Термоядерное оружие

Глава 1. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ И АТОМНОЕ ОРУЖИЕ

Чтобы понять устройство и действие термоядерного оружия, необходимо рассмотреть его физические основы. Сначала кратко познакомимся с атомами и их строением.

Общеизвестно, что все тела, все вещества в мире состоят из весьма малых частиц, которые называются атомами. Атом чрезвычайно мал, он во столько раз меньше яблока, во сколько раз яблоко меньше всего земного шара. Поперечник самого малого атома равен одному о ангстрему[2], самого большого — 4Å.

Вещество, которое состоит из атомов одного вида (элементов), называется простым, а вещество, которое состоит из атомов разных видов, называется сложным. Медь состоит из атомов меди, а железо — из атомов железа. Вода состоит из атомов водорода и атомов кислорода. Медь и железо — простые вещества, а вода — сложное вещество. Химическим элементом называется совокупность атомов одного вида с одинаковым зарядом ядра атома. Следовательно, простое вещество состоит из одного элемента, а сложное из нескольких. Элементы обозначаются определенными символами, состоящими из одной или двух латинских букв. Так, водород обозначается Н, литий — Li, уран — U. Читаются некоторые символы по названию букв (Н — аш), иные полностью (Li — литий, U — уран). Всего в настоящее время известно 102 элемента.

Гениальный русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев открыл один из важнейших законов природы — периодический закон химических элементов и создал на его основе свою замечательную классификацию — периодическую систему элементов, изображенную на рис. 1. Представив периодическую систему в виде таблицы, Д. И. Менделеев так расположил в ней все известные в 1869 году элементы, что каждый элемент оказался на том месте, которое соответствует строению его атомов. В таблице обычно пишут названия элементов, их условные обозначения, порядковые номера и атомные веса[3]. В некоторых таблицах указывают также распределение электронов по слоям вокруг атомного ядра каждого элемента.

Менделеев предсказал существование в природе еще неизвестных человеку элементов, оставив для них места в своей периодической системе. На основе периодического закона Менделеев предсказал свойства этих, еще не открытых, элементов. Предвидения Менделеева блестяще оправдались — все указанные элементы были впоследствии открыты и свойства их соответствовали предсказанным.

Некоторые элементы в природе не найдены, но они были получены из других элементов путем ядерных превращений, в частности, искусственно были получены заурановые элементы с порядковыми номерами в таблице от 93 до 102. Ученые, приготовившие в 1955 году элемент № 101, заранее предсказали его свойства, применив для этого хорошо подтвердившийся метод Д. И. Менделеева; в честь великого русского ученого они предложили назвать элемент № 101 менделевием.

Атом имеет сложное устройство. В центре атома находится маленькое, но очень плотное ядро, вокруг которого с большой скоростью (десятки тысяч километров в секунду) вращаются электроны, заряженные отрицательным электричеством. У атомов разных элементов — разное число электронов, например, у водорода вокруг ядра движется только 1 электрон, у гелия — 2, у лития — 3, у урана — 92 электрона. Это число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

Ядро атома заряжено положительным электричеством. Положительный заряд ядра равен по величине порядковому номеру элемента. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, поэтому атом в целом нейтрален.

Строение атома часто сравнивают со строением солнечной системы. Подобно тому, как Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра. Однако есть и большое различие между этими системами. Между Солнцем и планетами действуют силы тяготения, а между ядром атома и электронами — силы электрические. Планеты движутся вокруг центрального небесного тела по определенным орбитам. Их движение подчинено законам механики, открытым Ньютоном. В атоме движение электронов подчинено более сложным законам микромеханики, иначе называемой квантовой механикой. Ранее существовавшее мнение о том, что электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, оказалось ошибочным. Из квантовой механики следует, что электроны при своем движении вокруг ядра, будучи расположены как бы слоями, движутся в пределах атома не по строго определенным направлениям. Наиболее вероятным является нахождение электрона в центральной части атома. Эта вероятность убывает по мере удаления от центра атома. Таким образом, каждый электрон может находиться в любом месте атома, но чаще всего он бывает вблизи атомного ядра. Поэтому говорят, что электроны образуют в атоме подобие облака, плотность которого убывает по направлению от центра к периферии, как показано на рис. 2, а. По современным представлениям атом является не плоской, а объемной системой, в то время как Солнце и планеты расположены почти в одной плоскости, как схематически показано на рис. 2, б.

Простейшее ядро — ядро водорода — названо протоном. Электрический заряд его положительный; он равен единице. Протон, а также электрон и позитрон называются элементарными частицами. Кроме того, элементарными частицами являются: нейтрон — частица приблизительно такой же массы, как и протон, но не имеющая электрического заряда, нейтрино — нейтральная частица с весьма малой массой[4] и некоторые другие. Элементарными их называют условно. В действительности эти частицы имеют, по-видимому, сложное строение. В. И. Ленин сказал по этому поводу: «Электрон так же неисчерпаем, как и атом…»

Развитие науки и техники в XX веке вооружило человека такими средствами, которые позволили разрушить и преобразовать в другие виды материи ряд элементарных частиц. Электроны и позитроны при взаимодействии могут превращаться в гамма-кванты. Протон имеет сложное строение. Установлено, что нейтрон радиоактивен и способен распадаться с образованием протона, электрона и нейтрино. В 1955 и 1956 гг. удалось в лаборатории получить новые, предсказанные учеными элементарные частицы — антипротон, масса которого равна массе протона, но его заряд — отрицательный, и антинейтрон — частицу, подобную нейтрону, но отличающуюся от него некоторыми ядерными свойствами. Предела делимости материи не существует. Следовательно, и электрон и другие элементарные частицы не являются неделимыми по своей природе.

Ядра всех атомов построены из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре, определяющее его положительный заряд, равно порядковому номеру элемента (в периодической системе). Сумма чисел протонов и нейтронов определяет вес ядра и называется массовым числом.

