Одним из типов ядерного оружия является термоядерное оружие , которое многим из нас более известно под названием водородная бомба . Такая бомба обладает огромным разрушительным действием. Принцип действия этого типа оружия основан на высвобождении огромного количества энергии при синтезе легких химических элементов в более тяжелые. Сегодня термоядерное оружие представлено в виде боеголовок для крылатых ракет, боеголовок для баллистических ракет и в виде авиационных бомб.
История создания термоядерного оружия
Исследованиями в области термоядерного оружия занимались многие страны мира, но основными являлись , и Великобритания и происходило это приблизительно в одно и то же время с 40-х годов 20 века.
Идея о создании бомбы с термоядерной реакцией принадлежит Станиславу Уламу и Эдварду Таллеру, которые заговорили об этом еще в 1941 году.
Первый проект по разработке термоядерного оружия получил название «Классический супер». Начало этому проекту положил Таллер, которого в 1942 году отстранили от создания атомной бомбы и перевели на изучение создания нового оружия – водородной бомбы. В 1945 году ученый уже представил практически готовый проект, по которому термоядерная реакция должна была проходить при разжигании жидкого дейтерия от тепла атомного заряда. Однако ученые встали с двумя проблемами, которые им предстояло решить: как разжечь дейтерий и будет ли реакция горения поддерживаться самостоятельно до прохождения термоядерной реакции. Найти решение этих проблем ученые не смогли и поэтому проект «супер» был закрыт.
Еще во время работы над созданием проекта «Классический супер» в 1946 году Таллер придумал еще один проект, получивший название «Будильник». Однако этот проект не получил должного внимания и работы по нему в США не проводились. Одновременно с возникновением «Будильника» в Советском Союзе начинается работа над похожим проектом «Слойка». Над созданием первой термоядерной бомбы в СССР трудился А.Д. Сахаров, который предложил окружить первичный атомный заряд чередующимися слоями делящегося и горючего термоядерного материала. Работы велись не зря, в итоге появилась первая в мире транспортабельная термоядерная авиабомба, в которой в качестве термоядерного топлива использовался Li6D – дейтерид лития-6, предложенный в марте 1949 года В.Л.Гинзбургом. «Слойка» оказалась действенным проектом, но по нему возможно было создавать только бомбы ограниченной мощности, так что ученые продолжали исследования.
Исследования продолжались и в Штатах, где была начата разработка проекта «Таллера-Улама». Станислав Улам с конца 50-го и до начала 51 года 20 века думал над решением усовершенствования деления ядерных зарядов и пришел к выводу, что усилить мощность термоядерного оружия можно увеличив компрессию делящегося материала, а этого можно добиться при помощи обжатия одного атомного заряда при помощи другого. Были проведены испытания, в результате которых удалось получить из емкости с термоядерным горючим отдельную капсулу для второй ступени заряда. Таллер сомневался в том, что из-за компрессии материала можно будет произвести поджег топлива, но расчеты Улама доказали обратное и Америка готова была приступить к изготовлению бомбы на практике. Несмотря на идею создания капсулы термоядерного топлива Улам не знал, как правильно использовать ее для создания бомбы и за решение этой проблемы взялся Таллер. Он заметил, что в ходе реакции деления выделяется небольшое количество кинетической энергии и много излучения, при этом излучение действует эффективнее механического обжатия. Эта идея Таллера ныне известна под названием Схема радиационной имплозии. Сжатое топливо в 1000 раз и разогретое до 1000000 градусов все равно не вызовет термоядерное горение, поэтому было решено еще расположить в центр плутониевый стержень, который будет переходить в критическое состояние, а при делении будет вызывать нужное повышение температуры. Это была финишная прямая на пути создания термоядерного оружия неограниченной мощности.
К идее применения обжатия с помощью радиационной имплозии пришли и ученые СССР в 1954-1955 гг.
Испытания термоядерного оружия
Первые испытания термоядерного оружия был проведены Соединенными Штатами Америки 1 ноября 1952 года. Заряд был взорван на атолле Эниветок в Тихом океане. Это была не бомба, а лабораторный образец, который внешне походил на некое сооружение. А вот первая готовая водородная бомба была испытана – бомба РДС-6, сделанная в СССР. Испытания устройства готового к использованию проводились на полигоне в Семипалатинске 12 августа 1953 года.
Самой крупной водородной обмой, которую испытывали, была водородная 50-мгатонная бомба, которую называют «царь-бомба» . Ее испытание проводили на полигоне, расположенном на архипелаге Новая Земля 30 октября 1961 года. Первоначально планировалось испытывать 100-мегатонную бомбу, но потом было решено вполовину уменьшить мощность испытуемого оружия. Бомбу взорвали на высоте 4 километров, после чего взрывная волна обогнула земной шар три раза. Испытания прошли успешно, но оружие не было взято на вооружение, зато эти испытания дали понять Америке, что Советский Союз может создавать термоядерные бомбы любого мегатоннажа.
В 1958 году над побережьем Джорджия (США) истребитель F-86 столкнулся с бомбардировщиком B-47. Последнему пришлось произвести аварийный сброс водородной бомбы МАРК 15 в океан. Бомба до сих пор не была найдена.
Над Испанией 17 января 1966 года произошло столкновение самолета-заправщика и бомбардировщика B-52 с пятью водородными бомбами. Три бомбы были найдены сразу после аварии, а две только после двух месяцев поиска.
В США 29 августа 2007 года произошел инцидент – в бомбардировщик B-52H были по ошибке загружены 6 крылатых ракет с термоядерными головками и переправлены из Северной Дакоты в Луизиану. О случайной переправке стало известно только через 36 часов и все это время оружие находилось без охраны. Ситуация вызвала громкий скандал и серьезные изменения в Военно-воздушных силах страны.
Наша статья посвящена истории создания и общим принципам синтеза такого устройства, как иногда называемой водородной. Вместо выделения энергии взрыва при расщеплении ядер тяжелых элементов, вроде урана, она генерирует даже большее ее количество путем слияния ядер легких элементов (например, изотопов водорода) в один тяжелый (например, гелий).
Почему предпочтительнее слияние ядер?
При термоядерной реакции, заключающейся в слиянии ядер участвующих в ней химических элементов, генерируется значительно больше энергии на единицу массы физического устройства, чем в чистой атомной бомбе, реализующей ядерную реакцию деления.
В атомной бомбе делящееся ядерное топливо быстро, под действием энергии подрыва обычных взрывчатых веществ объединяется в небольшом сферическом объеме, где создается его так называемая критическая масса, и начинается реакция деления. При этом многие нейтроны, освобождающиеся из делящихся ядер, будут вызывать деление других ядер в массе топлива, которые также выделяют дополнительные нейтроны, что приводит к цепной реакции. Она охватывает не более 20 % топлива, прежде чем бомба взрывается, или, возможно, гораздо меньше, если условия не идеальны: так в атомных бомбах Малыш, сброшенной на Хиросиму, и Толстяк, поразившей Нагасаки, КПД (если такой термин вообще можно к ним применять) были всего 1,38 % и 13%, соответственно.
Слияние (или синтез) ядер охватывает всю массу заряда бомбы и длится, пока нейтроны могут находить еще не вступившее в реакцию термоядерное горючее. Поэтому масса и взрывная мощность такой бомбы теоретически неограниченны. Такое слияние может продолжаться теоретически бесконечно. Действительно, термоядерная бомба является одним из потенциальных устройств конца света, которое может уничтожить всю человеческую жизнь.
Что такое реакция слияния ядер?
Топливом для реакции термоядерного синтеза служат изотопы водорода дейтерий или тритий. Первый отличается от обычного водорода тем, что в его ядре, кроме одного протона содержится еще и нейтрон, а в ядре трития уже два нейтрона. В природной воде один атом дейтерия приходится на 7000 атомов водорода, но из его количества. содержащегося в стакане воды, можно в результате термоядерной реакции получить такое же количество теплоты, как и при сгорании 200 л бензина. На встрече в 1946 году с политиками, отец американской водородной бомбы Эдвард Теллер подчеркнул, что дейтерий дает больше энергии на грамм веса, чем уран или плутоний, однако стоит двадцать центов за грамм в сравнении с несколькими сотнями долларов за грамм топлива для ядерного деления. Тритий в природе в свободном состоянии вообще не встречается, поэтому он гораздо дороже, чем дейтерий, с рыночной ценой в десятки тысяч долларов за грамм, однако наибольшее количество энергии высвобождается именно в реакции слияния ядер дейтерия и трития, при которой образуется ядро атома гелия и высвобождается нейтрон, уносящий избыточную энергию в 17,59 МэВ
D + T → 4 Не + n + 17,59 МэВ.
Схематически эта реакция показана на рисунке ниже.
Много это или мало? Как известно, все познается в сравнении. Так вот, энергия в 1 МэВ примерно в 2,3 миллиона раз больше, чем выделяется при сгорании 1 кг нефти. Следовательно слияние только двух ядер дейтерия и трития высвобождает столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,3∙10 6 ∙17,59 = 40,5∙10 6 кг нефти. А ведь речь идет только о двух атомах. Можете представить, как высоки были ставки во второй половине 40-х годов прошлого века, когда в США и СССР развернулись работы, результатом которых стала термоядерная бомба.
