Устройство ядерной боеголовки. Ядерная бомба: атомное оружие на страже мира

История создания атомной бомбы, и в частности оружия, начинается в 1939 году, с открытия, сделанного Жолио Кюри. Именно с этого момента ученые осознали, что цепная реакция урана может стать не только источником огромной энергии, но и страшным оружием. И так, в основе устройства атомной бомбы лежит использование ядерной энергии, которая выделяется при цепной ядерной реакции.

Последнее подразумевает процесс деления тяжелых ядер или синтеза легких ядер. В результате чего, атомная бомба является оружием массового поражения, за счет того, что в кратчайший промежуток времени происходит выделение огромного количества внутриядерной энергии в небольшом пространстве. При том входе данного процесса принято выделять два ключевых места.

Первое, это центр ядерного взрыва, где непосредственно протекает данный процесс. И, второе, это эпицентр, который по своей сути представляет проекцию самого процесса на поверхность (землю или воду). Также ядерный взрыв высвобождает такое количество энергии, что при ее проекции на землю появляются сейсмический толчки. И дальность распространения подобных колебаний невероятно велика, хотя ощутимый урон окружающей среде они наносят лишь на расстоянии всего нескольких сотен метров.

Далее стоит отметить, что ядерный взрыв сопровождается и высвобождением большого количества тепла и света, которые и образует яркую вспышку. Причем по своей мощности она превышает во множество раз мощность лучей солнца. Таким образом, поражение светом и теплом можно получить на расстоянии даже нескольких километров.

Но одним высоко опасным типом поражения атомной бомбы является радиация, которая образуется при ядерном взрыве. Длительность воздействия этого явления невысока, и составляет в среднем 60 секунд, вот только проникающая способность этой волны поражает.

Что касается устройства атомной бомбы, то она включает в себя целый ряд различных компонентов. Как правило, выделяют два основных элемента данного типа оружия: корпус и систему автоматики.

В корпусе находится ядерный заряд и автоматика, и именно он выполняют защитную функцию по отношению к различным видам воздействия (механического, теплового и так далее). А роль системы автоматики заключается в том, чтобы взрыв произошел в четко заданное время, а не раньше или позже. Состоит система автоматики из таких систем как: аварийный подрыв; предохранения и взведения; источник питания; датчики подрыва и подрыва заряда.

А вот доставляются атомные бомбы с помощью баллистических, крылатых и зенитных ракет. Т.е. ядерные боеприпасы могут являться элементом авиабомбы, торпеда, фугаса и так далее.

И даже системы детонирования для атомной бомбы могут быть разными. Одной из наиболее простых систем является инжекторная, когда толчком для ядерного взрыва становится попадания снаряда в цель, с последующим образованием сверхкритической массы. Именно к такому типу атомных бомб относилась первая взорванная бомба над Хиросимой в 1945 году, содержащая уран. В отличие от нее, бомба, сброшенная на Нагасаки в том же году, была плутониевая.

После такой яркой демонстрации мощности и силы атомного оружия, оно моментально попало в разряд самого опасного средства массового поражения. Говоря о типах атомного оружия, следует упомянуть, что они определяются размером калибра. Так, в настоящий момент выделяют три основных калибра для данного оружия, это малый, крупный и средний. Мощность взрыва, чаще всего, характеризуют тротиловым эквивалентом. Так, например, малый калибр атомного оружия подразумевает мощность заряда, равной нескольким тысячам тонн тротила. А более мощное атомное оружие, точнее средний калибр, составляет уже десятки тысяч тонн тротила, и, наконец, последний уже измеряется в миллионах. Но при этом не стоит путать понятие атомного и водородного оружия, которое в целом и называют ядерным оружием. Основное отличие атомного оружия от водородного, это реакция деления ядер ряда тяжелых элементов, таких как плутоний и уран. А водородное оружие подразумевает процесс синтеза ядер атомов одного элемента в другой, т.е. гелия из водорода.

Первое испытание атомной бомбы

Первое испытание атомного оружия было проведено американскими вооруженными силами 16 июля 1945 года в местечке под названием Алмогордо, показавшее всю мощь атомной энергии. После чего, атомные бомбы, имеющиеся у сил США, были погружены на военный корабль и отправлены к берегам Японии. Отказ правительства Японии от мирного диалога позволил в действии показать всю мощь атомного оружия, жертвами которого сначала стал город Хиросима, а чуть позднее Нагасаки. Так, 6 августа 1945 года впервые атомное оружие было применено на мирных жителях, в результате чего город практически был стерт в лица земли ударными волнами. Больше половины жителей города погибли впервые дни атомной атаки, и составило в общем, около двухсот сорока тысяч человек. А спустя всего четыре дня, военную базу США покинули сразу два самолета с опасным грузом на борту, целями которых были Кокура и Нагасаки. И если Кокура, охваченная непроглядным дымом представляла собой трудную цель, то в Нагасаки цель была поражена. В конечном счете, от атомной бомбы в Нагасаки в первые дни погибло 73 тысячи человека от полученных повреждений и облучения к этим жертвам добавился список уже в тридцать пять тысяч человек. При этом смерть последних жертв была довольно мучительной, так как действие радиации невероятно губительно.

Факторы поражения атомного оружия

Таким образом, атомное оружие имеет несколько типов поражения; светового, радиоактивного, ударная волна, проникающая радиация и электромагнитный импульс. При образовании светового излучения после взрыва ядерного оружия, которое позднее превращается в губительное тепло. Далее наступает очередь радиоактивного заражения, которое опасно лишь впервые часы после взрыва. Ударную волну принято считать наиболее опасным этапом ядерного взрыва, ведь она в считанные секунды наносит огромный вред различным строениям, техники и людям. А вот проникающая радиация очень опасна для человеческого организма, и нередко становится причиной лучевой болезни. Электромагнитный импульс поражает технику. В совокупности все это и делает очень опасным атомное оружие.

Взглянем на некую типовую боеголовку (в реальности между боеголовками могут существовать конструктивные различия). Это конус из легких прочных сплавов — обычно из титана. Внутри есть переборки, шпангоуты, силовой каркас - почти как в самолете. Силовой каркас покрыт прочной металлической обшивкой. На обшивку нанесен толстый слой теплозащитного покрытия. Это похоже на древнюю корзину эпохи неолита, щедро обмазанную глиной и обожженную в первых экспериментах человека с теплом и керамикой. Схожесть легко объяснима: и корзине, и боеголовке предстоит сопротивляться наружному жару.

Боеголовка и ее начинка

Внутри конуса, закрепленные на своих «сиденьях», находятся два основных «пассажира», ради которых все и затеяно: термоядерный заряд и блок управления зарядом, или блок автоматики. Они поразительно компактны. Блок автоматики - размером с пятилитровую банку маринованных огурцов, а заряд - с обычное огородное ведро. Тяжелый и увесистый, союз банки и ведра взорвется килотонн на триста пятьдесят - четыреста. Два пассажира соединены между собой связью, как сиамские близнецы, и через эту связь постоянно чем-то обмениваются. Диалог их ведется все время, даже когда ракета стоит на боевом дежурстве, даже когда этих близнецов только везут с предприятия-производителя.

Есть и третий пассажир - блок измерения движения боеголовки или вообще управления ее полетом. В последнем случае в боеголовку встроены рабочие органы управления, позволяющие изменять траекторию. Например, исполнительные пневмосистемы или пороховые системы. А еще бортовая электросеть с источниками питания, линии связи со ступенью, в виде защищенных проводов и разъемов, защита от электромагнитного импульса и система термостатирования - поддержания нужной температуры заряда.

На фото - ступень разведения ракеты МХ (Peacekeeper) и десять боевых блоков. Эта ракета давно снята с вооружения, но боевые блоки и сейчас используются те же самые (и даже еще более старые). Баллистические ракеты с разделяющейся ГЧ у американцев установлены только на подводных лодках.

После покидания автобуса боеголовки продолжают набирать высоту и одновременно мчаться в сторону целей. Они поднимаются до высших точек своих траекторий, а потом, не замедляя горизонтального полета, начинают все быстрее скатываться вниз. На высоте ровно ста километров над уровнем моря каждая боеголовка пересекает формально назначенную человеком границу космического пространства. Впереди атмосфера!

