Генезис супербомбы

      Идея водородной бомбы, как в 40-х и 50-х называли взрывное устройство, основанное на термоядерном синтезе, первой посетила гениальную голову Энрико Ферми. Это случилось осенью 1941 года, за год до старта Манхэттенского проекта.   

Ферми предположил, что взрыв урановой бомбы способен инициировать  в дейтерии реакции синтеза 

D+D\rightarrow He^3+n+3.268 MeV   (с испусканием нейтрона)

D+D\rightarrow T+p+4.03 MeV   (с испусканием протона)

которые послужат источником энергии вторичного взрыва с потенциально неограниченной мощностью, зависящей лишь от количества «горючего материала» (МэВ — кинетическая энергия электрона, который разогнался на разности потенциалов в миллион вольт).  Хотя реакции деления урана или плутония близки по эффективности, бомба из делящихся материалов имеет принципиальное ограничение в Мегатонну, и даже этот предел практически недостижим. Будущий «отец термоядерной бомбы» Эдвард Теллер, с которым Ферми обсудил свою идею, сначала возразил по поводу того, что, при требуемой для синтеза температуре порядка 100 млн. градусов, большая часть энергии будет потеряна в виде излучения до того, как ядра дейтерия успеют разогнаться до нужных тепловых скоростей. Ферми согласился и на этом тему беседы двух ученых можно было считать закрытой, … если бы вскоре Теллер не увлекся супербомбой, пересмотрев свои скептические взгляды. Почти сразу его сотрудник Эмил Конопинский предложил задействовать лучше зажигаемую реакцию

D+T\rightarrow He^4+n+17.588 MeV     (дейтерии + тритий)

   Выходец из семьи венгерских эмигрантов Э. Теллер с энтузиазмом думал о термоядерной бомбе всю войну. Он получил в свое распоряжение небольшую группу теоретиков для работы по «водородной» проблеме. В 1943 Ю. Роберт Оппенгеймер в разговоре с Артуром Комптоном признал возможность создания супербомбы. Однако без численного моделирования далеко продвинуться в понимании физики термоядерного взрыва было невозможно, а первый в мире программируемый компьютер ENIAC появился лишь в 1945 году. Установленный в университете Пенсильвания, этот 27 тонный монстр был способен выполнить лишь 300 операций умножения/деления или 5 000 операций сложения/вычитания в секунду, хотя и в десятичной системе.

ENIAC 

   И тем не менее, вызывающий сегодня улыбку ENIAC и два других первенца компьютерной эры  — SSEC компании IBM и  SEAC из Национального Бюро Стандартов — сыграли важную роль в истории создания термоядерного оружия. Автором идеи задействовать ENIAC для расчетов по супербомбе был выдающийся математик Джон фон Нейман, который оставил заметные следы как в истории информатики, так и ядерного оружия. Нечто похожее имело место в Советском Союзе: первые компьютеры, появившиеся в начале 50-х (МЭСМ, БЭСМ и другие), активно использовались в работе над термоядерной бомбой. С помощью электро-механических арифмометров, которые обеспечивали все вычисления атомного проекта, вырастить водородного монстра было уже невозможно.

     В итоге к 1946 году сложился концепт  бомбы, который Теллер назвал «Классическим супером» (Classical Super). Предполагалось, что поток нейтронов от деления урана-235 в бомбе орудийной сборки (один субкритический кусок урана выстреливается в другой, такое устройство уничтожило Хиросиму), за счет передачи кинетической энергии при столкновениях ядер, сначала вызовет синтез дейтерий – тритиевой смеси с  200 г трития, после чего зажжется реакция жидкого дейтерия с самим собой в длинном цилиндре объемом кубометр. Прогнозируемый выход энергии около 10 Мегатонн, а общий вес устройства не превысил бы 10 тонн. Однако дальнейшие расчеты  математиков Станислава Улама и Джона фон Неймана показали, что Классический супер не взорвется, а самоподдерживающееся горение дейтерия без дополнительных усилий невозможно.  До 1950 года Теллер упорно искал решение ускользающей задачи, и в этом творческом процессе он предложил три работающих идеи, связанных с термоядерным синтезом.

