Ядерная изюминка
Если ядерный заряд представить себе в виде кубической буханки пшеничного хлеба с внедрёнными туда изюминками, то протыкание такой буханки тонкой спицей схоже с проникновением нейтрона в среду атомной взрывчатки. Роль атомов здесь играют изюминки.
Спица (нейтрон) может проткнуть всю буханку, не встретив ни одного атома и, стало быть, не положив начало ядерному распаду — источнику взрывной энергии.
Однако, попадание спицы (нейтрона) в атом ещё не означает деление ядра, ибо размер ядра неизмеримо меньше габаритов атома. Если, скажем, сам атом увеличить до размеров стены обычной комнаты, то ядро на этой стене окажется (при том же увеличении) величиной не более типографской точки. Отсюда видно, что шансов «зацепить» ядро у нейтрона, проникшего в область атома, совсем немного. Большинство нейтронов, родившихся в недрах атомного заряда спонтанно или специально туда «впрыснутых», так и не встретив «своего» ядра, выйдут наружу.
Но, если неограниченно увеличивать размер «буханки», то рано или поздно почти каждый нейтрон встретит искомую цель и начнёт процесс ядерной цепной реакции, при которой любое разваленное ядро даст ещё два-три нейтрона, и так далее.
Тот размер вещества, при котором число вновь родившихся нейтронов будет превышать число потерь («холостых» нейтронов, покинувших вещество сквозь его поверхность), называется критическим размером, а масса его — соответственно критической массой. Так, например, критическая масса урана-235 — около 60 килограммов, а критический размер — с небольшой мяч.
Впрочем, сделать заряд критическим можно не только наращиванием массы и объёма. Если ту же кубическую буханку сжать в два раза по всем направлениям, то площадь поперечного сечения куба уменьшится в четыре раза, что при неизменном количестве изюминок означает увеличение их густоты также в четыре раза. Стало быть, во столько же раз возрастёт вероятность встречи летящего нейтрона с ядром атома. И некритическая дотоле масса при достаточном сжатии становится очень даже критической.
Поскольку такое сжатие требуется лишь на мгновение, то самым подходящим для этого способом становится взрыв — благодаря колоссальной энергии он сожмёт практически несжимаемый металл в несколько раз. А когда начнутся реакции деления, которые наоборот — разрывают изнутри ядерный заряд, то не ослабевшая ещё имплозия будет сдерживать разбег атомов, способствуя тому, чтобы прореагировало как можно больше ядер.
Потому «коэффициент вредного действия» первых плутониевых бомб был не один процент, как в урановой, а около двадцати! Если в урановой бомбе из 60 кг ядерного заряда «срабатывало» 700 граммов, то в плутониевой — из 6 кг плутония участвовало в делении более одного килограмма!
Однако, за всё нужно платить — и за малый вес ядерной взрывчатки, и за высокую эффективность. Ведь для сжатия плутония потребовались десятки килограммов химической взрывчатки типа баратола. Кроме увеличения веса всего устройства выросли и габариты бомбы. Если первую урановую бомбу американцы назвали «Малыш» (в честь президента Рузвельта, который был весьма худощавым и невысокого роста), то плутониевую уже назвали «Толстяк».
Никудышные перспективы возникали с размещением этих многотонных устройств на ракетах, если даже с доставкой такого оружия на тяжёлых бомбардировщиках возникали проблемы…
Кое-что о спящей кошке
Надо сказать, что требования к взрывчатке, которая сжимает металлическое ядро — плутоний — были особые. Прежде всего — чрезвычайно большая мощность. Чтобы представить себе силу подобного взрыва, достаточно вспомнить телевизионные кадры конца 80-ых годов, обошедшие всю нашу страну и весь мир. На железнодорожной станции Арзамас случился взрыв такой силы, что от находившихся рядом людей, не осталось даже следов. Рванул вагон с взрывчаткой, которую везли в ядерный центр Арзамас-16. Из-за жуткой, ненормальной секретности, окружавшей тогда всё, что было связано с атомным оружием, железнодорожники не знали, что в вагонах та самая взрывчатка, которая используется для обжатия ядерных зарядов. И преспокойно спускали с «горки» эти вагоны для формирования состава в Арзамас-16. После одного из неминуемых в таком деле столкновений и взорвался вагон, образовав воронку в десятки метров. Это сравнимо с действием атомного фугаса «малого калибра».
