Как работает атомная бомба? Объясняем простыми словами!

В середине прошлого века устройство атомной бомбы было строжайшей тайной. Только крайне ограниченный круг учёных, приближённых к правительствам великих держав, был посвящён в этот секрет. Прочим же смертным полагалось лишь знать, что к делу имеет какое-то отношение формула E=mc², что нужен уран и что всё это очень сильное колдунство.

Сейчас всё изменилось. Ныне устройство атомной бомбы можно узнать из открытых источников, но по-прежнему мало кто представляет, как работает самое страшное оружие человечества. А разобраться стоит. Например, чтобы определять, где в книгах и фильмах фантастические допущения, где антинаучная чушь, а где автор справочник прочёл, но ничего не понял.

Атомное оружие основано на эффекте цепной реакции. Ядра некоторых изотопов тяжёлых металлов нестабильны и, захватив пролетающий мимо нейтрон, немедленно распадаются. При этом возникают как крупные осколки, так и ещё несколько свободных нейтронов. Они могут спровоцировать распад других ядер — и в результате выделится ещё больше нейтронов. Этот лавинообразный процесс приводит к стремительному выделению энергии — ядерному взрыву, мощность которого эквивалентна 25 тоннам тротила на каждый грамм распавшегося изотопа.

Разумеется, цепная реакция не начнётся, если слиток металла недостаточно велик и большая часть освободившихся нейтронов просто улетает за его пределы. Чтобы произошёл взрыв, количество расщепляющегося материала должно превысить некую критическую массу. Минимальное взрывоопасное количество вещества — 47 килограммов для урана-235 и 10 килограммов для плутония-239: на практике только эти два металла используются для создания ядерных взрывных устройств.

Уже вторая, сброшенная на Нагасаки бомба «Толстяк», имела шаровой заряд

Может показаться, что создать критическую массу легко: взять два слитка урана, каждый пуда по полтора, и соединить. Но это не лучшая идея, поэтому при изготовлении ядерных боеприпасов используются сложно устроенные имплозивные, или шаровые заряды. Их эффект основан на том, что при воздействии силы на поверхность сферы по мере приближения к её центру давление будет возрастать в квадрате. Как следствие, шаровой заряд представляет собой «матрёшку». Внешний сферический слой образует обычная «химическая» взрывчатка, по поверхности которой равномерно распределены 64 детонатора. Все детонаторы должны сработать одновременно — тогда происходит взрыв, который порождает направленную к центру ударную волну.

Если хотя бы один детонатор не сработает вовремя, сжатие будет ассиметричным и приведёт лишь к разрушению боеприпаса. И это служит надёжной защитой. Бомба может выпасть с самолёта, упасть вместе с самолётом, сгореть в вагоне в результате железнодорожной катастрофы, в неё даже может попасть артиллерийский снаряд (правда, последнее испытывалось только на макетах). В худшем случае это приведёт к подрыву обычной, химической взрывчатки, но незапланированной детонации ядерного заряда не произойдёт.

Следом за взрывчаткой в шаровом заряде располагается слой алюминия. Лёгкий металл нужен, чтобы увеличить радиус заряда, а значит, и итоговое давление в центре сферы. Внутрь полой алюминиевой сферы вкладывается тампер — полая сфера из обеднённого урана, которая служит массивным поршнем

Через тампер концентрическая ударная волна передаётся на третью, самую маленькую полую сферу, изготовленную из ядерной взрывчатки — урана или плутония. В самом же центре находится миниатюрный источник нейтронов на основе трития. Масса «ядерной взрывчатки» в шаровом заряде обычно в полтора-три раза меньше критической. Развитие цепной реакции в боеприпасе происходит благодаря дополнительным нейтронам, испускаемым тритием, увеличению плотности металла в момент максимального сжатия, а также потому, что урановый тампер отражает рождающиеся при распаде ядер нейтроны внутрь, не позволяя им покидать зону реакции.

Шаровой заряд первой советской атомной бомбы РДС-1 (Фото: Музей ядерного оружия РФЯЦ-ВНИИЭФ)

«Шаровая» конструкция позволяет безопасно заложить в боеприпас и сверхкритический заряд расщепляющегося изотопа. Рекорд здесь принадлежит британцам: они изготовили тонкостенную плутониевую сферу, масса которой превышала критическую в 12 раз! Но тогда сынов Туманного Альбиона просто заели амбиции: как же так, у Советов и Штатов есть водородная бомба, а у них нет. На изготовление этого чуда техники королевство потратило годичный запас расщепляющихся материалов.

Повысить мощность боеприпаса можно и без такой траты дефицитных материалов. В активированном шаровом заряде цепной распад продолжается не до исчерпания горючего, как в обычной бомбе, а до разрушения устройства. Испарившийся урановый шар уже не обладает достаточной плотностью, чтобы поддерживать цепную реакцию. У первых имплозивных бомб до распыления заряда успевало выгореть лишь 10% ядерной взрывчатки, а у современных этот показатель колеблется от 30 до 60%. Увеличить степень выгорания можно, обеспечив дополнительное сжатие. Для этого используется большой — до четверти тонны — заряд химической взрывчатки. Хорошо помогает и увеличение толщины тампера. Конечно, дополнительная инертная масса лишь краткий миг способна противостоять рвущемуся из зоны реакции ядерному пламени. Но когда интенсивность реакции нарастает по экспоненте, даже этот миг имеет огромное значение.