Как все начиналось
Еще летом 1942 г. в начале реализации проекта создания атомной бомбы в США (Манхэтенский проект) и позднее в аналогичной советской программе, задолго до того, как была построена бомба, основанная на делении ядер урана, внимание некоторых участников этих программ было привлечено к устройству, которое может использовать гораздо более мощную термоядерную реакцию слияния ядер. В США сторонником этого подхода, и даже, можно сказать, его апологетом, был уже упомянутый выше Эдвард Теллер. В СССР это направление развивал Андрей Сахаров, будущий академик и диссидент.
Для Теллера его увлечение термоядерным синтезом в годы создания атомной бомбы сыграло скорее медвежью услугу. Будучи участником Манхэтенского проекта, он настойчивые призывал к перенаправлению средств на реализацию собственных идей, целью которых была водородная и термоядерная бомба, что не понравилось руководству и вызвало напряженность в отношениях. Поскольку в то время термоядерное направление исследований не было поддержано, то после создания атомной бомбы Теллер покинул проект и занялся преподавательской деятельностью, а также исследованиями элементарных частиц.
Однако начавшаяся холодная война, а больше всего создание и успешное испытание советской атомной бомбы в 1949 г., стали для яростного антикоммуниста Теллера новым шансом реализовать свои научные идеи. Он возвращается в Лос-Аламосскую лабораторию, где создавалась атомная бомба, и совместно со Станиславом Уламом и Корнелиусом Эвереттом приступает к расчетам.
Принцип термоядерной бомбы
Для того чтобы началась реакция слияния ядер, нужно мгновенно нагреть заряд бомбы до температуры в 50 миллионов градусов. Схема термоядерной бомбы, предложенная Теллером, использует для этого взрыв небольшой атомной бомы, которая находится внутри корпуса водородной. Можно утверждать, что было три поколения в развитии ее проекта в 40-х годах прошлого века:
- вариант Теллера, известный как "классический супер";
- более сложные, но и более реальные конструкции из нескольких концентрических сфер;
- окончательный вариант конструкции Теллера-Улама, которая является основой всех работающих поныне систем термоядерного оружия.
Аналогичные этапы проектирования прошли и термоядерные бомбы СССР, у истоков создания которых стоял Андрей Сахаров. Он, по-видимому, вполне самостоятельно и независимо от американцев (чего нельзя сказать о советской атомной бомбе, созданной совместными усилиями ученых и разведчиков, работавших в США) прошел все вышеперечисленные этапы проектирования.
Первые два поколения обладали тем свойством, что они имели последовательность сцепленных "слоев", каждый из которых усиливал некоторый аспект предыдущего, и в некоторых случаях устанавливалась обратная связь. Там не было четкого разделения между первичной атомной бомбой и вторичной термоядерной. В отличие от этого, схема термоядерной бомбы разработки Теллера-Улама резко различает первичный взрыв, вторичный, и при необходимости, дополнительный.
Устройство термоядерной бомбы по принципу Теллера-Улама
Многие его детали по-прежнему остаются засекреченными, но есть достаточная уверенность, что все имеющееся ныне термоядерное оружие использует в качестве прототипа устройство, созданное Эдвардом Теллерос и Станиславом Уламом, в котором атомная бомба (т. е. первичный заряд) используется для генерации излучения, сжимает и нагревает термоядерное топливо. Андрей Сахаров в Советском Союзе, по-видимому, независимо придумал аналогичную концепцию, которую он назвал "третьей идеей".
Схематически устройство термоядерной бомбы в этом варианте показано на рисунке ниже.
Она имела цилиндрическую форму, с примерно сферической первичной атомной бомбой на одном конце. Вторичный термоядерный заряд в первых, еще непромышленных образцах, был из жидкого дейтерия, несколько позднее он стал твердым из химического соединения под названием дейтерид лития.
Дело в том, что в промышленности давно используется гидрид лития LiH для безбалонной транспортировки водорода. Разработчики бомбы (эта идея сначала была использована в СССР) просто предложили брать вместо обычного водорода его изотоп дейтерий и соединять с литием, поскольку с твердым термоядерным зарядом выполнить бомбу гораздо проще.
По форме вторичный заряд представлял собой цилиндр, помещенный в контейнер со свинцовой (или урановой) оболочкой. Между зарядами находится щит нейтронной защиты. Пространство, между стенками контейнера с термоядерным топливом и корпусом бомбы заполнено специальным пластиком, как правило, пенополистиролом. Сам корпус бомбы выполнен из стали или алюминия.
Эти формы изменились в последних конструкциях, таких как показанная на рисунке ниже.
В ней первичный заряд сплюснут, как арбуз или мяч в американском футболе, а вторичный заряд - сферический. Такие формы гораздо более эффективно вписываются во внутренний объем конических ракетных боеголовок.
Последовательность термоядерного взрыва
Когда первичная атомная бомба детонирует, то в первые мгновения этого процесса генерируется мощное рентгеновское излучение (поток нейтронов), которое частично блокируется щитом нейтронной защиты, и отражается от внутренней облицовки корпуса, окружающего вторичный заряд, так что рентгеновские лучи симметрично падают на него по всей его длине.
На начальных этапах термоядерной реакции нейтроны от атомного взрыва поглощаются пластиковым заполнителем, чтобы не допустить чересчур быстрого разогрева топлива.
Рентгеновские лучи вызвают появление вначале плотной пластиковой пены, заполняющей пространство между корпусом и вторичным зарядом, которая быстро переходит в состояние плазмы, нагревающей и сжимающей вторичный заряд.
Кроме того, рентгеновские лучи испаряют поверхность контейнера, окружающего вторичный заряд. Симметрично испаряющееся относительно этого заряда вещество контейнера приобретает некоторый импульс, направленный от его оси, а слои вторичного заряда согласно закону сохранения количества движения получают импульс, направленный к оси устройства. Принцип здесь тот же, что и в ракете, только если представить, что ракетное топливо разлетается симметрично от ее оси, а корпус сжимается внутрь.
В результате такого сжатия термоядерного топлива, его объем уменьшается в тысячи раз, а температура достигает уровня начала реакции слияния ядер. Происходит взрыв термоядерной бомбы. Реакция сопровождается образованием ядер трития, которые сливаются с ядрами дейтерия, изначально имеющимися в составе вторичного заряда.
Первые вторичные заряды были построены вокруг стержневого сердечника из плутония, неофициально называемого "свечой", который вступал в реакцию ядерного деления, т. е. осуществлялся еще один, дополнительный атомный взрыв с целью еще большего поднятия температуры для гарантированного начала реакции слияния ядер. В настоящее время считается, что более эффективные системы сжатия устранили «свечу», позволяя дальнейшую миниатюризацию конструкции бомбы.
Операция Плющ
Так назвались испытания американского термоядерного оружия на Маршалловых островах в 1952 г. во время которых была взорвана первая термоядерная бомба. Она называлась Плющ Майк и была построена по типовой схеме Теллера-Улама. Ее вторичный термоядерный заряд был помещен в цилиндрический контейнер, представляющий собой термически изолированный сосуд Дьюара с термоядерным топливом в виде жидкого дейтерия, вдоль оси которого проходила «свеча» из 239-плутония. Дьюар, в свою очередь, был покрыт слоем 238-урана весом более 5 метрических тонн, который в процессе взрыва испарялся, обеспечивая симметричное сжатие термоядерного топлива. Контейнер с первичным и вторичным зарядами был помещен в стальной корпус 80 дюймов шириной и 244 дюйма длиной со стенками в 10-12 дюймов толщиной, что было крупнейшим примером кованого изделия до того времени. Внутренняя поверхность корпуса был выстлана листами свинца и полиэтилена для отражения излучения после взрыва первичного заряда и создания плазмы, разогревающей вторичный заряд. Все устройство весило 82 тонны. Вид устройства незадолго до взрыва показан на фото ниже.
Первое испытание термоядерной бомбы состоялось 31 октября 1952 г. Мощность взрыва составила 10,4 мегатонны. Аттол Эниветок, на котором он был произведен, был полностью разрушен. Момент взрыва показан на фото ниже.
СССР дает симметричный ответ
Термоядерное первенство США продержалось недолго. 12.08.1953 г. на Семипалатинском полигоне была испытана первая советская термоядерная бомба РДС-6, разработанная под руководством Андрея Сахарова и Юлия Харитона.Из описания выше становится ясно, что американцами на Эниветоке была взорвана собственно не бомба, как вид готового к применению боеприпаса, а скорее лабораторное устройство, громоздкое и весьма несовершенное. Советские же ученые, несмотря на небольшую мощность всего 400 кг, испытали вполне законченный боеприпас с термоядерным топливом в виде твердого дейтерида лития, а не жидкого дейтерия, как у американцев. Кстати, следует отметить, что в составе дейтерида лития используется только изотоп 6 Li (это связано с особенностями прохождения термоядерных реакций), а в природе он находится в смеси с изотопом 7 Li. Поэтому были построены специальные производства для разделения изотопов лития и отбора только 6 Li.
