Термоядрена бомба: устройство. Първата термоядрена бомба. Тест за термоядрена бомба

Нашата статия е посветена на историята на създаването и общите принципи на синтеза на такова устройство като термоядрена бомба, наричана понякога водородна бомба. Вместо да освобождава енергията от експлозия при разделяне на ядра от тежки елементи, като уран, тя генерира още повече, като слива ядрата на леките елементи (например, изотопи на водород) в един тежък (например, хелий).

Защо предпочитаме ядрения синтез?

В термоядрена реакция, състояща се в сливането на ядрата на химичните елементи, участващи в нея, се генерира много повече енергия за единица маса на физическото устройство, отколкото в чиста атомна бомба, която изпълнява ядрена реакция на делене.

В атомна бомба, ядреното ядрено гориво бързо, под действието на енергията на детонация на конвенционалните експлозиви, се комбинира в малък сферичен обем, където се създава така наречената критична маса и започва реакцията на делене. В същото време много неутрони, освободени от делящи се ядра, ще доведат до делене на други ядра в масата на горивото, което също освобождава допълнителни неутрони, което води до верижна реакция. Тя покрива не повече от 20% от горивото, преди бомбата да експлодира, или може би много по-малко, ако условията не са перфектни: така в атомните бомби Хлапето е паднало върху Хирошима и Матхи хит Нагасаки, ефективността (ако е възможен такъв срок) са били само 1,38% и 13% съответно.

Сливането (или синтеза) на ядрата покрива цялата маса на бомбения заряд и продължава докато неутроните не открият нереагирало термоядрено гориво. Следователно, масата и експлозивната сила на такава бомба теоретично са неограничени. Такова сливане може да продължи теоретично безкрайно. Всъщност, термоядрената бомба е един от потенциалните устройства, които могат да унищожат целия човешки живот.

Какво е реакция на ядрен синтез?

Горивото за реакцията на синтез е водородните изотопи деутерий или тритий. Първият се различава от обикновения водород в това, че в ядрото му, с изключение на един протон, има и неутрон, а в тритиевото ядро ​​вече има два неутрона. В естествената вода един атом на деутерия представлява 7000 водородни атома, но от неговото количество. съдържащи се в чаша вода, можете да получите в резултат на термоядрена реакция същото количество топлина, както при изгаряне на 200 литра бензин. На среща през 1946 г. с политици, бащата на американеца водородна бомба Едуард Телър подчерта, че деутерият дава повече енергия на грам тегло, отколкото уран или плутоний, но струва двадесет цента на грам в сравнение с няколко стотин долара на грам ядрено гориво. Тритият в природата изобщо не се среща в свободно състояние, така че е много по-скъп от деутерий, с пазарна цена от десетки хиляди долара за грам, но най-голямо количество енергия се отделя именно в реакцията на синтез на деутериево и тритиево ядро, при което се образува и освобождава ядрото на хелиевия атом. неутрони, които отделят 17.59 МеВ от излишната енергия

D + T → ⁴ He + n + 17.59 MeV.

Тази реакция е показана схематично на фигурата по-долу. Много ли е или малко? Както знаете, всичко е относително. Така, енергията от 1 МеВ е около 2,3 милиона пъти повече от 1 kg масло се освобождава по време на горенето. Следователно, сливането само на две деутериеви и тритиеви ядра отделя толкова енергия, колкото 2.3 2,3 10 ⁶ .5 17,59 = 40,5 ⁶ 10 ⁶ кг масло, което се отделя при горенето. Но говорим само за два атома. Можете да си представите колко високи са били залозите през втората половина на 40-те години на миналия век, когато започна работа в Съединените щати и СССР, в резултат на което беше термоядрена бомба.

Как започна всичко

Още през лятото на 1942 г., в началото на проекта за атомна бомба в САЩ (проектът Мантех) и по-късно в подобна съветска програма, много преди изграждането на бомбата на базата на делене на ядрата на урана, вниманието на някои участници в тези програми беше привлечено от устройството, което може да използва много по-мощна реакция на термоядрен синтез. В Съединените щати, вече споменатият по-горе Едуард Телър е бил поддръжник на този подход и дори, би могъл да се каже, негов апологет. В СССР тази посока е разработена от Андрей Сахаров, бъдещ академик и дисидент.

