Как действует водородная бомба и каковы последствия взрыва? Инфографика | Инфографика

12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне была испытана первая советская водородная бомба.

А 16 января 1963 года, в самый разгар холодной войны, Никита Хрущёв заявил миру о том, что Советский союз обладает в своём арсенале новым оружием массового поражения. За полтора года до этого в СССР был произведён самый мощный взрыв водородной бомбы в мире — на Новой Земле был взорван заряд мощностью свыше 50 мегатонн. Во многом именно это заявление советского лидера заставило мир осознать угрозу дальнейшей эскалации гонки ядерных вооружений: уже 5 августа 1963 г. в Москве был подписан договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.

История создания

Статья по теме

Создатель «мирного» атома. Курчатов изобрёл бомбу, чтобы избежать войны Теоретическая возможность получения энергии путём термоядерного синтеза была известна ещё до Второй мировой войны, но именно война и последующая гонка вооружений поставили вопрос о создании технического устройства для практического создания этой реакции. Известно, что в Германии в 1944 году велись работы по инициированию термоядерного синтеза путём сжатия ядерного топлива с использованием зарядов обычного взрывчатого вещества — но они не увенчались успехом, так как не удалось получить необходимых температур и давления. США и СССР вели разработки термоядерного оружия начиная с 40-х годов, практически одновременно испытав первые термоядерные устройства в начале 50-х. В 1952 году на атолле Эниветок США осуществили взрыв заряда мощностью 10,4 мегатонны (что в 450 раз больше мощности бомбы, сброшенной на Нагасаки), а в 1953 году в СССР было испытано устройство мощностью 400 килотонн.

Конструкции первых термоядерных устройств были плохо приспособленными для реального боевого использования. К примеру, устройство, испытанное США в 1952 году, представляло собой наземное сооружение высотой с 2-этажный дом и весом свыше 80 тонн. Жидкое термоядерное горючее хранилось в нём с помощью огромной холодильной установки. Поэтому в дальнейшем серийное производство термоядерного оружия осуществлялось с использованием твёрдого топлива — дейтерида лития-6. В 1954 году США испытали устройство на его основе на атолле Бикини, а в 1955 году на Семипалатинском полигоне была испытана новая советская термоядерная бомба. В 1957 году испытания водородной бомбы провели в Великобритании. В октябре 1961 года в СССР на Новой Земле была взорвана термоядерная бомба мощностью 58 мегатонн — самая мощная бомба из когда-либо испытанных человечеством, вошедшая в историю под названием «Царь-бомба».

Статья по теме

Атомный блеф Сталина. Харьковскую бомбу сделали немцы, а Штаты взорвали ее в Японии

Дальнейшее развитие было направлено на уменьшение размеров конструкции водородных бомб, чтобы обеспечить их доставку к цели баллистическими ракетами. Уже в 60-е годы массу устройств удалось уменьшить до нескольких сотен килограммов, а к 70-м годам баллистические ракеты могли нести свыше 10 боеголовок одновременно — это ракеты с разделяющимися головными частями, каждая из частей может поражать свою собственную цель. На сегодняшний день термоядерным арсеналом обладают США, Россия и Великобритания, испытания термоядерных зарядов были проведены также в Китае (в 1967 году) и во Франции (в 1968 году).

Чудо Советов

«Делай лишь то, что впоследствии не заставит тебя раскаиваться; научись всему, что следует знать; приучайся жить просто и без роскоши; наконец, последнее: не засыпай, пока не разберешь свои поступки за прошедший день». Советы Дмитрия Ивановича Сахарова сыну Андрею.

«Окруженный людьми, он наедине с самим собой решает некую математическую, философскую, нравственную или общемировую задачу и, размышляя, задумывается глубже всего о судьбе каждого конкретного, отдельного человека». Л.К. Чуковская.

«Он есть в значительной степени западное изобретение… Как социальный мыслитель он примитивен. Меня всегда оскорбляло в этой ситуации вот что: огромная страна, в которой масса образованных и умных людей, и вдруг эту страну начинает представлять человек с очень примитивным способом мышления…». А.А. Зиновьев.

«Я не верю человеку, который бросил своих детей от первой жены и сейчас голодает из-за того, что не выпускают за границу невесту сына его новой жены». Академик А.П. Александров.

«… чудом было в советском государстве появление Андрея Дмитриевича Сахарова — в сонмище подкупной, продажной, беспринципной технической интеллигенции…». А.И. Солженицын.

