Расщепление, слияние и цепные реакции

Слияние очень легких ядер с образованием ядер среднего размера высвобождает огромное количество энергии. Простой пример был показан во Врезке 5.3 — слияние ядра дейтерия («тяжелого водорода», имеющего один протон и один нейтрон) с обычным водородным ядром (единственный протон) с образование ядра гелия-3 (два протона и один нейтрон):

 

Такие реакции синтеза поддерживают жар Солнца и обеспечивают энергией водородную («супербомбу», как ее называли в 1940-х и 1950-х).

Расщепление (распад на части) очень тяжелых ядер с образованием двух ядер среднего размера также высвобождает большое количество энергии — намного большее, чем в ходе химических реакций (поскольку ядерные силы, которые работают в ядрах, значительно сильнее электромагнитных сил, которые управляют химически реагирующими атомами), но намного меньшее энергии, выделяющейся

 

при слиянии легких ядер. Некоторые очень тяжелые ядра могут расщепляться без внешней помощи, естественным образом. Более интересны для этой главы реакции деления, в которых в очень тяжелое ядро типа урана-235 (ядро урана с 235 протонами и нейтронами) ударяется нейтрон и разбивает это примерно пополам.

Есть два тяжелых ядра: уран-235 и плутоний-239, имеющие такую особенность, что их расщепление порождает не только два ядра среднего размера, но и несколько нейтронов (как на рисунке выше). Эти нейтроны делают возможными цепные реакции: если сконцентрировать достаточное количество урана-235 или плутония-239 в достаточно малом объеме, то нейтроны, вылетевшие при одном расщеплении, поразят другие ядра урана или плутония и расщепят их, произведя больше нейтронов, которые расщепят больше ядер, производящих еще больше нейтронов, расщепляющих еще больше ядер, и так далее. Результатом такой неконтролируемой цепной реакции будет сильнейший взрыв (взрыв атомной бомбы), а если управлять ей в реакторе, можно получать экономичную электроэнергию.

Яков Борисович Зельдович родился в еврейской семье в Минске в 1914 г., в том же году вся семья перебралась в Санкт-Петербург (переименованный тогда же в Петроград, а потом, в 1924 г. — в Ленинград). Зельдович окончил школу в возрасте 15 лет и затем, вместо того чтобы поступать в университет, пошел работать лаборантом в Ленинградский физико-технический институт. Здесь он самостоятельно изучил физику и химию и провел настолько впечатляющие исследования, что даже без формального обучения в университете в 1936 г., в возрасте 22 лет, был удостоен степени кандидата наук.

В 1939 г., когда Уилер и Бор разрабатывали теорию ядерного распада, Зельдович вместе с близким другом Юлием Борисовичем Харитоном развивал теорию цепных реакций, происходящих при ядерном распаде. Эти исследования были инициированы интригующей (хотя и неверной) гипотезой французского физика Франсуа Перрена, предположившего, что извержения вулкана питаются энергией естественных подземных ядерных взрывов, происходящих в результате цепных реакций распада атомных ядер. Однако никто, включая Перрена, пока не проработал деталей таких цепных реакций, и Зельдович с Харитоном, в числе лучших экспертов по химическим взрывам, погрузились в решение этой проблемы. В течение нескольких месяцев они (как и работавшие параллельно с ними ученые на Западе) показали, что подобные взрывы не могут происходить в природе, поскольку встречающийся в природе уран состоит в основном из урана-238 и незначительного количества урана-235. Однако они пришли к выводу, что если уран-235 искусственно отделить и сконцентрировать, то такую реакцию вполне можно будет провести. (За такое отделение вскоре возьмутся американцы, чтобы создать топливо для атомной бомбы, сброшенной затем на Хиросиму.) Завеса секретности в то время еще не опустилась на ядерные исследования, поэтому Зельдович и Харитон опубликовали свои расчеты в самом престижном советском физическом издании — Журнале экспериментальной и теоретической физики для сведения ученых всего мира.

