архив

Как сделать атомную бомбу?

© Андрей Белоконь
(v.1.2.1)

Сейчас много спекуляций на тему атомных бомб, которые могут понаделать для террористов бессовестные и жадные до денег учёные (встречали таких?).

750-страничный "Справочник по ядерной энерготехнологии", вышедший в США в 1984 году и переведённый на русский язык, утверждает следующее:

Чтобы изготовить ядерное устройство, прежде всего необходимо иметь определённое количество делящегося материала — обогащённого урана-235, плутония или урана-233. Многие аспекты производства ядерного оружия остаются секретными. Однако известно значительное количество технических деталей. Возможно, слишком много технической информации уже стало известно через научные публикации, обнародование ранее секретной документации, лёгкий доступ к ряду правительственных документов в публичных библиотеках или через запросы в правительственные учреждения.

Напомню, что это написано в 1984 году или даже раньше.

Далее следует сноска:

По конструированию ядерных взрывных устройств был выполнен ряд студенческих работ, основанных на информации, доступной в публичных библиотеках и правительственных информационных центрах. Среди них печально известна работа, написанная Аристотелем Филлипсом из Принстонского университета, которая произвела национальный фурор в 1976 г. Эксперты по ядерному оружию, которые рассматривали эту конструкцию, заявили, что устройство после правильной сборки будет работоспособным и достаточно эффективным.

С тех пор прошло больше четверти века, а "воз и ныне там". Если в начале 1940-х годов, когда ядерная гонка только зарождалась, едва ли два-три десятка специалистов на Земле представляли себе, в каком направлении следует работать, то сейчас по планете разгуливают тысячи специалистов, специально обученных конструировать ядерные взрывные устройства. За последние лет пятнадцать рассекречены и обнародованы документы, в деталях описывающие особенности конструкции и процесс изготовления первой британской атомной бомбы, а также подробности южноафриканской программы по созданию ядерного оружия. Однако, похоже, никому до сих пор не удалось изготовить и собрать хотя бы одно работоспособное устройство вне рамок известной ядерной программы. Лишь небольшому числу обладающих серьезным научно-техническим потенциалом стран, очевидно, не без активной помощи разведки и тайной помощи от стран ядерного клуба, удалось за полвека получить собственные ядерные арсеналы. Какие, казалось бы, тут могут быть проблемы? Нашел заброшеный подвал, загнал в него и заставил работать два десятка учёных и инженеров, а детали и оборудование закупил по всему миру. Учёные разберутся, инженеры соберут. Эта идея очень старая, вспомните Жюля Верна:

- Каждая часть корабля, господин Аронакс, получена мною из различных стран земного шара. Предназначение каждого заказа было вымышленным. Киль "Наутилуса" выкован у Крезо, гребной вал у "Пена и компании" в Лондоне, листовая обшивка корпуса у Лерда в Ливерпуле, винт у Скотта в Глазго, резервуары у "Кайля и компании" в Париже, машины у Круппа в Пруссии, таран в мастерских Мотала в Швеции, измерительные приборы у братьев Гарт в Нью-Йорке и так далее. Поставщики получали мои чертежи, подписанные всякий раз другим именем.

Но единственная в своем роде попытка примерно таким образом изготовить подводную лодку океанского класса колумбийской наркомафией была прервана полицией более чем через век после Жюля Верна. И почему-то фирмы, собирающие подлодки, можно пересчитать по пальцам, так же как и фирмы, строящие вертолёты и дирижабли, делающие професиональные фотокамеры, тяжёлые грузовики, жидкостные ракетные двигатели и многие другие давно известные и хорошо освоенные в производстве вещи, да и само производство подобных изделий (называемое высокотехнологичным) является характерным признаком развитых стран. Простые и давно известные принципы, лежащие в основе многих устройств и технологий, тем не менее оказываются недостаточными для их изготовления, так как предварительно требуется либо создание целых отраслей промышленности (а это дело достаточно долгое, дорогостоящее и, что важно в нашем случае, заметное для окружающих), либо закупка комплектующих, пригодных для сборки конечного изделия, у государства, имеющего такую промышленность. Представьте наконец, что Вы хотите собрать себе PC, но два или три важных компонента (процессор, модуль памяти и жесткий диск) купить невозможно. Или собрали PC, а хоть какую-нибудь операционную систему нигде не достанешь - хоть садись и сам пиши (вопрос только на чём). Очевидно, что так же обстоит дело и с ядерным оружием, но... в настоящее время никто не продаёт ключевые компоненты, необходимые для изготовления атомной бомбы.

Возможно поэтому основной проблемой ядерной безопасности считается защита ядерных материалов и/или готовых изделий от похищения. Некоторые независимые эксперты утверждают, что уже похищено достаточно урана и плутония, чтобы сделать несколько атомных бомб. Ядерные боеголовки достаточно компактны (см. рис. слева) и перевозятся не то чтобы с очень хорошей охраной (см. рис. справа). Американцы предполагают, что в России в 1990-х годах могли быть похищены несколько ядерных боеголовок (российский эксперты с этим категорически не согласны). Полностью готовое к употреблению ядерное взрывное устройство, изготовленное на высокотехнологичном заводе в СССР (России) или США, может иметь массу порядка 30 кг и помещаться в рюкзак или чемодан (даже "дипломат").

Все без исключения промышленно изготовленные атомные боеголовки имеют несколько степеней защиты от несанкционированного или случайного взрыва, так что террористам вряд ли вообще удастся использовать их по назначению. Ядерными державами ведётся строжайший учёт не только самих боеголовок, но и всех их составляющих, технологий и оборудования для их производства а также ведётся неусыпное наблюдение за лицами, имеющими доступ ко всему этому. Очевидно, что хищение боеголовки быстро обнаружат и на такой случай существуют эффективные планы нейтрализации похитителей, которые будут немедленно приведены в действие. С другой стороны, правительства многих стран, не принадлежащих к ядерному клубу, готовы заплатить астрономические суммы за любую реальную помощь в создании ядерного оружия, тем более, за боеголовку или её компоненты. Возможно, именно такие правительства и скупают всё похищенное, возможно, что никто из потенциальных террористов никогда не сможет устоять перед соблазном получить миллиарды долларов за безопасную сделку купли-продажи вместо сомнительного участия в боевике с ядерным шантажом.

