Вернутися назад
Друкувати
Термоядерна бомба: пристрій. Перша термоядерна бомба. Випробування термоядерної бомби
Наша стаття присвячена історії створення і загальним принципам синтезу такого пристрою, як термоядерна бомба, іноді званої водневої. Замість виділення енергії вибуху при розщепленні ядер важких елементів, на зразок урану, вона генерує навіть більшу її кількість шляхом злиття ядер легких елементів (наприклад, ізотопів водню) один важкий (наприклад, гелій).
Злиття (або синтез) ядер охоплює всю масу заряду бомби і триває, поки нейтрони можуть знаходити ще не вступило в реакцію термоядерну пальне. Тому маса і вибухова потужність такої бомби теоретично необмежені. Таке злиття може тривати теоретично нескінченно. Дійсно, термоядерна бомба є одним з потенційних пристроїв кінця світу, яке може знищити всю людське життя.
D + T -> 4 Не + n + 1759 Мев. Схематично ця реакція показана на малюнку нижче.
Багато це чи мало? Як відомо, все пізнається в порівнянні. Так от, енергія в 1 Мев приблизно в 23 мільйони разів більше, ніж виділяється при згорянні 1 кг нафти. Отже злиття двох ядер дейтерію і тритію вивільняє стільки енергії, скільки виділяється при згорянні 23•10 6 •1759 = 405•10 6 кг нафти. А адже йдеться лише про двох атомах. Можете уявити, як високі ставки були у другій половині 40-х років минулого століття, коли в США і СРСР розгорнулися роботи, результатом яких стала термоядерна бомба. варіант Теллера, відомий як "класичний супер"; більш складні, але й більш реальні конструкції з декількох концентричних сфер; остаточний варіант конструкції Теллера-Улама, яка є основою всіх працюючих сьогодні систем термоядерної зброї. Аналогічні етапи проектування пройшли і термоядерні бомби СРСР, біля витоків яких стояв Андрій Сахаров. Він, мабуть, цілком самостійно і незалежно від американців (чого не можна сказати про радянської атомної бомби, створеної спільними зусиллями вчених і розвідників, які працювали в США) пройшов всі перераховані вище етапи проектування. Перші два покоління володіли тим властивістю, що вони мали послідовність зчеплених "шарів", кожен з яких посилював деякий аспект попереднього, і в деяких випадках встановлювався зворотній зв'язок. Там не було чіткого поділу між первинною атомною бомбою і вторинної термоядерної. На відміну від цього, схема термоядерної бомби розробки Теллера-Улама різко розрізняє первинний вибух, вторинний, і при необхідності, додатковий. 
Вона мала циліндричну форму, з приблизно сферичної первинної атомною бомбою на одному кінці. Вторинний термоядерний заряд в перше, ще непромислових зразках, був з рідкого дейтерію, дещо пізніше він став твердим з хімічного з'єднання під назвою дейтерид літію. Справа в тому, що давно використовується в промисловості гідрид літію LiH для безбалонной транспортування водню. Розробники бомби (ця ідея спочатку була використана в СРСР) просто запропонували брати замість звичайного водню його ізотоп дейтерій і з'єднувати з літієм, оскільки з твердим термоядерним зарядом виконати бомбу набагато простіше. За формою вторинний заряд представляв собою циліндр, вміщений у контейнер зі свинцевою (або уранової) оболонкою. Між зарядами знаходиться щит нейтронної захисту. Простір між стінками контейнера з термоядерним пальним і корпусом бомби заповнений спеціальним пластиком, як правило, пінополістиролом. Сам корпус бомби виконаний із сталі або алюмінію. Ці форми змінилися в останніх конструкціях, таких як показана на малюнку нижче. 
В ній первинний заряд сплюснут, як кавун або м'яч в американському футболі, а вторинний заряд – сферичний. Такі форми набагато більше ефективно вписуються у внутрішній об'єм конічних ракетних боєголовок. 
