзя сказать, что ни Теллер, ни другие ученые, не интересовались предварительным сжатием тяжелого водорода перед тем, как его воспламенить. Но никто из них толком не представлял себе — что это за источник, который сумеет так сильно сдавить дейтерий, и каким способом осуществить такое сжатие.

Теллер не раз говорил, что «предварительное сжатие весьма полезно», но он раздумывал только над химической взрывчаткой — тринитротолуолом, возможности которого были в этом плане довольно ограниченны.

Улам же не только прочувствовал саму идею, он предложил и конструктивное решение, которое решало проблему сжатия до нужной степени.

Доктор Теллер, который испытывал неприязнь к человеку, опорочившему его самые святые намерения, не сразу «врубился» в новую идею, но постепенно он осмыслил предложение Улама, тем более ничего другого у него самого не было.

Мало того, у Теллера появилась мысль осуществить сжатие не ударной волной, по излучениям от первичного взрыва, которые распространяется намного быстрее, чем ударная волна, и успеет сжать дейтерий гораздо быстрее, чем нагреется и разрушится вся конструкция.

Впрочем, крупный исследователь истории американского атомного проекта Чак Хансен утверждает, что идея сжатия излучением также принадлежит Станиславу Уламу. Об этом говорится и в еще одной публикации: «Улам … отметил сильное рентгеновское излучение в первой ступени, а также очень малое движение расширяющейся массы делящеюся материала относительно излучения». Однако сам Улам отмечает Теллера, как автора второго предложения.

Кстати говоря, и та и другая идеи были реальными, хотя, конечно, сжатие излучением — так называемая радиационная имплозия — выглядела более изящной и эффективной.

В совместном отчете Улам и Теллер изложили оба способа, называя их фокусировкой энергии бомбы деления с «использованием линз и зеркал» для такой фокусировки. Собственно саму систему фокусировки Теллер назовет единственным и важнейшим секретом водородной бомбы.

С этого момента он окончательно отказывается от конструкции «супер-классик» и полностью сосредотачивается на радиационной имплозии и двухступенчатой конструкции, как на единственном способе зажечь взрывной «термояд».

Новая идея получила название «конфигурация Улама-Теллера», а потом имя Улама отсюда как-то выпало и «отцом» водородной бомбы стали называть только Теллера, хотя многие американские ядерщики считают и по сей день, что доктора Теллера правильнее было бы называть «матерью, беременной идеями Станислава Улама».

Спичка, зажженная домной

В этом же 1951 году впервые вспыхнула рукотворная термоядерная реакция, покорившаяся, наконец, человечеству. Собственно, сама реакция синтеза выглядела мизерной — всего лишь искоркой на фоне громадной молнии, но она была предусмотрена, просчитана и реализована.

Речь идет об испытании американской бомбы «Пункт» — плутониевой бомбы с усилением. Как уже говорилось ранее, внутри заряда делалась сферическая полость, куда закачивалось несколько грамм дейтерия и трития.

Обжатый плутоний начинал делиться после импульса нейтронов от внешнего источника. Когда сжатие и температура в центре становились колоссальными, вспыхивала термоядерная реакция.

Вклад в общую энергию взрыва от «термояда» был ничтожен, но зато синтез давал обильный поток нейтронов, которые «набрасывались» на не разделившиеся ядра плутония, резко увеличивая полноту и эффективность бомбы деления. Впрочем, этот результат был вполне прогнозируем.

А вот результат испытания под названием «Джордж», проведенным несколько ранее, не казался столь однозначным. Он планировался еще до оригинальной идеи Улама — в то время Теллер предложил устройство, за основу которого принята конструкция, запатентованная Фуксом еще в 1946 году. Исчерпав собственные идеи, Теллер решил «позаимствовать» у Фукса.