Достижение предельной мощности
Затем последовало десятилетие непрерывной гонки вооружений, в течение которого мощность термоядерных боеприпасов непрерывно возрастала. Наконец, 30.10.1961 г. в СССР над полигоном Новая Земля в воздухе на высоте около 4 км была взорвана самая мощная термоядерная бомба, которая когда-либо была построена и испытана, известная на Западе как «Царь-бомба».
Этот трехступенчатый боеприпас разрабатывался на самом деле как 101,5-мегатонная бомба, но стремление снизить радиоактивное заражение территории заставило разработчиков отказаться от третьей ступени мощностью в 50 мегатонн и снизить расчетную мощность устройства до 51,5 мегатонн. При этом 1,5 мегатонны составляла мощность взрыва первичного атомного заряда, а вторая термоядерная ступень должна была дать еще 50. Реальная мощность взрыва составила до 58 мегатонн.Внешний вид бомбы показан на фото ниже.
Последствия его были впечатляющими. Несмотря на весьма существенную высоту взрыва в 4000 м, невероятно яркий огненный шар нижним краем почти достиг Земли, а верхним поднялся до высоты более 4,5 км. Давление ниже точки разрыва было в шесть раз выше пикового давления при взрыве в Хиросиме. Вспышка света была настолько яркой, что ее было видно на расстоянии 1000 километров, несмотря на пасмурную погоду. Один из участников теста увидел яркую вспышку через темные очки и почувствовал последствия теплового импульса даже на расстоянии 270 км. Фото момента взрыва показано ниже.
При этом было показано, что мощность термоядерного заряда действительно не имеет ограничений. Ведь достаточно было выполнить третью ступень, и расчетная мощность была бы достигнута. А ведь можно наращивать число ступеней и далее, так как вес «Царь-бомбы» составил не более 27 тонн. Вид этого устройства показан на фото ниже.
После этих испытаний многим политикам и военным как в СССР, так и в США стало ясно, что наступил предел гонки ядерных вооружений и ее нужно остановить.
Современная Россия унаследовала ядерный арсенал СССР. Сегодня термоядерные бомбы России продолжают служить сдерживающим фактором для тех, кто стремится к мировой гегемонии. Будем надеяться, что они сыграют свою роль только в виде средства устрашения и никогда не будут взорваны.
Солнце как термоядерный реактор
Общеизвестно, что температура Солнца, точнее его ядра, достигающая 15000000 °К, поддерживается за счет непрерывного протекания термоядерных реакций. Однако все, что мы могли почерпнуть из предыдущего текста, говорит о взрывном характере таких процессов. Тогда почему Солнце не взрывается как термоядерная бомба?
Дело в том, что при огромной доле водорода в составе солнечной массы, которая достигает 71 %, доля его изотопа дейтерия, ядра которого только и могут участвовать в реакции термоядерного синтеза, ничтожно мала. Дело в том, что ядра дейтерия сами образуются в результате слияния двух ядер водорода, да не просто слияния, а с распадом одного из протонов на нейтрон, позитрон и нейтрино (т. наз. бета-распад), что является редким событием. При этом образующиеся ядра дейтерия распределены по объему солнечного ядра довольно равномерно. Поэтому при её огромных размерах и массе отдельные и редкие очаги термоядерных реакций относительно небольшой мощности как бы размазаны по всему его ядру Солнца. Выделяемого при этих реакциях тепла явно недостаточно, чтобы мгновенно выжечь весь дейтерий в Солнце, но хватает для его нагрева до температуры, обеспечивающей жизнь на Земле.
Теоретическое вступление. Термоядерное оружие, как не трудно догадаться, основано на организации термоядерных реакций синтеза атомных ядер. Из всех известных естествоиспытателям реакций протекающих в окружающем мире, термоядерные реакции обладают наибольшим выделением удельной энергии, т.е. энергии, приходящейся на единицу массы.
Учёными установлено, что в природе термоядерные процессы распространены достаточно широко, в частности, они являются источником энергии звёзд. Наше Солнце - не исключение. В наше время Солнце является обычной звездой, в ядре которой протекают термоядерные реакции синтеза ядер гелия из ядер водорода.
О..
. ГИГАНТЫ N
СВЕРХГИГАНТЫ
Ежесекундно Солнце на реакцию синтеза расходует 6-1011 кг водорода, с выходом 4-109 кг гелия. По прогнозам астрофизиков наблюдаемое сейчас состояние динамического равновесия нашей эволюционирующей звезды продлится около 5 млрд. лет.
БЕЛЫЕ ** КАРЛИКИ.
Так, что поводов для тактического беспокойства пока нет. Интенсивность термоядерных реакций можно проследить на диаграмме Герцшпрунга - Рессела (рис.
Рис. 6.32. Эволюция звёзд в зависимости от интенсивности ядерных реакций
10 000 6 000 ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕРХНОСТИ, К
| м
|F| G I
- , где показана зависимость светимости звёзд от их температуры, которая одновременно является и показателем спектрального класса.
L = R52.
При образовании одного ядра гелия из двух ядер водорода выделяется энергия, равная 24 МэВ. Напомним, что 1 эВ - это энергия которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов, равную 1 В, 1 эВ « 1,6-10 - 19 Дж. В 1 кг дейтерия, изотопа водорода содержится 1,5-1026 пар соединяющихся ядер.
Энергию, выделяющуюся из 1 кг дейтерия при синтезе гелия можно определить следующим образом
Е1 = 1,5 -1026 - 24 = 3,6 -1027МэВ = 1,62 -108 КВт - час.
Как известно дейтерий в малых концентрациях содержится в воде. В пересчёте на среднюю концентрацию дейтерия из 1 л воды потенциально возможно получить энергию порядка 6100 КВт-час., что эквивалентно сжиганию 672 литров бензина, при расходовании на реакцию окисления около восьми тонн кислорода. Для слияния двух ядер водорода в одно ядро гелия необходимо, чтобы эти положительно заряженные ядра преодолели кулоновские силы отталкивания
r 1 Ze1 - Ze1 r
FK = -Lr .
4П880 r
Для слияния исходных ядер водорода необходимо их сблизить на расстояние соизмеримое с размерами ядра, т.е. на « 3-1015 м. На этом расстоянии потенциальная энергия двух положительных зарядов (ядер водорода) будет равна
1 Ze Ze
П = e= 7,68 10-14 Дж = 5 105эВ.
4П880 Г
Две заряженные частицы могут сблизится на расстояние, соизмеримое с размерами ядра в том случае, если они будут иметь кинетическую энергию, превосходящую или равную половине потенциальной энергии взаимодействия. Из молекулярной физики известно, что кинетическая энергия структурных элементов материи при их хаотическом тепловом движении определяется температурой
2 -л
к 0 = mui.=2k,t,
0 2 2
что даёт возможность оценить соответствующие термоядерному синтезу температуры
13 0,5Кgt;П; -Пgt;Кgt;- kBT,
2 2 B
T.і. 7"68-10-‘‘ s 1,83-10* 0K.
-23
3kB 3 -1,4 -10
Температуры всего на два порядка ниже реализуются в течение короткого времени, при атомных взрывах и внутри звёзд. По последним данным космофизиков температура Солнца лежит в пределах 1,2-107 - 1,5-107 0К. При таких относительно низких температурах возможен прямой захват протона протоном
H1 + H1 ^ He2 + e+1 +v0,
При этом ядро He2 является неустойчивым и быстро превращается за счёт по- зитронного распада в тяжёлый водород. Позитрон, сталкиваясь со своим антиподом - электроном, аннигилирует, превращаясь в излучение
H2 + H1 ^ He2 + у (5,5МэВ),
Далее начинается взаимодействие нестабильных ядер гелия
He2 + He2 ^ He2 + 2H1 (12,8МэВ), которые превращаются в стабильную модификацию гелия. При превращении 1 кг водорода в 883 г гелия, Am . 7 г вещества трансформируется в соответствии с уравнением Оливера Хевисайда в излучение
E = Am - c° = 7-10-3 - 9-1016 = 6,3-1014 Дж.
Столько энергии освобождается при полном окислении 1,6-1010 кг автомобильного бензина. Естественно такой энергетический выход не мог не заинтересовать венец Природы - человечество, которое в лучших традициях своего эволюционного пути нашло таки способ приспособить всю эту энергетическую эффективность исключительно для истребления себе подобных и иже с ними.
Дефект масс, открытый при исследованиях расщепления ядер, означает, в частности, что масса любого стабильного ядра меньше суммы масс составлявших его протонов и нейтронов. Например, масса изотопа гелия He42 меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, если два протона и два нейтрона привести в соприкосновение, чтобы образовалось ядро гелия, то это слияние сопровождалось бы уменьшением массы. Уменьшение массы на Am проявляется в выделении огромного удельного количества энергии (AE = Amc2). Образование ядер в процессе объединения отдельных протонов и нейтронов или легких ядер как раз и называется ядерным синтезом.
Для выяснения подробностей энергетического аспекта этого процесса обратимся вновь к данным рис.4.14, где приведена кривая изменения удельной энергии связи, т. е. энергия в расчете на нуклон. В силу отрицательного знака дефекта масс, слияние ядер тяжёлых элементов (правая ветвь кривой) будет сопровождаться выделением энергии.
