В сороковых годах XX в. ученые ведущих стран разрабатывали первые образцы ядерного оружия. Создание работоспособного и боеспособного боеприпаса оказалось непростой задачей. Требовалось придумать и реализовать конструкцию, отвечающую нескольким сложным требованиям. Итогом этих поисков в дальнейшем стало сразу несколько разных схем ядерного боеприпаса и ряд их вариантов. Некоторые из них так и остались в истории, а другие подтвердили свою эффективность и применяются до сих пор.

Пушечная схема

Первым ядерным боеприпасом, использованным в реальном ударе, было американское изделие Little Boy («Малыш»). 6 августа 1945 г. его применили по японскому г. Хиросима. Это была авиационная бомба с боезарядом на основе 64 кг урана фактической мощностью 15-18 кт ТНТ. Для упрощения конструкции и ускорения производства заряд построили по т.н. пушечной или баллистической схеме.

Заряд пушечной схемы имел достаточно простую конструкцию. Он строился в удлиненном трубчатом корпусе – в этом качестве использовали артиллерийские стволы достаточного калибра. Внутри ствола-корпуса, у его торцов, помещались два блока урана-235 докритической массы. Один из них являлся подвижным и оснащался пороховым зарядом: при инициации боеприпаса этот блок буквально выстреливался во второй. Также мог предусматриваться источник нейтронов.

Принципиальная схема бомбы "Малыш" пушечной схемы. Красным отмечены блоки урана. Графика Wikimedia Commons

При соединении двух блоков урановый заряд приобретал сверхкритическую массу, что приводило к запуску цепной ядерной реакции. Отдельный источник нейтронов должен был повышать надежность срабатывания. Для развития реакции и повышения мощности взрыва требовалось удерживать уран вместе в течение первых миллисекунд – эта задача решалась за счет прочного ствола и давления пороховых газов.

Пушечная схема отличалась простотой, но имела существенные недостатки. В первую очередь, это низкий КПД. Из-за особенностей конструкции значительная часть основного заряда при взрыве распылялась в пространстве, не успев вступить в реакцию. Так, у «Малыша» в реакции использовалось лишь ок. 1% урана. Кроме того, существовал риск самопроизвольного подрыва боеготового изделия.

Впрочем, на ранних этапах развития ядерных сил пушечная схема нашла применение. В США освоили мелкосерийное производство изделий Little Boy и собрали 35 таких устройств. Кроме того, по этой схеме строились ранние артиллерийские снаряды с ядерным оснащением. С появлением новых и более совершенных конструкций пушечная схема ушла в историю.

Установка изделия Gadget на тестовой вышке, июль 1945 г. Фото Минэнерго США

Эффект обжатия

16 июля 1945 г. – за несколько недель до сброса «Малыша» – на американском полигоне Аламогордо состоялось первое в мире испытание ядерного боеприпаса. Опытный заряд с шифром Gadget выполнили на основе плутония-239 и построили по т.н. имплозивной схеме. Ввиду физических особенностей плутоний не позволял использовать пушечную схему с «выстрелом» одной части заряда в другой.

Имплозивная схема предлагала использование сферического плутониевого заряда-ядра докритической массы. Внутри него имелась полость с металлическим источником нейтронов для запуска ядерной реакции. Снаружи ядро покрывалось несколькими слоями «обычного» взрывчатого вещества. Получившаяся сфера оснащалась большим количеством отдельных взрывателей, равномерно распределенных по ее поверхности. Также требовался прибор управления для одновременного, с отклонением не более миллисекунд, срабатывания всех взрывателей.

Одновременный подрыв всего конвенционального заряда обжимал ядро, а также заставлял центральный элемент испускать нейтроны. Давление от взрыва также обеспечивало удержание делящегося вещества вместе в первые мгновения цепной реакции.

Макет имплозивного боезаряда, использованного в изделиях Gadget и Fat Man. Видны многочисленные провода управления взрывателями. Фото Wikimedia Commons

Имплозивная схема была сложнее пушечной, однако отличалась большей надежностью срабатывания и эффективностью. Именно по такой схеме была построена плутониевая бомба Fat Man («Толстяк»), сброшенная в августе 1945-го на г. Нагасаки. В дальнейшем в США разрабатывались и внедрялись новые образцы имплозивных зарядов разной мощности и в различном исполнении.

С имплозивной схемы началось развитие советского ядерного оружия. Получив доступ к информации об американских разработках, наши физики учли иностранный опыт. Они отказались от неудачной пушечной схемы и сразу приступили к разработке изделий имплозивной схемы. Ранние отечественные изделия, начиная с самого первого РДС-1, строились именно по такой схеме.

