А в Арзамасе-16, который местные остряки весьма ехидно называли «Лос-Арзамасом», над проблемами симметричного обжатия металлов стали трудиться «рентгенщики» Лев Альтшуллер, Вениамин Цукерман и славные коллективы, которые они возглавляли. И в 1948 году им удалось сжать шарик из железа в два раза.
Процесс пошёл
В момент максимального сжатия плутония нужны первоначальные нейтроны для начала цепной реакции. Даже один нейтрон, налетевший на ядро делящегося атома, разваливал это ядро и высвобождал при этом ещё два-три нейтрона, которые в свою очередь натыкались на новые ядра, деля их с высвобождением энергии. Рождающиеся в геометрической прогрессии нейтроны обеспечивали нарастание цепной реакции и, как говорил один болтливый генсек, «процесс пошёл».
Весь этот процесс очень образно напоминает возникновение лавины в горах — один сорвавшийся с вершины камень сталкивает по пути ещё два-три, те набирают скорость и обрушивают новые камни, и вся эта лавина сметает на своём пути леса, мосты, дороги и селения.
Совершенно ясно, что если с горного хребта сорвутся одновременно и в разных местах десятки или сотни камней, то последствия будут ещё более ужасными.
В первых бомбах источник первоначальных, «затравочных» нейтронов — в России он назывался инициатор, а у американцев его именовали «ежом» — этот инициатор располагался внутри ядерного заряда. В двух полушариях в самом центре делалась небольшая полость также сферической формы, и туда вставлялись две опять же сферические половинки «ежа». В одном маленьком полушарии был радиоактивный полоний, в другом — бериллий. Они были окружены золотой фольгой, препятствующей взаимодействию альфа-частиц с бериллием.
При сжатии плутония фольга раздавливалась и альфа-частицы, испускаемые полонием, «выбивали» из бериллия те самые затравочные нейтроны.
Инициатор действовал автоматически и, если продолжить аналогию с автомобильным двигателем, играл роль «свечи», которая своей искрой поджигает сжатое горючее в цилиндре бензинового мотора.
Сразу же обнаружились и недостатки «ежей». Прежде всего, они давали мало нейтронов. Во-вторых, давали их с большим запозданием, когда пик сжатия плутония уже прошёл. В автодвигателе момент зажигания свечой топлива регулируется, о регулировке времени впрыска затравочных нейтронов в центре плутониевого заряда, где давление могло достигать миллионы атмосфер, речи и быть не могло. Имелись у «ежей» и другие недостатки — радиоактивный полоний быстро распадался и требовал частых замен. Они были дороги и неудобны, спектр нейтронов нельзя было менять, но самые главные проблемы — это первые две.
Поэтому уже в 1945 году американские учёные стали думать о внешнем по отношению к заряду инициаторе, и к 1951 году появились первые образцы их. По существу это были небольшие ускорители, в которых под действием высокого напряжения разгонялись атомы трития и дейтерия. При их столкновениях и слияниях рождались в изобилии нейтроны, как и в любой реакции синтеза.
Но временем появления этих нейтронов можно было теперь управлять, так же, как и спектром их, добиваясь с помощью напряжения и соотношения дейтерия с тритием таких скоростей, которые наилучшим образом подходили для поглощения «впрыснутого» нейтрона ядром делящегося вещества.
Уже первое испытание показало, что одно лишь применение внешнего высоковольтного генератора нейтронов давало значительное увеличение мощности атомной бомбы. А со следующего года они были приняты на вооружение в армии США.
Внешние инициаторы существенно повышали и надёжность оружия, без их срабатывания в нужный момент цепная реакция не начиналась.
Зимняя вишня
Совершенствованию, как известно, нет предела. В погоне за эффективностью тщательно рассматривалась роль и перспектива любой, даже второстепенной детали (в современной атомной бомбе их около четырёх тысяч!).
Модернизации подверглись также толкатель и отражатель, которые на заре появления атомного оружия стали промежуточной средой между шаром из делящегося вещества и сферическим слоем взрывчатки для обжатия шара.
Задачей отражателя была, можно сказать, сторожевая, «пастушья» функция — возвращать, загонять назад заблудшие нейтроны, которые всё-таки прорывались через поверхность шара наружу. Поэтому сферу отражателя изготавливали из хорошо рассеивающих нейтроны материалов — урана, алюминия.