Процесс будет в высокой степени эндотермическим, т.е. для его осуществления требуются значительные энергетические затраты. Реакция синтеза двух ядер урана, например, возможна только в том случае, если объединяющиеся ядра будут обладать, по меньшей мере, такой же энергией, сколько её высвобождается при делении каждого из них. Получение сверхтяжелых ядер весьма энергоёмкое и дорогостоящее предприятие, не возможное в настоящее время.
Синтез легких ядер, наоборот, приводит к такому дефекту масс, который связан с высвобождением значительных энергий связи. При объединении двух лёгких ядер имеет место экзотермический процесс.
При слиянии двух протонов и двух нейтронов в ядро гелия мы получаем выигрыш в энергии 28,2 МэВ, а для 1 кг синтезированного гелия это составит около 2-10 8 кВт-ч. Даже по сравнению с энергетикой деления ядер - впечатляет, весьма.
На первый взгляд, методика осуществления реакции синтеза ядер, кажется простой как амёба, действительно, чего проще, соединили два ядра дейтерия и, вот он - гелий:
D2 + D2 ^ He2 + 23,64 МэВ, причём, появление каждого нового ядра сопровождается выделением энергии 23,64 МэВ. Естественно предположить, что эта энергия равна разности между полной энергией связи ядра атома гелия (28,2МэБ), удерживающей вместе четыре нуклона, и полной энергией связи двух ядер тяжелого водорода (по 2,28МэВ каждый). Существует ряд других реакций, которые используются в работах по термоядерному синтезу. Они тоже внешне до неприличия просты
D2 + D2 ^ He2 + 3,27 МэВ,
D2 + D2 ^ T° + р1 + 4,03 МэВ,
Li36 + n0 ^ T° + He4 + 4,6Мэв.
Слияние, например, двух ядер тяжелого водорода возможно, если их удастся сблизить до расстояния действия ядерных сил, т.е. до =3-10 - 15м. А для этого необходимо преодолеть кулоновское отталкивание протонов в ядрах. Элементарный подсчет показывает, что на расстояниях такого масштаба электростатическая энергия отталкивания равна = 0,1Мэв.
Единственное препятствие в организации термоядерной реакции в домашних условиях, состоит, в преодолении кулоновского отталкивания, поскольку протоны и другие легкие ядра всегда положительно заряжены.
Как показывают расчеты, два встречных сталкивающихся протона должны иметь кинетическую энергию порядка 250 кэВ каждый. Эту энергию невозможно получить путем обычного нагревания, так как даже при температуре 107 0К энергия частицы едва достигает только =1 кэВ. А нагревать надо до температур порядка 109 0К, чтобы энергии движения частиц хватило на преодоление взаимного отталкивания ядер. При Т = 10 К они вступают в непосредственный контакт, и происходит объединение ядер. Реальная температура, необходимая для поддержания реакций синтеза несколько ниже расчётной и составляет порядка 108 0К, что обусловлено явлением туннельного эффекта.
Кроме того, согласно функции распределения Максвелла, многие частицы обладают энергиями значительно превышающими среднее значение (E) = kT.
После второй мировой войны стало ясно, что при взрыве атомной бомбы имеют место температуры около 108 0К. Возникла идея использовать атомную бомбу в качестве запала для водородной бомбы, реализующей ядерную реакцию синтеза.
Получить неуправляемое выделение колоссальных количеств энергии при взрыве водородной бомбы, после того как уже набили руку на обычных ядерных взрывах, оказалось достаточно просто.
Термоядерная бомба, по сути, состоит из атомной бомбы и термоядерного заряда. Внутри оболочки, заполненной легкими элементами, способными вступать в реакцию синтеза, взрывается атомная бомба. На очень короткое время - миллионные доли секунды, температура внутри еще целой оболочки достигает нескольких сотен миллионов градусов (108 0К), а давление - сотен миллиардов атмосфер.
ЕІри таких экстремальных условиях начинается слияние ядер дейтерия и трития в ядро гелия
d2 + т° ^ He2 + n0, выделяется огромная энергия в очень короткое время, т.е. происходит взрыв (рис.
- . Энергия, выделяющаяся в реакции ядерного синтеза в расчете на данную массу горючего, больше, чем при делении ядра. Кроме того, при ядерном синтезе не столь остра проблема захоронения радиоРис. 6.33. Синтез ядер гелия активных отходов.
Однако осуществить управляемый термоядерный синтез, т.е. не взрывоподобный отвод энергии технически оказалось весьма сложной задачей. Всё дело упёрлось в создание и поддерживание достаточно продолжительное время необходимых для ядерного синтеза высоких температур.
Любое вещество при обсуждаемых температурах представляет собой особую среду, которая состоит из ядер и несвязанных с ними электронов. Это состояние вещества называется плазмой.
Если посмотреть в соответствующий раздел справочника по физическим свойствам веществ, то можно обнаружить, что из всего их множества наибольшей температурой плавления обладает карбид гафния Тпл = 4000 0К, даже в нём «содержать» высокотемпературную среду не представляется возможным.
Обычные материалы испаряются при температуре в лучшем случае 104 0К, следовательно, они не пригодны для термоядерных технологий. Но Природа - Мать распорядилась так, что плазма, имея огромное число свободных электронов, может пропускать электрический ток и реагировать на внешнее магнитное поле.
Водородная бомба. По одной из циркулирующих в прессе версий, история первого практического использования термоядерной реакции начинается в 1941г. Японский физик Хагивара из университета г. Киото, который не разбомбили в
- г. американцы по причине плохой видимости, в лекции своим студентам высказал идею о возможности возбуждения термоядерной реакции между ядрами водорода в условиях, создаваемых взрывом атомной бомбы на основе U235.
Рис 6.35. Клаус Фукс
В сентябре 1941 г. по другую сторону океана Энрико Ферми аналогичную идею высказал в беседе с Эдвардом Теллером (рис.6. 34). Идея Ферми захватила учёного, который стал последовательным и напористым инициатором разработки оружия такого типа.
Надо сказать, что эта идея обсуждалась и на закрытых семинарах физиками СССР уже сразу после развёртывания атомного проекта, по крайней мере не для Курчатова, не для Флёрова и других ядерщиков такая идея не являлась новостью.
До поры до времени просто не хватало времени и сил для её разработки на систематической основе. Развернулась атомная гонка, все усилия весьма ограниченных ресурсов, как интеллектуальных, так и материальных концентрировались на ней.
Идея «классического супера» была оформлена в виде набросков в Лос-Аламосе к концу 1945 г. Весной
- г. Клаус Фукс предложил при использовании в качестве запала атомной бомбы вынести смесь из дейтерия и трития и первичного взрывателя в прогреваемый излучением отражатель из окиси бериллия.
Рис. 6.36. Схема бомбы Теллера - Улама
В 1946 г. произошло рождение идеи радиационной имплозии. Схема предложенная Клаусом Фуксом, стала основой будущей конфигурации Теллера - Улама, которая вошла вовсе современные хрестоматии по термоядерной технике (рис. 6.36).
Устройство состояло из двух функциональных частей В едином корпусе располагался атомный заряд в виде плутониевой сферической бомбы, который обеспечивал при срабатывании высокие значения температуры и давления и, собственно, термоядерного горючего, окрашенного на рисунке в вишнёвый цвет.
Современные специалисты по ядерной физике признают, что, опережающие время идеи немецкого физика Фукса стали основой многих последующих конструкций термоядерных устройств. Фукс и Фон - Нейман 28 мая 1946 г. подали заявку на изобретение новой схемы инициирующего отсека с использованием радиационной имплозии.
Только спустя пять лет в США полностью осознали огромный идейный потенциал всех предложений Фукса. В конце августа 1946 г. неутомимый Теллер обнародовал отчёт, в котором развил новую схему термоядерной бомбы под романтическим названием «Будильник».
Новая версия бомбы по предложению Теллера должна была состоять из чередующихся сферических слоёв делящихся материалов и термоядерного горючего, дейтерия, трития и их химических соединений.
Цепная реакция деления, возникшая в одном из слоёв, должна была за счёт большого количества быстрых нейтронов инициировать процессы деления в соседних слоях, что должно повышать энерговыделение, особенно тепловое.
Результат атомного взрыва должен был вызвать уплотнение активных делящихся элементов, т.е. объёмное сближения ядер исходного вещества. Плотность термоядерного горючего увеличивалась с возрастанием скорости термоядерных реакций.
Однако термоядерный заряд по этой схеме получался недопустимо габаритным, не позволяющим даже теоретически рассматривать его практическое использование. Некоторое время проекты «Классический супер» и «Будилькик» разрабатывали специалистами Лос-Аламоса параллельно.
В январе 1950 г. президент США Гарри Трумэн выступил с публичным заявлением об официальном поручении учёным из Лос-Аламоса разработки водородной бомбы. Естественно, что работы в этом направлении стали проводится более динамично.
Рис. 6. 37. Термоядерный заряд Mike
В сентябре 1951 г. началась подготовка термоядерного заряда «Майк» к испытаниям, которые успешно были проведены 1 ноября 1952 г. Мощность взрыва составила 10 Мт в тротиловом эквиваленте. Это даже с натяжкой трудно было назвать оружием (рис. 6.37).
