Термоядерная Схема: деление – синтез – деление

Американская водородная бомба начинает свою историю с 1946 года. Именно тогда, вскоре после появления атомных бомб, Э.Теллер сформулировал идею «супербомбы». Подобно тому, как от капсюля-детонатора инициируется волна горения (детонации) в химическом взрывчатом веществе, в водородной бомбе Теллера распространяется термоядерная волна по дейтерию, вызванная атомным взрывом. При устойчивом горении обеспечивается большое количество энергии. В 1951 году президент США Трумен направил Комиссии по атомной энергии директиву о возобновлении работ по созданию водородной бомбы. К этому времени сложилось убеждение, что для имплозии, вызывающей сильнейшее сжатие дейтерия, необходимо осуществлять фокусировку радиации от взрыва первичного атомного заряда.

31.10.1952 г. был проведен взрыв термоядерного устройства «Майк» (физопыт), который подтвердил схему атомного сжатия. В 1954 году США испытали боевую водородную бомбу, выполненную по технологиям, сохранившимся в основном до настоящего времени. СССР испытал свою водородную бомбу, спроектированную по тем же принципам, в ноябре 1955 года.

Первые сведения о работах в США по сверхбомбе поступили в СССР из открытой печати и по разведывательным каналам в 1945 году. В качестве основной схемы рассматривалась комбинация из атомной бомбы пушечного типа на основе урана – 235 с отражателем из ВеО₂, промежуточной камеры с DT – смесью и цилиндра с жидким дейтерием.

Физики считали, что если в небольшом объеме, примыкающей к атомной бомбе, создать условия для неравновесного горения, то в дальнейшем детонация может распространиться на неограниченный объем термоядерного оружия. Для уменьшения роли «охлаждения» излучением дейтерий размещался в прозрачном для излучения цилиндре.

В начале 50-х годов в Арзамасе-16 развивалось 2 направления – «труба» и «слойка». В основе «трубы» Зельдовича лежит идея термоядерной детонации в жидком дейтерии. Она оказалась бесперспективной. В «слойке» использовалось интересное предложение Сахарова. В состав атомного заряда включались слои из водородонесущего материала (LiD) для усиления деления по схеме «деление – синтез – деление». Исходно плотность легких и тяжелых слоев отличалась в десятки раз. При взрыве, когда материал разогревался и ионизировался, происходило сильное сжатие легких слоев со стороны тяжелых, что способствовало резкому возрастанию скорости термоядерных реакций. В 1950 году принято постановление о разработке в КБ-11 заряда РДС-6с с малым многослойным зарядом по принципу, предложенному Сахаровым – принципу ионизационного сжатия термоядерного оружия, который называют «сахаризацией». В водородной бомбе происходит взрывное использование ядерной энергии тяжелого водорода – дейтерия.

При высокой температуре (миллиарды градусов) с большой скоростью идут ядерные реакции

D + D = T + p + 4, 0 МэВ

D + D = ³He + n + 3, 3 МэВ

Образующиеся при этих реакциях ³He и Т вступают в дальнейшие реакции

T + D = ⁴He + n + 17, 6 МэВ

³He + D = ⁴He + p + 18, 4 МэВ.

При этом общая энергия, выделяющаяся на 1 кг дейтерия, увеличивается при протекании вторичных реакций в 4 раза, т.е. при сгорании 1 кг D выделяется энергия 60 кт ТЭ. Более благоприятным, чем D, является только тритий, который реагирует с D в 100-200 раз быстрее самого D при температуре в десятки и сотни миллионов градусов.

Первая советская водородная бомба РДС-6с испытана на Семипалатинском полигоне в августе 1953 года. Параметры АЗ определялись поставленными требованиями – ограничением общей массы уровнем РДС-1 и согласованным предельным количеством трития в составе дейтерида-тритида лития, обогащенного по изотопу литий-6. Одним из существенных факторов, от которых зависел успех или провал разработки РДС-6с, являлся эффект перемешивания термоядерных слоев и слоев урана в процессе ядерного взрыва. На стадии разработки РДС-6с разработаны методы расчетов нейтронной кинетики, внедрен метод Монте-Карло (метод случайного моделирования) в расчеты задач переноса нейтронов с использованием ЭВМ. Проведен большой объем газодинамической отработки, на фоне идеологической борьбы против «лженауки» – кибернетики в высших эшелонах власти принят ряд решений о разработке и организации выпуска ЭВМ, которые были использованы для численных расчетов взрыва термоядерного заряда. Наиболее важной являлась разработка БЭСМ, которая начала работать в 1952 году. В отрасли была создана технология изготовления термоядерного материала и отработана технология изготовления из него деталей ЯЗ.

