В основе атомной бомбы лежат открытия довоенного времени: деление урана и цепная нейтронная реакция. Деление урана примечательно в двух отношениях. Первое — энергетическое.
Как известно, все элементы, содержащиеся в таблице Менделеева, состоят из ядер и электронов, движущихся вокруг ядра. Ядра, в свою очередь, состоят из протонов и нейтронов. При этом в так называемых лёгких ядрах их число сопоставимо, а в тяжёлых — преобладают нейтроны.
Ядро в сто тысяч раз меньше атома, внутри которого располагаются электроны. Поэтому ядерные, концентрированные силы намного больше, чем атомные (кулоновские). Все химические реакции затрагивают электронные оболочки с их относительно слабыми связями, тогда как ядерные превращения изменяют структуру ядра.
При делении урана под действием нейтрона происходит развал тяжёлого ядра на два осколка, приходящихся „на середину“ периодической системы элементов, где ядра наиболее крепко связаны. Именно этот принцип — деление ядер — положен в основу конструкции атомной бомбы. Попутно отметим, что слияние лёгких ядер с образованием более тяжёлых лежит в основе термоядерных реакций водородной бомбы.
При химических реакциях, например когда взрывается порох, тротил или другое ВВ, энергии выделяется примерно в 10 миллионов раз меньше, чем при реакции ядерной, — в расчёте на равное количество инициируемого вещества. Именно из этого обстоятельства вытекает огромное преимущество ядерного оружия над обычным.
Первая советская атомная бомба весила около 5 тонн (как и первая американская) и имела мощность около 15 килотонн тротилового эквивалента (ТНТ), то есть превосходила свой химический аналог в 3 тысячи раз. Не в 10 миллионов раз, как отмечалось выше, а в тысячи раз меньше.
Почему?
Дело в том, что в массивном корпусе атомной бомбы содержалось всего лишь 6 килограммов активного материала, который к тому же „сгорал“ далеко не полностью (в отличие от обычного ВВ с коэффициентом полезного действия, близким к 100 процентам).
Вторая особенность деления состоит в том, что в результате распада тяжёлого ядра образуются новые нейтроны. Это принципиальное обстоятельство приводит к возможности цепной реакции — нарастающему экспоненциально потоку нейтронов.
Экспериментальным путём выяснили, что для реализации взрыва пригодными оказались нечётные изотопы урана и плутония (уран-235, плутоний-239). Другие элементы, в том числе уран-233, более далёкие изотопы плутония, прочие трансураны, распространения не получили из-за технологических трудностей и высокой стоимости.
К слову сказать, в своё время возлагались большие надежды на кюрий-245. Было высказано предположение, что у него уникальные ядерные свойства и можно сделать не то что бомбу, а чуть ли не атомную пулю. На реакторе добыли некоторое количество кюрия, определили его физические и ядерные константы. Иллюзии исчезли так же быстро, как и появились. Кюрий-245 по ядерным характеристикам не сильно отличался от плутония-239, но превосходил последний по стоимости в десятки раз.
Уран-235 является изотопом природного урана, в котором его содержится всего 0,7 процента, остальные 99,3 — уран-238. Известно несколько способов разделения изотопов: газодиффузионный, центробежный, лазерный, некоторые другие. В Советском Союзе наибольшее распространение получил центробежный. Он достиг очень высокого уровня совершенства. На его основе в настоящее время осуществляются поставки обогащённого урана для атомных станций внутри страны и на экспорт.
В бомбах использовался высокообогащённый уран (ВОУ) с концентрацией по урану-235 до 90–95 процентов.
Плутоний-239 — искусственный изотоп, которого нет в недрах Земли. Его получают в действующих реакторах. Уран-238 при облучении захватывает нейтрон и затем через два [ch946]-распада переходит в плутоний-239. Одна тонкость: из плутония-239 путём последующего захвата нейтрона образуется плутоний-240. В военном плутонии допустимое количество плутония-240 не должно составлять более 5–6 процентов, поэтому „срок выдержки“ облучаемого материала в специальных реакторах исчисляется неделями, тогда как в энергетических реакторах АЭС тепловыделяющие элементы могут находиться годами. Жёсткие требования по плутонию-240, прямым образом влияющие на стоимость военного плутония, обуславливаются инертностью плутония-240 по отношению к делению и сильно выраженным — из-за спонтанного деления — нейтронным фоном.
