Трудный рассвет термоядерной эры
Оригинал взят у greenchelman_3 в Трудный рассвет термоядерной эры
Физика термоядерного взрыва.
Управляемый термоядерный синтез - пожалуй, единственная надежда нашей цивилизации на возможность сохранить саму себя после того грустного, но неизбежного момента, когда ископаемые энергетические ресурсы на планете Земля просто кончатся.
Каждый день мы с вами читаем сообщения СМИ о добытых баррелях нефти и кубометрах газа, о тоннах угля и урановой руды. Численность населения планеты растет, во многих странах растет уровень жизни - энергии нужно все больше и больше. Рано или поздно закончатся углеводороды, значительно позже - если, конечно, удастся замкнуть ядерный топливный цикл - закончится и уран. А вот топливо, которое необходимо для рукотворной термоядерной реакции - водород, который является самым распространенным химическим элементом Вселенной, не исчерпаем в принципе.
Но дорога к покорению «управляемого термояда» не получается простой и легкой, она требует огромных усилий, ни одна страна в одиночку не вытянет необходимый объем исследований и сложнейших экспериментов. Человечество только недавно поумнело настолько, чтобы соединить свои возможности, распределить работу между теми, кто до нее дорос. Проект ITER , Международного токамака - острие развития мировой физики, активно стал развиваться только в последние год-два, его сооружение закончится не раньше, чем через полтора десятка лет. Потому торопиться с рассказами о том, что, кто, как и когда делает для ITER, перескакивая через уже пройденные наукой этапы, аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru не будет. У нас достаточный запас времени, чтобы спокойно, пошагово познакомиться, как начался путь к управляемому термояду, что уже удалось сделать, какие этапы впереди.
США. Первые шаги
В предыдущей статье мы рассказали о том, как Эдвард Теллер приступил к проработке идеи Энрико Ферми - взрыв атомной бомбы, возможно, способен обеспечить условия, при которых начнется реакция синтеза ядер гелия из ядер дейтерия. В конце 1942 года Теллер познакомил с результатами расчетов своих коллег по Манхэттенскому проекту. Оппенгеймер поручил перепроверку расчетов Хансу Бете, и тот обнаружил принципиальную ошибку - Теллер не учел комптоновского рассеяния фотонов. Атомный взрыв не успевает нагреть дейтерий до температуры термоядерного синтеза, значительно раньше ударная волна разнесет в клочья емкость с дейтерием.
Дорога к покорению термоядерного синтеза
Как Теллер и его соратники обошли эту проблему, сколько усилий пришлось для этого приложить, кто, что и когда сделал для этого - это, как нам кажется, два отдельных рассказа. «Гуманитарная часть» - о том, как было принято решение о создании термоядерной бомбы в США, как из атомного проекта ушел Оппенгеймер и его единомышленники, как в Штатах появилась вторая атомная лаборатория… Большая, сложная история, в которой много вопросов морали, размышлений об уровне ответственности ученых за создаваемые ими изобретения. 42 американских ученых, принимавших участие в разработке атомной бомбы, в 1945 году подписали письмо президенту Трумену с требованием отказаться от разработки «оружия Судного дня», призвали к созданию системы международного контроля за атомным оружием. Но зимой 1950 года Трумэн подписал распоряжение, давшее старт разработке бомбы «Супер». У нас же возможности выбора не было - Советский Союз принял вызов, наши ученые, конструкторы, организаторы вынуждены были включиться в гонку вооружений. В общем - большая и сложная тема, о которой мы обязательно расскажем, но не в этот раз.
Эта и следующая статья будет посвящена физике термоядерного взрыва. Сначала - факты, и только потом - их анализ, телегу впереди лошади ставить не стоит. Мы будем соблюдать хронологический порядок, не обращая особого внимания на то, по какую сторону океана происходили события. В разработке термоядерного оружия есть и доля шпионских игр, но занимательно то, что советские и американские ученые «переоткрывали» изобретения друг друга вне зависимости от информации, которая поступала по каналам разведки. Ученые работали над самыми фундаментальными вопросами науки, универсальными настолько, что не позволяют давать разные ответы, разные варианты решения. Впрочем, обо всем по порядку, и заранее приносим извинения, если рассказ кому-то покажется слишком сложным, а кому-то наоборот - чересчур примитивным.
Термоядерная терминология
Начнем с небольшого «толкового словаря» - физики часто пользуются терминами, понятными только им самим.
Ядерное сечение реакции. Звучит грозно, но, если коротко - это величина, характеризующая вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром. Измеряется в барнах, 1 барн = 10-28 м2. Штука полезная, поскольку, зная эту величину, можно вычислить скорости ядерных реакций.
Что может произойти с частицей, которая на своем пути встречает атомное ядро? Давайте размышлять о нейтроне, который мчится в направлении ядра урана. Нейтрон может развалить ядро на части, и физики ведут речь о сечении деления, то есть о вероятности того, что произойдет именно деление. Нейтрон может «ударить лоб в лоб» нейтрон в составе ядра и от удивления отскочить в сторону - тогда физики размышляют о сечении рассеяния. Нейтрон может войти в состав ядра - нейтроны и протоны ядра «подвинутся» и примут его в «общежитие», в этом случае физики высчитывают сечение поглощения. В случае термоядерного синтеза вычислять нужно сечение синтеза - вероятность того, что частицы при столкновении «сольются» во что-то едино целое. Главное отличие от обычной механики - то, что элементарная частица одновременно является и мельчайшей крупинкой вещества, и волной. Сказать, что вероятность того или иного события в квантовой физике равна 100%, невозможно, можно говорить только о вероятности этого события.
Кулоновское взаимодействие - отталкивание одноименно электрически заряженных частиц.
Сильное взаимодействие - действует внутри атомного ядра, обеспечивает его связность, несмотря на то, что все протоны имеют положительный заряд. Действует сильное взаимодействие (простите нас, филологи, за такую корявую фразу!) только на очень маленьких расстояниях, как только расстояние между протонами становится больше определенной величины, в силу вступает кулоновское отталкивание.
Дейтерий - изотоп водорода, в ядре которого находится не только протон, но еще и нейтрон. Обозначают D или 2H.
Тритий - изотоп водорода, в ядре которого, кроме протона, находятся уже два нейтрона. Обозначают Т или 3Н.
Рентгеновское излучение - обычный поток фотонов, только у рентгеновского излучения длина волны короче, чем у видимого света, энергии оно несет больше, чем видимый свет.
Гамма-излучение - тоже поток фотонов, но длина волны еще короче, энергии оно несет еще больше, чем рентгеновское излучение.
Нейтрон - электрически нейтральная частица, участник сильного взаимодействия.
Протон - положительно заряженная частица, участник сильного взаимодействия и участник кулоновского взаимодействия. В этой статье целых три формулы, в них нейтрон - n, протон - р.
Электрон - отрицательно заряженная частица, участвует только в кулоновском взаимодействии.
Плазма - состояние вещества, при котором все его атомы ионизированы, то есть у них на орбитах не хватает, как минимум, одного электрона. Водородная плазма - это протоны, на орбите которых нет ни одного электрона.