 

Современная проблема военного плутония

За время усиленной наработки ДМ были накоплены избыточные запасы во многих странах мира (таблица 4, данные 1995 года, Стокгольмский институт мировых исследований).

Таблица 4 – Мировые запасы ДМ, тонн

	Высокообога-щенный уран	Оружейный плутоний	Неоружейный плутоний (>7% Pu^240)
Ядерные страны
Россия			26,5
США			14,4
Франция			15,6
Китай			Н.д
Великобритания		3,1	39,2
Всего	1750±400	228±45	95,7
Околоядерные страны
Израиль, Индия, Пакистан, С. Корея, Ю.Африка	0,61	0,8	0,3
Неядерные страны
Бельгия, ФРГ, Италия, Япония, Нидерланды, Швейцария	-	-	24,1
Мировые запасы	1750±400	230±45

 

В настоящее время благодаря заключению целого ряда международных договоров о сокращении ядерного оружия, наработки ДМ, запрещения испытаний ЯО во всех средах высвободилось из военной области 1-2 сотни тонн кондиционного плутония и 1-2 тысячи тонн обогащенного оружейного U²³⁵. Остановлены все реакторы, на которых производился Pu.

Стоит вопрос, что же делать с освободившимся ДМ. Просто складировать крайне неэффективно, хотя и часть материала, оставшегося в военной сфере, решено было сосредоточить в хранилищах Горно-химического комбината г. Железногорска (г. Красноярск – 26). Для другой части, подпадающей под международный контроль, выстроено хранилище ДМ в г. Озерске. Но вечно хранить ДМ нельзя. Надо его куда-то приспосабливать.

В отношении U²³⁵ задача решается путем разбавления его с природным ураном до концентраций, неприемлемых для оружия, но пригодных для производства тепловыделяющих элементов атомных станций. Отметим, что оружейным считается уран с обогащением U-235 более 20%. В настоящее время действуют «Программа ВОУ-НОУ…», по которой Россия продает «разбавленный» материал США. Срок действия договора – до 2014 года. В этой программе основными участниками со стороны России являются
ОАО ВНИИНМ, ПО «Маяк» и СХК.

Единственная возможность безвозвратно ликвидировать Pu состоит в том, чтобы подвергнуть его ядерным превращениям в реакторах. Для этого нужна сеть АЭС, в том числе и тех, которые наиболее приспособлены для «сжигания» Pu. Сейчас разворачиваются работы по освоению новых видов топлива для электростанций – оксидного (МОХ- топливо), нитридного и т.д. В них Pu находится в сплаве с дешевым U²³⁸.

Освоение нового типа топлива – дело непростое и требует значительных затрат. Однако это можно отнести к любому виду разоружения. Так, переработка химического оружия оценивается в сумму, намного превышающую стоимость его создания. То же можно считать и по ЯО, с учетом рекультивации радиоактивных земель и озер.

Использование получаемого в АЭС реакторного Pu в военной сфере нецелесообразно. Реакторный Pu (~60% Pu²³⁹, ~40% Pu²⁴⁰) имеет примерно втрое большую критмассу, в нем в 10-15 раз больше внутреннее тепловыделение, в 10 раз больше радиационный фон, включая Am²⁴¹ (продукт распада Pu²⁴¹) с мощным гамма-излучением. По современным меркам, из реакторного Pu получится не бомба, а маломощный «уродец», необычайно сложный в эксплуатации.

Диалектика такова: более 40 лет развивалось реакторостроение, чтобы создать Pu, теперь настало время строить новые реакторы, чтобы производить электричество и одновременно уничтожать Pu.