Прочие страны уже на стадии первых опытов с ядерным оружием использовали именно имплозивную схему. Им также удалось получить удачное сочетание характеристик, надежности и сложности производства.

Советская ядерная бомба РДС-4 имплозивной схемы, принятая на вооружение в 1954 г. Первый в мире тактический ядерный боеприпас. Фото Wikimedia Commons

Варианты развития

Имплозивная схема со сферическим обжатием имела явные преимущества перед пушечной схемой, но не была лишена недостатков. В первую очередь, оставался невысоким КПД – у ранних образцов в реакцию вступало не более 13-15 проц. делящегося вещества. Поэтому продолжились поиски новых идей и решений, и часть новых схем дошла до реализации на практике. В основном речь шла о повышении надежности и безопасности ядерных устройств.

В конце сороковых годов в США была предложена идея т.н. бустеризации ядерного заряда. Затем аналогичные идеи изучили в других странах. Такая схема в целом похожа на имплозивную, но в качестве источника нейтронов в ней использовалось небольшое количество термоядерного топлива – дейтерия, трития или их соединений. При обжатии это вещество дает нейтроны с повышенной энергией, которые более эффективно инициируют цепную реакцию в основном заряде. Это повышает КПД заряда, а вместе с ним и достижимую мощность. Кроме того, помещая источник нейтронов в заряд непосредственно перед применением, можно повысить безопасность эксплуатации.

В пятидесятых появилась схема, известная как Swan (англ. «Лебедь»). Такое название она получила из-за поперечного сечения боезаряда в сборе, напоминающего изогнутые шеи лебедей. Изделие такой схемы имеет сферический заряд докритической массы, а инициирующий заряд обычного взрывчатого вещества, отвечающий за обжатие, имеет сложную изогнутую форму. Основной заряд размещается со смещением к краю такой оболочки.

Руководитель КНДР Ким Чен Ын осматривает макет ядерного боезаряда. Судя по форме, это изделие имплозивного типа. Фото ЦТАК

Подрыв «обычного» заряда осуществляется при помощи одного взрывателя, что упрощает конструкцию и исключает необходимость синхронизации нескольких подобных устройств. При этом форма инициирующего заряда проводит и распределяет ударную волну так, что обжатие плутониевой сферы происходит оптимальным образом. Заряд такой схемы может оснащаться дополнительными предохранителями: при срабатывании они нарушают прохождение ударной волны и не позволяют стартовать цепной реакции.

Принципиально новые технологии

В сороковых-пятидесятых годах ученые ведущих стран разработали несколько основных схем ядерного заряда, а также ряд их версий с теми или иными доработками. На основе этих идей создавались реальные боеприпасы, в дальнейшем принимавшиеся на вооружение. Однако к середине пятидесятых процесс принципиального развития и обновления ядерного оружия на основе распада достиг максимально возможных на тот момент результатов и начал замедляться.

При этом начались полномасштабные работы по созданию нового поколения сверхмощного оружия – термоядерных зарядов на основе синтеза элементов. Со временем все усилия ученых и инженеров были брошены именно на термоядерное направление. «Обычные» ядерные заряды теперь рассматривались только как первая ступень термоядерной системы.

Боеприпас типа Swan в разрезе. Зеленым отмечено плутониевое ядро, красным - единственный взрыватель, отвечающий за срабатывание. Графика Wikimedia Commons

Несмотря на изменение общих целей, развитие «обычных» ядерных устройств продолжилось, хотя уже и без внедрения принципиально новых решений и идей. По известным данным, в основном использовались разные варианты имплозивной схемы, отвечающие требованиям конкретных проектов. Такой подход может сохраняться до сих пор – он полностью соответствует ставящимся задачам и позволяет создавать образцы с требуемыми характеристиками.

На прочном фундаменте

Ядерное оружие появилось и попало в арсеналы ведущих стран в середине прошлого века. Тогда же ученые и конструкторы искали и прорабатывали разные варианты конструкций такого вооружения, позволявшие увеличить все основные характеристики. Этот процесс увенчался успехом – уже в первые годы работ были найдены и реализованы все основные схемы и компоновки.

Идеи середины прошлого века в том или ином виде используются до сих пор. При этом развитие технологий и материалов, имевшее место в последние десятилетия, позволяет более полно использовать потенциал давно предложенных схем. В итоге достаточно старые наработки до сих пор помогают строить и совершенствовать ядерный щит и обеспечивать стратегическое сдерживание.

источник