в военные арсеналы воюющих стран или в арсеналы наций, готовящихся к войне, настанет время, когда человечество проклянет Лос-Аламос и Хиросиму». «Остается тяжелое чувство, которое не пригасить ни грубостью, ни юмором, ни оправданиями, что физики несут известный грех — это их знания, которые они не могут утратить».

Но сожаления Уилера имели противоположный характер: «Обращаясь назад (к 1939 г. и моей работе с Бором над теорией распада), я чувствую величайшее сожаление. Как могло случиться, что я рассматривал распад в первую очередь как физик (просто любопытствующий узнать, как этот распад работает) и лишь во вторую как гражданин (озабоченный защитой своей страны)? Почему я не взглянул на проблему иначе как гражданин (пытающийся защитить свою страну), а лишь потом — как физик? Простая оценка показывает, что если в ходе второй мировой войны погибли от 20 до 25 миллионов человек, и при этом большая часть в ее последние годы. Каждый месяц сокращения войны означал бы спасение порядка полумиллиона-миллиона жизней. Среди этих подаренных жизней мог бы быть и мой брат Джо, убитый в октябре 1944 г. в боях за Италию. Насколько бы все было по-другому, если бы критическая дата (бомбардировка Хиросимы) была не 6 августа 1945 г., а 6 августа 1943 г.».

разрухи, имея ограниченные ресурсы, они не могли бы продвигаться быстрее. Сталин сердито возразил ему: «Если бы ребенок не кричал, мать не знала бы, что ему нужно. Просите все, что вам нужно, — потребовал Сталин, — и вам не откажут». Сталин распорядился о начале неограниченного никакими преградами форсированного проекта по созданию бомбы, проекта под верховным руководством Берии — грозного главы тайной полиции.

Масштаб усилий, предпринятых Берией, трудно себе представить. Он использовал подневольный труд миллионов советских граждан, находившихся в сталинских лагерях. Именно «зэки», как их обычно называли, построили урановые шахты, фабрики очистки урана, ядерные реакторы, теоретические исследовательские центры, полигоны для проверки оружия и самодостаточные маленькие города для обеспечения всех этих объектов. Все это, рассеянное по территории страны, было окружено таким уровнем секретности, о котором и не слышали в ходе американского манхэттенского проекта.

Зельдович и Харитон были направлены в одно из таких «отдаленных мест»[50], расположение которых хотя и было зачастую хорошо известно западным экспертам к концу 1950-х, было запрещено открывать советским гражданам вплоть до 1990-х. Это место называли просто «Объект». Харитон стал директором, а Зельдович возглавил одну из ключевых групп по разработке бомбы. Направляемый Берией Курчатов сформировал несколько групп физиков для параллельной и совершенно независимой проработки различных аспектов бомбового проекта: дублирование обеспечивало секретность. Группы с «Объекта» снабжали конструкторскими задачами другие команды, включая и небольшую группу Ландау, работавшую в Институте физических проблем в Москве.

Пока неумолимо разворачивались эти массированные усилия, советские шпионы получили через Клауса Фукса (британского физика, работавшего на американский проект) чертежи американской плутониевой бомбы. Она в некоторых деталях отличалась от разработки Зельдовича с коллегами, поэтому Курчатов, Харитон и остальное руководство оказались перед нелегким выбором: они находились под непрестанным давлением Сталина и Берии, требовавших результатов, и потому боялись последствий возможных неудачных испытаний в эпоху, когда неудача могла означать смерть. Они знали, что американская конструкция сработала в Аламогордо и Нагасаки, но не были

6. Cхлопывается во что?

совершенно уверены в собственной разработке; в то же время они располагали запасом плутония только на одну бомбу. Решение было очевидным, но болезненным: они отставили собственную конструкцию[51] и нацелили проект на реализацию американской разработки.