В обозримом будущем основным фактором, увеличивающим риск распространение ядерного оружия, может стать распространение гражданской атомной энергетики. Сейчас АЭС и исследовательские реакторы имеются у ограниченного числа государств и их эксплуатация жёстко контролируется правительствами и международными организациями. Но контроль становится всё менее надёжным по мере строительства ядерных реакторов во все большем числе стран. Станет ли когда-нибудь ядерная энергетика такой же распространенной, как сейчас тепловая? Будет ли это означать, что любое государство или фирма, владеющие ядерным реактором, смогут (если зададутся такой целью) создать собственный ядерный арсенал? Ниже я попробую рассмотреть эти вопросы подробно.

Не надо быть Жюлем Верном, чтобы догадаться, что в обозримом будущем нас ждёт драматический дефицит ископаемого углеводородного топлива - нефти, природного газа и угля - основного топлива для двигателей и энергоустановок. Даже не важно, что послужит причиной раньше: третья мировая война, исчерпание запасов в рентабельных месторождениях или международные соглашения, принятые в связи с глобальным потеплением климата. Топливо всё равно придётся менять, или же использовать какие-то другие источники энергии.

Суммарная мощность земных электростанций составляет примерно 10^13 Вт. Почти вся она обеспечивается тепловыми электростанциями, сжигающими углеводороды. Достижения в области источников энергии, не сжигающих ископаемое топливо (вроде ветровых, приливных, геотермальных, солнечных и некоторых других) представляются мне скорее политической уступкой зелёным, нежели сколько-нибудь серьёзным решением энергетической проблемы. При всех достоинствах таких установок они эксплуатируют относительно слабые природные источники энергии, окупаются на очень немногочисленных локальных участках земли (или воды) и/или имеют очень низкий КПД и невысокую удельную мощность. Переход на другой вид углеводородного топлива (метановый гидрат, биогаз, биомассу, сжиженный природный газ и т.п.) не решает проблемы парникового эффекта, хотя, возможно, даёт выигрыш во времени. На первый взгляд весьма привлекательны криогенные топлива, такие, как жидкий водород. К сожалению, существующие сегодня технологии по промышленному производству водорода очень энергоёмки. Поэтому обратимся к реальности.

В ряде технологически развитых стран альтернативой традиционным тепловым электростанциям, сжигающим мазут, природный газ или угольную пыль, как раз и являются атомные электростанции, утилизирующие энергию распада изотопов тяжёлых элементов (урана-235, урана-233, плутония-239). Электроэнергия, вырабатываемая АЭС, в разы дешевле любой другой (см. диаграмму справа).стоимость (в центах) киловатчаса электроэнергии Аналитики обычно ссылаются на позитивный опыт Франции и Бельгии, в которых почти половина электроэнергии вырабатывается АЭС. И вообще в Европе ядерные реакторы обеспечивают весьма существенную долю производства электроэнергии. В других развитых странах эта доля немного меньше (за исключением Японии), в мире в среднем вообще невелика (по разным оценкам 5-7%, в развитых странах 16%). В настоящее время создать собственную ядерную энергетику, тем более, собственную атомную промышленность, могут позволить себе далеко не все государства, даже если этому будет содействовать МАГАТЭ (которая, как правило, не спешит это делать), так как США активно противодействуют попыткам многих стран получить энергетическую независимость, или просто потому, что многие страны бедны.

С потребительской точки зрения АЭС отличается от обычной тепловой станции только тем, что в котле сгорает уран, а не природный газ, мазут или угольная пыль. В природе существует много месторождений урана и добывать его (вопреки ужастикам об урановых рудниках) не сложнее, чем медь или никель. Добытая порода поступает на перерабатывающий завод, где из нее делают концентрат U3O8. Концентрат затем перерабатывают в газообразный гексафторид урана (UF6) и обогащают, увеличивая долю изотопа 235. Почти весь уран обогащается методом газовой диффузии (скорость проникновения через пористую перегородку газов с различной молекулярной массой разная, более легкие молекулы проходят через перегородку быстрее - метод известен с 1913 г.), значительно меньшая часть обогащается с помощью газовых центрифуг. Существуют другие методы, но они малоэффективны или находятся в стадии разработки.

Природный уран в среднем на 99,283% состоит из изотопа 238 и на 0,711% из изотопа 235 (остальное - изотоп 234). Для использования в качестве топлива на АЭС долю 235U нужно увеличить примерно вчетверо (до 3%). Заводы, производящие обогащенный уран, представляют собой циклопические очень энергоёмкие сооружения. Для того, чтобы снабдить один энергоблок АЭС ядерным топливом на год, нужно прогнать через диффузоры примерно 100 млн.т гексафторида урана (имеется в виду, конечно, что гораздо меньшее количество газа прогоняется через диффузоры многократно).
Обогащённый уран в виде двуокиси (UO2) поступает на завод по изготовлению тепловыделяющих элементов (твэлов). Твэлы представляю собой тонкие (порядка сантиметра) длинные (порядка нескольких метров) трубки из циркония (иногда из нержавейки), внутри которых помещены спеченные таблетки или гранулы из UO2. Трубки собирают в пучки (в США это 17x17) - топливные сборки. Типичный промышленный реактор содержит 2-3 сотни таких сборок. Свежее топливо в твэлах может состоять, например, из 3,3% 235U и 96,7% 238U (в виде двуокиси).

