Схема Теллера — Улама

Схема Теллера — Улама — это теоретическая конструкция, лежащая в основе конструкции всех современных термоядерных (водородных) боеприпасов. Она описывает способ инициирования реакции термоядерного синтеза в компактном устройстве с помощью энергии, выделяющейся при взрыве атомного (ядерного) заряда. Схема была разработана в 1951 году американскими физиками Эдвардом Теллером и Станиславом Уламом и впервые успешно испытана 1 ноября 1952 года (операция «Ivy Mike»).

История создания

Предпосылки

После создания атомной бомбы в рамках Манхэттенского проекта (1945) перед учёными встала задача создания ещё более мощного оружия — «супербомбы», основанной на термоядерном синтезе. Первоначальные попытки, предпринятые Эдвардом Теллером и его группой в Лос-Аламосской национальной лаборатории, были основаны на идее «классического суперустройства» — длинной цилиндрической трубы, заполненной дейтерием, в которой термоядерная реакция должна была распространяться подобно детонации. Однако расчёты, выполненные в 1950 году польским математиком Станиславом Уламом и его коллегой Корнелиусом Эвереттом, показали, что такая схема неработоспособна: тепловые потери и неустойчивость плазмы не позволяют достичь необходимых температур и давлений.

Открытие принципа

В начале 1951 года Улам предложил принципиально новый подход. Он осознал, что для сжатия и нагрева термоядерного горючего до условий, необходимых для синтеза, можно использовать не тепловое излучение первичного атомного взрыва напрямую, а механическое сжатие, создаваемое потоком рентгеновского излучения. Ключевая идея заключалась в том, чтобы направить энергию первичного взрыва на сжатие вторичного компонента, содержащего термоядерное топливо, до сверхвысокой плотности, при которой становится возможной цепная термоядерная реакция. Теллер, первоначально скептически относившийся к идеям Улама, вскоре доработал концепцию, добавив к ней механизм «радиационной имплозии» — сжатия с помощью рентгеновского излучения, а не ударной волны. Совместная работа привела к созданию рабочей схемы, названной впоследствии схемой Теллера — Улама.

Первое испытание

Первым устройством, работающим по этой схеме, стал термоядерный заряд «Майк» (Ivy Mike), испытанный 1 ноября 1952 года на атолле Эниветок. Устройство представляло собой многотонную криогенную установку, в которой в качестве термоядерного горючего использовался жидкий дейтерий. Мощность взрыва составила 10,4 мегатонны в тротиловом эквиваленте, что более чем в 700 раз превысило мощность атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму. Успех «Майка» подтвердил работоспособность схемы.

Развитие в СССР

Работы над термоядерным оружием в СССР велись параллельно. Первая советская термоядерная бомба РДС-6с, испытанная 12 августа 1953 года, использовала слоистую конструкцию (так называемая «слойка» Сахарова), которая не была полноценной схемой Теллера — Улама. В ней ядерный заряд окружался чередующимися слоями урана-238 и термоядерного топлива (дейтерида лития-6). Эта конструкция давала значительное усиление мощности за счёт деления ядер урана быстрыми нейтронами от термоядерной реакции, но не обеспечивала полного радиационного сжатия. Настоящая двухступенчатая схема, аналогичная американской, была реализована в СССР при испытании «Царь-бомбы» (АН602) 30 октября 1961 года, мощность которой составила около 58 мегатонн. Разработчиками этой схемы выступили Андрей Сахаров, Виктор Адамский, Юрий Бабаев и другие.

Устройство и принцип действия

Схема Теллера — Улама включает в себя два основных компонента, размещённых внутри прочного корпуса: первичный ядерный заряд (атомную бомбу) и вторичный термоядерный модуль.

Первичный заряд (Primary)

Это малогабаритный ядерный заряд, как правило, имплозивного типа, основанный на делении ядер урана-235 или плутония-239. Его задача — создать мощный поток рентгеновского излучения и обеспечить условия для сжатия вторичного модуля.

Вторичный модуль (Secondary)

Представляет собой цилиндрический контейнер, расположенный на оси корпуса. Внутри него находятся:

• Термоядерное горючее: обычно дейтерид лития-6 (LiD). При облучении нейтронами литий-6 распадается на тритий и гелий, а тритий затем вступает в реакцию синтеза с дейтерием. Это твёрдое вещество, что упрощает конструкцию по сравнению с криогенным жидким дейтерием.
• Плутониевый стержень (Sparkplug): небольшой цилиндр из плутония-239, расположенный по оси вторичного модуля. Он играет роль «запала»: при сильном сжатии он переходит в надкритическое состояние и взрывается, создавая дополнительный поток нейтронов и тепла, необходимый для воспламенения термоядерной реакции.
• Толкатель (Pusher) и тампер (Tamper): внешний слой из урана-238 или свинца, который сжимает горючее и удерживает его от преждевременного расширения.

