Солнце и другие звезды светят благодаря термоядерной реакции, превращая материю в энергию. Это один из самых эффективных во Вселенной способов ее получения. Человечество отчасти смогло воспроизвести этот процесс, но только в термоядерных бомбах. Да и это оказалось очень непросто.
Тысяча солнц
«Если бы в небе засияли тысячи солнц, их блеск мог бы сравниться с сиянием Верховного Господа в его вселенском воплощении», — именно эти слова из «Бхагавад-Гиты», индуистского священного текста, созданного две тысячи лет назад, процитировал Роберт Оппенгеймер после испытания первой в истории ядерной бомбы в пустыне штата Нью-Мексико.
В том, что он избрал для выражения собственных впечатлений именно такую цитату, нет ничего удивительного. Ядерный взрыв, в центре которого температура может достигать миллионов градусов, трудно сравнить с чем-то, кроме Солнца. И оно действительно имеет кое-что общее со взрывом в пустыне Мохаве: и там, и там происходит реакция, в результате которой часть массы вещества превращается в энергию.
Но на этом это сходство завершается. Атомные реакторы и бомбы используют процесс разделения тяжелых ядер, состоящих из большого количества протонов и нейтронов. Звезды же питает термоядерный синтез — процесс слияния легких ядер в более тяжелые.
Масштабы этого процесса действительно впечатляют. Солнечные вспышки, вызывающие на Земле магнитные бури, в несколько порядков превышают по мощности любое оружие, созданное человеком. А энергии, которую ежесекундно излучает в пространство наша звезда, земной цивилизации хватило бы на несколько веков.
При этом ученые даже могут описать циклы термоядерных реакций. В них преимущественно участвуют различные изотопы водорода и гелия, и, казалось бы, этих веществ достаточно и на нашей планете. Поэтому можно было бы попытаться повторить то, что происходит в природе. Однако для этого нужно воспроизвести невероятно высокую температуру и давление, иначе реакция не начнется.
Экспериментальные термоядерные установки существуют уже не одно десятилетие. Однако получить от них стабильный выход энергии пока не удалось. Единственным способом, позволяющим действительно разжечь солнце на поверхности планеты, остаются термоядерные бомбы, первая из которых была опробована 73 года назад — 1 ноября 1952 года.
Конструкция термоядерной бомбы
Впервые идея создать оружие на основе термоядерного синтеза была высказана еще осенью 1941 года, когда еще только шла разработка бомб на основе деления вещества. Авторами ее выступили Энрико Ферми, тот самый, который затем сформулировал парадокс отсутствия наблюдений инопланетян, и Эдвард Теллер.
Последний очень увлекся перспективой создания такого оружия, потому что путь к его реализации выглядел очевидным: поджечь водород с помощью ядерного взрыва. Правда, достаточно быстро оказалось, что совсем «как на Солнце» сделать не получится даже при использовании реакции деления урана. Вместо обычного водорода нужно было брать его более тяжелый изотоп — дейтерий. Для того чтобы он начал превращаться в гелий-4, достаточно было 400 млн градусов по Цельсию, и это выглядело вполне реально.
Однако достаточно быстро Теллер выяснил, что не учел эффект Комптона, из-за которого огромное количество образующегося в результате термоядерного взрыва тепла рассеивается раньше, чем нужная температура будет достигнута.
Термоядерная бомба оказалась не такой простой, как казалось. Ситуацию могло бы спасти использование вместе с дейтерием еще более тяжелого изотопа водорода — трития. Однако он нестабильный, в морской воде присутствует в скудных количествах, а производить его очень трудно.
Именно в этот момент к обсуждению проблемы присоединился один из членов группы Теллера – уроженец Львова Станислав Улям. Он обратил внимание на то, что если сжать термоядерное топливо очень сильно, то для начала реакции синтеза потребуются гораздо меньшие температуры. Сделать это все можно было с помощью того же ядерного взрыва.
