Ядерное оружие История создания Испытания

На главную раздела
Ядерная физика

Ледоколы

Первая АЭС
Карта сайта

Термоядерное оружие в США: история создания.

  О термоядерной бомбе начали, наверное, подумывать уже сразу после создания бомбы атомной. Однако официально о начале работ по термоядерной программе в США заявил президент Труман 30 января 1950 года. В числе причин к этому немалое место занимало испытание Советским Союзом атомной бомбы осенью 1949. Правда, на тот момент, отсутствовали сколько-нибудь хорошие идеи по поводу практического создания термоядерной бомбы большой мощности (порядка нескольких мегатонн). Основную идею - обжатие излучением - высказали уже позже Станислав Улам и Эдвард Теллер (Stanislaw Ulam, Edward Teller). Эта исследовательская программа завершилась взрывом в 1952 устройства Mike, первого термоядерного устройства мегатонного класса Ivy Mike в 10.4 Мт.

Проблемы термоядерного синтеза

    Безусловно, в то время (40-е - начало 50-х) Советский Союз находился в роли догоняющей стороны, такое положение можно объяснить множеством объективных причин. О них, как и о создании термоядерного оружия в СССР читайте здесь. Первенство же в создании "настоящих" термоядерных зарядов принадлежит США.
    Кандитатами на роль "применимых" термоядерных реакций могут быть:
   (1) D + T -> He4 + n + 17.588 MeV
   (2) D + D -> He3 + n + 3.268 MeV
   (3) D + D -> T + p + 4.03 MeV
   (4) He-3 + D -> He4 + p + 18.34 MeV
   (5) Li-6 + n -> T + He4 + 4.78 MeV
   (6) Li-7 + n -> T + He4 + n - 2.47 MeV
    При температурах, достигаемых в атомных бомбах, реакция (1) проходит в 100 раз быстрее, чем следующие (реакции 2 и 3 вместе взятые). Это объясняет очень сильное желание использовать тритий в первых термоядерных экспериментах. Реакции (2) и (3), в свою очередь, в 10 раз быстрее реакции (4). При этом скорость всех этих процессов (1-4) экспоненциально растет с температурой. При повышении температуры, в ходе набирающего обороты синтеза, скорость реакции (4) превышает скорость реакций (2)+(3) вместе взятых. Реакции (5) и (6) строго говоря не являются термоядерными. Это обычные реакции деления, происходящие при захвате литием нейтрона в нужном энергетическом диапазоне. Зато в их ходе выделяется очень ценный тритий, который не останется без дела. Реакция Li-6 + n требует нейтрона с энергией несколько MeV, Li-7 + n - нейтрона не менее 4 MeV. [an error occurred while processing this directive]
    Используя легкую для поджога, но чрезвычайно дорогую дейтериево-тритиевую смесь, возможно инициировать заметную реакцию даже при обычной плотности термоядерного горючего, используя лишь тепло от атомного взрыва (50-100 млн. градусов). Правда изотоп водорода H3 - тритий - дорог в производстве (на порядок дороже оружейного плутония), да и к тому же нестабилен (радиоактивен). Это делает его непригодным к использованию. Остается H2 - дейтерий - вполне доступное горючие для реакций (2), (3). Чистый дейтерий как таковой был использован лишь однажды - во время Ivy Mike. Его недостаток - дейтерий должен был быть очень сильно сжат или сжижен при криогенной температуре - непрактично. Проблема решается путем комбинирования дейтерия с литием в химическое соединение - дейтерид лития. При этом за счет деления лития производится большое количество трития для реакции (1).
    Все сложности с реакциями синтеза упираются лишь в три ключевых условия:
- обеспечить высокую скорость протекания реакции (сиречь высокую температуру);
- сохранить предыдущее условие на время, достаточное для:
- такое время, чтобы энергетический выход, пропорциональный произведению скорость_реакции*время_ее_удержания, заставил всех ужаснуться.

История создания

    Ключевую роль в создании работоспособной схемы устройства зарядов большой мощности принадлежит Эдварду Теллеру и Станиславу Уламу.
 