Зная массовое число и порядковый номер, легко определить число протонов и нейтронов в ядре атома. Если, например, известно, что порядковый номер фосфора равен 15, а его массовое число — 31, то в ядре фосфора содержится 15 протонов и 31-15=16 нейтронов. Если массовое число урана равно 238, а его порядковый номер — 92, то это значит, что в ядре урана содержится 92 протона и 146 нейтронов.

Каждый химический элемент характеризуется определенным порядковым номером. Это объясняется тем, чго число протонов в ядрах атомов каждого элемента строго определенно. Что же касается числа нейтронов, то оно может изменяться в некоторых пределах.

Поэтому могут существовать разновидности атомов одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга массовым числом. Такие разновидности помещаются в одной и той же клетке таблицы Д. И. Менделеева и называются изотопами этого элемента. Слово «изотоп» происходит от двух греческих слов: «изос» — одинаковый и «топос» — место.

Многие природные элементы являются смесью нескольких изотопов. Простейший элемент водород оказался смесью приблизительно 99,98% легкого изотопа водорода (протия) и 0,02% тяжелого изотопа водорода (дейтерия). Известен также третий радиоактивный изотоп водорода — тритий. Ядро протия — не что иное, как протон. Ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, т. е. его массовое число равно двум. Ядро трития состоит из одного протона и двух нейтронов (рис. 3).

В ядрах атомов гелия, порядковый номер которого равен 2, содержится, разумеется, 2 протона, но число нейтронов может быть равно 1 или 2. В природе действительно существуют два изотопа гелия с массовыми числами 3 и 4. Количество легкого изотопа гелия на Земле очень мало по сравнению с количеством тяжелого. Элемент литий характеризуется порядковым номером 3. В природе существуют два изотопа лития с массовыми числами 6 и 7; их называют литий 6 и литий 7.

В ядре атома тория (элемента № 90) имеется 90 протонов и 142 нейтрона, атомный вес его равен 232. Ядро атома одного из изотопов плутония (элемента № 94) содержит 94 протона и 145 нейтронов. Число нейтронов можно определить вычитанием числа протонов из общего числа частиц (нуклонов), равного массовому числу.

Для упомянутого изотопа плутония расчет будет таким:

Для краткости изотопы обозначаются так же, как элементы — латинскими буквами. Слева внизу ставится порядковый номер, а справа вверху — массовое число изотопа. Например, протий, дейтерий и тритий обозначаются: ₁H¹, ₁Н² и ₁Н³ (иногда дейтерий и тритий обозначаются D и Т). Изотопы лития обозначаются ₃Li⁶ и ₃Li⁷. Известны элементы, которые имеют только один природный изотоп. К числу таких элементов относится, например, фосфор, имеющий лишь один природный изотоп ₁₅P³¹. Некоторые элементы являются смесью большого числа изотопов, например, природное олово — смесь 10 изотопов.

В природе существуют химические элементы, которые испускают невидимые лучи, действующие даже сквозь непрозрачную бумагу на фотографическую пластинку. Если такую облученную фотографическую пластинку проявить, то она почернеет. Элементов, самопроизвольно испускающих лучи, известно довольно много: уран, радий, торий, радон и ряд других. Изотопы одного и того же элемента могут испускать неодинаковые лучи. Известны такие случаи, когда один из изотопов элемента испускает невидимые лучи, а другие не испускают. Например, у калия из трех его природных изотопов ₁₉К³⁹, ₁₉К⁴⁰ и ₁₉К⁴¹ только ₁₉К⁴⁰ испускает лучи.

Латинское слово «радиус» значит луч. Отсюда произошло название элемента радий, что значит лучистый. Все элементы, испускающие лучи, стали называть радиоактивными, а само явление лучеиспускания получило название радиоактивность. Радий — очень редкий и дорогой металл: он стоит дороже золота примерно в 10 тысяч раз. На всем земном шаре к нашему времени добыто человеком лишь несколько килограммов радия.

В магнитном поле радиоактивное излучение разделяется на части, отличающиеся друг от друга по своим свойствам (рис. 4). Различают альфа-лучи (α), бета-лучи (β) и гамма-лучи (γ). Неочищенный радий обычно содержит примесь других радиоактивных элементов. Такая смесь испускает все три вида лучей.

Альфа- и бета-лучи отклоняются в магнитном поле в разные стороны, а гамма-лучи не отклоняются.

Различные радиоактивные элементы испускают неодинаковые лучи. Радий 226 испускает только альфа-лучи. Один из изотопов водорода — тритий испускает только бета-лучи. Бета-излучение некоторых изотопов, например кобальта 60, сопровождается испусканием гамма-лучей. Схема действия на излучения этих изотопов магнитного и электрического полей показана на рис. 5. Бета-лучи представляют собой поток отрицательно заряженных электронов (бета-частиц), альфа-лучи — поток положительно заряженных альфа-частиц. Гамма-лучи — это лучи, не несущие электричества. Они обладают гораздо большей проникающей способностью, чем альфа- и бета-лучи. В поражающем действии атомного оружия гамма-излучение, образующееся при атомном взрыве, играет наиболее существенную роль.

Заряд и массу альфа- и бета-частиц удалось измерить по их отклонению в магнитном и электрическом поле, а также другими методами. Масса электрона в 1837 раз меньше массы протона. Положительный заряд альфа-частицы в 2 раза больше заряда протона, а масса альфа-частицы превышает массу протона в 4 раза. Отсюда можно было сделать следующий вывод: альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, т. е. является ядром изотопа гелия ₂Не⁴. Этот вывод был подтвержден большим числом разнообразных опытов и в настоящее время не вызывает никаких сомнений.

Зная природу бета- и альфа-частиц, легко сделать заключение о том, какие изотопы образуются в результате радиоактивного распада различных элементов.

Если известно, что изотоп урана ₉₂U²³⁸ претерпевает радиоактивный распад, испуская альфа-частицы, то ясно, что в ядре образующегося при этом дочернего элемента число протонов уменьшается на 2. Точно так же на 2 уменьшится число нейтронов. Так как в ядре урана содержится 92 протона и 146 нейтронов, то в ядре дочернего элемента останется 90 протонов и 144 нейтрона. Следовательно, дочерний элемент характеризуется порядковым номером 90, т. е. является изотопом тория. Его массовое число равно 90+144=234. Образующийся при распаде ₉₂U²³⁸ изотоп должен обозначаться ₉₀Th²³⁴.

