Главная
    Статьи
    Мероприятия
    Новости
    Партнеры
    Авторы
    Контакты
    Вакансии
    Рекламодателям
    Архив
       
       
       
    КАРТА САЙТА
 
  return_links(1); ?>
 

Журнал "Мировая энергетика"

Архив Статей

Март 2008 г.

 
      return_links(1); ?>   return_links(); ?>  
     
 

Полный или неполный взрыв?

 
   

Ландау вывел формулу КПД атомной бомбы, который он называл "коэффициентом вредного действия".

 

 
 

Борис ГОРОБЕЦ,
доктор геолого-минералогических наук, профессор

 
 
Когда утром 29 августа 1949 г. вспышка "ярче тысячи солнц" озарила казахстанскую степь, казалось, ликовали все присутствовавшие на полигоне. Наступил момент их триумфа - и спада страшного напряжения последних лет. Так оно и было, но не у всех. Первые сутки несколько десятков посвященных с тревогой и нетерпением ждали результатов измерения мощности взрыва. В том, что атомный взрыв произойдет, И.В. Курчатов и его ближайшие сотрудники были уверены. Но будет ли это полноценный взрыв, как у американцев? Или произойдет так называемый неполный взрыв?

Неспециалисты думают, что если просто соединить два куска плутония (или урана-235) и превысить критическую массу (критмассу), произойдет атомный взрыв. Это не так - произойдет всего лишь атомный "пшик". Подавляющая масса плутония не успеет поучаствовать в цепной реакции, потому что последняя, едва начавшись в надкритической массе при соприкосновении подкритических кусков, выделит такую энергию, которая растолкнет куски и разорвет всю конструкцию. От происшедшей вспышки мгновенных нейтронов* пострадают окружающие, но и только.

Необходимым и крайне трудно выполнимым условием настоящего атомного взрыва является достаточно длительное, не менее половины микросекунды, сжатие всего ядерного заряда так, чтобы в нем успела прореагировать возможно большая доля заложенной ядерной взрывчатки. Эта доля, выраженная в процентах, называется КПД атомной бомбы. Какой именно КПД реально достижим? Это зависит от конструкции атомной бомбы и составляет от 2 до 20%. Для того чтобы выжать из бомбы максимум возможной энергии, в ней применяется обжимающий взрыв химического вещества, направленный вовнутрь и называемый имплозией (в отличие от эксплозии, обычного взрыва наружу). Благодаря имплозии происходит мгновенное увеличение плотности заряда, и его критмасса уменьшается примерно вдвое.

Как только наша первая бомба взорвалась, И.В. Курчатов попросил М.Г. Мещерякова удалиться с ним в блиндаж. Мещеряков был единственным советским физиком, который присутствовал как наблюдатель при американском атомном испытании на атолле Бикини. Для Курчатова было важно узнать первое впечатление Мещерякова от нашего взрыва: похож ли он хотя бы внешне на полноценный американский или не очень? Неизвестно, о чем они говорили. Но известно, что ряд наших специалистов, которым не сообщили сверхсекретные результаты измерений, полагали, что взрыв оказался на порядок слабее предсказанного, что его мощность составила всего 2 кг тротилового эквивалента (так написал, например, свидетель испытания, начальник дозиметристов Я.П. Докучаев).

Профессор О.И. Лейпунский, заведующий лабораторией Института химической физики, которая разрабатывала аппаратуру и методы регистрации параметров взрыва, позже рассказывал, что уже час спустя после первого взрыва от него потребовали результаты измерений для срочной оценки мощности взрыва. Но сбор датчиков излучения из разных точек полигона занял несколько часов. Специальные команды в автомобилях носились по опытному полю в облаках радиоактивной пыли, собирая датчики. Несколько раз в лабораторию к Лейпунскому приходили помощники Берия, спрашивали, готово ли. Потом пришел сам Курчатов. Однако Лейпунский не стал суетиться. Он ответил, что передаст все запрашиваемые величины немедленно, но только после сбора всей зарегистрированной информации. Так и сделал. Никаких претензий к нему потом не было. Оказалось, что мощность взрыва была 22 кг т.э.

Коснемся чуть подробнее понятия имплозии. Секретность работ была столь строгая, что до 80-х годов даже большинство ядерщиков полагали, что в наших бомбах надкритическая масса достигается "пушечным способом" - выстреливанием двух подкритических масс в теле бомбы навстречу друг другу. Действительно, такая схема была осуществлена в американской бомбе "Малыш", уничтожившей Хиросиму. Она содержала заряд из урана-235. Однако больше пушечная схема почти никогда не применялась ни в США, ни в СССР.

Для создания надкритического заряда плутония пушечный способ вообще не годится, так как у плутония слишком высоко спонтанное испускание нейтронов, выше, чем у урана-235. Поэтому при пушечном сближении половинок заряда происходит слишком ранний самозапуск цепной реакции в плутонии: едва лишь реакция начинается, как конструкция разваливается от энерговыделения. Вот почему единственным способом получить полноценный атомный взрыв плутония является создание критической массы путем обжатия сферического заряда имплозионным взрывом.

