Водородное оружие

Принцип устройства водородной бомбы и другого водородного оружия основан на использовании термоядерной реакции с водородом. Разберемся в этом подробнее.

Для построения ядра гелия можно, например, воспользоваться двумя ядрами тяжелого водорода, каждое из которых состоит из одного протона и одного нейтрона. Если два ядра тяжелого водорода сблизить до расстояний порядка размеров атомных ядер, то они попадут в сферу действия весьма мощных сил ядерного притяжения, которые проявляются только в пределах таких ничтожно малых расстояний. Эти силы и соединят указанные частицы в устойчивую систему, представляющую собой ядро атома гелия.

Простое сближение двух атомов тяжелого водорода требует затраты очень большой работы на то, чтобы последовательно преодолевать электростатические силы взаимного отталкивания электронных оболочек, а затем еще более мощные электростатические силы взаимного отталкивания самих ядер.

Как только ядра атомов тесно сближаются друг с другом, ядерные силы совершают значительную работу. Возникающая за счет этой работы избыточная энергия отдается в окружающую среду посредством излучения подобно тому, как отдает свою энергию остывающее раскаленное тело.

Выделенная энергия при простом соединении ядер атомов тяжелого водорода, несомненно, будет больше той энергии, которую придется затратить на преодоление электростатических сил отталкивания. Но откуда взять энергию, необходимую для преодоления этих сил? Она получается путем предварительного очень сильного нагревания водорода до десятков миллионов градусов. При нагревании водорода до такой высокой температуры его атомы теряют свои электронные оболочки при первых же столкновениях с другими атомами. В результате среда оказывается состоящей из "голых" ядер и движущихся независимо от них электронов. Скорость теплового движения частиц достигает таких величин, что ядра водорода могут сближаться и соединяться друг с другом.

Такие реакции, при которых в результате сильного нагревания могут возникнуть процессы превращения ядер, называются термоядерными реакциями. Они протекают при сверхвысоких температурах и давлениях.

Однако все это касается только ядер атомов водорода. У других элементов ядра более сложные. А чем сложнее ядро, тем больше его заряд и тем выше нужна ему скорость для преодоления электростатических сил отталкивания. Следовательно, для образования ядер других элементов необходимо иметь еще более высокую температуру и давление. Отсюда становится ясным, почему именно водород оказался наиболее удобным исходным материалом для получения термоядерной реакции.

Принципиально для реакции синтеза можно применить и ядра легкого изотопа водорода, состоящие всего из одного протона, но практически на этом пути встречаются многие трудности. В частности, ядра легкого водорода не содержат нейтронов, которые входят в состав более тяжелых ядер, а содержат лишь протоны. Превращение протона в нейтрон возможно, но управлять таким процессом при образовании ядер очень сложно. Кроме того, скорость взаимодействия ядер легкого водорода так мала, что даже при самых высоких температурах реакция не имеет взрывного характера. Применяя тяжелый водород, содержащий в своих ядрах готовые нейтроны, можно избежать указанной трудности.

Наиболее целесообразно в качестве горючего водородной бомбы одновременно брать два изотопа водорода: тяжелый водород (дейтерий) и сверхтяжелый водород (тритий). Ядро трития состоит из двух нейтронов и одного протона. Реакция с дейтерием и тритием идет особенно быстро. Помимо этого, указанная реакция имеет и другие преимущества. Во-первых, энергии выделяется примерно в пять раз больше, чем при реакции с тяжелым водородом. Во-вторых, в этой реакции при образовании ядра гелия выделяется нейтрон, обладающий большой кинетической энергией, которая используется для поддержания сверхвысокой температуры. Тяжелый водород может быть выделен из тяжелой воды, получаемой путем электролиза обычной воды. В обычной воде содержится 0,02% тяжелой воды. Сверхтяжелый водород в естественных условиях не встречается. Он может быть получен в специальных установках как продукт ядерной реакции между ядрами лития и нейтронами. Тритий является радиоактивным изотопом водорода с периодом полураспада около 12 лет.

Таким образом, чтобы образовать ядра гелия из ядер водорода с выделением энергии, необходимо осуществить термоядерную реакцию с температурой в несколько десятков миллионов градусов. Единственным известным в настоящее время источником, с помощью которого можно осуществить нагрев вещества до таких температур, является атомный взрыв урановой или плутониевой бомбы. Вследствие этого обычная атомная бомба должна входить обязательной составной частью в конструкцию водородной бомбы и служить в качестве инициатора взрыва.

Принципиальную схему построения водородной бомбы можно представить себе следующим образом (рис. 4, а). Пусть водородное горючее, содержащее жидкие дейтерий и тритий (Д+Т), помещено в резервуар с теплонепроницаемой оболочкой. На рис. 4 она обозначена горизонтальной штриховкой. Эта оболочка необходима для того, чтобы дейтерий и тритий, помещенные в резервуар, как можно дольше сохранить в жидком состоянии.

Рис. 4. Схема устройства водородной (а) и водородно-урановой (б) бомб

Согласно некоторым иностранным данным теплонепроницаемая оболочка может состоять из трех слоев: внешний слой - твердый сплав, средний - твердая углекислота и внутренний - слой жидкого азота.

Поместим вблизи водородного горючего два удаленных друг от друга полушария из урана 235 или плутония. Для сближения этих полушарий используются заряды из обычного взрывчатого вещества, например тротила. Если одновременно подорвать заряды из тротила, то полушария соединяются, масса ядерного горючего доходит до критической, возникает цепная реакция и происходит взрыв атомной бомбы. При этом создаются условия для протекания термоядерной реакции, т. е. для взрыва водородной бомбы.

