Текст книги "Шелест гранаты"

Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые, потеряв свою энергию, вернутся в шар («отразятся») и с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления (рис. 2.5). В процессе обмена нейтронами между замедлителем и делящимся веществом установится усредненная, пониженная в сравнении с той, с которой они рождаются, энергия нейтронов, вызывающих деление. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то можно сэкономить 20 кг U²³⁵ и все равно достичь критического состояния сборки. Заплатить за такую экономию придется временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение «затягивается». Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития в ней цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на совсем уж тепловых, например, в растворе солей урана в воде[30]30
  Вода – хороший замедлитель, поскольку содержит много ядер водорода, почти равных нейтронам по массе. Чтобы термализоваться, быстрому нейтрону требуется поучаствовать, в среднем, менее чем в 19-ти столкновениях с ядрами водорода, а с ядрами бериллия – впятеро больше. На первые столкновения быстрые (МэВные) нейтроны затрачивают ничтожное время, длительность термализации определяется в основном последними столкновениями, когда скорости нейтронов приближаются к тепловой.


[Закрыть], масса сборок – сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся в объеме пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, и цепная реакция прекращается. Затем пузырьки, всплывая, покидают жидкость и вспышка делений повторяется. Можно, конечно, закупорить сосуд, и тогда пар высокого давления разорвет его. Это будет типичный тепловой взрыв, опасность которого заключается не в мощности, а в радиационных эффектах.

Вот как описан в книге Р. Юнга «Ярче тысячи солнц» закончившийся трагично эксперимент доктора Слотина, правда, не с ураном, а другим делящимся веществом – плутонием (рис. 2.6).

«Задача состояла в том, чтобы достигнуть, но не превзойти критической точки самого начала цепной реакции, которую Слотин должен был немедленно прерывать, раздвигая полушария. Если бы он «проскочил» критическую точку или недостаточно быстро прервал начавшуюся реакцию в самом ее начале, то масса превзошла бы критическую величину и последовал бы ядерный взрыв…

Рис. 2.6

Слева: приспособления для отливки заготовки заряда из плутония. Правее: так обращался с содержащей плутоний сборкой доктор Слотин (фотография взята из отчета комиссии, расследовавшей одну из первых в истории ядерных аварий). Снимок справа вверху дает представление о такой аварии. Сфотографирован образец плутония, правда, не оружейного, как в опыте Слотина, а изотопа с массовым числом 238. Различия в ядерных свойствах «плутониев» даже более велики, чем «уранов»: в Pu²³⁸ не может возникнуть цепная реакция деления, но другие самопроизвольные ядерные реакции протекают столь интенсивно, что металлический Pu²³⁸ всегда пребывает в раскаленном состоянии; оружейный Pu²³⁹ сравнительно малоактивен (хотя его температура и превышает комнатную на несколько градусов), зато – способен к цепной реакции, которая при определенных условиях может быть взрывной. В опыте Слотина она такой не стала, но Pu²³⁹ раскалился, став на несколько секунд похожим внешне на Pu²³⁸. Еще один «беспокойный» изотоп – Pu²⁴⁰ – испускает нейтроны спонтанно и на четыре порядка более интенсивно, чем «оружейный» собрат. Высокий «примесный» нейтронный фон не позволяет применять полученный в реакторе плутоний в зарядах ствольного типа, таких, как примененный в бомбе, сброшенной на Хирошиму

…Неожиданно его отвертка соскользнула. Полушария сошлись слишком близко, и масса стала критичной. Мгновенно все помещение наполнилось ослепительным блеском. Слотин вместо того, чтобы укрыться и, возможно, спасти себя, рванул голыми руками оба полушария в разные стороны и прервал тем самым цепную реакцию».

Надеюсь, читателю очевидны «ляпы»: оказывается, человек в состоянии движениями рук прервать ядерный взрыв, а уж если таковой неминуем – может «укрыться» (уж не спрятавшись ли под стол?).

Авторам книги «Критические параметры систем с делящимися веществами и ядерная безопасность» удалось избежать безграмотного пафоса.

«Лос-Аламос, 1946 г. Случай неконтролируемой вспышки цепной реакции произошел на сборке, состоящей из плутониевой сферы[31]31
  Ошибка или неточность перевода. Сфера – геометрическое место точек пространства, равноудаленных от центра, то есть – поверхность. Правильно: «шаровой слой».