Электрический ветер

Внизу перед боеголовкой раскинулся огромный, контрастно блестящий с грозных больших высот, затянутый голубой кислородной дымкой, подернутый аэрозольными взвесями, необозримый и безбрежный пятый океан. Медленно и еле заметно поворачиваясь от остаточных воздействий разделения, боеголовка по пологой траектории продолжает спуск. Но вот навстречу ей тихонько потянул очень необычный ветерок. Чуть тронул ее - и стал заметен, обтянул корпус тонкой, уходящей назад волной бледного бело-голубого свечения. Волна эта умопомрачительно высокотемпературная, но она пока не жжет боеголовку, так как слишком уж бесплотна. Ветерок, обдувающий боеголовку, - электропроводящий. Скорость конуса настолько высока, что он в буквальном смысле дробит своим ударом молекулы воздуха на электрически заряженные осколки, происходит ударная ионизация воздуха. Этот плазменный ветерок называется гиперзвуковым потоком больших чисел Маха, и его скорость в двадцать раз превосходит скорость звука.

Из-за большой разреженности ветерок в первые секунды почти незаметен. Нарастая и уплотняясь с углублением в атмосферу, он сперва больше греет, чем давит на боеголовку. Но постепенно начинает с силой обжимать ее конус. Поток разворачивает боеголовку носиком вперед. Разворачивает не сразу - конус слегка раскачивается туда-сюда, постепенно замедляя свои колебания, и наконец стабилизируется.

Жара на гиперзвуке

Уплотняясь по мере снижения, поток все сильнее давит на боеголовку, замедляя ее полет. С замедлением плавно снижается температура. От огромных значений начала входа, бело-голубого свечения десятка тысяч кельвинов, до желто-белого сияния пяти-шести тысяч градусов. Это температура поверхностных слоев Солнца. Сияние становится ослепительным, потому что плотность воздуха быстро растет, а с ней и тепловой поток в стенки боеголовки. Теплозащитное покрытие обугливается и начинает гореть.

Оно горит вовсе не от трения об воздух, как часто неверно говорят. Из-за огромной гиперзвуковой скорости движения (сейчас в пятнадцать раз быстрее звука) от вершины корпуса расходится в воздухе другой конус - ударно-волновой, как бы заключая в себе боеголовку. Набегающий воздух, попадая внутрь ударно-волнового конуса, мгновенно уплотняется во много раз и плотно прижимается к поверхности боеголовки. От скачкообразного, мгновенного и многократного сжатия его температура сразу подскакивает до нескольких тысяч градусов. Причина этого - сумасшедшая быстрота происходящего, запредельная динамичность процесса. Газодинамическое сжатие потока, а не трение - вот что сейчас прогревает боеголовке бока.

Хуже всего приходится носовой части. Там образуется наибольшее уплотнение встречного потока. Зона этого уплотнения слегка отходит вперед, как бы отсоединяясь от корпуса. И держится впереди, принимая форму толстой линзы или подушки. Такое образование называется «отсоединенная головная ударная волна». Она в несколько раз толще остальной поверхности ударно-волнового конуса вокруг боеголовки. Лобовое сжатие набегающего потока здесь самое сильное. Поэтому в отсоединенной головной ударной волне самая высокая температура и самая большая плотность тепла. Это маленькое солнце обжигает носовую часть боеголовки лучистым путем - высвечивая, излучая из себя тепло прямо в нос корпуса и вызывая сильное обгорание носовой части. Поэтому там самый толстый слой теплозащиты. Именно головная ударная волна освещает темной ночью местность на многие километры вокруг летящей в атмосфере боеголовки.

Бокам становится совсем несладко. Их сейчас тоже жарит нестерпимым сиянием из головной ударной волны. И обжигает раскаленный сжатый воздух, превратившийся в плазму от дробления его молекул. Впрочем, при столь высокой температуре воздух ионизируется и просто от нагрева - его молекулы распадаются на части от жары. Получается смесь ударно-ионизационной и температурной плазмы. Своим воздействием трения эта плазма шлифует горящую поверхность теплозащиты, словно песком или наждачной бумагой. Происходит газодинамическая эрозия, расходующая теплозащитное покрытие.

В это время боеголовка прошла верхнюю границу стратосферы - стратопаузу - и входит в стратосферу на высоте 55 км. Движется она сейчас с гиперзвуковой скоростью в десять-двенадцать раз быстрее звука.

Нечеловеческие перегрузки

Сильное обгорание изменяет геометрию носа. Поток, словно резцом скульптора, выжигает в носовом покрытии заостренный центральный выступ. Появляются и другие особенности поверхности из-за неравномерностей выгорания. Изменения формы приводят к изменениям обтекания. Это меняет распределение давлений сжатого воздуха на поверхности боеголовки и поля температур. Возникают вариации силового воздействия воздуха по сравнению с расчетным обтеканием, что порождает отклонение точки падения - формируется промах. Пусть и небольшой - допустим, двести метров, но по ракетной шахте врага небесный снаряд попадет с отклонением. Или не попадет вообще.

Кроме того, картина ударно-волновых поверхностей, головной волны, давлений и температур непрерывно меняется. Плавно снижается скорость, зато быстро растет плотность воздуха: конус проваливается все ниже в стратосферу. Из-за неравномерностей давлений и температур на поверхности боеголовки, из-за быстроты их изменений могут возникать тепловые удары. От теплозащитного покрытия они умеют откалывать кусочки и куски, что вносит новые изменения в картину обтекания. И увеличивает отклонение точки падения.

Одновременно боеголовка может входить в самопроизвольные частые раскачивания с изменением направления этих раскачиваний с «вверх-вниз» на «вправо-влево» и обратно. Эти автоколебания создают местные ускорения в разных частях боеголовки. Ускорения меняются по направлению и величине, усложняя картину воздействия, испытываемого боеголовкой. Она получает больше нагрузок, несимметричности ударных волн вокруг себя, неравномерности температурных полей и прочих маленьких прелестей, вмиг вырастающих в большие проблемы.

Но и этим набегающий поток себя не исчерпывает. Из-за столь мощного давления встречного сжатого воздуха боеголовка испытывает огромное тормозящее действие. Возникает большое отрицательное ускорение. Боеголовка со всеми внутренностями находится в быстро растущей перегрузке, а экранироваться от перегрузки невозможно.

Космонавты не испытывают таких перегрузок при снижении. Пилотируемый аппарат менее обтекаем и заполнен внутри не столь плотно, как боеголовка. Космонавты и не спешат спуститься побыстрее. Боеголовка же - это оружие. Она должна достичь цели как можно скорее, пока не сбили. Да и перехват ее тем труднее, чем быстрее она летит. Конус - фигура наилучшего сверхзвукового обтекания. Сохранив высокую скорость до нижних слоев атмосферы, боеголовка встречает там очень большое торможение. Вот зачем нужны прочные переборки и силовой каркас. И удобные «сиденья» для двух седоков - иначе сорвет с мест перегрузкой.

Диалог сиамских близнецов

Кстати, а что там с этими седоками? Пришло время вспомнить главных пассажиров, ибо они сидят сейчас отнюдь не пассивно, а проходят свой собственный сложный путь, и диалог их становится наиболее содержательным в эти самые мгновения.

Заряд при перевозке разобран на части. При установке в боеголовку его собирают, а устанавливая боеголовку в ракету, оснащают до полной боеготовой комплектации (вставляют импульсный нейтронный инициатор, снаряжают детонаторами и т. д.). Заряд готов к полету до цели на борту боеголовки, но пока еще не готов взорваться. Логика тут понятная: постоянная готовность заряда к взрыву не нужна и теоретически опасна.

В состояние готовности к взрыву (вблизи цели) его предстоит перевести сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом. Система подрыва строго своевременно переводит заряд во все более высокие степени готовности. И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.

Финальная вспышка

Сильно изменившись и снаружи, и внутри, боеголовка прошла в тропосферу - последний десяток километров высоты. Она сильно затормозилась. Гиперзвуковой полет выродился до сверхзвука в три-четыре единицы Маха. Светит боеголовка уже тускло, угасает и подходит к точке цели.

