- Дещо своє
- Додати легкості
- ККД «Слойки»
- Вгадати з першої спроби
- У двадцять разів сильніше
- зрівняти рахунок
Наша сеть партнеров Banwar
В цьому році виповниться 65 років з моменту випробувань першої радянської водневої бомби РДС-6с - знаменитої «слойки Сахарова».
Старовинний чоловічий монастир у злиття двох маленьких річечок, Сатіс і Саровкі, став відомий завдяки Серафиму, канонізованому в 1903 році за те, що після молебню монарших осіб під час паломництва в цю пустель у царської чети народився спадкоємець. Доля монастиря, втім, склалася незавидне: в 1917 році він був розграбований. А через три десятиліття тут закипіла робота над зовсім іншими «дітками»: в 1946 році прямо в будівлях монастиря розмістилося КБ-11, кузня радянського атомного проекту.
Дещо своє
Зараз, в інтернетівські часи, все знають про Клауса Фукса і інших «атомних шпигунів», і здається цілком очевидним, що перша атомна бомба СРСР - РДС-1 - була скопійована з «Товстуни», бомби, скинутої на Нагасакі. Але це не зовсім так. Дійсно, розмір плутонієвого ядра, форма і конструкція полоній-берилієвого джерела нейтронів і ідея імплозіі - спрямованого всередину вибуху - були в точності запозичені з американського проекту. Це багато, але не все. Справа в тому, що в американській бомбі були використані два типи вибухівки, Composition B і Baratol, їх точний склад не був відомий Клаусу Фуксу, та й не проводилися вони в СРСР. А розміри і форма вибухових лінз, які сформували сферичну сходящуюся ударну хвилю, залежать від цих типів, і при зміні складу буквально на одиниці відсотків геометрію цих лінз потрібно коригувати.
Принцип роботи вибухової лінзи. За рахунок сповільненій детонації в центральній частині лінзи проходить через неї вибухова хвиля змінює форму з розходиться на сходящуюся сферичну.
В РДС-1 замість Composition B, який тримав 59,5% гексогену, 39,5% тротилу і 1% воску або церезину, використовувався вітчизняний сплав ТГ-50 (порівну гексоген та тротил). А замість баратола - інертний матеріал, взагалі не вибухає, лише передає ударну хвилю з мінімальними втратами. Так що форму перехідної поверхні нашим бомбостроітелям довелося уточнювати самим, використовуючи ті ж методи - швидкісну рентгенівську зйомку - і винаходячи свої, не менш дотепні. Своїми власними були і допоміжні системи бомби, такі як радіовисотомір, барометричний висотомір, автоматика підриву, так що обсяг конструкторських робіт був дуже великий і при відомому принципі роботи.
Додати легкості
Але в міру просування роботи над першим «виробом», РДС-1, по каналах розвідки стали надходити відомості, що американці ведуть роботу над ще більш потужної бомбою. Набагато більш потужною, ніж атомна. Наші атомники зуміли поставити запитання нобелівського лауреата Нільса Бора про суть пристрою цієї бомби, але великий фізик, відомий своїми симпатіями до СРСР, був не в курсі подробиць, і його відповідь не міг заспокоїти наших ядерників. Тому були створені дві групи, завданням яких було визначити можливість вибуху в бомбу не за рахунок розподілу важких ядер, а за рахунок синтезу легких: з дейтерію і тритію повинен виходити гелій і нейтрон. До групи, якою керував Ігор Євгенович Тамм, був включений молодий кандидат наук Андрій Дмитрович Сахаров.
ККД «Слойки»
У «слойке Сахарова» всього 15-20% енерговиділення доводиться на термоядерні реакції, а решта дає реакція поділу - як урану-235 або плутонію-239 вихідної бомби, так і урану-238 зовнішніх шарів. Але це швидше гідність, ніж недолік, адже уран-238 дешевий. Злиття одного ядра дейтерію і одного тритію дає 18 МеВ енергії, а розподіл одного ядра урану-238 - 200 МеВ. У першій реакції виділяється один нейтрон, що відносить 14 МеВ з 18, а в другій він витрачається, але виділяється три менше енергійних нейтрона, придатних лише для отримання тритію з літію-6. В результаті виходить посилення більш ніж в 10 разів! А це означає, що майже всі термоядерні нейтрони використовуються «за призначенням», і відлітає невелика частина.
З самого початку Сахаров не хотів займатися абсолютно секретної військової темою - він відмовлявся від переходу в групу, хоча йому обіцяли допомогти з житлом та іншими матеріальними благами, яких відчайдушно не вистачало в післявоєнній Москві. У своїх мемуарах він пише, що двічі відмовлявся від пропозицій військових і Курчатова, але на третій раз, в 1948 році, його згоди вже не питали. Головною особливістю таланту Сахарова, про яку згадували все працювали з ним, було те, що він міг бачити працездатність або правильність будь-якої фізичної ідеї без точних розрахунків, інтуїтивно, тому не дивно, що всього через кілька місяців після того, як він побачив схему пристрою майбутньої РДС-1, йому прийшла ідея додати в урановий контейнер, навколишній плутонієве ядро, шар легких елементів. Це сталося ще восени 1948 року народження, до першого випробування. Правда, спочатку передбачалося використовувати важку воду - як речовина, що містить дейтерій в максимально об'ємної концентрації.