 

Разработка и отработка ЯЗ

Разработка ЯЗ

В памяти человечества относительно создания выдающихся технических творений остаются, как правило, фамилии главных лиц, возглавляющих научно-технические коллективы. Туполев – Ту-104, Алексеев – суда на подводных крыльях, Королев – космические корабли и ракеты. Атомный проект в этом смысле – не исключение. Справедливо воздавая заслуженное выдающимся лидерам – Курчатову, Харитону, Сахарову, Забабахину и многим другим, все прекрасно понимают, что процесс разработки и создания ЯО был и является коллективным. Упрощенно его можно представить следующим образом.

Коллектив теоретиков разрабатывает физическую схему изделия, которая в виде технического задания, утвержденного и согласованного на соответствующих уровнях научного и технического руководства, поступает в коллектив конструкторов. Здесь она из 2–3-х листков ТЗ превращалась в несколько альбомов конструкторской документации, которая согласовывается с теоретиками, газодинамиками, расчетчиками и технологами.

Затем конструкторская документация направляется на производство, где коллектив технологов разрабатывает трудоемкую подетальную и поузловую документацию, включающую разработку всевозможных и сложнейших приспособлений по изготовлению и контролю изделий.

Службы снабжения обеспечивают оперативную поставку материалов, изделий внешней поставки, необходимых для изготовления изделий.

Как правило, во вновь разрабатываемых изделиях требуются новые материалы, материалы с новыми характеристиками. Исследованиями по этим вопросам занимается технологическое подразделение, другие лаборатории, привлеченные внешние лаборатории и институты, конструкторы изделий, расчетчики, теоретики и другие специалисты.

Все эти коллективы, их взаимодействие и связи представляют единый живой организм, действующий согласованно, творчески, оперативно ради достижения общей цели – создания мощного отечественного оружия. Безусловно, имеются и другие службы, работающие на общее дело – это и ППО, и испытатели, измерители, режимные службы и другие.

В первых конструкциях все было направлено на пунктуальное выполнение требований физиков. Но и тогда конструкторам пришлось решать множество задач, не слепо выполняя их требования, а с увязкой с возможностями производства, эксплуатационными требованиями, возможностями носителей.

Конструкторы не только решали (решая впервые – изобретали!), но и сами формулировали требования к производственникам, разработчикам систем задействования, управления, контроля работы ЯЗ и т.п.

В сущности, и физсхема, и конструкция – это результат единого творческого процесса, с которого начинается создание атомного оружия. Лишь условно его можно разделить на два.

Один идет от физической идеи и завершается расчетно-теоретическим обоснованием физсхемы. Второй – «оживляет» физсхему. На ее основе делает конструкцию заряда, который можно изготовить, эксплуатировать и применять по назначению.

В физсхеме все идеально. Детали «висят» в воздухе, их размеры и плотность номинальны, оболочки без разъемов и т.д.

Конструкция реальна. Детали опираются по опорным зонам, их размеры и плотность находятся в определенных пределах, оболочки разделены на части.

Конструкция «дышит» (меняет свои размеры) в зависимости от температуры окружающей среды, стареет со временем. Ее пронизывают силовые поля разного рода, вибрация, собственная и внешняя радиация. Ее нужно защищать от коррозии, делать стойкой к аварийным воздействиям (пожар, падение).

На сегодня роль конструкторов в творческом процессе возросла. Согласование конструктором ТЗ на разработку ЯЗ стало нормой. Более того, в ряде случаев конструктор является соавтором и даже инициатором разработки.

Конструктор ЯЗ – очень редкая профессия. На сегодняшний день их около 50 на страну в обоих ядерных центрах. Для других специальностей конструкторов и физиков-ядерщиков открыты двери разных ВУЗов, для конструкторов ЯЗ – нет. Здесь, во время учебы, вы также получите только основы профессии.

Будущий конструктор ЯЗ может получить знания по таким нужным дисциплинам, как сопромат, теория механизмов и машин, теория взаимозаменяемости, электротехника, материаловедение, технология машиностроения, детали машин и т.д. К специальным дисциплинам относятся «Конструкции средств поражения», «Проектирование средств поражения», «Системы оружия», «Эксплуатация ЯО», и др.

Но этого мало. Именно поэтому в программе специальности «Спецбоеприпасы» так много специальных дисциплин по ядерной физике, газодинамике, эксплуатации ЯО, безопасности и т.д. Лекции вам будут читать ведущие специалисты основных подразделений РФЯЦ-ВНИИТФ.