[Закрыть], облицованной никелем толщиной 0,13 мм (плотность плутония равнялась 15,7 г/см, общий вес – 6,2 кг), окружаемой бериллиевыми полуоболочками. Экспериментатор, регулируя зазор между полуоболочками отверткой, неожиданно выронил ее. Бериллиевые полуоболочки сомкнулись, что явилось причиной вспышки цепной реакции, в результате которой в сборке произошло 3 ·10¹⁵ делений. Физик, проводивший эксперимент, умер через девять дней в результате переоблучения дозой 900 рентген».

Оружейник-ядерщик, мельком взглянув на характеристики «сферы», скажет, не раздумывая: сборка была изготовлена для заряда, где одно поколение быстрых нейтронов сменяется другим, более многочисленным, за неимоверно короткое, неуловимое живыми существами время. Не будучи окружена замедлителем, «сфера» была подкритичной, безопасной. В присутствии замедлителя процесс, начавшись либо с нейтрона, рожденного в спонтанных реакциях всегда присутствующих в оружейном плутонии примесных ядер, либо – что менее вероятно – со случайно попавшего в сборку фонового[32]32
  Где бы вы не находились, такие нейтроны присутствуют рядом. Они летят из космоса, образуются в результате ядерных реакций в содержащихся в земле минералах. К счастью, фоновых нейтронов не так уж много.


[Закрыть] нейтрона, далее происходил на частицах, каждое поколение которых долго замедлялось, и потому не был взрывным. Цепь делений угасла сама, когда сборка раскалилась, а значит – расширилась. Дальнейшие действия физика предотвратили два неприятных последствия: другую вспышку делений после остывания сборки и загрязнение всего окружающего плутонием, который, раскалившись, мог и сбросить с себя защитную оболочку из никеля[33]33
  Контакта человека с очень ядовитым плутонием стараются избежать, нанося на детали электролитические покрытия из никеля или золота. Попадание в организм бериллия тоже пользы не принесет.


[Закрыть].

Вероятно, целью опыта было выяснить, безопасно ли монтировать сборку в заряд, окружая при этом замедляющим нейтроны бериллием. Пошли на жутковатый эксперимент потому, что во все времена далеко не все, что необходимо для реализации новых идей, можно было рассчитать. Упоминание «ослепительного блеска» следует отнести на счет эмоциональной реакции свидетелей аварии. На самом деле, это было неяркое фиолетовое свечение ионизованного гамма квантами воздуха (обычно в такой ситуации ощущается и сильный запах озона).

Важный вывод, который следует из разобранных примеров: излюбленный журналистами параметр – критическая масса – сам по себе не характеризует способность к взрыву. Для одного и того же делящегося вещества критические массы могут отличаться на порядки (в зависимости от его формы, плотности, присутствия замедлителя), причем, даже если такая масса собрана и цепная реакция происходит, взрывной она бывает отнюдь не всегда.

Ранее упоминавшийся U²³⁵ ключевую роль во многих областях уступил плутонию 239, ядро которого при делении испускает в среднем 2,895 нейтрона – больше, чем U²³⁵(2,452). К тому же в плутонии ниже сечения нейтронных реакций, не вызывающих деления.

Плутоний многолик: в разных интервалах температур он может существовать в фазах числом в полдюжины, с плотностями от 14,7 до 19,5 г/см³. «Тяжелый» плутоний предпочтителен во многих отношениях, за исключением одного: в этой (альфа) фазе он очень хрупок. Поэтому легирующей присадкой фиксируют дельта фазу[34]34
  Для этого в плутоний добавляют галлий (менее 1 % по весу). По сравнению с другими подходящими для легирования трехвалентными металлами, у галлия наименьшее сечение захвата нейтронов.


[Закрыть], проигрывая в плотности чуть более 20 %, но получая пластичный и хорошо обрабатываемый металл. Уединенный шар Pu²³⁹ становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар U²³⁵, а главное – при меньшем радиусе, что очень важно, поскольку позволяет снизить габариты критической сборки.

