Термоядерное оружие

Глава 3. ТЕРМОЯДЕРНОЕ ОРУЖИЕ

Для осуществления термоядерных реакций на Земле необходимо создать с помощью какого-то источника сверхвысокие температуры, окружив этот источник легкими ядрами, способными вступать в ядерное взаимодействие. Таким источником может, в частности, служить взрыв атомной бомбы. На этом принципе и устроена так называемая водородная бомба. Познакомимся с ее устройством.

На рис. 13 приведена принципиальная схема устройства водородной бомбы. В центре помещается атомная бомба 1, при взрыве которой создается очаг высокой температуры (выше 10 млн. градусов). Атомная бомба окружена веществом 2, состоящим из атомов с легкими ядрами, которые вступают в термоядерную реакцию под воздействием высокой температуры, развивающейся при взрыве атомной бомбы.

В отличие от урана и плутония термоядерное горючее (дейтерий, тритий, литий и др.) не имеет критической массы. Поэтому размеры окружающего атомный «запал» легкого ядерного взрывчатого вещества принципиально не ограничены.

Деление всех ядер, содержащихся в 1 кг урана 235 или плутония, сопровождается выделением свыше 20 000 млрд. кал. Такая же энергия может выделиться при полном превращении в гелий всего около 150 г водорода. Очевидно, что энергия, выделяющаяся при взрыве водородной бомбы, вес которой не ограничен критической массой, может оказаться в сотни и тысячи раз больше, чем энергия взрыва атомной бомбы. Это, конечно, не значит, что радиус разрушения вследствие взрыва водородной бомбы будет также в несколько сотен и тысяч раз превышать радиус разрушений, вызванных взрывом атомной бомбы. В действительности радиус разрушений от взрыва водородной бомбы возрастает не столь быстро. Например, радиус разрушений при взрыве водородной бомбы с тротиловым эквивалентом 10 млн. т будет превышать радиус разрушений ударной волной от взрыва атомной бомбы с тротиловым эквивалентом 10 000 т не в 1000 раз, а лишь примерно в 10 раз.

При конструировании водородной бомбы добиваются ускорения развития взрыва по сравнению со скоростью разлета заряда, чтобы повысить коэффициент использования плутония и термоядерного горючего.

Как указывается в иностранной печати, к преимуществам водородной бомбы по сравнению с атомной относятся:

1) сравнительно небольшая стоимость поражения единицы площади;

2) наличие значительно бóльших запасов в природе водорода и лития по сравнению с ураном и торием;

3) практическое отсутствие верхнего предела величины взрывного заряда, что позволяет изготавливать водородные бомбы с большими тротиловыми эквивалентами.

Недостатки водородной бомбы:

1) трудность тактического применения водородной бомбы;

2) невозможность длительного хранения водородных бомб, содержащих тритий, вследствие самопроизвольного радиоактивного распада этого изотопа водорода;

3) необходимость очень надежной защиты дорогостоящих самолетов — носителей термоядерного оружия, складов этого оружия и т. п.

Поскольку время от начала взрыва до разлета вещества, заключенного в бомбе, составляет величину порядка миллионных долей секунды, то для осуществления водородной бомбы необходимо выбрать такие реакции, средняя продолжительность которых при температурах и плотностях, создаваемых при атомном взрыве, составляет величину тоже не более миллионных долей секунды.

В литературе подробнее всего обсуждались термоядерные реакции водорода, его тяжелых изотопов: дейтерия и трития, и двух изотопов лития: лития 6 и лития 7. В табл. 4 приводится перечень этих реакций с обозначением их теплового эффекта в миллиардах калорий на грамм-атом[8], тротилового эквивалента в тысячах тонн на 1 кг заряда и продолжительности реакции при температуре 20 млн. градусов.

При рассмотрении возможностей широкого использования тех или иных ядерных реакций в водородной бомбе следует учесть ряд обстоятельств. Важнейшими из них являются: доступность и дешевизна «взрывчатого вещества», возможность возбуждения термоядерных реакций при температурах атомного «запала» и величина энергии при протекании данной реакции. Чем больше эта энергия, тем выше поднимается и легче поддерживается температура и тем сильнее действие взрыва.

