Für viele unserer Leser wird die Wasserstoffbombe mit einer Atombombe in Verbindung gebracht, nur viel stärker. Tatsächlich handelt es sich um eine grundlegend neue Waffe, die zu ihrer Herstellung unverhältnismäßig große intellektuelle Anstrengungen erforderte und auf grundlegend anderen physikalischen Prinzipien arbeitet.
Das Einzige, was die Atombombe und die Wasserstoffbombe gemeinsam haben, ist, dass beide im Atomkern verborgene kolossale Energie freisetzen. Dies kann auf zwei Arten erfolgen: schwere Kerne wie Uran oder Plutonium in leichtere sp alten (Sp altreaktion) oder die leichtesten Wasserstoffisotope zur Verschmelzung zwingen (Fusionsreaktion). Als Ergebnis beider Reaktionen ist die Masse des resultierenden Materials immer kleiner als die Masse der Ausgangsatome. Aber die Masse kann nicht spurlos verschwinden – sie wird nach der berühmten Einstein-Formel E=mc2 zu Energie.
A-Bombe
Um eine Atombombe zu bauen, ist es eine notwendige und hinreichende Bedingung, sp altbares Material in ausreichenden Mengen zu erh alten. Die Arbeit ist eher mühselig, aber wenig intellektuell und steht dem Bergbau näher als der hohen Wissenschaft. Die Hauptressourcen bei der Herstellung solcher Waffen fließen in den Bau riesiger Uranminen und -anreicherungsanlagen. Ein Beweis für die Einfachheit des Geräts ist die Tatsache, dass zwischen der Beschaffung des für die erste Bombe erforderlichen Plutoniums und der ersten sowjetischen Atomexplosion nicht einmal ein Monat verging.
Erinnern wir uns kurz an das aus dem Physikunterricht bekannte Funktionsprinzip einer solchen Bombe. Es basiert auf der Eigenschaft von Uran und einigen Transuran-Elementen wie Plutonium, beim Zerfall mehr als ein Neutron freizusetzen. Diese Elemente können sowohl spontan als auch unter dem Einfluss anderer Neutronen zerfallen.
Das freigesetzte Neutron kann das radioaktive Material verlassen oder mit einem anderen Atom kollidieren und eine weitere Sp altreaktion auslösen. Wenn eine bestimmte Konzentration eines Stoffes (kritische Masse) überschritten wird, beginnt die Zahl der neugeborenen Neutronen, die eine weitere Sp altung des Atomkerns bewirken, die Zahl der zerfallenden Kerne zu übersteigen. Die Anzahl der zerfallenden Atome beginnt wie eine Lawine zu wachsen und neue Neutronen zu gebären, dh es tritt eine Kettenreaktion auf. Für Uran-235 liegt die kritische Masse bei etwa 50 kg, für Plutonium-239 bei 5,6 kg. Das heißt, eine Plutoniumkugel mit einer Masse von etwas weniger als 5,6 kg ist nur ein warmes Stück Metall, und bei einer etwas größeren Masse sind es nur wenige Nanosekunden.
Eigentlich ist die Funktionsweise der Bombe einfach: Wir nehmen zwei Halbkugeln aus Uran oder Plutonium, jede etwas kleiner als die kritische Masse, platzieren sie in einem Abstand von 45 cm, bedecken sie mit Sprengstoff und sprengen sie. Uran oder Plutonium wird zu einem Stück überkritischer Masse gesintert, und eine Kernreaktion beginnt. Alle. Es gibt eine andere Möglichkeit, eine Kernreaktion zu starten - ein Stück Plutonium mit einer starken Explosion zu komprimieren: Der Abstand zwischen den Atomen nimmt ab und die Reaktion beginnt bei einer niedrigeren kritischen Masse. Alle modernen Atomzünder arbeiten nach diesem Prinzip.
Die Probleme der Atombombe beginnen in dem Moment, in dem wir die Explosionskraft erhöhen wollen. Eine einfache Zunahme an sp altbarem Material ist unabdingbar – sobald seine Masse eine kritische erreicht, detoniert es. Verschiedene ausgeklügelte Schemata wurden zum Beispiel entwickelt, um eine Bombe nicht aus zwei Teilen, sondern aus vielen Teilen herzustellen, wodurch die Bombe anfing, einer ausgeweideten Orange zu ähneln, und sie dann mit einer Explosion, aber immer noch mit einer Kraft, zu einem Stück zusammenzusetzen von über 100 Kilotonnen wurden die Probleme unüberwindbar.