Впрочем, «двести тридцать третий» изотоп урана позволяет достичь критичности при массе сборок меньшей, чем в случае плутония, правда, ненамного. И получают его при облучении нейтронами тория, которого в земной коре содержится втрое больше, чем урана. Но U²³³ не вытеснил плутоний: уж очень интенсивно испускает гамма кванты сопутствующий ему изотоп с массовым числом 232. Брать в руки U²³³ – «чревато».

Известны и другие делящиеся изотопы. В 60-х годах из них грозились сделать «атомные пули», но когда их действительно выделили в осязаемых количествах и исследовали, оказалось, что «оружейные» их преимущества сомнительны, а стоимость – умопомрачительна[35]35
  Кандидатами на такое применение были кюрий-245 и калифорний-251. Позже выяснилось, что критические массы уединенных шаров из них уступают плутониевому всего лишь в 4 и 10 раз соответственно и в пулю их не затолкать. Стоимость же непомерна потому, что в ядерном реакторе, где нейтроны вызывают ядерные реакции, по завершении которых и появляется оружейный изотоп, он сразу же начинает делиться, причем – активнее, чем реакторное топливо (сравним критические массы!). Наработать такие изотопы за одну загрузку реактора можно в количестве, годном разве что для анализов.
  А вот при ядерном взрыве плотность нейтронного потока огромна, и она быстро спадает, что практически сводит на нет «выгорание». Такой способ более экономичен, но не реализуется по двум причинам: во-первых, ядерные взрывы запрещены; во-вторых, оружейные кюрий и калифорний и в этом случае более чем на порядок дороже полученных аналогично плутония или урана-233.


[Закрыть].

…От пуль «страшной разрушительной силы» пришлось защищаться и автору – в 90-х годах, на заседании комиссии, созданной для рассмотрения изобретения, связанного, правда, не с делением, а с применением так называемого «холодного синтеза», о котором тогда верещали газетные заголовки. Синтезом называют процесс слияния легких ядер. О настоящем, протекающем при огромных температурах и сопровождаемом выделением значительной энергии, синтезе речь впереди, а изобретение касалось «холодного», якобы возможного при температурах комнатных: изобретатели обещали «стреляя из пулемета, поливать противника стамиллиметровыми снарядами».

«Холодный синтез» считало шарлатанством большинство авторитетов в области ядерной физики, но к их мнению в подобных ситуациях надо относиться с осторожностью, потому что человеческая психика устроена так, что вторжение на свою территорию, будь то квартира или возделываемое поле – воспринимается с крайним неудовольствием. Правда, наука не принадлежит кому-либо лично, но это унылое утверждение верно лишь формально, а на самом деле – парадигма «Земля принадлежит тем, кто ее обрабатывает»[36]36
  Лозунг партии социалистов-революционеров (эсэров), до и некоторое время после Октябрьского (1917 г.) переворота – союзников большевиков. Затем они были объявлены «врагами народа», со всеми вытекающими последствиями, как для самих эсэров, так и для их лозунгов.


[Закрыть] сидит одинаково крепко как под крестьянским треухом, так и (пусть и в слегка отредактированном виде) под академической шапочкой.

Теоретики обычно стремятся оценить осуществимость предложения, опираясь на известные законы, но дело в том, что и верные законы могут «работать» по-разному, в зависимости от формулировки задачи. И потом: даже если и задача сформулирована и все преобразования проделаны безупречно – как быть с численными значениями величин, от которых зависит ответ «да, возможно» или «нет, невозможно»? Если все они точно известны – есть ли в предложении новизна? А если их приходится выбирать, руководствуясь интуицией, вряд ли такой метод отличается от того, сущность которого можно сформулировать как: «Рожа мне его не нравится…» или: «С такими ногами, девушка, в стриптизерки надо пойти, а не по комиссиям шляться…»

Автор прикинул, противоречит или нет рассматривавшееся предложение ранее известным, проверенным фактам. Доказательства, представленные изобретателями, при этом во внимание, конечно, не принимались: на столе лежали броне плиты с отверстиями, в которые можно было просунуть кулак, но ведь такой результат можно получить и не от «пуль холодного синтеза», а просто прилепив к плите кусок пластита и приладив к нему детонатор…

В обеденный перерыв пришлось съездить домой за книгой Глесстона «Действие ядерного оружия», а после перерыва – попросить специалистов по ядерным реакциям отдохнуть и задать изобретателям вопросы, проверяя, правильно ли занесены в протокол ответы на них.