Для сравнения в таблицу включены данные о делении урана или плутония. Изотопы водорода Н¹, Н² и Н³ обозначены Н, D и Т.

Таблица 4[9]

Как видно из таблицы, термоядерные реакции весьма различны по времени протекания — от миллионных долей секунды до десятков миллиардов лет. Тепловой же эффект колеблется от 34 до 540 млрд. кал на 1 грамм-атом с максимальным различием приблизительно в 16 раз.

При повышении температуры скорость термоядерных реакций возрастает. На рис. 14 для примера показано, как увеличивается скорость и соответственно уменьшается время протекания термоядерных реакций между изотопами водорода при повышении температуры от 10 до 200 млн. градусов. Из кривых, приведенных на рисунке, видно, что даже при температурах, значительно превышающих 10 млн. градусов, реакции Н+D и D+D идут недостаточно быстро, чтобы их можно было использовать для изготовления водородной бомбы. Наиболее легко возбуждаемой термоядерной реакцией является реакция, протекающая между ядрами дейтерия и трития, в результате которой образуется гелий и нейтрон.

Из перечисленных в табл. 4 веществ наиболее доступны, конечно, природные элементы — водород и литий. В природной смеси изотопов водорода содержится обычно лишь около 0,016% дейтерия и почти нет трития. Природный литий состоит на 92,6% из лития 7 и на 7,4% из лития 6.

Наиболее эффективной термоядерной реакцией при температурах порядка 10 миллионов градусов, создаваемых взрывом атомного «запала», является указанная в табл. 4 реакция 6 между дейтерием и тритием. Высокая плотность смеси дейтерия и трития может быть достигнута или путем применения сильно сжатых газов, или за счет использования жидких изотопов, что требует весьма низких температур. Наконец, можно использовать химические соединения изотопов водорода. При этом, однако, следует помнить, что всякие добавки более тяжелых ядер приводят к резкому повышению теплоемкости, затруднению поддержания высоких температур и необходимости в связи с этим повысить температуру, создаваемую «запалом».

Из числа соединений водорода, в виде которых можно вводить в бомбу дейтерий и тритий, простыми и доступными являются тяжелая вода и тритиевая вода (их формулы соответственно: D₂O и Т₂О). Кислород в рассмотренных термоядерных реакциях участия не принимает. Он снижает температуру, достигаемую при взрыве, и увеличивает общий балластный вес взрывчатого вещества. Поэтому желательно было применять в качестве термоядерного горючего не тяжелую и тритиевую воду, а дейтерий и тритий в жидком виде.

Однако для хранения этих газов в жидком виде необходимо обеспечить поддержание низкой температуры, для чего приходится строить специальные сосуды с двойными стенками.

Из пространства между стенками откачивают воздух, чтобы уменьшить приток тепла. Такой сосуд помещают внутрь второго сосуда подобного же устройства, в который заливают жидкий азот, имеющий температуру около минус 190° C. Во внутренний сосуд помещают жидкий водород, дейтерий или тритий, хранящиеся при температуре около минус 250° C. Даже из таких сосудов водород сравнительно быстро испаряется. Эти установки имеются лишь в нескольких хорошо оборудованных лабораториях. Ясно, что применение установок указанного типа в водородной бомбе вряд ли целесообразно.

Наиболее легким элементом, способным дать твердое соединение с водородом, является литий, а их соединение — гидрид лития (LiH) представляет собой легкое твердое кристаллическое вещество, по внешнему виду похожее на поваренную соль, но химически весьма активное. Поскольку существуют два изотопа лития и три изотопа водорода, очевидно, что возможны 6 различных по изотопному составу гидридов лития, формулы которых приведены в табл. 5.

Таблица 5

При конструировании водородной бомбы большое значение имеет объем, занимаемый термоядерным горючим, а также вес оболочки, в которой оно помещается. Рис. 15 дает представление о соотношении объемов, занимаемых 1 кг дейтерия в жидком виде, в виде сжатого до 200 атм газа, в виде тяжелой воды и в виде соединения с литием — дейтерида лития. Из рисунка видно, какое преимущество в отношении занимаемого объема имеют тяжелая вода и гидрид лития.