Пропозиція використовувати дейтерид літію замість дейтерієвої води виходило від В.Л. Гінзбурга, який через «похибок в анкетних даних» (його дружина була засуджена за політичною статтею і після укладення відбувала заслання в Горькому) в групу не входив і до більшої частини атомних секретів допущений не був. У гідриду літію було кілька вирішальних переваг в порівнянні з важкою водою. По-перше, це тверда речовина, що дещо спрощує конструкцію і сильно полегшує експлуатацію ядерного вибухового пристрою. По-друге, з літію при бомбардуванні нейтронами виходить тритій, який вступає в термоядерну реакцію з дейтерієм з виділенням більшої енергії, ніж в чистому дейтерії. По-третє, літій бере участь в уповільненні нейтронів (кисень у воді для цього занадто «важкий»). Тому ідея була прийнята з великим ентузіазмом.
Випробування РДС-БС 12 серпня 1953 року в Семипалатинському полігоні.
Вгадати з першої спроби
Конструкція, що пізніше отримала назву «слойка Сахарова», здається очевидною, але ж правильну товщину шарів розрахувати було непросто. Вона визначається тим, що дейтерид літію - хороший сповільнювач нейтронів, а уран-238 їх відображає. Для отримання тритію більше підходять повільні нейтрони. У підсумку вийшло, що шарів легких елементів повинно бути два, а урану-238 - три. Не всі фактори піддавалися розрахунку, довелося повірити інтуїції теоретиків, що перемішування шарів не буде катастрофічним. Але ж спочатку збірку повинна була втиснути сходиться вибухова хвиля від імплозіі звичайної вибухівки, а потім світлове тиск від рентгена «розсуне» її назад, та ще з такою швидкістю, що зовнішні шари не встигнуть за внутрішніми! За рахунок цього і відбувається стиснення термоядерного матеріалу і його адіабатичний нагрів. Але після цього, незважаючи на триваючий з фантастичною для хімічної вибухівки швидкістю розліт колишньої критичної збірки, всередині «слойки» ще відбувається додаткове ізотермічний стиск легких елементів за рахунок іонізації урану-238, що поглинає рентгенівське випромінювання, що вибухнула атомної «запальнички». Це несподіване на перший погляд явище назвали «цукруванням». І при триваючому розльоті ще недавно красивою конструкції з вкладених кульок почнеться і настільки ж швидко скінчиться пачка термоядерних реакцій - з літію-6 нейтрони будуть добувати тритій, він буде реагувати з дейтерієм, даючи нові термоядерні нейтрони, частина з яких піде на видобуток нового тритію, а частина буде ділити уран-238, з осколків якого будуть вилітати ще нейтрони, і ланцюг замкнеться.
У Саратовському музеї історії ядерної зброї балістичний корпус РДС-6с стоїть на почесному центральному місці.
Але ця реакція не самопідтримується, тому що вона може відбуватися тільки в нерівноважному стані. Пік виділення енергії займає частки мікросекунди, потім розліт атомів зробить свою справу, відстані між ними збільшаться настільки, що нейтрони перестануть потрапляти в свої «цілі», і реакція швидко загасне. Тому у «слойки» є оптимальний розмір, і радянські фізики і зброярі його фактично вгадали - з першої спроби. Пізніше британці відчули «слойку» на 720 кт, але ККД у неї був помітно менше.
Перша «слойка» не була дешевою і зручною. У ній одночасно були використані всі способи збільшення енерговиділення. І внутрішній шар дейтериду літію містив велику кількість (близько сотні грамів) трітіда літію, так би мовити, для гарантії; оскільки не було потрібно отримувати цей тритій під час вибуху, сильно зменшувалася невизначеність і упрощались розрахунки. А чисельні розрахунки тоді доводилося вести вручну, на арифмометрах. Використання тритію дозволило вдвічі зменшити армію дівчат за арифмометрами. Але тритій дуже дорогий, його отримання вимагає великої витрати урану-235, період напіврозпаду - близько 12 років, і дуже «летючий», як і звичайний водень.