На этапе горения лития и урана термоядерная бомба по устройству напоминает звезду. Она полностью состоит из плазмы — раскалённого ионизированного газа, но при этом плотнее свинца

Ещё сильнее разрушительную силу современных ядерных боеприпасов можно повысить капсулой с термоядерным горючим. Рядом с первым шаровым зарядом, играющим роль детонатора, размещается второй, устроенный несколько иначе. Вместо слоя химической взрывчатки он покрыт инертным пластиком. Сразу под ним располагается тампер из обеднённого урана. А между тампером и центральной полой сферой, изготовленной из плутония, размещается слой дейтерида лития-6 — соединения лёгкого изотопа лития с тяжёлым водородом. Этот белый порошок не радиоактивен и совершенно безопасен, если не поливать его водой.

Подрыв первого шарового заряда превращает пластиковый слой в перегретую плазму, давление которой приводит к имплозии термоядерной капсулы. Её плутониевая сердцевина достигает критической плотности и тоже взрывается. Литий, поглощая образовавшиеся нейтроны, разлагается на гелий и сверхтяжёлый водород — тритий. Температура на фронте столкновения ударных волн в этот момент оказывается достаточной, чтобы началась реакция термоядерного синтеза с участием дейтерия и трития. А это означает третий взрыв — примерно в сто раз сильнее двух первых.

Царь-бомба, она же «Кузькина мать», самая мощная термоядерная бомба в истории (макет, Croquant | CC BY-SA 3.0)

Но и детонация термоядерного горючего — только вторая фаза термоядерного взрыва. Если ядерный взрыв прекращается после разрушения взрывного устройства, то механизм водородной бомбы продолжает работать и после перехода в плазменное агрегатное состояние. При синтезе ядер тяжёлого и сверхтяжёлого водорода рождаются ядра гелия и нейтроны. Энергия нейтронов настолько велика, что они не захватываются тяжёлыми ядрами, а разбивают их, как бильярдный шар пирамиду.

Под градом нейтронов в реакцию вступает уран-238, в обычных условиях вполне безопасный. Это третья фаза взрыва, увеличивающая его мощность ещё впятеро. Вклад энергии от распада ядер урана не так уж велик, но этот процесс порождает новые тучи нейтронов. А чем плотнее нейтронный поток, тем больше лития перейдёт в тритий, тем выше будет КПД взрывного устройства. Водородную бомбу можно собрать таким образом, что выгорание каждого из трёх компонентов — плутония, дейтрида лития и обеднённого урана — превысит 90%. А это чудовищная энергия.

«Малыш», первая атомная бомба, применённая в бою, относилась к пушечному типу

Ядерные боеприпасы ценятся в первую очередь за мощь, но иногда компактность оказывается важнее. Как следствие, некоторое распространение (практически только в США) получили так называемые пушечные заряды. Они состоят из плутониевого цилиндра с отверстием в центре, стержня из того же металла, небольшого количества пороха, который вколачивает стержень в отверстие, единственного детонатора для инициации процессов и… всё. Очевидными преимуществами пушечной схемы были предельная простота, безукоризненная надёжность срабатывания и крошечные размеры.

Но заряд пушечного типа не просто надёжен, а слишком надёжен. Это его главный недостаток. Тепловое или механическое повреждение боеприпаса не выведет его из строя, а напротив — может заставить сработать. В СССР посчитали, что янки — crazy, и копировать этот ужас не стали.

«Дэви Крокетт» — надкалиберная ядерная мина для стрельбы из противотанковых 106-мм безоткатных пушек. Американцы действительно намеревались отстреливаться «Крокеттами» от советских танков и наклепали немало этих боеприпасов. Смешной тротиловый эквивалент — всего 10 тонн — позволял бить прямой наводкой

Вторым недостатком пушечных зарядов стала их расточительность. Количество ядерной взрывчатки обязательно должно быть сверхкритическим. То есть расщепляющегося металла «на выстрел» уходит в среднем в три раза больше, чем при другой схеме. Если же пересчитывать на килотонны, разница оказывается ошеломляющей: КПД пушечного заряда не выше 1%. Таким он был у единственного в истории стратегического боеприпаса с зарядом пушечного типа — бомбы «Малыш», сброшенной на Хиросиму. Но там всё устройство весило четыре тонны, а урановые детали были помещены в обрезок орудийного ствола. А при использовании пушечного заряда без сверхпрочного корпуса КПД падает до 0,01–0,004%. Американцы, впрочем, считали, что крайне низкая — от 10 до 150 тонн в тротиловом эквиваленте — мощность для тактического ядерного боеприпаса не изъян, а достоинство.

Примитивное устройство пушечного заряда породило миф, что ядерную бомбу можно собрать в гараже. Но частному лицу достать несколько десятков килограммов почти чистого урана-235 невозможно. А плутоний вдобавок стремительно окисляется на воздухе, очень ядовит и практически не поддаётся механической обработке. Попытавшись изготовить кустарным способом из небольших плутониевых слитков детали взрывного устройства, самоделкин умрёт от лучевой болезни, от отравления или в результате вспыхнувшего в гараже пожара, но ничего не достигнет.

Советский 420-мм миномёт 2Б1 «Ока» предназначался для стрельбы ядерными боеприпасами

2С7 «Пион». В 1970-х годах в СССР появились миниатюрные шаровые заряды, которые помещались в снаряд 203-мм пушки, но мощность их обычно составляла 5–15 килотонн, и «тактическими» такие боеприпасы можно было назвать лишь условно

История создания

Предпосылки

Военно-политическая обстановка и мощное развитие научных теорий в 20 веке создали реальные предпосылки для появления оружия массового уничтожения.

Однако первым кирпичиком в строительстве атомной бомбы можно считать открытие (в 1896 году) Антуаном Анри Беккерелем радиоактивности урана. В этом же ключе проводили свои исследования Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. Уже в 1913 году для изучения радиоактивности они создали свое научное учреждение (Радиевый институт).

Еще два важнейших открытия в этой сфере: планетарная модель атома и проведение успешных опытов по расщеплению ядра, значительно ускорили появление нового оружия.