В конце концов, был найден идеальный для этого металл бериллий — достаточно лёгкий, прочный, с высокими «пастушьими» качествами. К тому же бериллий в ходе взрыва сам становится источником нейтронов.
Сферический отражатель окружал сделанный так же в форме шарового слоя толкатель — обычно из природного урана-238. Он соприкасался со сферическим слоем химической взрывчатки и давил в свою очередь на отражатель и делящийся шар ядерного заряда. А в течение ядерного взрыва толкатель благодаря своей массивности удерживал от быстрого разлёта вещество, распираемое взрывом ядра. Эта инерционность толкателя давала больший выход энергии, большую эффективность и коэффициент «вредного действия».
В первой атомной бомбе военного применения «Толстяк» центральный плутониевый шар, отражатель и толкатель располагались вплотную друг к другу, напоминая строением ягоду вишню. Мякоть вишенки была химической взрывчаткой, скорлупа косточки — толкателем и отражателем, ну а ядрышко — плутониевым шаром.
Сразу же после войны это строение изменили — между плутониевым ядром и узлом «отражатель плюс толкатель» ввели воздушный промежуток, цель которого состояла в возможности набрать толкателю скорость, чтобы своим направленным к центру импульсом ещё сильнее сдавить плутоний. Благодаря появившемуся «участку для разгона», интенсивность имплозии вырастала в несколько раз.
Это становится хорошо понятным, если рассмотреть два способа забивания гвоздя в доску. В одном из них молоток кладётся на шляпку и двумя руками создаётся статическое давление на молоток. В другом случае делается хороший замах, и набравшая импульс головка молотка обрушивает удар на гвоздь. Совершенно ясно — какой из этих случаев наиболее эффективен…
Чтобы ядерный заряд теперь не болтался внутри полости, как ядрышко в скорлупе подсохшей зимней вишни, его подвешивают на алюминиевых спицах достаточно тонких, чтобы не нарушить симметрию обжатия.
Новую конструкцию назвали «подвешенная центральная часть».
Впрочем, сама центральная часть — плутониевый шар — тоже коренным образом преобразилась. Она превратилась в сферический слой — из шара как бы удалили внутреннюю часть, и там появилась полость. Теперь и вещество ядерного сферического слоя получило возможность также набрать импульс во время «схлопывания внутрь», что дополнительно удерживало плутоний от преждевременного разлёта.
Однако, в новой конструкции стали использовать не только плутоний, но и уран-235. Теперь вместо сплошного шара в центре размещались тонкие концентрические оболочки из урана и плутония. Эффективность деления «пары» стала даже лучше, чем у одиночного плутония.
Но главное было в другом — теперь плутония требовалось гораздо меньше, а ведь его медленная наработка сдерживала рост ядерного арсенала, — в начале 1948 года в США едва насчитывалось полсотни ядерных зарядов. Уже в последние дни войны было подсчитано, что в таком «сложном» заряде урана нужно в два раза больше, чем плутония. Следовательно, из имеющейся массы плутония можно сделать в несколько раз больше зарядов!
Итак, сложный заряд повысил экономичность и скорость накопления зарядов, воздушный промежуток между толкателем и зарядом усилил имплозию, сферическая полость внутри самого заряда также увеличила число распавшихся ядер, но полость дала ещё один потрясающий эффект…
Из искры возгорится пламя
В неё — эту полость — под большим давлением закачивали газообразный дейтерий и тритий. Хорошая имплозия создавала давление в центре полого «ядрышка» в миллион атмосфер. При таких давлениях и сумасшедших температурах в центре ядерного взрыва возникали необходимые условия для синтеза ядер трития и дейтерия. Получалась как бы микротермоядерная бомбочка внутри бомбы деления.
Впрочем, дейтерия и трития впрыскивали всего несколько грамм, и термоядерная добавка к общей мощности была невелика. Но вот нейтроны, которые в изобилии возникали при термоядерном синтезе, набрасывались на ядра урана и плутония, не оставляя им никакой надежды спастись от деления! Этот маленький «термояд» своими нейтронами усиливал процесс деления, поэтому устройства такого типа стали называть «бомбой с термоядерным усилением». Если продолжить сравнение с автомобильным двигателем, то можно сказать, что теперь появилась форсунка, как в гоночной машине, где к моменту максимального сжатия через неё впрыскивается топливо, и благодаря форсунке, топливная смесь сгорает наиболее полно.