Когда еще не была разработана теория радиоактивного распада, этот элемент получил название UX₁ (уран икс-один), которое встречается до сих пор. UX₁ радиоактивен и распадается, выбрасывая из ядра бета-частицу.

Как уже было указано, бета-частица образуется при превращении нейтрона в протон. При таком превращении массовое число остается без изменения, но число протонов в ядре увеличивается на единицу. Поэтому порядковый номер элемента, образующегося при бета-распаде, возрастает на единицу по сравнению с порядковым номером материнского элемента. Это значит, что при бета-распаде ₉₀Th²³⁴ образуется изотоп 91-го элемента — протактиния, а именно ₉₁Pa²³⁴. Этот изотоп иногда называют UX₂. Изложенный метод может быть легко применен и к другим случаям радиоактивного распада.

Испуская альфа-лучи, радий ₈₈Ra²²⁶ самопроизвольно превращается в газ радон, который, испуская альфа-частицу, в свою очередь превращается в RaA — элемент с порядковым номером 84 и массовым числом 218.

В результате длинной цепи превращений после выброса еще трех альфа-частиц и четырех бета-частиц в конце концов образуется свинец ₈₂РЬ²⁰⁶, являющийся устойчивым элементом. При разрушении радия количество его уменьшается вдвое через 1590 лет. Остаток уменьшается вдвое еще через 1590 лет и так далее. Время, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного элемента, называется его периодом полураспада. У разных элементов период полураспада не одинаков. Например, период полураспада радона равен 3,8 суток, а период полураспада урана ₉₂U²³⁸ превышает 4,5 млрд. лет. Выяснилось, что элементарная частица нейтрон также неустойчива и, подобно радиоактивным элементам, имеет период полураспада, равный 12 минутам.

Уменьшение числа нераспавшихся атомов радиоактивного изотопа с течением времени определяется по формуле

где N₀ — начальное число атомов радиоактивного изотопа;

N — число атомов, не распавшихся за время t;

λ — постоянная радиоактивного распада (неизменная для данного радиоактивного изотопа), характеризующая вероятность распада атома за единицу времени;

е — основание натуральных логарифмов, е≈2,7.

Постоянная распада может быть выражена через период полураспада по формуле

Число атомов радиоактивного изотопа, распадающихся за единицу времени, называют активностью, или скоростью радиоактивного распада, определяя ее по формуле

Подставив на место λ ее значение из предыдущей формулы, получим

Из последней формулы следуют два вывода:

1. Активность (а следовательно и интенсивность излучения) пропорциональна количеству радиоактивного вещества (изотопа).

2. Активность тем больше, чем меньше период полураспада радиоизотопа.

Под действием лучей радия сернистый цинк (белая краска) и некоторые другие вещества начинают светиться. Ничтожная примесь радия к сернистому цинку делает эту краску светящейся в темноте. Такую светящуюся краску применяют для окрашивания стрелок, различных надписей, указателей и пр. в производстве часов, прицелов и некоторых других приборов, чтобы иметь возможность пользоваться ими ночью без освещения.

Радиоактивное излучение может убивать живые клетки. В первое время, когда биологическое действие излучений было недостаточно изучено, работающие с радиоактивными веществами иногда пренебрегали необходимыми мерами предосторожности. Так, на одной часовой фабрике за рубежом произошел следующий случай.

Работницы окрашивали стрелки часов радиоактивной краской, приглаживая губами разлохмачивающиеся в процессе работы кисточки. При этом радий попадал в полость рта, а когда работница проглатывала слюну или съедала свой завтрак, радий проникал в желудок. Спустя некоторое время начались массовые заболевания работниц. Вначале у них стала наблюдаться повышенная утомляемость, вплоть до того, что через час после начала рабочего дня работница становилась уже нетрудоспособной. Затем начались заболевания челюсти костной саркомой. Некоторые работницы в результате этих заболеваний умерли. При вскрытии трупа одной из умерших в ее организме были обнаружены миллионные доли грамма радия. Следовательно, радий (и некоторые другие радиоактивные вещества) даже в ничтожных дозах является сильным ядом. Заметим, что миллионная доля грамма радия ежесекундно испускает около 40 000 альфа-частиц.

Минералы, содержащие радиоактивные элементы, всегда несколько теплее окружающих горных пород. Это замечательное свойство свидетельствует о выделении энергии радиоактивными элементами. Измерения показали, что каждый грамм радия выделяет 137 калорий в час. Кусочек радия величиной со спичечную коробку за тысячи лет своего существования выделяет столько энергии, сколько может быть выработано крупной электростанцией в течение месяца. Однако как использовать эту энергию? Ведь радий выделяет ее чрезвычайно медленно. Нужно было найти способ ускорить выделение энергии радием. Ученые попытались сделать это. Чего только не делали с радием! Нагревали его до нескольких тысяч градусов, замораживали, действовали на него кислотами и другими реактивами — все напрасно. Радий оказался неподатливым, не подчинился человеку: 137 калорий в час — ни одной калории больше, ни одной меньше! Никакими способами ученые не смогли повлиять на скорость распада радия.

Однако если радий оказался таким «упрямым», не изменил скорость отдачи человеку своей энергии, то человек еще более настойчив. Ученые, поставив перед собой цель — овладеть атомной энергией, упорно продолжали свои исследования. И человек еще раз выиграл сражение с природой. Он овладел атомной энергией и заставил ее служить себе. Правда, радий все же пока еще не подчинился человеку, но нашелся другой, более «податливый» элемент — уран. Человек овладел атомной энергией урана. Это лучше, так как радий очень дорог, а уран по сравнению с ним дешев, его в природе больше. Раньше потребность в уране была сравнительно невелика. Уран расходовался главным образом для производства красок, в небольшом количестве применялся в фотографии в качестве усилителя. В настоящее время уран считают важнейшим стратегическим сырьем и используют преимущественно для получения атомной энергии.