Дейтерий не хочет «гореть»
Термоядерные слияния ядер водорода возможны только в том случае, когда водород находится в состоянии плазмы. А для того, чтобы плазма была устойчивой, ей, напомним, нужны: огромная температура, большие значения давления и плотности. Слияние ядер дейтерия происходит при температурах не меньше 100 миллионов градусов. А что с плотностью? Она должна быть такой, какая она у дейтерия в жидком состоянии, а жидкое состояние дейтерия требует температуры в -270 градусов. -270 и +100 000 000 градусов - вот как это совместить? С тритием не лучше, хотя температура, при которой он начинает «гореть», намного меньше - всего-то 50 миллионов. Он тоже должен быть жидкостью, а это снова все те же -270. Атомный взрыв, который должен инициировать «поджигание» дейтерия и трития, может помочь с давлением, но не с плотностью. Комптоновское рассеивание не дает атомному взрыву нагреть дейтерий с тритием до необходимых температур, то есть из трех необходимых условий «в лоб» получается обеспечить только давление. А еще нужно «синхронизировать» давление и температуру. Если температура достигнет заданных параметров при недостаточном давлении, термоядерная реакция не охватит весь объем дейтерия, среагирует только часть и реакция «затухнет». Такими были проблемы, стоявшие перед Теллером и его проектом «Супер».
А за что, собственно говоря, шла борьба - какие термоядерные реакции нужны были Теллеру для создания его «Супера»? Изначальная идея заключалась в том, чтобы заставить «гореть» дейтерий, а он участвует в двух видах термоядерной реакции.
1) D + D → 3He + n + 3,268 МэВ
2) D + D → Т + р + 4,03 МэВ
эВ - электронвольт, единица измерения энергии, используемая в ядерной физике.
В ней ведь дело имеют с элементарными частицами, а они, как известно, очень маленькие, очень легкие, потому и порции энергии, которые существенны для ядерной физики, тоже чрезвычайно малы. 1 эВ - энергия, необходимая для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциала в 1 Вольт. Поле электростатическое - значит, «живет» оно между двумя пластинами, на которые подан постоянный ток. Если на одной пластине напряжение + 1 В, а на второй +2 В, то электрон «уйдет» от первой, чтобы «прилипнуть» ко второй. Вот порция энергии, затрачиваемая для «перетаскивания» 1 электрона, и есть 1 эВ. Как она соотносится с привычными нам джоулями? 1 эВ = 1,6 х 10-19 Дж. Ноль, запятая, 18 нулей, в конце вот эти самые 1 и 6.
А почему термоядерный взрыв настолько мощен? Теллер в 1942 году высчитал, что взрыв 12 килограмм дейтерия по мощности эквивалентен взрыву 1 миллиона тонн тротила - как так? Очень просто - 1 грамм дейтерия это 3 х 1023 атомов. «Троечка» и 23 нуля после нее. Словами - десять тысяч миллиардов миллиардов. Вот и становятся маленькие электронвольты огромным количеством джоулей. Поток, целая Ниагара энергии выплескивается мгновенно, ведь скорость протекания термоядерной реакции - наносекунды, миллиардные доли секунды.
Энергия, которая образуется в реакции №1, делится следующим образом: нейтрон уносит 2,45 МэВ, у изотопа гелия остается 0,82 МэВ. В реакции №2 протон уносит 3,03 МэВ, тритию достается 1,1 Мэв, часть энергии уносят нейтрино. Вероятности этих реакций весьма невелики, на языке физики - сечения реакций DD составляет 0,09 барны, заставить «гореть» дейтерий очень непросто.
После того, как Бете ткнул носом Теллера в его ошибку, соратник Теллера - Эмиль Конопински, предложил добавить к дейтерию тритий. В чем смысл? В том, что тогда появляется возможность добиться реакции дейтерия и трития:
3) D + T → 4He + n + 17,588 МэВ
Образуется ядро обычного гелия, которое забирает 3,52 МэВ и сверхэнергичный нейтрон, который мчится прочь, унося 14,06 МэВ. Сечение этой реакции 5 барн, она происходит чаще, чем реакция дейтерий-дейтерий, в 55 раз. Тритий появляется и в результате реакции №2, но вероятность этого не велика. Если же тритий добавлен изначально, картинка получается другой - реакции №3 идут чаще, энергии получается намного больше. А почему тогда руководство Манхэттенского проекта в 1942 году послало Теллера и примкнувшего к нему Конопински куда подальше? Получить тритий можно только в атомном реакторе, который тогда существовал в количестве одна штука, и создан он был для наработки оружейного плутония - «сердца» атомной бомбы. Отвлекаться на проверку гипотез никто не собирался - в 1942 году участники Манхэттенского проекта были уверены, что в Германии созданием атомного оружия занят сам Виктор Гейзенберг. Кроме того, тритий был невероятно дорог! Чтобы синтезировать 1 грамм трития, требуется потратить столько же энергии, сколько ее надо для получения 80 грамм плутония, а Теллеру требовались килограммы трития. Все, что оставалось Теллеру - вычислять возможность создания термоядерной бомбы теоретически.
«Теоретически» - звучит красиво, а как это выглядело? Надо было высчитать, как синхронизировать давление и температуру, на каком расстоянии от дейтерия с тритием должна быть взорвана атомная бомба, какой мощности нужен взрыв, придумать, как направить энергию этого взрыва на емкость с дейтерием. Конопински предложил добавить в дейтерий тритий? Прекрасно. А сколько именно? Какие температура и давление понадобятся, если смесь будет состоять из 100 грамм дейтерия и 10 грамм трития? А если 200 грамм и 5 грамм? Ну, и так далее. Сотни уравнений, причем уравнений, решаемых числовым методом. Это когда не вычислить, сколько у нас «икс» и сколько «игрек», можно только наобум подставить какие-то числовые значения и посмотреть, сходится ответ или нет. А набор вычислительной техники тогда состоял из листочка бумаги, логарифмической линейки и арифмометра. Удивляться тому, что Теллер относился к своим обязанностям в Манхэттенском проекте спустя рукава, не приходится - «Супер» отнимал у него львиную долю времени.
На помощь приходят эмигранты
Теллеру, венгерскому еврею по происхождению, стал помогать еще один эмигрант из Будапешта, прибывший в Штаты по тем же причинам. Пока этот человек жил в Венгрии он был Яношом, во время учебы в Цюрихе и работы в Берлине - Иоганом, в Америке он стал Джоном, а вот фамилия не менялась, как был он фон Нейманом, так им и оставался. Да-да, тот самый создатель архитектуры компьютеров, которая используется и поныне. Фон Нейман был не только создателем вычислительной техники, но и специалистом в математике ударных волн и взрывов, его участие в работе Теллера было совершенно естественным. В общем, кабы не термоядерная бомба - не было бы у нас компьютеров или они появились бы намного позже. Да, первые вычислительные машины фон Неймана были несовершенны, маломощны, но Джон был человеком талантливым и трудолюбивым, задачи Теллера он считал весьма интересными и нужными, потому старался, совершенствовал, модернизировал, помогал в расчетах.