Проект №1. "Классический супер" ("The Classical Super").
    В 1942 году, в Лос-Аламосе, из-за конфликта Оппенгеймера с Теллером, который считал себя обиженным, из-за того, что место главы теоретического отдела было отдано не ему, Оппенгеймер отстраняет Теллера от проекта атомной бомбы и переводит на изучение возможностей создания водородной бомбы.
    Тогда-то Э.Теллер впервые и выдвинул идею устройства, получившего название "классический супер". Относительно целостный вид она приобрела к концу 1945 г. Идея состояла в разжигании термоядерной реакции в жидком дейтерии при помощи тепла от атомного заряда.
    Однако термоядерное горение сильно отличается от горения (детонации) обычного ВВ. Оно не прекращается позади распространяющегося фронта горения, а продолжает идти до исчерпания топлива либо пока расширение не охладит его.
    Разработка этого подхода потребовала решения двух задач: как вообще поджечь топливо и будет ли такое горение самоподдреживающейся реакцией.
    Несмотря на гигантские температуры и плотности энергии при атомном взрыве, первая проблема далеко не так проста. Около 80% энергии выделяется в виде мягких рентгеновских лучей, но ионизированный водород практических прозрачен для них (дистанция распространения составляет сотни метров). Таким образом, рентген непосредственно не может качественно прогреть топливо. Оставшиеся 20% энергии представляют собой кинетическую энергию электронов и осколков деления. Эта энергия, переносимая в виде ударной волны, может передаваться топливу. Сверх этого, около 1% энергии выходит вместе с быстрими нейтронами, но они отдают свою энергию при взаимодействии с водородом достаточно тонкому слою (~8 см толщиной). Итак, необходим достаточно мощный заряд, в сотни килотонн, чтобы инициировать реакцию.
    Вторая проблема, будет ли термоядерное горение устойчивым и эффективным, крайне сложна для решения. В ней участвуют множество факторов: энергообразование, вопросы переноса энергии продуктами реакции (ионами, нейтронами, электронами), потери энергии в результате обратного комптон-эффекта и т.д.
    Вскоре выяснилось, что прямой нагрев дейтерия не обеспечит условий горения и что даже атомный взрыв недостаточно горяч для этого. Для старта потребовалось введение в смесь сверхдорогого трития. Реакция (1) должна была обеспечить повышение температуры до условий дейтериево-дейтериевого синтеза. Наряду с крайней непрактичностью использования трития встал дополнительный вопрос: продолжится ли горение после перехода в чистый дейтерий? Изучение проблемы "классического супера" продолжалось всю войну и далее, до конца 1950 г.
    В конце концов выяснилось что даже несмотря на большие количества трития (3-5 кг, производство которых потребовало бы отказаться от изготовления 220-500 кг плутония), в окружающей атомный заряд стартовой дейтерий-тритиевой смеси, достич стабильного термоядерного горения в таком устройстве невозможно. Сечение реакции синтеза дейтерий-дейтерий раза в 2-3 меньше, чем то требуется для реализации "супера".
    Исследования зашли в тупик.
 
Проект №2. Будильник ("Alarm Clock").
    В конце августа 1946 г. Э.Теллер выдвинул идею, альтернативную "классическому суперу", которую он назвал "Alarm Clock". Этот проект был переоткрыт в СССР А. Д. Сахаровым, а в США никогда не реализовывался. Поэтому его детальное описание находится в Советской термоядерной программе.
 
Проект №3. Схема Теллера-Улама.
    В конце 50-го - начале 1951 годов Станислав Улам занимался проблемой усовершенствования делящихся ядерных зарядов. Поскольку эффективность их целиком завязана на степени компрессии делящегося материала, он предложил использовать один заряд атомный заряд для обжатия другого. Очень здравая идея ибо сила атомного взрыва превышает мощность химического в миллионы раз. Это позволило бы добиться гораздо большего сжатия и эффективности.
    Очень скоро он расширил эту идею до обжатия емкости с термоядерным горючим. Это было ключевым моментом - устройство емкости с горючим в виде отдельной капсулы (второй ступени заряда) и применение атомной бомбы (на первой ступени) для обжатия второй.
    Было далеко не очевидно, что подобная конструкция может как-либо помочь в реализации термоядерного проекта. При постоянной температуре скорость реакций в топливе возрастает линейно с ростом сжатия, так же поступает и скорость рассеяния энергии за счет тормозного излучения. Так что баланс производства и потери энергии не меняется. По этой причине Теллер долго считал сжатие горючего неэффективным средством для усовершенствования "классического супера".
    Однако, не все физические процессы изменяются одинаково при компрессии. В то время, как производство и потери энергии изменяется линейно с плотностью, то масштабы всей системы изменяются обратно пропорционально кубическому корню от степени сжатия. Так, если произошла компрессия в 1000 раз, то вещество уменьшилось в размерах по каждому из трех измерений в 10 раз. Это влечет за собой несколько важных последствий. Во-первых, термоядерное горючие находится в очень удобном для поджога состоянии. Во-вторых, средний пробег нейтронов уменьшается в 1000 раз, а фотонов в миллион раз. Таким образом, нейтроны разогревают узкую зону, помогая распространению области горения, а поглощение фотонов ведет к важному явлению - исключению потерь энергии на тормозное излучение.
    Улам, проделавший подобные расчеты, был ключевой фигурой в обосновании выгод от компрессии топлива. Следующим шагом было воплощение идеи в материале. Проект Улама не содержал никаких идей по реализации сжатия капсулы с топливом энергией атомного взрыва. Первоначальный замысел по использованию ударной волны провалился - на практике реализовать ее фокусировку на вторую ступень практически невозможно. Эдвард Теллер предложил план получше.
    Изучив перенос энергии в ходе цепной реакции деления, он обнаружил, что большая часть энергии выделяется в виде излучения, а отнюдь не в виде кинетической энергии осколков деления. И более того, излучение справится со своей задачей быстрее и эффективнее механического обжатия. Ключевая идея Теллера сейчас известна как схема радиационной имплозии. Подробно об этом принципе читайте в статье схема радиационной имплозии: схема Теллера-Улама. А в караткой версии она выглядит так.
    Рентгеновские лучи, излучаемые пусковым атомным зарядом, достигают по специальному радиационному каналу капсулы из урана (свинца) с термоядерным горючим. Уран очень активно поглощает излучение, превращается в плазму и очень сильно сжимает горючие (до 1000 раз). Очень важно предотвратить преждевременный нагрев топлива, так как это чрезвычайно снизит степень компрессии.
    Однако даже в сжатое 1000 раз и разогретое до миллионов градусов топливо еще не способно к термоядерному горению. Хотя в принципе проводились эксперименты, в которых внутри топлива достигалась "термоядерная" температура, при схождении волны сжатия к центру капсулы. Если же такого разогрева не происходит, реакции надо "помочь" разгорется - путем размещения в центре плутониевого стержня. После сжатия стержень переходит в сверхкритическое состояние и в результате реакции деления температура повышается до нужных высот.
    Совместный отчет Теллера и Улама от 09.03.51 вывел американскую программу по созданию новых бомб колоссальной мощности на финишную прямую.