Как уже было сказано, природный уран является в основном смесью двух изотопов с массовыми числами 238 и 235. Урана 238 в природном уране много — 99,28%, а урана 235 мало — только 0,72%. Вначале научились извлекать атомную энергию из чистого изотопа — урана 235. Отделить же уран 235 от урана 238 очень трудно. Химическое разделение невозможно, так как химические свойства их одинаковы. Для получения очень чистого урана 235 пришлось сооружать гигантские заводы, затрачивать огромные средства. Вот почему первое время использование атомной энергии обходилось очень дорого. На проведение исследовательских и производственных работ по созданию первых атомных бомб США израсходовали 2 млрд. долларов. На эти средства можно было бы построить, например, десятки тысяч самолетов.

Позднее нашли способ превращать дешевый уран 238 в новый искусственный химический элемент, названный плутонием. Из плутония тоже научились извлекать атомную энергию, причем производство плутония обходилось дешевле, чем разделение изотопов урана. Это было одной из причин, которые привели к удешевлению атомной энергии.

Каким же образом человек освобождает из атомов заключенную в них колоссальную энергию?

Ученые установили, что почти вся энергия атомов сосредоточена в их ядрах. Так как эта энергия заключается в ядре атома, то правильнее ее следует называть не атомной, а ядерной энергией, а оружие, основанное на использовании этой энергии, — ядерным оружием, но так как термины атомная энергия, атомная бомба общеизвестны и привычны, то часто употребляют эти распространенные названия.

Когда стало известно, что в ядре атома заключается колоссальная энергия, ядро привлекло к себе внимание ученых. В изучении атомного ядра значительны заслуги советских ученых И. В. Курчатова, И. Е. Тамма, А. И. Алиханова, Я. И. Френкеля, Д. Д. Иваненко и других.

Ученые установили, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Ядро атома примерно в 100 тысяч раз меньше самого атома, оно имеет необычайно большую плотность. Если бы можно было спичечную коробку наполнить ядрами атомов, плотно их упаковав, то такая спичечная коробка, заполненная ядерным веществом, весила бы больше, чем весит большой город со всеми домами, заводами и многомиллионным населением (рис. 6).

Все виды энергии, которые были раньше известны человеку, обусловлены двумя видами сил: либо электрическими силами, либо силами тяготения (гравитационными силами). Как выяснилось, ядерная энергия не обусловлена ни теми, ни другими силами, она обусловлена новыми, ранее незнакомыми человеку силами. Силы, действующие в ядре атома, назвали ядерными. Если бы ядерных сил не существовало, ядро разлетелось бы на составные части вследствие действия мощных электрических сил отталкивания между протонами, которые находятся в ядре очень близко друг к другу. Ядерные силы на малых расстояниях внутри ядра во много раз превосходят силы отталкивания, действующие между протонами, вследствие чего ядро очень трудно разрушить.

Какова природа ядерных сил?

Этот вопрос изучается учеными ряда стран уже более 20 лет. Оказалось, что поле ядерных сил существует между нейтронами, между протонами, а также между нейтронами и протонами. Носителями этих сил являются материальные частицы, называемые пи-мезонами. Масса пи-мезона в 274 раза превышает массу электрона. Ученые СССР и некоторых других стран умеют получать пи-мезоны в лабораториях. Многие свойства этих частиц изучены. Существуют пи-мезоны, заряженные положительным электричеством, отрицательным, а также нейтральные. Ядерные силы возникают в результате того, что ядерные частицы — протоны и нейтроны — способны обмениваться пи-мезонами. При этом обмене нейтроны и протоны могут превращаться друг в друга.

Известны и другие виды мезонов, различающиеся по массе, электрическому заряду и ряду других свойств. Например, известны мю-мезоны, которые тяжелее электронов в 207 раз. Открыты так называемые К-мезоны — частицы, масса которых примерно в 965 раз больше массы электрона. Эти частицы весьма недолговечны, они живут лишь миллиардные доли секунды. Установлено, что К-мезон может распадаться на два или три пи-мезона.

Ученые СССР и других стран продолжают усиленно изучать природу ядерных сил, и можно не сомневаться, что будут открыты новые, ныне неизвестные свойства ядерных сил, что позволит лучше познать их природу и научиться еще полнее использовать ядерную энергию для нужд человечества.

Атомная энергия является одним из видов потенциальной (скрытой) энергии. Она может преобразовываться в другие виды энергии постепенно, как это происходит, например, при распаде урана, радия и других радиоактивных элементов и при работе ядерного реактора. Кроме того, атомная энергия может выделяться в больших количествах почти мгновенно, со взрывом, как это происходит при взрыве атомной или водородной бомбы.

Источником атомной энергии могут служить изотопы урана: ₉₂U²³⁵ и ₉₂U²³³, и плутония ₉₄Pu²³⁹, которые принято называть ядерным горючим.

Уран 235 входит в состав природного урана, а другие виды ядерного горючего готовятся искусственно: ₉₂U²³³ — из тория, а ₉₄Pu²³⁹ — из урана.

Источником атомной энергии могут служить также некоторые легкие элементы, например изотопы водорода и лития.

Чтобы получить энергию в результате соединения ядер этих легких элементов, необходима очень высокая температура порядка нескольких миллионов градусов. Для выделения же энергии из урана или плутония такая температура не нужна.

Раньше человек не мог создать такой высокой температуры, следовательно, не мог искусственно осуществить получение атомной энергии из водорода и других легких элементов. Ученые сумели овладеть атомной энергией урана и плутония. При взрывах атомных бомб получается температура, измеряемая миллионами градусов. Значит, атомной бомбой можно было воспользоваться для того, чтобы создать условия получения энергии из водорода и лития и таким образом создать водородное оружие. Процессы, при которых для получения атомной энергии требуется очень высокая температура, называются термоядерными. Оружие, в котором используются термоядерные процессы, называют термоядерным. Следовательно, термоядерное оружие — один из видов ядерного оружия.