Наконец, 29 августа 1949 г., после четырех лет громадных усилий, неимоверных страданий, несчетных смертей зэков-рабов и скопления отходов ядерных реакторов вблизи Челябинска (которые десятью годами позже взорвутся, заразив сотни квадратных километров окраины страны) форсированная программа принесла результат. Первая советская атомная бомба была взорвана вблизи Семипалатинска в Средней Азии, в ходе испытаний на которых присутствовали руководители государства и верховное командование Советской Армии.

* * *

3 сентября 1949 г. американский самолет погодной разведки WB-29, совершая рядовой полет из Японии на Аляску, обнаружил продукты ядерного распада от советских испытаний. Данные были представлены для оценки комиссии экспертов, включая Оппенгеймера. Вердикт был однозначен: русские испытали атомную бомбу!

Поднялась паника (бомбоубежища на заднем дворе; занятия по защите от атомной опасности в школах; «охота на ведьм» сенатора Маккарти по выкорчевыванию шпионов, коммунистов и их сторонников из правительства, армии, прессы и университетов). На фоне этой паники разгорелись широкие дебаты между физиками и политиками. Эдвард Теллер, отличавшийся новаторским подходом среди американских физиков, разработчиков атомной бомбы, отстаивал форсированную программу разработки и создания «супербомбы» (или водородной бомбы) — оружия, основанного на слиянии водородных ядер с образованием гелия. Водородная бомба, если бы она была создана, была бы ужасна. Казалось, нет ограничений на ее мощность. Хотите бомбу в десять раз более мощную, чем та, которую сбросили на Хиросиму? В сто раз более мощную? В тысячу? В миллион?... Если бы можно было вообще сделать действующую бомбу, она была бы сколь угодно мощной.

Уилер поддержал Теллера: форсированная программа «супербомбы» будет существенным противовесом советской угрозе. Оппенгеймер и его Генеральный консультативный комитет при Комиссии по атомной энергии США высказались против. Совсем не очевидно, действительно ли задуманная супербомба может быть создана, возражал комитет. Более того, даже если она и будет действовать, любая супербомба, гораздо более мощная, чем обычная атомная, скорее всего, будет слишком тяжелой, чтобы ее можно было доставить самолетом или ракетой.

Кроме того, существовали и моральные аспекты, которые Оппенгеймер и его комитет сформулировали следующим образом: «Мы основываем наши рекомендации (против форсированной программы) на вере в то, что чрезвычайная опасность для человечества, содержащаяся в предложении, полностью перевешивает любое военное преимущество, которое может происходить из его развития. Необходимо понять, что речь идет о супероружии, которое относится к другой категории, чем атомная бомба. Причиной для разработки подобной супербомбы могла бы стать потребность опустошить с помощью одной-единственной бомбы обширные пространства. Ее использование означает принятие решения об истреблении огромной части гражданского населения. Мы также обеспокоены возможными глобальными последствиями воздействия радиоактивности, возникающей при взрыве нескольких супербомб существенной мощности. Если супербомба вообще будет создана, не будет принципиального предела разрушительной мощи, которая может быть достигнута с ее помощью. Поэтому супербомба способна стать оружием массового геноцида».

На Теллера и Уилера эти аргументы не произвели впечатления. Русские, несомненно, будут продвигаться вперед по пути создания водородной бомбы; если Америка также не будет двигаться дальше, свободный мир подвергнется чрезвычайной опасности.

Точка зрения Теллера—Уилера победила. 10 марта 1950 г. президент Трумэн приказал развернуть программу разработки супербомбы.

Если смотреть в ретроспективе, американская конструкция супербомбы образца 1949 г., как и подозревал комитет Оппенгеймера, была обречена на неудачу. Однако поскольку тогда это еще не стало очевидным, и так как ничего лучшего придумано не было, ее продолжали разрабатывать вплоть до марта 1951 г., когда Теллер и Станислав Улам изобрели радикально новую конструкцию, выглядевшую весьма многообещающей.

