В середине XX века ученые ведущих стран мира вступили в бешеную гонку в создании первых образцов ядерного оружия. Путь к работоспособной конструкции оказался полон сложностей и вызовов. Нужно было учитывать множество требований и рисков, чтобы использовать чудовищную энергию атома в качестве оружия. Этот процесс привел к появлению разнообразных схем ядерного оружия, некоторые из которых так и остались в истории, а некоторые и по сей день являются актуальными.
Пушечная схема
Первым ядерным боеприпасом, использованным в реальном ударе, было американское изделие Little Boy («Малыш»). 6 августа 1945 г. его применили по японскому городу Хиросима. Это была авиационная бомба с боезарядом на основе 64 кг урана фактической мощностью 15-18 кт ТНТ. Для упрощения конструкции и ускорения производства заряд построили по т.н. пушечной или баллистической схеме.
Заряд пушечной схемы имел достаточно простую конструкцию. Он строился в удлиненном трубчатом корпусе – в этом качестве использовали артиллерийские стволы достаточного калибра. Внутри ствола-корпуса, у его торцов, помещались два блока урана-235 докритической массы. Один из них являлся подвижным и оснащался пороховым зарядом: при инициации боеприпаса этот блок буквально выстреливался во второй. Также мог предусматриваться и дополнительный источник нейтронов.
При соединении двух блоков урановый заряд приобретал сверхкритическую массу, что приводило к запуску цепной ядерной реакции. Правда расчеты показывают, что без мощного дополнительного источника нейтронов «пушечная схема» вообще не могла бы сработать в принципе! Для развития взрывной цепной реакции требовалось удерживать сверхкритическую массу урана вместе в течение первых миллисекунд и решить эту задачу лишь за счет прочного ствола и давления пороховых газов было невозможно, поэтому требовался дополнительный источник нейтронов.
Пушечная схема отличалась простотой, но имела существенные недостатки. В первую очередь, это низкий КПД. Из-за особенностей конструкции значительная часть основного заряда при взрыве банально испарялась, не успев вступить в реакцию. Так, у «Малыша» в реакции использовалось лишь ок. 1% урана. Кроме того, существовал риск самопроизвольного подрыва боеготового изделия.
Впрочем, на ранних этапах развития ядерных сил пушечная схема нашла применение. В США освоили мелкосерийное производство изделий Little Boy и собрали 35 таких устройств. С появлением новых и более совершенных конструкций пушечная схема очень быстро ушла в историю.
Эффект обжатия
16 июля 1945 г. – за несколько недель до сброса «Малыша» – на американском полигоне Аламогордо состоялось первое в мире испытание ядерного боеприпаса. Опытный заряд с шифром Gadget выполнили на основе плутония-239 и построили по т.н. имплозивной схеме. Ввиду физических особенностей плутоний не позволял использовать пушечную схему с «выстрелом» одной части заряда в другой.
Имплозивная схема предполагала использование сферического плутониевого заряда-ядра докритической массы. Внутри него имелась полость с металлическим источником нейтронов для запуска ядерной реакции. Снаружи ядро покрывалось несколькими слоями «обычного»(с разной скоростью детонации) взрывчатого вещества. Получившаяся сфера оснащалась большим количеством отдельных взрывателей, равномерно распределенных по ее поверхности. Также требовался прибор управления для одновременного, с отклонением не более миллисекунд, срабатывания всех взрывателей.
Подрыв всех зарядов взрывчатого вещества обжимал ядро, одновременно с которым центральный элемент испускал нейтроны. Давление от взрыва также обеспечивало удержание делящегося вещества вместе в первые мгновения цепной реакции.
Имплозивная схема была сложнее пушечной, однако отличалась большей надежностью срабатывания и эффективностью. Именно по такой схеме была построена плутониевая бомба Fat Man («Толстяк»), сброшенная в августе 1945-го на Нагасаки. В дальнейшем в США разрабатывались и внедрялись новые образцы имплозивных зарядов разной мощности и в различном исполнении.
Так как советской разведке удалось выкрасть документацию на бомбу имплозивной схемы то и развитие советского ядерного оружия началось именно с этой схемы. Ранние советские изделия, начиная с самого первого РДС-1, являлись практически копией американской атомной бомбы.
Прочие страны уже на стадии первых опытов с ядерным оружием использовали именно имплозивную схему. Им также удалось получить удачное сочетание характеристик, надежности и сложности производства.
Варианты развития
Имплозивная схема со сферическим обжатием имела явные преимущества перед пушечной схемой, но не была лишена недостатков. В первую очередь, оставался невысоким КПД – у ранних образцов в реакцию вступало не более 13-15% делящегося вещества. Поэтому продолжились поиски новых идей и решений, и часть новых схем дошла до реализации на практике. В основном речь шла о повышении надежности и безопасности ядерных устройств.
В конце сороковых годов в США была предложена идея т.н. бустеризации ядерного заряда. Затем аналогичные идеи изучили в других странах. Такая схема в целом похожа на имплозивную, но в качестве источника нейтронов в ней использовалось небольшое количество термоядерного топлива – дейтерия, трития или их смеси. При обжатии это вещество дает нейтроны с повышенной энергией, которые более эффективно инициируют цепную реакцию в основном заряде. Это повышает КПД заряда, а вместе с ним и достижимую мощность. Кроме того, помещая источник нейтронов в заряд непосредственно перед применением, можно повысить безопасность эксплуатации.
В пятидесятых появилась схема, известная как Swan (англ. «Лебедь»). Такое название она получила из-за поперечного сечения боезаряда в сборе, напоминающего изогнутые шеи лебедей. Изделие такой схемы имеет сферический заряд докритической массы, а инициирующий заряд обычного взрывчатого вещества, отвечающий за обжатие, имеет сложную изогнутую форму. Основной заряд размещается со смещением к краю такой оболочки.
Подрыв «обычного» заряда осуществляется при помощи одного взрывателя, что упрощает конструкцию и исключает необходимость синхронизации нескольких подобных устройств. При этом форма инициирующего заряда проводит и распределяет ударную волну так, что обжатие плутониевой сферы происходит оптимальным образом. Заряд такой схемы может оснащаться дополнительными предохранителями: при срабатывании они нарушают прохождение ударной волны и не позволяют начаться цепной реакции.
Принципиально новые технологии
В сороковых-пятидесятых годах ученые ведущих стран разработали несколько основных схем ядерного заряда, а также ряд их версий с теми или иными доработками. На основе этих идей создавались реальные боеприпасы, в дальнейшем принимавшиеся на вооружение. Однако к середине пятидесятых процесс принципиального развития и обновления ядерного оружия на основе распада достиг максимально возможных на тот момент результатов и начал замедляться.
При этом начались полномасштабные работы по созданию нового поколения сверхмощного оружия – термоядерных зарядов на основе синтеза элементов. Со временем все усилия ученых и инженеров были брошены именно на термоядерное направление. «Обычные» ядерные заряды теперь рассматривались только как первая ступень термоядерной системы.
Несмотря на изменение общих целей, развитие «обычных» ядерных устройств продолжилось, хотя уже и без внедрения принципиально новых решений и идей. По известным данным, в основном использовались разные варианты имплозивной схемы, отвечающие требованиям конкретных проектов. Такой подход может сохраняться до сих пор – он полностью соответствует ставящимся задачам и позволяет создавать образцы с требуемыми характеристиками.
Автор: Рябов Кирилл