В: Вы утверждаете, что источником энергии у вас является синтез, неважно – «холодный» или «горячий»?

О: Да.

В: Согласны ли вы, что в каждом акте синтеза выделяется свободный нейтрон?

О: Да.

В: Верно ли, что энерговыделение при взрыве вашего устройства эквивалентно взрыву нескольких килограммов ВВ?

О: Да.

В: У меня в руках книга Глесстона, там приведены данные об энергии, выделяющейся в акте синтеза – 17 Мэв, что соответствует 2,7-10^-12 Дж, вы согласны?

О: Да.

В: А где лично вы находились при проведении опытов?

О: В блиндаже, метрах в десяти. А какое это имеет значение?

Имело это такое значение, что в каждом из опытов должно было выделиться по 10¹⁹-10²⁰ нейтронов: достаточно было поделить заявленное значение энерговыделения в опыте на энерговыделение в одном акте синтеза, чтобы в том убедиться. В десяти метрах от смертельной дозы нейтронов не мог спасти ни один блиндаж.

Все стали мусолить книгу, раздалось неуверенное беканье изобретателей, что, может, у них и «не выделялись нейтроны», на что последовал заготовленный ответ: «Тогда вам надо не размениваться на прикладные мелочи, а сначала заявить об открытии совершенно нового класса ядерных реакций». Далее диалог продолжался вполне предсказуемо.

– Мы не намерены вступать в споры об открытии, есть эффект – и всё!

– Тогда следует продемонстрировать на полигоне, как и чем проделываются дырки в бронеплитах, а не затевать дискуссии о так называемом холодном синтезе…

Конечно, на этом активность первопроходцев не иссякла, впоследствии до автора доходили отголоски скандалов на эту тему, но на заседания комиссий его больше не приглашали.

Механические поражения в результате взрывных эффектов ядерных реакций начинают превалировать над радиационными, если энерговыделение в сборке превысит несколько тераджоулей (что соответствует примерно килотонне тротилового эквивалента)[37]37
  Энерговыделение ядерного заряда характеризует энергию его взрыва и, по смыслу, должно выражаться в Джоулях, но принято использовать внесистемную единицу (тротиловый эквивалент): вес тринитротолуола, содержащего равное количество энергии. Применение такого сравнения без оглядки на различия процессов чревато ошибками: во-первых, оно возможно только на достаточном удалении, поскольку температура, давление и другие параметры вещества вблизи ядерного взрыва недостижимы для взрыва обычного ВВ; во-вторых, соотношение каналов распределения энергии (на формирование УВ, на проникающую радиацию и т. д.) неодинаково для взрывов в разных средах.


[Закрыть]. Если бы даже «атомные пули» и были созданы, то такое мини-оружие по всем меркам было бы ядерным и после его применения остались бы неоспоримые улики: продукты реакций и наведенная нейтронами радиоактивность, а это дало бы противнику право ответить на «пулеметные» экзерциции полноценным ядерным ударом…

.. В НИИ авиационной автоматики (НИИАА, позднее – ВНИИА) я попал по распределению – для выполнения дипломной работы. Чтобы понять принципы действия «авиационной автоматики», вернемся к нашим сборкам.

Поверхность сборки (рис. 2.7а), содержащей плутоний («черная сердцевина»), искусственно увеличивают, выполняя ее в форме шарового слоя (полой внутри) и заведомо подкритичной, даже – и для тепловых нейтронов, даже – и после окружения ее замедлителем

(слой желтоватого цвета). Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд, также образующий шаровой слой. Читатель и сам догадывается, для чего нужен взрыв: чтобы рвать, метать, деформировать. Но чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве хоть и уменьшить радиус сборки, но сохранить ее благородную форму шара, для чего подорвать слой взрывчатого вещества одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно со всех сторон. Для этого служит детонационная разводка из поликарбоната – также в форме шарового слоя, плотно прилегающего к заряду взрывчатки.