235U является единственным встречающимся в природе делящемся элементом. Следует упомянуть более распространенный в природе торий, который после облучения быстрыми нейтронами превращается в 233U, обладающий примерно теми же свойствами, что и 235U. 232Th уже используется как сырье для воспроизводства ядерного топлива, и его использование считается перспективным.

Что происходит с ураном в реакторе? Попавший в ядро 235U нейтрон поглощается, отчего ядро становится нестабильным и делится на две неравные части (обычно с атомными массами от 65 до 157). При делении выделяется 2 или 3 нейтрона, которые не поглощаются сразу же продуктами деления, а разлетаются в разные стороны (так называемые свободные нейтроны) и провоцируют деление других ядер 235U. Это называется цепная ядерная реакция. Масса продуктов деления несколько меньше, чем масса исходного ядра урана; потеря массы сопровождается выделением тепловой энергии (3,2x10-11 Дж на одно ядро). В ядерном реакторе 1 г делящегося урана дает примерно 1 МВт тепловой энергии.

Реакция управляется регулирующими стержнями, содержащими хорошо захватывающие нейтроны материалы (индий, гафний, гадолиний, бор). Для того, чтобы остановить реакцию, нужно поглотить свободные нейтроны, для чего достаточно ввести регулирующие стержни в активную зону реактора.
Если я правильно понял (всё-таки я не физик и даже не инженер) возникающие при распаде нейтроны, обладающие большой энергией (быстрые нейтроны) не вызывают деления 235U, зато поглощаются ядрами 238U, в результате получается (после промежуточных реакций) 239Pu. Для того, чтобы получить управляемое деление 235U, нейтроны нужно замедлить до определенных значений энергии. Поэтому в подавляющем большинстве промышленных реакторов используется замедлитель нейтронов. Это вода (чаще всего), тяжелая вода (в которой вместо обычного водорода с одним протоном в ядре присутствует тяжелый изотоп водорода - дейтерий), графит или бериллий. Замедленные нейтроны называют тепловыми. Бывают реакторы без замедлителя - реакторы на быстрых нейтронах, в них вместе с 235U делится 238Pu (в настоящее время промышленные реакторы на быстрых нейтронах имеет только Россия). Топливные таблетки в таких реакторах содержат в несколько раз большую концентрацию делящихся изотопов. В любом случае активную зону окружают отражателем, чтобы значительно ослабить поток нейтронов, идущих из нее наружу.

Для отвода тепла в большинстве реакторов АЭС используют ту же воду, которая выполняет функцию замедлителя нейтронов. В реакторах с графитовым замедлителем в качестве теплоносителя используются, например, углекислый газ. Теплоносителями могут быть также жидкий натрий (в некоторых реакторах на подводных лодках) и некоторые другие вещества.

Выгоревшее в урановых реакторах топливо значительно разнообразнее по изотопному и элементному составу, чем исходное. В нем по-прежнему преобладает 238U, количество же 235U близко к необогащенному природному урану. Помимо этого, отработанное топливо может содержит около 0,5% 236U, около 1% 239Pu (обратите на это внимание) и примерно 3,5% других продуктов деления (преимущественно с атомными массами около 95 и 140). Выгоревшее топливо токсично и радиоактивно. Его несколько лет хранят в водяных или сухих бассейнах (ждут, когда короткоживущие продукты деления распадутся), а затем перерабатывают. В результате переработки получается новое топливо (в том числе плутоний), полезные материалы, включая применяемые в различных устройствах изотопы, а также радиоактивные отходы, которые нужно где-то складировать или, в свою очередь, перерабатывать. Количество отработанного топлива в мире измеряется сотнями тысяч тонн и интенсивно возрастает.мировое производство плутония в тоннах Количество содержащегося в нём плутония возрастает пропорционально (рис. слева) и выделить его можно с помощью относительно несложного химического оборудования, что и было сделано, например, в Индии и Северной Корее. Таким образом, отработавшие топливные сборки с обычных мирных атомных электростанций являются потенциальным сырьём для производства плутониевых бомб. Периодически возникающие международные скандалы, в которых правительство США обвиняет ту или иную страну в использовании мирной атомной энергетической программы в качестве прикрытия для создания ядерного арсенала, вовсе не лишены почвы (другое дело, что такой нажим приводит только в форсированию работ по созданию этими странами ядерного оружия). Политические скандалы подобного рода тормозят строительство АЭС в неядерных странах, но, похоже, в единичных случаях.

Развитие гражданской атомной энергетики тормозится в первую очередь сформированным масс медиа негативным к ней отношением. Действительно, в случае серьёзной аварии ядерного реактора может последовать выброс в окружающую среду радиоактивных материалов. Нескольких получивших широкую огласку аварий (особенно на Чернобыльской АЭС в 1986 г.) оказалось достаточно, чтобы атомные электростанции приобрели славу экологических бомб замедленного действия. Атомные электростанции конструктивно очень хорошо защищены, но не выдерживают испытания "законом Мерфи". Например, для взрыва 4 энергоблока ЧАЭС персоналу потребовалось грубейшим образом нарушить регламент и совершить как минимум 7 ошибок, в числе которых были отключение аварийной зашиты, отключение всех контуров охлаждения, вывод из активной зоны реактора почти всех регулирующих стержней, и т.п. Расследовавшая аварию комиссия сделала вывод, что "авария произошла в результате крайне низкого уровня культуры персонала". Хотя собственно ядерный взрыв на АЭС невозможен в принципе (из-за низкой концентрации и специфического расположения топлива), тепловой или химический взрыв или горение активной зоны реактора с выбросом радиоактивных материалов в окружающую среду по своим последствиям оказываются катастрофическими. Впрочем, некоторые данные указывают на то, что негативные последствия аварии на ЧАЭС гипертрофированы средствами массовой информации.

Энергетическая проблема не сводится к электростанциям. Основным потребителем углеводородного топлива являются вовсе не они, а двигатели внутреннего сгорания (ДВС), приводящие в движение различные транспортные средства. ДВС выбрасывают в атмосферу основную часть двуокиси углерода и других парниковых газов, а вместе с ними и крайне токсичные вещества, вызывающие загрязнение окружающей среды не менее опасное и заметно более действенное, чем радиоактивные отходы и аварийные выбросы атомных электростанций.

