От деления к синтезу: как устроена нейтронная бомба

В этой статье мы расскажем о еще более мощных боеприпасах синтеза

Популярная механикаHi-Tech

От деления к синтезу: как устроена нейтронная бомба

«Популярная механика» уже писала о современном ядерном оружии на основе зарядов деления. В этой статье мы расскажем о еще более мощных боеприпасах синтеза.

Александр Прищепенко

За время, прошедшее после первого испытания в Аламогордо, прогремели тысячи взрывов зарядов деления, в каждом из которых добывались драгоценные знания об особенностях их функционирования. Знания эти подобны элементам мозаичного полотна, причем оказалось, что «полотно» это ограничено законами физики: снижению габаритов боеприпаса и его мощности кладет предел кинетика замедления нейтронов в сборке, а достижение энерговыделения, существенно превышающего сотню килотонн, невозможно из-за ядерно-физических и гидродинамических ограничений допустимых размеров докритической сферы. Но сделать боеприпасы более мощными все же возможно, если вместе с делением заставить «работать» ядерный синтез.

Деление плюс синтез

Топливом для синтеза служат тяжелые изотопы водорода. При слиянии ядер дейтерия и трития образуется гелий-4 и нейтрон, энергетический выход при этом — 17,6 МэВ, что в несколько раз больше, чем при реакции деления (в пересчете на единицу массы реагентов). В таком топливе при нормальных условиях не может возникнуть цепная реакция, так что количество его не ограничено, а значит, у энерговыделения термоядерного заряда нет верхнего предела.

463d6cf28b7d13081faec05b5774e199.jpg

Однако для того, чтобы началась реакция синтеза, нужно сблизить ядра дейтерия и трития, а этому мешают силы кулоновского отталкивания. Для их преодоления нужно разогнать ядра навстречу друг другу и столкнуть. В нейтронной трубке при реакции срыва на ускорение ионов высоким напряжением тратится большая энергия. А вот если разогреть топливо до очень высоких температур в миллионы градусов и сохранить его плотность на протяжении необходимого для реакции времени, оно выделит энергию куда большую, чем та, которая затрачена на нагрев. Именно благодаря этому способу реакции и оружие стали называться термоядерными (по составу топлива такие бомбы также называют водородными).

Для нагрева топлива в термоядерной бомбе — в качестве «запала» — и нужен ядерный заряд. Корпус «запала» прозрачен для мягкого рентгеновского излучения, которое при взрыве опережает разлетающееся вещество заряда и превращает в плазму ампулу, содержащую термоядерное топливо. Вещество оболочки ампулы подобрано так, что его плазма существенно расширяется, сжимая топливо к оси ампулы (такой процесс называют радиационной имплозией).

Дейтерий и тритий

Дейтерий «примешан» к природному водороду в еще примерно впятеро меньших количествах, чем «оружейный» уран — к обычному. Но разность масс у протия и дейтерия — двойная, поэтому процессы их разделения в противоточных колоннах более эффективны. Тритий же, подобно плутонию-239, не существует в природе в ощутимых количествах, его добывают, воздействуя мощными нейтронными потоками в ядерном реакторе на изотоп лития-6, получая литий-7, который распадается на тритий и гелий-4.

Как радиоактивный тритий, так и стабильный дейтерий оказались опасными веществами: подопытные животные, которым вводились соединения дейтерия, умирали с симптомами, характерными для старости (охрупчивание костей, потеря интеллекта, памяти). Этот факт послужил основой теории, в соответствии с которой смерть от старости и в естественных условиях наступает при накоплении дейтерия: через организм в процессе жизнедеятельности проходят многие тонны воды и других соединений водорода, и более тяжелые дейтериевые компоненты постепенно накапливаются в клетках. Теория объясняла и долгожительство горцев: в поле земного притяжения концентрация дейтерия действительно незначительно убывает с высотой. Однако многие соматические эффекты оказались противоречащими «дейтериевой» теории, и в итоге она была отвергнута.