Полнейшая нетранспорта-
бельность, габариты соответствовали приличных размеров двухэтажному строению. Продукты термоядерного деления поддерживались при температуре жидкого азота. Термоядерный заряд, в этой связи, был снабжен стационарными рефрижераторными установками, способными во время монтажа и испытаний поддерживать сверхнизкие температуры.
В СССР до 1945 г. возможности официально заниматься вопросами термоядерного синтеза, кроме рассмотрения теоретических аспектов, небыло. Страна воевала и в ускоренных темпах создавала атомную бомбу, напрягаясь из всех мыслимых и немыслимых сил.
Первый официальный документ по термоядерному оружию относится к 22 сентября 1945 г., его подготовил на имя И.В. Курчатова учёный - ядерщик Яков Ильич Френкель, где теоретически обосновал возможность протекания термоядерных реакций у условиях взрыва атомной бомбы: «....Представляется интересным использовать высокие - миллиардные - температуры, развивающиеся при взрыве атомной бомбы, для проведения синтетических реакций (например, образование гелия из водорода), которые являются источником энергии звёзд и которые могли бы ещё более повысить энергию, освобождаемую при взрыве основного вещества (уран, висмут, и т.д.)».
Рис. 6.38 Я.И. Френкель
Направляя записку Курчатову, учёный не мог знать, что вопросы термоядерных реакций уже давно обсуждаются создателями атомного оружия и что Курчатов владеет полной информацией о состоянии дел по термоядерной тематике в Лос-Аламосе.
В сентябре 1945 г. по каналам внешней разведки Курчатову поступил материал об американских работах по комбинированию атомной бомбы пушечного типа на основе U°°5 с отражателем из окиси бериллия, промежуточной камеры с дейтерий тритиевой смесью и цилиндра с жидким дейтерием.
Открытая информация о возможности создания сверхбомбы появилось в Британской газете «Таймс» 19 октября 1945 г. за долго до испытания термоядерных зарядов в США.
Естественно, что такие сообщения не могли остаться без внимания высших руководителей СССР и ведущих учёных, занятых в атомных программах. Л.П. Берия поручил дипломатам уточнить информацию.
Обратились к Нильсу Бору, который только что вернулся в Данию из США. Бор посчитал необходимым всех успокоить: «Что значит сверхбомба? Это или бомба большего веса, чем уже изобретенная, или бомба, изготовленная из какого- то нового вещества. Что же, первое возможно, но бессмысленно, так как, повторяю, разрушительная сила бомбы и так очень велика, а второе, я думаю, что нереально». Несмотря на несомненный авторитет в области атомной физики, Бору у нас в стране не поверили.
По настоянию Берии руководитель атомной программы Курчатов дал поручение ведущим специалистам Ю.Б. Харитону, Я.Б.
Зельдовичу, И.И. Гуревичу и И.Я. Померанчу- ку рассмотреть в теоретическом плане вопрос о возможности освобождения энергии лёгких элементов и представить свои выводы на заседании Технического
Тем не менее И. В. Курчатов обратился к Ю.Б. Харитону с поручением рассмотреть Риа 6.39. Я.Б. Зельдович
вместе с И. И. Гуревичем, Я. Б. Зельдовичем и
И. Я. Померанчуком вопрос о возможности освобождения энергии лёгких элементов и представить соображения по этому вопросу на заседании Технического совета Специального комитета.
Соображения И.И. Гуревича, Я.Б. Зельдовича, И.Я. Померанчука и Ю.Б. Харитона были изложены в отчёте „Использование ядерной энергии лёгких элементов“, материалы которого были заслушаны на заседании Технического совета 17 декабря 1945 года.
Докладчиком был Я. Б. Зельдович. В основе подхода к решению проблемы в отчёте и докладе было представление о возможности возбуждения ядерной детонации в цилиндре с дейтерием при осуществлении неравновесного режима горения.
Рассмотренный на заседании отчёт полностью опубликован в журнале «Успехи физических наук» № 5 за 1991 год. По докладу Я.Б. Зельдовича на заседании Технического совета 17 декабря 1945 года было принято решение, которое касалось только измерений сечений реакций на лёгких ядрах и не содержало поручений, относящихся к организации и проведению расчётно-теоретических исследований и работ по сверхбомбе.
Тем не менее в июне 1946 года группа теоретиков Института химической физики АН СССР в составе А. С. Компанейца и С.П. Дьякова под руководством Я.Б. Зельдовича в рамках программы исследований вопросов ядерного горения и взрыва начала теоретическое рассмотрение возможности освобождения ядерной энергии лёгких элементов.
В то время, как группа Я.Б. Зельдовича проводила свои исследования, в СССР в 1946-1947 годах продолжали поступать разведывательные сообщения информационного характера, касающиеся работ в США по сверхбомбе. К ним добавились и новые сообщения в открытой печати, в том числе статья Э. Теллера в февральском номере «Бюллетеня ученых-атомщиков» за 1947 год.
28 сентября 1947 года в Лондоне состоялась первая встреча К. Фукса, вернувшегося из США в Англию, с представителем советской разведки А.С. Феклисо- вым. А. С. Феклисов обратился к К. Фуксу с 10-ю вопросами, первый из которых относился к сверхбомбе.
Из отчёта о встрече А.С. Феклисова с К. Фуксом 28 сентября 1947 года следует, что К. Фукс устно сообщил о том, что теоретические работы по сверхбомбе проводятся в США под руководством Э. Теллера и Э. Ферми в Чикаго.
К. Фукс описал некоторые конструкционные особенности сверхбомбы и принципы её работы, отметил использование наряду с дейтерием трития. К. Фукс устно сообщил, что к началу 1946 года Э. Ферми и Э. Теллер доказали, что такая сверхбомба должна эффективно действовать. Однако А.С. Феклисов, не будучи физиком, смог воспроизвести конструкционные особенности сверхбомбы и её работу весьма приближённо. Начались ли в США практические работы по созданию сверхбомбы и каковы их результаты, К. Фуксу было неизвестно.
В июне 1948 г. Советом Министров СССР было принято постановление № 1989 - 773 «О дополнении плана работ КБ-11» в котором, в частности, предписывалось лаборатории ядерной физики, совместно с Физическим институтом АН СССР провести теоретическую и экспериментальную проверку возможностей создания водородной бомбы, которая в документах получила шифр РДС-6.
С материалами по американским разработкам был знаком только И.В. Курчатов, который не стад знакомить с ними своих сотрудников.
Чтобы не стеснять свободы поиска альтернативных решений. И они не замедлили последовать.
Сахаров Андрей Дмитриевич совместно с Яковом Борисовичем Зельдовичем предложили схему комбинированной бомбы, в которой дейтерий используется в смеси с U238. Другими словами, независимо от Э. Тейлера отечественные учёные пришли к идее гетерогенной бомбы, как она стала называться среди разработчиков «Слойка», в которой предполагалось использовать принцип ионизационного сжатия термоядерного горючего.
Игорь Евгеньевич Тамм, руководитель А.Д. Сахарова по аспирантуре, в ноябре 1948 г. обратился с письмом к директору Физического института АН СССР Вавилову С.И., в котором сообщал, что руководимая им группа физиков нашла принципиальную возможность нового способа использования детонации дейтерия, основанного на особом способе его сочетания с тяжёлой водой и природным ураном U238. В этом же письме предлагалось для осуществления термоядерной реакции использовать схему Li6 + n = T + He4 + 4,8 МэВ,
Рис. 6.41. И.Е. Тамм
где в качестве термоядерного оружия используется дейтерит лития-6.
Сахаровым была предложена схема дополнительного заряда плутония для предварительного сжатия «слойки». Это был принцип двухступенчатой конструкции термоядерной бомбы.
В США, как известно, 1 марта 1954 г. был проведен мощный термоядерный взрыв, свидетельствующий, что термоядерная программа конкурентов из теоретической стадии перешла в практическую плоскость.
Это придало нашим учёным и политикам новые силы. Буквально в первых числах апреля 1954 г. В КБ-11 был открыт новый принцип построения термоядерной бомбы.
Разработка технического задания на новое термоядерное изделие РДС-37. В июле 1955 г. был выпущен отчёт с обоснованием конструкции изделия РДС-37.
Авторами отчёта являлись: Е.Н. Аврорин, В. А. Александров, Ю.Н. Бабаев, Г. А. Гончаров, Я. Б. Зельдович, В. Н. Климов, Г. Е. Клинишов, Б. Н. Козлов, Е. С. Павловский, Е.М. Рабинович, Ю.А. Романов, А.Д. Сахаров, Ю.А. Трутнев, В.П. Феодори- тов, М.П. Шумаев, В.Б. Адамский, Б. Д. Бондаренко, Ю.С. Вахрамеев, Г.М. Ган- дельман, Г.А. Дворовенко, Н.А. Дмитриев, Е.И. Забабахин, В.Г. Заграфов, Т.Д. Кузнецова, И.А. Курилов, Н.А. Попов, В.И. Ритус, В.Н. Родигин, Л.П. Феоктистов, Д.А. Франк-Каменецкий, М.Д. Чуразов. Среди авторов были математики: И.А. Адамская, А. А. Бунатян, И.М. Гельфанд, А. А. Самарский, К. А. Семендяев, И.М. Халатников, которые под руководством М.В. Келдыша и А.Н. Тихонова проделали огромную работу по теоретическому обеспечению проекта.