Джон фон Нейман
Еще одним членом группы Теллера был эмигрант из Германии, гражданин Великобритании, прибывший в Штаты в 1943 году конкретно для участия в создании атомной бомбы. Звали этого 32-летнего талантливого физика Эмиль Юлиус Клаус Фукс. Его часто называют «советским шпионом», но это не соответствует истине. Шпионов готовят к работе заранее, обучают всяческим секретным наукам, в конце концов, им за их работу деньги платят. Немецкий коммунист Клаус Фукс, покинувший родину в 1933 году из-за своих политических убеждений, после того, как гестапо арестовало его отца, шпионом не был. Он был глубоко убежден в том, что Советский Союз должен иметь атомное оружие, поскольку наша страна была участником антигитлеровской коалиции и несла на себе основную тяжесть войны с нацистским режимом.
Эмиль Юлиус Клаус Фукс
С 1941 года Фукс вошел в группу Рудольфа Пайерса, которая в Англии работала над уточнением критической массы урана и разделением его изотопов. Вскоре после нападения Германии на СССР Клаус сумел найти в Великобритании наших разведчиков, и стал передавать им все, что ему удавалось узнать о британских разработках, при этом ультимативно отказываясь от любого вознаграждения. Коммунист - это не член партии Геннадия Зюганова, это нечто совсем другое… Еще один занимательный факт - часть сведений о разработках в области ядерного оружия Фуксу не нужно было красть, списывать, заглядывая к кому-то через плечо. Он был по настоящему талантливым физиком-теоретиком, часть переданной им информации была тем, что сам Фукс и делал. Оказавшись в Штатах, связи с нашими людьми он не потерял - теперь он передавал все, что узнавал в Манхэттенском проекте. А узнавать ему удавалось немало, поскольку Теллер норовил заниматься исключительно «Супером», перекидывая ему свою работу по атомной бомбе.
Инициатор Фукса-Неймана
Знаете, есть анекдот, который неоднократно проверялся в жизни: если перед физиком-теоретиком положить лист бумаги, на котором написано уравнение - он начнет его решать, хотя его никто об этом не просит. Листочков с уравнениями по термояду, стараниями Теллера, вокруг Фукса было множество, да еще и Нейман время от времени пробегал, да еще и все трое родным для них немецким языком пользовались. В общем, «заразился» наш Клаус Фукс «термоядерщиной», заразился основательно. В 1946 году он и фон Нейман подали заявку на регистрацию патента изобретенной ими радиационной имплозии.
«Радиационная» - значит, за счет излучения, «имплозия» - равномерное обжатие со всех сторон некоего материала, который нам вздумалось обжимать. Основная энергия атомного взрыва приходится не на разлет осколков реакции деления, а на рентгеновское излучение, 20% и 80% соответственно. Фотоны распространяются со скоростью света, то есть намного быстрее, чем осколки деления с их 1’000 км/с. Значит, рентгеновское излучение добирается до дейтерий-тритиевой смеси намного быстрее, чем осколки деления и, по идее Фукса и фон Неймана, оно должно успеть сдавить и согреть эту смесь раньше, чем емкость с ней будет разнесена вдребезги и пополам.
Схематическое изображение стадий радиационной имплозии в термоядерном боеприпасе
Уточним важную деталь - стенки корпуса изготовлены из материала, не пропускающего рентгеновское излучение, потому оно, отразившись от них, направляется к емкости с дейтерием-тритием. Красиво, но и идея, и картинка - теоретические, никаких экспериментов в 1946 году по проекту «Супер» не велось. После удачных опытов в небе над Хиросимой и Нагасаки американцы были уверены, что смогли поймать бога за бороду - добились создания оружия невиданной мощи, которого и в помине не было у Советского Союза. Чем больше в арсенале атомных бомб - тем ближе возможность диктовать СССР свои условия, потому реакторы в Хэнфорде без устали нарабатывали оружейный плутоний, а не тритий.
Впоследствии выяснилось, что идея Фукса-Неймана была очень «сырой» - рентгеновского излучения не хватает для того, чтобы обеспечить нужные давление и температуру. Возможно, что, продолжи Фукс работу в группе Теллера, он нашел бы свои ошибки, но в конце 1945 Фукс вернулся в Англию. За годы войны Великобритания отстала в своем атомном проекте от США, так что Фуксу было, чем заниматься. С лета 1946 года он - председатель правительственного общества по исследованиям в области ядерной энергии и глава отдела в центре ядерных исследований в Харуэлле. Из-за переезда в Англию Фукс смог встретиться с нашими разведчиками только в 1948 году, именно тогда материалы об инициаторе Фукса-Неймана попали сначала в МГБ, а потом и в Спецотдел. Это было и хорошо, и плохо одновременно. Хорошо, потому, что мы получили информацию о том, что американцы работают над созданием термоядерного оружия и в любой момент это направление могло стать основным для США. Плохо - потому, что идея Фукса-Неймана вела в ее начальном виде в тупик, а для проверки этой идеи Берия и Курчатов отрядили одного из лучших наших специалистов - Якова Зельдовича и его теоретический отдел Института химической физики.
СССР. Начало
Когда наши СМИ рассказывают о наших первых атомных бомбах, обычно называются имена Игоря Курчатова, Юлия Харитона и Андрея Сахарова. Самые «отчаянные» журналисты осмеливаются назвать имя Лаврентия Берии - главного организатора нашего атомного проекта и главу Специального комитета. Но вот «глубже» смотрят редко, забывая имена, которые некогда были укутаны самой свирепой секретностью. В тени остаются великие ученые, талантливейшие изобретатели. Об одном из них - Якове Борисовиче Зельдовиче - можно писать не статьи, а целые романы. Вот небольшая цитата из характеристики, которую дали Якову Борисовичу в 1953 году Курчатов и Харитон:
«Начиная с 1946 г. Зельдович приступил к обширной группе газодинамических работ, связанных с необходимостью создания теоретического и математического аппарата для расчета обжатия металлов посредством сходящейся сферической детонационной волны. Зельдовичем были разработаны все необходимые методы, для проведения численных расчетов для различных вариантов размеров и веществ было создано расчетное бюро в Математическом институте, которое вело работу по его заданиям. Зельдовичу принадлежит значительное количество предложений по принципам конструкции и отдельным элементам ряда изделий. Значительная часть успехов создания различных типов атомного оружия связана с деятельностью Зельдовича»
Группа теоретиков ИХФ, которую возглавлял Зельдович, была небольшой, но какие же это имена! Александр Компанеец, Давид Франк-Каменецкий, Николай Дмитриев (в 1954 году 32-летний кандидат наук Дмитриев читал лекции по физическим основам термоядерных бомб … сотрудникам КБ-11 во главе с Юлием Харитоном - представьте себе уровень его знаний !), Григорий Гандельман, Виктор Адамский, Евгений Забабахин, Евгений Негин, Юрий Трутнев, Лев Феоктистов… Будущие академики и доктора наук, ведущие сотрудники и создатели научных институтов, лауреаты самых престижных отечественных и зарубежных наград. И весь этот потрясающий коллектив потратил несколько лет, чтобы проверить идею Фукса-Неймана и убедиться в том, что нужный результат при ее помощи получить невозможно. Было потеряно время - в тот момент, когда бывшие союзники создавали один план атомной бомбардировки нашей страны за другим.