Изотопы водорода — дейтерий (D) и тритий (T) — при нормальных условиях представляют собой газы, достаточные количества которых сложно «собрать» в устройстве разумных размеров. Поэтому в зарядах используют их соединения — твердые гидриды лития-6. По мере того как синтез самых «легкозажигаемых» изотопов разогревает топливо, в нем начинают протекать и другие реакции — с участием как содержавшихся в смеси, так и образовавшихся ядер: слияние двух ядер дейтерия с образованием трития и протона, гелия-3 и нейтрона, слияние двух ядер трития с образованием гелия-4 и двух нейтронов, слияние гелия-3 и дейтерия с образованием гелия-4 и протона, а также слияние лития-6 и нейтрона с образованием гелия-4 и трития, так что и литий оказывается не совсем уж «балластом».

…Плюс деление

Хотя энерговыделение двухфазного (деление + синтез) взрыва может быть сколь угодно велико, значительная его часть (для первой из упомянутых реакций — более 80%) уносится из огненного шара быстрыми нейтронами; их пробег в воздухе составляет многие километры, и поэтому они не вносят вклад во взрывные эффекты.

3ea7c54953f7cceadb791fedb83fb2f2.jpg

Если же необходим именно взрывной эффект, в термоядерном боеприпасе реализуется еще и третья фаза, для чего ампула окружается тяжелой оболочкой из урана-238. Нейтроны, испускаемые при распаде этого изотопа, имеют слишком малую энергию для поддержания цепной реакции, но зато уран-238 делится под действием «внешних» высокоэнергетичных термоядерных нейтронов. Нецепное деление в урановой оболочке дает прибавку энергии огненного шара, иногда превышающую даже вклад термоядерных реакций! На каждый килограмм веса трехфазных изделий приходится несколько килотонн тротилового эквивалента — они существенно превосходят по удельным характеристикам другие классы ядерного оружия.

Однако у трехфазных боеприпасов есть очень неприятная особенность — повышенный выход осколков деления. Конечно, двухфазные боеприпасы тоже загрязняют местность нейтронами, вызывающими практически во всех элементах ядерные реакции, не прекращающиеся и спустя многие годы после взрыва (так называемая наведенная радиоактивность), осколками деления и остатками «запалов» (в процессе взрыва «расходуется» всего 10−30% плутония, остальное разлетается по окрестностям), но трехфазные превосходят их в этом отношении. Превосходят настолько, что некоторые боеприпасы даже выпускались в двух вариантах: «грязных» (трехфазных) и менее мощных «чистых» (двухфазных) для применения на территории, где предполагались действия своих войск. Например, американская авиабомба В53 выпускалась в двух идентичных по внешнему виду вариантах: «грязном» В53Y1 (9 Мт) и «чистом» варианте В53Y2 (4,5 Мт).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

ТУ-95МС: ракетоносец ядерной триады ТУ-95МС: ракетоносец ядерной триады

ТУ-95МС часто называют «Медведем»

Популярная механика
Последний рубеж: что делать женщине-CEO, когда она достигла вершины карьеры Последний рубеж: что делать женщине-CEO, когда она достигла вершины карьеры

Дальнейшая карьера – болезненный вопрос для женщин-генеральных директоров

Forbes
Под водой? Над водой? Под водой? Над водой?

Поговорим о мостах и тоннелях, служащих переправами между близкими частями суши

Популярная механика
10 фактов о фильме «Берегись автомобиля» 10 фактов о фильме «Берегись автомобиля»

Зачем нам Зорро и Робин Гуд, когда у нас есть Юрий Деточкин

Maxim
Судьба разведчика Судьба разведчика

Под покровом секретности на Урале в 1962 году случился международный скандал

Популярная механика
Как пользоваться акриловой пудрой для укрепления ногтей Как пользоваться акриловой пудрой для укрепления ногтей

Тонкие поврежденные ногти быстро ломаются и не держат маникюр?

Cosmopolitan
Как и зачем восстанавливать сломанные отношения Как и зачем восстанавливать сломанные отношения

Рассказываем, как восстанавливать отношения, не забывая о собственных интересах

РБК
Как выбрать правильное кольцо для помолвки Как выбрать правильное кольцо для помолвки

Как изменилась мода на помолвочные кольца?

GQ
Кельтский клад золотых монет внесен в Книгу рекордов Гиннеса Кельтский клад золотых монет внесен в Книгу рекордов Гиннеса

Самый большой монетный клад, когда-либо обнаруженный на Британских островах

National Geographic
Стойкие тихоходки: мощь в миниатюре Стойкие тихоходки: мощь в миниатюре

Крохотные обитатели мхов защищают свою ДНК от самых суровых нападок природы

National Geographic
Windows 7 перестали обновлять: на какую ОС переходить? Windows 7 перестали обновлять: на какую ОС переходить?

