100 великих рекордов военной техники - Зигуненко Станислав Николаевич
Свыше 100 000 погибших, около полумиллиона пострадавших, за несколько секунд превращенные в руины и пепел города Хиросима и Нагасаки – таковы в общей сложности печальные итоги первого в мире боевого применения ядерного оружия с точки зрения статистики.
Ну, а какими были первые атомные бомбы (А-бомбы) с точки зрения физики?
«Пушка» или «мячик»?
Соединение ствола от зенитки с урановым зарядом – вот какую экзотическую конструкцию представляла самая-самая первая А-бомба.
Все ныне наслышаны: для того чтобы создать атомную бомбу, надо прежде всего накопить критическую массу трансуранового вещества и собрать его вместе, чтобы началась цепная реакция. Однако на самом деле одного этого для ядерного взрыва еще недостаточно. Для полномасштабного взрыва мощностью хотя бы несколько килотонн нужно собрать массу, в 3–5 раз превышающую критическую. Но даже если затем эти первоначальные критические массы соединить вместе, взрыва все равно не будет. И вот почему.
Теория о критической массе сработает лишь в том случае, если в нашем распоряжении будут идеально чистые уран-235 или плутоний-239. Однако таких веществ в природе не бывает. На деле специалистам после обогащения урана приходится иметь дело с массой, содержащей около 90 % урана-235 и 10 % урана-238. А плутоний-239, который вообще получают искусственно в атомном реакторе при делении урана, обязательно содержит и примесь плутония-240.
При этом следует отметить такую закономерность. Склонность к самопроизвольному делению, то есть цепной реакции, имеют изотопы лишь с нечетными номерами. А вот изотопы с четными номерами практически не делятся нейтронами малых и умеренных энергий. То есть, говоря проще, являются помехой для взрыва.
Поэтому на практике, собрав в одном устройстве несколько критических масс ядерного вещества, их в нужный момент с силой сталкивают вместе с помощью обыкновенной взрывчатки.
Ядерная бомба «Литтл Бой» сброшенная на Хиросиму
Именно по такой схеме была устроена бомба, сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года.
Две ее главные детали – так называемые мишень и пуля – были изготовлены из высокообогащенного урана. Причем «мишень» представляла из себя цилиндр диаметром 16 см и с такой же высотой. В центре цилиндра было проделано отверстие диаметром 10 см. Его-то затем и должна была заткнуть «пуля» соответствующего диаметра.
Всего на изготовление обеих частей было использовано 64 кг урана.
Для лучшего срабатывания устройства «мишень» была окружена оболочкой, внутренний слой которой состоял из карбида вольфрама, а наружный – из стали. Назначение оболочки было таким. Во-первых, она должна была удержать на месте воткнувшуюся в цилиндр «пулю»; во-вторых, отразить хотя бы часть вылетевших в первый момент из урана нейтронов обратно для интенсификации цепной реакции.
«Пуля» для прочности тоже была заключена в тонкостенную оболочку из нержавеющей стали, с крышкой из карбида вольфрама, как у оболочки «мишени».
И «мишень», и «пуля» собирались из кусочков. Причем заготовки из урана должны были быть такими по размеру, чтобы при изготовлении (отливке, прессовании) заготовки общее количество урана не приближалось к критической массе.
Для того чтобы направить «пулю» в центр «мишени», для начала, не мудрствуя лукаво, в экспериментальной модели решили использовать… ствол обычной зенитной пушки калибра 76,2 мм. Ствол был расточен изнутри до 100 мм, чтобы в него вошел столь необычный снаряд. Длина ствола составляла 180 см. В его зарядную камеру загружался обычный бездымный порох, который выстреливал «пулю» со скоростью примерно в 300 м/с. А другой конец ствола запрессовывали в отверстие в оболочке «мишени».
У этой конструкции была масса недостатков.
Она была чудовищно опасной: после того как порох был загружен в зарядную камеру, любая авария, которая могла его воспламенить, привела бы к взрыву бомбы. Из-за этого зарядка пироксилина происходила уже в воздухе, когда самолет подлетал к цели.