За Телър сливането на термоядрен синтез в годините на създаване на атомната бомба изигра доста лоша услуга. Като участник в проекта в Манхатън, той настояваше за пренасочване на средствата, за да реализира собствените си идеи, чиято цел беше водородна и термоядрена бомба, която ръководството не хареса и предизвика напрежение в отношенията. Тъй като по това време термоядрената посока на изследване не е била подкрепяна, след създаването на атомната бомба, Телър напуска проекта и се занимава с преподаване, както и проучване на елементарни частици.

Но избухването на Студената война и най-вече създаването и успешното тестване на съветската атомна бомба през 1949 г. стана за жестоката антикомунистическа Телър нова възможност да реализира научните си идеи. Той се връща в лабораторията в Лос Аламос, където е създадена атомната бомба, и заедно с Станислав Улам и Корнелий Еверет пристъпва към изчисленията.

Принципът на термоядрена бомба

За да започне реакцията на ядрения синтез, трябва незабавно да загреете бомбения заряд до температура от 50 милиона градуса. Схемата за термоядрена бомба, предложена от Телър, използва за тази експлозия малка атомна бомба, която се намира във вътрешността на резервоара за водород. Може да се твърди, че в развитието на нейния проект през 40-те години на миналия век има три поколения:

• вариант на касиер, известен като „класически супер”;
• по-сложни, но и по-реални проекти от няколко концентрични сфери;
• Окончателният вариант на конструкцията Teller-Ulam, който е в основата на всички действащи в момента термоядрени оръжейни системи.

Подобни термоядрени бомби в СССР преминаха през Андрей Сахаров в началото на създаването им. Очевидно той е напълно самостоятелно и независимо от американците (което не е случаят с съветската атомна бомба, създадена от съвместните усилия на учени и разузнавачи, които са работили в САЩ), преминали през всички етапи на проектиране.

Първите две поколения притежават собствеността, че имат последователност от свързани слоеве, всяка от които подсилва някакъв аспект от предишния, а в някои случаи е установена обратна връзка. Нямаше ясно разграничение между първичната атомна бомба и вторичната термоядрена. За разлика от тях, термоядрената бомба в Телър-Улам рязко отличава основна експлозия, вторична и, ако е необходимо, допълнителна.

Устройството на термоядрена бомба по принципа на Teller-Ulam

Много от неговите подробности все още остават класифицирани, но има достатъчно увереност, че всички термоядрени оръжия, които са в момента, използват устройството, създадено от Едуард Телерос и Станислав Улам, в които атомната бомба (т.е. основната такса) се използва за генериране на радиация, като прототип компресира и затопля термоядрено гориво. Андрей Сахаров в Съветския съюз, очевидно, самостоятелно измисли подобна концепция, която той нарече „третата идея”.

Устройството на термоядрената бомба в този вариант е показано схематично на фигурата по-долу. Тя имаше цилиндрична форма, с груба сферична първична атомна бомба в единия край. Вторият термоядрен заряд в първите, все още непромишлени проби, беше от течен деутерий, малко по-късно станал твърд от химическо съединение, наречено литиев деутерид.

Факт е, че в индустрията литиевият хидрид LiH отдавна се използва за транспортиране на водород без бали. Разработчиците на бомбата (тази идея за пръв път е използвана в СССР) просто предложили да извлекат изотопа си деутерий вместо обикновен водород и да го комбинират с литий, тъй като е много по-лесно да се изпълни бомба със солиден термоядрен заряд.

Формата на вторичния заряд беше цилиндър, поставен в контейнер с обвивка от олово (или уран). Между зарядите е защитата на неутроните. Пространството между стените на контейнера с термоядрено гориво и бомбеният случай се попълват със специална пластмаса, като правило, с експандиран полистирол. Самият бомбен корпус е направен от стомана или алуминий.