Когда ядра тяжелых атомов, например изотопов урана ₉₂U²³⁵ и ₉₂U²³³ или плутония ₉₄Pu²³⁹, расщепляются, то освобождается очень большое количество энергии. Такое расщепление может происходить самопроизвольно, как это обнаружили в 1940 году советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак.

При самопроизвольном расщеплении (распаде) ядро атома делится в большинстве случаев на две части, массы которых чаще всего относятся как 2 к 3. При делении ядер, кроме «осколков» большой массы, образуются также свободные нейтроны.

Однако самопроизвольное деление ядер урана и плутония происходит чрезвычайно редко. Время, в течение которого разделилась бы половина наличного количества ядер урана, измеряется миллионами миллиардов лет. Поэтому процесс самопроизвольного деления ядер урана или плутония практически нельзя использовать для получения атомной энергии.

Английский ученый Резерфорд нашел маленькие, но могучие снаряды, которыми можно обстреливать ядра атомов и разрушать их. Такие снаряды дает человеку сама природа — это альфа-частицы, вылетающие при распаде ядер некоторых радиоактивных элементов. Из атомов радия альфа-частица вылетает со скоростью около 20 000 км/сек. Она летит во столько раз быстрее современного самолета, во сколько раз самолет летит быстрее, чем ползет черепаха. Движущаяся с такой колоссальной скоростью маленькая, но сравнительно тяжелая альфа-частица обладает большой энергией. При попадании в ядро атома альфа-частица способна разрушить это ядро. В 1919 году Резерфорд осуществил первое превращение атомных ядер путем обстрела их альфа-частицами. Из азота таким образом ему удалось получить кислород. Затем научились обстреливать ядра протонами, дейтронами (ядра дейтерия) и другими быстролетящими частицами. Сейчас известно уже много способов разрушения и превращения атомных ядер.

Процессы, при которых изменяются ядра атомов, называются ядерными реакциями. Рассмотрим для примера несколько ядерных реакций, происходящих при бомбардировке алюминия различными частицами.

1. При обстреле алюминиевой мишени быстролетящими ядрами гелия последние проникают в ядро алюминия, из которого при этом выбивается нейтрон, причем получается новое ядро, а именно ядро одного из изотопов фосфора. Эта ядерная реакция записывается следующим образом:

2. Если же алюминиевую мишень подвергнуть бомбардировке не ядрами гелия, а быстролетящими ядрами тяжелого водорода, то происходит следующая ядерная реакция:

В результате из ядра выбрасывается протон и получается более тяжелый изотоп алюминия.

3. При бомбардировке ₁₃Al²⁷ быстролетящими протонами из ядра выбивается нейтрон и образуется один из изотопов кремния по реакции

4. Если алюминиевую мишень подвергнуть бомбардировке нейтронами, то из ядра выбивается протон и получается магний по реакции

Число ядерных реакций, изученных до настоящего времени, достигает нескольких тысяч.

Так как ядро весьма мало и невидимо ни в какой микроскоп, то попасть в него с целью осуществить ядерную реакцию очень трудно.

Как попасть в эту невидимую цель? Приходится применять здесь тот же способ, который используют для уничтожения невидимого противника, например в темноте или в лесу. В этом случае пространство, в котором где-то находятся солдаты врага, «прочесывают». Автоматные очереди следуют одна за другой. Множество пуль пролетит мимо, пока какая-то из них убьет врага. Чтобы попасть в невидимую цель в этих условиях, нередко приходится выпускать сотни и тысячи пуль.

Подобное явление имеет место и при обстреле атомных ядер. Только в данном случае приходится еще больше расходовать снарядов главным образом из-за того, что ядра в атомах занимают ничтожную долю объема. Когда на атомы в определенных условиях, например на атомы металла, составляющие слой толщиной в один микрон, направляют поток альфа-частиц, то из десятков и сотен тысяч альфа-частиц только одна попадает в ядро. В общей сложности на проведение ядерной реакции затрачивается энергии значительно больше, чем выделяется в результате реакции. Поэтому для использования ядерной энергии было необходимо найти такой процесс, при котором достаточно было бы разрушить только несколько первых ядер атомов, что вызывало бы разрушение остальных подобно тому, как в печке поджигают только одну щепку, а остальные щепки и поленья уже сами от нее загораются и при сгорании выделяют энергию.

Такой процесс, при котором разрушения атомных ядер следуют друг за другом, называют цепным процессом, цепной реакцией.

Что представляет собой цепная реакция?

Если нейтрон попадет в ядро урана 235 или плутония 239, то это ядро разделится на два «осколка», причем, как показали опыты Фредерика Жолио-Кюри, образуется два или три новых быстролетящих нейтрона. Реакции деления могут быть различными, например:

или

или

или

Мы видим, что при делении ядра урана распадаются на разнообразные «осколки». При этом могут получиться: барий и криптон, лантан и бром, ксенон и стронций, олово и молибден или многие другие пары атомных ядер элементов. Во всех случаях, однако, сумма зарядов получившихся «осколков» равна 92, то есть заряду делящегося ядра урана, так как число протонов при делении не изменяется.

Получающиеся при делении нейтроны летят с неодинаковой скоростью, доходящей до десятков тысяч километров в секунду. Каждый такой нейтрон, как показано на рис. 7, может попасть в следующее ядро и разрушить его; из разрушенного ядра вылетают новые нейтроны и т. д. Если из каждого ядра будут вылетать даже только по два нейтрона, то первые два нейтрона вызовут появление новых четырех. Затем их станет: 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 и т. д. Реакция будет развиваться подобно лавине в горах, где один катящийся с горы камень увлекает несколько других, а каждый из них увлекает новые камни, и вскоре образуется грандиозная каменная лавина. В течение короткого времени будет разрушено громадное число атомных ядер. Каждое ядро при этом выделит большую энергию. Быстрое выделение большой энергии в малом пространстве приведет к взрыву.