Однако оказалось, что еще до реализации проекта необходимо провести кучу расчетов, потому что все понимали, что чем ближе резервуар с дейтерием к эпицентру термоядерного взрыва, тем больше шансов у дейтериево-тритиевой смеси начать реакцию синтеза. Но насколько близко она должна быть до ядерного заряда, никто точно сказать не мог. Может быть, ее вообще стоило разместить внутри него?
В момент, когда в 1945 году в пустыне Мохаве впервые вспыхнуло ядерное солнце, а Оппенгеймер начал цитировать «Бхагавата-Гиту», никто еще не знал, реально ли создать термоядерную бомбу. Однако необходимость в ней возникла достаточно быстро.
Стало ясно, что атомная бомба скоро будет и у Советского Союза, а создавать более мощные устройства, просто увеличив количество урана или плутония, не получится. Реакция происходила настолько быстро, что в нее успевала вступить только небольшая часть вещества. Остальное же просто испарялось.
В 1951 году Улям предположил, что для обеспечения необходимой густоты нужно сделать контейнер с дейтерием в виде цилиндра и к одному из его концов присоединить атомную бомбу. Тогда не давление газа, а излучение от взрыва как следует сжимает топливо и на нем начнется реакция. Они с Теллером доработали схему, в результате чего она приобрела вид, в котором потом использовалась в конструкции большинства бомб под названием «конструкция Теллера — Уляма».
Взрыв термоядерного устройства происходит в две стадии. На первой взрывается обычная бомба. Поток излучения невероятной интенсивности движется через контейнер с дейтерием и на своем пути встречает стержень из обогащенного урана или плутония, расположенный по оси цилиндра. Сжатое ядерное топливо достигает сверхкритического состояния, начинается реакция деления. Образуется встречная ударная волна, и в той точке, где она встречается с волной от первого взрыва, температура и давление наконец становятся достаточно большими, чтобы вспыхнули дейтерий с тритием.
Первый термоядерный взрыв на Земле произошел 1 ноября 1952 года во время испытания «Айви Майк» на атолле Эниветок (Маршалловы острова в Тихом океане). Точнее, бомба, которая была скорее сооружением весом 73,8 тонны, была установлена на крошечном островке (моту) Элугелаб, входящем в состав Эниветока. То есть входившем в его состав, потому что в результате детонации бомбы он просто перестал существовать. На его месте образовался заполненный водой кратер глубиной 50 м и диаметром почти 2 км. Сила взрыва составила 10,4 млн тонн тротилового эквивалента, то есть была в 690 раз больше, чем у бомбы, сброшенной на Хиросиму.
На тот момент это был самый мощный из взрывов, когда-либо устроенных человеком. Конструкция Теллера — Уляма работала, но в качестве оружия использовать ее было невозможно. Дейтерий и тритий нуждались в наличии криогенных установок, и разместить такую конструкцию внутри бомбы было невозможно.
Альтернативные конструкции
В это время в СССР уже опробовали свою атомную бомбу и приступили к работе над термоядерной. И, конечно же, столкнулись с теми же проблемами, что и Теллер с Улямом. Шпионы в США помочь им не могли, потому что их отстранили от ученых еще до того, как Улям высказал идею о двухстадийном подрыве.
Поэтому Андрей Сахаров и Юлий Харитон, которые руководили разработкой, обратились к идее имплозии, над которой Теллер думал в конце Второй мировой войны. Имплозия — это своеобразный «взрыв внутрь», благодаря ей работают атомные бомбы. Куски урана или плутония со всех сторон обкладывают обычной взрывчаткой, взрывают, и давление газов сжимает их до критической плотности, при которой начинается реакция деления.
Поэтому если атомная бомба сама по себе является имплозивным устройством, то зачем думать, с какой стороны прицепить к ней? Можно просто разместить слои ядерного и термоядерного топлива внутри шара из взрывчатки, образовав что-то типа пирожного-слойки. Собственно, «слойкой» эту схему и называют.