В 1934 году был оформлен первый патент, который представлял описание реактора на атомной энергии (Лео Силард), а в 1939 году Фредериком Жолио-Кюри была запатентована урановая бомба.

Три страны мира начали свою борьбу за пальму первенства в производстве ядерного оружия.

Немецкая программа

Начало

В 1939 — 1945 году созданием атомной бомбы занимались ученые нацистской Германии. Эта программа получила название «Урановый проект» и была строго засекреченной. В ее планы входило создание оружия в течение девяти-двенадцати месяцев. Проект собрал около 22 научных организаций, в которые входили самые известные институты страны.

Во главе секретной компании были назначены Альберт Шпеер и Эрих Шуман.

Для создания сверхоружия было запущено производство фторида урана, из которого можно было получить уран-235, а также разработано специальное устройство по разделению изотопов по методу Клузиуса — Диккеля. Эта установка состояла из двух труб, одна из которых должна была нагреваться, а вторая охлаждаться. Между ними должен был продвигаться гексафторид урана в газообразном состоянии, что дало бы возможность разделить более легкий уран −235 и тяжелый уран — 238.

На основании теоретических выкладок по конструированию ядерного реактора, которые предоставил Вернер Гейзенберг, получила заказ на производство некоторого количества урана. Норвежская Norsk Hydro предоставляла оксид дейтерия (тяжеловодородную воду).

В 1940 году Физический институт, который занимался вопросами атомной энергии, перешел в ведение вооруженных сил.

Неудачи

Однако, не смотря на то, что над проектом работало огромное количество ученых в течение года, собранное устройство для разделения изотопов так и не заработало. Было разработано еще около пяти вариантов обогащения урана, которые также не привели к успеху.

Считается, что причинами неудачных экспериментов является дефицит тяжеловодородной воды и недостаточно очищенный графит. Только в начале 1942 года немцы смогли построить первый реактор, который через некоторое время взорвался. Проведение последующих экспериментов было затруднено, поскольку в Норвегии был уничтожен завод по производству оксида дейтерия.

Последние данные о проведении экспериментов, дающих возможность получить цепную реакцию, были датированы январем 1945 года, однако уже в конце месяца установку пришлось демонтировать и отправить дальше от линии фронта в Хайгерлох. Последняя проба устройства была назначена на март — апрель. Считается, что ученые могли в короткий срок получить положительный результат, но этому не суждено было случиться, поскольку войска союзников вошли в город.

По окончанию Второй мировой войны немецкий реактор был вывезен в Америку.

Американская программа

Предпосылки

Первые разработки, связанные с атомной энергией, проводились Америкой, совместно с Канадой, Германией и Англией. Программа носила название «Урановый комитет». Руководство проекта осуществляли два человека — ученый и военный, физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гровс. Специально для прикрытия работ была сформирована особая часть войск — Манхэттенский инженерный округ, командующим которого был назначен Гровс.

В середине 1939 года президент Рузвельт получил письмо, подписанное Альбертом Эйнштейном, в котором сообщалось, что Германия разрабатывает новейшее сверхоружие. Была назначена специальная организация «Урановый комитет», которая должна была выяснить, насколько реальны слова Эйнштейна. Уже в октябре новость о возможности создания оружия была подтверждена и комитет начал свою активную работу.

Gadget

«Проект Манхеттен»

В 1943 в США был создан «Проект Манхеттен», целью которого стало создание ядерного оружия. В разработках участвовали известные ученые из стран-союзников, а также огромное количество строительных служащих и военных.

Уран был главным сырьем для экспериментов, однако в составе природного ископаемого содержится всего лишь 0,7% необходимого для производства урана-235. Поэтому было принято решение провести исследования по разделению и обогащению этого элемента.

Для этого использовались технологии термо — и газовой диффузии, а также электромагнитного разделения. В конце 1942 года было одобрено строительство специальной установки для произведения газовой диффузии.

Факт. Несмотря на то, что в проекте работали ученые из Англии, Канады, Америки и Германии, США отказались делиться результатами исследований с Англией, что послужило развитию некоторой напряженности между странами — союзниками.

Была поставлена главная цель исследований: создать ядерную бомбу в 1945 году, что удалось достичь ученым, входившим в «Проект Манхеттен».

Осуществление

Итогом деятельности этой организации являлось создание трех бомб:

• Gadget (Штучка) на основе плутония-239;
• Little Boy (Малыш) урановая;
• Fat Man (Толстяк) на основе распада плутония-239.

Little Boy и Fat Man в августе 1945 года были сброшены на Японию, что нанесло непоправимый ущерб населению страны.

Ядерная бомба малыш и толстяк

Советская программа

Теория и развитие

Еще в 1920 году в СССР был создан Радиевый институт, который занимался фундаментальными исследованиями радиоактивности. Уже в середине 20 века (с 1930 по 1940 годы) в Советском Союзе велись активные работы, связанные с получением ядерной энергии.

В 1940 известные российские ученые обратились к правительству, говоря о необходимости развития практической базы в атомной области. Благодаря этому была создана специальная организация (Комиссия по проблеме урана), председателем которой назначили В. Г. Хлопина. За год была проведена огромная работа по организации и координации учреждений, входивших в ее состав. Однако началась война, и большую часть научных институтов пришлось эвакуировать в. Казань. В тылу теоретическая работа над развитием этой отрасли продолжалась.

В сентябре 1942 года, практически сразу после начала американского проекта «Манхеттен» правительство СССР постановило начать работы по изучению урана. Для этого были выделены специальные помещения для лаборатории в Казани. Доклад о результатах исследований был назначен на апрель 1943 года. А в феврале 1943 года начались практические работы по созданию атомной бомбы.

Практические разработки

После возвращения Радиевого института в Ленинград (1944 г) ученые приступили к практической реализации своих проектов. Считается, что 5 декабря 1945 года — дата начала работ по разработке атомной энергии.

