С середины сороковых годов на вооружение ведущих стран поступало ядерное и термоядерное оружие – системы особой мощности, использующие реакции распада или синтеза атомного ядра. За прошедшие десятилетия ученые и инженеры предложили целый ряд разновидностей такого вооружения с теми или иными принципами действия, особенностями конструкции и возможностями. Некоторые из таких предложений успешно прошли через стадию исследований и практических испытаний, подтвердили свой потенциал и поступили на вооружение.
Энергия распада
Первым было предложено, теоретически обосновано, изготовлено и испытано ядерное или атомное оружие. Именно к этому классу относились американские изделия Gadget, Little Boy и Fat Man, советское РДС-1 и т.д. В течение некоторого времени оно составляло основу ядерных арсеналов – вплоть до появления термоядерных систем, имеющих ряд важных отличий.
Подобное оружие использует принцип лавинообразной цепной реакции распада атомного ядра с выделением большого количества энергии. В качестве заряда единственной ступени в подобных изделиях применяются блоки из урана-235 или плутония-239 с высокой степенью обогащения. Проводились исследования иных изотопов, но они не получили практического продолжения. Заряды могут иметь разную конфигурацию и использоваться в устройствах разных схем.
Цепная реакция запускается путем перевода делящегося вещества в критическое состояние – за счет соединения нескольких блоков или обжатия единого заряда. После этого начинается распад ядер на более легкие элементы с выходом различных частиц, в т.ч. нейтронов, которые «разбивают» следующие ядра, что приводит к продолжению реакции.
Испытание Ivy Mike - первый термоядерный взрыв США, 1952 г. Фото Минобороны США
«Обычное» атомное оружие отличается ограниченной эффективностью: в реакцию вступают лишь десятки процентов урана / плутония. Кроме того, существует вероятность т.н. шипучки (fizzle) – реакции недостаточного количества вещества с получением недостаточной мощности. Впрочем, и в оптимальных условиях ядерный заряд с одной ступенью имеет ограниченный потенциал и позволяет получить мощность не более сотен килотонн в тротиловом эквиваленте.
Эффективность ядерного заряда может быть повышена за счет т.н. усиления или бустинга. Заряд с усилением отличается наличием небольшого количества дейтериево-литиевой смеси. Под воздействием основного заряда в такой смеси начинается реакция термоядерного синтеза. При этом выделяется дополнительное количество нейтронов, воздействующих на делящееся вещество. Бустинг позволяет максимально увеличить выход энергии при минимальном усложнении конструкции устройства.
Реакция синтеза
В 1952 и 1953 гг. США и СССР провели первые испытания своих термоядерных зарядов. Такое оружие использовало новую схему, которая позволяла увеличивать его мощность до десятков мегатонн. По очевидным причинам, термоядерные боезаряды достаточно быстро прошли стадию испытаний и поступили на вооружение. В дальнейшем термоядерное оружие вышло на лидирующие позиции и почти полностью вытеснило изделия предыдущего поколения.
Макет бомбы АН602. Фото Wikimedia Commons
Термоядерный боеприпас заметно отличается от атомного. Он является двухступенчатым и работает по двухфазному принципу. Первая ступень представляет собой «обычный» атомный заряд, а вторая включает дейтерий и дейтерид лития-6, используемые в качестве т.н. термоядерного топлива. Также в конструкции изделия присутствуют дополнительные устройства и компоненты разного назначения.
Под воздействием ядерной реакции первой ступени во второй начинатся термоядерный синтез. Происходит образование гелия с выделением нейтронов и большого количества энергии. В зависимости от количества т.н. термоядерного топлива и других параметров, мощность двух реакций может достигать 20-25 Мт.
Применение более сложных конструкций позволяет дополнительно увеличить мощность взрыва. Так, в 1961 г. была испытана советская термоядерная свободнопадающая бомба АН602 с расчетной мощностью 50 Мт и фактической 58 Мт. При этом исходный проект позволял получить выход энергии, превышающий 100 Мт.
В изделии АН602 была реализована трехступенчатая схема устройства. Первые две ступени представляли собой термоядерные устройства двухфазного типа мощностью по 750 кт. Они должны были запускать реакцию в третьей ступени, включающей термоядерное топливо и заряд урана. Одновременные реакции распада и синтеза позволяли максимально полно использовать имеющиеся материалы и получить максимальную мощность. При этом опытная бомба по соображениям безопасности не получила урановые элементы.