Есть ещё одна особенность плутония, доставляющая много хлопот конструкторам. Она связана с тем, что плутоний-239 обладает [ch945]-радиоактивностью с периодом полураспада около 24 тысяч лет. Энергетический (из реакторов АЭС) плутоний мало пригоден для военной техники также и потому, что в нём накапливаются длинные „хвосты“ трансурановых элементов, вплоть до плутония-244. При этом чётные изотопы малопродуктивны, нечётные определяют большой тепловой эффект из-за сравнительно короткого периода распада.
Аналогом плутония-239 является уран-233, также реакторного происхождения, но на основе тория. Торий-232 подхватывает нейтроны и также через два [ch946]-распада обращается в уран-233. Но и в этой технологии есть свои трудности (в первую очередь — повышенная гамма-радиоактивность), из-за чего сколько-нибудь заметного применения в военной технике уран-233 не получил.
Итак, мы установили: чтобы сделать бомбу, нужны высокообогащённый уран (ВОУ) или оружейный плутоний.
Вернемся, однако, к явлению, названному выше размножением нейтронов. И напомним, что нейтрон, испытывая многократные взаимодействия в расщепляющейся среде, может достигать её границы и исчезать. Ясно, что в бесконечной среде такого рода потерь нет. И наоборот: если размер рассматриваемой области (например, радиус делящегося плутониевого шара) сопоставим с длиной пробега нейтронов, их потери за счёт вылета становятся преобладающими.
Отсюда возникает важнейшее для последующего изложения понятие критического размера, или критической массы. Наиболее экономичной геометрической фигурой, имеющей наименьшую критическую массу, является, как известно, шар. Он обладает минимальным отношением поверхности (вылет) к объёму (рождению).
С этим соотношением связаны понятия критичности. В надкритическом состоянии (большой размер) поток нейтронов экспоненциально нарастает, в подкритическом — реакция затухает, в критическом — поддерживается стационарный уровень нейтронов. Реакторы АЭС, в которых поддерживается постоянное энерговыделение, находятся в критическом состоянии. Собственно говоря, вся система управления реактором направлена на то, чтобы поддерживать критическое состояние и не дать свалиться реактору ни в ту, ни в другую сторону.
Естественно, любое взрывное устройство должно обладать механизмом, способным перевести его из безопасного состояния (подкритического) во взрывное (надкритическое). Но каков бы ни был механизм такого перевода, по механическим соображениям он не может быть скачкообразным (мгновенным), он непременно растянут во времени.
Реально используются два способа перевода в надкритическое положение. Условно выражаясь — медленный и быстрый. Первый из них схематично можно представить так. Имеются два куска урана-235, каждый из которых подкритичен. Масса отдельного объёма составляет 0,75 от критической массы. При их совмещении с помощью пороха возникает надкритическая конфигурация, способная к импульсному размножению нейтронов.
Такой „пушечный“ вариант сближения, когда в урановую цилиндрическую оболочку загоняется сердцевина из урана, имеет дело с большими массами, считается медленным и не пригоден для плутония из-за большого нейтронного фона (у урана фон в сотни раз меньше). На практике такой способ был применён в бомбе, сброшенной на Хиросиму, но в дальнейшем в военных зарядах распространения не получил. Его используют лишь в некоторых специальных конструкциях, для которых существенны не вес и расход материала, а заданные габариты.
Вариант быстрого перехода через критсостояние называется, по американской терминологии, имплозией — „взрывом внутрь“. Опуская некоторые весьма существенные детали, вообразим такую конструкцию.
Пусть активный материал — плутоний — распределён в виде тонкой сферической оболочки и окружён взрывчатым веществом. Снаружи ВВ установлены капсюли-детонаторы, которые по внешнему сигналу образуют во взрывчатом веществе сферическую детонационную сходящуюся волну. Энергия ВВ передаётся плутониевой оболочке, и она летит в центр сферы, преобразуясь геометрически в шар и одновременно подвергаясь сжатию. Ввиду того что скорости оболочки и звука сравнимы, сжатие составляет разы. А раз повышается плотность материала — значит, снижается критмасса (обратно пропорционально квадрату плотности) и вообще весовые показатели заряда.
Описанный здесь способ перевода вещества в надкритическое состояние является самым совершенным, так как использует в полной мере оба фактора: геометрический и динамический. Одновременно он же является наиболее трудно достижимым технологически (тонкие, с высокими требованиями по допускам оболочки, организация с большой точностью сферической детонационной волны и т. д.).
На заре атомной эры поступали проще. В первой американской плутониевой бомбе, имевшей 6 кило делящегося материала, как и в аналогичной советской, плутоний заранее был собран в шар, а подлетающая инертная оболочка выполняла роль отражателя нейтронов и вызывала небольшое сжатие ядра.