Исследования велись по следующим направлениям:

• изучение радиоактивного плутония;
• эксперименты по выделению плутония;
• разработка технологии получения плутония из урана.

Факт. Готовое решение должно было быть предоставлено правительству к 1 июля 1946 года.

После бомбардировки Японии Государственный комитет обороны издал указ об образовании Специального комитета по использованию атомной энергии. Для руководства этим проектом было организовано Первое главное управление. На решение поставленной задачи было брошено огромное количество человеческих и материальных ресурсов. Директивой Сталина предписывалось создать урановую и плутониевую бомбы не позднее 1948 года.

Развитие

Первоочередными задачами проекта являлось открытие производства промышленного плутония и урана и строительство ядерного реактора. Для разделения изотопов решено был использовать диффузионный метод. С огромной скоростью стали возводиться секретные предприятия, необходимые для решения этих вопросов. Техническая документация для этого оружия должна была быть готова к июлю 1946 года, а собранные конструкции — уже в 1948 году.

Благодаря колоссальному человеческому ресурсу и мощной материальной базе переход от теории к практическим экспериментам произошел в сжатые сроки. Первый реактор был построен и успешно запущен в декабре 1946 года. И уже в августе 1949 года была успешно испытана первая атомная бомба.

Первое испытание атомной бомбы в Советском Союзе

«В начале было слово»

Второго августа 1939 года физики Лео Сцилард, Эдвард Тэллер и Юджин Вигнер написали письмо президенту США Франклину Делано Рузвельту, сообщив ему, что Германия способна создать бомбу чрезвычайной разрушительной силы, основанной на новых физических принципах, в основе которых лежит использование энергии, выделяющейся при цепной реакции деления атомов радиоактивных веществ. Они полагали, что в ответ на эту угрозу США также необходимо создать такую бомбу.
Экипаж бомбардировщика В-29-35-МО № ВВС 42-27297 “Bockscar”, подведший итог «Манхэттенского проекта» уничтожением города Нагасаки 9 августа 1945 г. – снимок сделан после возвращения самолета на базу Фото: https://www.flickr.com/photos/[email protected]/albums/

Понимая, что имена трех эмигрантов из не входящей в число развитых держав Венгрии не произведут впечатления, они дали подписать его другому эмигранту, но из Германии и куда более знаменитому в широких кругах – Альберту Эйнштейну. Прием сработал, и Рузвельт поручил Национальному бюро стандартов проработать вопрос, для чего был создан Урановый комитет S-1 во главе с председателем Федерального комитета по стандартам Лайманом Бриггсом.

Тот, не будучи незнаком с вопросом и ни на чем конкретном не основываясь, подтвердил возможность такой бомбы и 21 октября 1939 года затребовал 167000 долларов (чуть более трех миллионов по нынешнему курсу) на исследования материала, из которых по словам ученых она может быть изготовлена – урана-235.

Это было в мирное для Америки время и дела шли ни шатко ни валко. Собственно, деньги поступили, но лишь на науку. Казалось бы, ученым-эмигрантам больше и желать было нечего, но они не успокоились и 7 марта 1940 года они снова пишут Рузвельту, заявляя, что в Германии идут уже не просто исследования радиоактивных материалов, а разработка бомбы из них. Это письмо немедленного эффекта не повлекло – Рузвельт был занят судьбой добровольно присоединившейся к СССР Прибалтики, поставками американского оружия немецкому союзнику Финляндии, и тяжбой с Японией за контроль над Китаем и над Тихим океаном.

Все практические вопросы Бриггс отдал в руки частной инициативы, отказавшись от госфинансирования производств, но капитал на сей раз не узрел откры­вающихся перспектив, и за первые 5 месяцев не было сделано вообще ни­чего.

Вначале 1941 года из Англии в США неофициально были доставлены протоколы заседаний “Maud Committee” или «Комитета по текстилю», первой в мире правительственной организации, занимавшейся атомными проблемами. Свое название Комитет получил из-за завесы секретности, которой британские спецслужбы окружили его работу, однако в Америке узнали о результатах его деятельности даже раньше, чем в британском парламенте.

Весной 1941 года Рузвельт, проинспектировав состояние дел, сменил руководство комитета. Но сопротивление «истеблишмента» оказалось настолько сильным, что бизнес-план утвердили только 6 декабря 1941 года, однако 7-го числа японский флот напал на Перл-Харбор, и об атомной проблеме снова забыли.

Лишь 13 августа 1942 года была утверждена смета программы, получившей кодовое наименование «Манхэттенский проект», а 17 сентября череда «исполняющих обязанности» в его руководстве наконец-то раз и навсегда оборвалась. Но кандидатура нового начальника поначалу не вызвала энтузиазма ни у кого. Многие даже говорили, что Председатель Комитета начальников штабов просто отмахнулся в ответ на просьбу Президента назначить руководителем атомного проекта человека именно из его ведомства.

Лесли Гровс

Никому не известному полковнику Лесли Гровсу доверили два миллиарда долларов, деньги по тем временам просто немыслимые – сегодня это было бы в 15 раз больше. Для сравнения, стоимость серийного Боинга В-29, самого дорогого американского самолета того времени, на 1942 год была определена в 1 миллион 403 тысячи 623 долларов и 86 центов. Обычные же авиабомбы обходились налогоплательщикам всего по доллару за фунт весу.

Устройство бомбы

Основные компоненты:

• корпус;
• автоматическая система;
• ядерный заряд.

Корпус производится из прочного и надежного металла, способного уберечь боеголовку от негативных внешних факторов. В частности, от перепада температур, механических повреждений или других влияний, способных вызвать незапланированный взрыв.

