Шипение снарядов

Прищепенко Александр Борисович

Блок нейтронного инициирования должен быть расположен поближе к заряду: в этом случае больше разлетающихся во все стороны нейтронов поучаствуют в зажигании реакции деления. Кроме того, блок нейтронного инициирования должен быть по размерам больше, чем блок инициирования детонаторов, потому что к нейтронной трубке прикладывается напряжение в сотню с лишним киловольт — большее на два порядка, чем к детонаторам. Ну а снизить габариты высоковольтного устройства сложно — об этом факте читателю еще напомнят в следующей главе.

^{Рис. 3.22}

Вверху: на

полноразмерном демонстрационном макете малогабаритной МБР «Миджетмен» (не производившейся серийно) видна конструкция головного зазора ее моноблочной боевой части, тротиловый эквивалент которой должен был составить 600 кт. Внизу: боеголовка 9Н32М советской оперативно-тактической ракеты сухопутных войск «Луна-М» также снабжена устройством, обеспечивающим подрыв до того момента, когда ударные перегрузки могут повредить конструкцию ее ядерного заряда

Еще одна важная функция блока нейтронного инициирования — изменение энерговыделения ядерного взрыва. Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара («перебор» может привести и к поражению своих войск), не начинают лихорадочно разбирать ядерный заряд на ракете или бомбе, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасах с переключаемым тротиловым эквивалентом просто изменяют напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменяется выход нейтронов и выделение энергии. Ясно, что при снижении мощности таким способом «пропадает зря» много дорогого плутония.

В серийном американском боеприпасе Мк-18 энерговыделение довели до 500 кт — только за счет реакции деления. В МК-18 был применен U²³⁵, которого в докритической сборке можно разместить больше, чем плутония. У сборки при этом будет выше инерционность, а значит, и актов деления в ней произойдет больше, чем в плутониевой. Мощность заряда деления можно и еще повысить, но ненамного: существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритического шара.

В борьбе за рекорды энерговыделения с делением стали конкурировать реакции другого класса — синтеза.

Нельзя сказать, что даже энергия деления (рис. 3.23) избыточна для инициирования этой реакции, поэтому важно выбрать для нее наиболее «легковоспламеняющееся» топливо. Наименьшие энергии частиц требуются для «зажигания» реакции в изотопах водорода:

D + Т -> Не⁴ + n + 17,6 МэВ

которая на единицу массы реагентов обеспечивает выход в несколько раз большей энергии, чем реакция деления. Однако и дейтерий (D) и тритий (Т) при нормальных условиях — газы, достаточные количества которых сложно «собрать» в устройстве разумных размеров. Но оказалось возможным инициировать синтез в твердых гидридах изотопа лития-6 (Li⁶D и Li⁶T), «перевалив», с помощью заряда деления, необходимое для этого значение комбинации температуры топлива и времени его удержания при этой температуре. «Перевалить», кстати, оказалось не так просто: для этого плотности энергии разлетающегося во все стороны вещества заряда хватает не всегда, нужно сконцентрировать энергию взрыва. Имплозивный режим был реализован при сжатии топлива рентгеновским излучением, которое распространяется намного быстрее как потока вещества заряда, так и ударной волны.

^{Рис. 3.23}

Слева вверху: схема американской авиабомбы Мк-15 mod3, с двухфазным («чистым») зарядом. Вес изделия — 3447 кг, энерговыделение — 3,8 Мт. Заряд включает: запал 1, массивный буфер 2, трубу 3, изготовленную из легкоионизуемого пенополистирола, ампулу с термоядерным топливом 4 и трубку 5 из U235 (при хранении заряда эта трубка служит для удаления гелия-3,— продукта распада содержащегося в топливе трития). Справа — последовательность событий при взрыве заряда. Выход рентгеновского излучения через прозрачный для него корпус запала и диффузия излучения (показано зеленоватым цветом) в пенополистирол («а»). Поток вещества, бывшего зарядом, сдерживается буфером, чтобы он не нарушил цилиндрическую симметрию сжатия ампулы. Давление рентгеновского излучения превышает миллиард атмосфер, а давление образованной им плазмы — еще почти на порядок выше. Топливо сжимается к оси ампулы и разогревается (происходит радиационная имплозия). В сжатом топливе (которое дополнительно «подогревает» деление в длинном сверхкритическом стержне, бывшим ранее трубкой 5), начинается термоядерная реакция («б»). Далее происходит