Каковы альтернативы энергетики для транспорта? Что такое перевод транспортных средств на электричество (метро, электрички, троллейбусы, складские погрузчики), на газ (легковые и малотоннажные грузовые машины) мы уже имеем удовольствие наблюдать. В некоторых странах (в Бразилии, кажется) бензин частично заменили этиловым спиртом, во всем мире предпринимаются усилия по снижению токсичности выхлопов и расхода бензина у автомобильных и других ДВС, но всё это не в состоянии компенсировать экспоненциально растущего глобального загрязнения.

Несколько десятков лет назад думали, что ДВС можно с успехом заменить ядерными реакторами. Ядерные реакторы давно и весьма широко применяются в качестве источников энергии на кораблях и подводных лодках, а также на спутниках. Концентрация легко делящегося топлива в таких реакторах близка к тем значениям, которые используются в ядерных взрывных устройствах. В США и СССР велись разработки по установке ядерных реакторов на самолётах (в частности, на бомбардировщиках - в 1961г. летал Ту-95 с работающим ядерным реактором на борту) и пилотируемых космических кораблях (например, для пилотируемой экспедиции к Марсу). В этих же двух странах разработаны и прошли испытания ядерные ракетные двигатели. На прототипах были достигнуты экстремальные для ядерных реакторов значения удельной мощности и температуры рабочего тела. Русский газоохлаждаемый реактор размером с небольшой бочонок имел приблизительно такие параметры: мощность 200 МВт, температуру газа 3200К, время непрерывной работы 10 минут и при этом излучал 2х10^15 нейтронов на кв.см. в секунду. Экспериментальный РД-0410 имел тягу 3,6 тс при массе около 2 т. Масса силовой установки, использующей ядерные реакции деления, может быть всего порядка сотни килограммов (и даже меньше) а мощность при этом многократно превышать мощность ДВС такой же массы. Вряд ли кто-то решится ставить ядерные реакторы на самолёты или автомобили. В космосе же требуются большая мощность и продолжительность работы двигателя при минимальном весе топлива, поэтому для космических транспортных систем будущего ядерная энергия может оказаться самой перспективной.

На протяжении почти всего 20 века (особенно последней его четверти) были многочисленные проекты по замене ДВС электромоторами, а топлива - аккумуляторами. На первый взгляд проблема просто переносится с больной головы на здоровую, т.е. с ДВС на те же электростанции. ДВС сжигает топливо сам и эффективность этого процесса определяется КПД этого двигателя. В случае с электродвигателем, который сам по себе имеет сравнительно высокий КПД, мы получаем цепочку: электростанция - линия электропередачи - зарядное устройство - аккумулятор - электромотор. Здесь пропущены многие звенья вроде генераторов и трансформаторов, но мысль, надеюсь, ясна: КПД такой системы будет сравнительно низким. А это значит, что для того, чтобы электромобиль проехал сотню километров, придётся сжечь гораздо больше топлива, чем высосет из своего бака едущий рядом собрат с бензиновым мотором. Но картина, разумеется, меняется, если электростанции будут работать на ядерном топливе. Автомобили, работающие на аккумуляторах, которые можно заряжать (или менять на заряженные) от электричества, полученного на атомных электростанциях, могут оказаться эффективным решением топливного кризиса. Аккумуляторы быстро совершенствуются. Электромобили в условиях мегаполиса могут составить конкуренцию автомобилям с ДВС. На многих предприятиях, таких, как склады и заводы, электропогрузчики ("кары") давно уже заменили бензиновых собратьев.

Кислородно-водородные топливные элементы, о которых сейчас много говорят как об альтернативе ДВС, используют в качестве топлива водород (кислород берётся из воздуха). Батарея таких элементов, способная выдать определенную мощность, обходится на два порядка дороже, чем аналогичный ДВС. Это означает, что потребуется истратить пропорционально больше энергии на её создание плюс много энергии на производство топлива (и на закачку его в баллон высокого давления). Короче говоря, топливные элементы - альтернатива сомнительная.

Вернемся к электростанциям. В стадии разработки находятся энергетические установки, утилизирующие энергию ядерного синтеза (термоядерную). Термоядерные электростанции могут использовать в качестве первичного топлива тяжёлую воду (точнее, дейтерий, которого в природе очень много), лёгкий изотоп гелия (гелий-3, которого на Земле в ископаемом виде вовсе нет), тритий (водород с двумя нейтронами, также отсутствующий в ископаемом виде), а также литий-6, а в качестве шлака вырабатывать, например, нерадиоактивный гелий-4. Наиболее перспективная реакция (D + T = 4He + n) даёт на выходе большой поток нейтронов (что с успехом используется в нейтронной бомбе) и поэтому термоядерный реактор будет содержать гораздо больше вторичных радиоактивных материалов с наведённой радиацией (отражатель, теплоноситель), чем урановый. Будучи взорван, к примеру, крылатой ракетой, такой реактор вызовет большее заражение среды радиоактивными материалами, чем реактор на делящихся материалах.

Запасы дейтерия и лития в пересчёте на энергию просто не сравнимы с запасами углеводородов. Можно сказать, что человечеству при любых сценариях развития цивилизации хватит этого топлива навсегда (другое дело - тритий и гелий-3). Дейтерий и тритий, видимо, и будут основным топливом в термоядерных электростанциях первого поколения, в первую очередь потому, что их реакцию проще инициировать. Как я понимаю, проблема промышленного производства трития и гелия-3 ещё не решена. Некоторые специалисты полагают, что экономически выгодно организовать добычу гелия-3 на Луне, где в поверхностном слое пыли (реголите) его содердится порядка миллиона тонн. Конечно, сейчас это будет не так уж дорого (если помните, пара человек ходила по Луне ещё около 35 лет назад). При производстве термоядерного оружия гелий-3 получают облучением некоторых веществ нейтронами. Период полураспада у этого изотопа короткий (12,5 лет), поэтому производить таким образом 3He лучше всего прямо на термоядерной электростанции. Тритий получают выпариванием жидкого водорода и он также очень дорог.