Автоматика осуществляет контроль над следующими функциями:

• предохранительные устройства;
• механизм взведения;
• устройство аварийного подрыва;
• питание;
• подрывная система (датчик подрыва заряда).

Ядерный заряд — устройство, содержащее запас определенных веществ и обеспечивающее высвобождение энергии непосредственно для взрыва.

Над «Манхэттеном» работали 4 страны

Поскольку над проектом «Манхэттен» работали ученые из 4 стран, то и споров между государствами избежать было невозможно. Дело в том, что каждый участник вносил в создание бомбы что-то свое. Соответственно, каждый хотел равных прав. Но американцы не горели желанием делиться атомными секретами с союзниками, которые при наличии такого вооружения могут легко превратиться во врагов.

Белый дом критиковал союзников за то, что те вкладывают в разработки мало денег. Это и в самом деле было так. Американцы вливали миллиарды, остальные ограничивались несколькими миллионами. Но и отказаться от сотрудничества не могли. Нужны были лучшие «головы» планеты. Такие были в Британии. После 11 месяцев споров пришли к консенсусу. Оружие разрабатывается в США, но использовать его или нет – будут решать коллективно.

Принцип действия

В основе любого ядерного оружия лежит цепная реакция — процесс, при котором происходит цепное деление ядер атомов и выделяется мощная энергия.

Критическое состояние может быть достигнуто при наличии целого ряда факторов. Существуют вещества, способные или неспособные к цепной реакции, в частности Уран-235 и Плутоний-239, которые используются в производстве этого вида оружия.

В уране-235 деление тяжелого ядра может возбуждаться одним нейтроном, а в результате процесса появляется уже от 2 до 3 нейтронов. Таким образом, порождается цепная реакция разветвленного типа. В этом случае ее носителями являются нейтроны.

Природный уран состоит из 3 изотопов — 234, 235 и 238. Однако содержание Урана-235, необходимого для поддержания цепной реакции, всего около 0,72%. Поэтому для производственных целей проводят разделение изотопов. Альтернативным вариантом служит использование Плутония-239. Этот элемент получают искусственным путем, в процессе облучения Урана — 238 нейтронами.

При взрыве урановой или плутониевой бомбы могут быть выделены два ключевых момента:

• непосредственный центр взрыва, где протекает цепная реакция;
• проекция взрыва на поверхность — эпицентр.

РДС-1 в разрезе

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.

Факторы поражения при ядерном взрыве

Типы поражения атомной бомбой:

• ударная волна;
• световое и тепловое излучение;
• электромагнитное воздействие;
• радиоактивное заражение;
• проникающая радиация.

Ударная взрывная волна разрушает строения и технику, наносит повреждения людям. Этому способствует резкий перепад давления и высокая скорость воздушного потока.

В процессе взрыва высвобождается огромное количество световой и тепловой энергии. Поражение этой энергией может распространяться на несколько тысяч метров. Ярчайший свет поражает зрительный аппарат, а высокая температура вызывает воспламенение горючих веществ и наносит ожоги.

Электромагнитные импульсы выводят из строя электронику, и повреждает радиосвязь.

Радиация заражает поверхность земли в очаге поражения и вызывает нейтронную активацию веществ, находящихся в почве. Проникающая радиация разрушает все системы человеческого организма и вызывает лучевую болезнь.

Классификация ядерных боеприпасов

Существует два класса боеголовок:

• атомные;
• термоядерные.

Первые — это устройства одноступенчатого (однофазного) типа, образование энергии в которых происходит при делении тяжелых ядер (использование урана или плутония) с получением более легких элементов.

Вторые — устройства, имеющие двухступенчатый (двухфазный) механизм действия, происходит последовательное развитие двух физических процессов (цепная реакция и термоядерный синтез).

Еще одним важным показателем ядерного оружия является его мощность, которую измеряют в тротиловом эквиваленте.

На сегодняшний день существует пять таких групп:

• менее 1 кт (килотонн) — сверхмалая мощность;
• от 1 до 10 кт — малая;
• от 10 до 100 кт — средняя;
• от 100 до 1 Мт (мегатонн) — крупная;
• более 1 Мт — сверхкрупная.

Факт. Считается, что взрыв на Чернобыльской АЭС имел мощность около 75 тонн.

Знаю как!

К моменту начала проектно-конс­трукторских работ по атомной бом­бе теоретическая часть задачи была в основном решена. Было известно, что при попадании в ядро атома «медлен­ного» нейтрона атом урана развали­вается с образованием двух атомов меньшей массы и выделением одного или нескольких новых нейтронов. При этом суммарная масса всех «осколков» меньше массы исходного ядра — оно испускает дополнительные частицы с очень высокой энергией. Если интен­сивность реакции низкая, то вторич­ных нейтронов мало и блок деляще­гося материала просто нагревается, а выделяемая энергия описывается «угольным эквивалентом», так рабо­тает атомная электростанция. Но если нейтронов достаточно много, то про­цесс нарастает лавинообразно и про­исходит взрыв. Мерой энерговыделе­ния такого процесса стал «тротиловый эквивалент», т.е. сколько тонн обычной взрывчатки производят взрыв такой же силы, как и данная атомная бомба.

Но оставались проблемы иници­атора (источника нейтронов), замед­лителя (вещества, превращавшего «обычный» нейтрон в «медленный»), зеркала, уменьшавшего непроизводи­тельный выход нейтронов за пределы заряда, «разнобоя» в срабатывании детонаторов и т.д. Такие проблемы возникали постоянно, многие были решены лишь в самый последний мо­мент.