Принцип действия водородной бомбы

Действие водородной бомбы основано на использовании энергии, выделяющейся при реакции термоядерного синтеза лёгких ядер. Именно эта реакция протекает в недрах звёзд, где под действием сверхвысоких температур и гигантского давления ядра водорода сталкиваются и сливаются в более тяжёлые ядра гелия. Во время реакции часть массы ядер водорода превращается в большое количество энергии — благодаря этому звёзды и выделяют огромное количество энергии постоянно. Учёные скопировали эту реакцию с использованием изотопов водорода — дейтерия и трития, что и дало название «водородная бомба». Изначально для производства зарядов использовались жидкие изотопы водорода, а впоследствии стал использоваться дейтерид лития-6, твёрдое вещество, соединение дейтерия и изотопа лития.

Дейтерид лития-6 является основным компонентом водородной бомбы, термоядерным горючим. В нём уже хранится дейтерий, а изотоп лития служит сырьём для образования трития. Для начала реакции термоядерного синтеза требуется создать высокие температуру и давление, а также выделить из лития-6 тритий. Эти условия обеспечивают следующим образом.

Оболочку контейнера для термоядерного горючего делают из урана-238 и пластика, рядом с контейнером размещают обычный ядерный заряд мощностью несколько килотонн — его называют триггером, или зарядом-инициатором водородной бомбы. Во время взрыва плутониевого заряда-инициатора под действием мощного рентгеновского излучения оболочка контейнера превращается в плазму, сжимаясь в тысячи раз, что создаёт необходимое высокое давление и огромную температуру. Одновременно с этим нейтроны, испускаемые плутонием, взаимодействуют с литием-6, образуя тритий. Ядра дейтерия и трития взаимодействуют под действием сверхвысоких температуры и давления, что и приводит к термоядерному взрыву.

Если сделать несколько слоёв урана-238 и дейтерида лития-6, то каждый из них добавит свою мощность ко взрыву бомбы — т. е. такая «слойка» позволяет наращивать мощность взрыва практически неограниченно. Благодаря этому водородную бомбу можно сделать почти любой мощности, причём она будет гораздо дешевле обычной ядерной бомбы такой же мощности.

Наука устрашения: испытания «Царь-бомбы» в фотографиях

Разработка АН602 завершилась в 1961 году в Академии наук СССР при участии Андрея Сахарова под руководством Игоря Курчатова. Её масса составила 26,5 тонн, а в длину бомба достигала восьми метров. Commons.wikimedia.org / Автор неизвестен

Испытания бомбы состоялись 30 октября 1961 года. К месту взрыва бомбу доставил стратегический бомбардировщик Ту-95, самый быстрый винтовой самолёт, ставший вместе с «Царь-бомбой» одним из символов холодной войны. Commons.wikimedia.org / Автор неизвестен

Вспышка взрыва бомбы АН602 сразу после отделения ударной волны. В это мгновение диаметр шара составлял около 5,5 км, а через несколько секунд он увеличился до 10 км. Commons.wikimedia.org / Автор неизвестен

Световое излучение вспышки взрыва могло вызвать ожоги третьей степени на расстоянии до ста километров. Это фото сделано с расстояния в 160 км. Commons.wikimedia.org / Автор неизвестен

Сейсмическая волна, вызванная взрывом, обогнула земной шар трижды. Высота ядерного гриба достигла 67 километров в высоту, а диаметр его «шляпки» — 95 км. Звуковая волна достигла острова Диксон, располагающегося в 800 км от места испытаний. Commons.wikimedia.org / Автор неизвестен

Никита Хрущёв на заседании ООН, на котором он произнёс фразу про «Кузькину мать». Это заявление позволило повлиять на баланс сил в геополитике 60-х годов. Commons.wikimedia.org / Библиотека Конгресса США

Для Андрея Сахарова, принимавшего непосредственно участие в создании бомбы, этот проект стал последним в области ядерного оружия. В последствии он стал активным участником за запрет такого рода бомб. На фото: Андрей Сахаров с сыном Димой в 1963 году. РИА Новости

Основной целью этих испытаний являлась демонстрация владения Советским Союзом мощнейшим арсеналом оружия массового уничтожения. Во многом именно это привело к решению сокращения ядерных арсеналов. Commons.wikimedia.org / Croquant

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.

Наука устрашения: испытания «Царь-бомбы» в фотографиях

«… Мое положение все-таки исключительное»

Но к власти пришел Горбачев, он выдернул академика из ссылки. Вернулся Сахаров в Москву ранним утром 23 декабря 1986 года. На Ярославском вокзале, где его встречала толпа иностранных корреспондентов, заявил: пусть Горбачев не надеется на его поддержку. Он не верил, что система поддается реформированию.