Рис. 6.42. Изделие РДС-37
В ноябре 1955 г. было проведено
предварительное испытание одноступенчатого термоядерного устройства, а 22 ноября 1955 г. бл успешно проведён подрыв двухступенчатого термоядерного заряда, оформленного как авиационная бомба (рис. 6.42).
Как сказал после испытания А.Д.
Сахаров: «Испытание было завершением многолетних усилий, триумфом, открывшим пути к разработке целой гаммы изделий с разнообразными высокими характеристиками (хотя при этом встретятся ещё не раз неожиданные трудности)».
Таким образом был успешно завершён очередной этап создания термоядерного оружия, при этом достигнуты следующие результаты:
- Учёные СССР первыми в мировой практике (1952 г) применили высокоэффективное термоядерное горючее дейтерид литияLi6. В США применение этого материала относится к началу 1956 г.;
- Отечественные учёные уже в стадии первых испытаний достигли высокой точности совпадения теоретических параметров термоядерного взрыва с наблюдаемыми на практике характеристиками;
- Уровень теоретического обоснования конструкции был настолько высок, что стало возможным при экспериментальных взрывах искусственно занижать мощность, с целью снижения влияния на окружающее пространство;
- В двух испытаниях 1955 г. впервые был осуществлён сброс термоядерных зарядов с борта серийных бомбардировщиков ТУ-16.
Рис. 6.43. Бомбардировщик ТУ-95 в момент начала бомбометания
30 октября 1961 г. над Новой Землёй на высоте 4000 м над поверхностью земли была взорвана самая мощная в мире термоядерная бомба с тротиловым эквивалентом 50 МГт.
Бомба была сброшена с бомбардировщика ТУ-95 (рис.6.43). Экипажем командовал майор Дурновцев А. Е.
Такого ещё на планете не происходило. Несмотря на то, что подорван был половинный заряд, вспышку в условиях облачности было видно на расстоянии тысячи километров.
Рис. 6.44. Термоядерная отечественная бомба мощностью 100 МГт
Это был акт разовой силовой демонстрации, сопутствовавшей конкретным обстоятельствам политической кухни, „большой игре“ на устрашение между сверхдержавами.
Это было единичное изделие, конструкция которого при полной „за- грузке“ ядерным горючим и при сохранении тех же габаритов позволяла достигнуть мощности даже в 100 мегатонн. Столь ужасающий взрыв в боевых условиях мгновенно породил бы огненный смерч, который охватил бы территорию огромной площади.
После этого испытания пришло понимание, что созданное оружие предназначено не для войны за жизнь - оно предназначено для уничтожения жизни.
Очевидно, именно после этого взрыва политическим лидерам «атомных» держав стала ясна бессмысленность дальнейшего наращивания «термоядерных мускулов». Оружия уже вполне хватало, чтобы в одночасье покончить со многими проблемами современной цивилизации.
Нового поколения может резко снизить порог применимости ядерных вооружений и нарушить сложившийся стратегический баланс
В июле 2006 г. во время операций против боевиков ливанского движения "Хезболла" израильская армия применила так называемые противобункерные бомбы. При этом в пробах грунта, взятых из бомбовых воронок, были обнаружены следы обогащенного урана. Одновременно было установлено, что радиоактивный распад осколков деления не сопровождался гаммаизлучением и образованием изотопа цезия137, а уровень радиации, высокий внутри воронок, на удалении нескольких метров от них уменьшался примерно наполовину.
Не исключена возможность, что в Южном Ливане Израилем было применено ядерное оружие (ЯО) нового поколения. Оно могло быть доставлено в Израиль из США специально для его испытаний в боевых условиях. Эксперты также предполагают, что подобное оружие уже использовалось в Ираке и Афганистане.
Отсутствие продуктов взрыва с длительным периодом распада, а также незначительное по площади радиоактивное загрязнение местности позволяют предположить, что в Южном Ливане могли применяться так называемые "чистые" термоядерные боеприпасы.
Известно, что существующие термоядерные заряды не обеспечивают заметной локализации (как по времени, так и по площади) масштабов радиоактивного загрязнения окружающей среды, поскольку работа их вторичного узла инициируется за счет реакции деления тяжелых ядер, следствием которой как раз и является долговременное радиоактивное загрязнение местности.
До сих пор именно последнее обстоятельство гарантировало высокий порог применения любых типов нынешнего ядерного оружия, включая ЯО малой и сверхмалой мощности. Теперь же, если результаты независимых экспертиз соответствуют действительности, можно говорить о появлении новых термоядерных боеприпасов, наличие которых на вооружении резко снижает психологический порог применимости ЯО.
При этом "чистые" термоядерные боеприпасы не подпадают в настоящее время под ограничения ни одного из существующих международных договоров и формально становятся по условиям своего применения на один уровень с обычным высокоточным оружием (ВТО), значительно превосходя последнее по разрушительной мощи.
Среди специалистов пока нет единой точки зрения, насколько далеко США и другие ведущие иностранные государства продвинулись в процессе разработки "чистых" термоядерных боеприпасов.
Между тем, косвенным подтверждением того, что в условиях строгой секретности работы по их созданию уже ведутся в США полным ходом, являются результаты практической деятельности нынешней американской администрации по реформированию своих стратегических наступательных сил (СНС).
О планах создания термоядерных боеприпасов нового поколения также свидетельствуют предпринимаемые Великобританией усилия, нацеленные на изменение существующей структуры своих стратегических ядерных сил (СЯС) и развертывание новой научно-исследовательской инфраструктуры для исследования проблем термоядерного синтеза.
Американское руководство первым среди ведущих иностранных государств осознало, что как нынешнее "грязное" стратегическое ядерное оружие, так и обычное ВТО, о котором много говорилось в рамках дискуссий о необходимости скорейшего перехода к концепции "неядерного сдерживания", сейчас не позволяют обеспечить решение всех задач, возлагаемых на стратегические силы.
В первую очередь это касается гарантированного уничтожения стратегических высокозащищенных и сильнозаглубленных целей (ВЗСЗЦ) противника, а также нейтрализации химических и биологических компонентов оружия массового уничтожения (ОМУ).
Новая американская ядерная стратегия
Анализ принятой в 2002 г. США новой ядерной стратегии показывает, что "чистому" термоядерному оружию отведена роль краеугольного камня перспективной американской стратегической триады.
Оно также исключительно четко вписывается в недавно принятую Соединенными Штатами концепцию "превентивных" ядерных ударов, в соответствии с которой ВС США получили право применять ЯО даже в условиях мирного времени.
Основные положения новой ядерной стратегии США изложены в представленном Конгрессу США в январе 2002 г. "Обзоре состояния и перспектив развития ядерных сил США" (Nuclear Posture Review; далее для краткости "Обзор…").
В данном концептуальном документе необходимость разработки и принятия на вооружение нового поколения ЯО обосновывается следующим образом.
"…Современный ядерный арсенал, до сих пор отражая потребности периода "холодной войны", характеризуется невысокой точностью стрельбы, ограниченными возможностями по перенацеливанию, высокой мощностью ядерных зарядных устройств боеголовок, баллистическими ракетами шахтного, наземного и морского базирования с боеголовками индивидуального наведения, невысокой способностью поражать заглубленные цели", поэтому "…ядерная стратегия, базирующаяся исключительно на возможностях стратегических наступательных ядерных сил, не может обеспечить сдерживание потенциальных противников, с которыми США придется столкнуться в XXI столетии".
Далее в "Обзоре…" формулируются основные требования, предъявляемые к ЯО нового поколения: "…придание современным ядерным силам новых возможностей должно обеспечить: поражение представляющих угрозу объектов, таких, как высокозащищенные и заглубленные цели, носители химического и биологического оружия; обнаружение и поражение мобильных и подвижных целей; повышение точности стрельбы; ограничение сопутствующего ущерба при применении ядерного оружия".
В "Обзоре…" также указывается, что "обеспечение таких возможностей посредством проведения интенсивных НИОКР и развертывание новых систем вооружения является настоятельно необходимым требованием при создании новой триады".
Как видно, в представленной концепции развития ядерных сил США одним из ключевых требований к новым типам ЯО является ограничение сопутствующего ущерба при их применении.
Поскольку в "чистых" термоядерных боеприпасах реакция синтеза должна инициироваться источником энергии, альтернативным реакции деления, то узловым моментом их разработки является замена существующего атомного "запала" мощным и компактным "детонатором".
При этом последний должен обладать энергетикой, достаточной для инициирования реакции термоядерного синтеза, а по своим массогабаритным характеристикам "вписываться" в головные части существующих средств доставки.
Можно ожидать, что основными поражающими факторами нового ЯО будут мгновенное гамманейтронное излучение, ударная волна, а также световое излучение. При этом проникающая радиация, являющаяся следствием радиоактивного распада осколков деления, будет сравнительно незначительной.