Исследования и разработки в области термоядерных энергоустановок ведутся примерно с 1952 года, когда после испытаний в США водородной бомбы в некоторых странах началось целевое финансирование соответствующих программ вне рамок военного бюджета. Уже в 1954 г. в институте Курчатова в Москве была построена первая исследовательская установка ТОКАМАК (ТОроидальная КАмера с МАгнитной Катушкой). Тогда полагали, что государство, которое захватит инициативу в этой области, получит колоссальные экономические и политические дивиденды, станет (или останется) сверхдержавой. Сейчас, спустя полвека, несколько стран подошли к созданию первого прототипа реактора управляемого ядерного синтеза. Относительно независимо работают США (в основном Ливермор, Сандия и Лос-Аламос) и Франция (лаборатория в Тулузе). Россия из-за своего богатства гениями и хронического разворовывания денег является в основном интеллектуальным участником крупного (и имеющего немного шансов дойти до финиша) международного проекта ITER (International Termonuclear Experimental Reactor, по-латыни iter - шаг), в который входят также Канада, Европейское Сообщество и Япония (раньше входили и США), а также почему-то Казахстан.

В термоядерных реакторах придётся обеспечить экстремальные условия очень высоких температур и давлений, чтобы добиться поджига реакции синтеза. Плазму в состоянии высокой температуры и плотности (например, 200 млн. градусов и 200 грамм в кубическом сантиметре) нужно удерживать некоторое время, чтобы достаточное количество ядер дейтерия, трития и/или гелия-3 сблизилось и слиплось. Сейчас это пытаются делать двумя совершенно различными способами: магнитным удержанием и инерциальным удержанием. Классической установкой для магнитного удержания можно считать упомянутый ТОКАМАК (не первую курчатовскую установку, а принцип её конструкции), проектом создания прототипа электростанции - упомянутый ITER. Классикой инерциального удержания являются установки лазерного термояда, а прототип электростанции строится в Ливерморе, штат Калифорния. Впрочем, есть проекты утилизации энергии от полновесных ядерных и термоядерных взрывов, но их реализация - дело крайнего случая.

В ТОКАМАКе (по схеме напоминающем обыкновенный трансформатор) плазменное облако из тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) и лития удерживается в кольцеобразной вакуумной камере магнитным полем. Плазма хорошо проводит электрический ток, за счёт чего её удаётся и удерживать, и разогревать. Чем выше температура плазмы, тем сильнее ток, тем сильнее создаваемое им поле и интенсивнее нагрев. В промышленной установке плазму с параметрами, необходимыми для реакции, придётся удерживать довольно долго (в идеале непрерывно). Основная проблема здесь - неустойчивость плазменного шнура. Если будет построен прототип промышленной установки в рамках ITER, он ещё не будет утилизировать выделяемую при реакции энергию.

Я остановлюсь подробнее на схеме лазерного инерциального термояда, так как она позволяет понять некоторые принципы, лежащие в основе конструкции ядерного и термоядерного оружия. В опытных установках, имеющихся у США, Франции, Японии и России, небольшая (несколько миллиметров) сильно охлаждённая сферическая мишень, содержащая те же изотопы водорода и/или гелий-3, облучается коротким и чрезвычайно мощным (до нескольких мегаджоулей) лазерным импульсом. В простейшем случае (прямое сжатие) облучается поверхность мишени, изготовленной из пластика, бериллия (с примесью меди), или золота, внутри которой находятся упомянутые изотопы в виде льда и газа. Облучённый лазерами поверхностный слой мишени взрывается, создавая реактивный импульс, направленный в том числе и к центру мишени. Вещество мишени одновременно сжимается и разогревается, в результате чего возникают условия для термоядерной реакции. Обычная инерция заставляет вещество двигаться к центру даже после того, как первоначальный импульс перестал действовать - отсюда название "инерциальное удержание". Перспективно использование так называемого непрямого сжатия,непрямое сжатие когда сферическая мишень заключается в металлический цилиндр (hohlraum), имеющий на порядок большие размеры и довольно сложную конструкцию (см. рисунок). Лазерные лучи в этой схеме облучают внутренние (!) стенки цилиндра через прозрачные окошки в его торцах, в результате чего металл интенсивно излучает (в числе прочего) мягкие рентгеновские лучи, облучающие сферическую мишень более равномерно, чем если бы на неё непосредственно светили лазерные лучи. Разумеется, вся эта сложная (и надо думать недешёвая) конструкция превращается в плазму и приходит на ум поговорка "топить ассигнациями" (топить хольраумами...). На первый взгляд такую изящную вещь и вправду жалко, но экономисты и другие информированные оптимисты подразумевают, что при массовом производстве цена изделия бесконечно приближается к оптовой цене сырья, из которого оно производится. Так что здесь беспокоиться нечего.

Инерциальное удержание позволяет достичь гораздо больших плотностей, чем магнитное (к настоящему времени в Ливерморе достигнута плотность для дейтерия порядка 100 г/см^3), при сравнимых температурах. Только время удержания топлива в необходимых для реакции кондициях очень мало (наносекунды). Энергия выделяется в виде коротких импульсов маленьких термоядерных взрывов (теоретически эквивалентных десяткам килограммов тротила каждый). Реально мишени пока не удаётся поджигать при помощи лазеров, пока их сжигали только при подземных ядерных испытаниях (в 1986 г. в США); при лазерном термояде пока сгорает лишь незначительная часть топлива. Совершенствование технологии несомненно преодолеет эту проблему, однако перед создателями термоядерных электростанций, как я понимаю, стоит проблема посложнее: низкий КПД лазеров. Большая часть энергии, утилизированной после микровзрыва, будет уходить на накачку лазеров на следующий импульс. Строящийся в Ливерморе прототип реактора в лучшем случае выйдет на замкнутый энергетический цикл. Так или иначе, термояд станет конкурентоспособной отраслью энергетики очень нескоро (видимо, не раньше конца 21 - начала 22 века).