Эксперименты и испытания

    Первый американский термоядерный эксперимент George состоялся в ходе операции Greenhouse 8 мая 1951 года. Устройство по конструкции представляло собой диск 2.6 м в диаметре и 0.6 м толциной с просверленным осевым отверстием. Отверстие, сжатое при взрыве до узкого канала, проводило тепловое излучение к маленькой камере из оксида бериллия (BeO), содержащей несколько граммов дейтериево-тритиевой смеси при криогенной температуре.
Испытание Greenhouse George 20msИспытание Greenhouse George
Не только тепловое излучение разогревало капсулу до температур реакции синтеза, давление в стенках из оксида бериллия приводит к их взрыву и сжатию термоядерного топлива, ускоряя его возгорание. Тепловое излучение, распространяясь быстрее фронта ударной волны, дает время произойти реакции синтеза до того, как все поглотит огненный шар взрыва. Выход энергии от синтеза в этом устройстве очень невелик по сравнению с выходом энергии от деления ядер урана.
    Так же во время Greenhouse была испытана бомба с термоядерным усилением. Небольшой по мощности термоядерный заряд, находящийся рядом с ядром осуществляет интенсивную дополнительную поставку нейтронов в зону реакции деления. Это удваивает силу взрыва. Устройство Item имело в качестве топлива смесь дейтерия с тритием, охлажденную до жидкого состояния. Смесь находилась внутри ядра из обогащенного урана.
    Для ускорения разработок в июле 1952 года правительство США организовало второй оружейный ядерный центр - Ливерморскую национальную лабораторию им. Лоуренса.
    31 Октября 1952 года испытан заряд Mike, мощностью 10.4 Мт. Это было первое устройство, созданное по принципу Теллера-Улама. Получившее название "колбаса", это устройство весило около 80 тонн.
Испытание Ivy MikeИспытание Ivy Mike
В качестве термоядерного топлива использовался жидкий дейтерий. Несмотря его на большое количество, 77% (8 Мегатонн) выхода энергии обеспечило деление уранового корпуса заряда и только остаток (2.4 мегатонны), приходился на реакцию синтеза.
 