Изобретение Теллера—Улама сначала было лишь идеей конструкции. Как сказал Ганс Бете, «девять из десяти идей Теллера бесполезны. Ему нужны критики, пусть даже менее одаренные, чем он, чтобы выделить эту десятую идею, часто являющуюся печатью гения». Необходимо было проверить, была ли идея гениальным прозрением или лишь обманчивой

иллюзией. Для этого требовалось воплотить ее в конкретную, детально проработанную конструкцию, затем провести громоздкие расчеты на самых больших из доступных тогда компьютерах, чтобы увидеть, будет ли предложенная конструкция работать. И только если вычисления предскажут успех, построить и испытать реальную бомбу.

Две группы получили задание произвести вычисления: одна в Лос-Аламосе, другая в Принстонском университете. Принстонскую команду возглавлял Уилер. Его команда работала на протяжении нескольких месяцев днем и ночью, чтобы создать полную конструкцию бомбы на основе идеи Теллера—Улама и проверить ее работоспособность моделированием на компьютере. Как вспоминает Уилер, «... это был колоссальный объем вычислений. Мы использовали вычислительные средства Нью-Йорка, Филадельфии и Вашингтона — фактически значительную часть всех вычислительных мощностей Соединенных Штатов. Чтобы получить ответ, Ларри Уиллетс, Джон Толл, Кен Форд, Луис Хени, Карл Хаусман, Дик л’Оливер и другие работали в три шестичасовые смены каждый день».

Когда расчеты показали, что идея Теллера—Улама, судя по всему, будет работать, в Институте передовых исследований в Принстоне (где директором был Оппенгеймер) организовали встречу для представления идеи Генеральному консультативному комитету и его «родителю» — Комиссии по атомной энергии США. Теллер описал идею, а Уилер рассказал об особенностях конструкции, разработанной его группой, и предсказываемого взрыва.

Уилер вспоминает: «Когда я начал свое выступление, Кен Форд подбежал снаружи к окну, опустил его и передал мне большую диаграмму. Я развернул ее и повесил на стену: она демонстрировала развитие термоядерной реакции [как мы ее рассчитали]... У комиссии не оставалось иного выбора, как заключить, что это заслуживает внимания.... Наши расчеты перевернули отношение Оппи к проекту».

А вот как описал собственное впечатление Оппенгеймер: «Наша программа в 1949 г. [фугасная бомба] была довольно извращенной штукой, ее легко было оспорить, в техническом смысле она не производила какого-либо впечатления. Поэтому было легко возражать, доказывая ее нежелательность, даже если она получится. Программа 1952 г. [новая конструкция, основанная на идее Теллера—Улама] была настолько технически приятной, что о ней просто нельзя было спорить. Оставались лишь чисто военные и политические, а также гуманистические аспекты проблемы того, что вы собираетесь делать, заполучив эту бомбу».

 

Подавив глубокие опасения по поводу возникающих этических вопросов, Оппенгеймер вместе с членами своего комитета примкнул к рядам Теллера, Уилера и других сторонников супербомбы, и проект ускоренными темпами двинулся вперед к созданию и испытанию бомбы. Она работала так, как и предсказывали расчеты группы Уилера и работавшей параллельно лос-аламосской группы.

Обширные расчеты конструкции бомбы, выполненные группой Уилера, в окончательном виде были описаны в секретном документе «Проект Маттерхорн. Раздел В. Доклад 31» или «РМВ-31». «Мне сообщили, — рассказывал Уилер, — что, по крайней мере, в течение десяти лет «РМВ-31» служил библией для разработчиков термоядерных устройств» (водородных бомб).

***

В 1949—1950 гг., когда Америка находилась в состоянии паники, а Оппенгеймер, Теллер и другие дискутировали, должна ли страна формировать свою программу разработки супербомбы, соответствующая программа в Советском Союзе шла полным ходом.

Весной 1948 г., за 15 месяцев до испытания первой советской атомной бомбы, Зельдович и его команда, работавшая на «Объекте», провели теоретические расчеты супербомбы — конструкции, аналогичной «обреченной» американской[52]. В июне 1948 г. в Москве под руководством Игоря Тамма, одного из самых выдающихся советских теоретиков, была организована вторая группа для разработки супербомбы. Ее членами стали Виталий Гинзбург, Андрей Сахаров (который в 1970-х станет диссидентом, а затем — героем и советским святым в конце 1980-х — начале 1990-х годов), Семен Беленький и Юрий Романов. Команде Тамма было поручено проверить и уточнить вычисления группы Зельдовича.