       В  1946 родился дизайн Будильник (Alarm clock), вполне аналогичный испытанной  12 августа 1953 «Сахаровской слойке» с мощностью 400 Кт и рекордным количеством  радиоактивной грязи, выброшенной при взрыве. В этом устройстве  перемежались концентрические, сферические слои плутония, дейтерия с примесью трития и урана-238, а внешний слой химической взрывчатки обеспечивал начальное сжатие (имплозию) «кекса» с тем, чтобы привести плутониевое ядро в сверхкритическое состояние. Мгновенно следующий за этим ядерный взрыв успевал вызвать термоядерный синтез, а возникающий от него поток быстрых нейтронов начинал делить ядра урана-238. При этом радиоактивное вещество «слойки» разлеталась во все стороны, не успев как следует прореагировать. Данный дизайн был  бесперспективен в отношении создания бомбы мегатонного класса, которую можно было бы каким-то образом доставить к цели. 

    В 1947 Теллер придумал дизайн «Усилитель» (Booster), сущность которого заключалась в использовании малого количества дейтерий-тритиевого газа внутри делящегося ядра (pit), чтобы повысить темп цепной реакции c помощью быстрых нейтронов от синтеза и, тем самым, усилить мощность взрыва. Начиная с 50-х эта технология используется во всех ядерных бомбах развитых стран. Теллер первым догадался использовать относительно дешевое, твердое вещество дейтерид лития вместо жидкого дейтерия, требующего криогенного хранения, а также невероятно дорогого трития.

   Эдвард Теллер

     Энтузиазм Теллера сталкивался с сопротивлением научного сообщества по морально-этическим соображениям. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1944 год Айсидор Рэби (Колумбийский университет) писал: «поскольку не существует никаких пределов для разрушительной силы этого оружия, его существование и знания о его конструкции представляют собой опасность для всего человечества». Влиятельный в 40-х Ю. Роберт Оппенгеймер, председатель Главного консультативного комитета в Комиссии по атомной энергии, выступал против супербомбы с аналогичных позиций. В отчете от октября 1949, составленном президентом Принстонского университета Джеймсом Конэнтом и подписанном Оппенгеймером, было сказано следующее. «Мы полагаем, что супербомба никогда не должна быть  изготовлена…  В постановлении того, чтобы не приступать к разработке супербомбы, мы видим единственную возможность реально обеспечить некоторые ограничения тотальности войны и, таким образом, ограничить страх  и дать человечеству надежду» .

     Однако испытанная 29 августа 1949 Советская атомная бомба подтолкнула президента Трумэна к решительным действиям, и все моральные проблемы были немедленно отброшены. В конце января 1950 официально поставлена задача скорейшего создания термоядерной бомбы и выделены необходимые ресурсы. Результат не заставил себя ждать. Он быстро взошел на почве, ухоженной почти десятилетними трудами группы Теллера. Прорыв наступил в тот момент, когда Станислав Улам предложил Теллеру использовать тепловую энергию атомного взрыва не только для разогрева, но и для сжатия резервуара с термоядерным топливом. При этом Улам предлагал разнести в пространстве первичное ядерное устройство – триггер реакции синтеза и вторичное – тампер с дейтеридом лития или дейтерий-тритиевой жидкостью, который и был бы собственно водородной бомбой. Эта идея обещала исключить преждевременный разлет термоядерной взрывчатки, чего практически невозможно было добиться от Будильника. А также обеспечить разумные поперечные размеры супербомбы, позволяющие вместить ее в бомболюк «Миротворца»  http://extremal-mechanics.org/archives/480

