Сонце й інші зорі світять завдяки термоядерній реакції, перетворюючи матерію на енергію. Це один з найефективніших у Всесвіті способів її отримання. Людство частково змогло відтворити цей процес, але тільки у термоядерних бомбах. Та й це виявилося дуже непросто.
Тисяча сонць
«Якби в небі засяяли тисячі сонць, їхній блиск міг би зрівнятися з сяйвом Верховного Господа у його всесвітньому втіленні», — саме ці слова з «Бгаґавад-Ґіти», індуїстського священного тексту, створеного дві тисячі років тому, процитував Роберт Оппенгеймер після випробування першої в історії ядерної бомби в пустелі штату Нью-Мехіко.
У тому, що він обрав для висловлення власних вражень саме таку цитату, немає нічого дивного. Ядерний вибух, у центрі якого температура може сягати мільйонів градусів, важко порівняти з чимось, крім Сонця. І воно справді має дещо спільне із вибухом в пустелі Мохаве: і там, і там відбувається реакція, в результаті якої частина маси речовини перетворюється на енергію.
Але на тому ця схожість завершується. Атомні реактори та бомби використовують процес ділення важких ядер, які складаються з великої кількості протонів та нейтронів. Натомість зорі живить термоядерний синтез — процес злиття легких ядер у важчі.
Масштаби цього процесу справді вражають. Сонячні спалахи, які викликають на Землі магнітні бурі, на кілька порядків перевищують за потужністю будь-яку зброю, створену людиною. А енергії, яку щосекунди випромінює у простір наша зоря, земній цивілізації вистачило б на кілька століть.
При цьому науковці навіть можуть описати цикли термоядерних реакцій. У них переважно беруть участь різні ізотопи водню та гелію, і, здавалося б, цих речовин вдосталь і на нашій планеті. Тож можна було б спробувати повторити те, що відбувається у природі. Однак для цього треба відтворити неймовірно високу температуру і тиск, інакше реакція не почнеться.
Експериментальні термоядерні установки існують вже не одне десятиліття. Однак отримати від них стабільний вихід енергії поки що не вдалося. Тож єдиним способом, який дозволяє справді розпалити сонце на поверхні планети, лишаються термоядерні бомби, перша з яких була випробувана 73 роки тому — 1 листопада 1952 року.
Конструкція термоядерної бомби
Вперше ідея створити зброю на основі термоядерного синтезу була висловлена ще восени 1941 року, коли ще тільки йшла розробка бомб на основі ділення речовини. Авторами її були Енріко Фермі, той самий, що потім сформулював парадокс відсутності спостережень іншопланетян, та Едвард Теллер.
Останній дуже захопився перспективою створення такої зброї, бо шлях для її реалізації здавався очевидним: підпалити водень за допомогою ядерного вибуху. Щоправда, достатньо швидко виявилося, що зовсім «як на Cонці» зробити не вийде навіть при використанні реакції ділення урану. Замість звичайного водню треба було брати його важчий ізотоп — дейтерій. Для того, щоб він почав перетворюватися на гелій-4, достатньо було 400 млн градусів за Цельсієм, і це здавалося цілком реальним.
Однак достатньо швидко Теллер з’ясував, що не врахував ефект Комптона, через який величезна кількість тепла, яка утворюється в результаті термоядерного вибуху, розсіюється раніше, ніж потрібна температура буде досягнута.
Термоядерна бомба виявилася не такою простою, як здавалося. Ситуацію могло б врятувати використання разом із дейтерієм ще важчого ізотопу водню — тритію. Однак він нестабільний, у морській воді присутній у мізерних кількостях, а виробляти його надзвичайно важко.
Саме в цей момент до обговорення проблеми приєднався один із членів групи Теллера — уродженець Львова Станіслав Улям. Він звернув увагу на те, що якщо стиснути термоядерне паливо дуже сильно, то для початку реакції синтеза будуть потрібні значно менші температури. Зробити це все можна було за допомогою все того ж ядерного вибуху.