Ряд экспертов полагает, что в первую очередь новое термоядерное оружие будет использоваться для оснащения высокоточных управляемых ракет и авиабомб. При этом его мощность можно будет варьировать в пределах от единиц до сотен и более тонн тротилового эквивалента.
Это позволит применять "чистое" термоядерное оружие для избирательного поражения объектов противника, расположенных как на открытой местности (включая мобильные комплексы баллистических ракет), так и ВЗСЗЦ, не опасаясь долговременного радиоактивного загрязнения местности.
В связи с отсутствием радиоактивных осадков сухопутные части смогут действовать на территории, подвергшейся ударам ЯО, по оценкам, уже через 48 часов.
При использовании боеприпасов новых типов для поражения ВЗСЗЦ, включая хранилища ядерного, химического и биологического оружия, нейтронное и гаммаизлучения, возникающие непосредственно в момент взрыва, будут практически полностью поглощены прилегающими к месту взрыва слоями грунта.
По экспертным оценкам, для уничтожения находящихся на глубине свыше 300 метров ВЗСЗЦ потребуется создавать термоядерные боеприпасы мощностью порядка 100 кт и более.
По мнению американских специалистов, применение в качестве боевых частей противоракет (БЧ ПР) "чистых" термоядерных боеприпасов должно также существенно повысить эффективность создаваемой национальной системы ПРО.
Ожидается, что подобные боеприпасы будут обладать достаточно широкими поражающими возможностями для гарантированной нейтрализации боеголовок баллистических ракет противника, оснащенных ОМУ. При этом подрыв БЧ ПР над своей территорией даже на малой высоте не приведет к значительному радиоактивному загрязнению окружающей среды.
Новая структура американских стратегических сил
Рассмотрим теперь более подробно те изменения, которые должны произойти непосредственно в структуре американских СНС.
В настоящее время триада СНС США состоит из межконтинентальных баллистических ракет (МБР), атомных подводных лодок с баллистическими ракетами (ПЛАРБ) и самолетов стратегической бомбардировочной авиации (СБА), на вооружении которых имеется около 6000 "грязных" ядерных боезарядов (ЯБЗ).
Новая американская ядерная стратегия предусматривает создание вместо нее качественно иной стратегической триады, которая будет включать:
- ядерные и неядерные стратегические наступательные вооружения;
- активные и пассивные стратегические оборонительные вооружения;
- обновленную военную, научноисследовательскую и промышленную инфраструктуру.
Перечисленные компоненты новой триады должны быть объединены в единое целое усовершенствованной системой связи, управления, разведки и адаптивного планирования.
Первая (ударная) компонента новой стратегической триады, в свою очередь, будет состоять из двух малых триад: триады сил "глобальных ударов" и старой триады СНС сокращенного состава.
Силы "глобальных ударов" планируется развернуть на базе самолетов СБА (включая часть нынешней авиационной компоненты СНС США), многоцелевых атомных подводных лодок (АПЛ) и надводных кораблейносителей крылатых ракет морского базирования (КРМБ), а также части МБР и БРПЛ из состава СНС.
Ожидается, что на вооружении сил "глобальных ударов" будет состоять ВТО как в обычном, так и в ядерном ("чистое" ЯО) оснащении.
Существующая триада СНС в рамках Договора о сокращении стратегических наступательных потенциалов подвергнется коренному сокращению. К 2012 г. на ее вооружении будет числиться 17002200 оперативно развернутых ядерных боезарядов. Остальные ЯБЗ будут переведены в активный или пассивный резерв.
Оперативное управление обеими ударными составляющими новой стратегической триады возложено в настоящее время на Объединенное стратегическое командование (ОСК) ВС США.
Исходя из задач, возлагаемых на ОСК ВС США и Объединенные командования (ОК) ВС США в передовых зонах, можно предположить, что силы "глобальных ударов" будут использоваться для оперативного нанесения превентивных ударов по стратегическим объектам противника в любой точке земного шара, а также для ведения боевых действий в региональных конфликтах.
Ядерные силы старой триады СНС, на вооружении которых сохранятся существующие типы стратегических ЯБЗ, продолжат выполнение задач стратегического ядерного сдерживания. В случае коренного изменения военнополитической обстановки они будут использованы для нанесения "противосиловых" или "противоценностных" ракетноядерных ударов по важнейшим стратегическим объектам противника, в качестве которого в первую очередь рассматриваются Россия и Китай.
Вторая компонента стратегической триады США также будет состоять из двух составляющих: ударных (активных) сил, предназначенных для оперативного поражения ракетных комплексов противника в их позиционных районах, а также сил ПРО для перехвата стартовавших баллистических ракет и их боеголовок (пассивные силы).
В 2003 г. США денонсировали Договор об ограничении систем противоракетной обороны. Данное обстоятельство позволяет им приступить к неограниченной разработке, испытаниям и развертыванию противоракетных систем любых классов с размещением их компонентов как на территории США, так и за ее пределами.
Новый термоядерный боеприпас органично "вписывается" и в планы создания третьей компоненты американской стратегической триады – обновленной оборонной инфраструктуры.
По замыслам американского руководства, она призвана оперативно осуществлять разработку, испытания, производство и принятие на вооружение перспективных наступательных и оборонительных систем, включая ядерные, в ответ на любые возникающие угрозы.
В настоящее время в США для исследования проблемы термоядерного синтеза по трем разным направлениям развернута мощная испытательная база. Не приходится сомневаться, что эта база будет использоваться не только в интересах промышленного освоения термоядерной энергии, но и для создания новых термоядерных зарядов.
Так, в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса (шт. Калифорния) для имитации ядерных испытаний создана самая мощная в мире лазерная термоядерная установка (ЛТУ) NIF (National Ignition Facility), способная реализовывать температуры и давления, наблюдаемые в природе только в центре звезд. Общая стоимость установки, по оценкам, составит к 2008 г. 3,3 млрд. долл.
Для этих же целей в ЛосАламосской национальной лаборатории (шт. НьюМексико) и Научно-исследовательской лаборатории ВВС (авиабаза Киртланд) совместно используется установка MTF (Magnetized Target Fusion).
В интересах изучения физических процессов с высокой плотностью энергии в национальной лаборатории "Сандия" (г. Альбукерк) модернизируется мощный генератор электрических импульсов, так называемая "Zмашина".
Создание новых типов ЯО невозможно без проведения ядерных испытаний. По этой причине администрация Бушамладшего отказалась от повторного выдвижения в Сенат конгресса США Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний для его ратификации.
Находясь, таким образом, вне правового поля данного договора, США обеспечили себе возможность реализовывать любые программы ядерных испытаний в любое удобное для себя время.
Параллельно с проведением научных исследований США активно осуществляют мероприятия по сокращению с 36 до 12 месяцев срока готовности испытательного полигона в штате Невада к возобновлению подземных ядерных взрывов.
Стратегия превентивных ядерных ударов
В 2005 г. Соединенные Штаты внесли важные изменения в стратегию применения ядерного оружия.
В соответствии с концепцией "превентивных ударов", которая больше известна как "Доктрина Буша", вооруженные силы США получили право наносить в мирное время превентивные ядерные удары по странам, от которых может исходить угроза национальной безопасности США или их союзникам.
Особо следует подчеркнуть, что указанная доктрина предусматривает также возможность возвращения в ВВС и ВМС США (в первую очередь на надводные боевые корабли и подводные лодки) снятых в 1991 г. носителей тактического ядерного оружия.
Следует добавить, что в США уже практически заканчивается развертывание стратегической ударной системы на базе атомных подводных лодок (ПЛАРК) типа "Огайо", оснащенных крылатыми ракетами "Томахок" Block IV, которые представляют собой оптимальное средство доставки к целям нового ЯО.
По своим тактикотехническим характеристикам КРМБ "Томахок" Block IV является наиболее совершенной крылатой ракетой этого класса. Максимальная дальность ее полета уже сейчас составляет 2800 км. Ракета способна в течение 2 часов барражировать в районе цели для ее поиска или доразведки. За счет оснащения КРМБ спутниковым каналом связи возможно также перенацеливание ракеты в полете.
На каждой ПЛАРК типа "Огайо" может размещаться до 154 КРМБ.
В 2006 г. Великобритания (вслед за США) приступила к кардинальному пересмотру своей доктрины ядерного сдерживания.
В настоящее время основу СЯС Великобритании составляют четыре подводные лодкиракетоносца типа "Вэнгард", каждая из которых оснащена 16 баллистическими ракетами "Трайдент2" с разделяющимися боеголовками. Нынешние СЯС Великобритании представляются устаревшим образцом противостояния современной ядерной угрозе и больше отвечают реалиям "холодной войны", чем сегодняшнего дня. Альтернативным вариантом существующей системе "Вэнгард" станет система вооружения, развернутая на базе подводных лодок, оснащенных ядерными крылатыми ракетами. Особо подчеркивается, что в интересах соблюдения Договора о нераспространении ядерного оружия боеголовки для крылатых ракет должны быть разработаны Великобританией самостоятельно, а не получены из США.
Великобритания уже приступила к переоборудованию своих многоцелевых АПЛ в носители КРМБ "Томахок" модификации Block IV.