Ядра урана 238 также способны делиться, но только под влиянием быстрых нейтронов, имеющих скорость движения приблизительно 20 000 км/сек, но и в этом случае вероятность деления невелика. Гораздо чаще быстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами урана 238, передают им значительную часть своей энергии, начинают двигаться медленнее и уже не могут вызвать деление ядер урана 238. Основное отличие урана 238 от урана 235 заключается в том, что ядра первого могут делиться только под влиянием быстрых нейтронов, в то время как ядра урана 235 и других видов ядерного горючего могут делиться при воздействии как быстрых, так и медленных нейтронов.

Нейтроны в природном уране, замедленные в результате столкновений с ядрами атомов, могут попасть либо в ядра урана 235 и вызвать их деление, либо в ядра урана 238 и поглотиться последними. Так как ядер урана 238 в 140 раз больше, чем ядер урана 235, поглощение нейтронов ураном 238 является весьма вероятным процессом, протекающим одновременно с делением ядер урана 235. Этого урана хотя и мало, зато способность его расщепляться под действием медленных нейтронов очень велика.

Советские ученые Ю. Б. Харитон и Я. Б. Зельдович еще в 1940 году доказали, что именно из-за сильного поглощения нейтронов ураном 238 в природном уране цепная реакция не приводит к взрыву.

Читатель уже знает, что ядра урана и плутония могут делиться не только под влиянием нейтронов, но способны также к самопроизвольному делению, которое тоже сопровождается вылетом нескольких нейтронов. Самопроизвольное деление происходит очень редко — в 1 кг урана в секунду самопроизвольно делится примерно 10 ядер урана. В куске урана 235 или плутония 239 цепная реакция деления при некоторых условиях может возникнуть самопроизвольно.

Какие же это условия?

Дело заключается в том, что малый кусочек ядерного горючего взорваться не может, так как большинство нейтронов, пролетая в промежутках между ядрами атомов, достигает поверхности кусочка урана или плутония, не встретив на своем пути ни одного ядра. В результате бóльшая часть нейтронов вылетает из куска ядерного горючего наружу, и процесс размножения нейтронов не происходит. В большом же куске урана или плутония вылетающие из его центра нейтроны не долетают до поверхности куска и принимают участие в развитии цепной реакции, что приводит к взрыву.

Следовательно, обязательным условием возникновения атомного взрыва является определенный размер куска урана 235 или плутония 239. С целью экономии следует брать кусок такой формы, чтобы при минимальной поверхности объем его был наибольшим.

Такой формой является шар.

Минимальное количество делящегося вещества, в котором может протекать цепная реакция деления, называется критической массой. Чтобы реакция шла вполне успешно, кусок урана 235 или плутония должен быть больше критического.

Величина критической массы заряда зависит от его формы, материала оболочки, конструкции атомной бомбы, вида ядерного горючего и некоторых других факторов. Расчеты показывают, что вес критической массы урана 235, имеющей форму шара, близок, по-видимому, к 1 кг. Для других форм заряда он несколько больше. Однако практически вес ядерного заряда в атомных бомбах больше (от нескольких килограммов до десятков килограммов, в зависимости от калибра бомбы). Нужно также учитывать, что во время взрыва в цепной реакции деления участвует не все делящееся вещество.

Хранить атомный заряд в количестве, равном или превышающем критическую массу, нельзя, так как в нем может возникнуть цепная ядерная реакция (произойти атомный взрыв) под воздействием случайных нейтронов. Поэтому атомный заряд до момента взрыва должен быть разделен на несколько таких частей, чтобы масса каждой из них была меньше критической. Взрыв куска ядерного горючего, обладающего критической массой, может происходить самопроизвольно, так как цепная реакция может начаться под действием нейтронов, всегда имеющихся в некотором количестве и в воздухе и в самом ядерном веществе.

Цепная реакция деления урана была открыта в 1939 году. Вскоре воюющие страны засекретили ведущиеся научные исследования по овладению атомной энергией. В период фашизации Германии и Италии и в годы второй мировой войны многие крупные западноевропейские ученые, в том числе атомники, эмигрировали в Америку. Правительство США привлекло их к выполнению работ по созданию совместно с американскими учеными атомной бомбы. Коллективным трудом этих ученых и была создана первая атомная бомба. Видная роль в этих работах принадлежала итальянскому физику Э. Ферми, умершему в США в конце 1954 года, и немецкому ученому Д. Р. Оппенгеймеру.

Прежде чем рассмотреть термоядерное оружие, познакомимся с первым и более известным видом ядерного оружия — атомной бомбой. Поскольку цепное деление урана, происходящее в атомной бомбе, используется как «запал», т. е. инициирующее средство термоядерного взрыва, остановимся несколько подробнее на принципах действия атомной бомбы.

Для устройства атомной бомбы используется свойство ядерных «взрывчатых» веществ — самопроизвольно взрываться при наличии критической массы. Берется несколько кусков урана или плутония, каждый из которых не имеет критической массы и взорваться не может. В намеченный для взрыва момент эти куски в атомной бомбе быстро сближаются, и тотчас же происходит взрыв.

На рис. 8 показана принципиальная схема устройства атомной бомбы.

Внутри атомной бомбы находится плутониевый шар, окруженный веществом, отражающим нейтроны. Масса шара меньше критической. Другой кусок плутония имеет форму цилиндра такого размера, что он может поместиться внутри канала в плутониевом шаре, в результате чего получится сплошной шар с критической массой. Устройство, снаряженное обыкновенным взрывчатым веществом, способно при взрыве дать толчок упомянутому цилиндрическому куску плутония.

Чтобы произвести взрыв атомной бомбы в определенных условиях, например на заранее заданной высоте, в атомную бомбу помещают взрыватель, действие которого может быть основано на барометрическом, временном или каком-либо другом принципе. Известно, что барометр указывает высоту местности над уровнем моря. Когда бомба падает, стрелка барометрического взрывателя движется и на определенной высоте замыкает внутри бомбы электрическую цепь, в результате чего возникает электрическая искра, которая воспламенит капсюль, поджигающий обычное взрывчатое вещество в атомной бомбе. Когда ВВ взорвется, оно втолкнет в канал цилиндрический кусок плутония, будет достигнута критическая масса, после чего начнет развиваться цепная реакция деления и произойдет взрыв.

