История ракетно-ядерной гонки США и СССР - Евгений Вадимович Буянов

Дефект массы при взрыве составлял 600 мГ – энергетически от 13 до 18 кТ ТЭ. Масса бомбы 4400 кг, длина 3 м, диаметр 71 см. Взрыв произведён на высоте 576 м над землёй. Потери в Хиросиме (начальные и окончательные): 90–166 тыс. человек.

Примечание. В известном фильме «Девять дней одного года» отец спрашивает Гусева: «Ты «бомбу» делал?» И тот отвечает: «Делал, Батя. А если бы не делал, – так не было бы у нас этого разговора. И половины человечества в придачу…». А в другом фрагменте Гусев сообщает жене, что у него уже был случай, когда он «схватил» изрядную долю радиации. Когда делал эксперимент по определению критической массы «жидкого урана». А почему «жидкого»? Да потому, что в условиях сильного сжатия и высоких температур при инициализации ядерного взрыва металл заряда не может быть в твёрдом состоянии – он жидкий… Конечно, эта фраза – из художественного кинофильма, но в ней есть объективный физический смысл. Таких фраз в фильме немало. Это очень глубокий фильм, – смысл некоторых фраз из него дошёл до нас спустя много лет после первого просмотра ещё в детстве. В частности, слова Гусева дают ответ на вопрос, зачем нужны были огромные затраты на создание ЯО, и за что советские учёные-физики отдавали своё здоровье и свои жизни.

Для «Толстяка» пушечная схема оказалась непригодной. Наличие в плутонии значительных долей изотопа-240 делало процесс активации взрыва по «пушечной схеме» очень нестабильным. Плутоний-240 испускал много нейтронов, которые вызывали преждевременную реакцию заряда с его распылением до достижения необходимой критической массы и, как следствие, – неэффективный взрыв заряда с малой мощностью – «хлопо́к»). «Пушечная схема» оказалась для плутониевой бомбы неприемлемой, поскольку требовала примерно в 100 раз большей скорости соединения зарядов в критическую массу для достижения требуемых параметров инициации заряда. Очистить же плутоний-239 от изотопа-240 было заметно сложнее, чем уран-235 от урана-238 из-за малой разницы в весе атомов этой пары изотопов (240–239=1, а 238–235=3).

Для инициирования плутониевого заряда и перевода его в критическое состояние требовалось сжать его со всех сторон с очень большой силой, с давлением в тысячи атмосфер, причём с очень большой – космической скоростью. Это можно выполнить только с помощью мощного взрывчатого вещества со скоростью горения 7–8 км в с. Привлечённая к этой работе группа Сета Неддельмейера из артиллерийско-технического отдела Пентагона столкнулась с большими трудностями: следовало создать сферическую волну взрыва, направленную не только наружу, но и внутрь для сжатия заряда. Путь для решения проблемы предложил Джеймс Так – английский физик из Манчестера, изучавший кумулятивные эффекты и прибывший в США вместе с другими британскими учёными. В мае 1944 года своё мнение, подкреплённое расчётами, высказал и ведущий британский специалист по гидродинамике Джеффри Тейлор. На основе заключений этих специалистов физики Лос-Аламоса пришли к выводу, что единственно правильным решением будет создание системы «взрывных линз», создающих сферическую волну, направленную внутрь. Оппенгеймер создал два отдела для решения проблемы: отдел «G» («gadget» – устройство), продолжавший разработку бомбы «Толстяк» и отдел «Х» (Explosives – сжатие).