Но была и другая сторона вопроса. Получив из рук Берии материалы, переданные Фуксом, Курчатов, Зельдович и Ванников самым тщательным образом изучили их и 5 мая 1948 года письменно изложили свой отчет. 10 июня Сталин утвердил план мероприятий для того, чтобы в течение года дать оценку возможности создания термоядерной бомбы. Для тех, кто желает уточнить все детали, даем номера постановлений Совета Министров - 1889-773 сс/оп и 1890-774 сс/оп. В последнем из них имелось указание на привлечение к работам Физического Института Академии Наук. В ФИАНе была создана вторая теоретическая группа под руководством Игоря Тамма - ей предстояло разработать теорию горения дейтерия. Заместителем Тамма стал Семен Беленький, членами группы: Юрий Романов, Виталий Гинзбург и молодой аспирант Андрей Сахаров. Что не имя, то легенда мировой науки!
Теоретики такого уровня, расчетный отдел Математического института - термоядерный проект в нашей стране набирал темп куда быстрее, чем это происходило в США. Лаврентий Берия и в этом случае продемонстрировал незаурядный талант организатора. Все, что он видел «на своем столе» по поводу возможности создания термоядерной бомбы - расчеты физиков-теоретиков и математиков, ни одного эксперимента проведено еще не было. Многочисленные критики Берии уверяют нас, что он, дескать, терпеть не мог ученых, подозревая их в «вольнодумстве». Но факты - штука упрямая, они говорят о совершенно другом его отношении к профессионалам.
В том же 1948 году Берия отдал распоряжение создать отдельный атомный реактор для наработки трития и начать строительство завода по разделению изотопов лития - теоретикам был нужен литий-6 (для чего - поясним чуть ниже). Эдвард Теллер, напомним, безрезультатно пытался получить содействие своим разработкам на протяжении 7 лет, с 1942 по 1949. Нашим ученым хватило всего полгода - почувствуйте разницу. Причина такой решительности Берии и наших ученых очевидна. В августе 1945 американцы наглядно показали, что готовы применять самое страшное оружие, не взирая на гибель сотен тысяч людей - как только прошло первое успешное испытание атомной бомбы, США сожгли Хиросиму и Нагасаки. Не было никаких сомнений - если американцам удастся создать термоядерное оружие, получить и удержать монополию на владение им, они не будут размышлять, бесчеловечно или нет его применение, они применят его при первой же возможности. Уже была произнесена фултонская речь Черчилля, Запад уже объявил своим геополитическим противником СССР, потому не было сомнений в том, что применять термоядерное оружие США будут именно против нашей страны - разумеется, в том случае, если будут полностью уверены, что не получат симметричный ответ. Времени на сомнения, рефлексии не было.
Новые идеи Теллера
Но главным действующим лицом проекта «Супер» оставался Эдвард Теллер. Он работал с удивительным упорством, энергией, трудолюбием, порождая одну идею за другой. Одна из них появилась явно из-за того, что Теллер был специалистом не только физики, но и химии - то, что он задумался о свойствах лития, связано именно с этой его «двойной специализацией». Литий - элемент номер 3 таблицы Менделеева, одно из его уникальных свойств - то, что он легко «соглашается» участвовать в ядерных реакциях деления:
4) 7Li + n → T + 4He + 4,78 Мэв
Буковка «Т», тритий! Никакой наработки в атомном реакторе, просто обеспечиваем полет на мишень с литием нейтронов с правильно подобранными значениями энергии. По подсчетам Теллера это значение - выше 4 МэВ, многовато. Тогда Теллер присмотрелся к свойствам изотопа лития, 6Li, в ядре которого не хватает одного нейтрона. С литием-6 все было совсем замечательно - для получения тех же продуктов реакции вполне хватало нейтронов с низкой энергией. Мало того, химики прекрасно знали и умели создавать гидрид лития - порошок с нехитрой химической формулой LiH. При нагревании до 850 градусов гидрид лития распадается на литий и водород в газообразном состоянии. Следовательно, если создать не гидрид, а дейтерид лития - LiD, то при нагреве получим дейтерий. Эдакая вот «консерва», обеспечивающая запас и дейтерия, и трития безо всяких холодильников - просто сказка какая-то! Не хватало «сущего пустяка» - в Штатах не было и намека на производство 6Li. Идея красивая, но говорить о том, что в 1947 году, когда она появилась, правительство США «вот бросит все» и начнет строить завод для производства лития-6, не приходилось.
Беспокойный ум Теллера не дал ему повода унывать и после этого фиаско. Как убедить скептиков в том, что проект «Супер» - это действительно способ заставить Советский Союз покориться воле сюзерена, то есть США? Да показать, что термоядерная реакция вообще осуществима! Пусть первый взрыв не будет колоссальным по мощности, важно доказать принцип. И Теллер породил идею бомбы, названную им «Alarm Clock», «Будильник» - подразумевая, что она разбудит интерес к термоядерному оружию.
Термоядерный заряд ограниченного потенциала (Будильник/Alarm Clock)
Единственная неточность схемы - то, что Теллер, хотел использовать не дейтерид лития, а жидкий дейтерий. Потому о миниатюрности «Будильника», как и в случае с «Супером», говорить не приходилось - все равно требовалась криогенная установка. Значит, и такой эксперимент нельзя было осуществить быстро, и, следовательно, нельзя было убедить руководство в перспективности термояда. Снова тупик!
Но Теллер не остановился и после этой неудачи. Трудности научные, технологические, организационные, кадровые, Оппенгеймер в качестве противника - но Теллер продолжал продолжать. Очередная его придумка стала основой для первого в истории термоядерного взрыва с кодовым названием «Джордж», состоявшегося 9 мая 1951 года. Строго говоря, полноценным термоядерным взрывом «Джордж» не был. Его заряд - тор из блоков урана, в центре - капсула с жидким водородом, основной выход энергии обеспечивал именно уран. Капсула с дейтерием и тритием давала не столько энергию синтеза, сколько поток быстрых нейтронов, который вызывал новые цепочки распадов в уране. Взрыв «Джорджа» продемонстрировал реальность осуществления термоядерной реакции и доказал возможность форсирования атомного взрыва. Но 1951 год - это время проведения эксперимента, теорию Теллер развил до 1949 года.
«Звездный час» Теллера наступил в 1949 году, вся термоядерная программа США четко делится на две части - ДО сентября 1949 года и ПОСЛЕ. До взрыва РДС-1 в августе 1949 года и после. До того, как наши ученые, конструкторы, инженеры и сотни тысяч работников Спецкомитета создали и испытали нашу первую Бомбу и после. Успех, которого никто в Америке не ожидал, был оглушительной пощечиной всей элите США - СССР в течение всего четырех лет совершил то, что, по расчетам американцев, не могло произойти раньше 1955 года. Миллионные человеческие потери, разрушенная до основания промышленность европейской части, руины городов, в подвалах которых ютились выжившие и вернувшиеся с фронта, никакой помощи извне - какой, к черту, атомный проект в такой обстановке?! Но аппаратура радиационного контроля засвидетельствовала - никаких сомнений, русские взорвали атомный заряд. А как же мечта о мировом господстве?! Что, Оппенгеймер и его единомышленники продолжают гнуть свое - нужен международный контроль над атомной энергией, над атомным оружием?! К черту Оппенгеймера, дайте все, что только потребует, Теллер!