После открытия Улама для опыта «Джордж» изготовили ядерное устройство «Цилиндр» — это название, похоже, дал устройству сосуд, размещенный на периферии бомбы деления. В нем находилась пара десятков грамм смеси тяжелого и сверхтяжелого водорода — дейтерия и трития. Бомба деления в центре «Цилиндра» давала значительную мощность — 200 ктн. Ее главным продуктом — в отличие от более слабых бомб военного времени — становилось мощное излучение, эта бомба была более прозрачной для него, а шар намного горячее.

Цель опыта «Джордж» и состояла в том, чтобы проверить возможность использования этого рентгеновского излучения для сжатия термоядерной смеси в сосуде, пока она еще сильно не нагрелась. Поскольку цилиндр находился на периферии, а излучение движется к нему по специально сделанной трубе с максимально возможной скоростью 300000 км/сек — в десятки раз быстрее нейтронов, осколков ядер и прочих продуктов взрыва — то рентгеновские лучи успеют сжать дейтерий с тритием задолго до того, как к сосуду «подберутся» и разрушат его остальные частицы.

Для того, чтобы зарегистрировать реакцию синтеза, сосуд снабжался датчиками термоядерных нейтронов. Конечно, датчики разрушались и сгорали в этом адовом пламени, но они успевали до того послать сигналы приборам, надежно укрытым от взрыва.

Эксперимент подтвердил — излучение, вызывает сжатие и синтез дейтерия с тритием. Путь к термоядерной бомбе был обозначен окончательно.

Вызывает лишь удивление та ирония, с которой отнеслись к этому результату некоторые физики Лос-Аламоса. Так, один из них высказался в том смысле, что «испытание «Джордж» было скорее игрой на публику, чем подлинным экспериментом, ибо каждый специалист заранее знал, что такое устройство наверняка сработает хорошо; использование здоровенной атомной бомбы для инициирования реакции в небольшом пузырьке с дейтерием и тритием напоминало применение доменной печи для поджигания спички».

Возможно, в отношении масштабов это и верно, но, во-первых: едва ли не впервые наблюдалась рукотворная термоядерная реакция, а во-вторых: она подтвердила теоретические задумки.

Конечно, в лабораторных опытах можно наблюдать единичные акты слияния ядер изотопов водорода, но их энергия несравнима с той, которая выделилась в опыте «Джордж» — 25 ктн дала смесь нескольких граммов дейтерия с тритием.

Если вспомнить, что первая урановая бомба с весом заряда около 60 кг выделила энергии вдвое меньше, то ирония выглядит более чем неуместно.

Плазменный генератор в … термосе

В сентябре 1951-го американцы принимают решение строить термоядерную двухступенчатую бомбу, где горючим будет жидкий дейтерий, а сжатие обеспечивается мощным потоком радиации.

Чистый дейтерий в сжиженном состоянии больше устраивал теоретиков — расчеты по его сжатию и горению много проще, чем в соединении дейтерия с литием. Но для инженеров и конструкторов жидкий дейтерий становится невыносимой головной болью — он должен охлаждаться до температуры около минус 250 градусов. Значит, нужна криостатная система большой мощности и размера. Охлаждающая жидкость — обычный водород, его производили на специально построенном для этого заводе — неподалеку, на островке тихоокеанском Эниветок.

Само термоядерное устройство «Майк» располагалось на соседнем коралловом рифе. Оно было высотой с двухэтажный дом и весило 64 тонн. Такая громада и вес становились неизбежными из-за жидкого дейтерия, но что поделаешь — в свое время американские ядерщики не озаботились производством изотопа лития-6, который в соединении с дейтерием давал твердую соль, что делало ненужным глубокое охлаждение с криостатом и целым заводом. Не потребовалась бы тогда и уникальная гигантская оболочка для «Майка», а также многое другое, что отнимало силы и время.

А трудности при конструировании оказались и без того гигантскими. Прежде всего, в результате расчетов выяснилось, что, хотя поток рентгеновского излучения сравним по плотности с потоком сплошного металла, тем не менее он не сумеет передать давление для имплозии из-за кратковременности своего воздействия — нужно было как бы «растянуть» во времени действие излучения.