АПЛ "Трафальгар" стала первой лодкой в составе британских ВМС, способной производить пуски данных ракет. На лодке были установлены новейшая система управления стрельбой КРМБ "Томахок" (TTWCS), разработанная американской фирмой "ЛокхидМартин", и система двусторонней спутниковой связи TSN (Tomahawk Strike Network), предназначенная для перенацеливания КРМБ данной модификации в полете.
Представленный вариант развития СЯС Великобритании не является чемто новым. Еще в середине 1970х гг. британским министерством обороны изучался вопрос о принятии на вооружение своих СЯС американских КРМБ типа "Томахок" в ядерном оснащении. Однако в 1979 г. по ряду причин правительство Великобритании отказалось от этого варианта в пользу нынешних ПЛАРБ типа "Вэнгард" с БРПЛ "Трайдент2".
Параллельно с разработкой новой доктрины ядерного сдерживания в Великобритании осуществляется ряд программ по развитию ядерной инфраструктуры, которая может потребоваться для создания ЯО, предназначенного для оснащения новой составляющей британских СЯС.
При этом Великобритания (как и США) концентрирует свои усилия на создании испытательной базы, нацеленной на исследование проблемы термоядерного синтеза. В этой связи ожидается, что вслед за США "чистые" термоядерные боеприпасы появятся в скором времени и на вооружении обновленных британских СЯС.
Летом 2005 г. на заседании специального комитета по вопросам обороны Палаты общин британского парламента было заявлено о расширении научноисследовательского центра по разработке ядерных вооружений Великобритании. В г. Олдермастон (графство Беркшир) начато строительство ЛТУ стоимостью около одного миллиарда фунтов стерлингов и заявлено о дополнительном приеме на работу в этот центр к 2008 г. свыше 1 тыс. специалистов.
По данным печати, после ввода в строй новой ЛТУ "Орион" она должна обеспечивать воссоздание физических процессов, протекающих в условиях ядерной реакции. Не выходя за рамки Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, участником которого является Великобритания, ЛТУ будет также использоваться для тестирования элементов разрабатываемых ЯБЗ.
Таким образом, можно предположить, что в ближайшем будущем Великобритания сосредоточит усилия на создании новой стратегической ядерной "диады", которая будет состоять из четырех ПЛАРБ типа "Вэнгард" с БРПЛ "Трайдент2" и нескольких ПЛАРК типа "Трафальгар", оснащенных КРМБ "Томахок" с "чистыми" термоядерными боеприпасами.
ПЛАРБ типа "Вэнгард" будут находиться на вооружении обновленных британских СЯС, по крайней мере, до 20202025 гг., когда истекает срок эксплуатации баллистических ракет "Трайдент2".
По оценкам, на создание новой стратегической "диады" Великобритания может затратить около 20 млрд. фунтов стерлингов.
В заключение следует обратить внимание на одно важное обстоятельство. В случае успешной разработки ЯО нового поколения США и Великобритания приобретают значительное военнотехническое превосходство в области стратегических вооружений. Нынешнее "грязное" стратегическое ЯО, по большому счету, становится для них ненужным.
В этой связи необходимо быть готовым к тому, что США и Великобритания, опираясь на тезис об угрозе мировой цивилизации со стороны "грязного" ЯО, могут выступить с инициативой о его всеобщем запрещении. При этом на вооружении ядерных стран должно будет остаться только "чистое" термоядерное оружие, у которого ~ 99 % энергии должно выделяться в реакциях синтеза.
Понятно, что термоядерные боеприпасы, составляющие сейчас основу стратегических вооружений ядерных держав, не будут отвечать столь высоким требованиям.
Таким образом, используя подконтрольные международные организации, США и Великобритания могут поставить перед остальными участниками ядерного клуба своеобразный научнотехнический барьер. Он может являть собой, например, международные обязательства о разработке и принятии на вооружение исключительно термоядерных боезарядов с осколочной активностью менее одного процента.
Это потребует от других ядерных государств экстренного создания мощной исследовательской, производственной и испытательной базы, огромных финансовых и временных затрат.
В то же время имеющийся военнотехнический задел в области "чистого" термоядерного оружия позволит США и Великобритании приобрести односторонние военнополитические преимущества на довольно длительный срок.
Таким образом:
- США и Великобритания ведут активную разработку ядерного оружия нового поколения, применение которого позволяет обеспечить ограничение сопутствующего ущерба. В связи с этим они приступили к коренному реформированию структуры и состава своих СЯС, а также форм и способов боевого применения этих сил.
- Новое ядерное оружие находится вне правового поля всех существующих международных договоров, связанных с разработкой, испытаниями, распространением или применением ЯО.
- Принятие на вооружение ядерного оружия нового поколения позволяет значительно снизить порог применения ЯО и практически нивелировать различие между ним и ВТО общего назначения по условиям боевого применения.
- Российской Федерации необходимо в срочном порядке предпринять адекватные меры по укреплению отечественного потенциала сдерживания.
Инициатора взрыва (триггера). Подобный тип оружия не создаёт долговременного радиоактивного заражения, ввиду отсутствия в нём распадающихся веществ. В настоящее время считается теоретически, безусловно, возможным, но пути практической реализации не ясны.
Энциклопедичный YouTube
1 / 1
МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИЕ Нити!!
Субтитры
Концепция
В современном термоядерном оружии, условия, необходимые для начала реакции ядерного синтеза , создаются путём детонации триггера - небольшого плутониевого ядерного заряда. Взрыв триггера создает высокую температуру и давление, необходимые для начала термоядерной реакции в дейтериде лития. При этом, основная часть долговременного радиоактивного заражения при термоядерном взрыве обеспечивается за счет радиоактивных веществ в триггере.
Однако, условия для начала термоядерной реакции возможно создать и без применения ядерного триггера. Такие условия создаются в лабораторных экспериментах и экспериментальных термоядерных реакторах. Теоретически, возможно создать термоядерное оружие, в котором реакция будет инициироваться без использования триггерного заряда - «чистое термоядерное» оружие.
Такое оружие будет иметь следующие преимущества:
Нейтронный вариант чистого термоядерного оружия
Основным поражающим фактором в чисто термоядерном устройстве может стать мощный выброс нейтронного излучения [ ] , а не тепловая вспышка или ударная волна [ ] . Таким образом, сопутствующий ущерб от подрыва такого оружия может быть лимитирован. С другой стороны, это делает чисто термоядерное оружие не лучшим средством для тех ситуаций, когда необходимо поражение прочных сооружений, не содержащих биологической материи или электронных устройств (например, мостов).
Недостатки нейтронного варианта чистого термоядерного оружия те же, что и любого нейтронного оружия :
- Из-за сильного поглощения и рассеивания нейтронов в атмосфере дальность поражения нейтронным излучением, по сравнению с дальностью поражения незащищённых целей ударной волной от взрыва обычного ядерного заряда той же мощности , невелика.
- Взаимодействием нейтронов с конструкционными и биологическими материалами приводит к появлению наведённой радиоактивности , то есть оружие не является полностью «чистым».
- Бронетехника , начиная с 1960-х годов, разрабатывается с учётом возможности применения нейтронного оружия. Были разработаны новые типы брони, которая уже способна защитить технику и её экипаж от нейтронного излучения. Для этой цели в броню добавляются листы с высоким содержанием бора , являющегося хорошим поглотителем нейтронов, а в броневую сталь добавляется обеднённый уран . Кроме того, состав брони подбирается так, чтобы она не содержала элементов, дающих под действием нейтронного облучения сильную наведённую радиоактивность. Таким образом, современная бронетехника чрезвычайно устойчива и к нейтронному оружию.
Возможные пути решения
Различные пути решения проблемы чистого термоядерного оружия рассматривались непрерывно с 1992 года, но в настоящее время не дали позитивного результата. Главной проблемой является значительная сложность создания условий начала термоядерной реакции. В лабораторных экспериментах и термоядерных реакторах, такие условия создаются крупногабаритными установками, к тому же весьма энергоемкими. В настоящее время не представляется возможным создание пригодного для использования в боевых условиях термоядерного оружия, основанного, например, на лазерном поджиге реакции , - требуемые для этого лазеры имеют огромные размеры и потребляют значительное количество энергии.
Существуют несколько теоретически возможных путей решения проблемы:
Чистое термоядерное оружие на ударно-волновом излучателе
Представляется теоретически возможным создание относительно компактного чисто термоядерного оружия на основе ударно-волнового излучателя . При этом, для запуска термоядерной реакции используется импульс электромагнитного излучения радиочастотного диапазона.
Согласно теоретическим расчетам, чистое термоядерное устройство на ударно-волновом излучателе будет иметь тротиловый эквивалент примерно сопоставимый с его собственной массой, или даже меньший. Таким образом, как взрывное устройство оно будет совершенно неэффективно. Однако, большая часть (до 80%) энергии при этом выделится в виде нейтронного потока, способного поражать неприятеля на расстоянии в сотни метров от эпицентра. Такое оружие, фактически, будет чистым нейтронным оружием - не оставляющим радиоактивного заражения и практически не создающим сопутствующего ущерба.