Среди поражающих факторов взрыва в то время выделялись три основных: ударная волна, энергия света и тепла, вызывающая пожары на большом расстоянии от эпицент­ра, и, наконец, проникающая радиа­ция. Самым вредоносным оказалось альфа-излучение, но и защитится от него проще всего. Одиночную альфа- частицу с вероятностью много выше 50% поглощает лист папиросной бу­маги, с потоком их, правда, дело об­стоит гораздо сложнее. Бета-частицы несли меньшую опасность, но и за­щитится от них труднее. Большое их количество столь же смертельно. От самых слабых гамма-частиц, защитой были разве что многометровые слои свинца, парафина и воды. Постро­ить убежища от гамма-радиации для большой массы людей невозможно. Кроме «гаммы» атомный взрыв дает и другие вредные для всего живого частицы, прежде всего, рентгеновс­кие, нейтроны. Об электромагнитном импульсе и возникающем из-за вто­ричной, или «наведенной» радиации длительно действующем и обширным радиоактивном заражении местности было мало что известно, и они не бра­лись в расчет.

Были найдены и условия, необхо­димые для возникновения лавинооб­разно нарастающей цепной реакции. Самыми простыми вариантами были схемы бомбы с отражателем нейтро­нов с изменяемыми свойствами и с до­ведением массы до критической.

Атомная бомба Mark 2 «Малыш» имела урановый заряд «пушечного типа», который срабатывал при соударении двух блоков делящегося вещества, общая масса которых превышала критическую

Критической называется масса де­лящегося вещества, при которой на­чинается цепная реакция. Хранить «критмассу» урана в сборе нельзя, ее надо создать в момент подрыва. В цилиндрическом стволе размещены два полузаряда — неподвижная «ми­шень» и подвижный «снаряд». Дето­нация обычного ВВ приводит снаряд в движение. Соударяясь, отполиро­ванные алмазом до зеркального блеска контактные поверхности мгновенно превращаются в монолит, масса скач­кообразно превышает критическое значение, возникает лавина распадов и происходит взрыв.

Зеркало с изменяемыми свойства­ми работает за счет того, что в нужный момент перестает выпускать нейтроны за пределы «сердцевины», что прово­цирует цепную реакцию.

Бомбы Mark 1 так никогда и не было — несколько проектов под этим шифром остались на бумаге. Потому нумерация «спец-изделий» в США началась с цифры «2».

Идея «пушечного» или «эксплозив­ного» (эксплозия — «взрыв наружу») была реализована в проекте бомбы Mark 2 Little Boy — «Малыш». Актив­ным веществом в ней был уран-235. Подрыв производился еще в возду­хе— так достигался наибольший эф­фект.

Сделали и проект бом­бы, основанный на принципе достижения не критической, а плотности – плотность плутония повысить до определенного предела, то в нем начнется цепная реакция и без дости­жения критической массы.

Но как сжать шар из металла, по прочности не уступающего стали? Причем сде­лать это и почти мгновенно, и так, чтобы он не разрушился, а равномер­но уменьшился?

Теоретически сжимаемость металла была доказана физиками твердого тела в СССР еще до войны и там был создан математический аппарат расчета этого процесса путем «взрыва внутрь» или имплозии: детонация заряда из двух типов обыч­ного ВВ с разной скоростью горения формирует сходящуюся взрывную волну. Составной заряд, взрывная волна которого сходится к . Именно в таком варианте было реше­но делать первый экспериментальный заряд, названный «Гаджет» (“Gadget”), что можно перевести как «техническая новинка», но и «безде­лица» или «ерунда».

Первый плутониевый заряд имплозивного типа «Гаджет» готов к испытаниям

Боевая имплозивная бомба полу­чила наименование Mark 3 Fat Man или «Толстяк»: она действительно не отличалась стройностью форм. Как ни старались придать корпусу обтекаемую форму, ее баллистика было неважная, но задача прицельного сброса и не стояла.

Зато положительно была оценена информа­ция о том, что мощность имплозивной плутониевой бомбы гораздо выше, чем у бомбы урановой эксплозивной. Мало того, ученые предложили пути даль­нейшего повышения мощности за счет многодетального заряда активного вещества.

Выполняя сердцевину бомбы из разъединенных плутониевых долек, энерговыделение можно еще увели­чить — каждую из «долек» можно сделать с массой, близкой к критичес­кой. Чем больше долек, тем больше масса. Далее, предполагалось соеди­нить принцип действия эксплозив­ной и имплозивной бомб, наложив эффект от сжатия заряда. Таким об­разом, повысить энерговыделение можно было и без увеличения КПД (отношение массы прореагировавше­го активного вещества к общей массе сердцевины для плутониевой бомбы оценивалось на уровне 10…15, а ура­новой — 5-10%).

Моделирование показало возможность создания многодетального заряда, но он получался слишком сложным: под сотню взрывателей, сложнейшие электронные синхронизаторы импульсов подрыва, более 500 электрконтакторов, свыше 1500 болтов. Проект Mod. 1222, который также как шел под шифром «Толстяк» осуществлен не был.

Заказчик из соображений безопасности потребовал раздельного хранения корпуса с зарядом из обычного ВВ и центрального узла из радиоактивного материала. Конструкция должна была обеспечивать сборку на базе применения силами персонала войсковой части, а установку взрывателей и детонаторов вообще требовалось производить после взлета с выходом специалиста по вооружению в негерметичный отсек.

Бомба Mark 3 «Толстяк» в собранном виде со сравнительно хорошо обтекаемым корпусом и аэродинамическим оперением

Варианты детонации

Детонация может обеспечиваться подключением двух основных схем или их комбинации.

Баллистическая или пушечная схема

Ее использование возможно только в зарядах, содержащих уран. Для осуществления взрыва производится выстрел одним блоком, содержащим делящееся вещество, имеющее подкритическую массу в другой блок, являющийся неподвижным.

Имплозивная схема

Производится направленный внутрь взрыв, осуществляемый при помощи обжатия горючего, в процессе которого докритическая масса делящегося вещества становится сверхкритической.

