Физика и бомба: советский атомный проект

Советский атомный проект – яркий пример решения сложнейшей научно-технической задачи в очень короткие сроки

Фото с сайта fian-inform.ru

Чаще всего решение обычных технических задач состоит в поиске наиболее эффективной комбинации уже известных элементов. Создание термоядерной бомбы опиралось на исследование совершенно дотоле неизведанных процессов.

Одним из непосредственных участников проекта был сотрудник ФИАН член-корреспондент РАН Владимир Иванович Ритус – в журнале «Успехи физических наук» вышел его обзор тех задач, в решении которых ему пришлось участвовать. Предлагаем вам некоторые выдержки из этого обзора.

В 1948 г. в Физическом институте АН СССР была создана возглавляемая И.Е. Таммом группа теоретиков, которой специальным постановлением правительства было поручено включиться в исследование термоядерной детонации дейтерий-тритиевой плазмы. В группу И.Е. Тамма вошли А.Д. Сахаров, В.Л. Гинзбург, С.З. Беленький и Ю.А. Романов. В.И. Ритус появился в этой группе в мае 1951 г. после окончания физфака МГУ и неожиданного «откомандирования» из аспирантуры. В.И. Ритус пишет, что это был весьма крутой поворот в судьбе.

Создание водородной бомбы предполагает, прежде всего, использование ядерной энергии тяжёлого изотопа водорода — дейтерия. При разогреве дейтерия взрывом атомной бомбы до очень высокой температуры порядка 10 кэВ (1 эВ = 1,16 × 10⁴ градусов Кельвина, умноженным на постоянную Больцмана k = 1.38 × 10^-16 эрг·град-¹) между ядрами дейтерия - дейтонами - происходят термоядерные реакции

d + d → p + t + 4МэВ (1)
d + d→ n + Не³+ 3,3 МэВ (2)

с выделением энергии (4 МэВ и 3,3 МэВ) в виде кинетической энергии продуктов реакции. В результате, энергия, выделяемая при сгорании 1 кг дейтерия, оказывается равной энергии, выделяемой при сгорании 1,3 кг плутония или U²³⁵. Образующиеся в этих реакциях ядра трития — тритоны t и ядра гелия Не³ вступают в термоядерные реакции

t + d → n + Не⁴ +17,6 МэВ (3)
Не3 +d → р + Не⁴ +18,34 МэВ (4)

идущие с заметно бóльшим энерговыделением. Это объясняется очень сильной связью нуклонов (2р+2n) в ядре Не⁴ — основного изотопа гелия. Учёт вторичных реакций приводит к тому, что общее энерговыделение при сгорании 1кг дейтерия увеличивается в 4 раза.

Теоретически реакции (3), (4) очень интересны тем, что эффективное сечение первой из них при энергии сталкивающихся частиц порядка 100 кэВ обладает резонансным поведением, обязанным возбуждению уровня составного ядра Не⁵ с энергией, превышающей массу n+Не⁴ на 17,7 МэВ, а сечение второй реакции аналогично ведет себя при энергии сталкивающихся частиц порядка 260 кэВ благодаря возбуждению уровня составного ядра Li⁵ с энергией, превышающей массу р + Не⁴ на 18,6 МэВ. Благодаря большой ширине резонансных уровней ядер Не⁵ и Li⁵ сечения реакций (3), (4) существенно увеличиваются и в области малых энергий (~ 10 кэВ) сталкивающихся частиц. В результате сечение dt-реакции превосходит сечение dd-реакции более чем в 100 раз. Сечение Не³d-реакции увеличивается слабее из-за более сильного кулоновского отталкивания дейтона от двукратно заряженного Не³.

Для существенного увеличения скорости термоядерной реакции А.Д. Сахаров предложил окружить слой дейтерия в описанной выше конструкции оболочкой из обычного природного урана, который должен был замедлить разлет и, главное, существенно повысить концентрацию дейтерия. Мощность термоядерного процесса в дейтерии можно было бы значительно повысить, если с самого начала часть дейтерия заменить тритием. Но тритий очень дорог, а вдобавок ещё и радиоактивен. Поэтому В.Л. Гинзбург предложил использовать вместо него Li⁶, который под действием нейтронов генерирует тритий. Действительно, термоядерный заряд с дейтеридом лития-6 (Li⁶D) привёл к радикальному увеличению мощности термоядерного процесса и выделению энергии из урановой оболочки за счёт деления, в несколько раз превосходящему термоядерное энерговыделение.