Отношение команды Тамма к этой задаче раскрывается в высказывании Беленького, цитируемрм Сахаровым: «Наша работа — лизать Зельдовичу задницу». Зельдович, парадоксальным образом являвшийся одновременно сильной, требовательной личностью и чрезвычайно робким в политике человеком, не был самым популярным из советских физиков. Однако он был в числе самых блестящих. Ландау, руководивший маленькой вспомогательной группой разработчиков, время от времени получавшей указания от группы Зельдовича проанализировать тот или иной аспект конструкции бомбы, иногда за спиной Зельдовича называл его «эта сука, Зельдович», хотя тот почитал Ландау как лучшего судью корректности физических идей и как своего лучшего учителя, хотя формально никогда не посещал его лекций.

Сахарову и Гинзбургу понадобилось лишь несколько месяцев, чтобы найти гораздо лучшую конструкцию супербомбы, чем та «обреченная на провал», которую разрабатывали Зельдович и американцы. Сахаров предложил создать бомбу в виде слоеного пирога из чередующихся оболочек тяжелого распадающегося ядерного топлива (урана) и легкого термоядерного топлива, а Гинзбург придумал использовать в качестве топлива для реакции синтеза дейтерид лития (LiD). В процессе мощного взрыва ядра лития в LiD распадаются на два ядра трития, который соединяется с остающимся дейтерием, образуя ядра гелия, при этом высвобождается колоссальное количество энергии. Тяжелый уран усиливает взрыв, не позволяя слишком быстро уходить его энергии, помогая сжимать термоядерное топливо и добавляя к энергии синтеза энергию ядерного распада. Когда Сахаров представил свою идею, Зельдович сразу оценил ее перспективность. Слоеный пирог Сахарова и LiD Гинзбурга быстро переместились в фокус усилий по разработке советской супербомбы.

Чтобы еще более форсировать разработку супербомбы, Сахаров, Тамм, Беленький и Романов были переправлены на «Объект». Но не Гинзбург. Причина этого казалась очевидной: тремя годами ранее Гинзбург женился на Нине Ивановне, жизнерадостной прекрасной женщине, которая в начале 1940-х годов была брошена в тюрьму по сфабрикованному обвинению в заговоре с целью убийства Сталина. Она и ее предполагаемые сообщники якобы планировали застрелить Сталина из окна комнаты, в которой она жила, когда тот будет проезжать по Арбату. Во время заседания тройки, решавшей ее судьбу, вдруг выяснилось, что в ее комнате вообще нет окон, выходящих на Арбат, поэтому было проявлено необычное милосердие, и ее жизнь была спасена. Ее приговорили лишь к тюремному заключению и затем ссылке, а не к смерти. Однако заключения и ссылки оказалось достаточно, чтобы «запятнать» Гинзбурга, изобретателя LiD топлива для бомбы, и захлопнуть перед ним ворота «Объекта».

Гинзбург, предпочитавший фундаментальные физические исследования разработке бомбы, был этому только рад, а мир науки тоже выиграл: пока Зельдович, Сахаров и Уилер сконцентрировались на бомбах, Гинзбург решил загадку распространения в нашей Галактике космических лучей и вместе с Ландау, воспользовавшись законами квантовой механики, объяснил природу сверхпроводимости.

***

В 1949 г., когда советский проект атомной бомбы принес свой результат, Сталин приказал незамедлительно переключить все ресурсы советского государства на усилия по созданию супербомбы. Рабский труд зеков, центры теоретических исследований, промышленность, испытательные полигоны, многочисленные команды физиков по каждому аспекту конструкции — все должно было быть сфокусировано на попытке обогнать американцев в создании водородной бомбы. Обо всем этом американцы, вовлеченные в дебаты о том, стоит ли форсировать разработку супербомбы, ничего не знали. Однако Америка имела лучшую технологию и мощный задел.