Какие альтернативы Windows 7 существуют

CHIP
Пластик-шейминг и другие поводы (не)заслуженно пристыдить знакомых Пластик-шейминг и другие поводы (не)заслуженно пристыдить знакомых

Ликбез по новым видам шейминга, чтобы попытаться оправдать пристыженных

РБК
Связи с общественностью Связи с общественностью

Основательница бренда I AM STUDIO — о новых правила общения с клиентами

OK!
10 историй о происхождении типичных шуток из голливудских фильмов 10 историй о происхождении типичных шуток из голливудских фильмов

Американский юмор не такой тупой, как ты думаешь

Maxim
Женская дружба: неписаные правила Женская дружба: неписаные правила

Порой непрошеный совет или критика могут положить конец давней дружбе

Psychologies
Мариэтт Линдстин: Секта с Туманного острова. Отрывок из книги Мариэтт Линдстин: Секта с Туманного острова. Отрывок из книги

София ищет своё истинное предназначение

СНОБ
Властелин обручального кольца: история единственной любви Дж. Р. Р. Толкина Властелин обручального кольца: история единственной любви Дж. Р. Р. Толкина

Его книги стали классикой, а фильмы по ним вошли в золотой фонд кинематографа

Psychologies
Как правильно пользоваться Википедией Как правильно пользоваться Википедией

Как ссылаться в споре на Википедию и не краснеть

Maxim
Империя Чаек: как построили свой бизнес сыновья генпрокурора Империя Чаек: как построили свой бизнес сыновья генпрокурора

За годы сыновья Юрия Чайки построили настоящую бизнес-империю

Forbes
Смотреть подано: 10 крутых фильмов 2019 года Смотреть подано: 10 крутых фильмов 2019 года

Любите ли вы кино, как любим его мы?

Популярная механика
От заката до рассола. Краткий курс молодого бойца с похмельем От заката до рассола. Краткий курс молодого бойца с похмельем

Ящик ценных советов по борьбе с похмельем

Maxim
Какое подогреватель двигателя лучше поставить на автомобиль? Какое подогреватель двигателя лучше поставить на автомобиль?

Какие бывают подогреватели двигателя и как их правильно выбрать

CHIP
«Никто не знал, кто мой папа»: Алеся Кафельникова о том, как стала одной из главных российских моделей, России и отце «Никто не знал, кто мой папа»: Алеся Кафельникова о том, как стала одной из главных российских моделей, России и отце

Алеся Кафельникова — начинающая модель и популярный инста-блогер

Forbes
Сюрреализм — это я! 9 фактов о Сальвадоре Дали Сюрреализм — это я! 9 фактов о Сальвадоре Дали

Самые невероятные истории из жизни знаменитого сюрреалиста

Вокруг света
Эффект плацебо Эффект плацебо

Что такое эффект плацебо и можно ли его использовать в медицине?

Psychologies
Охрана, титулы и деньги: 8 неудобных вопросов о жизни принца Гарри и Меган Маркл Охрана, титулы и деньги: 8 неудобных вопросов о жизни принца Гарри и Меган Маркл

Страсти почти улеглись, но остались вопросы о жизни принца Гарри и Меган Маркл

Cosmopolitan
Альтернативный гид по Милану Альтернативный гид по Милану

Гид по Милану, в котором мы не забыли даже о роскошных итальянских женщинах

GQ
Вступив в эпоху электричества... Вступив в эпоху электричества...

До сих пор существует проблема преобразования сил природы в электроэнергию

Наука и жизнь
«Моя крепость»: почему женщины предпочитают жить отдельно от партнеров «Моя крепость»: почему женщины предпочитают жить отдельно от партнеров

В обществе до сих пор бытует мнение, что все женщины мечтают выйти замуж

Psychologies
Москва вошла в число самых дорогих городов мира для миллиардеров Москва вошла в число самых дорогих городов мира для миллиардеров

По каким критериям оценивают Москву миллиардеры?

Forbes
Открыть в приложении