Боевые блоки W78 для американских ракет. Фото Минобороны США
Впрочем, АН602 так и осталась экспериментальным изделием. Пошли в серию и поступили на вооружение боезаряды меньшей мощности. Ценой разумного ограничения мощности удалось получить необходимую эффективность при приемлемых габаритах и массе.
Повышенный выход нейтронов
Разновидностью термоядерного оружия является нейтронное. Эта концепция предусматривает создание особого заряда, выдающего мощный поток быстрых нейтронов. Эти частицы отличаются высокой проникающей способностью, за счет чего обеспечивается эффективное поражение живой силы и иных целей, в т.ч. за различными преградами. Кроме того, нейтронный заряд создает в окружающих объектах наведенную радиоактивность.
Нейтронный заряд представляет собой вариант двухфазного устройства с особым зарядом второй ступени, дающим повышенный выход нейтронов. Кроме того, заряду требуется оболочка, не задерживающая такие частицы. Правильно разработанное устройство выделяет до 75-80 проц. энергии именно в виде нейтронов. При этом быстрые частицы полностью компенсируют потери в других поражающих факторах.
Тем не менее, нейтронное оружие сталкивается с некоторыми ограничениями. Так, при воздушном подрыве поток нейтронов рассеивается и поглощается атмосферой. Это сокращает дальность поражения живой силы до 1-1,5 км, вне зависимости от наличия защиты. Как следствие, нейтронный заряд не имеет существенных преимуществ перед оружием других классов.
Головная часть МБР с современными блоками W87. Фото министерства энергетики США
При этом нейтронные боевые части нашли применение в проектах противоракетной и противокосмической обороны. На больших высотах, в разреженной атмосфере или за ее пределами, нейтроны не сталкиваются с помехами и могут лететь на большие расстояния – поражая живую силу и аппаратуру либо вызывая подрыв ядерных зарядов.
Теоретическая угроза
Еще в начале пятидесятых годов американские физики предложили идею кобальтовой бомбы. Эта концепция предусматривала создание особой модификации термоядерного заряда, способной создавать устойчивое радиационное загрязнение местности. Всего несколько таких изделий большой мощности, вне зависимости от их расположения, за короткое время могли бы уничтожить все живое на планете. Вследствие этого кобальтовую бомбу также назвали «Машиной Судного дня» (Doomsday Device).
Такая «Машина» по своей конструкции повторяет двухступенчатый термоядерный заряд, но во второй ступени добавляется кобальт-59. При взрыве этот изотоп получает нейтрон и превращается в радиоактивный кобальт-60 с периодом полураспада 5,2 года; также происходит образование ряда других опасных элементов.
Особая опасность кобальтовой бомбы могла бы сделать ее эффективным средством сдерживания. Попытка атаковать ее хозяина могла вылиться в полномасштабную радиационную катастрофу. Однако эти идеи не получили поддержки, и Doomsday Device так и остался исключительно теоретической разработкой. Кроме того, такое оружие прочно вошло в массовую культуру.
Запуск ракеты Р-36М. На борту ракеты может быть от 10 боезарядов по 10 Мт до одного на 20 Мт. Фото Минобороны РФ
В девяностых годах тоже в США была предложена т.н. гафниевая бомба. Утверждалось, что изомер гафния-178м2 под внешним воздействием может начать распад с выделением гамма-излучения. По расчетам, такая реакция позволяла получить энергии в 100 тыс. раз больше, чем эквивалентное количество взрывчатого вещества, хотя и в 100 раз меньше ядерного распада.
В 1998 г. группа ученых сообщила, что им удалось спровоцировать распад гафния-178м2, однако выход энергии оказался минимальным. Предполагалось, что дальнейшие исследования помогут найти оптимальные режимы и запустить распад. Тем не менее, никому не удалось повторить даже исходный опыт, не говоря уже о каким-либо прогрессе. По всей видимости, имела место некая ошибка или сознательная мистификация.
Ядерный прогресс
С момента своего появления ядерное вооружение прошло большой путь. Предлагались и реализовывались разные схемы с теми или иными особенностями и преимуществами. На их основе разрабатывались реальные боеприпасы тактического и стратегического назначении, а также средства их доставки. Создавались и внедрялись разнообразные тактики и стратегии использования и применения.
Следует отметить, что до практической реализации дошли далеко не все идеи и решения. Некоторые предложения были отвергнуты после теоретического анализа или по результатам дальнейшей проработки. В итоге до производства и эксплуатации дошли только самые удачные и эффективные конструкции. И на протяжении нескольких последних десятилетий они обеспечивают безопасность государств-создателей.