Физика и бомба

Ritus    Советский атомный проект – яркий пример решения сложнейшей научно-технической задачи в очень короткие сроки. Чаще всего решение обычных технических задач состоит в поиске наиболее эффективной комбинации уже известных элементов. Создание термоядерной бомбы опиралось на исследование совершенно дотоле неизведанных процессов. Одним из непосредственных участников проекта был сотрудник ФИАН член-корреспондент РАН Владимир Иванович Ритус – в журнале «Успехи физических наук» вышел его обзор тех задач, в решении которых ему пришлось участвовать. Предлагаем вам некоторые выдержки из этого обзора.

 

   В 1948 г. в Физическом институте АН СССР была создана возглавляемая И.Е. Таммом группа теоретиков, которой специальным постановлением правительства было поручено включиться в исследование термоядерной детонации дейтерий-тритиевой плазмы. В группу И.Е. Тамма вошли А.Д. Сахаров, В.Л. Гинзбург, С.З. Беленький и Ю.А. Романов. В.И. Ритус появился в этой группе в мае 1951 г. после окончания физфака МГУ и неожиданного «откомандирования» из аспирантуры. В.И. Ритус пишет, что это был весьма крутой поворот в судьбе.

    Создание водородной бомбы предполагает, прежде всего, использование ядерной энергии тяжёлого изотопа водорода — дейтерия. При разогреве дейтерия взрывом атомной бомбы до очень высокой температуры порядка 10 кэВ (1 эВ = 1,16 × 104 градусов Кельвина, умноженным на постоянную Больцмана k = 1.38 × 10-16 эрг·град-1) между ядрами дейтерия — дейтонами — происходят термоядерные реакции

 

d + d → p + t + 4МэВ,          (1)
d + d → n + Не3 + 3,3 МэВ    (2)

 

с выделением энергии (4 МэВ и 3,3 МэВ) в виде кинетической энергии продуктов реакции. В результате, энергия, выделяемая при сгорании 1 кг дейтерия, оказывается равной энергии, выделяемой при сгорании 1,3 кг плутония или U235. Образующиеся в этих реакциях ядра трития — тритоны t и ядра гелия Не3 вступают в термоядерные реакции

 

t + d → n + Не4 +17,6 МэВ,        (3)
Не3 +d → р + Не4 +18,34 МэВ,    (4)

 

идущие с заметно бóльшим энерговыделением. Это объясняется очень сильной связью нуклонов (2р + 2n) в ядре Не4 — основного изотопа гелия. Учёт вторичных реакций приводит к тому, что общее энерговыделение при сгорании 1 кг дейтерия увеличивается в 4 раза.

    Теоретически реакции (3), (4) очень интересны тем, что эффективное сечение первой из них при энергии сталкивающихся частиц порядка 100 кэВ обладает резонансным поведением, обязанным возбуждению уровня составного ядра Не5 с энергией, превышающей массу n + Не4 на 17,7 МэВ, а сечение второй реакции аналогично ведет себя при энергии сталкивающихся частиц порядка 260 кэВ благодаря возбуждению уровня составного ядра Li5 с энергией, превышающей массу р + Не4 на 18,6 МэВ. Благодаря большой ширине резонансных уровней ядер Не5 и Li5 сечения реакций (3), (4) существенно увеличиваются и в области малых энергий (~ 10 кэВ) сталкивающихся частиц. В результате сечение dt-реакции превосходит сечение dd-реакции более чем в 100 раз. Сечение Не3d-реакции увеличивается слабее из-за более сильного кулоновского отталкивания дейтона от двукратно заряженного Не3.

    Для существенного увеличения скорости термоядерной реакции А.Д. Сахаров предложил окружить слой дейтерия в описанной выше конструкции оболочкой из обычного природного урана, который должен был замедлить разлет и, главное, существенно повысить концентрацию дейтерия. Мощность термоядерного процесса в дейтерии можно было бы значительно повысить, если с самого начала часть дейтерия заменить тритием. Но тритий очень дорог, а вдобавок ещё и радиоактивен. Поэтому В.Л. Гинзбург предложил использовать вместо него Li6, который под действием нейтронов генерирует тритий. Действительно, термоядерный заряд с дейтеридом лития-6 (Li6D) привёл к радикальному увеличению мощности термоядерного процесса и выделению энергии из урановой оболочки за счёт деления, в несколько раз превосходящему термоядерное энерговыделение.

 

Sakh Ginz

На фото: А.Д. Сахаров и В.Л. Гинзбург на научном семинаре в ФИАНе

 

    Таковы «первая» и «вторая» физические идеи (по терминологии А.Д. Сахарова), заложенные в первый вариант советского термоядерного оружия.