Следует также указать на невыгодность использования сжатого водорода, для хранения которого приходится применять стальные баллоны, во много десятков раз по весу превосходящие вес заключенного в них водорода.

Приведенные выше соображения показывают, что изотопы водорода в термоядерном оружии целесообразно применять не в свободном виде, а в виде химических соединений.

Указанные в табл. 4 термоядерные реакции являются основными из числа обсуждавшихся в литературе с точки зрения возможности их использования в водородной бомбе.

Из всех перечисленных веществ, как было уже сказано, легче всего может быть взорвана дейтериево-тритиевая смесь. Однако изготовление больших водородных бомб на основе трития мало вероятно из-за высокой стоимости трития и трудностей его получения в большом количестве. С другой стороны, даже реакции 4 и 5 с дейтерием, не говоря уже о реакции 8–10 с литием, требуют начальной температуры порядка десятков миллионов градусов, вряд ли обеспечиваемой атомным «запалом». Поэтому следует считать, что тритий используется в современных водородных бомбах лишь в качестве побудителя, обеспечивающего дальнейшее повышение температуры и возможность протекания реакций с участием водорода, дейтерия и обоих изотопов лития.

В свете всего сказанного действие водородной бомбы можно представить следующим образом. Сначала внутри бомбы происходит цепной взрыв за счет реакции деления урана или плутония. Если бы деление распространилось на всю массу урана или плутония и при этом вся энергия превратилась бы в тепловую, температура достигла бы сотен миллионов градусов. Фактически, однако, температура во много раз ниже потому, что делится лишь малая часть «запала» и при этом только часть энергии выделяется в виде тепловой.

Поэтому по имеющимся в литературе сведениям температура, развиваемая при взрыве атомного «запала», может обеспечить быстрое протекание лишь термоядерной реакции дейтерия с тритием. В смеси этих изотопов водорода реакция в заметной степени пройдет в течение нескольких миллионных долей секунды, причем температура резко повысится и достигнет десятков миллионов градусов, что может обеспечить протекание реакций 4, 5, 8, 9 и 10. Среди последних реакций наибольший интерес представляет реакция 10, сопровождающаяся большим выделением тепла и происходящая в обычном гидриде лития — дешевом и доступном в больших количествах веществе.

При протекании в гидриде лития термоядерной реакции температура может еще повыситься. Разумеется, в случае дальнейшего повышения температуры до сотен и более миллионов градусов можно осуществить термоядерные реакции с участием более тяжелых элементов, например, бора, бериллия, углерода, азота и кислорода. Надо, однако, отметить, что тепловые эффекты этих реакций меньше тепловых эффектов реакций, приводящих к образованию ядер гелия из водорода.

В обычных атомных бомбах освобождение ядерной энергии происходит в результате цепной реакции деления ядер плутония 239, урана 235 или урана 233. В такой бомбе многократно происходит одна и та же ядерная реакция деления.

Гораздо сложнее картина развития процесса при взрыве дейтериево-тритиевой бомбы. Сначала развивается реакция деления в атомном заряде. Затем, благодаря резкому повышению температуры, начинается термоядерная реакция трития — дейтерия.

В результате последней реакции образуются ядра гелия и свободные нейтроны. При этом выделяется огромное количество энергии, что приводит к дальнейшему повышению температуры. Таким образом, дейтериево-тритиевая бомба принципиально отличается от обычной атомной бомбы тем, что в атомной бомбе процесс (реакция) проходит в одну фазу, а в дейтериево-тритие-вой — в две фазы. На основании этого обычную атомную бомбу можно назвать однофазной бомбой, а дейтериево-тритиевую — двухфазной.

Бомба с жидкими изотопами водорода представляет собой резервуар с теплонепроницаемой оболочкой, которая служит для длительного сохранения дейтерия и трития в сильно охлажденном жидком состоянии. Эта оболочка может быть выполнена, например, в виде трех слоев, состоящих из твердого сплава, твердой углекислоты и жидкого азота.