Кроме того, в Советском Союзе решились заменить газообразный дейтерий твердым соединением — дейтеридом лития. Это позволяло избавиться от громоздкой криогенной установки, потому что это вещество представляет собой не газ, а порошок. Однако никто точно не мог сказать, начнется ли в этом веществе термоядерная реакция или нет.
Как бы там ни было, а 12 августа 1953 года, менее чем через год после «Айви Майк», на Семипалатинском ядерном полигоне была испытана бомба РДС-6с, построенная именно по принципу «слойки». Взрыв произошел, и стало ясно, что советское устройство, в отличие от американского, можно использовать как оружие.
В то же время мощность взрыва составляла лишь 400 килотонн, из которых на реакцию синтеза приходилось лишь 15–20 %. Причем сразу было ясно, что «слойку» принципиально не удастся сделать более мощной. Правильным решением было применение дейтерида лития в схеме Теллера — Уляма.
Американцам удалось это реализовать уже 1 марта 1954 года. В тот день на Маршалловых островах, точнее на атолле Бикини, состоялось испытание под названием «Касл Браво». На этот раз мощность взрыва составила 15 МТ тротилового эквивалента, что в 2,5 раза больше, чем рассчитанные Теллером 6 МТ.
Причина крылась в термоядерном топливе, использованном в бомбе. Дейтерид лития — это, по сути, разновидность гидрата лития: атом металла, соединенный с атомом водорода. Только водород в таком случае заменен дейтерием. Но и литий тоже имеет разные изотопы. В устройстве «Касл Браво» половина термоядерного топлива была с литием-6, а половина — с литием-7.
Вообще-то литий тоже вступает на звездах в термоядерную реакцию. Но все считали, что в испытании «Касл Браво» условия недостаточно экстремальны для этого. Однако оказалось, что ученые ошибались. И одним из последствий стало облучение людей на обширной территории и выпадение радиоактивных осадков, вызванных рассеянием уранового стержня второй стадии.
Самый мощный взрыв в истории
Все проблемы с Касл Браво не помешали США создать на его основе то, что они так хотели, — самое мощное оружие в мире. Взрыв на атолле Бикини (кстати, именно он дал название известному типу женских купальников) оставался самым мощным в истории целых семь лет.
За это время в СССР был разработан свой ответ. В истории она осталась как «Царь-бомба» и «Кузькина мать», хотя вообще называлась АН602. В ее основе лежала идея трехстадийного взрыва. Инженеры взяли огромный бак с дейтеридом лития и прицепили к нему с каждой стороны по обычной термоядерной бомбе системы Теллера — Уляма. Вся конструкция получилась диаметром 2,1 м, длиной 8 м и массой 26 тонн.
По плану инженеров, одновременная детонация ядерных зарядов должна была начать термоядерную реакцию в меньших устройствах. Излучение, порожденное ими, должно было создать ударные волны, которые двигались бы навстречу друг другу и создавали эффект имплозии для центрального устройства. Реакция в последнем и должна была дать основной выход энергии.
При этом мощность взрыва планировалась на уровне 50 МТ тротилового эквивалента. Однако инженеры могли легко увеличить ее до 100 МТ, разместив внутри большого блока еще один урановый стержень.
Почему этого не сделали, существуют разные версии. Одна из них говорит о том, что советские физики испугались, что взрыв инициирует цепную термоядерную реакцию в атмосфере Земли. По расчетам, этого не могло произойти, но проверять после истории с литием-7 во время «Касл Браво» мало кто хотел. Официальную версию, что не хочется, чтобы в Москве вылетели окна, озвучил советский лидер Никита Хрущев, и, учитывая, чем завершились испытания, шутки в его словах была лишь доля.
Совпадение это или нет, но испытание прошло почти точно через 9 лет после «Айви Майк». При этом «Царь бомба», в отличие от последнего, сбрасывалась с самолета, демонстрируя, что это действительно пригодное к использованию оружие, а не просто эксперимент.