Однак виявилося, що ще до реалізації проєкту необхідно провести купу розрахунків, бо всі розуміли, що чим ближче буде резервуар із дейтерієм до епіцентру термоядерного вибуху, тим більше шансів у дейтерієво-тритієвої суміші розпочати реакцію синтезу. Але наскільки близько вона має бути до ядерного заряду, ніхто точно сказати не міг. Можливо, її взагалі варто було розмістити всередині нього?
На момент, коли у 1945 році в пустелі Мохаве вперше спалахнуло ядерне сонце, а Оппенгеймер почав цитувати «Бгаґавад-Ґіту», ніхто ще не знав, чи реально створити термоядерну бомбу. Однак необхідність у ній виникла достатньо швидко.
Стало зрозуміло, що атомна бомба невдовзі буде і в Радянського Союзу, а створювати потужніші пристрої, просто збільшивши кількість урану чи плутонію, не вийде. Реакція відбувалася настільки швидко, що в неї встигала вступити тільки невелика частина речовини. Решта ж просто випаровувалася.
У 1951 році Улям припустив, що для забезпечення необхідної густини треба зробити контейнер із дейтерієм у вигляді циліндра і до одного з його кінців приєднати атомну бомбу. Тоді не тиск газу, а випромінювання від вибуху як слід стисне паливо й у ньому розпочнеться реакція. Вони з Теллером доопрацювали схему, в результаті чого вона набула вигляду, в якому потім використовувалася у конструкції більшості бомб під назвою «конструкція Теллера — Уляма».
Вибух термоядерного пристрою відбувається у дві стадії. На першій вибухає звичайна бомба. Потік випромінювання неймовірної інтенсивності рухається крізь контейнер із дейтерієм і на своєму шляху зустрічає стрижень зі збагаченого урану чи плутонію, розміщений по осі циліндра. Стиснуте ядерне паливо досягає надкритичного стану, починається реакція ділення. Утворюється зустрічна ударна хвиля, і в тій точці, де вона зустрічається з хвилею від першого вибуху, температура і тиск нарешті стають достатньо великими, щоб спалахнули дейтерій із тритієм.
Перший термоядерний вибух на Землі відбувся 1 листопада 1952 року під час випробування «Айві Майк» на атолі Еніветок (Маршаллові острови в Тихому океані). Точніше, бомба, яка була скоріше будівлею вагою 73,8 тонни, була встановлена на крихітному острівці (моту) Елугелаб, що входить до складу Еніветока. Тобто входив до його складу, бо в результаті детонації бомби він просто перестав існувати. На його місці утворився заповнений водою кратер глибиною 50 м і діаметром у майже 2 км. Сила вибуху становила 10,4 млн тонн тротилового еквіваленту, тобто була у 690 разів більшою, ніж у бомби, скинутої на Хіросиму.
На той момент це був найпотужніший із вибухів, коли-небудь влаштованих людиною. Конструкція Теллера — Уляма працювала, але як зброю використовувати її було неможливо. Дейтерій і тритій потребували наявності кріогенних установок, і розмістити таку конструкцію всередині бомби було неможливо.
Альтернативні конструкції
У цей час у СРСР вже випробували свою атомну бомбу та розпочали роботи над термоядерною. І, звичайно ж, стикнулися з тими самими проблемами, що і Теллер з Улямом. Шпигуни у США сильно допомогти їм не могли, бо їх усунули від науковців ще до того, як Улям висловив ідею про двостадійний підрив.
Тому Андрій Сахаров та Юлій Харитон, які керували розробкою, звернулися до ідеї імплозії, над якою Теллер думав в кінці Другої світової. Імплозія — це своєрідний «вибух всередину», завдяки їй працюють атомні бомби. Шматки урану чи плутонію з усіх боків обкладають звичайною вибухівкою, підривають, і тиск газів стискає їх до китичної густини, за якої розпочинається реакція ділення.
Тож якщо атомна бомба сама по собі є імплозивним пристроєм, то навіщо думати, з якого боку причепити до неї? Можна просто розмістити шари ядерного та термоядерного палива всередині кулі з вибухівки, утворивши щось типу листкового тістечка. Власне, «слойкою» цю схему і називають.