Водородная бомба с жидкими изотопами водорода оказалась непрактичной, так как имеет слишком большие размеры и вес. Например, американская водородная бомба подобного типа весила 62 т и имела размеры автомобильного фургона. Это первое термоядерное оружие, естественно, не могло быть подвешено на самолет.

С момента своего возникновения термоядерное оружие непрестанно совершенствовалось. Одним из шагов на этом пути была замена жидких изотопов водорода твердым химическим соединением тяжелого водорода с литием, особенно с литием 6. Это позволило уменьшить размеры и вес водородной бомбы, так как данное соединение (дейтерид лития) представляет собой легкое твердое вещество. Таким образом, появился новый тип двухфазной бомбы, где в нагретой до температуры свыше миллионов градусов смеси лития с дейтерием происходят следующие ядерные реакции.

Нейтроны, получающиеся при делении плутониевого запала (первая фаза), вступают в знакомую нам реакцию с литием:

Образующийся в результате этой реакции тритий вступает в термоядерную реакцию с дейтерием (вторая фаза). Одновременно с этим протекает реакция соединения атомных ядер лития и дейтерия.

Этот тип двухфазной бомбы имеет большие преимущества по сравнению с дейтериево-тритиевой бомбой. Гидрид лития в отличие от трития устойчив и может храниться сколько угодно времени. Производство его обходится значительно дешевле, чем производство трития.

Некоторая часть термоядерного заряда может состоять также из соединения с литием сверхтяжелого водорода — трития. Таким образом, в качестве термоядерного горючего стали использовать гидриды лития.

Если при взрыве однофазной бомбы температура повышается до 10 млн. градусов, то при взрыве двухфазной бомбы температура возрастает еще значительнее — до нескольких десятков миллионов градусов. Такая температура может обеспечить протекание более трудновозбуждаемых ядерных реакций.

Кроме того, при образовании ядер гелия из ядер дейтерия и трития вылетает много быстрых нейтронов. Для сравнения заметим, что если в реакции синтеза будет участвовать 1 кг смеси дейтерия и трития, то нейтронов выделится раз в 30 больше, чем при делении атомных ядер 1 кг урана или плутония. Энергия нейтронов, выделившихся при образовании гелия, в несколько раз больше энергии нейтронов, освобождающихся при делении.

Быстрые нейтроны, образующиеся в зоне термоядерной реакции, оказалось возможным использовать для повышения мощности взрыва, если термоядерный (водородный) заряд поместить в оболочку из сравнительно дешевого природного урана 238. Таким образом, появилась возможность создания еще более сложных бомб, в которых процесс происходит в три фазы. Примером трехфазной бомбы является так называемая урановая термоядерная бомба, именуемая иногда водородно-урановой бомбой. Эта трехфазная бомба имеет запалы в виде плутониевых зарядов, взрыв которых (первая фаза) вызывает термоядерную реакцию в гидриде лития (вторая фаза).

Быстрые нейтроны, образующиеся при делении плутония и при реакции дейтерия с тритием, вызывают деление урана 238 (третья фаза), из которого сделана оболочка трехфазной бомбы.

Имеются сообщения в иностранной печати о схеме построения трехфазной термоядерной бомбы, в которой сначала происходит расщепление ядер, затем синтез и снова расщепление. Такая схема приведена на рис. 16.

В центральной части бомбы расположен гидрид лития, вокруг которого помещается несколько плутониевых зарядов. Оболочка бомбы изготовлена из урана 238 или из природного урана. Взрыв трехфазной бомбы начинается с детонации плутониевых запалов (а) под действием нейтронов, испускаемых бериллиевыми источниками. Далее происходит термоядерная реакция в гидриде лития (б). Наконец быстрые нейтроны вызывают деление урана (в).

Возникает вопрос: почему в трехфазной бомбе происходит реакция деления урана 238?

Это объясняется тем, что в урановую оболочку попадает мощный поток нейтронов, образующихся в результате реакции дейтерия с тритием. Энергия и скорость этих нейтронов значительно превосходит энергию и скорость нейтронов, образующихся при делении урана. Такие быстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами урана 238, успешно производят их деление.

