Атомный проект. История сверхоружия

Однако критическая масса – это минимум, при котором возникает цепная ядерная реакция, а для боевой бомбы активного вещества потребуется значительно больше. Было ясно, что это количество превысит критическую массу, и его стали называть «сверхкритической массой». При соединении докритических элементов в сверхкритическую массу будет запущена разветвленная (дивергентная) цепная реакция, при которой свободных нейтронов будет производиться больше, чем поглощаться. При этом очень важно было рассчитать время. Вычисления показывали, что один килограмм урана-235 распадется за миллионную долю секунды, энергия взрыва составит 20 000 тонн в тротиловом эквиваленте, а вызванная взрывом начальная температура намного превысит солнечную. При такой температуре уран сразу же испарится, газообразное вещество быстро рассеется, из-за чего будет все сложнее поддерживать цепную реакцию. В определенный момент пар достигнет «вторичной критической точки»: количество нейтронов, высвобождаемых в результате распада, сравняется с количеством нейтронов, покидающих зону реакции, – детонация и взрывное высвобождение энергии завершатся. Получается, что, если компоненты соединятся слишком медленно и сверхкритическая масса взорвется преждевременно (и тут же разлетится в разные стороны), взрыв получится значительно слабее, чем планируется. Одно из решений этой проблемы заключалось в следующем. Цилиндрической пробкой из активного вещества (ее окрестили «затравкой») нужно выстрелить в сферу, имеющую докритическую массу. Таким образом, их суммарная масса превзойдет критическую. Следуя терминологии британских физиков из «Трубных сплавов», такой метод получения сверхкритической массы назвали «пушечным».

На ранних этапах конструирования бомбы пришлось столкнуться с еще одной неясностью. Куски активного вещества должны соединиться достаточно быстро, чтобы не произошло преждевременной детонации. Относительная скорость элементов при этом должна была составлять около 10 000 м/с или более. Максимальная начальная скорость снарядов в неядерных видах оружия составляла около 9600 м/с при весе снаряда 22,5 килограмма. Такими показателями обладала пушка, стоявшая на вооружении армии США, с калибром 120 миллиметров, длиной ствола 6,4 метра, весом 5 тонн. Если предположить, что «затравка» с ураном-235 должна быть в два раза тяжелее снаряда, соответственно, нужна и более тяжелая пушка. «Стрелять» бомбой, начиненной ураном-235, предстояло из пушки, которая весит 10 тонн!

Далее встал вопрос об инициирующем заряде для бомбы. Нельзя было с уверенностью утверждать, что простая сборка компонентов в единый кусок со сверхкритической массой приведет к цепной реакции. Для ее запуска в веществе должны появиться подходящие нейтроны, причем в подходящий момент. Роберт Сербер предлагал использовать в качестве инициирующего заряда небольшое количество бериллия и полония. Как мы помним, полоний радиоактивен, он излучает альфа-частицы, которые могут высвобождать нейтроны бериллия. Этот метод получения свободных нейтронов для бомбардировки ядер использовался задолго до создания первого циклотрона. Идея Сербера заключалась в том, чтобы изолировать полоний и бериллий друг от друга специальным экраном до того момента, пока не выстрелит «затравка». «Пушечный» выстрел должен смешать оба компонента инициирующего заряда, вызвав резкий выброс нейтронов как раз в момент достижения сверхкритической массы.

Несмотря на всю простоту «пушечного» метода, Роберт Сербер рассматривал и альтернативный, более замысловатый, способ сборки критической массы. «Допустим, – говорил Сербер, – мы расположим фрагменты по кольцу. <…> Если взрывчатое вещество распределится по кольцу, те фрагменты, в которых начнется реакция, станут слетаться к центру кольца, образуя сферу». Сербер сделал набросок, показав, как будут расположены клинья из активного вещества и отражатели нейтронов. Если эти клинья под действием инициирующего заряда слетятся к центру кольца, то вместе они создадут сверхкритическую массу.

Следующую лекцию читал специалист по баллистике, и на ней слово попросил Сет Неддермейер, молодой физик из Национального бюро стандартов США. Он предложил еще один способ собрать массу активного вещества в сверхкритическую за счет «имплозии». Его идея заключалась в том, чтобы сконструировать полую сферу из отдельных элементов активного вещества, а затем «схлопнуть» их к центру сферы силой взрыва обычных взрывчатых веществ (сферу нужно предварительно ими обложить). «Схлопывание» сферы внутрь себя позволит собрать сверхкритическую массу ядерного горючего исключительно быстро.