Крім того, у Радянському Союзі наважилися замінити газоподібний дейтерій твердою сполукою — дейтеридом літію. Це дозволяло позбутися громіздкої кріогенної установки, бо ця речовина являє собою не газ, а порошок. Проте ніхто точно не міг сказати, розпочнеться у цій речовині термоядерна реакція чи ні.
Хай там як, а 12 серпня 1953 року, менш ніж за рік після «Айві Майк», на Семипалатинському ядерному полігоні була випробувана бомба РДС-6с, збудована саме за принципом «слойки». Вибух відбувся, і стало зрозуміло, що радянський пристрій, на відміну від американського, можна використовувати як зброю.
Водночас потужність вибуху складала лише 400 кілотонн, з яких на реакцію синтезу припадало лише 15–20 %. Причому одразу було зрозуміло, що «слойку» принципово не вдасться зробити потужнішою. Правильним рішенням було застосування дейтериду літію у схемі Теллера — Уляма.
Американцям вдалося це реалізувати вже 1 березня 1954 року. Того дня на Маршаллових островах, точніше на атолі Бікіні, відбулося випробування під назвою «Касл Браво». Цього разу потужність вибуху склала 15 МТ тротилового еквівалента, що було у 2,5 раза більше, ніж розраховані Теллером 6 МТ.
Причина крилася в термоядерному паливі, використаному в бомбі. Дейтерид літію — це, по суті, різновид гідрату літію: атом металу, з’єднаний з атомом водню. Тільки водень у такому випадку замінений дейтерієм. Але і літій теж має різні ізотопи. У пристрої «Касл Браво» половина термоядерного палива була з літієм-6, а половина — з літієм-7.
Взагалі-то літій теж вступає на зорях у термоядерну реакцію. Але всі вважали, що у випробуванні «Касл Браво» умови не достатньо екстремальні для цього. Проте виявилося, що науковці помилялися. І одним із наслідків стало опромінення людей на великій території й випадання радіоактивних опадів, викликаних розсіюванням уранового стрижня другої стадії.
Найпотужніший вибух в історії
Усі проблеми з «Касл Браво» не завадили США створити на його основі те, що вони так хотіли, — найпотужнішу зброю у світі. Вибух на атолі Бікіні (до речі, саме він дав назву відомому типу жіночих купальників) залишався найпотужнішим в історії цілих сім років.
За цей час в СРСР розробили свою відповідь. В історії вона залишилася як «Цар-бомба» та «Кузькіна мать», хоча взагалі мала назву АН602. В її основі лежала ідея тристадійного вибуху. Інженери узяли величезний бак із дейтеридом літію і причепили до нього з кожного боку по звичайній термоядерній бомбі системи Теллера — Уляма. Уся конструкція вийшла діаметром у 2,1 м, довжиною 8 м і масою у 26 тонн.
За задумом інженерів, одночасна детонація ядерних зарядів мала розпочати термоядерну реакцію у менших пристроях. Випромінювання, породжене ними, мало створити ударні хвилі, які рухалися б назустріч одна одній і створювали ефект імплозії для центрального пристрою. Реакція в останньому і мала дати основний вихід енергії.
При цьому потужність вибуху планувалася на рівні 50 МТ тротилового еквівалента. Однак інженери могли легко її збільшити до 100 МТ, розмістивши всередині великого блоку ще один урановий стрижень.
Чому цього не зробили, існують різні версії. Одна з них говорить про те, що радянські фізики злякалися, що вибух ініціює ланцюгову термоядерну реакцію в атмосфері Землі. За розрахунками, цього не могло відбутися взагалі, але перевіряти після історії з літієм-7 під час «Касл Браво» мало хто хотів. Офіційну версію, що не хочеться, щоб у Москві вилетіли шибки, озвучив радянський лідер Микита Хрущов, і, з огляду на те, чим завершилися випробування, жарту в його словах була лише частина.
Збіг це чи ні, але випробування відбулося майже точно через 9 років після «Айві Майк». При цьому «Цар бомба», на відміну від останнього, скидалася з літака, демонструючи, що це дійсно придатна до використання зброя, а не просто експеримент.