Для сокращения времени, идущего на развитие цепной реакции и увеличения количества делящихся ядер, плутониевый шар окружается веществом, отражающим обратно нейтроны, вылетающие наружу. При таком устройстве бомбы взрыв развивается в течение нескольких миллионных долей секунды, то есть практически мгновенно.

Для увеличения эффективности атомной бомбы наряду с прочной оболочкой, замедляющей разлет ядерного горючего, и отражателем нейтронов в центр бомбы можно вводить нейтронный источник. Разумеется, такой источник ускоряет развитие цепной реакции в плутонии, когда масса последнего превысит критическую, и обеспечивает безотказность взрыва в определенный момент.

В качестве нейтронного источника в лабораториях, например, используют хорошо перемешанную смесь бериллия и полония. Полоний радиоактивен и при распаде испускает альфа-частицы. Последние проникают в ядра бериллия, причем происходит реакция, в результате которой образуется ядро углерода и выбрасывается нейтрон:

Во всех видах атомных боеприпасов основными частями конструкции являются: 1) ядерное горючее (атомный заряд); 2) отражатель нейтронов, окружающий атомный заряд; 3) обычное взрывчатое вещество, действием взрыва быстро сближающее части атомного заряда; 4) взрыватель; 5) оболочка бомбы. Кроме того, в атомную бомбу обычно помещают дополнительный источник нейтронов.

При расщеплении атомов урана или плутония образующиеся «осколки» разлетаются в стороны с огромной скоростью, превышающей скорость винтовочной пули примерно в 30 000 раз. Величина пробега этих «осколков» невелика. В воздухе она равна двум сантиметрам, так как «осколки» сталкиваются с молекулами воздуха и быстро теряют свою скорость. В более плотных веществах пробег «осколков» составляет лишь доли миллиметра. В результате столкновений с атомами вещества бомбы «осколки» быстро замедляют свое движение. Энергия, переданная «осколками» атомам и молекулам ядерного вещества, выделяется в виде тепла — происходит быстрое повышение температуры до нескольких миллионов градусов. С повышением температуры резко увеличивается давление. Следовательно, возникают силы, стремящиеся расширить ядерный заряд, разорвать окружающую оболочку и разбросать вещество бомбы. Если скорость реакции значительно выше, чем скорость разбрасывания, то успевает взорваться бóльшая часть взрывчатого вещества. Если скорость реакции низка, то успевает «сгореть» лишь небольшая часть взрывчатого вещества, а остальное разбрасывается в разные стороны, не успев прореагировать. Таким образом, для повышения коэффициента использования взрывчатого вещества необходимо добиваться увеличения скорости развития взрывного процесса и уменьшения скорости разлета.

Как можно увеличить скорость развития взрывной цепной реакции в плутониевом заряде? Для этого его окружают отражателем нейтронов, назначение которого — возвращать в сферу реакции вылетающие наружу нейтроны.

Чтобы уменьшить скорость разбрасывания плутония, атомная бомба снабжается прочной оболочкой.

Предполагают, что в атомных бомбах, сброшенных на Японию, только 2% ядер успевало разделиться, а остальные разлетались без деления. В современных атомных бомбах значительно бóльшая часть атомов плутония (десятки процентов) успевает вступить в реакцию деления.

Первая атомная бомба была взорвана в июле 1945 года на опытном полигоне в США. Для испытания на полигоне была построена массивная стальная башня высотой в 33 м (приблизительно с восьмиэтажный дом). На вершине этой башни была укреплена первая атомная бомба. Взрыв ее был произведен путем воспламенения капсюля электрическим током, который был включен с командного пункта, расположенного в нескольких километрах от башни.

Вслед за этим атомные бомбы были сброшены на японские города.

Одна из атомных бомб была сброшена на японский город Хиросима. Взрыв бомбы произошел на высоте 300 м, над городом. Эта бомба была изготовлена из урана 235. Другая, плутониевая бомба была сброшена на город Нагасаки (взрыв произошел на высоте 600 м).

В настоящее время атомные бомбы изготовляются, по-видимому, не из урана 235, а из плутония 239, который получается в значительных количествах и более доступен.

Каждая сброшенная на Японию атомная бомба в течение нескольких секунд действием ударной волны уничтожила десятки тысяч людей. Много людей погибло также от смертельных ожогов, полученных как от прямого действия светового излучения взрыва, так и при возникших пожарах. Немало японцев погибло от лучевой болезни, возникшей под действием проникающей радиации. Многие оставшиеся в живых были искалечены, ослепли (некоторые временно) от необычайно яркой вспышки света.

Бомба уничтожила больше половины домов в Хиросима и Нагасаки; многие из уцелевших домов были повреждены.

Энергию взрывов атомных бомб обычно сравнивают с энергией взрыва распространенного взрывчатого вещества — тринитротолуола (тротила или тола). Взрыв первой атомной бомбы считают равноценным взрыву 20 000 т тротила. Вес тротилового заряда, энергия взрыва которого равна энергии взрыва данной атомной бомбы, называют ее тротиловым эквивалентом. Тротиловый эквивалент первой атомной бомбы был равен, следовательно, 20 000 т.

Атомную бомбу с таким тротиловым эквивалентом американцы называют номинальной, используя ее в качестве эталона для сравнения взрывов атомных и термоядерных бомб различной мощности.

В настоящее время существуют атомные бомбы, значительно различающиеся по мощности. Какими способами достигается увеличение и уменьшение мощности бомбы?

Если внутри атомной бомбы имеется только два куска ядерного горючего, при сближении которых происходит атомный взрыв, то общий вес ядерного горючего в бомбе должен быть меньше удвоенной критической массы. Это следует из того, что масса каждого куска ядерного горючего должна быть ниже критической. Нельзя ли каким-либо способом произвести взрыв массы, значительно превышающей критическую? Увеличение активной массы ядерного горючего в бомбе может быть достигнуто только в том случае, если взрыв получается в результате соединения не двух — трех, а бóльшего числа кусков ядерного горючего. Такое увеличение заряда атомной бомбы может быть создано, например, путем применения устройства, схематически изображенного на рис. 9.