Взрыв на поверхности Земли планируется редко - только для углубленных в землю объектов вроде ракетных шахт. Большинство целей лежит на поверхности. И для их наибольшего поражения подрыв производят на некоторой высоте, зависящей от мощности заряда. Для тактических двадцати килотонн это 400−600 м. Для стратегической мегатонны оптимальная высота взрыва - 1200 м. Почему? От взрыва по местности проходят две волны. Ближе к эпицентру взрывная волна обрушится раньше. Упадет и отразится, отскочив в стороны, где и сольется с только что дошедшей сюда сверху, из точки взрыва, свежей волной. Две волны - падающая из центра взрыва и отраженная от поверхности - складываются, образуя в приземном слое наиболее мощную ударную волну, главный фактор поражения.

При испытательных же пусках боеголовка обычно беспрепятственно достигает земли. На ее борту находится полцентнера взрывчатки, подрываемой при падении. Зачем? Во-первых, боеголовка - секретный объект и должна надежно уничтожаться после использования. Во-вторых, это необходимо для измерительных систем полигона - для оперативного обнаружения точки падения и измерения отклонений.

Многометровая дымящаяся воронка завершает картину. Но перед этим, за пару километров до удара, с испытательной боеголовки отстреливается наружу бронекассета запоминающего устройства с записью всего, что регистрировалось на борту во время полета. Эта бронефлешка подстрахует от потери бортовой информации. Ее найдут позже, когда прилетит вертолет со спецгруппой поиска. И зафиксируют результаты фантастического полета.

Первая межконтинентальная баллистическая ракета с ядерной БЧ

Первой в мире МБР с ядерной боеголовкой стала советская Р-7. Она несла один трехмегатонный боевой блок и могла поражать объекты на дальности до 11 000 км (модификация 7-А). Детище С.П. Королёва хоть и было принято на вооружение, но в качестве военной ракеты оказалось малоэффективным из-за невозможности находиться длительное время на боевом дежурстве без дополнительной заправки окислителем (жидким кислородом). Зато Р-7 (и ее многочисленные модификации) сыграла выдающуюся роль в деле освоения космоса.

Первая головная часть МБР с разделяемыми боеголовками

Первой в мире МБР с разделяющейся головной частью стала американская ракета LGM-30 Minuteman III, развертывание которой началось в 1970 году. По сравнению с предыдущей модификацией боевой блок W-56 был заменен тремя легкими боевыми блоками W-62, установленными на ступень разведения. Таким образом, ракета могла поразить три отдельные цели или сосредоточить все три боеголовки для удара по одной. В настоящее время на всех ракетах Minuteman III в рамках инициативы по разоружению оставлено лишь по одному боевому блоку.

Боеголовка с переменной мощностью

С начала 1960-х годов разрабатываются технологии создания термоядерных боеголовок с переменной мощностью. К таковым относится, например, боеголовка W80, которая устанавливалась, в частности, на ракету Tomahawk. Эти технологии создавались для термоядерных зарядов, построенных по схеме Теллера-Улама, где реакция деления ядер изотопов урана или плутония запускает реакцию слияния (то есть термоядерный взрыв). Изменение мощности происходило путем внесения поправок во взаимодействие двух этапов.

PS. Хочется еще добавить, что там, наверху, еще и отрабатывают свою задачу блоки постановки помех, выпускаются ложные цели, и вдобавок разгонные блоки и/или автобус подрываются после разведения, дабы увеличить число целей на радарах и перегрузить ПРО.

Вся громада межконтинентальной баллистической ракеты, десятки метров и тонн сверхпрочных сплавов, высокотехнологичного топлива и совершенной электроники нужны лишь для одного - доставить к месту назначения боеголовку: конус высотой метр-полтора и толщиной у основания с туловище человека.

Взглянем на некую типовую боеголовку (в реальности между боеголовками могут существовать конструктивные различия). Это конус из легких прочных сплавов. Внутри есть переборки, шпангоуты, силовой каркас - почти всё как в самолете. Силовой каркас покрыт прочной металлической обшивкой. На обшивку нанесен толстый слой теплозащитного покрытия. Это похоже на древнюю корзину эпохи неолита, щедро обмазанную глиной и обожженную в первых экспериментах человека с теплом и керамикой. Схожесть легко объяснима: и корзине, и боеголовке предстоит сопротивляться наружному жару.

Технология, по которой боевые блоки отделяются от ракеты и ложатся на собственные курсы - отдельная большая тема, о которой можно писать книги.

Для начала объясним, что такое "просто боевой блок". Это устройство, в котором физически находится термоядерный заряд на борту межконтинентальной баллистической ракеты. В ракете есть так называемая головная часть, в которой могут находиться один, два и более боевых блоков. Если их несколько, головная часть называется разделяющейся головной частью (РГЧ).

Внутри РГЧ находится очень сложный агрегат (его еще называют платформой разведения), который после вывода ракетой-носителем за пределы атмосферы начинает выполнять целый ряд запрограммированных действий по индивидуальному наведению и отделению находящихся на нем боевых блоков; в пространстве выстраиваются боевые порядки из блоков и ложных целей, которые изначально тоже находятся на платформе. Таким образом, каждый блок выводится на траекторию, обеспечивающую попадание в заданную цель на поверхности Земли.

Боевые блоки бывают разные. Те, что движутся по баллистическим траекториям после отделения от платформы, называются неуправляемыми. Управляемые же боевые блоки после отделения начинают "жить своей жизнью". Они снабжены двигателями ориентации для осуществления маневров в космическом пространстве, аэродинамическими рулевыми поверхностями для управления полетом в атмосфере, у них на борту установлена инерциальная система управления, несколько вычислительных устройств, радиолокатор со своим собственным вычислителем… Ну и, разумеется, боевой заряд.

Практически управляемый боевой блок сочетает в себе свойства беспилотного космического корабля и гиперзвукового беспилотного самолета. Все действия как в космосе, так и во время полета в атмосфере, этот аппарат обязан выполнять автономно.

После отделения от платформы разведения боевой блок относительно долго летит на очень большой высоте - в космосе. В это время система управления блока осуществляет целую серию переориентаций, чтобы создать условия для точного определения собственных параметров движения, облегчения преодоления зоны возможных ядерных взрывов противоракет…
Перед вхождением в верхние слои атмосферы бортовой компьютер вычисляет необходимую ориентацию боевого блока и выполняет ее. Примерно в тот же период проходят сеансы определения фактического местоположения при помощи радиолокатора, для чего тоже нужно сделать ряд маневров. Затем антенна локатора отстреливается, и для боевого блока начинается атмосферный участок движения.

Связанные одной целью

Термоядерный заряд и блок управления непрерывно общаются друг с другом. "Диалог" этот начинается сразу после установки боеголовки на ракету, а завершается он в момент ядерного взрыва. Все это время система управления готовит заряд к срабатыванию, как тренер - боксера к ответственному поединку. И в нужный момент отдает последнюю и самую главную команду.

При постановке ракеты на боевое дежурство ее заряд оснащают до полной комплектации: устанавливают импульсный нейтронный активатор, детонаторы и другое оборудование. Но к взрыву он еще не готов. Десятилетиями держать в шахте или на мобильной пусковой установке ядерную ракету, готовую рвануть в любой момент, попросту опасно.

Поэтому во время полета система управления переводит заряд в состояние готовности к взрыву. Происходит это постепенно, сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух основных условиях: надежность движения к цели и контроль над процессом. Стоит одному из этих факторов отклониться от расчетных значений и подготовка будет прекращена. Электроника переводит заряд во все более высокую степень готовности, чтобы в расчетной точке дать команду на срабатывание.

И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.

Устройство и принцип действия основаны на инициализации и контроле самоподдерживающейся ядерной реакции. Его используют в качестве исследовательского инструмента, для производства радиоактивных изотопов и в качестве источника энергии для атомных электростанций.

принцип работы (кратко)

Здесь используется процесс при котором тяжелое ядро распадается на два более мелких фрагмента. Эти осколки находятся в очень возбужденном состоянии и испускают нейтроны, другие субатомные частицы и фотоны. Нейтроны могут вызвать новые деления, в результате которых их излучается еще больше, и так далее. Такой непрерывный самоподдерживающийся ряд расщеплений называется цепной реакцией. При этом выделяется большое количество энергии, производство которой является целью использования АЭС.