1 ноября 1952 г. американцы взорвали устройство типа водородной бомбы под кодовым названием Майк. Оно было создано для проверки изобретения Теллера—Улама и основывалось на теоретических расчетах команды Уилера и работавшей параллельно лос-аламосской группы. Основным топливом в нем был жидкий дейтерий. Для его сжижения и перекачки к месту взрыва использовалась огромная установка промышленных масштабов. В этом смысле устройство это не было бомбой, которую можно было бы доставить на самолете или ракете. Тем не менее, оно полностью разрушило остров Элуджлаб в атолле Эниветок в Тихом океане; оно было в 800 раз мощнее бомбы, убившей более 100 тысяч человек в Хиросиме.

5 марта 1953 г. в сопровождении траурной музыки радио Москвы объявило о смерти Иосифа Сталина. В Америке царила радость, а в СССР — горе. Андрей Сахаров писал жене Клаве: «Я нахожусь под влиянием смерти великого человека. Я думаю о его человечности».

12 августа 1953 г. в Семипалатинске Советы взорвали свою первую водородную бомбу. Американцы окрестили ее Джо- 4, в ней использовалась конструкция слоеного пирога Сахарова и LiD термоядерное топливо, и она была достаточно малой, чтобы ее можно было доставить самолетом. Однако топливо Джо-4 зажигалось способом отличным от метода Теллера—Улама, и в результате Джо-4 была гораздо менее мощной, чем американский Майк: «только» 30 Хиросим по сравнению с 800 Майка.

Фактически, на языке американских физиков-разработчиков бомб, Джо-4 вообще не была водородной бомбой; она представляла собой усиленную атомную бомбу, т. е. атомную бомбу, энергия которой усилилась включением некоторого количества термоядерного топлива. Подобные усиленные атомные бомбы уже входили в американские боевые арсеналы, и американцы отказывались считать их водородными бомбами, поскольку конструкция слоеного пирога не позволяла поджигать произвольно большое количество термоядерного топлива. При такой конструкции, например, нельзя было создать оружие «страшного суда», в тысячи раз более мощное, чем в Хиросиме.

Но и 30 Хиросимами нельзя было пренебрегать, так же как и возможностью их доставки. И хотя Джо-4 было действительно грозным оружием, Уилер и другие американцы вздохнули с облегчением, поскольку новый советский руководитель, Георгий Маленков, больше не сможет им угрожать, так как у них есть новая настоящая супербомба.

1 марта 1954 г. американцы взорвали свою первую наполненную LiD бомбу. Она получила кодовое название Браво и, как и Майк, основывалась на расчетах групп Уилера и Лос-Аламоса и использовала изобретение Теллера—Улама. Мощность взрыва равнялась 1300 Хиросимам.

В марте 1954 г. Сахаров и Зельдович вместе пришли (независимо от американцев) к идее Теллера—Улама, и в течение нескольких месяцев все советские ресурсы были нацелены на ее воплощение в реальную супербомбу, которая имела бы столь большую разрушительную силу, какую можно было только пожелать. Для полной разработки и создания бомбы потребовалось лишь 18 месяцев. 23 ноября 1955 г. она была испытана. Сила взрыва составила 300 Хиросим.

Как и подозревал оппенгеймеровский Генеральный консультативный комитет, противясь форсированной программе разработки супербомбы, эти немыслимо мощные бомбы, включая и монстра в 5000 Хиросим, взорванного позднее Советами в попытке запугать Джона Кеннеди, не были особенно привлекательны для военных ни в США, ни в СССР. Мощность оружия, имеющегося сейчас в российских и американских арсеналах, составляет примерно 30 бомб Хиросимы, а не тысячи. И хотя это настоящие водородные бомбы, их мощность не превышает мощности обычных больших атомных бомб.

Врезка 6.2