От Академии наук его избирают депутатом Съезда народных депутатов СССР. На Съезде он сказал: «Я условно поддерживаю Горбачева…». Привел причины, почему условно. Долго обосновывал предложение, что нужно принять декрет о власти… В ходе работы Съезда он несколько раз брал слово. Части депутатов это не нравилось, один из них высказал претензию: «Почему товарищу Сахарову разрешено с трибуны обращаться к народу Советского Союза? Не слишком ли много он берет на себя?» Сахаров дал ответ: «… Мое положение все-таки исключительное, я даю в этом себе отчет и чувствую на себе ответственность».

Еще он запомнился страстным выступлением в последний день съезда, говорил отчаянно, потрясал кулаками. В стенограмме ремарка — «шум в зале».

Андрей Дмитриевич Сахаров останется в судьбе страны как историческая фигура. Гении не бывают простыми. Сахаров не исключение: с одной стороны, выдающийся талант, а с другой — долгие годы жил в жестких рамках, заданных сталинским режимом. Таких людей, как Сахаров, нельзя судить привычными категориями.

Цитаты

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.

A-bomb

Для создания атомной бомбы необходимым и достаточным условием является получение делящегося материала в достаточном количестве. Работа довольно трудоемкая, но малоинтеллектуальная, лежащая ближе к горнорудной промышленности, чем к высокой науке. Основные ресурсы при создании такого оружия уходят на строительство гигантских урановых рудников и обогатительных комбинатов. Свидетельством простоты устройства является тот факт, что между получением необходимого для первой бомбы плутония и первым советским ядерным взрывом не прошло и месяца.

Напомним вкратце принцип работы такой бомбы, известный из курса школьной физики. В ее основе лежит свойство урана и некоторых трансурановых элементов, например, плутония, при распаде выделять более одного нейтрона. Эти элементы могут распадаться как самопроизвольно, так и под воздействием других нейтронов.

Высвободившийся нейтрон может покинуть радиоактивный материал, а может и столкнуться с другим атомом, вызвав очередную реакцию деления. При превышении определенной концентрации вещества (критической массе) количество новорожденных нейтронов, вызывающих дальнейшее деление атомного ядра, начинает превышать количество распадающихся ядер. Количество распадающихся атомов начинает расти лавинообразно, рождая новые нейтроны, то есть происходит цепная реакция. Для урана-235 критическая масса составляет около 50 кг, для плутония-239 — 5,6 кг. То есть шарик плутония массой чуть меньше 5,6 кг представляет собой просто теплый кусок металла, а массой чуть больше существует всего несколько наносекунд.

Наука Как спят слоны?

Собственно схема работы бомбы простая: берем две полусферы урана или плутония, каждая чуть меньше критической массы, располагаем их на расстоянии 45 см, обкладываем взрывчаткой и взрываем. Уран или плутоний спекается в кусок надкритической массы, и начинается ядерная реакция. Все. Существует другой способ запустить ядерную реакцию — обжать мощным взрывом кусок плутония: расстояние между атомами уменьшится, и реакция начнется при меньшей критической массе. На этом принципе работают все современные атомные детонаторы.

Проблемы атомной бомбы начинаются с того момента, когда мы хотим нарастить мощность взрыва. Простым увеличением делящегося материала не обойтись — как только его масса достигает критической, он детонирует. Придумывались разные хитроумные схемы, например, делать бомбу не из двух частей, а из множества, отчего бомба начинала напоминать распотрошенный апельсин, а потом одним взрывом собирать ее в один кусок, но все равно при мощности свыше 100 килотонн проблемы становились непреодолимыми.

Браво

Обойдя русских по красоте конструкции, американцы не смогли сделать свое устройство компактным: они использовали жидкий переохлажденный дейтерий вместо порошкообразного дейтрида лития у Сахарова. В Лос-Аламосе на сахаровскую «слойку» реагировали с долей зависти: «вместо огромной коровы с ведром сырого молока русские используют пакет молока сухого». Однако утаить секреты друг от друга обеим сторонам не удалось. Первого марта 1954 года у атолла Бикини американцы испытали 15-мегатонную бомбу «Браво» на дейтриде лития, а 22 ноября 1955 года над семипалатинским полигоном рванула первая советская двухступенчатая термоядерная бомба РДС-37 мощностью 1,7 мегатонн, снеся чуть ли не полполигона. С тех пор конструкция термоядерной бомбы претерпела незначительные изменения (например, появился урановый экран между инициирующей бомбой и основным зарядом) и стала канонической. А в мире не осталось больше столь масштабных загадок природы, разгадать которые можно было бы столь эффектным экспериментом. Разве что рождение сверхновой звезды.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2003).

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.