Принцип работы ядерного реактора и таков, что коло 85% энергии расщепления высвобождается в течение очень короткого промежутка времени после начала реакции. Остальная часть вырабатывается в результате радиоактивного распада продуктов деления, после того как они излучили нейтроны. Радиоактивный распад является процессом, при котором атом достигает более стабильного состояния. Он продолжается и после завершения деления.

В атомной бомбе цепная реакция увеличивает свою интенсивность, пока не будет расщеплена большая часть материала. Это происходит очень быстро, производя чрезвычайно мощные взрывы, характерные для таких бомб. Устройство и принцип действия ядерного реактора основаны на поддержании цепной реакции на регулируемом, почти постоянном уровне. Он сконструирован таким образом, что взорваться, как атомная бомба, не может.

Цепная реакция и критичность

Физика ядерного реактора деления состоит в том, что цепная реакция определяется вероятностью расщепления ядра после испускания нейтронов. Если популяция последних уменьшается, то скорость деления в конце концов упадет до нуля. В этом случае реактор будет находиться в докритическом состоянии. Если же популяция нейтронов поддерживается на постоянном уровне, то скорость деления будет оставаться стабильной. Реактор будет находиться в критическом состоянии. И, наконец, если популяция нейтронов со временем растет, скорость деления и мощность будет увеличиваться. Состояние активной зоны станет сверхкритическим.

Принцип действия ядерного реактора следующий. Перед его запуском популяция нейтронов близка к нулю. Затем операторы удаляют управляющие стержни из активной зоны, увеличивая деление ядер, что временно переводит реактор в сверхкритическое состояние. После выхода на номинальную мощность операторы частично возвращают управляющие стержни, регулируя количество нейтронов. В дальнейшем реактор поддерживается в критическом состоянии. Когда его необходимо остановить, операторы вставляют стержни полностью. Это подавляет деление и переводит активную зону в докритическое состояние.

Типы реакторов

Большинство существующих в мире ядерных установок являются энергетическими, генерирующими тепло, необходимое для вращения турбин, которые приводят в движение генераторы электрической энергии. Также есть много исследовательских реакторов, а некоторые страны имеют подводные лодки или надводные корабли, движимые энергией атома.

Энергетические установки

Существует несколько видов реакторов этого типа, но широкое применение нашла конструкция на легкой воде. В свою очередь, в ней может использоваться вода под давлением или кипящая вода. В первом случае жидкость под высоким давлением нагревается теплом активной зоны и поступает в парогенератор. Там тепло от первичного контура передается на вторичный, также содержащий воду. Генерируемый в конечном счете пар служит рабочей жидкостью в цикле паровой турбины.

Реактор кипящего типа работает по принципу прямого энергетического цикла. Вода, проходя через активную зону, доводится до кипения на среднем уровне давления. Насыщенный пар проходит через серию сепараторов и сушилок, расположенных в корпусе реактора, что приводит его в сверхперегретое состояние. Перегретый водяной пар затем используется в качестве рабочей жидкости, вращающей турбину.

Высокотемпературные с газовым охлаждением

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор (ВТГР) - это ядерный реактор, принцип работы которого основан на применении в качестве топлива смеси графита и топливных микросфер. Существуют две конкурирующие конструкции:

немецкая «засыпная» система, которая использует сферические топливные элементы диаметром 60 мм, представляющие собой смесь графита и топлива в графитовой оболочке;
американский вариант в виде графитовых гексагональных призм, которые сцепляются, создавая активную зону.

В обоих случаях охлаждающая жидкость состоит из гелия под давлением около 100 атмосфер. В немецкой системе гелий проходит через промежутки в слое сферических топливных элементов, а в американской - через отверстия в графитовых призмах, расположенных вдоль оси центральной зоны реактора. Оба варианта могут работать при очень высоких температурах, так как графит имеет чрезвычайно высокую температуру сублимации, а гелий полностью инертен химически. Горячий гелий может быть применен непосредственно в качестве рабочей жидкости в газовой турбине при высокой температуре или его тепло можно использовать для генерации пара водяного цикла.

Жидкометаллический и принцип работы

Реакторам на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем уделялось большое внимание в 1960-1970-х годах. Тогда казалось, что их возможности по воспроизводству в ближайшее время необходимы для производства топлива для быстро развивающейся атомной промышленности. Когда в 1980-е годы стало ясно, что это ожидание нереалистично, энтузиазм угас. Однако в США, России, Франции, Великобритании, Японии и Германии построен ряд реакторов этого типа. Большинство из них работает на диоксиде урана или его смеси с диоксидом плутония. В Соединенных Штатах, однако, наибольший успех был достигнут с металлическими топливом.

CANDU

Канада сосредоточила свои усилия на реакторах, в которых используется природный уран. Это избавляет от необходимости для его обогащения прибегать к услугам других стран. Результатом такой политики стал дейтерий-урановый реактор (CANDU). Контроль и охлаждение в нем производится тяжелой водой. Устройство и принцип работы ядерного реактора состоит в использовании резервуара с холодной D 2 O при атмосферном давлении. Активная зона пронизана трубами из циркониевого сплава с топливом из природного урана, через которые циркулирует охлаждающая его тяжелая вода. Электроэнергия производится за счет передачи теплоты деления в тяжелой воде охлаждающей жидкости, которая циркулирует через парогенератор. Пар во вторичном контуре затем проходит через обычный турбинный цикл.

Исследовательские установки

Для проведения научных исследований чаще всего используется ядерный реактор, принцип работы которого состоит в применении водяного охлаждения и пластинчатых урановых топливных элементов в виде сборок. Способен функционировать в широком диапазоне уровней мощности, от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Поскольку производство электроэнергии не является основной задачей исследовательских реакторов, они характеризуются вырабатываемой тепловой энергией, плотностью и номинальной энергией нейтронов активной зоны. Именно эти параметры помогают количественно оценить способность исследовательского реактора проводить конкретные изыскания. Маломощные системы, как правило, функционируют в университетах и используются для обучения, а высокая мощность необходима в научно-исследовательских лабораториях для тестирования материалов и характеристик, а также для общих исследований.

Наиболее распространен исследовательский ядерный реактор, строение и принцип работы которого следующие. Его активная зона расположена в нижней части большого глубокого бассейна с водой. Это упрощает наблюдение и размещение каналов, по которым могут быть направлены пучки нейтронов. При низких уровнях мощности нет необходимости прокачивать охлаждающую жидкость, так как для поддержания безопасного рабочего состояния естественная конвекция теплоносителя обеспечивает достаточный отвод тепла. Теплообменник, как правило, находится на поверхности или в верхней части бассейна, где скапливается горячая вода.

Корабельные установки

Первоначальным и основным применением ядерных реакторов является их использование в подводных лодках. Главным их преимуществом является то, что, в отличие от систем сжигания ископаемого топлива, для выработки электроэнергии им не требуется воздух. Следовательно, атомная субмарина может оставаться в погруженном состоянии в течение длительного времени, а обычная дизель-электрическая подлодка должна периодически подниматься на поверхность, чтобы запускать свои двигатели в воздухе. дает стратегическое преимущество кораблям ВМС. Благодаря ей отпадает необходимость заправляться в иностранных портах или от легко уязвимых танкеров.

Принцип работы ядерного реактора на подводной лодке засекречен. Однако известно, что в США в нем используется высокообогащенный уран, а замедление и охлаждение производится легкой водой. Конструкция первого реактора атомной субмарины USS Nautilus находилась под сильным влиянием мощных исследовательских установок. Его уникальными особенностями является очень большой запас реактивности, обеспечивающей длительный период работы без дозаправки и возможность перезапуска после остановки. Электростанция в подлодках должна быть очень тихой, чтобы избежать обнаружения. Для удовлетворения конкретных потребностей различных классов субмарин были созданы разные модели силовых установок.

На авианосцах ВМС США используется ядерный реактор, принцип работы которого, как полагают, заимствован у крупнейших подлодок. Подробные сведения их конструкции также не были опубликованы.