В 1949 г. в СССР еще не было наработано достаточно урана-235 даже для одной бомбы. Но как ядерная взрывчатка плутоний-239 не хуже урана-235. К лету 1949 г. первая порция плутония около 10 кг у нас уже была наработана на комбинате N 817 (будущее ПО "Маяк" на Южном Урале). Наша первая атомная бомба РДС-1 была копией американской плутониевой бомбы, сброшенной на Нагасаки и называвшейся "Толстяк". Такое название связано с тем, что реализация схемы имплозии требовала увеличения диаметра бомбы.

Математическая задача создания сферической детонационной волны, сходящейся в фокус при имплозии, была теоретически решена впервые в СССР еще в 1944 г. Л.Д. Ландау и К.П. Станюковичем. Они выполнили эту работу как чисто теоретическую, вне рамок Атомного проекта, о котором тогда еще ничего не знали. И сделали это независимо от атомщиков США С. Ниддермейера и С. Улама, считающихся пионерами имплозионного взрыва.

Лев Давидович Ландау - великий советский физик, нобелевский лауреат, столетие со дня рождения которого исполняется в этом году, принял самое активное участие в Атомном проекте вместе со своей группой теоретиков из Института физических проблем (ИФП) Е.М. Лифшицем и И.М. Халатниковым. Эта группа занималась расчетом КПД сначала атомной, а затем и водородной бомб. Любопытно, что Ландау саркастически называл КПД бомбы "коэффициентом вредного действия". Он не хотел работать над атомной бомбой.

Однако И.В. Курчатов с самого начала организации атомных работ в СССР в секретной Лаборатории N 2 (будущий Институт атомной энергии) с 1943 г. ставил в категорической форме перед правительством вопрос о привлечении к этим работам Ландау, лучшего физика-теоретика в СССР. В ноябре 1945 г. Нильс Бор на встрече с советским физиком Я.П. Терлецким (подполковником разведки НКВД, которого Берия направил к Бору, чтобы получить от него максимальную информацию) сказал, что в СССР есть физики достаточно высокого уровня, для того чтобы рассчитать атомную бомбу, - это Ландау и Капица. Об этом тут же доложили Сталину.

Но здесь возник конфликт между председателем атомного Спецкомитета Берия и членом Спецкомитета Капицей, не желавшим работать под его руководством (об этом конфликте мы расскажем позже). Капица вышел из Спецкомитета, а в августе 1946 г. Сталин снял его с должности директора ИФП и назначил директором А.П. Александрова. С этого момента группа Ландау была включена в работу над созданием советской атомной бомбы.

Ядерный взрыв - это протекающие одновременно процессы деления плутония (или урана) нейтронами, распространения освобождающихся вторичных нейтронов, выделения энергии и ее переноса, газодинамического разлета чудовищно разогревшегося вещества. Совокупность указанных процессов описывается системой нелинейных интегродифференциальных уравнений в частных производных. Такие задачи ни физики, ни математики в 1947 - 1948 гг. решать не умели.

Ландау, Лифшиц и Халатников сумели упростить задачу, свести модель атомного взрыва к системе обыкновенных дифференциальных уравнений для средних по пространству величин (потоку нейтронов, давлению, температуре, плотности вещества), а также доказать математическую устойчивость полученного решения, т.е. его пригодность. Систему полученных уравнений в секретных отчетах называли "системой уравнений ЛЛХ". Группой Ландау при участии математиков - будущих академиков А.Н. Тихонова, А.А. Самарского, Л.В. Канторовича (нобелевского лауреата) был разработан метод численного решения системы ЛЛХ. Расчетный КПД оказался около 5%. Таким он и оказался при первом атомном взрыве.

Можно задать вопрос: а что если бы КПД бомбы не смогли рассчитать или рассчитали неправильно, было бы возможно изготовить атомную бомбу? Ответ непростой. Самую первую бомбу у нас сделали бы и взорвали, наверно, и без этого. Потому что она была точной копией первой американской бомбы, что авторитетно подтвердил в начале 90-х годов главный конструктор атомного оружия академик Ю.Б. Харитон. (О роли и заслугах советской разведки мы уже писали в N 7, 2007 г., нашего журнала.) Но дальше наши атомные пути с американцами разошлись.

Вторая атомная бомба у нас, испытанная в октябре 1951 г., была разработана по собственным расчетам. Она была почти вдвое мощнее и весила почти в два раза меньше первой бомбы. При усовершенствовании конструкции бомбы, изменении ее заряда - как веса, так и состава (во второй бомбе был использован комбинированный уран-плутониевый заряд) - необходимо было уметь рассчитывать изменение КПД. А еще важнее было знать, как это делать, при конструировании принципиально нового типа оружия - термоядерной бомбы. Тестированная формула Ландау для КПД использовалась разработчиками атомных, а затем и водородных бомб многие годы.
* В ядерной физике мгновенными называют нейтроны, испускаемые во время реакции деления ядер, в отличие от запаздывающих нейтронов, испускаемых продуктами деления через некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после этого.
 
     
     
 

Журнал "Мировая Энергетика""

Все права защищены. © Copyright 2003-2011. Свидетельство ПИ ФС77-34619 от 02.12.2008 г.

При использовании материалов ссылка на www.worldenergy.ru обязательна.

info@worldenergy.ru