Рис. 2.7

Анимация: перевод сборки в сверхкритическое состояние при имплозии. Справа – «система многоточечного инициирования»: тонкая полоска целлулоида с обернутой вокруг нее нихромовой проволокой, взятой из «сгоревшего» паяльника. Эта полоска укладывается по периферии «заряда» (оранжевого цвета) и при подаче тока инициирует реакцию в бихромате по внешней поверхности

…Предположим, у нас есть всего один детонатор, но кроме него – взрывчатка, по консистенции напоминающая пластилин, причем скорость ее детонации очень стабильна. Попробуем сначала одновременно «развести» детонацию только в две точки. Сначала просверлим в нужных местах два отверстия. Далее, взяв циркуль и, поочередно помещая его ногу в отверстия, произвольным, но одинаковым радиусом сделаем две засечки. Процарапаем или отфрезеруем (но на небольшую, меньшую, чем толщина разводки глубину) две прямые канавки, ведущие от отверстий к точке пересечения засечек. Плотно забьем и канавки и отверстия взрывчатым «пластилином», а в точке пересечения канавок установим наш единственный детонатор. Когда он сработает, детонация пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, а поскольку скорость ее высокостабильна – в один и тот же момент времени достигнет отверстий. В отверстия также забит взрывчатый «пластилин», в отличие от канавок, находящийся в контакте с основным зарядом, поэтому его детонация «заведет» и основной заряд – одновременно и в двух требуемых точках.

Для инициирования в трех точках задача усложнится. Вспоминаем планиметрию (правда, у нас поверхность не плоская, а сферическая, но – пойдем на такое упрощение): через три точки можно провести окружность одного-единственного радиуса (в центр ее и поместим детонатор), делать засечки произвольным радиусом уже нельзя. Для четырех точек – следующая ступень усложнения: одну из них (ближайшую к детонатору) придется соединять с детонатором не прямой, а ломаной канавкой, чтобы обеспечить равное с остальными тремя время пробега детонации.

А если точек – несколько десятков, да еще они должны равномерно покрывать всю сферическую поверхность заряда? Такая задача для сферической поверхности решается с применением методов геометрии Римана. Элемент разводки выглядит как на рис. 2.8, и не на всяком станке, даже – с числовым программным управлением, его можно изготовить, зато применение разводки позволило существенно уменьшить диаметры зарядов, по сравнению с первыми образцами, в которых для тех же целей использовались детонационные линзы. Кроме того, для заряда с разводкой необходимы всего несколько электродетонаторов в специальных, плоских розетках (рис. 2.9), в то время как для каждого «линзового» заряда их требуются десятки (рис. 2.10).

Рис. 2.8

Слева – элемент детонационной разводки. Справа – детонационная линза, состоящая из взрывчатых веществ с разной скоростью детонации (у внешнего слоя она выше). Форма зарядов подобрана так, что если инициировать этот конус на вершине, то к его основанию придет детонационная волна сферической формы

Рис. 2.9

Детали боевого блока: носовая часть и розетки электродетонаторов

Рис. 2.10

Макет, предназначенный для демонстрации экскурсантам принципа имплозии, оснащен несколькими десятками «детонаторов». Натурный заряд такого типа требует значительно большего энергообеспечения системы инициирования и менее надежен по сравнению с устройством, в котором используется многоточечная детонационная разводка

…Как-то автору потребовалось сформировать сходящуюся к оси цилиндрическую волну. Конечно, восемь использованных им электродетонаторов не были «товарами народного потребления» из тех, что используют в забоях и штреках. Все восемь были соединены последовательно, но, несмотря на то, что запускающий их импульс максимально форсировали, данные скоростной съемки показали, что они не сработали одновременно (рис. 2.11). Для устройства автора такое катастрофой не явилось: исследуемое явление не было очень уж чувствительно к симметрии сжатия. Ядерный заряд в аналогичной ситуации слегка «недодал» бы энерговыделения: отклонение формы сборки от шаровой увеличило бы потери нейтронов.

