Как нейтрализовать ядерную бомбу

[fonzeppelin]

В статье про ракеты GAR-1 "Falcon" я затронул вопрос нейтрализации ядерного оружия посредством нейтронного облучения. Поразмыслив, я пришел к выводу, что вопрос этот достаточно интересен для отдельного рассмотрения.

Итак, для начала напомним, как работает ядерная бомба. Вне зависимости от конкретной конструкции, основной принцип - это быстро собрать делящийся материал (обогащенный уран или плутоний) в массу выше критической. Такую, в которой нейтроны, высвобождающиеся от каждого деления атома урана/плутония, будут расщеплять более одного атома урана/плутония. Цепная реакция пойдет по нарастающей с непрерывным выделением тепла, пока не высвободится столько энергии, что делящийся материал превратится в газ, затем в плазму, и стремительно расширится, сметая и испаряя все вокруг.

Ключевое слово тут «быстро». Если скорость сборки недостаточна, то цепная реакция с выделением тепла пойдет еще до того, как сверхкритическая масса будет полностью собрана. И эта выделяющаяся энергия разрушит бомбу, разбросав ее делящийся материал, прежде, чем основная его часть успеет прореагировать. Вместо атомного взрыва выйдет этакий атомный пшик, мощностью в несколько десятков, от силы сотен тонн тротилового эквивалента. Такой результат называют «шипучкой» (англ. fizzle).

"Шипучка" в бомбе пушечной схемы сборки: слабый тепловой взрыв разбрасывает куски делящегося материала до того, как они успеют полностью прореагировать.

Вполне естественно, что заставить неприятельскую атомную бомбу выдать «шипучку», и вместо могучего взрыва развалиться невзрачным пшиком (пускай даже и весьма грязным, за счет разлета непрореагировавшего атомного топлива) — весьма заманчивая идея. Но замедлить скорость сборки мы - без прямого доступа к бомбе - не можем. Зато можем другое: инициировать в бомбе цепную реакцию заранее, чтобы имеющейся скорости сборки уже было недостаточно.

Чтобы искусственно индуцировать «шипучку» в неприятельской атомной бомбе, нам нужно облучить ее мощным потоком нейтронов. Откуда взять такой поток? Самый простой способ — взорвать рядом с неприятельской бомбой свою собственную, спроектированную с расчетом на максимальный выход радиации (т.н. «нейтронную бомбу»). Пронизывая делящийся материал неприятельской бомбы, наши нейтроны будут провоцировать в нем цепную реакцию заранее. Конечно, такая реакция будет не самоподдерживающейся — критической массы-то пока нет! — и постепенно затухнет. Но процесс ее затухания займет время. И если в это время неприятель попытается взорвать свою бомбу, то скорости сборки уже не хватит, чтобы обогнать цепную реакцию. Бомба выдаст «шипучку».

Именно идея искусственно индуцируемой «шипучки» была главным аргументом в пользу создания атомных зенитных ракет (наземные MIM-14 "Nike-Hercules", CIM-10 "Bomarc", корабельная RIM-8 "Talos") и атомных ракет «воздух-воздух» (неуправляемая AIR-2 "Genie", управляемая AIM-24 "Super Falcon") в конце 1950-ых. Американские генералы достаточно логично считали, что в случае новой мировой войны, советские атомные бомбы, скорее всего, будут переведены в режим «мертвой руки» — как собирались сделать сами американцы. В этом случае даже если сбить бомбардировщик, бомбы взорвутся при падении. Поскольку речь шла о мегатонных термоядерных зарядах, то полномасштабный взрыв даже в безлюдной местности был бы опасен: огромное облако радиоактивных осадков могло дотянуться до населенных районов.

Распространение радиоактивных осадков от 15-мегатонного взрыва "Кастл Браво" на атолле Бикини.

Искусственно индуцированная «шипучка» же позволяла нейтрализовать боевую нагрузку неприятельского бомбардировщика, гарантировав, что она не сработает — даже если самолет дотянет до цели и сбросит-таки свои бомбы. Разумеется, полностью избавиться от урона было невозможно: «шипучка» от мощного заряда все равно была бы достаточно опасным (и очень радиоактивным) взрывом. Но «отчищать несколько кварталов от радиоактивного заражения» все же казалось куда лучшей перспективой, чем «выкапывать миллионы трупов из руин мегаполиса»...

На таком же принципе основывались и ранние концепты противоракетной обороны — американская «Найк-Зеус» и «Найк-Х», советская А-35. Идея была аналогична: заставить входящие в атмосферу неприятельские боеголовки выдать «шипучку». Дополнительным преимуществом было то, что нейтронное облучение весьма опасно для микроэлектроники — близкий взрыв атомной противоракеты мог вывести из строя электронные компоненты взрывателя бомбы. 