Механизм радиационной имплозии

Процесс протекает в несколько стадий:

1. Взрыв первичного заряда. Подрыв атомной бомбы генерирует мощнейший импульс рентгеновского излучения (мягкого рентгена). Это излучение распространяется со скоростью света внутри корпуса, который изготовлен из материала, непрозрачного для рентгена (например, стали или свинца).
2. Сжатие вторичного модуля. Рентгеновское излучение, попадая на внешнюю поверхность толкателя вторичного модуля, мгновенно нагревает и испаряет его верхний слой. Возникающая реактивная отдача (аналогичная работе лазерного абляционного двигателя) создаёт колоссальное давление (миллионы атмосфер), которое сжимает вторичный модуль во всех направлениях. Этот процесс называется радиационной имплозией.
3. Подрыв плутониевого стержня. Под действием сжатия плутониевый стержень внутри вторичного модуля переходит в сверхкритическое состояние и взрывается, инициируя термоядерную реакцию в сжатом дейтериде лития.
4. Термоядерный синтез. В сжатом и нагретом до десятков миллионов градусов термоядерном топливе начинается реакция синтеза ядер дейтерия и трития с выделением огромной энергии (в основном в виде быстрых нейтронов).
5. Вторичное деление (опционально). Быстрые нейтроны от термоядерной реакции вызывают деление ядер урана-238, из которого часто сделан толкатель и корпус. Это может давать до 50% и более от общей мощности взрыва, но при этом создаёт большое количество радиоактивных осадков. Конструкция, в которой уран-238 отсутствует, называется «чистой» термоядерной бомбой.

Классификация и разновидности

Хотя все современные термоядерные боеприпасы основаны на схеме Теллера — Улама, существуют различные конструктивные варианты:

• Двухступенчатая схема: классическая конструкция с первичным и вторичным модулями. Применяется в большинстве современных боеголовок.
• Трёхступенчатая схема: используется для создания сверхмощных зарядов (мегатонного класса). В ней к первичному и вторичному модулям добавляется третий, ещё более мощный термоядерный модуль, который сжимается излучением от взрыва второго. По такой схеме была создана «Царь-бомба».
• Устройства с усилением (Boosted fission): не являются термоядерными в полном смысле, но используют небольшое количество термоядерного топлива (смесь дейтерия и трития) внутри первичного ядерного заряда для увеличения его мощности и эффективности. Эта технология часто применяется в миниатюрных боеголовках.

Применение и значение

Схема Теллера — Улама является основой для создания термоядерного оружия, которое составляет основу стратегических ядерных арсеналов России, США, Великобритании, Франции, Китая и других ядерных держав. Она позволяет:

• Создавать заряды практически любой мощности (от десятков килотонн до десятков мегатонн).
• Миниатюризировать боеголовки для размещения на баллистических ракетах (например, межконтинентальных).
• Увеличивать «выход» энергии на единицу массы и объёма боеприпаса по сравнению с чисто атомными бомбами.

Критика и ограничения

Конструкция схемы Теллера — Улама является чрезвычайно сложной и требует высокой точности изготовления и глубокого понимания физики плазмы и ядерных реакций. Она подвергалась критике со стороны антиядерных движений за создание оружия массового уничтожения, способного уничтожить всё человечество. Кроме того, испытания термоядерных бомб приводят к значительному радиоактивному загрязнению окружающей среды, что стало причиной подписания Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (1996), который, однако, не вступил в силу для всех стран.

Интересные факты

• Первоначально Теллер и Улам не ладили. Улам был математиком, а Теллер — физиком-теоретиком. После успеха схемы Теллер пытался приписать себе всю заслугу, что привело к длительному конфликту и ухудшению отношений между ними.
• В СССР схема была независимо переоткрыта группой Андрея Сахарова, который пришёл к аналогичным идеям, изучая американские отчёты и проводя собственные расчёты.
• Конструкция «Царь-бомбы» была настолько мощной, что её испытательный взрыв вызвал сейсмическую волну, трижды обогнувшую Землю.

Источники

• Rhodes, Richard. Dark Sun: The Making of the Hydrogen Bomb. — Simon & Schuster, 1995.
• Hansen, Chuck. Swords of Armageddon: U.S. Nuclear Weapons Development since 1945. — Chukelea Publications, 1995.
• Субботин, В. Г. История создания термоядерного оружия в СССР. — М.: ИздАТ, 1999.
• Отчёт Лос-Аламосской национальной лаборатории LA-1000: The Teller-Ulam Configuration.