История ракетно-ядерной гонки США и СССР

Термин «имплозия» применяется для взрывных процессов со сжатием внутренней зоны в начальный момент взрыва. В отличие от «эксплозии», – взрыва с расширением фронта из центральной точки инициируемого заряда. При «имплозии» происходит детонация взрыва по поверхности, на которой находятся инициирующие заряды для подрыва, – при этом волна взрыва распространяется от этой поверхности и внутрь заряда с его сжатием, и вне заряда с его расширением. В результате сжатия внутреннего заряда ядро из плутония сжимается до плотности, примерно в 2 раза большей, чем в начальном состоянии (15,6 г/см3), и это сжатие вызывает уменьшение критической массы заряда в 4 раза. В результате заряд становится «надкритическим» и взрывается от возникшей в нём цепной реакции деления. Реакцию убыстряет и усиливает ядерный инициатор – мощный источник нейтронов («Урчин»), который тоже срабатывает при сильном сжатии заряда.

В центре красного заряда Плутония-239 на рисунке «Толстяка» виден источник нейтронов – инициатор. А снаружи – плотная оболочка из отражателя нейтронов, сжимаемая снаружи зарядами из обычной взрывчатки, снабжёнными синхронными электродетонаторами по всей наружной поверхности сферы в центрах сферических шестиугольников. Система подрыва резервирована и содержит несколько ступеней безопасности, которые надо «снять» на носителе перед сбросом бомбы.

Для эффективного начала цепной реакции внутри заряда (на рисунке – красного цвета) из двух полушарий Плутония-239 помещали инициатор «Урчин» (Urchin – «Ёжик») – источник нейтронов. Источники нейтронов обычно изготавливали из бериллия и изотопов тяжёлых металлов, самораспадающихся с «альфа-распадом», – полония-210, плутония, кюрия, калифорния, актиния. Альфа-частица (быстро летящий ион атома гелия) при соединении с бериллием Ве превращалась в ядро углерода С с выходом нейтрона n (нижний индекс – атомный номер, а верхний – атомный вес – в формуле они сбалансированы):

₂⁴α(Не) +₄⁹Ве →₆¹²С +₀¹n

В бомбе «Толстяк» инициатор состоял из полого бериллиевого шарика диаметром 2 см и толщиной 0,6 см, на внутренней поверхности которого имелось 15 клиновых выемок (щелей глубиной 2,09 мм). Плоскости всех выемок параллельны одна другой. Поверхность выемок покрыта слоем золота толщиной 0,1 мм и слоем радиоактивного полония-210 (11 мг). Внутри этого шара помещен сплошной бериллиевый шарик (0,8 см), поверхность которого также покрыта слоем золота и полония (см http://pratom.ru/bomba/atom_littleboy-fatman3.htm https://biography.wikireading.ru/4216). В обычном состоянии поток альфа-частиц, испускаемый полонием, поглощался слоем золота и не испускал сильного потока нейтронов (который мог вызвать раннюю инициацию до сжатия заряда). Но при общем сжатии заряда слои золота разрушались, и инициатор «вспыхивал» потоком нейтронов в 95 миллионов частиц в секунду, вызывавшим цепную реакцию деления. Нейтроны имеют хорошую проникающую способность (много большую, чем альфа-частицы) и большую скорость – они легко покидают источник и вызывают реакции деления урана или плутония. Уран и Плутоний сами распадались спонтанно (самопроизвольно) с образованием нейтронов, но наличие мощного дополнительного источника – инициатора нейтронов и внешнего отражателя нейтронов позволяло резко ускорить цепной процесс ядерного распада в самый начальный момент.