Источник
Физика термоядерного взрыва.
Управляемый термоядерный синтез - пожалуй, единственная надежда нашей цивилизации на возможность сохранить саму себя после того грустного, но неизбежного момента, когда ископаемые энергетические ресурсы на планете Земля просто кончатся.
Каждый день мы с вами читаем сообщения СМИ о добытых баррелях нефти и кубометрах газа, о тоннах угля и урановой руды. Численность населения планеты растет, во многих странах растет уровень жизни - энергии нужно все больше и больше. Рано или поздно закончатся углеводороды, значительно позже - если, конечно, удастся замкнуть ядерный топливный цикл - закончится и уран. А вот топливо, которое необходимо для рукотворной термоядерной реакции - водород, который является самым распространенным химическим элементом Вселенной, не исчерпаем в принципе.
Но дорога к покорению «управляемого термояда» не получается простой и легкой, она требует огромных усилий, ни одна страна в одиночку не вытянет необходимый объем исследований и сложнейших экспериментов. Человечество только недавно поумнело настолько, чтобы соединить свои возможности, распределить работу между теми, кто до нее дорос. Проект ITER , Международного токамака - острие развития мировой физики, активно стал развиваться только в последние год-два, его сооружение закончится не раньше, чем через полтора десятка лет. Потому торопиться с рассказами о том, что, кто, как и когда делает для ITER, перескакивая через уже пройденные наукой этапы, аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru не будет. У нас достаточный запас времени, чтобы спокойно, пошагово познакомиться, как начался путь к управляемому термояду, что уже удалось сделать, какие этапы впереди.
США. Первые шаги
В предыдущей статье мы рассказали о том, как Эдвард Теллер приступил к проработке идеи Энрико Ферми - взрыв атомной бомбы, возможно, способен обеспечить условия, при которых начнется реакция синтеза ядер гелия из ядер дейтерия. В конце 1942 года Теллер познакомил с результатами расчетов своих коллег по Манхэттенскому проекту. Оппенгеймер поручил перепроверку расчетов Хансу Бете, и тот обнаружил принципиальную ошибку - Теллер не учел комптоновского рассеяния фотонов. Атомный взрыв не успевает нагреть дейтерий до температуры термоядерного синтеза, значительно раньше ударная волна разнесет в клочья емкость с дейтерием.
Дорога к покорению термоядерного синтеза
Как Теллер и его соратники обошли эту проблему, сколько усилий пришлось для этого приложить, кто, что и когда сделал для этого - это, как нам кажется, два отдельных рассказа. «Гуманитарная часть» - о том, как было принято решение о создании термоядерной бомбы в США, как из атомного проекта ушел Оппенгеймер и его единомышленники, как в Штатах появилась вторая атомная лаборатория… Большая, сложная история, в которой много вопросов морали, размышлений об уровне ответственности ученых за создаваемые ими изобретения. 42 американских ученых, принимавших участие в разработке атомной бомбы, в 1945 году подписали письмо президенту Трумену с требованием отказаться от разработки «оружия Судного дня», призвали к созданию системы международного контроля за атомным оружием. Но зимой 1950 года Трумэн подписал распоряжение, давшее старт разработке бомбы «Супер». У нас же возможности выбора не было - Советский Союз принял вызов, наши ученые, конструкторы, организаторы вынуждены были включиться в гонку вооружений. В общем - большая и сложная тема, о которой мы обязательно расскажем, но не в этот раз.
Эта и следующая статья будет посвящена физике термоядерного взрыва. Сначала - факты, и только потом - их анализ, телегу впереди лошади ставить не стоит. Мы будем соблюдать хронологический порядок, не обращая особого внимания на то, по какую сторону океана происходили события. В разработке термоядерного оружия есть и доля шпионских игр, но занимательно то, что советские и американские ученые «переоткрывали» изобретения друг друга вне зависимости от информации, которая поступала по каналам разведки. Ученые работали над самыми фундаментальными вопросами науки, универсальными настолько, что не позволяют давать разные ответы, разные варианты решения. Впрочем, обо всем по порядку, и заранее приносим извинения, если рассказ кому-то покажется слишком сложным, а кому-то наоборот - чересчур примитивным.
Термоядерная терминология
Начнем с небольшого «толкового словаря» - физики часто пользуются терминами, понятными только им самим.
Ядерное сечение реакции. Звучит грозно, но, если коротко - это величина, характеризующая вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром. Измеряется в барнах, 1 барн = 10-28 м2. Штука полезная, поскольку, зная эту величину, можно вычислить скорости ядерных реакций.
Что может произойти с частицей, которая на своем пути встречает атомное ядро? Давайте размышлять о нейтроне, который мчится в направлении ядра урана. Нейтрон может развалить ядро на части, и физики ведут речь о сечении деления, то есть о вероятности того, что произойдет именно деление. Нейтрон может «ударить лоб в лоб» нейтрон в составе ядра и от удивления отскочить в сторону - тогда физики размышляют о сечении рассеяния. Нейтрон может войти в состав ядра - нейтроны и протоны ядра «подвинутся» и примут его в «общежитие», в этом случае физики высчитывают сечение поглощения. В случае термоядерного синтеза вычислять нужно сечение синтеза - вероятность того, что частицы при столкновении «сольются» во что-то едино целое. Главное отличие от обычной механики - то, что элементарная частица одновременно является и мельчайшей крупинкой вещества, и волной. Сказать, что вероятность того или иного события в квантовой физике равна 100%, невозможно, можно говорить только о вероятности этого события.
Кулоновское взаимодействие - отталкивание одноименно электрически заряженных частиц.
Сильное взаимодействие - действует внутри атомного ядра, обеспечивает его связность, несмотря на то, что все протоны имеют положительный заряд. Действует сильное взаимодействие (простите нас, филологи, за такую корявую фразу!) только на очень маленьких расстояниях, как только расстояние между протонами становится больше определенной величины, в силу вступает кулоновское отталкивание.
Дейтерий - изотоп водорода, в ядре которого находится не только протон, но еще и нейтрон. Обозначают D или 2H.
Тритий - изотоп водорода, в ядре которого, кроме протона, находятся уже два нейтрона. Обозначают Т или 3Н.
Рентгеновское излучение - обычный поток фотонов, только у рентгеновского излучения длина волны короче, чем у видимого света, энергии оно несет больше, чем видимый свет.
Гамма-излучение - тоже поток фотонов, но длина волны еще короче, энергии оно несет еще больше, чем рентгеновское излучение.
Нейтрон - электрически нейтральная частица, участник сильного взаимодействия.
Протон - положительно заряженная частица, участник сильного взаимодействия и участник кулоновского взаимодействия. В этой статье целых три формулы, в них нейтрон - n, протон - р.
Электрон - отрицательно заряженная частица, участвует только в кулоновском взаимодействии.
Плазма - состояние вещества, при котором все его атомы ионизированы, то есть у них на орбитах не хватает, как минимум, одного электрона. Водородная плазма - это протоны, на орбите которых нет ни одного электрона.