Гораздо раньше термояд может найти применение в ракетных двигателях. С конца 1960-х годов ведутся проработки таких двигателей для летательных аппаратов - как космических, так и атмосферных. Гигантские самолёты с термоядерной силовой установкой, весь полезный жизненный цикл проводящие на большой высоте, являются предметом смелых проектов (рис. слева - проект академика Валентина Белоконя).

По-моему, в наше время уже не стоит вопрос, рационально или нет его изучать и осваивать космос. Это просто стало двумя почти независимыми направлениями. Научные сообщества выбивают деньги и запускают исследовательские аппараты - просто ради научного любопытства - о выгоде их спрашивают не более, чем когда дают гранты на изучение горных горилл. Корпорации, многие из которых заметно богаче нашего правительства, а также некоторые правительства, которые побогаче большинства корпораций, прицениваются к космосу как к сырьевому источнику и объекту туризма. Многочисленные и довольно влиятельные сообщества энтузиастов ждут, когда техника дозреет, чтобы начать колонизацию космоса - просто из романтических соображений. Всем им нужны транспортные системы, способные быстро и эффективно доставлять за пределы земного тяготения большой тоннаж. Лет через... скажем, триста, когда нефть уж точно закончится, основной грузопоток переместится за пределы Земли. Но и сейчас десятки миллиардов долларов будут вложены, если только появится реальная программа создания межпланетного транспорта для колонизации Солнечной системы. Термояд имеет все шансы стать принципом работы двигателя, а капсулы-хольраумы - топливными элементами (тем более, что капсулы можно производить на Луне).

Из сказанного можно сделать вывод, что человечеству просто некуда деваться, кроме как строить всё больше атомных, а в отдалённой перспективе и термоядерных энергетических установок и электростанций. Вместе с реакторами, возводимыми в странах, не входящих в ядерный клуб, строятся также другие элементы атомной промышленности - без этого невозможна полноценная и эффективная работа. Всего через несколько десятилетий получить доступ к ядерному реактору и/или ядерному топливу (в том числе отработанному) станет гораздо проще, а число стран, владеющих собственной атомной промышленностью, значительно вырастет. Нас ожидает рост и распространение ядерной энергетики по всему миру.

Перейдём непосредственно к технологии ядерного оружия.

Я надеюсь теперь читателю понятно, что выделить 235U из природной руды сложно и дорого: нужно строить несколько огромных заводов, ключевое оборудование для которых так же трудно приобрести, как и компоненты для готовой атомной бомбы. Торий обогащать не нужно, а добывать можно как вторичный или побочный материал при добыче других полезных ископаемых. Но для того, чтобы сделать из тория ядерную взрывчатку, его необходимо облучить нейтронами в специально сконструированном реакторе, чтобы он превратился в 233U. Реально этот изотоп урана используют в тактических боеголовках, а также для запальных устройств термоядерных бомб. В то же время самые распространенные и считающиеся безопасными легководные урановые реакторы на тепловых нейтронах позволяют при относительно небольших затратах получить плутоний-239 из слабообогащенного урана в количествах, достаточных для создания небольшого ядерного арсенала. Реакторы на быстрых нейтронах в будущем могут получить широкое распространение, а они используют значительно более концентрированное ядерное топливо, с минимальными затратами пригодное для использования в бомбе. Я (как дилетант) не вижу причин, по которым нельзя превратить реактор на тепловых нейтронах в реактор на быстрых, просто изменив режим его работы. И хотя наиболее важные технологические разработки, относящиеся к различным аспектам атомной промышленности и энергетики, находятся под пристальным вниманием международных организаций (и, конечно, контрразведок стран ядерного клуба), наличие у государства или организации любого работающего ядерного реактора резко повышает шансы ее программы по созданию ядерного оружия.

Оружейный плутоний менее требователен к концентрации делящегося материала, имеет в несколько раз меньшую критическую массу и выделить его из отработанного топлива гораздо проще, чем выделить из руды или радиоактивных отходов 235U. Типичный реактор, эксплуатируемый на АЭС, производит сотни кг плутония ежегодно. Необходимое для бомбы количество плутония содержат всего две отработанные топливные сборки (таковыми они становятся примерно через год после загрузки в реактор). Проблема в том, что получаемый из реактора плутоний представляет из себя смесь чрезвычайно трудно разделяемых изотопов с атомными номерами с 238 по 241, часть из которых нестабильна и со временем распадается, выделяя излучение (в том числе тепло) и продукты распада (в том числе газы) которые портят изделие и делают его непригодным для использования. Отливки из чистого плутония растрескиваются. После непродолжительного хранения на воздухе металлический плутоний становится хрупким и токсичным, он легко возгорается, что затрудняет его механическую обработку. Для уменьшения этих эффектов плутоний легируют (например, галлием), а изделия из него покрывают слоем нетоксичного металла. Вообще считается, что конструктивно бомба из плутония сложнее, чем из урана, и требует гораздо большей точности при изготовлении.

Уран и плутоний, применяемые в современных атомных зарядах, имеют высокую чистоту - больше чем 90% по легко делящимся изотопам. Дело в том, что с уменьшением концентрации увеличивается критическая масса, а значит и потребное для взрыва количество материала (особенно такая зависимость выражена для 235U). Кроме того, с уменьшением концентрации становится конструктивно сложнее удержать делящийся материал необходимое время в пределах небольшого объема, чтобы ядерная реакция успела пройти до того, как высвобождаемая энергия разнесет все устройство в разные стороны (похоже на инерциальный термояд, но только на первый взгляд: силами инерции при этих масштабах придется пренебречь). С другой стороны, высокая концентрация вовсе не обязательна, если не требуется высокой эффективности работы устройства.