H-Bombe
Aber der Brennstoff für Kernfusion hat keine kritische Masse. Hier hängt die mit thermonuklearem Brennstoff gefüllte Sonne über uns, in ihr läuft seit Milliarden von Jahren eine thermonukleare Reaktion ab, und nichts explodiert. Außerdem wird bei der Fusionsreaktion beispielsweise von Deuterium und Tritium (schweres und superschweres Wasserstoffisotop) 4,2-mal mehr Energie freigesetzt als bei der Verbrennung der gleichen Masse Uran-235.
Die Herstellung der Atombombe war eher experimentell als theoretisch. Die Schaffung einer Wasserstoffbombe erforderte die Entstehung völlig neuer physikalischer Disziplinen: die Physik des Hochtemperaturplasmas und der superhohen Drücke. Bevor man mit dem Entwurf einer Bombe begann, war es notwendig, die Natur der Phänomene, die nur im Kern von Sternen auftreten, gründlich zu verstehen. Hier halfen keine Experimente – die Werkzeuge der Forscher waren nur theoretische Physik und höhere Mathematik. Es ist kein Zufall, dass Mathematikern eine gigantische Rolle bei der Entwicklung thermonuklearer Waffen zukommt: Ulam, Tikhonov, Samarsky usw.z.
Klassisch Super
Gegen Ende des Jahres 1945 schlug Edward Teller das erste Design einer Wasserstoffbombe vor, das sogenannte "klassische Super". Um den monströsen Druck und die Temperatur zu erzeugen, die zum Starten der Fusionsreaktion erforderlich sind, sollte eine herkömmliche Atombombe verwendet werden. Das „klassische Super“selbst war ein langer Zylinder, der mit Deuterium gefüllt war. Außerdem wurde eine "Zünd" -Zwischenkammer mit einem Deuterium-Tritium-Gemisch vorgesehen - die Deuterium- und Tritium-Synthesereaktion beginnt bei einem niedrigeren Druck. In Analogie zu einem Feuer sollte Deuterium die Rolle von Brennholz spielen, eine Mischung aus Deuterium und Tritium - ein Glas Benzin und eine Atombombe - Streichhölzer. Ein solches Schema wurde "Pfeife" genannt - eine Art Zigarre mit einem atomaren Feuerzeug an einem Ende. Nach dem gleichen Schema begannen sowjetische Physiker mit der Entwicklung einer Wasserstoffbombe.
Der Mathematiker Stanislav Ulam bewies Teller jedoch mit einem gewöhnlichen Rechenschieber, dass das Auftreten einer Fusionsreaktion von reinem Deuterium in einem "Super" kaum möglich ist und die Mischung eine solche Menge an Tritium benötigen würde, dass für seine Produktion wäre es notwendig, die Produktion von Waffenplutonium in den USA praktisch einzufrieren.
Zuckerquaste
Mitte 1946 schlug Teller ein weiteres Schema für die Wasserstoffbombe vor - den "Wecker". Es bestand aus alternierenden kugelförmigen Schichten aus Uran, Deuterium und Tritium. Während einer nuklearen Explosion der zentralen Plutoniumladung wurden der notwendige Druck und die Temperatur erzeugt, um eine thermonukleare Reaktion in anderen Schichten der Bombe zu starten. Für den "Wecker" war jedoch ein leistungsstarker Atomzünder erforderlich, und die Vereinigten Staaten (wie übrigens auch die UdSSR) hatten Probleme mit der Produktion von waffenfähigem Uran und Plutonium.
Andrej Sacharow hatte im Herbst 1948 einen ähnlichen Plan. In der Sowjetunion wurde das Design "Sloika" genannt. Für die UdSSR, die nicht genug Zeit hatte, waffenfähiges Uran-235 und Plutonium-239 herzustellen, war der Sacharow-Puff ein Allheilmittel. Und hier ist der Grund.