Целью был полигон на арктическом архипелаге Новая Земля. Специально переоборудованный бомбардировщик Ту-95 поднял АН602 на высоту 11,5 км и сбросил над целью. Бомба имела свой парашют, благодаря которому плавно снизилась до высоты 4000 м, там и произошла детонация. Ее мощность оказалась на 20 % больше расчетной и составила 58 МТ.
На этот раз вспышку, подобную солнечной, заметили на расстоянии в 1000 км от места испытаний. Грибовидное облако было видно в 800 км от места взрыва, а в 600 км от него в домах вылетали стекла. Над значительной частью северных полярных областей Земли на пару часов полностью исчезла радиосвязь.
Взрыв АН602 так и остался самым мощным в истории, хотя инженеры к тому моменту уже определили, что трехстадийную схему можно масштабировать, создавая заряды мощностью в сотни мегатонн.
Но в этом уже не было необходимости, потому что военные начали задумываться над тем, как доставить эти огромные устройства к цели. Даже для АН602 бомбардировщик Ту-95 пришлось дорабатывать. В результате он просто не мог нести дополнительные баки с топливом и до возможного места сброса, например, до Лондона, просто не долетел бы.
Сверхмощные термоядерные бомбы нуждались в создании сверхтяжелого класса баллистических ракет. Советский сверхтяжелый носитель Н-1 сначала создавался как средство доставки сверхтяжелого термоядерного оружия, а уже потом был перепрофилирован на лунную программу.
Но, в конце концов, и СССР, и США поняли, что увеличение мощности — тупиковый путь и вместо этого начали работать над миниатюризацией зарядов. Сначала были созданы заряды, которые можно было запускать из шахтных установок, а затем – те, что располагались на подводных лодках. Фактически сейчас все заряды мощностью более 400 кт в арсеналах ядерных государств действительно термоядерные.
Будущее термоядерное оружие
После СССР и США термоядерное оружие разработали Великобритания, Китай, Франция и Северная Корея. Причем в каждом случае, по крайней мере частично, их инженерам приходилось проходить путь Теллера и Уляма самостоятельно, и они в конце концов приходили к созданной ими схеме.
Помимо большой мощности, термоядерное оружие имеет еще одно преимущество перед обычным ядерным. По сравнению с ним оно относительно чистое. То есть радиации его использование порождает немало, но тяжелых изотопов в результате почти не образуется, поэтому долгосрочное загрязнение территории не наблюдается.
Термоядерное оружие никогда не использовалось в реальной войне. Его мощность означает, что если его уже где-то применили, значит, конфликт действительно глобальный. А его никто не желает. И тем не менее отказываться от этого типа оружия никто не собирается.
Так что вполне возможно, что в будущем она не только не исчезнет, но и будет развиваться. Ведь вероятно, что схема Теллера — Уляма — не лучшее, что можно придумать. С тех пор как ее разработали, появились мощные лазеры. И одна из идей связана именно с ними.
Речь идет о так называемом лазерном зажигании. Оно заключается в том, что несколько мощных лазерных лучей концентрируются в одной точке, в которой находится термоядерное топливо. Благодаря этому создаются температура и давление, при которых оно может воспламениться. В лабораторных условиях и на микроскопических образцах этот метод уже успешно испытан, но как его реализовать в реальном оружии, опять никто не знает.
Термоядерные бомбы с лазерным зажиганием имеют несколько преимуществ. Первое — они еще чище тех, что созданы по схеме Теллера — Уляма. Связано это с тем, что в последней за основную долю радиоактивного загрязнения отвечает уран, инициирующий подрыв, а в новой схеме его просто не будет. Второе преимущество — термоядерные устройства можно будет делать менее мощными. Это позволит заменить ими часть ядерных бомб. Третье — вполне возможно, что они будут меньше и проще, чем существующие сейчас.
Термоядерное оружие — плохая вещь. Но похоже, что человечество просто не может от него отказаться. Поэтому в будущем оно останется с нами и будет продолжать совершенствоваться.