У двадцять разів сильніше
РДС-6с, незважаючи на номер, була лише четвертим ядерним випробуванням в СРСР, конструкції з номерами 4 і 5 були випробувані пізніше. Баллистический корпус цієї бомби виглядає куди більш досконалим, ніж використаний в РДС-1. Хоча бомба була готова для скидання з літака, було вирішено підривати її на вежі, в центрі того ж поля, що і РДС-1. Науковий керівник Російського федерального ядерного центру (РФЯЦ) ВНДІЕФ Радій Іванович Ількаєв пояснює вибір так: «При скиданні з літака можна достовірно оцінити тільки потужність вибуху, але при всіх ранніх випробуваннях робилися ще так звані фізичні досліди, для правильної інтерпретації результатів яких було важливо, щоб не було відбитої від землі ударної хвилі - тобто щоб центр виділення енергії був на тій же висоті, що і реєструє апаратура ».
До нового випробування полігон довелося «чистити» - зняти бульдозерами і відвезти радіоактивний грунт. Було відновлено будівлі, споруди та спостережні пункти. І ось - вибух! Через двадцатикратного збільшення Енерговихід його зовнішній вигляд радикально відрізнявся від випробуваних раніше атомних зарядів. Без всяких фізичних дослідів було видно, що споруди, вцілілі при попередніх вибухах, зруйновані в пил. Стотонний макет залізничного моста відкинуло на 200 м. Яскравість спалаху засліплювала навіть через чорні окуляри.
В офіційному повідомленні ТАСС говорилося, що «12 серпня був випробуваний один з видів водневої бомби». Ревнителі термінології говорять, що правильніше вважати її атомною бомбою з термоядерним посиленням. Але головна задача була вирішена успішно: в габаритах і масі РДС-1 створений заряд, який має в 20 разів більший Енерговихід.
Андрій Сахаров
Розрахована потужність нового «вироби» становила 300 +/- 100 кт, а в реальності бомба видала, як кажуть ядерники, «по верхній межі» - все 400 кт. Така точність - +/- 30% - була предметом гордості радянських теоретиків, у американців з обчисленням і попаданням в передбачений діапазон було набагато гірше. Так, наприклад, у «Майка», першого в світі термоядерного вибуху, розрахунковий еквівалент становив 1,5-30 Мт, з найбільш імовірною оцінкою в 5 Мт, а виміряний - близько 10,4 Мт. Скромні на цьому тлі вітчизняні 400 кт були більш актуальним досягненням, тому що бомба містилася в літак Ту-16 і годилася для бойового застосування «хоч завтра». Проте поставити на потік виробництво таких бомб було неможливо, і на озброєння була прийнята версія цього заряду, що не містила тритію, - РДС-27 потужністю 250 кт.
Тоді, на початку 1950-х, «слойка» була запасним варіантом, тому що під питанням опинилася працездатність основної схеми термоядерного заряду, РДС-6т, яка в американських матеріалах називалася «класичний Супер». Над нею працював Клаус Фукс, про що він і повідомив нашим розвідникам, але попередити, що це глухий кут, уже не встиг - Сахарову довелося дійти до цього самому. Був і ще один запасний варіант - «просто велика» атомна бомба РДС-7. Вона дозволяла отримати тротиловий еквівалент приблизно такий же, як у РДС-6с, без всіх нових технологій, але ... злегка не поміщалася в Ту-16. Точно так же страхувалися і американці, підірвавши бомбу подібного типу через два тижні після першого справжнього термоядерного вибуху «Майк».
зрівняти рахунок
Заслуга «слойки» не тільки в тому, що вона дозволила, хоч і з застереженнями, «зрівняти рахунок» з американськими ядерниками. Розробка РДС-6с привела до запуску збагачувального виробництва для літію. Природний літій складається з двох ізотопів, з масами 6 і 7, і для термоядерної бомби краще підходить легкий ізотоп. Американці, як каже директор Російський федеральний ядерний центр у Сарові Валентин Юхимович Костюков, «злякалися» розрахункових складнощів (при використанні літію можливо багато різних термоядерних реакцій, за термінологією ядерників - «каналів», з одними і тими ж вихідними атомами) і не стали займатися літієм на ранніх етапах термоядерної гонки. Тому їх перші «сухі», без рідкого дейтерію, термоядерні вибухові пристрої містили або природний літій, що включав всього 7,5% потрібного ізотопу, або частково збагачений (до 40%). У радянських бомбах і боєголовки з самого початку використовувався тільки легкий ізотоп, що робило їх легше і компактніше. Для «слойки» ж почалося освоєння і тритієвих технологій - у всіх сучасних малогабаритних боєголовки доводиться використовувати тритієвого посилення, але розробники РДС-6с були піонерами в освоєнні цього примхливого і підступного ядерного матеріалу.
Так, як тільки з'явилися двофазні вибухові пристрої, «слойка» застаріла - але роль свою зіграти встигла. Уже 60 років відділяють нас від того випробування, вже закритий Семипалатинський полігон, вже більше двадцяти років взагалі не гримлять ядерні вибухи ні на російському полігоні, ні на американському, і це, безумовно, досягнення того давнього успіху наших ядерників, які зробили ядерну війну з неминучою - неможливою.
Стаття «Помилка Андрія Сахарова» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2013 ).