    Доведено до боевого состояния это оружие оказалось в 1954 году. Испытания прошли в ходе операции Castle. В этом году на вооружение США поступили в ограниченном количестве первые термоядерные бомбы - огромные и тяжелые мастодонты, предназначенные к использованию на "крайний случай". Это были: EC-16, транспортабельная версия устройства Ivy Mike (масса 19 т, заряд 8 Мт); TX-14, первая бомба с твердым термоядерным топливом (масса 14 т, заряд 7 Мт); и EC-17, серийная версия устройства Runt I, испытанного в Castle Romeo (масса 17 т, заряд 11 Мт). Все эти заряды изготовлены сериями по 5 шт. Кроме того, имелось 10 EC 24, прототипов Mk-17/24, один испытан в Castle Yankee.
    28 Февраля 1954 года состоялся эксперимент Bravo, 15 Мт, в котором применялось высокоэффективное термоядерное горючее - дейтерид лития. Содержание изотопа Li6 - 40%. Это был первый американский эксперимент с этим видом топлива. Мощность взрыва в 2.5 раза превысила ожидаемую. Такие результаты полностью изменили программу испытаний. При этом все криогенные проекты моментально устарели. Масса заряда - 10 тонн, длина - 456 см, диаметр - 137 см.
Испытание Castle Bravo, заряд ShrimpИспытание Castle Bravo, ангарИспытание Castle Bravo
    Американцы осознали перспективность нового твердого горючего гораздо позже советских ученых. Лишь в мае 1952 г. в Ок-Ридже началось строительство завода по производству Li-6, а в эксплуатацию он был пущен только в середине 1953 г, поэтому на момент проведения испытаний в серии Castle наблюдался недостаток обогащенному по Li6 дейтерида лития. Это привело к испытанию заряда на необогащенном термоядерном топливе: Castle Romeo.
    26 Марта 1954 года - Romeo (боеприпас EC-17), мощность - 11 Мт. Масса заряда - 18 тонн, длина - 570 см, диаметр - 155 см. Горючее - дейтерид лития, содержание Li6 - 7.5%.
Испытание Castle Romeo
    25 Апреля 1954 года испытано устройство EC-14, с содержанием Li6 - 95%. Энерговыделение - 6.9 Мт. Масса заряда - 12.5 тонн, длина - 386 см, диаметр - 155 см.
Испытание Castle Union
    4 Мая 1954 года произведен эксперимент Yankee (боеприпас EC-24) . Мощность взрыва - 13.5 Мт. Это изделие было полностью аналогично испытанному в Romeo, но в нем применялся вместо природного лития обогащенный до 40 % по Li6. Это дало прибавку мощности в 2.5 Мт.
    13 Мая 1954 года состоялся эксперимент Nectar. Испытывался заряд с уменьшенными массо-габаритными показателями. Масса - 2.8 т, заряд - 1.6 Мт, длина - 280, диаметр 88 сантиметров. По сравнению с весом остальных зарядов, эта бомба выглядит совсем небольшой. Первоначально она разрабатывалось как атомная бомба с обжатием излучением, по концепции Станислава Улама, в которой один атомный заряд сжимает второй. Ее мощность планировалась в диапазоне сотен килотонн. Идея сделать внешний корпус второй ступени из обогащенного урана, вместо природного была сохранена, и проект развился до включения термоядерного горючего (дейтерида лития и тритий) для усиления мощности. В итоге получилась радиационно обжимаемая атомная бомба с термоядерным усилением. Проект выиграл в весе, но применение в нем дорогого и отсутствующего на тот момент в должных количествах материала - высокообогащенного лития сдерживало производство до 55-го года.
 
    Операция Castle - была серией испытаний прототипов новых зарядов, начавших поступать в больших количествах в следующем, 1955 году.
Наследник Castle Nectar, Mk-15: длина - 340 - 350 см, масса - 3447 кг, заряд - 1.69 Мт (Castle Nectar), 3.8 Мт (Redwing Cherokee), производились 4/55 - 2/57; сняты 8/61 - 4/65; 1200 произведено.
Наследник Castle Romeo, Mk-17: длина - 742 см, масса 19,050 кг, заряд 15 Мт, производство 7/54 - 11/55; сняты с вооружения 11/56 - 8/57; изготовлено 200.
Наследник Castle Bravo, Mk-21 с ядром, содержащим 95% литий-6: длина - 375 см, масса - 8029 кг, заряд 5 Мт, производились 12/55 - 7/56; сняты 6/57 - 1//57; произведено 275.
Наследник Castle Romeo, Mk-24: длина - 742 см, масса 19,050 кг, заряд 15 Мт, производство 7/54 - 11/55; сняты с вооружения 9/56 - 10/56; изготовлено 105.
 
    Подобные испытание открыли дорогу к дальнейшему совершенствованию термоядерного оружия - уменьшению его массы, увеличению заряда. В 1956 году состоялось испытание Redwing Cherokee (наследника Castle Nectar), прототипа бомбы Mk-15. Энерговыделение составило 3.8 Мт, масса 3.1 т, длина - 345 см, диаметр - 88 см. Важное отличие этого заряда от испытанных ранее - он был конструктивно оформлен в виде авиабомбы и впервые в США было произведено бомбометание термоядерного устройства с самолета.

Антон Волков

На основе материалов The High Energy Weapons Archive
На основе материалов РФЯЦ-ВНИИЭФ

На главную сайта DVOIKA.NET