Во главе отдела «Х» Оппенгеймер поставил американского физика русского происхождения Георгия Кистяковского. Скоро в этот отдел входило около 600 специалистов, в том числе 400 физиков и инженеров. Они провели сотни опытов с взрывами, тщательно отрабатывая конструкцию по результатам многочисленных своих измерений и расчётов. Сложный заряд имел три слоя из «быстрой» и «медленной» (внутренний слой) взрывчатки и составлялся из 32-х сегментов взрывчатки, которые складывались в сферу, окружавшую пушер – наружную часть заряда плутония. Схема конструкции бомбы «Толстяк» приведена на рисунке. Благодаря взрыву наружных слоёв взрывчатки, они удерживали взрыв внутреннего слоя так, что в его центре, создавались очень высокие температура и давления в центре, сжимавшие расположенный здесь заряд.

Бомба «Толстяк» (MARK-III) – конструктивная схема «имплозивного типа» с линзами взрывчатки (см. [5], c. 54).

Термин «имплозия» применяется для взрывных процессов со сжатием внутренней зоны в начальный момент взрыва. В отличие от «эксплозии», – взрыва с расширением фронта из центральной точки инициируемого заряда. При «имплозии» происходит детонация взрыва по поверхности, на которой находятся инициирующие заряды для подрыва, – при этом волна взрыва распространяется от этой поверхности и внутрь заряда с его сжатием, и вне заряда с его расширением. В результате сжатия внутреннего заряда ядро из плутония сжимается до плотности, примерно в 2 раза большей, чем в начальном состоянии (15,6 г/см3), и это сжатие вызывает уменьшение критической массы заряда в 4 раза. В результате заряд становится «надкритическим» и взрывается от возникшей в нём цепной реакции деления. Реакцию убыстряет и усиливает ядерный инициатор – мощный источник нейтронов («Урчин»), который тоже срабатывает при сильном сжатии заряда.

В центре красного заряда Плутония-239 на рисунке «Толстяка» виден источник нейтронов – инициатор. А снаружи – плотная оболочка из отражателя нейтронов, сжимаемая снаружи зарядами из обычной взрывчатки, снабжёнными синхронными электродетонаторами по всей наружной поверхности сферы в центрах сферических шестиугольников. Система подрыва резервирована и содержит несколько ступеней безопасности, которые надо «снять» на носителе перед сбросом бомбы.

Для эффективного начала цепной реакции внутри заряда (на рисунке – красного цвета) из двух полушарий Плутония-239 помещали инициатор «Урчин» (Urchin – «Ёжик») – источник нейтронов. Источники нейтронов обычно изготавливали из бериллия и изотопов тяжёлых металлов, самораспадающихся с «альфа-распадом», – полония-210, плутония, кюрия, калифорния, актиния. Альфа-частица (быстро летящий ион атома гелия) при соединении с бериллием Ве превращалась в ядро углерода С с выходом нейтрона n (нижний индекс – атомный номер, а верхний – атомный вес – в формуле они сбалансированы):

24α(Не) + 49Ве →612С + 01n

В бомбе «Толстяк» инициатор состоял из полого бериллиевого шарика диаметром 2 см и толщиной 0,6 см, на внутренней поверхности которого имелось 15 клиновых выемок (щелей глубиной 2,09 мм). Плоскости всех выемок параллельны одна другой. Поверхность выемок покрыта слоем золота толщиной 0,1 мм и слоем радиоактивного полония-210 (11 мг). Внутри этого шара помещен сплошной бериллиевый шарик (0,8 см), поверхность которого также покрыта слоем золота и полония (см http://pratom.ru/bomba/atom_littleboy-fatman3.htm https://biography.wikireading.ru/4216). В обычном состоянии поток альфа-частиц, испускаемый полонием, поглощался слоем золота и не испускал сильного потока нейтронов (который мог вызвать раннюю инициацию до сжатия заряда). Но при общем сжатии заряда слои золота разрушались, и инициатор «вспыхивал» потоком нейтронов в 95 миллионов частиц в секунду, вызывавшим цепную реакцию деления. Нейтроны имеют хорошую проникающую способность (много большую, чем альфа-частицы) и большую скорость – они легко покидают источник и вызывают реакции деления урана или плутония. Уран и Плутоний