Средства доставки

Атомные боеголовки могут доставлять до цели практически современные ракеты, которые позволяют разместить внутри боеприпас.

Существует разделение средств доставки по следующим группам:

• тактические (средства поражения воздушных, морских и космических целей), предназначены для уничтожения военной техники и человеческого ресурса противника на линии фронта и в ближайшем тылу;
• стратегические — поражение стратегических целей (в частности, административных единиц и промышленных предприятий, находящихся в тылу противника);
• оперативно-тактические уничтожение целей, которые находятся в диапазоне оперативной глубины.

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 6Li (это связано с особенностями прохождения термоядерных реакций), а в природе он находится в смеси с изотопом 7Li. Поэтому были построены специальные производства для разделения изотопов лития и отбора только 6Li.

Самая мощная бомба в мире

Такой боеголовкой считается так называемая «Царь-бомба» (АН602 или «Иван»). Оружие было разработано в России группой физиков — ядерщиков. Руководил проектом академик И. В. Курчатов. Это самое мощное термоядерное взрывное устройство в мире, которое прошло успешные испытания. Мощность заряда составляет около 58,6 мегатонн (в тротиловом эквиваленте), что превысило расчетные характеристики почти на 7 Мт. Испытание мегаоружия были проведены 30 октября 1961 года.

Бомба АН602

Бомба АН602 внесена в книгу рекордов Гиннесса.

Бум

Вскоре после смерти Слотина, и, возможно, из-за растущего дискомфорта среди ученых в Лос-Аламосе, заряд-демон был взорван в рамках экспериментов с ядерным оружием в ходе операции Crossroads. Заряд, который был собран в бомбу под названием «Джильда», взорвался, как и ожидалось, с выходом примерно 23 килотонн тротилового эквивалента — для сравнения, «Толстяк» над Нагасаки рванул на 21 килотонну. «Джильда» была взорвана над списанным линкором USS Nevada, чтобы понять, можно ли ядерными бомбами эффективно топить корабли, но снаряд промахнулся мимо цели на километр.

Как вы видите на фото, на месте взрыва «Джильды» не было никаких демонически знаков, просто обычный гриб. Такова история «заряда-демона». Надеюсь, было интересно.

По материалам
arstechnica.com

Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки

В конце Второй мировой войны США решили продемонстрировать наличие оружие массового уничтожения. Это было единственное за всю историю применение ядерных бомб в боевых целях.

В августе 1945 года на Японию, воевавшую на стороне Германии, были сброшены ядерные боеголовки. Города Хиросима и Нагасаки были практически полностью снесены с лица земли. Записи свидетельствуют, что в Хиросиме погибло около 166 тысяч человек, а в Нагасаки — 80 тысяч. Однако огромное количество японцев, пострадавших от взрыва умерло через некоторое время после бомбардировки или продолжали болеть еще долгие годы. Это связано с тем, что проникающая радиация вызывает нарушения всех систем человеческого организма.

На тот момент понятия о радиоактивном загрязнении поверхности земли не существовало, поэтому люди продолжали находиться на территории, подвергшейся облучению. Высокую смертность, генетические уродства у новорожденных и развитие онкологических заболеваний тогда не связывали со взрывами.

«Мама» для «Малыша»

Единственным самолетом, пригод­ным по грузоподъемности и летным данным для доставки атомной бомбы, был тяжелый бомбардировщик Боинг мо­дель 345, имевший войсковое обозначение В-29 «Суперфортресс». В то время ни у союзников США, ни у противников ничего подобного не было.

Хотя на них действовал особый график сдачи и распределения по строевым частям ВВС США в Индии, в Китае и на Тихом океане, было выделено 17 машин Программа создания самолета-носителя для атомной бомбы получила шифр “Silverplate”, что можно перевести как «серебряное блюдо» «тарелка» или «плита» — словосочетание это, как и «Проект Манхэттен», ничего не должно было значить, а лишь служить пометкой для деловой переписки.

Первого декабря 1944 года началась разработка конструкторской документации на специальную модификацию самолета и довольно скоро была подписана спецификация “Project 9814S” – документ, определяющий основные особенности самолета, состав оборудования, вооружения, тактико-технические данные и стоимость самолета. Из-за спешки она потребовала уточнений по ходу дела и завершила череду разноплановых бумаг новая спецификация “Project 98228S”.

Основой был взят самолет В-29-МО в базовом варианте «без буквы», индекс «МО» означал, что самолет построен в штат Небраска. Каждая переоборудованная машина шла по особому заказу, но в порядке общей очередности сборки и нумерации.

Электрический механизм открытия бомбоотсеков заменяли быстродействующим пневматическим. Значительным изменениям подвергся бомбоотсек. Усиливающую раму для обычных мостовых и кассетных держателей заменили новой “H-frame support” под держатель Type G, спроектированный при участии английских специалистов на основе аналогичного устройства для «обычной» 6-тонной бомбы «Толлбой». Он был подогнан под «Толстяка», а имевший меньший диаметр «Малыш» крепился через довольно уродливый переходник. Центральную часть фюзеляжа усилили, установили новые створки бомбоотсека.

Первый атомный носитель – Боинг В-29-45-МО «Суперфортресс» выпуска с регистрационным номером ВВС 44-8629 Фото: Национальный музей ВВС США г. Дайтон // https://www.nationalmuseum.af.mil

На носитель предполагалось установить вариант серийных двигателей Райт R-3350 с непосредственным впрыском топлива и новым автоматом обогащения смеси . Вместо стандартных воздушных винтов «Гамильтон-Стандарт» планировали установить «Кертисс-Электрик» с обтекателями на комлях лопастей, что улучшало охлаждение и облегчало длительную работу моторов на чрезвычайном режиме. «Кертиссы» имели и реверс тяги, существенно сокращавший пробег самолета, стала более надежной система аварийного флюгирования.