Перше випробування термоядерної бомби відбулося 31 жовтня 1952 р. Потужність вибуху склала 104 мегатонни. Аттол Эниветок, на якому він був зроблений, був повністю зруйнований. Момент вибуху показаний на фото нижче. 
Наслідки його були вражаючими. Незважаючи на досить значну висоту вибуху в 4000 м, неймовірно яскравий вогненна куля нижнім краєм майже досяг Землі, а верхнім піднявся до висоти понад 45 км. Тиск нижче точки розриву було в шість разів вище пікового тиску при вибуху в Хіросімі. Спалах світла була настільки яскравою, що її було видно на відстані 1000 кілометрів, незважаючи на похмуру погоду. Один з учасників тесту побачив яскравий спалах через темні окуляри і відчув наслідки теплового імпульсу навіть на відстані 270 км. Фото моменту вибуху показано нижче. 
При цьому було показано, що потужність термоядерного заряду дійсно не має обмежень. Адже досить було виконати третю сходинку, і розрахункова потужність була б досягнута. А адже можна нарощувати число ступенів і далі, так як вага «Цар-бомби» склав не більше 27 тонн. Вид цього пристрою показаний на фото нижче. Після цих випробувань багатьом політикам і військовим як в СРСР, так і в США стало ясно, що настав межа гонки ядерних озброєнь і її треба зупинити. Сучасна Росія успадкувала ядерний арсенал СРСР. Сьогодні термоядерні бомби Росії продовжують служити стримуючим фактором для тих, хто прагне до світової гегемонії. Будемо сподіватися, що вони зіграють свою роль тільки у вигляді засобу залякування і ніколи не будуть підірвані.
Чому краще злиття ядер?
При термоядерної реакції, що полягає у злитті ядер беруть участь у ній хімічних елементів, генерується значно більше енергії на одиницю маси фізичного пристрою, ніж у чистої атомній бомбі, що реалізує ядерну реакцію ділення. В атомній бомбі делящееся ядерне паливо швидко, під дією енергії підриву звичайних вибухових речовин об'єднується у невеликому сферичному об'ємі, де створюється так звана критична маса, і починається реакція поділу. При цьому багато нейтрони, які звільняються з діляться ядер, викликають розподіл інших ядер в масі палива, які також виділяють додаткові нейтрони, що призводить до ланцюгової реакції. Вона охоплює не більше 20 % пального, перш ніж бомба вибухає, або, можливо, набагато менше, якщо умови не ідеальні: так в атомних бомбах Малюк, скинутої на Хіросіму, і Товстун, що вразила Нагасакі, ККД (якщо такий термін взагалі можна до них застосовувати) були всього 138 % і 13%, відповідно.Злиття (або синтез) ядер охоплює всю масу заряду бомби і триває, поки нейтрони можуть знаходити ще не вступило в реакцію термоядерну пальне. Тому маса і вибухова потужність такої бомби теоретично необмежені. Таке злиття може тривати теоретично нескінченно. Дійсно, термоядерна бомба є одним з потенційних пристроїв кінця світу, яке може знищити всю людське життя.
Що таке реакція злиття ядер?
Паливом для реакції термоядерного синтезу служать ізотопи водню дейтерій або тритій. Перший відрізняється від звичайного водню тим, що в його ядрі, крім одного протона міститься ще і нейтрон, а в ядрі тритію вже два нейтрона. У природній воді один атом дейтерію доводиться на 7000 атомів водню, але з його кількості. міститься в склянці води, можна в результаті термоядерної реакції отримати таку ж кількість теплоти, як і при згоранні 200 л бензину. На зустрічі в 1946 році з політиками, батько американської водневої бомби Едвард Теллер підкреслив, що дейтерій дає більше енергії на грам ваги, ніж уран або плутоній, однак варто двадцять центів за грам в порівнянні з кількома сотнями доларів за грам палива для ядерного поділу. Тритій в природі у вільному стані взагалі не зустрічається, тому він набагато дорожче, ніж дейтерій, з ринковою ціною в десятки тисяч доларів за грам, проте найбільшу кількість енергії вивільняється саме в реакції злиття ядер дейтерію і тритію, при якій утворюється ядро атома гелію і вивільняється нейтрон, відносить надлишкову енергію у 1759 МевD + T -> 4 Не + n + 1759 Мев. Схематично ця реакція показана на малюнку нижче.