Кроме США, атомные подводные лодки имеются у Великобритании, Франции, России, Китая и Индии. В каждом случае конструкция не разглашалась, но считается, что все они весьма схожи - это является следствием одинаковых требований к их техническим характеристикам. Россия также обладает небольшим флотом на которых устанавливались такие же реакторы, как и на советских субмаринах.

Промышленные установки

Для целей производства используется ядерный реактор, принцип работы которого состоит в высокой производительности при низком уровне производства энергии. Это обусловлено тем, что длительное пребывание плутония в активной зоне приводит к накоплению нежелательного 240 Pu.

Производство трития

В настоящее время основным материалом, получаемым с помощью таких систем, является тритий (3 H или T) - заряд для Плутоний-239 имеет длительный период полураспада, равный 24100 годам, поэтому страны с арсеналами ядерного оружия, использующими этот элемент, как правило, имеют его больше, чем необходимо. В отличие от 239 Pu, период полураспада трития составляет примерно 12 лет. Таким образом, чтобы поддерживать необходимые запасы, этот радиоактивный изотоп водорода должен производиться непрерывно. В США в Саванна-Ривер (штат Южная Каролина), например, работает несколько реакторов на тяжелой воде, которые производят тритий.

Плавучие энергоблоки

Созданы ядерные реакторы, способные обеспечить электроэнергией и паровым отоплением удаленные изолированные районы. В России, например, нашли применение небольшие энергетические установки, специально предназначенные для обслуживания арктических населенных пунктов. В Китае 10-МВт установка HTR-10 снабжает теплом и электроэнергией исследовательский институт, в котором она находится. Разработки небольших автоматически управляемых реакторов с аналогичными возможностями ведутся в Швеции и Канаде. В период с 1960 по 1972 год армия США использовала компактные водяные реакторы для обеспечения удаленных баз в Гренландии и Антарктике. Они были заменены мазутными электростанциями.

Покорение космоса

Кроме того, были разработаны реакторы для энергоснабжения и передвижения в космическом пространстве. В период с 1967 по 1988 год Советский Союз устанавливал небольшие ядерные установки на спутники серии «Космос» для питания оборудования и телеметрии, но эта политика стала мишенью для критики. По крайней мере один из таких спутников вошел в атмосферу Земли, в результате чего радиоактивному загрязнению подверглись отдаленные районы Канады. Соединенные Штаты запустили только один спутник с ядерным реактором в 1965 году. Однако проекты по их применению в дальних космических полетах, пилотируемых исследованиях других планет или на постоянной лунной базе продолжают разрабатываться. Это обязательно будет газоохлаждаемый или жидкометаллический ядерный реактор, физические принципы работы которого обеспечат максимально высокую температуру, необходимую для минимизации размера радиатора. Кроме того, реактор для космической техники должен быть максимально компактным, чтобы свести к минимуму количество материала, используемого для экранирования, и для уменьшения веса во время старта и космического полета. Запас топлива обеспечит работу реактора на весь период космического полета.

Мир атома настолько фантастичен, что для его понимания требуется коренная ломка привычных понятий о пространстве и времени. Атомы так малы, что если бы каплю воды можно было увеличить до размеров Земли, то каждый атом в этой капле был бы меньше апельсина. В самом деле, одна капля воды состоит из 6000 миллиардов миллиардов (6000000000000000000000) атомов водорода и кислорода. И тем не менее, несмотря на свои микроскопические размеры, атом имеет строение до некоторой степени сходное со строением нашей солнечной системы. В его непостижимо малом центре, радиус которого менее одной триллионной сантиметра, находится относительно огромное «солнце» - ядро атома.

Вокруг этого атомного «солнца» вращаются крохотные «планеты» - электроны. Ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной - протонов и нейтронов (они имеют объединяющее название - нуклоны). Электрон и протон - заряженные частицы, причем количество заряда в каждом из них совершенно одинаково, однако заряды различаются по знаку: протон всегда заряжен положительно, а электрон - отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда и вследствие этого имеет очень большую проницаемость.

В атомной шкале измерений масса протона и нейтрона принята за единицу. Атомный вес любого химического элемента поэтому зависит от количества протонов и нейтронов, заключенных в его ядре. Например, атом водорода, ядро которого состоит только из одного протона, имеет атомную массу равную 1. Атом гелия, с ядром из двух протонов и двух нейтронов, имеет атомную массу, равную 4.

Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов и относящиеся к разновидностям одного и того же элемента, называются изотопами. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа.

Может возникнуть вопрос: почему ядро атома не разваливается? Ведь входящие в него протоны - электрически заряженные частицы с одинаковым зарядом, которые должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще и так называемые внутриядерные силы, притягивающие частицы ядра друг к другу. Эти силы компенсируют силы отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно разлететься.

Внутриядерные силы очень велики, но действуют только на очень близком расстоянии. Поэтому ядра тяжелых элементов, состоящие из сотен нуклонов, оказываются нестабильными. Частицы ядра находятся здесь в беспрерывном движении (в пределах объема ядра), и если добавить им какое-то дополнительное количество энергии, они могут преодолеть внутренние силы - ядро разделится на части. Величину этой избыточной энергии называют энергией возбуждения. Среди изотопов тяжелых элементов есть такие, которые как бы находятся на самой грани самораспада. Достаточно лишь небольшого «толчка», например, простого попадания в ядро нейтрона (причем он даже не должен разгоняться до большой скорости), чтобы пошла реакция ядерного деления. Некоторые из этих «делящихся» изотопов позже научились получать искусственно. В природе же существует только один такой изотоп - это уран-235.

Уран был открыт в 1783 году Клапротом, который выделил его из урановой смолки и назвал в честь недавно открытой планеты Уран. Как оказалось в дальнейшем, это был, собственно, не сам уран, а его оксид. Чистый уран - металл серебристо-белого цвета - был получен
только в 1842 году Пелиго. Новый элемент не обладал никакими замечательными свойствами и не привлекал к себе внимания вплоть до 1896 года, когда Беккерель открыл явление радиоактивности солей урана. После этого уран сделался объектом научных исследований и экспериментов, но практического применения по-прежнему не имел.

Когда в первой трети XX века физикам более или менее стало понятно строение атомного ядра, они прежде всего попробовали осуществить давнюю мечту алхимиков - постарались превратить один химический элемент в другой. В 1934 году французские исследователи супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри доложили Французской академии наук о следующем опыте: при бомбардировке пластин алюминия альфа-частицами (ядрами атома гелия) атомы алюминия превращались в атомы фосфора, но не обычные, а радиоактивные, которые свою очередь переходили в устойчивый изотоп кремния. Таким образом, атом алюминия, присоединив один протон и два нейтрона, превращался в более тяжелый атом кремния.

Этот опыт навел на мысль, что если «обстреливать» нейтронами ядра самого тяжелого из существующих в природе элементов - урана, то можно получить такой элемент, которого в естественных условиях нет. В 1938 году немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман повторили в общих чертах опыт супругов Жолио-Кюри, взяв вместо алюминия уран. Результаты эксперимента оказались совсем не те, что они ожидали - вместо нового сверхтяжелого элемента с массовым числом больше, чем у урана, Ган и Штрассман получили легкие элементы из средней части периодической системы: барий, криптон, бром и некоторые другие. Сами экспериментаторы не смогли объяснить наблюдаемое явление. Только в следующем году физик Лиза Мейтнер, которой Ган сообщил о своих затруднениях, нашла правильное объяснение наблюдаемому феномену, предположив, что при обстреле урана нейтронами происходит расщепление (деление) его ядра. При этом должны были образовываться ядра более легких элементов (вот откуда брались барий, криптон и другие вещества), а также выделяться 2-3 свободных нейтрона. Дальнейшие исследования позволили детально прояснить картину происходящего.

Природный уран состоит из смеси трех изотопов с массами 238, 234 и 235. Основное количество урана приходится на изотоп-238, в ядро которого входят 92 протона и 146 нейтронов. Уран-235 составляет всего 1/140 природного урана (0, 7% (он имеет в своем ядре 92 протона и 143 нейтрона), а уран-234 (92 протона, 142 нейтрона) лишь - 1/17500 от общей массы урана (0, 006%. Наименее стабильным из этих изотопов является уран-235.