В состав оборудования ввели радиовысотомер больших высот АN/SCR-718, который ставился на серийные В-29 , «Белл-Атланта», и государственного завода в Рентоне, но отсутствовавший на продукции «Мартина». Радиолокатор же, наоборот, собирались демонтировать — акцию предполагалось провести днем и только при хорошей погоде, иначе не выйдет красиво отснять взрыв. Также сняли радиолокационную систему опознавания «свой-чужой» с ее большими и громоздкими антеннами – бомбардировку сразу предполагалось выполнять одиночным самолетом без прикрытия и только в условиях гарантии отсутствия противодействия ПВО противника.

В остальном «носитель судного дня» почти не отличался от серийного бомбардировщика. По типу предназначенной для ночного применения модификации В-29В он получил облегченное оборонительное вооружение, состоявшее из единственной огневой установки — кормовой. И даже в ней, в отличие от В-29В оставили лишь два пулемета вместо трех, и отказались от РЛС заднего обзора AN/APG-15. Остальные четыре Вместе фюзеляжных огневых башни с их патронными ящиками, пять из шести прицельных станций с сиденьями их операторов и несколько десятков кило проводов и прочего электрохозяйства управления ими не ставили. Разгрузилась и бортовая электросеть, которая для стандартного В-29 была слабоватой.

Аэродинамика спец-носителей В-29 «Сильверплатте» была улучшена, а вес снижен за счет отказа от части вооружения и оборудования Фото: https://www.flickr.com/photos/[email protected]/albums/

Не дожидаясь, пока появятся серийные «серебряные тарелки», для предварительных испытаний взяли серийный самолет выпуска заказа 1942 года — В-29-5-ВW № 42-6259. На центральной испытательной базе ВВС в Дайтоне, штат Огайо с декабря 1944 по январь 1945 года он был доработан и был передан на сбросы «инертных» бомб для оценки их баллистики и разработки методики боевого применения.

Тем временем заказ на носители был дополнен на 28 машин. В доработку пошли строящиеся В-29 блоков 35-МО, 40-МО, 45-МО и 50-МО, причем отбирались лучшие по качеству экземпляры. На них не удалось внедрить все задуманное: силовая установка осталась стандартной на 1944 год с безинжекторными двигателями Райт R-3350-57 и винтами «Гамильтон-Стандарт». На части сданных самолетов-носителей осталась и обзорно-бомбардировочная РЛС АN/АРQ-13 с навигационной приставкой АРQ-4.

Опасность войны и катастрофы, связанные с атомом

Ядерные энергетика и оружие были и остаются предметов самых острых споров. Поскольку невозможно реально оценить безопасность в этой сфере. Наличие сверхмощного оружия с одной стороны, является сдерживающим фактором, однако, с другой — его применение может вызвать масштабную мировую катастрофу.

Опасность любой атомной отрасли в первую очередь связана с утилизацией отходов, которые еще долгое время излучают высокий радиационный фон. А также с безопасной и эффективной работой всех производственных отсеков. Существует более 20 случаев, когда «мирный атом» выходил из под контроля, и приносил колоссальные потери. Одной из самых больших катастроф считается авария на Чернобыльской АЭС.

«Интербригада»

Начало XX века было ознаменова­но не только важнейшими научными открытиями, но и тем, что мировая на­ука вышла на новый уровень интегра­ции. На какое-то время удалось прак­тически полностью стереть препоны, мешавшие обмену знаниями между странами и народами. Это не только позволило к концу 30-х годов подойти к решению проблемы атомной энергии, но и создало среду, в которой атомная бомба могла быть реализована. Но делать оружие в обстановке открыто­го международного сотрудничества невозможно. В 1938 году стартовал британский национальный атомный проект. В 1939-м работы по атомной бомбе начались в Германии, но то, что многие ведущие физики в этой стра­не были евреями, сыграло решающую роль — Гитлер бомбу не получил. В СССР военные аспекты атомной энергии начали изучать до Отечес­твенной войны, но в практическую плоскость работы эти вышли лишь после ее завершения.

Америка стала прибежищем для многих ученых, которых пришедшие к власти в Европе националистичес­кие режимы вынудили покинуть ро­дину. Вот лишь несколько фамилий: немец по гражданству Альберт Эйн­штейн, венгр Лео Сциллард, италья­нец Энрико Ферми — звезды первой величины мировой физики. Америка предоставила им возможность зани­маться тем, чем они хотели по 12-15 часов в сутки год за годом без выход­ных и отпусков.

В дни и ночи «битвы за Англию» британскому правительству стало ясно, что германская авиация не поз­волит создать атомную промышлен­ность нигде в пределах «Туманного Альбиона». Было принято решение о переносе работ по урану в Канаду, но к концу 1941 года вскрылось еще одно обстоятельство, роковым образом ска­завшееся на судьбе английского атом­ного проекта «Тьюб Эллойз» (“Tube Allows” — «сплавы для труб»). Катас­трофические потери торгового флота привели Англию на грань экономи­ческой катастрофы и на «супербом­бу» средств уже не было. Разведка же доносила о строительстве все новых и новых атомных объектов в Германии. Тогда было решено предать получен­ные результаты, оборудование и часть запасов радиоактивных материалов США, а также направить туда несколь­ко сот ученых и инженеров. Подразу­мевалось, что Вашингтон потом «поде­лится» совместно сделанным с добрым союзником.

Ни в коей мере не пытаясь умалить участие в «манхэттенском проекте» коренных американцев, трудно не за­метить роли тех, кто приехал в Амери­ку в бурные тридцатые-сороковые.

Карта «Манхэттенского проекта», который раскинулся по всей территории США и даже чуть затронул Канаду Рисунок: https://en.wikipedia.org/wiki/Manhattan_Project