    Основным занятием В.И. Ритуса  и его коллеги Ю.А. Романова, было детальное исследование «второй идеи» — идеи использования Li6D. Они задались вопросом, как повысится энерговыделение, если некоторое количество дейтерия заменить тритием, поскольку сечение dt-реакции в 100 раз больше сечения dd-реакции. Или что произойдёт, если естественный Li, содержащий 7,3 % Li6, не будет полностью очищен от основного, седьмого изотопа, так что концентрация Li6D станет сравнима с концентрацией Li7D. Они занимались соответствующими расчетами энерговыделения.

    Владимир Иванович вспоминает о своем участии в совещании на эту тему:

 

    «Примерно в конце 1951 г. в кабинете у Ю.Б. Харитона произошло совещание с участием И.В. Курчатова, посвящённое проблеме Li6D. Среди приглашённых начальников лабораторий и отделов КБ-11 мы с Юрой оказались самыми молодыми людьми. Именно здесь я впервые увидел И.В. Курчатова, который приехал со своей свитой. Тут же потихоньку стало распространяться его прозвище Борода. Правда, его борода не произвела на меня должного впечатления – она была очень жиденькой. Однако в памяти остались его красивое, интеллигентное лицо, высокий рост и отсутствие интонаций большого начальника.

    Конечно, на это совещание нас послал Андрей Дмитриевич, поскольку мы с Романовым вплотную занимались проблемой Li6D, однако все наши результаты А.Д. сам докладывал. Зал был полон, все сидели, образуя полукруг, но пространство в центре и за креслами оставалось свободным. Курчатов один ходил по этому свободному пространству. Сначала ему докладывал Харитон, потом Сахаров. И, в частности, произошла такая сцена. Курчатов остановился за моим стулом и, облокотившись на его спинку, стал тоже о чем-то говорить. Его борода стала касаться моей тогда ещё имевшейся шевелюры. Мне казалось, что все смотрят на меня, и я не знал, куда деваться

 

    В начале 1953 г. в КБ-11 началась подготовка к испытанию РДС-6с. На весьма представительном совещания физиков-теоретиков и экспериментаторов А.Д. Сахаров рассказал об основных задачах, которые предстояло решить при проведении испытания.

    Прежде всего нужно было установить величину энергии взрыва, надёжность и ход термоядерной реакции. Для этой цели предполагалось измерить:

– время от момента инициирования до начала реакции в изделии;

– потоки γ-лучей и 14-МэВ-ных нейтронов, запись которых позволяет судить о ходе реакции в изделии за стомиллионные доли секунды;

– давление и скорость ударной волны;

– поток γ-квантов от радиоактивного облака.

    Владимиру Ивановичу было поручено связать полное энерговыделение с полным потоком 14-МэВ-ных нейтронов, регистрируемых фторными детекторами, использующими реакцию F19 + n → 2n + F18 с порогом 11 МэВ. Несколько детекторов на разных расстояниях от центра взрыва должны были регистрировать β+-радиоактивность фтора-18 с полупериодом распада 112 минут.

    Измерения 12 августа 1953 г. показали, что при взрыве вышло наружу 6,3 × 1024 нейтронов, образующихся с энергией выше 11 МэВ. Это число оказалось в хорошем согласии с ожидавшимся полным числом быстрых нейтронов, образующихся в термоядерной реакции многослойного заряда мощностью 300 – 400 килотонн тротила.

 

    Энерговыделение «слойки», испытанной 12 августа 1953 г., оказалось столь большим — 400 килотонн — за счет большего, чем в расчёте, реального сечения dt-реакции и использования трития не только в первом, как в расчете, но и во втором легком слое. Это был блестящий успех группы Тамма. И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров стали Героями соцтруда, получили очень большие Сталинские премии, дачи и машины.

 

    Более подробное и детальное описание работы В.И. Ритуса в КБ-11 см. в публикации в журнале «Успехи физических наук», т. 184, № 9.

 

По материалам АНИ «ФИАН-информ»

 

_______________________________________
От редакции. На наш взгляд, подобные научно-исторические обзоры имеют особую ценность. Особенно в свете не утихающих за последние годы споров о советской/российской науке, ее значимости и «секретов успеха». Как можно заметить из работы Владимира Ивановича Ритуса, основным таким секретом всегда были сами ученые. Такие, как И.Е. Тамм, И.В. Курчатов, А.Д. Сахаров и многие другие. Воспоминания об этих уникальных работах и не менее уникальных людях весьма уместны сегодня, в 25-ю годовщину со дня смерти А.Д. Сахарова (21.05.1921 – 14.12.2009).

О проекте

lebedev1

Агентство научной информации «ФИАН-информ» создано Физическим институтом имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) с целью популяризации фундаментальных и прикладных исследований. 

Агентство научной информации «ФИАН-информ» работает в режиме оперативной передачи достоверной информации непосредственно от первоисточника (ФИАН и его научные, научно-технические, производственные и бизнес-партнеры) всем заинтересованным сторонам. 

Целью АНИ «ФИАН-информ» является развитие системы сбора, обработки и распространения научно-технической информации и анонсирования научных, научно-прикладных и научно-образовательных событий.

Rambler's Top100
ФИАН - Информ © 2012 | All rights reserved.