Таковы «первая» и «вторая» физические идеи (по терминологии А.Д. Сахарова), заложенные в первый вариант советского термоядерного оружия.

Основным занятием В.И. Ритуса и его коллеги Ю.А. Романова, было детальное исследование «второй идеи» — идеи использования Li⁶D. Они задались вопросом, как повысится энерговыделение, если некоторое количество дейтерия заменить тритием, поскольку сечение dt-реакции в 100 раз больше сечения dd-реакции. Или что произойдёт, если естественный Li, содержащий 7,3% Li⁶, не будет полностью очищен от основного, седьмого изотопа, так что концентрация Li⁶D станет сравнима с концентрацией Li⁷D. Они занимались соответствующими расчетами энерговыделения.

Владимир Ивановичвспоминает о своем участии в совещании на эту тему:
«Примерно в конце 1951г. в кабинете у Ю.Б. Харитона произошло совещание с участием И.В. Курчатова, посвящённое проблеме Li⁶D. Среди приглашённых начальников лабораторий и отделов КБ-11 мы с Юрой оказались самыми молодыми людьми. Именно здесь я впервые увидел И.В. Курчатова, который приехал со своей свитой. Тут же потихоньку стало распространяться его прозвище Борода. Правда, его борода не произвела на меня должного впечатления – она была очень жиденькой. Однако в памяти остались его красивое, интеллигентное лицо, высокий рост и отсутствие интонаций большого начальника.

Конечно, на это совещание нас послал Андрей Дмитриевич, поскольку мы с Романовым вплотную занимались проблемой Li⁶D, однако все наши результаты А.Д. сам докладывал. Зал был полон, все сидели, образуя полукруг, но пространство в центре и за креслами оставалось свободным. Курчатов один ходил по этому свободному пространству. Сначала ему докладывал Харитон, потом Сахаров. И, в частности, произошла такая сцена. Курчатов остановился за моим стулом и, облокотившись на его спинку, стал тоже о чем-то говорить. Его борода стала касаться моей тогда ещё имевшейся шевелюры. Мне казалось, что все смотрят на меня, и я не знал, куда деваться.»

В начале 1953г. в КБ-11 началась подготовка к испытанию РДС-6с. На весьма представительном совещания физиков-теоретиков и экспериментаторов А.Д. Сахаров рассказал об основных задачах, которые предстояло решить при проведении испытания.

Прежде всего нужно было установить величину энергии взрыва, надёжность и ход термоядерной реакции. Для этой цели предполагалось измерить:
– время от момента инициирования до начала реакции в изделии;
– потоки γ-лучей и 14-МэВ-ных нейтронов, запись которых позволяет судить о ходе реакции в изделии за стомиллионные доли секунды;
– давление и скорость ударной волны;
- поток γ-квантов от радиоактивного облака.

Владимиру Ивановичу было поручено связать полное энерговыделение с полным потоком 14-МэВ-ных нейтронов, регистрируемых фторными детекторами, использующими реакцию F¹⁹ + n → 2n + F¹⁸ с порогом 11 МэВ. Несколько детекторов на разных расстояниях от центра взрыва должны были регистрировать β+-радиоактивность фтора-18 с полупериодом распада 112 минут.

Измерения 12 августа 1953г. показали, что при взрыве вышло наружу 6,3×10²⁴ нейтронов, образующихся с энергией выше 11 МэВ. Это число оказалось в хорошем согласии с ожидавшимся полным числом быстрых нейтронов, образующихся в термоядерной реакции многослойного заряда мощностью 300 – 400 килотонн тротила.

Энерговыделение «слойки», испытанной 12 августа 1953 г., оказалось столь большим — 400 килотонн — за счет большего, чем в расчёте, реального сечения dt-реакции и использования трития не только в первом, как в расчете, но и во втором легком слое. Это был блестящий успех группы Тамма. И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров стали Героями соцтруда, получили очень большие Сталинские премии, дачи и машины.