Время от времени ядра его атомов самопроизвольно делятся на части, вследствие чего образуются более легкие элементы периодической системы. Процесс сопровождается выделением двух или трех свободных нейтронов, которые мчатся с огромной скоростью - около 10 тыс. км/с (их называют быстрыми нейтронами). Эти нейтроны могут попадать в другие ядра урана, вызывая ядерные реакции. Каждый изотоп ведет себя в этом случае по-разному. Ядра урана-238 в большинстве случаев просто захватывают эти нейтроны без каких-либо дальнейших превращений. Но примерно в одном случае из пяти при столкновении быстрого нейтрона с ядром изотопа-238 происходит любопытная ядерная реакция: один из нейтронов урана-238 испускает электрон, превращаясь в протон, то есть изотоп урана обращается в более
тяжелый элемент - нептуний-239 (93 протона + 146 нейтронов). Но нептуний нестабилен - через несколько минут один из его нейтронов испускает электрон, превращаясь в протон, после чего изотоп нептуния обращается в следующий по счету элемент периодической системы - плутоний-239 (94 протона + 145 нейтронов). Если же нейтрон попадает в ядро неустойчивого урана-235, то немедленно происходит деление - атомы распадаются с испусканием двух или трех нейтронов. Понятно, что в природном уране, большинство атомов которого относятся к изотопу-238, никаких видимых последствий эта реакция не имеет - все свободные нейтроны окажутся в конце концов поглощенными этим изотопом.

Ну а если представить себе достаточно массивный кусок урана, целиком состоящий из изотопа-235?

Здесь процесс пойдет по-другому: нейтроны, выделившиеся при делении нескольких ядер, в свою очередь, попадая в соседние ядра, вызывают их деление. В результате выделяется новая порция нейтронов, которая расщепляет следующие ядра. При благоприятных условиях эта реакция протекает лавинообразно и носит название цепной реакции. Для ее начала может быть достаточно считанного количества бомбардирующих частиц.

Действительно, пусть уран-235 бомбардируют всего 100 нейтронов. Они разделят 100 ядер урана. При этом выделится 250 новых нейтронов второго поколения (в среднем 2, 5 за одно деление). Нейтроны второго поколения произведут уже 250 делений, при котором выделится 625 нейтронов. В следующем поколении оно станет равным 1562, затем 3906, далее 9670 и т.д. Число делений будет увеличиваться безгранично, если процесс не остановить.

Однако реально лишь незначительная часть нейтронов попадает в ядра атомов. Остальные, стремительно промчавшись между ними, уносятся в окружающее пространство. Самоподдерживающаяся цепная реакция может возникнуть только в достаточно большом массиве урана-235, обладающим, как говорят, критической массой. (Эта масса при нормальных условиях равна 50 кг.) Важно отметить, что деление каждого ядра сопровождается выделением огромного количества энергии, которая оказывается примерно в 300 миллионов раз больше энергии, затраченной на расщепление! (Подсчитано, что при полном делении 1 кг урана-235 выделяется столько же тепла, сколько при сжигании 3 тыс. тонн угля.)

Этот колоссальный выплеск энергии, освобождающейся в считанные мгновения, проявляет себя как взрыв чудовищной силы и лежит в основе действия ядерного оружия. Но для того чтобы это оружие стало реальностью, необходимо, чтобы заряд состоял не из природного урана, а из редкого изотопа - 235 (такой уран называют обогащенным). Позже было установлено, что чистый плутоний также является делящимся материалом и может быть использован в атомном заряде вместо урана-235.

Все эти важные открытия были сделаны накануне Второй мировой войны. Вскоре в Германии и в других странах начались секретные работы по созданию атомной бомбы. В США этой проблемой занялись в 1941 году. Всему комплексу работ было присвоено наименование «Манхэттенского проекта».

Административное руководство проектом осуществлял генерал Гровс, а научное - профессор Калифорнийского университета Роберт Оппенгеймер. Оба хорошо понимали огромную сложность стоящей перед ними задачи. Поэтому первой заботой Оппенгеймера стало комплектование высокоинтеллектуального научного коллектива. В США тогда было много физиков, эмигрировавших из фашистской Германии. Нелегко было привлечь их к созданию оружия, направленного против их прежней родины. Оппенгеймер лично говорил с каждым, пуская в ход всю силу своего обаяния. Вскоре ему удалось собрать небольшую группу теоретиков, которых он шутливо называл «светилами». И в самом деле, в нее входили крупнейшие специалисты того времени в области физики и химии. (Среди них 13 лауреатов Нобелевской премии, в том числе Бор, Ферми, Франк, Чедвик, Лоуренс.) Кроме них, было много других специалистов самого разного профиля.

Правительство США не скупилось на расходы, и работы с самого начала приняли грандиозный размах. В 1942 году была основана крупнейшая в мире исследовательская лаборатория в Лос-Аламосе. Население этого научного города вскоре достигло 9 тысяч человек. По составу ученых, размаху научных экспериментов, числу привлекаемых к работе специалистов и рабочих Лос-Аламосская лаборатория не имела себе равных в мировой истории. «Манхэттенский проект» имел свою полицию, контрразведку, систему связи, склады, поселки, заводы, лаборатории, свой колоссальный бюджет.

Главная цель проекта состояла в получении достаточного количества делящегося материала, из которого можно было бы создать несколько атомных бомб. Кроме урана-235 зарядом для бомбы, как уже говорилось, мог служить искусственный элемент плутоний-239, то есть бомба могла быть как урановой, так и плутониевой.

Гровс и Оппенгеймер согласились, что работы должны вестись одновременно по двум направлениям, поскольку невозможно наперед решить, какое из них окажется более перспективным. Оба способа принципиально отличались друг от друга: накопление урана-235 должно было осуществляться путем его отделения от основной массы природного урана, а плутоний мог быть получен только в результате управляемой ядерной реакции при облучении нейтронами урана-238. И тот и другой путь представлялся необычайно трудным и не сулил легких решений.

В самом деле, как можно отделить друг от друга два изотопа, которые лишь незначительно отличаются своим весом и химически ведут себя совершенно одинаково? Ни наука, ни техника никогда еще не сталкивались с такой проблемой. Производство плутония тоже поначалу казалось очень проблематичным. До этого весь опыт ядерных превращений сводился к нескольким лабораторным экспериментам. Теперь же предстояло в промышленном масштабе освоить производство килограммов плутония, разработать и создать для этого специальную установку - ядерный реактор, и научиться управлять течением ядерной реакции.

И там и здесь предстояло разрешить целый комплекс сложных задач. Поэтому «Манхэттенский проект» состоял из нескольких подпроектов, во главе которых стояли видные ученые. Сам Оппенгеймер был главой Лос-Аламосской научной лаборатории. Лоуренс заведовал Радиационной лабораторией Калифорнийского университета. Ферми вел в Чикагском университете исследования по созданию ядерного реактора.

Поначалу важнейшей проблемой было получение урана. До войны этот металл фактически не имел применения. Теперь, когда он потребовался сразу в огромных количествах, оказалось, что не существует промышленного способа его производства.

Компания «Вестингауз» взялась за его разработку и быстро добилась успеха. После очистки урановой смолы (в таком виде уран встречается в природе) и получения окиси урана, ее превращали в тетрафторид (UF4), из которого путем электролиза выделялся металлический уран. Если в конце 1941 года в распоряжении американских ученых было всего несколько граммов металлического урана, то уже в ноябре 1942 года его промышленное производство на заводах фирмы «Вестингауз» достигло 6000 фунтов в месяц.

Одновременно шла работа над созданием ядерного реактора. Процесс производства плутония фактически сводился к облучению урановых стержней нейтронами, в результате чего часть урана-238 должна была обратиться в плутоний. Источниками нейтронов при этом могли быть делящиеся атомы урана-235, рассеянные в достаточном количестве среди атомов урана-238. Но для того чтобы поддерживать постоянное воспроизводство нейтронов, должна была начаться цепная реакция деления атомов урана-235. Между тем, как уже говорилось, на каждый атом урана-235 приходилось 140 атомов урана-238. Ясно, что у разлетающихся во все стороны нейтронов было гораздо больше вероятности встретить на своем пути именно их. То есть, огромное число выделившихся нейтронов оказывалось без всякой пользы поглощенным основным изотопом. Очевидно, что при таких условиях цепная реакция идти не могла. Как же быть?