      Теллер мгновенно оценил  потенциал этой смелой идеи. Однако, будучи более квалифицированным специалистом в физике, он сразу понял, что резервуара с термоядерным топливом первым достигнет поток рентгеновского излучения от ядерного взрыва, а не тепловая волна в среде, разделяющей первичную (primary) и вторичную (secondary) ступени такого устройства. Радикально модифицированная Теллером идея Улама называется радиационной имплозией. Это — процесс сжатия резервуара с термоядерным горючим под действием рентгеновской радиации от триггера, вызывающей взрывное испарение (абляцию) его внешней поверхности. Таким образом, чудовищный ливень рентгеновских фотонов вызывает реактивное сжатие тампера, внутри которого развивается давление в десятки или сотни миллиардов атмосфер (!), в зависимости от устройства, а температура подскакивает до миллионов градусов. Для дополнительного подогрева Теллер решил вставить в цилиндр полый стержень из плутония («свеча зажигания»), в котором от сжатия инициируется цепная реакция деления. Еще один ядерный взрыв – на сей раз внутри сжатого тампера,  после чего начинается термоядерный синтез.

     Но и это еще не конец захватывающего физического спектакля в масштабе времени, которое измеряется двумя-тремя микросекундами с включения цепей детонации primary ! При этом собственно синтез продолжается десятки наносекунд, после чего исчезают условия для его поддержания. Но этого, невероятно малого времени вполне достаточно, чтобы выделилась огромная энергия термоядерного взрыва, а его быстрые нейтроны разделили часть ядер оболочки (тампера) из урана-238, в которую заключена термоядерная реакция.  Соответствующая  энергия, выделившаяся при делении стенок тампера, как правило, хотя и не всегда, значительно превосходит энергию от синтеза. Таким образом термин «термоядерная бомба» не вполне корректен, однако он ближе к реальности, чем анахронизм «водородная бомба».

    9 марта 1951 блестящая идея Теллера-Улама, которую Оппенгеймер удостоил метафоры «технически сладкая», была опубликована в статье «On Heterocatalytic Detonations I. Hydrodynamic Lenses and Radiation Mirrors» изданной  лабораторией в Лос-Аламосе. Изрядно изуродованная цензурой статья выглядит так: http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/09/LAMS1225.pdf. Уже 1 ноября 1952 данный концепт был проверен 10 – мегатонным тестом «Ivy Mike» на атолле Эниветок в Тихом океане. Рождение супербомбы прошло успешно http://extremal-mechanics.org/%D0%B2%D0%B8%D0%B4%D0%B5%D0%BE/%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5-%D0%BE%D1%80%D1%83%D0%B6%D0%B8%D0%B5 

    Схема бомбы дизайна Теллера-Улама на основе статьи Ховарда Морлэнда в журнале The Progressive за 1979 год http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/09/1179.pdf - первый доступный источник информации о термоядерной бомбе, полученной этим журналистом в ходе самостоятельного и драматичного расследования. Сведения из статьи Морлэнда, на которых основаны все открытые описания дизайна Теллера-Улама и даже сам факт его существования, до сих пор официально не подтверждены и не опровергнуты Департаментом энергетики США.  Базовые принципы термоядерного оружия остаются секретом во всех странах !

Дмитрий Зотьев

Генезис супербомбы: 3 комментария

  1. Ядерная бомба — это великий триумф человеческого разума. Возможно самое выдающееся открытие в истории цивилизации. При всей неоднозначности в моральном аспекте, ядерное оружие уже 67 лет, а это почти человеческая жизнь, помогает избежать глобальной войны.

    • Зато этот глобальный мир хуже глобальной войны.

  2. Крайне сомнительно, что КНДР создало полноценный термоядерный боеприпас. Если что-то действительно взорвалось, то, вероятно, примитивное устройство вроде «сахаровской слойки» (она же Alarm clock).На мегатоннаж так выйти не получится, но очень грязный взрыв с выходом в сотню-другую килотонн устроить можно. Для шантажа Южной Кореи и Японии — в самый раз.