In einer gewöhnlichen Atombombe ist natürliches Uran-238 nicht nur nutzlos (Neutronenenergie während des Zerfalls reicht nicht aus, um eine Sp altung einzuleiten), sondern auch schädlich, weil es gierig sekundäre Neutronen absorbiert und die Kettenreaktion verlangsamt. Daher besteht waffenfähiges Uran zu 90 % aus Uran-235-Isotop. Die aus der thermonuklearen Fusion resultierenden Neutronen sind jedoch zehnmal energiereicher als Sp altneutronen, und natürliches Uran-238, das mit solchen Neutronen bestrahlt wird, beginnt ausgezeichnet zu sp alten. Die neue Bombe ermöglichte die Verwendung von Uran-238 als Sprengstoff, das zuvor als Abfallprodukt g alt.
Das Highlight des Sacharow-„Puffs“war auch die Verwendung einer kristallinen Weißlichtsubstanz – Lithiumdeutrid 6LiD anstelle von akut mangelhaftem Tritium.
Wie oben erwähnt, entzündet sich eine Mischung aus Deuterium und Tritium viel leichter als reines Deuterium. Hier enden jedoch die Vorteile von Tritium, und es bleiben nur noch Nachteile: Tritium ist im Normalzustand ein Gas, das Schwierigkeiten bei der Lagerung bereitet; Tritium ist radioaktiv und verwandelt sich bei seinem Zerfall in stabiles Helium-3, das aktiv dringend benötigte schnelle Neutronen verschlingt, was die H altbarkeit der Bombe auf wenige Monate begrenzt.
Nicht radioaktives Lithiumdeutrid wird bei Bestrahlung mit langsamen Sp altneutronen - die Folgen einer Atomzünderexplosion - zu Tritium. So produziert die Strahlung der primären Atomexplosion augenblicklich genug Tritium für eine weitere thermonukleare Reaktion, und Deuterium ist von Anfang an im Lithiumdeuterium vorhanden.
Eine solche Bombe, RDS-6, wurde am 12. August 1953 erfolgreich auf dem Turm des Testgeländes Semipalatinsk getestet. Die Kraft der Explosion betrug 400 Kilotonnen, und die Streitigkeiten haben noch nicht aufgehört, ob es sich um eine echte thermonukleare Explosion oder um eine superstarke atomare Explosion handelte. Tatsächlich machte die Reaktion der thermonuklearen Fusion im Sacharow-Puff nicht mehr als 20% der gesamten Ladeleistung aus. Den Hauptbeitrag zur Explosion leistete die Zerfallsreaktion von mit schnellen Neutronen bestrahltem Uran-238, dank der die RDS-6 die Ära der sogenannten "schmutzigen" Bomben eröffneten.
Tatsache ist, dass die hauptsächliche radioaktive Kontamination nur die Zerfallsprodukte sind (insbesondere Strontium-90 und Cäsium-137). Im Wesentlichen war die „Sloika“von Sacharow eine riesige Atombombe, die nur geringfügig durch eine thermonukleare Reaktion verstärkt wurde. Es ist kein Zufall, dass nur eine Explosion der „Sloika“82 % Strontium-90 und 75 % Cäsium-137 produzierte, die in der gesamten Geschichte der Existenz des Testgeländes Semipalatinsk in die Atmosphäre fielen.
Amerikanische Bomben
Allerdings waren es die Amerikaner, die die erste Wasserstoffbombe zündeten. Am 1. November 1952 wurde die Mike-Fusionsanlage mit einer Ausbeute von 10 Megatonnen erfolgreich auf dem Elugelab-Atoll im Pazifischen Ozean getestet. Es kann schwierig sein, ein 74 Tonnen schweres amerikanisches Gerät als Bombe zu bezeichnen. "Mike" war ein sperriges Gerät von der Größe eines zweistöckigen Hauses, gefüllt mit flüssigem Deuterium bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (die "Sloika" von Sacharow war ein vollständig transportables Produkt). Das Highlight von „Mike“war jedoch nicht die Größe, sondern das geniale Prinzip, thermonuklearen Sprengstoff zu komprimieren.
Erinnern Sie sich daran, dass die Hauptidee der Wasserstoffbombe darin besteht, Bedingungen für die Fusion (superhoher Druck und Temperatur) durch eine nukleare Explosion zu schaffen. Beim "Puff" -Schema befindet sich die Kernladung in der Mitte und komprimiert daher das Deuterium nicht so sehr, wie es nach außen gestreut wird - eine Erhöhung der Menge an thermonuklearem Sprengstoff führt nicht zu einer Leistungssteigerung - es ist einfach hat keine Zeit zu detonieren. Genau das begrenzt die maximale Kraft dieses Schemas – der stärkste „Puff“Orange Herald der Welt, der am 31. Mai 1957 von den Briten in die Luft gesprengt wurde, gab nur 720 Kilotonnen ab.