Дейтерий не хочет «гореть»
Термоядерные слияния ядер водорода возможны только в том случае, когда водород находится в состоянии плазмы. А для того, чтобы плазма была устойчивой, ей, напомним, нужны: огромная температура, большие значения давления и плотности. Слияние ядер дейтерия происходит при температурах не меньше 100 миллионов градусов. А что с плотностью? Она должна быть такой, какая она у дейтерия в жидком состоянии, а жидкое состояние дейтерия требует температуры в -270 градусов. -270 и +100 000 000 градусов - вот как это совместить? С тритием не лучше, хотя температура, при которой он начинает «гореть», намного меньше - всего-то 50 миллионов. Он тоже должен быть жидкостью, а это снова все те же -270. Атомный взрыв, который должен инициировать «поджигание» дейтерия и трития, может помочь с давлением, но не с плотностью. Комптоновское рассеивание не дает атомному взрыву нагреть дейтерий с тритием до необходимых температур, то есть из трех необходимых условий «в лоб» получается обеспечить только давление. А еще нужно «синхронизировать» давление и температуру. Если температура достигнет заданных параметров при недостаточном давлении, термоядерная реакция не охватит весь объем дейтерия, среагирует только часть и реакция «затухнет». Такими были проблемы, стоявшие перед Теллером и его проектом «Супер».
А за что, собственно говоря, шла борьба - какие термоядерные реакции нужны были Теллеру для создания его «Супера»? Изначальная идея заключалась в том, чтобы заставить «гореть» дейтерий, а он участвует в двух видах термоядерной реакции.
1) D + D → 3He + n + 3,268 МэВ
2) D + D → Т + р + 4,03 МэВ
эВ - электронвольт, единица измерения энергии, используемая в ядерной физике.
В ней ведь дело имеют с элементарными частицами, а они, как известно, очень маленькие, очень легкие, потому и порции энергии, которые существенны для ядерной физики, тоже чрезвычайно малы. 1 эВ - энергия, необходимая для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разностью потенциала в 1 Вольт. Поле электростатическое - значит, «живет» оно между двумя пластинами, на которые подан постоянный ток. Если на одной пластине напряжение + 1 В, а на второй +2 В, то электрон «уйдет» от первой, чтобы «прилипнуть» ко второй. Вот порция энергии, затрачиваемая для «перетаскивания» 1 электрона, и есть 1 эВ. Как она соотносится с привычными нам джоулями? 1 эВ = 1,6 х 10-19 Дж. Ноль, запятая, 18 нулей, в конце вот эти самые 1 и 6.
А почему термоядерный взрыв настолько мощен? Теллер в 1942 году высчитал, что взрыв 12 килограмм дейтерия по мощности эквивалентен взрыву 1 миллиона тонн тротила - как так? Очень просто - 1 грамм дейтерия это 3 х 1023 атомов. «Троечка» и 23 нуля после нее. Словами - десять тысяч миллиардов миллиардов. Вот и становятся маленькие электронвольты огромным количеством джоулей. Поток, целая Ниагара энергии выплескивается мгновенно, ведь скорость протекания термоядерной реакции - наносекунды, миллиардные доли секунды.
Энергия, которая образуется в реакции №1, делится следующим образом: нейтрон уносит 2,45 МэВ, у изотопа гелия остается 0,82 МэВ. В реакции №2 протон уносит 3,03 МэВ, тритию достается 1,1 Мэв, часть энергии уносят нейтрино. Вероятности этих реакций весьма невелики, на языке физики - сечения реакций DD составляет 0,09 барны, заставить «гореть» дейтерий очень непросто.
После того, как Бете ткнул носом Теллера в его ошибку, соратник Теллера - Эмиль Конопински, предложил добавить к дейтерию тритий. В чем смысл? В том, что тогда появляется возможность добиться реакции дейтерия и трития:
3) D + T → 4He + n + 17,588 МэВ
Образуется ядро обычного гелия, которое забирает 3,52 МэВ и сверхэнергичный нейтрон, который мчится прочь, унося 14,06 МэВ. Сечение этой реакции 5 барн, она происходит чаще, чем реакция дейтерий-дейтерий, в 55 раз. Тритий появляется и в результате реакции №2, но вероятность этого не велика. Если же тритий добавлен изначально, картинка получается другой - реакции №3 идут чаще, энергии получается намного больше. А почему тогда руководство Манхэттенского проекта в 1942 году послало Теллера и примкнувшего к нему Конопински куда подальше? Получить тритий можно только в атомном реакторе, который тогда существовал в количестве одна штука, и создан он был для наработки оружейного плутония - «сердца» атомной бомбы. Отвлекаться на проверку гипотез никто не собирался - в 1942 году участники Манхэттенского проекта были уверены, что в Германии созданием атомного оружия занят сам Виктор Гейзенберг. Кроме того, тритий был невероятно дорог! Чтобы синтезировать 1 грамм трития, требуется потратить столько же энергии, сколько ее надо для получения 80 грамм плутония, а Теллеру требовались килограммы трития. Все, что оставалось Теллеру - вычислять возможность создания термоядерной бомбы теоретически.
«Теоретически» - звучит красиво, а как это выглядело? Надо было высчитать, как синхронизировать давление и температуру, на каком расстоянии от дейтерия с тритием должна быть взорвана атомная бомба, какой мощности нужен взрыв, придумать, как направить энергию этого взрыва на емкость с дейтерием. Конопински предложил добавить в дейтерий тритий? Прекрасно. А сколько именно? Какие температура и давление понадобятся, если смесь будет состоять из 100 грамм дейтерия и 10 грамм трития? А если 200 грамм и 5 грамм? Ну, и так далее. Сотни уравнений, причем уравнений, решаемых числовым методом. Это когда не вычислить, сколько у нас «икс» и сколько «игрек», можно только наобум подставить какие-то числовые значения и посмотреть, сходится ответ или нет. А набор вычислительной техники тогда состоял из листочка бумаги, логарифмической линейки и арифмометра. Удивляться тому, что Теллер относился к своим обязанностям в Манхэттенском проекте спустя рукава, не приходится - «Супер» отнимал у него львиную долю времени.
На помощь приходят эмигранты
Теллеру, венгерскому еврею по происхождению, стал помогать еще один эмигрант из Будапешта, прибывший в Штаты по тем же причинам. Пока этот человек жил в Венгрии он был Яношом, во время учебы в Цюрихе и работы в Берлине - Иоганом, в Америке он стал Джоном, а вот фамилия не менялась, как был он фон Нейманом, так им и оставался. Да-да, тот самый создатель архитектуры компьютеров, которая используется и поныне. Фон Нейман был не только создателем вычислительной техники, но и специалистом в математике ударных волн и взрывов, его участие в работе Теллера было совершенно естественным. В общем, кабы не термоядерная бомба - не было бы у нас компьютеров или они появились бы намного позже. Да, первые вычислительные машины фон Неймана были несовершенны, маломощны, но Джон был человеком талантливым и трудолюбивым, задачи Теллера он считал весьма интересными и нужными, потому старался, совершенствовал, модернизировал, помогал в расчетах.