Кроме описанной выше схемы раздельного применения дейтерия и трития, возможны и другие варианты заряда водородной бомбы. Например, согласно американской печати заряд водородной бомбы может состоять из дейтерита лития. При взрыве детонатора - атомной бомбы - создается поток нейтронов, под действием которых из лития образуется тритий. Высокая температура, возникающая при взрыве атомной бомбы, создает условия для протекания термоядерной реакции с тритием и дейтерием.

Имеются сообщения в иностранной печати и о другой схеме построения водородной бомбы (рис. 4, б), в. которой происходит следующий процесс: расщепление - ядерное соединение - расщепление. В центральной части находятся атомная бомба, действие которой основано на расщеплении урана 235 или плутония, и дейтерит лития. Все это окружено оболочкой из обычного урана или урана 238. Действие бомбы происходит так: вначале взрывается атомная бомба, затем протекает термоядерная реакция с выделением большого количества нейтронов. Эти нейтроны вызывают расщепление ядер урана 238, образующего оболочку. Имеется предположение, что по такой схеме была построена водородная бомба, взорванная американцами 1 марта 1954 г. в атолле Бикини.

По сообщению американской печати, указанная схема построения водородной бомбы выгодно отличается от других схем тем, что мощность такой бомбы может быть во много раз увеличена по сравнению с водородной бомбой, у которой конечной стадией является термоядерная реакция. Действительно, энергия, высвобождаемая при каждом делении, равна приблизительно 200000000 э-в, т. е. она гораздо больше, чем энергия, высвобождаемая при ядерном соединении (при соединении ядер дейтерия и трития выделяется 17600000 э-в). Указывается, что в данном случае 80% энергии при взрыве может быть получено в результате расщепления урана. Преимуществом такой схемы якобы является то, что увеличение мощности взрыва происходит за счет относительно дешевого горючего (по сравнению, например, с дейтерием и тритием), каким является уран 238, применяемый в качестве оболочки.

По сообщению американской печати, главное преимущество описанной выше схемы построения водородной бомбы - возможность создать большую площадь заражения радиоактивными веществами. В докладе комиссии по атомной энергии говорится, что в результате испытания водородной бомбы 1 марта 1954 г. радиоактивность, созданная на большой площади (на площади 18000 км² радиация достигла опасной величины), почти целиком была вызвана продуктами деления. Анализ радиоактивности, проведенный японскими учеными, также подтверждает сказанное. Радиоактивность пыли, взятой на японском судне "Фукурюмару", а также радиоактивность частиц в дожде и в пойманной рыбе показали, что они определяются радиоактивными изотопами, представляющими собой продукты деления, если не считать частицы, испускавшие альфа-лучи, которые, вероятно, являлись трансурановыми элементами. Была обнаружена очень незначительная радиоактивность, вызываемая нейтронами.

В докладе комиссии по атомной энергии отмечается, что площадь, на которой доза радиации будет смертельной, возможно, во много раз больше площади, на которой опасность будет представлять ударная волна и световое излучение. Такой вывод выдвигает серьезную проблему предотвращения последствий радиоактивности. Последствия радиоактивности будут опасными не только в районе взрыва, но и далеко за его пределами. В самом деле, часть продуктов деления увлекается вместе с огненным шаром в верхние слои атмосферы, затем распространяется на большой площади земного шара, постепенно оседая на землю. В иностранной печати отмечается, что при проведении двух - трех испытаний указанных выше бомб ежегодно в течение 30 лет природная радиация увеличилась бы вдвое.

Есть основания полагать, что взрыв водородной бомбы по своей силе напоминает взрыв, происшедший при падении грандиозного метеорита в Сибири в районе Подкаменной Тунгуски в 1908 г. Этот метеорит вторгся в земную атмосферу с огромной скоростью, достигавшей 60 км/сек, и имел вес не менее миллиона тонн. При падении Тунгусского метеорита наблюдался ослепительный яркий болид - огненный шар, видимый на расстоянии в 600 км. Удары, последовавшие после падения метеорита, были слышны на расстоянии тысячи километров от места падения. Их зафиксировали сейсмографы и микробарографы многих станций. Этот взрыв повалил могучую сибирскую тайгу, вырвав с корнями деревья на площади в сотни квадратных километров.

Несомненно, что взрыв подобной силы может быть применен не только в военном деле, для разрушений, но и в мирных целях, в строительной практике. Он поможет быстро вскрывать карьеры для добычи полезных ископаемых, прокладывать крупнейшие каналы, возводить гидротехнические сооружения.

Легко рассчитать, что при одном и том же количестве ядерного горючего водородная бомба выделяет примерно в 5-6 раз больше энергии, чем атомная бомба. Кроме того, водородное ядерное горючее не имеет критической массы, как плутоний или уран. Водородное горючее можно брать в любом количестве и значительно увеличивать тем самым силу взрыва. Водородные заряды, так же как и атомные, могут применяться в авиационных бомбах, в ракетных снарядах, торпедах.

Блестящее открытие реального пути выделения энергии на основе термоядерной реакции с водородом раскрывает перед человечеством такие перспективы в овладении силами природы и в росте производительных сил, которые неизмеримо превосходят все известное ранее в области энергетики. Водородная энергия, за мирное применение которой ведет борьбу Советский Союз, качественно изменит положение человека в окружающем мире, позволит решать задачи межпланетных и межзвездных сообщений и преобразования нашей планеты на благо человечеству.