Шелест гранаты

…Предположим, у нас есть всего один детонатор, но кроме него – взрывчатка, по консистенции напоминающая пластилин, причем скорость ее детонации очень стабильна. Попробуем сначала одновременно «развести» детонацию только в две точки. Сначала просверлим в нужных местах два отверстия. Далее, взяв циркуль и, поочередно помещая его ногу в отверстия, произвольным, но одинаковым радиусом сделаем две засечки. Процарапаем или отфрезеруем (но на небольшую, меньшую, чем толщина разводки глубину) две прямые канавки, ведущие от отверстий к точке пересечения засечек. Плотно забьем и канавки и отверстия взрывчатым «пластилином», а в точке пересечения канавок установим наш единственный детонатор. Когда он сработает, детонация пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, а поскольку скорость ее высокостабильна – в один и тот же момент времени достигнет отверстий. В отверстия также забит взрывчатый «пластилин», в отличие от канавок, находящийся в контакте с основным зарядом, поэтому его детонация «заведет» и основной заряд – одновременно и в двух требуемых точках.

Для инициирования в трех точках задача усложнится. Вспоминаем планиметрию (правда, у нас поверхность не плоская, а сферическая, но – пойдем на такое упрощение): через три точки можно провести окружность одного-единственного радиуса (в центр ее и поместим детонатор), делать засечки произвольным радиусом уже нельзя. Для четырех точек – следующая ступень усложнения: одну из них (ближайшую к детонатору) придется соединять с детонатором не прямой, а ломаной канавкой, чтобы обеспечить равное с остальными тремя время пробега детонации.

А если точек – несколько десятков, да еще они должны равномерно покрывать всю сферическую поверхность заряда? Такая задача для сферической поверхности решается с применением методов геометрии Римана. Элемент разводки выглядит как на рис. 2.8, и не на всяком станке, даже – с числовым программным управлением, его можно изготовить, зато применение разводки позволило существенно уменьшить диаметры зарядов, по сравнению с первыми образцами, в которых для тех же целей использовались детонационные линзы. Кроме того, для заряда с разводкой необходимы всего несколько электродетонаторов в специальных, плоских розетках (рис. 2.9), в то время как для каждого «линзового» заряда их требуются десятки (рис. 2.10).

Рис. 2.8

Слева – элемент детонационной разводки. Справа – детонационная линза, состоящая из взрывчатых веществ с разной скоростью детонации (у внешнего слоя она выше). Форма зарядов подобрана так, что если инициировать этот конус на вершине, то к его основанию придет детонационная волна сферической формы

Рис. 2.9

Детали боевого блока: носовая часть и розетки электродетонаторов

Рис. 2.10

Макет, предназначенный для демонстрации экскурсантам принципа имплозии, оснащен несколькими десятками «детонаторов». Натурный заряд такого типа требует значительно большего энергообеспечения системы инициирования и менее надежен по сравнению с устройством, в котором используется многоточечная детонационная разводка

…Как-то автору потребовалось сформировать сходящуюся к оси цилиндрическую волну. Конечно, восемь использованных им электродетонаторов не были «товарами народного потребления» из тех, что используют в забоях и штреках. Все восемь были соединены последовательно, но, несмотря на то, что запускающий их импульс максимально форсировали, данные скоростной съемки показали, что они не сработали одновременно (рис. 2.11). Для устройства автора такое катастрофой не явилось: исследуемое явление не было очень уж чувствительно к симметрии сжатия. Ядерный заряд в аналогичной ситуации слегка «недодал» бы энерговыделения: отклонение формы сборки от шаровой увеличило бы потери нейтронов.

Рис. 2.11

Верхний ряд, снимки 1 и 2: цилиндрическая имплозия. Там, где детонационные волны сталкиваются, давление и температура значительно выше, поэтому области столкновений на снимках ярко светятся. Измерив по фотографии расстояние между центром точки инициирования и границей такой области и зная скорость детонации ВВ, можно определить, какое время прошло с момента инициирования до столкновения волн. Электродетонатор, находящийся в позиции, соответствующей положению часовой стрелки «полтретьего», сработал раньше других (примерно на 0,4 микросекунды): для этой точки инициирования упомянутое расстояние больше среднего значения. Начавшаяся раньше детонация «успела» расширить свой сектор за счет соседей и раньше «толкнула» находящийся в центре объект, нарушив симметрию сжатия. От этого опыта остался и «свидетель» – медный электрод (справа), на обратной поверхности которого, в местах столкновения детонационных волн, заметны откольные явления.