На практике в атомных бомбах используют отражатель нейтронов (например, из бериллия или урана-238), что позволяет уменьшить критическую массу в несколько раз и добиться взрыва (мгновенной критичности) при относительно небольшой концентрации делящегося материала. Например, для достижения критической массы без отражателя нужно 50 кг металлического урана-235 (реально применяют двуокись, которой нужно еще в полтора раза больше), если же использовать отражатель из Be, критическая масса снижается до 15 кг (это, конечно, приблизительные цифры, так как многое зависит от конструкции бомбы). Примерно так же будет обстоять дело с оружейным плутонием и 233U. Как правило, внутрь устройства помещают ещё источник нейтронов (например, полоний) для того, чтобы надёжно спровоцировать цепную ядерную реакцию.

Вот текст технического задания на изготовление первой советской атомной бомбы (рассекреченный, конечно):

 

Сов.секретно

(Особая папка)

Товарищу Ванникову Б.Л. /- это заместитель Лаврентия Берия/

Тактико-техническое задание на атомную бомбу

1. Атомная бомба разрабатывается в двух вариантах.

В варианте I рабочим веществом является плутоний

В варианте II - уран 235.

2. В варианте I переход через критическое состояние осуществляется посредством взрыва специально сконструированного заряда, составленного из блоков обычного взрывчатого вещества, образующих полую сферу с плутонием внутри.

3. В варианте II переход осуществляется посредством сближения двух тел из урана выстрелом из специальной пушки.

/пункты 4 и 5 не рассекречены, очевидно, в них давались дополнительные разъяснения о двух вариантах перехода через критическое состояние/

6. Бомба должна быть приспособлена для срабатывания над поверхностью земли и должна быть снабжена автоматическим высотным регулятором, работающим с точностью до 20%.

7. В случае отказа аппаратуры, обеспечивающей срабатывание высотного взрывателя, конструкция должна самоликвидироваться при соприкосновении с грунтом.

8. Аппаратура автоматики и самоликвидации должна быть дублирована.

9. Конструкция должна быть безусловно не в состоянии сработать до начала её свободного падения и должна приводиться в рабочее состояние через 20 секунд после начала падения.

Ю.Харитон

П. Зернов

 

Для атомной бомбы две упомянутые в задании схемы считаются классическими. Тем не менее, вопреки распространённому в популярной литературе мнению, для достижения критических параметров чаще всего не соединяют вместе две или более докритические массы, а сжимают химическим взрывом полую сферу из легко делящихся изотопов, достигая определённой плотности ядерной взрывчатки. В бомбе, разработанной в 70-е годы прошлого века специалистами ЮАР, предполагалось сжимать сплошной шар из пористого металлического урана, в поры которого были закачены дейтерий и тритий. Чем сильнее сжатие, тем больше плотность и тем меньше требуется делящегося материала для ядерного взрыва.

Для создания эффекта имплозии - "взрыва внутрь" - устройство либо окружают ещё одним толстостенным шаром, или же блоками, из специальной химической взрывчатки (содержащей в основном гексоген). Каждый блок по конструкции похож на кумулятивный заряд, применяемый в гранатомётах, только в результате взрыва формируется не узкая струя а, наоборот, широкая, направленная к центру шара. Каждый блок имеет высокоточный быстрый электродетонатор (критрон). Взрыв химического ВВ должен обеспечить равномерную ударную волну, направленную к центру, и это является одной из основных трудностей при конструировании бомбы. На рисунке красным цветом показана полая сфера из делящегося материала, зелёным - отражатель, синий квадратик обозначает источник нейтронов. В реальных устройствах используется ещё несколько слоёв, позволяющих сформировать имплозивную ударную волну и препятствующих преждевременному разлёту делящихся материалов. После детонации блоков химической взрывчатки (на рисунке слева они коричнево-жёлтые) расположенный под ней слой отражателя устремляется к центру и толкает перед собой ядерную взрывчатку. В результате в несколько раз возрастает её плотность и толщина стенок шара и достигается мгновенная критичность (чему помогает расположенный в центре источник нейтронов). Первое реально взорванное ядерное устройство было сделано именно по такой схеме (см. рис. над заголовком).

Пушечная схема конструктивно значительно проще и она была реализована в первой боевой атомной (урановой) бомбе, сброшенной на Хиросиму. Суть её в том, что в полом канале (в хиросимской бомбе это был кусок пушечного ствола), компактный снаряд из обогащённого легко делящимся изотопом урана разгоняется до скорости порядка 2 км/с и соединяется с другим куском такого же урана. Суммарная масса легко делящихся изотопов значительно превосходит критическую массу. Реакция начинается уже при сближении кусков, поэтому нужно успеть их соединить до того, когда выделившееся тепло разрушит конструкцию. Даже при указанной скорости соединения ядерная реакция проходит очень неэффективно. В Хиросимской бомбе использовалось 64 кг урана, содержавшего порядка 90% изотопа 235U, из которых успело среагировать менее 1%. По некоторым данным, плутоний вообще нельзя использовать в пушечной схеме, или же его нужно разгонять в канале до значительно больших скоростей. Это связано с тем, что плутоний-239 гораздо легче достигает критичности и начинает делиться, когда части находятся относительно далеко друг от друга, в результате чего устройство разрушается до того, как возникнут условия для ядерного взрыва. Пушечная схема применяется там, где из-за ограниченных габаритов нельзя применить имплозивную, например, в снарядах и миномётных минах оперативно-тактического ядерного оружия.

Теория имплозии была разработана ещё в начале 1940-х годов немецкими инженерами Готфридом Гудерлеем и Куртом Дибнером в Германии и независимо Клаусом Фуксом в США. Не смотря на такую древность, многие её аспекты, особенно касающиеся неустойчивости процесса, до сих пор остаются одним из ключевых атомных секретов. Как и в смежной области - аэродинамике - процесс создания эффективной схемы имплозии требует проведения большого количества натурных испытаний.