Рис. 2.11

Верхний ряд, снимки 1 и 2: цилиндрическая имплозия. Там, где детонационные волны сталкиваются, давление и температура значительно выше, поэтому области столкновений на снимках ярко светятся. Измерив по фотографии расстояние между центром точки инициирования и границей такой области и зная скорость детонации ВВ, можно определить, какое время прошло с момента инициирования до столкновения волн. Электродетонатор, находящийся в позиции, соответствующей положению часовой стрелки «полтретьего», сработал раньше других (примерно на 0,4 микросекунды): для этой точки инициирования упомянутое расстояние больше среднего значения. Начавшаяся раньше детонация «успела» расширить свой сектор за счет соседей и раньше «толкнула» находящийся в центре объект, нарушив симметрию сжатия. От этого опыта остался и «свидетель» – медный электрод (справа), на обратной поверхности которого, в местах столкновения детонационных волн, заметны откольные явления.

Такие же наглядные снимки сферической имплозии получить невозможно, поэтому внутри метаемого взрывом шарового слоя размещается «башня» с множеством контактных датчиков различной длины (нижний левый снимок). Сжимаемый имплозией шаровой слой последовательно замыкает эти датчики, что дает возможность, зарегистрировав моменты замыкания, определить элементы движения слоя. Левее – детонаторы, применявшиеся в ядерных зарядах: вверху – мостиковый, ниже – высоковольтные, не содержащие инициирующего ВВ. Справа – контейнер для боекомплекта

Первые «атомные» электродетонаторы срабатывали от накаливания током тончайшей проволочки: от нее воспламенялась, а затем детонировало инициирующее ВВ, передавая детонацию бризантному. Была до тонкостей «вылизана» технология изготовления таких детонаторов, и все равно готовые изделия «калибровали», выбирая те, которые минимально отличались друг от друга по параметрам. Такие образцы объединяли в «боекомплект» и хранили в специальных опломбированных контейнерах. Потом от детонаторов с мостиком накаливания отказались по соображениям безопасности: из-за наличия инициирующего ВВ они могли сработать при нагревании, да и токовые импульсы от разного рода наводок могли привести к подрыву и – в самом безобидном случае – к рассеиванию плутония, каковое к приятным обстоятельствам никак не отнесешь. Поэтому перешли на «безопасные» детонаторы: в них нет инициирующего ВВ, а формирует в бризантном ВВ ударную волну, трансформирующуюся в детонационную, канал высоковольтного разряда. Понятно, что для срабатывания таких детонаторов нужно больше энергии, чем для мостиковых, но – безопасность превыше всего!

…Остается доделать всякую ерунду: завинтить крышки, подключить кабели, ведущие к розеткам электродетонаторов (рис. 2.12)… Впрочем, что значит– «ерунду»? Операции при сборке «авиационной автоматики» только одной категории – «ответственные»! Выполняются они «тройкой». Один громко, с внятной артикуляцией, зачитывает пункт инструкции: «Затянуть гайку, позиция… ключом позиция… с моментом…». Второй повторяет услышанное, берет поименованные в соответствующих позициях инструкции гайку и ключ, снабженный измерителем момента, «затягивает». Третий контролирует правильность зачитывания, повторения, соответствие «позиций» и показания измерителя момента. Потом все трое расписываются в соответствующей графе за проведенную операцию (одну из многих тысяч подобных), и каждый знает: в случае чего – «следствие, протокол, отпечатки пальцев…» Таинство производило сильное впечатление на тех, кому довелось быть его свидетелями, в том числе – на С. Королева, который позже внедрил аналогичный порядок и в космической отрасли.

Рис. 2.12

Верхний и центральный ряды – иллюстрации процесса монтажа первого имплозивного заряда «Гаджет» (заимствованы из подлинной американской инструкции). 1 – детали из плутония; 2 – полоний-бериллиевый источник нейтронов; 3 – герметизирующая прокладка рифленого золота; 4 – капсула из урана-238; 5 – сегменты ВВ; 6 – элемент шарового слоя из алюминия. Конструкция ядерного заряда «Гаджета» иная, чем изображенная на анимации (рис. 2.7): в нем нет замедлителя нейтронов, вместо него плутониевый шар окружен слоями отвального урана и алюминия. Импеданс алюминия повыше, чем у продуктов детонации ВВ, поэтому после имплозии давление ударной волны в нем повышается (рис. 1.8). Оно повышается еще раз при переходе волны в уран, одна только плотность которого выше, чем у алюминия более чем в семь раз! Массивный шаровой слой отвального урана повышает также инерционность сборки, «давая» плутонию больше времени для деления (торцевые поверхности капсулы 4 – сферические, одного радиуса с этим слоем). Нижний ряд, слева: процесс монтажа. Снимок явно инсценирован, предназначен для публикации в журнале, логотип которого виден внизу. На самом деле, ядерный заряд монтируют не «на коленке», а на станке, позволяющем поворачивать изделие в двух плоскостях, обеспечивая свободный доступ к любому из элементов (правее)