На внутренней шаровой поверхности толстой оболочки атомной бомбы расположен ряд зарядов взрывчатого вещества, имеющих форму сферических вогнутых линз. При одновременном подрывании этих зарядов струи образующихся газов, направленные перпендикулярно к поверхности, соберутся в одной точке, а именно в центре бомбы.

Если на поверхность этих зарядов поместить порции ядерного горючего, имеющие форму сферических двояковыпуклых или выпукло-вогнутых линз, а напротив в центральной части бомбы расположить такое же число аналогичных порций ядерного горючего и затем одновременно взорвать все заряды взрывчатого вещества, то в результате взрыва произойдут попарные столкновения порций ядерного горючего (на рисунке направления летящих масс плутония обозначены стрелками). Принцип действия атомной бомбы, при котором происходит управляемый взрыв, направленный внутрь, называют имплозией. При этом общее количество ядерного горючего может значительно превышать критическую массу, так что атомный взрыв по своей мощности может превосходить в несколько раз мощность взрыва первых атомных бомб. Для еще большего повышения мощности взрыва оболочка бомбы может быть изготовлена из природного урана. При высокой температуре взрыва быстрые нейтроны способны вызывать деление ядер урана в оболочке бомбы, в результате чего дополнительно выделится большое количество энергии.

Атомное оружие с момента его создания непрерывно совершенствовалось. Если первая атомная бомба имела тротиловый эквивалент 20 000 т, то в настоящее время известны атомные бомбы с тротиловым эквивалентом от нескольких тысяч до 500 000 т. Усовершенствование шло также по линии отыскания новых схем и материалов, повышающих коэффициент использования атомного заряда и уменьшающих его критический объем и массу.

Создание эффективных отражателей нейтронов и применение искусственных источников нейтронов привели к тому, что цепная реакция деления взрывного характера может осуществляться в очень малых объемах и массах зарядов.

Современное ядерное оружие можно разделить на два типа: атомное и термоядерное. В свою очередь атомное оружие подразделяется на два вида: 1) атомное оружие взрывного действия и 2) боевые радиоактивные вещества (БРВ).

Термоядерное оружие известно только взрывного действия.

В качестве БРВ могут применяться различные радиоактивные вещества, испускающие лучи, способные поражать организм человека. Этими веществами можно начинять авиационные бомбы, артиллерийские снаряды, ракеты и реактивные мины. Возможно рассеивание БРВ с самолетов в виде дымов, туманов, песков. Отступающий противник или его диверсанты в тылу могут применять БРВ для заражения водоемов, колодцев и продуктов питания.

В качестве БРВ могут применяться многие «отходы» ядерных (атомных) реакторов — аппаратов, в которых постепенно освобождается атомная энергия.

В ядерных реакторах в качестве атомного сырья используется природный или обогащенный уран. Получающиеся при цепной реакции в ядерном реакторе «осколки» атомов урана и плутония представляют собой ядра разнообразных радиоактивных атомов. Из более чем 300 различных получающихся в реакторе радиоактивных изотопов могут применяться в качестве БРВ лишь немногие, характеризующиеся большим периодом полураспада и испускающие при распаде бета-частицы и гамма-лучи. Перечень и энергия излучений такого рода изотопов приведены в табл. 1. Энергия бета- и гамма-лучей дана в мегаэлектрон-вольтах[5].

Таблица 1

Кроме «осколков» деления урана или плутония, в качестве БРВ могут применяться также радиоактивные изотопы, которые можно получить в ядерных реакторах способом нейтронной бомбардировки ряда устойчивых элементов.

Так, при внесении в реактор обычного натрия, ядра последнего поглощают нейтроны, при этом образуется радиоактивный изотоп натрия по реакции

Радионатрий Na²⁴ распадается с выбрасыванием бета-частиц с энергией 1,4 Мэв (быстрых электронов), превращаясь в устойчивый изотоп магния Mg²⁴, который в момент образования испускает гамма-лучи с большой энергией (1,4–2,8 Мэв). Период полураспада Na²⁴ равен 15 часам.

При внесении в ядерный реактор кальция, цинка, кобальта и некоторых других элементов образуются радиоактивные изотопы по реакциям

Некоторые из образующихся таким способом изотопов, например изотопы Со⁶⁰ и Zn⁶⁵, распадаются сравнительно медленно, испускают гамма-лучи большой энергии и поэтому могут быть пригодны для употребления в качестве БРВ.

Возможно применение комбинированного оружия — химического совместно с атомным, например авиационных бомб, начиненных смесью радиоактивных и обычных отравляющих веществ.

Не исключена возможность применения радиоактивных зажигательных средств, поражающих людей радиоактивным дымом, например авиабомб или снарядов, в которых часть общего снаряжения составляют радиоактивные вещества. Применение радиоактивных зажигательных средств усложняет тушение пожаров и лечение ожогов.

За последние годы большое значение приобрел новый вид атомного оружия — термоядерные бомбы, значительно превосходящие плутониевые по своему тротиловому эквиваленту и, следовательно, по площади поражения. У термоядерных бомб тротиловый эквивалент достигает нескольких миллионов и даже десятков миллионов тонн.

Из транспортных и боевых машин, использующих атомную энергию как движущую силу, существуют первые подводные лодки. В СССР спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин».

В иностранной печати указывалось, что к 1960 году должны быть построены все типы морских кораблей с использованием атомной энергии. Первый легкий атомный крейсер предполагают закончить к 1959 году, а первый атомный авианосец ввести в строй в 1961 году. Проектируется и строится атомный двигатель мощностью в 22 000 л.с. для танкера водоизмещением 38 000 т. Танкер намечается ввести в эксплуатацию в середине 1959 года.

Возможно также создание атомных локомотивов и самолетов. Уже поднимался в воздух самолет, в носовой части которого установлен маломощный экспериментальный ядерный реактор. В целях безопасности населения реактор работал только тогда, когда самолет пролетал над специально отведенной территорией. Взлет и посадка осуществлялись с остановленным реактором. Приняты были также меры предосторожности, исключающие взрыв реактора при аварии самолета.