Почему же сейчас подобные решения практически не применяются? Главной причиной стало развитие технологий ядерного оружия. Доминирующей схемой ядерных боеголовок, начиная с 1970-ых стала «бустеризированная ядерная» (англ. «boosted fission»). В такой боеголовке, внутри заряда делящегося материала, находится небольшое количество термоядерного топлива — дейтериево-тритиевой смеси. Когда бустеризированная сборка запускает цепную реакцию деления, выделяющееся тепло нагревает термоядерное топливо, и в нем начинается реакция синтеза. Слабенькая, но со значительным выделением нейтронов — которые вылетают прямо в делящийся материал, и в свою очередь многократно усиливают реакцию распада в нем. Таким образом, нейтронный поток от термоядерной реакции «дожигает» делящийся материал, многократно увеличивая эффективность бомбы.

Сверху-вниз: бомба "пушечной" схемы, бомба имплозионной схемы, бустеризированная бомба.

Почему же бустеризированные ядерные бомбы нечувствительны к «шипучке»? Все дело в том, что для начала реакции синтеза в них достаточно и некритической сборки. А когда пойдет синтез — то нейтронный поток от него сам «дожжет» атомное топливо. Американцы утверждают, что в их современных зарядах достаточно прореагировать всего 1% урана/плутония, чтобы давление и температура запустили реакцию синтеза, и бомба «дожгла» бы себя до полной мощности.

Именно поэтому современная противоракетная оборона более не надеется на нейтронные боеголовки как основное средство перехвата. Против бустеризированных бомб они малоэффективны — их эффект сводится к поражению электроники — а создаваемая ими засветка на радарах изрядно мешает дальнейшим перехватам. Внимание военных сместилось на кинетические методы перехвата, гарантирующие механическое разрушение неприятельской боеголовки.

Источники: US nuclear weapon archive)

Comments

[igoritkin.livejournal.com]

Критическая масса потому и критическая, что только при её возникновении возможна цепная реакция. Поток нейтронов, даже и мощный, ничего в этом не изменит. Для захвата нейтрона ядром тот должен быть достаточно медленным, иначе он просто пролетит мимо. Даже если он столкнётся с ядром, вероятность чего весьма мала, он просто отскочит, как показывает эксперимент Резерфорда.

[misha-makferson.livejournal.com]

Критическая масса понятие не абсолютное, а относительное. В зависимости от конструктивных особенностей она разная.

[75dc287ea30b451.livejournal.com]

Это вы про ядерные реакторы. Там много урана-238, и нейтроны надо замедлять, потому что быстрые нейтроны уран-238 захватывает лучше, чем делится ими — поэтому никакое его количество не может образовать критическую массу: цепная реакция в нем действительно невозможна. Бомбовый уран-235 может делиться любыми нейтронами, хоть быстрыми, хоть медленными — их там никто не замедляет. Какие вылетают при делении, такие и делят следующие ядра.

Впрочем, насчет затухания реакции от внешних нейтронов при отсутствии критической массы вы совершенно правы; но только скорость нейтронов тут ни при чем.

[igoritkin.livejournal.com]

Это чушь. Уран 235 есть уран 235, хоть в ревкторе, хоть в бомбе.

[75dc287ea30b451.livejournal.com]

Ну да. Вот только в реакторном уране 235-го лишь малая доля, а основная масса — 238, в отличие от оружейного урана, который состоит в основном из 235-го изотопа. Поэтому быстрый нейтрон от деления в чистом реакторном уране не доживет до захвата с делением, а просто поглотится ядром 238-го изотопа и никакого деления и цепной реакции не вызовет. Чтобы получить цепную реакцию в реакторном уране, эти нейтроны замедляют — например, графитом — и тогда они имеют шансы добраться непоглощенными до ядра урана-235 и поделить его, потому что уран-238 медленные нейтроны захватывает... ну, не то чтобы он их не захватывает, но с меньшим удовольствием, чем уран-235 ими делится, поскольку чем медленнее нейтрон, тем легче он вызывает деление урана-235. (В отличие от урана-238, кстати, который медленными нейтронами не делится вообще, от слова "совсем".)

В бомбе же никто никакие нейтроны не замедляет — какие вылетели при реакции деления, такие и делят уран-235. А поскольку он существенно охотнее делится быстрыми нейтронами, чем захватывает их, вторичные нейтроны, полученные от деления, большей частью вызовут опять же деление новых ядер урана-235, и цепная реакция будет лавинообразно нарастать.