Тези форми са се променили в последните проекти, като тези, показани на фигурата по-долу. В него основният заряд е сплескан, като диня или топка в американския футбол, а вторичният заряд е сферичен. Такива форми се вписват много по-ефективно във вътрешния обем на конусовидните ракети.

Термоядрена експлозия

Когато първичната атомна бомба взриви, в първите моменти на този процес има мощно X-радиация (неутронният поток), който е частично блокиран от екрана на неутронната защита, и се отразява от вътрешната облицовка на тялото около вторичния заряд, така че рентгеновите лъчи попадат симетрично върху него по цялата му дължина.

В началните етапи на термоядрената реакция неутроните от атомната експлозия се абсорбират от пластмасовия пълнител, за да се предотврати твърде бързото загряване на горивото.

Рентгеновите лъчи първоначално причиняват плътна пластмасова пяна, която запълва пространството между тялото и вторичния заряд, което бързо се превръща в плазма, която нагрява и компресира вторичния заряд.

В допълнение, рентгеновите лъчи изпаряват повърхността на контейнера около вторичния заряд. Симетрично изпаряващо се по отношение на този заряд, веществото на контейнера придобива определен импулс, насочен от неговата ос, а слоевете на вторичната такса получават импулс, насочен към оста на устройството, съгласно закона за запазване на инерцията. Принципът тук е същият като в ракета, само ако си представим, че ракетното гориво лети симетрично от оста си, а тялото е компресирано навътре.

В резултат на такова компресиране на термоядрено гориво, обемът му намалява хиляди пъти и температурата достига нивото на началото на реакцията на ядрен синтез. Има експлозия на термоядрена бомба. Реакцията е придружена от образуването на тритиеви ядра, които се сливат с деутериевите ядра, които първоначално присъстват в състава на вторичния заряд.

Първите вторични заряди бяха изградени около ядрото на плутония, наречено неофициално "свещ", което влиза в реакция на ядрено делене, т.е. друга, допълнителна атомна експлозия, за да се повиши температурата още повече, за да се осигури началото на ядрения синтез. Понастоящем се смята, че по-ефективните компресионни системи са елиминирали „свещта”, позволявайки по-нататъшно намаляване на дизайна на бомбата.

Операция Айви

По този начин тестовете на американските термоядрени оръжия на Маршаловите острови през 1952 г. са били извикани, по време на които е взривена първата термоядрена бомба. Нарича се Ivy Mike и е построен според типичната схема Teller-Ulam. Неговият вторичен термоядрен заряд беше поставен в цилиндричен контейнер, който е термоизолиран Dewar колба с термоядрено гориво под формата на течен деутерий, по оста на която преминава „свещ“ от 239 плутония. , Дюарите, от своя страна, бяха покрити с пласт от 238-уран с тегло над 5 метрични тона, който се изпари по време на експлозията, осигурявайки симетрично компресиране на термоядрено гориво. Контейнерът с първични и вторични заряди се поставя в стоманен корпус с ширина 80 инча и дължина 244 инча със стени с дебелина 10-12 инча, което е най-големият пример за подправен продукт до този момент. Вътрешната повърхност на кутията е облицована с листове от олово и полиетилен, за да отразява радиацията след експлозията на основния заряд и създава плазма, която затопля вторичния заряд. Цялото устройство тежи 82 тона. Изгледът на устройството малко преди експлозията е показан на снимката по-долу.

Първият тест на термоядрена бомба се състоя на 31 октомври 1952 г. Силата на експлозията беше 10,4 мегатона. Attol Eniwetok, на който е произведен, е напълно унищожен. Моментът на експлозията е показан на снимката по-долу.

СССР дава симетричен отговор

Американското термоядрено първенство не продължи дълго. На 12.08.1953 г. първата съветска термоядрена бомба RDS-6, разработена под ръководството на Андрей Сахаров и Юли Харитон, беше тествана в Семипалатинския изпитвателен полигон.От описанието по-горе е ясно, че бомбата върху Ениветок не е била действително експлодирана от американците, но по-скоро лабораторно устройство, тромаво и много несъвършено. Съветските учени, въпреки малкия капацитет от само 400 кг, тестваха напълно готови боеприпаси с термоядрено гориво под формата на твърд литиев деутерид, а не течен деутерий, както при американците. Между другото, трябва да се отбележи, че в състава на литиевия деутерид се използва само ⁶ Li изотоп (това се дължи на характеристиките на преминаване на термоядрените реакции), и в природата се смесва с ⁷ Li изотопа. Затова бяха построени специални продукции за отделяне на литиеви изотопи и селекция само на ⁶ литра.