расширение плазмы и начинается образование огненного шара ядерного взрыва («в»). Снимки слева внизу: авиабомба Мк-43 и ампула с буфером — элементы ее термоядерного заряда. При взрыве Мк-43, весящей 960 кг, энерговыделение достигало 1 Мт

По мере того как синтез самых «легкозажигаемых» изотопов разогревает топливо, в нем начинают протекать вторичные реакции с участием как содержавшихся в смеси, так и образовавшихся ядер:

D + D – > T + p + 4 МэВ;

D + D – > He³ + n + 3,3 МэВ;

T + T – > He⁴ + 2n + 11,3 МэВ;

He³ + D – > He⁴ + p + 18,4 МэВ;

Li⁶ + n – > He⁴ + T + 4,8 МэВ;

так что и литий не оказывается «балластом». При этом ядра ускоряются не напряжением, как в нейтронной трубке, а приобретают необходимую энергию при повышении температуры. Это — истинные термоядерные взаимодействия, а не похожие на них реакции срыва.

Сечения процессов, происходящих в ампуле, неодинаковы и, конечно, не все топливо успевает прореагировать. Энергетический вклад вторичных взаимодействий зависит от конструкции заряда и может оказаться существенным, но он намного меньше, чем могла бы дать реакция того же количества ядер дейтеротритиевой смеси, которая, к тому же, быстротечна настолько, что температура на фронте синтеза [59] существенно выше и достигает миллиарда градусов: продукты реакции в этой узкой области не успевают «уравнять» свою энергию в столкновениях с окружающими частицами.

59

У этой реакции много общего с детонацией химических ВВ, где энерговыделение также происходит в узкой области, прилегающей к фронту, только при термоядерной детонации скорость и другие параметры на много порядков выше. А вот при делении ядер длина свободного пробега нейтронов сравнима с размерами сборки, реакция не имеет выраженного фронта и охватывает сразу весь объем делящегося вещества (такой процесс принято называть «гомогенным взрывом»).

Значительная часть энергии синтеза может пропасть для взрыва:

для реакции D+T более 80 % ее «ускользнуло» бы из огненного шара с быстрыми нейтронами, пробег которых в воздухе составляет многие километры. Эта часть энергии рассеялась бы в соответствующих размеров воздушной сфере, вызвав лишь слабое её возмущение, поэтому в образцах термоядерного оружия, которые рассчитаны на взрывной эффект, такого не допускают, реализуя еще и третью фазу, для чего ампула окружается тяжелой оболочкой из отвального урана, из которого также изготавливается и буфер. Нейтроны, испускаемые при рападе U²³⁸ имеют слишком малую энергию, чтобы вызывать последующие акты деления, но этот изотоп делится под действием «внешних» высокоэнергетичных нейтронов от термоядерных реакций. Нецепное деление в U²³⁸ дает прибавку энергии огненного шара, иногда превалирующую даже над вкладом термоядерных реакций.

В ампуле нет веществ, в которых при нормальных условиях может возникнуть цепная реакция, поэтому их количество не ограничено, а значит — у энерговыделения термоядерного заряда нет верхнего предела, вроде того, который существует для заряда деления. На каждый килограмм веса трехфазных изделий приходится несколько килотонн тротилового эквивалента — они существенно превосходят по удельным характеристикам другие классы ядерного оружия!

Неприятная особенность трехфазных боеприпасов — повышенный выход испускающих все виды радиации осколков деления. Нельзя сказать, что двухфазные заряды не загаживают местность нейтронами, вызывающими в практически всех элементах ядерные реакции, не прекращающиеся и спустя многие годы после взрыва [60] , а также — осколками деления своих «запалов», но все познается в сравнении, и трехфазные далеко превосходят их в этом отношении. Превосходят настолько, что некоторые боеприпасы выпускались в двух вариантах: «грязных» — трехфазных и «чистых». Последние предназначались для применения на территории, где предполагались действия своих войск, и ради обеспечения их безопасности, шли на снижение мощности. Так, например, американская авиабомба Мк-36 (рис. 3.24) выпускалась в двух идентичных по внешнему виду вариантах: «грязном» Mk-36Y1, с энерговыделением 9 тротиловых мегатонн, и вдвое уступавшем ему по мощности, «чистом» варианте Mk-36Y2.

60

Это явление называют «наведенной радиоактивностью».