Джон фон Нейман
Еще одним членом группы Теллера был эмигрант из Германии, гражданин Великобритании, прибывший в Штаты в 1943 году конкретно для участия в создании атомной бомбы. Звали этого 32-летнего талантливого физика Эмиль Юлиус Клаус Фукс. Его часто называют «советским шпионом», но это не соответствует истине. Шпионов готовят к работе заранее, обучают всяческим секретным наукам, в конце концов, им за их работу деньги платят. Немецкий коммунист Клаус Фукс, покинувший родину в 1933 году из-за своих политических убеждений, после того, как гестапо арестовало его отца, шпионом не был. Он был глубоко убежден в том, что Советский Союз должен иметь атомное оружие, поскольку наша страна была участником антигитлеровской коалиции и несла на себе основную тяжесть войны с нацистским режимом.
Эмиль Юлиус Клаус Фукс
С 1941 года Фукс вошел в группу Рудольфа Пайерса, которая в Англии работала над уточнением критической массы урана и разделением его изотопов. Вскоре после нападения Германии на СССР Клаус сумел найти в Великобритании наших разведчиков, и стал передавать им все, что ему удавалось узнать о британских разработках, при этом ультимативно отказываясь от любого вознаграждения. Коммунист - это не член партии Геннадия Зюганова, это нечто совсем другое… Еще один занимательный факт - часть сведений о разработках в области ядерного оружия Фуксу не нужно было красть, списывать, заглядывая к кому-то через плечо. Он был по настоящему талантливым физиком-теоретиком, часть переданной им информации была тем, что сам Фукс и делал. Оказавшись в Штатах, связи с нашими людьми он не потерял - теперь он передавал все, что узнавал в Манхэттенском проекте. А узнавать ему удавалось немало, поскольку Теллер норовил заниматься исключительно «Супером», перекидывая ему свою работу по атомной бомбе.
Инициатор Фукса-Неймана
Знаете, есть анекдот, который неоднократно проверялся в жизни: если перед физиком-теоретиком положить лист бумаги, на котором написано уравнение - он начнет его решать, хотя его никто об этом не просит. Листочков с уравнениями по термояду, стараниями Теллера, вокруг Фукса было множество, да еще и Нейман время от времени пробегал, да еще и все трое родным для них немецким языком пользовались. В общем, «заразился» наш Клаус Фукс «термоядерщиной», заразился основательно. В 1946 году он и фон Нейман подали заявку на регистрацию патента изобретенной ими радиационной имплозии.
«Радиационная» - значит, за счет излучения, «имплозия» - равномерное обжатие со всех сторон некоего материала, который нам вздумалось обжимать. Основная энергия атомного взрыва приходится не на разлет осколков реакции деления, а на рентгеновское излучение, 20% и 80% соответственно. Фотоны распространяются со скоростью света, то есть намного быстрее, чем осколки деления с их 1’000 км/с. Значит, рентгеновское излучение добирается до дейтерий-тритиевой смеси намного быстрее, чем осколки деления и, по идее Фукса и фон Неймана, оно должно успеть сдавить и согреть эту смесь раньше, чем емкость с ней будет разнесена вдребезги и пополам.
Схематическое изображение стадий радиационной имплозии в термоядерном боеприпасе
Уточним важную деталь - стенки корпуса изготовлены из материала, не пропускающего рентгеновское излучение, потому оно, отразившись от них, направляется к емкости с дейтерием-тритием. Красиво, но и идея, и картинка - теоретические, никаких экспериментов в 1946 году по проекту «Супер» не велось. После удачных опытов в небе над Хиросимой и Нагасаки американцы были уверены, что смогли поймать бога за бороду - добились создания оружия невиданной мощи, которого и в помине не было у Советского Союза. Чем больше в арсенале атомных бомб - тем ближе возможность диктовать СССР свои условия, потому реакторы в Хэнфорде без устали нарабатывали оружейный плутоний, а не тритий.
Впоследствии выяснилось, что идея Фукса-Неймана была очень «сырой» - рентгеновского излучения не хватает для того, чтобы обеспечить нужные давление и температуру. Возможно, что, продолжи Фукс работу в группе Теллера, он нашел бы свои ошибки, но в конце 1945 Фукс вернулся в Англию. За годы войны Великобритания отстала в своем атомном проекте от США, так что Фуксу было, чем заниматься. С лета 1946 года он - председатель правительственного общества по исследованиям в области ядерной энергии и глава отдела в центре ядерных исследований в Харуэлле. Из-за переезда в Англию Фукс смог встретиться с нашими разведчиками только в 1948 году, именно тогда материалы об инициаторе Фукса-Неймана попали сначала в МГБ, а потом и в Спецотдел. Это было и хорошо, и плохо одновременно. Хорошо, потому, что мы получили информацию о том, что американцы работают над созданием термоядерного оружия и в любой момент это направление могло стать основным для США. Плохо - потому, что идея Фукса-Неймана вела в ее начальном виде в тупик, а для проверки этой идеи Берия и Курчатов отрядили одного из лучших наших специалистов - Якова Зельдовича и его теоретический отдел Института химической физики.
СССР. Начало
Когда наши СМИ рассказывают о наших первых атомных бомбах, обычно называются имена Игоря Курчатова, Юлия Харитона и Андрея Сахарова. Самые «отчаянные» журналисты осмеливаются назвать имя Лаврентия Берии - главного организатора нашего атомного проекта и главу Специального комитета. Но вот «глубже» смотрят редко, забывая имена, которые некогда были укутаны самой свирепой секретностью. В тени остаются великие ученые, талантливейшие изобретатели. Об одном из них - Якове Борисовиче Зельдовиче - можно писать не статьи, а целые романы. Вот небольшая цитата из характеристики, которую дали Якову Борисовичу в 1953 году Курчатов и Харитон:
«Начиная с 1946 г. Зельдович приступил к обширной группе газодинамических работ, связанных с необходимостью создания теоретического и математического аппарата для расчета обжатия металлов посредством сходящейся сферической детонационной волны. Зельдовичем были разработаны все необходимые методы, для проведения численных расчетов для различных вариантов размеров и веществ было создано расчетное бюро в Математическом институте, которое вело работу по его заданиям. Зельдовичу принадлежит значительное количество предложений по принципам конструкции и отдельным элементам ряда изделий. Значительная часть успехов создания различных типов атомного оружия связана с деятельностью Зельдовича»
Группа теоретиков ИХФ, которую возглавлял Зельдович, была небольшой, но какие же это имена! Александр Компанеец, Давид Франк-Каменецкий, Николай Дмитриев (в 1954 году 32-летний кандидат наук Дмитриев читал лекции по физическим основам термоядерных бомб … сотрудникам КБ-11 во главе с Юлием Харитоном - представьте себе уровень его знаний !), Григорий Гандельман, Виктор Адамский, Евгений Забабахин, Евгений Негин, Юрий Трутнев, Лев Феоктистов… Будущие академики и доктора наук, ведущие сотрудники и создатели научных институтов, лауреаты самых престижных отечественных и зарубежных наград. И весь этот потрясающий коллектив потратил несколько лет, чтобы проверить идею Фукса-Неймана и убедиться в том, что нужный результат при ее помощи получить невозможно. Было потеряно время - в тот момент, когда бывшие союзники создавали один план атомной бомбардировки нашей страны за другим.