Такие же наглядные снимки сферической имплозии получить невозможно, поэтому внутри метаемого взрывом шарового слоя размещается «башня» с множеством контактных датчиков различной длины (нижний левый снимок). Сжимаемый имплозией шаровой слой последовательно замыкает эти датчики, что дает возможность, зарегистрировав моменты замыкания, определить элементы движения слоя. Левее – детонаторы, применявшиеся в ядерных зарядах: вверху – мостиковый, ниже – высоковольтные, не содержащие инициирующего ВВ. Справа – контейнер для боекомплекта

Первые «атомные» электродетонаторы срабатывали от накаливания током тончайшей проволочки: от нее воспламенялась, а затем детонировало инициирующее ВВ, передавая детонацию бризантному. Была до тонкостей «вылизана» технология изготовления таких детонаторов, и все равно готовые изделия «калибровали», выбирая те, которые минимально отличались друг от друга по параметрам. Такие образцы объединяли в «боекомплект» и хранили в специальных опломбированных контейнерах. Потом от детонаторов с мостиком накаливания отказались по соображениям безопасности: из-за наличия инициирующего ВВ они могли сработать при нагревании, да и токовые импульсы от разного рода наводок могли привести к подрыву и – в самом безобидном случае – к рассеиванию плутония, каковое к приятным обстоятельствам никак не отнесешь. Поэтому перешли на «безопасные» детонаторы: в них нет инициирующего ВВ, а формирует в бризантном ВВ ударную волну, трансформирующуюся в детонационную, канал высоковольтного разряда. Понятно, что для срабатывания таких детонаторов нужно больше энергии, чем для мостиковых, но – безопасность превыше всего!

…Остается доделать всякую ерунду: завинтить крышки, подключить кабели, ведущие к розеткам электродетонаторов (рис. 2.12)… Впрочем, что значит– «ерунду»? Операции при сборке «авиационной автоматики» только одной категории – «ответственные»! Выполняются они «тройкой». Один громко, с внятной артикуляцией, зачитывает пункт инструкции: «Затянуть гайку, позиция… ключом позиция… с моментом…». Второй повторяет услышанное, берет поименованные в соответствующих позициях инструкции гайку и ключ, снабженный измерителем момента, «затягивает». Третий контролирует правильность зачитывания, повторения, соответствие «позиций» и показания измерителя момента. Потом все трое расписываются в соответствующей графе за проведенную операцию (одну из многих тысяч подобных), и каждый знает: в случае чего – «следствие, протокол, отпечатки пальцев…» Таинство производило сильное впечатление на тех, кому довелось быть его свидетелями, в том числе – на С. Королева, который позже внедрил аналогичный порядок и в космической отрасли.

Рис. 2.12

Верхний и центральный ряды – иллюстрации процесса монтажа первого имплозивного заряда «Гаджет» (заимствованы из подлинной американской инструкции). 1 – детали из плутония; 2 – полоний-бериллиевый источник нейтронов; 3 – герметизирующая прокладка рифленого золота; 4 – капсула из урана-238; 5 – сегменты ВВ; 6 – элемент шарового слоя из алюминия. Конструкция ядерного заряда «Гаджета» иная, чем изображенная на анимации (рис. 2.7): в нем нет замедлителя нейтронов, вместо него плутониевый шар окружен слоями отвального урана и алюминия. Импеданс алюминия повыше, чем у продуктов детонации ВВ, поэтому после имплозии давление ударной волны в нем повышается (рис. 1.8). Оно повышается еще раз при переходе волны в уран, одна только плотность которого выше, чем у алюминия более чем в семь раз! Массивный шаровой слой отвального урана повышает также инерционность сборки, «давая» плутонию больше времени для деления (торцевые поверхности капсулы 4 – сферические, одного радиуса с этим слоем). Нижний ряд, слева: процесс монтажа. Снимок явно инсценирован, предназначен для публикации в журнале, логотип которого виден внизу. На самом деле, ядерный заряд монтируют не «на коленке», а на станке, позволяющем поворачивать изделие в двух плоскостях, обеспечивая свободный доступ к любому из элементов (правее)

