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
20 песен, которые чаще всего звучат в кинофильмах 20 песен, которые чаще всего звучат в кинофильмах

Список песен, которые ты точно слышал в кинофильмах

Maxim
Системный администратор Системный администратор

Почему айтишники считают премьера Михаила Мишустина главным CIO страны

Forbes
«Соня из 7-го Буээ» Алексея Олейникова и Тимофея Яржомбека — рэп-комикс о буллинге «Соня из 7-го Буээ» Алексея Олейникова и Тимофея Яржомбека — рэп-комикс о буллинге

Это рэп-комикс о буллинге, настоящая поэма, высмеивающая школьные порядки

Esquire
Как просмотреть программы в автозагрузке Windows 10, если заблокирован Диспетчер задач Как просмотреть программы в автозагрузке Windows 10, если заблокирован Диспетчер задач

Что делать, если вирус заблокировал Диспетчер задач

CHIP
ФСБ откликается на призывы ФСБ откликается на призывы

Участие ФСБ в делах об экстремизме все расширяется

РБК
Большой брат из Apple: как производитель iPhone читает личную переписку для борьбы с преступностью Большой брат из Apple: как производитель iPhone читает личную переписку для борьбы с преступностью

Как корпорация Apple перехватывает противозаконный контент

Forbes
Экспорт зерна вновь хотят ограничить Экспорт зерна вновь хотят ограничить

Введение ежегодных квот на вывоз зерна может привести к убыткам производителей

Эксперт
8 шагов к эмоциональной устойчивости 8 шагов к эмоциональной устойчивости

Среди советов о том, как пережить трудности, мы выбрали 8 самых действенных

Psychologies
Гороскоп и тест Ахматовой: 6 способов проверить твою совместимость с мужчиной Гороскоп и тест Ахматовой: 6 способов проверить твою совместимость с мужчиной

Собрали лучшие способы проверить вашу совместимость

Cosmopolitan
Пять раз отмерь Пять раз отмерь

Главные ошибки филантропов и основателей частных благотворительных фондов

Forbes
Разоблачены 5 лунных мифов Разоблачены 5 лунных мифов

Существует огромное количество мифов о Луне и о том, чем вызваны ее изменения

Популярная механика
Что мы знаем о смехе: какое место в мозге занимает юмор, почему щекотка вызывает смех и почему мы реагируем на шутки по‑разному Что мы знаем о смехе: какое место в мозге занимает юмор, почему щекотка вызывает смех и почему мы реагируем на шутки по‑разному

О смехе крыс, о смерти от смеха и других явлениях, связанных с юмором

Esquire
Kosmo как предчувствие Kosmo как предчувствие

Как реконструкция офисного здания может способствовать его выгодной продаже

Forbes
Какой мультипекарь лучше выбрать: оптимальные модели для дома Какой мультипекарь лучше выбрать: оптимальные модели для дома

Чем отличаются мультипекари и на что обращать внимание при покупке

CHIP
Как я живу с булимией Как я живу с булимией

Наша героиня рассказывает о непростом пути к себе настоящей

Домашний Очаг
Владимир Познер — о том, что такое гениальность Владимир Познер — о том, что такое гениальность

Познер рассказывает, как узнал от отца, чем гений отличается ото всех остальных

Esquire
Гид для начинающих любителей БДСМ Гид для начинающих любителей БДСМ

Вам придется разобраться в том, что значат все эти слова

GQ
Странный древний червь отбросил ноги и обзавелся трубкой Странный древний червь отбросил ноги и обзавелся трубкой

Это самое древнее из известных животных, избавившееся от ненужных частей тела

National Geographic
Маленький, но гордый: история боевика и революционера Нестора Лакобы Маленький, но гордый: история боевика и революционера Нестора Лакобы

Нестор Лакоба — редчайший представитель партийных деятелей сталинской эпохи

Maxim
Как решиться на создание семьи Как решиться на создание семьи

Современные молодые люди все позже задумываются о создании семьи

Psychologies
Кардиограмма Кардиограмма

От звезды нью-йоркского стрип-клуба до королевы соцсетей и сцены

Vogue
Особое приглашение Особое приглашение

20 главных направлений 2020-го года

National Geographic Traveler
Сколько пауков в день съедает человек: наука против мифов Сколько пауков в день съедает человек: наука против мифов

Каждый человек случайно проглатывает восемь пауков в год

Популярная механика
Гостинг, мостинг, касперинг: новые жестокие тренды в отношениях Гостинг, мостинг, касперинг: новые жестокие тренды в отношениях

Какие опасные тренды в отношениях появились сейчас

Psychologies
Все под контролем: на что мы можем повлиять, а на что — нет Все под контролем: на что мы можем повлиять, а на что — нет

Откуда берется уверенность, что мы управляем ситуациями?

Psychologies
Эпизод седьмой: предательство и подлог Эпизод седьмой: предательство и подлог

Кардинал Войелло обнаруживает неожиданного союзника, а папу предают

Esquire
7 уловок рекламщиков, которые заставляют нас тратить все деньги на распродажах 7 уловок рекламщиков, которые заставляют нас тратить все деньги на распродажах

Всем любителям черных пятниц и киберпонедельников посвящается

Playboy
Страйкбол: что это за игра и чем отличается от пейнтбола Страйкбол: что это за игра и чем отличается от пейнтбола

Что нужно для страйкбола, если ты захочешь попробовать поучаствовать

Playboy
Чернобыльские грибы поглощают радиацию Чернобыльские грибы поглощают радиацию

На их основе можно разрабатывать лекарства

National Geographic
Открыть в приложении