Сначала представлялось, что без разделения двух изотопов работа реактора вообще невозможна, но вскоре было установлено одно важное обстоятельство: оказалось, что уран-235 и уран-238 восприимчивы к нейтронам разных энергий. Расщепить ядро атома урана-235 можно нейтроном сравнительно небольшой энергии, имеющим скорость около 22 м/с. Такие медленные нейтроны не захватываются ядрами урана-238 - для этого те должны иметь скорость порядка сотен тысяч метров в секунду. Другими словами уран-238 бессилен помешать началу и ходу цепной реакции в уране-235, вызванной нейтронами, замедленными до крайне малых скоростей - не более 22 м/с. Это явление было открыто итальянским физиком Ферми, который с 1938 года жил в США и руководил здесь работами по созданию первого реактора. В качестве замедлителя нейтронов Ферми решил применить графит. По его расчетам, вылетевшие из урана-235 нейтроны, пройдя через слой графита в 40 см, должны были снизить свою скорость до 22 м/с и начать самоподдерживающуюся цепную реакцию в уране-235.

Другим замедлителем могла служить так называемая «тяжелая» вода. Поскольку атомы водорода, входящие в нее, по размерам и массе очень близки к нейтронам, они могли лучше всего замедлять их. (С быстрыми нейтронами происходит примерно то же, что с шарами: если маленький шар ударяется о большой, он откатывается назад, почти не теряя скорости, при встрече же с маленьким шаром он передает ему значительную часть своей энергии - точно так же нейтрон при упругом столкновении отскакивает от тяжелого ядра лишь незначительно замедляясь, а при столкновении с ядрами атомов водорода очень быстро теряет всю свою энергию.) Однако обычная вода не подходит для замедления, так как ее водород имеет тенденцию поглощать нейтроны. Вот почему для этой цели следует использовать дейтерий, входящий в состав «тяжелой» воды.

В начале 1942 года под руководством Ферми в помещении теннисного корта под западными трибунами Чикагского стадиона началось строительство первого в истории ядерного реактора. Все работы ученые проводили сами. Управление реакцией можно осуществлять единственным способом - регулируя число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Ферми предполагал добиться этого с помощью стержней, изготовленных из таких веществ, как бор и кадмий, которые сильно поглощают нейтроны. Замедлителем служили графитовые кирпичи, из которых физики возвели колоны высотой в 3 м и шириной в 1, 2 м. Между ними были установлены прямоугольные блоки с окисью урана. На всю конструкцию пошло около 46 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Для замедления реакции служили введенные в реактор стержни из кадмия и бора.

Если бы этого оказалось недостаточно, то для страховки на платформе, расположенной над реактором, стояли двое ученых с ведрами, наполненными раствором солей кадмия - они должны были вылить их на реактор, если бы реакция вышла из-под контроля. К счастью, этого не потребовалось. 2 декабря 1942 года Ферми приказал выдвинуть все контрольные стержни, и эксперимент начался. Через четыре минуты нейтронные счетчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идет цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать ее по своей воле. Теперь уже не было сомнения, что ядерное оружие - реальность.

В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре
построен еще один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Он состоял из цилиндрической алюминиевой цистерны, содержащей 6, 5 тонн тяжелой воды, в которую было вертикально погружено 120 стержней из металлического урана, заключенные в алюминиевую оболочку. Семь управляющих стержней были сделаны из кадмия. Вокруг цистерны располагался графитовый отражатель, затем экран из сплавов свинца и кадмия. Вся конструкция заключалась в бетонный панцирь с толщиной стенок около 2, 5 м.

Эксперименты на этих опытных реакторах подтвердили возможность промышленного производства плутония.

Главным центром «Манхэттенского проекта» вскоре стал городок Ок-Ридж в долине реки Теннеси, население которого за несколько месяцев выросло до 79 тысяч человек. Здесь в короткий срок был построен первый в истории завод по производству обогащенного урана. Тут же в 1943 году был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана, с поверхности которого путем химического разделения получали плутоний. (Для этого плутоний сначала растворяли, а потом осаждали.) Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония.

Параллельно полным ходом шли исследования по разработке промышленного процесса обогащения урана.

Рассмотрев разные варианты, Гровс и Оппенгеймер решили сосредоточить усилия на двух методах: газодиффузионном и электромагнитном.

Газодиффузионный метод основывался на принципе, известном под названием закона Грэхэма (он был впервые сформулирован в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэхэмом и разработан в 1896 году английским физиком Рейли). В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. В ноябре 1942 года Юри и Даннинг из Колумбийского университета создали на основе метода Рейли газодиффузионный метод разделения изотопов урана.

Так как природный уран - твердое вещество, то его сначала превращали во фтористый уран (UF6). Затем этот газ пропускали через микроскопические - порядка тысячных долей миллиметра - отверстия в перегородке фильтра.

Так как разница в молярных весах газов была очень мала, то за перегородкой содержание урана-235 увеличивалось всего в 1, 0002 раза.

Для того чтобы увеличить количество урана-235 еще больше, полученную смесь снова пропускают через перегородку, и количество урана опять увеличивается в 1, 0002 раза. Таким образом, чтобы повысить содержание урана-235 до 99%, нужно было пропускать газ через 4000 фильтров. Это происходило на огромном газодиффузионном заводе в Ок-Ридж.

В 1940 году под руководством Эрнста Лоуренса в Калифорнийском университете начались исследования по разделению изотопов урана электромагнитным методом. Необходимо было найти такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, пользуясь разностью их масс. Лоуренс предпринял попытку разделить изотопы, используя принцип масс-спектрографа - прибора, с помощью которого определяют массы атомов.

Принцип его действия сводился к следующему: предварительно ионизированные атомы ускорялись электрическим полем, а затем пропускались через магнитное поле, в котором они описывали окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий были пропорциональны массе, легкие ионы оказывались на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые. Если на пути атомов размещали ловушки, то можно было таким образом раздельно собирать различные изотопы.

Таков был метод. В лабораторных условиях он дал неплохие результаты. Но строительство установки, на которой разделение изотопов могло бы производиться в промышленных масштабах, оказалось чрезвычайно сложным. Однако Лоуренсу в конце концов удалось преодолеть все трудности. Результатом его усилий стало появление калутрона, который был установлен на гигантском заводе в Ок-Ридже.

Этот электромагнитный завод был построен в 1943 году и оказался едва ли не самым дорогостоящим детищем «Манхэттенского проекта». Метод Лоуренса требовал большого количества сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высоким напряжением, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Масштабы затрат оказались огромны. Калутрон имел гигантский электромагнит, длина которого достигала 75 м при весе около 4000 тонн.

На обмотки для этого электромагнита пошло несколько тысяч тонн серебряной проволоки.

Все работы (не считая стоимости серебра на сумму 300 миллионов долларов, которое государственное казначейство предоставило только на время) обошлись в 400 миллионов долларов. Только за электроэнергию, затраченную калутроном, министерство обороны заплатило 10 миллионов. Большая часть оборудования ок-риджского завода превосходила по масштабам и точности изготовления все, что когда-либо разрабатывалось в этой области техники.

Но все эти затраты оказались не напрасными. Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, ученые США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония. Тем временем в Лос-Аламосской лаборатории работали над проектом самой бомбы. Принцип ее действия был в общих чертах ясен уже давно: делящееся вещество (плутоний или уран-235) следовало в момент взрыва перевести в критическое состояние (для осуществления цепной реакции масса заряда должна быть даже заметно больше критической) и облучить пучком нейтронов, что влекло за собой начало цепной реакции.

По расчетам, критическая масса заряда превосходила 50 килограмм, но ее смогли значительно уменьшить. Вообще на величину критической массы сильно влияют несколько факторов. Чем больше поверхностная площадь заряда - тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающее пространство. Наименьшей площадью поверхности обладает сфера. Следовательно, сферические заряды при прочих равных условиях имеют наименьшую критическую массу. Кроме того, величина критической массы зависит от чистоты и вида делящихся материалов. Она обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить, к примеру, уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Критическую массу, кроме того, можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана могут быть использованы свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и многие другие.