Работа заряда начинается с момента, когда мощный высоковольтный импульс одновременно подрывает все детонаторы. Огоньки детонации с постоянной скоростью (около 8 км/с) разбегаются по канавкам, а пройдя их – ныряют в отверстия и одновременно во множестве точек «заводят» заряд (рис. 2.76). Далее следует сходящийся внутрь[38]38
  Такой инициируемый одновременно во многих точках на внешней поверхности и распространяющийся внутрь заряда взрыв называют имплозией. Считается, что термин введен в обращение американскими разработчиками ядерных зарядов, но автору удалось обнаружить его в книге А. Штеттбахера «Пороха и взрывчатые вещества», изданной еще в 1919 году (в русском переводе – в 1936 г.). Там этим термином описывается схлопывание газов в область разрежения (пример такого процесса – лопнувшая лампочка).


[Закрыть] взрыв (рис. 2.7в), который сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии исчезает полость (рис. 2.7 г), а плотность его – увеличивается, сжимаемая сборка «проскакивает» критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.

…Не знаю, как решит читатель, по-моему – кинограмма рис. 2.7 выглядит довольно живописно. Но, как говаривал товарищ Семплеяров[39]39
  Персонаж романа М. Булгакова «Мастер и Маргарита».


[Закрыть]: «Разоблачение совершенно необходимо. Без этого ваши блестящие номера оставят тягостное впечатление. Зрительская масса требует объяснения!»

«Зрительская масса» наверняка догадалась, что сфотографирован не взрыв настоящего ядерного заряда. Но на кинограмме – вообще не взрыв, а анимация. Вместо взрывчатого вещества использован оранжевый порошок бихромата аммония (с его помощью детям демонстрируют «вулкан»), «Плутоний» сделан из подкрашенного черной тушью поролона, а «замедлитель» – из термореактивного кембрика, сжимающегося при нагревании. В отличие от детонации взрывчатки, реакция в бихромате идет медленно и можно рассмотреть (и сфотографировать самой обычной, даже «телефонной», камерой), как фронт реакции «сходится» к сборке. Существенная некорректность модели в том, что «плутониевая» сборка становится «сверхкритичной» при сжатии ее нагреваемым кембриком, а не «взрывчаткой».

Но все описанное и смоделированное – детонация заряда, перевод сборки в сверхкритическое состояние – еще не ядерный взрыв. Ядерный взрыв начинается, когда через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в более чем две сотни МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке – инерция[40]40
  Инерционность сборки – важное условие развития цепной реакции. В некоторых ядерных зарядах плутониевый шар окружен слоем U²³⁸, не участвующим в делении, но повышающим инерционность, за счет чего успевает прореагировать больше плутония. В 70-х, когда оптические квантовые генераторы стали достаточно мощными, в СССР появился проект энергетической установки, в которой плутониевый шарик массой в миллиграммы и радиусом в полмиллиметра, подвергался всестороннему их облучению. Испарение поверхности шарика носило взрывной характер, и плутоний сжимался до такой плотности, что достигалось сверхкритическое состояние. Надеялись, что энергия микровзрыва составит пару мегаджоулей, но она практически не выделялась: малоинерционный шарик разлетался прежде, чем в нем успевали достаточно развиться цепи деления. Необходимо было существенно увеличить размер шарика, но эквивалент энерговыделения в одном цикле поднялся бы при этом до десятка тонн тротила, что влекло за собой такое увеличение размеров взрывной камеры (ведь она должна быть неразрушаемой) и повышение мощности лазеров, что строить установку было признано бессмысленным.


[Закрыть]: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на сантиметр, требуется придать веществу ускорение в десятки триллионов раз превышающее ускорения земного притяжения! В конце концов, вещество все же разлетается, прекращается деление, но не интересные события: энергия перераспределяется между тяжелыми, ионизованными осколками разделившихся ядер, другими испущенными при делении заряженными частицами, а также электрически нейтральными гамма квантами и нейтронами. Энергия продуктов реакций – порядка десятков и даже сотен МэВ, но только гамма кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом, из которого была сделана сборка и покинуть зарождающийся огненный шар ядерного взрыва.

Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение, правда, уже не «жесткое» ядерное, а более «мягкое», с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы «выбить» у атомов электроны – не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из «голых» ядер, «ободранных» с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр[41]41
  Попытайтесь представить, как хорошо можно «загореть» под светом, приобретшим плотность алюминия.


[Закрыть] – все то, что было зарядом – приходит в некое подобие равновесия. Температура в совсем «молодом» огненном шаре (рис. 2.13а) – десятки миллионов градусов. Если шар захватывает сталь, она превращается в ветер[42]42
  «Железный ветер в лицо» ощущают политработники, строчащие книги с такими названиями, а регистрируют скоростной напор и турбулентные «завихрения» в стали специальные датчики.


[Закрыть].

Казалось бы, даже и «мягкое», но двигающееся с максимально возможной скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в «холодном» воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры и двигаются они не по прямой, а при каждом взаимодействии переизлучаясь, меняя направление движения. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем как вишневый сок, вылитый в стакан с водой.

Рис. 2.13

Образование ударной волны при ядерном взрыве происходит вследствие двух причин: при мощном взрыве ее формирует расширяющаяся плазма нагретого радиационной диффузией воздуха; при взрыве малой мощности – то же делает «плазменный пузырь» из вещества, бывшего до взрыва зарядом (снимок «а», сделанный с выдержкой 10 не, в увеличенном по сравнению с остальными масштабе). Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма. «Усы», выступающие в нижней части – превращенные излучением в плазму тросы, поддерживавшие металлическую «этажерку», на которой был установлен заряд. Плотность ядер в конденсированном веществе (металле) тросов на много порядков больше, чем в окружающем воздухе, поэтому и плотность энергии, отдаваемой им распространяющимся излучением, выше. Эти взаимодействия сопровождаются высвечиванием разнообразных квантов. Используется накачка излучением и в рентгеновских лазерах). В дальнейшем рентгеновским излучением вокруг пузыря (он виден в центре снимка «б») из воздуха образуется полностью ионизованная плазма; затем плазменный пузырь распадается, а его остатки «подпирают» изнутри слой горячей плазмы («в»); далее эти остатки вырождаются в струи («г»), плазма огненного шара остывает, становится непрозрачной, но интенсивно излучает в видимой части спектра («д»); наконец – формируется ударная волна, а интенсивность излучения снижается. Подобраны наиболее наглядные снимки, полученные при различных испытательных взрывах

Такое называют радиационной диффузией. Тепловая энергия вещества пропорциональна четвертой степени его температуры, поэтому на этой стадии она «умещается» в небольшом объеме. «Молодой» огненный шар через несколько десятков наносекунд после завершения мощной[43]43
  В приводимом примере число делений в десятки триллионов раз больше, чем в эксперименте доктора Слотина. Оно соответствует делению примерно 5 кг Pu²³⁹ (это не означает, что заряд содержал именно столько плутония: его было существенно больше, остальной разлетелся, не разделившись). Тротиловый эквивалент такого взрыва – 100 килотонн.


[Закрыть] вспышки делений имеет радиус три метра и температуру почти 8 млн. кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 метров, правда, температура падает – около миллиона градусов.

Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: диффундирующее излучение передать ему значительный импульс не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы. К тому же изнутри шар распирает то, что раньше было зарядом. Полностью ионизованный воздух прозрачен, и на фотографиях можно увидеть (рис. 2.136) этот плазменный сгусток в центре.

Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. Ее, конечно, ничто не «надувает»: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра. Через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета – более сотни километров в секунду, а гидродинамическое давление в веществе – более 150 тысяч атмосфер! Чересчур уж тонкой стать оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри» (рис. 2.13в). Кстати, если все произошло на небольшой высоте, то плазма теряет форму шара, что видно из фотографий. Там, где вещество заряда ударяет в грунт, давление и температура умножаются по сравнению со значениями на «свободном» фронте. Такой удар способен поразить самые высокозащищенные цели, такие как шахты МБР.