Выход нашелся с помощью промежуточной среды из полиэтилена, которая поглощала прямые рентгеновские лучи от бомбы деления. Так как у атомов полиэтилена (водород, углерод) небольшое число электронов, то они начисто лишались их под действием рентгена. Полиэтилен превращался в плазму, причем весьма «горячую». Плазма в свою очередь так же начинала излучать рентген, но более «мягкий» (более длинноволновый) и с нужной растяжкой по времени. Любая плазма излучает и тем интенсивнее, чем она горячее. Полиэтилен, таким образом, превращался в «плазменный генератор».

С точки зрения конструкции (да и по существу) первый термоядерный заряд напоминал гигантский термос, как это показано на схеме. Надо сразу отметить, что схема весьма и весьма условна, там сделаны несуществующие разрезы, не показан ряд деталей, затемняющих наглядность и сущность главных физических процессов. Не показан здесь и термостат для охлаждения жидкого дейтерия.

В первой ступени — бомбе деления — показана половинка атомного заряда. Здесь — царство сферической симметрии, которой подчинены формы ядра, толкателя, взрывчатка. Во второй ступени — царство симметрии цилиндрической, начиная от оболочки, кончая урановым толкателем и запалом. Жидкий дейтерий (потом его место займет дейтерий лития) находился между толкателем и запалом. Защитный экран разделял два царства симметрии, его задача — защитить вторую ступень от прямого воздействия продуктов взрыва первой ступени. В центре экрана — нейтронная трубка, по которой «горячие» нейтроны напрямую поступают в запал.

О яйценоскости удава

Эдвард Теллер весьма расстарался и придумал этот самый запал, который существенно улучшал полноту и эффективность взрыва. Запал изготавливали из урана-235 в виде полого стержня. Радиация, которая сжимала урановый толкатель и соответственно дейтерий (дейтерий лития), сдавливала и запальный стержень, чтобы создать критическую массу урана-235.

Нейтроны для деления появляются от первой ступени, через нейтронную трубку. Эти нейтроны достаточно энергичны, чтобы развалить множество ядер урана.

Итак, в самом начале возникают два процесса ядерного деления — в первой ступени, которую называют еще «инициатором» и (с ее помощью) в стержне второй ступени, который по аналогии с автомобильным двигателем именуют «запальной свечой». Нейтроны, появляющиеся при делении запала, проникают в дейтерий лития и превращают литий в тритий. А тритий, как уже известно, охотно вступает в реакцию синтеза с дейтерием — для этого нужна температура «всего лишь» в 100 млн градусов, а не 400 миллионов, как для реакции слияния дейтерия с дейтерием.

Итак, тритий — очень дорогой, весьма радиоактивный и быстрораспадающийся изотоп водорода (что требовало бы частой его замены) — для такого термоядерного заряда не нужен, он образуется на «месте».

Чуть раньше, чем началось деление запала, рентгеновское излучение от первой ступени с помощью линз и зеркал (на схеме не показаны) доходит до оболочки, покрытой толстым слоем полиэтилена. Этот поток изображен на схеме прямыми лучами.

Полиэтилен превращается в горячую плазму, которая переизлучает более «мягкий» рентген, на схеме он обозначен волнистыми стрелками. Как-то трудно, почти невозможно поверить, что невесомое излучение способно так необычайно сжать тяжелый урановый цилиндр, как не под силу самой мощной взрывчатке направленного действия. В повседневной жизни почти никому не приходится встречаться с давлением света — оно настолько мало, что, пожалуй, еще менее ощутимо, чем воздействие естественного спутника Земли, описанное в некой диссертации под названием «Влияние Луны на яйценоскость удава».

С ярко выраженным давлением солнечного света приходится встречаться в основном тем, кто наблюдает кометы, чьи хвосты и образованы как раз давлением излучения Солнца. Эти хвосты (слово «комета» и означает «волосатый хвост») всегда направлены от Солнца и, бывает, что кометы летит хвостом вперед, когда удаляется от нашей звезды.