Es wäre ideal, wenn du die Atomsicherung im Inneren zum Explodieren bringen könntest, indem du thermonuklearen Sprengstoff zusammendrückst. Aber wie macht man das? Edward Teller brachte eine brillante Idee vor: thermonuklearen Brennstoff nicht mit mechanischer Energie und einem Neutronenfluss zu komprimieren, sondern mit der Strahlung einer primären atomaren Sicherung.
In Tellers neuem Design war der initiierende atomare Knoten von der thermonuklearen Einheit beabstandet. Als die Atomladung abgefeuert wurde, überholte die Röntgenstrahlung die Schockwelle und breitete sich entlang der Wände des zylindrischen Körpers aus, verdampfte und verwandelte die Polyethylen-Innenauskleidung des Bombenkörpers in Plasma. Das Plasma wiederum strahlte weichere Röntgenstrahlen aus, die von den äußeren Schichten des inneren Uran-238-Zylinders - dem "Pusher" - absorbiert wurden. Die Schichten begannen explosionsartig zu verdampfen (dieses Phänomen wird als Ablation bezeichnet). Glühendes Uranplasma ist vergleichbar mit den Jets eines superstarken Raketentriebwerks, dessen Schub mit Deuterium in den Zylinder geleitet wird. Der Uranzylinder kollabierte, der Druck und die Temperatur von Deuterium erreichten ein kritisches Niveau. Derselbe Druck komprimierte das zentrale Plutoniumrohr auf eine kritische Masse und detonierte. Die Explosion des Plutoniumzünders drückte von innen gegen das Deuterium und komprimierte und erhitzte zusätzlich den thermonuklearen Sprengstoff, der detonierte. Der intensive Neutronenfluss sp altet die Uran-238-Kerne im Drücker und verursacht eine sekundäre Zerfallsreaktion. All dies hatte Zeit, bevor die Druckwelle der primären nuklearen Explosion die thermonukleare Einheit erreichte. Die Berechnung all dieser Ereignisse, die in Milliardstel Sekunden ablaufen, erforderte die geistige Anstrengung der stärksten Mathematiker der Welt. Die Macher von "Mike" erlebten keinen Horror, sondern unbeschreibliche Freude an der 10-Megatonnen-Explosion - sie schafften es nicht nur, die Prozesse zu verstehen, die in der realen Welt nur in den Kernen von Sternen ablaufen, sondern ihre Theorien auch experimentell zu testen, indem sie ihre arrangierten eigenen kleinen Stern auf der Erde.
Bravo
Die Amerikaner konnten die Russen in puncto Schönheit des Designs schlagen, konnten ihr Gerät jedoch nicht kompakt machen: Sie verwendeten unterkühltes flüssiges Deuterium anstelle von Sacharows pulverförmigem Lithiumdeutrid. In Los Alamos reagierten sie mit einem gewissen Neid auf den Sacharow-Puff: „Statt einer riesigen Kuh mit einem Eimer Rohmilch verwenden die Russen eine Packung Milchpulver.“Beide Seiten versäumten es jedoch, Geheimnisse voreinander zu verbergen. Am 1. März 1954 testeten die Amerikaner in der Nähe des Bikini-Atolls die 15-Megatonnen-Bravo-Bombe auf Lithiumdeutrid, und am 22. November 1955 explodierte die erste sowjetische zweistufige thermonukleare Bombe RDS-37 mit einer Kapazität von 1,7 Megatonnen das Testgelände Semipalatinsk, wobei fast die Hälfte des Testgeländes zerstört wurde. Seitdem hat sich das Design der thermonuklearen Bombe geringfügig geändert (z. B. erschien ein Uranschild zwischen der Zündbombe und der Hauptladung) und ist kanonisch geworden. Und auf der Welt gibt es keine so groß angelegten Naturrätsel mehr, die durch ein so spektakuläres Experiment gelöst werden könnten. Ist das die Geburt einer Supernova?