Работа заряда начинается с момента, когда мощный высоковольтный импульс одновременно подрывает все детонаторы. Огоньки детонации с постоянной скоростью (около 8 км/с) разбегаются по канавкам, а пройдя их – ныряют в отверстия и одновременно во множестве точек «заводят» заряд (рис. 2.76). Далее следует сходящийся внутрь[38 - Такой инициируемый одновременно во многих точках на внешней поверхности и распространяющийся внутрь заряда взрыв называют имплозией. Считается, что термин введен в обращение американскими разработчиками ядерных зарядов, но автору удалось обнаружить его в книге А. Штеттбахера «Пороха и взрывчатые вещества», изданной еще в 1919 году (в русском переводе – в 1936 г.). Там этим термином описывается схлопывание газов в область разрежения (пример такого процесса – лопнувшая лампочка).] взрыв (рис. 2.7в), который сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии исчезает полость (рис. 2.7 г), а плотность его – увеличивается, сжимаемая сборка «проскакивает» критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.

…Не знаю, как решит читатель, по-моему – кинограмма рис. 2.7 выглядит довольно живописно. Но, как говаривал товарищ Семплеяров[39 - Персонаж романа М. Булгакова «Мастер и Маргарита».]: «Разоблачение совершенно необходимо. Без этого ваши блестящие номера оставят тягостное впечатление. Зрительская масса требует объяснения!»

«Зрительская масса» наверняка догадалась, что сфотографирован не взрыв настоящего ядерного заряда. Но на кинограмме – вообще не взрыв, а анимация. Вместо взрывчатого вещества использован оранжевый порошок бихромата аммония (с его помощью детям демонстрируют «вулкан»), «Плутоний» сделан из подкрашенного черной тушью поролона, а «замедлитель» – из термореактивного кембрика, сжимающегося при нагревании. В отличие от детонации взрывчатки, реакция в бихромате идет медленно и можно рассмотреть (и сфотографировать самой обычной, даже «телефонной», камерой), как фронт реакции «сходится» к сборке. Существенная некорректность модели в том, что «плутониевая» сборка становится «сверхкритичной» при сжатии ее нагреваемым кембриком, а не «взрывчаткой».

Но все описанное и смоделированное – детонация заряда, перевод сборки в сверхкритическое состояние – еще не ядерный взрыв. Ядерный взрыв начинается, когда через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в более чем две сотни МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке – инерция[40 - Инерционность сборки – важное условие развития цепной реакции. В некоторых ядерных зарядах плутониевый шар окружен слоем U

, не участвующим в делении, но повышающим инерционность, за счет чего успевает прореагировать больше плутония. В 70-х, когда оптические квантовые генераторы стали достаточно мощными, в СССР появился проект энергетической установки, в которой плутониевый шарик массой в миллиграммы и радиусом в полмиллиметра, подвергался всестороннему их облучению. Испарение поверхности шарика носило взрывной характер, и плутоний сжимался до такой плотности, что достигалось сверхкритическое состояние. Надеялись, что энергия микровзрыва составит пару мегаджоулей, но она практически не выделялась: малоинерционный шарик разлетался прежде, чем в нем успевали достаточно развиться цепи деления. Необходимо было существенно увеличить размер шарика, но эквивалент энерговыделения в одном цикле поднялся бы при этом до десятка тонн тротила, что влекло за собой такое увеличение размеров взрывной камеры (ведь она должна быть неразрушаемой) и повышение мощности лазеров, что строить установку было признано бессмысленным.]: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на сантиметр, требуется придать веществу ускорение в десятки триллионов раз превышающее ускорения земного притяжения! В конце концов, вещество все же разлетается, прекращается деление, но не интересные события: энергия перераспределяется между тяжелыми, ионизованными осколками разделившихся ядер, другими испущенными при делении заряженными частицами, а также электрически нейтральными гамма квантами и нейтронами. Энергия продуктов реакций – порядка десятков и даже сотен МэВ, но только гамма кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом, из которого была сделана сборка и покинуть зарождающийся огненный шар ядерного взрыва.

Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение, правда, уже не «жесткое» ядерное, а более «мягкое», с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы «выбить» у атомов электроны – не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из «голых» ядер, «ободранных» с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр[41 - Попытайтесь представить, как хорошо можно «загореть» под светом, приобретшим плотность алюминия.] – все то, что было зарядом – приходит в некое подобие равновесия. Температура в совсем «молодом» огненном шаре (рис. 2.13а) – десятки миллионов градусов. Если шар захватывает сталь, она превращается в ветер[42 - «Железный ветер в лицо» ощущают политработники, строчащие книги с такими названиями, а регистрируют скоростной напор и турбулентные «завихрения» в стали специальные датчики.].

Казалось бы, даже и «мягкое», но двигающееся с максимально возможной скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в «холодном» воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры и двигаются они не по прямой, а при каждом взаимодействии переизлучаясь, меняя направление движения. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем как вишневый сок, вылитый в стакан с водой.

Рис. 2.13

Образование ударной волны при ядерном взрыве происходит вследствие двух причин: при мощном взрыве ее формирует расширяющаяся плазма нагретого радиационной диффузией воздуха; при взрыве малой мощности – то же делает «плазменный пузырь» из вещества, бывшего до взрыва зарядом (снимок «а», сделанный с выдержкой 10 не, в увеличенном по сравнению с остальными масштабе). Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма. «Усы», выступающие в нижней части – превращенные излучением в плазму тросы, поддерживавшие металлическую «этажерку», на которой был установлен заряд. Плотность ядер в конденсированном веществе (металле) тросов на много порядков больше, чем в окружающем воздухе, поэтому и плотность энергии, отдаваемой им распространяющимся излучением, выше. Эти взаимодействия сопровождаются высвечиванием разнообразных квантов. Используется накачка излучением и в рентгеновских лазерах). В дальнейшем рентгеновским излучением вокруг пузыря (он виден в центре снимка «б») из воздуха образуется полностью ионизованная плазма; затем плазменный пузырь распадается, а его остатки «подпирают» изнутри слой горячей плазмы («в»); далее эти остатки вырождаются в струи («г»), плазма огненного шара остывает, становится непрозрачной, но интенсивно излучает в видимой части спектра («д»); наконец – формируется ударная волна, а интенсивность излучения снижается. Подобраны наиболее наглядные снимки, полученные при различных испытательных взрывах

Такое называют радиационной диффузией. Тепловая энергия вещества пропорциональна четвертой степени его температуры, поэтому на этой стадии она «умещается» в небольшом объеме. «Молодой» огненный шар через несколько десятков наносекунд после завершения мощной[43 - В приводимом примере число делений в десятки триллионов раз больше, чем в эксперименте доктора Слотина. Оно соответствует делению примерно 5 кг Pu

(это не означает, что заряд содержал именно столько плутония: его было существенно больше, остальной разлетелся, не разделившись). Тротиловый эквивалент такого взрыва – 100 килотонн.] вспышки делений имеет радиус три метра и температуру почти 8 млн. кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 метров, правда, температура падает – около миллиона градусов.

Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: диффундирующее излучение передать ему значительный импульс не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы. К тому же изнутри шар распирает то, что раньше было зарядом. Полностью ионизованный воздух прозрачен, и на фотографиях можно увидеть (рис. 2.136) этот плазменный сгусток в центре.

Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. Ее, конечно, ничто не «надувает»: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра. Через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета – более сотни километров в секунду, а гидродинамическое давление в веществе – более 150 тысяч атмосфер! Чересчур уж тонкой стать оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри» (рис. 2.13в). Кстати, если все произошло на небольшой высоте, то плазма теряет форму шара, что видно из фотографий. Там, где вещество заряда ударяет в грунт, давление и температура умножаются по сравнению со значениями на «свободном» фронте. Такой удар способен поразить самые высокозащищенные цели, такие как шахты МБР.

Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы «ободрать» все электроны с атомов уже не хватает, уменьшается прозрачность фронта. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу, вырождаются в струи (рис. 2.13 г) и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного – начинается образование ударной волны.

При отходе ударной волны от огненного шара, меняются характеристики излучающего слоя, и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый «первый максимум»). При дальнейшем движении волны происходит сложная конкуренция процессов высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, приводящая к реализации и второго максимума, менее интенсивного, но значительно более длительного – настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.

Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше – плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут как жидкость под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.

Рис. 2.14

«Постаревший» огненный шар превращается в облако радиоактивной пыли. Под местом взрыва произошло остекловывание песка, как это было и при первом испытании («Trinity Operation»). Образовавшийся новый минерал получил название «тринитит»

…Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако (рис. 2.14) из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров. Нет, не воды. Или в самом общем случае – не только воды, а того, что побывало плазмой заряда, рекомбинировало, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку конденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли (рис. 2.15)…

Рис. 2.15

Испытание Encelade французского термоядерного заряда энерговыделением 440 кт. Атолл Муруроа, 12.06.1971

…Среди читателей попадаются настырные, проверяющие все с карандашом в руке. Автор сделал многое, чтобы осложнить им

задачу: энергию в МэВах надо перевести в джоули, потом – в тротиловый эквивалент, вспомнить правила действий со степенями. Но все же может найтись самый настырный, который получит результат, далекий от тех десятков и сотен килотонн тротилового эквивалента, о которых он читал в газетах, и, издевательски улыбаясь, потребует объяснений. Далее возможен такой диалог:

– А со скольких нейтронов, по вашим расчетам, начинается цепная реакция?

– С одного.

– Посмотрим, что получится, если реакция в сборке начнется с миллионов нейтронов.

– У вас про миллионы не написано.

– А покажите, где у меня написано, что он – один?

Вообще-то ситуация, которую описал своим расчетом Настырный, возможна: если не сработает или сработает не вовремя источник нейтронов, что повлечет строгую ответственность тех, кто был причастен (а может – и не причастен) к такому безобразию.

Чтобы такой жалкий результат не опозорил самоотверженно трудившийся коллектив, в сверхкритическую сборку в нужную микросекунду надо «брызнуть» нейтронами. Именно – в нужную, а не когда попало.

…Процесс перевода сборки из до критического в сверхкритическое состояние происходит за десятки микросекунд: казалось бы – быстро, но иногда (правда – редко) оказывается, что медленно. Случайный фоновый нейтрон может вызвать цепь делений и в докритической сборке, правда, затухающую, не сопровождающуюся заметным выделением энергии. Но если сборка перейдет критическое состояние пока такая цепь еще не угасла, начнется размножение нейтронов. Вначале, пока деление идет на медленных нейтронах, имплозия будет «сильнее», но, по мере роста сверхкритичности, «в дело» будут вступать все более быстрые (а значит, скорее размножающиеся) нейтроны и деление преодолеет имплозию, «разбросав» сборку. Произойдет «хлопок» – пиррова[44 - Эпирский царь Пирр в 279 г. до н. э. одержал победу над римлянами, но ценой таких потерь, что с тех пор его именем стали называть предприятия, вроде и успешные, но не оправдывающие понесенных затрат.] победа деления: уровень энерговыделения будет на порядки более низким, чем тот, который мог бы быть достигнут. Так что и при безупречной работе заряда и его автоматики существует малая вероятность того, что полноценного ядерного взрыва не произойдет. А будет он таким, если при переводе сборки из докритического в сверхкритическое состояние в ее делящемся материале не будет нейтронов, а вот когда максимум сверхкритичности почти достигнут – их окажется там очень много.

В первых ядерных зарядах для этого использовали изотопные источники: полоний-210 в момент сжатия плутониевой сборки (и только тогда) соединялся с бериллием и своими альфа-частицами (ядрами гелия-4) вызывал нейтронную эмиссию:

Be