Несколько плутониевых «запалов» применяется в этой бомбе с целью быстрого подъема температуры гидрида лития, чтобы обеспечить возникновение в нем термоядерной реакции. Одновременность взрыва всех запалов обеспечивается специальной электрической системой. Включение электрического тока производится автоматически барометрическим или иным устройством. В корпусе бомбы имеются отверстия, в которые незадолго до взрыва вставляют нейтронные (бериллиевые) источники, один из которых показан на рисунке.

Если предположить, что диаметр такой трехфазной бомбы равен 1 м, а толщина ее урановой оболочки составляет около 5 см, то вес урана будет равен приблизительно 3 т. Если при взрыве бомбы прореагирует только 15%, то есть около 500 кг урана, то тротиловый эквивалент этой бомбы составит около 10 млн. т. Это значит, что взрыв трехфазной бомбы будет более мощным, чем взрыв обычной (тротиловый эквивалент = 20 000 т), приблизительно в 500 раз.

Вышеуказанная схема трехфазной бомбы выгодно отличается от всех предыдущих схем тем, что мощность такой бомбы может быть во много раз увеличена по сравнению с бомбой, у которой отсутствует урановая оболочка. Указывается, что в водородно-урановой бомбе 80% энергии при взрыве может быть получено в результате расщепления урана. Преимуществом такой схемы является также и то, что увеличение мощности взрыва происходит за счет относительно дешевого (особенно по сравнению с тритием) вещества, каким является природный уран, состоящий в основном из урана 238.

Применение в качестве оболочки урана 238 позволяет повысить мощность оружия от нескольких десятков и сотен тысяч тонн до нескольких миллионов и десятков миллионов тонн.

Таким образом, могут существовать однофазные, двухфазные и трехфазные бомбы. Ядерные процессы, происходящие в трехфазной бомбе, схематично показаны на рис. 17. Обычные атомные бомбы являются однофазными. Термоядерные бомбы могут быть двух- и трехфазными.

По данным иностранной печати, с точки зрения военной экономики трехфазные урановые бомбы имеют преимущество перед другими видами бомб. Одним из оснований для такого мнения является следующее. Для получения ядерного горючего на специальных заводах из природного урана выделяется чистый уран 235. Получающийся при этом уран 238 является отходом. Эти отходы могут быть использованы для изготовления оболочек трехфазных урановых бомб.

Развитие термоядерного оружия идет как по линии увеличения тротиловых эквивалентов и создания бомб особо большой мощности, так и по пути уменьшения калибра и веса бомб. В иностранной печати отмечалось, что уже испытывались бомбы с тротиловым эквивалентом 10 и 14 млн. т. По опубликованным данным, военные специалисты работают над созданием термоядерных бомб с тротиловым эквивалентом порядка десятков млн. т.

Уменьшение размеров и веса термоядерных зарядов является довольно сложным делом. В связи с этим в печати упоминалось о разработке новых принципов, позволяющих внести коренные изменения в конструирование и производство термоядерных бомб. Сообщалось, например, о возможности найти новый метод детонации термоядерных бомб, основанный на использовании ударных волн. Это позволило бы создать небольшие бомбы, взрывающиеся без подрыва атомного детонатора.

Какой принцип действия новых термоядерных бомб — неизвестно. В иностранной печати сообщается, что возможность создания малых термоядерных бомб была доказана американскими испытаниями термоядерного оружия в мае — июне 1956 года. В их числе будто бы находилась небольшая бомба, которую можно использовать для снаряжения зенитного управляемого снаряда.

В иностранной печати указывалось также, что уменьшение размеров и веса термоядерных зарядов позволит доставлять их к цели на самолетах, самолетах-снарядах и ракетах ближнего, среднего, дальнего и сверхдальнего действия, а также применять их в качестве боевой части в авиационных реактивных снарядах.

В настоящее время ведутся также работы по улучшению баллистических качеств термоядерных бомб с целью их применения со сверхзвуковых самолетов, а также по увеличению точности стрельбы ракетами, которые снаряжены термоядерным зарядом.