Конструктор должен знать теоретическую физику и газодинамику, хотя бы в объеме, позволяющем понимать физиков-теоретиков и газодинамиков. Осознано выполнять их требования, понимая, например, что отказ заряда может иной раз произойти всего лишь из-за зазора в десятые доли миллиметра. Для этого будут прочитаны курсы – «Физика взрыва», «Прикладная механика сплошных сред», «Экспериментальная газодинамика», «Теория энергетических материалов».

Нужно хорошо знать свойства, технологию получения и изготовления деталей из спецматериалов. В том числе взрывчатых веществ, радиоактивных материалов. Курс – «Технология производства средств поражения».

Разбираться в вопросах безопасности, надежности, технике эксперимента. Курсы – «Безопасность ЯО», «Радиационная техника безопасности», «Боевая эффективность средств поражения».

Конструктор ЯЗ должен не только много знать. Он должен научиться конструировать заряды, в которых, в отличие, например, от автомобиля, нельзя де-факто обнаружить и заменить деталь или узел, выявить, наконец, недостатки конструкции. Здесь все должно быть продумано заранее и надежно настолько, чтобы обеспечить безотказное срабатывание ЯЗ в любой санкционированный момент из тех лет, которые определены сроком годности.

Вузовские знания пополняются в работе, в общении со специалистами и изучении их трудов. Процесс длительный, и далеко не каждый молодой специалист становится хорошим конструктором.

Высока ответственность конструктора. Он в ответе за боеготовность, безотказность и эксплуатационную безопасность столь грозного и дорогостоящего оружия – ядерного оружия. Он и физик-теоретик несут ответственность за заряд вплоть до уничтожения его последнего экземпляра.

Одним из главных направлений работ конструкторов является постоянная адаптация ЯЗ к изменяющимся условиям разработки с поддержанием высокого уровня их надежности и безопасности, в том числе и ЯЗ, стоящих на вооружении. В условиях моратория ведется разработка новых способов и методов обоснования. С этой целью разрабатываются макеты ЯЗ со специальными средствами контроля параметров работы ЯЗ в экспериментах. Особое внимание уделяется компьютерному моделированию экспериментов и расчетам по подтверждению параметров ЯЗ, исследованию свойств делящихся материалов.

Ряд новых задач обусловлен изменениями в технологиях изготовления материалов, применяемых в ЯЗ. Изменяются заводы-поставщики спецматериалов, соответственно меняются их свойства. Приходится решать задачи по обоснованию допустимости таких материалов в конструкциях ЯЗ.

Другая задача – определение предельно возможных гарантийных сроков ЯЗ с сохранением показателей надежности, безопасности и стойкости.

Важнейшая задача – снижение риска радиационных и ядерных аварий с ЯО в мирное время. Безопасность ЯО становится одной из главных характеристик. Для этого ведутся работы по модернизации ранее созданных конструкций ЯЗ. Вводятся новые предохранительные устройства, специальные системы защиты ЯЗ от несанкционированных действий, технические решения, направленные на снижение вероятности выхода РВ в окружающую среду при самых тяжелых авариях с ЯО.

Актуальными задачами являются:

- повышение ударостойкости и взрывобезопасности ЯЗ при авариях, стойкости к интенсивным тепловым воздействиям и пожарам;

- разработка мер по обеспечению невзрыва ВВ и невыхода РВ в окружающую среду при выгорании ВВ;

- разработка и исследование способов локализации плутония и урана в случае тяжелых аварий, связанных с ударами, пожарами глубоководными затоплениями;

- проведение разборки большого количества ЯБП, что требует обеспечения групповой взрывобезопасности (ГВБ);

- разработка новых технологий с переносом особо опасных операций по разборке ЯЗ в современные защитные сооружения, обеспечивающие локализацию радиоактивных продуктов аварийного взрыва ЯЗ;

- разработка устойчивых к нерегламентированным воздействиям контейнеров для обеспечения безопасности транспортирования и хранения ЯЗ и ДМ;

- разработка дополнительных мер защиты ЯЗ от несанкционированных и террористических действий;

- исследование последствий аварийных и несанкционированных действий с проведением расчетно-экспериментальных обоснований технических мер, направленных на снижение вероятности и ущерба от подобных воздействий.