Но была и другая сторона вопроса. Получив из рук Берии материалы, переданные Фуксом, Курчатов, Зельдович и Ванников самым тщательным образом изучили их и 5 мая 1948 года письменно изложили свой отчет. 10 июня Сталин утвердил план мероприятий для того, чтобы в течение года дать оценку возможности создания термоядерной бомбы. Для тех, кто желает уточнить все детали, даем номера постановлений Совета Министров - 1889-773 сс/оп и 1890-774 сс/оп. В последнем из них имелось указание на привлечение к работам Физического Института Академии Наук. В ФИАНе была создана вторая теоретическая группа под руководством Игоря Тамма - ей предстояло разработать теорию горения дейтерия. Заместителем Тамма стал Семен Беленький, членами группы: Юрий Романов, Виталий Гинзбург и молодой аспирант Андрей Сахаров. Что не имя, то легенда мировой науки!
Теоретики такого уровня, расчетный отдел Математического института - термоядерный проект в нашей стране набирал темп куда быстрее, чем это происходило в США. Лаврентий Берия и в этом случае продемонстрировал незаурядный талант организатора. Все, что он видел «на своем столе» по поводу возможности создания термоядерной бомбы - расчеты физиков-теоретиков и математиков, ни одного эксперимента проведено еще не было. Многочисленные критики Берии уверяют нас, что он, дескать, терпеть не мог ученых, подозревая их в «вольнодумстве». Но факты - штука упрямая, они говорят о совершенно другом его отношении к профессионалам.
В том же 1948 году Берия отдал распоряжение создать отдельный атомный реактор для наработки трития и начать строительство завода по разделению изотопов лития - теоретикам был нужен литий-6 (для чего - поясним чуть ниже). Эдвард Теллер, напомним, безрезультатно пытался получить содействие своим разработкам на протяжении 7 лет, с 1942 по 1949. Нашим ученым хватило всего полгода - почувствуйте разницу. Причина такой решительности Берии и наших ученых очевидна. В августе 1945 американцы наглядно показали, что готовы применять самое страшное оружие, не взирая на гибель сотен тысяч людей - как только прошло первое успешное испытание атомной бомбы, США сожгли Хиросиму и Нагасаки. Не было никаких сомнений - если американцам удастся создать термоядерное оружие, получить и удержать монополию на владение им, они не будут размышлять, бесчеловечно или нет его применение, они применят его при первой же возможности. Уже была произнесена фултонская речь Черчилля, Запад уже объявил своим геополитическим противником СССР, потому не было сомнений в том, что применять термоядерное оружие США будут именно против нашей страны - разумеется, в том случае, если будут полностью уверены, что не получат симметричный ответ. Времени на сомнения, рефлексии не было.
Новые идеи Теллера
Но главным действующим лицом проекта «Супер» оставался Эдвард Теллер. Он работал с удивительным упорством, энергией, трудолюбием, порождая одну идею за другой. Одна из них появилась явно из-за того, что Теллер был специалистом не только физики, но и химии - то, что он задумался о свойствах лития, связано именно с этой его «двойной специализацией». Литий - элемент номер 3 таблицы Менделеева, одно из его уникальных свойств - то, что он легко «соглашается» участвовать в ядерных реакциях деления:
4) 7Li + n → T + 4He + 4,78 Мэв
Буковка «Т», тритий! Никакой наработки в атомном реакторе, просто обеспечиваем полет на мишень с литием нейтронов с правильно подобранными значениями энергии. По подсчетам Теллера это значение - выше 4 МэВ, многовато. Тогда Теллер присмотрелся к свойствам изотопа лития, 6Li, в ядре которого не хватает одного нейтрона. С литием-6 все было совсем замечательно - для получения тех же продуктов реакции вполне хватало нейтронов с низкой энергией. Мало того, химики прекрасно знали и умели создавать гидрид лития - порошок с нехитрой химической формулой LiH. При нагревании до 850 градусов гидрид лития распадается на литий и водород в газообразном состоянии. Следовательно, если создать не гидрид, а дейтерид лития - LiD, то при нагреве получим дейтерий. Эдакая вот «консерва», обеспечивающая запас и дейтерия, и трития безо всяких холодильников - просто сказка какая-то! Не хватало «сущего пустяка» - в Штатах не было и намека на производство 6Li. Идея красивая, но говорить о том, что в 1947 году, когда она появилась, правительство США «вот бросит все» и начнет строить завод для производства лития-6, не приходилось.
Беспокойный ум Теллера не дал ему повода унывать и после этого фиаско. Как убедить скептиков в том, что проект «Супер» - это действительно способ заставить Советский Союз покориться воле сюзерена, то есть США? Да показать, что термоядерная реакция вообще осуществима! Пусть первый взрыв не будет колоссальным по мощности, важно доказать принцип. И Теллер породил идею бомбы, названную им «Alarm Clock», «Будильник» - подразумевая, что она разбудит интерес к термоядерному оружию.
Термоядерный заряд ограниченного потенциала (Будильник/Alarm Clock)
Единственная неточность схемы - то, что Теллер, хотел использовать не дейтерид лития, а жидкий дейтерий. Потому о миниатюрности «Будильника», как и в случае с «Супером», говорить не приходилось - все равно требовалась криогенная установка. Значит, и такой эксперимент нельзя было осуществить быстро, и, следовательно, нельзя было убедить руководство в перспективности термояда. Снова тупик!
Но Теллер не остановился и после этой неудачи. Трудности научные, технологические, организационные, кадровые, Оппенгеймер в качестве противника - но Теллер продолжал продолжать. Очередная его придумка стала основой для первого в истории термоядерного взрыва с кодовым названием «Джордж», состоявшегося 9 мая 1951 года. Строго говоря, полноценным термоядерным взрывом «Джордж» не был. Его заряд - тор из блоков урана, в центре - капсула с жидким водородом, основной выход энергии обеспечивал именно уран. Капсула с дейтерием и тритием давала не столько энергию синтеза, сколько поток быстрых нейтронов, который вызывал новые цепочки распадов в уране. Взрыв «Джорджа» продемонстрировал реальность осуществления термоядерной реакции и доказал возможность форсирования атомного взрыва. Но 1951 год - это время проведения эксперимента, теорию Теллер развил до 1949 года.
«Звездный час» Теллера наступил в 1949 году, вся термоядерная программа США четко делится на две части - ДО сентября 1949 года и ПОСЛЕ. До взрыва РДС-1 в августе 1949 года и после. До того, как наши ученые, конструкторы, инженеры и сотни тысяч работников Спецкомитета создали и испытали нашу первую Бомбу и после. Успех, которого никто в Америке не ожидал, был оглушительной пощечиной всей элите США - СССР в течение всего четырех лет совершил то, что, по расчетам американцев, не могло произойти раньше 1955 года. Миллионные человеческие потери, разрушенная до основания промышленность европейской части, руины городов, в подвалах которых ютились выжившие и вернувшиеся с фронта, никакой помощи извне - какой, к черту, атомный проект в такой обстановке?! Но аппаратура радиационного контроля засвидетельствовала - никаких сомнений, русские взорвали атомный заряд. А как же мечта о мировом господстве?! Что, Оппенгеймер и его единомышленники продолжают гнуть свое - нужен международный контроль над атомной энергией, над атомным оружием?! К черту Оппенгеймера, дайте все, что только потребует, Теллер!
Источник