Кратко подведём итоги. Для "простой" бомбы, сделанной по пушечной схеме, требуется большое количество высокоочищенного урана-235. Для имплозивной бомбы можно использовать не очень чистый уран-235 (теоретически это может быть всего 20% и даже 14%), но взрыв тогда потребует высокой степени сжатия, добиться которой чрезвычайно сложно. Несколько лучше выглядит плутоний (также требующий имплозии), но для его получения требуется ядерный реактор (или хотя бы отработанные топливные сборки).

Что касается термоядерной бомбы, которая примерно на порядок мощнее урановой или плутониевой, то в ней энергия ядерного взрыва используется для инициации реакции ядерного синтеза. В качестве термоядерной взрывчатки используются те же дейтерий, тритий, гелий-3 и литий-6. Здесь вы можете видеть копию схемы устройства водородной бомбы, опубликованной летом 1999г. в "Дейли Телеграф". Она известна как схема Теллера-Улама и похожа на схему инерциального термояда с хольраумом.

Энергия взрыва имплозивной атомной бомбы усиливается детонацией расположенного в центральной области термоядерного заряда (в виде газа из дейтерия и трития). Вместе они, в свою очередь, детонируют основной термоядерный заряд из дейтрида лития, заключённый в толстостенный цилиндр или эллипсоид из металлического урана (238U) или вольфрама. Цилиндр с дейтридом лития имеет массивную крышку, отделяющую его от атомного заряда, а внутри его расположен полый стержень из легко делящегося изотопа урана или плутония. Из расположенного в верхней части источника в центр первой ступени (атомной бомбы) вводится поток нейтронов. Пространство вокруг цилиндра с дейтридом лития заполняется полимером. В первые наносекунды после детонации атомной бомбы возникшее излучение превращает всю эту конструкцию в многократно ионизированную плазму. Прежде, чем она успевает разлететься в разные стороны, происходит несколько последовательных процессов, занимающих в общей сложности порядка сотни наносекунд. Атомы полимера (водород и углерод) переизлучают энергию взрыва в мягкий рентген (как хольраум в лазерном термояде) и это излучение вызывает абляцию (унос вещества) поверхности цилиндра. Массивная крышка защищает дейтрид лития от излучения, идущего непосредственно от атомного взрыва. За счёт абляции (уноса вещества) массивного корпуса цилиндра (эллипсоида) возникает реактивная сила, сжимающая термоядерный заряд, уменьшая его объём в десятки раз. Проходящие через дейтрид лития нейтроны замедляются (литий работает как замедлитель) и, доходя до центрального стержня, провоцируют его взрыв, который ещё больше сжимает термоядерную взрывчатку. Плотность дейтрида лития возрастает тысячекратно и в нём начинается реакция термоядерного синтеза. Взрыв такой бомбы способен полностью разрушить город с населением в несколько миллионов человек.

Приведённые выше описания бомб покажутся специалистам весьма условными и даже наивными. В промышленно изготовленных ядерных боеголовках реализованы близкие по смыслу, но, очевидно, иные конструктивные решения, полученные в результате многих лет очень дорогостоящих исследований и испытаний. Другими словами, не смотря на кажущуюся простоту принципов, изготовить относительно эффективное ядерное устройство можно лишь в результате масштабной опытно-конструкторской программы, которая будет длиться несколько лет и обойдётся в астрономическую сумму. Объём технической документации на готовое изделие можно измерять кубометрами и даже если допустить, что наиболее важную её часть удастся выкрасть (как это произошло с Манхэттенским проектом 1940-х годах), какой-нибудь экстремально богатой организации вроде наркокартеля или популярной религиозной секты не собрать под своим крылом несколько сотен специалистов и кучу специфического оборудования и материалов так, чтобы это вскоре не стало известно соответствующим компетентным органам.

Но есть всё же одна область, стремительное развитие которой может оказаться ключом к созданию "гаражного" варианта атомной бомбы. Эта область, как нетрудно догадаться, компьютеры. Точнее, компьютерное моделирование. Сегодня ядерные взрывы удаётся моделировать только с помощью суперкомпьютеров, имеющихся в мире лишь у нескольких лабораторий, и это моделирование лишь частично в состоянии заменить натурные ядерные испытания. Через какое-то время (IMHO 20... 30 лет) какой-нибудь настольный PC с пиратской программой может оказаться в состоянии рассчитать относительно простую схему имплозии. Как только такая возможность возникнет теоретически, очевидно, найдётся хакер, который из любопытства или бравады выставит эту схему в интернете на всеобщее обозрение. Скорее всего, это будет целое интернет-сообщество, соревнующееся, чья схема проще и дешевле. И возможно, чья-то схема окажется гораздо проще в исполнении, чем те, которые применяются в современных конструкциях. Возможно также, что достаточно будет небольшого количества отработанного ядерного топлива, портативной химической лаборатории и обычной металлообрабатывающей мастерской, чтобы изготовить рассчитанную компьютером бомбу. Будущее покажет, если мы с вами до него доживём.

Тем, кто пишет рефераты по затронутой здесь теме или тем, кто ещё не удовлетворил своё любопытство, я с удовольствием рекомендую два русских сайта:

http://www.laes.sbor.ru/ (подробно описывается конструкция и работа Ленинградской АЭС)

http://nuclear-weapons.nm.ru/ (история создания, принципы действия ядерного оружия по материалам американских сайтов)

и один американский:

http://www.fas.org/ (сайт по истории вооружений, создан участниками Манхэттенского проекта)

Конструкции первых (американских) атомных бомб неплохо описаны в журнале "Популярная Механика" за ноябрь 2003г. (№11) /если будут заявки, я выложу копию этой статьи/.

На главную страницу
Hosted by uCoz