Постигане на максимална мощност

Последва десетилетие на непрекъснатост надпревара във въоръжаването по време на която мощността на термоядрените боеприпаси непрекъснато нарастваше. Накрая, на 30.10.1961 г. в СССР най-мощната термоядрена бомба, която някога е била построена и изпитана, известна на запад като царска бомба, е взривена във въздуха на височина около 4 км в СССР.

Този тристепенен боеприпас всъщност е разработен като бомба от 101 мегатона, но желанието да се намали радиоактивното замърсяване на територията принуди строителите да изоставят третия етап с капацитет от 50 мегатона и да намалят очакваната мощност на устройството до 51,5 метона. В същото време 1,5 мегатона е силата на експлозията на първичния атомния заряд, а вторият термоядрен етап трябва да е дал още 50. Реалната мощност на експлозията е била до 58 мегатона, а появата на бомбата е показана на снимката по-долу.

Последиците от това бяха впечатляващи. Въпреки много значителната височина на експлозията от 4000 м, невероятно яркото огнено кълбо достига почти до долния край на земята, а горното се издига на височина над 4,5 км. Налягането под точката на прекъсване е шест пъти по-високо от пиковото налягане в експлозията в Хирошима. Светлината на светлината беше толкова ярка, че се виждаше на разстояние от 1000 километра, въпреки облачно време. Един от участниците в теста видя ярка светкавица през тъмните очила и усети ефектите на топлинен импулс дори на разстояние от 270 км. Снимката на момента на експлозията е показана по-долу.

Беше показано, че силата на термоядрения заряд наистина няма ограничения. В края на краищата беше достатъчно да се извърши третата стъпка и да се постигне изчислената мощност. Но можете да увеличите броя на стъпките и още повече, тъй като теглото на "Цар бомба" е не повече от 27 тона. Изгледът на това устройство е показан на снимката по-долу.

След тези изпитания на много политици и военни стана ясно, както в СССР, така и в САЩ, че надпреварата за ядрените оръжия е приключила и че трябва да бъде спряна.

Съвременната Русия наследи ядрения арсенал на СССР. Днес руските термоядрени бомби продължават да служат като възпиращо средство за онези, които търсят глобална хегемония. Да се ​​надяваме, че те ще изиграят своята роля само под формата на възпиращ фактор и никога няма да бъдат взривени.

Слънцето като термоядрен реактор

Добре известно е, че температура на слънцето, по-точно, неговата сърцевина, достигаща 15000000 ° К, се подкрепя от непрекъснатия поток от термоядрени реакции. Но всичко, което можем да научим от предишния текст, казва експлозивния характер на тези процеси. Тогава защо слънцето не експлодира като термоядрена бомба?

Факт е, че с огромна част от водорода в състава на слънчевата маса, която достига до 71%, делът на деутериевия изотоп, чиито ядра могат да участват само в реакцията на термоядрения синтез, е незначителен. Факт е, че самите деутериеви ядра се формират в резултат на сливането на две водородни ядра, а не само сливането, но с разпадането на един от протоните в неутрон, позитрон и неутрино (наричан още бета-разпад), което е рядко събитие. В същото време образуваните деутериеви ядра се разпределят относително равномерно по обема на слънчевото ядро. Ето защо, с огромните си размери и маса, отделните и редки огнища на термоядрените реакции на относително ниска мощност са, така да се каже, разпръснати по цялото ядро ​​на Слънцето. Топлината, отделяна по време на тези реакции, очевидно не е достатъчна, за да изгори моментално целия деутерий в Слънцето, но е достатъчно да го загрее до температура, която осигурява живот на Земята.