Ровно сто лет тому назад профессор Лебедев, чьим именем назван ФИАН, измерил давление света на твердое тело. Этот эксперимент оказался чрезвычайно сложным, ибо падающий на мишень свет неизбежно нагревал ее поверхность, что вызывало истечение нагретых газов и как следствие — реактивную силу отдачи, которая значительно превышала силу светового давления. Однако, профессор сумел компенсировать все побочные явления и замерил искомую силу. Опыт был настолько изящен и труден, что спустя даже десятилетия никто не мог его повторить…

Теперь можно себе представить — какая чудовищная энергия содержится в излучении, которое сдавливает и плющит толстый урановый толкатель. Как ранее говорилось плотность излучения была близка к плотности металла, а скорость — 300000 км/сек — позволяла давить все, что встречалось на его пути.

Надо сказать, что плазма, образованная из полиэтилена и посылавшая, в конце концов, рентгеновский поток на толкатель, сама также давила на него, поскольку была весьма горяча.

Кроме того, поверхность толкателя, которая плавилась, кипела и даже испарялась, тоже сдавливала урановый цилиндр, поскольку давала реактивные струи испаренного металла.

Итак, дейтерий (дейтерий лития) испытывал с внешней стороны неимоверное давление, но и со стороны внутренней тоже возникали не менее чудовищные силы сжатия из-за того, что в полом стержне шла реакция деления он «распухал» от взрыва и расширялся, отсюда также шел поток рентгена, так что термоядерное горючее оказывалось внутри двигающихся друг к другу навстречу «стенок» рентгеновской радиации. Очень важно было сделать так, чтобы волна сжатия извне и изнутри перемещались по оси синхронно, что совсем непросто.

Что рождается после актов слияния

Все эти процессы, несмотря на длительность повествования о них, проходили почти мгновенно — за тысячные доли микросекунды. За это время рентген, выпущенный из взорвавшейся бомбы деления первой ступени, проходил путь около одного метра — вполне достаточный, чтобы облучить полиэтиленовую обшивку оболочки и создать плазму. Продукты же деления — нейтроны, осколки ядер и т. п. — за то же самое время продвинулись всего на 10 см и не успевали достичь термоядерного горючего, которое сжималось почти в холодном состоянии.

А вот уже основательно сжатое горючее нагревалось рентгеном, идущим от запала и поджигалось, когда ядра его атомов сближались на достаточно близкое расстояние, чтобы быть готовыми к слиянию.

В адовом пламени синтеза сливались между собой ядра трития (образованные из лития-6 бомбардировкой нейтронами от запала), соединялись ядра трития с дейтериевыми и, конечно, ядра дейтерия между собой.

Каждый акт слияния рождает чудовищную энергию и почти каждый — горячие «термоядерные» нейтроны. Эти нейтроны налетают на толкатель, изготовленный из природного урана-238 (что значительно дешевле, чем из обогащенного), и легко делят его ядра. Поскольку толщина толкателя может быть несколько сантиметров, а вес — десятки килограмм — его вклад в общую энергию довольно значителен. В общем, начавшись с деления, термоядерный взрыв делением и заканчивался — синтез возникал в промежутке между ними.

Пока шел процесс «деление — синтез — деление» толстая стальная оболочка благодаря своей массивности удерживала «внутренности» от разлета до тех пор, пока не заканчивалось выделение основной энергии. После этого оболочка разлеталась или испарялась. 1 ноября 1952 года американцы произвели испытания термоядерного заряда «Майк», где горючим для синтеза служил жидкий дейтерий. Мощность заряда оказалась 10,4 мегатонны (10400ктн)!

От самого рифа и насыпи на нем осталась многокилометровая воронка, все вспомогательное оборудование на рифе испарилось. Плотность потока нейтронов была настолько значительна, что образовались новые, несуществующие в природе трансурановые элементы — эйнштейний и фермий — которые потом экспериментаторы обнаружили в продуктах взрыва.

Теллер во время испытаний был на материке, но в подвале университета, где он находился, зарегистрировали этот взрыв.

Сообщения об испытании мощнейшего заряда застало Лаврентия Павловича и всю советскую атомную команду врасплох…