Як все починалося
Ще влітку 1942 р. на початку реалізації проекту створення атомної бомби в США (Манхэтенский проект) і пізніше в аналогічній радянській програмі, задовго до того, як була побудована бомба, заснована на поділ ядер урану, увагу деяких учасників цих програм було залучено до пристрою, який може використовувати набагато більш потужну термоядерну реакцію злиття ядер. У США прихильником цього підходу, і навіть, можна сказати, його апологетом, був уже згаданий вище Едвард Теллер. У СРСР цей напрям розвивав Андрій Сахаров, майбутній академік і дисидент. Для Теллера його захоплення термоядерним синтезом у роки створення атомної бомби зіграло швидше ведмежу послугу. Будучи учасником Манхэтенского проекту, він наполегливі закликав до спрямування коштів на реалізацію власних ідей, метою яких була воднева і термоядерна бомба, що не сподобалося керівництву і викликало напруженість у відносинах. Оскільки в той час термоядерну напрямок досліджень не було підтримано, то після створення атомної бомби Теллер покинув проект і зайнявся викладацькою діяльністю, а також дослідженнями елементарних частинок. Однак почалася холодна війна, а найбільше створення та успішне випробування радянської атомної бомби в 1949 р., стали для ярого антикомуніста Теллера новим шансом реалізувати свої наукові ідеї. Він повертається в Лос-Аламосскую лабораторію, де створювалася атомна бомба, і разом зі Станіславом Уламом і Корнеліусом Евереттом приступає до розрахунків.Принцип термоядерної бомби
Для того щоб почалася реакція злиття ядер, потрібно миттєво нагріти заряд бомби до температури 50 мільйонів градусів. Схема термоядерної бомби, запропонована Теллером, використовує для цього невеликий вибух атомної боми, яка знаходиться всередині корпусу водневої. Можна стверджувати, що було три покоління в розвитку її проекту в 40-х роках минулого століття:Пристрій термоядерної бомби за принципом Теллера-Улама
Багато його деталі залишаються засекреченими, але є достатня впевненість, що все наявне нині термоядерну зброю використовує в якості прототипу пристрій, створене Едвардом Теллерос і Станіславом Уламом, в якому атомна бомба (тобто первинний заряд) використовується для генерації випромінювання, стискає і нагріває термоядерну паливо. Андрій Сахаров в Радянському Союзі, мабуть, незалежно придумав аналогічну концепцію, яку він назвав "третьої ідеєю". Схематично пристрій термоядерної бомби в цьому варіанті показано на малюнку нижче.