Ціллю був полігон на арктичному архіпелазі Нова Земля. Спеціально переобладнаний бомбардувальник Ту-95 підняв АН602 на висоту 11,5 км і скинув над ціллю. Бомба мала власний парашут, завдяки якому плавно знизилася до висоти 4000 м, там і відбулася детонація. Її потужність виявилася на 20 % більшою за розрахункову і склала 58 МТ.
Цього разу спалах, подібний до сонячного, помітили на відстані у 1000 км від місця випробувань. Грибоподібну хмару було видно за 800 км від місця вибуху, а за 600 км від нього в будинках вилітали шибки. Над значною частиною північних полярних областей Землі на пару годин повністю зник радіозв’язок.
Вибух АН602 так і залишився найпотужнішим в історії, хоча інженери на той момент вже визначили, що тристадійну схему можна масштабувати, створюючи заряди потужністю у сотні мегатон.
Але потреби в цьому вже не було, бо військові почали замислюватися над тим, як ці велетенські пристрої доправити до цілі. Навіть для АН602 бомбардувальник Ту-95 довелося доопрацьовувати. В результаті він просто не міг нести додаткові баки з пальним і до можливого місця скиду, наприклад, до Лондона, просто не долетів би.
Надпотужні термоядерні бомби потребували створення надважкого класу балістичних ракет. Радянський надважкий носій Н-1 спочатку створювався саме як засіб доставлення надважкої термоядерної зброї, а вже потім був перепрофільований на місячну програму.
Але зрештою і СРСР, і США зрозуміли, що збільшення потужності — тупиковий шлях, і замість цього почали працювати над мініатюризацією зарядів. Спочатку були створені заряди, які можна було запускати з шахтних установок, а потім — ті, що розташовувалися на підводних човнах. Фактично зараз усі заряди потужністю понад 400 кт в арсеналах ядерних держав насправді термоядерні.
Майбутнє термоядерної зброї
Після СРСР та США термоядерну зброю розробили також Велика Британія, Китай, Франція та Північна Корея. Причому в кожному випадку, принаймні частково, їхнім інженерам доводилося проходити шлях Теллера та Уляма самостійно, і вони врешті приходили до створеної ними схеми.
Крім великої потужності, термоядерна зброя має ще одну перевагу перед звичайною ядерною. У порівнянні з нею вона відносно чиста. Тобто радіації її використання породжує чимало, але важких ізотопів в результаті майже не утворюється, тому довгострокове забруднення території не спостерігається.
Термоядерна зброя ніколи не використовувалася у реальній війні. Її потужність означає, що якщо її вже десь застосували, значить конфлікт дійсно глобальний. А його ніхто не хоче. Проте й відмовлятися від неї ніхто не збирається.
Тож цілком можливо, що в майбутньому вона не тільки не зникне, а й буде розвиватися. Бо ймовірно, що схема Теллера — Уляма — не найкраще, що можна придумати. Відтоді як її розробили, з’явилися потужні лазери. І одна з ідей пов’язана саме з ними.
Мова про так зване лазерне запалювання. Воно полягає в тому, що кілька потужних лазерних променів концентруються в одній точці, в якій перебуває термоядерне паливо. Завдяки цьому створюються температура й тиск, за яких воно може спалахнути. У лабораторних умовах і на мікроскопічних зразках цей метод уже успішно випробуваний, але як його реалізувати в реальній зброї, знову ніхто не знає.
Термоядерні бомби з лазерним запалюванням мають кілька переваг. Перша — вони ще чистіші за ті, що створені за схемою Теллера — Уляма. Пов’язане це з тим, що в останній за основну частку радіоактивного забруднення відповідає уран, що ініціює підрив, а в новій схемі його просто не буде. Друга перевага — термоядерні пристрої можна буде робити менш потужними. Це дозволить замінити ними частину ядерних бомб. Третя — цілком можливо, що вони будуть меншими й простішими за ті, що існують зараз.
Термоядерна зброя — погана річ. Але схоже, що людство просто не може від неї відмовитися. Тому в майбутньому вона залишиться з нами та продовжить удосконалюватися.