Приехавший тогда «на расследование» известный своей большевистской дремучестью Егор Лигачёв сделал всё, чтобы затемнить суть дела. До сих пор неизвестно — сколько людей погибло в этой беде…
Взрывчатка только такой чудовищной энергии нужна для обжатия металла и, в принципе, чем больше будет её мощность, тем эффективнее сработает ядерный заряд.
Довольно очевидна здесь аналогия с работой автомобильного двигателя — чем больше степень сжатия горючего в цилиндре, тем лучше и быстрее оно сгорает.
Кроме того, «сильная» взрывчатка — это и уменьшение её массы, а также габаритов. В конце концов, американские ядерщики ухитрились снизить всю массу взрывчатки с нескольких сот килограммов до нескольких десятков килограмм.
Однако важна не только её сила, исключительное значение имеет и форма образуемой ею взрывной волны. Много стараний было приложено для того, чтобы ядерная волна была сходящейся сферической — и сжимающийся под её действием металлический заряд оставался во время этого процесса так же шаром.
Если взять несколько образцов урана-235, каждый массой по 60 кг и сделать из них простейшие геометрические фигуры — куб, шар, тетраэдр, раскатать в плоскую пластину или даже в проволоку, а потом измерить площадь поверхности каждой фигуры (впрочем, можно все эти поверхности элементарно рассчитать), то у шара поверхность окажется наименьшей среди всех фигур равновеликих по массе (и объёму).
Что, впрочем, ощущается интуитивно и сплошь, и рядом подтверждается примерами из обыденной жизни. Капли рассыпавшейся ртути, скажем, тут же принимают шаровую форму — поверхностное натяжение заставляет её занять объём с наименьшей поверхностью. Много землян уже побывало в космосе и хорошо знает, что выскочившая из бутылки вода тут же принимает форму шара.
Те, кто видел спящую на снегу лису (а те, кому это видеть не посчастливилось, могут понаблюдать за спящей кошкой), непроизвольно отмечают, что животные стараются принять шаровидную форму, ибо при этом потери тепла, а они при прочих равных условиях пропорциональны площади поверхности нагретого тела, становятся наименьшими! Да и сам человек, укладываясь в прохладном помещении, стремится занять объём как можно ближе к шару — подтягивает к подбородку колени, складывает руки и поджимает пятки, чтобы походить на шар.
Имплозия в Лос-Арзамасе
Как уже говорилось, из всех вышеупомянутых простейших фигур равного объёма (и массы!) минимальная поверхность у шара. Именно его масса в 60 кг урана-235 окажется критической, поскольку имеет наименьшие потери нейтронов, убегающих через поверхность. Куб, тетраэдр, а в особенности плоскость и проволока, несмотря на то, что масса каждой фигуры вроде бы по величине критическая, таковыми на самом деле не станут — их поверхности столь велики, что подавляющая часть нейтронов будет покидать объём, так и не встретив «своего» ядра.
Итак, в процессе взрыва уменьшающийся в объёме шар должен оставаться по форме шаром. Для этого его окружают сферическим слоем взрывчатки — почти сферическим, если говорить точнее. Взрывчатку отливают в виде многочисленных блоков, из которых составляют правильный многогранник, близкий к шаровому слою. Чем больше блоков, тем «сферичнее» и симметричнее ударная волна.
Каждый блок подрывается своим детонатором и совершенно недопустимо, чтобы какой-либо из капсюлей сработал раньше или позже других. Форма волны при этом искажается и шар может сплющиться в эллипсоид или лепёшку — ядерный взрыв тогда не случится. Отсюда проистекала высокая безопасность метода имплозии — случайный подрыв одного капсюля и даже многих (и даже всех, если не одновременно) приводил всего лишь к разрушению корпуса бомбы. Кроме одновременного срабатывания детонаторов нужно, чтобы скорость горения взрывчатки была в каждом блоке одинаковой, или, по крайней мере, соответствовала заданной, отсутствовали пустоты и трещины и многое другое, чего нельзя упускать из виду, чтобы не «испортить» симметрию.
Изучением всех этих тонкостей в Лос-Аламосе — ядерном центре США — занимался советский информатор Клаус Фукс. Разумеется, все свои расчёты, подкреплённые экспериментами, он тайно передавал через связника Голда в Нью-Йорк Анатолию Яцкову, который руководил сбором сведений по атомным секретам. Оттуда шифрограммы летели в Москву, оседая в огромном агентурном деле «Энормоз». Впрочем, эти радиограммы перехватывались и американскими спецслужбами и также откладывались в досье, но другое — «Венона» — до поры, до времени, пока появится возможность их расшифровать.