Кстати, при аварии и падении самолета урановые фрагменты могли соединиться и без помощи взрывчатки – просто от сильного удара. Чтобы избежать этого на практике, диаметр пули был на доли миллиметра больше диаметра канала в стволе.
Далее, если бы бомба при аварии попала в какой-либо водоем, то из-за замедления нейтронов в воде реакция тоже могла бы начаться самопроизвольно. Правда, при этом ядерный взрыв маловероятен, но все равно произошло бы радиоактивное заражение среды.
Наконец, подобная бомба была весьма неэкономичной. Фактически при взрыве успело бы прореагировать меньше 1 % урана. Ведь расчет показал: цепная реакция начнется еще до того, как «пуля» врежется в мишень.
Правда, было у этой конструкции и одно крупное достоинство: она была настолько проста, что не могла не сработать. А потому ее даже не стали испытывать.
И приступили к разработке более сложной, но и более компактной плутониевой бомбы.
Ключ к плутониевой взрывчатке нашел британский физик немецкого происхождения Клаус Фукс. Этот же человек и передал главные секреты советской разведке. Вот почему по обе стороны океаны первые А-бомбы были похожи, как два яйца от одной курицы.
Плутоний был хорош тем, что для бомбы его требовалось значительно меньше, чем урана. Но был у плутониевой бомбы и крупный недостаток: расчет показал, что даже небольшая (меньше 1 %!) примесь плутония-240 к плутонию-239 делает невозможной пушечную сборку плутониевой бомбы – она бы попросту не взорвалась. А потому физики были вынуждены искать другие способы собирать критическую мaccy для взрыва.
Идея Фукса, получившая позже название «имплозия», заключалась в формировании сходящейся сферической ударной волны с помощью так называемых взрывчатых линз.
Говоря упрощенно, ударная волна должна была сжать кусок плутония так, чтобы его плотность увеличилась вдвое. Для плутония это особенно актуально, поскольку материал этот имеет весьма специфичные свойства. Так, при охлаждении куска плутония от температуры плавления до комнатной он претерпевает четыре фазовых перехода. При последнем (около 122 градусов) его плотность скачком увеличивается на 10 %. При этом любая отливка неизбежно растрескивается. Чтобы этого избежать, плутоний легируют каким-нибудь трехвалентным металлом.
Можно использовать, например, алюминий. Но в 1945 году опасались, что альфа-частицы, вылетающие из ядер плутония при их распаде, будут выбивать из ядер алюминия свободные нейтроны, увеличивая и без того заметный нейтронный фон, поэтому в первой атомной бомбе был использован куда более редкий и дорогой металл – галлий.
В общем, из сплава, содержащего 98 % плутония-239, 0,9 % плутония-240 и 0,8 % галлия, были изготовлены две полусферы диаметром всего 9 см и цилиндрик-пробка диаметром 2 см. Все вместе это имело массу около 6,5 кг.
Пробка же нужна было вот для чего. В центре шара имелась полость диаметром 2 см, куда перед взрывом вставлялся инициатор – источник нейтронов, которые и давали начало цепной реакции. А затем отверстие затыкалось пробкой.
Все три детали пришлось никелировать, потому что плутоний очень активно окисляется воздухом и водой и крайне опасен при попадании внутрь организма человека.
Однако если вы думаете, что устройство плутониевой бомбы тем и ограничивалось, то глубоко ошибаетесь. Для получения большей мощности взрыва шарик был окружен отражателем нейтронов из природного урана-238, толщиной 7 см и весом 120 кг.
Уран – хороший отражатель быстрых нейтронов, и в собранном виде масса системы была лишь немного меньше критической. Поэтому для безопасности вместо плутониевой пробки на самом деле вставлялась кадмиевая, поглощавшая нейтроны. Отражатель служил еще и для удержания всех деталей критической сборки во время цепной реакции, иначе большая часть плутония разлеталась, не успевая принять участие в процессе.