Одна из возможных конструкций атомной бомбы состоит из двух кусков урана, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы. Соединение заряда и интенсивное облучение его нейтронами, как уже говорилось, вызывает цепную реакцию, в результате которой в первую же секунду температура возрастает до 1 миллиона градусов. За это время успевало разделиться всего около 5% критической массы. Остальная часть заряда в бомбах ранней конструкции испарялась без
всякой пользы.

Первая в истории атомная бомба (ей было дано имя «Тринити») была собрана летом 1945 года. А 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо (штат Нью-Мексико) был произведен первый на Земле атомный взрыв. Бомбу поместили в центре полигона на вершине стальной 30-метровой башни. Вокруг нее на большом расстоянии размещалась регистрирующая аппаратура. В 9 км находился наблюдательный пункт, а в 16 км - командный. На всех свидетелей этого события атомный взрыв произвел потрясающее впечатление. По описанию очевидцев, было такое ощущение, будто множество солнц соединилось в одно и разом осветило полигон. Затем над равниной возник огромный огненный шар и к нему медленно и зловеще стало подниматься круглое облако пыли и света.

Оторвавшись от земли, этот огненный шар за несколько секунд взлетел на высоту более трех километров. С каждым мгновением он разрастался в размерах, вскоре его диаметр достиг 1, 5 км, и он медленно поднялся в стратосферу. Затем огненный шар уступил место столбу клубящегося дыма, который вытянулся на высоту 12 км, приняв форму гигантского гриба. Все это сопровождалось ужасным грохотом, от которого дрожала земля. Мощность взорвавшейся бомбы превзошла все ожидания.

Как только позволила радиационная обстановка, несколько танков «Шерман», выложенные изнутри свинцовыми плитами, ринулись в район взрыва. На одном из них находился Ферми, которому не терпелось увидеть результаты своего труда. Его глазам предстала мертвая выжженная земля, на которой в радиусе 1, 5 км было уничтожено все живое. Песок спекся в стекловидную зеленоватую корку, покрывавшую землю. В огромной воронке лежали изуродованные остатки стальной опорной башни. Сила взрыва была оценена в 20000 тонн тротила.

Следующим шагом должно было стать боевое применение бомбы против Японии, которая после капитуляции фашистской Германии одна продолжала войну с США и их союзниками. Ракет-носителей тогда еще не было, поэтому бомбардировку предстояло осуществить с самолета. Компоненты двух бомб были с большой осторожностью доставлены крейсером «Индианаполис» на остров Тиниан, где базировалась 509-я сводная группа ВВС США. По типу заряда и конструкции эти бомбы несколько отличались друг от друга.

Первая бомба - «Малыш» - представляла собой крупногабаритную авиационную бомбу с атомным зарядом из сильно обогащенного урана-235. Длина ее была около 3 м, диаметр - 62 см, вес - 4, 1 т.

Вторая бомба - «Толстяк» - с зарядом плутония-239 имела яйцеобразную форму с крупногабаритным стабилизатором. Длина ее
составляла 3, 2 м, диаметр 1, 5 м, вес - 4, 5 т.

6 августа бомбардировщик Б-29 «Энола Гэй» полковника Тиббетса сбросил «Малыша» на крупный японский город Хиросиму. Бомба опускалась на парашюте и взорвалась, как это и было предусмотрено, на высоте 600 м от земли.

Последствия взрыва были ужасны. Даже на самих пилотов вид уничтоженного ими в одно мгновение мирного города произвел гнетущее впечатление. Позже один из них признался, что они видели в эту секунду самое плохое, что только может увидеть человек.

Для тех же, кто находился на земле, происходящее напоминало подлинный ад. Прежде всего, над Хиросимой прошла тепловая волна. Ее действие длилось всего несколько мгновений, но было настолько мощным, что расплавило даже черепицу и кристаллы кварца в гранитных плитах, превратило в уголь телефонные столбы на расстоянии 4 км и, наконец, настолько испепелило человеческие тела, что от них остались только тени на асфальте мостовых или на стенах домов. Затем из-под огненного шара вырвался чудовищный порыв ветра и промчался над городом со скоростью 800 км/ч, сметая все на своем пути. Не выдержавшие его яростного натиска дома рушились как подкошенные. В гигантском круге диаметром 4 км не осталось ни одного целого здания. Через несколько минут после взрыва над городом прошел черный радиоактивный дождь - это превращенная в пар влага сконденсировалась в высоких слоях атмосферы и выпала на землю в виде крупных капель, смешанных с радиоактивной пылью.

После дождя на город обрушился новый порыв ветра, на этот раз дувший в направлении эпицентра. Он был слабее первого, но все же достаточно силен, чтобы вырывать с корнем деревья. Ветер раздул гигантский пожар, в котором горело все, что только могло гореть. Из 76 тысяч зданий полностью разрушилось и сгорело 55 тысяч. Свидетели этой ужасной катастрофы вспоминали о людях-факелах, с которых сгоревшая одежда спадала на землю вместе с лохмотьями кожи, и о толпах обезумевших людей, покрытых ужасными ожогами, которые с криком метались по улицам. В воздухе стоял удушающий смрад от горелого человеческого мяса. Всюду валялись люди, мертвые и умирающие. Было много таких, которые ослепли и оглохли и, тычась во все стороны, не могли ничего разобрать в царившем вокруг хаосе.

Несчастные, находившиеся от эпицентра на расстоянии до 800 м, за доли секунды сгорели в буквальном смысле слова - их внутренности испарились, а тела превратились в комки дымящихся углей. Находившиеся от эпицентра на расстоянии 1 км, были поражены лучевой болезнью в крайне тяжелой форме. Уже через несколько часов у них началась сильнейшая рвота, температура подскочила до 39-40 градусов, появились одышка и кровотечения. Затем на коже высыпали незаживающие язвы, состав крови резко изменился, волосы выпали. После ужасных страданий, обычно на второй или третий день, наступала смерть.

Всего от взрыва и лучевой болезни погибло около 240 тысяч человек. Около 160 тысяч получили лучевую болезнь в более легкой форме - их мучительная смерть оказалась отсроченной на несколько месяцев или лет. Когда известие о катастрофе распространилось по стране, вся Япония была парализована страхом. Он еще увеличился, после того как 9 августа самолет «Бокс Кар» майора Суини сбросил вторую бомбу на Нагасаки. Здесь также погибло и было ранено несколько сот тысяч жителей. Не в силах противостоять новому оружию, японское правительство капитулировало - атомная бомба положила конец Второй мировой войне.

Война закончилась. Она продолжалась всего шесть лет, но успела изменить мир и людей почти до неузнаваемости.

Человеческая цивилизация до 1939 года и человеческая цивилизация после 1945 года разительно не похожи друг на друга. Тому есть много причин, но одна из важнейших - появление ядерного оружия. Можно без преувеличений сказать, что тень Хиросимы лежит на всей второй половине XX века. Она стала глубоким нравственным ожогом для многих миллионов людей, как бывших современниками этой катастрофы, так и родившихся через десятилетия после нее. Современный человек уже не может думать о мире так, как думали о нем до 6 августа 1945 года - он слишком ясно понимает, что этот мир может за несколько мгновений превратиться в ничто.

Современный человек не может смотреть на войну, так как смотрели его деды и прадеды - он достоверно знает, что эта война будет последней, и в ней не окажется ни победителей, ни побежденных. Ядерное оружие наложило свой отпечаток на все сферы общественной жизни, и современная цивилизация не может жить по тем же законам, что шестьдесят или восемьдесят лет назад. Никто не понимал этого лучше самих создателей атомной бомбы.

«Люди нашей планеты , - писал Роберт Оппенгеймер, - должны объединиться. Ужас и разрушение, посеянные последней войной, диктуют нам эту мысль. Взрывы атомных бомб доказали ее со всей жестокостью. Другие люди в другое время уже говорили подобные слова - только о другом оружии и о других войнах. Они не добились успеха. Но тот, кто и сегодня скажет, что эти слова бесполезны, введен в заблуждение превратностями истории. Нас нельзя убедить в этом. Результаты нашего труда не оставляют человечеству другого выбора, кроме как создать объединенный мир. Мир, основанный на законности и гуманизме».