Послідовність термоядерного вибуху
Коли первинна атомна бомба детонує, то в перші миті цього процесу генерується потужне рентгенівське випромінювання (потік нейтронів), яке частково блокується щитом нейтронної захисту, і відбивається від внутрішньої облицювання корпусу, навколишнього вторинний заряд, так що рентгенівські промені симетрично падають на нього по всій його довжині. На початкових етапах термоядерної реакції нейтрони від атомного вибуху поглинаються пластиковим заповнювачем, щоб не допустити надто швидкого розігріву палива. Рентгенівські промені викликають поява спочатку щільною пластикової піни, яка заповнює простір між корпусом і вторинним зарядом, яка швидко переходить в стан плазми, нагріваючої і стискаючої вторинний заряд. Крім того, рентгенівські промені випаровують поверхню контейнера, навколишнього вторинний заряд. Симетрично испаряющееся щодо цього заряду речовина контейнера набуває певний імпульс, спрямований від його осі, а шари вторинного заряду згідно із законом збереження кількості руху отримують імпульс, спрямований до осі пристрою. Принцип тут той же, що і в ракеті, тільки якщо уявити, що ракетне паливо розлітається симетрично від її осі, а корпус стискається всередину. В результаті такого стиснення термоядерного палива, його обсяг зменшується в тисячі разів, а температура досягає рівня початку реакції злиття ядер. Відбувається вибух термоядерної бомби. Реакція супроводжується утворенням ядер тритію, які зливаються з ядрами дейтерію, спочатку наявними у складі вторинного заряду. Перші вторинні заряди були побудовані навколо стрижневого сердечника з плутонію, неофіційно званого "свічкою", який вступав в реакцію ядерного ділення, тобто здійснювався ще один, додатковий атомний вибух з метою ще більшого підняття температури для гарантованого початку реакції злиття ядер. В даний час вважається, що більш ефективні системи стиснення усунули «свічку», дозволяючи подальшу мініатюризацію конструкції бомби.Операція Плющ
Так назвалися випробування американського термоядерної зброї на Маршаллових островах в 1952 р. під час яких була підірвана перша термоядерна бомба. Вона називалася Плющ Майк і була побудована за типовою схемою Теллера-Улама. Її вторинний термоядерний заряд був поміщений в циліндричний контейнер, який представляє собою термічно ізольована посудину Дьюара з термоядерним пальним у вигляді рідкого дейтерію, уздовж осі якого проходила «свічка» з 239-плутонію . Дьюар, у свою чергу, був покритий шаром 238-урану вагою понад 5 метричних тонн, який в процесі вибуху випаровувався, забезпечуючи симетричне стиснення термоядерного палива. Контейнер з первинним і вторинним зарядами був поміщений в сталевий корпус 80 дюймів завширшки і 244 дюйма зі стінками в 10-12 дюймів завтовшки, що було найбільшим прикладом кованого виробу до того часу. Внутрішня поверхня корпусу був вистелена листами свинцю та поліетилену для відображення випромінювання після вибуху первинного заряду і створення плазми, розігріваючою вторинний заряд. Всі пристрій важив 82 тонни. Вид пристрою незадовго до вибуху показаний на фото нижче.
СРСР дає симетрична відповідь
Термоядерну першість США протрималося недовго. 12081953 р. на Семипалатинському полігоні була випробувана перша радянська термоядерна бомба РДС-6 розроблена під керівництвом Андрія Сахарова і Юлія Харитона.З опису вище стає ясно, що американцями на Эниветоке була підірвана власне не бомба, як вид готового до застосування боєприпасу, а швидше лабораторне пристрій, громіздке і досить недосконале. Радянські вчені, незважаючи на невелику потужність всього 400 кг, випробували цілком закінчений боєприпас з термоядерним пальним у вигляді твердого дейтериду літію, а не рідкого дейтерію, як у американців. До речі, слід зазначити, що у складі дейтериду літію використовується тільки ізотоп 6 Li (це пов'язано з особливостями проходження термоядерних реакцій), а в природі він знаходиться в суміші з ізотопом 7 Li. Тому були побудовані спеціальні виробництва для розділення ізотопів літію та відбору тільки 6 Li.Досягнення граничної потужності
Потім пішло десятиліття безперервної гонки озброєнь, протягом якого потужність термоядерних боєприпасів безперервно зростала. Нарешті, 30101961 р. в СРСР над полігоном Нова Земля в повітрі на висоті близько 4 км була підірвана найпотужніша термоядерна бомба, яка коли-небудь була побудована і випробувана, відома на Заході як «Цар-бомба». Цей триступеневий боєприпас розроблявся насправді як 1015-мегатонная бомба, але прагнення понизити радіоактивне зараження території змусило розробників відмовитися від третього ступеня потужністю 50 мегатонн і знизити розрахункову потужність пристрою до 515 мегатонн. При цьому 15 мегатонни становила потужність вибуху первинного атомного заряду, а друга термоядерна сходинка повинна була дати ще 50. Реальна потужність вибуху становила до 58 мегатонн.Зовнішній вид бомби показаний на фото нижче.
